现代化工

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (1) : 13-16. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.01.003

专论与评述

2024年美国绿色化学挑战奖项目创新研究进展

程海涛 ^*

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Innovative research progress of 2024 U.S.Green Chemistry Challenge Award projects

Hai-tao CHENG ^*

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摘要

对美国环保署(EPA)公布的2024年度美国绿色化学挑战奖(GCCA)获奖成果的创新与价值进行了分析与阐述。Merck & Co.Inc.公司被授予绿色合成路线奖(Greener Synthetic Pathways Award),其创新价值在于发明了一种新的“连续工艺”生产其PD-1疗法KEYTRUDA^®(pembrolizumab)用药物。Pro-Farm Group被授予安全与可降解化学品设计奖,开发了一种具有天然杀虫作用的微生物农药RinoTec^TM。Viridis化学公司被授予小企业奖,开发了一种利用可再生原料催化合成乙酸乙酯的工艺流程。特拉华大学Dionisios G.Vlachos教授被授予学术奖(Academic Award),开发了利用可再生原料生产润滑油主要化学成分的新合成方法。PhoSul^®研究团队被授予环境特别奖,开发了PhoSul^®增强型磷矿肥料。

Abstract

On September 26,2024,the U.S.Environmental Protection Agency announced the winners of the 2024 Green Chemistry Challenge Awards for new and innovative green chemistry technologies.The five awards,their winners and their respective innovation are expounded and described.Greener Synthetic Pathways award is won by Merck & Co.Inc.for developing a new “continuous process” for manufacturing KEYTRUDA^® (pembrolizumab),an anti-cancer therapy drug.Design of Safer and Degradable Chemicals award is won by Pro Farm Group,Inc.by developing RinoTec^TM,a an enhanced microbial pesticide for crops.Viridis Chemical Company won Small Business award for developing a process for making ethyl acetate from corn instead of chemicals derived from coal or methane.Professor Dionisios G.Vlachos from University of Delaware won Academic Category award for developing a process to generate three classes of lubricant base oils commonly used in vehicles and industrial machinery.Specific Environmental Benefit—Climate Change award is won by PhoSul^® research team for making phosphate fertilizer that avoids hazardous chemicals and waste emissions associated with traditional phosphate fertilizer production.

Graphical abstract

关键词

GCCA / 2024年 / 安全与可降解化学品设计 / 减排节能

Key words

Green Chemistry Challenge Awards / the year 2024 / design of safer and degradable chemicals / emission reduction and energy conservation

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2024年9月26日,EPA(美国环保署)公布了2024年度GCCA(绿色化学挑战奖)获奖者名单,以表彰创新绿色化学技术。获奖者开发的绿色化学产品与工艺,减少了有害物质的产生,降低了能源消耗,提供了应对气候变化等重大环境挑战的解决方案,促进了创新和可持续发展,同时为推动社会前进、保护人类健康做出贡献。20多年来,EPA持续表彰绿色化学创新研究成果,使世界各国意识到大气污染治理、消除化学废物排放等方面取得的创新成果在应对气候变化方面具有重要推动作用。

GCCA经美国化学学会成立的独立技术专家小组评审,以表彰在绿色化学技术领域取得突破或者在技术创新和成果转化中取得巨大经济与社会效益的科学研究人员与团队。2024年GCCA设置了包括学术类奖项、小企业奖项、绿色合成路线奖项、安全与可降解化学品设计奖项、特定环境效益—气候变化奖项等5个奖项。

1 学术类奖项

特拉华大学Dionisios G.Vlachos教授被授予2024年GCCA学术类奖项(Academic Award),其贡献在于开发了利用可再生原料生产润滑油基础油的新合成方法。

创新与价值:Dionisios G.Vlachos教授开发了一种利用可再生原料生产润滑油基础油的固体催化剂,创新了润滑油基础油的生产工艺。润滑油广泛用于机械和车辆,其中基础油是润滑油的主要成分。这项新技术使用再生原料(如植物或食物垃圾)代替传统的石油原料生产润滑油基础油。该生产工艺减少了传统生产中有害化学试剂的使用,例如腐蚀性强酸。润滑油具有大约1 600亿美元市场价值,其75%~90%市场价值为润滑油基础油。

传统生产工艺中,润滑油基础油生产以石油为原料,新生产工艺使用生物质糖为原料。新方法使用固体(非均相)催化剂,减少了催化剂使用量,并降低了现有可再生原料合成润滑油基础油的反应条件(见图1)。

Dionisios G.Vlacho教授的团队合成了三类具有不同性能的生物基润滑油基础油,研究表明,与现有工艺生产的产品相比,生物基润滑油基础油的性能更优越。Dionisios G.Vlacho教授研发的润滑油基础油生产工艺,是一种减少碳排放的可行性方案。这种创新生产工艺,不仅是将不同原料分子结合,生成润滑油基础油分子,同时也使润滑油基础油生产过程具有了可再生性,有效降低了环境影响。

Dionisios G.Vlacho教授是国际知名的可再生能源研究和催化领域的领导者,目前担任特拉华能源研究所(DEI)所长,从事清洁能源解决方案、工业脱碳、化学品绿色制造和塑料回收等领域的研究工作。

2 小企业奖

Viridis化学公司被授予2024年GCCA小企业奖(Small Business Award),他们开发了一种利用玉米为原料催化合成乙酸乙酯的工艺流程。

创新与价值:Viridis化学公司因开发了一种利用可再生原料催化合成乙酸乙酯的生产工艺而获奖,目前产业化生产乙酸乙酯工艺以化石燃料为原料。

乙酸乙酯是一种广泛使用的化学溶剂,是一种无色液体,具有温和、甜美的果香,天然存在于许多水果和蔬菜中。消费者可能永远不会直接发现甚至意识到乙酸乙酯的存在,但大多数消费者每天都会使用或接触含有乙酸乙酯的产品。乙酸乙酯广泛应用于油漆/涂料、木器清漆、电子产品、食品、药品中,是其中一种关键成分。

Viridis是世界上最大的生物基乙酸乙酯领先生产企业,100%使用可再生原料。在市场上,除了Viridis生产的乙酸乙酯,其他乙酸乙酯产品生产都是采用以不可再生化石燃料为原料的能源密集型生产工艺。Viridis创新团队发明的生物基乙酸乙酯的突破性工艺,使农民和消费者都受益,也使供应链更具可持续性。

Viridis开发了一种新型催化剂,首先以玉米催化生成乙醇,再利用乙醇合成乙酸乙酯,改变了以往使用煤炭或天然气作为原料的工艺流程(见图2)。Viridis利用创新技术乙酸乙酯的合成工艺进行了优化调整,降低了生产设备空间占有率。乙醇是化学品生产的重要基础原料。以玉米为原料催化生产乙醇工艺实现了化学产品生产的生物基可再生循环。玉米等生物质原料在生长过程中的固碳功能,可额外去除外界环境中的二氧化碳。

新工艺过程使用的固态可再生催化剂可重复利用。该工艺流程中生物乙醇脱水产生副产品氢气,可回收作为合成工艺能源,可满足合成工艺约40%的能源需求,从而降低合成过程能源消耗,减少温室气体及与能源相关其他有害物质、环境污染物的排放。

Viridis生物基乙酸乙酯突破性生产工艺,不仅增加社会就业、提升玉米经济价值,为玉米提供全新的商业化途径,推动农业的创新发展,还将给整个乙酸乙酯行业产业链革新带来深远影响。Viridis公司利用可再生原料生产等效功能产品,为制造业提供了降低环境影响的全新解决方案。

Viridis的创新催化合成工艺,可生产高纯度乙酸乙酯,能替代化石燃料合成乙酸乙酯的工艺流程。与传统的酯化和直接添加工艺路线相比,新工艺显著降低了环境影响,有更高的环境评价结果。

3 绿色合成路线奖

Merck & Co.Inc.公司被授予2024年GCCA绿色合成路线奖,其创新价值在于开发了一种用于生产PD-1疗法用KEYTRUDA^®(pembrolizumab)药物的“连续工艺”。

创新与价值:Merck & Co.Inc.公司因开发一种用于生产PD-1疗法用KEYTRUDA^®(pembrolizumab)药物的“连续工艺”而获奖。PD-1是一种免疫疗法,通过提高身体免疫系统的能力来对抗肿瘤细胞(见图3)。通常,PD-1疗法用KEYTRUDA^®(pembrolizumab)药物是一类大批量生产的蛋白质。在一般生产工艺中,这些类型蛋白质的生产采用间歇生产工艺,分离抗体细胞。细胞被放置在一个大的培养容器中,经过数周培养后,过滤掉细胞和其他杂质,留下所需的蛋白质产物。

Merck & Co.Inc.公司采用绿色和可持续的方式,将绿色化学原理与定量可持续性指标融合,作为药物和疫苗合成工艺评价指标,降低产品及包装对环境的影响,同时最大限度地提高效率、安全性和经济可行性。

Merck & Co.Inc.公司使用连续工艺生产PD-1疗法用KEYTRUDA^®,其中蛋白质从细胞中连续过滤掉,而不是间歇的一次性过滤工艺过程。该工艺单位反应器体积可以生产更多的pembrolizumab,这使Merck & Co.Inc.公司能够使用占地空间更少的设备,从而压缩了工厂的实际占地面积,同时减少了工厂的能源消耗。连续生产工艺还减少了能源和水的使用量,提高了设备的使用效率(如过滤器)。生产过程中,生产设施能源与水消耗量的降低,直接减少了废气的排放,达到从根本上防止环境污染的目标。根据实际生产过程估算,这种连续生产工艺技术将降低能耗4.5倍,减少用水量4倍,降低生产原料2倍,从源头降耗减排(温室气体)。

Merck & Co.Inc.公司开发了SMART PMI研究工具,用于监控药物活性成分(API)生产工艺PMI目标值。PMI表示生产单位重量API(药物活性成分)所消耗的原料数量(包括水)。Merck & Co.Inc.公司依据API(药物活性成分)分子结构可计算出PMI目标值,通过对产品与工艺的设计,推动API(药物活性成分)绿色创新。

Merck & Co.Inc.生产PD-1疗法用KEYTRUDA^®药物开发的“连续工艺”,减少了产品生产的物理足迹,节约了能源和水,高效利用了生产设备(如过滤器)。这是Merck & Co.Inc.第十次获得GCCA。

4 安全与可降解化学品设计奖

Pro-Farm Group公司被授予2024年GCCA安全与可降解化学品设计奖(Design of Safer and Degradable Chemicals Award),开发了一种具有天然杀虫作用的微生物农药RinoTec^TM。

创新与价值:Pro-Farm Group公司因开发一种用于玉米、棉花、大豆和小麦等作物的增强型微生物农药RinoTec^TM而获奖,RinoTec^TM本质是一种具有天然杀虫作用的微生物。

Pro-Farm Group公司是提供商业化提升农业生产力解决方案的领导者,旨在打造再生农业生态系统,为农作物生长更好适应气候变化提供支持。Bioceres设计的这种微生物通过自然生长繁殖,产生更多的天然杀虫微生物单元,因此RinoTec^TM的初次施用量可以很低。RinoTec^TM微生物在大型培养容器中培养,然后被杀死并放入种子处理单元,将微生物包覆于种子表面。实际实验数据表明,RinoTec“易于生物降解”,可以替代多种常用的有机合成农药产品。

RinoTec^TM产品作用包含4个方面:第一,产生活性氧(POS)。第二,强化作物细胞壁。RinoTec^TM向植物发出信号,使其积累更多的粘稠分泌物[Gelatinous mucus (resin or sap)],从而增强细胞壁,细胞壁的强化有助于防止病原体的渗透,保障植物结构完整。第三,抑制病原体生长。RinoTec^TM产品通过激发植物抗毒素和PR蛋白等抗菌化合物及酚类化合物的产生,增强植物抑制病原体能力。第四,促进植物生长。RinoTec^TM通过刺激植物生长来促进叶绿素的产生,增强植物光合作用,加大植物能量积累(见图4)。

RinoTec^TM是BIOst^®产品的改进品种。BIOst是一种基于微生物(伯克氏菌)的杀线虫剂。与需要相对较初次高施用率的BIOst不同,RinoTec^TM利用发酵工艺过程,以增加关键杀菌微生物的产量,从而大大降低了施用率,减少了该产品释放到环境中的量。生命周期评估实验研究与数据分析,表明RinoTec^TM得到9.9分(满分10分),Pro Farm Group实际验证数据表明,RinoTec^TM对土壤、水和人类毒性极低,以及最小的生态系统影响和最少有害物质产生。

Pro-Farm Group公司为种植者和其他利益相关者采用更环保的生产方式提供经济奖励。该公司有一个创新生物技术平台,涵盖种子和微生物等专利技术,为农作物种植者提供决策支持。RinoTec^TM为农作物种植者提供了有效无环境影响的方案,同时控制害虫,改善植物健康,提高作物产量。RinoTec^TM系列产品被用于柑橘、玉米、葡萄、绿叶蔬菜、柚子类水果、大豆、草莓、坚果等作物病虫害的综合防治。在大量实验的基础上,Pro-Farm Group公司为柑橘、玉米等作物提供实时、持续的病虫害解决方案,提供对工人、消费者和环境安全的生物农药,最终提升作物经济价值。

Pro-Farm Group公司致力于通过发现、开发和推广用于害虫管理和植物健康的生物产品,推动全球可持续创新发展。该公司创建了行业领先的害虫管理和植物健康监控平台,应用于农业、草坪和观赏植物以及水处理领域,有效改善植物健康,提高作物产量,同时减少环境农药影响,减少食品上的化学成分残留。

5 特定环境效益—气候变化奖项

PhoSul^®被授予2024年GCCA特定环境效益—气候变化奖项(Specific Environmental Benefit—Climate Change Award),研究团队开发了增强型磷矿肥料。

创新与价值:PhoSul^®因开发增强型磷肥料而获奖,该肥料避免了传统磷肥生产相关的环境危害,同时提高了磷肥自身缓释性能。PhoSul^®增强型磷肥是一种含磷矿石、硫和无定形硅的颗粒型肥料,不溶于水,也不会随地表径流流动,采用全天然生产工艺。

PhoSul^®增强型磷肥中球形磷矿颗粒和添加辅助材料,为提高植物的磷酸盐利用率提供基础。PhoSul^®增强型磷肥被激活时,会引发微生物反应,添加辅助材料可将磷矿转化为磷酸三钙,形成“钙库”,使磷酸盐自然释放,完全被植物吸收利用(图5)。磷元素可以改善作物健康和产量,但需要以特定的磷酸盐的形式供植物使用。目前,可用的磷酸盐是利用含磷的岩石生产,必须用强酸工艺,产生含有重金属和放射性物质污染的废弃物(石膏)。PhoSul^®开发了一种直接使用磷矿石的工艺,添加其他材料避免酸的使用和相关废弃物的产生。增强型磷肥中的添加材料替代了使用硫酸等强酸酸化磷酸三钙的工艺。硫酸等强酸酸化处理工艺会产生危险的石膏废物,其中含有浓缩重金属和放射性核素,危害元素可通过氢氟酸等以氟气体的形式连同氟释放到大气中。此外,PhoSul^®增强型磷肥最大限度地减少了田间的磷酸盐排放,消除了磷酸盐对地表径流等生态破坏影响。

磷是植物生长发育过程中,新陈代谢必要的一种元素,可控制自然生态系统中植物生长速度。PhoSul^®增强型磷肥为植物生长提供了一种连续释放磷肥的自然过程。PhoSul^®增强型磷肥以颗粒的形式,通过播种和施撒方式,掺入土壤中为植物生长提供所需的磷酸盐。与其他类型磷肥相比,该增强型磷肥具有多种优势,可产生良好的经济效益,对地球产生的污染更少。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	程海涛. 2023年美国绿色化学挑战奖项目评述[J]. 现代化工, 2024, 44(2):22-24.

[2]	程海涛. 2022年美国(总统)绿色化学挑战奖项目评述[J]. 现代化工, 2022, 42(11):9-11.

[3]	程海涛. 2021年美国(总统)绿色化学挑战奖项目评述[J]. 现代化工, 2021, 41(10):11-13.

[4]	程海涛, 申献双. 2020年美国(总统)绿色化学挑战奖项目评述[J]. 现代化工, 2020, 40(10):1-3,9.

[5]	程海涛, 申献双. 2019年美国(总统)绿色化学挑战奖项目评述[J]. 现代化工, 2019, 39(11):12-14.

[6]	程海涛, 申献双. 2017年美国总统绿色化学挑战奖项目评述[J]. 现代化工, 2017, 37(10):6-9.

[7]	程海涛, 申献双. 2016年美国总统绿色化学挑战奖项目评述[J]. 现代化工, 2016, 36(10):1-3.

[8]	程海涛, 申献双. 2015年美国总统绿色化学挑战奖项目评述[J]. 现代化工, 2015, 35(11):1-4.

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Received	Accepted	Published
2024-10-06
Issue Date
2025-01-17

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