木質(zhì)纖維素生物質(zhì)精煉技術(shù)研究

隨著世界范圍內(nèi)化石能源的日益枯竭，開發(fā)與利用可再生能源成為當(dāng)務(wù)之急.生物質(zhì)能是唯一能夠獲得液體、氣體和固體燃料的可再生能源，發(fā)展和利用生物質(zhì)能對人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展意義重大.

木質(zhì)纖維素是地球上最豐富、最廉價(jià)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(dá)1.55× 1011t干物質(zhì)，其中纖維素、半纖維素的總量約為8.5×1010t.我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，若能把大量的農(nóng)林纖維原料充分利用起來生產(chǎn)生物質(zhì)能源或作為生物材料，這將有利于改善目前資源緊張、環(huán)境惡化的狀況，對實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義.

木質(zhì)纖維素原料由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三大組分組成.半纖維素作為分子黏合劑結(jié)合在纖維素和木質(zhì)素之間，而具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的木質(zhì)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(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，以降解木質(zhì)素的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高對纖維素的利用效率.由于木質(zhì)素及其衍生物對微生物具有抑制作用，降低基質(zhì)中木質(zhì)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(zhì)纖維素各組分進(jìn)行充分的利用，也必須首先將原料中的各組分進(jìn)行分離預(yù)處理，所以對于木質(zhì)纖維素原料進(jìn)行預(yù)處理是很有必要甚至是必需的.

生物質(zhì)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(zhì)素）經(jīng)過一定的處理轉(zhuǎn)化成高附加值的材料、能源和化工產(chǎn)品等. 作為高效、低污染、低能耗的生物技術(shù)，生物質(zhì)精煉將使傳統(tǒng)的制漿造紙企業(yè)轉(zhuǎn)型成為生物質(zhì)精煉企業(yè)，不光生產(chǎn)紙漿、紙和紙板，還生產(chǎn)生物質(zhì)材料、化學(xué)品、生物能源等.木質(zhì)纖維原料組分分離意味著木質(zhì)纖維原料的精制，不是把木質(zhì)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(zhì)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(jià)值的產(chǎn)品，這也是全新的生物量全利用理念對于木質(zhì)纖維原料組分分離提出的新要求.

天津科技大學(xué)劉忠教授及其團(tuán)隊(duì)以傳統(tǒng)的制漿造紙木質(zhì)纖維原料為主要研究對象，潛心研究實(shí)用的生物質(zhì)精煉技術(shù)，在木質(zhì)纖維素的纖維素乙醇預(yù)處理關(guān)鍵技術(shù)、組分分離技術(shù)、低溫直接液化技術(shù)等方面開展了諸多基礎(chǔ)性、前瞻性和關(guān)鍵性的研究工作. 他們在木質(zhì)纖維素原料的蒸汽爆破法預(yù)處理、乙醇法預(yù)處理技術(shù)的研究領(lǐng)域做了大量的工作，并在此基礎(chǔ)上提出低溫蒸汽爆破-乙醇法的聯(lián)合預(yù)處理技術(shù)路線，同時(shí)針對不同的木質(zhì)纖維原料進(jìn)行了全面的研究，在纖維素乙醇預(yù)處理關(guān)鍵技術(shù)研究方面取得了顯著的成果，并將相關(guān)的預(yù)處理技術(shù)擴(kuò)展應(yīng)用在木質(zhì)纖維素全組分分離精制技術(shù)的開發(fā)方面；對于木質(zhì)纖維原料組分清潔高效分離及其機(jī)理的研究，研究團(tuán)隊(duì)按照“過程清潔、高效分離”的指導(dǎo)原則，以及木質(zhì)纖維原料（如木材、農(nóng)林廢棄物等）的特點(diǎn)，采用化學(xué)、物理以及物理化學(xué)等手段有機(jī)相結(jié)合作為研究主線，根據(jù)利用汽爆和乙醇萃取法聯(lián)合對麥草組分分離的研究結(jié)果，提出一條高效可行的木質(zhì)纖維資源組分分離的工藝過程，并研究了木質(zhì)纖維原料組分分離過程中組分界面分離過程和官能團(tuán)轉(zhuǎn)化機(jī)制，為進(jìn)一步完善和解決木質(zhì)纖維原料主要組分（纖維素、半纖維素和木質(zhì)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(chǔ)上對纖維素生物質(zhì)在微觀層次有更深入的了解，對清潔高效分離機(jī)制有更清楚的認(rèn)識(shí)；劉忠教授團(tuán)隊(duì)還利用分級(jí)直接液化手段處理農(nóng)作物廢棄物玉米秸稈，通過研究玉米秸稈在預(yù)處理分級(jí)后直接低溫液化的反應(yīng)機(jī)理，探討了玉米秸稈預(yù)處理乙醇木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)特性與液化生物油組分形成的關(guān)系，并將利用其液化產(chǎn)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(nóng)業(yè)剩余物的新途徑. 研究工作為提高農(nóng)作物玉米秸稈木質(zhì)素大分子直接液化過程中的轉(zhuǎn)化效率、開發(fā)直接液化清潔高效能源化利用新技術(shù)提供了研究基礎(chǔ)與理論指導(dǎo).

近年來，劉忠教授及其團(tuán)隊(duì)主持了5項(xiàng)國家自然科學(xué)基金、4項(xiàng)省部級(jí)研究課題，在這些基金的資助下，圍繞木質(zhì)纖維原料組分的高效率分離和利用的核心課題，在生物質(zhì)精煉思想的指導(dǎo)下，完成了多項(xiàng)生物質(zhì)精煉技術(shù)的研究工作，共發(fā)表了SCI論文20篇，這些研究為我國的農(nóng)林木質(zhì)生物質(zhì)資源的充分利用奠定了重要的科學(xué)基礎(chǔ)，對持續(xù)健康地開發(fā)利用自然資源具有重要意義.

供稿：造紙學(xué)院 惠嵐峰