為了解決木質纖維素原料利用低和能耗低等問題，比利時魯汶大學Sels課題組近日在Science發表最新研究進展，文章提供了一種木質纖維素高效的化學催化煉製工藝，通過結合催化還原分離木質纖維素（RCF）、化學催化煉製和生物發酵法等技術實現了木質纖維素（樺木基）全組分高效降解和利用。
生物質是地球上最重要的可再生碳資源，木質纖維素指非糧的農林廢棄物，探索開發木質纖維素生物質化工對緩解能源危機和開闢精細化工產業鏈具有重要的戰略意義。此外，生物質通過光合作用能夠從大氣中固定CO2，最新的研究表明，重新造林能夠大幅度減少大氣中的二氧化碳（Bastin et al., Science 2019, 365, 76–79），因此木質纖維素化工產業鏈的開發同時具有減少CO2排放的潛能。
但是，目前生物質利用存在著原料利用率低，能耗高等問題，使得生物質制化學品不能與石油基化學品相競爭。剖析木質纖維素化工的工藝過程，遇到的主要問題都與原料中木質素有很大的關係。傳統的生物質煉製和造紙過程中木質素一般被當做殘渣用於燃燒提供能源，這極大降低了木質素的高價值利用。木質素存在於所有木質纖維素中（佔比10-25%），是由3種苯丙烷型單體及衍生物組成的高分子雜聚物，具有很大的機械強度，給植物提供結構支撐並抵抗微生物攻擊和惡劣化學環境，是木質纖維素生物質化工（生物和化學方法）中的抗降解屏障（圖1）。
▲圖1 木質纖維素結構示意圖。
為了解決木質纖維素原料利用低和能耗高等問題，比利時魯汶大學Sels課題組近日在Science發表最新研究進展，文章提供了一種木質纖維素高效的化學催化煉製工藝（圖2），通過結合催化還原分離木質纖維素（RCF）、化學催化煉製和生物發酵法等技術實現了木質纖維素（樺木基）全組分高效降解和利用（圖2）。
▲圖2 木質纖維素全組分利用工藝示意圖。
工藝的第一步是催化還原分離（RCF）生物質得到液體的木質素生物油和固體的纖維素和半纖維素殘渣。木質素生物油包含酚類低聚物和單體。酚類單體（主要包括丙基愈創木酚和丙基紫丁香醇）的收率接近理論收率，且分子結構（官能團）比較接近，從而為單體的後續高效分離和催化煉製提供了可行性基礎。分離後酚類單體混合物經過部分加氫脫氧（到烷基苯酚）和分子篩的催化裂化可以得到20 wt%的苯酚收率和9 wt%的丙烯收率（圖3）。值得提示的是：轉化纖維素和半纖維素很難得到丙烯，該技術為製備生物質基丙烯提供了可能。
▲圖3 原生木質素制苯酚和丙烯。
得到的半纖維素和纖維素可以直接通過生物發酵法製得纖維素乙醇（40.2 g/L-1）。因為酚類低聚物含有較多官能團，作者探索了用其取代石油基壬基苯酚（一個備受爭議的內分泌幹擾物）生產生物質基印刷油墨（圖4）。研究結果表明，低聚物基樹脂，清漆和油墨與壬基苯酚製備的產品性能接近。
▲圖4 纖維素殘渣和酚類低聚物的利用。
文章並沒有局限在技術的解決，文章另一個亮點是給出了這個生物質全組分利用制化學品工藝的經濟性和可持續。技術經濟性研究標明，在一定基礎上該過程是經濟可行。生命周期評價研究表明由木質纖維素製取苯酚和丙烯的CO2排放量遠低於（<50%）石油基苯酚和丙烯。低聚物的CO2排放量也遠低於石油基壬基苯酚的排放量。得益於生物質可以從大氣中捕獲CO2，如果對生物質原材料進行可持續化管理，這些產品的CO2排放量將為負值。這意味著用木質纖維素生產這些化學品能夠捕獲CO2，而不是石油基路線的排放CO2。
該工作不僅證明了從木質纖維素製備大宗化學品（例如苯酚和丙烯）的技術可行性，也表明高效利用生物質在CO2減排的巨大潛能。
▲圖5 生命周期評價和原料的碳利用率。
中國科學院大連化學物理研究所張濤院士在同一期發表了題為-Taking on all of the biomass for conversion的評述文章（Tao Zhang，10.1126/science.abb2398），高度評價了該工作從真實木質纖維素原料出發全組分利用製備化學品的新穎性和工程導向性（攻克瓶頸問題，生物質未來可期）。
文獻連結：
https://science.sciencemag.org/content/367/6484/1385
Sels教授課題組網頁: https://sels-group.eu/
來源：研之成理
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