生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展與林產(chǎn)化工

第25卷增刊林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)Vol 25 Supplement2005年10月Chemistry and Industry of Forest Productsoct.2005專(zhuān)家特稿生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展與林產(chǎn)化工沈兆邦(中國林業(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:現代生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)是在化石能源逐漸枯竭、全球變暖、環(huán)境惡化的形勢下產(chǎn)生的利用可再生的生物質(zhì)原料,通過(guò)工業(yè)性加工轉化,進(jìn)行生物基產(chǎn)品和生物質(zhì)能源生產(chǎn)的一種新興產(chǎn)SHeN ZB業(yè)。林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)在生產(chǎn)原料、加工工藝和產(chǎn)品方面都和目前提出的生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)有著(zhù)密切的關(guān)聯(lián),要從發(fā)展生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)這一戰略目標出發(fā)來(lái)審視和考慮林產(chǎn)化工相關(guān)領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā)工作,加強林產(chǎn)化學(xué)加工工程學(xué)科和重點(diǎn)實(shí)驗室建設,加強人才培養,為生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù)。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);生物質(zhì)產(chǎn)業(yè);林產(chǎn)化工中圖分類(lèi)號:TQ351.2文獻標識碼:A文章編號:0253-2417(2005)S0-0001-04BIOMASS INDUSTRY DEVELOPMENT AND CHEMICALPROCESSING OF FOREST PRODUCTSSHEN Zhao-banInstitute of Chemical Industry of Forest Products, CAF, Nanjing 210042, China)Abstract Biomass industry is a novel industry based on the utilization of sustainable biomass feedstock to producebio-based products and bio-energy, which is evolved under the situation of inadequate resources of the fossil fuels andglobal climate changes as well as environmental deterioration. The chemical processing of forest products is quiteclosely connected with the biomass industry in the respects of raw material, processing technology and products. It isnecessary to consider the research and development work in related areas of the chemical processing of forest productsfrom the view of development of biomass industry and enhance the construction of the discipline"chemical processingengineering of forest products" and the key laboratories of State Administration of Forestry to meet the demands of de-elopment of biomass industry.Key words: biomass; biomass industry; chemical processing of forest products進(jìn)入21世紀以來(lái),生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)( biomass industry)越來(lái)越引起人們的注意?；仡?0世紀,石油化工為人類(lèi)社會(huì )的發(fā)展起到了重要作用,汽油、柴油、塑料、高分子材料以及化學(xué)品等大都來(lái)自石化工業(yè)?？梢哉f(shuō),20世紀是石油化學(xué)經(jīng)濟發(fā)展的時(shí)代。但是,自上世紀末,化石能源漸趨枯竭,溫室氣體導致全球變暖,以及環(huán)境惡化的危機感和緊迫感,使“可持續發(fā)展”成為國際社會(huì )普遍關(guān)注的問(wèn)題。利用可再生的生物質(zhì)生產(chǎn)能源燃料和化工產(chǎn)品,來(lái)彌補化石資源的不足,重新引起人們的關(guān)注。我國是一個(gè)石油資源不足的國家,石油儲量?jì)H為世界的2%,而消費量卻為世界第二,石油進(jìn)口由1994年的300萬(wàn)噸增加到204年的14億噸進(jìn)口依存度達46%。因此發(fā)凵中國煤化工發(fā)展具有重要的現CNMHG收稿日期:2005-06-20作者簡(jiǎn)介:沈兆邦(1939-),男,江蘇太倉人,研究員,博士生導師,中國林學(xué)會(huì )林產(chǎn)化學(xué)化工分會(huì )主任委員,主要從事天然產(chǎn)物化學(xué)利用和研究林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)第25卷實(shí)意義和戰略意義。1生物質(zhì)和生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)生物質(zhì)是指任何可再生或可循環(huán)的有機物質(zhì),包括農作物、樹(shù)木和木材廢棄物及剩余物,植物(含水生植物)、草及其殘留物,纖維和動(dòng)物廢棄物,可分類(lèi)的城市垃圾和其它廢棄材料。生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)是指利用上述可再生的生物質(zhì)原料,通過(guò)工業(yè)性加工轉化,進(jìn)行生物基產(chǎn)品( biobased products)和生物質(zhì)能源( bioenergy)生產(chǎn)的一種新興產(chǎn)業(yè)。在生物質(zhì)能源方面又可分為生物質(zhì)發(fā)電( biopower)和生物質(zhì)燃油( biofuels)【22000年美國國會(huì )通過(guò)了“生物質(zhì)研究和開(kāi)發(fā)法案”( Biomass Research and Development Act of2000)3,要求在可持續發(fā)展基礎上,大量增加由生物質(zhì)生產(chǎn)的燃油、化學(xué)品、材料和能源,以減少對進(jìn)口原油的依賴(lài),并促進(jìn)生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。根據“法案”由美國農業(yè)部(USDA)和能源部(DOE)牽頭組織全國的研發(fā)工作,并成立了“生物質(zhì)技術(shù)咨詢(xún)委員會(huì )”。根據“生物質(zhì)技術(shù)咨詢(xún)委員會(huì )”提出的2020年規劃和技術(shù)路線(xiàn)圖4,至2020年生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)在能源、運輸用燃油、化學(xué)品和材料生產(chǎn)中所占比例如表1所示。為了達到上述目標,USDA和表1生物質(zhì)在美國經(jīng)濟中的作用(2020年目標)DOE開(kāi)展了大規模的研發(fā)工作,2003Table 1 The role of biomass in US economy goal in 2020)%年USDA投人研發(fā)經(jīng)費達2.849億美年份電能、熱能運輸用燃油化學(xué)品和材料ansportation fuels chemicals and materials元,DOE投入研發(fā)經(jīng)費達1.318億美00元5,按計劃僅美國能源部200420102008年將投入34.0406億美元。其生物質(zhì)研究計劃主要包括以下5個(gè)核心研究領(lǐng)域。1.1生物質(zhì)原料層面的研究和開(kāi)發(fā)其目標是開(kāi)發(fā)可大規模提供低成本、高質(zhì)量的木質(zhì)纖維生物質(zhì)的技術(shù),供生物提煉廠(chǎng)生產(chǎn)熱和電能、化學(xué)品和其它材料。1.2糖平臺( sugar platform)的研究和開(kāi)發(fā)包括用化學(xué)和生物技術(shù)將生物質(zhì)分解成單糖組分,其目標是獲得廉價(jià)的糖,以開(kāi)發(fā)燃油、化學(xué)品和其它材料。制糖后的木質(zhì)素殘渣可用于發(fā)電或制備其它產(chǎn)品。目前主要研究的方向是先將粉碎生物質(zhì)原料用稀酸進(jìn)行熱化學(xué)處理,水解半纖維素至戊糖,然后將纖維素進(jìn)行酶水解制取己糖。所得到的糖除發(fā)酵制乙醇外,還可制取高附加值的化學(xué)產(chǎn)品。美國西北太平洋國家實(shí)驗室(PNL)和國家再生能源實(shí)驗室(NREL)已對可由戊糖和己糖生產(chǎn)的300種化合物?,根據其生產(chǎn)和進(jìn)一步加工高附加值化合物的可行性進(jìn)行了評估和篩選提出了30種候選平臺化合物。并從其中又篩選出12種最有價(jià)值的平臺化合物(1,4-丁二酸、富馬酸、蘋(píng)果酸、2,5-呋喃二酸、3-羥基丙酸、天冬氨酸、葡糖二酸、谷氨酸、衣槺酸、乙酰丙酸、3-羥基丁內酯、甘油、山梨醇、木糖醇或阿拉伯糖醇)。水解后的木質(zhì)素殘渣除可作燃料外,將被用于研制木質(zhì)素衍生物產(chǎn)品,目前主要研究方向是木質(zhì)素殘渣堿降解,降解產(chǎn)物的催化加氫脫氧和加氫裂解制取燃油添加劑。13熱化學(xué)平臺( thermochemical platform)的研究和開(kāi)發(fā)其目標是將生物質(zhì)或生物提煉廠(chǎng)的生物質(zhì)殘渣轉化成熱解油和合成氣。它們可直接作為燃油或產(chǎn)品使用,亦可進(jìn)一步精制成可替代現有的原油汽油柴油14產(chǎn)品研究和開(kāi)發(fā)其目標是將糖平臺和熱化學(xué)平臺提供的中間產(chǎn)品,YH高軸勿的桃油和產(chǎn)品。中國煤化工CNMH學(xué)品和材料以及熱電產(chǎn)品。1.5綜合生物提煉裝置的研究和開(kāi)發(fā)其任務(wù)是和產(chǎn)業(yè)界結合將上述4方面的研究成果實(shí)現產(chǎn)業(yè)化示范。沈兆邦:生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展與林產(chǎn)化工上述5個(gè)核心研發(fā)領(lǐng)域關(guān)系見(jiàn)圖1。除上述內容外,尚有其它一些研究和開(kāi)發(fā),如“生物氣平臺( biogas platform)的研究和開(kāi)發(fā)、“長(cháng)碳鏈化合物平臺”(long- chain carbon platform)的研究和開(kāi)發(fā),主要用植物油和動(dòng)物脂肪制備生物柴油( biodiesel),以及“植物產(chǎn)品平臺”( plant products platforn)的研究和開(kāi)發(fā)糖平臺 sugar platform酶水解 enzymatic hydrolysis木質(zhì)素 lignin糖與木質(zhì)素中間體sugar and lignin intermediates生物質(zhì) biomass產(chǎn)品 products農林廢棄物收集 residue harvesting燃料、化學(xué)品、材料、熱與電能生物提煉裝置能源林和作物 energy cropsfuels, chemicals, materials, heat powerbiorefineries氣體與液體產(chǎn)物中間體熱化學(xué)平臺 thermochemical platformgas and liquid intermediates熱解油、合成氣 pyrolysis, gasification圖1美國生物質(zhì)研發(fā)計劃5個(gè)核心領(lǐng)域關(guān)系圖Fig. I Five core research and development areas of US biomass program美國生物質(zhì)計劃認為,“糖平臺”和“熱化學(xué)平臺”是最有前景的2種生物質(zhì)轉化工藝,在燃料乙醇方面,目前主要利用玉米淀粉水解糖發(fā)酵生產(chǎn),但下一步將要集中開(kāi)發(fā)玉米秸桿等木質(zhì)纖維原料水解糖源制備燃料乙醇和其它化學(xué)品2林產(chǎn)化工和生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)是以可再生的木質(zhì)和非木質(zhì)森林產(chǎn)物為原料,經(jīng)化學(xué)和生物技術(shù)加工、生產(chǎn)各種國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活所必需的產(chǎn)品。我國的林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)按使用原料不同可分為2大類(lèi)。2.1木質(zhì)纖維原料的化學(xué)利用木質(zhì)纖維原料的化學(xué)利用主要利用木材的3大組分,即纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。目前的主要產(chǎn)品是,木漿和紙產(chǎn)品、木質(zhì)素磺酸鹽、糠醛、木糖和木糖醇低聚木糖、木炭和活性炭能源產(chǎn)品,包括木煤氣、成型燃料以及直接燃燒(在木漿廠(chǎng)和糠醛廠(chǎng)均利用加工殘渣燃燒提供所需能源)等。從學(xué)科領(lǐng)域來(lái)看,主要為木材制漿、木材水解和木材熱解。在木材水解方面,20世紀60年代,我國曾大力開(kāi)展木質(zhì)原料水解制酒精和酵母研究,先后開(kāi)展了木材稀酸、濃硫酸水解以及機械化學(xué)法水解等多種工藝的研究,并曾在黑龍江建設年產(chǎn)4000噸酒精及相應的飼料酵母和干冰的南岔木材水解廠(chǎng)。近年來(lái)在木質(zhì)纖維原料爆破法預處理、纖維素酶解、戊糖己糖同步發(fā)酵方面也都進(jìn)行了不少工作。在戊糖利用方面,我國目前有200余家糠醛廠(chǎng),生產(chǎn)能力超過(guò)30萬(wàn)噸。2004年產(chǎn)糠醛20余萬(wàn)噸,占世界產(chǎn)量的三分之二以上,是世界上最大的糠醛生產(chǎn)和出口國。同時(shí),以糠醛為原料生產(chǎn)糠醇呋喃樹(shù)脂、四氫糠醇、四氫呋喃和聚四氫呋喃等一系列產(chǎn)品均已工業(yè)化,在國際上具有重要的地位。在木糖和木糖醇生產(chǎn)方面也已有多家生產(chǎn)廠(chǎng),具有豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗。在木材熱解方面,我國發(fā)展較快的為活性炭生產(chǎn)及其工藝設備和產(chǎn)品開(kāi)發(fā),已成為世界上最大的活性炭生產(chǎn)國。此外,近年來(lái)隨著(zhù)國家對生物質(zhì)能源的重視,對各種裂解工藝和爐型、生物質(zhì)氣化、成型燃料等也都有廣泛的研究和工業(yè)化生產(chǎn)此外在木質(zhì)素利用方面我國林化工作者也先后開(kāi)中國煤化工素熱解制活性炭,木質(zhì)素磺酸鹽的生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)利用,木質(zhì)素直接燃燒技術(shù)等。HHCNMHG22非木質(zhì)林業(yè)原料的化學(xué)利用非木質(zhì)林業(yè)原料的化學(xué)利用主要利用存在于原料中的各種天然有機產(chǎn)物,如萜類(lèi)化合物、生物堿、黃酮類(lèi)化合物、多酚、脂肪酸、多糖及其它天然化合物。目前的主要產(chǎn)品為松香、松節油植物單寧、紫林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)第25卷膠、桐油、芳香油、生物活性提取物及其深加工產(chǎn)品等。在松脂化學(xué)加工方面,我國年產(chǎn)松香50多萬(wàn)噸是世界上最大的松香生產(chǎn)國,并已工業(yè)化生產(chǎn)一系列松脂深加工產(chǎn)品,廣泛應用于各工業(yè)部門(mén)。從非木林產(chǎn)品,如松節油、松香、五倍子等提取天然化學(xué)品,再進(jìn)一步合成各種化工產(chǎn)品也有了很大的發(fā)展。綜上所述可見(jiàn),林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)在生產(chǎn)原料、加工工藝和產(chǎn)品方面都和目前提出的生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)有著(zhù)密切的關(guān)聯(lián),和國際上提出的生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)主要研發(fā)領(lǐng)域,“糖平臺”和“熱化學(xué)平臺”有著(zhù)深刻的淵源關(guān)系。在“長(cháng)碳鏈化合物平臺”和“植物產(chǎn)品平臺”研發(fā)領(lǐng)域也有共同之處。生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將為我國林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)提供一個(gè)廣闊的舞臺,我國林產(chǎn)化學(xué)工作者長(cháng)期從事這一領(lǐng)域的研究,應當在這方面發(fā)揮更大的作用。3結論和建議3.1生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)是一個(gè)古老而又新興的產(chǎn)業(yè)?，F代生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)是在化石能源逐漸枯竭、全球變暖、環(huán)境惡化的形勢下產(chǎn)生的可持續發(fā)展的、保護環(huán)境的產(chǎn)業(yè)。我國是一個(gè)石油資源不足的國家,發(fā)展生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)對我國經(jīng)濟發(fā)展具有重要的現實(shí)意義和戰略意義。3.2林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)和生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)有著(zhù)深刻的淵源關(guān)系。發(fā)展生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)對我國林化工作者來(lái)說(shuō)是個(gè)很好的機遇和挑戰。當前,要從發(fā)展生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)這一戰略目標出發(fā)來(lái)審視和考慮林產(chǎn)化工相關(guān)領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā)工作,特別是要圍繞生物質(zhì)制能、液體燃料和燃油添加劑、平臺化合物開(kāi)發(fā)等制訂相關(guān)的研究和開(kāi)發(fā)計劃,加強生物技術(shù)在林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)中的應用。努力爭取國家項目的支持,充分發(fā)揮林產(chǎn)化學(xué)工作者在相關(guān)領(lǐng)域積累的多年工作經(jīng)驗和優(yōu)勢,為21世紀我國生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作出貢獻。3.3發(fā)展生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)是一個(gè)長(cháng)期的任務(wù),它將為21世紀生物質(zhì)經(jīng)濟的發(fā)展奠定基礎。我國木質(zhì)纖維原料資源豐富,有著(zhù)很好的發(fā)展生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的條件。要進(jìn)一步加強相關(guān)高校和研究機構林產(chǎn)化學(xué)加工工程學(xué)科和國家林業(yè)局林產(chǎn)化工重點(diǎn)實(shí)驗室的建設,為生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展培養更多的高質(zhì)量的人才。參考文獻[1]石元春.發(fā)展生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)[N].科技日報,2005-03-02(1)[2]孫振鈞中國生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)及發(fā)展取向[].農業(yè)工程學(xué)報,2004,20(5):1-5[3]usBiomassResearchandDevelopmentActof2000[Db/oL].http://www.bioproducts-bioenergy.gov/about/bio-act.asp2000-06-20/2005-06[4JUS 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