Nature Reviews Clean Technology: 微波辅助生物炼制技术

随着全球能源转型和碳中和目标的推进，生物炼制技术作为替代化石燃料的重要路径，受到广泛关注。生物炼制通过处理可再生生物质（如木质纤维素、藻类、农业废弃物等），生产生物燃料、生物基化学品及材料，但其高能耗和复杂工艺限制了规模化应用。微波辅助技术因其独特的加热机制（体积加热、选择性能量吸收），被视为提升生物炼制效率的关键手段。 本文中，来自新加坡国立大学的Iris K. M. Yu团队，系统解析了微波技术在生物炼制中的应用潜力、机制挑战及未来方向。

• 选择性加热 ：微波优先作用于极性分子（如水、离子），快速破坏木质素 - 碳水化合物复合体，降低结晶度。
• 抑制副产物生成 ：玉米秸秆预处理实验显示，微波法（200°C, 30 分钟）糠醛浓度（0.62 g/L）显著低于传统高压法（1.17 g/L），减少对后续发酵的抑制。
• 案例对比 ：微波处理花园生物质（200°C）还原糖产率达 47%，而传统热板法（100°C）仅 37%，显示高温短时优势。

  
  

• 快速均匀加热 ：微波从物料内部产热，避免传统传导加热的表面降解，提升固体产率（如草药残渣在 200°C 下固体产率 75.8% vs 管式炉 280°C 的 74.1%）。
• 能量效率 ：咖啡渣微波烘焙（265°C, 15 分钟）高位热值（HHV）提升 1.2 倍，而传统炉仅 1.1-1.15 倍。

  
  

• 细胞破裂效应 ：微波诱导物料内部蒸汽压升高，破坏细胞壁结构，如牛奶蓟种子微波提取水飞蓟素（25 mg/g）效率是传统回流法的 1.5 倍。
• 溶剂选择优化 ：深共晶溶剂（DESs）因其高介电损耗，在微波下表现出优异的提取性能，如胆碱氯 - 乳酸 DES 在 130°C 时介电损耗提升 24 倍。

  
  

• 微波热解 ：与传统热解相比，微波热解更倾向于产气（如咖啡壳微波热解产气率 61.9% vs 传统法 57.2%），但生物油产率较低。其优势在于：
• 生物油品质：咖啡壳微波热解生物油 HHV（34.4 MJ/kg）高于传统法（31.2 MJ/kg），氧含量更低。
• 碳纳米材料合成：微波诱导生成碳纳米管 / 石墨烯（如橡胶木热解产物），拓展高值化应用。
• 水热碳化 ：微波处理海藻（200°C, 1 小时）比传统法（4 小时）更快，但固体产率较低（38% vs 44%），需优化能量输入。

• 分子极化 ：极性基团（如纤维素的 - CH₂OH）在微波场中旋转振动，局部产热。
• 电弧放电 ：高介电损耗材料（如碳、金属颗粒）表面电荷积累引发微等离子体，温度可达 930°C 以上。
• 气泡变形 ：气相产物（如 CO₂）在微波场中变形，导致局部场强增强。

  
  

• 积极效应 ：加速 CO 生成（如油棕壳微波气化 CO 产率 13 倍于传统法），促进选择性键断裂（如木质素 β-O-4 键断裂）。
• 负面效应 ：催化剂失活（如 Pd/C 在微波下团聚）、爆炸风险（如高压反应器中易燃溶剂）。

  
  

• 反应器设计 ：采用可变频率微波（如 5,850-6,650 MHz）减少电弧放电，提升均匀性。
• 添加剂优化 ：使用高导热材料（如 SiC）分散热点，或引入表面修饰剂（如磺酸基团）增强催化剂稳定性。

• 可比性问题 ：传统与微波系统需统一搅拌、温度监测位置（如中心 vs 壁面），避免因传热方向差异导致偏差。
• 产物分析标准化 ：明确生物油定义（有机相），避免水相干扰；直接测量气体产率而非质量平衡估算。

  
  

• 成本构成 ：微波热解甘蔗渣生物炭生产成本约 0.89 美元 /kg，电力占运营成本 58%。连续系统（如 HMF 生产）通过热交换器回收热量，能耗降低 82%。
• 规模化瓶颈 ：液体相处理受限于微波穿透深度（水在 2,450 MHz 下穿透深度 14-57 mm），需开发毫米级流反应器或高频微波（如 915 MHz）。

  
  

• 预处理 ：玉米秸秆连续微波预处理使乙醇产率提高 4 倍，处理量 0.28 kg/h。
• 热解 ：PlaWave 商业化系统处理木质废料，生物油产率 45%（1 吨 / 天），但需解决设备投资高（比传统法高 40%）的问题。

• 碳减排潜力 ：微波共热解生物质 - 塑料的全球变暖潜势（783 kg CO₂e / 吨）显著低于焚烧（6,640 kg CO₂e / 吨），若计入生物炭碳封存可实现负排放。
• 原料运输挑战 ：高水分生物质（如马粪）干燥能耗占总碳足迹的 30%，需优化供应链布局。

  
  

• 海水替代淡水 ：微波水热液化中使用海水可提升海藻 HMF 产率 3 倍，同时减少淡水消耗。
• 副产物利用 ：生物油分离有机相可作为胶粘剂（如废纸热解油），提升经济性。

1. 热点效应的分子机制 ：结合原位表征技术（如拉曼光谱、X 射线吸收）揭示热点对化学键的选择性激活。
2. 智能反应器设计 ：开发可变频率微波系统、流化床反应器，实现均匀加热与精准控温。
3. AI 驱动工艺优化 ：利用机器学习整合多组学数据，预测不同生物质的最佳处理参数。
4. 标准化协议制定 ：建立微波辅助生物炼制的能耗、产物分析及安全评估标准，加速技术转化。

文章链接： https://doi.org/10.1038/s44359-025-00033-5

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