是疯狂的未来设想还是成功的创举？在生物化工的平台上化学工业处于什么样的地位？新的“绿色黄金”有什么样的商机？其竞争力如何？在化工原材料从煤炭、石油类“黑金”转移到新的、以生物技术为基础的“绿金”时，化工技术的当务之急仍然是继续增强绿色产品的竞争力。

Sonja Beyer  本文作者系PROCESS德文版杂志编辑。

生物原材料要想代替石油出现在化工企业价值增值链的最前端，并成功地进入到化工原材料领域，还需要经过一段很艰苦的历程。因为只要还有足够的石油资源，石油产品的价格就不会太高，从石油原材料转换到生物质基原材料的最大障碍是成本太高。“最大的问题是生物质基原材料价格的波动很大，例如糖和植物油价格的反复波动。”Evonik公司生物技术中心的负责人Thomas Haas先生说。基于原材料价格的波动，使得以生物原材料生产出来的每吨碳的价格始终高于石油原材料的同类产品。例如，2011年3月利用生物原材料生产出来的乙醇每吨价格为1?508欧元，而丙烯的价格为每吨1?384欧元。据Haas先生介绍，利用生物原材料灵活地生产流程生产乙醇、丙烯，具有很强的竞争力。

需要创新动力

影响产品竞争力的不仅包括原材料的价格，还包括工艺技术。在许多可再生生物原材料流程工艺生产过程中的工艺技术已经是一种“白色”技术了。但这些技术在研发过程中所耗费的时间和资金较多，例如以目标反应为主导的微生物工程，它们进行了生物催化器的尝试，一种能够把最坚固的物质粉碎的工艺技术，这样的解决方案需要很长的时间才能完成。因此，Haas先生计划用10年的时间来完成从设计到商业化的全套方案，实现利用可再生原材料生产化工原材料的目标。

这一研发工作会受到工艺过程的限制，例如：生物工程中下游工程的限制。“其中的一个障碍就是最终产品必须满足化工技术标准要求的卫生清洁标准。而微生物工程的原材料生产的产品都在发酵液中。”Uhde生物技术公司的Joachim Schulze博士解释说。另外，在发酵液中生物生产的成品量非常有限，或所使用的微生物没有达到产品浓度的要求。“创新性的解决方案，例如原位产品分离技术或低pH值时的过程控制等解决方案需要进一步研发。”Evonik公司的专家Haas先生说。

下游技术的研发费用非常高，从发酵液中萃取产品占整个生产过程总成本的80%。另一方面，从实验室到生产实际的按比例放大，实验室生物技术与传统化工技术的相互结合也都要有所发展。而恰恰在新产品的开发过程中，这种混合化工技术是最常见的，Haas先生说：“美国和中国都在努力研发磷酸盐缓冲液，这是一种生物制剂与化学制剂化的混合物。”

消耗更少的原材料

可食性生物物质的使用，尤其是生物燃料的生产并不是都得到了认可。生物燃料在满足E10燃料标准的问题上表现得最为突出。其中最常见的反对论点是“许多可能的食品就这样从盘子上到了油箱里”。原材料的使用却有别于这一说法，对此，Schulze先生说得非常清楚：“与食品和燃料的讨论不同，化学工业企业没有像燃料生产企业那样消耗很多的原材料或者食品。从理论上讲，全球的化学原材料需求量都可以用可再生原材料来生产，且不会对人类的生存、生活带来影响。”

因此，在加大生物燃料研发时不存在食物与燃料的竞争问题。利用生物质基生产燃料、化工原料、产品的生产设备已经进入了第二代，它们已经不再像第一代那样消耗很多的淀粉和糖，而是使用源于植物废弃物的木质纤维素，例如源于稻草和甘蔗渣的木质纤维素、食品和糖工业生产出来的含有纤维素的下脚料。

这些原来被废弃掉的植物下脚料被南德化工集团公司利用Sunliquid工艺技术在特种酶的帮助下把纤维素和半纤维素分解为单糖、纤维素乙醇。从2009年开始，南德化工集团公司就对这种工艺技术进行了测试，到2011年完成示范设备调整和试车，并于7月底在Straubing市举行了生产厂的奠基仪式。南德化工集团公司打算把设备搬迁到Straubing市，在那里每年生产1?000?t利用木质纤维素生产的生物乙醇，并计划在将来能够利用这一设备使用其他的可再生原材料。

霍伦霍夫研究所化工生物工程技术CBP项目中广泛采用木质纤维素这种原材料。在Leuna市CBP项目的试验基地中，霍伦霍夫研究所和它的合作伙伴正在积极努力地研究。Linde KCA公司不仅希望成为这一技术领域的总承包商，而且希望成为几个研发项目的合作伙伴，开发具有自主知识产权的工艺技术。

美国的化工技术集团公司Dow Chemical公司把甘蔗也当作一种重要的可再生原材料资源了。早在2007年，这家公司就在以甘蔗为主要可再生原材料研发方面投入了大量的精力和财力，在巴西建成的生产基地中就从甘蔗中生产出了聚乙烯。当时，巴西的Crystalsev公司也参与了甘蔗项目的研究开发。现在，美国的这家集团公司沿着这一主攻方向继续研发，在一些合资企业中与日本的Riesen Mitsui公司合作，打算首先用甘蔗生产乙醇。为此，在巴西的圣维多利亚市将新建了一套年产2.4亿L乙醇的流程工艺设备。新设备计划于2011年第三季度开始建造。当这一设备具备生产能力之后，就将开始生产塑料产品生产用的原材料。项目最终完成后，Dow公司和Mitsui公司将负责利用从甘蔗中生产出来的乙醇生产生物聚合物。

具有潜力的工艺技术

Sulzer Chemtech公司流程工艺技术和聚合物技术部的总经理Torsten Wintergerste博士说：“目前，第一个具有市场竞争力，且不以石油为原材料的工艺技术已经出现了。利用生物质基生产的聚合物（如PLA）已经能够向传统的石油化工产品发起挑战。”这家企业设计制造生产从发酵牛奶乳酸（LA）中提取聚乳酸（PLA）的设备和关键部件。“在向用户提供了第一台小型设备之后，即开始了大型设备的设计工作。这一领域有很大的发掘潜力，Sulzer公司计划加强这方面的开发。”Wintergerste先生补充说。研发包括为瑞士一家企业设计制造的PLA产品的半工业化生产设备。

在提取聚乳酸技术方面，Uhde公司也给予了极高的关注，他们与c-LEcta生物技术公司在微生物菌种的工业化生产方面结成了密切合作的研发团队。Uhde公司希望能够通过按比例放大的工业化生产方式对糖发酵提取乳酸的生物工程技术生产方式进行改进与完善。

非常吸引人但目前尚未完全开发成功的技术有乳酸/聚乳酸的生产。对此Uhde公司的专家Schulze先生说道“未来最感兴趣的生产领域是琥珀酸的生产，因为它有现成的核心工业园，有代替顺丁烯二酸酐的潜力。”因此，Uhde公司和它的合作伙伴Myriant公司正在努力制造一台示范设备，计划2012年年底时要在美国投产使用，这台示范设备将每年生产15000t产品。

竞争从未停止，巴斯夫公司也在进行琥珀酸的利用。从2009年起，巴斯夫公司就在合作协调项目的框架内与CSM公司的子公司Purac开始了以琥珀酸为生物基原材料的生产工艺开发了。在巴斯夫琥珀菌工程——Bakterium Basfia
succiniciproducens合作项目的框架内，化学品生产所使用的原材料是天然的化学产品，包括了多种多样的可再生生物质原材料（C3、C5和C6）的加工处理。目前两家公司正在商谈成立一家合资公司以便能够把他们合作开发的工艺方法尽快的投放市场。最迟到2013年在西班牙建成一条年产25000t的生物发酵生产线，之后是建成一套年产50?000?t的大型流程设备。因为他们预计，用户对这种产品的需求会不断增大。

这种极具未来潜力的化学基本原材料是化工企业离不开的，对化工企业的生产有着重要意义和作用。其他具有竞争力的化工基础原材料已收录在美国能源署2004年的“最高值添加生物质化学品”报告中了。除了琥珀酸以外，还有其他11种化合物在碳水化合物为基础的价值增值链中有着特别重要的意义（参见图1）。

不断扩大的原材料基地

生物化工技术并非那么简单，“我们只能一步一步地改进完善现有的工艺技术。我们已经开始改进完善乳酸（LA）、聚乳酸（PLA）生物工程技术，在今后的2~3年内我们主要关注琥珀酸技术领域。”Schulze先生说道。从中期发展的角度来看，估计化工和石油工业领域会出现一个“原材料转型期”，石油作为全球含碳量领先的原材料会保留下来，但基础原材料的范围却不断地扩大。

化工产品生产的原材料将会逐渐地被其他原材料所补充和代替。其他古生物化工原材料，例如天然气也将会有越来越重要的意义，例如利用生产过程中的中间产品——合成烯烃气体生产短链烯烃。由于利用乙醇间接合成已经被认为是一种非常成熟的技术了，因此利用费托工艺方法从合成气体中合成选择性的烯烃生产还远远达不到它的水平。这一说法尤其适用于直接从天然气中生产芳香类或功能性产品。另外，煤炭也可能成为化工企业最强大的原材料来源，在重要的工业化国家里都有着足够的煤炭资源储备。但若要把煤炭直接当做化工原材料使用，会因化工生产过程排放的CO2问题被人们打上一个大大的问号。这样也就迫切要求开发出合理的、包括地下存储CO2在内的煤炭应用解决方案。

根据被调查专家们的意见，可再生原材料在化工价值增值链中的应用分为两个阶段。从中期发展的角度来看可以预计：合成产品会在食品和饲料两大工业领域中齐头并进，在化工生产过程中经济地利用好各种可用的副产品。然而，从长期发展的角度来看生物质综合利用终究会脱颖而出，而且也包括了能源、生物合成气体和生物燃油。作为潜在的生物质基原材料与石油的竞争中，化工企业和流程设备制造企业认为，到2025年，生物质基原材料将会占据25%的市场份额。

图1  这12种化工原材料是生物原材料化工生产中重要基础原材料

图2  重要的可再生原材料分类