生物質(zhì)資源與林產(chǎn)化工

第25卷增刊林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)ol. 25 Suppl2005年10月Chemistry and Industry of Forest Productsoct.2005生物質(zhì)資源與林產(chǎn)化工宋湛謙國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所,江蘇南京210042摘要:回顧了我國林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)現狀。指出了利用生物質(zhì)資源代替化石資源是當前經(jīng)濟發(fā)展趨勢,同時(shí)指出了林業(yè)生物質(zhì)資源化學(xué)利用將擴大林產(chǎn)化工的領(lǐng)域。關(guān)鍵詞:生物質(zhì)資源;林產(chǎn)化工中圖分類(lèi)號:TQ91文獻標識碼:文章編號:0253-2417(2005)S0-0010-05BIOMASS RESOURCES AND FOREST CHEMICAL INDUSTRYSONG Zhan-qian(Institute of Chemical industry of Forest Products, CAF, Nanying 210042, China)Abstract The present status of forest chemical industry in China was reviewed. Replacing fossil resource withbiomass is a trend of world economic development, Forest chemical industry will be expanded by chemical utilizationKey words: biomass resources; forest chemical industry我國林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)具有悠久的歷史。在四大發(fā)明中造紙術(shù)和火藥術(shù)都離不開(kāi)林產(chǎn)化工技術(shù)。松香、松節油、單寧、生漆、桐油、白蠟、色素等林化產(chǎn)品的應用也具有悠久的歷史。但是,在解放前,我國的林化資源只局限于原料的利用和簡(jiǎn)單的加工。50多年來(lái),我國林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)得到全面發(fā)展。20世紀50年代,以樹(shù)木提取物和木材水解、熱解為主要內容。20世紀80年代,提出“林紙結合”,木材制漿造紙逐步代替污染嚴重的草漿造紙,并成為林產(chǎn)化工產(chǎn)業(yè)的一個(gè)組成部分。目前我國林產(chǎn)化工生產(chǎn)廠(chǎng)家1000多家,年產(chǎn)木漿300多萬(wàn)噸,松香50多萬(wàn)噸,松節油8萬(wàn)噸,活性炭25萬(wàn)噸,糠醛20多萬(wàn)噸,栲膠及植物單寧深加工產(chǎn)品近2萬(wàn)噸,各種芳香油1萬(wàn)多噸,保健與藥用植物提取物數百?lài)?。許多林化產(chǎn)品還大量出口創(chuàng )匯,如松香、活性炭、生漆、桐油、糠醛、糠醇等都是重要的出口商品。1我國林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)涉及的主要領(lǐng)域1.1松脂產(chǎn)業(yè)松脂是我國林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)最重要的產(chǎn)品。我國松樹(shù)資源豐富,松林面積有1600萬(wàn)km2?？刹芍娣e占10%-20%,年可采脂量150萬(wàn)噸。松香產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快,自1980年起超過(guò)美國居世界第一位。目前產(chǎn)量50多萬(wàn)噸,占世界總產(chǎn)量的50%。松香也是我國主要的出口商品,占世界貿易量的60%。目前松香深加工產(chǎn)品率已由20世紀90年代初的10%增加到25%以上,松節油由25%增加到50%以上。1980年以后深加工產(chǎn)品也從進(jìn)口變?yōu)槌隹?目前出口量H中國煤化工現了松香深加CNMHG收稿日期:2005-06-20作者簡(jiǎn)介:宋湛謙(1942-),男,上海人,中國工程院院土,中國林科院首席科學(xué)家,研究員,博士生導師,40多年來(lái)一直從事于生物質(zhì)資源的化學(xué)改性和應用研究特別是松脂資源的深加工利用研究增刊宋湛謙:生物質(zhì)資源與林產(chǎn)化工11工技術(shù)出口。國內消費量達15~20萬(wàn)噸。1.2栲膠產(chǎn)業(yè)栲膠產(chǎn)量目前一直保持在1~2萬(wàn)噸。栲膠除鞣革外,還有許多用途,如膠粘劑、水處理劑及油井泥漿稀釋劑等。栲膠中所含單寧具有殺菌、驅蟲(chóng)、收斂、抑制病毒、抗氧化等作用,可以制成一些抗菌藥和抗腫瘤藥物的中間體。13飼料添加劑產(chǎn)業(yè)從樹(shù)木綠冠可以提取維生素、葉綠素及多種生物活性物質(zhì)。從綠色樹(shù)葉又可以提取大量的蛋白質(zhì)和氨基酸,也是飼料的重要來(lái)源。20世紀80年代起建立各種針葉加工廠(chǎng),分布全國24個(gè)省區,生產(chǎn)針葉維生素粉8萬(wàn)噸,并生產(chǎn)松針葉綠素-胡蘿卜素軟膏和松針生物活性飼料添加劑等產(chǎn)品。14香料產(chǎn)業(yè)我國有100多種植物用于精油生產(chǎn),年產(chǎn)量約1.5~2萬(wàn)噸。如山蒼子油年產(chǎn)量2000噸,是世界上最大的生產(chǎn)國和出口國;桂油年出口量250噸,是美國可口可樂(lè )、百事可樂(lè )的主要配方之一。其他還有柏木油、八角油等。樹(shù)木精油還有保健作用,國外推行的精油芳香療法,有助于精神不安,神經(jīng)過(guò)敏,身心疲勞等癥狀的治療。15醫藥產(chǎn)業(yè)我國很早進(jìn)行杜仲葉利用。以后從檸檬桉葉提取黃酮,絞股蘭提取總苷,沙棘果提取沙棘油,紅豆杉提取紫杉醇,黃柏提取黃連素,喜樹(shù)提取喜樹(shù)堿等,均已批量生產(chǎn)。但是加工深度不夠,大都以工業(yè)原料、粗加工或低質(zhì)量產(chǎn)品投放市場(chǎng)。植物精油還具有廣泛的生物活性,如殺蟲(chóng)、抗菌和防霉作用,都可以加工成各種藥物中間體。我國植物藥主要出口美國,部分出口歐洲和亞洲,每年植物提取藥及其制劑銷(xiāo)售額約為12億美元。6活性炭產(chǎn)業(yè)活性炭是一種優(yōu)質(zhì)吸附劑,它具有獨特孔隙結構和表面基團,廣泛用于化工、醫藥、環(huán)保、國防等方面。我國活性炭行業(yè)在產(chǎn)量、品種、質(zhì)量等方面都取得很快的發(fā)展,年產(chǎn)量超過(guò)25萬(wàn)噸,居世界第一位。年出口量約17萬(wàn)噸,是第一出口大國。17木材制漿產(chǎn)業(yè)在20世紀90年代初,我國提出林紙結合,造紙由草向木材造紙過(guò)渡。但是木材資源缺乏,當前使用小徑材、次生材、薪炭材、劣質(zhì)材和林區加工剩余物等作為造紙工業(yè)的主要原料。目前發(fā)展高得率制漿技術(shù),可以利用速生材及林產(chǎn)工業(yè)剩余物生產(chǎn)強度、潔凈度和白度均好,且得率高的紙漿,該法具有污染負荷小,投資費用低等優(yōu)點(diǎn),對于改變目前我國木漿短缺局面,振興造紙工業(yè)有良好前景。1.8林業(yè)廢棄物綜合利用利用農林廢棄物水解可以制成糠醛。再深加工可以得到糠醇、四氫呋喃、呋喃樹(shù)脂等產(chǎn)品,年產(chǎn)量10萬(wàn)多噸。纖維素經(jīng)稀酸水解、降解得到微晶纖維素,可以用于醫藥壓片的賦形劑、食品添加劑。木質(zhì)素經(jīng)過(guò)改性可以制成木材膠粘劑、表面活性劑等。2利用生物質(zhì)資源代替化石資源是當前經(jīng)濟發(fā)展趨勢2.1利用生物質(zhì)資源是當前經(jīng)濟發(fā)展趨勢我國是化石資源短缺的國家,尤其是石油資源,2004年石油進(jìn)口量達到1.2億噸。預計到2020年,將突破2億噸,這將成為長(cháng)期制約我國經(jīng)濟發(fā)展和國防安全的障礙?；Y源不可再生,加上化石產(chǎn)品會(huì )造成嚴重的環(huán)境污染。鑒于資源與環(huán)境的壓力迫中國煤化工資源。目前生物質(zhì)資源被認為是替代化石資源的最佳選擇。生物質(zhì)是指由植CNMHG合成得到的物質(zhì)的總稱(chēng)。以生物質(zhì)替代化石資源發(fā)展化學(xué)工業(yè)是人類(lèi)可持續發(fā)展的必經(jīng)之路。盡管現在的研究仍處于初級階段,但其強大的生命力已經(jīng)顯示出來(lái),也有越來(lái)越多的國家開(kāi)始重視這方面的研究現代的生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)是指利用可再生或循環(huán)的有機物質(zhì),包括農作物樹(shù)木和其他植物,及有機廢棄12林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)第25卷物等為原料,通過(guò)工業(yè)性加工轉化,進(jìn)行生物基產(chǎn)品、生物燃料和生物能源等環(huán)境友好生產(chǎn)的一種新興產(chǎn)業(yè)。美國計劃2020年生物基產(chǎn)品和生物能源較2000年增加20倍,這樣可以減少碳排放量1億噸和增加農民收入200億美元。殼牌石油公司估計,21世紀的前50年生物質(zhì)將提供世界化學(xué)品和燃料的30%,市場(chǎng)份額達到1500億美元。巴斯福公司2003年宣布,將以可再生的生物質(zhì)資源作為化學(xué)品生產(chǎn)的主要原料。杜邦公司將2010年銷(xiāo)售額的25%定位于生物質(zhì)產(chǎn)品。這些都說(shuō)明生物質(zhì)資源將有可能替代化石資源成為所有化學(xué)品的來(lái)源。生物質(zhì)資源的特點(diǎn)2.2.1資源豐富我國生物質(zhì)來(lái)源廣泛,儲量大。有高等植物3萬(wàn)多種,居世界第三位。另外每年還有7億噸作物秸稈(其熱值相當于3.5億噸標準煤),2億多噸林地廢棄物和木材加工剩余物,畜禽糞便實(shí)物量1.2億噸(干),數百萬(wàn)噸的樹(shù)木果實(shí)和天然樹(shù)脂,以及數百萬(wàn)噸的廢棄生物油脂未被利用。就總資源量,我國開(kāi)發(fā)的生物質(zhì)資源熱值總量相當于8億噸標準煤。預計林業(yè)生物質(zhì)資源量的熱值到2020年將會(huì )達到15億噸標準煤。這些豐富的林業(yè)生物質(zhì)資源為我們通過(guò)綠色化學(xué)利用技術(shù)開(kāi)發(fā)生物質(zhì)能源、生物質(zhì)化學(xué)品、生物質(zhì)新材料提供了可靠的原料保證。2.2.2品種多樣現在已知世界上的生物多達25萬(wàn)多種。生物的多樣性,決定了生物質(zhì)的多樣性。任何一種生物都有可能為人類(lèi)提供一種或多種生物質(zhì)。例如,水稻可以提供稻谷和秸桿,含有淀粉、木質(zhì)素和纖維素;樹(shù)木可以提供樹(shù)干、樹(shù)根、樹(shù)葉、果實(shí)及分泌物等,含有纖維素、木質(zhì)素、單糖及多糖、松脂、單寧、生漆、植物油脂等。2.2.3用途廣泛生物質(zhì)轉化途徑的多樣性,決定了生物質(zhì)使用性能上的多樣性。利用生物質(zhì)可以生產(chǎn)清潔燃料,如沼氣、生物酒精和生物柴油等,還可以用于開(kāi)發(fā)出適應未來(lái)市場(chǎng)且環(huán)境友好的石油和天然氣的替代品等生物基產(chǎn)品。例如,生物質(zhì)源高分子材料、生物質(zhì)源精細化學(xué)品等。同時(shí),生物質(zhì)主要成分為碳水化合物,在生產(chǎn)及使用過(guò)程中與環(huán)境友好。2.3對我國國民經(jīng)濟建設具有重要的作用2.3.1緩解能源危機,是國民經(jīng)濟可持續發(fā)展的重要保證我國石油儲量只是世界儲量的2%,消費量卻高居世界第二位。據預測,2020年石油進(jìn)口依賴(lài)度將超過(guò)55%。電力供應方面也存在較大缺口。1999年人均用電不到1000kW·h。所以能源供應安全問(wèn)題已成為制約我國經(jīng)濟發(fā)展的障礙。經(jīng)過(guò)物理和化學(xué)轉換技術(shù),生物質(zhì)資源可以高效地轉化成常規的固態(tài)液態(tài)和氣態(tài)燃料以及其它化工原料或者產(chǎn)品,替代化石燃料,緩解資源短缺。同時(shí),生物質(zhì)能屬于環(huán)境友好的清潔能源,可以避免由于化石能源的大量使用,引起了日益嚴重的環(huán)境問(wèn)題。2.3.2促進(jìn)林業(yè)產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展森林資源的可再生性、生物多樣性、對環(huán)境的友好性和對人類(lèi)的親和性決定了以生物質(zhì)資源綠色化學(xué)技術(shù)為依托的林業(yè)生物產(chǎn)業(yè)在推進(jìn)國家未來(lái)經(jīng)濟發(fā)展和社會(huì )進(jìn)步,為人類(lèi)提供生命支持服務(wù)與豐富的物質(zhì)文化需求,實(shí)現森林可持續經(jīng)營(yíng)具有廣闊發(fā)展前景。不僅充分顯示了林業(yè)生物產(chǎn)業(yè)巨大的發(fā)展潛力,而且順應了國際貿易和經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展的潮流,有利于增強我國的綜合國力和國際市場(chǎng)的核心競爭力。就可用于林業(yè)生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的資源總量而言,通過(guò)生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,可將現有林業(yè)總產(chǎn)值(2003年林業(yè)總產(chǎn)值5860.33億元)提高兩倍以上,從而促進(jìn)林業(yè)產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展。2.3.3調整農村產(chǎn)業(yè)結構、解決“三農”問(wèn)題的重要支撐我國的生物質(zhì)資源主要分布在農村,8億多農村居民約50%生活用能仍然依靠秸稈、薪柴等生物質(zhì)的直接燃燒提供,落后的用能方式造成了嚴重隨地寬燒又成了不境污染所以發(fā)展林生物質(zhì)%它/本白在生科等棄物嚴重過(guò)的室內環(huán)境污染,危害人體健康質(zhì)化和清潔化,也有利于農村全面建設小康社會(huì )。CNMHG目前,我國每年有3億多噸的農林資源剩余物沒(méi)有利用,若利用其中10%來(lái)發(fā)電,則可以產(chǎn)生總電量的10%,給農民帶來(lái)70多億元收入,既可減少環(huán)境污染,同時(shí)又可提供數百萬(wàn)人就業(yè)機會(huì )。因此,我國林業(yè)生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)緊扣“資源、能源、環(huán)境、三農”四大主題,將成為國民經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè),具有不可增刊宋湛謙:生物質(zhì)資源與林產(chǎn)化工替代的戰略地位。3林業(yè)生物質(zhì)資源化學(xué)利用將擴大林產(chǎn)化工的領(lǐng)域利用林業(yè)生物質(zhì)資源可以開(kāi)發(fā)生物質(zhì)新材料、生物質(zhì)化學(xué)品和生物質(zhì)能源,從而大大擴大了原有林產(chǎn)化工的研究領(lǐng)域。3.1生物質(zhì)新材料林業(yè)生物質(zhì)資源中,纖維素和木質(zhì)素含量極其豐富。據估計,作為植物生物質(zhì)的主要成分—木質(zhì)素和纖維素每年以約1640億噸的速度不斷再生。對纖維素和木質(zhì)素的研究,一直受到科研人員的關(guān)注。如日本以纖維素和從甲殼制得的脫乙酰殼聚糖復合,采用流延工藝制成薄膜,具有與通用薄膜同樣的強度,并可在2個(gè)月后完全降解。在纖維素功能化的分子設計中,通過(guò)化學(xué)改性在保持纖維素原有特征的同時(shí)賦予纖維素某些特殊的性能。國外開(kāi)發(fā)出織物整理劑、建筑涂料、水性膠粘劑、藥物載體材料等纖維素丙烯酸乳液。木質(zhì)素是僅次于纖維素的一種天然高分子化合物。采用化學(xué)接枝、生化接枝、電化學(xué)接枝等改性木質(zhì)素可以制備土壤調節劑、助凝劑、增稠劑、石油鉆井液、表面活性劑、分散劑等。20世紀90年代以來(lái)木質(zhì)素利用更注重于開(kāi)發(fā)以木質(zhì)素為基礎的合成高分子材料,生產(chǎn)合成樹(shù)脂、表面活性劑和膠粘劑等產(chǎn)品。日本的科學(xué)家于2001報道了改性木質(zhì)素制備炭纖維的方法。闊葉材的乙酸木質(zhì)素經(jīng)溶解紡紗可以很容易獲得纖維,而纖維經(jīng)過(guò)熱穩定化處理可以轉化為炭纖維。炭纖維再經(jīng)蒸汽處理可獲得與商業(yè)活性炭性能相當或更優(yōu)越的活化炭纖維。3.2生物質(zhì)化學(xué)品3.2.1生物質(zhì)綠色平臺化合物平臺化合物是指那些來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、用途眾多的一類(lèi)基本有機化合物,可以進(jìn)一步合成一系列高附加值產(chǎn)品?？稍偕镔|(zhì)資源具有獲得新型綠色平臺化合物的各方面優(yōu)勢,可以作為典型的綠色替代原材料用于合成各種化學(xué)品,如,葡萄糖(乳酸,乙醇)、糠醛(羥甲基糠醛)和乙酰丙酸等。 Cargil-Dow公司正在建設年產(chǎn)14萬(wàn)噸由玉米芯發(fā)酵生產(chǎn)聚乳酸的工廠(chǎng),以開(kāi)發(fā)多種塑料。3.22生物質(zhì)提取物和分泌物這是生物質(zhì)資源綜合利用的重要領(lǐng)域,具有廣闊的市場(chǎng)空間和良好的產(chǎn)業(yè)化前景。今后發(fā)展方向是著(zhù)重于產(chǎn)品的深加工,開(kāi)發(fā)高附加值產(chǎn)品。作為松樹(shù)的分泌物——松脂可以作為各種樹(shù)脂的原料,如造紙施膠劑樹(shù)脂、增粘劑樹(shù)脂、油墨樹(shù)脂、涂料樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、合成橡膠、合成農用塑料薄膜等,還可以作為各種功能材料的原料,如藥物、維生素、昆蟲(chóng)激素、香料、合成麝香、合成檀香等。以藥效植物提取物產(chǎn)品開(kāi)發(fā)各種保健藥品、食品和天然化妝品,已被認為是世界上最有前途的產(chǎn)業(yè)之一。據報道,國際市場(chǎng)藥品的20%即30億美元來(lái)自于植物提取的藥物。據估計,2020年國際植物提取物市場(chǎng)約120億美元。生物農藥是農藥的發(fā)展方向。2000年全世界生物農藥占全部農藥市場(chǎng)份額的2.5%,銷(xiāo)售額6億多美元。預計10年后生物農藥的市場(chǎng)份額將達20%以上。到2005年,我國各類(lèi)生物農藥的總銷(xiāo)售量可望達到20萬(wàn)噸。印楝生物農藥的發(fā)展具有十分廣闊的市場(chǎng)前景。未來(lái)10年內,印楝生物農藥的銷(xiāo)售量將達25萬(wàn)余噸,市場(chǎng)銷(xiāo)售額約10億美元。生物肥料具有固氮、溶磷、產(chǎn)生生長(cháng)刺激素等多項功能,而且無(wú)污染,是化肥的理想替代品。3.3生物質(zhì)能源生物質(zhì)能是未來(lái)最重要的可再生性能源。許多國家已把高效利用生物質(zhì)能放在一個(gè)相當重要的地位。生物質(zhì)能在總能耗中由2%~3%激增到2000年的15%。目前生物質(zhì)能源轉化主要集中在氣化(發(fā)電供熱)液化(生物油、醇生物柴油)固化和直打中國煤化工如利用農林廢棄物制取乙醇的技術(shù)研究,美國計劃到2010年,可再生的生物質(zhì)CNMHG和1200萬(wàn)噸生物柴油。美國現在大約4%的能源由生物質(zhì)提供,2010年生物質(zhì)能比將達到10%,到2020年將達到17%。預計到2050年世界上38%的直接燃料將來(lái)自生物質(zhì)資源。英國計劃2010年可再生能源發(fā)電占總發(fā)電量的10%。歐盟2001年生物柴油產(chǎn)量已超過(guò)100萬(wàn)噸。林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)第25卷我國現有能源體系逐步向可再生能源為主的能源體系轉變。生物質(zhì)能源的應用已取得一定的進(jìn)展。預計,到2020年,我國生物質(zhì)能源量達到15億噸標準煤,并將其中30%的資源用于生產(chǎn)液體燃料,即可為我國石油市場(chǎng)提供2億噸液體燃料。同時(shí),針對目前我國在電力供應方面存在的較大缺口,若以當前農林廢棄物產(chǎn)量的20%作為電站燃料,可發(fā)電1600億kW·h,將占目前我國總耗電量的12%左右。因此,從我國能源的發(fā)展戰略和資源環(huán)境協(xié)調角度來(lái)看,建立具有自身特點(diǎn)的生物質(zhì)能源研究、開(kāi)發(fā)、產(chǎn)業(yè)化體系十分必要。4結語(yǔ)為了使生物質(zhì)資源更好地為國民經(jīng)濟服務(wù),當前應該重點(diǎn)解決以下關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題:生物質(zhì)化學(xué)品綠色化制造技術(shù);生物質(zhì)原料、產(chǎn)品分離純化技術(shù);生物質(zhì)化學(xué)品生產(chǎn)技術(shù)集成及工程化開(kāi)發(fā);生物質(zhì)材料活化技術(shù);生物質(zhì)材料復合、聚合、樹(shù)脂化技術(shù);生物質(zhì)功能高分子材料開(kāi)發(fā)技術(shù);生物質(zhì)微生物轉化制備酒精的關(guān)鍵技術(shù);生物柴油和化工產(chǎn)品綜合制備技術(shù);生物質(zhì)快速熱裂解和高壓液化技術(shù)以及生物質(zhì)氣化供熱和發(fā)電系統技術(shù)。參考文獻[1]宋湛謙.我國林產(chǎn)化工產(chǎn)業(yè)的現狀與發(fā)展趨勢[J].中國林業(yè)產(chǎn)業(yè),2004,(6):17-19[2]石元春.發(fā)展生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)[N].科技日報,2005-03-02(1)[3]石元春.現代農業(yè)[].中國農業(yè)科技導報,2002,4(6):1-4本刊信息Pana中"科技論文計源期刊收錄證書(shū)你產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)經(jīng)過(guò)多項學(xué)術(shù)指標綜合評定及同行多位專(zhuān)家評議推薦,貴刊被收錄為國家科技部“中國科技論文統計源期刊”(中國科技核心期鮮刊)。特頒發(fā)此證書(shū)中國研究所中國煤化工CNMHG