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章鹏飞:为有源头“活水”来
——杭州师范大学科学研究院院长章鹏飞

作者:□ 王 涵  来源:太阳神  发布时间:2019-01-23

导读:  在《关于“十一五”规划的建议》中,制造业被冠以“先进”的定语。面对有机化工行业存在的核心技术问题,章鹏飞领衔精细化工过程强化创新团队将理论、技术与产业相结合,从源头和化工过程中寻找解决精细化学品生产带来的环境污染、能源消耗等问题的方法。

  ——记杭州师范大学科学研究院院长章鹏飞


  □ 王 涵
  

 

  
  改良蒸汽机的发明及制造被视作第一次工业革命爆发的引线,内燃机的广泛应用与第二次工业革命也有着千丝万缕的关联,自历史发展来看,制造业的兴盛与否同社会推进步伐的快慢息息相关。从种类贫乏、结构简易的机械制造业兴起到形色各异的智能化机器时代到来,阐明机制、革新技术、精准设计是加强制造业产品创新力度,催化产业革新孵化能力,以及影响世界经济发展演变势态的重要因素。
  2006年,在《关于“十一五”规划的建议》中,“制造业”被冠以“先进”的定语。时隔10余年,作为国家发展支柱之一的先进制造业,不论在从业人口占有量还是国家外贸出口总额、产业结构所占比重中皆发挥着扭动经济命脉的作用,不容小觑。
  此外在先进制造新型产业的不断升级过程中,精细有机化工行业的转型升级是不容忽视的,其所面临的核心技术缺乏、制造工艺较落后、装备现代化和智能化程度低等问题仍制约着行业的整体发展。因此,对章鹏飞及其领导的精细化工过程强化创新团队而言,开展新型高效催化剂的研发及制备、有机反应机理及工艺的精准设计、化工生产装备及过程的智能化等全方位的系列研究,乃是从源头解决精细化学品生产过程中频发问题,勇担时代使命的必由之路。
  

技术论的排头——机理研究


  20世纪60年代以来,有机化工以石油产业的发展为契机迅速蓬勃、壮大,通用化学品逐渐步入大发展时期,精细化工已然展现出其充足的活力。成千上万吨的化学原料被分类、筛选、加工,并随着医药、农业、食品生产等行业的不同应用需求被进一步制造、消耗。然而,不论技术如何向深度、广度发展,生产精细化工原料及其中间体的产业模式仍无法与社会发展步伐完全相适应,以高能耗、污染环境为代价获取短期产品效益的企业生产模式,恰恰是整个国家、行业缺乏竞争实力的体现。加快技术研究进度、深化制造工艺,使高新技术服务于环境友好型社会,正是精细化工投资效益高、利润率高、附加价值高等经济特性的体现。
  我国产业经长期发展有了区域鲜明的特征,相较于国有大型企业的产业观念和技术手段有明显差距。精细有机化学品主要用做下一步产品生产的原料、中间体、助剂等,量大面广,对环境、生产安全产生的影响巨大,因此,改变工艺落后、智能化水平低等现状迫在眉睫!如,低级脂肪胺的生产颇受行业和社会关注,虽然它的合成工艺较多,但同时具备工业生产和高效低污染两点特质的并不多。“低级脂肪胺具有沸点低、气味重、水溶性大、与空气混合易爆炸等特点,我国在生产工艺技术、单程转化率、选择性与总胺收率等方面与国外均存在较大差距,因此,开发新的低级脂肪胺生产工艺与分离技术意义重大。”基于一名化学工作者的责任,章鹏飞率领他的团队义无反顾地投身于低级脂肪胺的生产工艺、装备及过程智能化的研发中,在研究中产业得到了提升,也成就了团队。
  一般而言,低级脂肪胺的传统生产工艺普遍采用“氨和醇在催化剂存在下的烷基化反应”制得,反应效率、催化材料选择及反应物纯度均不同程度地制约着工业生产的发展空间,使资源环境、经济产出效益均遭受不同程度的损失。结合团队在前期喹诺酮类原料药研发过程中的发现和取得的经验,章鹏飞将二级脂肪胺与二氧化碳形成离子液的原理及他们发明的最新气液分离装置应用于此,成功实现了低级脂肪胺的有效分离、循环利用和在线控制,生产线投产运行的实践表明,其工艺方法、工装技术强化了低级脂肪胺的生产及高效循环能力,各项性能指标和产品质量丝毫不逊色于同期国际先进技术的水平。
  低级脂肪胺的机理探究、技术革新仅为章鹏飞及其团队科研道路上的一小步,有关他如何从理论研究源头切入,并实现产业化的工艺研发,这样的事例不胜枚举,难以一一细数。药品作为人们疾病治疗、健康活动的根本,其制备过程备受关注。催化反应技术是一项高效、快速实现产品制备的提升手段,历来有不少研究人员探索其反应机制的奥秘,寻找到影响催化过程的各个因素,以便逐一在关键技术上取得突破。目前,药物合成存在问题颇多,原料药生产企业仍然是各地环保部门关注的焦点,其根本原因仍然在于先进的生产工艺路线、装备和过程强化等技术的研发和推广应用,因此,研发新型、实用的催化剂制备方法及高效催化技术迫在眉睫。
  于是,章鹏飞及其团队充分发挥他们在理论研究上的优势,在原有发现的基础上,整合前期技术经验,通过对催化剂的作用机理及与有机反应原理关系的研究,设计并制备了一类新结构的高效催化剂,进而发明了高效催化环合新技术,为喹诺酮类原料药的绿色创新工艺的开发提供了关键技术支撑。项目创制了115个新结构化合物,其中3个新结构化合物实现了产业化,首次获得了纯度为99.9%的乙酯胺化物产品,开发了适合11个喹诺酮类系列原料药生产的原创性新工艺,建立了占世界80%产量的生产线,关键技术获中国发明专利15件,美国发明专利1件。因形成的新方法,章鹏飞受邀在国际顶级学术期刊Chem上撰写Review,系列技术被3位院士在内的专家组评价为,总体技术处于国际先进水平,其中催化构建喹诺酮主环的一锅法合成等技术达到世界领先水平。同时,章鹏飞团队还开发了Lamivudine原料药、利美尼定原料药、非索非那定原料药等的清洁高效生产新工艺,均成功实现了产业化,不但带来巨大经济和社会效益,还为国家专利数据库增加了35项发明专利、8件实用新型专利。
  

产业化的考验——工业应用


  过去很长一段时间,全球制造业不得不面临高失业率、两极分化、资源消耗大、环境污染严重等挑战,尤其以发展中国家为主,利用廉价劳动力进行技术水平低、消耗高产品的生产遍地可见。世界各国不论是发达国家还是发展中国家不断在尝试在生产及加工过程中运用新技术和新设备,试图实现反应过程与传热、传质及浓度等过程因素之间的最优匹配,从而提高能量效率、增大设备生产能力、减少废物排放。
  新型高效萃取技术、新结晶技术、新装备自动化技术、自动化生产设备等对于精细化工产业而言是曙光般的存在。基于产品生产过程,有针对性、目的性地创造并强化新技术,章鹏飞多年来在理论研究与产业技术应用研究之间架起了一座实时沟通的桥梁,不仅有利于循序渐进地推进工作的开展,更有利于这些技术的后续应用得到得心应手的发展。
  在浙江省重点科技创新团队、国家科技支撑计划课题、国家自然科学基金、浙江省重大绿色化工专项等的长期支持下,经过近20年的不懈努力,他们依托自身研发的系列突破性核心技术,如:新型高效的催化剂制备技术、催化活化缩合技术、高纯乙酯胺化物的制备技术、二甲胺的循环套用技术等,推动了喹诺酮、Lamivudine、利美尼定、非索非那定等原料药产业化技术水平的大幅提升。这些技术分别在10多家制药企业的推广应用,产生了近百亿元的经济效益。新技术实施产业化,投入生产后,低级脂肪胺的生产及高效循环累计实现销售收入15.57亿元,仅喹诺酮类系列原料药在7家企业进行产业化,累计实现销售收入60多亿元,3年成功减少三废排放量6443.17吨,节约标煤59014.31吨。有关部门肯定了各项成果在应用过程中的突出表现,章鹏飞团队也陆续获得中国专利优秀奖、中国石油和化学工业科技进步奖一等奖、浙江省科技进步奖一等奖、高等学校科学研究优秀成果奖二等奖等多项表彰。
  环保成本对制造业发展具有很大的影响,特别对于先进制造业,新工艺的应用不仅限于提升产品品质、性能,还能在节约资源原料、保护生态环境等方面发挥作用。基于对染色工艺环境高强度破坏性的理解,章鹏飞团队分析认为,工艺过程强化时应是更快、更有力实现目标的最佳途径,因此,这一研究工作被快速提上了日程。通过深入的生产环节调研,他们发现,逆流“连续萃取”代替间歇萃取分离技术、间歇偶合技术替代单元反应操作,搅拌器形状对物料对传质传热影响均是攻克这一技术的关键,为解决造成体系局部温度过高,重氮盐在体系内不稳定,容易发生副反应这一技术难题,设计并发明了特殊的连续萃取、搅拌等反应装置,为此,他带领团队成员经数年攻关对反应釜盘管的空间排布进行了优化设计,采用连续偶合的方法改进了生产工艺,对物料流动、传热状况形成了较大的改善,弥补了以往间歇偶合方法带来的废水处理成本高昂等不足,建立了生产线。
  深入了解企业的需求,承接企业的委托,他们用数据、明眼可见的效益证明了理论与技术的关系与必要支撑。首次提出并证明了远程耦合的单电子转移机理,为C-H活化C-X键形成提供了理论依据,章鹏飞通过对糖基化合物结构与性能关系的研究,找到了制备规律和杂环化合物的制备新方法,合成了356个具有活性的新化合物。系列理念、方法经过汇总以综述论文的形式呈现在Chemical Society Reviews、Chemical Science、Green Chemistry、 Organic Letters等国际高水平专业杂志上,论文不仅受到行业的广泛关注,更受到“糖化学之父”之称的Peter H. Seeberger等人的较高评价。在糖基化合物制备关键技术及产业化应用过程中,通过微管设备实现了高效传热、翼型搅拌提升混合效能,减少一道工序的同时提高了22.4%的产率,与传统工艺相比,新工艺的β-糖苷键产物构型比提高了7%,产品纯度提高至99.95%、最大杂质含量则降低了10倍,3年累计新增产值6.3亿元,新增利税1.4亿多元。
  

持久战的保障——团队建设


  一门学科、一项研究、一个团队若想谋得高速、精准的发展,势必要求新、求变,不断为自身注入鲜活的血液。身为团队负责人,章鹏飞深谙基础研究、技术开发、成果转化及人才培养的重要价值,多年来,他也始终如一地将学科优势与区域优势相结合、把支撑发展与引领未来相统一,精心凝练主攻方向,实现科研实力的提升;制定创新团队章程规范团队运行;有计划、有目的地实施人才培养......
  把握团队发展总体方向、工作目标和长远规划的正确性,章鹏飞为营造“积极合作、优势互补、勇于创新、敢于实践”的创新研究氛围,秉承“协作、创新、务实、高效”的团队精神,努力建设一支研究特色鲜明、产学研合作、素质优良、结构合理的富有活力的创新团队。几年来,精细化工过程强化创新团队确保研究进度、项目进程,不断加大人才引进和培养力度,培养“千人计划”或省部级优秀人才5人,培养在工程放大的关键共性技术中高层次研发骨干8人。作为主要牵头人,章鹏飞联合成员组建的“氟硅精细化学品与材料制造协同创新中心”被认定为第四批“浙江省2011协同创新中心”和教育部“创新团队发展计划”。
  团队建设期,获得了1项国家重大科技专项,12项国家自然科学基金项目,1项国家火炬计划项目,15项省部级项目,21项企业委托项目服务于国家精细化工产业推进计划,切实做好企业技术咨询、升级工作,章鹏飞及其团队以长期的项目合作为载体,实施了“以人员互聘、资源共享、产学研用结合、以人才促进科研创新”计划,建立了因需设岗、以岗聘人、按岗考核,以创新贡献为导向的分类评价与激励机制。通过“用项目带团队,以团队成果促人才培养”的理念,他们促成了学术人才、研发人才、创业人才、领军人才的通力合作,使人才自身学有所用,保障了基础研究、技术攻关到产业落地的链条式发展。
  杭州师范大学化学学科是浙江省重中之重的建设学科,作为省重点支持的科技创新团队,章鹏飞领衔的精细化工过程强化创新团队不仅是该学科建设的重要支撑力量,同时还肩负着力推杭州师范大学实施服务杭州和浙江行动计划的任务。立足产学研用体制、机制,他们以遏制细菌耐药国家行动计划中的技术需求为导向,针对越来越严重的细菌耐药性问题,开展新结构耐药性喹诺酮类药物的研发及智能化研究。
  在未来及长期的发展规划中,章鹏飞对于团队目标了然于胸。以喹诺酮类原料药生产共性技术及工艺的智能化为突破口,开展喹诺酮类新结构化合物的靶向链式设计、制备及新功能机制研究,在为新药创制奠定基础的同时,也为抗菌药的绿色生产创新工艺的开发提供关键技术支撑。“我们所取得的工艺技术成果可推广至原料药、染料、农药等精细化学品的生产,形成的技术、节能环保型装备和智能化技术可推广至其他化工行业,同时为新药创制研究提供化合物库”,对精细化学品产业的创新能力提升意义重大。
  团队严格按照层层递进,各方向之间协同合作、相互支撑的建设要求,他们经持续实施,已形成以制度保障项目协同、以项目牵引人才培养、以人才促进科研创新文化的共享机制,并不断加强与国内外高校与科研院所的交流合作。“我们团队已形成了产学研紧密结合的创新体系,具备了技术创新和承担重大项目的能力”,在章鹏飞看来,以精细化学品合成新工艺研究和开发为核心所取得的一批原创性成果是团队发展的积淀;以人才引进和培养相结合的团队发展形式是提升科研水平、创造性前沿研究能力的基础;柔性引进海内外专家、教授和博士,力促跨学科间的交流合作是提升学术和产业领域地位、影响力的方式而由源头再次出发,章鹏飞和他的团队整装以待,他们的学术水平和技术创新能力也将会得到快速提升!
  
  
专家简介:
  
  章鹏飞,杭州师范大学科学研究院院长、教授、博士生导师,浙江省重点科技创新团队、国家特色专业等负责人。理学博士。兼任教育部高等学校化学类专业教学指导委员会委员、中国石油和化学工业联合会理事、浙江省化工学会常务理事、浙江省化学学会常务理事等职。
  面向国家先进制造产业,针对有机化工行业存在的核心技术问题,由他领衔的“精细化工过程强化创新团队”将理论研究、技术突破与产业设计相结合,从源头和化工过程中寻找解决精细化学品生产带来的环境污染、能源消耗等问题的方法。近年来,其在Chem.Soc.Rev.、Chem.Sci.、Green Chem.、Org.Lett.等发表JCR一二区论文40余篇,总他引1000多次,单篇最高他引265次。先后获得了浙江省科技进步奖一、二等奖,高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)二等奖,中国石油和化学工业科技进步奖一等奖,中国产学研创新成果奖一等奖等省部级奖10项。授权发明专利26件,其中1件发明专利获中国专利优秀奖。

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