生

物

质

化

学

工

程

第 43卷

烧, 以生产蒸汽、电能和回收氢氧化钠及硫化钠。
但其中半纤维素和木质素的热值均比较低 ( 13. 6
和 27. 0M J/kg), 其价值得不到充分利用, 如果采
用生物炼制技术将这些生物质转化为新的燃料或
化工产品则可以大大提高其附加值。

近年来生物炼制技术已成为学术界、

产业界

和政府部门的研究重点, 发达国家更是不惜投入
巨资支持创新性高级生物炼制项目, 但因原料、运
输、转化技术等方面的问题, 真正实现成果转化还
有待时日。从原料方面考虑, 木材的糖分含量较
高 (纤维素和半纤维素含量大于 70% , 玉米含淀
粉 72% , 甘蔗含糖 50% , 玉米秸秆的综纤维素含
量达 88% ), 并且木材的生长是四季不断的, 生
长率一般不低于 15 000 kg /( hm

a) , 玉米秸秆

8 400 kg / ( hm

a) , 甜高梁 3 800 kg / ( hm

a) , 所

以使用木材作为生物炼制的原料有一定优势

[ 6 ]

。

从经济上考虑, 即使把木材中的纤维素以约 50%
的得率全部转化为乙醇, 且乙醇按目前售价每升

0. 55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, 而漂白硫酸盐的市场价格

一般不低于 500 美元 / t

[ 7 ]

。所以, 针对制浆造纸

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。从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
半纤维素和木质素的量分别是 8 万 t/年和 12万

t /年, 而国内像这样规模的制浆企业有几百家, 可

见制浆厂副产品的有效利用潜力巨大。另外, 在
制浆造纸企业实行生物炼制还解决了生物质原料

收集、

运输及产品消化的问题, 被普遍认为是生物

炼制技术最容易实现产业化的平台。美国在

2008年能源政策讨论会上强调了利用制浆造纸

工业副产品生产运输燃料和化学品的重要性, 并
计划在制浆造纸行业增加新型生物炼制及生物质
能利用设备方面的投资

[ 8]

。

2 制浆造纸企业的生物炼制形式

2. 1 半纤维的预提取及其生物炼制

2. 1. 1 蒸煮前预处理提取半纤维素

传统的化

学法制浆一般是直接蒸煮原料, 这样原料中的生
物质尤其是半纤维素大部分进入制浆废液而被浪

费掉, 从而忽略了半纤维素作为生物质资源的潜
在价值。结合制浆工艺过程, 可以考虑在削片和
制浆工段之间采用条件比较温和的预抽提方法分

离出生物质中的一部分半纤维素, 然后将此半纤

维素进行生物炼制, 提高利用价值。并且半纤维
素的抽出使木片的组织结构更疏松, 为后续碱蒸
煮过程药液的渗透打开了通道, 从而加快了脱木
质素速率, 降低残渣率, 同时也减轻了黑液处理的
压力。于建仁

[ 9 ]

等对桉木碱法浆中的半纤维素

进行预提取的研究表明, 使用高温 ( 170

) 热水

或 8% 的氢氧化钠、90

预处理木片, 原料中半

纤维素的提取率分别能够达到 33% 和 10% , 并
且纸浆质量也得到了改善。 H uang 等

[ 10]

对硫酸

盐浆厂的杨木进行了预提取半纤维素研究, 并对
整个过程进行技术经济性分析, 结果表明, 基于纸
浆厂的工艺过程进行半纤维的预抽取能够带来新
的附加值和提高制浆造纸厂的整体效益。

法国的 C IMV (植物原料工业公司 )

[ 11]

提出

了用乙酸和蚁酸的混合液在常压下处理一年生植
物和阔叶木, 溶解原料中的木质素, 同时半纤维素
也被水解以木糖的形式进入溶液。过滤的粗纤维

使用过氧化氢漂白, 得到的纸浆质量与市场上销
售的桉木化学浆相近。蒸发滤液回收有机酸溶
剂, 残余的液体中加水沉淀木质素, 过滤回收木质
素并得到木糖的溶液。

2. 1. 2 半纤维素的综合利用

制浆蒸煮前抽提

出来的半纤维素或木糖溶液, 最普遍的生物炼制
方式就是制取乙醇。首先利用酸水解或酶水解使
半纤维素转化成单糖 (主要为木糖 ), 然后通过发
酵制得乙醇。根据化学公式计算, 同样在厌氧发
酵条件下, 每克木糖的理论乙醇得率为 0. 511 g

( 每克葡萄糖发酵乙醇的最高得率为 0. 514 g ) ,

基于从木材中脱除的木聚糖, 每克木聚糖的理论
乙醇得率为 0. 581 g, 但如果考虑到细胞生长, 每
克木糖最大乙醇得率为 0. 26 g

[ 4]

。最近的文献

表明, 有可能使溶解半纤维素发酵的理论转化率
达到 90% 。根据权威部门推算, 美国所有硫酸盐
浆厂, 每年可生产 90. 9亿升乙醇和 27. 3 亿升乙
酸, 在当前没有补助价格的情况下, 给制浆造纸企
业带来的利润分别是 40亿美元和 24亿美元

[ 12 ]

。

但是利用半纤维制取乙醇远不及纤维素容

易, 半纤维素的水解产物由多种单糖组成, 作为其
主要成分的木糖发酵转化为乙醇可能需要几天的
时间, 而纤维素的水解产物葡萄糖只需几个小时,
并且酵母菌在面对多种糖类混合物时, 很容易产
生乙酸和乳酸, 影响乙醇的纯度和得率

[ 13]

。因

此, 半纤维素的利用还面临着产品转化速率偏慢
和木糖难以被微生物发酵的问题。