变废为宝

推荐单位：北京生物工程学会

成果来源：北京化工大学生命科学与技术学院

科研代表：谭天伟  苏海佳  陈必强  王萌  蔡的  肖刚  崔子恒

转化作者：格闰

随着人类对自然的认识不断加深，可持续发展越来越成为世界人民的共同诉求。摒弃对化石能源的过度依赖、减少污染、实现能源再生，无疑是追求可持续发展的题中应有之义。伴随生物技术领域的新发现，一种被称作“绿色生物制造”的新技术正“崭露头角”，它如魔法师一般，施展着“变废为宝”的魔法。秸秆、餐厨垃圾等废弃物经这一“魔法师”之手，就摇身一变而成为乙醇、丁醇及生物柴油等绿色能源。绿色生物制造研究正在发挥其对于推进可持续发展的重要作用。

绿色生物制造的概念

绿色生物制造的研究是伴随着生物经济的发展而来的。何为生物经济？简单来说，生物技术领域出现的一些新发现与应用，对其他产业的发展产生影响，进而导致世界经济发生变化。这一因生物技术发展而延及的经济活动变化都可以归为生物经济的范畴。例如，生物技术领域内基因组学的发展就促使医药、健康、农业、食品、营养、能源、环境等诸多产业发生重组与融合。

绿色生物制造是生物经济的一部分，它利用一些新的生物技术将废弃的生物质，如秸秆、餐厨垃圾等，转化为有价值的生物基产品，包括食品、饲料、药物、能源燃料，等等。并且，这一过程是绿色无污染的。因此，绿色生物制造对于我们实现可持续发展具有重要意义，它既可以将秸秆、餐厨垃圾等转化成乙醇、丁醇等能源燃料，促进能源再生;又可将工业生产过程中产生的有害化学物质加以清洁转化，实现绿色生产。

绿色生物制造在可预见的未来将发挥越来越重要的作用。美国、印度、日本等30多个国家早已将生物产业目标纳入国家战略规划之中。我国经济社会实现可持续发展对于绿色生物制造同样有着巨大需求，这要求我们发展推进绿色生物制造领域的基础研究、关键技术创新以及产业应用规范等，推动生物产业发展，实现绿色生产、循环经济的战略目标。

变废为宝

綠色生物制造拥有着“变废为宝”的神奇魔法。每到农村收获的季节，秸秆燃烧不仅产生大量有毒物质，造成空气污染，还是一种极大的浪费。因为这不起眼的秸秆倘若能经过绿色生物制造的“技术改造”，就能变成清洁能源。这样的“魔法”究竟如何施展呢？

原来水稻秸秆的主要成分是纤维素，约占33%，而纤维素作为多糖聚合物经过降解可变为葡萄糖，葡萄糖再经发酵就可得到乙醇了，其中关键步骤为将纤维素水解为葡萄糖。这样的过程说起来容易，做起来可没那么简单。因为水稻秸秆中除了纤维素还有其他的成分，如半纤维素（约占26%）、木质素（7%）以及一些矿物质等，这些其他成分就像“捣蛋分子”，它们可不会坐视纤维素轻松转化为乙醇，而在转化过程中百般调皮，让人头痛。

纤维素是由D-吡喃葡萄糖基以β-1，4-糖苷键连接而成的链状高分子化合物，它经过酶的作用完全水解而成为葡萄糖。问题是秸秆中可不是仅有纤维素一种成分，水稻秸秆中的木质素和半纤维素会形成牢固的结合层，紧紧包围着纤维素，从而阻碍纤维素与水解酶的接触，降低纤维素转化为葡萄糖的速率。如此看来，水稻秸秆中的纤维素就像是被木质素与半纤维素过度保护的“孩子”，木质素与半纤维素则像那些神经过于敏感的“父母”，问题在于如何说服“父母”放手，让“孩子”接触外部世界——酶，而得到真正的成长呢？

这就需要对水稻秸秆进行预处理。预处理的方法包括物理的机械粉碎法、蒸汽爆破法，化学的酸、碱、次氯酸钠、臭氧等试剂处理法。这些方法的核心是脱去木质素等“捣蛋分子”，“解放”纤维素，让纤维素与水解酶充分接触。

经过预处理的水稻秸秆，其纤维素终于可以与水解酶“把酒言欢”了。剩下的问题就是，选择高效的纤维素酶，将纤维素水解而成的葡萄糖发酵得到乙醇，“魔法”由此发生。

未来的方向

随着农村生活水平的不断提高，以往可作为燃料、肥料、饲料等的秸秆多已被弃用，大多数秸秆被就地焚烧，不仅造成生态污染，也是一种资源浪费。绿色生物制造利用一系列生物技术，实现了秸秆的绿色再生产，不仅解决了秸秆的环境污染问题，还开发了新的能源。这样的概念与技术是与我们“人与自然和谐相处”的理念相契合的，也是与“可持续发展”的要求吻合的，可以说绿色生物制造启迪了我们对于社会未来发展方向的思考。

其实，生物质原料不仅仅包括秸秆，像锯末、甘蔗渣、稻糠乃至餐厨垃圾，甚至工业生产过程中产生的工业废弃物，都是生物质原料的范畴，它们都可以作为绿色生物制造的原料。来自北京化工大学的苏海佳研究团队，就建立了以低成本餐饮废弃油脂为原料，自主知识产权生物酶为催化剂的生物柴油反应体系及配套生产工艺，并以此为基础建立了3万吨/年的工业生产线。[1]

绿色生物制造可以将“垃圾”转化为食物、饲料、药物、复合材料、能源燃料，等等。以绿色生物制造为核心的生物经济对于未来经济社会的走向将具有重要影响。如何让绿色生物制造的“魔法”尽情施展？这无疑需要我们统筹部署、持续突破，从基础研究、关键技术乃至产品应用规范等各方面，提出一系列的创新提升方案。

参考文献

谭天伟，苏海佳，陈必强，王萌，蔡的，肖刚，崔子恒.绿色生物制造[J].北京化工大学学报（自然科学版），2018，45（5）：111.