變廢為寶

推薦單位：北京生物工程學會

成果來源：北京化工大學生命科學與技術學院

科研代表：譚天偉 ?蘇海佳 ?陳必強 ?王萌 ?蔡的 ?肖剛 ?崔子恒

轉化作者：格閏

隨著人類對自然的認識不斷加深，可持續(xù)發(fā)展越來越成為世界人民的共同訴求。摒棄對化石能源的過度依賴、減少污染、實現(xiàn)能源再生，無疑是追求可持續(xù)發(fā)展的題中應有之義。伴隨生物技術領域的新發(fā)現(xiàn)，一種被稱作“綠色生物制造”的新技術正“嶄露頭角”，它如魔法師一般，施展著“變廢為寶”的魔法。秸稈、餐廚垃圾等廢棄物經(jīng)這一“魔法師”之手，就搖身一變而成為乙醇、丁醇及生物柴油等綠色能源。綠色生物制造研究正在發(fā)揮其對于推進可持續(xù)發(fā)展的重要作用。

綠色生物制造的概念

綠色生物制造的研究是伴隨著生物經(jīng)濟的發(fā)展而來的。何為生物經(jīng)濟？簡單來說，生物技術領域出現(xiàn)的一些新發(fā)現(xiàn)與應用，對其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生影響，進而導致世界經(jīng)濟發(fā)生變化。這一因生物技術發(fā)展而延及的經(jīng)濟活動變化都可以歸為生物經(jīng)濟的范疇。例如，生物技術領域內(nèi)基因組學的發(fā)展就促使醫(yī)藥、健康、農(nóng)業(yè)、食品、營養(yǎng)、能源、環(huán)境等諸多產(chǎn)業(yè)發(fā)生重組與融合。

綠色生物制造是生物經(jīng)濟的一部分，它利用一些新的生物技術將廢棄的生物質(zhì)，如秸稈、餐廚垃圾等，轉化為有價值的生物基產(chǎn)品，包括食品、飼料、藥物、能源燃料，等等。并且，這一過程是綠色無污染的。因此，綠色生物制造對于我們實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，它既可以將秸稈、餐廚垃圾等轉化成乙醇、丁醇等能源燃料，促進能源再生;又可將工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的有害化學物質(zhì)加以清潔轉化，實現(xiàn)綠色生產(chǎn)。

綠色生物制造在可預見的未來將發(fā)揮越來越重要的作用。美國、印度、日本等30多個國家早已將生物產(chǎn)業(yè)目標納入國家戰(zhàn)略規(guī)劃之中。我國經(jīng)濟社會實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展對于綠色生物制造同樣有著巨大需求，這要求我們發(fā)展推進綠色生物制造領域的基礎研究、關鍵技術創(chuàng)新以及產(chǎn)業(yè)應用規(guī)范等，推動生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實現(xiàn)綠色生產(chǎn)、循環(huán)經(jīng)濟的戰(zhàn)略目標。

變廢為寶

綠色生物制造擁有著“變廢為寶”的神奇魔法。每到農(nóng)村收獲的季節(jié)，秸稈燃燒不僅產(chǎn)生大量有毒物質(zhì)，造成空氣污染，還是一種極大的浪費。因為這不起眼的秸稈倘若能經(jīng)過綠色生物制造的“技術改造”，就能變成清潔能源。這樣的“魔法”究竟如何施展呢？

原來水稻秸稈的主要成分是纖維素，約占33%，而纖維素作為多糖聚合物經(jīng)過降解可變?yōu)槠咸烟牵咸烟窃俳?jīng)發(fā)酵就可得到乙醇了，其中關鍵步驟為將纖維素水解為葡萄糖。這樣的過程說起來容易，做起來可沒那么簡單。因為水稻秸稈中除了纖維素還有其他的成分，如半纖維素（約占26%）、木質(zhì)素（7%）以及一些礦物質(zhì)等，這些其他成分就像“搗蛋分子”，它們可不會坐視纖維素輕松轉化為乙醇，而在轉化過程中百般調(diào)皮，讓人頭痛。

纖維素是由D-吡喃葡萄糖基以β-1，4-糖苷鍵連接而成的鏈狀高分子化合物，它經(jīng)過酶的作用完全水解而成為葡萄糖。問題是秸稈中可不是僅有纖維素一種成分，水稻秸稈中的木質(zhì)素和半纖維素會形成牢固的結合層，緊緊包圍著纖維素，從而阻礙纖維素與水解酶的接觸，降低纖維素轉化為葡萄糖的速率。如此看來，水稻秸稈中的纖維素就像是被木質(zhì)素與半纖維素過度保護的“孩子”，木質(zhì)素與半纖維素則像那些神經(jīng)過于敏感的“父母”，問題在于如何說服“父母”放手，讓“孩子”接觸外部世界——酶，而得到真正的成長呢？

這就需要對水稻秸稈進行預處理。預處理的方法包括物理的機械粉碎法、蒸汽爆破法，化學的酸、堿、次氯酸鈉、臭氧等試劑處理法。這些方法的核心是脫去木質(zhì)素等“搗蛋分子”，“解放”纖維素，讓纖維素與水解酶充分接觸。

經(jīng)過預處理的水稻秸稈，其纖維素終于可以與水解酶“把酒言歡”了。剩下的問題就是，選擇高效的纖維素酶，將纖維素水解而成的葡萄糖發(fā)酵得到乙醇，“魔法”由此發(fā)生。

未來的方向

隨著農(nóng)村生活水平的不斷提高，以往可作為燃料、肥料、飼料等的秸稈多已被棄用，大多數(shù)秸稈被就地焚燒，不僅造成生態(tài)污染，也是一種資源浪費。綠色生物制造利用一系列生物技術，實現(xiàn)了秸稈的綠色再生產(chǎn)，不僅解決了秸稈的環(huán)境污染問題，還開發(fā)了新的能源。這樣的概念與技術是與我們“人與自然和諧相處”的理念相契合的，也是與“可持續(xù)發(fā)展”的要求吻合的，可以說綠色生物制造啟迪了我們對于社會未來發(fā)展方向的思考。

其實，生物質(zhì)原料不僅僅包括秸稈，像鋸末、甘蔗渣、稻糠乃至餐廚垃圾，甚至工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢棄物，都是生物質(zhì)原料的范疇，它們都可以作為綠色生物制造的原料。來自北京化工大學的蘇海佳研究團隊，就建立了以低成本餐飲廢棄油脂為原料，自主知識產(chǎn)權生物酶為催化劑的生物柴油反應體系及配套生產(chǎn)工藝，并以此為基礎建立了3萬噸/年的工業(yè)生產(chǎn)線。[1]

綠色生物制造可以將“垃圾”轉化為食物、飼料、藥物、復合材料、能源燃料，等等。以綠色生物制造為核心的生物經(jīng)濟對于未來經(jīng)濟社會的走向將具有重要影響。如何讓綠色生物制造的“魔法”盡情施展？這無疑需要我們統(tǒng)籌部署、持續(xù)突破，從基礎研究、關鍵技術乃至產(chǎn)品應用規(guī)范等各方面，提出一系列的創(chuàng)新提升方案。

參考文獻

譚天偉，蘇海佳，陳必強，王萌，蔡的，肖剛，崔子恒.綠色生物制造[J].北京化工大學學報（自然科學版），2018，45（5）：111.