第1章　乳酸轉化基礎

1.1　綠色化學與生物質資源

1.1.1　綠色化學

人們越來越意識到以犧牲環境換取發展來推進人類進步不是可持續發展方式。當前環境污染現狀亟待改善，化學工業的未來必然要走綠色化學之路。

綠色化學也稱環境友好化學，是化學工藝高度發展和社會對化學科學發展需求的產物。綠色化學以“原子經濟性”為基本原則，研究開發高效、高選擇性的新反應，尋求化學原料新來源（如生物質原料），探索新的反應條件，設計開發出對環境友好的化學工藝路線，從源頭防止化學污染。綠色化學的核心內容主要包括以無毒害或低毒害的溶劑取代高毒害的溶劑（如以水作溶劑等）、以高回收率或易降解的新材料替代傳統材料、反應進行程度、新型分離技術、減少或杜絕“三廢”（廢氣、廢液、廢渣）的產生等。

圖1-1簡要概括了綠色化學的主要內容。

綠色化學一般在選取原料時就需要選擇可再生資源原料或無毒無害原料。生物質是自然界唯一含碳的可再生資源，以生物質資源為原料大力發展綠色生物制造可從原料源頭上降低碳排放。目前，生物質資源轉化利用備受關注，生物制造已成為世界各國新一輪科技競爭的戰略焦點，全球生物制造產業正處于技術攻堅和商業化應用開拓的關鍵階段。中國政府已連續在四個“國家五年規劃”中將生物質能利用技術的研究與應用列為重點科技攻關項目。

1.1.2　生物質轉化

生物質是指運用大氣、水、土壤等經過光合作用而產生的各種有機體，即一切有生命的可以生長的有機物質通稱為生物質，其主要特點包括可再生性、低污染性、廣泛分布性、資源豐富、碳中性等^［1，2］。生物質按照其來源可分為生產型和未利用資源型兩大類，生產型生物質包括糖質類、淀粉類、纖維素類、烴類、油脂類和淡水類、海洋類、微生物類；未利用資源型生物質包括農、林、牧、水產類等廢棄物和生活類的污泥、垃圾、糞便等。

在生物質利用技術中對發酵法的研究較早，用發酵法生產燃料乙醇、生物乳酸技術成熟，已實現工業化。以發酵法生產乙醇為例，酵母等微生物以可發酵性糖為食物，攝取原料中的養分，通過體內的特定酶系，經過復雜的生化反應進行新陳代謝，所得發酵液中乙醇質量分數為6%～10%，經精餾得質量分數為95%的工業乙醇并副產雜醇油。“十二五”期間，我國生物制造技術不斷突破，產業規模持續擴大，主要生物發酵產品年總產值達到3000億元以上。

化學轉化法是生物質利用的一個重要方法，它從化學工業的角度出發，利用熱或催化劑使生物質原料發生反應生成更豐富的產品，使生物質利用具有更為廣闊的發展空間。以下是幾個生物質化學轉化成功案例。荷蘭應用技術研究院（TNO）已建成生物質/煤氣化費托合成聯合發電系統；德國Choren公司成功開發了生物質間接液化生產合成柴油，2002年完成了年產1000t合成柴油的示范工程的運行，2005年建成了年產量1萬噸的工業示范工程；日本的MHI完成了生物質氣化合成甲醇的系統工程；瑞典的Bio-MeetProject集成生物質氣化燃氣凈化與重整等技術聯產電力、二甲醚、甲醇，其系統總體效率達到42%。

上述發酵法和化學轉化法兩種生物質利用方法中提及的生產生物甲醇、生物乙醇、生物柴油和生物質發電都是生物質能源的利用。實際上，生物質位居世界第四大能源，其地位僅次于石油、煤炭和天然氣。生物質能源中硫含量、氮含量低，燃燒后對大氣環境污染小。但目前僅有由糖類發酵產生的生物乙醇和由植物油與小分子醇類酯交換得到的生物柴油已經大規模生產。世界上美國、德國、日本、巴西等近20個國家在大力推廣使用乙醇汽油，美國更制定了到2030年實現液體燃料20%來源于生物質的戰略目標。中國人口眾多，石油、天然氣等化石資源的人均占有量遠低于世界平均水平，加強生物質燃料的研發對促進經濟可持續發展、推進能源轉型升級、減輕環境壓力等方面都具有積極影響。

除生物質能的利用之外，生物質還可用來合成各種高附加值化學品。如利用淀粉、糖、纖維素、木質素、甲殼素和油脂等原料，生產淀粉基精細化學品、糖基精細化學品、纖維素基精細化學品、木質素基精細化學品、生物質基塑料、甲殼素基衍生物和油脂基精細化學品；或者以已產業化的生物甲醇、生物乙醇、生物乳酸為平臺分子積極發展下游系列產品，都將是今后生物質研究的熱點課題。更重要的是，如果以生物基乙醇、生物基乳酸等制化學品的路線打通，那么來自化石原料的合成化學品就有可能從生物質原料出發而得到，這對減輕我國的大氣污染，促進可持續發展具有十分重要的現實意義^［3，4］。另外一個值得關注的地方是，當前社會人們更加注重日常飲食安全問題，希望各種食品添加劑來自更為自然的生物制造，這也加速了生物基化學品的研發進程。