综述：碳水化合物优先的生物质分馏与价值化：进展、挑战与未来机遇

本综述系统探讨了以碳水化合物（纤维素、半纤维素及其衍生水溶性糖类）为核心的木质纤维素生物质分馏策略，涵盖深共熔溶剂（DESs）、离子液体（ILs）、有机溶剂、过氧化物、碱和酸等多种方法，并对其可持续性（环境与经济影响）进行批判性分析。文章进一步阐述了分馏后碳水化合物转化为高值化学品（如5-羟甲基糠醛（HMF）、糠醛）和功能材料（如纳米纤维素（CNFs）、水凝胶）的路径，为实现碳中和与循环经济提供关键技术支撑，强化了碳水化合物在达成可持续发展目标中的核心地位。

　　

引言

全球能源相关CO₂排放量在2023年达到374亿吨，凸显了替代化石燃料的紧迫性。木质纤维素生物质作为年产量约1.8×10¹¹吨的可再生资源，其碳水化合物组分（占60–80%）是生产可持续化学品和功能材料的关键原料。然而，木质素与碳水化合物的复杂交织结构阻碍了高效利用，因此开发同步分馏纤维素与半纤维素的技术至关重要。

深共熔溶剂（DESs）基分馏

DESs由氢键供体（HBDs）与受体（HBAs）按特定比例混合形成，具有低毒性、易制备等优势。其通过破坏木质素-碳水化合物复合体（LCCs）中的醚键和酯键实现分馏，例如胆碱类DESs对杨木的分馏效率达85.3%。但高粘度导致的传质限制和回收成本仍是挑战。

离子液体（ILs）与其他化学分馏法

ILs能有效溶解纤维素，但价格昂贵且可能抑制酶活性；有机溶剂（如乙醇）分馏成本较低但存在挥发性和毒性问题；碱处理可高效提取半纤维素，但产生大量废水；酸处理适用于高木质素原料，但易导致糖类降解。

经济可行性与碳中性

热水预处理因反应器设计简单，资本成本最低（3.27亿美元）。生命周期评估（LCA）显示，生物精炼过程的碳排放显著低于化石燃料路线，但溶剂回收和能源消耗仍是影响整体可持续性的关键因素。

碳水化合物价值化路径

分馏后的碳水化合物可转化为两类产物：

1. 1.

   水溶性糖类（C₅和C₆糖）：通过催化转化为糠醛、HMF等平台化学品，进一步合成聚合物、燃料或药物。

2. 2.

   水不溶性全纤维素：制备纳米纤维素（CNFs）、水凝胶等高强度材料，应用于生物医学或环境领域。

结论与展望

当前分馏技术需解决以下问题：

1. 1.

   传统方法能耗高、污染大，需开发绿色溶剂（如DESs）的循环工艺；

2. 2.

   建立标准化可持续性评估体系，整合技术经济分析（TEA）与LCA；

3. 3.

   探索碳水化合物全组分协同转化路径，提升价值链经济性。

   未来研究应聚焦于定制化溶剂设计、过程强化与下游产品开发，以推动生物精炼产业化。