作為解決后化石資源時代能源、材料和化學(xué)品短缺的重要途徑，生物精煉技術(shù)正日益受到國內(nèi)外研究者的關(guān)注與重視。
在北京林業(yè)大學(xué)有這樣一支團隊，他們致力于將秸稈、廢棄木材等生物質(zhì)變廢為寶。日前，這支團隊負責人、北京林業(yè)大學(xué)教授孫潤倉介紹了團隊的最新科研成果：“我們首創(chuàng)了木質(zhì)纖維生物質(zhì)多級資源化利用關(guān)鍵技術(shù)體系，實現(xiàn)了生物質(zhì)全資源化利用。”
技術(shù)研發(fā)瞄準產(chǎn)業(yè)難點
生物質(zhì)煉制是一種以木質(zhì)纖維素可再生資源為主要原料基礎(chǔ)，通過化工與生物技術(shù)相結(jié)合的加工過程，綜合利用原料各組分和中間產(chǎn)物，以煉制生產(chǎn)液體燃料與大宗化工產(chǎn)品的新型工業(yè)模式，孫潤倉團隊研發(fā)的木質(zhì)纖維生物質(zhì)多級資源化利用關(guān)鍵技術(shù)正是依托于生物質(zhì)煉制技術(shù)。
我國木質(zhì)纖維生物質(zhì)數(shù)量巨大，僅秸稈生物質(zhì)年產(chǎn)量就超過7億噸，是造紙、化工、紡織和生物能源等工業(yè)領(lǐng)域的主要原材料。眾所周知，生物質(zhì)主要是由少量抽提物、半纖維素、木質(zhì)素及纖維素組成。然而，我國木質(zhì)纖維生物質(zhì)長期處于單一組分資源化利用狀態(tài)，導(dǎo)致其他組分被破壞、遺棄，造成生物質(zhì)資源巨大浪費。
比如，傳統(tǒng)造紙工業(yè)和纖維乙醇產(chǎn)業(yè)僅利用纖維素。生產(chǎn)1噸纖維乙醇，廢料高達5噸，特別是我國每年木質(zhì)素產(chǎn)量超過1100萬噸，但有效利用率不到20%?？啡┘澳咎谴脊I(yè)僅利用半纖維素，剩余物高達75%以上，資源浪費十分嚴重。
這種傳統(tǒng)生物質(zhì)單一組分直接轉(zhuǎn)化利用，存在的弊病是資源嚴重浪費、產(chǎn)品附加值低、環(huán)境重度污染。
孫潤倉介紹，木質(zhì)纖維生物質(zhì)煉制和多級資源化利用技術(shù)的發(fā)展、革新與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用是對傳統(tǒng)制漿造紙產(chǎn)業(yè)發(fā)展方式的變革與創(chuàng)新，同時對新興的生物質(zhì)材料和化學(xué)品產(chǎn)業(yè)具有直接的推動作用。
然而，木質(zhì)纖維生物質(zhì)多級資源化利用主要存在兩個技術(shù)難點。“一是木質(zhì)纖維生物質(zhì)全組分清潔高效分離，二是分離組分高效轉(zhuǎn)化利用與產(chǎn)業(yè)化集成。”孫潤倉說。
經(jīng)過多年攻關(guān)，孫潤倉團隊研發(fā)的木質(zhì)纖維生物質(zhì)多級資源化利用技術(shù)，成功解決了生物質(zhì)利用單一資源化、原料嚴重浪費、環(huán)境重度污染等技術(shù)難題，團隊還研發(fā)出生物活性分子產(chǎn)品、超高純度低聚木糖、木質(zhì)素酚醛膠等八大類生物質(zhì)主導(dǎo)產(chǎn)品，實現(xiàn)了生物質(zhì)全資源化利用。
為企業(yè)解決老大難問題
山東龍力生物科技股份有限公司(以下簡稱龍力生物)是一家專門從事生物質(zhì)能源開發(fā)的企業(yè)。一直以來，龍力生物將水解去除半纖維素后的玉米芯殘渣(主要成分為纖維素及木質(zhì)素)直接用來酶解發(fā)酵生產(chǎn)纖維乙醇，但由于木質(zhì)素的存在，大幅降低了纖維素的酶解效率。
北京林業(yè)大學(xué)獲悉此事后，由學(xué)校相關(guān)部門牽頭，促成孫潤倉團隊與龍力生物的合作，將木質(zhì)纖維生物質(zhì)多級資源化利用技術(shù)推廣到龍力生物。
孫潤倉介紹道：“我們根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)的實際需求，提出了工程化水熱耦合稀堿處理新技術(shù)，即第一步僅水熱預(yù)處理，第二步稀堿處理分離出高純度木質(zhì)素及纖維素，再分別制備木質(zhì)素酚醛膠及纖維乙醇。”
龍力生物在孫潤倉團隊技術(shù)指導(dǎo)下研發(fā)的聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)品中，超高純度低聚木糖純度大于97%，收率提高24.7%;木糖及阿拉伯糖純度大于98.5%，顯著提升了半纖維素的轉(zhuǎn)化效率，生產(chǎn)過程中，還分離出高純度工業(yè)木質(zhì)素。
雙方合作后，龍力生物不僅脫除了吸附在纖維素表面的大部分木質(zhì)素，還增加了酶接觸纖維素的可及性，提高了酶水解效率。隨后，龍力生物還對提取功能糖后的廢渣進行二次開發(fā)，利用其中的纖維素生產(chǎn)二代生物燃料——纖維乙醇。纖維乙醇按照10%的比例加入汽油中，成為乙醇汽油，可以減少尾氣污染物排放達30%以上，顯著降低PM2.5的排放量。
孫潤倉介紹，通過技術(shù)革新，1噸乙醇所需原料由4.9～5.4 噸減少到3.2噸，1噸乙醇酶成本降低35%以上，提升了木質(zhì)纖維生物質(zhì)多級資源化利用的整體經(jīng)濟效益。
龍力生物還進一步提取玉米芯廢渣中的木質(zhì)素成分，生產(chǎn)新型綠色高分子材料木質(zhì)素，可作為保溫材料、隔熱材料、染料分散劑、橡膠助劑等材料的新型原料，應(yīng)用于化工、建筑、制造等領(lǐng)域。
據(jù)了解，由孫潤倉團隊牽頭聯(lián)合龍力生物等單位完成的“木質(zhì)纖維生物質(zhì)多級資源化利用關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項目獲2016年度國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。
企業(yè)紛紛找上門要技術(shù)
與龍力生物的合作，使得孫潤倉團隊在業(yè)內(nèi)聲名鵲起。“近年來，我們團隊與北京、山東、廣東、湖南、新疆等地的實驗室、工程中心及企業(yè)圍繞協(xié)同創(chuàng)新開展合作，取得了明顯的成效。”孫潤倉告訴記者。
比如，孫潤倉團隊與北京碳世紀科技有限公司合作，研究石墨烯材料應(yīng)用于木材改性及特種紙加工技術(shù);與北京市第二中學(xué)合作，開展了纖維素酶解及生物乙醇的制備研究。
2016年，孫潤倉團隊與湖南炎陵縣江陵木業(yè)有限公司合作，研制木質(zhì)素基環(huán)保酚醛樹脂膠黏劑。團隊以技術(shù)轉(zhuǎn)讓的方式，手把手教企業(yè)生產(chǎn)木質(zhì)素基環(huán)保酚醛樹脂膠。孫潤倉說：“通過一年的合作， 2017年，該企業(yè)生產(chǎn)環(huán)保酚醛樹脂膠20萬噸，提升了整體盈利水平。”
此外，孫潤倉團隊還與江蘇徐州飛亞木業(yè)有限公司合作，研發(fā)生物質(zhì)木質(zhì)素高強度耐候膠黏劑制備技術(shù);與山東臨沂成宇化工有限公司合作，啟動年產(chǎn)13.5萬噸醋酸酯項目;與四川省西龍生物質(zhì)材料科技有限公司合作，研發(fā)竹本色紙品抑菌性能提升技術(shù);與新疆仲興生物資源開發(fā)有限公司合作，啟動利用農(nóng)林廢棄物開發(fā)與生產(chǎn)木醋液和活性炭等。
隨著科研的深入，孫潤倉團隊在半纖維素、木質(zhì)素研究等方面發(fā)表了一批高水平的SCI論文。“技術(shù)推動生產(chǎn)，生產(chǎn)反哺科研。”多年的企業(yè)合作也讓孫潤倉團隊收獲了豐碩的成果，孫潤倉團隊里有多名年輕學(xué)者獲得國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金資助、國家杰出青年科學(xué)基金資助。
孫潤倉指出，未來，我們希望建成一座生物質(zhì)資源利用的研究基地，解決生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為材料、化學(xué)品和新能源工業(yè)領(lǐng)域的深層次科學(xué)問題及重大工程關(guān)鍵技術(shù)，推動地方低碳經(jīng)濟模式的建立。
