湿法生物精炼中木质生物质浆料流动性的优化机制与工业应用研究

针对湿法生物精炼中木质纤维素浆料高压高温输送易堵塞的难题，研究人员通过调控生物质颗粒的物理化学特性（如粒径、形状及化学组成），系统评估了预处理方式对浆料流动性和酸水解脱水（AHDH）产物收率的影响。研究发现，锤磨产生的规则颗粒及树皮添加可显著提升流动性，且树皮使有机酸收率提高6%，为工业级生物质浆料输送提供了优化策略。

　　

在可再生能源领域，木质生物质的转化利用是减少化石能源依赖的关键路径。然而，湿法生物精炼（wet biorefinery）中，高压高温反应器内木质纤维素浆料的输送常因颗粒聚集和沉降引发管道堵塞，成为规模化生产的瓶颈。传统解决方案如添加流动助剂（flow aids）不仅成本高昂，还可能干扰目标化学反应。更棘手的是，工业级设备（如渐进腔泵progressive cavity pump）对浆料流动性的要求远高于实验室离心泵，而现有研究多聚焦小规模管道水力输送，缺乏对预处理生物质在工业场景下的系统性评估。

针对这一空白，美国能源部支持下的研究团队联合爱达荷国家实验室（INL）和缅因大学，利用日处理量1吨的酸水解脱水（AHDH）中试装置，首次系统探究了生物质颗粒物理化学特性对工业级浆料流动性的影响。研究选取了四种典型原料：商品浆粕（market pulp）、1毫米松木碎屑、含10%树皮的2毫米锤磨松木及硬木混合物，通过对比其流动性表现和AHDH产物收率，揭示了颗粒形态与化学组成的协同作用机制。

关键技术方法包括：利用BFNUF设施对生物质进行机械预处理（如锤磨、破碎）；在AHDH中试装置中控制浆料固体浓度（2-7 wt%）和流速；通过压力梯度监测评估流动性；采用标准方法测定有机酸（如乙酰丙酸levulinic acid）收率。

Preprocessed pulp, softwood, and hardwood
研究发现，商品浆粕因缺乏半纤维素和木质素，颗粒表面电荷密度低，易发生聚集，导致流动性差。而锤磨松木和硬木因含树皮（10 wt%）及规则颗粒形态（d₅₀≈2 mm），显著降低了拖曳力（drag reduction），使浆料在5 wt%固体浓度下仍保持稳定流动。

Converting preprocessed pulp in the AHDH pilot plant
中试数据显示，锤磨原料的浆料在渐进腔泵中输送时压力降降低30%，且无需添加瓜尔胶（guar gum）等助剂。相反，破碎松木颗粒因高长径比（aspect ratio）易缠结，在2 wt%浓度下即引发泵体堵塞。

Conclusions
研究证实，锤磨预处理通过生成细颗粒（<0.7 mm）和球形树皮碎片，可优化浆料流变特性，而树皮的引入还使有机酸收率提升6%。这一发现为工业级生物精炼的原料预处理提供了明确指导：机械预处理需优先选择锤磨而非破碎，且保留适量树皮有助于兼顾流动性与产物收率。

该研究的创新性在于首次将生物质预处理特性与工业级设备操作性能直接关联，填补了从实验室到商业化转化的知识缺口。未来研究可进一步探索表面电荷调控（如纤维素磺化）对浆料稳定性的影响，为生物精炼的规模化提供更全面的解决方案。论文发表于《Biomass and Bioenergy》，为生物质高值化利用提供了关键技术支撑。