木质素的分离和利用方法探究

木质素是自然界最为丰富的芳香类聚合物资源，大约占陆地植物干重量的15%～40%。在大规模利用植物碳水化合物的工业生物质精炼过程中，传统的做法是利用木质素的高热值来发电，以供给生物质精炼所需的能量。但是，利用木质素生产高附加值产品的研究方兴未艾。这是因为，在一些利用生物质原料生产液体燃料的企业中，所生产的木质素除用于自给用电外仍有富余，而且大部分木质素尚未得到有效的利用和开发。

利用木质素生产高附加值产品之前需要对木质素进行提取，在基于制浆造纸工业的生物质精炼过程中木质素的提取位置主要有两个：一是在碳水化合物酶水解前或发酵后进行提取，二是从制浆黑液中提取。图2-4为生物质经过酶水解和发酵过程中提取木质素的方案。通常情况下，木质素会作为酶水解剩余物被收集利用（图2-4上半部分）。随着有机溶剂和离子液体预处理方式的出现，木质素可以在碳水化合物酶水解和发酵前被提取（图2-4下半部分），此类方法提取的木质素纯度较高、多分散性较小。黑液中木质素的提取方式主要是酸沉淀。

图2-4 木质素提取方案简化流程图^[12]

分离的木质素可用于生产低成本碳纤维、工程塑料和热塑性弹性体、聚合物泡沫材料/薄膜，以及多种燃油和化学品，而这些高值产品目前都以石油为工业原料，因此，木质素的高效利用将有利于缓解化石资源危机。

美国能源部橡树岭国家实验室将分离的木质素溶剂化成胶体后通过挤出加工成纤维细丝，经过在空气中加热氧化和氮气氛围下碳化后得到了木质素衍生的碳纤维。图2-5为利用木质素生产碳纤维的过程。碳材料的最终形态不仅取决于碳前体的化学性质，还与其加工方法有关。(www.xing528.com)

利用生物工程技术对木质素结构进行改性或在木质素中掺入非典型组分，来促进其在生物环境条件下的分离提取和化学转化，这类研究已显示出良好的前景。对能源作物进行遗传变异筛选和直接进行遗传操作的研究已经催生了拥有特定性质的木质素原料作物，这在很大程度上减少了木质素的分离和净化带来的难度。

图2-5 利用木质素生产碳纤维的过程^[12]

美国威斯康星大学麦迪逊分校的科研人员致力于对木材进行定向培育，使其朝着最具经济性的理想性状发育和成长。例如，针叶木与阔叶木相比具有更长的纤维，更适用于制造高强度纸张，且针叶木中的糖类物质更容易转化成具有较高附加值的乙醇，但针叶木制浆相对于阔叶木困难，这是因为针叶木的木质素主要由G型结构单元组成，阔叶木木质素中含有比G型结构单元更易降解的S型结构单元。因此，如果能在针叶木木质素中形成S型结构单元和S/G型结构单元，会使针叶木的预处理工艺强度降低并提高得率，从而产生切实的经济和环境效益。该团队通过在称为“管状元素”的TE系统中引入花卉植物中已知的形成木质素的两种关键酶基因来对针叶木细胞进行改性。研究结果表明，经过改性，针叶木中可以以S型结构单元形成类似阔叶木木质素的细胞壁。研究者们将尝试采用相同的方法来处理针叶木树种^[13]。