生物炼制是解决人类社会目前面临的资源、能源与环境等诸多重要问题有效手段。木质纤维素类生物质是世界上产量最丰富的可再生生物资源，有巨大的发展潜力，但因为原料、运输、转化技术等方面的问题真正实现产业化还面临诸多挑战。从原料方面考虑，木材的糖分含量较高（纤维素和半纤维素含量大于70%，玉米含淀粉72%，甘蔗含糖50%，玉米秸秆的综纤维素含量88%），并且木材的生长是四季不断的，生长率一般不低于1 .5t/（hm2·a）[玉米秸秆0.84t/（hm2·a），甜高粱0.38t/（hm2·a）]，所以使用木材作为生物炼制的原料有一定优势[44]。从规模及产业化的角度考虑，纸浆厂的年产量一般不低于20万t，其废液中产生半纤维素和木素的量分别是8万t/a和12万t/a，而国内像这样规模的制浆企业有几百家，可见制浆厂副产品的有效利用的潜力巨大。另外，在制浆造纸企业实行生物炼制还解决了生物质原料收集、运输及产品消化的问题，被普遍认为是生物炼制技术最容易实现产业化的平台。
制浆造纸工业是生物质资源的巨大消耗者，因此生物质炼制必然可以与制浆造纸工业广泛结合。传统的造纸行业因为原料利用不充分、污染严重也必须进行转型升级。通过发展生物质精炼可以将传统的制浆造纸厂变成一个生物精炼联合加工厂（如图3-9所示），这样除了生产纸和纸板以外，还可以从废液或预处理液中提取半纤维素和木质素等生物质成分，通过生物转化进一步生产乙醇、碳纤维、聚合物、煤油和生物柴油等能源、材料和化学品，而这些能源和化学品大部分又可以应用于制浆造纸厂内部，解决造纸行业的能源供应和污染问题。例如，在传统的碱法制浆过程中，分别占木材原料质量约20%和30%的半纤维素和木质素会溶解而进入制浆黑液，这些黑液通常是通过碱回收系统被燃烧，以生产蒸汽、电能和回收氢氧化钠及硫化钠。但其中半纤维素和木质素的热值均比较低（13.6MJ/kg和27.0MJ/kg），其价值得不到充分利用，如果采用生物炼制技术将这些生物质分别提取和转化则可以大大提高其附加值[45]。
（1）半纤维的预提取及其生物炼制
传统的化学法制浆一般是直接蒸煮原料，这样原料中的生物质尤其是半纤维素大部分进入制浆废液而被浪费掉，从而忽略了半纤维素作为生物质资源的潜在价值。结合制浆工艺过程，在削片和制浆工段之间采用条件比较温和的预抽提方法分离出生物质中的一部分半纤维素，然后将此半纤维素进行生物炼制，提高利用价值。并且半纤维素的抽出使木片的组织结构更疏松，为后续碱蒸煮过程药液的渗透打开了通道，从而加快了脱木素速率，降低残渣率，同时也减轻了黑液处理的压力。
图3-9 传统的制浆造纸厂转型为生物精炼联合加工厂
制浆蒸煮前抽提出来的半纤维素或木糖溶液，最常规的利用方式是生物转化制取乙醇。基于从木质纤维料中提取的木聚糖，每克木聚糖的理论乙醇得率为0.46g，按酵母发酵效率90%，中国每年自产原生化学木浆1000万t（折算成原料约1820万t），可以提取利用的半纤维素为10%计算，可以生产不低于75万t的乙醇，同时可副产22万t乙酸[46]。也可以利用木糖脱水制备糠醛，按木糖的转化率80%计算，每年可以生150万t糠醛，继而通过加氢、氧化脱氢、酯化、卤化、聚合、水解以及其他化学反应，可直接或间接地合成千余种化工产品[47]。
也可以利用提取的半纤维素发酵生产衣康酸（Itaconicacid），然后通过自由基均聚生成聚合衣康酸。聚合衣康酸是一个极易溶于水的高吸湿材料，可作为纸张的表面施胶剂，也有使用其代替木材复合物中使用的不饱和树脂和涂布纸中的丁苯胶乳作为胶黏剂使用的。此外，通过分级聚合反应，先把从半纤维素发酵得到的衣康酸和糖所衍生的多元醇（如丙烷二醇、丁烷二醇或甲基丁烷二醇）转化成不饱和聚酯，然后把这种聚合物与乙烯单体（如苯乙烯）反应可以生成热固型结构材料（如用于木材复合材料等）[46]。
（2）黑液中变性半纤维素的回收利用
木材原料中的半纤维素在高温蒸煮碱液条件下，由于发生剥皮反应和碱性水解反应，一部分降解成为低聚糖或单糖。这些糖类在碱性溶液中会进一步分解成各种有机酸，主要是糖精酸（Saccharinic acid），有些还会进一步分解成为乙酸、甲酸等，部分溶于蒸煮液中。在强碱、高温、高压条件下经过一系列变化而溶解出来的部分半纤维素，其结构、性质已不同于原来原料中存在的半纤维素，故称为变性半纤维素。回收黑液中变性半纤维素的方法是将黑液浓缩至一定浓度（约35%）后，先加入等体积的90%甲醇溶液，过滤后得到半纤维素滤饼，再用50%甲醇溶液洗涤、过滤、蒸发后即可得粗制变性半纤维素。
黑液中提取的粗制变性半纤维素提纯后，可在造纸厂内部用来做纸张表面施胶剂、浆料内部添加剂等。劳嘉葆[48]的文章中提到，使用半纤维素溶液处理，纸张表面强度性质可以和工业淀粉的效果相媲美，在某些情况下还优于工业淀粉。与此类似，变性半纤维素还可以用作煤团黏结剂、瓦楞纸板和纸箱的黏合剂[49]。变性半纤维素经过改性后还可以生产其他化学品，例如，提纯的产物经过羧甲基化改性后生产羧甲基茯苓多糖等。(www.xing528.com)
（3）黑液中木质素的回收利用
制浆厂的黑液成分因所采用植物原料及制浆蒸煮条件的差异而有所不同。在碱法制浆黑液里的有机成分主要是木质素和有机酸，其组成元素为C、O、H、Na、S等。黑液中固形物的2/3为有机物，这使黑液成为世界第6大重要能源[50]。对于溶解在黑液中的木质素最普遍的利用形式是燃烧法，包括黑液提取、蒸发、燃烧和苛化4个步骤，并回收钠盐重新用于木材的蒸煮。这种方法技术成熟，被广泛地应用于大型制浆企业，但因投资大、运行费用高，而不适于生产能力较小的企业，使大多数中小型厂家不能实现黑液回收治理。并且木质素的热值比较低，只有27.0MJ/kg，所以如果能够实现木质素高值化利用，必将给制浆造纸企业带来新的增长点。
关于木质素回收利用的研究已成为生物炼制技术的热点，其中一种经济有效的回收碱法制浆黑液中木质素的方法已在一些中小型企业中获得尝试[51]。该方法是将分离半纤维素后所得的滤液蒸馏回收甲醇，并蒸发1 /3水分后，再用CO2气体（可用工厂锅炉的烟道气）中和至pH为9.5左右，此悬浮液经过滤后得到回收的粗木质素。分离木质素后所得的滤液主要成分为Na2CO3，经石灰乳液直接苛化后得NaOH溶液。该方法具有投资小、可综合利用黑液中各种成分的特点。与传统的碱回收方法相比，可降低1 /3的能耗及设备投资。分离出来的粗木质素经过提纯改性，可作为沥青乳化剂、耐火材料黏结剂、饲料添加剂、农药缓释剂、植物促进剂、酚醛树脂添加剂、油田钻井用的稀释剂、制造活性炭等。有专利报道[52]，用硫酸盐木质素与PEO混合使用作为造纸过程的添加剂，可以提高细小纤维、填料及颜料在纸页上的留着率，并减少树脂障碍。有研究表明[53]，使用改性木质素作为纸张表面施胶剂能够取得较好的效果，并且纸页物理强度亦有所增加。
借助酸沉淀法从黑液中分离的木质素经过脱硫处理还能够生产碳纤维或聚氨酯等。近年来，世界上对轻质、高强度碳纤维的需求量正在成倍地增长。如碳纤维的价格降低到7美元/kg（这个价格水平仍然要比纸浆价格高一个数量级），汽车工业将考虑用含碳纤维的合成材料大规模取代车辆中的结构钢，以使车辆质量减少2/3。据估计，用美国硫酸盐木质素中的10%生产出的碳纤维，足以取代美国客用车辆钢材的50%[46]。Kadla等人指出，将阔叶木硫酸盐木质素与工业聚合物（如聚酯、聚烯烃、PEO）混合，可制成碳纤维。关键是要尽量减少木质素中挥发物、糖和灰分的含量。因为在220℃左右会发生纤维自旋（fiber spinning），这就要求在此温度只释放出极少量的气体以避免自旋问题和在纤维内形成会降低物理性能的气泡。为此木质素的脱硫及净化处理成为碳纤维转化过程的关键问题。
（4）黑液气化
黑液气化也是制浆造纸工厂进行生物炼制的一部分[54]，其研究开始于20世纪80年代中期。黑液气化主要分为以下3个过程：第一个阶段是蒸发黑液中的水分以形成固形物；第二个过程是通过高温分解，使可挥发、易分解的物质转变为混合气体（CH4等），在此过程中随着分解时间的延长，Na2CO3和Na2SO4等无机物也会分解，并放出CO2、CO、SO2等气体，最终形成的残渣即为焦炭；第三个阶段是气化阶段，焦炭与气化剂（CO2或H2O）反应生成可燃气体，如CO、H2等。
黑液气化与传统的黑液碱回收处理方式相比，最大的优点是挖掘了黑液中有机物质的潜在价值，从而实现了资源的充分利用。美国缅因大学的A·Van-Heiningen教授在将现有硫酸盐浆厂转变为林产品生物炼制联合企业（Integrated Forest Products Biore-Finery，简称IFBR）的构想中提到：在IFBR工厂中，黑液气化产生的热可以用于半纤维素单糖转化的过程，产生的合成气可以用于生产诸如Fisher-Tropsch（属于一种碳氢化合物燃料，简称FT）燃液、甲醇、二甲醚和高碳醇等液体燃料。实现黑液气化的先决条件是，在完成制浆化学品回收的同时，确保此项技术在工业规模上运作的可靠性和效率。
据报道，使用MTCI/ThermoChem公司的常压、低温（60℃）、间接加热重整流化床技术处理黑液的两个示范点已分别在美国的两个纸厂成功投产[44]。这些装置在过去两年的试运行中，取得了不少进展，但仍存在着许多诸如形成焦油所引起的技术障碍等问题。2005年下半年起，瑞典的Pitea纸厂一直在开发高压（3.2MPa）、高温（1000℃）、吹氧夹流（oxygen blown entrained flow）的Chemrec技术，该厂黑液生产能力为每天20t绝干固形物。在瑞典的Morrum纸厂，将这一技术应用到处理规模为300t/d的黑液绝干固形物。因此，可在不久的将来获得有关该技术可靠性和效率的更多资料。关于将黑液气化后产生的合成气转化为运输燃油，可以采用石油化工行业已经使用的有关技术，而且在过程中未能转化的气体不需循环，可以作为燃料直接应用于制浆造纸工厂中的其他生产过程。据估计，在IFBR工厂中，黑液转化生产的液体燃料产值可以达到纸浆产值的1 /3。因此，黑液气化作为IFBR模式下生物质炼制的一个重要组成部分，很值得关注并加大研究以优化工艺。
综上所述，制浆造纸工业因为能源消耗量大、资源利用不充分产生污染限制了企业的发展，而生物炼制技术为解决石化资源短缺及减少温室效应气体的排放提供了解决途径，为此结合制浆造纸企业的现状，充分利用生产中的废弃物进行生物炼制，不仅能够解决能源供给的问题，还能够减小环境污染、提高产品的附加值，相信将来的制浆造纸企业必将是一个不仅能够生产浆和纸产品，没有污染，能源和化学品实现内部供应循环，还能输出代替石化产品的可再生能源、材料和化学品的新型循环经济加工厂。
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