作為解決后化石資源時代能源、材料和化學品短缺的重要途徑，生物精煉技術正日益受到國內外研究者的關注與重視。
在北京林業(yè)大學有這樣一支團隊，他們致力于將秸稈、廢棄木材等生物質變廢為寶。日前，這支團隊負責人、北京林業(yè)大學教授孫潤倉介紹了團隊的最新科研成果：“我們首創(chuàng)了木質纖維生物質多級資源化利用關鍵技術體系，實現了生物質全資源化利用。”
技術研發(fā)瞄準產業(yè)難點
生物質煉制是一種以木質纖維素可再生資源為主要原料基礎，通過化工與生物技術相結合的加工過程，綜合利用原料各組分和中間產物，以煉制生產液體燃料與大宗化工產品的新型工業(yè)模式，孫潤倉團隊研發(fā)的木質纖維生物質多級資源化利用關鍵技術正是依托于生物質煉制技術。
我國木質纖維生物質數量巨大，僅秸稈生物質年產量就超過7億噸，是造紙、化工、紡織和生物能源等工業(yè)領域的主要原材料。眾所周知，生物質主要是由少量抽提物、半纖維素、木質素及纖維素組成。然而，我國木質纖維生物質長期處于單一組分資源化利用狀態(tài)，導致其他組分被破壞、遺棄，造成生物質資源巨大浪費。
比如，傳統(tǒng)造紙工業(yè)和纖維乙醇產業(yè)僅利用纖維素。生產1噸纖維乙醇，廢料高達5噸，特別是我國每年木質素產量超過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)生物質單一組分直接轉化利用，存在的弊病是資源嚴重浪費、產品附加值低、環(huán)境重度污染。
孫潤倉介紹，木質纖維生物質煉制和多級資源化利用技術的發(fā)展、革新與產業(yè)化應用是對傳統(tǒng)制漿造紙產業(yè)發(fā)展方式的變革與創(chuàng)新，同時對新興的生物質材料和化學品產業(yè)具有直接的推動作用。
然而，木質纖維生物質多級資源化利用主要存在兩個技術難點。“一是木質纖維生物質全組分清潔高效分離，二是分離組分高效轉化利用與產業(yè)化集成。”孫潤倉說。
經過多年攻關，孫潤倉團隊研發(fā)的木質纖維生物質多級資源化利用技術，成功解決了生物質利用單一資源化、原料嚴重浪費、環(huán)境重度污染等技術難題，團隊還研發(fā)出生物活性分子產品、超高純度低聚木糖、木質素酚醛膠等八大類生物質主導產品，實現了生物質全資源化利用。
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素)直接用來酶解發(fā)酵生產纖維乙醇，但由于木質素的存在，大幅降低了纖維素的酶解效率。
北京林業(yè)大學獲悉此事后，由學校相關部門牽頭，促成孫潤倉團隊與龍力生物的合作，將木質纖維生物質多級資源化利用技術推廣到龍力生物。
孫潤倉介紹道：“我們根據企業(yè)生產的實際需求，提出了工程化水熱耦合稀堿處理新技術，即第一步僅水熱預處理，第二步稀堿處理分離出高純度木質素及纖維素，再分別制備木質素酚醛膠及纖維乙醇。”
龍力生物在孫潤倉團隊技術指導下研發(fā)的聯(lián)產產品中，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化效率，生產過程中，還分離出高純度工業(yè)木質素。
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，提升了木質纖維生物質多級資源化利用的整體經濟效益。
龍力生物還進一步提取玉米芯廢渣中的木質素成分，生產新型綠色高分子材料木質素，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，應用于化工、建筑、制造等領域。
據了解，由孫潤倉團隊牽頭聯(lián)合龍力生物等單位完成的“木質纖維生物質多級資源化利用關鍵技術及應用”項目獲2016年度國家技術發(fā)明獎二等獎。
企業(yè)紛紛找上門要技術
與龍力生物的合作，使得孫潤倉團隊在業(yè)內聲名鵲起。“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，研究石墨烯材料應用于木材改性及特種紙加工技術;與北京市第二中學合作，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，研制木質素基環(huán)保酚醛樹脂膠黏劑。團隊以技術轉讓的方式，手把手教企業(yè)生產木質素基環(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)生物質木質素高強度耐候膠黏劑制備技術;與山東臨沂成宇化工有限公司合作，啟動年產13.5萬噸醋酸酯項目;與四川省西龍生物質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;與新疆仲興生物資源開發(fā)有限公司合作，啟動利用農林廢棄物開發(fā)與生產木醋液和活性炭等。
隨著科研的深入，孫潤倉團隊在半纖維素、木質素研究等方面發(fā)表了一批高水平的SCI論文。“技術推動生產，生產反哺科研。”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者獲得國家優(yōu)秀青年科學基金資助、國家杰出青年科學基金資助。
孫潤倉指出，未來，我們希望建成一座生物質資源利用的研究基地，解決生物質轉化為材料、化學品和新能源工業(yè)領域的深層次科學問題及重大工程關鍵技術，推動地方低碳經濟模式的建立。
