《Biomass and Bioenergy》：Unlocking sugar beet pulp via novel hydrogen peroxide-tween 80 and polypropylene glycol pretreatments: Mechanistic insights and comparative techno-economic analysis
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甜菜粕（SBP）是甜菜提取蔗糖后产生的副产物，是一种极具吸引力的生物炼制原料。通常每加工一吨甜菜可产生约50–70千克脱水甜菜粕，全球年产量约1500–2000万吨（干基）。甜菜粕与传统木质纤维素生物质（LCB）的区别在于其独特的碳水化合物组成和相对较低的木质
甜菜粕（SBP）是甜菜提取蔗糖后产生的副产物，是一种极具吸引力的生物炼制原料。通常每加工一吨甜菜可产生约50–70千克脱水甜菜粕，全球年产量约1500–2000万吨（干基）。甜菜粕与传统木质纤维素生物质（LCB）的区别在于其独特的碳水化合物组成和相对较低的木质素含量，通常含有22–30%纤维素、24–32%半纤维素和15–25%富含果胶的多糖。然而，尽管甜菜粕资源丰富，其作为生物炼制原料仍未得到充分利用。研究人员首次将过氧化氢-Tween 80（PS）预处理和聚丙二醇（PPG）预处理应用于甜菜粕，并结合稀酸预处理（DAP）作为工业基准方法，采用响应面法（RSM）与中心复合设计（CCD）优化各预处理条件，通过扫描电子显微镜（SEM）表征微观结构，并采用果胶酶与纤维素酶序贯酶解回收组成不同的糖流。技术经济分析（TEA）评估了各预处理工艺的资本投资、运营成本和糖生产成本。结果表明，PS预处理在中性pH附近增强生物质可消化性，且无糖降解产物生成；PPG预处理通过溶剂介导的物理化学结构改性提高酶可及性。DAP、PS和PPG的糖生产成本分别为0.41美元/千克（依赖果胶联产收益）、1.03美元/千克和0.96美元/千克。研究表明，PS和PPG作为新型绿色预处理策略，为富含果胶的低木质素甜菜粕增值化提供了技术可行且经济可解析的工艺路线。
**甜菜粕预处理策略的比较研究：从机理到技术经济评价**
**1. 研究背景**
石油衍生商品和燃料的长期环境影响促使学术界和工业界积极探索可持续替代方案。木质纤维素生物质（LCB）作为第二代生物炼制的可再生原料，可转化为可发酵糖、平台化学品和生物基产品，且不与粮食生产竞争。甜菜粕（SBP）是甜菜制糖工业的主要副产物，全球年产量约1500–2000万吨（干基），富含纤维素（22–30%）、半纤维素（24–32%）和果胶多糖（15–25%），木质素含量较低（<7%）。这种独特的组成使甜菜粕区别于传统木质纤维素原料，但也对预处理技术提出了特殊要求。现有预处理方法如稀酸预处理（DAP）虽能有效水解半纤维素，但高温高严酷度条件下易生成糠醛和5-羟甲基糠醛（HMF）等发酵抑制物；碱性过氧化氢预处理虽对富含纤维素和木质素的原料有效，但会促进甜菜粕中含量可观的果胶和阿拉伯聚糖组分的降解。因此，针对甜菜粕独特组成开发温和且选择性的预处理策略，实现糖回收最大化与多糖损失最小化，是推动甜菜粕基生物炼制产业化的关键科学问题。
**2. 研究概述与主要方法**
本研究由Kawinharsun Dhodduraj、Vivek Narisetty、Sunil K. Maity等研究人员合作完成，论文发表于《Biomass and Bioenergy》。研究以甜菜粕干颗粒（购自英国Farm & Pet place）为原料，系统比较了三种化学性质截然不同的预处理策略：以盐酸为催化剂的稀酸预处理（DAP）、过氧化氢-Tween 80联合预处理（PS）和聚丙二醇预处理（PPG）。其中PS和PPG为首次应用于甜菜粕的新型预处理方法。研究采用的主要关键技术方法包括：（1）基于响应面法（RSM）的中心复合设计（CCD）用于各预处理参数的统计优化；（2）NREL标准方案（NREL/TP-510-42618）用于原料及预处理后固体渣的组分分析；（3）扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDX）用于微观结构表征；（4）高效液相色谱（HPLC）联合示差折光检测器（RID）和二极管阵列检测器（DAD）用于单糖及抑制物定量；（5）果胶酶（Pectinex XXL）与纤维素酶（Cellic CTec3 HS）序贯酶解用于糖化；（6）基于Aspen Plus V12软件的技术经济分析（TEA），以每日100公吨甜菜粕处理规模进行工艺设计与经济评估。
**3. 主要研究结果**
**3.1 DAP预处理：阿拉伯糖选择性提取与果胶回收**
DAP采用响应面法优化获得最佳条件为12.5%固形物、4%盐酸、105°C、25分钟，实现28.59 g/L阿拉伯糖浓度、0.75 g/g得率，预处理液中未检测到糠醛或HMF（5-羟甲基糠醛）。果胶经乙醇沉淀法回收，得率达80%。回收固体含54%葡聚糖，后续纤维素酶水解释放45.1 g/L葡萄糖和5.2 g/L阿拉伯糖，理论葡萄糖得率83%。研究表明固体负载量是决定糖浓度与得率权衡的主导因素。
**3.2 PS预处理：近中性氧化脱木质素**
PS预处理采用七因素CCD优化，温度是最主要影响因素。在12.5%固形物、7% H?O?、2.1% Tween 80、90°C、3小时条件下，木质素脱除率达60–65%，后续纤维素酶水解的理论葡萄糖得率达90%，水解液中葡萄糖浓度35.3 g/L。对照实验证实H?O?与Tween 80存在协同效应而非单一组分作用。预处理液中单体糖总量<2 g/L，GalA（半乳糖醛酸）、糠醛和HMF均未检出，表明该体系在温和条件下实现基质结构破坏而不伴随多糖解聚。完全脱木质素并非实现高酶解转化的必要前提，结构开放才是驱动高效酶解的关键。
**3.3 PPG预处理：溶剂介导的非降解性结构改性**
PPG预处理在20%固形物、0.5% PPG、120°C、1小时条件下，实现0.88 g/g的理论葡萄糖得率。对照实验表明，仅热水处理（0% PPG）的酶解得率仅0.37 g/g，而添加0.5% PPG后提升至0.87 g/g，证实PPG的独立贡献。过高的PPG浓度（≥7%）反而抑制酶解，且与时间存在显著交互作用。预处理液中糖浓度极低（1–2 g/L），质量损失主要源于非全纤维素组分溶出。PPG通过破坏氢键网络、促进细胞壁膨胀的物理化学机制提高酶可及性，避免了强酸或氧化化学试剂的依赖。
**3.4 序贯酶解：果胶酶与纤维素酶协同糖化**
PS预处理后的甜菜粕经果胶酶水解（10%固形物、60 PECTU/g、48小时）获得59.4 g/L总糖，其中阿拉伯糖32.1 g/L、GalA 14.9 g/L；残渣经纤维素酶水解（10%固形物、15 FPU/g、48小时）释放69.6 g/L糖，以葡萄糖（52.4 g/L）和阿拉伯糖（17.2 g/L）为主。PPG预处理样品在相同条件下果胶酶水解获得55.3 g/L总糖（阿拉伯糖28.2 g/L、GalA 17.9 g/L），纤维素酶水解释放81.7 g/L糖（葡萄糖59.9 g/L、阿拉伯糖21.8 g/L）。未经预处理的甜菜粕对照仅释放7.0–7.2 g/L果胶酶糖和15.6–16.4 g/L纤维素酶糖，证实预处理显著提升了酶可及性。
**3.5 微观结构表征**
SEM（扫描电子显微镜）分析显示，未处理甜菜粕表面致密、刚硬、光滑。酸预处理后表面部分破坏，出现可见裂纹和暴露的纤维。PS预处理导致广泛的表面侵蚀和原纤化，纤维素束清晰分离。PPG预处理则产生更多孔表面并伴随纤维结构塌陷，表明预处理试剂的渗透增强和结构聚合物的松散化。EDX（能谱分析）结果进一步验证了各预处理化学作用的特征：酸预处理后出现氯残留，PS预处理后氧信号增强指示氧化裂解，PPG处理后C/O比均衡且非碳质残留减少。
**3.6 技术经济分析**
在100公吨/日处理规模下，DAP的总资本投资（TCI）为3420万美元，PS和PPG分别为4666万美元和4723万美元，后者相较DAP增加约85%，主要源于酶解反应器的投入。年总运营成本方面，DAP为2106万美元，但果胶联产收益（按保守价3美元/千克计）抵减1284万美元，净生产成本降至823万美元/年，糖生产成本为0.41美元/千克。PS和PPG的净生产成本分别为2050万美元和1884万美元，糖生产成本分别为1.03美元/千克和0.96美元/千克。敏感性分析显示，DAP经济性高度依赖果胶市场价格（±50%果胶价格变化导致±78%糖成本波动），而PS和PPG的经济敏感性分布于多个成本组分，酶成本为最大变量但对总成本影响仅±12–14%。
**4. 结论**
本研究首次将PS和PPG预处理应用于甜菜粕，并与工业基准DAP进行了系统的技术经济比较。DAP在集成果胶回收时糖生产成本最低（0.41美元/千克），但经济性强烈依赖副产物收益；取消果胶收益后其成本升至1.05美元/千克。PS预处理通过近中性条件下的氧化脱木质素实现接近完全的酶解转化而无糖降解产物生成。PPG以极低溶剂用量（0.5%）通过非降解性结构改性达到与PS相当的糖化效果，且运行成本更低，糖生产成本为0.96美元/千克。三种工艺共同定义了甜菜粕增值化的设计空间，为生物炼制开发者提供了依据原料可获得性、产品目标和可持续性偏好的多条技术可行且经济可解析的工艺路线。未来研究应聚焦溶剂回收与循环利用、酶回收或固定化以降低运营成本，以及中试规模验证以进一步提升工艺的商业可行性。
