杭州富阳图书馆 生物质提炼的研究进展及在造纸工业上的应用
| 内容出处： | 《中国造纸年鉴·2009》 图书 |
| 唯一号： | 110120020230000383 |
| 颗粒名称： | 生物质提炼的研究进展及在造纸工业上的应用 |
| 并列题名： | Biorefinery：a new revolution in green energy |
| 分类号： | F426.83 |
| 页数： | 7 |
| 页码： | 243-249 |
| 摘要： | 本文记述了生物质提炼技术生产生物酒精，是石油替代能源的重要方向。世界各国纷纷加大研究力度，纤维素燃料酒精技术成为关键突破点。 |
| 关键词： | 生物质提炼 生物酒精 可再生能源 |
内容
环境污染、全球变暖和能源短缺已经使可持续发展成为当今世界各国所面临的最大挑战。为了逐渐摆脱对石油的过度依赖，许多国家纷纷寻找石油的替代能源。生物质提炼（Biorefinery）技术所生产的生物柴油和生物酒精被誉为石油的最佳替代品，而生物质提炼技术被认为是通向绿色能源的最佳途径。最近中国国家发展改革委向全社会公布了《可再生能源中长期发展规划》[1]。规划提出将在未来十几年里累计投资两万亿元用以开发可再生资源，并指出可再生能源发展重点是水能、生物质能、风能和太阳能。规划进一步提出到2010年，可再生能源消费量占能源消费总量的比重达到10％，2020年达到15％，形成以自有知识产权为主的可再生能源技术装备能力，实现有机废弃物的能源化利用，基本消除有机废弃物造成的环境污染。中国每年农林业加工后的剩余物大概可折合的能量是5亿t标准煤。开发潜力非常巨大。
传统生物质的工业利用至少可以追溯到200多年前。主要包括糖的生产、淀粉水解、木材的糖化、糠醛和脂肪酸的利用，以及纤维素和纸浆的利用。1990年以来，一个全新的研究领域——生物质提炼引起了世界各国的高度关注。根据美国国家再生能源实验室（NREL）的定义，生物质提炼是这样一种设施，它综合了多种生物转化技术和设备，从而可以将生物质转化为燃料、电力和各种化学品[2]。如图1所示，生物质提炼包括下述2个技术平台：①糖化学平台，该平台首先把生物质降解为糖，然后利用发酵等生物转化技术生产各种终端产品；②裂解气平台，该平台首先把生物质经高温裂解生产混合合成气，然后利用生物或化学合成技术生产各种终端产品。生物质提炼被誉为当今最具发展潜力的生物工业。
制浆造纸工业是最早大规模利用可再生生物质的的工业，也是唯一拥有大规模收集、处理、加工生物质的基础设施及实际经验的工业。本文首先综述了世界各国生物质提炼的研究方向和纤维素燃料酒精的关键技术，进而讨论了几种典型的复合型制浆造纸/生物酒精提炼厂的模型，并对加拿大新布朗斯维克大学造纸中心、加拿大制浆造纸研究所和AVNackawic（NB，Canada）正在联合开发的预水解硫酸盐溶解浆-生物酒精复合型生物提炼厂进行了分析。
1 世界各国的研究概况及发展方向
当前，生物质提炼技术是世界各国最为重视的科学研究领域之一，特别是生物酒精，许多国家都在研究经费、财政补贴、新能源标准等政策方面提供强力支持。表1概括了一些国家在生物酒精能源方面的政策支持[3～5]。
巴西无疑是发展生物酒精能源的成功典范。
1975年，第一次国际石油危机后不久，巴西开始实施国家能源酒精发展策略（PROALCOOL），即大力发展蔗糖酒精燃料，以替代汽油[6]。
继巴西之后，美国从1980年以后大力发展玉米酒精。自2005年起燃料酒精产量超过巴西居世界第一。美国在“2002年国家生物能源和生物产品发展纲要”中提出[7]，到2030年生物能源要占全国能源总额的5％，生物燃料要占总燃料的20％，生物化学品要占总化学品的25％。也就是说，到2030年美国的生物质衍生产品要替代当前的石油消耗量的30％（见表2）。
在2006年年底，美国共有110个酒精厂，不少正在扩建，另有73个新厂正在筹建。目前美国燃料酒精年产量为201亿L，其中绝大部分为玉米酒精。美国的玉米酒精已经接近其顶峰状态，但仍然远远不能满足市场的需求。当前，寻求可再生能源替代石油是美国的一项重要国策。美国已经把可再生能源政策提升为一项关乎国家安全的重要国策。2005年国家能源法案中可再生能源标准（RFS）规定到2012年燃料酒精产量要达到284亿L[8]。2007年6月，美国国会通过能源法令提出到2022年，燃料酒精产量要达到1364亿L。据统计，2005年美国酒精工业所消耗的玉米占玉米总量的13％，仅次于食品饲料和出口[5]。即使50％的玉米都用来生产燃料酒精，酒精的年产量也只能达到约568亿L。距离2022年3164亿L还差758亿L，因此必须寻求生产酒精的新原料。可再生的生物质原料被认为是最具发展潜力的原料，特别是各种草质、木质的纤维原料。目前美国在国家能源部统一规划下，联合了国家可再生能源实验室（NREL）、国家生物能源中心（NBC）、橡山国家实验室（ORNL）、美国农业部（USDA）及众多顶级高校和企业以攻克纤维素酒精的难关。今年年初，美国能源部拨出3.85亿美元配套资金给6个公司用来筹建纤维素燃料酒精厂（见表3）[9]。随后能源部又拨出1.25亿美元研究经费给3个生物能源研究中心，用以开展纤维素酒精工业化可行性研究[10]。
从表3可以看出，美国政府资助的工业化项目涵盖了2个技术平台，即生物质裂解气平台（Syn-gasplatform）和糖化学平台（Sugarplatform），后者又包括常规酸水解和微生物水解2条技术途径。
2 生物酒精生产的关键技术
2.1 生物质预处理技术
在以糖化学技术平台为基础的燃料酒精生产工艺中，纤维素和半纤维素首先要分解成单糖，然后糖经过发酵生产酒精。在木质纤维原料中，纤维素是以晶体束状态埋植在半纤维素和木素的复合体里面。因此无论是水解酸还是水解酶，其及达度都相当低。为了提高水解速率和糖的得率，水解之前一定要加一段预处理。预处理的目的是破坏木材紧密水蒸气爆破类预处理技术被认为是最具发展潜力的的结构，增加比表面积，并对木材主要成分（纤维技术。世界第1座纤维素燃料酒精中试车间（Iogen，素、半纤维素和木素）进行物理和化学改性，以提加拿大）所用的预处理技术就是加拿大stake公司的高木材的可水解性，同时要尽量减少纤维素和半纤水蒸气爆破预处理技术。即将筹建的工业化项目上维素的降解，降低其他有害物质的产生。表4列出采用该技术（表3，公司5）。Abengoa Bioenergy（表常见的预处理技术及其相关属性[1-13]。总体而言，3，公司1）也将采用水蒸气爆破法这一预处理方法。
2.2生物质酸水解技术
由于纤维素化学组成和物理结构的特殊性，纤维素转化为糖的过程要比淀粉的转化困难的多。目前最成熟的技术是酸水解，包括浓酸水解和稀酸水解（常用的是硫酸）。稀酸水解一般为两步法：第一步低温水解半纤维素；第二步高温水解纤维素。浓酸水解首先用稀酸处理把半纤维素和纤维素分开。处理过的原料经过干燥后再加入浓硫酸进一步处理。然后加水并加热以释放糖。胶状糖浆可以直接从固体残渣中分离，糖和酸可用工业色谱分离柱进一步分离[14]。酸水解是比较成熟的工艺。表3的6个项目中，Abengoa Bioenergy（公司1），BlueFire Ethanol（公司3）分别采用了稀酸和浓酸水解工艺。
稀酸水解和浓酸水解工艺各有优缺点。稀酸水解的缺点是副产品多，糖得率低。浓酸水解的优点是副产品少，糖得率较高，但是酸的回收利用使工艺更加复杂。此外，两种工艺对设备的耐腐蚀性要求较高。同时两种工艺在高温下对糖都有不同程度的降解，降低了糖的得率，从而也降低了酒精的得率。因此，酸水解工艺在降低酒精成本方面空间有限。
目前较新的水解工艺是逆流水解。该工艺包括两段：第一段180℃自水解，第二段225℃超稀酸水解。据美国国家可再生能源实验室估计该工艺葡萄糖得率可达到84％，糖转化酒精得率可达到95％[15]
2.3 生物质酶水解技术
酶水解被公认为最具发展潜力的糖转化技术。该技术用酶把纤维素和半纤维素转化为可发酵的糖。它要求原材料必须经过预处理，比如蒸汽爆破处理，以提高糖的转化速率和得率。目前该技术发展的重点在于开发可以转化五碳糖和六碳糖的多功能酶。目前这样的多功能酶主要有[16]
（1）Saccharomycse（美国普渡大学开发的酵母酶）
（2）E.Coli（美国佛罗里达大学开发的细菌酶）
（3）Zymoomnas（美国能源部开发的细菌酶）
这些酶的共同特点是可以同时把五碳糖和六碳糖转化为酒精。目前在多功能酶研究和应用具有相当实力的公司还有Iogen corp（加拿大）、GenencorInternational（美国）和Novozymes Biotech（美国）。酶水解是未来的发展方向。其发展的最终目标是：纤维素糖化/糖发酵一体化（SSF），即在一个反应器中同时完成纤维素，半纤维素转化为糖和糖转化为酒精这两个步骤。表3中的6个项目中，POEM（公司4），Iogen（公司5）采用的就是纤维素酶水解工艺。
2.4 高温裂解气和裂解气转化技术
该途径包括生物质裂解和裂解气转化两个步骤。第一步是生物质裂解气化，即生物质在隔绝氧气的状态下进行高温处理（600～1000℃），得到混合裂解气。其主要成分是CO、CO2、H2、CH4和N2。第二步是混合裂解气转化，即混合气经过金属催化转化或者生物转化得到甲醇、乙醇和乙酸的有机化合物。裂解气化是较为简洁的生物质转化技术。其最主要的特点是对生物质原材料要求低。原材料可以是任何一种形式的生物质，包括农林加工剩余物、劣质煤炭、造纸黑液和城市固体垃圾有机物等。这些生物质均可以经过裂解的途径得到相对均一的混合气。然后经过净化和混合气转化而得到终端产品。目前研究主要集中在裂解气生物转化生产燃料酒精。常用的酶是厌氧菌Butyribacterium methylotrophicum[17]和Clostridium ljungdahlii[18]。这与中国目前正在开发的煤炭液化、气化和生物质裂解技术相近。该技术对以火力发电为主的中国有重要意义。
表3中的6个项目中，AlicoInc.（公司2）采用的是食品加工残渣裂解气化和裂解气生物酶转化技术。RangeFuels（公司6）采用的是林产品加工残余物裂解气化和裂解气催化转化技术。
由此可见，美国能源部重金资助的6个公司所筹建纤维素燃料酒精厂涵盖了纤维素燃料酒精2个技术平台的所有技术，包括水蒸气爆破预处理技术、生物质酸水解转化糖技术、生物质酶水解转化糖技术、糖发酵生产酒精技术、生物质高温裂解技术、裂解气催化转化酒精技术和裂解气酶转化酒精技术。一旦某一技术在工业上取得成功，将会在燃料酒精工业得到迅速推广。
3 复合型制浆造纸生物质提炼厂（IFBR）
制浆造纸工业是最早利用天然纤维素的工业，也是唯一一个大规模采集、加工和利用生物质原料的工业。日益加剧的行业竞争使传统造纸工业面临巨大的压力。因此把传统造纸厂转化为能够同时生产纸产品、高分子材料和多种化学品的复合型生物质提炼厂是现代造纸工业的发展趋势。总体而言，有以下几种较为可行的复合型生物质提炼厂模式。
3.1 碱法预抽提生物质提炼模式
该模式由van Heiningen教授提出（如图2所示），是一个以传统阔叶木硫酸盐化学浆厂为模板的复合型生物质提炼厂（IFBR）[19]。该模式在传统的硫酸盐化学法制浆前增加了一段碱抽提，以提取半纤维素和脂肪酸组分。该组分可进一步加工转化为燃料酒精及其他高附加值产品。在终端产品方面，van Heiningen教授认为用木质材料生产单纯的燃料酒精和生物柴油的产值最低，每吨原材料产值约为209美元。生产纸浆加燃料酒精和生物柴油，每吨原材料产值约为361美元。而在生产纸浆、燃料酒精、生物柴油以及高分子材料的复合型生物提炼厂，每吨原材料产值可达613美元。该复合模式的优点是：一方面预先抽提的半纤维素较为纯净（不含硫），有利于进一步加工转化，提供高附加值产品；其次半纤维素的提取也大大降低了黑液处理的负担。另一方面半纤维素提取后，可以提高后续制浆工艺中化学品的渗透速率，降低化学品的消耗。
3.2 天柏（Trembec）模式
天柏公司是加拿大的百强公司[20]，是一个集原木加工、纸浆、纸板加工于一体的集团公司。天柏在魁北克Temiscaming的亚硫酸盐法溶解浆厂是一个复合型制浆造纸/生物提炼加工厂的代表。该厂的工艺路线和产品结构如图3所示。
该厂充分利用了木材的三大组分：纤维素用于生产主产品——特种纤维产品浆；半纤维素经过发酵生产酒精，年产量达到0.18亿L（质量分数95％）的酒精。该高质量的酒精产品广泛用于溶剂、食品、化妆品、医药和涂料工业；木素在制浆过程中转化为磺化木素，广泛用于饲料黏合剂、肥料、炭黑和混凝土工业。
3.3 溶剂制浆生物质提炼模式
Lignol公司致力于开发纤维素燃料酒精和生物化学品[21]。该公司的工艺结合了美国通用电子（Gen-eralElectric）公司开发的溶剂预处理技术和雷派柏公司（Repap Enterprises Inc.）开发的溶剂制浆技术（见图4）。主要产品是燃料酒精和高纯度木素。该模式有三大优势：①燃料酒精和制浆可充分结合，也可相对独立；②酒精是整个工艺中唯一使用的化学品，且可以自己生产；③木素产品纯度高，适合开发其他木素产品。该模式具有巨大的发展潜力。
4 案例分析
AV NackawicI nc.由印度Aditya Birla集团和加拿大天柏公司（Tembec）共同投资。该公司正在把850t/d传统阔叶木硫酸盐木浆改造为600t/d的预水解硫酸盐溶解浆。公司采用的是奥地利Lenzing公司的VISCBC工艺，改造将在2007年年底完成。目前，加拿大新布朗斯维克大学的造纸中心正联合加拿大制浆造纸研究所进一步开发和完善该厂半纤维素的利用。以进一步把该厂改造为一个复合型制浆造纸/生物提炼厂（见图5）。从图5可知，该模式的发展最终目标为全生物质利用，包括纤维素、半纤维素、木素及提取物的综合利用。第一阶段的目标是对相对纯净的半纤维素组分的深加工利用（线路A），其最大优势在于半纤维素组分已经从木片中分离，因而原材料没有任何附加生产成本，只要经过浓缩和分离即可用于生产其他产品。表5列出了可能开发的几种半纤维素深加工产品以及工艺上存在的主要问题。
半纤维素深加工的主要技术已经相对成熟。目前面临的最关键的问题是选择合适的目的产品、合理的工艺路线和经济效益最优化。面临的第二个问题是半纤维素组分的分离技术。虽然大部分半纤维素组分在预水解时已经从木片中分离出来，但它在水解液中的浓度比较低。进一步水解成糖的浓度约2％～5％。为了后续工段工艺的合理性，糖的浓度应该提高到10％左右。目前笔者考虑的分离方法是薄膜分离技术。面临的第三个问题是在采用发酵法生产酒精、乳酸和木糖醇时如何对发酵母液进行“去毒”处理，因为水解时产生的乙酸和糠醛等对酶的活性有很大的抑制作用。开发一种新型、高效的“去毒”处理方法是目前研究的重点之一。面临的第四个问题是如何获得新型高效酶，这是任何一条开发路线的关键。例如，美国Nat-ureworks LLC（Cargil）和Ecochem（Dupont）对乳酸酶的成功开发，使他们几乎垄断了乳酸基可降解塑料行业[22]。目前，工业上尚没有以木质纤维素原料生产乳糖的尝试。实际上，一些酵母[23]、丝状真菌（Rhi-zopus Oryzae）[24，25]和细菌（Thermophilic Bacillus
acbacitoein～strains[26]，Ltolluspnsus strains[27-29]，E.Colistrains[30]，BacillusSp.[31，32]都可以成功地把戊糖和己糖转化为乳酸。工业化探索对降低乳酸生产成本和寻求新原料具有非常重要的意义。
5 复合型生物质提炼技术面临的挑战和研究重点
复合型生物质提炼技术所面临的挑战是全方位的。面临的首要问题是新产品的开发。欧盟在Sus-Chem纲要中提出“可持续化学”的理念，其发展的最终目标是所有石油衍生的化学品都将由可再生生物质转化而来[33]。美国在国家能源部的支持下提出优先发展12个高附加值的绿色化学品[34]，而木糖醇即是其中之一。
在纤维素燃料酒精方面研究的重点是工业化以及降低成本。面临的挑战包括：（①建立有效的生物质收集、储存体系；②高效率、低成本的预处理技术；③高得率的纤维素、半纤维素转化为糖的技术；（④戊糖、己糖全转化技术；⑤高效率的分离技术。
6 结论
生物质燃料酒精的开发取决于若干关键技术，即生物质预处理技术、生物质酸水解技术、生物质酶水解技术和生物质裂解和裂解气转化技术。这些技术在工业应用上的逐步完善必将使生物质燃料酒精制造工业得到突破性的发展。
造纸工业必将在生物质可再生能源的开发利用方面扮演重要角色，特别是在生物能源酒精的开发方面具有得天独厚的优势。如何根据工厂实际条件把传统造纸厂转化为能同时生产纸产品、燃料酒精、高分子材料和多种化学品的复合型生物质提炼厂是现代造纸工业的发展趋势。
参考文献
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（毛长斌 倪永浩）
传统生物质的工业利用至少可以追溯到200多年前。主要包括糖的生产、淀粉水解、木材的糖化、糠醛和脂肪酸的利用，以及纤维素和纸浆的利用。1990年以来，一个全新的研究领域——生物质提炼引起了世界各国的高度关注。根据美国国家再生能源实验室（NREL）的定义，生物质提炼是这样一种设施，它综合了多种生物转化技术和设备，从而可以将生物质转化为燃料、电力和各种化学品[2]。如图1所示，生物质提炼包括下述2个技术平台：①糖化学平台，该平台首先把生物质降解为糖，然后利用发酵等生物转化技术生产各种终端产品；②裂解气平台，该平台首先把生物质经高温裂解生产混合合成气，然后利用生物或化学合成技术生产各种终端产品。生物质提炼被誉为当今最具发展潜力的生物工业。
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在2006年年底，美国共有110个酒精厂，不少正在扩建，另有73个新厂正在筹建。目前美国燃料酒精年产量为201亿L，其中绝大部分为玉米酒精。美国的玉米酒精已经接近其顶峰状态，但仍然远远不能满足市场的需求。当前，寻求可再生能源替代石油是美国的一项重要国策。美国已经把可再生能源政策提升为一项关乎国家安全的重要国策。2005年国家能源法案中可再生能源标准（RFS）规定到2012年燃料酒精产量要达到284亿L[8]。2007年6月，美国国会通过能源法令提出到2022年，燃料酒精产量要达到1364亿L。据统计，2005年美国酒精工业所消耗的玉米占玉米总量的13％，仅次于食品饲料和出口[5]。即使50％的玉米都用来生产燃料酒精，酒精的年产量也只能达到约568亿L。距离2022年3164亿L还差758亿L，因此必须寻求生产酒精的新原料。可再生的生物质原料被认为是最具发展潜力的原料，特别是各种草质、木质的纤维原料。目前美国在国家能源部统一规划下，联合了国家可再生能源实验室（NREL）、国家生物能源中心（NBC）、橡山国家实验室（ORNL）、美国农业部（USDA）及众多顶级高校和企业以攻克纤维素酒精的难关。今年年初，美国能源部拨出3.85亿美元配套资金给6个公司用来筹建纤维素燃料酒精厂（见表3）[9]。随后能源部又拨出1.25亿美元研究经费给3个生物能源研究中心，用以开展纤维素酒精工业化可行性研究[10]。
从表3可以看出，美国政府资助的工业化项目涵盖了2个技术平台，即生物质裂解气平台（Syn-gasplatform）和糖化学平台（Sugarplatform），后者又包括常规酸水解和微生物水解2条技术途径。
2 生物酒精生产的关键技术
2.1 生物质预处理技术
在以糖化学技术平台为基础的燃料酒精生产工艺中，纤维素和半纤维素首先要分解成单糖，然后糖经过发酵生产酒精。在木质纤维原料中，纤维素是以晶体束状态埋植在半纤维素和木素的复合体里面。因此无论是水解酸还是水解酶，其及达度都相当低。为了提高水解速率和糖的得率，水解之前一定要加一段预处理。预处理的目的是破坏木材紧密水蒸气爆破类预处理技术被认为是最具发展潜力的的结构，增加比表面积，并对木材主要成分（纤维技术。世界第1座纤维素燃料酒精中试车间（Iogen，素、半纤维素和木素）进行物理和化学改性，以提加拿大）所用的预处理技术就是加拿大stake公司的高木材的可水解性，同时要尽量减少纤维素和半纤水蒸气爆破预处理技术。即将筹建的工业化项目上维素的降解，降低其他有害物质的产生。表4列出采用该技术（表3，公司5）。Abengoa Bioenergy（表常见的预处理技术及其相关属性[1-13]。总体而言，3，公司1）也将采用水蒸气爆破法这一预处理方法。
2.2生物质酸水解技术
由于纤维素化学组成和物理结构的特殊性，纤维素转化为糖的过程要比淀粉的转化困难的多。目前最成熟的技术是酸水解，包括浓酸水解和稀酸水解（常用的是硫酸）。稀酸水解一般为两步法：第一步低温水解半纤维素；第二步高温水解纤维素。浓酸水解首先用稀酸处理把半纤维素和纤维素分开。处理过的原料经过干燥后再加入浓硫酸进一步处理。然后加水并加热以释放糖。胶状糖浆可以直接从固体残渣中分离，糖和酸可用工业色谱分离柱进一步分离[14]。酸水解是比较成熟的工艺。表3的6个项目中，Abengoa Bioenergy（公司1），BlueFire Ethanol（公司3）分别采用了稀酸和浓酸水解工艺。
稀酸水解和浓酸水解工艺各有优缺点。稀酸水解的缺点是副产品多，糖得率低。浓酸水解的优点是副产品少，糖得率较高，但是酸的回收利用使工艺更加复杂。此外，两种工艺对设备的耐腐蚀性要求较高。同时两种工艺在高温下对糖都有不同程度的降解，降低了糖的得率，从而也降低了酒精的得率。因此，酸水解工艺在降低酒精成本方面空间有限。
目前较新的水解工艺是逆流水解。该工艺包括两段：第一段180℃自水解，第二段225℃超稀酸水解。据美国国家可再生能源实验室估计该工艺葡萄糖得率可达到84％，糖转化酒精得率可达到95％[15]
2.3 生物质酶水解技术
酶水解被公认为最具发展潜力的糖转化技术。该技术用酶把纤维素和半纤维素转化为可发酵的糖。它要求原材料必须经过预处理，比如蒸汽爆破处理，以提高糖的转化速率和得率。目前该技术发展的重点在于开发可以转化五碳糖和六碳糖的多功能酶。目前这样的多功能酶主要有[16]
（1）Saccharomycse（美国普渡大学开发的酵母酶）
（2）E.Coli（美国佛罗里达大学开发的细菌酶）
（3）Zymoomnas（美国能源部开发的细菌酶）
这些酶的共同特点是可以同时把五碳糖和六碳糖转化为酒精。目前在多功能酶研究和应用具有相当实力的公司还有Iogen corp（加拿大）、GenencorInternational（美国）和Novozymes Biotech（美国）。酶水解是未来的发展方向。其发展的最终目标是：纤维素糖化/糖发酵一体化（SSF），即在一个反应器中同时完成纤维素，半纤维素转化为糖和糖转化为酒精这两个步骤。表3中的6个项目中，POEM（公司4），Iogen（公司5）采用的就是纤维素酶水解工艺。
2.4 高温裂解气和裂解气转化技术
该途径包括生物质裂解和裂解气转化两个步骤。第一步是生物质裂解气化，即生物质在隔绝氧气的状态下进行高温处理（600～1000℃），得到混合裂解气。其主要成分是CO、CO2、H2、CH4和N2。第二步是混合裂解气转化，即混合气经过金属催化转化或者生物转化得到甲醇、乙醇和乙酸的有机化合物。裂解气化是较为简洁的生物质转化技术。其最主要的特点是对生物质原材料要求低。原材料可以是任何一种形式的生物质，包括农林加工剩余物、劣质煤炭、造纸黑液和城市固体垃圾有机物等。这些生物质均可以经过裂解的途径得到相对均一的混合气。然后经过净化和混合气转化而得到终端产品。目前研究主要集中在裂解气生物转化生产燃料酒精。常用的酶是厌氧菌Butyribacterium methylotrophicum[17]和Clostridium ljungdahlii[18]。这与中国目前正在开发的煤炭液化、气化和生物质裂解技术相近。该技术对以火力发电为主的中国有重要意义。
表3中的6个项目中，AlicoInc.（公司2）采用的是食品加工残渣裂解气化和裂解气生物酶转化技术。RangeFuels（公司6）采用的是林产品加工残余物裂解气化和裂解气催化转化技术。
由此可见，美国能源部重金资助的6个公司所筹建纤维素燃料酒精厂涵盖了纤维素燃料酒精2个技术平台的所有技术，包括水蒸气爆破预处理技术、生物质酸水解转化糖技术、生物质酶水解转化糖技术、糖发酵生产酒精技术、生物质高温裂解技术、裂解气催化转化酒精技术和裂解气酶转化酒精技术。一旦某一技术在工业上取得成功，将会在燃料酒精工业得到迅速推广。
3 复合型制浆造纸生物质提炼厂（IFBR）
制浆造纸工业是最早利用天然纤维素的工业，也是唯一一个大规模采集、加工和利用生物质原料的工业。日益加剧的行业竞争使传统造纸工业面临巨大的压力。因此把传统造纸厂转化为能够同时生产纸产品、高分子材料和多种化学品的复合型生物质提炼厂是现代造纸工业的发展趋势。总体而言，有以下几种较为可行的复合型生物质提炼厂模式。
3.1 碱法预抽提生物质提炼模式
该模式由van Heiningen教授提出（如图2所示），是一个以传统阔叶木硫酸盐化学浆厂为模板的复合型生物质提炼厂（IFBR）[19]。该模式在传统的硫酸盐化学法制浆前增加了一段碱抽提，以提取半纤维素和脂肪酸组分。该组分可进一步加工转化为燃料酒精及其他高附加值产品。在终端产品方面，van Heiningen教授认为用木质材料生产单纯的燃料酒精和生物柴油的产值最低，每吨原材料产值约为209美元。生产纸浆加燃料酒精和生物柴油，每吨原材料产值约为361美元。而在生产纸浆、燃料酒精、生物柴油以及高分子材料的复合型生物提炼厂，每吨原材料产值可达613美元。该复合模式的优点是：一方面预先抽提的半纤维素较为纯净（不含硫），有利于进一步加工转化，提供高附加值产品；其次半纤维素的提取也大大降低了黑液处理的负担。另一方面半纤维素提取后，可以提高后续制浆工艺中化学品的渗透速率，降低化学品的消耗。
3.2 天柏（Trembec）模式
天柏公司是加拿大的百强公司[20]，是一个集原木加工、纸浆、纸板加工于一体的集团公司。天柏在魁北克Temiscaming的亚硫酸盐法溶解浆厂是一个复合型制浆造纸/生物提炼加工厂的代表。该厂的工艺路线和产品结构如图3所示。
该厂充分利用了木材的三大组分：纤维素用于生产主产品——特种纤维产品浆；半纤维素经过发酵生产酒精，年产量达到0.18亿L（质量分数95％）的酒精。该高质量的酒精产品广泛用于溶剂、食品、化妆品、医药和涂料工业；木素在制浆过程中转化为磺化木素，广泛用于饲料黏合剂、肥料、炭黑和混凝土工业。
3.3 溶剂制浆生物质提炼模式
Lignol公司致力于开发纤维素燃料酒精和生物化学品[21]。该公司的工艺结合了美国通用电子（Gen-eralElectric）公司开发的溶剂预处理技术和雷派柏公司（Repap Enterprises Inc.）开发的溶剂制浆技术（见图4）。主要产品是燃料酒精和高纯度木素。该模式有三大优势：①燃料酒精和制浆可充分结合，也可相对独立；②酒精是整个工艺中唯一使用的化学品，且可以自己生产；③木素产品纯度高，适合开发其他木素产品。该模式具有巨大的发展潜力。
4 案例分析
AV NackawicI nc.由印度Aditya Birla集团和加拿大天柏公司（Tembec）共同投资。该公司正在把850t/d传统阔叶木硫酸盐木浆改造为600t/d的预水解硫酸盐溶解浆。公司采用的是奥地利Lenzing公司的VISCBC工艺，改造将在2007年年底完成。目前，加拿大新布朗斯维克大学的造纸中心正联合加拿大制浆造纸研究所进一步开发和完善该厂半纤维素的利用。以进一步把该厂改造为一个复合型制浆造纸/生物提炼厂（见图5）。从图5可知，该模式的发展最终目标为全生物质利用，包括纤维素、半纤维素、木素及提取物的综合利用。第一阶段的目标是对相对纯净的半纤维素组分的深加工利用（线路A），其最大优势在于半纤维素组分已经从木片中分离，因而原材料没有任何附加生产成本，只要经过浓缩和分离即可用于生产其他产品。表5列出了可能开发的几种半纤维素深加工产品以及工艺上存在的主要问题。
半纤维素深加工的主要技术已经相对成熟。目前面临的最关键的问题是选择合适的目的产品、合理的工艺路线和经济效益最优化。面临的第二个问题是半纤维素组分的分离技术。虽然大部分半纤维素组分在预水解时已经从木片中分离出来，但它在水解液中的浓度比较低。进一步水解成糖的浓度约2％～5％。为了后续工段工艺的合理性，糖的浓度应该提高到10％左右。目前笔者考虑的分离方法是薄膜分离技术。面临的第三个问题是在采用发酵法生产酒精、乳酸和木糖醇时如何对发酵母液进行“去毒”处理，因为水解时产生的乙酸和糠醛等对酶的活性有很大的抑制作用。开发一种新型、高效的“去毒”处理方法是目前研究的重点之一。面临的第四个问题是如何获得新型高效酶，这是任何一条开发路线的关键。例如，美国Nat-ureworks LLC（Cargil）和Ecochem（Dupont）对乳酸酶的成功开发，使他们几乎垄断了乳酸基可降解塑料行业[22]。目前，工业上尚没有以木质纤维素原料生产乳糖的尝试。实际上，一些酵母[23]、丝状真菌（Rhi-zopus Oryzae）[24，25]和细菌（Thermophilic Bacillus
acbacitoein～strains[26]，Ltolluspnsus strains[27-29]，E.Colistrains[30]，BacillusSp.[31，32]都可以成功地把戊糖和己糖转化为乳酸。工业化探索对降低乳酸生产成本和寻求新原料具有非常重要的意义。
5 复合型生物质提炼技术面临的挑战和研究重点
复合型生物质提炼技术所面临的挑战是全方位的。面临的首要问题是新产品的开发。欧盟在Sus-Chem纲要中提出“可持续化学”的理念，其发展的最终目标是所有石油衍生的化学品都将由可再生生物质转化而来[33]。美国在国家能源部的支持下提出优先发展12个高附加值的绿色化学品[34]，而木糖醇即是其中之一。
在纤维素燃料酒精方面研究的重点是工业化以及降低成本。面临的挑战包括：（①建立有效的生物质收集、储存体系；②高效率、低成本的预处理技术；③高得率的纤维素、半纤维素转化为糖的技术；（④戊糖、己糖全转化技术；⑤高效率的分离技术。
6 结论
生物质燃料酒精的开发取决于若干关键技术，即生物质预处理技术、生物质酸水解技术、生物质酶水解技术和生物质裂解和裂解气转化技术。这些技术在工业应用上的逐步完善必将使生物质燃料酒精制造工业得到突破性的发展。
造纸工业必将在生物质可再生能源的开发利用方面扮演重要角色，特别是在生物能源酒精的开发方面具有得天独厚的优势。如何根据工厂实际条件把传统造纸厂转化为能同时生产纸产品、燃料酒精、高分子材料和多种化学品的复合型生物质提炼厂是现代造纸工业的发展趋势。
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（毛长斌 倪永浩）
知识出处
《中国造纸年鉴·2009》
出版者：中国轻工业出版社
本年鉴为中国造纸年鉴第13卷，栏目有：综述、产品与市场、发展与建设、产品与市场、纤维原料、环境保护、科技、教育、企业、事件、社团工作附录、单位名录等。
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