第九章化工新技术与展望(4学时)

第九章化工新技术与展望第一节生物化工技术1.1 概述近年来，石油天然气等价格飞涨，下游企业面临严峻的运行危机。

解决危机的主要途径之一就是转向以生物可再生资源为原料，反应条件温和、能耗低、选择性好、过程高效、可持续发展的新领域——生物化工。

生物化工是化学工程的一个前沿分支。

它应用化学工程的原理和方法，研究解决有生物体或生物活性物质参与的生产过程即生物反应过程中的基础理论及工程技术问题。

它作为生物化学、微生物学及化学工程之间的边缘学科，是生物技术中将近代生物学的成就转变成生产力所必不可少的重要组成部分。

1.1.1 生物化工的定义及特点生物化工是化学工程与技术一级学科中包括的主要二级学科之一，是生物工程领域的重要组成部分，是运用化学工程科学的原理和方法，对生物技术实验成果加以开发和工程化的一门学科，广泛服务于化学工业、制药工业、食品工业、农药工业、环境生态保护等领域，对国民经济的发展具有重要意义，有很强潜在的经济效益和社会效益。

生物化工具有以下特点：(1)原料可再生性：采用生物技术生产化学品一般都以光合作用产物及其加工品等可再生资源为原料，来源丰富，价格较低，如淀粉、糖蜜、农作物的秸杆等，在生产过程中产生的废料危害性较小，有利于经济的可持续发展，促进农业产业化发展。

但原料成分常难以控制，给生产过程和产品质量控制带来一定困难和影响。

(2)生产过程温和：在菌种的催化作用下，生产过程一般都在常温常压下进行，区别于许多化学反应需在高温、高压、强酸、强碱等剧烈条件下进行，因而安全性极高。

但酶催化剂易于失活，易受环境的影响和杂菌的污染一般不能长时间使用，常以分批操作生产为主。

(3)反应专一性：由生物酶催化反应一般都有很好的专一性，不仅有底物专一性，而且还有立体化学专一性，因此现代生物技术过程副反应极少。

(4)设备同一性：生物技术生产化学品的设备一般都很相似，常可更换生产品种，而不像传统化工设备有明显的专一性。

1.1.2 生物化工技术发展概况生物化工发展至今经历了一个多世纪。

它的发展大致概括为3个时期：从19世纪80年代起到20世纪30年代末，不少发酵产品，如乳酸、面包酵母、乙醇、柠檬酸等相继投入生产，这是属于第一代生物化工产品。

这一时期的特点是工业生产是实验室规模的简单放大，人们着重于工艺的研究，而未形成严格的工程学科。

第二代的生物化工产品从20世纪40年代随着抗生素工业的兴起而出现的。

在这一时期，在具有通气搅拌装置的发酵罐中大量培养青霉素产生菌的方法出现了，代替了原来用上千个瓶子进行表面培养的产生方法。

这一时期，化工工程师成功地解决了好气性微生物的大规模培养中的氧供应、培养基和空气的灭菌以及产品提取中的关键技术和设备问题，并从中建立了发酵过程中的搅拌通气、培养基和空气灭菌等单元操作，为生物化学工程的建立奠定了初步的理论基础。

从20世纪70年代末起，随着现代生物技术的兴起，生物化工又为利用重组微生物、动植物细胞大规模培养以生产药用多肽及蛋白质、疫苗、单克隆抗体等服务，从而出现了第三代生物化工产品。

如用DNA重组体菌种生产的胰岛素、干扰素等。

这些产品及其生产过程特点，进一步要求生物化学工程开拓新的生物反应器以及新的单元操作。

1.2 生物化工技术应用领域1.2.1 生物农药生物农药是指以生物活体如细菌、真菌、病毒等微生物或其代谢产物为原料而制成的，或者是通过转基因、仿生合成具有特异作用的，用来防治农业病虫草鼠害和卫生害虫等有害生物的生物活体及其生理活性物质，并可以制成商品上市流通的生物源制剂，包括细菌、病毒、真菌、线虫、植物生长调节剂和抗病虫草害的转基因植物等。

生物农药具有化学农药所不具备的杀虫效率高、不产生公害、对人体和家畜都没有副作用、环境兼容性好的优点，将逐步取代化学农药，广泛应用于农作物防病、治虫、除草等方面，具有广阔的发展前景。

生物农药具有高效、广谱、不易产生抗药性、对人畜安全、不污染环境等特点，而且原料易获得，生产成本低。

生物农药与化学农药相比，其有效成分来源、工业化生产途径、产品的杀虫防病机理和作用方式等诸多方面，有着许多本质的区别，是当前农作物病虫害防治中具有广阔发展前景的一种农药。

生物农药主要具有以下几方面的优点：①选择性强，对人畜安全。

②生态环境影响小。

③可以防止害虫流行病。

④可利用农副产品生产加工。

我国生物农药的研究起始于20世纪50年代初，至今已有50多年的历史。

回顾生物农药的发展历程可分为三个阶段：①从20世纪50年代初到70年代末，仿制国外成果或直接引进，成功开发了 Bt杀虫剂、井冈霉素、公主岭霉素、多效霉素等生物农药，开辟了农用抗生素生物农药的第一个里程碑。

②从1980年初国家恢复农药登记管理制度，对生物农药进行了重新登记注册，正式登记了生物农药品种有9个，到1995年底又临时登记了10个品种，规范了生物农药的生产、布点和应用。

生物农药发展进入一个相对规范、平稳的发展阶段，成为无公害农药制剂中的一支生力军。

③从1996年至2006年，生物农药进入了快速、健康的发展阶段。

1994年我国将生物农药研制和环境保护列入《中国21世纪议程》白皮书，农业部专门成立了中国绿色食品发展中心，从政府角度规范绿色农业的发展，同时制定了AA级绿色食品生产中应用生物农药防治病虫草害的标准，促进了生物农药的发展。

同时科技部将生物农药列入国家“九五”攻关课题和863计划中，并提出了产业化的要求，进一步加快了生物农药商品化的步伐。

到目前已形成40余家研究机构、600余人的专业研发队伍和约200家的生产企业，少数品种已大批量出口到东南亚和美国。

迎来了生物农药发展的第二个春天，同时为我国绿色食品和无公害食品的生产做出了重要贡献。

1.2.2 生物柴油柴油分子是由15个左右的碳链组成的。

研究发现，植物油分子则一般由14-18个碳链组成，与柴油分子中的碳链数相近。

因此，生物柴油就是一种用油菜籽等可再生植物油加工制取的新型燃料。

按化学成分分析，生物柴油燃料是一种高脂酸甲烷，它是通过以不饱和油酸C18为主要成分的甘油脂分解而获得的。

与常规柴油相比，生物柴油具有下述无法比拟的性能。

一是点火性能佳。

生物柴油的关键指标十六烷值较高，大于45(石化柴油为45)，抗爆性能优于石化柴油，从而使催化剂和发动机机油的使用寿命加长；二是燃烧更充分。

生物柴油含氧量高于石化柴油，可达11％，在燃烧过程中所需的氧气量较石化柴油少，燃烧残留物呈微酸性；三是适用性广。

生物柴油除了可作为公交车、卡车等柴油机的替代燃料外，还可作为海洋运输、水域动力设备、地质矿业设备、燃料发电厂等非道路用柴油机的替代燃料；四是保护动力。

生物柴油较柴油的运动粘度稍高．在不影响燃油雾化的情况下，更容易在汽缸内壁形成一层油膜，从而提高运动机件的润滑性，降低机件磨损；五是通用性好。

使用生物柴油时无须改动柴油机，可直接添加使用，无需另添设加油及储运设备，无需人员的特殊技术训练；六是安全可靠。

生物柴油的闪点较石化柴油高，有利于安全储运和使用；七是节能降耗。

生物柴油其本身即为燃料，以一定比例与石化柴油混合使用可以降低油耗、提高动力性；八是气候适应性好。

生物柴油由于不含石蜡，低温流动性佳，适用区域广泛；九是功用多。

生物柴油不仅可做燃油又可作为添加剂促进燃烧效果，从而具有双重功能。

从发展历程来看，生物柴油的生产方法主要有直接混合法、微乳化法、热解法、酯交换法和加氢裂化法，工艺对比如表9.1所示。

表9.1 生物柴油制备方法比较由表9.1可以看出，各种方法在降低植物油黏度、提高挥发度、改善低温性能等方面有共同特点，可以使植物油作为柴油发动机燃料使用。

但不同制备方法各存在不足之处，如直接混合法和微乳液法只是简单地通过与其他原料混合来降低黏度，产品性质不稳定，长期使用会对发动机产生很大损害；高温裂解法和加氢裂化法是通过化学法改变分子结构，它们虽然从根本上解决了生物柴油黏度大、挥发性低的问题，但高温裂解法得到的产品质量较差，加氢裂化法成本较高。

比较而言，只有酯交换法不但能从根本上改变分子结构，而且其工艺简单，设备投资小，适合大规模生产，故被普遍应用，并成为目前研究的重点。

我国的生物技术在20世纪70年代中期开始起步，国内许多研究单位相继开展了基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程的研究，为我国生物技术的发展奠定了基础。

可持续发展、安全、环保深入人心，生物燃料已成为不可阻挡的发展趋势。

乙醇汽油、生物柴油的消费受到各国政府激励政策的鼓励，一股“绿色燃料”之风在全球化工业越刮越烈。

近年来，由于生物燃料生产规模扩大，成本下降，生物燃料市场竞争力增强，生物柴油和乙醇汽油的消费量都在逐步加大。

从消费情况来看，2005年德国占全球消费量的61％，其他消费国家主要包括法国、美国、意大利和巴西，其消费总和只占到全球消费量的11％。

2005年西欧生物柴油产量占全球总产量的75％，2010年将降至低于40％，主要原因是以亚洲为首的其他地区产量增速加快，亚洲将可能成为第二大生物柴油生产地区，其次是北美地区。

2005年～2010年全球生物柴油生产模式也将发生变化。

2010年，美国可能成为全球最大的生物柴油市场，占全球消费量的18％，新的大型消费市场将出现在中国和印度其他国家的消费总和将占到全球消费量的44％。

随着生物柴油产业的发展，其工艺技术也在不断改进，目前生物柴油生产工艺的发展方向是：生产装置大型化，生产工艺连续化、自动化、数字化和规模化，产品及废液处理绿色化。

酯交换法生产生物柴油在国内外已实现工业化，并有大量专利覆盖。

但一些新工艺仍处于研究探索中，以下几方面的问题将是今后研究的重点：(1)生产过程中废酸、废碱的经济回收方法，降低生物柴油燃烧尾气中NOx的排放量，进一步提高生物柴油生产及使用的环保性能。

(2)寻找有效的方法降低生物柴油的黏度和酸值，改善生物柴油的低温性能，进一步提高生物柴油质量。

(3)利用生物柴油良好的润滑性、环保性和安全性等特点，开发高品质的车用柴油。

(4)开展利用生物柴油和副产物甘油生产高附加值产品的研究，寻找生物柴油和甘油利用新途径，如利用生物柴油中不饱和脂肪酸酯生产二聚体甲酯；生物柴油多产烯烃技术；生产表面活性剂；脂肪酸甲酯代替脂肪酸；色拉级豆油用于醇酸树酯生产应用。

1.2.3 生物乙醇所谓生物乙醇指的是通过微生物发酵途径，以各种不同的生物质(主要是含糖类)为原料发酵生产乙醇(酒精)，尽管有其传统的生产优势，现代生物技术微生物技术的应用则有全新的内含生产菌种的选育，经过改造或重组建构，或酶活力提高以及各生产工艺改造等等。

为扩大乙醇生产。

提高其效率和产率是整个乙醇生产的基础和重要环节。

尽管生物乙醇的使用有一定局限性，但国外应用的实践证明，多途径发展生物乙醇也显示其生命力。