第1章　乳酸转化基础

1.1　绿色化学与生物质资源

1.1.1　绿色化学

人们越来越意识到以牺牲环境换取发展来推进人类进步不是可持续发展方式。当前环境污染现状亟待改善，化学工业的未来必然要走绿色化学之路。

绿色化学也称环境友好化学，是化学工艺高度发展和社会对化学科学发展需求的产物。绿色化学以“原子经济性”为基本原则，研究开发高效、高选择性的新反应，寻求化学原料新来源（如生物质原料），探索新的反应条件，设计开发出对环境友好的化学工艺路线，从源头防止化学污染。绿色化学的核心内容主要包括以无毒害或低毒害的溶剂取代高毒害的溶剂（如以水作溶剂等）、以高回收率或易降解的新材料替代传统材料、反应进行程度、新型分离技术、减少或杜绝“三废”（废气、废液、废渣）的产生等。

图1-1简要概括了绿色化学的主要内容。

图1-1　绿色化学主要内容示意图

绿色化学一般在选取原料时就需要选择可再生资源原料或无毒无害原料。生物质是自然界唯一含碳的可再生资源，以生物质资源为原料大力发展绿色生物制造可从原料源头上降低碳排放。目前，生物质资源转化利用备受关注，生物制造已成为世界各国新一轮科技竞争的战略焦点，全球生物制造产业正处于技术攻坚和商业化应用开拓的关键阶段。中国政府已连续在四个“国家五年规划”中将生物质能利用技术的研究与应用列为重点科技攻关项目。

1.1.2　生物质转化

生物质是指运用大气、水、土壤等经过光合作用而产生的各种有机体，即一切有生命的可以生长的有机物质通称为生物质，其主要特点包括可再生性、低污染性、广泛分布性、资源丰富、碳中性等^［1，2］。生物质按照其来源可分为生产型和未利用资源型两大类，生产型生物质包括糖质类、淀粉类、纤维素类、烃类、油脂类和淡水类、海洋类、微生物类；未利用资源型生物质包括农、林、牧、水产类等废弃物和生活类的污泥、垃圾、粪便等。

在生物质利用技术中对发酵法的研究较早，用发酵法生产燃料乙醇、生物乳酸技术成熟，已实现工业化。以发酵法生产乙醇为例，酵母等微生物以可发酵性糖为食物，摄取原料中的养分，通过体内的特定酶系，经过复杂的生化反应进行新陈代谢，所得发酵液中乙醇质量分数为6%～10%，经精馏得质量分数为95%的工业乙醇并副产杂醇油。“十二五”期间，我国生物制造技术不断突破，产业规模持续扩大，主要生物发酵产品年总产值达到3000亿元以上。

化学转化法是生物质利用的一个重要方法，它从化学工业的角度出发，利用热或催化剂使生物质原料发生反应生成更丰富的产品，使生物质利用具有更为广阔的发展空间。以下是几个生物质化学转化成功案例。荷兰应用技术研究院（TNO）已建成生物质/煤气化费托合成联合发电系统；德国Choren公司成功开发了生物质间接液化生产合成柴油，2002年完成了年产1000t合成柴油的示范工程的运行，2005年建成了年产量1万吨的工业示范工程；日本的MHI完成了生物质气化合成甲醇的系统工程；瑞典的Bio-MeetProject集成生物质气化燃气净化与重整等技术联产电力、二甲醚、甲醇，其系统总体效率达到42%。

上述发酵法和化学转化法两种生物质利用方法中提及的生产生物甲醇、生物乙醇、生物柴油和生物质发电都是生物质能源的利用。实际上，生物质位居世界第四大能源，其地位仅次于石油、煤炭和天然气。生物质能源中硫含量、氮含量低，燃烧后对大气环境污染小。但目前仅有由糖类发酵产生的生物乙醇和由植物油与小分子醇类酯交换得到的生物柴油已经大规模生产。世界上美国、德国、日本、巴西等近20个国家在大力推广使用乙醇汽油，美国更制定了到2030年实现液体燃料20%来源于生物质的战略目标。中国人口众多，石油、天然气等化石资源的人均占有量远低于世界平均水平，加强生物质燃料的研发对促进经济可持续发展、推进能源转型升级、减轻环境压力等方面都具有积极影响。

除生物质能的利用之外，生物质还可用来合成各种高附加值化学品。如利用淀粉、糖、纤维素、木质素、甲壳素和油脂等原料，生产淀粉基精细化学品、糖基精细化学品、纤维素基精细化学品、木质素基精细化学品、生物质基塑料、甲壳素基衍生物和油脂基精细化学品；或者以已产业化的生物甲醇、生物乙醇、生物乳酸为平台分子积极发展下游系列产品，都将是今后生物质研究的热点课题。更重要的是，如果以生物基乙醇、生物基乳酸等制化学品的路线打通，那么来自化石原料的合成化学品就有可能从生物质原料出发而得到，这对减轻我国的大气污染，促进可持续发展具有十分重要的现实意义^［3，4］。另外一个值得关注的地方是，当前社会人们更加注重日常饮食安全问题，希望各种食品添加剂来自更为自然的生物制造，这也加速了生物基化学品的研发进程。