第25卷增刊林產(chǎn)化學與工業(yè)ol. 25 Suppl2005年10月Chemistry and Industry of Forest Productsoct.2005生物質(zhì)資源與林產(chǎn)化工宋湛謙國林業(yè)科學研究院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所,江蘇南京210042摘要:回顧了我國林產(chǎn)化學工業(yè)現(xiàn)狀。指出了利用生物質(zhì)資源代替化石資源是當前經(jīng)濟發(fā)展趨勢,同時指出了林業(yè)生物質(zhì)資源化學利用將擴大林產(chǎn)化工的領域。關鍵詞:生物質(zhì)資源;林產(chǎn)化工中圖分類號:TQ91文獻標識碼:文章編號:0253-2417(2005)S0-0010-05BIOMASS RESOURCES AND FOREST CHEMICAL INDUSTRYSONG Zhan-qian(Institute of Chemical industry of Forest Products, CAF, Nanying 210042, China)Abstract The present status of forest chemical industry in China was reviewed. Replacing fossil resource withbiomass is a trend of world economic development, Forest chemical industry will be expanded by chemical utilizationKey words: biomass resources; forest chemical industry我國林產(chǎn)化學工業(yè)具有悠久的歷史。在四大發(fā)明中造紙術(shù)和火藥術(shù)都離不開林產(chǎn)化工技術(shù)。松香、松節(jié)油、單寧、生漆、桐油、白蠟、色素等林化產(chǎn)品的應用也具有悠久的歷史。但是,在解放前,我國的林化資源只局限于原料的利用和簡單的加工。50多年來,我國林產(chǎn)化學工業(yè)得到全面發(fā)展。20世紀50年代,以樹木提取物和木材水解、熱解為主要內(nèi)容。20世紀80年代,提出“林紙結(jié)合”,木材制漿造紙逐步代替污染嚴重的草漿造紙,并成為林產(chǎn)化工產(chǎn)業(yè)的一個組成部分。目前我國林產(chǎn)化工生產(chǎn)廠家1000多家,年產(chǎn)木漿300多萬噸,松香50多萬噸,松節(jié)油8萬噸,活性炭25萬噸,糠醛20多萬噸,栲膠及植物單寧深加工產(chǎn)品近2萬噸,各種芳香油1萬多噸,保健與藥用植物提取物數(shù)百噸。許多林化產(chǎn)品還大量出口創(chuàng)匯,如松香、活性炭、生漆、桐油、糠醛、糠醇等都是重要的出口商品。1我國林產(chǎn)化學工業(yè)涉及的主要領域1.1松脂產(chǎn)業(yè)松脂是我國林產(chǎn)化學工業(yè)最重要的產(chǎn)品。我國松樹資源豐富,松林面積有1600萬km2?？刹芍娣e占10%-20%,年可采脂量150萬噸。松香產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快,自1980年起超過美國居世界第一位。目前產(chǎn)量50多萬噸,占世界總產(chǎn)量的50%。松香也是我國主要的出口商品,占世界貿(mào)易量的60%。目前松香深加工產(chǎn)品率已由20世紀90年代初的10%增加到25%以上,松節(jié)油由25%增加到50%以上。1980年以后深加工產(chǎn)品也從進口變?yōu)槌隹?目前出口量H中國煤化工現(xiàn)了松香深加CNMHG收稿日期:2005-06-20作者簡介:宋湛謙(1942-),男,上海人,中國工程院院土,中國林科院首席科學家,研究員,博士生導師,40多年來一直從事于生物質(zhì)資源的化學改性和應用研究特別是松脂資源的深加工利用研究增刊宋湛謙:生物質(zhì)資源與林產(chǎn)化工11工技術(shù)出口。國內(nèi)消費量達15~20萬噸。1.2栲膠產(chǎn)業(yè)栲膠產(chǎn)量目前一直保持在1~2萬噸。栲膠除鞣革外,還有許多用途,如膠粘劑、水處理劑及油井泥漿稀釋劑等。栲膠中所含單寧具有殺菌、驅(qū)蟲、收斂、抑制病毒、抗氧化等作用,可以制成一些抗菌藥和抗腫瘤藥物的中間體。13飼料添加劑產(chǎn)業(yè)從樹木綠冠可以提取維生素、葉綠素及多種生物活性物質(zhì)。從綠色樹葉又可以提取大量的蛋白質(zhì)和氨基酸,也是飼料的重要來源。20世紀80年代起建立各種針葉加工廠,分布全國24個省區(qū),生產(chǎn)針葉維生素粉8萬噸,并生產(chǎn)松針葉綠素-胡蘿卜素軟膏和松針生物活性飼料添加劑等產(chǎn)品。14香料產(chǎn)業(yè)我國有100多種植物用于精油生產(chǎn),年產(chǎn)量約1.5~2萬噸。如山蒼子油年產(chǎn)量2000噸,是世界上最大的生產(chǎn)國和出口國;桂油年出口量250噸,是美國可口可樂、百事可樂的主要配方之一。其他還有柏木油、八角油等。樹木精油還有保健作用,國外推行的精油芳香療法,有助于精神不安,神經(jīng)過敏,身心疲勞等癥狀的治療。15醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)我國很早進行杜仲葉利用。以后從檸檬桉葉提取黃酮,絞股蘭提取總苷,沙棘果提取沙棘油,紅豆杉提取紫杉醇,黃柏提取黃連素,喜樹提取喜樹堿等,均已批量生產(chǎn)。但是加工深度不夠,大都以工業(yè)原料、粗加工或低質(zhì)量產(chǎn)品投放市場。植物精油還具有廣泛的生物活性,如殺蟲、抗菌和防霉作用,都可以加工成各種藥物中間體。我國植物藥主要出口美國,部分出口歐洲和亞洲,每年植物提取藥及其制劑銷售額約為12億美元。6活性炭產(chǎn)業(yè)活性炭是一種優(yōu)質(zhì)吸附劑,它具有獨特孔隙結(jié)構(gòu)和表面基團,廣泛用于化工、醫(yī)藥、環(huán)保、國防等方面。我國活性炭行業(yè)在產(chǎn)量、品種、質(zhì)量等方面都取得很快的發(fā)展,年產(chǎn)量超過25萬噸,居世界第一位。年出口量約17萬噸,是第一出口大國。17木材制漿產(chǎn)業(yè)在20世紀90年代初,我國提出林紙結(jié)合,造紙由草向木材造紙過渡。但是木材資源缺乏,當前使用小徑材、次生材、薪炭材、劣質(zhì)材和林區(qū)加工剩余物等作為造紙工業(yè)的主要原料。目前發(fā)展高得率制漿技術(shù),可以利用速生材及林產(chǎn)工業(yè)剩余物生產(chǎn)強度、潔凈度和白度均好,且得率高的紙漿,該法具有污染負荷小,投資費用低等優(yōu)點,對于改變目前我國木漿短缺局面,振興造紙工業(yè)有良好前景。1.8林業(yè)廢棄物綜合利用利用農(nóng)林廢棄物水解可以制成糠醛。再深加工可以得到糠醇、四氫呋喃、呋喃樹脂等產(chǎn)品,年產(chǎn)量10萬多噸。纖維素經(jīng)稀酸水解、降解得到微晶纖維素,可以用于醫(yī)藥壓片的賦形劑、食品添加劑。木質(zhì)素經(jīng)過改性可以制成木材膠粘劑、表面活性劑等。2利用生物質(zhì)資源代替化石資源是當前經(jīng)濟發(fā)展趨勢2.1利用生物質(zhì)資源是當前經(jīng)濟發(fā)展趨勢我國是化石資源短缺的國家,尤其是石油資源,2004年石油進口量達到1.2億噸。預計到2020年,將突破2億噸,這將成為長期制約我國經(jīng)濟發(fā)展和國防安全的障礙?；Y源不可再生,加上化石產(chǎn)品會造成嚴重的環(huán)境污染。鑒于資源與環(huán)境的壓力迫中國煤化工資源。目前生物質(zhì)資源被認為是替代化石資源的最佳選擇。生物質(zhì)是指由植CNMHG合成得到的物質(zhì)的總稱。以生物質(zhì)替代化石資源發(fā)展化學工業(yè)是人類可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。盡管現(xiàn)在的研究仍處于初級階段,但其強大的生命力已經(jīng)顯示出來,也有越來越多的國家開始重視這方面的研究現(xiàn)代的生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)是指利用可再生或循環(huán)的有機物質(zhì),包括農(nóng)作物樹木和其他植物,及有機廢棄12林產(chǎn)化學與工業(yè)第25卷物等為原料,通過工業(yè)性加工轉(zhuǎn)化,進行生物基產(chǎn)品、生物燃料和生物能源等環(huán)境友好生產(chǎn)的一種新興產(chǎn)業(yè)。美國計劃2020年生物基產(chǎn)品和生物能源較2000年增加20倍,這樣可以減少碳排放量1億噸和增加農(nóng)民收入200億美元。殼牌石油公司估計,21世紀的前50年生物質(zhì)將提供世界化學品和燃料的30%,市場份額達到1500億美元。巴斯福公司2003年宣布,將以可再生的生物質(zhì)資源作為化學品生產(chǎn)的主要原料。杜邦公司將2010年銷售額的25%定位于生物質(zhì)產(chǎn)品。這些都說明生物質(zhì)資源將有可能替代化石資源成為所有化學品的來源。生物質(zhì)資源的特點2.2.1資源豐富我國生物質(zhì)來源廣泛,儲量大。有高等植物3萬多種,居世界第三位。另外每年還有7億噸作物秸稈(其熱值相當于3.5億噸標準煤),2億多噸林地廢棄物和木材加工剩余物,畜禽糞便實物量1.2億噸(干),數(shù)百萬噸的樹木果實和天然樹脂,以及數(shù)百萬噸的廢棄生物油脂未被利用。就總資源量,我國開發(fā)的生物質(zhì)資源熱值總量相當于8億噸標準煤。預計林業(yè)生物質(zhì)資源量的熱值到2020年將會達到15億噸標準煤。這些豐富的林業(yè)生物質(zhì)資源為我們通過綠色化學利用技術(shù)開發(fā)生物質(zhì)能源、生物質(zhì)化學品、生物質(zhì)新材料提供了可靠的原料保證。2.2.2品種多樣現(xiàn)在已知世界上的生物多達25萬多種。生物的多樣性,決定了生物質(zhì)的多樣性。任何一種生物都有可能為人類提供一種或多種生物質(zhì)。例如,水稻可以提供稻谷和秸桿,含有淀粉、木質(zhì)素和纖維素;樹木可以提供樹干、樹根、樹葉、果實及分泌物等,含有纖維素、木質(zhì)素、單糖及多糖、松脂、單寧、生漆、植物油脂等。2.2.3用途廣泛生物質(zhì)轉(zhuǎn)化途徑的多樣性,決定了生物質(zhì)使用性能上的多樣性。利用生物質(zhì)可以生產(chǎn)清潔燃料,如沼氣、生物酒精和生物柴油等,還可以用于開發(fā)出適應未來市場且環(huán)境友好的石油和天然氣的替代品等生物基產(chǎn)品。例如,生物質(zhì)源高分子材料、生物質(zhì)源精細化學品等。同時,生物質(zhì)主要成分為碳水化合物,在生產(chǎn)及使用過程中與環(huán)境友好。2.3對我國國民經(jīng)濟建設具有重要的作用2.3.1緩解能源危機,是國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要保證我國石油儲量只是世界儲量的2%,消費量卻高居世界第二位。據(jù)預測,2020年石油進口依賴度將超過55%。電力供應方面也存在較大缺口。1999年人均用電不到1000kW·h。所以能源供應安全問題已成為制約我國經(jīng)濟發(fā)展的障礙。經(jīng)過物理和化學轉(zhuǎn)換技術(shù),生物質(zhì)資源可以高效地轉(zhuǎn)化成常規(guī)的固態(tài)液態(tài)和氣態(tài)燃料以及其它化工原料或者產(chǎn)品,替代化石燃料,緩解資源短缺。同時,生物質(zhì)能屬于環(huán)境友好的清潔能源,可以避免由于化石能源的大量使用,引起了日益嚴重的環(huán)境問題。2.3.2促進林業(yè)產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展森林資源的可再生性、生物多樣性、對環(huán)境的友好性和對人類的親和性決定了以生物質(zhì)資源綠色化學技術(shù)為依托的林業(yè)生物產(chǎn)業(yè)在推進國家未來經(jīng)濟發(fā)展和社會進步,為人類提供生命支持服務與豐富的物質(zhì)文化需求,實現(xiàn)森林可持續(xù)經(jīng)營具有廣闊發(fā)展前景。不僅充分顯示了林業(yè)生物產(chǎn)業(yè)巨大的發(fā)展?jié)摿?而且順應了國際貿(mào)易和經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展的潮流,有利于增強我國的綜合國力和國際市場的核心競爭力。就可用于林業(yè)生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的資源總量而言,通過生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,可將現(xiàn)有林業(yè)總產(chǎn)值(2003年林業(yè)總產(chǎn)值5860.33億元)提高兩倍以上,從而促進林業(yè)產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展。2.3.3調(diào)整農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、解決“三農(nóng)”問題的重要支撐我國的生物質(zhì)資源主要分布在農(nóng)村,8億多農(nóng)村居民約50%生活用能仍然依靠秸稈、薪柴等生物質(zhì)的直接燃燒提供,落后的用能方式造成了嚴重隨地寬燒又成了不境污染所以發(fā)展林生物質(zhì)%它/本白在生科等棄物嚴重過的室內(nèi)環(huán)境污染,危害人體健康質(zhì)化和清潔化,也有利于農(nóng)村全面建設小康社會。CNMHG目前,我國每年有3億多噸的農(nóng)林資源剩余物沒有利用,若利用其中10%來發(fā)電,則可以產(chǎn)生總電量的10%,給農(nóng)民帶來70多億元收入,既可減少環(huán)境污染,同時又可提供數(shù)百萬人就業(yè)機會。因此,我國林業(yè)生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)緊扣“資源、能源、環(huán)境、三農(nóng)”四大主題,將成為國民經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè),具有不可增刊宋湛謙:生物質(zhì)資源與林產(chǎn)化工替代的戰(zhàn)略地位。3林業(yè)生物質(zhì)資源化學利用將擴大林產(chǎn)化工的領域利用林業(yè)生物質(zhì)資源可以開發(fā)生物質(zhì)新材料、生物質(zhì)化學品和生物質(zhì)能源,從而大大擴大了原有林產(chǎn)化工的研究領域。3.1生物質(zhì)新材料林業(yè)生物質(zhì)資源中,纖維素和木質(zhì)素含量極其豐富。據(jù)估計,作為植物生物質(zhì)的主要成分—木質(zhì)素和纖維素每年以約1640億噸的速度不斷再生。對纖維素和木質(zhì)素的研究,一直受到科研人員的關注。如日本以纖維素和從甲殼制得的脫乙酰殼聚糖復合,采用流延工藝制成薄膜,具有與通用薄膜同樣的強度,并可在2個月后完全降解。在纖維素功能化的分子設計中,通過化學改性在保持纖維素原有特征的同時賦予纖維素某些特殊的性能。國外開發(fā)出織物整理劑、建筑涂料、水性膠粘劑、藥物載體材料等纖維素丙烯酸乳液。木質(zhì)素是僅次于纖維素的一種天然高分子化合物。采用化學接枝、生化接枝、電化學接枝等改性木質(zhì)素可以制備土壤調(diào)節(jié)劑、助凝劑、增稠劑、石油鉆井液、表面活性劑、分散劑等。20世紀90年代以來木質(zhì)素利用更注重于開發(fā)以木質(zhì)素為基礎的合成高分子材料,生產(chǎn)合成樹脂、表面活性劑和膠粘劑等產(chǎn)品。日本的科學家于2001報道了改性木質(zhì)素制備炭纖維的方法。闊葉材的乙酸木質(zhì)素經(jīng)溶解紡紗可以很容易獲得纖維,而纖維經(jīng)過熱穩(wěn)定化處理可以轉(zhuǎn)化為炭纖維。炭纖維再經(jīng)蒸汽處理可獲得與商業(yè)活性炭性能相當或更優(yōu)越的活化炭纖維。3.2生物質(zhì)化學品3.2.1生物質(zhì)綠色平臺化合物平臺化合物是指那些來源豐富、價格低廉、用途眾多的一類基本有機化合物,可以進一步合成一系列高附加值產(chǎn)品?？稍偕镔|(zhì)資源具有獲得新型綠色平臺化合物的各方面優(yōu)勢,可以作為典型的綠色替代原材料用于合成各種化學品,如,葡萄糖(乳酸,乙醇)、糠醛(羥甲基糠醛)和乙酰丙酸等。 Cargil-Dow公司正在建設年產(chǎn)14萬噸由玉米芯發(fā)酵生產(chǎn)聚乳酸的工廠,以開發(fā)多種塑料。3.22生物質(zhì)提取物和分泌物這是生物質(zhì)資源綜合利用的重要領域,具有廣闊的市場空間和良好的產(chǎn)業(yè)化前景。今后發(fā)展方向是著重于產(chǎn)品的深加工,開發(fā)高附加值產(chǎn)品。作為松樹的分泌物——松脂可以作為各種樹脂的原料,如造紙施膠劑樹脂、增粘劑樹脂、油墨樹脂、涂料樹脂、環(huán)氧樹脂、合成橡膠、合成農(nóng)用塑料薄膜等,還可以作為各種功能材料的原料,如藥物、維生素、昆蟲激素、香料、合成麝香、合成檀香等。以藥效植物提取物產(chǎn)品開發(fā)各種保健藥品、食品和天然化妝品,已被認為是世界上最有前途的產(chǎn)業(yè)之一。據(jù)報道,國際市場藥品的20%即30億美元來自于植物提取的藥物。據(jù)估計,2020年國際植物提取物市場約120億美元。生物農(nóng)藥是農(nóng)藥的發(fā)展方向。2000年全世界生物農(nóng)藥占全部農(nóng)藥市場份額的2.5%,銷售額6億多美元。預計10年后生物農(nóng)藥的市場份額將達20%以上。到2005年,我國各類生物農(nóng)藥的總銷售量可望達到20萬噸。印楝生物農(nóng)藥的發(fā)展具有十分廣闊的市場前景。未來10年內(nèi),印楝生物農(nóng)藥的銷售量將達25萬余噸,市場銷售額約10億美元。生物肥料具有固氮、溶磷、產(chǎn)生生長刺激素等多項功能,而且無污染,是化肥的理想替代品。3.3生物質(zhì)能源生物質(zhì)能是未來最重要的可再生性能源。許多國家已把高效利用生物質(zhì)能放在一個相當重要的地位。生物質(zhì)能在總能耗中由2%~3%激增到2000年的15%。目前生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化主要集中在氣化(發(fā)電供熱)液化(生物油、醇生物柴油)固化和直打中國煤化工如利用農(nóng)林廢棄物制取乙醇的技術(shù)研究,美國計劃到2010年,可再生的生物質(zhì)CNMHG和1200萬噸生物柴油。美國現(xiàn)在大約4%的能源由生物質(zhì)提供,2010年生物質(zhì)能比將達到10%,到2020年將達到17%。預計到2050年世界上38%的直接燃料將來自生物質(zhì)資源。英國計劃2010年可再生能源發(fā)電占總發(fā)電量的10%。歐盟2001年生物柴油產(chǎn)量已超過100萬噸。林產(chǎn)化學與工業(yè)第25卷我國現(xiàn)有能源體系逐步向可再生能源為主的能源體系轉(zhuǎn)變。生物質(zhì)能源的應用已取得一定的進展。預計,到2020年,我國生物質(zhì)能源量達到15億噸標準煤,并將其中30%的資源用于生產(chǎn)液體燃料,即可為我國石油市場提供2億噸液體燃料。同時,針對目前我國在電力供應方面存在的較大缺口,若以當前農(nóng)林廢棄物產(chǎn)量的20%作為電站燃料,可發(fā)電1600億kW·h,將占目前我國總耗電量的12%左右。因此,從我國能源的發(fā)展戰(zhàn)略和資源環(huán)境協(xié)調(diào)角度來看,建立具有自身特點的生物質(zhì)能源研究、開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化體系十分必要。4結(jié)語為了使生物質(zhì)資源更好地為國民經(jīng)濟服務,當前應該重點解決以下關鍵技術(shù)問題:生物質(zhì)化學品綠色化制造技術(shù);生物質(zhì)原料、產(chǎn)品分離純化技術(shù);生物質(zhì)化學品生產(chǎn)技術(shù)集成及工程化開發(fā);生物質(zhì)材料活化技術(shù);生物質(zhì)材料復合、聚合、樹脂化技術(shù);生物質(zhì)功能高分子材料開發(fā)技術(shù);生物質(zhì)微生物轉(zhuǎn)化制備酒精的關鍵技術(shù);生物柴油和化工產(chǎn)品綜合制備技術(shù);生物質(zhì)快速熱裂解和高壓液化技術(shù)以及生物質(zhì)氣化供熱和發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)。參考文獻[1]宋湛謙.我國林產(chǎn)化工產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國林業(yè)產(chǎn)業(yè),2004,(6):17-19[2]石元春.發(fā)展生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)[N].科技日報,2005-03-02(1)[3]石元春.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)[].中國農(nóng)業(yè)科技導報,2002,4(6):1-4本刊信息Pana中"科技論文計源期刊收錄證書你產(chǎn)化學與工業(yè)經(jīng)過多項學術(shù)指標綜合評定及同行多位專家評議推薦,貴刊被收錄為國家科技部“中國科技論文統(tǒng)計源期刊”(中國科技核心期鮮刊)。特頒發(fā)此證書中國研究所中國煤化工CNMHG