木材快速熱裂解液化酚類物質(zhì)形成機制與調(diào)控

快速熱解液化技術是最具應用前景、發(fā)展速度最快的生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化技術之一，其主要產(chǎn)物是生物油，而生物油中酚類物質(zhì)是極具應用價值的組分，因此，國內(nèi)外眾多學者對生物油尤其是其中酚類物質(zhì)的高效利用開展了較多的研究。本項目根據(jù)木材及其組分的熱解理論，將木材主要組分模型物（纖維素、半纖維素、木質(zhì)素）和生物油中標準酚類物質(zhì)作為比照對象，采用對比研究及產(chǎn)物在線檢測分析的綜合研究方法，探索了木材快速熱解過程中氣態(tài)酚類物質(zhì)及熱解氣冷凝過程中液態(tài)酚類物質(zhì)的形成機制，研究了木材組分、微觀構造與熱解液態(tài)產(chǎn)物中酚類物質(zhì)形成之間的關系，闡明了木材顆粒特性、熱解反應條件及冷凝條件對快速熱解液化酚類物質(zhì)形成的影響規(guī)律，分析了各影響因素的耦合作用機制，確定了木材快速熱解液化過程中酚類物質(zhì)產(chǎn)率的調(diào)控方案。 首先，對進料量1kg/h的木材定向熱解液化裝置進行了改進和完善，建立了一套完整的木材快速熱解液化實驗研究平臺，為本項目的順利完成提供了基礎條件。其次，考察了楊木、落葉松及其組分模型物的熱解失重特性及氣相產(chǎn)物演變規(guī)律；對落葉松及其組分模型物熱解氣、生物油化學組成進行了檢測分析與表征。再次，以生物油產(chǎn)率和生物油中酚類物質(zhì)含量為考核指標，獲得了高產(chǎn)率、高多元酚含量的生物油最佳快速熱解工藝條件；對比研究了不同木材原料及其組分模型物熱解氣和生物油中主要標準酚類物質(zhì)在冷凝過程的物理及化學變化情況，明晰了熱解反應溫度、進料量、氣流量及不同冷凝條件對木材熱解氣及生物油中酚類物質(zhì)形成的影響規(guī)律。最后，綜合分析了物料特性、反應條件、冷凝條件等因素對酚類物質(zhì)產(chǎn)生的綜合影響及作用情況，建立了木材快速熱解液化酚類物質(zhì)產(chǎn)率的調(diào)控方案，并且進行了實驗驗證。 依托本項目，培養(yǎng)博士后1名，博士生5名，碩士生2名；發(fā)表SCI論文2篇，EI論文1篇，中文核心期刊論文7篇，出版專著1部，參加國際國內(nèi)學術性會議8次，申請發(fā)明專利11件，其中已授權3件，另外，獲授權實用新型專利7件。本項目的研究成果為制定以獲得高多元酚含量生物油為目的的木材快速熱解液化工藝提供了科學參考，為從低品位的林木剩余物中高效獲取可再生的高品質(zhì)酚類物質(zhì)奠定了基礎，有助于加快木材快速熱解液化技術的產(chǎn)業(yè)化進程，為實現(xiàn)木材資源的高效循環(huán)利用開辟了新的思路。

酚類物質(zhì)是木材快速熱裂解液化生物油中極具應用價值的一類產(chǎn)物。然而，到目前為止，木材快速熱裂解液化酚類物質(zhì)的形成機制還不夠清晰，對其產(chǎn)率的調(diào)控缺乏理論依據(jù)，制約了木材快速熱裂解液化獲取酚類產(chǎn)物技術的發(fā)展。本項目擬采用木材主要組分模型物和生物油中標準酚類物質(zhì)作為比照對象的對比研究及產(chǎn)物在線檢測分析的綜合研究方法，探索木材快速熱裂解過程中氣態(tài)酚類物質(zhì)及熱裂解氣冷凝過程中液態(tài)酚類物質(zhì)的形成機制，研究木材的組分及微觀構造與熱裂解液態(tài)產(chǎn)物中酚類物質(zhì)形成之間的關系，闡明木材顆粒特性、熱裂解反應條件及冷凝條件對快速熱裂解液化酚類物質(zhì)形成的影響規(guī)律，分析各影響因素的耦合作用機制，確定木材快速熱裂解液化過程中酚類物質(zhì)產(chǎn)率的調(diào)控方案。本項目的研究成果將為合理制定木材快速熱裂解酚類物質(zhì)產(chǎn)率的最大化工藝提供科學指導，為從低品位的林木剩余物中高效獲取可再生的高品質(zhì)酚類物質(zhì)奠定基礎。

本項目以重要造林樹種為材料，運用分子遺傳學、基因組學等技術，對木本植物維管形成層發(fā)育和木材形成的機制、關鍵調(diào)控基因進行了深入研究。主要研究內(nèi)容如下：1.通過冰凍切片和顯微切割技術建立了形成層研究技術平臺。利用該技術獲取南林95楊休眠期和生長期形成層細胞，通過基因芯片技術分析了楊樹形成層基因調(diào)控網(wǎng)絡?？寺×藯顦銹eWOX4基因，該基因在分生組織維持和木質(zhì)部細胞形成中發(fā)揮作用。2.通過轉(zhuǎn)錄組和差異蛋白組學技術研究杉木形成層活動機制，建立了杉木生長期形成層基因信息庫。分離并鑒定出杉木形成層活動（啟動期、活躍期、轉(zhuǎn)化期和休眠期）過程的差異蛋白132個，得到杉木形成層活動相關基因和信號分子。3.通過轉(zhuǎn)錄組序列信息進行功能基因克隆，獲得了杉木形成層活動和木材形成相關功能基因，并進行了功能驗證。利用差減文庫、cDNA-AFLP和形成層轉(zhuǎn)錄組基因信息庫，克隆了與分枝(ClPAE、ClRAB11C、ClRNaseⅢ、ClDELLA) 、生長素信號傳導 (ClAUX1、ClLAX3、ClPIN)、形成層活動（ClWOX1、ClWOX4、CLE）、細胞生長與細胞壁活動（Expansin、Extansin、COBRA）、次生木質(zhì)部發(fā)育和木質(zhì)素合成（CCoAOMT、CAD、MYB）相關功能基因。煙草和擬南芥遺傳轉(zhuǎn)化試驗證明這些基因在杉木木材形成和形成層活動中具有調(diào)控作用。4.通過基因誘變及突變體篩選方法，以擬南芥獲為材料獲得植物干細胞基因調(diào)控網(wǎng)絡新的調(diào)控元件。研究結(jié)果表明AP2和AGO1基因在擬南芥莖端分生組織干細胞調(diào)控中發(fā)揮作用。在雜交鵝掌楸進行干細胞調(diào)控基因的同源克隆，得到了WOX、AP2、PIN、CLE家族基因，在擬南芥和煙草中進行了功能驗證。結(jié)果表明這些基因在形成層發(fā)育、分枝、不定芽分化和莖粗生長方面均發(fā)揮一定的作用。5.結(jié)合模式植物擬南芥的研究結(jié)果，初步解釋了木本植物木材形成的分子調(diào)控機理。發(fā)現(xiàn)并證明了WOX/CLE調(diào)控在木本植物形成層活動和木材形成中的重要作用。同時也發(fā)掘了大批林木木材形成和形成層活動的功能基因，建立并優(yōu)化了杉木體胚發(fā)生和遺傳轉(zhuǎn)化體系，為木材形成相關功能的應用提供了基礎保障。項目執(zhí)行期間共培養(yǎng)博士后2名，博士研究生9名，碩士研究生15名；共發(fā)表論文26篇，其中SCI論文15篇，中文研究論文11篇；共申請國家發(fā)明專利5項，其中獲得授權2項。 2100433B

物質(zhì)從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的過程。液化是汽化的逆過程，是氣體分子相互吸引而凝結(jié)成為液體。液化時物質(zhì)放出熱量。在臨界溫度以下的氣體，都可以液化。液化可通過加壓或冷卻，或者加壓與冷卻并用的方法來實現(xiàn)。臨界溫度高于或接近于室溫的氣體，如乙醚、氯、氨、二氧化硫、二氧化碳和某些碳氫化合物，在常溫下壓縮就可使之液化。臨界溫度很低的氣體，如氧、氮、氫、氦等，須先冷卻到它們的臨界溫度以下，再用等溫壓縮的方法使其液化。這些臨界溫度很低的氣體，在19世紀上半世紀時，還沒有辦法使它們液化，當時人們曾稱之為永久氣體或真正氣體。當人們認識到物質(zhì)具有臨界溫度這一事實后，就努力提高低溫技術，終于可使所有的氣體都液化了。在1884～1885年首次得到了液態(tài)氫。最后一個被液化的氣體是氦，它是在1908年由K.昂納斯在荷蘭的萊頓城把它轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的。1928年人們又把氦凝成了固體。臨界溫度高的氣體的液化方法是，把它們放在壓縮機里壓縮，接著在熱交換器中冷凝。商業(yè)上使氣體液化的方法是，經(jīng)節(jié)流過程將高度壓縮的氣體冷卻到室溫，再絕熱節(jié)流幾次，直至冷卻到液化為止。較先進和高效率的致冷機是往復式或渦輪型的擴張機或膨脹機，在這些設備中，壓縮氣體或在帶有活塞的圓筒里，或在渦輪機里絕熱膨脹，氣體由于膨脹作功而被冷卻和液化。氫、氦等氣體的液化對現(xiàn)代科學技術的發(fā)展具有重要意義，例如液態(tài)氫和氧是現(xiàn)代火箭、噴氣發(fā)動機常用的高能燃料和助燃劑，液態(tài)氧還應用于爆破工程?？諝獾囊夯捎糜谑箍諝獾母鞣N組成成分分離的技術中。 2100433B