三氯化铁催化微波辅助水热预处理提升大型藻类糖回收与溶解效率的创新研究

本研究针对大型藻类生物质转化效率低的问题，创新性地采用FeCl3催化微波辅助水热预处理技术，通过Box-Behnken设计优化参数，实现总还原糖(TRS)产量达354 mg·g?1、溶解率44.11%。热重-红外联用(TG-FTIR)和扫描电镜(SEM)证实该方法显著破坏藻类结构，Py-GC/MS鉴定出苯、酚等高值热解产物，为生物乙醇和精细化学品生产提供绿色高效解决方案。

　　

在全球能源转型与碳中和背景下，生物质资源的高效利用成为研究热点。传统生物乙醇生产面临原料竞争、能耗高、预处理效率低等挑战，特别是藻类生物质因结构复杂导致糖回收率不足。大型藻类虽具有生长快、非粮用地等优势，但现有技术存在反应时间长（通常需数小时）、副产物（如糠醛FF和5-羟甲基糠醛HMF）抑制后续发酵等问题。

台湾成功大学的研究团队在《Biomass and Bioenergy》发表研究，提出三氯化铁(FeCl₃)催化微波辅助水热预处理新工艺。该研究以菲律宾Siargao岛采集的Sargassum spp.为原料，通过Box-Behnken实验设计(BBD)优化参数，结合热分析(TG-FTIR)、显微成像(SEM)和热解-气相色谱/质谱(Py-GC/MS)等技术，系统评估了FeCl₃浓度(0.05–0.15 M)、温度(50–150°C)和时间(5–25 min)对糖回收和生物质溶解的影响。

关键技术方法
研究采用微波辅助加热(MAH)系统实现快速升温，通过离子传导和偶极极化机制提升能效；利用FeCl₃的双重催化作用（Lewis酸和Br?nsted酸协同）；结合响应面法(RSM)建立预测模型；采用TG-FTIR分析热解行为变化，SEM观察微观形貌，Py-GC/MS鉴定热解产物。

研究结果

Biomass characterization
原料分析显示大型藻类含65.5 wt%挥发性物质和17 wt%灰分，其高碳水化合物（纤维素/半纤维素）含量和低木质素特性适合催化水解。

Abstract
最优条件（0.15 M FeCl₃、98°C、25分钟）下，TRS产量达190.11 mg·g^?1，溶解率43.16%。Fe³⁺通过催化纤维素/半纤维素解聚显著提升效率，温度影响强于时间。RSM模型预测性优异（TRS的R²=0.9968）。

Conclusions
预处理使生物质热解温度从900°C降至625°C，SEM显示孔隙率和断裂面增加。Py-GC/MS检测到苯、甲苯、酚等高值化学品，证实该方法兼具糖回收和化学品合成潜力。

意义与创新
该研究首次将FeCl₃-MAH协同效应应用于大型藻类处理，10分钟内完成传统工艺需数小时的反应，能耗降低90%。通过"一锅法"同时实现糖回收（生物乙醇原料）和精细化学品（苯系物、萘等）生产，为第三代生物燃料开发提供技术范式。研究团队特别指出，该方法可扩展至其他海洋生物质资源，助力蓝色经济发展。