从生物质抗渗流屏障的认知到生物质炼制技术的突破

刊首语

从生物质抗渗流屏障的认知到生物质炼制技术的突破

生物质产业难以突破技术经济关的本质因素是植物生物质在长期进化过程中形成的抵抗物理、化学和生物作用的天然屏障。认知这些本征反应和传质屏障如何抑制外加炼制作用是实现生物质炼制技术突破的基础。2007年，科学家们从生物学角度提出生物质抗降解屏障的概念并围绕其展开系统的研究，旨在揭示生物质抵抗微生物及酶降解的各种特性。而在这里降解是指有机物大分子降解为小分子的过程，是纤维素酶或微生物与底物接触后的降解过程，因此不能体现酶、微生物包括各种促进抑制因子和降解产物的传递过程。但植物生物质的降解是动态过程，且植物生物质有多孔介质的特性及其相应的传质特点。因此，在生物质抗降解屏障研究的基础上，基于生物质多孔结构本质，引进多孔介质渗流传质理论，从过程工程角度提出生物质抗渗流屏障的概念，有助于真正突破生物质炼制的技术经济关。

植物生物质抗渗流屏障是指植物生物质多孔结构对传质的阻力。渗流屏障的概念是对抗降解屏障概念的提升，主要体现在三个方面：①渗流屏障强调流体在底物中传递的全过程，包括接触底物和离开底物两个过程；②渗流屏障的研究对象是植物生物质的完整结构，是植物生物质堆积形成的特殊多孔传质过程；③渗流屏障是从过程工程的角度解析植物生物质的炼制，涵盖了生物学和植物学的内容。

生物质抗渗流屏障的提出，为生物质炼制技术提出了工程学的方向性指标，可有效评价炼制技术，并为构建生物质炼制集成技术体系提供理论支持和探索途径。作为生物质炼制过程中关键预处理手段，汽爆技术能够从源头上实现对生物质本征屏障的破坏。从生物质抗渗流屏障角度，解析了汽爆过程作用机制。通过构建汽爆、多孔结构、传质、酶解之间的相互关系，发现汽爆改变了秸秆不同器官的孔径分布，提高孔隙率，最终使汽爆后玉米秸秆从非饱和状态到渗流过程关键传质参数得到改进，促进酶解。而阈压值是影响酶解的主导因素，阈压值越小，酶解率越高。这一点充分说明从多孔介质的角度解析酶解传质过程是科学的，多孔介质渗流传质理论为植物生物质炼制提供了工程学上的理论基础。在此基础上，本期《基于生物质物料特性的汽爆过程解析》探讨了生物质物料特性与汽爆过程的关系，为不同物料要求下汽爆工艺参数选取提供理论指导。针对生物质炼制过程中木质素难以直接利用的问题，本期《木质素分级方式及其对产品性能的影响》介绍了基于分子量分散性的木质素分级利用技术，依据各级分木质素特点和产品性能有针对性地加以利用，促进木质素产品稳定化和高值化发展。在生物质抗渗流屏障指导下，突破原有低效高耗的组分拆分和转化模式，本期《万吨级乙醇秸秆汽爆炼制产业化技术与示范》构建了具有自主知识产权的纤维素乙醇产业化技术体系，实现了秸秆资源的分级炼制多联产和秸秆乙醇生产的连续规模化经济运行，具有重要的示范和推广价值。