知耕研选旨在以研究分析的模式追踪生物科技领域国内外趋势见解，为大家呈现不同行业背景、现状、挑战及未来发展趋势，以期给生物科技生态圈伙伴打开创新视角。

随着世界范围内化石资源的减少以及对环境造成破坏性影响的加大，更多的人在不断寻找能够替代化石燃料的可行资源，而木质纤维素生物质已确定是目前地球上最丰富的生物可再生生物质，每年产量将近1亿至1.5亿吨，在材料、化学品和燃料的生产中可以潜在地作为石油的替代品。知耕重点关注木质素领域发展趋势，预判其在生物燃料、造纸和纸浆生产、纺织、废物处理、食品和饮料等领域将优先爆发商业机会。以下内容供各位同行参考，交流。

木质素应用背景

木质纤维素生物质的各种来源，如林业废物和农业原料，广泛存在于世界各地。木质纤维素生物质由三个主要成分组成：纤维素、半纤维素和木质素。纤维素和半纤维素形成一个网络，其中木质素充当胶水，使细胞壁具有顽拗性。

木质素是自然界中含量最丰富的聚合物之一，含有大量的芳香族化合物。它通常被认为是纸浆和造纸或第二代乙醇工厂未充分利用的副产物，主要用作锅炉的能源。然而，随着技术的进步和生物经济的快速发展，木质素逐渐被认为是生物经济的基本原料。

木质素结构、加工及应用优势

木质素具有多功能特性，其衍生物已被广泛应用于从燃料到生物材料的多种工业领域。将木质素增值为有价值的产品是释放其潜力的一种方式。

基于生物精炼综合体的商业可行性，以及通过使用相关化石燃料导致的日益严重的环境问题角度，人们对用木质素生产高附加值产品的关注度持续激增。然而，首先必须克服三个重大障碍：分析，处理和产品应用。解决这些障碍可能有助于为未来燃料和材料应用创制新型木质素及其增值副产品。

木质素可以通过各种工艺从生物质中提取，然后进行纯化或功能化，制造不同的产品。最常用的木质素加工工艺如下：

a）碱提取工艺：碱提取工艺是化学制浆中使用的主要工艺，占全球木质素总产量的80%以上。该过程在高pH值（12-14）下进行，约90%的木质素溶解到 造纸黑液中；
b）有机溶剂法：有机溶剂法是使用有机溶剂（如乙醇、丙酮、四氢呋喃和γ-戊内酯等）对生物质进行分馏；
c）离子液体 （IL） 和低共熔溶剂(DESs)：离子液体 （IL） 和低共熔溶剂(DESs) 是木质素分馏的最佳试剂，因为它们在木质素溶解中具有高溶剂化。

■  木质素磺酸盐和生物沥青助力建筑行业脱碳

全球CO₂排放量建筑行业约占25%。其中木质素及其衍生物在预拌混凝土生产中用作水泥添加剂，以改善水泥的可加工性，并在沥青生产中作为沥青的部分替代品。

Praj Industries正在制定一项战略，对第二代乙醇生物精炼厂的副产品木质素进行估价，以获得增值产品。因此，生物精炼厂模式变得更加可持续和商业可行性。

到目前为止，Praj Industries已经开发出从粗木质素生产以下两种产品的技术：

木质素磺酸盐：

木质素磺酸盐是一种可持续的混凝土生物掺合料，用作增塑剂或缓凝剂，可显着改善可加工性。一家从事预拌混凝土行业的全球公司对由甘蔗渣和稻草制成的木质素磺酸盐样品进行了检测，他们在预拌混凝土中使用不同剂量的木质素磺酸盐进行试验，同时对大量样品的流变学和理化性质进行了研究，结果非常好。

在碱性条件和温度、pH和反应时间的受控条件下，将木质素副产物（生物乙醇工艺过程中的残余物）进行磺化，转化为木质素磺酸盐，木质素磺酸盐是水溶性阴离子聚电解质。

生物沥青：

生物沥青在道路工程的柔性路面行业中，一部分沥青被生物沥青（改性木质素）替代。由此来看，沥青工业专有的生物沥青具有很广阔的应用前景：

a）可持续性和环境问题
b）减少化石沥青的进口

c）为建筑和路面行业提供长期解决方案

Praj Industries研发了一种新型解聚和纯化方法，该方法中木质素特性被调整为与沥青特性类似。在Chaplin计划下对沥青样品进行了测试，初步结果显示，生物沥青样品替代化石沥青的比例高达50%。

生物沥青道路图片

近期，Praj Industries与合作伙伴，一家从事石油和天然气服务的大型跨国公司在印度西部修建了一条1公里长的道路，其中沥青混合料中使用了从稻草中提取的生物沥青，并对由生物沥青制成的道路的物理、化学和流变特性进行定期研究，经过3个月的关键时间检测，到目前为止，该道路性能优异，同时Praj Industries将继续定期进行监测。

■   木质素的其他潜在应用

Praj Industries正在致力于开发木质素的其他应用：

a）木质素基船用燃料，可用于航运业，以部分替代航运业中使用的HFO/馏出燃料

b）木质素基碳纤维，其中聚丙烯腈基团可以被木质素部分替代

c）木质素基苯酚甲醛树脂，其中部分苯酚将被芳香族木质素替代

d） 木质素基粘合剂，由于其具有类似胶水的特性和芳香性
f） 木质素的天然抗氧化剂和紫外线吸收特性使其可用于抗衰老和化妆品配方

木质素是迈向

可持续发展和低碳技术的新途径

在替代目前来自化石燃料的一些基本成分上，木质素具有显著优点，木质素将提供环保、可持续的解决方案，降低温室气体排放并增强生命周期评估。它可以由生物精炼法将糖基生物燃料和生物材料以及木质素产品作为精炼的副产品。

Praj Industries正在与该国领先的石油营销公司合作，以稻草为主要原料，建设三座100KLPD商业规模的第二代乙醇生物精炼厂。木质素可作为副产品从这些生物精炼厂获得，产能范围为70-80MTPD，并将有可能转化为增值产品。

总体而言，基于木质素的技术比目前的不可再生替代品更具可持续性。随着从第二代乙醇植物中获得足够的木质素，在可预见的未来，基于木质素的生物经济前景将越来越好。

作者：Dr. Siddhartha Pal，Praj Industries首席科学家

信息参考来源：

https://www.biofuelsdigest.com/bdigest/2023/01/01/lignin-a-way-towards-the-sustainable-biorefinery/