综述：用于从木质纤维素生物质生产生物乙醇的深共晶溶剂预处理技术的进展与挑战：综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Advances and challenges in deep eutectic solvents pretreatment technologies for bioethanol production from lignocellulosic biomass: A comprehensive review

本文综述了深共熔溶剂（DES）在木质纤维素生物乙醇生产中的应用，包括溶剂设计、生物质解聚机制及酶解效率提升，并探讨了经济性、溶剂回收与规模化挑战。

　　
当前，全球对可持续能源的需求持续增长，推动着生物乙醇从木质纤维素（LCB）中提取的技术革新。作为新兴的绿色溶剂体系，深共熔溶剂（DES）在LCB预处理中展现出显著优势，其核心价值在于通过氢键网络破坏木质素结构，同时保留纤维素的可酶解性。以下从技术原理、应用现状、挑战及未来方向四个维度展开系统性分析。

一、DES技术原理与优势
DES由氢键供体（HBD）与受体（HBA）按特定摩尔比混合形成。典型体系如胆碱盐-有机酸组合，通过动态氢键网络实现溶剂特性的可调性。与传统溶剂相比，DES具有三大突破性特征：首先，其非极性至极性连续可调的特性，可精准匹配不同LCB组分（如木质素、半纤维素、纤维素）的极性需求，选择性溶解木质素的同时保留结晶纤维素；其次，基于木质素分子内及分子间氢键的复杂网络结构，DES通过形成竞争性氢键，直接断裂木质素中的β-4-O-β连接，并诱导酚羟基的质子化，实现木质素的高效解聚；再者，DES体系普遍具有生物降解性，与石油基溶剂形成鲜明对比，且在常温下即可形成稳定液相，降低能耗。

二、LCB组分特性与预处理机制
木质纤维素由纤维素（35-55%）、半纤维素（20-40%）和木质素（10-25%）构成。其中木质素的刚柔并济结构（既含疏水苯环又含亲水性酚羟基）使其成为预处理的核心难点。DES技术通过双重作用机制实现高效分馏：物理分相层面，DES优先溶解半纤维素和木质素，形成两相分离体系，使纤维素纤维束保持相对完整；化学解聚层面，酸性DES（如柠檬酸-胆碱体系）通过质子化作用削弱木质素分子间作用力，同时促进纤维素表面羟基暴露，为后续酶解创造条件。实验数据显示，DES预处理可使纤维素酶解率提升40-60%，而木质素溶解度可达传统方法的2-3倍。

三、关键技术进展与协同效应
1. 溶剂体系创新：研究团队通过优化HBD/HBA比例，开发出针对不同LCB来源的专用DES。例如，桉树废弃物需采用草酸-胆碱体系（1:2.5 molar ratio）以平衡溶解效率与成本，而玉米秸秆则适用尿素-胆碱-木质素复合体系，实现木质素溶解度>85%的同时保持纤维素结晶度。
2. 联合预处理技术：微波/超声辅助DES预处理可将处理时间从24小时缩短至1.5小时，木质素溶出率提升至92%。气升式搅拌反应器（GSHR）的应用使DES循环使用次数增加3倍，体系黏度降低40%。
3. 过程强化策略：通过添加表面活性剂（如CTAB）构建微乳体系，使木质素溶解度突破理论极限，达到97%；引入微波辅助萃取技术，在120℃下实现DES再生效率提升65%。

四、产业化挑战与优化路径
1. 经济性瓶颈：当前DES制备成本约为$0.8/kg，显著高于传统硫酸法（$0.2/kg）。主要成本来自胆碱盐（占原料成本42%）和有机酸（占28%），解决方案包括：① 开发废弃物-derived HBD（如农业废料提取的甘油酸）；② 采用连续流反应器降低能耗（能耗从15 kWh/t降至6.8 kWh/t）。
2. 溶剂回收技术：基于三相分溶技术（固-液-气三相分离），成功实现DES回收率>85%，再生溶剂保持率>90%。采用膜分离技术（如陶瓷膜）可将回收周期缩短至2小时，处理成本降低40%。
3. 环境影响评估：生命周期分析（LCA）显示，DES法较硫酸法减少碳排放42%，但有机酸 sourcing可能产生15%额外碳足迹。通过构建本地化原料供应链（如印尼棕榈渣-胆碱盐耦合体系），可将全生命周期碳强度降至210 kgCO2e/t乙醇。

五、未来发展方向
1. 智能溶剂设计：基于LCB组分三维结构的计算机辅助设计，开发"分子剪刀"型DES，可定向切割木质素β-5键和纤维素C1-OH键，使酶解时间从72小时压缩至8小时。
2. 系统集成创新：构建"预处理-酶解-发酵"一体化反应器，通过在线监测调控反应条件。实验表明，该集成系统可使乙醇得率从18%提升至24.5%，设备利用率提高3倍。
3. 循环经济模式：建立LCB-DES废料资源化链，木质素提取渣经热解制取生物炭（活性指数>900 m2/g），纤维素 residues通过生物转化生产糠醛（产率31.7%），实现全流程物料闭环。

当前研究已证实DES预处理可使LCB的葡萄糖产率达650 g/ton，较传统方法提升2.3倍。但工业化应用仍需突破三大核心障碍：① 开发可经济规模化生产的复合HBD（如糖蜜废渣提取的多元酸）；② 构建实时反应监控体系（如在线NMR检测木质素解聚程度）；③ 建立区域化原料-溶剂-产品协同网络（如东南亚棕榈-稻壳-乙醇产业链）。

该领域的发展将重塑生物乙醇生产范式，预计到2030年DES预处理技术可使全球生物乙醇产能提升18%，同时减少农业废弃物填埋量约12亿吨/年。但实现这一目标需在材料科学、反应工程和系统工程三个层面持续突破，特别是开发基于LCB特性的自适应DES体系，这将是未来研究的重点方向。