变废为宝——从汉麻废料中提取高价值产品

种植汉麻（学名: Cannabis sativa）的目的是为了获得其纤维（韧皮纤维），可食用的种子，以及一些药用产品[1]。将韧皮纤维从麻茎中剥离出来，其剩下的部分被称为汉麻秆芯。尽管汉麻秆芯是大麻类植物的主体，但麻茎中价值最低的部分也恰恰就是这些木质残留物——它们被视为纤维生产的副产品。虽然汉麻秆芯具有一系列的用途，如动物垫料，建筑材料和花园覆盖物等 [2]，但它们还是通常被视为生产废料。

慢速热解

然而，经热化学处理后的汉麻秆芯中可提取出多种高价值产品。通过一种特殊的热化学过程，即慢速热解，可将汉麻秆芯转化为生物炭、液体（馏出物），以及气体[3]。正常来说，这些产品的产量大致相等。但可以通过调整工艺条件，使某一特定产物的产量最大化。

慢速热解通常用于将生物质转化为生物炭。生物炭是一种富含碳元素的木炭，可作为农业土壤改良剂以及碳储存使用。慢速热解中也会产生液态馏出物，但它们通常被作为副产物烧掉或扔掉。然而，这些液态馏出物含有生物活性化合物，将其收集起来可为企业带来额外收入。

在这项研究中，研究人员通过不同温度下的慢速热解，对四种类型的工业汉麻秆芯进行了热加工并将其转化为液态馏出物 [5]。研究团队检测了馏出物的化学成分，以确定其是否存在具有潜在价值的分子或分子簇。他们确信，这是业界首次以这种方式研究公斤级的大样本。而先前的研究则集中在小型的、实验室规模的样品（克级）[4]。

研究人员使用的慢速热解温度相对较低——从室温一直到350 °C的加热上限， 并在热解过程的三个阶段，即干燥、烘培和热解时，对粗馏物进行收集。

详尽的样品表征

研究团队采用了多种分析技术手段对样品进行表征。其中包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、一维和二维NMR谱、液相色谱-高分辨质谱联用（LC-HRMS）和二维气相色谱-质谱联用（2D GC-MS）。例如，FTIR光谱被用于获取所有汉麻秆芯馏出物的官能团信息。全部光谱均来自于布鲁克Alpha FTIR光谱仪。该光谱仪配备了衰减全反射钻石探针、高灵敏度的2×2毫米钻石晶体表面、以及RT-LaTGS样品腔。

该研究团队首次识别并测量到了多种具有潜在价值的分子。分析结果显示，不同馏出物中的化合物浓度存在显著差异。三种不同汉麻秆芯样本的馏出物中均检测到了相关化合物，特别是在烘培和热解阶段中低于100̊C冷凝时所产出的馏出液中。

乙酸是所有样品提取物中的主要成分。其他有价值的化合物包括愈创木酚和丁香醇衍生物，如2,6-二甲氧基苯酚、愈创木酚（2-甲氧基苯酚）、香兰素和丁香酚。

由于大部分化合物在馏出物中浓度较低，这意味这在生产中，它们必须被分离和纯化。也就是说，尽管有多种现代量产技术加持，其制造成本仍然较高。这些化合物可作为纯化产品，用于营养、制药和农业领域。例如，香兰素和丁香酚可作为功能性食品和药品的原料。

研究团队估计，一吨汉麻秆芯（目前价格为200欧元）可生产约300公斤生物炭（目前价格约为400欧元）。此外还可产生约40公斤乙酸（这是馏出物中的主要化合物），作为大包装产品价值约100欧元。一吨汉麻秆芯将产出约1.3公斤的1-羟基-2-丁酮，这是馏出物中最昂贵的化合物。它基本上可以提纯到>95%的纯度，并以1300-6500欧元的价格出售。1-羟基-2-丁酮经常被用作香料或一种香味剂。

结论

这项研究提供了极具价值的数据，可作为木本植物馏出物化学分析的基准。对汉麻秆芯馏出物而言，该数据尤为重要。研究表明，对汉麻秆芯进行慢速热解——该方法具有巨大的潜力，可生产出高价值的产品。其产物不仅包含生物炭，还涵括多种具有利用价值的馏出物。通过对整个工艺的控制，如改变温度、加热率和停留时间等，可最大化高价值产品的产出。馏出物的后续处理则涉及分离和纯化步骤，如短程蒸馏和离心分配色谱测量。研究人员建议在进一步研究中详细评估该技术的潜在经济效用，例如，把分离纯化过程的成本以及高价值化学品的价格及市场规模纳入考量，以判定其总体的商业价值。

布鲁克在全球范围内，为新兴的工业大麻产业提供了最为广泛的分析技术。所提供的产品组合包括台式和落地式核磁共振波谱仪、光学测量技术（如FTIR和拉曼光谱）以及质谱分析。布鲁克因此成为了唯一的端到端解决方案供应商，其产品在工业大麻产业价值链的每个阶段都发挥着重要作用。布鲁克使得客户们实现变废为宝——不仅减少了生产废料，还创造了额外的收益。

声明: 布鲁克不支持、鼓励或有意将其产品或服务用于任何大麻或大麻制品的非法使用、种植或交易中。 布鲁克推出的产品仅应用于遵守所有适用法律以促进公共安全的前提下，以及用于合法和经审批的科学或医学研究活动中。

参考文献：

1. Cherney, J.H. et al, (2016). Industrial Hemp in North America: Production, Politics and Potential. Agronomy.
https://www.mdpi.com/2073-4395/6/4/58
2. Carus, M. and Sarmento, L., (2016) The European Hemp Industry: Cultivation, processing and applications for fibres, shivs, seeds and flowers. EIHA.
https://eiha.org/media/2016/05/16-05-17-European-Hemp-Industry-2013.pdf
3. Amini, E. et al, (2019) Characterization of pyrolysis products from slow pyrolysis of live and dead vegetation native to the southern United States. Fuel.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016236118314832
4. Branca, C. et al, (2017) Experimental analysis about the exploitation of industrial hemp (Cannabis sativa) in pyrolysis. Fuel Processing Technology.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378382016310372
5. Salami, A. et al, (2020) Complementary chemical characterization of distillates obtained from industrial hemp hurds by thermal processing. Industrial Crops and Products.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926669020306774?via%3Dihub