X 注册生物链会员

扫描二维码关注生物链
生物炼制有望续写石油炼制辉煌
来源:中国化工报   发布者:管理员   日期:2015-01-15   今日/总浏览:1/2910


未来,人类的竞争不仅是能源的竞争,更是资源的竞争。生物质是自然界最丰富的含碳有机大分子功能体,利用生物质开发可循环和再生的功能化产品(如生物基燃料、生物基材料、生物基化学品等),将为未来新一代的生物及化工产业提供通用原料。

然而,如何实现化学键更加复杂的固相木质纤维素原料的生物炼制是实现生物质产业的关键和难点。鉴于木质纤维素类生物质原料的不均一性,理想的生物炼制应是基于原料结构、过程转化和产品特点三者的关联,面向原料、过程和产品的炼制过程。

为实现上述目标,我国在原料炼制、炼制技术、组分转化等领域都取得了一系列研究成果,未来有望通过生物炼制续写石油炼制的辉煌。

原料瓶颈打破在即

生物质资源具有地域分散性、季节性、形态多样性等独特特点。从原料特性入手,开发生物质原料的通用技术平台,是实现生物炼制的前提。尤其是对于具有多种功能,但是任一功能特性均不突出的非典型经济作物,建立生物质原料炼制通用技术,将会使其爆发巨大的应用潜能,并产生巨大的经济效益和社会效益。

为此,中国科学院过程工程研究所基于非典型油料作物盐肤木的果实和抚育剩余物的物料特征和功能特性,以蒸汽爆破为核心,集成多种组分分离技术,开发出盐肤木资源汽爆炼制技术的生态产业链新模式,实现了盐肤木资源的综合开发利用。

另外,生物质向燃料乙醇和化学品转化时仍存在高成本、低效率等问题,预处理是提高转化的有效途径,但生物质的天然抗降解屏障严重阻碍了这一转化的进行。不仅如此,由于木质纤维素结构的复杂性,预处理过程中会产生大量的抑制物,严重制约木质纤维素的生物质转化。

因此,实现秸秆基产品的工业化生产,必须首先建立适当的原料预处理、发酵液脱毒等技术体系,而木质纤维素独特的组成特点,可以为我们提供新的研究思路。

基于此,中国科学院过程工程研究所提出“源头降低抑制物——纤维素木质素分级转化”炼制模式,为木质纤维素的开发和利用探索出一条全新工艺路线,又在此基础上,进一步提出“原位脱毒——发酵促进剂设计技术”,并率先展开电子载体物质、氧化还原物质与木质纤维素抑制物原位脱毒关联性的研究,利用秸秆水解液进行实验验证,取得了良好的发酵结果,为传统的发酵工艺提供了新思路。

炼制技术正在突破

生物基产品取代石油基产品并实现产业化,关键在于生物炼制技术的突破。

目前,主要的生物炼制技术有汽爆处理、酸处理、碱处理等。其中,汽爆预处理是公认的最有效的木质纤维素原料预处理方法之一。但随着汽爆强度的增大,半纤维素的水解程度增加,虽然对后续的组分分离有利,却造成了大分子纤维素组分的品质降低。因此,基于汽爆的组合预处理技术成为当前研究的热点。

例如,针对红麻脱胶困难且传统脱胶方法污染严重的问题,青岛大学纺织服装学院提出了一种新的脱胶方法,即闪爆——超声波联合脱胶,充分利用超声波产生的强机械振动波形成水动力作用于麻类原料,达到快速有效脱胶的效果。

总的来说,目前常用的预处理技术仍存在环境、经济性等问题,因此,新的生物炼制技术不断涌现。低温等离子体可提供一个高密度活性粒子、高能量的反应环境,在生物炼制过程中体现了优于常规技术的一些特点,成为国内外研究的热点。

组分转化应绿色高效

生物炼制的最终目的是实现各种组分的绿色、低成本、高效转化。因此,必须建立各级组分转化炼制技术。

纤维素乙醇被认为是21世纪发展循环经济的有效途径,然而纤维素酶解发酵成本高一直是制约其产业化的瓶颈,主要原因是木质纤维素糖化温度与发酵温度不协调,耐高温乙醇发酵菌株的选育则是解决方法之一。

河南农业大学科研人员从烟叶腐解物中分离筛选出一株东方伊萨酵母菌株,该菌株具有发酵温度高(38.45℃)、耐高糖(150g/L葡萄糖)等特点,利用含43.08g/L葡萄糖的玉米秸秆水解液发酵,乙醇产量达20.74g/L,为理论转化率的91.6%。

另外,通过预处理方法改变纤维素底物特性,也是提高纤维素酶解效率的有效途径。山东大学采用碱性预处理苎麻秆和红麻秆,经过分批补料半同步糖化发酵工艺,在补料至底物浓度为20%时,乙醇浓度达到63g/L,转化率分别为77%和79%。

不仅如此,在生物炼制过程中,纤维素与半纤维素转化利用相对容易,但在生物质分级分离过程中产生的大量木质素常以低效能产物作为燃料使用。开发高效、经济的定向生产工艺将木质素转化为化学品,成为生物质全组分高值化利用的关键所在。

木质素作为天然的酚类聚合物,具备转化为苯酚所需的结构特征,因此开发高效的木质素生产苯酚的工艺有望成为生物质工业与化学工业的有机结合点,在保护环境的基础上极大地提高生物炼制工厂的竞争力。

中国科学院过程工程研究所以1-甲基-3-乙基咪唑醋酸盐处理的工业木质素在微波反应器中以1-甲基-3-胺乙基咪唑四氟硼酸盐为催化剂,采用双液相反应体系中催化木质素制备苯酚的收率为8.14%,这对于木质素的工业应用具有现实意义。

相关新闻