木质纤维素，作为地球上最丰富的可再生生物质资源，主要来源于农林废弃物（如秸秆、木屑）、能源植物及城市固体废弃物。其化工转化技术，旨在将这种结构复杂的天然高分子（主要由纤维素、半纤维素和木质素构成）高效解构，并转化为高附加值的能源、材料和化学品，是实现碳中和与绿色化工发展的关键路径之一。

核心化工技术体系

木质纤维素的化工转化是一个系统工程，其技术核心在于克服其天然抗降解屏障（如结晶度、木质素包裹），主要技术路线包括：

1. 预处理技术：这是转化的首要和关键步骤，旨在破坏纤维素的晶体结构、分离或脱除木质素、增加原料孔隙率，为后续转化“松绑”。主要方法包括：

• 物理法：如机械粉碎、蒸汽爆破、高温热水处理。

• 化学法：如酸处理（稀酸、浓酸）、碱处理（NaOH、氨水）、有机溶剂法。

• 物理化学法：如氨纤维爆破（AFEX）、离子液体处理。

• 生物法：利用白腐真菌等微生物选择性降解木质素。

1. 生物转化技术（糖平台路线）：预处理后的纤维素和半纤维素被水解为可发酵糖（如葡萄糖、木糖），随后通过微生物发酵生产目标产品。这是当前生产生物燃料和生物基化学品的支柱路线。

• 关键环节：高效、低成本的纤维素酶；能同时利用五碳糖和六碳糖的工程菌株。

• 典型产品：燃料乙醇、丁醇、乳酸、琥珀酸等。

1. 热化学转化技术（合成气平台路线）：在缺氧或限氧条件下，通过高温将木质纤维素整体转化为中间体，再催化合成。

• 气化：将生物质转化为以CO和H₂为主的合成气，进而通过费托合成或催化转化制取甲醇、柴油、航空燃油或乙醇（如Power-to-Liquid技术）。

• 热解：快速加热生成生物油（可进一步提质为燃料或分离化学品）、生物炭和可燃气。

• 液化：在溶剂和催化剂作用下，直接转化为液体燃料。

1. 化学催化转化技术：利用高效、专一的催化剂，直接或经中间步骤将木质纤维素或其组分转化为目标化学品。

• 纤维素转化：可水解制葡萄糖，或通过催化氢解等制取山梨醇、乙二醇、5-羟甲基糠醛（HMF）等重要平台化合物。

• 木质素转化：通过催化解聚（氢解、氧化、水解）将其转化为苯酚、芳香醛、酸等单酚类化合物，用以替代石油基芳香化学品。

多元化应用领域

基于上述技术，木质纤维素化工产品已渗透至多个关键领域：

• 能源领域：
• 第二代生物燃料：如纤维素乙醇、生物合成柴油/航空煤油，不与粮争地，是交通领域脱碳的重要选项。

• 热电联产：气化或直燃发电供热。

• 材料与化学品领域：
• 平台化合物与高分子：由HMF、糠醛、木质素单体等可衍生出塑料（如PEF）、尼龙、树脂、溶剂、增塑剂等。

• 纳米纤维素：从纤维素中提取的纳米纤维或晶体，具有高强度、轻质、可生物降解等特性，用于复合材料、柔性电子、医用敷料等高价值材料。

• 生物基吸附剂：改性后的生物质炭或纤维用于水处理。

• 农业与环境领域：
• 热解副产物生物炭可作为土壤改良剂，固碳增肥。

• 木质素衍生物可用作肥料缓释剂、农药载体或生态粘合剂。

挑战与未来展望

尽管前景广阔，木质纤维素化工仍面临挑战：技术经济性（预处理与酶成本高、产物分离纯化能耗大）、全链条系统集成优化、以及与现有石油化工体系的兼容与竞争。

未来发展趋势将聚焦于：

1. 技术深度融合：开发预处理-酶水解-发酵/催化的协同工艺，发展“一锅法”串联催化技术。
2. 产品高值化与多元化：从生产大宗燃料向更高价值的精细化学品和功能材料倾斜，实现生物炼制价值最大化。
3. 智能化与绿色化：利用人工智能优化工艺设计，开发更绿色、可回收的预处理试剂（如低共熔溶剂）和高效稳定的催化剂。
4. 政策与产业链驱动：在“双碳”目标引领下，完善政策支持，推动从原料收集、加工到产品市场的完整产业链构建。

木质纤维素化工技术正从示范走向规模化商业应用，它不仅是将废弃物转化为宝藏的“魔术”，更是构建未来可持续社会与循环经济不可或缺的化工技术基石。