综述：循环生物经济中废弃生物质的增值利用：现代生物精炼厂在预处理和催化转化技术方面的进展

《Current Opinion in Biotechnology》：Valorization of waste biomass in the circular bioeconomy: advances in pretreatment and catalytic conversion technologies in modern biorefineries

　　

徐伟卓|周炳杰|刘伟

中南大学化学与化工学院，中国长沙410083

在全球能源转型和碳中和目标的背景下，将木质纤维素生物质转化为高价值产品对于实现循环型生物经济至关重要。本文系统地探讨了现代生物炼制技术的发展，从原料分解到精准增值的全过程。物理、化学以及综合预处理策略有效克服了木质纤维素的顽固性，实现了纤维素、半纤维素和木质素的高纯度分离。先进的转化技术，包括电催化、光催化、生物导向转化和生物-光电化学混合系统，在生物质升级过程中展现了优异的选择性、原子经济性和能源效率。为了解决规模化生产中的经济和稳定性挑战，人工智能与数字孪生的整合有望打造出智能、碳中和的生物炼制系统。本文为闭环资源利用和可持续发展提供了理论指导和技术路线图。

引言

在全球人口增长和化石燃料资源枯竭的双重压力下，能源安全、资源稀缺和气候变化已成为人类面临的主要战略挑战1, 2。大规模燃烧化石燃料导致温室气体排放急剧增加，加速了全球变暖，并引发了一系列环境和生态危机。因此，对可再生、碳中性资源（尤其是农业废弃物、工业废物和非食品生物质）的利用已成为能源系统转型、减少碳足迹和实现可持续发展的关键途径3••, 4••。

循环型生物经济是一种创新的经济范式，它深度融合了循环经济中的资源高效利用和闭环再生原则，以及生物资源的绿色和可再生特性5, 6。其核心在于通过减少、再利用、回收、再生和循环等机制，将传统的线性“提取-生产-处置”模式转变为封闭的资源循环，从而最大化废弃物的价值化[7•]。在这一背景下，现代生物炼制技术已成为循环型生物经济的关键技术平台。通过整合先进的物理分离、生物转化和化学转化技术，现代生物炼制厂能够以低成本、近乎零废弃物的方式将复杂的木质纤维素生物质转化为高价值的生物基燃料、平台化学品和功能材料。此外，生物质衍生物最终通过生物降解和碳循环重新回到生态系统中，生成新的原料再次进入预处理过程。同时，通过物理和化学再生方法高效回收和再利用溶剂和催化剂，进一步完善了这一闭环流程，从而建立了促进社会经济和自然生态系统长期可持续发展的完整绿色价值链（图1）8, 9。

有效克服木质纤维素的顽固性依赖于针对性的物理、化学和综合预处理策略，这些策略能够实现纤维素、半纤维素和木质素的高纯度分离（图1）。在此基础上，新兴的转化技术——电催化、光催化、生物导向转化和生物-光电化学混合系统——为生物质衍生物的高选择性升级提供了途径，实现了更高的原子经济性和能源效率（图1）。本文研究了生物质预处理工艺和多样化的转化技术，强调了智能系统设计和闭环资源循环在推动全球碳中和及建立可持续循环经济中的关键作用。

部分摘录

生物质预处理技术

2023年，全球一次能源供应总量达到622艾焦（EJ），其中生物能源贡献了创纪录的56艾焦（约占总供应量的9%），成为可再生能源系统的核心支柱（图2a）[10]。作为唯一能够转化为碳中性液体燃料、化学品和材料的可持续碳源，生物质由于其丰富的可用性和全球分布，展现出巨大的工业化潜力11, 12。在微观层面上，

先进的生物质转化技术

在有效预处理以克服木质纤维素顽固性的基础上，将复杂的生物大分子转化为高价值化学品和燃料是现代生物炼制中的核心科学和工程挑战。转化技术正从传统的高能耗热化学路线向更温和、更具选择性的电催化、光催化、生物催化和混合策略发展。这一演变的核心在于合理

结论与展望

本文系统概述了在全球资源限制和碳中和目标的驱动下，通过现代生物炼制技术实现可再生原料（包括农业废弃物、工业废物和非食品生物质）增值的核心技术路径。从有效破坏木质纤维素顽固性的预处理技术到先进的转化策略（电催化、光催化、生物导向转化等）

CRediT作者贡献声明

徐伟卓：文献调研、数据整理、方法论设计、数据分析、初稿撰写、可视化展示。周炳杰：资源获取、数据验证、审稿与编辑。刘伟：概念构思、项目监督、资金筹措、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

国家自然科学基金（编号22278446）、湖南省科技创新计划（编号2024RC1010）以及国家自然科学基金（编号U24A20490）的财政支持。