可持续管理木质纤维素农业废弃物 (全球年产量约1820亿吨，仅约80亿吨被利用) 因其生产高价值产品的潜力而备受关注。其组分 (纤维素、半纤维素、木质素) 具有丰富、可再生、可生物降解和生物相容性，是化石资源的理想替代品。来自意大利国家新技术能源与可持续经济发展局 (ENEA, Italian National Agency for New Technologies Energy and Sustainable Economic Development) 的Alessandro Blasi博士及其团队在 Recycling 期刊发表了一项综述，全面概述了将木质纤维素农业废弃物转化为具有经济和环境价值产品的增值策略。
图为木质纤维素生物质能量利用的主要技术。
综述过程
本文综述了多种将木质纤维素废弃物转化为高价值产品的策略：
1. 燃料转化技术：
生物乙醇：第二代 (2-G) 生物乙醇利用非粮木质纤维素原料 (如秸秆、甘蔗渣)，避免了第一代 (1-G) 的“粮争地”问题。生产过程包括：预处理 -> 糖化/水解 (常使用木质纤维素分解酶) -> 发酵 (微生物如酵母、细菌)。发酵策略包括分步水解发酵 (SHF)、同步糖化发酵 (SSF)、同步糖化共发酵 (SSCF) 和整合生物加工 (CBP)，各有优缺点 (如SSF需平衡酶水解与发酵的最佳条件差异)。
生物甲烷: 通过厌氧消化生产，需预处理增强生物可降解性。共消化策略 (与其他有机废物混合) 可提高产量和稳定性。消化残留物 (沼渣) 可作为肥料，实现养分循环。
生物柴油：通过酶水解将纤维素/半纤维素转化为可发酵糖，再经微生物发酵 (或后续酯交换) 生产。木质素和半纤维素副产物可进一步转化为高价值化学品或材料 (生物精炼概念)。可再生柴油 (通过加氢脱氧) 具有更优性能。
氢气和航空燃料：通过热化学途径 (气化、热解) 或生物化学途径 (暗发酵、光发酵) 生产。生物航空煤油 (生物煤油) 生产是航空业脱碳的关键方向，但成本是主要挑战。
生物丁醇和沼气：生物丁醇主要通过丙酮-丁醇-乙醇 (ABE) 发酵生产，具有作为溶剂和化学前体的价值。沼气 (主要含甲烷和二氧化碳) 通过厌氧消化产生，其产量受多种因素 (pH、温度、C/N比) 影响。
热化学转化 (气化与热解)：
气化：在限氧环境下将生物质转化为合成气 (主要含CO, H₂, CH₄)，可用于发电、供热或合成液体燃料 (如费托合成)。技术成熟度较高，存在挑战包括焦油和杂质去除。
热解：在无氧条件下热分解生物质，产物包括生物油 (可升级为运输燃料)、生物炭 (用于土壤改良、固碳) 和不可冷凝气体。快速热解主要用于生产生物油。生物油不稳定、含氧量高，需后续提质升级。
2. 高值化学品与生物活性物质：
平台化学品: 从C5/C6糖衍生 (如琥珀酸、乳酸、乙酰丙酸、糠醛、5-羟甲基糠醛)，是化工行业重要基石。多种转化途径 (化学、生物、催化、光催化) 被研究，离子液体在预处理和转化中显示潜力。
生物活性化合物：可从废弃物中提取 (如多酚) 或通过微生物发酵生产 (如真菌多糖、抗菌肽、吲哚乙酸)。固态发酵是常用且经济的方法。
酶：微生物 (特别是真菌) 利用木质纤维素生物质可生产木质纤维素分解酶 (纤维素酶、半纤维素酶、木质素酶) 和其他工业酶 (淀粉酶、蛋白酶等)。固态发酵常因成本低而被优选，但酶的回收和成本仍是工业应用瓶颈。
单细胞蛋白：利用预处理后生物质水解糖作为碳源，通过微生物 (酵母、真菌、细菌) 发酵生产蛋白质饲料或食品添加剂。浸没发酵和固态发酵均有应用。
抗生素：在营养限制条件下，利用农业残渣通过微生物 (特别是固态发酵) 作为碳源生产次级代谢产物 (如头孢菌素)。
生物刺激素：如腐殖酸类物质、5-氨基乙酰丙酸 (ALA)、吲哚乙酸 (IAA) 可从木质纤维素废弃物或其转化过程中获得或生产，促进植物生长。
3. 生物基材料制造：
生物塑料与生物降解塑料：利用木质纤维素组分 (特别是纤维素、木质素) 开发，旨在解决石化塑料污染问题。定义区分了生物基塑料 (源自可再生资源) 和可生物降解塑料 (可被微生物分解)。木质纤维素废弃物作为丰富且非食用的原料来源潜力巨大。
生物复合材料与生物纤维：木质纤维素纤维 (源自植物) 作为增强材料用于生物塑料基复合材料，具有低密度、低成本、良好机械性能等优点，但需解决亲水性和界面相容性问题。
研究总结
木质纤维素农业废弃物作为可持续资源，在转化生产生物燃料 (如生物乙醇、生物柴油)、生化品及生物复合材料方面展现出显著潜力，对减轻环境负担、降低化石能源依赖和减少温室气体排放具有关键作用。其富含的纤维素、半纤维素和木质素为合成各种高价值生物化学品提供了巨大的潜力，通过物理预处理 (如粉碎、蒸汽爆破)、化学预处理 (如酸/碱处理) 以及生物过程 (如酶水解与微生物发酵) 可高效生产生物燃料、平台化学品 (如糠醛、乙酰丙酸) 及高性能生物基材料 (如增强型复合材料)。技术经济分析表明，结合政策支持，此类废弃物转化具备经济可行性；生命周期评估进一步证实其相比化石燃料路径能显著降低碳排放、能源消耗与生态足迹，实现废物管理、资源回收与气候目标的协同增效。
未来有必要开展进一步的研究和开发工作，以优化转化工艺，提高产品产量和质量，扩大木质纤维素废弃物的规模化高值利用。学术界、产业界与政策制定者的协同合作对克服技术、经济及监管挑战至关重要。通过挖掘木质纤维素农业废弃物的未开发潜力，我们可以创造一个更加可持续、资源高效的未来，促进向循环生物经济的转型。
原文出自 Recycling 期刊：https://www.mdpi.com/2397398
期刊介绍：https://www.mdpi.com/journal/recycling
Recycling 期刊介绍
主编：Michele John, Curtin University, Australia
期刊发表资源回收、再利用、废弃物管理与循环经济等相关领域的原始性、首创性成果，主题涵盖工业资源回收的创新工艺、工具与方法学，废弃物处理技术，循环经济，零废弃项目实践，回收利用相关政策，回收经济学，回收过程的环境与社会影响，以及产品 (生态) 设计与回收等方向。目前已被ESCI (Web of Science)、Scopus、FSTA、DOAJ等数据库收录。
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