欧洲可持续性化学技术平台
——2025年及以后年代的设想（摘要）
朱曾惠 编译
（上接第27期A12、13）
                              附录三  反应和过程设计
    1.前景展望
    对于化学工业来说,反应和过程设计是至关重要的。产品的生命周期越来越短,专用化学品迅速转变为商品。要
在高成本压力下保持盈利,唯一的途径就是拥有卓越的反应和过程设计能力。最佳(即最快、最便宜、最清洁)的生
产过程对于化学工业来说极为重要。
    为此,我们确定了一组可以用于各种化学领域的推动技术,旨在优化基础化学品、中间体和精细化学品生产过
程。
    反应和过程设计集成了2种互补的方法,化学合成及过程科学与工程。
    其中,化学合成包括:
    ●新反应及新合成路线;
    ●新溶剂和无溶剂路线;
    ●催化。
    过程科学与工程包括:
    ●反应器设计;
    ●干燥和纯化方法;
    ●精馏、结晶和分离技术；
    ●产品设计和配方；
    ●过程分析与控制。
    反应和过程设计包括反应设计和过程工程两部分。这两个学科都比较成熟,是开发、放大和化学生产设备设计
的基础。将基础科学与推动技术有效结合,有助于理清化学生产中提高收率、减少废物和提高资金利用率等的定量
关系。我们的战略应首先考虑增强欧洲反应设计和过程工程的能力,以促进化学工业的卓越表现,吸引下一代青年;
用正确的思维引导有关问题讨论以及对公共政策造成影响。
    合成路线的灵巧设计(smart design)是采用廉价原材料,减少过程废物、副产品以及能耗的关键因素之一。高
通量试验可以对参数(如溶剂、温度、催化剂等)进行快速筛选,从而加速了产品开发过程。高度现代化的多功能或
微结构混合/反应设备可以强化工艺,改善过程的经济性。成熟的大规模生产工艺表明,过程优化和创新是不可缺少
的,即使对大宗商品来说也是可行的。新的反应路线(如过氧化氢用作缓和平稳的氧化剂或用分子氧进行选择性氧化
的突破)为实现更加优良的反应过程打通了道路,将使欧洲的化学工业不同于其他化学品生产地区。
    在精细化学品、大宗化学品和聚合物方面,微技术均已取得了重大突破。过程集成可以将不同反应步骤集中到
同一台设备中,从而为大宗化学品生产工艺的改进打开了局面。反应精馏、分壁塔、离子液体分离、热电集成等都
能较大幅度地节约投资和运营成本。
    80%以上的化学品都要依靠催化反应。催化对反应过程的影响巨大,是1个关键的推动技术。即使在象聚烯烃生
产等成熟的工艺过程中,最新开发的催化剂的催化活性比此前使用数十年的催化剂都要高出若干个数量级。催化剂
开发和反应工程两者相互促进。在设计具有竞争力的商业化工艺过程时,过程的集成和强化与新型催化剂概念结合
是非常重要的。对于选用新原料、生产高性能材料和创建环境友好型工艺来说,催化剂也具有决定性意义。
    利用可再生资源生产化学品和功能材料变得越来越重要。本体聚合物和基础化学品的大规模生物法生产将代表
当今化学工业的最高水平。
    与大型生物技术工艺生产通用性化学品和聚合物相反,药品合成、抗生素、医用蛋白质等则需要更为先进的小
型技术,这是研究开发方面的一个广阔领域。
    尽管发酵和酶转化生产技术已经成熟,但是近20年出现的生物技术新方法将为新生物过程提供重要手段(如蛋
白质和抗生素等领域),也将为取代传统化学工艺过程提供非常具有吸引力的途径。本平台将会考虑以下主题:基于
计算机的生物工艺优化工具、发酵的单元操作、细胞处理/分离以及提纯技术(如色谱、结晶、病毒灭活和冷冻干燥
等)。
    到2025年,计算机技术(in-silico technologies)的发展将会对过程工业产生巨大的影响。过去10年中,计算
方法取得了较大幅度的进展,到2025年还将得到进一步的发展。现代化的硬件和软件可以实现快速建模、模拟和数
据挖掘。复杂化学过程的模拟表明人们已经掌握了许多计算机专业知识基础。例如,个人医疗计算方法、性能预测
方法支持的活性组份的探索、在细胞水平上模拟改进生物工艺等都会大幅度地加速产品开发,提高过程收率和生产
效率,并可能导致全新业务的出现。
    2.战略性研究议程
    为了迎接挑战,反应和工艺过程的战略性研究议程必须包括以下领域:
    (1)现代合成路线
    尽管有机合成是一门成熟学科,但它的继续发展将会对未来化学工业产生巨大的影响。
    新反应路线达到以下目的:
    ●开发具有高原子效率的工艺过程(减少或避免废物产生);
    ●废物再利用，使材料循环成为闭环;
    ●使用分子氧进行选择性氧化过程;
    ●避免危险加合物和副产物生成的工艺;
    ●使CO2成为分子的组成部分;
    ●生物技术替代化学工艺;
    ●将可再生原料用于化学工业(生物炼厂)。
    新合成方法可以利用可再生资源,如排放的CO和CO2可以用作多种化合物和产品的原料。要想利用这些廉价、
易得的原料,开发新的合成方法和催化剂是必需的。
    反应介质的新选择:
    ●离子液体的蒸气压很低,是1种绿色溶剂。巴斯夫和德固赛最近已开发出使用离子液体的工艺。不过要想在
化学工业中广泛应用离子液体,还需要进行大量研究工作。从离子液体中分离最终产品尚未解决,对于离子液体的性
质以及其中的反应动力学和相关参数的知识也相当匮乏。离子液体种类繁多,而且能够针对特定需求定制合成所需
的离子液体,这些优点为离子液体的研究提供了众多机会;
    ●水是最廉价、最为环境友好的溶剂。但是,大多数化学反应在有机溶剂中进行。新的研究模式将水作为有机
合成溶剂进行研究。这不仅需要解决试剂和催化剂的稳定性,还要解决加合物和产品的溶解问题。
    反应条件的变更:
    ●高压和超临界气体(如CO2)作为溶剂和微乳化介质;
    ●光化学和电化学反应;
    ●微波和超声波引发反应(如聚合反应)。
    (2)微技术
    微技术的开发包括以下内容:
    ●微技术应用所需的新设备,设备应具有廉价、易清洗、易更换、可长期稳定运行等特点,且对于腐蚀、污染和
堵塞等有较高的耐受性;
    ●高度过程强化(包括后勤和供应链)的新型概念工厂;
    ●微反应器在线分析工具;
    ●组合/集成方式，如催化微反应器和使用组合手段的高通量试验方法。
    (3)催化
    催化是化学和分子科学,重点在于加速和提高化学反应的物质和能量效率。化学工业80%以上的过程(包括制药)
依赖催化技术,价值约1.5万亿欧元。催化对欧盟GDP的直接贡献为2%～3%,如果将依赖化学原料的工业考虑在内,
这一值将会增加一个数量级。化学工业对于转化技术的改善、新型催化剂(包括酶)以及新型反应器和过程工程的需
求从未间断过。
    ●活化C-H键，从而可以利用甲烷和乙烷(天然气的主要成分)等低级烷烃;将烷烃直接转换成有价值的功能性
分子;高级合成气化学;
    ●可以实现生物质和废料等替代原料转化的催化系统;
    ●推进氢在能源系统中的应用,包括降低成本、提高催化剂在转换器和燃料电池中的寿命、燃料电池用抗CO中
毒催化剂以及储氢材料的开发;
    ●交通工具用催化剂,如尾气转换器的改进、不含硫和芳烃的燃料等;
    ●生命科学中间体和活性成分生产用催化方法的改进,如对映体选择反应;
    ●高性能聚合物用催化系统的改进和新型催化系统的开发,如使用灵巧(smart)催化剂生产单体和定制聚合物材
料;
    ●环境保护,包括废气的催化处理和废水净化;
    ●反应器集成方法,如催化微反应器和催化膜反应器;
    ●催化剂研究方法的改进,如表征方法和机理研究,以实现催化剂的合理设计。
    (4)反应器设计、装置设计和单元操作
    该领域的重点在以下几个方面:
    ●通过集成实现过程强化,包括组合反应与分离步骤、催化膜反应器、催化微反应器等;
    ●应用廉价的单元来降低投资,如将多个分离步骤集成到同一设备中;
    ●降低投资的新型工厂概念和生产费用,包括以知识为基础的生产概念,如间歇/半间歇、网络/分布式生产。
    ●应用单元操作以应对新挑战,如生物质原料的预处理和后处理。
    (5)材料性能设计
    该领域将材料技术部门相结合对以下主题进行研究:
    ●根据特定的应用要求定制活性成分性能的方法传送系统、夹层和包囊、味道遮盖、药物靶向、控制释放和触
发释放配方、多重乳化等技术。
    (6)干燥方法和纯化技术
    该领域的主要课题有:
    ●使成熟技术适用于新兴领域,如纳米材料的干燥、加工和纯化;
    ●生物技术产品的纯化。
    (7)计算机技术
    涉及以下内容：
    ●使成熟技术适用于新兴领域,如生物工艺过程中的系统生物学方法、改进发酵过程的代谢工程等;
● 用高级建模和规划工具进行数字化生产。
                                附录四  水平议题
    创新的成功绝不仅仅是科学和技术方面的问题，同时还需要考虑包括经济、管理和社会等其他许多问题。这三
个领域，将由水平议题工作组处理，这也是建立工作组的初衷和其首要解决的问题。
    此外，相关部门涉及面多种多样，它们向小组提出的问题各具特点，可能对可持续性化学（Suschem）的目标
起到协同作用。而且，技术部门自身的进步会产生新的知识，新知识的应用会对技术平台的最终用户——欧盟的公
民带来利益。
    首先，水平议题工作组要确定和了解一般因素（generic factor）。由此我们建立借助平台及相关资源可以产
生重要的影响问题的资料。我们的目标是采取具体步骤来减少关键的“创新水平障碍（horizontal barrier）”，并
启动一些计划来刺激“对创新更具支持性的环境”的形成。水平议题工作组将为技术部门和平台相关者提供服务，
是Suschem的有机组成部分。
    为了计划的进行，水平议题工作组将分割为3个工作小组，分别对以下主题展开工作：
    ●HSE——健康、安全和环境问题；
    ●支持性环境的需求；
    ●成功创新需要欧盟财政机制。
    以上3个工作小组共同实现积极的交流和协调计划，以保证主要相关机构互相通气，并确保得到社会关注。工
作小组内部活动各不相同，有的小组需要确定计划的最终研究选题，而另外的小组则要从其他国家和机构获得最佳
的创新实践经验。每个课题的活动也不尽相同，有些是项目管理的直接行为；而另外一些则是范围更窄的计划，其
中只是关于平台的简单的状态报告书。
    工作组战略的1个重要内容是有效地平衡有兴趣支持未来化学创新的研究机构、协会和其他组织的活动。影响
一些机构，协会和其他组织的现有活动，使其能有利于支持未来化学创新的改进。在这种情况下，我们的重点是：
对目前需要优先解决的问题达成共识后，着手制定解决未来问题的、切实可行的新方案。
    需要考虑的一般因素如下：
    （1）风险交流
    在创新性技术的实际风险方面，需要进行广泛、有效的社会讨论，以尽早得到社会的广泛认可。过去的情形通
常是，一边危言耸听，而另一边无视对话的作用。这种情形应当由1种内容广泛的、建设性的早期对话来替代。此
外，技术的收益也应有效地沟通，以确保人们对不使用新技术的风险有足够的理解。
    （2）全球性交流合作
    备受关注的新技术，如纳米技术和生物技术等，在国家和地区层面上都面临一系列问题。这些问题包括标准的
制定、各种测试方法以及应用的限制等。问题的每个方面都需要一致的交流。每个技术部门都会提出其所关注的技
术，因此水平议题工作组应发挥其重要的协调作用，以确保形成协调一致的欧洲路线。
    （3）技术和知识基础
    要使欧洲化学工业保持长期的活力和创新能力，获得合格的技术劳动力是非常重要的。SusChem的1个重要目
标就是能够吸引最优秀的人力资源，提供最新的培训，确保欧洲化学科学获得充足的投资。这一目标可以通过和
AllChemE(Alliance for Chemical Sciences and Technologiesin Europe，欧洲化学会联盟)等伙伴组织共同努力
来实现。
    （4）教育
    必须加强科学教学工作，特别是要加强化学教学。要使学生更多地利用实验室，以引起他们对化学的兴趣。如
果化学实践经验不足甚至匮乏，我们失去的不仅是未来的创新人员，而且也会面临人们越来越难以理解化学的最基
础部分的社会风险。近期计划的1个实例是“欧洲科学奥林匹亚联盟（EUSO）”。
    （5）法规安全性评价
    采取新的行动是为了实施更为明智的测试方法，其中包括开发替代动物测试等具体计划。各种计划间相互协调
是非常合乎逻辑的，而且理由也相当充分。首先，新技术的出现会带来新的问题，所有的新测试方法对这些问题都
应有所体现；其次，新技术本身就具有新的功能，比如高级计算机建模，可以在测试方法中得到应用。委员会的潜
在合作伙伴，包括联合研究中心（JRC）等都将是这一领域发挥作用的因素。水平议题工作组还将在技术平台和
ECOPA、ECVAM和ECETOC等有关行动中起到中介作用。
    （6）工业和学术机构的研究合作
    合作研究是创新的重要动力。SusChem的目标之一是：促进工业与学术机构之间的合作，从而获得专业知识，
缩短产品投入市场的时间。
    （7）更有效地利用资源
    降低对化石燃料的依赖、减少废物的排放是在社会范围引起广泛关注的重要问题，所有技术部门应当将其纳入
技术前景展望。对于水平议题工作组来说，以大量相关机构为基础，有助于促进这些领域的发展。
    （8）获得风险投资
    风险投资是成功应用和实施创新的潜在限制因素，对于中小型企业尤其如此。改善风险资金资源的知识，加强
风险资金的可用性，将成为SusChem成功的标准之一。欧洲投资银行（EIB）、欧洲投资基金会（EIF）以及私人投
资者的作用应当予以正视。
    对于水平议题工作组来说，目标非常明确，那就是支持成功的创新。此外，我们还将关注平台新技术目前和将
来的需求。然而，目前我们还处于确定新技术和与平台主要相关者对话的初始阶段。将这个考虑在内，我们的“行
业设想（horizontal vision）”将逐渐成熟。与此同时，上面提及的实例会逐步演变为具体议题或从优先考虑议题
中删除。这样，水平议题议程将发展清晰的、可实施的SusChem支持规划。
最后，我们的设想将形成一个计划，提出未来5年、10年和15年需要变革的专门议题。成功的实现这些变革
将使社会能更充分理解并赞许我们的创新，并因此成为成为进一步创新的主要催化剂。                    
（全文完）

    （注：由于版面问题，我们将原文附录二和附录三的位置进行了调整。