木质生物质和麦秆都是天然聚合物木质素的来源，每年在商业规模上生产的木质素超过5000万吨。然而，大部分被燃烧以产生能量，这些能量也可以用来制造有用的化学物质。从木质素生产化学品的一个主要问题是，木质素的性质因来源和季节而异。这种可变性会影响木质素产生的化学物质的产量和质量。
在一项由TU/e主导的研究中，研究人员开发并测试了一种新的高效模型，用于预测具有特定化学性质的木质素的产量，这对生物基化学品、材料或燃料的生产非常重要。这项新研究发表在《绿色化学》杂志上。
迄今为止，大多数来自农业废弃物或木质生物质的木质素都是通过燃烧来产生能量的。作为一种可再生的原材料，这可以被视为一种浪费。研究人员正在寻找方法，将有机木质素作为化学工业生产树脂、泡沫和生物燃料的可靠原料。
作为一种来源，木质生物质可以生长得相对较快，因此它为长期生产化学品提供了容易的木质素。
不过，这是一种理想化的情况。“主要的问题是木质素的性质是不可预测和可变的，这影响了它的可用性，”化学工程和化学系助理教授、研究负责人马克·维斯说。
那么为什么木质素性质的不可预测性是一件坏事呢?Vis解释说:“假设我们想用木质素制造某种化学物质，但我们需要具有特定化学成分的木质素来制造这种化学物质。在任何木质素样本中，都可能有一百万种不同类型的木质素单位，而分离出正确的木质素类型来制造化学物质是问题的核心。与用于制造传统化学品的原材料相比，木质素没有单一的明确的化学结构。”
木质素堆中的针
这听起来就像在木质素堆中寻找众所周知的针。
一种被称为溶剂分馏的处理过程可以帮助从堆中分离出所需的木质素类型，其中具有所需化学性质的木质素类型使用溶剂溶解，然后可以通过从溶剂中除去它们来进一步纯化。
“分馏可以减少木质素类型的范围，但是样品中有数百万种木质素类型，很难确定特定的溶剂会分离出特定类型的木质素，”Vis说。“理论计算可以帮助预测分馏的结果，但目前的理论太复杂，无法应用于木质素。这就是我们解决的问题。”
Vis和他在马斯特里赫特大学TU/e的合作者(包括第一作者Stijn van Leuken和博士后Dannie van Osch)以及衍生产品Vertoro的解决方案是一个新的模型，可以准确快速地预测木质素在含有甲醇和乙酸乙酯的溶剂混合物中的分馏。事实证明，混合物更适合精确地分离所需的木质素部分。
模型*
研究人员的模型基于Flory-Huggins溶液理论，这是一种著名的量化聚合物溶解度的数学方法。通常，该模型用于研究一种聚合物如何与溶剂相互作用，但研究人员将该模型进一步发展了许多步骤。
Vis说:“如果你同时有数百种不同的聚合物类型，我们的模型非常适合，这意味着我们可以模拟具有不同化学性质(如聚合物链长度和组成)的许多木质素聚合物类型与溶剂的相互作用。”“了解这些相互作用至关重要，因为它们会影响某种木质素类型是否会溶解在某种溶剂中。”
为了验证新模型，研究人员计算了麦秸中木质素的分馏，然后将模型数据与涉及相同材料的实验数据进行了比较。Vis补充说:“我们在不同溶剂混合物(甲醇和二氯甲烷)中的常见工业木质素的现有数据上测试了我们的模型。我们的模型用了最少的努力，并且很好地描述了数据。
到目前为止，在使用数值工具来预测木质素产量方面，这都是相当投机的。“没有多少人用理论来预测产量，”化学工程与化学系教授、该论文的作者之一雷姆科·图尼尔(Remco Tuinier)说。“我们的模型可以很容易地预测哪些木质素可以用某种溶剂(混合物)分离。这是该领域的重大发展。”
下一个步骤
随着该模型在预测木质素产量方面如此成功，该模型如何在工业中产生影响?Panos Kouris是Vertoro的首席技术官兼联合创始人，也是该论文的合著者，他说:“这个模型现在是所有木质素增值活动的踏脚石;无论是在学术界还是在工业界。”
Vertoro是一家从包括TU/e在内的公私合作伙伴关系中分拆出来的公司，希望提供可行且价格合理的生物基替代品来替代化石资源，因此Kouris和他的同事们非常清楚该模型对学术界和工业界的影响。
“在学术界，除了寻找针对特定应用的特定木质素化学性质的方法外，该模型还可以激发关于新溶剂和木质素类型的新研究路线，”Kouris指出。“在生物质生物精炼行业，该模型可能非常有洞察力，有助于设计新的木质素基产品。”
准备
从理论上讲，该模型已经可以被生物精炼厂用于探索某些木质素类型的增值，但在该模型准备用于大规模商业用途之前还有很多工作要做。
首先，该模型需要对该行业加工的最常见木质素类型进行验证。其次，溶剂分馏技术本身必须达到商业应用的水平，最后，最终产品需要在市场上有明确的应用，例如生物基包装或生物燃料。
满足这些要求需要时间，但库里斯和他在Vertoro的同事们乐观地认为，该模型迟早会对生物炼制产生影响。“我们在Vertoro预计，在2024年上半年，该模型将扩展到测试几种市售木质素来源，特别是第二代纤维素乙醇生物精炼厂，他们正在积极寻找木质素增值技术和解决方案。”
