水热生物质高值化利用以实现燃料和化学品的循环生产

《Chemosphere》：Hydrothermal biomass valorization for circular fuel and chemical production

　　

摘要
木质纤维素生物质的水热转化已成为一种可行的热化学途径，用于可持续地生产生物基平台化学品或中间体，并最终升级为生物燃料。该方法评估了水热解聚在降解植物生物质以产生可发酵糖及增值中间体方面的效率。它推动通过遵循循环经济原则和碳中和目标将其转化为运输级生物燃料。本综述分析了几个选定实验研究中的关键工艺参数，展示了良好的水热性能。相关研究是在温度（180 至 280 °C）、停留时间（30–120 分钟）以及热化学反应期间的最佳压力范围内进行的。对这些参数的研究有助于确定各种生物质分离的最佳操作条件。在 250 °C 下反应 90 分钟，废弃木质纤维素生物质的水解实现了高纤维素转化率（67.5%）和高半纤维素降解率（54.2%），证明了重要平台化学品糠醛（3.8 wt%）和乙酰丙酸（4.5 wt%）的大量生成。与此同时，水热液化在温度（300 °C）和压力（10 MPa）下进行，产生了能量密度（近 32 MJ kg?1）的生物原油。这突出了其作为化石燃料的可再生替代品的进一步潜力，其结果是生物炭（含固定碳 68%），表现出高吸附能力和表面积。生物炭的这些特性使其适用于生物修复、土壤改良和长期碳封存应用。高级或可持续生物燃料的生命周期评估（LCA）研究结果显示，与常规石油燃料系统相比，温室气体排放减少了 47%。此外，通过高效的生物质增值水热解聚和资源回收，水热技术的气候减缓潜力结果在可持续生产框架内被验证为一条稳健的途径。这些分析进一步强调了从能源密集型热转化方法向更高效的水热系统过渡的必要性。未来研究需要关注通过优化反应器设计提高产物选择性，并将水热工艺整合到生物炼制中。这些研究概念可以改善架构，以增强整体环境和经济可持续性。

引言
全球对能源和化工产品的需求不断增加，提高了各行业对传统热加工技术的依赖。这些传统方法应用于各种生物产品的生成/生产（包括生物炭合成或生物能生成），以及难降解有机物的水解转化过程，该过程产生各种更简单的化合物，用于多种生物燃料的生成。这些过程本质上受限于高热能耗要求（Calamari 等人，2020）。接下来，这些过程发现转化效率低，以及产生环境有害副产物的速率高。通常，工业系统采用这些方法并经常遇到产率降低或较低、过程效率低和经济可行性受限的问题（Calamari 等人，2020; Singh 等人，2024）。此外，尽管大量废弃植物或其他生物质和废水具有作为可再生能源的潜力，但仍未被充分利用。这些废物可用于生成增值化学品和清洁能源载体（Cavali 等人，2023; Bona 等人，2023a）。全球优先事项也转向了满足其需求的可持续发展模式/范式。现有热方法的局限性凸显了向更绿色和更节能的替代方案过渡的紧迫性（Calamari 等人，2020; Bona 等人，2023a）。

虽然其局限性仍然存在，特别是关于经济可行性和工艺可扩展性。此外，催化工程、反应动力学和系统集成的持续进步可以显著提高热反应的过程性能（Cavali 等人，2023）。克服这些过程低效对于推进全球可持续目标至关重要，特别是在通过促进循环经济实现碳中和的框架内。生物质转化技术的当前局限性可能会阻碍木质纤维素原料的最优增值，即转化为平台或中间体化学品，然后转化为可再生能源或可持续生物燃料（Bona 等人，2023a）。此外，传统的热途径对温室气体（GHG）排放和资源消耗贡献不成比例（Bona 等人，2023b）。此外，传统的热过程无法与联合国可持续发展目标（UNSDGs）保持一致。但是，生物质的热转化需要与 SDG 7 保持一致，它可能是清洁和可负担能源的一部分。接下来，SDG 12 需要与生态友好型燃料的消费和生产过程保持一致（I?iguez-Moreno 等人，2024）。为了这些目标，需要应用高效的绿色废弃木质纤维素增值策略以实现 UNSDGs。本综述也支持气候行动（SDG 13）。

开发并实施可持续转化技术以实现中间体和化学可再生燃料用于生物炼制发展是一项至关重要的需求（Bona 等人，2023b; I?iguez-Moreno 等人，2024）。水热（HT）转化的出现是一种有前景的替代方案，利用亚临界水和超临界水作为反应介质。该介质促进了植物生物质向平台或中间体化学品以及运输级生物燃料的高效解聚。这些产品有助于减轻环境污染物和碳排放（Maraveas, 2020）。

从基于化石的能源系统过渡到基于可再生生物质的平台/中间体化学品和可持续燃料是全球战略中的关键组成部分。这些过渡努力可以通过建立基于工业化学品或产品的可持续模式来缓解气候变化。水热生物质处理可以是向循环生物经济和低碳能源未来演进的关键基石（Acaru 等人，2022）。水热转化技术提供了一个水介导的、热化学高效的生物质转化平台。这些过程通过提高转化产率和改善环境绩效指标，进一步显著减少了外部能源需求（Van Fan 等人，2021）。

通过水热途径对废弃生物质和废水进行增值，促进了生物基中间体化学品的生产以及生物燃料的发展。这些努力支持循环资源利用和废物最小化，并在城市基础设施中高效回收废水流中的能源（Acaru 等人，2022; Van Fan 等人，2021）。此外，本报告还声称与使用常规电网电力（620.5 kWh/year）相比，能源消耗减少了 59%（259.2 kWh/year）。电网电力利用与废水系统连接的热交换和集成热泵系统（I?iguez-Moreno 等人，2024; Maraveas, 2020; Van Fan 等人，2021）。最近，通过优化水热转化参数，生物质衍生产品在各工业部门获得了相关性价值，这对于确保可扩展性和过程稳健性至关重要。生物质增值的科学进步导致了各种高效水热加工模式的开发，包括亚临界水和超临界水解（Acaru 等人，2023）。在各种水热条件下（通常在 180-280 °C 和 30-120 分钟的停留时间内）进行的控制实验声称具有高转化效率，可释放植物纤维素和半纤维素的成分，随后转化为可发酵糖和平台化学品（Acaru 等人，2023; Pattnaik 等人，2021; Biswal 等人，2022）。

此外，最近关于城市废水热能回收的研究探讨了高级热管理系统在开发可持续能源框架中的作用。尽管水热生物质转化技术取得了这些进步，但设计反应动力学和催化剂开发中面临的一些关键挑战仍被讨论。这些努力可以通过高效的能源集成和工业规模的经济可行性来帮助。持续的研究和开发对于解决这些 HT 过程的局限性至关重要。需要充分开发水热系统在化学品生产、气候韧性以及低碳能源发展方面的潜力（Pattnaik 等人，2021; Biswal 等人，2022）。

对水热生物质转化作为可持续热化学平台的日益关注，及其几个关键挑战进一步阻碍了其广泛的工业采用。在水热条件下复杂有机基质的分解，需要对压力范围和可变温度进行更深入的研究，以改善选择性、产物产率及其过程可控性（Gu 等人，2022; Padhye 等人，2022）。目前的研究仍然局限于实验室规模和中试规模研究，对工业规模可行性的演示最少。水热系统的经济可扩展性需要得到充分验证，包括运营成本、能源效率及其资本投资（Gu 等人，2022）。本研究的创新之处在于探索水热解聚和液化的整合，从而实现可发酵糖和平台化学品的同时生产。

此外，该方法讨论了从木质纤维素废物中生产生物原油和功能生物炭，并系统地关联操作参数与生物质增值效率。该过程也与环境可持续性、温室气体减少和循环生物炼制发展保持一致，推动其向碳中和可再生燃料生产系统迈进（Biswal 等人，2022; Gu 等人，2022; Padhye 等人，2022）。本综述讨论了废弃生物质的组成、最佳水热过程以及中间体化学品及其通过几种升级过程衍生的最终燃料/生物燃料。最终，研究人员专注于水热转化平台的进步，概述了支撑向可持续生物经济过渡的基础，该过渡符合当代环境和经济要求或迫切需求。

章节片段
水热系统中的技术约束
水热过程中的一个主要技术瓶颈被讨论为开发经济可行且高性能的催化系统，该系统能够承受恶劣的水热环境，通过促进高目标反应速率同时最小化副产物或毒性产物形成（Van Fan 等人，2021; Acaru 等人，2023）。此外，水热反应下复杂有机物的解聚和重整过程的反应动力学和机制。

用于从各种木质纤维素/废弃生物质中提取天然化合物的水热处理
在本研究中，我们仅仅讨论了用于不同应用的亚临界水介导反应系统的类型，例如亚临界水提取和亚临界水解过程。通常亚临界水提取（SBWE）用于回收植物化学物和天然产物，包括各种有机酸、精油和酚类化合物，但很少用于提取发酵糖。这些产物生成于

生物炭、生物原油和平台化学品（作为中间体产品）
本研究检查了通过气体饱和溶液颗粒（PGSS）过程发生的载食用油的蜂蜡微粒的形成及其分析。本研究进一步使用蜂蜡与牛油果油或巴西坚果油的二元脂质混合物（1:1 w/w）进行（Roy 等人，2024; Lee 等人，2021b）。PGSS 过程涉及在高压灭菌锅中将脂质混合物与超临界 CO2 在 150-300 bar 和 60 °C 下混合。该过程在搅拌下使用

用于能源回收和 GHG 缓解的 HT 反应器优化参数
木质纤维素生物质的水热转化代表了生产增值化学品或中间体以及可持续燃料的一条有前途的途径。这些努力有助于循环经济框架和碳中和目标。然而，需要解决几个关键挑战以启用这些过程的经济可行性和大规模可行性（Kou 等人，2022）。与水热相关的主要局限之一

通过水热生物质水解实现废物资源化
水热过程的碳中和根植于生物质增值的闭环碳循环，该循环始于植物生长期间通过光合作用吸收大气二氧化碳。该过程有助于将其以纤维素、半纤维素和木质素成分的形式储存在植物结构成分中。水热转化有助于以不同生物产品形式释放这些封存的碳，主要是作为

结论、挑战和未来方向
本研究阐明了植物来源生物质在不同水热（HT）处理条件下的化学和物理转变，这些过程在亚临界和超临界水条件/范围内操作。这些过程能够实现木质纤维素生物质的有效热水解，通过实现高产率同时最小化抑制性副产物的形成。讨论了不同水热操作模式的多样性，包括 HTC

CRediT 作者贡献声明
Rajesh K. Srivastava：写作 – 初稿，方法论，调查，概念化。Prakash Kumar Sarangi：可视化，验证。Ramyakrishna Pothu：软件，形式分析，数据整理。Omvir Singh：写作 – 审阅与编辑，数据整理。Rajender Boddula：写作 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文中报告的工作。

Rajesh K.

斯里瓦斯塔瓦 | 普拉卡什·库马尔·萨兰吉 | 拉姆亚克里斯纳·波图 | 奥姆维拉·辛格 | 拉金德尔·博杜拉 生物技术系，格林兰科技大学学院，吉塔姆大学（被认定为大学），维沙卡帕特南，530045，安得拉邦，印度