《Biomass and Bioenergy》：Particle size distribution modelling in biomass comminution: Current approaches, limitations and future directions
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•有效的生化精炼颗粒尺寸通常在毫米范围内。•颗粒尺寸演变模型可以实现预测性和可控性的研磨。•经验模型仍然是最广泛用于尺寸预测的方法。•神经网络可以优化工艺，但受到数据范围的限制。•物理分析模型为放大生产和磨机设计提供了核心见解。引言全球每年从农业生产的生物质估计超过1400亿吨，
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有效的生化精炼颗粒尺寸通常在毫米范围内。
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颗粒尺寸演变模型可以实现预测性和可控性的研磨。
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经验模型仍然是最广泛用于尺寸预测的方法。
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神经网络可以优化工艺，但受到数据范围的限制。
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物理分析模型为放大生产和磨机设计提供了核心见解。
引言
全球每年从农业生产的生物质估计超过1400亿吨，从林业生产的生物质超过1815亿吨，其中只有40%和4.5%被再利用。处理农业、工业和家庭可生物降解废物是环境保护和可持续发展的关键问题[1]。传统的处理方法如储存、堆肥和焚烧对环境有严重的影响，包括土壤、水和空气的污染。随着环境标准的日益严格，有必要寻找能够在最大化废物回收的同时最小化环境影响的技术。例如，在欧盟有RED II和RED III指令。根据这些指令，应防止废物的产生；如果无法防止产生，就应该重新利用废物；如果无法重新利用，就应该回收废物；如果无法回收，就应该用废物来产生能源[2]。这些指令促进了可生物降解废物的能源回收，并设定了包括木质纤维素生物质在内的可再生能源的最低比例。RED III指令比RED II指令的规定更加严格[3]。可以从废物生物质中生产出有价值的生物产品（如寡糖、生物氢、生物甲烷、生物油、有机酸）[4]。
预处理对生物产品的生产非常重要。每种预处理方法都采用机械预处理作为初步的技术步骤。通过将生物质研磨成细小颗粒，可以显著提高过程中的热传递和质量传递，从而大大增加原材料转化为最终产品的效率，并加快整个过程[5]。然而，研磨非常耗费能源，需要对其进行优化，以确保研磨过程的能量投入始终小于经过更好研磨的生物质在后续过程中所带来的收益。有许多不同的技术可用于生物质研磨，它们的能源密集度和整体盈利能力差异很大。数学建模对于研磨优化至关重要，以便根据磨机和生物质参数预测粉碎能量和颗粒尺寸分布[4]。尽管存在许多关于生物质研磨的数学模型，但它们的实际应用往往受到限制。大多数模型都是为特定类型的磨机、生物质品种和操作条件设计的，当这些因素发生变化时，其参数往往会失去物理意义或预测准确性。因此，这些模型主要用于局部优化，而不是预测工艺结果。这一限制在从实验室或试点规模放大到完全工业化生产的过程中尤为显著，因为操作条件、应力模式和破碎过程都有本质的不同。
与许多工艺单元操作不同，生物质研磨没有建立一个完善的放大理论。增加磨机尺寸、转子直径或吞吐量不仅影响能量输入，还影响颗粒与工具之间的相互作用和破碎路径的性质。然而，在颗粒尺寸建模研究中很少明确考虑放大因素，通常只为单一设置校准经验相关性、特定于机器的神经网络或群体平衡公式。这种建模实践与放大要求之间的差距是工程科学中的一个根本挑战。本文提出了一个假设，即现有颗粒尺寸分布模型在生物质研磨中的有限适用性并非由于数据不足，而是因为缺乏物理上可解释的、考虑放大的模型参数。
本文的目的是进行一项关于放大和PSD模型物理可解释性的批判性综合研究。不仅回顾现有的生物质研磨颗粒尺寸分布建模方法，还要从工程科学和放大的角度批判性地评估它们的适用性。本文指出了现有方法的基本局限性，并提出了未来模型必须满足的要求，以支持预测性工艺设计和工业放大。
章节片段
概述
生化精炼的概念基于对废物 biomass 的多阶段材料和能量处理（见图1）。天然 biomass 的尺寸从几厘米到几十厘米不等，而不同的处理方法需要特定的颗粒尺寸和一定的去纤维化程度以确保工艺效率。生物质首先被分成不同的部分，以便分离出不需要的杂质，例如塑料、石头、金属部件等。分离可以在...
文献综述方法
锤磨机、刀磨机、盘磨机和球磨机被认为是最有效的生物质尺寸减小技术[44]。它们的效率取决于几何形状、研磨元件的设计以及操作参数，这些因素既影响颗粒尺寸分布又影响能量需求。尽管研究生物质研磨的研究数量不断增加，但目前还没有系统地综合各种预测颗粒尺寸分布的建模方法。
数值物理方法（DEM）
有一些基于数值物理的方法用于计算生物质颗粒与研磨元件之间的力平衡。离散元方法（DEM）用于特定材料的颗粒间力平衡。DEM 是一种无网格的数值方法，它可以检测颗粒碰撞并计算接触力。这是通过使用软球方法实现的，其中颗粒是刚性的，任何接触处的变形都被建模为重叠。DEM 有系统地跟踪域中的每个颗粒...
木质纤维素生物质的特性
木质纤维素生物质是一种高吸湿性的材料。其含水量根据类型、储存方法和先前处理的不同而有很大差异，通常重量占比在5%到80%之间[77]。含水量可以按照方程（12）定义。
m0 是样品的初始重量，md 是干燥样品的重量。
生物质中的水可以是化学结合的、结合在细胞壁中的或自由水。化学结合的水无法通过干燥去除，总是...
建模方法的一般评估
文献中提出了几种描述生物质研磨后颗粒尺寸分布的建模方法。这些方法在复杂性、数据要求、可解释性和不同磨机类型及操作条件下的适用性方面有所不同。最常用的方法包括经验模型、人工神经网络、DEM模型和群体平衡模型，如表7所示。
经验模型通常是通过统计分析开发的
未来需求和研究挑战
尽管在生物质研磨的颗粒尺寸建模方面取得了实质性进展，但仍存在重要的研究挑战，这些挑战限制了预测的可靠性和工程应用的可行性。解决这些挑战对于有效的工艺设计、优化和粉碎系统的放大至关重要。
一个关键需求是开发具有有限且定义明确的参数化的物理可解释模型。现有的经验和数据驱动模型通常受到...
结论
木质纤维素生物质的尺寸减小是制备生化精炼原料的重要步骤。本研究比较了实验室和工业规模下用于生物质粉碎的主要研磨技术——刀磨机、锤磨机、盘磨机和球磨机。由于刀磨机和锤磨机的多功能性和相对较低的能源需求，它们被认定为大多数应用的最合适选择。
该研究进一步分析了四种主要的建模方法...
CRediT 作者贡献声明
Michal Vtipil：撰写 – 原始草案、验证、资源准备、方法论、调查、形式分析、数据管理。Lukas Kratky：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、项目管理、方法论、资金筹措、概念化。
致谢
本工作得到了捷克技术大学的资助机构支持，资助编号为SGS25/130/OHK2/3T/12。
Michal Vtipil|Lukas Kratky
