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《生物基材料》

来源:网络整理 作者:采集侠 2016/10/29 08:23

生物基材料 范文一:生物基材料

第8卷第4期 过 程 工 程 学 报 Vol.8 No.4 2008 年 8 月 The Chinese Journal of Process Engineering Aug. 2008

生物基产品制备关键过程及其生态产业链集成的研究进展

生物基产品过程工程的提出

陈洪章, 王 岚

(中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室,北京 100190)

摘 要:生物质原料可以转化为能源、材料和化工产品,是国内外研究的热点. 目前生物基产品制备过程中存在原料组分利用和转化技术单一、缺乏系统技术集成等问题. 本工作从生物质的原料特点、转化过程和产品工程关键问题入手,综合多学科知识,提出了生物基产品过程工程这一理念. 从全新的面向原料、过程、产品的角度,建立生物质分层多级转化技术体系,并以无污染汽爆及其组分分离技术、节水节能固态纯种发酵技术、秸秆固相酶解液体发酵乙醇耦合技术和汽爆秸秆膜循环酶解耦合发酵技术4个关键技术为平台,形成生物基产品生态产业新模式,为实现生物质资源高值化利用和生物基产品生态产业化提供研发思路和技术平台. 关键词:生物基产品;分级转化;汽爆;酶解;发酵

中图分类号:TQ033 文献标识码:A 文章编号:1009606X(2008)04067606

1 前 言

生物质是世界上最丰富的可再生资源,包括所有动物、植物和微生物,以及由这些生命体排泄和代谢的所有有机物. 以生物质为原料,利用物理、化学、生物等转化技术可以加工成各种生物基产品[2]. 随着化石原料的日益枯竭和人们对环保问题的关注,生物基产品以其环境友好和可持续发展的特点,在能源、造纸、纺织、中草药加工、有机化工等行业广泛应用. 然而,由于生物质原料本身的复杂性及资源利用缺乏系统理论支持,现有的技术力量和经济成本使生物基产品距大规模使用还有相当大的距离.

本工作从生物质原料组分复杂性、过程工程的“过程集成”和产品工程的“结构与功能”等关键问题[35]入手,分析生物基产品转化过程中的共性问题. 在综合多学科知识的基础上,提出“生物基产品过程工程”这一理念,从原料、转化过程和产品开发3个角度系统阐述了生物质分层多级转化体系,为生物基产品过程工程的发展提供理论和技术支持. 同时介绍了生物基产品过程工程的关键技术平台,应用这些平台技术实现生物质原料分层多级集成利用,建立生物基产品生态产业新模式.

[1]

很大,如谷类主要组分为淀粉,农作物秸秆主要组分为纤维素、半纤维素和木质素,而油料作物种子以油脂为主要组分[6]. 但归纳起来植物基原料主要有4种基本化学物质:碳水化合物(糖、淀粉、纤维素和半纤维素),木质素(多聚酚),酯类和蛋白质. 除了这些基本结构化合物外,还有几百种具有商业价值的有机化合物,包括植物药材、特殊营养物、天然产物和工业产品等. 由于生物质原料的多样性,因此在产品设计时,不仅要考虑产品本身的用途,还必须选择相应的植物原料及转化途径,要把产品、原料和生产过程有机地联系在一起. 2.2 产品转化途径多样性

与石油原料生产的化石基产品相比,生物基产品的生产除了应用物理或化学法进行分离加工外,生物法因其反应条件温和、副产物少、环境友好等特点而具有突出优势. 生物转化法主要是利用生物酶降解生物质原料为小分子糖并由微生物发酵来生产各种生物基产品[7]. 化学法包括热解、气化、液化、酸碱水解以及化学修饰和改性,主要用于制备生物燃料和化工产品,但生产过程中容易造成二次污染[8]. 物理法包括萃取、层析、超滤等,主要用于提取各种天然产物、油脂和中药材加工,原料的利用率和产率相对较低. 2.3 产品多样性

原料组分和产品转化途径的多样性必然导致生物基产品的多样性. 生物质原料组成丰富,包括多种物质并含有羟基、羰基、苯环等含氧基团,比石油原料只含(CH2)n线性聚合结构,能提供更多的开发新产品的机会,更有利于进行化学改造生产各类化工产品. 图1

2 生物基产品的原料和生产特点

2.1 原料组分多样性

制备生物基产品的原料多为植物基资源,包括谷类、农作物残余物、油料作物种子、糖类作物、草料作物以及各种纤维素类木本作物. 不同植物原料组分差别

收稿日期:20080627,修回日期:20080704

基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)基金资助项目(编号:2004CB719700)

作者简介:陈洪章(1961),男,山东省定陶县人,博士,研究员,从事纤维素生物技术研究,Tel: 010-82627067, E-mail: hzchen@home.ipe.ac.cn.

第4期 陈洪章等:生物基产品制备关键过程及其生态产业链集成的研究进展生物基产品过程工程的提出 677

为以生物质为原料生产各类生物基产品的流程图(参照

文献[9],有部分改动).

图1 以生物质为原料生产生物基产品的流程图[9]

Fig.1 Flow-chart of bio-products produced from biomass feedstocks[9]

2.4 产品的设计与生产

生物质原料的组成、生长季节、产地等都制约着生物基产品的开发与生产. 植物原料由农业和林业提供,因此生物基产品设计、开发过程要与农林业互动. 一方面,在产品设计时要根据植物原料组成和产品功能特点,决定该产品能否用植物原料生产、如何生产. 特定产品往往只需要利用植物原料的一个或几个组分,可根据产品的实际要求从源头上改造植物,通过传统育种或现代基因工程技术,使植物更多地合成需要的组分,通过农业或林业规划,选择合适的栽培地点和栽培季节. 另一方面,任何植物都是由多组分构成,只利用其中的单一组分往往很难产生明显的经济效益,须根据植物组分多样性及各组分特性,设计相应的产品和各组分综合利用的生产工艺,形成生态产业链,使植物各组分都变成相应的产品,无废弃物排放. 此外,植物原料的生产受生产地、生产季节等影响,这也将制约生物基产品的生产,需要根据具体情况选择厂址和生产规模,要考虑设备的通用性,以适应不同季节的不同植物原料供应.

3 生物基产品过程工程建设总体思路

目前,生物基产品产业化过程中面临的最大难题就是技术经济无法过关. 究其原因,主要是生物质的利用造成其他组分的存在组分利用单一和转化技术单一[10],

浪费和环境污染;缺乏系统技术集成和生态过程工程的研究,造成原料处理费用和生产成本过高. 为解决生物质资源高值化利用的问题,必须结合生物基产品的原料和生产特点,采用多种转化方法相结合的手段,实现生物质的分层多级定向转化. 为此,提出了全新的面向原料、面向过程、面向产品的生物质分层多级转化体系.

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