《Biomass》：Fractionation-Based Valorization and Circular Biorefining of Biomass and Biowaste: Component Separation, Conversion Processes, and Criteria for Systems Assessment
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生物质与生物废弃物是异质性的可再生碳资源，其水分含量、结构顽抗性、灰分、污染物及供应条件制约着转化路径。本项以框架为导向的半系统性叙述性综述检索了Web of Science核心合集（Web of Science Core Collection）和Scopus
生物质与生物废弃物是异质性的可再生碳资源，其水分含量、结构顽抗性、灰分、污染物及供应条件制约着转化路径。本项以框架为导向的半系统性叙述性综述检索了Web of Science核心合集（Web of Science Core Collection）和Scopus数据库（时间范围为2026年6月1日至6月30日），采用98组定向检索组合并辅以参考文献筛查。证据基础包括原始研究、综述、过程模拟、技术经济分析、生命周期评估以及中试、示范和商业规模报告。由于原料、操作条件、功能单位和系统边界存在显著差异，证据以定性方式综合，选定的定量结果仅作为特定情境下的示例保留，而非合并为性能范围。该综述将既有的评估维度组织为一个六模块概念性路径筛选框架，包括原料表征、选择性分离、过程集成、产品组合、系统评估和工程实施。综合结果表明，分离强度应由下游流质量要求决定，而非最大组分回收率或纯度。过程集成和多产品利用可改善碳与能源利用，但可能增加纯化、废水处理和质量控制负担。回收效益取决于杂质积累、回收需求、市场容量和产品认证。对风干谷物秸秆和脱水市政污泥的示例应用表明，干燥的木质纤维素原料与含污染物的湿性原料需要不同的分离、转化、产品和回收策略。主要贡献在于通过流质量要求、增量系统后果和全链条工程约束，将既有评估维度顺序连接起来。该框架支持条件性路径筛选，但不能替代针对特定原料的技术经济分析（TEA）、生命周期评估（LCA）或持续工程验证。
1. 引言
生物质与生物废弃物是重要的可再生碳资源，但存在组成异质、水分变化大、结构顽抗、供应分散等问题。既有综述虽已涉及原料、转化技术、TEA、LCA等，但未形成将原料特性与前端分离同下游流质量、转化相容性、产品组合、残余流管理和工程实施顺序关联的路径筛选框架。本综述据此提出分级增值与循环生物精炼的概念，并建立六模块概念框架，同时提出三条评估原则：分离强度由下游流质量需求决定；新增转化、产品与回收单元需其增量效益抵消附加负担；材料回收程度受杂质积累、环境绩效和产品认证共同约束。本综述采用半系统性叙述性综述方法，证据综合强调定性判断，并区分实验室批次证据与连续中试/工业证据。
2. 原料特性及其对生物精炼路径的影响
2.1 生物质与生物废弃物的组成及利用限制
农业和林业残余物主要含纤维素、半纤维素和木质素，适于组分分离、糖化、材料制备和热化学转化，但存在低堆积密度、季节性和分散供应。城市有机固废、厨余、畜禽粪便和污泥含水高、可降解性强，但成分波动、盐分高、杂质多，重金属、病原体和抗生素残留影响产品安全。能源作物和工业生物基副产物如黑液、粗甘油等虽集中产生，但含盐、碱、甲醇等杂质，需在上游表征。
2.2 主要组分及其转化特性
纤维素结晶结构和氢键网络限制酶可及性，但用于纳米纤维素或材料时需保持聚合度和形态。半纤维素易水解为低聚糖和单糖，但过度处理会生成抑制物。木质素的结构和反应性取决于来源和分离历史，低缩合度木质素适于催化解聚，高缩合度或高杂质木质素更宜用于碳材料或能量回收。脂质、蛋白质和易降解有机物可经生化或催化转化，但游离脂肪酸和氨等会抑制过程。灰分和无机盐可引起结渣、腐蚀、床层团聚和催化剂失活，污染物则限制产物利用。
2.3 原料变异与初步路径筛选
水分、生物降解性、结构顽抗度、灰分和污染物负荷是初步筛选的主要参数。高水分易降解有机废物适于厌氧消化（AD）或挥发性脂肪酸（VFA）发酵；含顽抗组分的污泥和藻类适于水热液化（HTL）或水热碳化（HTC）；低水分木质纤维素原料可根据目标产物选择组分分离、材料生产、糖化发酵或热化学转化。初步筛选应使用可测量的描述符，如湿基/干基水分和灰分、生化甲烷潜力、纤维素/半纤维素/木质素含量、电导率、金属浓度等。高盐或高灰原料需分选、固液分离或水洗。共处理可改善碳氮比等，但需关注污染物分布。
3. 组分分离用于分级增值
3.1 分离目标与流质量
蒸汽爆破和水热处理可增加纤维素可及性，但强度增加会导致糖降解、伪木质素形成和木质素缩合。分离的目标不是最大回收率，而是使各流满足下游转化和产品要求。流质量需用可测量的指标描述，如组分浓度、回收率、水分和灰分、分子量分布、聚合度、官能团丰度、抑制物和残余溶剂浓度、离子强度及污染物浓度。
3.2 主要分离技术及其适用条件
机械处理简单但选择性低；酸处理主要用于半纤维素水解，但存在腐蚀和抑制物生成；碱性和氧化处理促进脱木质素，但增加碱回收和废水负担；有机溶剂法可产生高纯度纤维素和活性木质素，但溶剂回收和工程复杂；离子液体溶解能力强但成本高；深共熔溶剂（DES）可调变选择性，但粘度和回收仍是障碍；生物和酶处理温和但时间长、成本高；膜分离可浓缩产物但需考虑膜污染。
3.3 分离强度、系统负担与下游相容性
分离过程消耗热、电、化学品和溶剂，并可能通过溶剂损失和残余流处理增加成本与环境影响。分离强度增加虽可提高组分释放，但也会增加抑制物和设备腐蚀。溶剂和过程水循环会导致杂质积累，需部分净化和排放。分离应放在整个生物精炼边界内评估，只有当增加分离能提高可用流收率或减少下游负担时才有系统级优势。
4. 转化过程与产物分布
4.1 生化、热化学与催化转化过程的适用性
生化转化适于可发酵糖液、有机废液和低抑制物湿有机质，主要限制包括高固混合、氨氮/盐/呋喃抑制和稀水溶液产品分离。热化学过程适于木质纤维素、富木质素残余物和难生物降解湿流；热解和气化需控制水分，HTL和HTC可直接处理高湿原料。催化过程用于木质素解聚、糖平台分子转化和生物油提质；灰分中K、Na、Ca、Si等会影响催化剂和床层，需用实际原料长期评估。
4.2 面向产物的转化路径
能源产物包括沼气、热解油、生物原油、合成气和固体燃料，评价应基于满足规格的最终产物收率、净能量回收和成本。平台化学品和芳烃产物对反应选择性和分离要求高，木质素解聚产物分布取决于可裂解键丰度。材料导向路径利用纤维素、木质素和碳质材料的结构特性，温和分离条件对保持聚合度和反应性至关重要，同时需考虑寿命和末端管理。
4.3 生化、热化学与催化过程的集成
集成的主要目的是按流性质分配碳和能量。糖流送发酵，木质素流送催化转化或材料，顽抗固体送水热或热化学转化，富营养液送AD或营养回收。例如，龙舌兰残渣的酸水解液经脱毒后用于两步生物制氢/甲烷，残余固体经微波热解。木质素解聚液可经生物漏斗化提高选择性，但需注意生物相容性。生化后接热化学可回收残余碳和能量，但需控制盐和抑制物积累。
4.4 碳分配、产物选择性与最终产物提质
转化路径应跟踪原料碳在目标产物、能量载体、固体产物和气体产物间的分配。残余流燃烧可提高能量自给但减少碳保留。产品选择性必须结合下游分离和提质评价，例如发酵产物低浓度时蒸馏/萃取/膜分离成为主要能耗；热解油含氧高、酸性强需加氢处理；合成气需净化焦油和杂质；木质素解聚产生相似芳烃混合物，分离困难可能抵消选择性优势。因此评估应基于最终规格产品的收率和质量。
5. 循环生物精炼与多产品利用
5.1 两类代表性循环生物精炼系统的构型差异
木质纤维素系统侧重于通过选择性分离产生满足糖化、催化转化或材料生产要求的纤维素、半纤维素和木质素流；高湿有机废物系统强调湿转化、过程水管理和营养回收，并控制盐、病原体、重金属等。二者在前端目标、单元接口和产品认证方面存在差异。系统设计应从识别主要碳流和限制性杂质开始。
5.2 残余流与能量回收
固体残余物可进行热解或燃烧，高湿残余物可经HTC回收碳和能量；所得生物炭/水热炭可用于吸附剂、微生物载体、催化剂载体或土壤改良剂，但需满足碳稳定性、灰分和污染物标准。过程液体需经生物处理、吸附、膜分离或氧化等降低污染负荷。污染物转移应使用元素或化合物质量平衡评估，而不是仅看浓度；需报告各相收率和质量平衡闭合度。沼气可用于热电联产或提纯为生物甲烷；内部能量回收可减少外购能源，但需与可销售燃料之间权衡。
5.3 多产品构型及其经济与环境影响
多产品路径可通过组分增值和成本分摊带来优势，但产品数量增加不一定改善系统性能。例如菠萝叶废料共产纤维素纳米纤维、低聚木糖和多酚在特定价格假设下可优于单产品；甘蔗生物精炼以乳酸为平台产品时，不同产品组合会改变最低售价和生命周期排放。额外下游过程需要更多酶、催化剂、溶剂和分离设备，其增量效益必须超过附加资本和运营负担。产品组合应基于完整系统的增量经济与环境绩效评估。
6. 系统评估与工程实施条件
6.1 技术就绪水平与放大
模型底物或批次实验的高转化率在连续运行中可能因原料批次变化、高固进料、杂质积累、催化剂/微生物失活和产品波动而降低。工程验证应覆盖完整链条，包括原料处理、反应、产品分离提质和废流管理。完整质量平衡应跟踪碳、氮、磷、硫、灰分元素、金属和污染物；能量平衡应区分各
