木质纤维素生物质精炼技术研究
随着世界范围内化石能源的日益枯竭，开发与利用可再生能源成为当务之急．生物质能是唯一能够获得液体、气体和固体燃料的可再生能源，发展和利用生物质能对人类社会的可持续发展意义重大．
木质纤维素是地球上最丰富、最廉价的可再生资源．有资料表明：全世界每年植物体的生成量高达1.55×1011 t干物质，其中纤维素、半纤维素的总量约为8.5×1010 t．我国是一个农业大国，若能把大量的农林纤维原料充分利用起来生产生物质能源或作为生物材料，这将有利于改善目前资源紧张、环境恶化的状况，对实现可持续发展具有重要的经济和社会意义．
木质纤维素原料由纤维素、半纤维素和木质素三大组分组成．半纤维素作为分子黏合剂结合在纤维素和木质素之间，而具有网状结构的木质素，作为支撑骨架包围并加固着纤维素和半纤维素．在生物利用纤维素的过程中，为使微生物更易于利用纤维素，必须对基质进行预处理，以降解木质素的网状结构，提高对纤维素的利用效率．由于木质素及其衍生物对微生物具有抑制作用，降低基质中木质素的含量有利于微生物及纤维素酶对纤维素的利用；对木质纤维素各组分进行充分的利用，也必须首先将原料中的各组分进行分离预处理，所以对于木质纤维素原料进行预处理是很有必要甚至是必需的．
生物质精炼主要是指将植物资源中的主要成分(纤维素、半纤维素和木质素)经过一定的处理转化成高附加值的材料、能源和化工产品等. 作为高效、低污染、低能耗的生物技术，生物质精炼将使传统的制浆造纸企业转型成为生物质精炼企业，不光生产纸浆、纸和纸板，还生产生物质材料、化学品、生物能源等．木质纤维原料组分分离意味着木质纤维原料的精制，不是把木质纤维原料仅作为纤维素资源看待，而是把它视为一种多组分物料，将木质纤维原料精制成为具有一定纯度的各种组分，并希望这些组分分别加工成有价值的产品，这也是全新的生物量全利用理念对于木质纤维原料组分分离提出的新要求.
天津科技大学刘忠教授及其团队以传统的制浆造纸木质纤维原料为主要研究对象，潜心研究实用的生物质精炼技术，在木质纤维素的纤维素乙醇预处理关键技术、组分分离技术、低温直接液化技术等方面开展了诸多基础性、前瞻性和关键性的研究工作. 他们在木质纤维素原料的蒸汽爆破法预处理、乙醇法预处理技术的研究领域做了大量的工作，并在此基础上提出低温蒸汽爆破–乙醇法的联合预处理技术路线，同时针对不同的木质纤维原料进行了全面的研究，在纤维素乙醇预处理关键技术研究方面取得了显著的成果，并将相关的预处理技术扩展应用在木质纤维素全组分分离精制技术的开发方面；对于木质纤维原料组分清洁高效分离及其机理的研究，研究团队按照“过程清洁、高效分离”的指导原则，以及木质纤维原料(如木材、农林废弃物等)的特点，采用化学、物理以及物理化学等手段有机相结合作为研究主线，根据利用汽爆和乙醇萃取法联合对麦草组分分离的研究结果，提出一条高效可行的木质纤维资源组分分离的工艺过程，并研究了木质纤维原料组分分离过程中组分界面分离过程和官能团转化机制，为进一步完善和解决木质纤维原料主要组分(纤维素、半纤维素和木质素)清洁高效分离的难题积累了大量的研究素材，并在此基础上对纤维素生物质在微观层次有更深入的了解，对清洁高效分离机制有更清楚的认识；刘忠教授团队还利用分级直接液化手段处理农作物废弃物玉米秸秆，通过研究玉米秸秆在预处理分级后直接低温液化的反应机理，探讨了玉米秸秆预处理乙醇木质素的结构特性与液化生物油组分形成的关系，并将利用其液化产物合成新型高分子材料或作为生物能源的来源，这是合理有效利用农业剩余物的新途径. 研究工作为提高农作物玉米秸秆木质素大分子直接液化过程中的转化效率、开发直接液化清洁高效能源化利用新技术提供了研究基础与理论指导.
近年来，刘忠教授及其团队主持了5项国家自然科学基金、4项省部级研究课题，在这些基金的资助下，围绕木质纤维原料组分的高效率分离和利用的核心课题，在生物质精炼思想的指导下，完成了多项生物质精炼技术的研究工作，共发表了SCI论文20篇，这些研究为我国的农林木质生物质资源的充分利用奠定了重要的科学基础，对持续健康地开发利用自然资源具有重要意义.
供稿：造纸学院 惠岚峰
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