来源： BioMass Lab
在寻求可持续能源和生物基化学品的全球浪潮中，木质纤维素作为地球上最丰富的可再生资源，其高效利用已成为生物经济时代的核心议题。然而，木质纤维素天然的抗降解屏障（即纤维素、半纤维素和木质素的复杂交织结构）严重制约了其向高附加值产品（如生物乙醇、平台化学品）的转化效率。预处理作为打破这一屏障、提高酶解糖化效率的关键步骤，在过去十年（2015-2025年）经历了深刻的技术变革与理论创新。本报告旨在全面、深入地回顾这一时期内木质纤维素预处理技术的发展历程，系统评述各类主流及新兴预处理方法的原理、最新进展、技术挑战与应用潜力，并结合技术经济评估（TEA）与生命周期评估（LCA）的视角，分析其工业化前景。最后，报告将对未来十年的发展趋势进行展望，为学术研究、工业应用及政策制定提供前瞻性的参考。
01 引言：预处理在生物精炼中的核心地位
木质纤维素生物精炼旨在将非粮生物质原料（如农林废弃物、能源作物）转化为燃料、化学品和材料，是实现碳中和与循环经济的关键路径。其核心技术路线通常包括预处理、酶解糖化、微生物发酵/催化转化等步骤。其中，预处理是整个价值链的瓶颈环节，其目标是：
· 打破木质纤维素的刚性结构 ：破坏纤维素的结晶区，增加其表面积和孔隙度。
·去除或分离半纤维素和木质素 ：减少对后续酶解过程的物理阻碍和化学抑制。
·最大限度减少糖类（纤维素和半纤维素）的降解 ：避免生成糠醛、羟甲基糠醛（HMF）等发酵抑制剂。
· 降低成本和环境影响 ：实现经济可行和环境友好的工艺流程。
在2015-2025这十年间，预处理技术的研究重点从单一追求糖产率，转向了综合考量成本、能耗、抑制剂生成、木质素高值化利用以及环境友好性的“集成式”优化策略 。本报告将循着这一发展脉络，对各类技术进行系统梳理和评述。
02 主流预处理技术十年回顾与评述 (2015-2025)
根据作用机理的不同，预处理技术通常被划分为物理法、化学法、物理化学法和生物法四大类 。过去十年，研究者们不仅对传统方法进行了深度优化，还大力发展了新型绿色技术和组合工艺。
2.1 化学预处理：从传统到绿色溶剂的演进
化学法通过化学试剂作用，改变生物质的化学组成和结构，是目前研究最广泛、技术相对成熟的一类方法。
·酸预处理 ：
·技术概述 ：主要利用酸（如稀硫酸、磷酸）在一定温度下水解半纤维素，破坏木质纤维素的网状结构。稀酸预处理因其成本较低、效率较高而长期占据主导地位。
·十年进展与挑战 ：过去十年，研究重点转向了优化反应条件以减少糖类降解和抑制剂生成，例如开发更温和的工艺或使用固体超强酸催化剂以提高选择性并简化后续分离。然而，设备腐蚀、酸回收困难、大量废水中和处理以及木质素结构破坏严重等问题，始终是其大规模商业化的主要障碍 。
·未来展望 ：未来的研究方向将集中于开发新型固体酸催化剂，实现催化剂的循环利用，并探索与木质素高值化利用相结合的工艺路线。
·碱预处理 ：
·技术概述 ：利用碱（如NaOH、石灰、氨水）皂化半纤维素的乙酰基和尿苷酸酯键，溶胀纤维素，并溶解部分木质素和半纤维素。相比酸法，碱法对纤维素的保留率更高，生成的抑制剂较少。
·十年进展与挑战 ：氨纤维爆破（AFEX）和氨回收渗透（ARP）等技术在过去十年得到了深入研究，它们利用液氨或氨水在高温高压下处理生物质，不仅能有效去除木质素，且氨可回收利用，环境影响较小 。主要挑战在于，虽然能有效脱除木质素，但对软木等高木质素含量的原料效果有限，且化学品回收成本依然是制约其经济性的关键因素 。
·未来展望 ：低成本碱（如石灰）的工艺优化、高效低能耗的化学品回收系统开发，以及结合超声波或微波等辅助手段，是碱预处理未来的发展方向。
·有机溶剂预处理 (Organosolv) ：
·技术概述 ：使用有机溶剂（如乙醇、丙酮）或其水溶液在高温下萃取木质素，同时水解半纤维素。该方法的突出优点是能够获得高纯度的木质素，便于后续高值化利用，实现“全组分利用”。
·十年进展与挑战 ：研究热点集中在开发新型、低成本、绿色的有机溶剂体系，并优化溶剂回收率（通常需>99%才能保证经济性）。尽管前景诱人，但有机溶剂的易燃易爆性、高昂的回收成本和潜在的环境风险，限制了其广泛应用。
·未来展望 ：探索与生物基溶剂（如γ-戊内酯, GVL）的结合，以及开发更高效、安全的溶剂回收工艺，是推动Organosolv技术工业化的关键。
·离子液体 (ILs) 和深共熔溶剂 (DESs) 预处理 ：
·技术概述 ：离子液体是由有机阳离子和无机/有机阴离子构成的室温熔融盐，能够完全溶解纤维素，被誉为“绿色溶剂”。深共熔溶剂（DESs）作为离子液体的类似物，由氢键供体和受体混合而成，具有成本更低、生物可降解性更好等优点 。
·十年进展与挑战 ：这是过去十年发展最迅猛的领域之一。研究者们开发了大量新型功能化ILs和DESs，如对木质素或纤维素具有选择性溶解能力的溶剂体系。已证实它们在较低温度下即可高效破坏纤维素结晶结构，且抑制剂生成极少。然而，其黏度高、成本昂贵、回收过程复杂且能耗高，以及与后续酶解体系的兼容性问题，是其从实验室走向工厂的最大挑战 。
·未来展望 ：开发低成本、低粘度、高生物兼容性的ILs/DESs，设计闭路循环的溶剂回收系统，并探索“一锅法”预处理和糖化工艺，是该领域最具潜力的突破方向。
2.2 物理化学预处理：能量与化学的协同
这类方法结合了物理（热、机械力）和化学（水、蒸汽、化学试剂）的作用，以高效地打开生物质结构。
·蒸汽爆炸 (Steam Explosion) ：
·技术概述 ：将生物质在高温高压蒸汽下处理一段时间后，瞬间泄压，利用水的“闪蒸”效应和机械剪切力破坏纤维结构，同时高温也促进了乙酰基的水解，形成乙酸催化半纤维素的降解 。
·十年进展与挑战 ：蒸汽爆炸技术相对成熟，是目前最接近大规模商业化的预处理技术之一。十年来的研究主要集中在精确控制操作参数（温度、压力、保压时间）以平衡半纤维素降解和抑制剂生成之间的矛盾。例如，结合二氧化硫或二氧化碳作为催化剂的蒸汽爆破能以更温和的条件达到更好的效果。其主要缺点是会产生较多抑制剂，且对软木效果不佳。
·未来展望 ：优化多段式蒸汽爆破工艺，结合在线监测与过程控制，实现对不同原料的自适应处理；并开发高效、低成本的抑制剂脱除技术，是其进一步提升竞争力的关键。
·水热预处理 (Liquid Hot Water, LHW) ：
·技术概述 ：在不添加外部催化剂的情况下，利用高温高压的液态水处理生物质 。水在高温下发生自电离，产生的H+可催化半纤维素水解，而木质素发生部分降解和迁移。
·十年进展与挑战 ：LHW因其无需添加化学品、腐蚀性小、抑制剂生成少而备受关注。过去十年的研究表明，通过控制温度和停留时间，可以实现对半纤维素的选择性去除。但其能耗较高，且木质素去除率有限。
·未来展望 ：与超声、微波等技术结合以降低能耗；探索两步法LHW工艺，先温和地回收半纤维素糖，再在更剧烈的条件下处理剩余残渣，以提高整体效率和经济性。
2.3 物理预处理：能量输入的直接作用
·技术概述 ：主要包括机械粉碎、辐照、微波、超声波等，通过纯粹的物理能量输入来减小原料粒径、破坏结晶结构 。
·十年进展与挑战 ：微波和超声波辅助预处理在过去十年显示出巨大潜力。它们能够选择性地将能量集中作用于生物质内部，产生“热点”和“空化效应”，显著加速化学反应速率，缩短处理时间，降低化学品用量。例如，微波辅助的碱处理或离子液体处理，能在数分钟内达到传统加热数小时的效果。然而，单纯的物理法（如球磨）能耗极高，而微波、超声波等技术的核心设备放大和能效问题仍是其工业化应用的瓶颈。
·未来展望 ：将物理场（微波、超声、脉冲电场）与流动反应器相结合，开发连续化、高效节能的辅助预处理系统，是该领域的重要研究方向 。
2.4 生物预处理：绿色温和的自然选择
·技术概述 ：利用特定的微生物（主要是白腐菌和褐腐菌）或其分泌的酶系（如木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶）在温和条件下选择性地降解木质素 。
·十年进展与挑战 ：生物法具有专一性强、条件温和、能耗低、无抑制剂生成等突出优点。过去十年的研究通过基因工程改造微生物，提高了其木质素降解效率和对环境的耐受性。然而，其最大的缺点是处理时间极长（数周甚至数月），且需要无菌操作，难以实现大规模连续生产，这严重限制了其商业化进程 。
·未来展望 ：通过合成生物学手段构建高效的木质素降解工程菌株或无细胞酶系统，将是缩短处理时间、推动生物预处理实用化的核心突破口。此外，将生物法作为组合预处理的“精加工”步骤，也具有一定潜力。
03 技术经济评估 (TEA) 与生命周期评估 (LCA) 的视角
预处理技术的选择绝非仅看糖化率，其经济可行性和环境可持续性至关重要。TEA和LCA作为两种强大的评估工具，在过去十年越来越多地被用于指导预处理技术的研发和决策 。
·技术经济评估 (TEA) ：
·分析要点 ：TEA关注资本投入（CAPEX）、运营成本（OPEX）、最小乙醇销售价格（MESP）等经济指标 。在预处理环节，成本主要来源于原料、化学品、能源消耗和废水处理。
·十年洞察 ：TEA分析表明，尽管离子液体和DESs在技术上表现优异，但其高昂的溶剂成本和回收能耗使其MESP远高于稀酸或蒸汽爆炸等传统技术。蒸汽爆炸和稀酸预处理凭借其相对较低的成本和成熟的工艺，在当前的商业化示范项目中仍占据主导。TEA分析还强调了木质素高值化利用的极端重要性——将木质素从只能燃烧供热的低价值副产物，转变为生产芳香化学品、碳纤维等高价值产品的原料，是显著改善整个生物精炼过程经济性的关键 。
·生命周期评估 (LCA) ：
·分析要点 ：LCA从“摇篮到坟墓”的角度评估一个技术的全生命周期环境影响，包括全球变暖潜能（GWP）、富营养化、酸化等 。
·十年洞察 ：LCA研究显示，使用大量化学品（如强酸强碱）且回收率低的预处理工艺，其环境足迹通常较大。相比之下，水热预处理、生物预处理以及使用可回收绿色溶剂的技术，展现出更好的环境友好性。然而，高能耗的物理方法或需要高温高压的物理化学方法，其碳排放问题也不容忽视。将TEA和LCA进行整合评估，可以更全面地识别技术的热点问题和优化方向，防止“顾此失彼”的决策 。
·工业化进展案例 ： 全球范围内已建成多个第二代生物乙醇的示范和商业化工厂，例如Poe t-DSM的Project LIBERTY（美国）、杜邦的纤维素乙醇工厂（美国，后出售）、Clariant的Sunliquid®技术（德国/罗马尼亚）、GranBio（巴西）等。这些项目大多采用了蒸汽爆炸或稀酸预处理技术，验证了这些技术在工业规模上的可行性。然而，持续的运营成本、原料供应的稳定性以及与化石燃料的经济竞争，仍然是这些工厂面临的巨大挑战。这些商业化案例的经验教训表明，预处理技术的工业化之路不仅是技术问题，更是复杂的经济和系统工程问题。
04 未来十年（2025-2035）展望
展望未来，木质纤维素预处理技术的发展将呈现以下趋势：
.工艺集成与智能化 (Process Integration and Intelligence) ：单一的预处理技术难以满足所有要求。开发 组合预处理工艺 （例如，微波辅助水热-碱处理、生物-化学联合处理）将成为主流，通过多步骤协同，以温和的方式实现对各组分的分级分离和高效转化。同时，结合在线传感器、大数据和人工智能模型，实现预处理过程的 实时监控、预测和智能优化 ，将是提升效率和稳定性的关键。
.木质素优先与高值化 (Lignin-First and Valorization) ：“木质素优先”的生物精炼理念将日益重要。未来的预处理技术不仅要考虑糖的得率，更要从一开始就致力于 保护木质素的天然结构 ，以便于其后续催化转化为高价值的芳香化学品、聚合物或功能材料。这要求预处理过程更加温和和具有选择性，Organosolv、部分离子液体技术以及新型的催化解聚方法在此方面潜力巨大。
.绿色化与循环经济 (Greener Processes and Circular Economy) ：对环境友好性的要求将驱动预处理技术向 “原子经济性” 迈进。使用生物基溶剂、可完全回收的催化剂、减少水和能源消耗将是核心目标。设计 闭环工艺 ，将废水、废渣中的残余物资源化利用，实现零废弃排放，将是未来生物精炼厂的终极形态。
.原料适应性与灵活性 (Feedstock Adaptability and Flexibility) ：未来的生物精炼厂需要能够处理多种来源、成分波动的生物质原料。因此，开发具有 高度灵活性和鲁棒性 的预处理技术平台至关重要。这可能需要模块化的设备设计和基于原料实时分析的动态工艺控制系统。
05 结论
在过去的十年（2015-2025年），木质纤维素预处理领域取得了显著的理论突破和技术进步。我们见证了从依赖传统酸碱法，到绿色溶剂（特别是离子液体和深共熔溶剂）和高效物理辅助手段（微波、超声）的兴起；也深刻认识到，技术的成功与否必须通过技术经济评估（TEA）和生命周期评估（LCA）的严格审视。尽管工业化道路上仍充满挑战，但通往高效、经济、绿色的生物精炼之路已逐渐清晰。展望未来，工艺集成、木质素高值化、循环经济理念和智能化控制将共同塑造下一代预处理技术的核心竞争力，为构建可持续的生物基社会奠定坚实的技术基础。