《Bioresource Technology Reports》：Sustainable valorization of date waste to renewable fuels and chemicals: Data-driven biorefinery analysis and techno-economic insight
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椰枣废料生物精炼技术综述：结合技术经济分析和机器学习优化，评估年产2万吨规模下的经济可行性，发现沼气生产成本效益更高，而乙醇经济性不足。提出规模化、政策支持及塑料协同策略以推动工业应用。
乌斯曼·贝洛|哈鲁纳·亚当努|穆罕默德·法伊赞|玛丽埃姆·乌里米|罗阿阿·阿尔祖比|阿卜杜勒阿齐兹·贾洛|穆罕默德·纳希德·西迪基|阿卜杜勒·加尼·阿卜杜勒·贾米尔
沙特阿拉伯达兰法赫德国王石油与矿业大学化学系，邮编31261
摘要 本文综述了将椰枣废弃物转化为燃料和化学品的生物精炼过程的进展。全球有超过1.2亿棵椰枣树，每年产生约1200万吨废弃物。这些废弃物具有生产大量生物燃料和化学品的潜力，并最终可实现规模化能源生产。本研究基于文献报道的实验数据，采用数据驱动的技术经济分析方法，假设工厂年处理量为2万吨。经济可行性分析表明，在这种规模下生产生物乙醇并不经济可行；然而，随着生产规模的扩大，由于规模经济效应，盈利能力显著提高。相比之下，生产沼气更具可行性，因为其产量更高且运营成本更低。因此，本文揭示了椰枣废弃物转化为生物燃料的经济潜力，并提出了克服规模化障碍和拓展椰枣废弃物市场应用的建议。
引言 全球对可持续能源和绿色化学品的探索，旨在减少二氧化碳（CO?）排放以及化石燃料使用带来的直接和间接环境影响（Mou等人，2024年）。因此，从传统资源向基于废弃物的资源转型（以椰枣废弃物为例）为环保和可持续的能源及化学品生产提供了机遇，这种转型同时实现了废物处理、减少环境排放和创造附加值化学品的三重效益。椰枣树（Phoenix dactylifera L ）作为干旱地区的核心农业产品，每年产生数万吨废弃物，这既带来了处理难题，也蕴含了未被充分利用的潜力（Hamden等人，2022年；Khoshnodifar等人，2023年）。由于存在2000多种不同品种的椰枣，其果实的味道、颜色、质地和形状各异，人们可以将其鲜食、半熟食用或加工成果汁产品（Oladzad等人，2021年）。尽管椰枣树具有诸多益处，但由于高层建筑、购物中心和住宅区的建设，许多海湾国家的绿地正在减少（Danso-Boateng和Achaw，2022年）。因此，必须在利用椰枣树的营养、功能和经济价值与保护其环境效益之间找到平衡（Belioka等人，2023年）。椰枣生物质通过光合作用能够大量吸收二氧化碳（CO?），使其成为高效的碳封存剂（Oladzad等人，2021年）。据估计，单棵椰枣树每年可吸收多达200公斤的二氧化碳。仅在阿拉伯海湾国家，就有超过1亿棵椰枣树，每年可潜在封存约2870万吨二氧化碳（Hamaidi等人，2024年）。
鉴于此潜力，印度和缅甸等国家设定了到2030年种植10亿棵椰枣树的目标，并利用人工智能驱动的无人机辅助应对气候变化（Inayat等人，2019年）。未被妥善管理的椰枣残余物在分解过程中会释放温室气体（Hai等人，2021年）。这凸显了椰枣产业向循环经济模式转型的必要性（Saidi等人，2023年）。然而，社会可持续性问题及政策障碍是实现生物精炼系统突破传统石油精炼产业链并推动实验室成果向工业应用转化所必须克服的挑战（Al-Hammadi等人，2025年）。目前正加大力度将椰枣残余物转化为高附加值材料，例如用于生产富含能量的可再生燃料和化学品；但除非政府优先提供政策支持，否则这一目标难以实现（Rambabu等人，2020年；Banat等人，2021年）。
技术经济分析（TEA）为评估利用椰枣废弃物生产燃料和化学品的经济可行性和投资回报提供了综合方法。结合机器学习（ML）的TEA分析能够提高投资和决策的经济预测准确性（Ascher等人，2022年）。ML是一种以数据为中心的方法，能够更精确地预测高效可行的生物精炼方案，同时节省时间和成本（Akinpelu等人，2023年）。目前关于椰枣废弃物价值化的研究主要集中在功能性、生物化学和营养成分的回收以及生物乙醇的生产上（Ahmed等人，2016年；Afolabi和Ola，2022年；Alqahtani，2023年；Saidi等人，2023年；Hamid和Ismail，2020年）。这些研究仅讨论了从椰枣废弃物中回收的化合物的组成特性和潜在应用，而未深入探讨与循环经济框架下的生物化学和热化学方法相关的技术经济方面。鉴于此，本文旨在利用ML和TEA视角，全面分析椰枣废弃物转化为可再生燃料和化学品的过程。本文构建了一个基于TEA、ML和文献计量分析的统一框架，用于评估生物精炼路径的可行性、优化及研究进展跟踪。本文的贡献包括：（i）确定最具前景且经济可行的椰枣废弃物转化技术，以适应竞争激烈的市场；（ii）通过TEA分析提供过程可行性、可扩展性和投资潜力的定量评估；（iii）深入理解ML如何预测和优化产量，确定适宜的底物及最佳工艺条件以最大化产品回收率；（iv）为未来研究提供路线图，同时识别该领域的主要研究机构和最具生产力的研究人员，从而促进跨学科和跨机构合作。
章节片段 全球椰枣生产趋势、关键词共现及可视化分析 本文分析使用的数据仅限于SCOPUS数据库（网址：
https://www.scopus.com ）。搜索查询分为两部分：第一部分包含“椰枣树”或“Phoenix dactylifera L”或“椰枣果实”等关键词，用于分析全球椰枣生产情况；第二部分包含“椰枣废弃物”或“椰枣树废弃物”或“椰枣废弃物残余物”或“热化学方法”等关键词。
椰枣废弃物转化为燃料和化学品：生物精炼路径 本节介绍了将椰枣废弃物转化为高价值燃料和化学品的各种途径。基于废弃物的生物精炼路线（包括生物化学、热化学、机械/物理、化学以及综合或混合方法）已成为传统生产方法的有前景的替代方案。
过程描述和数据预处理 技术经济分析采用了文献报道的实验数据集，训练了梯度提升（Gradient Boost）、随机森林（Random Forest）、XG Boost和Light GBM等机器学习模型来预测关键技术性能指标（即过程产量）。训练数据集包含表1、表2和表3中总结的生物乙醇、沼气和有机酸的相关技术变量，这些数据来自2014年至2024年间发表的研究。
未来方向与建议 显然，要将椰枣废弃物的价值化从实验室潜力转化为工业现实，必须克服技术经济限制以及木质纤维素废弃物的固有难题。为此，智能、混合和循环系统是当务之急。
1. 简单、廉价且可扩展的技术，如水热反应器和电合成：
结论 椰枣树处于环境责任与干旱地区繁荣之间的关键节点，这种富含糖分的原料有望推动基于废弃物的循环经济发展。研究表明，椰枣废弃物确实具有转化为生物乙醇、沼气和有机酸等产品的潜力，其中ML和TEA分析表明 MEL2菌株表现最佳，可实现最高0.4800克的生物乙醇产量。
CRediT作者贡献声明 乌斯曼·贝洛： 撰写初稿、软件开发、方法设计、调查、数据分析、数据整理。哈鲁纳·亚当努： 撰写与编辑、可视化处理、验证。穆罕默德·法伊赞： 撰写与编辑、可视化处理、验证。玛丽埃姆·乌里米： 撰写与编辑、可视化处理、验证。罗阿阿·阿尔祖比： 撰写与编辑、可视化处理、验证。阿卜杜勒阿齐兹·贾洛： 撰写与编辑、可视化处理、验证。穆罕默德·纳希德·西迪基： 撰写——
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明 在撰写本手稿期间，作者仅使用AI辅助工具（ChatGPT和Grammarly）进行语言润色。所有内容均由作者亲自审核、验证和编辑，他们对最终稿件的准确性、完整性和原创性负全责。
未引用参考文献 Ahmad等人，2021年
Ahmad等人，2021b
Ambri等人，2019年
Osman等人，无日期
Zhao等人，2020年
利益冲突声明 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢 作者感谢跨学科精炼与先进化学品研究中心（IR-CRAC）以及法赫德国王石油与矿业大学（KFUPM）化学系在本研究中的支持。
