“生物质转化与轻工制造”基础研究发展战略思考——从科学基金资助布局到未来发展趋势

■  傅杰, 周晨, 张国俊

生物质是指由植物、动物或微生物生命体所合成得到的物质的总称, 属于可再生有机资源 [1,2] . 按来源分, 主要为农业生物质、林业生物质、工业废弃物、固体废弃物四大类; 按组分结构分, 包括植物纤维(纤维素、半纤维素、木质素)、油脂、蛋白、甲壳素、淀粉等. 油脂、蛋白、淀粉是人类生存的必需品; 皮革、羽毛、棉麻等是衣物的基础原料; 木质与草本优质纤维是纸张等用品的主要原料. 无法食用的植物纤维、陈储粮油、生物质加工副产物(木质素、废弃油脂、皮革加工边角料、海产皮壳等)则有待开发利用 [3] .

生物质化工是利用化学工程的理论和技术将生物质原料转化为化学品、能源、材料的学科方向, 并由此衍生出日益蓬勃的生物炼制产业. 生物质的炼制离不开基础研究的发展, 科学基金的申请和资助情况在一定程度反映领域发展现状. 生物质转化、轻化工相关的国家自然科学基金申请原来分散在各三级代码中, 2019~2020年期间, 化学科学部开展了申请代码调整工作, 化学五处遵循国家自然科学基金委员会改革精神, 于2021年取消了三级代码, 并对原二级代码进行了调整, 以原来农林及海洋产物加工与转化(B080705)、皮革与造纸化工(B080706)、生物质能源化工(B081003)、生物质资源高效转化(B081103) 4个三级代码为依托, 整合增设了“生物质转化与轻工制造”(B0811)二级代码 [4,5] . 本文基于2021~2022年的B0811的具体实施情况, 将论述其学科目标和内涵、申请和资助概况、发展布局、未来方向等.

随着循环经济理念日益深入人心, 生物质的转化和利用也受到广泛关注, 由此衍生出一系列针对不同类型生物质资源定向转化利用的手段和路线. 如 图1 所示, 针对木质纤维、油脂、淀粉、蛋白质、藻类、甲壳、畜禽等生物质原料, 利用化学、物理、生物多种学科方法手段, 可形成如下产品: (1) 生物基功能材料, 包括特种纸、新型纺织品、生物质皮革、功能纳米纤维复合材料、功能碳材料、仿生材料等; (2) 生物能源, 包括生物汽柴油、生物航煤、高密度特种燃料、生物质发电等; (3) 大宗和精细化学品, 包括三烯三苯、表面活性剂、高性能工程聚合物单体、医药中间体、食品原料等. 这些产品范围广, 呈现了多领域、多学科交叉的特点, 不仅可接轨现有的石化行业, 更可推动化工、医药、材料、轻工等重要工业产品向绿色低碳、可持续发展模式转型, 对我国化学化工行业是挑战也是机遇.

生物质转化与轻工制造的主要任务是认识生物质转化过程中传递现象和规律及其对反应本身和目标产品性能的影响, 研究绿色高效地进行生物质转化的工艺、流程和设备, 建立使之工业化(规模)的设计、放大和调控的理论和方法, 并关注化学与化工的交叉融合, 将新理论、新概念、新方法应用于生物质转化过程.

生物质转化与轻工制造针对各类生物质结构和组分的特点, 探究生物质转化过程中的传质、传热、传动机制, 强化其反应过程, 研究新的反应路径, 提升反应效率, 建立适用性强的热力学平衡模型, 开发高效的单元操作工艺和全流程工艺, 探索新的综合利用路线和模式, 为生物质利用技术的放大和产业化提供理论和技术支撑, 并为国民经济的其他行业如医药、运输、食品、纺织、服装、包装等行业提供原材料和工业品( 图1 ).

图1 生物质转化与轻工制造技术路线汇总图

3.1 面上、青年和地区基金

面上项目(面上)、青年科学基金项目(青年)和地区科学基金项目(地区)三大类基金是基金委项目中涵盖面最广、数量最多的基金类型. 表1 总结了2021~2022年生物质转化与轻工制造学科方向的面上、青年和地区项目的申请与资助情况, 2021年是新代码实施的第一年, 面上、青年和地区项目申请总数573项, 在B08所有二级学科代码中列第二位, 仅次于分离工程(B0804). 2022年三类项目的申请数相较2021年均有所增长, 面上项目由2021年247项增长至281项, 青年项目由287项增长至300项, 地区项目由39项增长至49项, 总申请数630项, 占B08申请项目总量的14.3%. 2021年面上、青年和地区项目的资助率分别为18.2%、13.2%、12.8%, 2022年三类项目的资助率趋于稳定, 分别为17.4%、19.0%、20.4%.

基金委代码改革在二级代码下设相关研究方向, 并可根据研究趋势变化而适时调整. 2021年, B0811代码下设的研究方向为: 生物质能源、生物质基化学品-化学转化、生物质基化学品-生物转化、生物质基材料、皮革化工、造纸化工. 2021年底, 化学科学五处组织相关专家研讨后, 将2022年B0811代码下设的研究方向更新为: 生物质能源、生物质基化学品-化学及热转化、生物质基化学品-生物转化、生物质基材料、皮革化工、造纸化工、染整化工、纤维化工、制糖化工, 较2021年划分更为细致. 表1 列举了2021~2022年度B0811各研究方向面上、青年、地区项目的申请和资助情况. 三类项目在这两年的申请均较集中于生物质能源、生物质基化学品-化学及热化学转化、生物质基材料、造纸化工4个方向. 以2022年为例, 面上、青年和地区项目在生物质能源的申请量分别为47、49和10项, 生物基化学品-化学及热化学转化分别为81、77和8项, 生物质基材料分别为62、97和15项, 造纸化工分别为45、34和10项, 生物质基化学品-生物转化分别为17、24和6项, 皮革化工分别为22、13和0项. 资助率方面, 2022年面上、青年、地区项目的生物质能源方向资助率均较低, 分别为10.6%、6.1%、10.0%, “生物基化学品-化学及热化学转化”方向的面上项目资助率由2021年的17.5%下降至14.8%, 青年及地区项目资助率有大幅度提升, 分别为22.1%和25%; 生物质基材料方向的三类项目资助率相较2021年显著提升, 面上项目由17.2%上升至24.2%, 青年和地区分别由13.3%和11.1%上升至22.7%和20%. 生物质能源、生物质基化学品-化学及热化学转化、生物质基材料、造纸化工大量且稳定的申请体现了生物质资源作为未来能源、化学品和材料的潜力. 2022年新设立的染整化工、纤维化工、制糖化工这三个研究方向, 申请量仍较少, 需要更多的科研工作者的关注.

从分布上看, 申请生物质转化与轻工制造(B0811)的研究单位较为集中. 2021年, 申请生物质转化与轻工制造面青地项目总数前三名高校及研究单位分别为陕西科技大学(34项)、华南理工大学(34项)、齐鲁工业大学(28项), 其中分别获得资助9、7及7项, 资助率为26.4%、20.6%、25%. 2022年, 申请生物质转化与轻工制造面青地项目总数前三名高校及研究单位分别为齐鲁工业大学(37项)、华南理工大学(36项)、陕西科技大学(34项), 其中共获得资助5、9及8项, 资助率分别为13.5%、25%、23.5%. 2022年, 面上项目申请单位数量有所增加, 生物质转化与轻工制造(B0811)受到广泛关注.

表2 归纳了生物质转化与轻工制造的面上、青年、地区项目的技术路线类型. 化学转化细分为热化学、均相催化、多相催化、光电化学, 其中多相催化申请数量最多, 2022年面上、青年、地区项目的申请数分别为67、85和13项, 且与生物质多官能团的特点一致, 针对特定基团设计制备定向转化催化剂、强化反应过程、调控产品组分和单一产物的选择性、探索高值利用途径、提高整体工艺的经济性. 光电化学三类项目2021年申请数分别为16、25、0项, 2022年显著增长, 分别为27、30和4项, 表明光电化学与生物质化工的交叉融合势头良好. 2022年面上和青年的材料申请数分别为95和86项, 申请量最大且逐年增长, 占总申请数比例分别达到34.9%及28.6%, 资助率分别从2021年的17.4%和15.1%提高至20.0%和18.6%. 生物转化的三类项目申请数量较多, 但有降低趋势, 2021年面上、青年的申请数分别从43和47项下降至2022年的34和37项, 且资助率均低于B0811方向的平均资助率, 须在未来充分发挥化学法和生物法的优势, 对生物和化学过程开展耦合研究, 促进生物-化学组合转化新方法的发展; 造纸、皮革相关内容的三类项目2021年的申请量总和分别为24和16项, 2022年分别为11和17项, 申请数有一定程度的降低, 应在未来挖掘皮革、造纸等传统方向研究的新内涵和新范式, 形成绿色低碳化、功能智能化的发展方向. 2022年分离的面上和青年申请数分别为9和30项, 虽较2021年有所增加, 占B0811申请总数比率仍低于10%. 在化工过程中, 分离能耗可占总能耗的70%, 高效的分离技术是推动生物质转化产业化的重要环节, 特别是复杂原料及产物体系的分离及纯化, 如固体木质纤维素三素拆分和高黏生物体系下多组分分离精制, 同时应关注针对生物质特性的分离装备设计制造, 加快生物质化工产业落地.

生物质资源种类多样、结构复杂, 围绕生物质种类的不同, 表3 汇总了生物质转化与轻工制造生物质原料类型. 各类项目的原料主要集中于木质纤维素类、木质素、纤维素这三类原料及其衍生物, 2021~2022年面上、青年、地区项目中, 木质纤维素及衍生物、木质素及衍生物、纤维素及衍生物三类原料总和占申请数均超过60%, 2022年面上、青年、地区项目木质纤维素类原料申请数分别为188、223、36项, 占申请总数66.9%、74.3%、73.4%; 半纤维素及衍生物、皮革、油脂申请书分别为67、39、39项, 占申请总数10.6%、6.2%、6.2%; 藻类、甘油、甲壳素、植物多酚的申请数总和分别为12、14、0项, 占比均不超过5%. 木质纤维素(包括木质素和纤维素、半纤维素)在自然界含量及分布最广, 同时三维结构更为复杂, 转化利用困难, 因此受到科研工作者的广泛关注, 基金申请量集中于相应方向. 虽然这有利于木质纤维素研究方向形成技术突破, 但易导致研究同质化现象, 不利于生物质产业的整体发展及技术创新. 应鼓励关注藻类、甘油、甲壳素等相对小众的生物质资源和转化方式, 加强地方特色生物质转化研究, 促进地方生物质产业升级.

表3  生物质转化与轻工制造(B0811)面上、青年、地区项目的生物质原料类型汇总

3.2 其他项目

2021~2022年其他项目类型申请和资助情况如下: 重点项目申请5项、资助1项; 优秀青年科学基金申请34项, 资助3项; 联合基金重点支持项目申请15项, 资助3项; 专项项目申请5项, 资助1项; 国际(地区)合作研究与交流项目申请21项, 资助1项; 外国学者研究基金项目申请9项, 资助1项.

图2 我国2012~2021年化石资源消费结构图

(1) 生物质转化与轻工制造学科方向秉承以基础研究推动技术产业化的理念, 突出支撑生物质化工领域前沿聚焦和需求牵引的内在特征. 通过进一步优化学科方向布局, 建立了兼容并包、开放融通的申请体系, 并需建立申请代码动态调整机制, 积极吸纳学界建议, 体现前沿新方向和学科方向发展空间.

(2) 研究方向是开展科学基金项目申请、评审、资助和管理的工具. 建议申请人在充分理解申请代码内涵的基础上选择合适的研究方向和关键词, 利于基金管理工作和项目评审的精准化.

(3) 生物质转化与轻工制造是承接基础研究与产业利用的学科方向, 建议申请人从国家重大需求和经济社会发展的实际问题中切入, 更加关注生物质真实原料, 结合国际科学前沿的先进表征方式和转化手段, 凝练生物质化工的关键科学问题.

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傅杰, 周晨, 张国俊. “生物质转化与轻工制造”基础研究发展战略思考——从科学基金资助布局到未来发展趋势. 《中国科学：化学》, 2023, 53, doi: 10.1360/SSC-2023-0175