生物精炼在制浆造纸工业中的应用
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生物质是自然界中广泛存在的、数量最丰富的有机原料，是一种可再生资源，从农林资源到水生植物，甚至包括一些特定的工农业废弃物和城市垃圾。生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是消耗量仅次于石油、煤和天然气等传统矿物能源的第四大能源，是人类赖以生存的、可再生的绿色能源。生物精炼(biorefinery)可最大化地利用生物质资源以满足人们对生物质产品和能源需求的，符合人类可持续发展的要求，目前主要包括生物发酵、提取分离、绿色制浆、热解、气化等技术。人类对生物质资源的利用已有几千年的历史，但往往效率低下、污染严重，随着石油化学工业的迅速发展，生物质资源的利用也趋于缓慢。然而，20世纪70年生中东战争引发的全球性能源短缺，以及人类对石油等资源的无节制开发利用所导致的传统矿物资源的日益枯竭，使人们开始重新重视包括生物质能源在内的可再生能源的开发利用研究，同时，由石油化工产业所带来的环境问题也使得我们开发利用环境友好的生物质产业有较好的前景［1］。生物精炼技术可以将生物质资源转化为各种生物质燃料、生物质材料、生物质化学品和生物质能源等，使生物质资源和能源得到充分、高效的开发和利用，同时又不造成对环境的污染;既满足人们当前对化学品、材料和能源等各方面的需求，又符合可持续发展的要求。图1是生物质精炼产业所生产的多样性产品数量的一种保守估计。如图2所示，生物精炼技术可实现生物质能源、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［。20世纪70年代开始，生物质资源的开发利用已成为世界性的热点问题，其研究主要集中在生物质能源、生物质化学品和生物质材料的开发利用方面。许多国家都制定了相应的开发研究计划:美国国会于2000年6月通过了《生物质研发法案》，2002年提出了《生物质技术路线图》，计划到2020年使生物质能源和生物质产品较2000年增加20倍，达到能源总消费量的25%(2050年达到50%)，每年减少碳排放量1亿t和增加农民收入200亿美元的目标;欧盟于1997年发表了白皮书《能源的未来:可再生能源》，2002年发表了绿皮书《欧盟能源供应安全战略》，计划到2020年欧盟的生物质燃料替代20%的化学燃料;其他国家，如中国、日本、印度、巴西等国也纷纷投入大量的人力和资金从事生物质资源的研究开发。美国现有100多个生物质乙醇工厂，2006年美国燃料乙醇产量已达约50亿加仑;欧盟是全世界目前生物柴油发展最好的地区，2005年欧盟生物柴油总产量已达320万t。2000年我国开始了燃料乙醇试点工作，目前年生产能力已达102万t，现已在东北三省、河南、安徽、河北、山东、江苏、湖北等省的27个地区完成乙醇汽油试点工作;中国林科院林化所在北京、安徽芜湖等地建立了年处理能力达几千吨的木材热解系统。这些都表明了生物精炼具有重要的经济价值和战略意义，是现实可行、环境友好的可持续发展之路。尽管如此，目前生物精炼仍主要处于研究和发展阶段，其大规模的工业化应用仍面临一些困难。
2．1传统制浆造纸工业模式所面临的问题
传统制浆造纸企业就是一些以大量生产传统产品，如纸浆、纸板或其他纤维素产品的企业，它们的主要特点是输入的原料量和化学品很多，所消耗的能源巨大。然而，它们唯一的产出物只是纤维素类产品，原料的利用率低，能源的使用效率也较低，同时还产生大量的污染物和废弃物，如不加以处理，将会对生态环境造成巨大的负面影响。由于优良制浆造纸原料的短缺、石油等传统资源价格的持续上涨，劳动力成本的上升，以及全球化竞争所带来的巨大压力，传统制浆造纸企业面临着前所未有的困难。一些企业纷纷采取了各种措施，如发展高得率的制浆造纸技术、促进林纸一体化、国外建造工厂降低生产成本以及开拓新的市场空间来摆脱这种困境，并收到了一定的成效。然而，这些并不能从根本上改变传统制浆造纸企业对原料、资源和能源的严重依赖性，也不能彻底改变对生态环境造成的负面影响。工厂将原木转变成基于纤维素的制浆造纸产品的这种老的商业模式已不适用。目前，欧洲、北美的一些企业，如UPM、IP、Georgia－Pa-cific等，都已经制定了从传统制浆造纸厂转型为生物质精炼厂的战略。在未来，几乎每个北美的制浆造纸厂都将生产生物质汽油、生物质酒精等高附加值产品。
2．2未来的生物精炼制浆造纸厂
随着生物精炼技术的提出和发展，传统制浆造纸企业有机会利用这项新兴技术转型为集约化的生物精炼厂以生产生物质燃料和生物质化学品，并且能够继续生产出传统的制浆造纸产品，在减少环境污染和提高能源使用效率的同时从林业生物质资源中获得最大收益。它们的主要特点是消耗的能源较少，不需要化石能源，而产出物多，原料资源的价值最大化地被利用，同时污染物和废弃物的排放量也显著减少，基本不会对生态环境造成较大的负面影响。是一家典型的现代化生物精炼制浆造纸厂的模式［4］。一些公司，如Potlach和AlabamaRiver将首先利用生物质气化技术来发热发电并最终生产出液体运输燃料和化学品，这也将取代工厂对天然气和化石燃料的需求。接下来，工厂会将气化技术用于制浆黒液的处理上。其它一些公司也正积极地将已倒闭的工厂转型为现代化的生物精炼制浆造纸厂，如Georgia－Pacific公司将把在缅因州的工厂转变为一个基于纤维素的生物质燃料厂。在制浆造纸领域中应用生物质精炼，可以将传统的化学浆厂变成集约化的生物质精炼厂，除了生产浆料，还可以生产高附加值的产品，如乙醇、碳纤维、聚合物、煤油和生物柴油等，这些产品都来自于半纤维素和木质素，而不是来自于纤维素。这些生物质原料主要包括禾本原料、木质原料和农林作物，而聚糖和木质素又广泛存在于这类可再生的原料中，这使得现代化的生物精炼厂可以与传统的石油精炼厂相当。在石油工业中，通过传统精炼所得到的化学品的量只占总产出量的5%左右，而其他的都被用于生产运输燃料和能源。同石油精炼一样，日用化学品需求和运输燃料间的平衡也是生物精炼的一个重要方面，有些观点认为，生物精炼厂不应该改变这种比例。市场对生物质燃料和能源的巨大需求，将使制浆造纸工业有潜力成为最主要的生物质燃料供应商。
2．3生物精炼在制浆造纸过程中的应用现状
2．3．1生物精炼在制浆造纸原料上的应用通过对制浆造纸纤维原料基因改性可以获得不同纤维素、半纤维素和木质素含量组成、不同纤维形态结构的短周期速生原料，提高了制浆造纸原料的质量，缩短了制浆造纸原料成材的年限，可满足制浆造纸企业对优质原料的长期需求。如果将制浆造纸原料加工到纳米级，其原来的细胞结构被破坏，纤维组织结构发生变化，纤维素、半纤维素和木素可在加工过程中用机械方法分离，从而提高制浆得率，改善浆料质量，提高制浆造纸工业对环境的友好性。
2．3．2生物精炼在制浆过程中的应用在化学制浆前，利用相对温和的条件抽提出乙酸和部分水溶性半纤维素，可降低制浆过程中有效碱的用量，加快脱木素速率，降低残渣率，同时也减轻了黒液处理的压力。实验室研究表明，该工艺不会对纤维数量和质量产生负面影响。在制浆前，利用真菌或酶处理除去木片中树脂，可减少纸机断头、防止纸张强度下降以及工艺设备堵塞等问题，现已在工业上获得应用。在制浆前利用真菌或酶对木片进行预处理，既能降低制浆造纸过程中磨浆能耗和化学药品用量，还能提高纸浆抄造的强度，减轻对环境的污染。目前，研究重点主要为生物机械制浆和生物预处理化学制浆。利用微生物、木素水解酶或半纤维素酶处理纸浆，降解碳水化合物和残余木素，既能提高纸浆可漂性和白度，又可节省化学漂剂的用量，提高纸浆性能，并减少环境污染。废纸再利用的关键技术之一是脱墨技术。相对于传统脱墨技术，采用纤维素酶、半纤维素酶或脂肪酶来代替化学药品进行脱墨处理，可减少脱墨剂的用量，增强脱墨效果，提高白度和浆料强度，同时也可降低废水对环境的污染。
2．3．3生物精炼在制浆废液上的应用利用木质素沉积技术既可从制浆废液中分离回收木质素，又可减轻锅炉回收化学药品和能源的负荷。利用该技术能否获得大量木质素取决于制浆得率和沉积效率，如果制浆过程中溶出木质素少或沉积效率较低，则木质素获得量较少。黑液气化可替代传统的汤姆林森回收锅炉来回收化学药品和能源，既可生产电力，又可生产合成气，提高了黒液的日处理能力和能源的利用效率，减少了设备投入和占地面积。黒液气化技术主要分为压力气化和常压气化，ChemrecAB和ThermochemRecoveryInternational两家公司分别拥有这两项技术。固体燃料气化器可以替换传统的固体燃料锅炉，将任何可比较经济地运输和气化的材料运到工厂，包括农作物废料、锯木屑、城市有机垃圾等，气化后产生工厂所需的动力。应用生物技术处理制浆工业废水，不仅可从制浆造纸废液中发酵制取乙醇等高附加值产品，不仅能增加经济效益，还可使废水脱色、脱臭、解毒并降低废水中有机物BOD(生化需氧量)，甚至COD(化学需氧量)，解决废水污染问题效果显著。近年来，利用高级氧化处理技术、净化受污染水体的研究也获得了显著进展，多以应用紫外辐射为主，但往往效率较低，而提高太阳能去污效率的关键技术之一在于研制、改进催化剂，目前在光催化有机污染物领域被认为最有效的催化剂是纳米TiO2。
2．3．4生物精炼在制浆过程中副产品上的应用制浆前抽提所得的半纤维素是碳水化合物的混合物，通过酸水解或酶水解可以转化为单糖，再通过生物发酵可制得乙醇，而乙醇又可生产燃料、聚乙烯等高附加值产品，据估计从生物质碳水化合物中所获得化学品和材料的数量可以相当于目前从石油碳氢化合物中获得的量，多达30个。制浆过程中的两种副产品由于具有重要的经济价值将被回收:从蒸煮器释放的气体中可以回收松脂，从制浆黒液可以回收塔罗油。松脂中含有大量的香精油，分离后可以制得香料、聚合物添加剂和溶剂;而塔罗油主要含有皂化脂肪酸和树脂酸，可以用于生产生物质柴油、肥皂和油等，且从塔罗油通过氢化产生生物质柴油要比通过酯化生产生物质柴油经济的多。木质素沉积回收的木质素可生产酚型物、炭纤维、固体或液体燃料、胶粘剂和土壤改良剂等高附加值产品。黒液气化得到的合成气主要为为氢气、一氧化碳、二氧化碳和其他气体的混合物，可用来合成大量的化学品。
3生物精炼在造纸工业应用中所面临的问题和解决建议
集约化生物精炼是最大化利用生物质的一种途径，可以满足人们对生物质燃料、生物质能源以及生物质材料的短期需求和长期发展需要，有利于经济发展，有利于技术进步，也有利于环境保护。然而，生物精炼技术在制浆造纸工业中的大规模应用还面临着不少困难:
(1)人们急需转变固有的思维方式。将现有的制浆造纸厂转变为生物质精炼厂不仅是技术上的革新，更是思维方式上的革新，要让那些专注于生产传统纸和纸板产品的制浆造纸厂接受这种全新的生产模式可能还需要一段时间;
(2)需要先进的技术支持和大量的额外投资。目前，仅有少数国家和地区的制浆造纸厂掌握了这些新兴的技术，已成功转型的工厂也不多，而且需要投入大量的资金对现有工厂进行改造，这也限制了生物精炼技术的推广;
(3)需要相关基础学科和研究的支持，如生物技术、纳米技术和能源工程等。生物精炼技术仍处于高速发展的阶段，涉及许多专业领域，需要学科交叉以不断完善［21］。因此，制浆造纸企业发展生物精炼首先需要转变固有的思维方式，与时俱进，跟上技术和产业革新的步伐，摆脱纸产品是制浆造纸企业唯一输出产品的思想束缚，积极发展多元化产品;其次，要积极开发吸收先进的技术和投入必要的工艺设备，可逐步地应用生物精炼技术对原有的制浆造纸厂进行改造;再之，现有的制浆造纸专业技术人员应充分利用相关领域基础学科和研究的成果，不断发展和完善生物精炼技术;最后，政府部门应制定和完善相关的法律和政策给予传统制浆造纸厂改造以支持。生物精炼作为高效率、低污染、低能耗的生物质利用技术必将带给传统制浆造纸产业一个巨大的革新，不仅能满足人们对纸和纸板产品、化学品以及生物质材料的多元化需求，增加企业效益和市场竞争力，也可能缓解目前紧张的能源危机和环境危机。尽管生物精炼大规模的应用还在发展中，但是其前景将是非常广阔而美好的。
作者：谌尧 翟华敏 单位：南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室