生物質資源是替代化石類資源的理想選擇，但由于其元素組成、化學鍵型、化學成分等十分復雜，從固體原料到固體或液體產品的轉化過程要難于傳統的石油煉制過程。如何最大化挖掘出生物質產業的能量？中科院過程所研究員陳洪章本周接受記者采訪時預言，選擇性組分拆分—功能經濟性利用技術作為生物基產品開發與利用的新途徑，有望突破生物質經濟發展面臨的瓶頸。

    資源利用 兼顧資源環境成本

    “發展新一代生物質產業，需要考慮到生物質原料多組分、多功能、結構復雜的特點，不能單純地進行化學、生物分解。”陳洪章指出，在技術經濟性方面不僅要考慮資源、環境因素，更需突破經濟成本，探索組分與利用之間的關聯性。不能簡單套用催化發酵法，必須從原料的結構與功能特性出發，探索清潔生產新方法。

    基于這樣的認識，陳洪章領銜的課題組首次針對生物質原料在化學成分、結構組成、酶解及發酵性能上的不均一性，提出了選擇性組分拆分—功能經濟性利用這一生物質煉制的新途徑，即最大限度地保持生物質大分子的原有結構，盡可能激活適于酶解組分的生物活性，同時實現中間產物的價值最大化。

    在對生物質的原料特性、轉化過程和產品要求等進行充分研究之后，他們創新性地建設了十余條生物質煉制生產線。經過長期的實踐驗證，確認了選擇性組分拆分—功能經濟性利用這種新型生物質煉制工業技術體系的可行性、合理性和可靠性，并發展成為突破生物質煉制生物燃料、生物材料和生物化學品等技術瓶頸的一條有效途徑。這項成果已申請國外發明專利9項、國際PCT專利3項，獲得授權國際發明專利3項；申請中國發明專利184項，獲得授權79項。專利技術在數十家單位獲得應用，獲得了上億元的經濟效益。

    “三個面向” 構思煉制新體系

    在長期的研究與實踐中，陳洪章發現，原料不均一是生物質煉制難以實現經濟、綠色、規模化的重要原因，理想的生物煉制過程應該將原料結構、過程轉化和產品特點三者有機聯系。在此基礎上，他們提出了理想的生物質煉制模式——生物質原料組分分離-定向轉化煉制，即面向原料、面向過程、面向產品的一種新型煉制模式。

    陳洪章認為，理想的生物質煉制模式應該具備以下幾個特征：

    一是盡可能保留原料中大分子物質原有的特點。從木質纖維原料的化學、組織、器官等差異性出發，根據產品要求建立創新的選擇性結構拆分方法，獲得高純度的半纖維素、纖維素和木質素組分；根據產品特性，選擇高效的生物或化學轉化過程，實現生物質原料的功能轉化。

    二是盡可能改善原料中底物的生物轉化性能。木質纖維素原料生物煉制過程中，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，需要發現更高效的酶組分。

    三是中間產物的功能最大化。生物質原料是一種含有復雜化學鍵的功能大分子體，不可避免地要生成大量中間產物。要從原料特性出發盡可能減少這部分物質的產生，同時還要實現這部分物質的最大功能化應用。

    因材施法 將秸稈變高值產品

    自1988年以來，陳洪章等一直從事秸稈的高值利用關鍵技術開發。除了理想生物質煉制模式的研究，他們還從生物質原料的分子、細胞、組織等水平系統地分析了其在化學組成、物理性能和纖維素酶解方面的差異性，并取得了重要成果。這些研究內容是選擇性組分拆分-功能經濟性利用技術的重要組成部分。

    據介紹，他們開發的生物質煉制關鍵過程平臺——大規模汽爆技術，對于木質素低、乙酰基含量高的秸稈原料有良好的適應性，具有無需化學試劑預浸、蒸汽壓力低、能耗低、無污染等特點。目前，模低壓汽爆工藝已成功放大至工業規模，在造紙、紡織等領域實現了綠色化升級，并探索了半纖維素、木質素的高值化利用途徑。

     陳洪章表示，生物質經濟要求秸稈成為生物化工領域的通用工業原料，其前提是開發使秸稈原有結構和功能被保留利用的煉制工程和技術。單純的秸稈組分分離-再轉化路線難以使秸稈等木質纖維素成為工業通用原料，應該將秸稈煉制提升到選擇性結構拆分-再功能轉化利用的層面。其著眼點不僅在于獲得產品，還要實現最低能耗、最佳效率、最大價值的清潔轉化。

    此外，他們經過長期探索發現，麻類作物的纖維細胞長，適于生產紡織纖維；玉米秸稈的纖維細胞短、半纖維素含量高，適于生產纖維素酶、酶解發酵乙醇、聚醚多元醇、酚醛樹脂；稻草、小麥等纖維細胞較長、木質素含量低，適于造紙及生產丁醇和酚醛樹脂；闊葉木片的木質素含量高、半纖維素含量低，適于開展木質素與纖維素的綜合利用。

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