制浆造纸生物质精炼.doc

生物质精炼与制浆造纸 马乐凡 （长沙理工大学化学与生物工程学院，湖南 长沙 410114）化石资源（煤、石油、天然气）日益枯竭和化石燃料燃烧产生的大气污染是制约人类社会可持续发展所面临的重大难题。生物质来源于绿色植物的光合作用，是一种取之不尽、用之不竭的可再生资源，如果人类能用生物资源替代化石资源，就可以实现资源的可持续利用，以及地球上碳的自然循环，解决化石燃料燃烧所引起的温室效应等环境问题。 进入21世纪以后，各国政府先后制定了利用生物质资源的发展框架。美国计划到2030年用生物质产品和生物质燃料替代25%的有机化学品、20%的运输燃料、以及5 %的电、热等能源；欧盟计划到2020和2050年分别用生物质产品替代20%的运输燃料和58%的总能源；日本和印度等国家也纷纷制定了本国的生物炼制发展战略。同时，世界上许多大公司也参与到生物炼制（精炼）的研发中来，例如美国嘉吉(Cargill)公司建立了世界上第一座工业化的生物炼制工厂，杜邦(DuPont)公司投资近1亿美元开发生物质化学品，并成功地工业化生产出丙二醇产品，BP(British Petroleum)公司投资5亿美元，与美国加里福尼亚大学、伊利诺伊大学和劳伦斯伯克利国家实验室合作，共同研发生物质能源。 我国政府也高度重视生物质炼制产业的发展，相继启动了一大批与生物炼制有关的“973”、“863”、以及自然科学基金等研究项目，提出了到2020年用生物质能源替代运输燃料15%。很多企业也在生物质精炼研发项目上投入了巨资，取得了一系列成果。 一、生物质炼制 1、什么是生物质炼制 1）概念 生物质（biomass）是指一切直接或间接利用绿色植物光合作用形成的有机物质，即一切有生命的可以生长的有机物质通称为生物质。它包括植物、动物和微生物。 地球上每年再生的生物质总量约1700亿吨，由75%糖类、20%木质素和5%其他物质（油脂、蛋白质、脂肪等）组成。现在人类只利用了其中的约60亿吨。 生物质炼制(Biomass refining，Biorefining)是指以可再生的生物质为原料，经过生物法、化学法、物理法等多种加工转化途径生产各种燃料、化学品和材料的新型工业模式。其中，生物质原料主要包括：玉米以及谷物类等作物、木质纤维原料、油脂生物质原料等。 生物质炼制的概念是与石油炼制相对应的，其流程分别如图1和图2所示。[1] 图1 石油炼制工艺流程 图2 生物炼制工艺流程 2）生物炼制的产品 生物炼制的产品如图3所示。 图3 生物炼制的产品 3）生物炼制的特点 生物炼制与石油炼制相比较，具有如下特点：①生物质来源于绿色植物的光合作用，是一种可再生资源；②生物质燃烧产生的二氧化碳可被植物光合作用所利用，不会加剧大气的温室效应；③生物炼制可以获得比石油炼制更加丰富的产品；④生物炼制采用的工艺技术和设备比石油炼制更为复杂和多样化。 2、生物炼制工艺 生物炼制的原料主要有如下三大类型。全谷物炼制：利用玉米以及谷物类等作为原料的炼制过程；木质纤维原料炼制：利用包含有纤维素的干生物质或废料为原料的炼制过程；油脂炼制：利用天然油脂植物原料的炼制过程。生物炼制的新产品在不断开发，工艺在不断发展和完善。其中，生物质转化为生物燃料的成熟或者比较成熟的工艺如图4所示。[2] 图4 生物质转化为生物燃料工艺路线简图 生物炼制工艺按其炼制原理不同可分为：化学裂解法和生物发酵法两大类型。首先简单地介绍一下木质纤维原料的发酵法生物质炼制工艺。 2.1 木质纤维原料的组成 目前工业化利用生物质生产燃料乙醇或者生物质柴油的原料主要是农产品，如高粱、玉米淀粉等。使用粮食生产燃料乙醇或者生物质柴油存在着原料来源有限和原料成本高等问题，而木材、林产加工废弃物和农作物秸秆等木质生物质资源丰富，成本较低，是目前生物质精炼研究的重点原料。 木质纤维原料主要包括：木材、竹子、灌木、林业废弃物、农业废弃物、蔗渣、芦苇、废纸等。木质纤维原料的组成包括纤维素(38%~50% )、半纤维素(20%~35%)和木质素(15%~ 30%)，以及其他少量成分。其中，纤维素是一种直链多糖，水解纤维素可得到葡萄糖和低分子有机酸，葡萄糖经酵母发酵可得到乙醇。半纤维素是戊糖(木糖、阿拉伯糖)、己糖(甘露糖、葡萄糖、半乳糖)和糖酸所组成的不均一聚糖，水解后产生混合糖（木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、甘露糖和鼠李糖）糠醛、低分子有机酸等。目前，五碳糖的发酵主要在实验室研究之中，存在成本较高，发酵效率较低等问题。木质素是一种高分子芳香族化合物，可通过物理、化学等方法从水解液中分离出来，用作燃料或其他化工原料。 2.2 木质纤维原料发酵法生物质炼制 木质纤维原料发酵法生物质炼制工艺通常包括：预处理、水解、发酵、产物分离及其进一步加工等单元和过程。 1）预处