从本质上讲，生物质是一种复杂的复合材料，主要由三种主要的有机聚合物组成：纤维素、半纤维素和木质素。这些成分以耐用的基质形式组织在一起，其中含有少量非结构性物质，称为提取物，以及称为灰分的无机矿物质。这些成分的具体比例因生物质来源（如木材、草或农业废弃物）的不同而差异很大。
利用生物质的根本挑战——也是机遇——不仅在于了解其组成部分，还在于理解它们是紧密结合在一起的。有效地解构这种天然复合材料是将原始生物质转化为有价值的燃料、化学品和材料的关键。
木质纤维素生物质的三大支柱
大多数植物生物质被称为木质纤维素生物质。这个名称直接指出了它的三个主要结构组成部分，每个部分都具有独特的化学性质和功能。
纤维素：结构骨架
纤维素是地球上最丰富的有机聚合物，构成了植物细胞壁的主要结构骨架。它是一种长链聚合物，完全由首尾相连的葡萄糖单元组成。
这些链捆绑在一起形成高度有序的结晶结构，称为微纤维。这种结晶排列赋予纤维素巨大的强度，并使其对化学和生物降解具有高度抵抗力。
半纤维素：连接基质
半纤维素是一种支链聚合物，由各种五碳和六碳糖组成，包括木糖、甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖，以及葡萄糖。
与纤维素的结晶和均匀性质不同，半纤维素是无定形的，分子量较低。这使得它比纤维素更容易分解（水解）成其组成糖。它充当柔性连接剂，将纤维素微纤维相互连接并连接到木质素。
木质素：保护性密封
木质素是一种高度复杂且不规则的芳香族聚合物，与纤维素和半纤维素的碳水化合物结构根本不同。它由酚类亚基构成。
在功能上，木质素为植物细胞壁提供结构刚性、硬度和防水性。在生物精炼的背景下，木质素是最难处理的成分，它充当物理屏障，保护碳水化合物免受酶攻击，并且在加工过程中经常释放抑制性化合物。
次要但重要的组成部分
虽然这些其他成分在总质量中所占比例较小，但它们对生物质的加工和利用方式具有重大影响。
提取物：可溶性组分
这组物质包括各种可溶于溶剂的非结构性有机化合物。例如脂肪、蜡、树脂、单糖和萜烯。
提取物的存在和组成可能成为高价值特种化学品的来源，反之，也可能成为使下游加工复杂化的污染物。
灰分：无机残余物
灰分是生物质完全燃烧后留下的无机矿物质含量。它由二氧化硅、钾、钙和镁等元素组成。
高灰分含量通常是不希望的，因为它可能导致燃烧设备中的结渣和结垢，并可能使化学转化过程中使用的催化剂失活。
理解权衡：难降解性挑战
大多数生物质转化途径的主要障碍是克服其天然的抗解构性，这种特性被称为难降解性。
木质纤维素基质
纤维素、半纤维素和木质素并非简单混合；它们通过物理和化学方式交联成一个坚固的天然复合材料。可以将其视为大自然版的钢筋混凝土：纤维素充当高强度钢筋，而半纤维素和木质素则形成将所有东西固定在一起的周围基质。
解构成本
为了获取有价值的纤维素和半纤维素以转化为可发酵糖，必须将这种基质分解。这一步骤，称为预处理，通常需要大量的能量、热量和化学品输入。
预处理的效率和成本是决定生物精炼厂可行性的最关键经济因素。
木质素的双重作用
历史上被视为有问题的废弃物，木质素正日益被视为一种潜在资源。虽然它阻碍了碳水化合物的转化，但其芳香结构使其成为生产芳香族化学品、碳纤维和先进聚合物的潜在可再生来源。然而，开发具有成本效益的木质素增值方法仍然是研究的一个主要领域。
将组分与您的目标匹配
利用生物质的最佳策略完全取决于您希望利用哪些组分以及您想要什么最终产品。
- 如果您的主要重点是生物乙醇或可发酵糖：您的目标是有效地分离和水解纤维素和半纤维素为单糖，同时最大限度地减少木质素的抑制作用。
- 如果您的主要重点是先进生物材料：您的目标可能是分离高纯度纤维素用于纳米晶纤维素等应用，或将木质素用作新型功能聚合物的构建块。
- 如果您的主要重点是直接燃烧以获取生物能源：您的目标是最大化能量输出，这意味着您必须仔细管理水分和无机灰分含量，以确保高效清洁的燃烧。
解锁生物质巨大潜力的第一步是清楚地了解其基本的化学组成。
总结表：
| 组分 | 主要功能 | 主要特征 |
|---|---|---|
| 纤维素 | 结构骨架 | 结晶葡萄糖聚合物；坚固且耐用 |
| 半纤维素 | 连接基质 | 无定形、支链聚合物；更容易分解 |
| 木质素 | 保护性密封 | 复杂的芳香族聚合物；提供刚性和难降解性 |
| 提取物 | 可溶性化合物 | 脂肪、蜡、树脂；特种化学品来源 |
| 灰分 | 无机矿物质 | 二氧化硅、钾；可能使加工复杂化 |
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