基于生物质精炼的生物质组分分离技术优化

生物质转化为高值化材料、能源和化学品的关键过程是：a.组分分离；b.分离各个组分的化学转化。其中，前者要体现经济高效，后者要体现高附加值。

实现生物质转化之前，首要的任务是根据原料的结构特性，设计组分分离和转化为高值化产品的新方法和途径。然而，目前工业分离技术尚不能经济高效地将生物质三大主要组分以分子结构较完整的形式分离出来，在分离提取一种组分时（如纤维素），其他组分（木质素和半纤维素）结构遭到较为严重的破坏，得到半纤维素和木质素组分结构发生改变，化学或生物反应活性较低，导致后续利用较为困难；此外，分离过程中能耗较高、环境污染严重也是制约生物质转化的另一个重要因素。众多研究表明，生物质全组分利用的新模式，即“生物质原始结构解译-组分选择分离-分离组分的结构解析及转化利用”的模式对木质纤维资源的高效利用具有重要的指导意义。

近些年，由于纤维素乙醇的发展，极大地推动了生物质预处理技术的发展。从本质上来讲，生物质预处理也属于植物纤维原料组分分离技术，但预处理技术均是将纤维素转化为乙醇为目标的组分分离技术。如果要基于制浆企业的现有基础进行生物质组分分离及转化，需要结合目前的制浆技术和设备，实现木质纤维生物质资源的组分高效分离和转化。

从目前的预处理技术开发进程看，采用先进的组分拆解技术对纤维素生物质进行全组分的综合利用是一种具有产业化前景的重要技术路线，即将生物质组分进行分离，再将分离的半纤维素、纤维素组分转化为化学品或者材料，而将木质素组分进行结构测定，而后根据结构再转化为材料或者化学品。

传统的制浆造纸产业是生物质精炼的初级阶段，而木质纤维原料的生物质精炼则是对目前制浆造纸和燃料乙醇等行业的单组分转化利用技术的升级和深化。从工业化的角度来看，未来的生物质精炼应该基于传统制浆造纸平台或者以生产纤维乙醇和低聚糖的工业平台，即采用生物质组分高效分离再转化的模式，这种生物质精炼方式与当前的生物质利用行业可实现技术对接。(www.xing528.com)

目前，相关企业已经采用水热预处理技术集成硫酸盐法/亚硫酸盐制浆技术联产半纤维素和低聚糖、硫酸盐木质素或木质素磺酸盐以及溶解浆。在此集成过程中，分别得到相对分子质量较低的半纤维素及其降解产物（低聚糖）、木质素或木质素磺酸盐和纤维素。此外，对于农业秸秆等草类原料来讲，基于目前以低聚糖为主要产品的工艺路线，则可以将水热预处理和稀碱预处理相结合，联产低聚木糖，高纯且结构较为完整的稀碱木质素和富含纤维素的残渣（粗纤维素）。粗纤维素可以进一步通过酶解糖化获得高得率葡萄糖，用于发酵制备纤维乙醇。目前木质素的基础研究较多，但其大规模应用还较少，究其原因主要在于不同分离方法得到的木质素不论化学组成和结构，还是相对分子质量分布差异均较大，这给木质素的利用带来了一系列困难。对木质素的研究开发应首先研究木质素结构和性能的关系，然后再基于结构和反应性明确的木质素制备可降解、可再生、附加值高、有市场前景的木质素产品。木质素的高值转化利用不仅可变废为宝，而且必将促进制浆造纸及纤维素乙醇行业的发展，从而带来显著的环境与经济效益。

目前木质素的主要来源是木质纤维原料生产其他主要产品时的副产物，如制浆工业的黑液木质素和纤维乙醇工业的酶解发酵残渣。此外，基于脱木素的预处理过程也会产生一部分的木质素。因此，木质素的选择性分离、木质素组分的纯化和均化、分子活化及其高值化转化利用是木质素领域当前的重要研究方向。一般来讲，由于不同原料和不同预处理会导致分离的木质素结构差异较大，木质素作为起始原料开发材料和化学品将受到这些结构特性的影响。

因此，根据生物精炼过程中所得到木质素的结构来确定开发何种化学品和材料对于木质素的高值化利用至关重要。目前已经在国外运行的基于制浆的生物质精炼模式主要有：碱预抽提生物质精炼模式；天柏模式；溶剂制浆生物质精炼模式；预水解硫酸盐溶解浆——生物乙醇的复合型生物质精炼模式；制浆黑液及固废物生物质精炼模式，等等。详见第五章。