被国外垄断的生物基BDO,是怎么生产出来的?

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生物降解材料研究院报道,BDO是一种化工中游合成物,是生产PBAT的主要原料,通常来自化石能源,我们常说的炔醛法顺酐法丙烯法等BDO生产工艺,原料都是石油、天然气等不可再生来源。除此之外,还有一种不属于上述任何一种制备工艺的BDO——生物基BDO。

近年来,随着化石资源的枯竭和地球温室效应逐步严重,以可再生资源为原料的化合物制造工艺开始备受瞩目。季君晖在《中国(青岛)生物降解塑料技术与市场论坛》也提到,降解行业的发展不能违背双碳政策,否则是没有前途的。

生物法开发BDO的创新技术,在欧美等国家已经受到了广泛关注,并且已投入工业生产。从未来发展前景来看,1,4–BDO的生物法的生产费用有望与已工业化的工艺相竞争,不过现在这个领域主要被外国企业垄断,我国只有山东兰典生物科技有限公司有生物基BDO项目。生物基BDO的困境,被外国垄断,国内有一家企业在做!

12月26-27日,意大利Novamont公司的Alberto将参加由生物降解材料研究院在广州主办的《BDO与PBAT等衍生物市场走势及应用技术论坛》,分享BDO在欧洲的市场和生物基BDO相关内容,参会嘉宾限400人,扫码报名!

认识生物基BDO

BDO是重要的基本有机化工和精细化工原料,用途广泛,能够衍生出多种高附加值的精细化工产品,如THF、PBAT等。
生物基BDO,则是指来自于可再生的原料的BDO,例如淀粉发酵的糖类、或者木质纤维素等。生物基BDO某些方面与PHA相似,都是利用微生物来生产的。
生物基BDO具有与基于化石的BDO相同的分子结构,但“生物”二字意味着该分子是由玉米、秸秆等生物质资源制成的,而植物在生长的过程中本身便会吸收二氧化碳,因此更有助于二氧化碳的减排。

生物基BDO的生产过程

生物基BDO的生产过程主要分两个环节。
第一环节获得BDO的初级形式:将糖类物质与水、无机盐和微生物混合在一起,变成一个液体培养基,液体培养基通过微生物的发酵过程,将糖类物质转化为BDO,最后,为了消除微生物的活性,对液体培养基进行消毒处理。结果就是有了初级形态的BDO。
第二环节的生产过程主要目的是去除初级BDO中所含的杂质:首先,所有使用过的微生物都将得到重复利用,被重新恢复活力用以生产生物燃料,为BDO的生产提供能量。溶液再经提纯去除无机盐成分,最终依靠蒸发和蒸馏处理,去除水以及其他杂质,获得生物基1,4-丁二醇(BDO)。

生物基BDO的制备工艺

生物基的生产工艺最早由美国从事生物基化学业务的公司Genomatica开发。
1,4–BDO的酶法工艺就是由Genomatica公司研究开发的,该工艺以C5或C6等糖类为原料,将葡萄糖转化为丁二酸,然后加入催化剂从而使丁二酸转化为1,4–BDO。此法制备1,4–BDO操作简单,生产成本低。
2011年3月,Genomatica公司与泰莱(Tate & Lyle)公司宣布签署验证规模生产Genomatica公司生物基1,4–BDO联合开发协议。
2011年5月25日,Genomatica公司的研究人员发布报告称已成功利用大肠杆菌(E. coli)代谢工程直接生产1,4–BDO。该成果发表于《自然化学生物杂志(Journal Nature Chemical Biology)》。
2011年8月中旬,Genomatica公司与意大利Novamont公司签约,合作组建欧洲生物基1,4–BDO合资企业。
2012年1月25日,Genomatica公司宣布已经获得意大利Beta可再生能源公司全球独家专利使用权。通过使用Proesa的工艺过程,采用任何发酵基均可实现生产生物基 1,4–BDO。将Proesa工艺与Genomatica公司的直接生物法工艺集成为一个专一的、完整的过程,原料选择非食品、纤维素生物质,用于第二代技术生产 1,4–BDO。
2013年,Genomatica公司与杜邦泰特乐利宣布,历时5周生产出约2268 t1,4–BDO,标志着生物法1,4–BDO成功实现商业化生产。
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生物基BDOvs化石来源BDO

碳排放
根据意大利Novamont公司的LCA分析,与传统BDO相比,生物基BDO在其整个生命周期中减少了50%的碳足迹。
Adom等人的研究结果则表明,从玉米秸秆衍生的糖类中生产的生物基1,4-BDO的温室气体排放量比化石基对应物低约52%
成本
生物基BDO最大的问题在于其价格,生物基BDO的生产成本比化石来源的BDO要高,且油价越低,就越是缺乏竞争优势。不过生物基材料目前还属于新兴领域,大部分生物基来源的产品都要比来源于化石资源的同样产品成本高,随着生产工艺的改进和产能的提高,成本下降也不是没有可能,例如巴西Braskem目前就拥有20万吨的生物基聚乙烯产能,我国凯赛生物也实现了生物基5X系列尼龙对6X系列尼龙的部分替代及超越。
参考文献:
赵巍.生物基1,4–丁二醇的研究进展[J].化学推进剂与高分子材料,2018,16(04):45-50.
LCA of 1,4-Butanediol Produced via Direct Fermentation of Sugars from Wheat Straw Feedstock within a Territorial Biorefinery
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