作為唯一能夠轉化為液體燃料的可再生資源，生物質以其產量巨大、可儲存和碳循環等優點已引起全球的廣泛關注。蔣劍春帶領團隊針對農林生物質轉化過程中存在的降解產物組分復雜、原料轉化率低、產品質量不穩定、能耗高等問題，開展了木質纖維和植物油脂定向轉化的基礎理論研究，取得了多項創新性成果。

蔣劍春在企業調研。

中國林科院林產化學工業研究所供圖

農業廢棄物、樹木及其殘體、動物糞便……這些看似不起眼且難以處理的東西，卻是生物質能的重要來源。

生物質能與太陽能、風能、地熱能等同為可再生能源，但生物質能是唯一可存儲和運輸的可再生能源，是國家重點鼓勵發展的領域之一。根據《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020）》，在農業領域中，將“農林生物質綜合開發利用”作為優先主題。

但如何轉化？需要突破哪些技術瓶頸？這是中國林業科學研究院林產化學工業研究所研究員蔣劍春團隊長期研究的課題。據悉，今年1月，由蔣劍春主持完成的“農林生物質定向轉化制備液體燃料多聯產關鍵技術”項目獲得了2016年度國家科技進步獎二等獎。近日，《中國科學報》記者對該團隊進行了采訪。

一種綠色能源

日常生活中，生物質資源眾多，包含農作物、樹木、糧食、飼料作物的殘體以及樹木、動物糞便和其他有機廢棄物，是唯一可再生的碳資源，可轉化為常規的液態和氣態燃料以及其它化工原料或產品。

據統計，生物質能潛力巨大，地球上的植物每年通過太陽能光合作用生成的生物質能總量約為1440億～1800億噸，大約等于現在世界能源消耗總量的10倍左右。

“開發利用生物質能具有取之不盡、用之不竭的物質基礎。”蔣劍春告訴《中國科學報》記者，以生物質作為原料經過能量轉換制造的液體燃料，不但可以彌補化石燃料不足，而且達到保護環境的目的。

作為唯一能夠轉化為液體燃料的可再生資源，生物質以其產量巨大、可儲存和碳循環等優點已引起全球的廣泛關注。如日本的“陽光計劃”、印度的“綠色能源工程”、巴西的“酒精能源計劃”等等，都將生物質能作為國家戰略推進。

我國生物質資源豐富，如每年僅農作物秸稈和林業采伐加工剩余物就達10億多噸。以農作物秸稈為例，有學者在考慮土壤生態保留和秸稈主要用途后認為，中國可新型能源化利用秸稈生態總量約為8661.31萬噸。

“一般認為林業采伐剩余物、加工剩余物可收集的約有1億噸，農業秸稈的可收集量比林業多，農林可收集總量約在2億噸以上。”團隊成員、中國林科院林產化學工業研究所研究員徐俊明告訴《中國科學報》記者。

《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020）》已經將生物質能開發利用技術等可再生能源低成本、規模化開發利用作為能源領域優先主題。

據介紹，生物質能源技術發展重點已經從第一代生物質燃料向以木質纖維素煉制為核心的第二代生物質燃料轉變，工藝技術主要集中在生物轉化和熱化學轉化方面。

蔣劍春自1996年以來，一直從事林產化學加工領域的生物質能源轉化研究。他帶領團隊針對農林生物質轉化過程中存在的降解產物組分復雜、原料轉化率低、產品質量不穩定、能耗高等問題，開展了木質纖維和植物油脂定向轉化的基礎理論研究。

記者在采訪中了解到，經過二十多年的持續攻關，蔣劍春團隊突破了降解產物定向調控、生產過程持續化、多聯產值化利用等工程化關鍵技術，取得了多項創新性成果。

利用均須轉化

據介紹，各種生物質能在利用時均須轉化，由于不同生物質資源的物理化學方面的差異，轉化途徑各不相同。徐俊明表示，熱化學轉化能夠直接將固體類生物質轉化成液體，是生物質能源轉化的重要途徑，具有效率高、成本低的優勢。

以木質纖維類資源為例，它是由本身均具有復雜空間結構的高分子化合物纖維素、半纖維素和木質素相互結合形成的結構復雜的超分子復合物，而將其生物質進行降解是開展生物質高效利用的基礎。

蔣劍春團隊創新研發了農林生物質定向熱化學轉化技術，揭示了木質纖維和植物油脂等不同原料的定向降解過程的基本規律，首次成功開發出規模化應用的工程化成套關鍵技術。

與此同時，該團隊發明了新型離子熱體系的木質纖維降解專用催化劑，實現五碳糖苷和六碳糖苷一步法轉化為乙酰丙酸及酯，轉化率提高約30%，產物純度達到98%以上。

針對農林生物質轉化利用中存在生產能耗高的難題，蔣劍春團隊創新開發了連續甲酯化制備燃料油工程化技術，首創高酸價油脂連續酯化與酯交換制備生物柴油工程化技術。

“能耗比國內傳統生物柴油生產技術降低了20%，比國外同類技術降低了9.8%，綜合生產成本節約15%以上。”蔣劍春表示，這解決了目前生物柴油生產過程中原料預處理工藝復雜、間歇式反應工藝能耗高、安全性差、催化劑回收污染環境等問題。

此外，該團隊創新了農林生物質高值化利用多聯產工程化關鍵技術，如創新開發了木質素替代苯酚制備酚醛塑料關鍵技術。

木質素是廣泛存在于植物體內的天然多酚類化合物。在自然界，木質素的儲量僅次于纖維素，且每年以500億噸左右的速度再生。但目前，超過95%的分離木質素未被利用。

該團隊還揭示了農林生物質活性炭活化控制與吸附性能的構效關系，創立了活性炭微孔與介孔結構的調控方法。發現了催化劑提高木質炭反應活性的作用機理、高溫重整過程溫度變化速率以及活化介質對活性炭微孔結構的定向調控機制，制備出介孔結構豐富（>60%）的類分子篩型專用活性炭。

蔣劍春表示，這項技術實現木質素改性酚醛泡沫的連續化生產，解決了木質纖維素液化過程中木質素利用價值和反應活性低的問題，降低了酚醛材料原料成本，實現了木質纖維資源的全質高值化利用。

綜合效益明顯

據悉，該項目屬于技術開發類，集成了農林生物質定向轉化制備液體燃料多聯產關鍵技術，具有自主知識產權，總體技術達到國際先進水平。獲得授權發明專利47件，制定行業標準1項。

據介紹，該項目在木質纖維原料全質利用選擇性轉化乙酰丙酸及其酯，植物油脂連續轉化高品質燃油聯產環保增塑劑工程化等關鍵技術達到國際領先水平。

截至目前，成果推廣到江蘇、浙江、山東、內蒙古、安徽等地區，建成了年處理8萬噸木質纖維素制備乙酰丙酸及其酯、年產10萬噸生物柴油等連續化生產線，以及全球最大的年產5000噸催化裂解制備富烴燃油和國內外首條年產6萬立方米木質素酚醛泡沫示范線。

值得一提的是，近三年，成果新增銷售收入31.5億元，利潤4.07億元。其中，乙酰丙酸及其酯、生物柴油等產品在國內市場占有率近30%。

“成果的推廣應用,對于農林生物質能源化高效利用, 減少農林廢棄物資源對環境的影響，有效替代化石燃料，具有顯著的經濟、社會和生態效益。”蔣劍春說。