北京林業(yè)大學林木生物質化學北京市重點實驗室孫潤倉

木質纖維生物質煉制和多級資源化利用
——生物質高值化的必由之路

北京林業(yè)大學林木生物質化學北京市重點實驗室孫潤倉

生物質煉制是一種以木質纖維素可再生資源為主要原料基礎，通過化工與生物技術相結合的加工過程，綜合利用原料各組分和中間產(chǎn)物，實現(xiàn)以煉制生產(chǎn)液體燃料與大宗化工產(chǎn)品為目標的新型工業(yè)模式。隨著化石資源的日益枯竭，作為解決后化石資源時代能源、材料和化學品短缺的重要途徑，生物精煉技術正日益受到國內外研究者的極大關注與重視。木質纖維生物質煉制和多級資源化利用技術的發(fā)展、革新與產(chǎn)業(yè)化應用是對傳統(tǒng)制漿造紙產(chǎn)業(yè)發(fā)展方式的變革與創(chuàng)新，同時對新興的生物質材料和化學品產(chǎn)業(yè)具有直接的推動作用。

我國木質纖維生物質數(shù)量巨大，僅秸稈生物質年產(chǎn)量就超過7億噸，是造紙、化工、紡織和生物能源等工業(yè)領域的主要原材料。眾所周知，木質纖維素原料主要由纖維素、半纖維素和木質素三大部分組成，三者占到總細胞壁含量的90%以上。其中纖維素是由葡萄糖以β-1-4糖苷鍵聚合而成的線性聚合物，分子內及分子間具有很強的氫鍵作用力，具有一定的結晶度；半纖維素是由木糖及其他糖基聚合而成的具有一定分支度的復雜聚合物；木質素則是由苯丙烷基聚合而成的芳環(huán)大分子聚合物，以化學鍵（酯鍵和醚鍵）與半纖維素結合在一起，其基本成分（紫丁香基、愈創(chuàng)木基和對羥基苯基單元）通過自由基偶合反應形成不同的連接方式（芳基醚鍵和碳碳鍵）。纖維素和半纖維素既可以直接作為粗產(chǎn)品，又可以進一步深加工為高附加值產(chǎn)品。比如纖維素和半纖維素在酶催化或者化學催化的作用下轉化成六碳糖和五碳糖，這兩類糖可以直接作為微生物發(fā)酵的原料合成二碳到六碳的平臺化合物，如乙醇、乳酸、丁二醇等。同時，纖維素和半纖維素又可以作為高附加值材料的起始原料，如纖維素可以制備纖維素各類衍生物及材料，半纖維素及其功能衍生物可廣泛用于造紙、食品、洗滌劑和制藥等工業(yè)領域。在造紙工業(yè)，半纖維素衍生物可以用作紙張?zhí)砑觿?，以增加紙張強度并改善漂白效果。在食品工業(yè)，半纖維素可用作食品膠、增稠劑、黏合劑、環(huán)保食品包裝膜等。在生物制藥行業(yè)，半纖維素可以用來生產(chǎn)新型藥物，這些藥物具有增強免疫、抑制惡性腫瘤或抗凝血作用。此外，在新型的生物質材料領域，半纖維素也被用來制作凝膠材料、抗菌材料、催化材料等。木質素能作為高附加值產(chǎn)品的原材料，通過化學改性將其轉化為材料或者材料中間體，如木質素基環(huán)保酚醛膠、改性環(huán)氧樹脂膠、改性酚醛膠、碳纖維等，也可以通過化學催化轉化為芳烴類化合物，這個領域目前發(fā)展較為迅速，相信更多的木質素基材料和化學品會被大規(guī)模開發(fā)和成功利用，真正實現(xiàn)木質素資源的高值化利用。

為使讀者更好地理解生物質高值化方面的研究進展及最新研究成果，受《生物產(chǎn)業(yè)技術》邀請，推出一期“生物質高值化利用”專輯，共刊出11篇專稿，內容包括生物質高值化的諸多方面，從基于纖維素乙醇的預處理技術（螺桿擠壓技術和固體堿處理）到基于就地產(chǎn)酶工藝的多聯(lián)產(chǎn)生物精煉模式；從糖類衍生物的制備（5-羥甲基糠醛）到其催化制備含氧液體燃料和精細化學品；從生物質的自然生物轉化系統(tǒng)（白蟻降解系統(tǒng)）到生物基材料（生物基尼龍和基于3D技術的生物質基復合材料制備）的最新研究進展；從木質纖維素水熱解聚制備能源化工平臺化合物到生物油選擇性溫和加氫制備含氧液體燃料。最后，編者概述了木質纖維生物質煉制和多級資源化利用技術方面的研究思路方向和相關進展。希望該專輯能給從事生物質轉化和利用的研究人員、產(chǎn)業(yè)界人員提供相關參考。當前，世界各國都在制定各自的生物煉制路線圖，實現(xiàn)化石經(jīng)濟到生物質經(jīng)濟的轉變?？梢韵胂螅诓痪玫膶?，以可再生生物質資源和清潔的加工方式為基礎的生物煉制，可以從根本上轉變我們對資源的加工和利用過程，實現(xiàn)工業(yè)與生態(tài)的協(xié)調可持續(xù)發(fā)展。