提到生物炼制,可能大家会觉得这个概念有些陌生,实际上,生物炼制离我们并不遥远!制浆造纸采用的就是生物炼制的手段。那么,为什么说生物炼制能撑起非化石能源时代呢?生物炼制又是如何进行的呢?
生物炼制产生的背景
石油,相信大家并不感到陌生吧!大到航空航天,小到衣食住行,我们生活中的一切几乎都与石化炼制有关,社会的生产和运转也都离不开石油。而石油本身除作燃料外,不能被直接利用,需要通过石油炼制、石油化工的处理才能变成各种各样的石油产品和化工产品。
近年来,石油的需求越来越大,但石油的形成过程过于漫长(至少需要200万年,故而称石油为不可再生资源)导致石油资源日益短缺,争夺石油资源成为许多国家的重要战略,甚至成为了许多战争的源头。同时,石化工业对生态环境恶化的问题也日渐突出。
面对资源和环境的双重危机,人类不得不走向可再生资源为主体、核能为补充的能源体系。在这一背景下,科学家们将目标转向了可再生的能源,包括风能、太阳能、水能、生物质能、潮汐能等,经过几十年的快速发展,生物质能成为仅次于煤炭、石油、天然气之后的第四大能源。
随着生物质能的发展,1982年,生物炼制的概念在《Science》上首次被提出。
什么是生物炼制?
人们借鉴石油炼制的概念,提出了生物炼制的概念:利用可再生的生物质为原料,经过化工与生物技术相结合的方法,生产出一系列化学品、材料与能源的过程。
生物炼制和石油炼制相比,具有以下特点:①原料可再生,不受石油资源枯竭的影响;②环境友好,没有净CO2增加,燃烧后产生的CO2可被植物光合作用所利用,生物炼制过程即传统的碳氢化合物(石油)经济模式向碳水化合物(糖)。
生物炼制是如何进行的?
以玉米为例,无论是玉米粒籽还是秸秆、穗轴都可以作为生物炼制的原料。玉米粒籽富含淀粉、蛋白质和油脂,玉米秸秆富含纤维素、半纤素等碳水化合物。通过现代化学加工的方法,可以将玉米蕴含的这些成分进行分离,获得淀粉、纤维素、半纤维素、木质素、油脂和蛋白质等基础原料。这些基础原料既可以直接作为产品,又可以进一步深加工。
淀粉、纤维素、半纤维素等碳水化合物进一步在酶催化或者化学催化的作用下分解成五碳糖和六碳糖,这两类糖可以直接作为微生物发酵的原料合成二碳到六碳的平台化合物,如乙醇、乳酸、丁二醇等。
木质素可以作为原料通过化学催化生成芳烃类化合物。二碳到六碳的平台化合物及芳烃类化合物又可以作为基础的化工原料,通过现代的有机化学工业体系合成纤维、塑料、橡胶、医药品、化肥、农药等。
玉米油脂可以在脂肪酶的催化下合成生物柴油。生物柴油、乙醇、丁醇等可以作为能源产品,用作燃料供汽车、飞机及轮船等使用。
生物炼制的发展历程
第一代生物炼制的列子是干法粉碎乙醇制造厂,以粮食为原料,产生一定量的乙醇、副产品饲料以及二氧化碳。在生产过程中基本上没有任何灵活性。比如,粮食酿酒。
第二代生物炼制的例子为现行的湿法粉碎技术。这个技术以非粮食作物为原料生产一系列产品,包括淀粉、生物乙醇、玉米油、生物柴油等等。该技术也是当今主流技术,非粮食作物可以部分被利用。比如,使用木材、竹子中的纤维素造纸。
全球生物炼制发展至今已走过30多年,尽管仍存在技术的接受程度、一体化集成和资金问题等挑战,但生物炼制工业也逐渐走向了商业化。
第三代生物炼制诞生的背景和意义
2003年,美国发布了《发展和推进生物质基产品和生物能源》报告和《生物质技术路线图》,并斥巨资启动了“生物质计划”。同样,欧洲也实施了“欧洲2005-2008可持续能源战略”,计划4年内将生物乙醇的产量提高5倍,建立450个生物质资源处理工程。另外,日本制定了“阳光计划”。巴西的生物炼制产业,尤其是生物柴油产业一直走在世界前列。
当然,我国政府也是高度关注生物炼制产业的发展。2006年,“生物炼制发展计划”首次被列入国家“十一五”规划中。
从长远看,生物炼制产业具有广阔的发展前景,但是,我们必须知道,实现对生物质资源的充分利用,才能减少对不可再生资源的过度依赖,缓解能源危机。刚才我们有提到,现在主流的是第二代生物炼制技术,但第二代生物炼制在技术上还存在很多的局限性和困难,第一步在技术方面存在的最大阻碍就是分离。由于生物质原料成分复杂,往往在提取一种组分的同时造成其他组分分子结构的破坏,往往产品分离困难。在此背景下,广州楹鼎生物科技有限公司自主研发的第三代集成生物炼制技术应运而生。
第三代集成生物炼制技术的特点
楹鼎生科自主研发的ESⅢ集成生物炼制技术以农、林废弃物为原料,通过在生物炼制的手段上创新,将生物质的细胞壁组分完全解离。同时,区别于第一代、第二代生物炼制单一产物的生产,楹鼎生科的ESⅢ集成生物炼制技术的多产物联产优势不仅可以降低生产成本、增强盈利能力,还可以真正实现生物质的全组分100%利用。
在生产工艺方面,楹鼎生科的独有方法温和环保,可以在制备提取过程中尽可能地保留木质素原有的天然高分子结构,使其优秀特性不被破坏,实现了其芳香族高分子化合物的分子功能性,开发了有前景的高值利用技术;把纤维素成分转化为醋酸纤维、微晶纤维素、纳米纤维等高附加值产品;把脱离了木质素和纤维素的半纤维素转化为低聚糖液、细菌纤维素、糠醛等产品。
利用生物炼制实现主要能源和化工产品的生产路线转移,发展以生物炼制为核心加工手段的生物经济,必将逐步替代以化学炼制为核心加工手段的石油经济,实现工业与生态的协调发展。