生物質(zhì)資源是替代化石類資源的理想選擇，但由于其元素組成、化學(xué)鍵型、化學(xué)成分等十分復(fù)雜，從固體原料到固體或液體產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化過(guò)程要難于傳統(tǒng)的石油煉制過(guò)程。如何最大化挖掘出生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的能量？中科院過(guò)程所研究員陳洪章本周接受記者采訪時(shí)預(yù)言，選擇性組分拆分—功能經(jīng)濟(jì)性利用技術(shù)作為生物基產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與利用的新途徑，有望突破生物質(zhì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨的瓶頸。

    資源利用 兼顧資源環(huán)境成本

    “發(fā)展新一代生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)，需要考慮到生物質(zhì)原料多組分、多功能、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，不能單純地進(jìn)行化學(xué)、生物分解。”陳洪章指出，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)性方面不僅要考慮資源、環(huán)境因素，更需突破經(jīng)濟(jì)成本，探索組分與利用之間的關(guān)聯(lián)性。不能簡(jiǎn)單套用催化發(fā)酵法，必須從原料的結(jié)構(gòu)與功能特性出發(fā)，探索清潔生產(chǎn)新方法。

    基于這樣的認(rèn)識(shí)，陳洪章領(lǐng)銜的課題組首次針對(duì)生物質(zhì)原料在化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)組成、酶解及發(fā)酵性能上的不均一性，提出了選擇性組分拆分—功能經(jīng)濟(jì)性利用這一生物質(zhì)煉制的新途徑，即最大限度地保持生物質(zhì)大分子的原有結(jié)構(gòu)，盡可能激活適于酶解組分的生物活性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)中間產(chǎn)物的價(jià)值最大化。

    在對(duì)生物質(zhì)的原料特性、轉(zhuǎn)化過(guò)程和產(chǎn)品要求等進(jìn)行充分研究之后，他們創(chuàng)新性地建設(shè)了十余條生物質(zhì)煉制生產(chǎn)線。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐驗(yàn)證，確認(rèn)了選擇性組分拆分—功能經(jīng)濟(jì)性利用這種新型生物質(zhì)煉制工業(yè)技術(shù)體系的可行性、合理性和可靠性，并發(fā)展成為突破生物質(zhì)煉制生物燃料、生物材料和生物化學(xué)品等技術(shù)瓶頸的一條有效途徑。這項(xiàng)成果已申請(qǐng)國(guó)外發(fā)明專利9項(xiàng)、國(guó)際PCT專利3項(xiàng)，獲得授權(quán)國(guó)際發(fā)明專利3項(xiàng)；申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利184項(xiàng)，獲得授權(quán)79項(xiàng)。專利技術(shù)在數(shù)十家單位獲得應(yīng)用，獲得了上億元的經(jīng)濟(jì)效益。

    “三個(gè)面向” 構(gòu)思煉制新體系

    在長(zhǎng)期的研究與實(shí)踐中，陳洪章發(fā)現(xiàn)，原料不均一是生物質(zhì)煉制難以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、綠色、規(guī)模化的重要原因，理想的生物煉制過(guò)程應(yīng)該將原料結(jié)構(gòu)、過(guò)程轉(zhuǎn)化和產(chǎn)品特點(diǎn)三者有機(jī)聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上，他們提出了理想的生物質(zhì)煉制模式——生物質(zhì)原料組分分離-定向轉(zhuǎn)化煉制，即面向原料、面向過(guò)程、面向產(chǎn)品的一種新型煉制模式。

    陳洪章認(rèn)為，理想的生物質(zhì)煉制模式應(yīng)該具備以下幾個(gè)特征：

    一是盡可能保留原料中大分子物質(zhì)原有的特點(diǎn)。從木質(zhì)纖維原料的化學(xué)、組織、器官等差異性出發(fā)，根據(jù)產(chǎn)品要求建立創(chuàng)新的選擇性結(jié)構(gòu)拆分方法，獲得高純度的半纖維素、纖維素和木質(zhì)素組分；根據(jù)產(chǎn)品特性，選擇高效的生物或化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)原料的功能轉(zhuǎn)化。

    二是盡可能改善原料中底物的生物轉(zhuǎn)化性能。木質(zhì)纖維素原料生物煉制過(guò)程中，纖維素酶制劑成本居高不下的主要原因之一，是水解纖維素需要的用酶量是水解淀粉所需酶量的40~100倍。為了顯著降低纖維素酶的用量，需要發(fā)現(xiàn)更高效的酶組分。

    三是中間產(chǎn)物的功能最大化。生物質(zhì)原料是一種含有復(fù)雜化學(xué)鍵的功能大分子體，不可避免地要生成大量中間產(chǎn)物。要從原料特性出發(fā)盡可能減少這部分物質(zhì)的產(chǎn)生，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)這部分物質(zhì)的最大功能化應(yīng)用。

    因材施法 將秸稈變高值產(chǎn)品

    自1988年以來(lái)，陳洪章等一直從事秸稈的高值利用關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)。除了理想生物質(zhì)煉制模式的研究，他們還從生物質(zhì)原料的分子、細(xì)胞、組織等水平系統(tǒng)地分析了其在化學(xué)組成、物理性能和纖維素酶解方面的差異性，并取得了重要成果。這些研究?jī)?nèi)容是選擇性組分拆分-功能經(jīng)濟(jì)性利用技術(shù)的重要組成部分。

    據(jù)介紹，他們開(kāi)發(fā)的生物質(zhì)煉制關(guān)鍵過(guò)程平臺(tái)——大規(guī)模汽爆技術(shù)，對(duì)于木質(zhì)素低、乙酰基含量高的秸稈原料有良好的適應(yīng)性，具有無(wú)需化學(xué)試劑預(yù)浸、蒸汽壓力低、能耗低、無(wú)污染等特點(diǎn)。目前，模低壓汽爆工藝已成功放大至工業(yè)規(guī)模，在造紙、紡織等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了綠色化升級(jí)，并探索了半纖維素、木質(zhì)素的高值化利用途徑。

     陳洪章表示，生物質(zhì)經(jīng)濟(jì)要求秸稈成為生物化工領(lǐng)域的通用工業(yè)原料，其前提是開(kāi)發(fā)使秸稈原有結(jié)構(gòu)和功能被保留利用的煉制工程和技術(shù)。單純的秸稈組分分離-再轉(zhuǎn)化路線難以使秸稈等木質(zhì)纖維素成為工業(yè)通用原料，應(yīng)該將秸稈煉制提升到選擇性結(jié)構(gòu)拆分-再功能轉(zhuǎn)化利用的層面。其著眼點(diǎn)不僅在于獲得產(chǎn)品，還要實(shí)現(xiàn)最低能耗、最佳效率、最大價(jià)值的清潔轉(zhuǎn)化。

    此外，他們經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期探索發(fā)現(xiàn)，麻類作物的纖維細(xì)胞長(zhǎng)，適于生產(chǎn)紡織纖維；玉米秸稈的纖維細(xì)胞短、半纖維素含量高，適于生產(chǎn)纖維素酶、酶解發(fā)酵乙醇、聚醚多元醇、酚醛樹(shù)脂；稻草、小麥等纖維細(xì)胞較長(zhǎng)、木質(zhì)素含量低，適于造紙及生產(chǎn)丁醇和酚醛樹(shù)脂；闊葉木片的木質(zhì)素含量高、半纖維素含量低，適于開(kāi)展木質(zhì)素與纖維素的綜合利用。

    陳洪章表示，這些研究成果推廣應(yīng)用后，將在一定程度上提升生物質(zhì)資源的利用效率。