集成型闭环生物精炼策略：实现高效废物资源化利用与生物燃料生产

《Canadian Journal of Chemical Engineering》：Integrated and closed-loop biorefinery strategies for efficient waste valorization and biofuel production

高效资源利用与循环经济模式下的生物精炼厂多技术整合研究。

　　生物燃料的生产技术是全球减少对化石燃料依赖、应对资源过度开采问题的重要途径。传统生物精炼厂通常依赖单一原料，仅能生产单一的生物燃料，这导致了生物质中许多有价值成分的未充分利用，同时产生大量废弃物。而现代的综合生物精炼厂通过整合多种原料和多种生物质转化技术，实现了多阶段产物的生产，大幅减少了废弃物。本文对新兴的生物精炼技术进行了全面回顾，包括发酵、厌氧消化、致密化、热解、气化、液化等，这些技术能够将废弃物生物质转化为多种生物燃料，如生物乙醇、生物丁醇、生物氢能、沼气、生物炭、生物油、生物原油和合成气。文章强调了整合生物精炼技术的重要性，特别是在能量驱动系统和闭环废弃物利用与管理路径方面的应用。此外，还讨论了物理、化学和生物预处理技术，以及与生物和热化学生物精炼技术相关的原理和单元操作。文章还分析了生物精炼厂在有效利用多样化的生物质来源并扩大生物燃料生产能力所需的物流和供应链，并在最后指出，需要进一步发展综合的废弃物到能源转化技术，以确保工艺效率、副产物利用、最大化资源回收、基础设施兼容性、降低碳足迹和推动循环经济战略。

在生物燃料的生产过程中，预处理技术是关键的第一步。通过物理、化学和生物方法，预处理能够有效分离生物质中的不同组分，如纤维素、半纤维素和木质素，为后续的生物转化提供基础。例如，碱性预处理利用强碱如氢氧化钠，直接作用于木质素，从而提高纤维素纤维的暴露程度。而酸性预处理则主要通过稀释的盐酸、硫酸和磷酸等物质，部分水解半纤维素，使纤维素更容易被后续的酶解或发酵过程利用。与此同时，生物预处理则利用微生物，如细菌、真菌等，通过分泌水解酶和木质素分解酶，来降解木质素和半纤维素结构，从而释放出可发酵的单糖。这种预处理方式具有环保和可持续的优点，但处理时间较长，限制了其在大规模应用中的效率。此外，还有其他预处理方法，如微波辅助碱性处理、蒸汽爆破等，它们在不同的应用场景中表现出不同的优势和挑战。

生物转化技术是生物精炼过程中的重要环节，涵盖了发酵和厌氧消化等多种方式。以生物乙醇为例，传统方法主要利用淀粉和糖类作物，如玉米、木薯和土豆，这些原料富含淀粉和葡萄糖，适合通过酵母发酵生成乙醇。然而，这种做法引发了“粮食与燃料”之间的争议，因此，第二代生物乙醇的生产开始关注木质纤维素类生物质，如农业废弃物和林业残余物。通过预处理技术将木质纤维素分解为单糖后，再利用发酵技术生产乙醇，这种技术被广泛应用于现代生物精炼厂。为了提高生产效率，一些研究探索了同时糖化和发酵的方法，即在同一个反应器中进行糖化和发酵过程，从而减少工艺步骤，提高整体效率。此外，还存在其他形式的生物转化，如生物丁醇的生产，通常通过醋酸菌属的微生物进行酸ogenic和solventogenic两个阶段的发酵，最终生成丁醇。丁醇具有较高的能量密度和较低的水溶性，因此在替代汽油方面具有显著优势。同时，生物氢的生产可以通过光发酵和暗发酵两种方式实现，其中光发酵需要光照，而暗发酵则在无氧条件下进行，由专性或兼性细菌完成。这些生物转化技术不仅有助于提高生物燃料的产量，还能减少对环境的影响，同时提高资源利用率。

热化学转化技术是另一种重要的生物精炼方法，包括热解、气化、液化等。这些技术通过高温和化学反应，将生物质转化为多种能源形式，如生物油、生物炭、合成气等。热解是一种在低氧环境下进行的热化学过程，通过加热生物质，使其纤维素细胞壁分解为更易破碎的颗粒。热解过程中，水分和部分含氧挥发物被释放，而生物质的细胞壁则转变为更易处理的结构。此外，热解还能够改善生物质的物理和化学性质，提高其能量密度，同时减少其在潮湿环境中的体积膨胀风险。气化技术则利用生物质在高温下的分解，生成以一氧化碳和氢气为主的合成气，该气体可以用于发电、供热和化工生产。而液化技术则在特定的温度和压力条件下，将复杂的生物质分子分解为较小的、活性较高的分子，生成生物原油、水溶性有机物、生物炭和气体产物。这些技术不仅提高了生物质的利用率，还为废弃物的能源回收提供了更多可能性。

在现代生物精炼技术的发展中，综合生物精炼系统成为一种趋势。这种系统通过整合生物和热化学转化技术，实现了废弃物的多阶段利用。例如，厌氧消化和热解的结合，可以将生物质废弃物转化为沼气和生物炭，从而提高能源回收率和资源利用率。同样，发酵和气化的结合也能够提高能源产出的多样性。通过这种综合方式，生物精炼厂不仅能够生产多种生物燃料，还能生成多种有价值的生物化学品，从而实现经济效益和环境效益的双重提升。此外，一些研究还探讨了如何通过生物精炼技术的整合，提高废弃物的转化效率，并减少生产过程中的碳排放。

尽管综合生物精炼技术具有诸多优势，但其推广和应用仍面临一系列挑战。其中，成本问题是最主要的障碍之一，特别是在大规模生产过程中，设备投资和运行成本较高。此外，生物质的多样性也带来了技术上的挑战，因为不同类型的生物质需要不同的预处理和转化方式。在实际应用中，还需要考虑物流和供应链的优化，以降低运输和储存成本。同时，一些预处理和转化过程中会产生抑制性物质，如酚类化合物和有机酸，这些物质可能影响后续的发酵或热化学反应效率。因此，开发高效的预处理和转化技术，以及优化工艺参数，如温度、时间、反应器设计等，成为推动综合生物精炼技术发展的关键。

综合生物精炼技术的未来发展需要多方面的努力，包括技术创新、政策支持和产业合作。随着技术的进步，生物精炼厂可以更高效地利用各种生物质资源，同时减少对环境的影响。此外，综合生物精炼系统还能够支持循环经济的发展，通过将废弃物转化为有价值的能源和化学品，减少资源浪费和环境污染。然而，目前许多新技术仍处于研究阶段，缺乏足够的商业数据支持，这使得其大规模应用面临一定困难。因此，加强跨学科合作，推动技术转化，并制定有利于生物精炼产业发展的政策，将是未来发展的关键方向。

总体而言，生物精炼技术的发展对于实现全球碳中和目标、减少温室气体排放和推动可持续发展具有重要意义。通过整合多种技术，生物精炼厂不仅能够提高能源产出效率，还能实现废弃物的全面利用，从而为全球能源转型提供支持。未来，随着技术的不断进步和政策的逐步完善，综合生物精炼系统有望成为实现绿色能源生产和资源循环利用的重要工具。