项目名称： 生物质转化为高值化材料的基础科学问
起止年限：依托部门：题
孙润仓 北京林业大学 2010年1月-2014年8月 教育部
首席科学家：
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
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。 科学问题 生物质超微结构的分子解译 建立生物 质组分高 效温和分 离体系 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 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） 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化） 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 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
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个关键科学问题，本项目拟主要进行以下5个方面的研究(图2)：
科学问题 生物质超微结构的分子解译 研究内容 生物质组分的化学结构与空间结构 研究对象 生物质(木质纤维复合体） 生物质组分在不同介质环境下的应答机理与调控 纤维素 生物质清洁温和分离机制 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） 生物质高值化利用过程节能与CO2利用 和减排 半纤维素 生物质组分构效关系 与高值化材料构建 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 图2. 项目研究内容及其之间的关系 1) 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?-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?-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?-、?-、?-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臵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、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；研究生物质清洁温和分离机制与调控；研究生物质氧基化学制浆新机理；研究离子液体环境中生物质组分的分离途径；研究木质纤维低强度蒸汽爆破反应动力学模型与调控途径，探索制浆分离组分通过湿部化学过程合成高质量纸张和特种纸的技术原理；研究在不同介质环境中组分分离的产物类型、结构完整性与表面化学性质。
3) 生物质分离组分转化为高值化材料
研究纤维素分子通过自组装溶解机理并建立新的溶解理论；研究新型再生纤维素材料的绿色合成技术和成型理论；同时进行新型纤维素高值化材料(光、电、磁材料等)设计及其构效关系；纤维素生物医用材料的分子设计与合成、纤维素新均相衍生化介质构建及新衍生物合成。
研究半纤维素的分级纯化与均化获得高分子量半纤维素的途径；研究半纤维素聚合物中单糖间的键合机制；研究半纤维素和木质素之间的化学结合键类型及结合位臵；研究半纤维素在不同溶剂体系中的溶解机理与流变特性；研究半纤维素的酯化或醚化途径合成半纤维素高值化材料，探索其分子聚集体结构与功能的关系。
研究木质素在不同介质中的聚集体结构与活化途径；研究木质素与聚合物共混相溶性的机制及其构效关系；研究木质素基高分子表面活性剂的分子设计及其构效关系；研究木质素基高分子表面活性剂在固体表面的吸附及对分散体系的作用机理。