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让废弃生物质变废为宝

2019-10-10 08:04:19 中国科学报   作者: 郑金武  
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孙润仓团队研发了木质纤维生物质多级资源化利用技术。

作为解决后化石资源时代能源、材料和化学品短缺的重要途径,生物精炼技术正日益受到国内外研究者的关注与重视。

在北京林业大学有这样一支团队,他们致力于将秸秆、废弃木材等生物质变废为宝。日前,这支团队负责人、北京林业大学教授孙润仓介绍了团队的最新科研成果:“我们首创了木质纤维生物质多级资源化利用关键技术体系,实现了生物质全资源化利用。”

技术研发瞄准产业难点

生物质炼制是一种以木质纤维素可再生资源为主要原料基础,通过化工与生物技术相结合的加工过程,综合利用原料各组分和中间产物,以炼制生产液体燃料与大宗化工产品的新型工业模式,孙润仓团队研发的木质纤维生物质多级资源化利用关键技术正是依托于生物质炼制技术。

我国木质纤维生物质数量巨大,仅秸秆生物质年产量就超过7亿吨,是造纸、化工、纺织和生物能源等工业领域的主要原材料。众所周知,生物质主要是由少量抽提物、半纤维素、木质素及纤维素组成。然而,我国木质纤维生物质长期处于单一组分资源化利用状态,导致其他组分被破坏、遗弃,造成生物质资源巨大浪费。

比如,传统造纸工业和纤维乙醇产业仅利用纤维素。生产1吨纤维乙醇,废料高达5吨,特别是我国每年木质素产量超过1100万吨,但有效利用率不到20%。糠醛及木糖醇工业仅利用半纤维素,剩余物高达75%以上,资源浪费十分严重。

这种传统生物质单一组分直接转化利用,存在的弊病是资源严重浪费、产品附加值低、环境重度污染。

孙润仓介绍,木质纤维生物质炼制和多级资源化利用技术的发展、革新与产业化应用是对传统制浆造纸产业发展方式的变革与创新,同时对新兴的生物质材料和化学品产业具有直接的推动作用。

然而,木质纤维生物质多级资源化利用主要存在两个技术难点。“一是木质纤维生物质全组分清洁高效分离,二是分离组分高效转化利用与产业化集成。”孙润仓说。

经过多年攻关,孙润仓团队研发的木质纤维生物质多级资源化利用技术,成功解决了生物质利用单一资源化、原料严重浪费、环境重度污染等技术难题,团队还研发出生物活性分子产品、超高纯度低聚木糖、木质素酚醛胶等八大类生物质主导产品,实现了生物质全资源化利用。

为企业解决老大难问题

山东龙力生物科技股份有限公司(以下简称龙力生物)是一家专门从事生物质能源开发的企业。一直以来,龙力生物将水解去除半纤维素后的玉米芯残渣(主要成分为纤维素及木质素)直接用来酶解发酵生产纤维乙醇,但由于木质素的存在,大幅降低了纤维素的酶解效率。

北京林业大学获悉此事后,由学校相关部门牵头,促成孙润仓团队与龙力生物的合作,将木质纤维生物质多级资源化利用技术推广到龙力生物。

孙润仓介绍道:“我们根据企业生产的实际需求,提出了工程化水热耦合稀碱处理新技术,即第一步仅水热预处理,第二步稀碱处理分离出高纯度木质素及纤维素,再分别制备木质素酚醛胶及纤维乙醇。”

龙力生物在孙润仓团队技术指导下研发的联产产品中,超高纯度低聚木糖纯度大于97%,收率提高24.7%;木糖及阿拉伯糖纯度大于98.5%,显著提升了半纤维素的转化效率,生产过程中,还分离出高纯度工业木质素。

双方合作后,龙力生物不仅脱除了吸附在纤维素表面的大部分木质素,还增加了酶接触纤维素的可及性,提高了酶水解效率。随后,龙力生物还对提取功能糖后的废渣进行二次开发,利用其中的纤维素生产二代生物燃料——纤维乙醇。纤维乙醇按照10%的比例加入汽油中,成为乙醇汽油,可以减少尾气污染物排放达30%以上,显著降低PM2.5的排放量。

孙润仓介绍,通过技术革新,1吨乙醇所需原料由4.9~5.4 吨减少到3.2吨,1吨乙醇酶成本降低35%以上,提升了木质纤维生物质多级资源化利用的整体经济效益。

龙力生物还进一步提取玉米芯废渣中的木质素成分,生产新型绿色高分子材料木质素,可作为保温材料、隔热材料、染料分散剂、橡胶助剂等材料的新型原料,应用于化工、建筑、制造等领域。

据了解,由孙润仓团队牵头联合龙力生物等单位完成的“木质纤维生物质多级资源化利用关键技术及应用”项目获2016年度国家技术发明奖二等奖。

企业纷纷找上门要技术

与龙力生物的合作,使得孙润仓团队在业内声名鹊起。“近年来,我们团队与北京、山东、广东、湖南、新疆等地的实验室、工程中心及企业围绕协同创新开展合作,取得了明显的成效。”孙润仓告诉记者。

比如,孙润仓团队与北京碳世纪科技有限公司合作,研究石墨烯材料应用于木材改性及特种纸加工技术;与北京市第二中学合作,开展了纤维素酶解及生物乙醇的制备研究。

2016年,孙润仓团队与湖南炎陵县江陵木业有限公司合作,研制木质素基环保酚醛树脂胶黏剂。团队以技术转让的方式,手把手教企业生产木质素基环保酚醛树脂胶。孙润仓说:“通过一年的合作, 2017年,该企业生产环保酚醛树脂胶20万吨,提升了整体盈利水平。”

此外,孙润仓团队还与江苏徐州飞亚木业有限公司合作,研发生物质木质素高强度耐候胶黏剂制备技术;与山东临沂成宇化工有限公司合作,启动年产13.5万吨醋酸酯项目;与四川省西龙生物质材料科技有限公司合作,研发竹本色纸品抑菌性能提升技术;与新疆仲兴生物资源开发有限公司合作,启动利用农林废弃物开发与生产木醋液和活性炭等。

随着科研的深入,孙润仓团队在半纤维素、木质素研究等方面发表了一批高水平的SCI论文。“技术推动生产,生产反哺科研。”多年的企业合作也让孙润仓团队收获了丰硕的成果,孙润仓团队里有多名年轻学者获得国家优秀青年科学基金资助、国家杰出青年科学基金资助。

孙润仓指出,未来,我们希望建成一座生物质资源利用的研究基地,解决生物质转化为材料、化学品和新能源工业领域的深层次科学问题及重大工程关键技术,推动地方低碳经济模式的建立。




责任编辑: 李颖

标签: 废弃生物质 生物质资源 北京林业大学

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