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木質素——潛力巨大的自然資源
Release Time：2021-07-13木質素——潛力巨大的自然資源
石油是化工行業的命脈。它是基本化學品的原料，用于生產大量產品。不斷增長的需求和不斷減少的資源意味著化學工業越來越關注可再生資源。木質素是一種木材成分，被證明是一種特別有前途的資源。它目前幾乎只用于產生能量，盡管它也可以用于許多其他目的。在巴登符騰堡州，一個研究聯盟專門致力于探索這種木材成分的潛力。木質纖維素（拉丁語 lignum = 木材）賦予植物形狀和穩定性。木質素生物聚合物增強植物的細胞壁，由三個主要成分組成：纖維素和半纖維素形成一個框架，其中結合了木質素作為一種連接器，從而固化細胞壁。細胞壁木質化使植物能夠抵抗風和害蟲。與化石石油相比，從木材、稻草或芒草中提取的木質纖維素是可再生原材料，它們可以在田地和森林中種植，并且是氣候中性的。此外，通過燃燒木材和木質材料釋放到大氣中的二氧化碳量不會超過樹木生長時儲存的二氧化碳量。但是木質纖維素是石油的重要替代品嗎？
從煉油廠到生物煉油廠
化學工業完全依賴碳化合物來制造油漆、粘合劑、人造纖維、肥料、殺蟲劑，尤其是塑料等產品。在德國，石油、天然氣和煤炭約占用于這些目的的所有碳化合物的 87%。然而，碳也存在于植物中。在光合作用過程中，植物結合大氣中的二氧化碳并利用它來產生富含能量的分子，主要是糖化合物。化學工業已經在一定程度上（13%）使用可再生資源，主要是植物油、淀粉、天然橡膠和纖維素。目標是在未來增加這個百分比。“我們的長期目標是建立可以在優化的價值鏈中完整使用可再生原材料的生物精煉廠，”來自卡爾斯魯厄理工學院的 Daniel Forchheim 博士和巴登木質纖維素聯盟的協調員說-符騰堡。該聯盟目前正在開展 19 個項目，研究從田間到產品的整個材料流程。主要研究領域是原材料的培育，即木質素生產植物的選擇和育種，新產品的測試。用于開發生物基產品的提取方法以及生物技術和化學合成策略。
木質素——新的石油？
木質素占木質纖維素生物質的 30%，是一種尚未開發的寶藏——至少從化學角度來看是這樣。樹脂物質由不同的芳族基本結構單元組成，即所謂的苯丙烷，它們非常有用。芳香族化合物通常從石油中提取，用于生產塑料、藥物和油漆。因此，木質素的潛力非常大：除了纖維素和幾丁質外，木質素是自然界中含量最豐富的聚合物——也是唯一一種含有如此大量芳香族化合物的聚合物。
每年，全世界大約生產 5000 萬噸木質素作為造紙工業的副產品。通常使用硫酸鹽工藝從木漿中提取木質素，在此過程中，將去皮的木片、稻草或壓碎的玉米秸稈在含有氫氧化鈉的大型壓力容器中煮沸數小時，以從纖維狀纖維素中去除木質素。木質素是該過程的副產品，并以黑液的形式積累。木質素的材料潛力在很大程度上仍未得到利用：98% 的木質素被燃燒。
然而，木質素也可以從稻草或芒草中生產，這是一種潛力特別大的巨型草。Miscanthus x giganteus 生長在營養貧乏的土壤上，可實現高產并能抵抗許多壓力因素。它也被用作海德堡大學生物研究中心研究人員正在開展的一個子項目的試點工廠。“我們正在研究環境因素對植物重要代謝途徑苯丙烷途徑的影響，”該中心的 Linn Voß 說。苯丙烷途徑始于氨基酸苯丙氨酸。植物具有一定的這種化合物庫，它們用于合成化合物，例如提供針對食草動物和病原體以及木質素的保護。植物能夠根據不斷變化的環境條件改變苯丙烷的數量。在干燥條件下或被昆蟲感染時，植物會產生更多的防御物質和更少的木質素。“芒草非常健壯，似乎在使用苯丙氨酸方面非常有效。我們現在想了解植物是如何改變這些數量的，”Voß 說。除了基礎研究外，研究聯盟還在研究開發新的轉換方法。需要區分將木質素分離為其三種主要成分和將纖維素、半纖維素和木質素分解為它們的基本構建塊的后續過程。這對于木質素來說尤其困難，因為苯丙烷類構建塊松柏醇、枯草醇和芥子醇以不同的比例連接在一起，形成難以通過化學方式分解的致密三維網絡。由于其結構復雜，分解木質素需要高溫（高達 500 攝氏度）和高壓（高達 200 巴）。
生物質不是無限的
木質素具有巨大的應用潛力。但是，未來化學工業使用的木質素的數量取決于很多因素：一方面取決于原油價格的進展，另一方面取決于研究進展。該研究聯盟還在處理與木質素使用相關的潛在生態限制：在對環境產生嚴重影響之前，木質素可以多密集地用于提取木質素？“一組研究人員正在關注一個問題，即森林中需要多少死木。“這是一個需要研究的重要方面，因為木質素是一種重要的土壤形成劑，”Forchheim 說。
另一個子項目正在調查木質纖維素的區域可用性和可持續利用：“木材是一種可持續生產的資源，它不與糧食生產直接競爭。因此不存在倫理問題。然而，木質纖維素已經被大量使用，并且幾乎沒有擴展的空間，”弗萊堡大學的林業研究員 Marcus Lingenfelder 博士說。從長遠來看，要以可持續的方式為生物經濟提供木材衍生的木質素，需要用木材代替用于能源生產的木材。其他可再生能源，如陽光、風和水。“這將是一個非常明智的策略，因為它比生物質燃燒更有效。此外，將木質素摻入耐用產品將捕獲更多大氣中的二氧化碳2更長時間，”Lingenfelder 說。
使用快速生長的芒草也不是沒有困難。雖然芒草是一種非食用生物質，但它的種植仍然與食品和飼料的生產競爭，因為農業用地不僅限于德國，其他地方也是如此。因此，由農業殘留物或造紙工業中的副產品生產的木質素目前主要被燃燒似乎是一個相當好的替代品。當木質素不僅僅用于能源生產時，會產生更高收入的附加值將擴大綠色產品的可能性范圍。盡管木質素在不久的將來可能不會取代石油，但它很可能會補充石油。
