财汇
中国工程院院士欧阳平凯:生物可降解材料破解“白色污染”
来源:扬子晚报网 2018-09-04 10:27:59

扬子晚报网9月4日讯 (记者 徐兢)当今社会,科学技术从来没有像今天这样深刻影响着国家的前途命运,从来没有像今天这样深刻影响着人们的生活方式。我国一些科技成果在国际上已经进入先进行列。但是,我们必须清醒地认识到中国的科技创新能力同发达国家相比仍有较大的差距。

如何协调企业、高校与政府之间的关系,构建高效的产学研创新模式是关键。产学研结合,知易行难,是我国科技界长期以来的痛点。我国高端制造技术产业链不健全,但在中低端产业制造方面具有明显的优势。如何针对中国国情和国家需求,实现绿色发展,填补我国的短板十分重要。我想就化工新材料行业,来谈谈如何做到产学研结合,实现材料产业的转型升级。

主讲嘉宾

中国工程院院士 欧阳平凯

图片

南京工业大学教授、博士生导师、江苏省产业技术研究院名誉院长、中国生物工程学会名誉理事长。他是我国最早介入生物化工领域的学科带头人,作为中国生物制造和工业生物技术的先行者和倡导者,长期研究生物技术应用于化工、材料、精细化工品的先进工程制造。他和他所领导的团队在生物催化工程、新型生物化工装备以及低劣生物质生产材料、能源和化学品,减少环境污染方面作出了系列率先的卓有成效的工作,其中应用生物催化剂的反应与分离耦合方法,在手性化合物的生物制造以及高能磷酰化合物生产应用中效果显著,分别获国家科技进步一等奖和国家技术发明二等奖。

精彩观点

传统高分子材料给人们生活带来便利、改善生活品质的同时,其使用后的大量废弃物也与日俱增,给人类赖以生存的环境造成了不可忽视的负面影响。当前,寻找新的环境友好型材料迫在眉睫,而可生物降解材料正是解决此类问题的有效途径。

材料制造的原料可持续性供给亟待加强

目前传统材料制造的原料多依赖煤、石油、天然气等化石资源。我国化石资源具有煤多、油少、气低的特点,材料制造的原料可持续性供给亟待加强。以生物质为原料的生物制造是绿色、低碳、可持续的经济发展模式,有研究表明若人类能利用全球生物量的7%,就可以解决资源、能源等难题。国际上许多国家都制定了生物质为原料的制造业发展战略,例如美国采用玉米作为原料、巴西采用甘蔗。但是以粮食作为生物制造的原料不符合中国的国情,我们国家人均淡水资源仅为世界平均水平的1/4,人均耕地不足1.4亩。因此,不与民争粮,不与粮争地,保证粮食安全还是基本国策,使用粮食作为制造的原料并不是长久之计。

那么我们中国材料制造的原料该从哪里来呢?统计数据表明,中国以不到世界7%的土地承载全球近1/3的秸秆等中低品位生物质排放,若不加以充分利用,会形成严重排放问题,造成水体富营养化。所以,如何将这些秸秆等中低品位生物质进行高值化利用,不仅可以解决材料制造的原料来源问题,还可以降低其对环境的污染。

然而,要实现秸秆等生物质的高值化利用,秸秆中关键组分木质素的有效利用是关键。从生物燃料酒精的发展历程来看,木质素的高效利用将是解决目前纤维素酒精困境的有效路径。将秸秆等生物质中的木质素高值化利用后,预计可使秸秆原料制燃料酒精的综合成本比粮食原料降低30%以上,有效提高木质纤维素产燃料酒精竞争力。从而,可以推动木质纤维素为原料的生物转化拓展,相关技术可渗透到包括材料、能源、医药、食品、环境保护等多个国民支柱产业的发展,对我国的传统材料制造产业的转型升级也将起到极为重要的作用。

寻找新的环境友好型材料迫在眉睫

传统高分子材料给人们生活带来便利、改善生活品质的同时,其使用后的大量废弃物也与日俱增,给人类赖以生存的环境造成了不可忽视的负面影响。

值得关注的是,一次性塑料制品,使用寿命较短,而物化性质稳定,自然降解难。因而大量一次性塑料制品废弃物的产生导致包括“白色污染”在内的各类环境污染问题频繁出现,严重危害土地与水体生态安全及人类和动物生命健康,现已成为我国环境污染治理中的一项顽疾。

当前,寻找新的环境友好型材料迫在眉睫,而生物可降解材料正是解决此类问题的有效途径。生物可降解材料可在环境微生物的作用下分解,最终被无机化而成为自然界中碳元素循环的一个组成部分,是一次性塑料制品的理想材料,是解决塑料废弃物污染的重要途径。据Helmut Kaiser 咨询公司的报告,全球生物降解塑料市场将快速增长,预计年均增速可达8%~10%,将由2007年的10 亿美元增加到2020 年的100 亿美元。目前全球研发的生物降解塑料已达几十种,进行批量生产或工业化生产的品种包括:微生物发酵合成的聚羟基脂肪酸酯(PHA),化学合成的聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、脂肪族/芳香族共聚酯、二氧化碳/环氧化合物共聚物(APC)、聚乙烯醇(PVA)等。单一组分的生物可降解材料在应用过程中可能会面临一些困难。

像聚乳酸,它不仅来源于生物质原料,而且具有良好的生物可降解性能,已经在食品、医疗等领域广泛应用。但聚乳酸本身具有冷脆、不耐温等缺陷,限制了其大规模应用。我们使用同样生物质来源的木质素对聚乳酸材料进行改性,不仅保留了材料的生物可降解性,而且改善了聚乳酸材料性能的缺陷、降低了成本。未来,我们还可以开发新一代生物质来源的呋喃二甲酸为基础的生物可降解材料,性能更好、应用范围更广。

按照有机碳碳源进行生命周期评价,相对传统化石基塑料,一吨生物基高分子可至少节约6吨原油、减少3吨二氧化碳排放。如果用生物基高分子替代传统一次性塑料制品300万吨,则可节约原油1800万吨,减少二氧化碳排放900万吨。

突破相关产业链的限制,需要我们自主创新

我国化工新材料的产品难以突破已有传统产品体系的局限,大量材料依赖进口,部分产品成了“卡脖子”问题。就拿尼龙66材料来说,其核心原料己二胺80%以上依赖进口,自给率严重不足。这次中美贸易战中,尼龙66材料赫然在列。目前,己二胺最有竞争力的生产方法是己二腈法,但己二腈合成技术国内没有得到解决,被国外跨国公司长期垄断。由于己二腈合成技术中需要使用氢氰酸,环境安全隐患大,国内缺乏从研发至工程化经验,国外先进的己二腈关键核心技术更是要不来、买不来、讨不来。如何突破己二胺长期依赖进口对相关产业链的限制,需要我们自主创新。

我们开发出生物合成戊二胺的技术路线,以可再生生物质资源替代传统的化石资源,以生物催化合成二元胺代替苛刻的氢氰化反应。我们以戊二胺为原料合成了尼龙56材料,结果表明在纺织材料方面,尼龙56不仅具有传统尼龙66的结构强度,而且在吸水性、柔软性、适穿性方面更好。此外,以戊二胺为基础,我们还可以开发尼龙510、尼龙54以及五亚甲基二异氰酸酯等等,这样就可以突破己二胺产品链的限制。但是,戊二胺为基础的相关材料属于新产品,其开发应用还需要我们不断深入开展。因此,我们要通过不断自主创新,建立具有中国特色的产品体系,打破国外垄断。

在科技竞争的今天,材料行业的转型升级是“两个替代、一个提升”,即以生物可再生资源取代化石资源的工业原料路线替代,实现低碳经济与工业可持续发展;以合成生物学技术、微反应技术等前沿技术、颠覆性技术来取代传统的化学催化的工艺路线替代,实现节能减排、绿色环保;以现代生物技术提升传统化工技术产业,实现产业结构调整与竞争力的提升。

(本文为欧阳平凯院士在2018年8月28日 “江苏省科学技术奖励大会暨科技创新工作会议”上发表的演讲,经本人授权,徐兢整理,有删节)

编辑:李燕

| 微矩阵

扬子晚报网(江苏扬子晚报有限公司)版权所有,未经授权不得转载或建立镜像 版权声明

地址:南京市建邺区江东中路369号新华报业传媒广场 邮编:210092 联系我们:025-96096(24小时)