木質(zhì)纖維生物質(zhì)煉制和多級資源化利用
——生物質(zhì)高值化的必由之路

北京林業(yè)大學(xué)林木生物質(zhì)化學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫潤倉

木質(zhì)纖維生物質(zhì)煉制和多級資源化利用
——生物質(zhì)高值化的必由之路

北京林業(yè)大學(xué)林木生物質(zhì)化學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫潤倉

生物質(zhì)煉制是一種以木質(zhì)纖維素可再生資源為主要原料基礎(chǔ)，通過化工與生物技術(shù)相結(jié)合的加工過程，綜合利用原料各組分和中間產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)以煉制生產(chǎn)液體燃料與大宗化工產(chǎn)品為目標(biāo)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(shí)代能源、材料和化學(xué)品短缺的重要途徑，生物精煉技術(shù)正日益受到國內(nèi)外研究者的極大關(guān)注與重視。木質(zhì)纖維生物質(zhì)煉制和多級資源化利用技術(shù)的發(fā)展、革新與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)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(shí)對新興的生物質(zhì)材料和化學(xué)品產(chǎn)業(yè)具有直接的推動作用。

我國木質(zhì)纖維生物質(zhì)數(shù)量巨大，僅秸稈生物質(zhì)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(lǐng)域的主要原材料。眾所周知，木質(zhì)纖維素原料主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三大部分組成，三者占到總細(xì)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(nèi)及分子間具有很強(qiáng)的氫鍵作用力，具有一定的結(jié)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(fù)雜聚合物；木質(zhì)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(xué)鍵（酯鍵和醚鍵）與半纖維素結(jié)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(yīng)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(jìn)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(xué)催化的作用下轉(zhuǎn)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(shí)，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(lǐng)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?qiáng)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(qiáng)免疫、抑制惡性腫瘤或抗凝血作用。此外，在新型的生物質(zhì)材料領(lǐng)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(zhì)素能作為高附加值產(chǎn)品的原材料，通過化學(xué)改性將其轉(zhuǎn)化為材料或者材料中間體，如木質(zhì)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(xué)催化轉(zhuǎn)化為芳烴類化合物，這個(gè)領(lǐng)域目前發(fā)展較為迅速，相信更多的木質(zhì)素基材料和化學(xué)品會被大規(guī)模開發(fā)和成功利用，真正實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素資源的高值化利用。

為使讀者更好地理解生物質(zhì)高值化方面的研究進(jìn)展及最新研究成果，受《生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)》邀請，推出一期“生物質(zhì)高值化利用”專輯，共刊出11篇專稿，內(nèi)容包括生物質(zhì)高值化的諸多方面，從基于纖維素乙醇的預(yù)處理技術(shù)（螺桿擠壓技術(shù)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(xì)化學(xué)品；從生物質(zhì)的自然生物轉(zhuǎn)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(shù)的生物質(zhì)基復(fù)合材料制備）的最新研究進(jìn)展；從木質(zhì)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(zhì)纖維生物質(zhì)煉制和多級資源化利用技術(shù)方面的研究思路方向和相關(guān)進(jìn)展。希望該專輯能給從事生物質(zhì)轉(zhuǎn)化和利用的研究人員、產(chǎn)業(yè)界人員提供相關(guān)參考。當(dāng)前，世界各國都在制定各自的生物煉制路線圖，實(shí)現(xiàn)化石經(jīng)濟(jì)到生物質(zhì)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)變。可以想象，在不久的將來，以可再生生物質(zhì)資源和清潔的加工方式為基礎(chǔ)的生物煉制，可以從根本上轉(zhuǎn)變我們對資源的加工和利用過程，實(shí)現(xiàn)工業(yè)與生態(tài)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。