生物质材料.docx

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生物质材料

面向新一代生物及化工产业的生物质原料炼制关键过程

陈洪章1􀀂邱卫华1􀀂邢新会2􀀂肖􀀂炘1

1.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

2.清华大学化工系生物化工研究所,北京100084

美国能源部提出到2020年化学基础产品中至少有10%来自木质生物质,2050年提高到50%,2030年生物质要为美国提供5%的电力、20%的运输燃料和25%的化学品[4].我国#可再生能源法∃以法律形式规定了2010

年中国初级能源的5%将来自可再生能源;2020年这一比例将达到10%。

另一方面,木质纤维素等生物质原料组分复杂,针对单一组分、依靠单一技术都难以实现

生物质成为新一代生物及化工产业通用原料,而且造成资源浪费的同时会产生大量污染。

因此,生物质产业结构必须从源头建立清洁生产方法,依靠清洁生产和技术集成耦合,实现生物质产业的生态化发展。

因为,生物质自身首先是一个高能大分子结构体,现有组分分离􀀁定向转化的利用线路都是先耗费一定的能量破坏生物质结构,然后再进行转化。

这种方法没有考虑到产品的功能需求,一股脑地先!

拆到底∀,对于某些产品来说是增加了它的能量消耗,且原料的原子

经济性不高。

因此,生物质资源要成为生物和化工

（1）.重金属吸附;

表面改性秸秆生物质环境材料对水中PAHs的吸附性能

3.1经磷酸改性制备的秸秆吸附材料的性能优于未改性的秸秆吸附材料.相同条件下,秸秆吸附材料对PAHs的处理性能明显优于商品活性炭.3.2炭化温度对制备的秸秆吸附材料的比表面积、碘值和亚甲基蓝吸附值影响较大.炭化温度从300℃升高至700℃时,比表面积也相应增加,

　生物质基碳材料的干法制备

（2）.

采用生物质催化碳化方法还可以制备新型碳纳米材料。

美国赖斯大学的Ｒｕａｎ　Ｇ　Ｄ等使用易得、价值较小或有负面价值的生物质（饼干、巧克力、草、塑料、蟑螂和狗的粪便等），在１０５０℃的重氢／氩（Ｈ２／Ａｒ）气流中，直接在铜箔（催化剂）的背面培育出单层高质量石墨烯［１５］，为生物质的高附加值利用提供了新的途径。

以木质生物质汽化产生的气体为

（3）.海洋生物质纤维材料的开发与研究

王兵兵,薛志欣,付永强,孔庆山,纪􀀁全,夏延致*

（青岛大学纤维新材料与现代纺织国家重点实验室培育基地,青岛􀀁266071）

通过湿法纺丝可以制备得到具有一定强度和使用性能的海藻酸盐纤维和卡拉胶纤维,这两种海洋生物质纤维具备良好的可生物降解性能、生物相容性、缓释性能、加工性能等特点,具有广阔的发展前景和应用价值;

（4）.环保生物质包装材料的制备及性能研究

梅志凌，孙昊，张新昌

（

目前，关于生物质包装材料的研究主要集中在木材、秸秆、竹子等陆生植物，而关于利用水生植物制备环保生物质包装材料的研究较少。

凤眼莲是一种江南常见的水生植物，它的过度繁殖会造成水体富营养化，形成污染.

海藻酸钠是另一种环保型胶黏剂，当其质量分数为0．8%且与羧甲基纤维素钠（CMC－Na）

（0．4%）和琼脂（0．8%）配合使用时，可以起到更好的胶黏作用［12］。

增塑剂可以使纤维的塑性增强，有利于进一步的热压成型。

尿素和甘油是2种常用的增塑剂，为了研究这.

（5）.

目前包装类产品主要是塑料类、瓦楞纸、蜂窝纸类、纸浆模塑类材料。

由于塑料类包装的废弃物不可回收、不可降解，其大量使用引起了严重的白色污染，带来了巨大的环境压力。

瓦楞纸、蜂窝纸类、纸浆模塑类材料虽然可降解，但大多以木材为原料，大量消耗我国有限的森林资源，并且在制造过程中引起水污染，制造成本较高，并不是塑料类包装材料的理想替代产品.

以凤眼莲为生物质原材料，基于热压成形加工工艺，通过添加安全环保的助剂配方，制备了环保型的生物质包装材料，并对材料综合性能进行测试和评价。

结果表明:

加入海藻酸钠（0．8%），CMC－Na（0．4%），琼脂作为胶黏剂（0．8%），尿素（2%）作为

增塑剂，乳化石蜡（1%）作为防水剂，在热压温度为

（6）。

livia等［5］研究了不同滑石粉添加比例的热塑性玉米淀粉基的热压缩薄膜

包装袋，由于滑石粉的加入薄膜的力学性能和阻隔性能均有不同程度的提高。

Ｒodrigo等［6］以甘油作为增塑剂制备了玉米淀粉/PCL共混膜，并对其结构和相关性能进行了研究，结果表明由于这种聚合共混物没有任何有毒化合物，具有很好的食品相容性，有效克服了淀粉的缺点，未来可能成为其他食品包装的有力替代者。

宋贤良等［8］利用聚乙烯吡咯烷酮和超声分散技术使得纳米TiO2均匀分散在玉米淀粉涂膜

液中，并对圣女果进行涂抹处理，结果表明纳米TiO2用量为0.025%时，复合涂膜液的保鲜效果最好，这是因为加入纳米TiO2，抑制了淀粉分子在成膜过程中结晶态的形成，改变了淀粉大分子的取向，在膜内形成低O2、高CO2分压的氛围，抑制了圣女果的呼吸作用，进而提高果蔬的保鲜期。

天然植物纤维复合包装材料在食品包装应用最多的是各类保鲜纸、保鲜膜。

吴忠红等［11］以无核白葡萄为保鲜对象，分别选用4种商业化SO2葡萄保鲜纸，分别对0℃预冷的无核白葡萄进行保鲜处理，获得了对无核白葡萄的伤害最小，食品安全性更高，适合用于无核白葡萄的短期贮藏保鲜纸。

王海莉等［12］以负载高锰酸钾的活性炭为填料制备不同保鲜剂含量的保鲜纸，获得了较好的保鲜效果。

保鲜是果蔬运输中极为重要的环节，保鲜纸是适应可持续发展基本要求的包装材料，保鲜纸的研究今后将向探究保鲜纸的微观结构，充分利用纸张间的空隙，通过添加无毒、高效、功能化保鲜剂，使保鲜剂和纸张基体协同合作的方向发展，

。

Juho等［15］采用不同尺寸的纤维素和钙离子交联制备复合材料，结果表明，复合薄膜具有优良的阻隔性能，油脂和水蒸气渗透性降低。

（7）。

（8）。

生物质改性聚氨酯材料的研究进展

将粗碱木质素精制后作为多元醇组分与异佛尔酮二异氰酸酯反应制成碱木质素-聚氨酯泡沫材料（RPUF），当碱木质素添加剂质量分数为10%～15%时，所得材料的拉伸强度为0.925MPa，弯曲强度为0.360MPa，此种材料的起始分解温度和峰值分解温度分别为250℃和370℃，10%压缩强度为203kPa，是1种性能优良的包装用泡沫材料。

Vanderlaan等[18]利用甲醇和乙醚抽提木质素，并研究了其分子质量对合成聚氨酯的影响，结果表明，低分子质量的木质素在聚氨酯中的最大取代量只有18%，而未分级木质素取代量却为35%，说明低分子质量的木质素不利于聚氨酯的合成。

（9）。

10．基于离子液体的生物质组分分离研究进展

。

作为一类新型溶剂，离子液体可以溶解纤维素、木质素和天然生物质材料，为生物质的组分分离及加工转化提供了有力的工具。

阳离子相同时离子液体对纤维素的溶解度一般具有以下顺序：

[（CH3CH2）2PO4]–≈[OAc]–＞[SHCH2COO]–＞[HCOO]–＞Cl–＞Br–≈[SCN]–，这与上述阴离子的氢键形成能力是一致的。

SUN等[10]研究发现，1-Cn-3-甲基咪唑氯盐型离子液体中，当n为奇数时，这类离子液体几乎不能溶解纤维素，而当n为偶数时，溶解纤维素能力很强，这说明阳离子对于纤维素的溶解也有非常重要的影响。

。

LEE等[28]利用离子液体[Emim]OAc对蔗渣进行预处理使得蔗渣的粒度变小，表面积增大了100倍，再用纤维素酶进行水解，24h内还原糖产率达到了90%以上。

MONIRUZZAMAN等[29]利用[Emim]OAc在80℃条件下处理木粉1h，木材的组成基本不发生变化，但却使其结构更加疏松，再利用漆酶降解木质素时效率大幅提高。

第一种方式是“深度解聚”，利用酸性催化剂将生物质水解成低聚糖，木质素转

化成溶解态的低聚物，通过加水稀释或化学反应使木质素沉淀析出，即可分别获得易于后续转化的糖类物质和木质素。

例如，LUTERBACHER等[33]2014年在Sicence上报道，利用γ-戊内酯（GVL）与稀硫酸可以将玉米秸秆、硬木和软木中的纤维素和半纤维素转化成水溶性的低聚糖，同时木质素也被转化成了分子量较低的片段，反应结束后加入适量的氯化钠或者液态二氧化碳即可以通过相分离回收GVL，再向水溶液中过量加水可以把木质素和糖溶

液分开。

。

第二种方式是“去壳”，利用酸或碱的催化反应，使木质素和半纤维素形成可溶解的片段，同时避免纤维素发生剧烈的解聚，最后纤维素保留在生物质的基质中[31]，制浆过程就是这种方式的应用。

第三种方式是“溶芯”，将纤维素和半纤维素以单糖或低聚物的形式溶解，而将木质素保留在生物质基质中。

纤维素和半纤维素都是糖类物质，通过酶或酸催化反应将他们完全水解成小分子糖类物质，便可以实现这种方式的组分分离。

11．生物质基复合材料在食品包装中的应用

徐淑艳，谢元仲，孟令馨/

天然纤维素不耐化学腐蚀、强度有限，，若将其加工成微米或纳米尺度，可在一定程度上优化其性能，扩展其应用范围。

。

纳米粒子的加入，并在蛋白膜中均匀分散，延长了小分子通过蛋白膜的路径，增强了大豆蛋白膜的阻隔性能和机械性能，提高了大豆蛋白膜的抑菌性，证明了纳米复合技术改性蛋白膜的可行性。

12．废弃生物质材料的高附加值再利用途径综述

，其中，稻草约2亿t，玉米秸秆2亿t，小麦秸秆1亿t，豆类和杂粮作物秸秆，花生、薯类和甜菜等秸秆藤蔓1亿t[4]。

食品加工业也产生大量残渣，如豆渣、酒糟、蔗渣，以

及食品工业下脚料等。

蔗渣是一种木质纤维素含量很高的固体废渣，每年全世界约有5.4亿多t。

可采用离子溶液法或溶剂法直接从菠萝叶[38]、芦苇[39]及竹纤维制得高强度的纤维素膜。

以稻草为原料，制得的羧甲基纤维素具有良好的成膜性能[40