973项目申报书生物质转化为高值化材料的基础科学问题文档格式.docx

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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。

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）：

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置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置；

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。

4）生物质分离低分子片段绿色单体化与转化

探讨生物质组分分离过程中产生的低分子片段，如低分子量半纤维素、纤维素低聚糖及木质素二聚体等，它们不适合作为材料合成单元，但可经绿色单体化后转化成工业平台化合物，这是生物质全组分利用过程的重要一环。

研究低分子量半纤维素与纤维素高效清洁温和分离产生可发酵单糖；

可发酵单糖高浓度发酵生产乳酸转化合成聚乳酸材料；

此外，还研究低分子木聚糖水解产生木糖、阿拉伯糖、甘露糖的机制；

研究阿拉伯糖、甘露糖等高值化转化功能药物的路线；

研究木糖转化产生醇、醛工业平台化合物的途径；

研究低分子木质素分子结合键在不同介质中的降解过程与产物稳定机理；

反应体系中酚类化合物分解过程和中间产物的相互作用及其抑制机理；

目标产物的定向调控机制与表征。

5）生物质高值化利用过程节能与CO2利用和减排

生物质分离、水解、自组装和表面改性过程中会有伴生产物产生，如果不加以利用，不仅浪费资源，而且伴生产物自然分解会产生CO2排放；

因此，将伴生产物进行热化学转化，可实现生物质高值化过程中的节能；

同时，对热化学过程产生的CO2高效捕获会减少CO2的排放。

研究生物质的低温热解气化和亚临界水水解；

生物质伴生产物产能过程的CO2高效吸附机制；

研究生物质利用过程中的生命周期评价理论，探讨生物质转化过程的CO2及其它污染物的排放清单；

研究生物质利用过程中产生CO2吸附技术与合成碳酸酯材料途径；

研究全球碳循环背景下生物质利用CO2利用和减排贡献机制与调控。

二、预期目标

1.总体目标

通过本项目的研究，提出组分分子结构与功能关系的新理论，揭示生物质组分的清洁温和分离途径，构建纤维素的新溶解体系、生物质功能化材料合成共性平台和生物质高值化过程节能与CO2利用和减排系统集成理论，使我国生物质资源利用和转化为高值化材料的方法与技术体系上一个新台阶，进而推动我国现有生物质材料工业的跨越式发展，逐步替代化石基合成材料，为建立大规模现代化生物质材料工业体系提供科学依据和技术支撑，使我国进入并引领生物质材料领域的国际科技前沿，保证国民经济持续稳定健康发展。

2.五年预期目标

1）取得的有重要科学价值的理论进展与突破

解译生物质超微化学结构和空间结构，提出组分分子结构与功能关系的新理论。

揭示生物质组分分子间结合键在不同微差异介质环境下的应答机制与规律，提出生物质组分的清洁温和分离途径，揭示分离机制，建立生物质组分构效关系新理论。

建立纤维素的高效新溶解体系，阐明水体系均相合成纤维素衍生物的过程控制及反应动力学；

清洁高效分离与纯化半纤维素，揭示半纤维素均相改性机制；

阐明木质素分子的活化途径，构建生物质功能化材料反应平台。

揭示生物质转化伴生产物（废液）热化学转化系统中多相流体动力学、多相传热传质规律与机理和反应动力学及机理，建立伴生产物热化学高效转化系统集成理论；

揭示高效低成本CO2吸附机理，实现生物质高值化过程中的节能与CO2利用和减排。

2）预期取得的有重要科学价值的新方法与关键技术

建立生物质组分纤维素、半纤维素和木质素的清洁高效制浆分离方法与技术，将制浆分离纤维组分通过湿部化学途径合成高质量纸张和特种纸材料（主要针对高质量浆纸和特种纸等，国内年总需求量超过8000万吨）。

提出生物质氧基化学制浆新方法，建立非木材纤维5000吨/年以上的新型清洁制浆/漂白中试生产线及500吨/年以上的特种纸中试生产线。

主要针对新型粘胶纤维、醋酸纤维和铜氨纤维（国内年总需求量超过300万吨），以及纤维素光电磁材料、气凝胶、生物医用纤维素复合物等，建立低温溶解纤维素的绿色新方法和新技术体系，建成1000吨/年新型纤维素丝与膜材料中试生产线；

同时研制出2-3种具有实用价值的典型纤维素纳米复合材料、光电材料或生物医用材料；

建立可阐明纤维素微观结构与本征性能的表征方法；

创建纤维素再生成形、拉伸取向、结晶的成套新技术，实现新溶剂体系中纤维素纤维的清洁再生及均相反应。

主要针对季胺化半纤维素材料等（国内年总需求量超过400万吨），提出H2O2/OH-、有机溶剂和离子液体全溶体系分离与纯化半纤维素的关键技术原理。

建立分级分离和纯化半纤维素的新方法，并合成3-5种典型的半纤维素酯化/醚化高值化材料；

提出低分子半纤维素水解制备木糖的清洁技术，木糖得率不低于理论产率的80%。

提出低分子量半纤维素绿色单体化的技术路线，获得具有高生物活性的甘露糖、半乳糖，纯度不低于98%，具有工业化应用前景。

提出木质素分子活化和功能化技术路线。

合成2-3种典型木质素高值化材料，实现2-3种有工业化前景的木质素基功能高分子精细化学品的合成，木质素的分子转化率不低于90%；

建成木质素材料与高分子精细化学品中试生产线。

建立生物质高值化伴生产物低温热解气化和亚临界水水解的方法体系；

建立生物质CO2合成碳酸酯材料途径。

建立伴生产物的高值化利用示范系统，伴生产物气化能量转化效率在95%以上，CO2捕获效率在90%以上；

研制出新型高效、低成本、长寿命CO2吸附剂。

3）优秀人才培养和基地建设

形成一支本领域具有国际前沿水平的研究队伍，力争进入基金委创新群体。

加强国际交流，进一步提高国际影响。

在研究期间有2-3名杰出的学者能当选国际性学术组织或委员会成员，5-7名杰出的学者能担任国际性会议特邀报告人、组委会成员或国际性刊物编委，2-3名年轻学者能获得国家杰出青年科学基金资助或成为“长江学者奖励计划”特聘教授。

每年培养约40名左右高水平的博士研究生，力争有2-3名优秀博士获全国优秀百篇博士论文奖。

通过研究团队的创新性研究，使团队成员所在的相关国家重点实验室与省部级研究基地学术水平有大幅度的提升，力争达到该领域的国际领先地位。

4）考核指标

提出生物质组分高效清洁分离及生物质高值化材料合成新理论和工艺机理，形成有自主知识产权的集成技术体系。

发表SCI源期刊文章200篇以上，其中进入IF2.0以上的论文不少于80篇；

出版专著5部以上。

申请或获授权发明专利40-50项；

申请或获授权国外发明专利1-2项。

获得国家级科技奖励1-2项。

三、研究方案

1.项目总体思路与技术路线及可行性

1）总体思路：

本项目从建立生物质高值化材料合成理论体系出发，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三个关键科学问题，根椐研究内容，设置以下6个研究课题：

1）生物质细胞壁组分结构解译与组分键合机制；

2）生物质分离与低分子片段绿色单体化及转化；

3）绿色新溶剂与纤维素高值化材料构建；

4）半纤维素分子纯化均化与高值化材料合成；

5）木质素分子活化与功能芳基材料合成；

6）生物质高值化利用过程的节能与CO2利用和减排。

项目的总体学术思路如图3。

图4.项目研究的技术路线

建立清洁温和分离

反应体系

氧基体系（H2O2/OH-）、低压爆破、有机溶剂和离子液体分离方法及其组合方法

科学问题研究：

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

纤维素

生物质

溶解与转化

半纤维素

木质素

半纤维素分子纯化与均化

木质素分子

活化与转化

纤维素高值化材料合成

（如高质量浆纸，国内年总需求量8000万吨；

新型再生纤维素材料等，国内年需求量超过300万吨）

半纤维素高值化材料合成

（如聚乳酸材料，国内总需求量超过300万吨；

季胺化半纤维素材料等，国内年需求量超过400万吨）

木质素高值化材料合成

（如木质素聚氨酯材料等，国内年需求量超过110万吨）

生物质组分解离产生的低分子片段绿色单体化及转化

（清洁水解、生物分解、乳酸发酵与聚乳酸合成；

糖基医用功能药物材料合成）

生物质高值化利用过程的节能与CO2利用和减排

（生物质伴生产物的低温热解气化、亚临界水水解、CO2吸附与减排）

2）技术路线：

着重对生物质超微结构的分子解译、生物质清洁温和分离机制和生物质组分构效关系与高值化材料的构建等关键科学问题进行深入研究，建立氧基体系（H2O2/OH-）、低压爆破、有机溶剂和离子液体等制浆分离方法及其组合方法，实现生物质组分的清洁高效分离；

并在纤维素溶解与转化、半纤维素分子纯化与均化、木质素分子活化与转化等难点与障碍上取得突破，构建生物质转化为高值化材料的共性平台；

同时，在生物质组分分离产生的低分子片段绿色单体化及转化和高值化利用过程的节能与CO2利用和减排等方面取得进展，最终形成生物质高值化材料合成的集成理论体系与技术基础。

技术路线如图4。

3）可行性分析

a）研究方法与技术路线可行性

研究方法是项目取得重大突破的前提。

本项目从研究生物质组分超微结构着手，在已有研究基础上，探索氧基分离（H2O2/OH-）、低压爆破、有机溶剂和离子液体分离等新方法，探讨不同条件下对生物质组分结合键的选择性反应与分离机制，在纤维素溶解与溶解体系、半纤维素分子纯化与均化、木质素聚集态结构与分子活化等关键性问题上取得突破，建立生物质高值化材料的合成共性平台，这在理论上是可行的。

本项目组成员长期从事生物质组分分离、结构鉴定及转化利用等方面的研究，在分离生物质组分方面已取得了突出的研究成果，在生物质组分应用前景探索，纤维素溶解与溶解体系、半纤维素分子纯化与均化、木质素聚集态结构与分子活化等领域形成了一套有特色的研究方法与技术体系，本方案是在这些前期研究基础上提出的，具有明确可行的研究方法和技术路线，能够确保本项目研究工作的顺利开展。

b）学科基础的可行性

学科基础是项目研究取得重大突破的基本保证。

本项目组成员来自生物质科学、材料学、生物化学、农学、林学、化学、环境科学与工程等学科。

学科结构合理；

项目组成员有深厚的学术背景，学科交叉与渗透特色明显，能够对项目内容进行多学科、全方位、深层次的基础研究与应用基础研究，保证项目研究的顺利实施。

c）资源与环境可行性

项目研究能否有重大突破与项目预期进展是否能有足够的资源支撑，是否对资源充分利用以及所采用的方法是否环境友好有十分重要的关系。

我国生物质特别是草类生物质如农业秸秆等可再生资源量大，再生周期短，目前相当数量的生物质资源没有得到充分利用，或被焚烧或自然腐烂，造成环境污染。

对生物质高值化材料重大基础问题的深入研究不仅可以实现对生物质资源的充分利用，而且能推动我国早日建成生物质材料新工业体系，逐步替代石油基合成材料，这具有重要的意义，特别是在世界各国努力抢占生物质材料研究创新与产业创新的制高点时，其意义尤为突出。

本项目的整体方案是提出和合成新型的、环境友好的高值化材料，一方面是为了提高资源的利用率，另一方面是为了减少或避免循环链污染物质的产生与排放；

并且，将生物质高值化材料的转化方法与技术基础置于全球碳循环背景下的节能减排框架内进行。

因此，本项目的实施对我国资源安全和生态环境安全是十分有益的。

d）经济可行性

项目研究能否具有经济可行性对项目关键技术的应用前景有十分重要的作用。

生物质组分分离后对纤维素、半纤维素和木质素三种组分实现全生物量利用，克服现有技术体系中只从生物质原料提取一种组分转化利用，而将其余组分作为污染物直接排放到环境中（如制浆造纸工业、糠醛工业、木糖醇工业、粘胶纤维工业、木质素化学品工业）的根本性缺陷，转化新型材料，具有较好的市场前景，符合社会经济可持续发展的目标。

随着我国社会和经济的快速发展以及化石资源贮藏量的不断减少，对生物质等天然可再生资源转化产品的需求将会不断增加，从纤维素、半纤维素和木质素转化获得高值化材料具有高附加值，这是一种高效利用生物质的技术途径。

因此，本项目提出的技术路线在经济上是可行的。

2.创新点

1）研究思路的创新与特色

在生物质利用转化方面，目前的研究大多数集中于将生物质水解产生单糖转化能源乙醇方面，一般需要6吨纤维素原料产生1吨乙醇；

而且水解耗能高，产生二次污染，其余组分由于分离过程中分子结构的破坏不能利用被废弃，造成资源浪费和环境污染。

而本项目提出的新思路是利用环境友好的化学品如H2O2、O2等替代传统制浆工业的Na2S分离方法，实现清洁制浆分离生物质组分，对分离的高分子量纤维素、半纤维素以及木质素转化合成高附加值材料，对低分子量半纤维素与纤维素通过生物化学途径产生乳酸合成聚乳酸，6吨原料可产生3吨高质量浆纸或新型粘胶纤维、醋酸纤维等，1.5吨左右木质素聚氨酯和1.5吨左右的季胺化半纤维素材料与聚乳酸材料，不仅可实现全生物量的高值化综合利用，也能实现生物质利用过程中的节能和CO2利用和减排，并极大提升现有制浆造纸工业、纤维素等生物质工业技术的水平，构建低碳经济的工业新模式。

这是一种新的创新研究思路，即是在生物质超微结构解译、组分清洁温和分离的基础上探索生物质高值化材料合成途径，在纤维素溶解与溶解体系、半纤维素分子纯化与均化、木质素聚集态结构与分子活化等关键问题与障碍上取得突破后，构建生物质高值化材料的共性平台，这是本项目研究思路的创新与特色之处。

通过进一步解译生物质超微化学结构和空间结构，特别是在组分结构与功能关系方面提出新理论；

揭示生物质组分分子间结合键对不同介质环境下的应答机制与规律，阐明纤维素绿色溶剂合成、半纤维素分子均化机制、木质素聚集态与分子活化调控规律，与以往从物理性质入手的传统生物质材料合成路线相比，是一种全新的思路。

2）研究方法的创新与特色

由于生物质组分纤维素、半纤维素和木质素三者之间连接结构的复杂性，导致至今尚没有找到一种将三种组分同时清洁分离的方法。

本项目在前期研究和探索的基础上，提出氧基分离、低压爆破、有机溶剂、离子液体分离等新方法及其组合体系，有望将生物质组分清洁高效地分离，获得高反应活性的纤维素、木质素和半纤维素，然后转化成高值化材料，亦即是“组分清洁分离→建立转化平台→合成新材料”的方法体系（具有绿色、分离组分结构完整并且反应活性高、全组分利用、转化效率高的特点），与传统的“提取一种组分→物性特点→合成材料”的方法相比（具有污染严重、提取组分结构不完整并且反应活性低、单组分利用、转化效率低的缺点），具有根本性的区别，即本项目的研究方法是先探索生物质组分的清洁分离，然后对分离组分进行转化利用，这是一种全新的研究方法。

研究方法的创新主要表现为：

在生物质结构上，将采用本项目长期以来逐步形成的生物质键合机制研究方法，包括三维P31NMR探针方法、激光拉曼与激光共聚焦显微镜细胞壁观察方法等，推动生物质结构研究方面取得突破性进展；

在生物质分离上，将在以前OH-作用木质素的研究基础上，研究氧基体系（H2O2/OH-）、全溶解体系和离子液体体系等分离生物质组分的新方法；

在生物质高值化转化方面，将发展纤维素新溶解体系、半纤维素分级-纯化、木质素分子活化等新方法，这些新方法为生物质转化为高值化材料的理论突破和新技术体系的形成提供了良好的基础。

3）研究目标的创新与特色

本项目的研究目标不仅着重于生物质高值化材料的转化，也探索生物质利用过程中的节能与CO2利用和减排途径，将生物质利用置于全球碳循环背景中的节能减排框架内进行，在整体方案的设计上是基于“过程绿色，产物与环境友好”这一前提，并着重于有我国特色的禾草类生物质的分离与组分转化，建立生物质组分清洁高效分离与转化的新技术集成体系，这是本项目在研究目标上的创新与特色之处。

3.课题设置

本项目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三个关键科学问题，设置以下6个课题。

课题1、生物质细胞壁组分结构解译与组分键合机制

主要研究内容：

1）生物质组分的空间结构

研究纤维素、半纤维素和木质素存在的空间构型，如木质素在细胞壁各层的存在形式、化合键连接类型；

研究纤维素、半纤维素和木质素结构的三维立体模型，结构与功能的关系，探讨纤维微晶区结构内的超分子结构性质，如羟基间氢键的定向排列、结晶区超稳定结构、弱键对空间结构的影响。

2）生物质组分间的不同键合机制

主要研究生物质组分纤维素-1,4苷键结合的葡萄糖单元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的C-4或-、-、-位的酚羟基或脂肪族羟基的相互结合键类型；

研究纤维素、半纤维素和木质素在不同介质中的分离规律；

探讨纤维素、半纤维素和木质素结构生物学或化学、物理性质与转化的关系。

主要研究目标：

针对生物质组分难清洁高效分离的关键障碍，本课题主要研究目标是进一步揭示生物质组分的超微结构，弄清生物质组分的键合机制，了解生物质组分的清洁分离的可能性及结构与功能的关系。

经费比例：

16.5%

承担单位：

华南理工大学、厦门大学

课题负责人：

林鹿

学术参加人员：

肖惠宁、刘世界、吕发创、叶君、刘传富、龙敏南、陈秉辉、陈清西

课题2、生物质解离与低分子片段绿色单体化及转化

1）生物质组分的清洁分离

探讨氧基分离（H2O2/OH-）、低压爆破、有机溶剂和离子液体等分离新方法及其组合方法，将生物质组分清洁地分离，获得高反应活性的纤维素、木质素和半纤维素；

研究生物质氧基化学制浆新机理，开发相关功能性助剂，建立5000吨/年新型清洁制浆/漂白和500吨/年特种纸合成的中试生产线，为获得高活性生物质组分打下基础。

2）生物质组分分离过程产生的低分子量半纤维素与纤维素的单体化与定向转化

生物质组分分离过程中会产生一些低分子量片段如低聚半纤维素与纤维素分子，它们是低聚体化合物，不适于合成高值化材料，但对其的充分利用是生物质资源综合开发非常重要的环节。

本课题将研究纤维素和半纤维素低分子片段通过微生物降解和水解产生木糖、阿拉伯糖、甘露糖、葡萄糖等单体的机制，在此基础上研究定向转化途径。

建立发酵法转化木糖醇中试生产线；

研究低分子量半纤维素和纤维素片段高效清洁水解产生木糖和葡萄糖，高浓度发酵产生乳酸合成聚乳酸材料；

研究阿拉伯糖、甘露糖等非结构糖高值化转化合成功能药物的新途径。

本课题主要研究目标是提出生物质组分的清洁温和分离途径，获得高反应性能的分离组分；

同时掌握生物质组分分离过程中产生的低分子片段的清洁单体化及其进一步转化为工业平台化合物的方法与途径。

10%

中国农业大学、中国科学院理化技术研究所

王贺祥

刘庆洪、王乃兴、黄庆斌、安静仪

课题3、绿色新溶剂与纤维素高值化材料构建

1）纤维素溶解与新型溶解体系建立及大宗纤维素材料绿色合成方法

进一步研究建立碱-尿素水体