《Process Biochemistry》：Deep Eutectic Solvents-based lignocellulosic biomass pre-treatment for enhanced biomethane production: Mechanisms, performance, and future perspectives
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•对木质纤维素生物质生产生物甲烷的DES预处理策略进行了批判性评估。•基于氯化胆碱的DES系统在多种木质纤维素原料中表现出高脱木质素效率。•DES辅助预处理提高了木质素的去除率、酶的利用效率以及甲烷的产生量。引言木质纤维素生物质（LCB）是最丰富、最易获取且最可持续的可再生生物能
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对木质纤维素生物质生产生物甲烷的DES预处理策略进行了批判性评估。
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基于氯化胆碱的DES系统在多种木质纤维素原料中表现出高脱木质素效率。
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DES辅助预处理提高了木质素的去除率、酶的利用效率以及甲烷的产生量。
引言
木质纤维素生物质（LCB）是最丰富、最易获取且最可持续的可再生生物能源原料之一，全球年产量约为2000亿吨。LCB是生产高价值生物基化学品（包括生物甲烷）的宝贵原料，生物甲烷作为一种可再生能源载体具有很高的能量潜力。通过生物转化过程，可以利用微生物和酶的途径将复杂的木质纤维素结构转化为可发酵的底物，从而高效地产生甲烷[1]。LCB来源于农业残留物和森林副产品，占全球生物质资源的近一半。它主要由纤维素（30–50%）、半纤维素（20–30%）、木质素（15–30%）以及其他有机物质（如碳水化合物、酚类化合物、脂类、蛋白质和果胶）组成，这些物质可以转化为可再生的生物能源载体和增值的生物产品（包括生物甲烷和生物氢[2]）。生物质的结构完整性主要由纤维素微纤维决定，这些微纤维嵌入在半纤维素网络中，并被木质素包裹。LCB的顽固性源于复杂的木质素-碳水化合物基质，其中纤维素微纤维被半纤维素网络包裹并受到木质素的保护，从而限制了酶和微生物的接触。因此，需要预处理过程来克服这种顽固性。预处理的主要目标是破坏生物质的致密和刚性结构，以提高其可降解性。这一步的效果显著影响后续酶水解过程的效率。目前有许多LCB的预处理方法，包括化学方法、物理方法、生物方法和物理化学方法[3]。
传统的LCB预处理方法往往会导致环境污染，并且在回收方面效率低下，无法满足大规模工业应用的需求。在这种情况下，“绿色溶剂”作为一种潜在的LCB分馏预处理技术应运而生。离子液体（ILs）作为一种潜在的绿色溶剂，具有可回收性、不易燃、蒸汽压低、挥发性小和沸点高等特点。然而，由于合成过程复杂和成本较高，ILs的大规模应用受到限制。ILs还表现出较差的生物降解性、毒性和高水溶性；这些特性降低了ILs的盈利能力[4]。因此，在过去十年中，深共晶溶剂（DES）受到了广泛关注。它们被认为是一类可持续的、环境友好的溶剂，与ILs相比更具成本效益。此外，它们还具有易于制备等独特而理想的特性，并可以针对特定应用进行定制。DES在各种生物质处理中表现出优异的效率，同时毒性较低且可回收性更好，为提高生物质转化过程提供了有前景的可持续替代方案[5]。这些特点使DES非常适合将生物质转化为能源和高价值产品，主要通过定制的提取方法、预处理策略和后续工艺实现。本文批判性地研究了基于DES的预处理在提高LCB生物甲烷产量方面的作用，重点关注预处理机制、生物甲烷性能、溶剂回收、环境和技术经济考虑以及未来研究方向。
多篇综述文章讨论了不同DES组合在LCB预处理中的应用，主要侧重于木质素的提取、生物质的分馏、纤维素的溶解以及糖化过程的改进[3],[4],[6],[7]。这些以往的综述全面讨论了生物质的DES预处理及其相关的生物精炼应用，但对DES在提高甲烷产量方面的作用关注较少。缺乏针对甲烷的评估限制了人们对DES预处理在可持续厌氧消化（AD）过程中实际应用的理解。与之前的综述相比，本文强调了破坏木质素的结构机制、提高纤维素可利用性、增加甲烷产量的方法，以及溶剂回收和再利用策略等新兴领域。表1列出了近期发表的相关综述文章的对比总结，以及本文的独特研究范围。
节摘
木质纤维素生物质
LCB是指植物来源的生物质，通常分为硬木、软木、农业残留物和草本作物。它包含三种主要有机成分：纤维素、半纤维素和木质素。“图1”展示了LCB的基本结构，突出了其三个主要组成部分。这些成分的比例根据分析的植物组织类型（如叶片或果实）和固有的物理化学性质而有所不同。
深共晶溶剂：组成和性质
当两种或更多成分（包括路易斯酸或布朗斯特酸和碱，以及不同的离子和分子物种）混合时，就会形成共晶混合物。在这些混合物中，成分充当氢键供体（HBD）和氢键受体（HBA）。它们之间的相互作用降低了系统的晶格能，使得熔点远低于单独成分的熔点[6]。DES通常由HBD和HBA组成。
基于DES的木质纤维素生物质预处理
DES预处理具有多个优点，包括在后续水解过程中提高葡萄糖的回收率、增强纤维素酶的稳定性以及降低总体能源需求。DES形成强氢键的能力使得纤维成分能够选择性溶解，而且该过程比其他预处理技术更温和简单[39],[40],[41]。
在标准预处理程序中，首先进行物理化学处理……
DES在厌氧消化生产生物甲烷中的作用
厌氧消化（AD）被认为是将生物质转化为生物气（然后进一步转化为生物甲烷）的最可持续和有效的技术之一。该过程分为四个主要阶段：水解、酸生成、醋酸生成和甲烷生成。水解是第一步，其中水解微生物通过酶的作用将复杂的有机聚合物（如碳水化合物、蛋白质和脂类）降解为可溶的低分子量化合物……
DES与其他预处理方法的结合
DES预处理通常被认为是一种有前景的生物质处理方法，尽管与其结合传统预处理技术后效果更佳。集成生物质处理方法通过预先分离易生物降解的有机组分，进一步提高DES预处理的效率。这种分馏技术可以直接在厌氧消化条件下使用可降解物质，同时保留其他组分……
DES的回收和再利用
在大型工业过程中使用DES的一个关键优势是其回收和再利用的潜力。这一优势源于DES的形成不涉及化学反应，而是依赖于HBD和HBA成分之间可逆的氢键相互作用[98],[99]。回收DES对于降低预处理阶段的总体成本至关重要，因为这可以同时减少……
基于DES的预处理的环境和技术经济方面
可以通过技术经济评估（TEA）和生命周期评估（LCA）来评估DES预处理的可持续性。这些评估对于技术成熟度较低（TRL）的新预处理技术尤为重要，这些技术仍处于早期应用阶段。要实现可持续性，基于DES的生物精炼厂应具备工业规模的可扩展性，并且在环境和经济上都是可持续的。
生命周期评估（LCA）是一种环境核算方法……
挑战与未来展望
由于其环保特性、易于合成和可回收性，DES在生物质预处理方面展现出巨大潜力。然而，仍有一些关键挑战需要解决。与DES预处理相关的主要挑战和未来研究重点包括：(i) 合理选择DES配方和设计；(ii) 降低DES粘度并提高工艺效率；(iii) 将DES与互补的预处理技术结合；(iv) 进一步改进……
结论
本文批判性地分析了基于DES的预处理在提高LCB生物甲烷产量方面的效果。DES预处理成功破坏了LCB的坚固结构，使得木质素和半纤维素能够选择性地被去除，同时保留了纤维素。因此，这提高了酶的利用效率并改善了厌氧消化的总体性能。研究表明，特别是由氯化胆碱和有机酸制成的DES……
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CRediT作者贡献声明
Ajay Krishna Dev K：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、方法论、概念构建。Rangabhashiyam Selvasembian：撰写——审稿与编辑、研究调查、资金筹措。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢SRM大学-AP提供的资助（项目编号：SRMAP/URG/SEED/2023–2024/021）以及东盟-印度合作研发计划（项目编号：ASEAN-India S&T Development Fund -CRD/2024/000712）的支持。
Ajay Krishna Dev K|Rangabhashiyam Selvasembian
