文| 盈科娄银萍

编辑| 盈科娄银萍

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前言

近年来，随着世界经济不断发展，各种化石燃料的工业带来的环境污染和资源消耗问题日益严重。

为了实现经济的可持续发展，越来越多的人开始寻找可解决方案。基于生物质的绿色化学成为了人们关注的焦点。

生物质能源供应

不同形式的生物质，例如芒草、开挂草或黑麦草等植物、收割残留物、有机副产品和废弃物可以用于热和电能的产生。转化技术，如燃烧、气化和硬质热解等在各种规模和尺寸的燃烧厂中已经被设计出来。

将生物质用作能源的主要挑战是能量密度，这至少比石油燃料低10倍。而生物质的储存、处理和运输，基于体积会产生自身的显著能源需求。

1999年至2005年间，使用再生能源的原始能源供应量增加了一倍以上，但它仍然不超过总原始能源供应的4.6％，其中70％的再生能源来自生物能源。

生物质作为燃料

使用生物燃料来驱动汽车并不是新鲜事。当鲁道夫·迪泽尔在1901年的巴黎世界贸易展上展示他的柴油发动机时，该发动机使用花生油作为燃料，而T型福特汽车最初设计为使用乙醇运行。

二战期间的燃料短缺促使德国、瑞士和其他国家寻求替代燃料。最不寻常的解决方案之一，涉及将车辆改装为使用木材、木炭或煤炭。典型的改装包括燃气发生器、燃气储罐和化油器改装，以及附加的管道来输送、过滤和计量燃气到发动机中。

巴西是第一个将生物燃料作为大规模替代化石燃料的国家。为应对1970年代的石油危机，巴西政府使用国产甘蔗作为原材料进行发酵，将生产乙醇的沼气厂建设作为国家优先事项，要求将这种燃料混合到所有汽油中。

自20世纪70年代以来，巴西节约了近500亿美元的进口石油，同时创造了多达一百万个农村就业岗位。

乙醇可以从许多不同原材料中生产，这些原材料根据它们含有的碳水化合物类型分为糖、淀粉或木质细胞壁材料。

生产乙醇所需的糖可以从任何三类原材料中得到。通过糖蜜、甜菜、甘蔗或谷物糖的发酵，生产乙醇的工业生产过程已经得到很好的建立。

由于糖已经以可降解的形式存在，酵母细胞可直接代谢糖，因此含糖生物质作为底物需要的成本最低。

其他碳水化合物，即含有淀粉和木质细胞壁的生物质，在代谢之前必须加水解成糖，这就给过程增加了一个额外的步骤，称为糖化。

木质纤维素生物质包含纤维素、半纤维素和木质素。将木质纤维素材料转化为生物乙醇，需要四个主要的单元操作：预处理、水解、发酵和产品分离和蒸馏。

预处理是将木质纤维素原材料，转化为可发酵糖的最昂贵的处理步骤之一，预处理通过溶解半纤维素、降低晶体度，并增加底物的可用表面积和孔容量来影响生物质的结构。

热化学预处理方法，似乎比生物方法更有前途，可以用于转化木质纤维素生物质的木质素分数，这可以对酶水解产生有害影响。

木质素部分也可以作为过程能源和潜在的共生产物来源，在生命周期的背景下具有重要的好处，生物乙醇可以通过批处理、半连续和连续处理过程进行生产。

允许酵母循环利用是一步革命性进展，大大提高了处理速度，并降低在单批处理中所需的加热和冷却成本，与饮料所用乙醇不同的是，燃料乙醇必须蒸馏，使其只含极小水分含量。

提取的生物乙醇可纯粹用于车辆中，称为E100，也可与传统汽油混合而成特定混合物，例如85％乙醇可变动燃料车辆，在巴西已广泛使用，在美国也在一定程度上实现。

而且生物乙醇可与异丁烯反应，生成乙基叔丁基醚，用作替代甲基叔丁基醚的氧化剂汽油添加剂和正辛烷增强剂。

尽管生物乙醇可单独使用，也可以与传统汽油混合使用于火花点火发动机中，但生物柴油专门用于压缩点火柴油发动机。

通常，与生物乙醇相比，生物柴油需要更少的发动机改装，几乎所有现代柴油发动机，都可以很轻松地运行生物柴油，生物柴油合成原理相对简单，已知并应用了许多年。

基本过程包括通过催化剂诱导蔬菜油的酯交换反应，以生成脂肪酸甲酯，正是这个甲酯分子产生了生物柴油。

使用的催化剂是强碱性物质，如氢氧化钠或氢氧化钾，一旦酯链被切断，剩余的甘油分子就是反应的副产物。与生物乙醇一样，可以使用不同的原料，如几乎任何一种植物油，包括回收的油和肥皂油。

油料原料的组成，更具体地说是饱和脂肪酸的分数，对生物柴油的规格和性能有决定性影响，尤其是对粘度稳定性和蜡晶沉淀有影响。

生物乙醇和生物柴油被视为第一代生物燃料，汽车工业正寻求生物燃料的替代，尤其是对煤、天然气或生物质直接转化成气感兴趣，之后进行费托合成，从而产生类似于常规化石石油的碳氢化合物混合物。

天然植物油和动物油脂

食用油和脂肪是代谢和人类、动物营养中重要的组成部分，天然脂肪和油中包含各种对人类营养至关重要的化学物质

如果采用温和的加工方法进行提取，特别是冷压，这些化合物将会保留在油中。这就是为什么以冷榨橄榄油为基础的地中海式饮食，通常被认为是特别健康的原因所在。

小心提取类似生育酚或甾醇等副产物，并将其添加到食品中作为工业生产的膳食补充剂，是现代营养保健或功能性食品制造的基础，这些副产品是从大豆油蒸馏液中提取，从去胶磷脂中提取或从原始松香油中提取的。

化学上讲，天然油脂是三酰甘油，即甘油和不同偶数线性脂肪酸的脂肪酸三酯。脂肪酸可以是饱和的或不饱和的。如果它们在20°C下是固体或半固体，则被称为脂肪，也就是食品技术中的可食用脂肪。

而在相同的温度下变成液体，则被描述为油，也就是食品技术中的可食用油，在这方面几乎没有例外。

除了最为人所知的例外蓖麻油，一种含有12-羟基油酸的甘油三酯，千里香油，一种环氧油酸三酯，以及松香油，它是碱性Kraft硫酸纸浆工艺的副产品，由不饱和脂肪酸、松香酸和不皂化物的混合物组成。

具有高度不饱和度的天然油脂，如桐油或中国木油，干馏蓖麻油或亚麻油被称为干油。高度不饱和的油脂，能够通过大气氧的简单作用而干燥并形成膜，这解释了干油在漆和清漆中的历史重要性和传统用途。

干燥过程中涉及的实际化学反应仍不完全清楚，但它们确实涉及氧气对双键处或附近脂肪酸链的攻击，由多价金属有机盐催化，称为干燥剂或催化剂。

类似的化学反应也涉及到制造立体油、吹膜油、共轭油等操作，以及亚麻油油毡和亚麻籽油的其他衍生物，例如过氧化亚麻籽油，通过过氧化氢对双键的作用，意味着在油的分子结构中，一定程度地引入了反应性氧气。

由此，分子的极性和反应性显著增加。虽然天然油本身主要具有溶剂特性，但环氧化天然油以无邻苯二甲酸酯、非挥发、提取和迁移阻力的增塑剂而闻名。

在180度的高温下，ELO与松香的开环产生反应，然后在100-120温度下，与马来化亚麻籽油混合，可以在几小时内制造出合成油毡水泥，与需要数周才能成熟的传统工艺相比，这是一个巨大的进步。

当ELO用作交联剂替代三羧基异氰酸酯时，环氧环的开启又再次成为一个重要的反应。这时，ELO使用相同的优点，高功能性和因此高交联密度，以及相同的反应原理，可以将羧基或羟基官能团的聚酯与ELO交联。

中和后，与水性聚丙烯酸酯和水性聚氨酯分散体相结合，形成物理干燥水性工业涂料，油脂或油酸酯的环氧化，和部分环氧基团与单质和多官能醇或酸反应的开环反应，产生了一类相对较新的天然油功能衍生物，称为油化学聚醇。

自20世纪80年代以来，油化学聚醇已经商业化，特别是与脂肪酸甘油酯相比，脂肪酸的聚醇衍生物具有出色的耐碱和耐酸的水解稳定性，以及对特别具腐蚀性的溶剂如超级燃料的很高的化学抗性。

油化学聚醇

油化学聚醇被用于制造聚氨酯泡沫、聚氨酯胶粘剂、用于混凝土保护的无溶剂重型多层涂层和高性能防腐涂层，例如用于近海生态电站的风力涡轮机叶片，将环氧化油与丙烯酸反应，产生辐射固化的油化学聚醇。

不饱和的短链二元羧酸和饱和的短链二元羧酸，如马来酸、富马酸、草酸、琥珀酸和己二酸等，是以石油化工为基础，生产的众所周知的工业化学品。天然油补充了这些化学品，提供了更长链的二元酸。

天然油的聚合物砌块

癸二酸是通过在碱性介质中氧化裂解蓖麻油酸或蓖麻油而产生的。油酸与臭氧反应形成亚油酸和戊酸，在热催化下油酸也可以寡聚。

这种工业过程会产生一种混合物，其中包含分支C18单体脂肪酸、C36二羧酸、C54三聚脂肪酸和更高级寡聚体，其中二聚脂肪酸可以通过蒸馏分离出来。

连同通过氧化丁二烯寡聚而制得的十二二酸，和以蓖麻油为起始物合成的11-氨基十一酸，亚油酸、癸二酸和二聚脂肪酸作为聚合物构建基块，用于高性能工程塑料、热熔胶、印刷油墨和由聚酰胺、聚酯或聚氨酯制成的涂层树脂。

这些部分能耗很高的合成替代品，正在开发利用生物技术过程制造更高分子量的二羧酸。迄今为止，仅有通过这种过程制得的十八二酸。

从二聚酸衍生物如双官能二聚酸二醇、二聚二胺和二聚异氰酸酯开始制造。其他的油化学二醇，如12-羟基硬脂醇和1.10-癸二醇，是通过对应酯的氢化制备的。

历史上，工业油化学始于Cincinnati的Emery公司，现在为Cognis公司，当时的研究人员成功进行了第一次脂肪的催化酸解。

因此与只提供低化学反应活性的猪油肥皂的碱性皂化相比，具有化学反应活性的脂肪酸很容易获取。这为各种化学反应奠定了基础，在成功地将脂肪酸加氢形成脂肪醇后，这一基础得到了进一步扩展。

总结

基于生物质的绿色化学已经在世界各地得到了广泛应用，很多企业开始重视可持续性和环保，纷纷投入到绿色化学的生产中。

相信在不久的将来，基于生物质的绿色化学将成为现代经济发展的重要支柱，为我们创造更加美好的未来。

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