论文标题：Crop residues: applications of lignocellulosic biomass in the context of a biorefinery（作物残留物——木质纤维生物质在生物精炼中的应用）

期刊：Frontiers in Energy

作者：Maria Carolina ANDRADE, Caio de Oliveira GORGULHO SILVA, Leonora Rios de SOUZA MOREIRA, Edivaldo Ximenes FERREIRA FILHO

发表时间：25 May 2022

DOI：10.1007/s11708-021-0730-7

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研究亮点

本文重点介绍了作物残留物在生物精炼和循环生物经济中的重要性。概述了世界不同地区产生的主要作物残留物及其可获得性，可以从作物残留物中提取或生产的潜在增值生物产品，以及在生物精炼中利用作物残留物的主要优势和障碍。

1 摘要

近来，木质纤维生物质转化技术逐渐成为研究热点，因为该技术有可能减少对不可再生原料的依赖。各种作物的残留物是木质纤维素的主要来源，全世界木质纤维素生产量逐年增加。将作物残留物作为生物精炼的原料进行商业开发，可用于生产各种商品，如生物燃料、生物化学品、生物塑料和酶，这不仅是增加残留物附加值的有效方法，而且可以提供不断扩大的生物经济市场所需的可再生产品。此外，在不同地区实施生物精炼有可能提升该地区生产的特定作物残留物的价值。本文讨论了农作物残留物在生物精炼中的应用，包括农作物残留物在生物经济和循环经济中的作用，农作物残留物用于生物精炼转化的主要技术，世界不同地区主要农作物残留物及其可用性，从每种作物残留物中提取或生产的潜在增值生物制品，以及利用农作物残留物进行生物精炼的主要优势和挑战。尽管有潜力，但大多数生物精炼技术都不够先进，在经济上也不可行。一些技术障碍，特别是在作物残留物收集、处理和前处理方面，阻碍了生物精炼在商业规模上的扩大。政府的激励措施和生物经济战略将有可能提高生物精炼市场和生物精炼产品成本的竞争力。

2 研究背景

可持续发展世界首脑会议将可持续发展定义为“在不损害子孙后代需求的前提下为今天的需求而生产”。生物能源是用于提高生活水平和促进可持续发展的几种资源之一，是利用可再生资源生产的“清洁能源”，可以减少对化石燃料的依赖。最近木质纤维生物质转化技术逐渐成为研究热点，因为该技术具有在不使用不可再生原料的情况下产生能源和生物产品的潜力。因此，这种技术可能有助于改善空气质量和减少温室气体 (GHG) 排放。

木质纤维素类生物质主要来源于植物材料，包括农作物残余物、森林残余物、木材作物、工业废物、城市固体废物和食物废物。此外，还可以种植草来产生生物量。不同类型的木质纤维素生物质的可用性在不同的地区也有所不同。每个地区根据其农业和工业活动生产特定的生物质，这些替代原料可以在生物精炼中转化为各种生物产品，包括对市场有价值的生物能源（以生物燃料和生物电的形式）、酶、化学品和材料（例如生物吸附剂和生物塑料）。

3 综述内容

文章首先引入了生物经济与循环经济的概念。欧盟委员会将生物经济定义为“可再生生物资源的生产以及将这些资源和废物流转化为增值产品，例如食品、饲料、生物基产品和生物能源”。生物经济的一个基本方面是使用可再生资源而不是化石资源来减少温室气体排放。作为对生物经济概念的补充，循环经济指一个工业过程的残留物将用作另一个工业过程的原料，这样对环境的影响几乎为零。结合这两个概念，循环生物经济是一种经济系统，其中材料、化学品和能源的基本组成部分来自可再生生物资源（包括作物残留物和作物残留物加工的副产品），如图1所示。

图1 在生物精炼和循环生物经济的背景下利用作物残留物

接下来介绍了基于酶的农作物残留物生物精炼，强调了作物残留物在生物精炼中的重要性。生物精炼厂的现场酶生产可能是降低与酶生产相关的成本和温室气体排放的可行替代方案。在这种方法中，粗酶混合物可以直接应用于作物残留物水解，酶处理最少，而且没有运输要求。酶生产进一步提升了作物残留物的价值。图2总结了生物质精炼和其他潜在生物技术应用中涉及的不同类型的木质纤维素降解酶。利用作物残留物生产酶有广阔的发展前景。近年来，全球酶市场不断增长，2014年和2015年分别达到近46亿美元和49亿美元。到2021年，该市场预计将扩大到63亿美元左右，2016年至2021年的复合年增长率为4.7%。

图2 微生物木质纤维素降解酶及其生物技术应用

然后概述了全球范围内的作物残留物的产生。作物残留物在世界各地的分布并不均匀，它们具有明显的区域特征，其可获得性在空间和时间上各不相同。图3为各大洲生产的主要农业残留物的地图。美洲大陆有很大一部分土地被开发用于农业，因此，每年产生相当数量的作物残留物。美国是世界上最大的玉米、大豆和高粱生产国，也是小麦的主要生产国。然而，目前美国大约90%的玉米残留物在收获后留在田里，只有不到1%的残留物被收集用于工业加工，这表明这些残留物仍然是一种未开发的可再生资源。亚洲也是农作物残留物的主要生产国。继巴西之后，印度和中国是最大的甘蔗生产国，亚洲大陆是小麦的主要生产国(43%)，世界上约65%的苹果也来自亚洲，中国的产量占全球产量的50%。经过加工后，大约25%的苹果重量会变成残留物。此外还概述了非洲、欧洲和大洋洲的作物残留物的产生。

图3 世界主要农作物总览

紧接着综述了农作物残留物的利用。利用作物残留物作为生物制品的原料是很有前途的，因为它们储量丰富且成本低。图4展示了几种作物残留物产品的潜在生物技术应用，包括在生物燃料、生物材料、酶和营养食品的生产中。生物质能生产历来是生物质转化研究的重点。Beringer等人指出，到2050年，所有生物质来源的组合可能提供130至270 EJ/a的能源，相当于世界未来能源需求的15%-25%。虽然传统上来说生物质能源一直是生物质转化的重点，但其他价值更高的生物产品，如化学品、塑料和酶，可以提高生物精炼的整体竞争力。

图4 作物残留物在木质纤维素基生物精炼中的应用

最后阐述了关于实施作物残留物生物精炼的几点思考。从作物残留物中获得的更高的温室气体减排使第二代燃料具有“先进生物燃料”的地位，即与化石衍生燃料类似物相比，生命周期的温室气体排放量至少减少50%。但目前的技术仍不足以扩大到商业规模并提供稳定的工业运营。提炼结构复杂的木质纤维素生物质需要比食品型生物精炼厂多一倍的操作单元和更昂贵的设备，需要大量投资才能扩大规模并成功实现木质纤维生物精炼厂的可持续运行。

原文信息

Crop residues: applications of lignocellulosic biomass in the context of a biorefinery

Maria Carolina ANDRADE, Caio de Oliveira GORGULHO SILVA, Leonora Rios de SOUZA MOREIRA, Edivaldo Ximenes FERREIRA FILHO*

Author information:

Laboratory of Enzymology, Department of Cellular Biology, University of Brasilia, Brasilia, DF, Brazil

Abstract: Interest in lignocellulosic biomass conversion technologies has increased recently because of their potential to reduce the dependency on non-renewable feedstocks. Residues from a variety of crops are the major source of lignocellulose, which is being produced in increasingly large quantities worldwide. The commercial exploitation of crop residues as feedstocks for biorefineries which could be used to produce a variety of goods such as biofuels, biochemicals, bioplastics, and enzymes is an attractive approach not only for adding value to residues but also for providing renewable products required by the expanding bioeconomy market. Moreover, the implementation of biorefineries in different regions has the potential to add value to the specific crop residues produced in the region. In this review, several aspects of crop residue application in biorefineries are discussed, including the role of crop residues in the bioeconomy and circular economy concepts, the main technical aspects of crop residue conversion in biorefineries, the main crop residues generated in different regions of the world and their availability, the potential value-added bioproducts that can be extracted or produced from each crop residue, and the major advantages and challenges associated with crop residue utilization in biorefineries. Despite their potential, most biomass refining technologies are not sufficiently advanced or financially viable. Several technical obstacles, especially with regard to crop residue collection, handling, and pre-treatment, prevent the implementation of biorefineries on a commercial scale. Further research is needed to resolve these scale-up-related challenges. Increased governmental incentives and bioeconomic strategies are expected to boost the biorefinery market and the cost competitiveness of biorefinery products.

Keywords: crop residue, biorefinery, bioproduct, biomass, circular bioeconomy, enzyme

Cite this article: Maria Carolina ANDRADE, Caio de Oliveira GORGULHO SILVA, Leonora Rios de SOUZA MOREIRA, Edivaldo Ximenes FERREIRA FILHO. Crop residues: applications of lignocellulosic biomass in the context of a biorefinery. Front. Energy, 2022, 16(2): 224–245 https://doi.org/10.1007/s11708-021-0730-7

Frontiers in Energy （SCI，2021 IF 2.964），能源领域综合性英文学术期刊，于2007年创刊，现为中国工程院院刊之一 (Transactions of CAE)。主编是翁史烈院士、倪维斗院士、苏义脑院士和彭苏萍院士。执行主编是上海交通大学黄震院士。出版能源领域原创研究论文、综述、展望、观点、评论、新闻热点等。

涉及领域包括（不限于）：能源转化与利用，可再生能源，储能，氢能与燃料电池，碳捕集、利用与封存，先进核能技术，智能电网和微电网，电力与能源系统，动力电池与电动汽车，能源与环境，能源经济和政策等。

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