《Sustainable Materials and Technologies》：Optimization, pilot scale production and techno-economic assessment of nano fibrillation strategies of cellulose from γ-valerolactone delignified sweet potato vines
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甜菜薯藤生物质经γ-戊内酯/水预处理后，优化高压均质（40MPa，4次循环）和球磨（60Hz，100分钟）工艺制备纤维素纳米纤维（CNFs），验证了高压均质在产量（22.60%）、直径（23.66nm）和热稳定性（>314℃）上的优势，并通过 pilot 尺度放大实现稳定生产。techno-economic分析表明，回收 lignin 和溶剂的情景虽初期投资高，但净现值达4.86亿美元，投资回报率57.24%，为农业废弃物转化为高值纳米材料提供了可持续经济模型。
作者：袁莉、孙洪楠、穆泰华、马尔科·加西亚-瓦克罗
单位：中国农业科学院食品科学技术研究所食品化学与营养科学实验室，农业农村部农产品加工重点实验室，中国北京市海淀区元明园西路2号，邮编5109100193
摘要
本研究旨在优化、放大并评估机械纳米纤维化技术（高压均质化和球磨）从脱木质化的甘薯藤生物质中制备高质量纤维素纳米纤维（CNFs）的经济可行性，使用γ-戊内酯/水（GVL/H?O）作为溶剂。同时，全面分析了CNFs的物理化学性质、结构特征和外观形态。通过序列参数优化，确定了最佳的高压均质化条件（40 MPa，4次循环）和球磨条件（60 Hz，100分钟）。高压均质化法制备的CNFs产率为22.60%，ζ电位为-27.23 mV，平均直径为23.66 nm；而球磨法制备的CNFs产率为19.74%，ζ电位为-25.83 mV，平均直径为22.25 nm。将高压均质化条件放大到中试规模后，CNFs的产率为21.90%，纳米纤维形态一致（平均直径19.81 nm）。综合表征显示，所有CNFs都具有优异的热稳定性（>314 °C）、更高的结晶度和更好的亲水性，优于市售CNFs。通过对两种不同情景下的中试方法进行技术经济分析（包括是否回收木质素和溶剂），发现尽管初始投资相对较高，但回收化合物的方案具有更高的长期盈利能力，净现值（4.8582亿美元）和投资回报率（57.24%）。通过实施可回收溶剂的生物质预处理、优化生物精炼工艺、中试验证和技术经济分析，本研究建立了一种全面的绿色可持续生物精炼模型，有效将农业废弃物转化为高价值纳米材料，为大规模生产CNFs提供了经济可行的方案。
引言
利用可再生、环保且低成本的木质纤维素生物质（如残渣和农业废弃物）被认为是解决日益枯竭的不可再生石化能源资源所带来的全球问题的有效策略[[1], [2], [3]]。将这些废弃物转化为高价值纳米材料是实现循环资源经济的关键途径[4,5]。甘薯藤（SPV）的产量几乎与甘薯块茎相当，为此类转化提供了良好的原料。2023年全球甘薯产量达到9352万吨[6]，产生了大量的甘薯藤废弃物。尽管甘薯藤含有约30%的纤维素[7,8]，适合用于先进材料生产，但通常通过焚烧或填埋处理，导致资源浪费和环境污染。
纤维素纳米纤维（CNFs）因其独特的机械、热学和胶体性能而成为出色的生物材料[9]，可应用于食品添加剂[10]、包装[11]、医疗设备[12]、吸附剂[13]和柔性电子器件[14]等领域。传统的CNFs生产过程包括依次进行脱木质化和机械纳米纤维化[15]。在初步研究中，李莉、孙洪楠、穆泰华和马尔科·加西亚-瓦克罗[16]开发了一种新方法，使用γ-戊内酯/水（GVL/H?O）作为绿色溶剂系统，实现甘薯藤的有效脱木质化和纤维素提取。然而，将提取的纤维素通过机械纤维化方法高效转化为高质量CNFs仍需进一步优化，以探索最佳工艺，并评估其放大生产的可行性和经济效益，促进这些创新在工业领域的应用。
文献中描述的机械纤维化方法中，冷冻粉碎和蒸汽爆炸被认为具有潜力，但存在纤维质量和能效方面的主要缺点[17]；其他机械方法（如微流化[18]和超声波处理[19]）虽然能产生均匀的纳米纤维，但在工业规模化应用方面面临挑战。相比之下，高压均质化和球磨具有操作简单、基础设施成熟且能耗低等优势。最新研究表明，这两种方法均可有效制备CNFs：高压均质化从预处理的漂白软木浆中制备出平均直径为21 nm的CNFs（产率84.19%[20]），球磨法从碱处理过的软木浆中制备出平均直径为100 nm的CNFs[21]。Nagarajan、Balaji和Ramanujam[22]使用碱处理从椰子柄中提取纤维素，并通过球磨制备出平均直径为55–64 nm的CNFs，产率为74.2%。CNFs的生产效率与所用植物原料和预处理方法密切相关，因此存在关键的知识空白。据我们所知，目前尚无关于将甘薯藤转化为高价值CNFs的研究。此外，也没有关于结合GVL/H?O预处理与高压均质化或球磨制备CNFs的方法优化及其中试应用的研究。这些技术在工业规模化应用中的经济性也是亟待解决的问题。
本研究首先优化了使用GVL/H?O预处理的甘薯藤纤维素通过高压均质化（压力、循环次数）和球磨（频率、时间）制备CNFs的关键参数。根据产率、悬浮液稳定性和形态特征，选择了最优方法进行中试验证。对实验室规模高压均质化制备的CNFs、球磨制备的CNFs以及中试规模高压均质化制备的CNFs进行了全面的物理化学表征，并与市售CNFs进行了对比。最后，通过技术经济分析比较了有无木质素/溶剂回收的不同生物精炼方案。这种综合方法为将农业废弃物转化为功能性纳米材料提供了可持续的途径，同时解决了阻碍这些创新在工业应用中的关键瓶颈。
部分内容摘要
生物材料和化学试剂
甘薯藤（SPV，Pushu No. 32），含有36.7%的纤维素、11.4%的半纤维素和10.3%的木质素，由广西农业科学院玉米研究所提供（中国广西南宁市）。生物质用水冲洗后，在65°C下烘烤24小时（使用BPG-9240A干燥设备，上海）。干燥后的生物质经过研磨并过0.15 mm筛网。甘薯藤粉末真空包装后冷藏保存，以备后续实验使用。
化学试剂
均质化循环的影响
在恒定压力（40 MPa）下，不同均质化循环次数（2次、4次、6次和8次）对CNFs的ζ电位、产率和纤维直径的影响总结见图3。
随着均质化循环次数的增加，CNFs悬浮液的ζ电位绝对值增大（图3a）。这可能是由于高压均质化过程中纤维素悬浮液在高压下通过狭窄间隙时受到剪切力的作用。
结论
本研究建立了将农业废弃物甘薯藤转化为高价值CNFs的完整路径，优化并放大了机械制备CNFs的工艺，实现了从GVL脱木质化到中试规模的转化。同时，对最终产品的特性以及不同情景下的经济前景进行了全面评估。高压均质化优化结果表明...
作者贡献声明
袁莉：撰写初稿、数据可视化、结果验证、软件使用、数据分析。
孙洪楠：撰写、审稿与编辑、项目监督、方法设计、资金申请。
穆泰华：撰写、审稿与编辑、项目监督、概念构思。
马尔科·加西亚-瓦克罗：撰写、审稿与编辑、项目监督、概念构思。
知情同意书与人类/动物权利声明
本研究不存在利益冲突、知情同意问题或涉及人类/动物权利的问题。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
袁莉目前获得中国科技大学与广西农业科学院联合开展的博士奖学金。作者感谢CARS项目（CARS-10）以及中国农业科学院的科技创新项目（CAAS-ASTIP-202X-IFST）提供的支持。
