2015年美国总统绿色化学挑战奖简介

吴恒源，叶君，熊犍



2015年美国总统绿色化学挑战奖简介

吴恒源，叶君，熊犍

（华南理工大学轻工与食品学院，广东广州 510640）

2015年7月13日美国环境保护署（EPA）在其官方网站，公布了2015年“美国总统绿色化学挑战奖”获奖项目名单，2015年新增了一个奖项——特定环境效益：气候变化奖。

1 学术奖（Academic Award）

2015年学术奖授予科罗拉多州立大学的Eugene Y.-X. Chen教授。Chen教授不使用金属催化剂，将生物质基平台化合物5-羟甲基糠醛（HMF）自身二聚为5,5'-二羟甲基糠醛（DHMF）；二甲基丙烯酸酯聚合成可生物降解的聚酯。

Chen教授及其团队开发的新缩合技术，使用有机催化剂——氮杂环卡宾（NHC），在无溶剂的条件下，可直接耦合HMF为DHMF，并且达到定量产出；并实现了反应物100%的原子利用率。

二甲基丙烯酸酯不能发生缩聚反应，现有的方法是将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教授及其团队开发了一种被称为“质子转移聚合法”（HTP）缩聚方法，即用NHC催化剂将二甲基丙烯酸酯聚合成可生物降解的聚酯，且原子利用率也达到100%。

这两项新技术不仅突破了现有技术，还具有无金属催化剂、100%的原子利用率、无溶剂（HMF的缩合）或可降解（聚酯生产）的特点。

2 更绿色化学品设计奖(Designing Greener Chemical Award)

2015年更绿色化学品设计奖由Hybrid Coating Technologies/Nanotechnology Industries 公司（HCT公司）获得。

传统的聚氨酯生产使用异氰酸酯，但其化学活性高、刺激性强且具有致癌性。HCT公司使用环状碳酸酯与胺反应取代传统的异氰酸酯与多元醇反应，合成聚氨酯涂料和绝缘泡沫。HCT公司发明了不用异氰酸酯生产聚氨酯（HNIPU，商标为“GREEN POLYURETHANETM”）的方法，HNIPU是碳酸酯类（单环/多环、环氧低聚物）和伯胺类（脂肪族或脂环族多胺）反应的产物，是不同结构-氨基甲酸乙酯交联的聚合物，在聚氨酯和环氧基树脂应用（如涂层和泡沫）中更加安全。

HCT公司提出一个生成新的“冷”固化加工环氧胺多功能改性剂的新理念，即羟烷基氨基甲酸乙酯固化剂（HUM）；并基于可再生原材料（植物油）制备了一系列HUMs，用于SPF和紫外光固化丙烯酸类高聚物基涂层。HUM具有优异的储存期/干燥时间、强度/应力属性、附着性、风化性和耐化学性性能；且HNIPU对周围环境的湿度不敏感，用更低危险性的高分子量胺代替有腐蚀性的低分子量胺。

HNIPU的力学性能和耐化学品性能得到提高，并用可再生环氧基（植物衍生物）代替了超过50%的石化环氧基，与传统聚氨酯和环氧树脂产品相比，其成本极具竞争力。HCT公司目前在加利福尼亚有1000t 产能。由于产品安全性和优越特性的提高，使用HNIPU涂层的涂膜器成本降低30%～60%。HCT公司预计使用喷雾聚氨酯泡沫的涂抹器投入市场，将会产生更高的经济效益。

3 更绿色反应条件奖(Greener Reaction Conditions Award)

SOLTEX公司因开发了一种新的用固态催化剂固定床反应器高效生产聚异丁烯（PIB）的方法，获得更绿色反应条件奖。

PIB是生产润滑油添加剂和汽油添加剂的重要中间体。PIB传统生产方法是将强腐蚀的液态Lewis酸（如BF3等）催化剂与异丁烯单体均匀混合后，连续加入到特殊反应器中。当反应结束时，需用大量的水洗涤以除去催化剂，痕量的催化剂残留都影响产品的质量和稳定性，且催化剂不能循环利用。该过程需要特殊设备及处理系统和步骤，其设备投资成本和操作成本高，并产生和产品同样多的废水。

SOLTEX公司的新方法是将催化剂固定在载体上装载在反应器中，具有特殊的几何形状和尺寸，异丁烯单体以一定的速率通过反应器，发生聚合反应后流出反应器。这是一个简化、高效的方法，大大减少了设备的资金投入和操作步骤，节省催化剂成本。使用该方法，每年减排数百万加仑废水，减少50%有害化学品的使用。

4 更绿色合成路线奖(Greener Synthetic Pathways Award)

LanzaTech公司因开发了一种将工业废气CO、CO2发酵转化为乙醇、2,3-丁二醇的工艺而获得2015年更绿色合成路线奖。

LanzaTech公司开发了一种将CO和CO2生产燃料（如乙醇）和化学品（如2,3-丁二醇）的合成路线，且具有高选择性和高产量。其专利微生物能够将不含H2的CO气流，利用一氧化碳去氢酶（CODH）实现CO2和CO间转换，Wood-Ljungdahl路径的酶催化可以促进该过程，经过一系列的中间体，CO/CO2最终被CODH/ACS复合体固定成乙酰辅酶A。该过程中所需的H2可在微生物高效率发生的生物水-气体转换反应过程产生。

LanzaTech公司的专利微生物将乙酰辅酶A高效转换为酒精和其他产品，如纯2,3-丁二醇手性体，没有产物分离和副产物处理；微生物在室温和大气压力下工作，并可耐受高水平毒性。其专用生物反应器克服了气体溶解度限制，保证了产量和生产率。

由MTU、E4TECH和清华大学共同进行的评估分析研究表明：LanzaTech公司从钢厂废气中产生燃料乙醇的气体发酵工艺，相比石油、煤、天然气等为原料的传统工艺，温室气体排放量低50%～70%，悬浮微粒和NO排放量也减少，即在产生有价值燃料的同时也减少了工业尾气对环境的影响。

5 小企业奖 (Small Business Award)

Renmatix公司因开发了一种超临界水解纤维素为糖类，作为生产化学品和生物燃料原料的Plantrose®工艺而获得2015年小企业奖。该技术与传统的酸水解、酶水解技术相比，具有清洁、高效经济等优点，为生产植物基化学品和生物燃料，并减少对石油燃料的依赖提供手段。

Renmatix公司的Plantrose®工艺使用超临界水解生物质，利用水进行转换反应，通过两步连续工艺实现提供有成本优势的水解木质纤维素的糖类。将木质纤维水解为木糖和葡萄糖，残余木质素用于提供本工艺所需要的大部分热能，或者应用于生产具有更高价值产品，如黏合剂或热塑性材料。

第一步，生物质和水混合加热，送入到分馏反应器中，在此半纤维素溶解到五碳糖流体中；第二步，纤维素和木质素从初始的糖类流体中滤出，被送到超临界水解反应器中。在反应器中，水同时作为反应物和催化剂，调节超临界系统的温度和压力，设定反应条件控制纤维素水解。

Renmatix公司的技术革新使用水代替酶和/或酸，提供了一个更加清洁、快速和低成本的水解纤维素为糖类的方法。所得到的糖类可作为生产化学品和生物燃料的原材料。Renmatix公司的合作伙伴已经应用Plantrose®工艺大规模水解纤维素得到糖类，并生产燃料酒精，得到了经济效益。此技术可促进全球生物燃料市场份额增长。

6 特定环境效益：气候变化奖(Specific Environmental Benefit：Climate Change Award)

Algenol公司因开发了一种基因改造蓝藻细菌（蓝藻）的技术，利用CO2、阳光和盐水生产乙醇和生物燃料，获得美国总统绿色化学奖建立以来的第一个特定环境效益：气候变化奖。工业废气中CO2对环境影响巨大，如何高效利用废弃CO2将其转化为有价值的燃料一直是化学家研究的热点和重要课题。

Algenol公司使用藻类，利用空气或工业排放气体中的CO2以及阳光和盐水（可来自海水）而非粮食作物作为原料来生产燃料，大大降低碳排放量、成本和用水量。这是公司、公众和环境的共赢，可改造整个工业界、减少燃料产品碳排放。

Algenol公司的杂交藻类可在专利光生物反应器（PBRs）中的盐水中生长，PBRs有效解决了光饱和效应，从而减少了异养污染和用水量。

Algenol公司同时开发了燃料级的酒精高能效回收。与太平洋西北国家实验室（PNNL）合作，应用水热液化技术将废弃生物质转化为绿色原油，同时和PNNL、乔治亚理工学院合作发展了更高价值的绿色化学产品概念。

Algenol公司生产酒精的效率相当于每英亩谷物生产酒精的15～20倍。在过去5年里，将该技术从实验室规模推进到中试规模，目前已经完成了一个占地两英亩的设备的建设和调试。根据乔治亚理工学院同行评审，整个工艺减少了60%～80%与汽油相关的碳排放。一个2000英亩的Algenol商业模块相当于种植4千万棵树或减少36000辆车出行。

吴恒源。联系人：熊犍，博士，教授，主要从事天然高分子及绿色化学研究。E-mail lcjxiong@scut.edu.cn。