从生物质中炼制绿色未来

　　文／萧　磊

　　生物质能源因资源丰富、分布广泛、清洁低碳，被誉为煤炭、石油、天然气之外的第四大能源。要成功利用生物质能，需要高效利用生物质的三大组分：纤维素、半纤维素和木质素，而制约生物质大规模应用的瓶颈则是如何实现生物质复杂组分的高效拆分与高值化利用。要实现“双碳”宏大目标、清洁能源转型及可持续发展，我国必须在生物质生物转化领域发力。

　　生物质生物转化以生物质为原料，利用绿色生物技术，产出能源、化学品和材料。天津大学化工学院特聘研究员刘志华围绕生物质组分拆分转化的强化机制及调控规律关键科学问题，以生化工程和合成生物学为学科基础，构建了完备的生物质高效生物转化技术体系，突破了制约组分高效拆分与转化的关键技术瓶颈。

　　夯实生物炼制应用基础

　　刘志华的学术基础奠定于天津大学求学期间。他先后获得天津大学生物工程学士、生物化工硕士学位，并在此期间逐渐明确了投身科研的人生目标。2016 年，他在中国科学院大学获得生物化工博士学位，随后远赴美国Texas A&M University 从事博士后研究，一年后因工作业绩突出晋升为研究员。

　　刘志华在国内主要从事生物能源领域应用基础研究。在国外，他进一步开拓了研究方向，主要从事生物炼制、木质素生物转化、系统与合成生物学应用基础研究。

　　生物质组分拆分是其经济性利用的技术瓶颈，刘志华率先构建了粉碎级联汽爆技术，通过建立组分拆分过程反应模型，揭示了组分拆分与酶解糖化的内在关系，实现了厘米级大粒径生物质组分高效拆分与酶解糖化，打破了小粒径促进预处理效率传统认知，为降低生物质粉碎能耗提供了新途径；率先发现生物质存储时空因素对其多尺度结构作用规律，开发了存储级联汽爆技术提高酶解糖化新方法并获授权专利，填补了存储对生物质利用影响研究的空白，为生物质大规模应用过程设计提供了参考。

　　他率先引入多尺度表征技术，建立了生物质多层级结构变化与预处理强度的定量关系。通过解析多层级结构拆分与三组分迁移规律，构建了新型组分次序选择性拆分技术，从而突破了组分拆分难题，同时能够原位修饰聚糖和木质素结构与定向强化功能基团，阐明多层级关键结构因素对组分拆分的贡献关系，实现对聚糖水解发酵效率与木质素功能性的精准预测，为组分高效拆分提供了全新理念和解决方案。

　　高固生物转化是实现生物乙醇大规模应用的必然要求，但是高固生物转化引起的“固体效应”限制糖化发酵效率，刘志华矢志攻克这一难题。他通过建立生物质多层级结构与高固体系水分布的非线性定量关系，全面解析水束缚效应分子机制，解决了高固效应长久以来难以定量界定难题；通过仿生生物学原理，建立了以法相力为动力源的周期蠕动过程强化新方法，揭示了周期蠕动过程强化移除水束缚提高糖化

　　效率的分子机制，填补了高固转化强化方式研究空白。此外，刘志华通过筛选“双耐受”和构建五六碳糖共利用酵母菌株，建立了高固同步糖化发酵工艺，阐明了微生物对不同组分生物转化规律，菌株抑制剂耐受和五六碳糖同步发酵生物乙醇能力达到文献报道的国际先进水平。该成果在万吨级秸秆产乙醇示范项目上得到放大验证，为生物乙醇大规模应用提供了切实可行的方案。

　　聚焦木质素生物转化

　　在刘志华看来，实现民族复兴是千千万万华夏儿女的共同心愿。他认为，学者不仅对所研究学术领域的发展进步有着不可推卸的学术责任，而且其科研应满足国内行业发展需要，应为产学研一体化发展尽一份力量。2020 年，刘志华回到了天津大学化工学院工作，入选天津大学“北洋学者”特聘研究员，并获得2022 年天津市青年人才计划项目（海外）。在2022 年第五届生物化工青年论坛上，刘志华凭借出色的科研成绩荣获“优秀报告奖”。

　　刘志华认为，作为自然界储量最丰富的芳香化合物资源，木质素高值化利用是促进生物炼制工业化和生物经济的必然要求。因此，他聚焦生物质利用，特别是木质素生物转化领域应用研究，希望通过依托系统和合成生物学技术，构建高效的木质素转化细胞工厂，实现木质素生物转化的工业化以发展生物经济。

　　围绕木质素复杂聚合物的异质结构难题，刘志华提出木质素级联生物转化理念，阐述了木质素解聚、跨膜转运、胞内降解与产物合成的级联关系。他率先从木质素特性与目标产物功能关系出发，通过建立木质素结构与反应活性的非线性定量关系，提出以“结构裁剪与功能匹配” 理念的木质素拆分与转化新思路，阐明了木质素结构- 反应活性与功能产物合成的适配及调节规律，突破了复杂异质木质素利用难题，为木质素的高值化利用提供了革新方案。

　　之后，刘志华提出并构建了木质素高值化利用的天然生物转化路线，从木质素芳环本征特性和木质素降解菌天然优势出发，系统构建了木质素“生物转化漏斗”路径、原子经济功能转化路径与芳环开发合成高价值产物路径等，为木质素生物转化提供了全新的系统的理念和策略。此外，经过十几年的研究积累，刘志华首次提出了全新的协同生物炼制理念，并将木质素生物转化与生物炼制理念结合，设计并构建了生物质全组分生物转化技术体系。

　　具体而言，通过构建三组分协同拆分与木质素结构原位剪裁的协同预处理技术，解析了木质素结构与生物反应活性的调节规律。以系统和合成生物学技术，最大限度开发木质素降解菌天然优势，通过建立木质素结构剪裁、菌株胞内芳香化合物代谢与产物合成的组态化木质素生物转化路径，阐明菌株木质素生物转化多模块偶联与调节机制，打破木质素异质结构对生物转化限制，成功实现木质素生物转化合成生物塑料和生物油脂等产品，产量均达到文献报道最高水平。经济评价分析表明，该成果是目前最具经济性的技术路线，使得木质素生物转化大规模生产成为可能。经过十几年的努力探索，刘志华在生物乙醇、生物塑料、木质素基功能产物等方面取得了丰硕的成果，很多技术和产品已经得到生产验证，正朝着产业化方向推进。

　　坚持绿色发展，就要培育更多蕴含着无限希望的绿色种子，就要寻找到配置绿色的方法和手段，学界义不容辞。作为这一专业领域的佼佼者，刘志华信心满怀，正在学术道路上奋勇直前！