生物质转化为高值化材料的基础科学问题

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1、项目名称：生物质转化为高值化材料的基础科学问题首席科学家：孙润仓北京林业大学起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：教育部一、研究内容生物质转化为高值化材料的关键过程是组分分离和分离后组分转化。分离是首要的和必要的，要从分子超微结构研究作为切入点，提出组分分离和转化为高值化材料的新途径。然而，目前的各种分离技术尚不能经济、高效、清洁地将生物质三大组分以较完整分子结构形式分离出来，在分离提取一种组分时，其它组分分子结构受到严重破坏，不能实现全组分清洁高效的分离，得到的纤维素、半纤维素和木质素组分结构不完整，化学或生物反应活性低，不能有效

2、利用；分离过程中能耗高、对环境污染严重。生物质组分难以有效分离的根本原因是由生物质细胞壁结构的复杂性决定的。现有研究显示，生物质细胞壁结构是以纤维素微纤的形式作为“骨架”，其周围是由半纤维素和具有三维网状结构的木质素大分子结合形成的天然复合物。国内外研究提示，要解决由于生物质细胞壁结构复杂性所导致的组分有效分离困难这一难点，不能只停留在工艺技术摸索上，须以分子超微结构研究作为切入点，提出分离的新途径；进而根椐分离组分的构效关系，寻找新的途径转化合成高值化材料。生物质转化为高值化材料需要解决的关键科学问题(图1)和研究内容(图2)如下：1.拟解决

3、的关键问题科学问题一：生物质超微结构的分子解译生物质超微结构的分子解译是组分分离和组分转化的基础。生物质超微结构的分子解译科学问题包括生物质木质素、纤维素和半纤维素之间的化学键结合机制，生物质组分相互结合的空间构型，分子间结合键对物理、化学和生物因子的敏感性断裂机制等方面，对这一科学问题的深入研究有助于建立生物质组分的清洁高效分离体系。科学问题二：生物质清洁温和分离机制这一科学问题包含不同介质环境下木质素、纤维素和半纤维素分子内结合键作用相互影响与调控机制，生物质组分分子的清洁温和分离途径，木质素、纤维素和半纤维素在不同反应系统分离后的结构与化

4、学表征，分离组分在氢键力、静电力、离子键力等体系中的介观行为与绿色组装等内容，对其深入的研究可为生物质分离高活性组分用于制浆造纸工业以及后续材料构建提供理论依据。科学问题三：生物质组分构效关系与高值化材料构建图1.生物质转化为高值化材料基础研究的关键科学问题及其之间的关系科学问题建立生物质组分高效温和分离体系形成生物质清洁解离途径（制浆分离产生纤维素、半纤维素和木质素）低分子量片段和伴生物的产生节能与CO2利用和减排纤维素、半纤维素与木质素高值化材料解决转化过程关键障碍（纤维素溶解与溶解体系、半纤维素分子纯化与均化、木质素聚集态结构解译与分子活

5、化）生物质清洁温和分离机制生物质超微结构的分子解译生物质组分构效关系与高值化材料构建高值化材料构建的分子机制是本项目的核心科学问题。它包括纤维素的高效溶解与均相反应，半纤维素和木质素纯化、均化与改性，木质素聚集态结构与分子活化等方面；此外，还涉及在高值化材料构建过程中低分子量生物质组分的绿色单体化与定向转化、生物质高值化伴生产物的热化学转化机理与CO2利用和减排机制等。这一科学问题的研究将直接为合成多样化的生物质高值化材料提供理论依据。2.研究内容围绕生物质超微结构的分子解译、生物质清洁温和分离机制、生物质组分构效关系与高值化材料构建等3个关键

6、科学问题，本项目拟主要进行以下5个方面的研究(图2)：生物质高值化利用过程节能与CO2利用和减排图2.项目研究内容及其之间的关系生物质组分的化学结构与空间结构生物质组分在不同介质环境下的应答机理与调控生物质解离组分转化为高值化材料（浆纸、再生纤维素、季胺基化半纤维素和木质素聚氨酯）生物质解离低分子片段绿色单体化与转化（聚乳酸、木糖醇、低聚木糖）生物质(木质纤维复合体）生物质组分构效关系与高值化材料构建科学问题研究内容研究对象纤维素半纤维素木质素构建生物质高值化材料理论体系、形成低碳经济产业新模式生物质清洁温和分离机制生物质超微结构的分子解译1)

7、生物质组分的化学结构与空间结构研究生物质组分纤维素b-1,4苷键结合的葡萄糖单元的C-2、C-3、C-6位上羟基、半纤维素b-1,4苷键结合的木聚糖的C-2和C-3位上的羟基和木质素苯丙烷单元C-4或a-、b-、g-位的酚羟基或脂肪族羟基的相互结合键类型；研究生物质组分纤维素、半纤维素和木质素在细胞壁的空间分布位置及不同部位的差异性；研究纤维素、半纤维素和木质素存在的空间构型及结构特征。弄清生物质组分的超微结构与分子间的不同键合机制，为生物质分离途径提供基础。2)生物质组分在不同介质环境下的应答机理与调控研究生物质组分间结合键在不同介质环境如酸

8、、碱、温度、压力、超声场、磁场等环境中的敏感性、断裂与分离机制及调控途径；研究连续性差异介质环境中组分结合键的敏感性、断裂与分离机制及调控途径；研究生