前 言能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，在国民经济中具有特别重要的战略地位，随着传统化石能源日渐减少，迫切需要寻找一种可再生的资源替代不可再生的化石能源。借鉴传统石油炼制的生产模式将木质纤维生物质炼制转化为能源、材料及大宗化学品具有重要意义。;木质纤维生物质炼制原理与工程一书是2022年*基于国家新能源与新材料产业需求在普通高等学校开设;生物质能源与材料新本科专业的基础上，根据专业主干课程的需要，由国内从事木质纤维生物质炼制研究的相关院校共同编写，主要介绍木质纤维生物质炼制的基本原理、工艺技术及工程化应用。通过本课程的学习，使学生了解木质纤维生物质的基本知识与理论，熟悉国内外木质纤维生物质炼制技术的新进展，培养学生分析和解决工程实际问题的能力，为从事生物质能源与材料相关工作奠定理论基础。本教材第一章由大连工业大学王海松、孙润仓编写（孙润仓审稿），第二章由大连工业大学肖领平编写（王海松审稿），第三章由大连工业大学王海松、杜健、华南理工大学任俊莉编写（祁海松审稿），第四章由北京林业大学文甲龙、华南理工大学岳凤霞编写（肖领平审稿），第五章由大连工业大学肖领平、北京林业大学孙少妮、广西大学闵斗勇、山东大学赵建、沈煜、卢宪芹编写（王海松审稿），第六章由大连工业大学鲁杰、陶叶晗、邵长优、华南理工大学祁海松编写（祁海松审稿），第七章由大连工业大学马纪亮和北京林业大学彭锋、饶俊编写（彭锋审稿），第八章由华南理工大学蓝武、大连工业大学陈小红、王兴、华南农业大学孙少龙编写（肖领平审稿），第九章由天津科技大学司传领、王冠华编写（彭锋审稿），第十章由大连工业大学王海松、孙润仓、平清伟、南京工业大学朱晨杰、北京林业大学袁同琦编写（孙润仓审稿）。全书由王海松、孙润仓主编，肖领平、祁海松、彭锋、司传领任副主编。本教材可供生物质能源与材料专业本科生和研究生课程教学之用，也可供从事木质纤维生物质炼制的科研人员、工厂技术人员和高等院校相关人员参考。木质纤维生物质炼制是一个新兴产业，本教材的参编者尽可能收集了国内外木质纤维生物质转化的最新知识和成果，但限于编者水平、学识，内容遗漏、编排和归类的不妥和不足之处在所难免，恳请有关专家和读者不吝指正。编者2025年1月

能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，在国民经济中具有特别重要的战略地位，随着传统化石能源日渐减少，迫切需要寻找一种可再生的资源替代不可再生的化石能源。借鉴传统石油炼制的生产模式将木质纤维生物质炼制转化为能源、材料及大宗化学品具有重要意义。

《木质纤维生物质炼制原理与工程》一书是2022年*基于国家新能源与新材料产业需求在普通高等学校开设;生物质能源与材料新本科专业的基础上，根据专业主干课程的需要，由国内从事木质纤维生物质炼制研究的相关院校共同编写，主要介绍木质纤维生物质炼制的基本原理、工艺技术及工程化应用。通过本课程的学习，使学生了解木质纤维生物质的基本知识与理论，熟悉国内外木质纤维生物质炼制技术的新进展，培养学生分析和解决工程实际问题的能力，为从事生物质能源与材料相关工作奠定理论基础。

本教材可供生物质能源与材料专业本科生和研究生课程教学之用，也可供从事木质纤维生物质炼制的科研人员、工厂技术人员和高等院校相关人员参考。

王海松，博士、教授、兴辽英才科技创新领军人才。主持国家级项目10余项，发表SCI收录论文200余篇，H指数51，入选;全球前2%顶尖科学家榜单。作为第一完成人获得辽宁省科技进步二等奖，辽宁省自然学术成果一等奖、中国产学研合作创新奖、辽宁省自然科学二等奖。

目录第一章绪论第一节木质纤维生物质炼制的概念一、生物质炼制的起源二、生物质炼制的概念三、木质纤维生物质炼制第二节木质纤维生物质炼制的基本原理及意义一、木质纤维生物质炼制的基本原理二、木质纤维生物质炼制的技术发展三、木质纤维生物质炼制的特点及意义第三节木质纤维生物质炼制的研究现状及发展趋势一、北美木质纤维生物质炼制的现状二、欧洲木质纤维生物质炼制的现状三、日本木质纤维生物质炼制的现状四、巴西木质纤维生物质炼制的现状五、我国木质纤维生物质炼制的现状六、木质纤维生物质炼制的发展趋势本章习题参考文献第二章木质纤维生物质资源第一节木质纤维生物质的分类一、木材纤维原料二、非木材纤维原料三、半木材纤维原料棉秆第二节木质纤维生物质的结构与性质一、纤维素的结构与性质二、半纤维素的结构与性质三、木质素的结构与性质四、木质素_碳水化合物复合体第三节植物纤维细胞壁的微观结构一、植物纤维细胞壁的解剖学结构二、植物纤维细胞壁的超微结构三、植物细胞壁微观结构研究手段四、植物细胞壁中三大组分微区分布本章习题参考文献第三章碳水化合物的分离及结构第一节纤维素的提取一、预水解硫酸盐法二、酸性亚硫酸盐法三、溶剂法四、化学浆纯化法第二节纤维素的物理化学结构一、纤维素的物理结构二、纤维素的化学结构第三节半纤维素的提取一、化学分离法二、物理_化学结合分离法三、微生物分离法第四节半纤维素的分级与纯化一、沉淀法二、纤维素阴离子交换柱色谱法三、膜过滤法四、其他方法第五节半纤维素的结构鉴定方法一、化学法二、仪器分析法本章习题参考文献第四章木质素的分离及结构表征第一节木质素的提取分离一、原本木质素的分离二、工业木质素的分离三、生物炼制木质素的分离四、其他木质素分离方法第二节木质素的结构表征方法一、物理法（光谱、波谱法）在木质素结构表征中的应用二、核磁共振谱在木质素结构表征中的应用三、化学降解法在木质素结构表征中的应用本章习题参考文献第五章木质纤维素生物质能源第一节预处理技术一、物理预处理二、化学预处理三、生物预处理四、其他预处理第二节木质纤维素的酶水解糖化一、木质纤维素的酶水解糖化工艺二、木质纤维素的酶水解糖化的关键影响因素第三节生物质液体燃料一、生物乙醇二、生物柴油本章习题参考文献第六章纤维素的利用第一节纤维素生物转化为化学品一、纤维素生物转化为乳酸二、纤维素生物转化为丁醇三、纤维素生物转化为氢气四、纤维素生物转化为琥珀酸第二节纤维素催化转化为化学品一、纤维素催化转化及其优势二、纤维素催化转化预处理三、纤维素催化转化产物四、纤维素催化转化存在的问题第三节纳米纤维素材料一、纳米纤维素二、纳米纤维素分类以及结构特征三、纳米纤维素的应用四、纳米纤维素产业化进展五、小结第四节改性纤维素材料一、再生纤维素材料二、纤维素化学改性材料三、纤维素复合材料本章习题参考文献第七章半纤维素的利用第一节半纤维素制备化学品一、糠醛二、木糖醇三、木糖酸第二节半纤维素衍生物及功能材料一、半纤维素功能衍生物的高效制备二、半纤维素基功能膜材料的构筑与应用三、半纤维素基凝胶材料的构筑与应用本章习题参考文献第八章木质素改性化学品与材料第一节木质素改性化学品一、木质素改性化学反应二、木质素化学品三、木质素化学品的应用第二节木质素基材料一、木质素改性热塑性材料二、木质素基热固性材料第三节木质素基缓/控释肥料一、木质素基缓/控释肥料的类型二、木质素基包膜肥料的制备与性能本章习题参考文献第九章抽出物的提取与利用第一节概述一、抽出物二、抽出物的分类第二节抽出物与木质纤维生物质炼制关系第三节抽出物的提取和利用一、开链脂肪类化合物的提取和利用二、非环或脂类化合物的提取和利用三、芳香或苯类化合物类的提取和利用四、杂环化合物类的提取和利用本章习题参考文献第十章木质纤维生物质炼制的工程化应用第一节基于制浆造纸的生物质炼制产业一、基于制浆造纸产业的生物质炼制技术路线二、预水解/碱抽提硫酸盐法制浆生物质炼制模式三、亚硫酸盐法制浆联合木质素利用生物质炼制模式四、制浆废弃物能源化利用的生物质炼制模式第二节玉米芯全组分利用的生物质炼制产业一、玉米芯制备木糖二、玉米芯制备低聚木糖三、玉米芯制备糠醛四、展望第三节秸秆资源高值化深度利用生物质炼制产业一、中国农作物秸秆产量二、农作物秸秆的主要成分三、中国农作物秸秆的主要利用途径四、农作物秸秆高值化利用产业化案例五、农作物秸秆利用困境与对策本章习题参考文献

第一章 绪论能源更是人类社会赖以生存和发展的物质基础，在国民经济中具有特别重要的战略地位。自工业革命以来，以天然原油为主要原料的石油炼制工业为人类文明社会的繁荣做出了巨大的贡献，可是随着世界经济的迅猛发展，传统化石能源日渐匮乏，资源和环境等问题日益突出。《BP世界能源统计2020》的数据表明，2019年底全球世界石油探明储量为2446亿吨，按照当年石油开采量计算全球可供应49.9年，而中国储量为36亿吨，占全球储量1.5%，仅可供应18.7年。为了实现人类社会、经济的可持续发展，迫切需要寻找一种可再生的资源替代不可再生的化石能源。而生物质资源因为具有来源广泛、可持续再生、清洁环保、价格低廉等特点，被认为是目前唯一可能替代化石资源潜力的天然资源。生物质（Biomass）是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，即一切有生命的可以生长的有机物质通称为生物质，它包括植物生物质、动物生物质和微生物。所谓生物质能就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。生物质能的原始能量来源于太阳，所以从广义上讲，生物质能是太阳能的一种表现形式。地球上的生物质能资源较为丰富，而且是一种无害的能源。地球每年经光合作用产生的物质有1730亿吨，其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10_20倍，利用潜力巨大。石油炼制工业为人类社会的进步做出了巨大贡献，随着化石资源的日益减少，借鉴传统石油炼制的生产模式衍生出了生物质炼制，也简称为生物炼制。虽然生物质包括动物、植物和微生物，但生物质炼制主要利用农业废弃物、植物基淀粉和木质纤维素材料为原料，生产各种化学品、燃料和生物基材料。根据转化技术的类型，生物炼制可分为生物化学平台生物质炼制和热化平台生物质炼制二类。生物化学平台通常集中在糖的发酵方面，它首先对木质纤维生物质进行预处理，然后对原料进行三步转化：1）将生物质原料转化成糖或其它可发酵产品；2）利用生物催化剂对原料中间产品进行生物转化；3）生产高附加值化学品、燃料乙醇和其它燃料、热和/或电力。对于热化学平台，生物质炼制主要集中在气化（在有氧条件下加热生物质生产合成气）和/或热解（在无氧条件下加热生物质生产热解油），产品可作为燃料的合成气或热解油。热化学平台工艺过程包括：1）原料预处理；2）气化或/和热解；3）净化/分离或合成生物油或燃料。根据生物质来源及处理难易程度的不同，生物质炼制又可分为4种系列：1）全谷物生物质炼制（Whole_crop biorefinery）：以玉米、小麦、黑麦等为原料，机械分离秸秆和谷粒并分别转化利用的过程。秸秆可以直接燃烧发电获得能源，也可以组分分离分别利用或全组分气化制备合成气。谷粒（主要是玉米）可以直接磨成粉（或生物转化为淀粉）糊化或挤压塑化制备胶粘剂或生物塑料，也可以转化为淀粉再水解为可发酵糖或化学改性利用；2）绿色生物质炼制(Green biorefinery)：以自然界中湿（新鲜）的生物质如青草、苜蓿、三叶草和未成熟的谷物作为原料，通过湿式分离生产富含纤维的滤渣和含有营养物质滤液。滤渣主要含有纤维素、淀粉、有价值的染料、色素、天然药物及其它有机物，可以生产绿色饲料颗粒，并可以作为转化乙酰丙酸、合成气或燃料的原材料，而滤液则含有蛋白质、游离氨基酸、染料、酵素、激素、其它有机物和矿物质；3）木质纤维生物质炼制(Lignocellulosic biorefinery)：以自然干燥的富含木质纤维素的生物质（木材、秸秆、草、芦苇和废纸等）为原料（一般需要经过预处理或组分分离过程）生产能源、生物聚合物和化学品的过程；4）海洋生物质炼制（Marine biorefinery）:以海洋中的生物质微型藻类（硅藻、绿藻、金藻、蓝绿藻等）、大型海藻（褐藻、红藻等）及其衍生产品为原料转化为高附加值产品的过程。其中木质纤维生物质炼制工艺因为原料具有总量丰富、分布广泛、低污染性等优势，并且主要成分纤维素（葡萄糖组成的大分子多糖）、半纤维素（非均一的聚糖，以戊聚糖为主）和木质素（酚类聚合物）转化产品在代替传统石化产品方面具有较好的前景，木质纤维生物质炼制产业将为林业、生物技术、材料、化学加工业创造非凡的机会，并刺激农业的进步，它将有助于创建一个使用可再生的木质纤维生物质炼制取代石油炼制的新行业。第一节 木质纤维生物质炼制的概念一、生物质炼制的起源;炼制(Refinery)或精炼的理念来自于石油化工产业。;石油炼制是指通过分馏和催化转化等技术，把原油等复杂底物中不同的组分进行分离，进而把每一种组分分别转化成各种不同的产品，以最大限度地开拓产品的总价值。将该理念引入到生物质资源利用领域，就形成了一个新概念;生物质炼制(Biorefinery)。生物质炼制以生??（淀粉、纤维素、油脂、蛋白质等）为原料，通过热化学、化学或生物转化等方法降解成为一些中间平台化合物，如生物基合成气、糖类（葡萄糖?木糖等），然后通过生物或化学方法加工成为平台化合物，如乙醇、甘油、乙酸等，再由平台化合物生成各种化学品。图1_1是美国国家可再生能源实验室（NREL）经过研究给出的生物质炼制转化为平台化合物和各种化学品的技术流程图，从图中可以看出利用生物质可以合成许多化学品。现代石油化工最重要的过程是;炼制（Refinery）与;联产（Union），即把成分复杂的底物原油中的每一种组分都分别分离出来并转变成不同的产品，最大限度地提高产品总价值。在工程设计方面，将每种工艺尽量联合起来，最大限度地降低成本。以生物质为基础的炼制工业也必须打破原来生产方式中仅仅利用某一种组分生产单一种/类产品的观念，尽可能地充分考虑将原料中每一种组分，将其分离后联产或分别转化为不同的产品，实现原料全组分高效充分利用和产品价值的最大化。二、生物质炼制的概念实际上，生物质炼制的概念是1982年在《Science》上首次被提出。文中指出，学习石化工业发展经验，打破用生物质单纯生产单一产品的传统观念，充分利用原料中每一种组分，将其分别转化为不同产品，实现原料充分利用、产物多样化、产品价值最大化、生产成本最低化、废弃物最少的新型工业模式就是生物质炼制。美国能源部将生物质炼制定义为一个加工厂的完整概念，它以石油化学炼制厂为基础，在这里生物质原料被分离和转化为各种有价值的产品；美国可再生能源国家实验室对生物质炼制的定义为：以可再生的生物质为原料（木质纤维原料、植物基淀粉、农业废弃物等），整合生物质转化的各种过程和设备，进行再资源化和增值化，生产燃料、动力和化学品的综合产业；国际能源署对生物质炼制给出的定义是：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）。三、木质纤维生物质炼制生物质炼制（Biorefinery）可以归结为以可再生的生物质为原料，经过生物法、化学法、物理法等多种加工转化途径生产各种燃料、化学品和材料的新型工业模式。木质纤维生物质炼制则以主要成分为纤维素、半纤维素和木质素的木质纤维生物质如木材、芦苇、草类、秸秆等为原料，基于生物化学平台或热化学平台转化为生物燃料、生物材料或生物基化学品。本书将对木质纤维生物质的生物化学平台转化作为重点，而对于木质纤维质的热化学平台转化（气化、液化和热解）则不作介绍。

图1_1 美国国家可再生能源实验室的生物质炼制技术流程

第二节 木质纤维生物质炼制的基本原理及意义一、木质纤维生物质炼制的基本原理石油炼制的基本原理是把原油通过石油炼制过程加工为各种石油产品的过程，一般进行三次加工。第一次，原油进入炼油厂后，按沸点不同在蒸馏装置切割成沸点从低到高、密度从小到大的各类馏分油；第二次，将重质馏分油（如直馏蜡油）在热的作用下（不用催化剂）催化裂化为裂化气、汽油和柴油；第三次主要是将渣油焦化转化为轻质油。成分复杂的原油经过石油炼制生产出简单而又成分清楚的纯净产品。在高效炼制生产线中，可以生产出基础化学品、中间产品及复杂产品。把石油炼制的基本原理应用到生物质炼制过程中，同样需要把成分复杂的生物质组分进行分离，不同组分再分别进行转化为可以直接利用的产品，或是生产可发酵糖或合成气平台化合物再进一步转化为化学品。石油炼制与生物质炼制基本原理的比较如图1_2所示。生物质炼制技术是最大化地利用生物质资源，将其转化为各种生物质产品和能源，可实现生物质能源、生物质材料、生物质化学品、生物质燃料与生物质之间的可持续循环，是一项高效率、低成本、绿色无污染的技术。生物质炼制模式使用能量和碳元素的;捕捉释放方式，有利于减少大气环境的CO2排放量，缓解和应对全球气候变化，同时满足人们当前对化学品、材料和能源等各方面的需求，符合低碳经济和可持续发展的要求。