综述：木质纤维素生物精炼技术的系统集成方面的进展与新方法

《Biotechnology Advances》：Progress and new approaches in the systematic integration of lignocellulose biorefinery technologies

　　

杨 Lv|卜 蔡|勇 徐|袁东 徐|何 刘|建春 江|奎 王

河南工业大学生物质科学与工程学院，450001，中国

摘要

木质纤维素是地球上最丰富的可再生有机碳资源，是实现未来碳中和和推进绿色生物制造的关键支柱。尽管已经投入了大量努力来开发各种生物转化策略，包括预处理和酶水解技术以克服生物质降解的障碍，以及发酵和分离纯化过程以获得高价值成分，但木质纤维素的生物精炼是将一系列技术单元耦合和整合的过程。核心挑战在于上游和下游单元之间的复杂相互作用，这种相互作用可能既有协同效应也有抑制效应。本文全面概述了木质纤维素生物精炼中的部分和全流程整合策略，进一步探讨了单元整合的关键挑战和潜在机制，并重点研究了基于新型预处理技术的新深度整合策略。最后指出，实现木质纤维素解聚产物的均匀分子量以及所有成分的高效利用将为构建下一代生物精炼平台提供新的发展路径和广阔前景。

章节片段

引言

木质纤维素生物质资源来源广泛、储量丰富且可再生（Chen等人，2017；Monlau等人，2015；Parisutham等人，2014）。基于生物质衍生糖平台的燃料和化学品生物精炼被认为是一种新的产业模式，有助于减少对石油的过度依赖（Himmel等人，2007；Ning等人，2021）。在绿色循环经济的加速发展中，木质纤维素的高价值利用技术已得到大规模发展（Liu等人）

预处理与酶水解的耦合机制及集成模式

酶水解的效果受到预处理的影响，预处理显著影响了生物质的可利用性和抑制性化合物的形成（Schaake等人，2025）。预处理直接且深刻地决定了酶水解的效率、成本和最终的经济可行性（Kumar等人，2017；Wang等人，2021）。许多高效的化学预处理方法（尤其是基于酸和高温的方法）产生了

基于水解和发酵的联合工艺

传统的木质纤维素生物化学品制备过程需要复杂的预处理、酶水解，然后通过微生物代谢单糖来制备生物化学品（Huang等人，2025）。这些步骤可以在容器中单独进行，也可以在系统集成过程中统一完成。酶水解和发酵的联合工艺包括单独的水解和发酵（SHF）（Fernández-Delgado等人，2024）以及同时进行的水解和发酵

发酵与分离的结合

发酵与分离技术的集成策略是在系统中实时将产品的生物合成过程与其下游分离和纯化过程耦合（Salas-Villalobos等人，2025）。在发酵过程中，连续使用提取、吸附和膜分离等方法从发酵液中去除目标产品，这可以缓解产物抑制现象，保持微生物的高活性

木质纤维素的天然物理和化学障碍对生物精炼技术的集成构成了根本性挑战。这需要预处理和高成本的酶制剂。许多预处理方法会产生有机酸（如醋酸）和酚类化合物（如香兰醛），这些物质会抑制后续的酶水解效率和微生物发酵活性（Zhu等人，2014）。此外，最佳操作条件（如

集成木质纤维素生物精炼代表了生物质能源和化学领域的前沿方法。它采用了一种全面的转化模型，旨在充分利用木质纤维素生物质的每一个组成部分，高效地将其转化为生物燃料、生物化学品和生物材料。通过复杂的工艺集成，可以实现分级、高效和高价值的转化

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

本工作得到了河南省重点研发计划（251111113700）和国家自然科学基金（32571999）的支持。作者还要感谢河南工业大学启动基金（2025BS072, 2025BS088）的支持。