第1章　乳酸轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)

1.1　綠色化學(xué)與生物質(zhì)資源

1.1.1　綠色化學(xué)

人們越來越意識到以犧牲環(huán)境換取發(fā)展來推進(jìn)人類進(jìn)步不是可持續(xù)發(fā)展方式。當(dāng)前環(huán)境污染現(xiàn)狀亟待改善，化學(xué)工業(yè)的未來必然要走綠色化學(xué)之路。

綠色化學(xué)也稱環(huán)境友好化學(xué)，是化學(xué)工藝高度發(fā)展和社會對化學(xué)科學(xué)發(fā)展需求的產(chǎn)物。綠色化學(xué)以“原子經(jīng)濟(jì)性”為基本原則，研究開發(fā)高效、高選擇性的新反應(yīng)，尋求化學(xué)原料新來源（如生物質(zhì)原料），探索新的反應(yīng)條件，設(shè)計(jì)開發(fā)出對環(huán)境友好的化學(xué)工藝路線，從源頭防止化學(xué)污染。綠色化學(xué)的核心內(nèi)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(tǒng)材料、反應(yīng)進(jìn)行程度、新型分離技術(shù)、減少或杜絕“三廢”（廢氣、廢液、廢渣）的產(chǎn)生等。

圖1-1簡要概括了綠色化學(xué)的主要內(nèi)容。

綠色化學(xué)一般在選取原料時(shí)就需要選擇可再生資源原料或無毒無害原料。生物質(zhì)是自然界唯一含碳的可再生資源，以生物質(zhì)資源為原料大力發(fā)展綠色生物制造可從原料源頭上降低碳排放。目前，生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化利用備受關(guān)注，生物制造已成為世界各國新一輪科技競爭的戰(zhàn)略焦點(diǎn)，全球生物制造產(chǎn)業(yè)正處于技術(shù)攻堅(jiān)和商業(yè)化應(yīng)用開拓的關(guān)鍵階段。中國政府已連續(xù)在四個(gè)“國家五年規(guī)劃”中將生物質(zhì)能利用技術(shù)的研究與應(yīng)用列為重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目。

1.1.2　生物質(zhì)轉(zhuǎn)化

生物質(zhì)是指運(yùn)用大氣、水、土壤等經(jīng)過光合作用而產(chǎn)生的各種有機(jī)體，即一切有生命的可以生長的有機(jī)物質(zhì)通稱為生物質(zhì)，其主要特點(diǎn)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(zhì)按照其來源可分為生產(chǎn)型和未利用資源型兩大類，生產(chǎn)型生物質(zhì)包括糖質(zhì)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(zhì)包括農(nóng)、林、牧、水產(chǎn)類等廢棄物和生活類的污泥、垃圾、糞便等。

在生物質(zhì)利用技術(shù)中對發(fā)酵法的研究較早，用發(fā)酵法生產(chǎn)燃料乙醇、生物乳酸技術(shù)成熟，已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。以發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇為例，酵母等微生物以可發(fā)酵性糖為食物，攝取原料中的養(yǎng)分，通過體內(nèi)的特定酶系，經(jīng)過復(fù)雜的生化反應(yīng)進(jìn)行新陳代謝，所得發(fā)酵液中乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～10%，經(jīng)精餾得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%的工業(yè)乙醇并副產(chǎn)雜醇油。“十二五”期間，我國生物制造技術(shù)不斷突破，產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，主要生物發(fā)酵產(chǎn)品年總產(chǎn)值達(dá)到3000億元以上。

化學(xué)轉(zhuǎn)化法是生物質(zhì)利用的一個(gè)重要方法，它從化學(xué)工業(yè)的角度出發(fā)，利用熱或催化劑使生物質(zhì)原料發(fā)生反應(yīng)生成更豐富的產(chǎn)品，使生物質(zhì)利用具有更為廣闊的發(fā)展空間。以下是幾個(gè)生物質(zhì)化學(xué)轉(zhuǎn)化成功案例。荷蘭應(yīng)用技術(shù)研究院（TNO）已建成生物質(zhì)/煤氣化費(fèi)托合成聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)；德國Choren公司成功開發(fā)了生物質(zhì)間接液化生產(chǎn)合成柴油，2002年完成了年產(chǎn)1000t合成柴油的示范工程的運(yùn)行，2005年建成了年產(chǎn)量1萬噸的工業(yè)示范工程；日本的MHI完成了生物質(zhì)氣化合成甲醇的系統(tǒng)工程；瑞典的Bio-MeetProject集成生物質(zhì)氣化燃?xì)鈨艋c重整等技術(shù)聯(lián)產(chǎn)電力、二甲醚、甲醇，其系統(tǒng)總體效率達(dá)到42%。

上述發(fā)酵法和化學(xué)轉(zhuǎn)化法兩種生物質(zhì)利用方法中提及的生產(chǎn)生物甲醇、生物乙醇、生物柴油和生物質(zhì)發(fā)電都是生物質(zhì)能源的利用。實(shí)際上，生物質(zhì)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(zhì)能源中硫含量、氮含量低，燃燒后對大氣環(huán)境污染小。但目前僅有由糖類發(fā)酵產(chǎn)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(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)。世界上美國、德國、日本、巴西等近20個(gè)國家在大力推廣使用乙醇汽油，美國更制定了到2030年實(shí)現(xiàn)液體燃料20%來源于生物質(zhì)的戰(zhàn)略目標(biāo)。中國人口眾多，石油、天然氣等化石資源的人均占有量遠(yuǎn)低于世界平均水平，加強(qiáng)生物質(zhì)燃料的研發(fā)對促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型升級、減輕環(huán)境壓力等方面都具有積極影響。

除生物質(zhì)能的利用之外，生物質(zhì)還可用來合成各種高附加值化學(xué)品。如利用淀粉、糖、纖維素、木質(zhì)素、甲殼素和油脂等原料，生產(chǎn)淀粉基精細(xì)化學(xué)品、糖基精細(xì)化學(xué)品、纖維素基精細(xì)化學(xué)品、木質(zhì)素基精細(xì)化學(xué)品、生物質(zhì)基塑料、甲殼素基衍生物和油脂基精細(xì)化學(xué)品；或者以已產(chǎn)業(yè)化的生物甲醇、生物乙醇、生物乳酸為平臺分子積極發(fā)展下游系列產(chǎn)品，都將是今后生物質(zhì)研究的熱點(diǎn)課題。更重要的是，如果以生物基乙醇、生物基乳酸等制化學(xué)品的路線打通，那么來自化石原料的合成化學(xué)品就有可能從生物質(zhì)原料出發(fā)而得到，這對減輕我國的大氣污染，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義^［3，4］。另外一個(gè)值得關(guān)注的地方是，當(dāng)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(xué)品的研發(fā)進(jìn)程。