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行業聚焦

2016年“美國總統綠色化學挑戰獎”獲獎項目

時間:2017-06-17    作者:聯創生物醫藥信息部

在可持續發展和生態環境保護的趨勢下,“綠色化學”成爲了化學工業和科研一個非常重要的方向。由美國環境保護署(EPA)、美國科學院、國家科學基金、美國化學會、美國白宮等聯合設立的“美國總統綠色化學挑戰獎”(Presidential Green Chemistry Challenge Awards),正是用于獎勵對“綠色化學”做出重要貢獻的個人、團體和組織。獎項分爲:綠色合成路線獎(Greener Synthetic Pathways)、綠色反應條件獎(Greener Reaction Conditions)、綠色化學品設計獎(The Design of Greener Chemicals)、小企業獎(Small Business)、學術獎(Academic)等5項。2015年起,新增了一個獎項——氣候變化獎(Specific Environmental Benefit: Climate Change)。

         

圖片來源:美國化學會(ACS)C&EN


根據EPA的統計,那些獲獎的技術每年可以避免375,000噸危險化學品和溶劑的使用,節約800億升水,並減少相當于350萬噸二氧化碳的排放。

2016年的“美國總統綠色化學挑戰獎”獲獎名單已于近日公布,Albemarle、CB&I、Dow AgroSciences、Newlight Technologies、Verdezyne和普林斯頓大學的化學家Paul J. Chirik教授分獲各個獎項。

綠色合成路線獎:Albemarle和CB&I


      

圖片來源:C&EN

在人們心目中的石油精煉和石油化工行業,一般不會和“環境友好”這四個字沾邊。然而,工業技術公司CB&I和特種化學品公司Albemarle通過聯手發明AlkyClean,一種生産烷基化油(alkylate,一種理想的汽油原料)更清潔更安全的工藝,讓石化行業也能變得“環境友好”。烷基化油主要包括不含烯烴和芳烴、含硫低、辛烷值高的C8支鏈烷烴,目前的傳統生産工藝是酸催化的異丁烷和烯烴的偶聯反應,全球每年産量約1150億升。

這種傳統生産工藝的致命缺陷在于需要使用數十億升的氫氟酸或硫酸,這些液體酸催化劑有毒且有腐蝕性,給工廠的操作人員帶來巨大的健康和安全風險。這些液體酸在使用之後,還必須再生或進行後處理,需要耗費額外的能量並産生額外的廢物及汙染。

石化行業的專家們已經花了幾十年來尋找更好的催化劑,但迄今爲止,化學家們的各種嘗試大都因爲催化劑選擇性差或者快速失活而失敗,而且,這些催化劑的再生也是個大問題。

在開發AlkyClean的過程中,Albemarle的研究人員發明了一種含鉑氧化鋁沸石,具有優化的孔徑和酸性位點,可以選擇性地生成高辛烷值的三甲基戊烷,而不是低辛烷值的二甲基己烷。這種催化劑對結垢不敏感,副産品産量極小。CB&I的工程師設計並建造了爲使用這種催化劑而優化的連續流反應器系統,其中催化劑可以進行工作(烯烴加成,烷基化)和再生(加氫)的循環,從而實現在不改變反應器條件的情況下連續再生催化劑和連續生産。

AlkyClean是第一個用于商業規模生産的固體酸催化劑。Albemarle和CB&I兩家公司宣布,使用這項技術的淄博海益精細化工(中國山東省)年産1.55億升烷基化油的項目(下圖)已于2015年8月成功啓動。

           

圖片來源:CB&I

綠色反應條件獎:Dow AgroSciences


圖片來源:Dow AgroSciences

化學一直是現代農業的重要組成部分,如今的農場比以往任何時候更依賴于化肥和農藥。爲了降低對環境的汙染以及非目標生物的毒性,農用化學品現在被設計的更具選擇性,從而降低使用量和使用頻率。

陶氏農業科學(Dow AgroSciences)的Instinct就是一個很好的例子,這種新技術可以大幅提高農田氮肥的使用效率。在土壤中,铵陽離子傾向于留在植物的根部區域,而硝酸鹽陰離子更傾向于移動,滲入地下水,從而進入河流和湖泊。通過在聚脲微膠囊中封裝氨單加氧酶抑制劑nitrapyrin(2-chloro-6-(trichloromethyl)pyridine),並將其與化肥或糞肥一起施用,Instinct可以防止土壤中的微生物將肥料中的铵轉換成更容易流失的硝酸鹽,同時也減少由農業活動導致的溫室氣體氧化亞氮的排放。

         

Nitrapyrin的使用實際上從1974年就開始了,以往這種農用化學品只能和不含水的“幹燥”肥料一起使用。在新的方法中,陶氏農業科學的研究人員使用油溶性聚異氰酸酯和水溶性胺反應形成聚脲膠囊外殼,將nitrapyrin包裹在內,得到水性nitrapyrin微膠囊懸浮劑Instinct,解決了這一問題。

除了改善nitrapyrin,Instinct或許還能代替昂貴的包衣緩釋肥料。陶氏預計,2014年美國玉米産量因Instinct的使用而增産5000萬蒲式耳(bushels),並削減一半氮氧化物排放(約相當于664,000噸二氧化碳當量)。

“全球提高糧食産量的需求還在不斷擴大,”該公司的研發副總裁Daniel R. Kittle說,“同時,像Instinct這樣基于科學的解決方案也需要跟上步伐,來面對類似水質和溫室氣體排放的全球性挑戰。”

綠色化學品設計獎 & 氣候變化獎:Newlight Technologies

圖片來源:Newlight Technologies

當今社會對采取行動應對氣候變化越來越認同,許多化學家和企業家試圖找出可行的策略來處理那些可以容易捕獲的工業溫室氣體,不少巧妙的方法開始湧現,將例如一氧化碳、甲烷和二氧化碳等分子轉化成例如甲醇、甲酸鹽和2,3-丁二醇的化學工業産品,或者將它們轉化成聚合物。

Newlight Technologies就是其中的佼佼者,一舉囊獲今年的“綠色化學品設計獎”和“氣候變化獎”兩項獎項。Newlight的生物催化過程可由甲烷和二氧化碳生産熱塑性塑料,他們專有的細菌聚合酶可以利用垃圾填埋場、堆肥沼氣池或發電廠的碳排放廢氣與空氣中的氧氣反應,生産聚羟基脂肪酸酯聚合物,Newlight把這種環保材料命名爲AirCarbon。

雖然生産此類環保塑料的方法並不是什麽秘密,有些甚至已經被商業化了,但有些問題一直沒有得到很好解決——生産成本以及聚合物的性能,Newlight的聯合創始人和首席執行官Mark Herrema說到。例如,有些方法中所用的微生物酶傾向于在聚合物生産完畢後失去活性,這意味著需要大量的生物催化劑以滿足生産目標,這導致成本過高。

Newlight的生産過程避免了這一問題,他們發明的工藝在溫和條件下僅用單個反應器就能將溫室氣體轉換爲環保材料AirCarbon。除了成本,AirCarbon的材料性能也勝過那些商品級的石油基熱塑性塑料,例如聚乙烯和聚丙烯,Herrema說。


AirCarbon制造的椅子。圖片來源:Newlight Technologies

2013年商業化以來,AirCarbon已被用于戴爾和惠普的電腦包裝、Virgin和Sprint的手機包裝,甚至用于生産家具和The Body Shop個人護理産品的瓶瓶罐罐。去年,Newlight簽訂了一個爲期20年的合同,向Vinmar International提供超過850萬噸的AirCarbon材料。另外,Newlight還授權家具制造商宜家(Ikea)和其他公司生産數以百萬噸的AirCarbon。

小企業獎:Verdezyne

圖片來源:Verdezyne/C&EN/Shutterstock

越來越多的制造商都在尋求從可再生資源中獲得原料,例如抛棄化石資源從糖或植物油中獲得用于生産尼龍的二羧酸,不過,性價比高的工藝是迫切需要解決的難題之一。

Verdezyne科學家設計了一種基因工程酵母菌,並開發出了一個三步酶促反應的好氧發酵技術平台,用來自植物油的月桂酸産生己二酸、癸二酸和十二烷二酸,這些二羧酸可進一步用于制備尼龍,並生産其他消費品,例如汽車工程塑料、漆刷、牙刷和漁線。十二烷二酸還可用作生産丙烯酸基塗料、油漆和粘合劑的交聯劑,以及用作潤滑劑和香料的二酯類化合物的生産原料。

傳統的十二烷二酸生産方法需要化石資源和嚴苛條件,工藝繁雜,汙染和排放問題突出。Verdezyne研究人員使用了從石油汙染土壤中分離的使用烷烴作爲唯一碳源的假絲酵母(Candida)菌株,經過基因工程優化,新的基因工程酵母可以通過三步酶促反應的好氧發酵以超過140克/升的速率氧化月桂酸,生産十二烷二酸。

根據Verdezyne的分析,其Biolon品牌的十二烷二酸的碳足迹低于基于化石資源的十二烷二酸,得到尼龍産品純度更高,性能相似或者更佳,生産條件更加溫和、安全、節能,避免使用濃硝酸以及隨後的溫室氣體副産物一氧化二氮的産生。Verdezyne已經在中試設備中驗證了該技術,現在正在馬來西亞建造Biolon年産能9000噸的工業生産設施。

學術獎:Paul J. Chirik教授

圖片來源:C&EN

催化是許多化學工藝的核心,貴金屬如钯、鉑、铑和銥是用途廣泛的傳統催化劑。爲了使催化變得性價比更高並適應可持續發展的需求,化學家們絞盡腦汁希望用含量更豐富的鐵、钴和鎳來代替它們。

普林斯頓大學的Paul J. Chirik教授一直致力于這方面的研究,他的團隊發現了一類新的硅氫化反應(hydrosilylation)催化劑,可用于生産有機硅化合物和聚合物。與被它們代替的鉑催化劑相比,這些鐵、钴和鎳的金屬-配體催化劑更廉價,更易使用,環境危害更少,而且活性往往更好,Chirik說。有機硅化合物和聚合物的用途很廣,例如汽車輪胎、美發産品、廚房用具、塗料等等。

Paul J. Chirik教授。圖片來源:Princeton University

通過與Momentive Performance Materials公司合作,Chirik的研究小組已經證明,這些鐵、钴和鎳催化劑的穩定性和選擇性比傳統的鉑催化劑更好,可在室溫下工作,對端烯烴和內烯烴都有活性。該反應混合物也不需要蒸餾以除去不需要的異構化副産物,這是鉑催化劑經常需要面對的問題。

Momentive的工程師們估計,如果世界上所有的硅氫化反應都使用Chirik的催化劑代替鉑催化劑,每年能節省約5.6噸的鉑和850億英熱單位(Btu)的能量,減少8,500噸廢物生成和21,700噸二氧化碳排放。

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