第

卷　第

期

生物质精炼与制浆造纸工业相结合的研究

素水解发酵制得乙醇或直接提取乙酸等化学品。据预
计 , 如果美国所有硫酸盐浆厂采用这种方法 , 每年可
生产 90

192亿 L乙醇和 27128亿 L乙酸。在没有价格

补贴的情况下 , 生产乙醇和乙酸所带来的年收入估计
分别为 40亿美元和 24亿美元

[ 5 ]

。

在生物质转化过程中 , 已有的植物纤维原料预处

理方法主要有 : 物理法、化学法及物理化学综合
法等。

( 1) 常用的物理方法主要有机械粉碎、高温分

解、高压液态热水法

[ 6 ]

、微波处理、高能辐射

[ 7 ]

等。

( 2) 化学预处理的方法主要有酸水解、碱水解、

氧化脱木素、湿氧化法

[ 8 ]

、臭氧法

[ 9 ]

、有机溶剂法、

生物预处理等。

( 3) 物理化学相结合的方法主要是几种爆破制

浆方法 , 如 : 蒸汽爆破法、液氨爆破法、 CO

爆破

法等。

以上诸多方法中 , 由于机械粉碎法破坏纤维结

构 ; 高温分解与高压液态热水法涉及 200℃以上高
温 ; 微波处理和高能辐射法投资昂贵 , 因此这些方
法不适合应用到制浆造纸工业中。氧化脱木素、湿
氧化法、臭氧法、有机溶剂法、生物预处理、爆破
法等预处理方法虽然也有应用 , 但由于都存在不同
程度的局限性而难以在制浆造纸工业中得以大规模
的应用。

由于目前的化学法制浆工艺主要为碱法蒸煮 , 因

此蒸煮之前的预处理采用碱抽提的方式可以与后续的
碱法蒸煮相容 , 预处理后回收的碱液还可继续用于后
续的碱法蒸煮过程中 , 从而可以达到资源的充分
利用。

2　半纤维素水解发酵生产乙醇

目前工业上利用生物质转化生产燃料乙醇的原料

主要是农产品 , 如高粱、玉米淀粉等。但使用粮食存
在着原料成本高和原料来源有限的问题 , 而采用木
材、林产加工废弃物和农作物秸秆等可再生生物质资
源则可以大大地扩展原料来源 , 因此 , 在制浆造纸工
业中可采取蒸煮之前预处理的方式 , 将预抽提出来的
半纤维素通过酸水解或酶水解转化为单糖 , 然后发酵
制酒精的方式来达到生物质资源的有效利用。

但对提取的半纤维素进行转化前首先需要将其中

附带的木素等物质分离出来 , 然后再将碳水化合物水
解成单糖 , 由于木质纤维原料的结构及所分离出来的
单糖都远比谷物复杂 , 因此其生物转化过程要比淀粉
的转化困难得多

[ 10 ]

。例如 : 传统的酿酒酵母和发酵

菌

( S accha rom yces cerevisiae,

Z ym om onas m obilis)

很

容易将葡萄糖发酵为乙醇 , 但却不能将木糖和阿拉伯
糖发酵为乙醇 ; 毕赤酵母和假丝酵母等

( P ich ia

yeast,

Cand ida sheha tae,

Pachysolen tannoph ilus )

具

有将木糖发酵为乙醇的能力 , 但这些酵母如用于工业
化生产燃料乙醇却有诸多弊端

[ 11 ]

, 如 : 它们对乙醇

的耐受力低 , 发酵速度较慢及发酵过程中供氧不易控
制 , 此外它们对纤维素底物的水解和预处理过程中产
生的阻碍物敏感 ; 木糖尽管可以用糖异构酶转化为传
统酵母可发酵的木酮糖 , 但其成本较高 , 而其他一些
戊糖如阿拉伯糖等几乎没有自然存在的酵母可以
发酵。

以上诸多因素导致用这些原料转化为酒精等产品

的过程存在生产成本高的问题 , 目前仍缺乏低成本的
加工方法将其中的天然聚合物转化为可利用的基本化
学组分

[ 12 ]

。这也是目前造纸工作者和生物工程工作

者共同关注并要努力解决的问题。

3　黑液中生物质的回收利用

在蒸煮过程中 , 植物纤维原料中大部分纤维素、

部分半纤维素和残余木素成为纸张的主要组成成分 ,
一半以上有机物进入蒸煮黑液。黑液的成分十分复
杂 , 主要成分为钠盐、木素、还原糖类、羧酸等 , 如
果直接排入江湖 , 不仅使大量的宝贵生物质资源被浪
费 , 还会造成极为严重的污染。因此进行黑液中生物
质的回收利用 , 无论对环境保护还是对资源的合理利
用都大有好处。造纸黑液中生物质的提取主要有两个
方面 , 即变性半纤维素和木素的回收利用。

11　黑液中变性半纤维素的回收利用

纤维原料中的半纤维素在高温蒸煮碱液条件下 ,

由于发生剥皮反应、氧化反应和碱性水解反应 , 一部
分降解成为低聚糖或单糖。这些糖类在碱性溶液中会
进一步进行分解成为各种羟基酸 , 主要是糖精酸

( Saccharinic acid) , 有些还会进一步分解成为乙酸、

甲酸等 , 部分溶于蒸煮液中。由于是在强碱、高温、
高压条件下经过一系列变化而溶解出来的部分半纤维
素 , 其结构、性质已不同于原来原料中存在的半纤维
素 , 故称之为变性半纤维素。

回收黑液中变性半纤维素的一个方法是将黑液浓

缩至一定浓度 (约 35% ) 后 , 加入等体积的 90%甲
醇溶液 , 经过滤后得到半纤维素滤饼 , 再用 50%甲
醇溶液洗涤滤饼 , 经过滤、蒸发后即可得粗制变性半
纤维素

[ 13 ]

。

粗制变性半纤维素经过进一步提纯后 , 可用来做