“创新”需要战略思维 (下)
——来自英国的化学创新战略报告
□ 朱曾惠
上接第49期5版
2.可持续化学
可持续化学是应用化学的工业将可持续事业作为核心事业发展的关键。化学工业要具备可持续性就需要用较低的能源和材料消耗、较低的毒害和废料的制造工艺生产新产品和现存化学品，在整个生命期中应用创新型化学。
据估计，在发达国家中，一个生产过程中只有7%的原材料进入最终产品，而80%的产品一次应用后就抛弃，因此需要降低材料资源使用并保证其进入环境无毒无害且可降解。可持续化学的实施使现有化学品和新产品的生产都要通过生态友好的途径，成本将会提高，利润将受到影响。
英国制药业年销售额约为620亿英镑，精细化学品制造约为570亿英镑。在发明、合成和制造新化学品方面的改进可大幅提高公司利益，对其他行业也大有益处。一个可持续的创新型并具有竞争力的英国合成工业是具有活力的。制药和专用化学品工业公司要承诺改进原料应用并向对环境友好、生态效益高的制造途径转变。为此合成和催化途径需要进一步开发，实行绿色化合成路线，要求100%有效合成（提高工艺的分子效率），开发替代性或不用溶剂，应用流动化学（Flow chemistry）。
应当注意的是最适当的技术并不一定是可持续性的，而有些技术虽然具有可持续性，但是成本高，难以维护。因此非常需要生命期分析手段，提供相关的信息来支持决策者，决定产品和工艺是否真正具有可持续性。为了充分创新开发，使效益最大化，需要在工业和学术部门间建立强有力的有效联系，加强开发过程中不同功能间的联系，从研究到开发到过程，化学家和工程师之间要加强联系、沟通和合作。从创新过程早期就要组织成立多功能团队。
可持续化学发展面临的主要挑战有：更为有效的专门合成方法的开发；可持续工艺过程技术的开发；更为有效的可持续性的催化；生命期评价手段。
综上所述，可持续化学通过创新可带来事业机遇、环境效益、实用的关键技术以及问题和障碍如下：
事业机遇 新合成方法迅速发展，出现新型化学品，用整体合成生产出具有所需性能和效能的产品通过不同溶剂、降低能耗和废料来降低成本，催化少用或代用贵重元素，改进分离和实时分析方法。
环境效益 通过产品生命期降低碳足迹，提高资源效率达到降低或消除废料，在消费生产和管理部门合作中提高能源管理。
关键实用技术 化学、化学工程和数学（跨学科）、新型催化、流动化学和微流体、纳米科学、替代性反应介质（超临界流体、离子液），将废料作为碳源、生命期分析及支持数据、可实用的智能合成设计的新理论和建模方法。
问题和障碍 起始物的选择——不需用碳水化合物为基础的材料、缺少形成可靠LCA信息的数据需要加强从Cradle到Cradle思维，需要开拓对投资具有高度风险的新兴技术。
3.生物基产品
生物基产品是指以生物质为原料生产的化学品和材料，而不是用石油基原料。当前有许多来自各行业和社会的需求推动用可再生原料和工业生物技术来生产化学品，特别是由于气候变化、能源安全、原料供应和价格、来自用户的绿色市场要求的拉动、在各方冲击下的法规要求化学产品的可持续替代等原因。
生物基产品已被欧洲确定为“领先的市场”(Lead market)。一般来说，用生物基产品替代现在的化学品有利可图，而且生物基产品温室气体排放和生态效应较好，产生较少废料，耗能耗水较少。
生物基产品市场（个人用品、保健用品、农作物生产、家用、聚合物、涂料等）被冠以“绿色”是产品发展的主要推动力，很多公司在这方面开始找寻机遇，开发具有差异性的生物基产品。但是市场目前尚未完全接受“绿色”的概念，但是采用生物基原料已成为共识，低碳足迹的制造技术是绿色革命中的一个重要部分。
从环境影响考虑，要重视科学的可持续性。生物基的含义就是可持续性高、碳足迹低，更为“绿色化”，生物基产品受到市场信任。在这方面英国具有世界领先的研究能力、知识和先进设备，药品生物技术已被公认为药品科学中的重要内容，工业生物技术在制造产业中也有良好的记录，技术战略部门已经提出了生物及其在医疗保健方面应用的战略。最近工业部门提出的2025年工业生物技术报告，更为英国低碳经济发展作出了贡献。
制造生物基产品的前提是要有各种生产工艺，为此英国政府给予国家工业生物技术部门（National industrial Biotechnology Fecility in Wilton）政府投资，同时确定了有关课题：加强技术开发，开拓工业技术和可再生原料加工生产化学品和中间体；化学公司缺乏对工业生物技术的认识，常失去发展机遇；投入专门设备和装置；确保生物基产品具有可持续性，生命期评价手段特别重要。
综上所述，生物基产品的创新带来的事业机遇、环境效益，以及关键实用技术和问题归纳如下：
事业机遇 化学工业可以向低碳未来转变，可以获得高附加值产品，药物和农用化学品具有原料来源灵活、改变芳香化合物来源等优势，为专用化合物进行微生物设计的新平台。
环境效益 降低对化石原料和贵金属催化剂的依赖性，通过降低排放和能源依赖减少对气候影响、降低产品的碳足迹。
实用的关键技术 生物化学/生物技术与化学及化学工程、生物转化和生物工程、发酵、气化、木质素技术、新型催化剂、酶和微生物、合成生物学、植物细胞培育开发、基因工程、智能式生物炼制开放或化学和生物学资源、细胞和蛋白质表征、微生物基因学和变异。
问题和障碍 要提高对技术的警觉、对可持续性对生产联系的认识，在全球贸易中生物质途径问题、对转基因农作物的社会接受问题、可用土地问题、生物衍生产品的质量、制造（混配、污染、可用配方和国际通用规格）、生命期排放的计算及边际条件、对藻类衍生生物质及其相关化学成分生产技术尚无技术性突破等。
4.创新性制造
制造业在英国经济中占有重要地位，按GVA计为世界第六位，占GDP的14%~15%，出口额的50%~55%，是外国投资的最大部门。英国化学和制药工业产值约为1130亿英镑，从1991年以来保持50%增涨。
高价值的制造是指通过新技术创造财富的机制，为保持国际竞争力，需要重点投资。
在应用化学产业中要实现全球竞争优势并不能仅仅简单依靠采用降低成本的运作，要有更有创造性的创新路径，让知识和技艺成为工业竞争力的基础，要将重点放在高效的工艺、更好的自动化和智能的工艺控制方面，保持有效的竞争能力。
工艺过程强化及其应用对英国工业发展是有利的，其效果是效率高、投资低、技术强度大，可以在许多运作过程加以应用，并非只适用于反应器。
企业要有效地提高竞争力，可以通过改变步骤技术（Step-change technology），但是从历史上看，在制造部门采用新技术是很少的，主要原因是知识差距。在快速变化的全球市场中，各种规模的企业开拓新技术的能力是保持竞争优势的基础，也是应对低工资经济的办法。
低碳制造和可持续性是选择原材料、合成路线和制造工艺的主要考虑内容。现有工艺要重视能源管理、水的管理和废物管理。在RSC和IChemE路线图中都提出了对工业、农业和整个社会都需要进行综合性水管理，关于废水和废热的利用和可持续能源供应等问题越来越重要，在这些方面化学和化学工程将起到很大的作用。
为解决有关新途径培训问题，要注意以下问题：对工艺过程缺少基础性理解；缺少对新制造技术的工业警觉性；要有专门装置设备进行新技术的试验。
综上所述，在创新性制造方面创新带来的事业机遇、环境效益以及可用的关键技术和存在的问题和障碍归纳如下：
事业机遇 有差别性的有效的产品和工艺、新反应器及下游加工工艺和控制、低投资低成本的强化装置、支持差异性的工艺知识产权、专用化学品的灵活性制造、快速工艺设计和放大、降低维护成本、提高可靠性、降低非计划内关闭。
环境效益 减少废料、降低排放、降低能耗、改进工艺中的水管理、无溶剂生产。
关键性实用技术 工艺过程强化、工艺集成、集成式分析和控制、设备工艺和生产的远程控制灵活性制造、连续流动技术、新可持续性技术、碳捕集和存贮、低成本纯化和回收技术、自动化。
问题和障碍 对操控工艺的基础性理解、对新技术的敏感、资金问题、降低新技术风险对碳的捕集存贮成本估计、未来能源和关键原料的供应。
重要资源的管理（水、能源和重要的化学元素）
有关水和能源问题在创新中未能提高到足够高度。水的供应和质量问题已经成为非常重要的问题。在当前工厂中进行创新性创造还有许多其他问题，如在资源效率方面。
水 世界面临饮用水的短缺。2020年全球对水的需求比当前高17%。也影响到部分原料的供应（如糖价上涨），人们开始注意产品中某些成分的含水量，因此路线图中强调要更为积极的进行水管理并确保发展中国家的饮用水供应，解决水纯化和处理，无论是城市或是工业都要创新，在水的管理和处理方面有许多更好产品和工艺，特别是某些专用化学品。当前人们更重视吸附、膜过滤、胶体和电化学，但是还有一些重要问题要求提高工艺经济性和效率。
能源 确保当前能源供应的重点有：燃料和油品添加剂可以提高燃料经济性；更好的保温隔热材料，减少能源损失；材料化学和纳米技术提高结构材料重量强度比；能量回收、加热和冷却技术。在能源生产方面，化学科学也可以起重要作用，化学企业的供应链可以联系延伸，如：生产可再生电力（光伏电源、人工光合作用）、可持续性高的电力生产（燃料电池）、可再生燃料生产（生物燃料、太阳能电池）。
化学元素 某些稀有元素对社会发展非常重要，但消耗过快。LCD显示器耗能很少，但是要用到铟元素，而世界上的铟资源只够用13年。世界人口和中产阶段人数增加将会更多的消费一些关键的矿物和元素，因此要提高材料利用率，改进回收方法，利用含量低的资源，寻找替代性材料。在一些基础性催化剂中有很多工作可做，还要考虑用有机材料替代金属。
综上所述，在此方面带来的事业机遇、环境效益以及关键实用技术和存在问题归纳于下：
事业机遇 水处理和净化技术，小型化建模、循环利用、电池、超导体、燃料电池、保温和贮热材料。
环境效益 实用的水质量、饮用水中减少EDC，可靠的电能输送、更清洁的有效电能，减少有危险性的元素。
关键性实用技术 化学和化学工程、物理、数学和胶体化学、电催化和膜科学、氢存贮技术。
问题和障碍 复杂的工艺和元件要用多种工程科学和材料以及化学问题，中试和制造电池的能力有限、减少应用战略性材料。
有关技艺问题
创新的能力主要是要依靠相关技艺能力，需要在各个层面上进行开发，在整个工业界都需要加强基础化学的普遍教育，现在还要增加有关课题的基础性培训，如可持续发展的重要性。现在工业界关注的问题有有关化学和化学工程的实验室基础训练减少，而许多创新常常发生在专业学科之间的界面上，化学专业毕业生要具有生物学和工程学的知识才能承担新的事业发展需要。
《科学工业所需要的技艺，工作上的技艺》(Skills for science Industry,Skills of work)报告中为应用化学的部门提出了专门性建议，其中有：化学工业要求人们能支持它向高附加值的部门转变；制药工业被看成是“未来的工厂”；面对高效、创新和环境的挑战，聚合物工业是重点。
该报告还提出了国家应增加对提高技艺的投资，劳动力的开发机遇与技艺质量密切相关，在大学毕业生中进行技艺开发是英国研究委员会的一项任务，要帮助博士培训中心开发下一代科学家，要使有限资金得到最佳利用。
前进的道路
该报告提出的根本性问题都是有关原材料、可持续性和英国在全球经济中如何保持竞争优势等，对今后发展道路也十分重视，其中包括要成功发展化学品及其下游产品成为具有竞争力的制造工业，并提出了相关建议。
1.提出了发展重点，明确了发展机遇。
规划了技术领域、应用领域和创新平台以及新兴技术及工业；
支持开发中心促进过程工业的制造和可持续性。
2.推动产业按报告提出的机遇规划相关活动。
从四个方面建立网络；
支持英国领先的学术组织的组建；
与国际领先的网络和中心进行联系与合作。
3.与皇家化学会和化学工程师协会合作，制定联合计划。
可持续性产品和工艺设计；
发展应用可再生碳水化合物原料；
水和能源管理。
4.为整个工艺和下一步重点提出有针对性战略。
最具规模的事业机遇；
关键性和实用性的技术；
在技术开发中跨部门合作机遇。
5.确定支持机制，支持长期性研究及具战略，推动协调资金、技艺培训，满足应用化学的需要。
6.确保化学及相关产业合作，能进一步创造价值，如保健、建筑、能源、水和新材料等均有机遇。
7.与各有关机构和组织联系，使英国公司企业能与之建立广泛联系，促进创新。
此战略报告中还有18项专项研究（Case study）和12份参考文献，因篇幅问题，在此不拟介绍相关内容。通过对该报告的阅读，颇受启发，创新要有战略思维。
世界著名的经济学家熊彼特（J.A. Schumpeter）提出的创新学说，是知识经济的先驱，也是21世纪的主流思潮。他认为创新（Innovation）与发明（Invention）和发现（Discovery）是不同的，后者不过是提出或发现解决问题的新方法或新事物，而创新则是将这些新事物付诸实施，收到成效。发明和发现虽然可贵，创新则更为可贵。因为只是提出新办法，发现新事物对经济社会不会发生有效的影响。他强调的不是从无到有的活动，而是将原有的资源进行新的组合发挥新的功能。所以他认为在经济领域内的创新，应有五个内容（或是五种组合形态）——即①新的物品或者同一物品的质量改进；②采用新的生产方法；③开辟新的市场；④发现新的原材料；⑤形成新的产业组织。创新的内容不仅是科学技术，也包括经营管理，其核心是“新”。创新是从思想理念到实践的全过程，首先需要有战略思维，了解发展环境，有明确的目标，全面的规划和路线图，并有组织实现的措施。行业和企业如果要通过创新来发展，提高竞争力都应如此。仅靠-纸计划，将一些科研成果、专利数量、论文引用等方面取得的进步不能被认为是“创新成果”。只有在战略思维指导下才能组织和推动创新，才能取得创新的成果。