【文献解读】CEJ：玉米芯到木糖、乙醇和环保胶黏剂的全组分利用工艺与碳足迹分析

背景介绍

木质纤维生物质是一种极具发展前景的可再生原料，可用于制造燃料、化学品以及材料。然而，木质纤维生物质化学结构复杂，导致目前大部分的生物质精炼行业存在资源利用率低、能耗高、产品市场定位不合理等问题。玉米芯作为一种重要的木质纤维生物质原料，在我国储量丰富且收集运输体系相对成熟，近年来被广泛应用于各种生物质精炼过程。

近期，大连工业大学孙润仓教授、北京林业大学袁同琦教授、孙卓华研究员、博士生庞博与西湖大学王蕾研究员等人，对山东龙力生物科技股份有限公司的木糖生产工艺进行升级，提出并评估了新EXA（乙醇、木糖、环保胶黏剂）生物质精炼策略，将原本生产木质素的环节进行升级改造，直接以碱处理木糖渣后富含木质素的液体为原料制备高强度、低甲醛释放木材胶黏剂。同时改善水循环系统，在减少废水排量的同时简化了废水回收工艺（Fig. 1）。新的EXA策略总碳利用率高达79.6%，在原有工艺基础上整体收益提高110倍，二氧化碳排放大幅降低，具有下述四项优点：1）木质纤维生物质全组分高值转化；2）基于现有工艺直接升级改造以减少成本投入；3）全过程遵循绿色制造原则；4）所得高值产品可以直接进入现有市场。

Fig. 1. General scheme of current xylose biorefinery process as operated by Shandong Longlive Biotechnology Co., Ltd. (top) and the proposed EXA biorefinery process for total valorization of corncob lignocellulose (bottom).

图文解读

随着学术界和工业界的共同努力，近年来木质素高值化利用有了很大进展，所提出的工艺可以将其高值转化为一系列终端产品。但由于现有工艺往往成本较高、市场需求不明确，致使大部分产品难以商业化。基于此，本文中作者将木质素作为一种苯酚替代品，聚焦于有较大市场的木材胶黏剂行业。2018年，全球木材胶粘剂市场规模达到46000亿美元，预计2019年至2025年将以每年4.7%左右的速度持续增长。作者将木糖渣碱处理后的产品进行固液分离，得到的富含木质素的液体直接浓缩后制备胶黏剂（L1PF），不需额外的分离环节，减少了因木质素分离所产生的化学品消耗，并降低了废水处理的难度(Fig. 2)。回收水也可进一步循环用于固液分离后固体组分的洗涤。用L1PF制备的胶合板具有良好的胶合强度（0.87 MPa）以及超低的甲醛释放量（0.07 mg L^-1）。

Fig. 2. Schematic representation of the production processes for the L1PF (a) and L2PF (b) resin adhesives.

作者以山东龙力生物科技股份有限公司2016-2017年的实际运营情况为基础，对升级前后两种工艺的全过程进行经济分析（以生产1 t乙醇计算）。结果发现，虽然新工艺使用了昂贵的苯酚，致使胶黏剂生产成本较高，但由于终端产品（环保胶黏剂）的价值相对于木质素大幅提高，整体收益提升了110倍（Fig. 5）。因此，新的EXA策略可以在有限投入的情况下创造可观的收益。

Fig. 5. Techno-economic analyses of the current process and the proposed EXA process.

如Fig. 6所示，作者对整体工艺的碳流向进行了详细分析。在新的EXA策略中，玉米芯中79.6%的可再生碳可以经济地、可持续地高值转化为几种符合市场需要的终端产品。这一总碳利用率可以与目前国际领先的生物质精炼工艺相媲美，例如从木材中生产苯酚、丙烯、墨水和乙醇的综合生物炼制工艺(76%，Science 367 (6484) (2020) 1385–1390)。此外，新的EXA工艺增加了水循环装置，废水量减少57.8%，且这部分废水更有利于厌氧消化。

Fig. 6. Carbon flow chart of the proposed process (numbers in brackets mean carbon content in each fraction and the percentage based on the feedstockcorncob). The mass (carbon) balance analysis was performed based on a plant-size process model of producing 1 t ethanol.

最后作者对新旧工艺进行了全生命周期（LCA）评价（Fig. 7）。结果显示，以单位收益二氧化碳排放量进行分析，新工艺的温室气体排放量明显低于当旧工艺（0.014 kg CO₂ eq./USD revenue vs 1.27 kg CO₂ eq./USD revenue）。对每一个环节进行评估后，结果表明，新的EXA策略比旧工艺有更低的碳足迹。其中，蒸汽的影响最大，其次是稀碱处理环节电的消耗、乙醇的生产以及在胶黏剂和木糖生产过程中用到的化学品。建议可以通过使用可替代的低碳蒸汽和化学品（或回收化学品）来进一步减少温室气体排放总量。总之，从环境收益的角度来看，新工艺更具有效率。

Fig. 7. “Cradle-to-gate” LCA system boundary for the current and proposed corncob biorefinery designs (dashed square indicates water recycling, energy and heat flows are not shown, *marks electricity produced from anaerobic digestion that is reused in the system).

总结与展望

该研究提出了综合利用农业废弃物玉米芯制备乙醇、木糖和环保胶粘剂的EXA生物质精炼新工艺。从经济和环境的角度对EXA工艺进行评估，结果显示，在收益大幅提升的同时，温室气体的排放也大幅降低。尽管该研究的EXA策略是从玉米芯为起点的，但它也可以应用到小麦秸秆、玉米秸秆等其他原料，因为这些原料都含有类似的主要成分。值得一提的是，本文所提出的策略中也可将玉米芯中的半纤维素转化为附加值更高的低聚木糖，这样可以进一步提高整个工艺体系的经济效应。在未来，这一新的策略可以被进一步推广应用，生产更多高值、可持续、低碳排放的化学品和材料。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.129565

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