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2016年“美国总统绿色化学挑战奖”获奖项目

时间:2017-06-17    作者:联创生物医药信息部

在可持续发展和生态环境保护的趋势下,“绿色化学”成为了化学工业和科研一个非常重要的方向。由美国环境保护署(EPA)、美国科学院、国家科学基金、美国化学会、美国白宫等联合设立的“美国总统绿色化学挑战奖”(Presidential Green Chemistry Challenge Awards),正是用于奖励对“绿色化学”做出重要贡献的个人、团体和组织。奖项分为:绿色合成路线奖(Greener Synthetic Pathways)、绿色反应条件奖(Greener Reaction Conditions)、绿色化学品设计奖(The Design of Greener Chemicals)、小企业奖(Small Business)、学术奖(Academic)等5项。2015年起,新增了一个奖项——气候变化奖(Specific Environmental Benefit: Climate Change)。

         

图片来源:美国化学会(ACS)C&EN


根据EPA的统计,那些获奖的技术每年可以避免375,000吨危险化学品和溶剂的使用,节约800亿升水,并减少相当于350万吨二氧化碳的排放。

2016年的“美国总统绿色化学挑战奖”获奖名单已于近日公布,Albemarle、CB&I、Dow AgroSciences、Newlight Technologies、Verdezyne和普林斯顿大学的化学家Paul J. Chirik教授分获各个奖项。

绿色合成路线奖:Albemarle和CB&I


      

图片来源:C&EN

在人们心目中的石油精炼和石油化工行业,一般不会和“环境友好”这四个字沾边。然而,工业技术公司CB&I和特种化学品公司Albemarle通过联手发明AlkyClean,一种生产烷基化油(alkylate,一种理想的汽油原料)更清洁更安全的工艺,让石化行业也能变得“环境友好”。烷基化油主要包括不含烯烃和芳烃、含硫低、辛烷值高的C8支链烷烃,目前的传统生产工艺是酸催化的异丁烷和烯烃的偶联反应,全球每年产量约1150亿升。

这种传统生产工艺的致命缺陷在于需要使用数十亿升的氢氟酸或硫酸,这些液体酸催化剂有毒且有腐蚀性,给工厂的操作人员带来巨大的健康和安全风险。这些液体酸在使用之后,还必须再生或进行后处理,需要耗费额外的能量并产生额外的废物及污染。

石化行业的专家们已经花了几十年来寻找更好的催化剂,但迄今为止,化学家们的各种尝试大都因为催化剂选择性差或者快速失活而失败,而且,这些催化剂的再生也是个大问题。

在开发AlkyClean的过程中,Albemarle的研究人员发明了一种含铂氧化铝沸石,具有优化的孔径和酸性位点,可以选择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。这种催化剂对结垢不敏感,副产品产量极小。CB&I的工程师设计并建造了为使用这种催化剂而优化的连续流反应器系统,其中催化剂可以进行工作(烯烃加成,烷基化)和再生(加氢)的循环,从而实现在不改变反应器条件的情况下连续再生催化剂和连续生产。

AlkyClean是第一个用于商业规模生产的固体酸催化剂。Albemarle和CB&I两家公司宣布,使用这项技术的淄博海益精细化工(中国山东省)年产1.55亿升烷基化油的项目(下图)已于2015年8月成功启动。

           

图片来源:CB&I

绿色反应条件奖:Dow AgroSciences


图片来源:Dow AgroSciences

化学一直是现代农业的重要组成部分,如今的农场比以往任何时候更依赖于化肥和农药。为了降低对环境的污染以及非目标生物的毒性,农用化学品现在被设计的更具选择性,从而降低使用量和使用频率。

陶氏农业科学(Dow AgroSciences)的Instinct就是一个很好的例子,这种新技术可以大幅提高农田氮肥的使用效率。在土壤中,铵阳离子倾向于留在植物的根部区域,而硝酸盐阴离子更倾向于移动,渗入地下水,从而进入河流和湖泊。通过在聚脲微胶囊中封装氨单加氧酶抑制剂nitrapyrin(2-chloro-6-(trichloromethyl)pyridine),并将其与化肥或粪肥一起施用,Instinct可以防止土壤中的微生物将肥料中的铵转换成更容易流失的硝酸盐,同时也减少由农业活动导致的温室气体氧化亚氮的排放。

         

Nitrapyrin的使用实际上从1974年就开始了,以往这种农用化学品只能和不含水的“干燥”肥料一起使用。在新的方法中,陶氏农业科学的研究人员使用油溶性聚异氰酸酯和水溶性胺反应形成聚脲胶囊外壳,将nitrapyrin包裹在内,得到水性nitrapyrin微胶囊悬浮剂Instinct,解决了这一问题。

除了改善nitrapyrin,Instinct或许还能代替昂贵的包衣缓释肥料。陶氏预计,2014年美国玉米产量因Instinct的使用而增产5000万蒲式耳(bushels),并削减一半氮氧化物排放(约相当于664,000吨二氧化碳当量)。

“全球提高粮食产量的需求还在不断扩大,”该公司的研发副总裁Daniel R. Kittle说,“同时,像Instinct这样基于科学的解决方案也需要跟上步伐,来面对类似水质和温室气体排放的全球性挑战。”

绿色化学品设计奖 & 气候变化奖:Newlight Technologies

图片来源:Newlight Technologies

当今社会对采取行动应对气候变化越来越认同,许多化学家和企业家试图找出可行的策略来处理那些可以容易捕获的工业温室气体,不少巧妙的方法开始涌现,将例如一氧化碳、甲烷和二氧化碳等分子转化成例如甲醇、甲酸盐和2,3-丁二醇的化学工业产品,或者将它们转化成聚合物。

Newlight Technologies就是其中的佼佼者,一举囊获今年的“绿色化学品设计奖”和“气候变化奖”两项奖项。Newlight的生物催化过程可由甲烷和二氧化碳生产热塑性塑料,他们专有的细菌聚合酶可以利用垃圾填埋场、堆肥沼气池或发电厂的碳排放废气与空气中的氧气反应,生产聚羟基脂肪酸酯聚合物,Newlight把这种环保材料命名为AirCarbon。

虽然生产此类环保塑料的方法并不是什么秘密,有些甚至已经被商业化了,但有些问题一直没有得到很好解决——生产成本以及聚合物的性能,Newlight的联合创始人和首席执行官Mark Herrema说到。例如,有些方法中所用的微生物酶倾向于在聚合物生产完毕后失去活性,这意味着需要大量的生物催化剂以满足生产目标,这导致成本过高。

Newlight的生产过程避免了这一问题,他们发明的工艺在温和条件下仅用单个反应器就能将温室气体转换为环保材料AirCarbon。除了成本,AirCarbon的材料性能也胜过那些商品级的石油基热塑性塑料,例如聚乙烯和聚丙烯,Herrema说。


AirCarbon制造的椅子。图片来源:Newlight Technologies

2013年商业化以来,AirCarbon已被用于戴尔和惠普的电脑包装、Virgin和Sprint的手机包装,甚至用于生产家具和The Body Shop个人护理产品的瓶瓶罐罐。去年,Newlight签订了一个为期20年的合同,向Vinmar International提供超过850万吨的AirCarbon材料。另外,Newlight还授权家具制造商宜家(Ikea)和其他公司生产数以百万吨的AirCarbon。

小企业奖:Verdezyne

图片来源:Verdezyne/C&EN/Shutterstock

越来越多的制造商都在寻求从可再生资源中获得原料,例如抛弃化石资源从糖或植物油中获得用于生产尼龙的二羧酸,不过,性价比高的工艺是迫切需要解决的难题之一。

Verdezyne科学家设计了一种基因工程酵母菌,并开发出了一个三步酶促反应的好氧发酵技术平台,用来自植物油的月桂酸产生己二酸、癸二酸和十二烷二酸,这些二羧酸可进一步用于制备尼龙,并生产其他消费品,例如汽车工程塑料、漆刷、牙刷和渔线。十二烷二酸还可用作生产丙烯酸基涂料、油漆和粘合剂的交联剂,以及用作润滑剂和香料的二酯类化合物的生产原料。

传统的十二烷二酸生产方法需要化石资源和严苛条件,工艺繁杂,污染和排放问题突出。Verdezyne研究人员使用了从石油污染土壤中分离的使用烷烃作为唯一碳源的假丝酵母(Candida)菌株,经过基因工程优化,新的基因工程酵母可以通过三步酶促反应的好氧发酵以超过140克/升的速率氧化月桂酸,生产十二烷二酸。

根据Verdezyne的分析,其Biolon品牌的十二烷二酸的碳足迹低于基于化石资源的十二烷二酸,得到尼龙产品纯度更高,性能相似或者更佳,生产条件更加温和、安全、节能,避免使用浓硝酸以及随后的温室气体副产物一氧化二氮的产生。Verdezyne已经在中试设备中验证了该技术,现在正在马来西亚建造Biolon年产能9000吨的工业生产设施。

学术奖:Paul J. Chirik教授

图片来源:C&EN

催化是许多化学工艺的核心,贵金属如钯、铂、铑和铱是用途广泛的传统催化剂。为了使催化变得性价比更高并适应可持续发展的需求,化学家们绞尽脑汁希望用含量更丰富的铁、钴和镍来代替它们。

普林斯顿大学的Paul J. Chirik教授一直致力于这方面的研究,他的团队发现了一类新的硅氢化反应(hydrosilylation)催化剂,可用于生产有机硅化合物和聚合物。与被它们代替的铂催化剂相比,这些铁、钴和镍的金属-配体催化剂更廉价,更易使用,环境危害更少,而且活性往往更好,Chirik说。有机硅化合物和聚合物的用途很广,例如汽车轮胎、美发产品、厨房用具、涂料等等。

Paul J. Chirik教授。图片来源:Princeton University

通过与Momentive Performance Materials公司合作,Chirik的研究小组已经证明,这些铁、钴和镍催化剂的稳定性和选择性比传统的铂催化剂更好,可在室温下工作,对端烯烃和内烯烃都有活性。该反应混合物也不需要蒸馏以除去不需要的异构化副产物,这是铂催化剂经常需要面对的问题。

Momentive的工程师们估计,如果世界上所有的硅氢化反应都使用Chirik的催化剂代替铂催化剂,每年能节省约5.6吨的铂和850亿英热单位(Btu)的能量,减少8,500吨废物生成和21,700吨二氧化碳排放。

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