前言

>> 复合型森林生物质精炼工业（Integrated Forest Biorefinerie，IFBR

>> 纤维素、纤维素和木质素分别精炼功能性糖醇、高纯度纤维和表面活性剂等高值化产品，从而实现全组分的高效综合

  第1章 生物质精炼的基本概念

>> 每年仅植物生物质或木质纤维素类生物质（Ligno cellulosic biomass）的总产量就达约1700亿t，如以能量换算，相当于当前全球石油年产量的15～20倍。其中，林木类资源量最大，约为730亿t，约占总木质纤维素生物质的42.9%；其次是草类生物质，约为187亿t，约

>> 诸如乙醇、有机聚合物、碳纤维和内燃机燃料等

>> 持续地对生物质加工并生产出广谱的生物产品（食品、饲料、化学品、材料等）和生物能（生物燃料、动能或热量）[11]。

  第2章 国际制浆造纸产业生物质精炼发展现状

>> ①在制浆前先从原料中抽提出半纤维素，将其进一步转化成乙醇或者生产其他各种化学品；②纤维素生产纸浆、溶解浆或进一步转化为生物质基

>> 材料和化学品等；③将黑液、树皮、污泥等生物质进行气化以提供能源（合成气、电力、蒸汽），或者制成化学品；④利用从黑液中分离出的木质素制取胶黏剂、表面活性剂等化学品；⑤回收松节油、皂化物等副产物[4]。

>> 纤维素作为植物原料中的重要组成除了用来生产纸浆纤维之外，其衍生产品纤维素纤丝（CF）、纤维素纳米晶体（CNC）或纤维素纳米纤丝（CNF）的

>> CNC和CNF外，纤维素纤丝（CF）作为一种基于木材纤维高度创新的生物材料，能与其他材料融合为一体，赋予它们高强度、低定量和柔韧性，可以作为增强剂用于低成本的纸浆、纸张、包装纸、卫生纸和纸巾等产品的生产，也可用于软包装和弹性薄膜，以及建筑行业所用的结构人造板和非结构人造板等产品的生产。

>> 传统的做法是利用木质素的高热值来发电，以供给生物质精炼所需的能量。

>> 木质素的提取位置主要有两个：一是在碳水化合物酶水解前或发酵后进行提取，二是从制浆黑液中提取。

>> 分离的木质素可用于生产低成本碳纤维、工程塑料和热塑性弹性体、聚合物泡沫材料/薄膜，以及多种燃油和化学品，而这些高值产品目前都以石油为工业原料，因此，木质素的高效利用将有利于缓解化石资源危机。

>> 通过挤压等操作将生物质原料分离成纤维和废液，纤维组分可用于制备饲料或用于化学产品制造；废液富含蛋白质、氨基酸、有机酸、矿物质等高附加值组分，可分别进行提取并转化成相应的产品；提取完高附加值组分的废液经过厌氧发酵生产生物沼气。

>> 木质生物质原料利用生物质精炼技术转换为丁醇、乙醇、2，5-呋喃

>> 二甲酸（FDCA）等基础化工原料，并评估该工业级新价值链的可行性；

>> 包括生物中间体如纤维素、C5/C6糖、木质素和腐殖质等的下游产品的加工方法，从而开发出从中间产物到丁醇、树脂酸、酶、维生素B2和FDCA等生物基关键产品的转化途径；

>> UPM公司发明的UPM ForMi是一种添加有天然纤维的增强复合材料，是一种优良的塑料替代材料。该材料由化学纸浆和洁净的PP复合造粒制成，其中纸浆的使用率高达50%，使其符合食物接触标准，且产品具有平稳可靠的加工性。纤维素纤维增加了PP的刚性和强度，UPM ForMi复合材料比起纯塑料更持久，刚性比ABS塑料高出1倍。不同于塑料的又冷又硬，UPM ForMi触摸起来手感很舒适，同时具有出色的声学特性，而且无须使用对环境有害的染料即可着色，和一般塑料相比，它能降低30%～60%的CO2排放量。目前，UPM ForMi的应用领域已经涉及电子、消费品、家具、厨房用品、包装、医疗和工业等。

>> 纤维素作为木质纤维原料的主要组分，除了可以水解为可发酵糖制备燃料乙醇之外，还可用于制备微/纳米纤维素及其产品。近年来，微/纳米纤维素因其独特的性能引起了研究者们广泛的关注，其用途涉及食品、医药、化工、材料、造纸、包装、航空航天等领域，这大大促进了以生物质原料为基础的传统制浆造纸行业的创新、转型、升级和增产。欧洲各国关于微/纳米纤维素的研究主要集中在利用微/纳米纤维素进行新材料的开发与利用。

>> 芬兰UPM公司通过高压均质机制备的微/纳米纤维素已经成功商品化，并广泛地应用于各个领域。UPM旗下以微/纳米纤维素为代表的生化药剂包括BiofibrilsTM和GrowDex®。其中BiofibrilsTM微/纳米纤维素可在生产复合材料时用作赋型材料或用做增强剂，也可以用作流体性能控制剂，还可赋

>> 材料特有的阻隔性能等。GrowDex®纳米纤维素是一类具有三维立体结构的水凝胶，与人体细胞和组织有高度的生物相容性，因而，可用于各类细胞的培养、药学研究和再生医学等领域。

>> 半纤维素是一类广泛分布于生物质内的异构多糖，主要由木聚糖、葡萄糖甘露（糖）聚糖、阿拉伯（糖）聚糖、半乳聚糖和葡聚糖组成。从木质纤维原料中抽提半纤维素较为绿色环保的方法有热水抽提、微波辅助热水抽提、

>> 例如，生产聚氨酯泡沫、黏合剂、环氧树脂以及抗氧化剂和抗菌剂等。

>> 巴西每年有300万～600万t的桉树皮产生，这些树皮可以用来提取己糖或转化成化学品和燃料。巴西的“生物燃料乙醇和生物柴油计划”使得巴西成为全球生物燃料乙醇的第二大生产和消费国，也是最早实现车用乙醇汽油全覆盖的国家，其生产乙醇的主要原料为甘蔗

  第3章 我国制浆造纸产业生物质精炼发展现状

>> 目前国内木质素减水剂主要以木质素磺酸钙和碱木素为主，碱木素通常需要改性后进行应用。目前已有很多系列产品实现了在大型工程上应用，如我国研制的改性木质素减水剂GC L1-3A与广泛

>> 使用的萘系高效减水剂相比，具有减水增强效果类似、价格低廉、掺用量小、降低早期水泥水化热、坍落度损失小、混凝土保水性好、黏聚性好等优点，完全能够满足水利水电工程混凝土施工外

>> 木质素类水煤浆分散剂主要以中低端产品为主，产品价格低廉，水煤浆制浆稳定性较好。目前作为木质素基分散剂的原料主要有红液、红液提纯的木质素磺酸盐、磺化硫酸盐木质素及一些改性产品。改性方法主要以物理方法和化学改性为主[18]。

>> 主要有分离提纯法和复配改性法。分离提纯法主要是采用超滤法按物质相对分子质量大小范围进行分离、浓缩和提纯。复配改性法主要是木质素磺酸盐与很多表面活性剂之间有协同增效作用，复配使用可代替部分其

>> 酚醛树脂胶黏剂是利用苯酚与甲醛合成的一种胶黏剂，具有黏结强度高、耐水、耐热、耐磨和耐化学腐蚀等优点，广泛应用于各种工业和民用行业，但酚醛树脂胶黏剂制备成本高，利用廉价木质素替代部分苯酚能够很好地降低制备成本。第一批关于用

>> 阔叶木中半纤维素的主要组分为葡糖醛酸木聚糖（15%～30%，体积分数），木聚糖又容易在酸性环境中降解，所以阔叶木中半纤维素的提取最好在碱性条件下进行[26]，热水提取时的酸性环境可能会降解纤维素并降低纸浆的质量。阔叶木的碱法提取的研究已经相当深入，已有研究表明在强碱条件下（0.04～2.08mol/L NaOH）下对白杨木进行预提取，每吨木材在不影响纸浆得率的前提下可以得到40～50kg的半纤维素[27]。提取过程中降低用碱量并提高温度在接近中性

>> ）水解转化为低聚木糖、单糖和糠醛

制浆造纸厂提取的半纤维素可以通

>> 酸水解或酶水解生产低聚木糖，或进一步水解为木单糖，木糖在酸性条件下继续脱水生成糠醛。

低聚木糖是由2～7个木糖分子以β-1，4-糖苷连接，并以木二糖、木三糖、木四糖为主要成分的混合物。低聚木糖具有四大特性：

①高选择性增殖双歧杆菌；

②很难为人体消化酶系统所分解；

③酸、热稳定性好；

④有效摄入量少等，适合于与所有食品、保健品、医药等产品配伍。

>> 低聚木糖在饲料中的使用也是其主要应用领域之一，在各类饲料中添加适量的低聚木糖，可以有效增强动物机体的免疫力、预防各类由肠道微生物引起的疾病、促进机体钙吸收、提高机体的生长生产性能、降低料重比，从而增加利润值。另外，低聚木糖可以在医药中

>> 作为药用辅料使用，在农业中还可以作为植物生长调节剂使用，等等。经调查统计，2015年低聚木糖全球市场容量约在3万t左右，且增长速度较快。

已有许多文献涉及利用制浆

>> 半纤维素基生物质燃料相比，利用半纤维素水解糖生产大众化学品乳酸可以获得更高的收益[

>> 木糖经催化加氢可制备木糖醇，其制备过程包括了原料水解、中和、脱色、离子交换、加氢、结晶几个关键步骤，对木糖的纯度要求较高。木糖醇甜度高，以固体形式食用时，会在口中产生愉快的清凉感，并且具有防龋齿的作用而被广泛接受。

>> 即使把木材中的纤维素以约50%的得率全部转化为乙醇，而且按目前乙醇售价每加仑2.5美元的高价位计算，每吨纤维素也只能提供418美元的较低产值，而漂白硫酸盐化学浆的市场价格一般不低于500美元/t。所以，只对制浆造纸厂的半纤维素及副产品而不是纤维素进行生物转化才是更经济的

>> 规模及产业化的角度考虑，纸浆厂的年产量一般不低于20万t，其废液中产生半纤维素和木素的量分别是8万t/a和12万t/a

>> 阔叶木硫酸盐木质素与工业聚合物（如聚酯、聚烯烃、PEO）混合，可制成碳纤维。关键是要尽量减少木质素中挥发物、糖和灰分的含量。因为在220℃左右

  第4章 基于制浆造纸产业生物质精炼的科学问题与关键技术

>> 纤维素是由葡萄糖以β-1-4糖苷键连接聚合而成的线性聚合物，分子内及分子间具有很强的氢键作用力，具有一定的结晶度；半纤维素是由木糖及其他糖基聚合而成的具有一定分支度的多糖聚合物；木质素则是由苯丙烷基单元通过自由基聚合反应合成的芳环聚合物，以化学键与半纤维素结合在一起，其三种基本结构单元（紫丁香基，愈创木基和对羟基苯基单元）通过自由基偶合反应形成不同的连接方式（芳基醚键和碳碳键），其结构在细