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碳是生命演化的物質(zhì)基礎(chǔ)，除了石油和煤炭等化石資源作為碳載體外，生物質(zhì)是唯一蘊含碳的可再生資源。人類衣食住行高度依賴石油、天然氣、煤炭等化石資源，而這些化石資源來自于億萬年前的生物質(zhì)，理論上講，生物質(zhì)完全可以替代這些化石資源來支撐人類的衣食住行，因此“生物煉制”這個概念應運而生。
生物煉制
生物煉制以可再生的生物質(zhì)為原料，經(jīng)過生物、化學、物理的方法，或者這幾門方法集成的方法，來生產(chǎn)一系列的化學品、材料、能源的新型工業(yè)模式。以碳來計算大概在950億噸到1000億噸的規(guī)模。而現(xiàn)在工業(yè)上采用的化石資源，以碳來計算只有100億噸左右，只要有十分之一的生物質(zhì)資源流入到工業(yè)中就能滿足我們的需求。
生物質(zhì)按大類來分，最大的一類是纖維秸稈類，包括森林、牧草、農(nóng)作物秸稈等；第二類就是淀粉、糖、糧食這類；第三類是油脂類。油脂是重要的一大類生物質(zhì)，油脂的工業(yè)應用非常廣泛，如用于生產(chǎn)表面活性劑、生物柴油等。
關(guān)于油脂類生物質(zhì)原料生產(chǎn)化工產(chǎn)品，清華大學劉德華教授團隊從30年前開始就帶領(lǐng)團隊開始做大量研究，與企業(yè)合作先后建成多套（含全球首套）酶法生物柴油的產(chǎn)業(yè)化裝置，實現(xiàn)了技術(shù)對巴西、馬來西亞等國的出口。同時還研究利用生物柴油副產(chǎn)物甘油發(fā)酵生產(chǎn)1,3-丙二醇（高端化纖的核心原料）技術(shù)，相繼建成了多條1,3-丙二醇發(fā)酵生產(chǎn)線，打破了國外企業(yè)巨頭對此長達20年的壟斷。
生物柴油
全球目前的生物柴油年產(chǎn)銷量已經(jīng)快接近五千萬噸，主流工藝采用的是化學法，化學法雖然成熟，規(guī)模也大，但在工藝上的弊端也很明顯，生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生很多含酸或含堿的廢水。
相對來說，生物法能夠在常溫常壓下進行反應，能耗還低，是真正綠色高效的方法，但是由于成本問題，沒能成為生物柴油生產(chǎn)的主流工藝。為了攻克生物柴油成本問題， 推動生物柴油產(chǎn)業(yè)化，劉教授團隊從工藝開始突破，做到了同樣的條件下只能用幾次的脂肪酶現(xiàn)在用到了300次以上，在保留生物法原有優(yōu)點的同時，提高了生物法的經(jīng)濟競爭力。該技術(shù)目前在20多個國家申請了專利，同步跟國內(nèi)外相關(guān)單位合作建成了多套生產(chǎn)裝置。
全球第一套酶法生物柴油裝置于2006年的12月18號建成投產(chǎn)，產(chǎn)品銷往歐洲，目前的產(chǎn)能是5萬噸每年，隨后國內(nèi)其他廠家也開始營業(yè)，目前已經(jīng)有另外兩條生產(chǎn)線在運行，還有幾條生產(chǎn)線在建設(shè)之中。
基于馬來西亞的生物質(zhì)資源優(yōu)勢，清華大學也積極與其開展技術(shù)交流與合作。前不久，清華大學—馬來西亞棕櫚油總署（MPOB）生物能源及生物基材料項目合作交流會在清華大學化工系舉辦，在海外實施酶法生物柴油技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化項目馬上開啟，屆時可用豐富的棕櫚油資源生產(chǎn)生物柴油。
1,3-丙二醇（PDO）
在三十年前，甘油是供不應求的，劉教授團隊當時使用生物發(fā)酵的方法生產(chǎn)甘油。然而因為生物柴油的快速發(fā)展導致甘油的價格一落千丈，劉教授團隊開始將甘油生物轉(zhuǎn)化可以做成1,3-丙二醇作為PTT的主要化學品單體。中國的PET產(chǎn)能超過七千萬噸，PTT的規(guī)模生產(chǎn)有望部分替代PET減少紡織工業(yè)對化石能源的依賴。
第一代生物法煉制1,3-丙二醇的技術(shù)最后授權(quán)給全球500強公司江蘇盛虹集團，建成了兩萬噸的1,3-丙二醇生產(chǎn)裝置，隨后盛虹又配套建設(shè)了五萬噸的PTT裝置產(chǎn)業(yè)鏈從煉油一直到最后的紡絲印染，成為了中國第一個具備全產(chǎn)業(yè)鏈的企業(yè)，打破了杜邦公司對此的壟斷。
第二代生物法煉制1,3-丙二醇的技術(shù)技術(shù)仍然以甘油為原料，在工藝參數(shù)與菌種改進后清華大學跟廣東清大智興公司合作，實現(xiàn)了1.5萬噸/年P(guān)DO的生產(chǎn)，產(chǎn)品已經(jīng)銷到歐美、日韓，也包括國內(nèi)的聚酯和化妝品行業(yè)。此后，劉教授團隊繼續(xù)開發(fā)了以各種糖為原料發(fā)酵生產(chǎn)PDO的技術(shù)，也已相繼實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
生物煉制與碳中和
2015年中國各類廢棄生物質(zhì)資源能源化利用所帶來的減碳潛力，大概接近4億噸二氧化碳，預計到2030年，中國廢棄生物質(zhì)資源化能源化利用對減碳的效果相當于全國碳排放總量的4.87%-7.18%。從礦物煉制轉(zhuǎn)向生物煉制是人類社會發(fā)展的新里程碑，這會對經(jīng)濟、社會、科技、文化帶來深遠的影響。這種轉(zhuǎn)變是經(jīng)濟從不可持續(xù)發(fā)展向可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)和能量基礎(chǔ)，是把農(nóng)業(yè)和工業(yè)緊密連接的紐帶，是碳中和與鄉(xiāng)村振興的重要抓手。碳中和既是我國應對氣候變化行動的莊嚴承諾，也是實現(xiàn)我國經(jīng)濟社會環(huán)境根本性變革的重要國策，更是我國探索人類新文明之路、實現(xiàn)和平發(fā)展的一大創(chuàng)舉。
我國制造業(yè)的供熱需求完全可以采用生物質(zhì)能來滿足，分布式供熱需求可以通過成型燃料配套專業(yè)生物質(zhì)熱能裝備實現(xiàn)。當然，以我國能源消耗的體量，僅靠自身資源難以滿足需求。因此，可以建立以生物質(zhì)可再生燃料為核心、“一帶一路”可再生能源合作為目標的架構(gòu)。對我國而言，大量進口可再生燃料取代化石燃料，既可維持制造業(yè)競爭力，又能解決碳排放的約束難題，并有利于推動能源裝備與服務(wù)出口。同時，幫助“一帶一路”國家和地區(qū)建立綠色能源基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)互利共贏，構(gòu)建綠色發(fā)展的命運共同體。
生物質(zhì)能有望成為碳中和利器，石油煉制創(chuàng)造了上世紀化工學科和產(chǎn)業(yè)的輝煌，生物煉制能不能在新世紀繼續(xù)輝煌要靠大家共同努力。
