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蒋剑春院士：《现代林产化学加工技术的发展趋势》
2026-06-24 13:55:27
作者：蒋剑春（中国工程院院士，中国林科院首席科学家、研究员）
林业资源化利用是实现可再生能源储存转化、材料与化学品等生产制造的重要途径之一，通过各种加工技术可生产不同类型的生物基产品，涉及医药、电子、航天、国防、日常生活等几乎所有的行业，为人类社会发展提供不可或缺的产品。对林业资源进行加工的技术包含了物理、化学或生物化学等加工方法，统称为林产化学加工技术，所形成的加工制造产业称为“林产化学工业”，对应的学科即林产化学加工工程。19世纪初，在无机化学工业建立、有机化学工业形成和发展的基础上，对森林植物资源进行简单加工生产，初步形成了“林产化学工业”的雏形。到20世纪中叶，随着煤、石油和天然气化工生产技术不断成熟，林产化学工业也得到快速发展，进入规模化生产阶段。现代林产化学工业就是在传统的林产化学工业基础上，以木质(图 1)和非木质林业生物质资源为主要原料，融合生物技术、纳米技术、信息技术等现代技术，向新能源、新材料和新医药等新兴产业拓展的交叉学科。木质资源是指能够提供木质部成分或植物纤维以供利用的天然生物质原料，主要化学成分包含纤维素、半纤维素和木质素(如图 1所示)[1]；而非木质资源则是木质材料以外的其它动植物资源，包括植物果实、枝叶、树皮，以及分泌物、提取物等。与煤和石油化学工业相比，现代林产化学工业除了原料外观形态不同外，其原料的基本元素相同，产品的用途也基本相同。此外，林产资源还可以加工成为食品、医药和饲料等健康产业相关的产品。
随着生物能源、生物新材料、生物医药与催化技术、信息技术等新兴产业的快速发展，林产化学工程的研究领域和产业方向不断扩展，从材料化、能源化、饲料化、肥料化、基料化和食药化6个方向，多途径寻求林业生物质资源的绿色、低碳、高值化转化成为趋势。人钻木取火、伐薪烧炭，实际上就是在利用生物质能源，生物质能一直是人类赖以生存的重要能源。从18世纪中叶起，约200年的时间里，煤炭、石油等化石燃料逐渐占据了能源领域的主导地位。在20世纪70年代全球第一次石油危机之后，美国、巴西、瑞典、挪威等国家开始开发燃料乙醇，并尝试生物质直燃发电，寻找替代能源。1992年，联合国世界环境与发展首脑峰会提出了“可持续发展”和《联合国气候变化公约》，使温室气体减排和替代化石燃料成为全球使命与行动，为生物质能源的发展注入了新的动力。1999年美国引领了全球生物质能源开发浪潮。2005年，中国出台相关规定，极大地促进了我国生物质能源的发展。根据国际能源机构2019年的统计数据，生物质能源占一次能源总供应量的9.5%，约占可再生能源使用量的70%，是能源产业的重要组成部分[6-7]。规模化利用的生物质能源产品主要包括生物质气体燃料、生物质液体燃料、生物质固体燃料等
生物质通过较为常见的热化学和生物化学转化技术，可生成气体产物H2、CO2、CO和CH4，构成广义上的生物质燃气，即生物天然气、合成气和氢气等。生物天然气以CH4为主要成分，1 m3生物天然气与1.1 L汽油的热值相当，是一种高品质的绿色、低碳、清洁可再生燃料。生物天然气可通过3种方式制得：厌氧发酵-提纯、热解-甲烷化以及气化-甲烷化。厌氧发酵-提纯是最常见的生物天然气的制备方法，主要是以农作物秸秆、畜禽粪污、餐厨垃圾等为原料，经厌氧发酵和净化提纯产生绿色低碳清洁可再生的天然气。热解-甲烷化和气化-甲烷化则是21世纪之后科研人员研究的热点，试图直接以农林废弃物为原料，通过热解或气化直接得到混合气体，然后再由混合气体进一步甲烷化制得生物天然气。2020年欧盟颁布了甲烷减排战略，预计到2050年减少50%的CH4排放。在中国，据农业农村部不完全统计，截至2020年底，全国累计农村户用沼气保有量为3 380万户，以农业废弃物为原料的各类中小型沼气工程、大型及超大型沼气工程分别为94 900和7 737个。
生物质制氢技术包括生物质气化法和生物制氢法两种方法，具有清洁环保、节约能源和不消耗矿物资源等突出优点。近年来，催化气化制氢成为制氢技术的研究热点，该技术首先将生物质原料催化气化，然后将焦油等大分子烃类物质催化裂解，同时催化CH4重整进一步提高氢气的纯度。任菊荣等[16]采用KOH/白云石复合催化剂，在固定床气化炉中对松木屑进行水蒸气气化，制得H2体积分数为58.50%，产氢率为103.18 g/kg。生物制氢法是由Lewis在1966年提出的，在常温常压下利用生物体特有的酶催化生物体代谢过程中产生的终产物和副产物来生产H2。这一技术被认为是目前最具发展潜力的制氢方法之一。生物质气体燃料是可再生能源的重要组成部分，对于减少环境污染、降低碳排放具有重要意义。
中国林产化学工业在几十年发展的基础上，已迈入质量和效益持续提升的发展新阶段，在技术创新发展方面正在实现“少数跟跑，总体并跑，局部领跑”的历史性转变，呈现出许多新特征、新趋势、新需求。
1、生物质资源高值化利用的基础研究与创新
现代林产化学加工技术更加重视面向绿色化、功能化、高效化和高值化产品创制的理论和方法的原创性研究。提升资源利用经济效益、社会效益和生态效益是当前生物质资源转化利用的首要任务，完成此任务的根本性前提是强化基础研究。重点完善生物质热化学转化过程的热裂解调控机制、反应过程的变化规律等基础理论与方法，揭示林业生物质能源、生物基材料与化学品高值化利用过程中的反应机理和变化规律；不断创新生物合成、生物转化与生物炼制、催化合成、分子设计以及超微结构解译、功能化转化机理等科学理论；积极开展森林植物非木质资源次生代谢活性物体内代谢和富集机制、化学特征、生物转化、化学修饰、生物活性增强、功能挖掘和评价等的基础研究。
2、生物质资源的全质利用技术与工程化创新
要突破以节能环保、清洁生产、环境友好等绿色低碳技术为重点的生物质资源综合利用的工程化关键技术。资源高效高值利用和绿色低碳生产过程已经成为林产化学工业高质量发展的必然趋势。围绕秸秆等生物质资源，集成“低碳预处理”新技术、创制“清洁能源”+“非粮能量饲料”+“糖平台”新产品，创新“木质素均一化分级利用”体系，进一步研发生物质资源高效预处理及综合利用、低能耗清洁高效制浆、活性炭绿色生产与再生利用、植物活性成分绿色提取、化学品减量、污染物无害化处理等规模化清洁生产技术；突破林业生物质液化定向调控、高品质液化油与热化学转化关键技术，木质纤维原料绿色改性及功能化、松脂与油脂绿色修饰改性等核心技术，构筑先进林产化学工业低碳技术体系，为产业高质量发展提供技术支撑。
3、生物质资源的精深加工与创新应用
以满足人民身体健康与大食物观的重大战略需求为目标，大力开展药、食、饲用林产品精深加工利用新技术和新产品。林产资源中蕴含着丰富的天然活性物质，是发展林源药物、森林功能食品和保健品等大健康产业的资源基础。丰富高品质、多功能绿色林产品供给，需要突破绿色高效提取、分离纯化、活性成分稳定保护、功能协同增效、加工剩余物增值利用等关键技术与生产工艺，创制新型天然药用提取物与医药中间体、森林功能食品、林源蛋白饲料、功能饲料与添加剂等重大新产品。
4、生物质资源的绿色低碳与生物技术融合发展战略
未来的生物质资源转化利用方式要求绿色低碳可持续发展。将向现代生物合成和生物转化技术方向拓展，构建我国新兴林业特色生物经济产业体系，实现绿色低碳循环发展新模式。生物经济时代是以生物技术与信息、化学、材料、工程学等学科的交叉融合为基础的，将引发人类生产生活乃至经济社会深刻变革。主要表现在应用生物合成技术，创新重要林木次生代谢产物的分子结构合成及修饰新方法，突破复杂萜烯类、单宁类、黄酮类和生物碱等重要林源次生代谢产物的仿生合成与增效等前沿技术；突破生物转化方面的基因工程、细胞工程、蛋白质工程、酶工程和分离提纯等领域的关键技术瓶颈。
5、生物基功能材料与化学品在新兴产业中的应用与创新
生物基功能材料与化学品成为林产化学产品创制的重要内容，将有助于推动林业生物质战略性新兴产业发展。新材料是颠覆性技术出现的先导与基础，新材料的持续创新成就了基础产业的深刻变革。通过对林产化学工业产业技术链、产品链相关的产业体系的深度调整和创新，形成环境友好型、产品安全型发展模式，为新能源、新材料等战略新兴产业发展、国家重大工程建设和国防科技工业发展提供支撑和保障。重点开发可回收利用生物基材料、先进生物基功能材料、生物基电子化学品、功能生物基精细化学品、低成本的生物可降解塑料等新产品和新技术，推动林业生物基材料与化学品的学科研究向储能材料、高性能纤维及复合材料、生物医用等新型功能材料，增材制造等前沿材料，形状记忆等智能与仿生材料，以及大宗生物基工业材料等相关领域拓展。
6、林产化学工程技术的多学科交叉融合与产业创新
多学科深度交叉融合成为林产化学工程技术发展趋势，将推动新型跨界融合科技创新技术体系构建。技术融合发展有望带来产业变革性发展，微波辐射技术、超临界流体技术、等离子体技术、超声波技术、膜过程耦合技术、微化工技术等高新技术在林产化学工业中的应用与发展，将给林业生物质的加工利用发展带来新的活力。以精深加工技术为主，产品应用为导向的全产业链延伸发展，重点加强新材料、新能源、生物制造等多学科的前沿技术在生物质资源转化过程中的应用，通过学科交叉融合，推动林产化学工业向生物质能源、生物基材料与化学品、生物质提取物利用等新兴领域拓展。
因此，未来要想进一步提高森林资源的综合利用率，增加林产品的附加值，拓展林产化学工业产品的应用领域，就必须紧跟国内外生物质产业的现状和发展趋势，以先进的技术为依托，以研究新技术、积极推行绿色低碳技术为手段，加快推进原始创新和特色创新，努力实现化工技术的新突破，打造引领未来森林资源利用科技和产业竞争的新优势。
本文摘自《林产化学与工业》，内容有删减。
作者介绍：
蒋剑春：中国工程院院士、国际木材科学院院士，中国林科院首席科学家，研究员、博士生导师，国家林产化学加工技术中心主任，中国林业科学研究院林产化学工业研究所原所长，享受国务政府特殊津贴。兼任：生物基材料产业技术创新战略联盟理事长，中国林学会副理事长，中国林学会林产化学分会理事长，生物质能源产业技术创新战略联盟副理事长。蒋剑春院士长期致力于生物质资源热化学转化应用基础及其工程化关键技术研究，赢得了多项“第一”“首创”和“领先”技术成果，打破了国外活性炭制造技术垄断，提升了中国林产化工技术水平和国际地位，为中国林业产业的发展作出了突出贡献成果推广应用于全国10多个省、自治区，建成农林剩余物高效热解气化装置190台套，国内市场占有率30%以上。创建了“发电、供热和供气”多元化利用的先进模式。成套技术装备出口到英、意等10个国家，取得了显著的经济、社会和生态效益。先后主持承担国家攻关、国际合作、部省级科技攻关和重点项目、省应用开发项目，院基金及工厂委托的研究课题等，已鉴定和验收成果20余项；发表学术论文450余篇，授权发明专利80余件。研究成果先后获国家科技进步一等奖1项、二等奖3项、中国专利优秀奖1项、省部级科技奖励8项、联合国工发组织等机构联合颁发的全球可再生能源最具投资价值领先技术“蓝天奖”1项。
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