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25期A12、13）
附录一  材料技术
　　对于许多工业来说，定制性能新材料的发现和加工新材料的能力对新业务的开发速度起了决定性作用。未来技
术的需求直接体现在对化学品和材料的要求越来越严格，这些要求包括：化学品和材料自身特性、成本、可加工性
以及可回收性。
　　材料科学涉及材料的设计和生产，化学在其中处于核心地位；而且这一学科在很多方面与化学工程和物理学交
叉。材料科学在现代塑料、涂料、纺织及电子材料等领域作出了巨大贡献，将来它将面临着更大的机遇和挑战。
　　无论从基础理论还是实用的角度，材料科学对所有科技领域都是至关重要的。而且，材料科学在能源、信息和
通讯技术、卫生保健、生活质量及公民防护等社会需求方面同样发挥着极为重要的作用。
　　我们的目标是：使欧洲成为世界领先的高新材料供应地，以助力欧盟的全面发展。材料技术部门的建议结构见
图1。
    1.前景展望
　　材料技术领域的创新非常多，未来最为重要的方面为：
    (1)能 源
　　2003年，全世界消耗能源14万亿w，其中70%来自化石燃料。预计2050年全球能源需求为30万亿～60万亿
w，这对现有技术是一个非常大的挑战。
　　能源问题可细分为下面4个主题：
    ●能源开发：包括现有化石燃料技术，可再生资源（如太阳能、氢能、风能、地热、生物炼厂的生物质等）替
代技术以及核能利用技术，就材料技术来说，重点是燃料电池技术和光电技术；
    ●能源传输和分配：包括供热网络、电线和电网；
    ●能源存贮：包括电池、超导体、储氢技术等；
    ●能源管理：包括建筑物的隔热绝缘、提高照明效率、减轻运输材料重量和减少能量损失等。
　　如果材料科学不能有新的发现，以上几个领域也不可能取得突破。
　　能源生产和传输方面，导电性和超导性新材料将会对实用型无损耗、大电流、远距离传输系统产生重要影响。
其中，新型陶瓷材料将会扮演重要角色。
　　能源管理和节约方面，轻质结构材料将大大加强和提高航空运输的效率和环境的可持续性。表面工程最常见的
形式是涂装。涂料可以保护材料防止腐蚀和水的破坏，但需要定期涂刷，既费钱又费力。耐久性涂料的开发将会让
现代生活大为改观。这种耐久性涂料添加有智能型功能包装材料，不仅耐刮擦和耐候性好，而且具有自清洗和自修
复功能。经其涂装的表面易于被雨水清净，表面被破坏时甚至可以自行修复。
    (2)信息和通讯技术（ICT）
　　通讯、信息和娱乐休闲是现代社会的三大市场。电子工业不断寻求新型材料，如超导体、聚合物导体和半导体、
介电材料、电容器、光阻材料、激光材料、显示用发光材料以及新型粘接剂、焊料和包装材料。在全球性高速数字
信息传输领域，新材料在光学数据传输中是不可或缺的。比如，非线性光学材料，用于分子开关的光响应性材料，
光缆用折射材料和纤维光学材料等。
　　挑战不仅仅是开发具有所需性能的新型材料，还要将之有效地应用到功能系统中。
    (3)生活质量
　　借助新型材料，欧洲人民的生活质量将显著提高。人们将会获得更好的灵活性（利用移动电话和笔记本电脑等），
更加高效的可持续性运输，保护作用和化妆效果更好的化妆品；可以通过提高维生素的稳定性和生物利用率改善营
养，通过配方技术创新改良食品添加剂。内外墙涂料将具有自清洁能力，且可根据环境变化作出响应，涂装表面具
有抗污能力，能够识别并破坏污染物和腐蚀性物质。特种聚合物工业也将受益于“智能”复合材料。“智能”复合
材料基于有机或无机材料（也可为是生物兼容材料），可用于制造长寿命电池、更小和更稳定的传感器；设计具有
自清洁、适应性和保护性的功能性织物；甚至可以制造医学修补材料和植入材料等。
    (4)卫生保健
　　随着人们寿命的延长和人口老龄化，需要1种新的模式来提供最为适宜的个人医疗保健和疾病预防，以降低不
断增长的医疗费用。植入物、药物传送、新型诊断技术、疾病预防和治疗、诊断和严重疾病的及时发现等领域均需
要新型材料。
　　化学提供了生物功能到电子信号的转变方法。传感器技术将生物功能和电子信号联系起来。不久的将来，高级
传感器和新型微型分析设备会对健康、环境和个体保护产生巨大影响。将生物活性分子可靠地联结在一个表面上使
功能集成度达到前所未有的水平。这就为改进医疗设备和药物传送战略提供了大量机会。另一个目标是设计能够模
拟生理系统（如肌肉）行为的材料。
    ⑤公民保护
　　社会面临越来越多的事故、恐怖袭击、气候突变和自然灾害，这些给个人和物质造成巨大破坏，需要针对这些
极端情况开发新型智能技术为人们提供保护，并提供预测和避免的途径，所涉及的技术包括：爆炸物、毒剂和低浓
度生物毒剂传感器，人身和建筑物（如医院、交通工具等）用材料，能够识别并破坏毒剂的功能织物。此外，化学
和生物威胁检测用新型传感器也将在安全系统中发挥重要作用。
  　⑥纳米技术——贡献和集成
　　纳米技术涉及许多领域，包括：纳米粒子、纳米复合材料和定制设计的纳米结构材料，这些材料将在聚合物添
加剂、药物释放和化妆品等领域得到应用。特别地，人们对纳米管在诸如贮存、运输、分离、药品传送、隔热、光
学和电子应用及作为模板等方面的应用有着极大的兴趣。
　　合理设计和控制合成具有预定性能纳米材料的最大困难是缺少纳米尺度热力学、动力学和量子过程的基础知
识。目前，人们对自组装的原理尚不十分清楚，对于建立纳米→微米→宏观尺度之间的联系仍力不从心。由于缺少
纳米尺度物理和化学的基础知识，在很大程度上限制了人们预测结构性能及其与加工性之间关系的能力。合成及组
装动力学和热力学规律的研究绝对有利可图，人们可以将这些基本原理应用于工业规模纳米材料（包括层状列纳米
材料）的合理设计。
　　纳米材料将为我们提供新的功能和材料。生产商可以结合传统材料与纳米材料的特点，制造出新一代纳米材料
增强产品，并将之无缝集成到复杂系统中。某些情况下，纳米材料可以单独使用，提供全新的功能。
　　纳米技术吸引了所有领域的眼光，因为它是开发上述新型功能材料和产品的重要基础。目前已知的广阔应用范
围已明确显示了纳米技术的综合特性，如具有自清洁功能的改性表面、透明防晒霜及耐刮擦涂料等。
　　许多潜在应用的开发都是基于我们对当前科学的理解。在原子水平生成结构并进行操控，将导致新的科学和应
用的产生。
　　据估计，2011年纳米材料的市场价值约7000～1万亿欧元。作为新型材料，纳米材料对环境和人类健康的影
响应当予以考虑。
　  由于现有知识水平不足以对纳米粒子和纳米纤维的危险作出评估，所以评估工作应由工业界、非政府组织和独
立的国家科研组织共同完成。纳米尺度的材料会表现出独特的性质，物理、化学和生物行为都会发生变化，应当逐
一考察纳米材料的潜在危险和收益。
    2.战略研究议程
　　20世纪化学科学和工程所取得了惊人进步，人们可以预见此前无法实现的新目标。本技术平台将从基础研究
到社会需求、资源利用到环境保护等角度来确定材料科学的关键机遇和挑战；还将考虑让工业部门和学术机构的化
学家协同工作的方法，以共同改善我们的社会。其重点远不止工业研究开发框架，还包括以下研究主题和产品领域。
    ●功能材料合理设计所需的有关结构活性关系的基础知识；
    ●计算材料科学；
    ●分析技术的开发；
    ●材料的实验室合成到定制大规模材料生产；
    ●能源管理用材料：必须找到能源开发、传输和分配、储存以及节约的解决方案；
    ●电子、通讯、信息及娱乐休闲用材料：电子工业一直不断寻求新型材料，以改善电子和光的传导等；
    ●医药、农业、营养和卫生保健用材料：如临床诊断和成像材料、药物和生物活性复合物传送系统用材料和化
妆品；
    ●提高生物质量用材料：可根据周围环境作出响应的智能材料，如具有自清洁、防污和抗腐蚀等功能；
● 公民保护用材料：传感器、监测器及新型防护服等。
    3.结论及材料技术与其他技术平台和部门的衔接
总而言之，材料技术部门的未来是社会需求驱动的，不同学科的工业和学术机构研究小组展开广泛深入的合作
是成功的基础。新材料为下游工业的许多创新奠定基础，而且材料技术将促进其他正在制定的欧洲技术平台的发展，
如氢和燃料电池、纳米电子学、纳米医学、光电子学、航空以及纺织等。材料技术与其他技术平台的交叉依赖情况
见图2。
附录二  工业生物技术
　　过去,生态工业主要与末端技术相关,重点是废料治理而非废物预防。现代工业生物技术则是预防性的,重点是
清洁生产以尽可能从源头减少废物的产生。工业生物技术涉及的范围很广,从酶或细胞用于催化传统和可再生资源
的化学转变到大宗化学品工业的热化学和(催化)水热(亚临界或超临界水)生物质转化工艺。下面是几个应用生物技
术的生产实例:
    ●维生素B2生产转换为生物工艺成本可降低40%,而废料仅为原有工艺的5%;
    ●抗生素生产采用生物工艺后,原有10步反应合并为1步,废物减少65%,能耗降低50%,成本降低50%;
    ●织物进行酶处理,能耗降低25%,排放物减少60%;
    ●用玉米淀粉生产生物塑料,化石燃料的用量比传统工艺减少17%～55%;
    ●使用生物燃料及在化学过程中使用农作物原料,可大幅度地减少净碳排放。
    1.前景展望
　　工业生物技术进一步发展不仅会促进化学工艺的改进,而且使利用如生物质等低价值非传统可再生原料成为可
能。
　　尽管目前涉及工业生物技术的企业数目还不多,不过欧盟重工业对其需求非常迫切，主要原因是重工业要依赖
工业生物技术来保持竞争力。工业生物技术将对许多工业产生影响,如化学工业,制药业,食品、饮料和饲料工业,纸
浆和造纸业,纺织业,洗涤剂业,能源部门及农业部门。
　　欧洲化学工业和农业对工业生物技术的开发非常感兴趣。两工业合作将开创全新的局面。工业生物技术会对欧
洲农业的未来和社会的可持续发展做出巨大贡献。
　　根据McKinsey的研究结果,2010年生物技术将渗透到化学工业的各个部门,尤其是精细化学品领域。McKinsey
估计,2010前生物工艺将会占据化学工业总产出的10%～20%（目前为5%）。对于聚合物和大宗化学品,生物技术的
渗透程度约为6%～12%;而对于精细化学品,渗透程度可能会达到30%～60%。2010年后,工业生物技术将继续发展。
Mckinsey估计,目前使用生物技术生产的化学品的价值至少为500亿欧元,到2010年可望增至1600亿欧元。
这些数字给人们以深刻印象,不过确切的增长速度取决于多种因素,其中石油和农业原材料的相对价格以及技术
进步的速度是主要决定因素。当然,支持和发展技术的政治因素也同等重要。
2.战略性研究议程
　　工业生物技术是新兴学科,尚不成熟,许多知识领域有待研究。这就限制了它的大规模利用,不过也给进一步研
究提供了巨大的机遇。为了促进生物科学的工业应用,首先应制造一个包括基础科学和应用科学的战略性研究议程。
基础研究扩大我们的基础知识,应用科学则利用这些知识开发新的产品和工艺。
    工业生物技术实质上是多学科交叉领域,涉及生物学、微生物学、生物化学、分子生物技术、化学和工程学等，
优点是不同学科专业知识结合将产生巨大的协同效应;缺点是不同学科之间是分割的、互不联系的。要想使工业生
物技术成为欧洲创新和可持续发展的真正动力,良好的接触和合作(包括成立多学科项目团队)是必需的。
　　战略性研究议程应当对工业生物技术的以下领域进行组织。
    ●新型酶及微生物宏基因组：在特定或极端环境下,通过直接分离或宏基因组挖掘发现新型酶和微生物,有助于
扩大生物技术的工业应用范围;
    ●发酵科学：随着人们对生物反应器性能和设计改进知识的加深,并与微生物生理学和营养学相结合,发酵工艺
将会进一步完善;
    ●代谢工程和模型:随着微生物代谢知识的完善,可以对细菌和酵母进行改性以生产新的产品和提高收率;
    ●功能性蛋白质和纳米复合材料：蛋白质和无机材料(通常具有特定的纳米结构)相组合,可以产生新的产品领
域,比如具有自清洁、自修复和感知功能的新产品；
    ●微生物基因学和生物信息学：了解微生物活动的关键是掌握其基因学的全面知识。借助基因定位图,我们能
更好地确定所需的代谢路径,并将其应用于生产过程;
    ●生物催化和优化：借助蛋白质工程、基因重组和定向演化等技术,可以开发出更适合工业环境的酶。这些技
术还有助于合成新型生物催化,开发全新的应用领域；
    ●生物催化工艺设计：实验室中运转良好的生物工艺,需要仔细放大,才能在工业水平上取得同等效率。这需要
良好的过程工程知识和技巧；
    ●创新的下游工艺：利用生物反应器生产的产品,需要有效地回收和纯化,以使产品质量和经济性达到可接受的
水平。因此,下游工艺设计也是成功创新不可分割的组成部分；
    ●集成的生物炼厂：在生产规模上,应当把不同步骤有效集成,如生物质加工处理、生物反应器中的发酵过程、
必要的化学处理以及最终产品回收和纯化等。生物炼厂也应当达到化学工业经过多年努力实现的先进技术和现代化
控制水平。
　 工业生物技术的应用领域非常宽广,涉及精细化工、大宗化学品和中间体、功能化学品、生物燃料、食品和饲
料成分、纸浆和造纸、纺织以及制药等领域,上面述及的不同方面在这些应用领域各有所长。（未完待续）