2015年美國總統綠色化學挑戰獎簡介

吳恒源，葉君，熊犍

?

2015年美國總統綠色化學挑戰獎簡介

吳恒源，葉君，熊犍

（華南理工大學輕工與食品學院，廣東廣州 510640）

2015年7月13日美國環境保護署（EPA）在其官方網站，公布了2015年“美國總統綠色化學挑戰獎”獲獎項目名單，2015年新增了一個獎項——特定環境效益：氣候變化獎。

1 學術獎（Academic Award）

2015年學術獎授予科羅拉多州立大學的Eugene Y.-X. Chen教授。Chen教授不使用金屬催化劑，將生物質基平臺化合物5-羥甲基糠醛（HMF）自身二聚為5,5'-二羥甲基糠醛（DHMF）；二甲基丙烯酸酯聚合成可生物降解的聚酯。

Chen教授及其團隊開發的新縮合技術，使用有機催化劑——氮雜環卡賓（NHC），在無溶劑的條件下，可直接耦合HMF為DHMF，并且達到定量產出；并實現了反應物100%的原子利用率。

二甲基丙烯酸酯不能發生縮聚反應，現有的方法是將二甲基丙烯酸酯加成聚合成不能生物降解的聚甲基丙烯酸酯。Chen教授及其團隊開發了一種被稱為“質子轉移聚合法”（HTP）縮聚方法，即用NHC催化劑將二甲基丙烯酸酯聚合成可生物降解的聚酯，且原子利用率也達到100%。

這兩項新技術不僅突破了現有技術，還具有無金屬催化劑、100%的原子利用率、無溶劑（HMF的縮合）或可降解（聚酯生產）的特點。

2 更綠色化學品設計獎(Designing Greener Chemical Award)

2015年更綠色化學品設計獎由Hybrid Coating Technologies/Nanotechnology Industries 公司（HCT公司）獲得。

傳統的聚氨酯生產使用異氰酸酯，但其化學活性高、刺激性強且具有致癌性。HCT公司使用環狀碳酸酯與胺反應取代傳統的異氰酸酯與多元醇反應，合成聚氨酯涂料和絕緣泡沫。HCT公司發明了不用異氰酸酯生產聚氨酯（HNIPU，商標為“GREEN POLYURETHANETM”）的方法，HNIPU是碳酸酯類（單環/多環、環氧低聚物）和伯胺類（脂肪族或脂環族多胺）反應的產物，是不同結構-氨基甲酸乙酯交聯的聚合物，在聚氨酯和環氧基樹脂應用（如涂層和泡沫）中更加安全。

HCT公司提出一個生成新的“冷”固化加工環氧胺多功能改性劑的新理念，即羥烷基氨基甲酸乙酯固化劑（HUM）；并基于可再生原材料（植物油）制備了一系列HUMs，用于SPF和紫外光固化丙烯酸類高聚物基涂層。HUM具有優異的儲存期/干燥時間、強度/應力屬性、附著性、風化性和耐化學性性能；且HNIPU對周圍環境的濕度不敏感，用更低危險性的高分子量胺代替有腐蝕性的低分子量胺。

HNIPU的力學性能和耐化學品性能得到提高，并用可再生環氧基（植物衍生物）代替了超過50%的石化環氧基，與傳統聚氨酯和環氧樹脂產品相比，其成本極具競爭力。HCT公司目前在加利福尼亞有1000t 產能。由于產品安全性和優越特性的提高，使用HNIPU涂層的涂膜器成本降低30%～60%。HCT公司預計使用噴霧聚氨酯泡沫的涂抹器投入市場，將會產生更高的經濟效益。

3 更綠色反應條件獎(Greener Reaction Conditions Award)

SOLTEX公司因開發了一種新的用固態催化劑固定床反應器高效生產聚異丁烯（PIB）的方法，獲得更綠色反應條件獎。

PIB是生產潤滑油添加劑和汽油添加劑的重要中間體。PIB傳統生產方法是將強腐蝕的液態Lewis酸（如BF3等）催化劑與異丁烯單體均勻混合后，連續加入到特殊反應器中。當反應結束時，需用大量的水洗滌以除去催化劑，痕量的催化劑殘留都影響產品的質量和穩定性，且催化劑不能循環利用。該過程需要特殊設備及處理系統和步驟，其設備投資成本和操作成本高，并產生和產品同樣多的廢水。

SOLTEX公司的新方法是將催化劑固定在載體上裝載在反應器中，具有特殊的幾何形狀和尺寸，異丁烯單體以一定的速率通過反應器，發生聚合反應后流出反應器。這是一個簡化、高效的方法，大大減少了設備的資金投入和操作步驟，節省催化劑成本。使用該方法，每年減排數百萬加侖廢水，減少50%有害化學品的使用。

4 更綠色合成路線獎(Greener Synthetic Pathways Award)

LanzaTech公司因開發了一種將工業廢氣CO、CO2發酵轉化為乙醇、2,3-丁二醇的工藝而獲得2015年更綠色合成路線獎。

LanzaTech公司開發了一種將CO和CO2生產燃料（如乙醇）和化學品（如2,3-丁二醇）的合成路線，且具有高選擇性和高產量。其專利微生物能夠將不含H2的CO氣流，利用一氧化碳去氫酶（CODH）實現CO2和CO間轉換，Wood-Ljungdahl路徑的酶催化可以促進該過程，經過一系列的中間體，CO/CO2最終被CODH/ACS復合體固定成乙酰輔酶A。該過程中所需的H2可在微生物高效率發生的生物水-氣體轉換反應過程產生。

LanzaTech公司的專利微生物將乙酰輔酶A高效轉換為酒精和其他產品，如純2,3-丁二醇手性體，沒有產物分離和副產物處理；微生物在室溫和大氣壓力下工作，并可耐受高水平毒性。其專用生物反應器克服了氣體溶解度限制，保證了產量和生產率。

由MTU、E4TECH和清華大學共同進行的評估分析研究表明：LanzaTech公司從鋼廠廢氣中產生燃料乙醇的氣體發酵工藝，相比石油、煤、天然氣等為原料的傳統工藝，溫室氣體排放量低50%～70%，懸浮微粒和NO排放量也減少，即在產生有價值燃料的同時也減少了工業尾氣對環境的影響。

5 小企業獎 (Small Business Award)

Renmatix公司因開發了一種超臨界水解纖維素為糖類，作為生產化學品和生物燃料原料的Plantrose?工藝而獲得2015年小企業獎。該技術與傳統的酸水解、酶水解技術相比，具有清潔、高效經濟等優點，為生產植物基化學品和生物燃料，并減少對石油燃料的依賴提供手段。

Renmatix公司的Plantrose?工藝使用超臨界水解生物質，利用水進行轉換反應，通過兩步連續工藝實現提供有成本優勢的水解木質纖維素的糖類。將木質纖維水解為木糖和葡萄糖，殘余木質素用于提供本工藝所需要的大部分熱能，或者應用于生產具有更高價值產品，如黏合劑或熱塑性材料。

第一步，生物質和水混合加熱，送入到分餾反應器中，在此半纖維素溶解到五碳糖流體中；第二步，纖維素和木質素從初始的糖類流體中濾出，被送到超臨界水解反應器中。在反應器中，水同時作為反應物和催化劑，調節超臨界系統的溫度和壓力，設定反應條件控制纖維素水解。

Renmatix公司的技術革新使用水代替酶和/或酸，提供了一個更加清潔、快速和低成本的水解纖維素為糖類的方法。所得到的糖類可作為生產化學品和生物燃料的原材料。Renmatix公司的合作伙伴已經應用Plantrose?工藝大規模水解纖維素得到糖類，并生產燃料酒精，得到了經濟效益。此技術可促進全球生物燃料市場份額增長。

6 特定環境效益：氣候變化獎(Specific Environmental Benefit：Climate Change Award)

Algenol公司因開發了一種基因改造藍藻細菌（藍藻）的技術，利用CO2、陽光和鹽水生產乙醇和生物燃料，獲得美國總統綠色化學獎建立以來的第一個特定環境效益：氣候變化獎。工業廢氣中CO2對環境影響巨大，如何高效利用廢棄CO2將其轉化為有價值的燃料一直是化學家研究的熱點和重要課題。

Algenol公司使用藻類，利用空氣或工業排放氣體中的CO2以及陽光和鹽水（可來自海水）而非糧食作物作為原料來生產燃料，大大降低碳排放量、成本和用水量。這是公司、公眾和環境的共贏，可改造整個工業界、減少燃料產品碳排放。

Algenol公司的雜交藻類可在專利光生物反應器（PBRs）中的鹽水中生長，PBRs有效解決了光飽和效應，從而減少了異養污染和用水量。

Algenol公司同時開發了燃料級的酒精高能效回收。與太平洋西北國家實驗室（PNNL）合作，應用水熱液化技術將廢棄生物質轉化為綠色原油，同時和PNNL、喬治亞理工學院合作發展了更高價值的綠色化學產品概念。

Algenol公司生產酒精的效率相當于每英畝谷物生產酒精的15～20倍。在過去5年里，將該技術從實驗室規模推進到中試規模，目前已經完成了一個占地兩英畝的設備的建設和調試。根據喬治亞理工學院同行評審，整個工藝減少了60%～80%與汽油相關的碳排放。一個2000英畝的Algenol商業模塊相當于種植4千萬棵樹或減少36000輛車出行。

吳恒源。聯系人：熊犍，博士，教授，主要從事天然高分子及綠色化學研究。E-mail lcjxiong@scut.edu.cn。