林源活性物質(zhì)的提取作為我國具有悠久歷史的特色產(chǎn)業(yè)，近年來已經(jīng)成為我國發(fā)展最快的行業(yè)之一。據(jù)海關統(tǒng)計，2005年我國植物提取物出口額2.93億美元，2006年出口額4.77億美元，2007年出口額4.76億美元，2008年僅上半年出口額已達2.6億美元。我國森林生物資源中擁有種類繁多的林源活性物質(zhì)，但林源活性物質(zhì)的分子量小、含量較低，體系復雜、難于富集。隨著我國以林源活性物質(zhì)為重要物質(zhì)基礎的林業(yè)生物制劑產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，林源活性物質(zhì)的需求量以日劇增，為了得到一定數(shù)量的林源活性物質(zhì)，往往需要加工大量的植物原料，同時也產(chǎn)生數(shù)量巨大的植物源固形剩余物，給環(huán)境帶來嚴重的污染問題，同時也造成生物質(zhì)資源的嚴重浪費，如何使生產(chǎn)中固形剩余物得到充分利用是目前林源活性物質(zhì)提取行業(yè)急需解決的問題。
1、我國林源生物質(zhì)的利用
1.1我國林源生物質(zhì)資源
我國擁有種類繁多的植物資源，其中承載著十分豐富的林源生物活性物質(zhì)和生物基物質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計，我國僅高等植物就有3萬多種，僅次于巴西和馬來西亞，據(jù)世界第三位。這些植物中富含的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)和核酸等生物基物質(zhì)以及萜類、酚類、含氮化合物等生物活性物質(zhì)，是我國發(fā)展生物產(chǎn)業(yè)的極其寶貴的戰(zhàn)略性生物資源，具備優(yōu)先快速發(fā)展以林源生物質(zhì)為原料的生物產(chǎn)業(yè)的物質(zhì)基礎。此外，我國人口眾多，是消費以生物活性物質(zhì)和生物基物質(zhì)為原料的生物產(chǎn)品的大國。從生物活性物質(zhì)產(chǎn)品的消費情況看，目前我國約有5億人食用功能食品和保健食品，約有1.3億人服用生物醫(yī)藥制品，是世界上最大的生物活性物質(zhì)產(chǎn)品的消費市場。為此，我國政府高度重視生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國家發(fā)展和改革委員會編制了《生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十一五”規(guī)劃》，提出到2020年，我國生物產(chǎn)業(yè)的增加值要突破2萬億元人民幣，約占我國GDP比重的4%以上，成為我國國民經(jīng)濟的主導產(chǎn)業(yè)之一。由此可見，要發(fā)展以林源生物質(zhì)為原料、通過化學利用的途徑來生產(chǎn)生物活性物質(zhì)產(chǎn)品和生物基物質(zhì)產(chǎn)品的生物產(chǎn)業(yè)，必須走技術密集型、資金密集型和勞動密集型為產(chǎn)業(yè)特征的工業(yè)生產(chǎn)道路。
1.2我國林源生物質(zhì)利用的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
由于歷史的原因，特別是科技水平的限制，我國以林源生物質(zhì)和林源生物活性物質(zhì)為原料生物產(chǎn)品的生物產(chǎn)業(yè)尚存在一些制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術瓶頸問題，特別是在植物新品種的篩選、植物資源的培育、林源活性物質(zhì)的分離、生物基物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和煉制、生物產(chǎn)品的制備、相關工業(yè)裝備的制造等方面缺乏具有自主知識產(chǎn)權的核心技術和以節(jié)約資源和環(huán)境友好為生態(tài)特征的共性關鍵技術。主要表現(xiàn)在：一是野生植物資源的采收強度過大，造成野生植物資源的嚴重瀕危；二是只重視野生植物資源的原料生產(chǎn)，不重視林源活性物質(zhì)的分離和生物基物質(zhì)轉(zhuǎn)化和煉制，因而使林源生物質(zhì)的利用深度不夠、附加值不高；三是對植物體內(nèi)的生物基物質(zhì)和活性物質(zhì)進行分離、轉(zhuǎn)化和煉制時多采用傳統(tǒng)工藝，粉塵大、傳質(zhì)慢，廢水、廢氣和廢渣排放量大，環(huán)境污染嚴重；四是生物基物質(zhì)和生物活性物質(zhì)的終高端產(chǎn)品類型少、檔次低，功能檢測能力弱，因而造成經(jīng)濟回報率低下等。在核心技術和共性關鍵技術方面，我國作為林源生物質(zhì)資源大國，除存在上述方面的共性問題外，還在以林源活性物質(zhì)和生物基物質(zhì)為原料生產(chǎn)生物產(chǎn)品的生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面存在一些突出的技術瓶頸問題。主要表現(xiàn)在：一是雖然蘊藏著十分豐富的富含各類生物活性物質(zhì)和生物基物質(zhì)的植物資源，但長期以來僅以過度利用的野生森林植物資源的采收業(yè)和經(jīng)營粗放的糧食作物、經(jīng)濟植物的種植業(yè)為主，經(jīng)營方式以原料生產(chǎn)或粗加工生產(chǎn)為主，致使野生植物資源遭到破壞、生產(chǎn)效率不高、經(jīng)營粗放、產(chǎn)品的附加值低；二是在糧食作物和經(jīng)濟植物的人工種植方面以及生物基物質(zhì)和生物活性物質(zhì)的分離、轉(zhuǎn)化和煉制方面，缺乏立體種植和高效利用，土地利用率低、目的生物基物質(zhì)和目的生物活性物質(zhì)的得率低、原料的綜合利用率低，致使企業(yè)的經(jīng)濟效益不高；三是生物基物質(zhì)和生物活性物質(zhì)的高端產(chǎn)品在生物產(chǎn)業(yè)中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比例失調(diào)，自主創(chuàng)新的技術獨占性差，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展后勁嚴重不足。
2、我國林源生物質(zhì)提取活性物質(zhì)生產(chǎn)中固形剩余物的利用現(xiàn)狀
林源生物質(zhì)提取活性物質(zhì)生產(chǎn)中固形剩余物是指在生產(chǎn)過程中植物原料經(jīng)溶劑提取活性物質(zhì)后剩下的殘渣以及在溶劑萃取、濃縮過程中產(chǎn)生的無用的固態(tài)或半固態(tài)的浸膏，這些固形殘渣主要成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等，屬于生物基物質(zhì)。生物活性物質(zhì)作為目的有效物質(zhì)一般在植物體內(nèi)含量都不高，例如紫杉醇在紅豆杉中的含量為萬分之三；喜樹堿在喜樹中的含量為萬分之一，為了得到一定數(shù)量的生物活性物質(zhì)，往往需要加工大量的植物原料，同時也就造成固形剩余物數(shù)量巨大。對于林源生物質(zhì)提取活性物質(zhì)的生產(chǎn)企業(yè)來說，生產(chǎn)中的固形剩余物屬于工業(yè)三廢中的廢渣，如果處理不當，會對生產(chǎn)企業(yè)造成嚴重的經(jīng)濟損失，同時尤為重要的是對生態(tài)環(huán)境將造成污染和對人類健康造成威脅。能夠?qū)⑹Ｓ辔锷鷳B(tài)化利用，為林源生物質(zhì)提取活性物質(zhì)的生產(chǎn)企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益，同時對環(huán)境不造成危害的資源化利用技術是目前林源生物質(zhì)提取活性物質(zhì)的生產(chǎn)企業(yè)的一個重要的發(fā)展課題。
剩余物的處理一直都是林源生物質(zhì)提取活性物質(zhì)的生產(chǎn)企業(yè)的棘手問題，早期處理的形式主要包括填埋、焚燒等。填埋處理只是對剩余物作了無害化處理，需要占用大量的土地，目前主要用于對環(huán)境和人體健康有嚴重影響的固體廢物，如易溶難分解、易爆、放射性廢物的處理。焚燒處理雖然解決了剩余物的大量占地問題，但沒有考慮到生態(tài)化利用問題，對于剩余物燃燒過程中產(chǎn)生的熱量是一種能源的浪費。目前這兩種方法僅屬初級處理方式，并沒有達到剩余物生態(tài)化利用升值或者是根本上解決剩余物處理問題，秸稈顆粒機、秸稈壓塊機專業(yè)解決農(nóng)作物秸稈焚燒問題。
在全球提倡可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的大環(huán)境下，發(fā)展資源化利用，變廢為寶，提高產(chǎn)品附加價值已經(jīng)成為剩余物再生利用發(fā)展的新思路。
3、林源生物質(zhì)提取活性物質(zhì)生產(chǎn)中固形剩余物的熱解利用
3.1生物質(zhì)熱解技術的發(fā)展現(xiàn)狀
生物質(zhì)熱解技術是實現(xiàn)生物基物質(zhì)高值轉(zhuǎn)化的一種技術，是一種有著良好發(fā)展前途的生態(tài)技術。生物質(zhì)熱解是在完全無氧或有限供氧條件下進行的生物質(zhì)降解反應，利用熱能切斷生物基物質(zhì)大分子的化學鍵，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榈头肿游镔|(zhì)的過程，主要產(chǎn)物有生物質(zhì)炭、生物焦油、生物醋液和生物燃氣。主要產(chǎn)品生物質(zhì)炭可以作為木炭的替代品用于民用和工業(yè)金屬冶煉等方面，還可以用于鑄造脫模、農(nóng)作物土壤改良劑，制成活性炭可用于處理污水和吸附劑等，經(jīng)深加工可制成橡膠用碳黑，還可做燃料和高檔食品燒烤；生物焦油是橡膠行業(yè)不可缺少抗聚劑的唯一原料，生物焦油再加工可以得到柴油、汽油等產(chǎn)品，這種利用模式可以降低對石油的依賴；生物醋液是一種對環(huán)境有著良好調(diào)節(jié)功能的產(chǎn)品，具有空氣殺菌、消毒、除臭等功效，可以用來調(diào)節(jié)植物生長，作為植物葉面肥料和綠色驅(qū)蟲劑；生物燃氣是一種潔凈的氣體燃料，具有熱值高、含硫量低、燃燒后不產(chǎn)生有害氣體等的特點，同時生物質(zhì)燃氣主要含有CO和H2，可以作為合成甲醇、乙醇等液體化學品的優(yōu)良原料。
我國是一個木材極度匱乏的國家，現(xiàn)階段對木材的使用有著嚴格的法律法規(guī)，林產(chǎn)化工行業(yè)中，以木材熱解生產(chǎn)木炭、木焦油、木醋液、木煤氣也受到嚴格的控制。而生物質(zhì)提取活性物質(zhì)的固形剩余物熱化學轉(zhuǎn)化利用這一生態(tài)化工藝，不以木材為原料，而是在剩余物資源化利用的基礎上，生產(chǎn)出生物質(zhì)炭，生物焦油、生物醋液和生物燃氣，實現(xiàn)了創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟價值的目的，發(fā)展前景可觀。
3.2固形剩余物熱解工藝流程
林源活性物質(zhì)提取生產(chǎn)中固形剩余物熱解生態(tài)化利用的工藝流程。
林源生物質(zhì)提取活性物質(zhì)生產(chǎn)中固形剩余物通過碎化后經(jīng)過溶劑萃取剩余的固形剩余物通過回轉(zhuǎn)爐等干燥設備進行干燥，降低其含有的水分，含水率過高將會造成固化成型工藝不能正常的進行，當干燥后水分含量達到固化成型工藝的要求后，就可以送入固化成型工藝階段，在固化成型工藝階段，植物殘渣裝入生物質(zhì)固化成型機的料斗，啟動固化成型機進行固化成型操作，從出料口得到生物質(zhì)固化成型棒或生物質(zhì)顆粒，將固化成型棒或顆粒裝入無氧熱解釜內(nèi)，加熱熱解釜進行無氧熱解，熱解產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)物從熱解釜頂部進入冷凝、冷卻系統(tǒng)，可凝成分即生物質(zhì)餾出液被冷凝冷卻后流人儲罐，通過低溫快速沉降分離出生物醋液和生物焦油；不凝成分生物燃氣經(jīng)過冷卻、洗滌和靜電除焦后通過風機送入生物質(zhì)燃氣儲罐；熱解操作結(jié)束后熱解固體產(chǎn)物即生物質(zhì)炭在無氧熱解釜內(nèi)降溫到室溫后取出。
3.3固化成型技術與熱解技術的原理及應用
固化成型技術將剩余物這種粒度小、堆密度低、能量密度低的生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為高能量密度的生物質(zhì)棒坯或顆粒，成型后的燃料主要有如下優(yōu)點：①密度大，使原來的松散物料“致密無間”，從而限制了揮發(fā)物的逸出速度，熱解產(chǎn)生的揮發(fā)物質(zhì)通過冷凝分離得到生物質(zhì)炭和焦油兩種能源產(chǎn)品，能量得以積聚，同時還可獲得作為植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)的醋液等副產(chǎn)品；②因成型棒坯或顆粒質(zhì)地密實，揮發(fā)物逸出后剩余的炭結(jié)構(gòu)也緊密，運動氣流不能將其解體，可充分利用。在生物質(zhì)炭燃燒過程中可清楚地觀察到藍色火焰包裹著明亮的炭塊，爐溫大大提高，燃燒時間明顯延長。
林源生物質(zhì)提取活性物質(zhì)生產(chǎn)中固形剩余物通過擠壓成型原理在于利用其中含有的木質(zhì)素屬非晶體的特性，具體是指木質(zhì)素由于是天然高分子化合物，沒有熔點但有軟化點，當溫度為70～110℃時粘合力開始增加，木質(zhì)素在適當溫度下(200～300℃)會軟化、液化，適當?shù)乃肿饔孟萝浕c降低和粘合力增大。此時加以一定的壓力使其與纖維素緊密粘接并與相鄰顆�；ハ嗄z接，冷卻后即可固化成型，因此采用擠壓法成型可不用任何添加劑、粘接劑，大大降低了加工成本，富通新能源生產(chǎn)銷售的木屑顆粒機、秸稈壓塊機專業(yè)壓制生物質(zhì)顆粒燃料，生物質(zhì)顆粒燃料是替代煤等化石能源最佳的選擇。
利用無氧熱解設備對生物質(zhì)成型物料進行快速熱解，得到熱解產(chǎn)物生物質(zhì)炭、生物焦油、醋液及燃氣。無氧熱解設備主要由兩部分構(gòu)成，即熱解裝置和產(chǎn)物回收裝置。熱解裝置包括熱解爐和熱解釜，將生物質(zhì)成型棒坯裝入熱解釜中，通過熱解爐對熱解釜進行加熱，達到熱解溫度后，熱解釜中的生物質(zhì)發(fā)生快速熱解反應，生成大量氣態(tài)熱解產(chǎn)物并釋放熱能，氣態(tài)熱解產(chǎn)物進入產(chǎn)物回收裝置。產(chǎn)物回收裝置包括多級冷凝冷卻系統(tǒng)、餾出液儲罐、洗滌罐和氣體儲罐等部分。氣態(tài)熱解產(chǎn)物經(jīng)冷凝冷卻后得到液體餾出物，再經(jīng)低溫沉析后得到生物質(zhì)焦油和生物質(zhì)醋液，不凝性氣體經(jīng)洗滌或靜電除焦后得生物質(zhì)燃氣。熱解反應結(jié)束后，熱解釜內(nèi)得到生物質(zhì)炭，待熱解釜溫度降至常溫后出料。
近年來，筆者將固化成型技術與熱解技術運用到多種生物質(zhì)提取活性物質(zhì)生產(chǎn)的固形植物源剩余物的處理中，取得了滿意的效果，將剩余物全部轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭、生物焦油等能源產(chǎn)品和生物質(zhì)醋液植物生長調(diào)節(jié)產(chǎn)品，并且無二次污染產(chǎn)生，實現(xiàn)了植物資源的生態(tài)化利用，其中部分實驗結(jié)果如圖2所示。筆者及筆者所在實驗室近年來利用該技術處理提取茄尼醇、喜樹堿、長春堿、原花青素后的煙草、喜樹果實和葉片、長春花、落葉松和橡碗剩余物作為產(chǎn)業(yè)化配套技術受到生產(chǎn)企業(yè)的認可，經(jīng)濟效益明顯。
隨著林源生物質(zhì)提取活性物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，隨著綠色經(jīng)濟理念的深入人心，如何能實現(xiàn)對剩余物的生態(tài)化利用也將成為林源生物質(zhì)提取活性物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的新的研究點，并將受到越來越多的關注。剩余物生態(tài)化利用將呈現(xiàn)多樣性化發(fā)展，針對不同剩余物生態(tài)化利用方案也將不同，而研究的根本落腳點仍要遵循以下幾個方面：解決剩余物污染問題；解決剩余物處理問題并保證不產(chǎn)生二次污染；實現(xiàn)剩余物的生態(tài)化利用，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益；實現(xiàn)剩余物批量處理，便于技術和設備推廣。
4、展望
利用熱解轉(zhuǎn)化技術對林源生物質(zhì)提取活性物質(zhì)的固形剩余物進行生態(tài)化利用，有著處理能力大、處理速度快、產(chǎn)品附加值高等優(yōu)勢，對林源生物質(zhì)提取活性物質(zhì)產(chǎn)業(yè)走可持續(xù)發(fā)展、尋求循環(huán)經(jīng)濟模式有著重要的作用。圍繞我國在發(fā)展創(chuàng)新型生物產(chǎn)業(yè)方面和生態(tài)文明建設方面的重大戰(zhàn)略需求，堅持以目的生物基物質(zhì)和目的生物活性物質(zhì)的含量、增量、純度、得率、利用度為其工藝技術主線，將節(jié)約資源和環(huán)境友好落實到林源生物質(zhì)生態(tài)化學利用工程的各個環(huán)節(jié)。需在以下幾個方面進行深入研究：
(1)林源活性物質(zhì)提取生產(chǎn)中固形廢棄物固化成型及其熱解設備的大型化、工業(yè)化、智能化的研發(fā)和制造，以利于林源活性物質(zhì)提取相關部門合理選擇及配套使用。
(2)進一步優(yōu)化擠壓成型和熱解工藝，降低能耗和處理成本。
(3)對熱解產(chǎn)物生物質(zhì)炭、生物焦油、生物醋液和生物燃氣進行深加工，提高附加值，增加企業(yè)收入，使林源活性物質(zhì)提取行業(yè)能夠得以可持續(xù)發(fā)展。
