生物精炼木质素生成高值产物，上交校友联合改进新型木质素还原催化分馏技术，合作者已...
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麻省理工科技评论-生物精炼木质素生成高值产物，上交校友联合改进新型木质素还原催化分馏技术，合作者已成立公司探索产业化可行性
从源头上取代石油产品，这是湖北小伙罗予勍（qíng）的研究。在相关论文中，和他一起撰文的共同第一作者已成立相关公司进行孵化。
整体来看，这项工作展示了用不同生物精炼木质素生成高价值产品的可能性。研究中，他和同事提出一种用可再生资源生产聚合物前体的新工艺，并展示了该方法在高价值树脂材料上的良好经济性。
罗予勍是湖北武汉人，目前在美国特拉华大学化工系读博。近日，其担任共同一作的论文，以《通过强化还原催化解构在常压下将木质素增值为高性能聚合物》（Ambient-pressure lignin valorization to high-performance polymers by intensified reductive catalytic deconstruction）为题发表在 Science Advances上 [1]。
其导师玛丽安蒂·耶拉佩特里图（Marianthi Ierapetritou）教授担任共同作者，特拉华大学化学与生物分子工程系教授托马斯·H· 埃普斯三世（Thomas H. Epps III）担任通讯作者。
改进传统的木质素还原催化分馏技术
当前，能源和化工品依然主要依靠石油原料来进行生成，这难免会造成大量的碳排放。近年来，人们对于环境问题的关注度越来越高，很多国家都制定了碳达峰碳中和减排目标。而使用生物质代替石油原料，被认为是一种非常有潜力的解决方案。大量公司和科研机构都在相关实验上投入颇多，也提出了多个在实验室里行之有效合成路径。
但是，目前大多数的企业运转和决策仍然受到经济效益的约束。对于一项技术来说，要想被公众接受和企业采用，不光需要有减少二氧化碳排放的效果，更需要能保证生产成本能与当前传统的石化产品竞争。例如，生物质发酵制造乙醇燃料的工艺经过多年发展几代迭代，已能实现较大规模的生产，但是较高的生产成本使得其应用仍然饱受限制。
木质素广泛分布于各种生物质原料中，特别是木材、树皮和藻类这样的非粮食性生物质材料中。而该研究是对传统的木质素还原催化分馏技术的改进，主要创新来自于合作者的实验部分。
当前，很多研究已能将生物质中的其他大多数组分，有效转化成糖类、以及其他有价值的中间体。但是，如何有效利用木质素仍是一项挑战。
例如，造纸流程中会产生大量废弃木质素，由于缺乏有效利用，大部分都被燃烧以用来提供整体流程所需的热量。而不可避免的，这一过程会产生大量二氧化碳，从而加剧气候变暖的影响。
在该工作中，课题组选用较高沸点的甘油作为溶剂，并参与木质素还原催化分馏反应。而传统的方法大多使用甲醇作为溶剂，以及使用过量的氢气。由于反应时间较长，传统的高压间歇式流程将更难放大到工业生产的规模，同时也更难操作。
而使用甘油在常压下反应，并同时进行反应蒸馏的方法，既方便连续性生产，又能有效提升能量的利用。
罗予勍表示：“我们的实验合作者，将这种新的木质素转化技术命名为反应精馏-还原催化解聚。此外，还继续探索了将获得木质素衍生的酚类进行官能化，并用于制造 3D 打印树脂和压敏胶的应用。”而除了论文中提到的用于 3D 打印或者压敏胶的树脂材料，木质素衍生的酚类还可用于制造香水或者其他香味添加剂。
从源头上取代石油产品，共同一作已成立相关公司并获得州政府资金支持
在该论文中，罗予勍主要从新的实验条件和结果出发，对化工流程进行设计和模拟，并做以经济技术分析。主要目的是在经济性方面，将改进后的流程与传统方法进行比较，以期在实验室研究的早期阶段，揭示制约目前技术发展的经济性因素，比如过于昂贵的原料和反应溶液浓度过低等从而进一步助力这项技术的改进。
据介绍，该课题是特拉华大学 National Science Foundation Growing Convergence Research 基金的研究项目。此次研究的合作者托马斯·H· 埃普斯三世（Thomas H. Epps III）教授，已在该领域探索多年，其课题组此前已有很多铺垫性的工作。在确定完毕实验部分的可行性、以及对合成路径进行详尽实验之后，他们联系到罗予勍所在课题组，希望通过合作将他们的木质素转化技术和传统方法进行比较，以便做进一步的改进。
本文的共同第一作者罗伯特·奥迪亚（Robert M. O’Dea）博士生正在继续开发并商业化这项技术。目前，他和其导师托马斯·H· 埃普斯三世依据这一系列技术，在 2019 年创立了一家名为 Lignolix 公司，目前已获得特拉华州的资金支持。
据介绍，此次论文主要专注于经济技术分析，即考察该技术的成本方面。后续他们对该技术进行生命周期评估，来分析通过使用生物质取代原油来生成化学品对于环境的影响。
近些年，由于全球性气候问题持续受到关注、以及各国低碳减排目标的确立，这方面的研究越来越被公众了解。使用生物质原料来生产化合物的出发点，就是希望从源头上取代石油产品，从而减少碳排放。但是，如果在实际生产中使用了其他石油化工品或是过量的能源，反而有可能会排放更多的温室气体。
同时，考虑生物质原料的具有复杂性、来源也具有多样性，罗予勍和同事设计了更整合的流程来转化木材处理中的边角料，比如树皮、树枝、树叶等，从而更有效地利用生物质的其他组分比如纤维素等来生产化学品。他表示，这部分工作已整理成论文，目前已经过第一轮修改，正在进行第二轮同行评议。
大三暑假修完本科课程，出国加入宾大实习
据介绍，罗予勍本科毕业于上海交通大学化学化工学院，最初选择高分子系主要是觉得很有趣。对他来说，高分子材料在生活中应用十分广泛，而高分子科学的基本理论可以解释和解决很多常见问题。由于乐在其中，大学四年下来成绩一直稳定在第一名，毕业时获得上海市优秀毕业生称号。
其中，在大三时他已修完所有课程，遂联系美国宾夕法尼亚大学化学系高分子聚合方向的专家维吉尔·佩尔塞克（Virgil Percec）教授，希望能在后者的实验室进行科研实习。
聚合方向虽然困难重重，却也是他一直希望能参与的：比如，活性自由基聚合反应动力学的实验需要严格隔绝氧气，并且每隔 5 到 10 分钟就需要手动取样，然后进行一系列分析。
他说：“那几个月下来虽然每次实验都焦头烂额。但是，确实收获颇多，同时也磨砺了心性，最终这部分工作的论文，在本科毕业后也得以发表。”
后来，当其申请美国博士项目的时候，他决定从本科的化学方向转到化学工程。目前越来越多的研究都在专注于节能减排技术。但是，如何向学界和公众清楚地展示技术创新，仍然困扰着科研人员。
他说：“对于大部分科研组来说，他们很少思考如何定量描述化学品生产中温室气体排放等环境因素。这也让我对相关经济分析和环境分析感到非常新奇。”
“这让我想到我刚开始使用生命周期评估方法时，接触到了很多改变自己原来认知的观点。例如，有关纸袋和塑料袋孰优孰劣的争论，抑或是目前大量使用粮食作物来制造乙醇燃料是否真的能减少碳排放？以及是否会引发更广泛的饥饿问题？这使得我慢慢意识到，很多节能减排的技术出发点是好的，但有可能引出并不显而易见的新问题，而生命周期评估能引导大家更系统全面地思考这些问题，避免无心之过。”罗予勍最后表示。
-End-
1、O’Dea, R. M., Pranda, P. A., Luo, Y., Amitrano, A., Ebikade, E. O., Gottlieb, E. R., ... & Epps III, T. H. (2022). Ambient-pressure lignin valorization to high-performance polymers by intensified reductive catalytic deconstruction. Science advances, 8(3), eabj7523.
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