未來(lái)，人類(lèi)的競(jìng)爭(zhēng)不僅是能源的競(jìng)爭(zhēng)，更是資源的競(jìng)爭(zhēng)。生物質(zhì)是自然界最豐富的含碳有機(jī)大分子功能體，利用生物質(zhì)開(kāi)發(fā)可循環(huán)和再生的功能化產(chǎn)品(如生物基燃料、生物基材料、生物基化學(xué)品等)，將為未來(lái)新一代的生物及化工產(chǎn)業(yè)提供通用原料。

然而，如何實(shí)現(xiàn)化學(xué)鍵更加復(fù)雜的固相木質(zhì)纖維素原料的生物煉制是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。鑒于木質(zhì)纖維素類(lèi)生物質(zhì)原料的不均一性，理想的生物煉制應(yīng)基于原料結(jié)構(gòu)、過(guò)程轉(zhuǎn)化和產(chǎn)品特點(diǎn)三者的關(guān)聯(lián)，面向原料、過(guò)程和產(chǎn)品的煉制過(guò)程。

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，我國(guó)在原料煉制、煉制技術(shù)、組分轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域都取得了一系列研究成果，未來(lái)有望通過(guò)“生物煉制”來(lái)實(shí)現(xiàn)“石油煉制”的輝煌。

突破原料煉制瓶頸

生物質(zhì)資源具有地域分散性、季節(jié)性、形態(tài)多樣性等獨(dú)特特點(diǎn)。從原料特性入手，開(kāi)發(fā)生物質(zhì)原料的通用技術(shù)平臺(tái)，是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)煉制的前提。尤其是對(duì)于具有多種功能，但是任一功能特性均不突出的“非典型經(jīng)濟(jì)作物”，建立生物質(zhì)原料煉制通用技術(shù)，將會(huì)使其爆發(fā)巨大的應(yīng)用潛能，并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

為此，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所基于非典型油料作物鹽膚木的果實(shí)和撫育剩余物的物料特征和功能特性，以蒸汽爆破為核心，集成多種組分分離技術(shù)，開(kāi)發(fā)出鹽膚木資源汽爆煉制技術(shù)的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈新模式，實(shí)現(xiàn)了鹽膚木資源的綜合開(kāi)發(fā)利用。

另外，生物質(zhì)向燃料乙醇和化學(xué)品轉(zhuǎn)化時(shí)仍存在高成本、低效率等問(wèn)題，預(yù)處理是提高轉(zhuǎn)化的有效途徑，但生物質(zhì)的天然抗降解屏障嚴(yán)重阻礙了這一轉(zhuǎn)化的進(jìn)行。不僅如此，由于木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，預(yù)處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的抑制物，嚴(yán)重制約木質(zhì)纖維素的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化。

因此，實(shí)現(xiàn)秸稈基產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)，必須首先建立適當(dāng)?shù)脑项A(yù)處理、發(fā)酵液脫毒等技術(shù)體系，而木質(zhì)纖維素獨(dú)特的組成特點(diǎn)，可以為我們提供新的研究思路。

基于此，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所提出“源頭降低抑制物——纖維素木質(zhì)素分級(jí)轉(zhuǎn)化”煉制模式，為木質(zhì)纖維素的開(kāi)發(fā)和利用探索出一條全新工藝路線，又在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出“原位脫毒——發(fā)酵促進(jìn)劑設(shè)計(jì)技術(shù)”，并率先展開(kāi)電子載體物質(zhì)、氧化還原物質(zhì)與木質(zhì)纖維素抑制物原位脫毒關(guān)聯(lián)性的研究，利用秸稈水解液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得了良好的發(fā)酵結(jié)果，為傳統(tǒng)的發(fā)酵工藝提出新思路。

關(guān)鍵煉制技術(shù)獲突破

生物基產(chǎn)品取代石油基產(chǎn)品并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，關(guān)鍵在于生物質(zhì)煉制技術(shù)的突破。

目前，主要的生物質(zhì)煉制技術(shù)有汽爆處理、酸處理、堿處理等。其中，汽爆預(yù)處理是公認(rèn)的最有效的木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理方法之一，但隨著汽爆強(qiáng)度的增大，半纖維素的水解程度增加，雖然對(duì)后續(xù)的組分分離有利，卻造成了大分子纖維素組分的品質(zhì)降低。因此，基于汽爆的組合預(yù)處理技術(shù)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

例如，針對(duì)紅麻脫膠困難且傳統(tǒng)脫膠方法污染嚴(yán)重的問(wèn)題，青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院提出了一種新的脫膠方法，即閃爆—超聲波聯(lián)合脫膠，充分利用超聲波產(chǎn)生的強(qiáng)機(jī)械振動(dòng)波形成水動(dòng)力作用于麻類(lèi)原料，達(dá)到快速有效脫膠的效果。

總的來(lái)說(shuō)，目前常用的預(yù)處理技術(shù)仍存在環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性等問(wèn)題，因此，新的生物煉制技術(shù)不斷涌現(xiàn)。低溫等離子體可提供一個(gè)高密度活性粒子、高能量的反應(yīng)環(huán)境，在生物質(zhì)煉制過(guò)程中體現(xiàn)了優(yōu)于常規(guī)技術(shù)的一些特點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

實(shí)現(xiàn)組分的綠色高效轉(zhuǎn)化

生物質(zhì)煉制的最終目的是實(shí)現(xiàn)各種組分的綠色、低成本、高效轉(zhuǎn)化。因此，必須建立各級(jí)組分轉(zhuǎn)化煉制技術(shù)。

纖維素乙醇被認(rèn)為是21世紀(jì)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的有效途徑，然而纖維素酶解發(fā)酵成本高一直是制約其產(chǎn)業(yè)化的瓶頸，主要原因是木質(zhì)纖維素糖化溫度與發(fā)酵溫度不協(xié)調(diào)，耐高溫乙醇發(fā)酵菌株的選育則是解決方法之一。

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科研人員從煙葉腐解物中分離篩選出一株?yáng)|方伊薩酵母菌株，該菌株具有發(fā)酵溫度高(38.45℃)、耐高糖(150g/l葡萄糖)等特點(diǎn)，利用含43.08g/l葡萄糖的玉米秸稈水解液發(fā)酵，乙醇產(chǎn)量達(dá)20.74g/l，為理論轉(zhuǎn)化率的91.6%。

另外，通過(guò)預(yù)處理方法改變纖維素底物特性，也是提高纖維素酶解效率的有效途徑。山東大學(xué)采用堿性預(yù)處理苧麻稈和紅麻稈，經(jīng)過(guò)分批補(bǔ)料半同步糖化發(fā)酵工藝，在補(bǔ)料至底物濃度為20%時(shí)，乙醇濃度達(dá)到63g/l，轉(zhuǎn)化率分別為77%和79%。

不僅如此，在生物質(zhì)煉制過(guò)程中，纖維素與半纖維素轉(zhuǎn)化利用相對(duì)容易，但在生物質(zhì)分級(jí)分離過(guò)程中產(chǎn)生的大量木質(zhì)素常以低效能產(chǎn)物作為燃料使用。開(kāi)發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)的定向生產(chǎn)工藝將木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為化學(xué)品，成為生物質(zhì)全組分高值化利用的關(guān)鍵所在。

木質(zhì)素作為天然的酚類(lèi)聚合物，具備轉(zhuǎn)化為苯酚所需的結(jié)構(gòu)特征，因此開(kāi)發(fā)高效的木質(zhì)素生產(chǎn)苯酚的工藝有望成為生物質(zhì)工業(yè)與化工工業(yè)的有機(jī)結(jié)合點(diǎn)，在保護(hù)環(huán)境的基礎(chǔ)上極大地提高生物煉制工廠的競(jìng)爭(zhēng)力。

中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所以1-甲基-3-乙基咪唑醋酸鹽處理的工業(yè)木質(zhì)素在微波反應(yīng)器中以1-甲基-3-胺乙基咪唑四氟硼酸鹽為催化劑，采用雙液相反應(yīng)體系中催化木質(zhì)素制備苯酚的收率為8.14%，這對(duì)于木質(zhì)素的工業(yè)應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義。

(作者系中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所研究員)