木質纖維素生物質精煉技術研究

木質纖維素生物質精煉技術研究

隨著世界范圍內化石能源的日益枯竭，開發與利用可再生能源成為當務之急.生物質能是唯一能夠獲得液體、氣體和固體燃料的可再生能源，發展和利用生物質能對人類社會的可持續發展意義重大.

木質纖維素是地球上最豐富、最廉價的可再生資源.有資料表明：全世界每年植物體的生成量高達1.55× 1011t干物質，其中纖維素、半纖維素的總量約為8.5×1010t.我國是一個農業大國，若能把大量的農林纖維原料充分利用起來生產生物質能源或作為生物材料，這將有利于改善目前資源緊張、環境惡化的狀況，對實現可持續發展具有重要的經濟和社會意義.

木質纖維素原料由纖維素、半纖維素和木質素三大組分組成.半纖維素作為分子黏合劑結合在纖維素和木質素之間，而具有網狀結構的木質素，作為支撐骨架包圍并加固著纖維素和半纖維素.在生物利用纖維素的過程中，為使微生物更易于利用纖維素，必須對基質進行預處理，以降解木質素的網狀結構，提高對纖維素的利用效率.由于木質素及其衍生物對微生物具有抑制作用，降低基質中木質素的含量有利于微生物及纖維素酶對纖維素的利用；對木質纖維素各組分進行充分的利用，也必須首先將原料中的各組分進行分離預處理，所以對于木質纖維素原料進行預處理是很有必要甚至是必需的.

生物質精煉主要是指將植物資源中的主要成分（纖維素、半纖維素和木質素）經過一定的處理轉化成高附加值的材料、能源和化工產品等. 作為高效、低污染、低能耗的生物技術，生物質精煉將使傳統的制漿造紙企業轉型成為生物質精煉企業，不光生產紙漿、紙和紙板，還生產生物質材料、化學品、生物能源等.木質纖維原料組分分離意味著木質纖維原料的精制，不是把木質纖維原料僅作為纖維素資源看待，而是把它視為一種多組分物料，將木質纖維原料精制成為具有一定純度的各種組分，并希望這些組分分別加工成有價值的產品，這也是全新的生物量全利用理念對于木質纖維原料組分分離提出的新要求.

天津科技大學劉忠教授及其團隊以傳統的制漿造紙木質纖維原料為主要研究對象，潛心研究實用的生物質精煉技術，在木質纖維素的纖維素乙醇預處理關鍵技術、組分分離技術、低溫直接液化技術等方面開展了諸多基礎性、前瞻性和關鍵性的研究工作. 他們在木質纖維素原料的蒸汽爆破法預處理、乙醇法預處理技術的研究領域做了大量的工作，并在此基礎上提出低溫蒸汽爆破-乙醇法的聯合預處理技術路線，同時針對不同的木質纖維原料進行了全面的研究，在纖維素乙醇預處理關鍵技術研究方面取得了顯著的成果，并將相關的預處理技術擴展應用在木質纖維素全組分分離精制技術的開發方面；對于木質纖維原料組分清潔高效分離及其機理的研究，研究團隊按照“過程清潔、高效分離”的指導原則，以及木質纖維原料（如木材、農林廢棄物等）的特點，采用化學、物理以及物理化學等手段有機相結合作為研究主線，根據利用汽爆和乙醇萃取法聯合對麥草組分分離的研究結果，提出一條高效可行的木質纖維資源組分分離的工藝過程，并研究了木質纖維原料組分分離過程中組分界面分離過程和官能團轉化機制，為進一步完善和解決木質纖維原料主要組分（纖維素、半纖維素和木質素）清潔高效分離的難題積累了大量的研究素材，并在此基礎上對纖維素生物質在微觀層次有更深入的了解，對清潔高效分離機制有更清楚的認識；劉忠教授團隊還利用分級直接液化手段處理農作物廢棄物玉米秸稈，通過研究玉米秸稈在預處理分級后直接低溫液化的反應機理，探討了玉米秸稈預處理乙醇木質素的結構特性與液化生物油組分形成的關系，并將利用其液化產物合成新型高分子材料或作為生物能源的來源，這是合理有效利用農業剩余物的新途徑. 研究工作為提高農作物玉米秸稈木質素大分子直接液化過程中的轉化效率、開發直接液化清潔高效能源化利用新技術提供了研究基礎與理論指導.

近年來，劉忠教授及其團隊主持了5項國家自然科學基金、4項省部級研究課題，在這些基金的資助下，圍繞木質纖維原料組分的高效率分離和利用的核心課題，在生物質精煉思想的指導下，完成了多項生物質精煉技術的研究工作，共發表了SCI論文20篇，這些研究為我國的農林木質生物質資源的充分利用奠定了重要的科學基礎，對持續健康地開發利用自然資源具有重要意義.

供稿：造紙學院 惠嵐峰