重视生物基油脂化学品的工业开发和应用
中国化工信息中心教授级高级工程师 朱曾惠
长期以来，人们对新产品的开发主要考虑其性能、安全性、经济指标等。自20世纪80年代后，全球推行
可持续发展战略，尤其是在“绿色趋势”（Green Trend）影响下，新产品的开发还要考虑基础原料是否来自可
再生资源。新产品的问世总是与可再生资源的开发和应用密切相关，化石基化工产品的替代是新产品开发的重
要方面。对化学工业来说，可再生资源的利用主要是碳水化合物（淀粉、纤维素和糖）、蛋白质和天然油脂等。
2006年9月，在德国Dresdun召开的“第一届国际IUPAC绿色——可持续化学大会”上，有一篇关于油脂化学
品的开发利用报告（Karlheing Hill: Industrial Development and Application of Biobased Oleochemicals）
比较系统地介绍了油脂化学品工业开发利用的现状和前景。
一、原料争夺日趋激烈
化学工业的发展需利用可再生资源。虽然生物质已获得大量应用，但是与煤和油相比，利用生物质生产化
学品的用量还很少（见表1）。
天然油脂的利用量逐年增加，1960年油脂产品产量为3000万t，2004年则增至1.31亿t。天然油脂大量
用于食品生产，另有少量用作动物饲料和化学产品，目前各种应用趋于平衡（见表2）。
表1 2004年世界化学品生产各种原料用量（美国Oilworld统计） 百万t
小麦 大米 淀粉 糖① 油脂② 原油 煤③
610 610 40 145 131 3600 3800
注: ①指用甜菜和甘蔗；②植物油和动物基油脂（包括制皂）；③以SKE计（1kg SKE=0.984kg烟煤=
29.30776kJ）
表2 油脂化学品的应用比率 %
年份 食品 动物饲料 生物燃料/能源 化学产品
2004 81 6 3 10
2008 76 6 9 9
2012 70 6 15 10
生物能源和生物燃料增长较大，用棕榈油或花生油作原料制备的生物柴油可作为石化柴油的替代品。因此，
生物柴油产量不断增加，欧洲、东南亚、南美和印度地区都呈现此趋势，在未来10年内仍将会继续增加产能。
而第二代产品，所谓Sundiesel或由生物质转化的液体燃料也将问世，提高油脂产量需要这类技术需求，未来
的生物能源和生物燃料也将依靠此资源满足。与此同时，由于生物柴油的需求量大，又有若干补贴措施，其结
果不仅会使甘油供过于求，而且会使植物油市场竞争加剧，食用和化学工业间出现原料争夺竞争。
二、生态兼容性备受关注
当前，很多工作都要按“绿色”和“可持续性”进行界定，绿色化学的原则被提出后，一些相应的度量及
评价指标和方法也得到开发和应用，由此可对环境、健康和安全性进行评价。根据生命期评价（Life-cycle
Assessment）的结果和相应的生态及毒性研究，一般认为用可再生资源为原料的产品的生态兼容性要比石油化
工产品高。生态兼容性已成为新产品开发的一个重要指标，在研究开发项目计划中起着决定性的作用。生态兼
容性包含两个不同的概念：环境中的残留量和对环境的影响（见表3）。根据曝露分析（Exposure Analysis），
通过测定物质在环境中（废水、尾气或废水处理装置中）的浓度，从而考虑其存在的浓度和生物降解行为。化
学品对环境的影响（指对生物的毒性）则需用一系列标准化的测定方法，这些指标对成功的上市战略十分重要。
在新产品开发过程中，原材料选择、配方和应用、工艺开发、包装方法、客户满意度的测定等阶段都要参考相
关产品对环境安全的数据。
表3 化学品生态兼容性评价
基本信息
环境 生物降解试验
环境影响 生态毒性试验
基本指标
环境浓度 曝露分析
生态毒性浓度 生物降解
评价 PEC或是PNEC 要求结果为PEC＜PNEC
注：PEC为环境浓度（Predicted Environmental Concentration）
PNEC为无影响浓度（Predicted No Effect Concentration）
三、产品种类繁多
油脂（Oil and Fat）是不同烷基链的三甘油脂，使用不同的原料其烷基链不同。油脂可被加工成脂肪酸
甲酯、脂肪酸、甘油以及相应的加氢产品，再按需求进一步生产各类专用化学品（见图1）。
四、油脂化学品用于聚合物
油脂化学品作为聚合物材料的市场较小（见表4），但是比较稳定。在原油可进行化学利用之前，油脂化学
品是化学工业中主要使用的可再生资源，例如由亚麻仁油制油毡，1975年该市场消耗1万t亚麻仁油，1998
年增至5万t。环氧大豆油（ESO）作为塑料和涂料的助剂，市场较稳定，每年消费10万t左右。以油脂为原
料生产的聚合物、单体及助剂见图2。
表4 聚合物应用领域的油脂化学品
产品/用途 消费类别
聚合物材料
聚合豆油、蓖麻油 干性油 大豆油、蓖麻油
聚合亚麻仁油 油毡 亚麻仁油
聚合物助剂
环氧化合物 稳定剂、增塑剂 黄豆油
皂类(Ba、Cd、Ca、Zn) 稳定剂 硬脂酸
脂肪酸酯、酰胺 润滑剂 菜子油
聚合物的单体
二羧酸 聚酰胺、聚酯 妥尔油、豆油、蓖麻油
多元醇醚/酯 醇酸树脂、聚氨酯 葵花子油、亚麻仁油
天然纤维增强复合材料
环氧化合物 聚合物的单体 豆油、葵花籽油
马来酸盐
酰胺类
五、作润滑剂前景良好
脂肪酸酯可以从脂肪酸和醇制得。除了可作为生物柴油外，脂肪酸酯还能生产出替代矿物润滑油的可生物
降解润滑油。油脂基润滑油在有些应用领域（如链式锯用油、齿轮箱用油、压力油和海上采油润滑油等）的开
发已引起广泛关注，其中一些产品具有很好的性能。20世纪90年代末，全球可生物降解润滑剂产品的产能约
为100万t/a（见表5）。
表5 全球润滑剂产品产能统计 万t/a
润滑剂类别 产能 可生物降解产品产能
汽油用润滑油 230.5 25
压力油 75 20
透平油 20 2
压缩机油 6.5 2.5
工业齿轮油 20 1
金属加工油 50 1
脱膜油 11 11
链锯油 6 6
加工用油 60 20
润滑脂 10 10
用于润滑剂的酯可分为5类：一元羧酸酯（单酯）、二元羧酸酯（双酯）、甘油酯、多元醇和复合酯(Complex
Ester)。不同的醇可与一元羧酸或二元羧酸等形成酯。双酯呈现出良好的润滑效果，其热稳定性高于多元醇酯；
复合酯是用多元醇与一元、二元或三元羧酸的混合物进行酯化而制得的一种齐聚体混合物，剪切稳定性较高。
由于具有生态兼容性和优良的性能，专门设计的脂肪酸酯用作原油开发的润滑剂已取得很好的效果，在海
上钻探（如北海油田）中需求量很大。由于钻井液在钻头切割的同时泵到表面，经初步分离后直接排到海中，
海上钻探用润滑剂除了要有优良的润滑性能外，可生物降解性也非常重要，目前专用于海上钻井的脂肪酸酯（如
Radiagreen Petrofree）已被开发出。
六、由植物油基脂肪醇和脂肪酸制造表面活性剂
表面活性剂的应用范围很广，其最重要的应用领域是清洗行业、纺织品处理和日用化妆用品，约占总消费
量的50%。此外，表面活性剂也用于食品、农作物保护、采矿以及油漆、涂料、墨水和粘合剂的生产。2000年
全球表面活性剂消费量统计见表6。
表6 2000年全球表面活性剂消费量统计 万t
表面活性剂类别 消费量
肥皂 880
阳离子表面活性剂
烷基苯磺酸盐 340
脂肪醇醚硫酸盐 100
脂肪醇硫酸盐 50
非离子型表面活性剂
脂肪醇聚氧乙烯醚 80
烷基酚聚氧乙烯醚 70
阴离子表面活性剂 81
松香表面活性剂 18
其他（包括碳水化合物基） 290
1. 脂肪醇磺酸盐
脂肪醇磺酸（FAS）已有很长的应用历史，主要用于洗涤用品。它是以脂肪醇为原料与SO3反应，一般使
用降膜反应器（Falling-film Reactor），粗产品再经NaOH溶液中和。FAS产品形态有水溶液和颗粒两种，可
以在大气或水中很快进行生物分解。
对植物油基FAS作生命期分析，该过程从收获油性果实开始，经加工、分离出植物油，再经酯交换和加氢
成脂肪醇，最后磺化得到产品。它在对环境的影响方面与石油化工产品相比有以下区别：①应用化石资源减少
70%；②向大气排放降低50%；③废物减少15%；④向水域排放增多50%（小型分散油装置的低毒性水）。
2. 酰化蛋白质和氨基酸（蛋白质-脂肪酸缩合物）
蛋白质-脂肪酸缩合物含有脂肪酸（由植物油制）和蛋白质，前者主要使用制革废料，后者来自小麦、大
米、大豆等，工业制造中一般采用Schotten-Baumann反应。其中蛋白质成分使表面活性剂结构上具有亲水性
基团，也可用纯氨基酸（如谷氨酸）替代蛋白质。这些产品具有良好的皮肤兼容性和清洁效果，与其他表面活
性剂相容性好。在个人护理用品市场，这类脂肪酸衍生物主要用于柔和的洗涤用品，如软性香波、表面清洁剂、
婴儿洗涤用品等。
3. 碳水化合物基表面活性剂（烷基聚苷）
碳水化合物也可以作为表面活性剂的亲水组成，蔗糖、葡糖、山梨醇等在工业中已得到广泛应用。用蔗糖
（或山梨醇）与脂肪酸反应制取混合产物，因为产物相对疏水，只能作特定用途（如食品、化妆品的乳化剂，
用脱水山梨醇酯可作专门的乳液聚合）。葡糖是一种还原性糖，可用脂肪醇对其进行缩醛化，选择性地得到各
种衍生物，用于生产烷基糖苷（Alkyl Glucosides）；用还原氨化甲基胺再酰化可以制N-methylglucosamine。
这两种产物都是用于洗涤和清洁的良好表面活性剂，但是只有前者实现了工业规模生产，亦可应用于化妆品和
农作物保护剂配方中以及工业清洗剂。目前Cognis公司年产烷基糖苷约5万t，其他生产公司有Akzo Nobel、
BASF、Kao、SEPPIC和LG等。
4. 烷基聚苷衍生物
烷基聚苷衍生物 (Plantapon) 是一种新型阳离子表面活性剂，对个人防护和清洁有良好效果。用于香波
和沐浴液配方中，它具有好的发泡功能；用于洗浴剂中，可降低对皮肤的刺激性。该类产品的工业制造新方法
是用一氯醋酸钠和烷基聚苷水溶液反应（不加溶剂），从而改善了其经济性和生态友好性。
5. 多元醇酯类
以甘油、聚乙二醇醚或其他多元醇为基础的乳化剂闻名市场，可用于个人护理用品和食品。聚甘油酯由甘
油齐聚生成（在碱性条件下与脂肪酸反应），产品的不同性能可由所用的聚甘油决定，同时用脂肪酸的种类和
链长来调节，用后使皮肤有一种平滑无油腻的感觉，而且容易涂抹，吸附快速。最近，用季戊四醇和脂肪酸为
原料制备的季戊四醇二硬脂酸酯（Pentaerythritol Distearate）也可作为具有良好乳化性的化妆品。
6. 多功能乳化剂
市场对现代乳化剂的要求是多方面的，包括在生产过程中容易搬运和处理，与现代乳化技术兼容以及乳液
稳定性等。这种多功能的产品是以甘油以及烷基聚苷为基础生产的，通常为液态，可以进行冷加工，在生产周
期、成本以及生产乳液产品等方面都能节约能源。最近，将乳化和清洁化性能进行组合，可开发出智能式配方
的新产品。
7. 润肤剂
对于化妆品乳化剂，需要测定其润肤性能。在与市场上所用有机硅、石腊和油基化学品等进行比较后，植
物油基的润肤剂在设计分子时要考虑产品结构中的组份，如酯、Guerber醇、烃、醚和羧酸酯。例如降低产品
中的硅油组份，可改进其护发功能；与蜡酯类和阴离子表面活性剂组合可以改进涂抹后的感觉；另外还可设计
成具有防晒等功能的润肤剂。
编后：
为了实现可持续发展，进一步利用可再生资源，环境兼容性好的产品正不断地被开发出，最近在油脂化学
领域也取得了众多创新。本文介绍了各种植物原料（如植物油、碳水化合物和蛋白质）的组合利用，并指出形
成新产品和智能型产品的概念，满足市场和消费者的需求，这些都是研究开发所面临的挑战。但是，由于油脂
化学要利用天然油脂作为基础原料，根据《京都议定书》中有关生物能源和生物燃料战略的实施，国家应对采
用植物油生产生物燃料和生物能源进行补助，造成优先保障食用与开发油脂基高价值化工产品相互矛盾。因此，
食用油脂不应当归在这类生物质管理规范的范围内，国家对生物燃料和生物能源的补贴应当更加灵活，以便妥
善地解决油脂化学工业的原料问题。
《油脂化学品的开发利用报告》摘要登载在Pure Appli Chem. Vol.79 No.11(2007)pp.1999～2011