生物质被认为是目前唯一有望替代传统化石资源的可再生资源,类比现代石油化工精炼工艺,人们提出了“生物精炼”的概念,即以生物质为原料,遵照“绿色、低碳、清洁、可再生”原则,研究开发出既能补充和替代化石资源,又能满足人们生活需求的生物基能源、材料和制品等。木质生物质是地球上最丰富的一类生物质资源,主要由碳水化合物高分子(纤维素、半纤维素)和芳族聚合物(木质素)组成。木质生物质三大素的清洁高效分离,是实现多元化、高值化生物精炼的重要基础。本论文以生物精炼理念、组分优先分离策略思想为指导,基于固体碱组分分离技术,立足本地区竹材生物质丰富的特点,围绕竹材三大素的梯级分离和各分离组分的转化利用展开研究,完善了固体碱活性氧组分分离技术,实现了生物质梯级分离及“纤维素→平台分子”、“木质素→酚类单体”、“半纤维→低聚木糖”的三大素定向综合利用。首先,基于课题组前期开发的固体碱组分分离技术,阐明了固体碱组分分离过程中氧化镁形态的演变历程,开发了固体碱回收与再生途径。本研究将蒸煮产物分为气、液、悬、浆四大类,分别考察了这四类产物的化学成分和形态结构随蒸煮时间变化,结果表明,镁基固体碱在体系原位生成的二氧化碳作用下先转变为碳酸氧镁中间体,再逐渐被酸性降解产物溶解到蒸煮黄液中,而且只有在二氧化碳缓释或不足的条件下才能生成碳酸氧镁,并证实了碳酸氧镁蒸煮脱木质素的效率优于市售碱式碳酸镁。固体碱活性氧蒸煮后,部分固体碱以难溶盐和热不稳定的碳酸氢盐形式存在,通过简单筛洗浆和加热黄液可以回收34.9 wt.%的镁沉淀,向加热后的黄液中加入100.8wt.%(54.5mol%)的廉价氢氧化钙,可以再实现59.7 wt.%的镁沉淀回收,共计可回收94.6 wt.%的镁沉淀(以镁离子计)。镁沉淀经900℃焙烧,即可得到纯度大于90%的固体碱粉末,研究证明回收的固体碱可以直接用于再蒸煮。其次,构建了固体碱浆一锅法制备5-甲酰氧基甲基糠醛(FMF)的甲酸催化体系,提出纤维素组分催化转化为平台化合物FMF的制备途径。系统研究了催化剂种类、含水量、底物浓度、酸、反应温度和时间对FMF得率影响。研究发现,向反应体系中加入优选的催化剂NaBr,FMF的得率由原来的8.0mol%增加至28.1 mol%,确定起主要催化作用的是溴离子,并证实了溴离子具有促进5-羟甲基糠醛(HMF)羟基酯化的作用,且碱金属氯盐或溴盐均有良好的催化效果;反应体系含水量小于2wt.%时,对FMF得率影响不大,增大含水量可提升HMF和乙酰丙酸(LA)选择性,含水量过高不利于纤维素转化;增加底物浓度,FMF得率显著下降,高浓度下纤维素的FMF得率略高于葡萄糖;无论是向体系中加入Bronsted酸,还是Lewis酸,都强烈促进LA生成;反应温度从130℃到170℃,每增加20℃,都会加倍促进FMF的生成速率,而最大得率值变化不大。固体碱浆制备FMF最高产率可达33.4 mol%,经四步分离即可得到29.4 mol%的FMF纯品,FMF具有良好的热稳定性和疏水性,便于分离纯化和储运利用,具有作为平台分子的潜力。再次,建立了雷尼镍和分子筛协同催化体系,实现了竹木质素较高得率降解为单酚类产物的反应途径。探讨了分子筛类型、催化剂配比、温度、时间和氢源对单酚得率影响。结果显示,雷尼镍和分子筛催化剂单独使用,均可使竹木质素液化为生物油,可此时的生物油成份以木质素多聚体为主,而雷尼镍和分子筛协同催化,能显著降低降解产物分子量;单独雷尼镍或分子筛催化,木质素转化为单酚得率分别为12.9 wt.%和不足5 wt.%,二者共同催化使得单酚得率显著提升至21.0～27.9 wt.%。分子筛和雷尼镍最佳协同催化配比为2:1(w/w),雷尼镍用量过低,无法有效的催化甲醇原位产氢,造成体系还原力和催化木质素大分子断裂能力过低,造成木质素碎片重新聚合;而分子筛用量过低,无法封闭某些活性木质素分子碎片,同时不能提供足够的酸位点协同解聚木质醚键、酯键等木质素主流链接键。协同催化条件下,总酚得率随反应时间先增加后减小,并在80min达到最大值,增加反应温度有利于氧化还原反应进行,可是温度太高使得总酚得率下降;雷尼催化剂促进了甲醇重整自产内源氢气,且证明内源氢气对木质素的降解作用优于外加氢气。协同催化剂循环使用性能有待提高,主要是积炭和粘附木质素衍生物导致催化剂失活。然后,开发了基于半纤维素预提取竹材生物质制备低聚木糖的技术途径。比较了水热自催化、酸强化法和固体碱弱化法对半纤维素木聚糖溶出影响。研究发现,于0.1 wt.%的醋酸水溶液中180℃反应100min,可从竹中提取高达12.2wt.%的木聚糖,酸强化法优于水热法和碱弱化法,主要是因为竹材乙酰基难以水解脱落形成有效自催化。为开发高纯度低聚木糖制备途径,论文进一步对木聚糖酶解条件以及脱色、去蛋白、脱盐和除单糖方法进行了探讨。实验表明,木聚糖酶加入量为底物质量的0.0125%时,木聚糖酶解以50℃反应4 h为宜;兼顾脱色效果和糖损失,活性炭脱色用量为糖液体积的0.5%最佳;优选截留分子量为10kD的超滤膜,此时的脱蛋白率为77.7%,糖损失率为2.0%,脱色率为52.3%;Amberlite 732型强酸阳离子交换树脂最佳添加比例为0.096(v/v),Amberlite FPA53阴离子交换树脂最佳添加比例为0.090(v/v),此时的脱盐率为80.0%,糖损失率为7.1%,脱色率为85.7%;纳滤浓缩经前序步骤得到的糖液,当浓缩倍率为9.1时,单糖含量由14.6%降至6.7%,糖损失率为9.4%。最后,构建了基于生物质组分分离半纤维素优先策略下,竹材生物质半纤维素预提取和固体碱活性氧相结合的清洁组分分离技术体系,初步实现了竹材三大素的梯级分离及综合利用。该法提高了半纤维素组分利用效率,并将蒸煮段的固体碱用量降至12 wt.%。在上述研究的基础上,论文绘制出基于半纤维素优先分离和固体碱活性氧蒸煮的竹材生物质三大素分级利用技术路线图,以期为今后的竹产业转型升级和木质生物质资源开发利用提供一定的理论依据和技术支持。