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木质素——潜力巨大的自然资源
Release Time：2021-07-13木质素——潜力巨大的自然资源
石油是化工行业的命脉。它是基本化学品的原料，用于生产大量产品。不断增长的需求和不断减少的资源意味着化学工业越来越关注可再生资源。木质素是一种木材成分，被证明是一种特别有前途的资源。它目前几乎只用于产生能量，尽管它也可以用于许多其他目的。在巴登符腾堡州，一个研究联盟专门致力于探索这种木材成分的潜力。木质纤维素（拉丁语 lignum = 木材）赋予植物形状和稳定性。木质素生物聚合物增强植物的细胞壁，由三个主要成分组成：纤维素和半纤维素形成一个框架，其中结合了木质素作为一种连接器，从而固化细胞壁。细胞壁木质化使植物能够抵抗风和害虫。与化石石油相比，从木材、稻草或芒草中提取的木质纤维素是可再生原材料，它们可以在田地和森林中种植，并且是气候中性的。此外，通过燃烧木材和木质材料释放到大气中的二氧化碳量不会超过树木生长时储存的二氧化碳量。但是木质纤维素是石油的重要替代品吗？
从炼油厂到生物炼油厂
化学工业完全依赖碳化合物来制造油漆、粘合剂、人造纤维、肥料、杀虫剂，尤其是塑料等产品。在德国，石油、天然气和煤炭约占用于这些目的的所有碳化合物的 87%。然而，碳也存在于植物中。在光合作用过程中，植物结合大气中的二氧化碳并利用它来产生富含能量的分子，主要是糖化合物。化学工业已经在一定程度上（13%）使用可再生资源，主要是植物油、淀粉、天然橡胶和纤维素。目标是在未来增加这个百分比。“我们的长期目标是建立可以在优化的价值链中完整使用可再生原材料的生物精炼厂，”来自卡尔斯鲁厄理工学院的 Daniel Forchheim 博士和巴登木质纤维素联盟的协调员说-符腾堡。该联盟目前正在开展 19 个项目，研究从田间到产品的整个材料流程。主要研究领域是原材料的培育，即木质素生产植物的选择和育种，新产品的测试。用于开发生物基产品的提取方法以及生物技术和化学合成策略。
木质素——新的石油？
木质素占木质纤维素生物质的 30%，是一种尚未开发的宝藏——至少从化学角度来看是这样。树脂物质由不同的芳族基本结构单元组成，即所谓的苯丙烷，它们非常有用。芳香族化合物通常从石油中提取，用于生产塑料、药物和油漆。因此，木质素的潜力非常大：除了纤维素和几丁质外，木质素是自然界中含量最丰富的聚合物——也是唯一一种含有如此大量芳香族化合物的聚合物。
每年，全世界大约生产 5000 万吨木质素作为造纸工业的副产品。通常使用硫酸盐工艺从木浆中提取木质素，在此过程中，将去皮的木片、稻草或压碎的玉米秸秆在含有氢氧化钠的大型压力容器中煮沸数小时，以从纤维状纤维素中去除木质素。木质素是该过程的副产品，并以黑液的形式积累。木质素的材料潜力在很大程度上仍未得到利用：98% 的木质素被燃烧。
然而，木质素也可以从稻草或芒草中生产，这是一种潜力特别大的巨型草。Miscanthus x giganteus 生长在营养贫乏的土壤上，可实现高产并能抵抗许多压力因素。它也被用作海德堡大学生物研究中心研究人员正在开展的一个子项目的试点工厂。“我们正在研究环境因素对植物重要代谢途径苯丙烷途径的影响，”该中心的 Linn Voß 说。苯丙烷途径始于氨基酸苯丙氨酸。植物具有一定的这种化合物库，它们用于合成化合物，例如提供针对食草动物和病原体以及木质素的保护。植物能够根据不断变化的环境条件改变苯丙烷的数量。在干燥条件下或被昆虫感染时，植物会产生更多的防御物质和更少的木质素。“芒草非常健壮，似乎在使用苯丙氨酸方面非常有效。我们现在想了解植物是如何改变这些数量的，”Voß 说。除了基础研究外，研究联盟还在研究开发新的转换方法。需要区分将木质素分离为其三种主要成分和将纤维素、半纤维素和木质素分解为它们的基本构建块的后续过程。这对于木质素来说尤其困难，因为苯丙烷类构建块松柏醇、枯草醇和芥子醇以不同的比例连接在一起，形成难以通过化学方式分解的致密三维网络。由于其结构复杂，分解木质素需要高温（高达 500 摄氏度）和高压（高达 200 巴）。
生物质不是无限的
木质素具有巨大的应用潜力。但是，未来化学工业使用的木质素的数量取决于很多因素：一方面取决于原油价格的进展，另一方面取决于研究进展。该研究联盟还在处理与木质素使用相关的潜在生态限制：在对环境产生严重影响之前，木质素可以多密集地用于提取木质素？“一组研究人员正在关注一个问题，即森林中需要多少死木。“这是一个需要研究的重要方面，因为木质素是一种重要的土壤形成剂，”Forchheim 说。
另一个子项目正在调查木质纤维素的区域可用性和可持续利用：“木材是一种可持续生产的资源，它不与粮食生产直接竞争。因此不存在伦理问题。然而，木质纤维素已经被大量使用，并且几乎没有扩展的空间，”弗莱堡大学的林业研究员 Marcus Lingenfelder 博士说。从长远来看，要以可持续的方式为生物经济提供木材衍生的木质素，需要用木材代替用于能源生产的木材。其他可再生能源，如阳光、风和水。“这将是一个非常明智的策略，因为它比生物质燃烧更有效。此外，将木质素掺入耐用产品将捕获更多大气中的二氧化碳2更长时间，”Lingenfelder 说。
使用快速生长的芒草也不是没有困难。虽然芒草是一种非食用生物质，但它的种植仍然与食品和饲料的生产竞争，因为农业用地不仅限于德国，其他地方也是如此。因此，由农业残留物或造纸工业中的副产品生产的木质素目前主要被燃烧似乎是一个相当好的替代品。当木质素不仅仅用于能源生产时，会产生更高收入的附加值将扩大绿色产品的可能性范围。尽管木质素在不久的将来可能不会取代石油，但它很可能会补充石油。
