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基因調控木材熱化學轉化利用技術 版權信息
- ISBN：9787030733887
- 條形碼：9787030733887 ; 978-7-03-073388-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
基因調控木材熱化學轉化利用技術 本書特色
對熱化學轉化生物質能源感興趣的專業人士及木材科學等相關專業的高校師生參考閱讀
基因調控木材熱化學轉化利用技術 內容簡介
通過基因調控改良生物質原料，可以促進生物質熱解產物的定向制備，從而有助于推進生物熱化學能源轉化利用技術的快速發展和產業化應用。對未來碳達峰及碳中和具有重要意義。本書以4CL（4-香豆基輔酶A連接酶，4-coumarate:coenzymeAligase）基因調控5年生楊木為對象，通過基因表達、細胞壁組成、木材品質特性及熱解特性、熱解產物利用方面的研究。獲得結論：調控4CL1基因對細胞壁各組分含量的變化影響顯著；調控4CL1基因表達，對木質素單體合成途徑中相關基因表達產生協同調控作用，*終對木質素單體組成產生影響；通過4CL1基因調控木質素生物合成途徑，進而影響細胞壁化學組份的合成，*終對木材品質產生影響；從理論上研究4CL1基因調控楊木熱解特性；熱解產物中成分明顯區別于普通楊木。
基因調控木材熱化學轉化利用技術 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 林木生物質資源轉化利用現狀及發展趨勢 1
1.2 生物質快速熱解研究現狀 4
1.3 生物油簡介 6
1.4 植物細胞壁研究現狀 8
1.5 木材品質 12
1.6 木材的形成 12
1.7 木質素研究現狀 13
1.8 4CL基因研究現狀 15
1.9 本書研究的目的、思路和內容 19
第2章 轉4CL基因毛白楊木質素 21
2.1 轉4CL1基因毛白楊木質素合成 21
2.2 酚酸的HPLC-MS分析 24
2.3 轉4CL1基因毛白楊酚酸含量分析 29
第3章 轉4CL1基因毛白楊組成 33
3.1 轉4CL1基因毛白楊細胞壁化學組成分析 33
3.2 轉4CL1基因毛白楊木質素單體 38
3.3 總結與討論 41
第4章 轉4CL1基因毛白楊木材品質研究 42
4.1 材料 42
4.2 試驗方法 42
4.3 結果與分析 44
4.4 討論 52
第5章 GM楊樹木材熱解動力學研究 55
5.1 GM楊樹木材的工業組成、元素組成和化學組成 55
5.2 熱解動力學理論基礎 57
5.3 GM楊樹木材熱重分析 60
5.4 GM楊樹木材熱解動力學方程的建立 67
5.5 GM楊樹木材熱解動力學模型的優點 81
5.6 本章小結 82
第6章 GM楊樹木材快速熱解產物分析 83
6.1 試驗材料和儀器設備 83
6.2 GM楊樹快速熱解生物油分析 85
6.3 GM楊樹快速熱解氣體和不凝氣體TCT分析 94
6.4 GM楊樹木材快速熱解產物炭的物性分析 96
6.5 本章小結 98
第7章 GM楊木快速熱解生物油應用 100
7.1 生物油-脲醛樹脂膠合成 100
7.2 生物油-酚醛樹脂合成 112
第8章 結束語 124
8.1 4CL1基因在木質素單體合成中的作用 124
8.2 木質素生物合成途徑與碳水化合物代謝途徑的相互作用 124
8.3 啟動子和N-domain對4CL1基因表達的作用 125
8.4 調控4CL1基因對木材品質的影響及綜合評價 125
8.5 GM楊木木材熱重分析及動力學研究 125
8.6 S-23和A-41快速熱解產物分析 126
8.7 主要創新點 126
8.8 總結和展望 126
參考文獻 128
附錄 138
前言
第1章 緒論 1
1.1 林木生物質資源轉化利用現狀及發展趨勢 1
1.2 生物質快速熱解研究現狀 4
1.3 生物油簡介 6
1.4 植物細胞壁研究現狀 8
1.5 木材品質 12
1.6 木材的形成 12
1.7 木質素研究現狀 13
1.8 4CL基因研究現狀 15
1.9 本書研究的目的、思路和內容 19
第2章 轉4CL基因毛白楊木質素 21
2.1 轉4CL1基因毛白楊木質素合成 21
2.2 酚酸的HPLC-MS分析 24
2.3 轉4CL1基因毛白楊酚酸含量分析 29
第3章 轉4CL1基因毛白楊組成 33
3.1 轉4CL1基因毛白楊細胞壁化學組成分析 33
3.2 轉4CL1基因毛白楊木質素單體 38
3.3 總結與討論 41
第4章 轉4CL1基因毛白楊木材品質研究 42
4.1 材料 42
4.2 試驗方法 42
4.3 結果與分析 44
4.4 討論 52
第5章 GM楊樹木材熱解動力學研究 55
5.1 GM楊樹木材的工業組成、元素組成和化學組成 55
5.2 熱解動力學理論基礎 57
5.3 GM楊樹木材熱重分析 60
5.4 GM楊樹木材熱解動力學方程的建立 67
5.5 GM楊樹木材熱解動力學模型的優點 81
5.6 本章小結 82
第6章 GM楊樹木材快速熱解產物分析 83
6.1 試驗材料和儀器設備 83
6.2 GM楊樹快速熱解生物油分析 85
6.3 GM楊樹快速熱解氣體和不凝氣體TCT分析 94
6.4 GM楊樹木材快速熱解產物炭的物性分析 96
6.5 本章小結 98
第7章 GM楊木快速熱解生物油應用 100
7.1 生物油-脲醛樹脂膠合成 100
7.2 生物油-酚醛樹脂合成 112
第8章 結束語 124
8.1 4CL1基因在木質素單體合成中的作用 124
8.2 木質素生物合成途徑與碳水化合物代謝途徑的相互作用 124
8.3 啟動子和N-domain對4CL1基因表達的作用 125
8.4 調控4CL1基因對木材品質的影響及綜合評價 125
8.5 GM楊木木材熱重分析及動力學研究 125
8.6 S-23和A-41快速熱解產物分析 126
8.7 主要創新點 126
8.8 總結和展望 126
參考文獻 128
附錄 138
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基因調控木材熱化學轉化利用技術 節選
第1章 緒論 隨著能源消耗日益增加以及化石能源過度利用，能源短缺、環境污染問題已成為全球關注的焦點，開發可再生的生物質能源和新型生物質化工原料已成為當今世界的重要發展戰略。農林生物質是自然界可再生資源的重要組成部分，在生物質資源中占有十分重要的地位，將其合理地轉化為能源或化工原料對于減少常規化石資源消耗、彌補化工原料不足、減少環境污染，實現可持續發展，具有重要現實意義和廣闊前景。 1.1 林木生物質資源轉化利用現狀及發展趨勢 采取工業化利用技術將林木生物質轉化為工業能源和化工原料，形成新的能源和化工原料產業，是緩解我國能源緊張的一條重要途徑。 林木生物質轉化方式可分為3種：熱化學轉化、生物轉化和物理轉化。按照*終產品形態可分為：氣化、液化和固化。 熱化學轉化是指在高溫下將生物質轉換成具有其他形態能量物質的轉換技術。熱化學轉化包括熱解、液化、氣化等，熱解可使林木生物質轉化為碳氫化合物富集的氣體、油狀液體和炭；液化是指在某些有機物的存在下，將木材轉化為類似液體的黏稠狀流體的熱化學過程，其產物可用于制造膠黏劑、三維固化制模材料、泡沫塑料、纖維和碳纖維等；氣化是將固體燃料轉化成可燃氣體。 生物轉化是指在缺氧條件下利用微生物(某些細菌)使有機物分解產生可燃氣體或液體，包括生物質發酵制取沼氣或乙醇。 物理轉化是指將生物質壓制為成型的燃料(如塊型、棒型燃料)，以便集中利用和提高熱效率。 目前，生物質氣化、直接燃燒發電、固化成型及液化已經處于比較成熟的商業化階段，而生物質的液化還處于研究、開發及示范階段。從產物來分，生物質液化可分為制取液體燃料(乙醇和生物油等)和制取化學品。由于制取化學品需要較為復雜的產品分離與提純過程，技術要求高，且成本高，目前國內外還處于試驗室研究階段，許多文獻對熱轉化及催化轉化精制化學品的反應條件、催化劑、反應機理及精制方法等進行了詳細報道。 1.1.1 國外研究現狀 生物質氣化技術應用早在第二次世界大戰期間就達到高峰。隨著人們對生物質能源開發利用的關注，氣化技術應用研究重新引起了人們的重視。奧地利成功地推行燃燒木材剩余物的區域供電計劃，加拿大有12個試驗室和大學開展了生物質的氣化技術研究，瑞典和丹麥正在實行利用生物質進行熱電聯產的計劃，美國有350多座生物質發電站，主要分布在紙漿、紙產品加工廠和其他林產品加工廠。 流化床氣化技術從1975年以來一直是科學家們關注的熱點。流化床包括循環流化床、加壓流化床和常規流化床。印度*近開發研究用流化床氣化農業剩余物如稻殼、甘蔗渣等，建立了一個中試規模的流化床系統。歐美等發達國家科研人員在催化氣化方面已經做了大量的研究開發，研究范圍涉及催化劑的選擇、氣化條件的優化和氣化反應裝置的適應性等方面，并且已經在工業生產裝置中得到了應用。 二十世紀四十年代國外開始了生物質的成型技術研究開發。現已成功開發的成型技術主要有三大類：日本開發的螺旋擠壓生產棒狀成型物技術，歐洲各國開發的活塞式擠壓制圓柱塊狀成型技術，以及美國開發研究的內壓滾筒顆粒狀成型技術。 生物質制取液體燃料如乙醇、甲醇、液化油等也是一個熱門的研究領域。加拿大用木質原料生產的乙醇產量為17萬噸/年。比利時每年用甘蔗為原料，制取乙醇量達3.2萬噸/年以上，美國每年用農林生物質和玉米為原料大約生產450萬噸/年乙醇。 生物質能的液化轉換技術，是將生物質經粉碎預處理后在反應設備中添加催化劑或無催化劑，經化學反應轉化成液化油。美國、新西蘭、日本、德國、加拿大等國家都先后開展了研究開發工作，液化得率已達到絕干原料的50%以上。歐盟組織資助了三個項目，以生物質為原料，利用快速熱解技術制取液化油，已經完成100kg/h的試驗規模，并擬進一步擴大至生產應用。 1.1.2 國內研究現狀 我國生物質利用研究開發工作起步較晚。二十世紀八十年代以來隨著經濟的發展，生物質利用研究工作逐步得到政府和科技人員的重視。主要研究領域集中在氣化、固化、熱解和液化的研究方面。 生物質氣化技術的研究在我國發展較快。中國林業科學研究院林產化學工業研究所從八十年代開始研究開發了集中供熱、供氣的上吸式氣化爐，建成了用枝丫材削片處理，氣化制取民用煤氣，供居民使用的氣化系統。*近在江蘇省又研究開發以稻草、麥草為原料，應用內循環流化床氣化系統，產生接近中熱值的煤氣。山東省科學院能源研究所研究開發了下吸式氣化爐，主要用于秸稈等農業廢棄物的氣化，已達到產業化規模。中國科學院廣州能源研究所開發了以木屑和木粉為原料，應用外循環流化床氣化技術，制取木煤氣，以木煤氣作為干燥熱源和發電，并已建成發電能力為180kW的氣化發電系統。另外北京農業機械化學院、浙江大學等單位也先后開展了生物質氣化技術的研究開發工作。 我國生物質的固化技術研究始于八十年代中期，現已達到工業化規模生產。目前國內有數十家工廠，用木屑為原料生產棒狀成型物木炭。1990年中國林業科學研究院林產化學工業研究所與江蘇省東海縣糧食機械廠合作，研究開發生產了單頭和雙頭兩種型號的棒狀成型機，1998年又與江蘇正昌集團合作，共同開發了內壓滾筒式顆粒成型機。南京市平亞取暖器材有限公司從美國引進適用于家庭使用的取暖爐，通過國內消化吸收，現已形成生產規模。 生物發酵制氣技術在我國已經達到工業化，技術亦日趨成熟，利用的原料主要是動物糞便和高濃度的有機廢水。沈陽農業大學從國外引進一套流化床快速熱解試驗裝置，研究開發液化油的技術。另外，中國林業科學研究院林產化學工業研究所進行了生物質催化氣化技術研究。華東理工大學還開展了生物質酸水解制取乙醇的試驗研究，但尚未達到工業化生產。 1.1.3 發展趨勢 自中東戰爭引發能源危機以來，生物質資源的開發利用研究進一步引起了人們的重視。美國、瑞典、奧地利、加拿大、日本、英國、新西蘭等發達國家，以及印度、菲律賓、巴西等發展中國家都分別修訂了各自的資源戰略，投入大量的人力和資金從事生物質利用的研究開發。根據國外生物質資源利用技術的研究開發現狀，并結合我國現有技術水平和實際情況，我國生物質資源利用研究將主要集中在以下幾方面： 1. 高效直接燃燒技術和設備 我國人口中的絕大多數居住在廣大的鄉村和小城鎮。其生活用能的主要方式仍然是直接燃燒。剩余物秸稈、稻草松散型物料，是農村居民的主要能源，開發研究高效的燃燒爐，提高使用熱效率，仍是應予解決的重要問題。 2. 高效固體成型設備 生物質固體成型燃料在我國將會有較大的市場前景。家庭和暖房取暖用的顆粒成型燃料將會是生物質成型燃料的研究開發熱點。 3. 集約化綜合開發利用 生物質能尤其是薪材不僅是很好的能源，還可以用來制造木炭、活性炭、木醋液等化工原料。大量速生薪炭材基地的建設，為工業化綜合開發利用木質能源提供了豐富的原料。建立能源工廠，把生物質能進行化學轉換，產生的氣體收集凈化后，輸送到居民家中作燃料，提高使用熱效率和居民生活水平。這種生物質能的集約化綜合開發利用，既可以解決居民用能問題，又可通過工廠的化工產品生產創造良好的經濟效益，還可為農村剩余勞動力提供就業機會。因此，從生態環境和能源利用角度出發，建立能源薪材基地，實施“林能”結合工程，是切實可行的發展方向。 4. 生物質資源的高效開發利用 生物質資源利用新技術的研究開發包括生物技術高效低成本轉化應用研究、常壓快速液化制取液化油的研究、催化化學轉化技術的研究，以及生物質能轉化設備(如流化床技術)研究等。 5. 基礎理論和應用研究 基礎理論和應用研究包括在生物質能化學轉換中催化降解、直接和間接液化機理，高產生物能基因及其變異性規律，生物轉化微生物“雜交”等基礎理論和應用研究。 1.2 生物質快速熱解研究現狀 1.2.1 生物質快速熱解 生物質快速熱解液化是在傳統裂解基礎上發展起來的一種技術，相對于傳統裂解，它采用超高加熱速率(102～104K/s)，超短產物停留時間(0.2～3s)及適中的裂解溫度，使生物質中的有機高聚物分子在隔絕空氣的條件下迅速斷裂為短鏈分子，使焦炭和不凝結氣體降到*低限度，從而*大限度地獲得液體產品—生物油(bio-oil)。生物油為棕黑色黏性液體，熱值達20～22MJ/kg，可直接作為燃料使用，也可經精制成為化石燃料的替代物。因此，隨著化石燃料資源的逐漸減少，生物質快速熱解液化的研究在國際上引起了廣泛的關注。自1980年以來，生物質快速熱解技術取得了很大進展，成為*有開發潛力的生物質液化技術之一。國際能源署組織了美國、加拿大、芬蘭、意大利、瑞典、英國等國的10多個研究小組進行了10余年的研究與開發工作，重點對該過程的發展潛力、技術經濟可行性以及參與國之間的技術交流進行了調研，認為生物質快速熱解技術比其他技術可獲得更多的能源和更大的效益。 生物質快速熱解液化產物中，不凝結氣體主要由氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷及2碳至4碳烴組成，可作為燃料氣；固體主要是焦炭，可作為固體燃料使用；作為主要產品的生物油，有較強的酸性，組成復雜，以碳、氫、氧元素為主，成分多達幾百種，基本不含硫及灰分等對環境有污染的物質。從組成上看，生物油是水、焦及含氧有機化合物等組成的一種不穩定混合物，包括有機酸、醛、酯、縮醛、半縮醛、醇、烯烴、芳烴、酚類、蛋白質、含硫化合物等，實際上，生物油的組成是裂解技術、除焦系統、冷凝系統和儲存條件等因素的復雜函數。 生物油具有高度氧化性、相對不穩定、黏稠、腐蝕性、化學組成復雜的特點，因此直接用它來取代傳統的石油燃料受到了限制，需要對其進行精制與優化處理，以提高其質量。有人通過加氫精制除去氧，并調整碳、氫比例，得到汽油及柴油，但此過程將產生大量水，而且生物油成分復雜，雜質含量高，容易造成催化劑失活，成本較高，因而降低了生物油與化石燃料的競爭力。這也是長期以來沒有很好解決的技術難題。生物油提取高價化學品的研究雖然也有報道，但也因技術成本較高而缺乏競爭力。 快速熱解生物油中酚類物質含量高于傳統熱解。國外有人將這種生物油直接利用作為苯酚的替代物，制備生物油-酚醛樹脂，這是到目前為止所發現的熱解油直接利用比較成功的例子。 1.2.2 生物質熱解動力學研究 盡管幾十年來各國學者對熱解模型進行了許多研究，但由于生物質快速熱解是一種十分復雜的化學反應過程，到目前為止，對熱解的一些現象仍然不夠明晰，對模型的認識還有盲區。 國外對熱解模型研究始于二十世紀七十年代。Kung(1972)對木材的熱解過程采用一級反應動力學的假設，得出數學模型。Chan等(1985)研究了木屑、鋸末和纖維素、木質素等壓縮成直徑1cm的圓柱形樣品，從一面加熱，確定了其能量方程。Font等(1991)對杏樹的熱解進行了非等溫熱重試驗和動力學分析，建立了一種偽雙組分全局反應模型來描述熱解失重動力學。Blasi(1997)建立了質傳遞模型，解決了熱解過程中形成的生物油和氣體產物的對流傳熱和擴散。Chan等(1985)和Koufopanos等(1991)提出了連續和競爭反應模型，用表觀動力學方程描述生物質的一次熱解反應和二次熱解反應。Bilbao等(1997)對空氣氣氛中松木的熱分解進行了非等溫失重試驗，并使用單組分全局反應模型進行動力學分析。Klose等(1999)用熱重儀研究了木材熱解過程催化劑對熱解行為的影響，并通過試驗確定相應的動力學參數。Manyà等(2003)在研究甘蔗渣和木屑的熱解時，認為生物質的主要組分半纖維素、纖維素和木質素進行著獨立的熱降解反應，而生物質熱解特性為3種主要組分熱解的疊加。 國內對熱解模型的研究起步較晚，研究相對較少。宋春財等(2003)建立了生物質的一級反應、平行反應模型(宋春財等，2003；何芳等，2002
基因調控木材熱化學轉化利用技術 作者簡介
唐朝發男，生于1965年11月，漢族，吉林省吉林市人。1989年7月畢業于吉林林學院木材機械加工專業；2000年10月東北林業大學碩士研究生班畢業；2012年7月長春理工大學碩士畢業，獲得工業工程碩士學位。現在北華大學材料科學與工程學院木材與家具系工作，教授，吉林省林學會木材加工專業委員會副主任。主持或參加省部級科研項目10余項，作為第一發明人獲得授權發明專利5項，發表論文20余篇。 工作期間，主持完成的吉林省科學技術廳“環保抗菌木質地板的研究”項目，獲2018年吉林省長白山林業科學技術獎三等獎，同年獲得中央財政林業科技推廣示范資金支持，得到推廣應用。作為主要參加者完成的吉林省科學技術廳“森林撫育材速生材高值化利用技術集成產業化”項目，獲2016年吉林省科學技術進步獎一等獎。發明專利“楊木缺氧高溫處理制備木制百葉窗簾葉片”，2018年以成果轉讓方式在企業獲得推廣應用。
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