生物质资源是替代化石类资源的理想选择，但由于其元素组成、化学键型、化学成分等十分复杂，从固体原料到固体或液体产品的转化过程要难于传统的石油炼制过程。如何最大化挖掘出生物质产业的能量？中科院过程所研究员陈洪章本周接受记者采访时预言，选择性组分拆分—功能经济性利用技术作为生物基产品开发与利用的新途径，有望突破生物质经济发展面临的瓶颈。
资源利用 兼顾资源环境成本
“发展新一代生物质产业，需要考虑到生物质原料多组分、多功能、结构复杂的特点，不能单纯地进行化学、生物分解。”陈洪章指出，在技术经济性方面不仅要考虑资源、环境因素，更需突破经济成本，探索组分与利用之间的关联性。不能简单套用催化发酵法，必须从原料的结构与功能特性出发，探索清洁生产新方法。
基于这样的认识，陈洪章领衔的课题组首次针对生物质原料在化学成分、结构组成、酶解及发酵性能上的不均一性，提出了选择性组分拆分—功能经济性利用这一生物质炼制的新途径，即最大限度地保持生物质大分子的原有结构，尽可能激活适于酶解组分的生物活性，同时实现中间产物的价值最大化。
在对生物质的原料特性、转化过程和产品要求等进行充分研究之后，他们创新性地建设了十余条生物质炼制生产线。经过长期的实践验证，确认了选择性组分拆分—功能经济性利用这种新型生物质炼制工业技术体系的可行性、合理性和可靠性，并发展成为突破生物质炼制生物燃料、生物材料和生物化学品等技术瓶颈的一条有效途径。这项成果已申请国外发明专利9项、国际PCT专利3项，获得授权国际发明专利3项；申请中国发明专利184项，获得授权79项。专利技术在数十家单位获得应用，获得了上亿元的经济效益。
“三个面向” 构思炼制新体系
在长期的研究与实践中，陈洪章发现，原料不均一是生物质炼制难以实现经济、绿色、规模化的重要原因，理想的生物炼制过程应该将原料结构、过程转化和产品特点三者有机联系。在此基础上，他们提出了理想的生物质炼制模式——生物质原料组分分离-定向转化炼制，即面向原料、面向过程、面向产品的一种新型炼制模式。
陈洪章认为，理想的生物质炼制模式应该具备以下几个特征：
一是尽可能保留原料中大分子物质原有的特点。从木质纤维原料的化学、组织、器官等差异性出发，根据产品要求建立创新的选择性结构拆分方法，获得高纯度的半纤维素、纤维素和木质素组分；根据产品特性，选择高效的生物或化学转化过程，实现生物质原料的功能转化。
二是尽可能改善原料中底物的生物转化性能。木质纤维素原料生物炼制过程中，纤维素酶制剂成本居高不下的主要原因之一，是水解纤维素需要的用酶量是水解淀粉所需酶量的40~100倍。为了显著降低纤维素酶的用量，需要发现更高效的酶组分。
三是中间产物的功能最大化。生物质原料是一种含有复杂化学键的功能大分子体，不可避免地要生成大量中间产物。要从原料特性出发尽可能减少这部分物质的产生，同时还要实现这部分物质的最大功能化应用。
因材施法 将秸秆变高值产品
自1988年以来，陈洪章等一直从事秸秆的高值利用关键技术开发。除了理想生物质炼制模式的研究，他们还从生物质原料的分子、细胞、组织等水平系统地分析了其在化学组成、物理性能和纤维素酶解方面的差异性，并取得了重要成果。这些研究内容是选择性组分拆分-功能经济性利用技术的重要组成部分。
据介绍，他们开发的生物质炼制关键过程平台——大规模汽爆技术，对于木质素低、乙酰基含量高的秸秆原料有良好的适应性，具有无需化学试剂预浸、蒸汽压力低、能耗低、无污染等特点。目前，模低压汽爆工艺已成功放大至工业规模，在造纸、纺织等领域实现了绿色化升级，并探索了半纤维素、木质素的高值化利用途径。
陈洪章表示，生物质经济要求秸秆成为生物化工领域的通用工业原料，其前提是开发使秸秆原有结构和功能被保留利用的炼制工程和技术。单纯的秸秆组分分离-再转化路线难以使秸秆等木质纤维素成为工业通用原料，应该将秸秆炼制提升到选择性结构拆分-再功能转化利用的层面。其着眼点不仅在于获得产品，还要实现最低能耗、最佳效率、最大价值的清洁转化。
此外，他们经过长期探索发现，麻类作物的纤维细胞长，适于生产纺织纤维；玉米秸秆的纤维细胞短、半纤维素含量高，适于生产纤维素酶、酶解发酵乙醇、聚醚多元醇、酚醛树脂；稻草、小麦等纤维细胞较长、木质素含量低，适于造纸及生产丁醇和酚醛树脂；阔叶木片的木质素含量高、半纤维素含量低，适于开展木质素与纤维素的综合利用。
陈洪章表示，这些研究成果推广应用后，将在一定程度上提升生物质资源的利用效率。
