从化石燃料到生物燃料：生物质如何推动可持续发展

生物质衍生燃料和化学品 代表 了迈向可持续能源和化学品生产的关键路径。这些材料利用来自植物和农业来源的可再生有机输入，来生产通常源自石油和其他化石燃料的产品。虽然生物质仅占美国电网级能源生产的 1% 和欧盟的约 6%，但生物质转化技术的进步正在提高产量、降低成本并改善这些材料的可持续性。

全球生物化学品和生物燃料市场展现出显著的增长态势，且预计将持续增长。 生物化学品预计将以 10.6% 的复合年增长率增长，到 2035 年价值达到 2400-2440 亿美元，而生物燃料 预计将增长 约 7%，到 2035 年价值超过 2700 亿美元。这种增长是由日益增长的能源需求以及对化石燃料环保替代品的需求所推动的。

尽管潜力巨大，但生物质衍生燃料和化学品仍面临重大挑战。大规模生产设施有限，且现有的转化工艺往往需要高温高压，这增加了资本和运营成本。这些工艺通常还需要昂贵的催化剂，并可能产生低价值的副产品。原料供应以及与粮食生产用地竞争的问题也构成了持续的挑战。此外， “燃料与粮食”冲突 当原本用于粮食的作物被转用于生产生物燃料时就会出现，从而引发了对粮食安全和价格上涨的担忧。

为解决这些问题，研究人员正致力于开发非粮生物质来源（如农业废弃物和残余物），并探索各种转化工艺，以提高效率和可持续性。我们利用 CAS Content CollectionTM^TM（全球最大的经人工收录的科学信息库）对生物质领域的文献布局进行了深入分析，以更好地了解该领域的发展演变。 

我们采用精心设计的检索策略，确定了 2015 年至 2025 年间发表的约 220,000 篇关于生物质转化为高附加值产品的文献。我们系统地提取并分析了这些文献中的文献计量信息、CAS 索引概念和化学物质，旨在识别研究趋势，并为生物质转化领域提供有价值的见解。分析发现，生物质转化及相关研究的期刊论文数量呈温和增长态势，过去十年间发表量几乎翻了一番。相比之下，专利申请数量的增长并不稳定，这表明基础研究与商业化应用之间存在脱节，凸显了阻碍实际落地的运营挑战和技术局限性（见图 1）。

图 1： 生物质转化研究领域期刊论文和同族专利的年度趋势。2025 年数据截至 8 月。来源：CAS Content CollectionTM。

生物质衍生材料的经济和环境必要性将持续增强，因此我们进一步分析了原料、工艺和产品，以探索这一关键领域的研究轨迹和最新进展，即 绿色化学。

生物质原料：生物燃料和生物化学品的基础

生物质原料是生物质增值的根本原材料，其选择对效率和 产品产出具有重大影响 转化技术。  

在本次分析中，CAS 收录的概念根据其来源被分为不同的类别，即植物源、动物源和城市垃圾（见图 2）。

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图 2： 生物质原料类别。气泡图展示了数据集中确定的主要原料组。相邻的热图突出显示了前十大子类别，颜色梯度表示出版物数量。红色代表最高，绿色代表最低。来源：CAS Content Collection。

植物源残渣和废弃物因其储量丰富且木质纤维素含量高，在出版物布局中占据主导地位。该类别包括非食用农业残渣，如秸秆、木材、外壳和纤维，这避免了“与人争粮”的冲突。这些材料主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其成分因来源而异。秸秆 脱颖而出 得益于其巨大的可用性和在各种转化路径中的多功能性。其纤维素含量为 30-40%，半纤维素含量为 20-30%，木质素含量为 15-20%，非常适合酶水解、发酵工艺以及热解和气化等热化学路线。 

木材是第二大主要原料，来源于林业残渣，如木片和刨花。其高木质纤维素含量、低水分和高能量密度使其在燃烧、气化、制粒和生物炭生产方面表现高效。甘蔗渣是甘蔗加工过程中的纤维残渣，也富含纤维素和半纤维素，被广泛用于生产生物乙醇、沼气和生物化学品。锯末作为木材加工的副产品，具有颗粒细小和成分一致的特点，能够高效转化为生物乙醇、生物燃料和多元醇（木糖醇）。 

植物基食品类别包括玉米、大米、甜菜、油籽粕、水果和蔬菜等作物，它们主要作为食品、能源和化学品生产的可再生资源。玉米等作物被用于生产生物燃料和 生物塑料，而作为榨油副产品的油籽粕则被转化为可生物降解的薄膜和涂层。通过微生物和酶转化途径，水果和蔬菜废弃物在生产有机酸、生物燃料和肥料方面的价值正日益凸显。  

油脂原料类别以植物性物质为主。这一地位得益于酯交换和加氢处理等成熟的转化技术。这些长链烃的可再生来源主要由三酰甘油（TAGs，95-98%）组成。三酰甘油是高级脂肪酸和甘油的酯类。它们在生产平台化学品和生物燃料方面的价值也日益受到重视。 

粪便和家禽垫料等动物废弃物因其储量巨大且转化路径成熟，代表了一股重要的生物质流。利用这些废弃物不仅能产生可再生能源，还有助于减少甲烷（一种强效温室气体）的排放。 

城市废弃物，特别是其中的有机部分，主要由食物垃圾和加工残留物组成。这些材料富含碳水化合物、脂类和蛋白质，非常适合进行厌氧消化、气化和堆肥处理。城市废弃物的增值利用不仅减少了填埋量，还实现了沼气、生物燃料和平台化学品的生产，为可持续的城市废弃物管理策略提供了支持。

转化工艺：生物质如何转化为燃料和化学品

将各种生物质原料转化为燃料、平台化学品、肥料和药物产品，需要复杂的转化技术来分解复杂的有机结构并将其转化为所需的化合物。转化路径的选择取决于预期的最终产品和原料特性，特别是所用原料的含水量、木质素组成和碳水化合物结构。 

有多种生物质转化技术可用于将生物质转化为更有价值的形式，其中占主导地位的是热化学、生化和化学技术。我们分析了 CAS 收录的概念，将其归类到这三种转化技术中，并审查了相关文献，以识别潜在的模式和新兴趋势（见图 3）。

图 3： 生物质转化技术以填充气泡的形式呈现，每个类别内的具体工艺则通过热图表示。颜色梯度表示出版物数量，红色表示出版活动最活跃，绿色表示最不活跃。来源：CAS Content Collection。

我们的分析显示， 热化学技术（利用热量和压力）是研究最广泛的生物质转化平台之一。这些工艺因能快速处理多种原料且具备可扩展、高能效的解决方案而备受青睐，尤其是在生化方法受原料成分限制的情况下。我们数据集中的主要热化学工艺包括碳化、热分解、气化、热解和水热反应。碳化在该类别中处于领先地位，其次是热分解和气化，这凸显了这些技术在生产合成气和生物油等生物燃料，以及生成用于环境应用的生物炭和水热炭方面的重要性。

下一个主要类别包括 生化工艺，即利用微生物和酶将复杂的生物质结构分解为富含能量的化合物。这些方法在温和条件下运行，对于富含碳水化合物的原料非常有效。它们能够以高选择性和高效率生产生物燃料和生物化学品。我们数据集中的主要生化转化工艺包括发酵、酶水解、厌氧消化、糖化和生物降解。发酵是所有三种转化工艺类型中记录最多的，反映了其工业成熟度以及在生产生物乙醇、有机酸、肥料和其他高附加值化学品方面的广泛应用。

最后一类包括 化学转化 方法，这些方法依赖合成催化剂和试剂将复杂的生物质结构分解为更简单的增值化合物。它们与现有工业系统的兼容性使其成为大规模应用的理想选择。我们数据集中的主要化学转化工艺包括水解、氧化、酯交换、加氢和还原。水解占据主导地位，强调了其在将复杂碳水化合物分解为单糖方面的基础作用，这些单糖随后可被加工成 生物燃料 和生物化学品。氧化和加氢工艺的突出地位反映了它们分别在生产平台化学品和直接替代燃料方面的应用。此外，酯交换反应因其简单高效，是生物柴油生产中的关键化学工艺。

尽管这些路径在操作原理上有所不同，但它们共同为生产可持续能源和高价值产品提供了可行的途径，从而减少了对化石资源的依赖。文献在所有三个工艺类别中的均衡分布，反映了业界认识到原料多样性和产品需求需要多技术并举的方法，而大量的研究工作则凸显了生物质转化技术的成熟度和持续的创新潜力。

生物质产品的主要类别

收录于 CAS Content CollectionTM 中的出版物均被分配了 部分编号 ，这些编号基于出版物中所报告的研究内容。我们利用 CAS 收录的部分对出版物进行了分类，分为四大产品类别： 燃料、平台化学品与材料、肥料以及药物。 燃料产品类别的出版物数量最多，其次是平台化学品与材料。肥料类别的出版物数量位居第三，而药物类别的出版物相对较少。

CAS 数据库包含大量具有“产品”角色的索引概念。为了管理这一庞大的数据集，我们将化学成分相似的产品概念整合为统一的产品名称（见图 4）。例如，木炭、焦炭和半焦等相关的碳基材料被归为“碳材料”这一单一类别。

图 4： 生物质转化所得产品。气泡代表产品类别，热图展示了各类别中的主要产品。来源：CAS Content CollectionTM。

在燃料类别中，主要产品为碳材料、脂肪族烃和酯类。在平台化学品与材料类别中，主要的物质组包括碳材料、聚合物和芳香烃。  

尽管碳材料在燃料和化学品/材料类别中均占据最大的物质组份额，但各类别中碳材料的具体类型存在显著差异。在燃料生产中，木炭与焦炭及各种含碳材料占据主导地位，主要作为固体燃料的替代品。而平台化学品与材料领域则侧重于先进的碳产品，包括碳纤维、纳米纤维和活性炭，用于复合材料、储能和环境修复等高价值应用。

酯类是燃料和平台化学品与材料类别中的另一类主要产品。脂肪酸甲酯（生物柴油）在燃料应用中占据主导地位，而平台化学品则利用多种酯类，包括用于油脂化学应用的脂肪酸衍生物。

该类别中最常见的产品包括 肥料 类别包括有机肥料、多营养肥料和生物肥料。有机肥料和多营养肥料可提供植物生长所需的养分，而生物肥料则含有有助于植物生长和健康的活微生物。 

在制药类别中，最常见的产品是天然生物活性化合物、肽和蛋白质水解物以及碳材料。黄酮类、皂苷和生物碱等天然生物活性化合物是制药行业中使用的一些生物质衍生物质。肽类用于治疗代谢性疾病和癌症。蛋白质水解物在制药中用于营养支持和某些治疗特性。碳材料也因其生物相容性、高活性物质负载能力和导电性，以及能够作为 载体 用于多种活性成分而得到应用。

物质共现突显研究活动

为了获得更深入的见解，我们分析了来自以下文献集中的物质共现情况： CAS REGISTRY®（物质数据库），这是一个从科技文献和其他来源中收录并整理出的化学物质数据库。这种 分析 可以揭示原本迥异的观点之间重要的联系，并提示新的研究突破可能来自何处。在此案例中，我们考察了物质共现情况，无论其角色如何，包括产品-产品物质对以及催化剂-催化剂对（见图 5）。

图 5： 物质对的共现模式。(A) 无论角色如何的所有物质对，(B) 产品-产品对，以及 (C) 催化剂-催化剂对，显示了排名靠前的组合的文献数量和专利百分比。条形图根据专利占文献总数的百分比进行了颜色编码。来源：CAS Content Collection。

• 物质共现： 最普遍的共现涉及木质纤维素生物质的主要结构成分，其中纤维素-木质素、纤维素-半纤维素以及半纤维素-木质素对在研究文献中占据主导地位。这些关联反映了生物质分馏和增值策略的整合性质，研究人员必须在加工过程中处理这些生物聚合物之间复杂的相互作用。碳作为一种核心元素，在多种共现模式中均有体现，与纤维素、木质素、氢以及各种无机化合物共同出现。这种普遍性强调了碳的双重作用：既是生物质的结构成分，也是热化学转化过程（特别是碳化和气化反应）中的关键产物。

• 产品共现： 这些共现揭示了对合成气组分的战略关注，其中一氧化碳-氢、氢-甲烷以及一氧化碳-甲烷对表现出极高的专利活跃度，表明商业界对集成气化和合成气应用有着浓厚兴趣。木糖与葡萄糖的共现反映了半纤维素和纤维素水解的研究，而乙酸-丁酸和乙酸-丙酸等有机酸对则展示了发酵路径的优化。苯-甲苯的配对表明了从木质素解聚中生产芳香族化合物，代表了高价值化学品回收策略。

• 催化剂共现： 这些共现以成熟的生物质转化催化体系为首，钴-镍和钯-铂对表现出极高的专利占比，反映了它们在加氢和重整反应中的商业重要性。含镍对在多种组合中的普遍存在，证实了其在生物质转化催化中的核心地位，而氧化铝-二氧化硅的共现则表明了为了在生物质加工环境中增强催化剂性能和稳定性，对载体材料进行的优化。

生物燃料：原料、转化过程与产品之间的联系

生物质衍生燃料具有独特的性质，使其成为化石燃料的可行替代品，这主要得益于其较高的含氧量以及较低的硫和氮含量，从而实现了更清洁的燃烧，并减少了颗粒物和温室气体的排放。尽管生物质分子的含氧特性导致其能量密度低于化石燃料，但生物质燃料具有显著的 优势 ，即碳中和性，因为燃烧过程中释放的二氧化碳在理论上可被生物质生长过程中的吸收所抵消。 

这些燃料的成分根据原料来源（从农业和有机废物到油脂）以及所采用的具体转化过程而有很大差异。

生物柴油、生物乙醇、可直接使用的燃料（drop-in fuel）、沼气和生物油等主要生物燃料，展现出在极少基础设施改造的情况下直接替代特定化石燃料的潜力。由纤维素生物质通过发酵生产的生物乙醇，可以替代汽油或与汽油混合使用，在提高辛烷值的同时降低了单位体积的能量。通过油脂酯交换反应制成的生物柴油，在粘度和十六烷值上与石油柴油高度相似，使其能够作为直接替代品或混合燃料使用，同时减少了颗粒物和碳氢化合物的排放。 

此外，可直接使用的生物燃料（液态生物碳氢化合物）也完全 兼容 可与石油燃料混合使用，且无需对车辆发动机进行任何改装即可等效运行。沼气和提纯后的生物甲烷可替代天然气用于供暖、发电和交通运输，而生物油在经过适当提质后，有望成为重质燃料油的替代品。

为了解生物质转化为燃料的多种途径，我们绘制了燃料产品与其各自转化工艺及原料之间联系的图表（见图 6）。

图 6： 桑基图（Sankey diagram）展示了基于 CAS Content CollectionTM 中文献数量统计的燃料产品与其各自转化工艺及原料之间的联系。

分析显示，富碳材料是主要的燃料产品。这些产品主要通过碳化、热解和热分解等热化学工艺生成，原料包括秸秆、木材及其他植物基残渣。富碳燃料占据主导地位，这是因为木质纤维素残渣与热化学工艺具有直接的兼容性，能够高效产出生物炭、木炭、焦炭等性质稳定、高能量的固体产品。

其次是脂肪族烃类燃料，它们通过加氢、裂化和热分解等化学及热化学工艺生产。这些方法通常应用于植物油和木质纤维素残渣。这些烃类燃料的突出地位反映了目前在开发可替代交通和工业应用中传统化石燃料的“即插即用”型生物燃料方面所做的持续努力。 

以生物柴油为主要代表的酯类，主要通过酯交换反应合成，并以植物油作为主要原料。该产品相关文献数量众多，表明生物柴油近年来已具备良好的可扩展性并获得了监管支持。 

其他燃料相关产品，如芳香烃、焦油、醇类、酚类、醛类和酮类，主要通过植物基残渣和废弃物的热分解获得。最后，羧酸、糖类和低聚糖则通过生化工艺（特别是发酵）生成，所用原料包括秸秆和植物油。 

这一全面的图谱突显了如何通过独特且相互关联的转化路径从生物质中衍生出多种燃料产品，强调了原料选择和工艺优化在推动生物燃料技术发展中的战略重要性。

为了确定关键生物质转化组分的年度（YoY）增长动态，我们生成了一个总结过去三年趋势的散点图（见图 7）。具体而言，图 7A 重点展示了各类燃料产品的增长率，图 7B 聚焦于原料的变化，图 7C 则捕捉了转化工艺的进展。这些趋势共同提供了对生物质利用动态演变的见解，反映了生物能源领域的技术进步和市场适应性。

图 7： 散点图展示了 CAS Content CollectionTM 中 (A) 燃料类产品、(B) 原料和 (C) 转化工艺的年度同比增长趋势。数据点根据专利占比进行颜色编码，红色表示专利份额最高，绿色表示最低。

图 7A 显示，源自脂肪族化合物、芳香族化合物、聚合物和杂环化合物的燃料在过去三年中表现出最高的年度增长率，表明尽管它们的技术成熟度各不相同，但仍具有强劲的发展势头。值得注意的是，脂肪族化合物专利文献的激增，表明商业界对传统化石燃料的生物基替代品有着浓厚的兴趣。 

相比之下，醛类和酮类化合物尽管具有中等程度的研究活跃度，但增长率几乎为零，这可能反映了这些化合物作为主要燃料所面临的未决技术挑战或有限的市场潜力。有趣的是，含氮化合物的增长率虽然不高，但专利文献占比最高，这表明商业界正致力于利用其独特的化学性质进行专门的生物燃料应用开发。 

图 7B 显示，动物脂肪和油类以及纤维类原料表现突出，增长率接近 30%，且专利活动占比最高。这表明这些原料在实际应用中正受到青睐，而非仅限于学术研究，这可能是因为它们非常适合生产生物柴油和航空煤油等高价值燃料。 

相反，植物脂肪和油类在文献中占据主导地位，但增长率微乎其微，专利文献占比也较低，这表明尽管研究兴趣依然浓厚，但其商业化进程可能受到成本或供应链限制的制约。谷壳、甘蔗渣和果渣的增长率集中在 20% 左右，且具有中等的文献活跃度，这标志着植物基残渣在生物质转化中的作用日益凸显。令人惊讶的是，粮食作物、生物废弃物和粪便尽管具有可持续性优势，但增长有限，这可能反映了在收集、加工或规模化方面持续存在的经济或物流挑战。

在图 7C 中，热解工艺表现亮眼，尽管研究活跃度仅为中等，但增长率高达 36%。这种激增很可能反映了其固有的优势，例如加工速度快、能够处理湿原料，以及能够生产生物炭、生物油和合成气等多种高价值产品。碳化和气化等传统热化学工艺的文献量与增长率之间呈反比关系。尽管这些方法因其较高的专利份额而保持了工业相关性，但其增长放缓表明它们正趋于技术成熟，从而降低了研究动力。 

水热反应作为一种极具前景的路径脱颖而出，兼具 26% 的强劲增长率和显著的专利活动。这一趋势表明，中温加工领域的创新具有商业可行性，在严苛的热处理方法和温和的生化路线之间占据了独特的地位。加氢工艺虽然年度增长率极低且研究产出有限，但专利申请比例很高，这可能是由于其在利用多种原料生产燃料和平台化学品方面具有多功能性。生物工艺尽管具有可持续性优势，但增长滞后，这可能是受限于缓慢的反应动力学和规模化挑战，从而持续限制了其工业应用。 

总之，这些趋势凸显了技术成熟度、商业利益和可扩展性如何塑造生物质转化的未来，使其向更高效、更具市场导向的解决方案迈进。

我们确定了燃料类别中的前 15 种物质，并进行了共现分析，以量化和可视化这些物质与其各自原料及转化工艺之间的关联（见图 8）。通过这种方法，我们能够识别出促成每种燃料相关物质合成的主要原料和工艺路径。

图 8： 热图展示了燃料类别中的产品物质与其相关原料及转化工艺之间的共现关系。来源：CAS Content CollectionTM。

氢气的相关文献数量最多，凸显了其作为清洁且 可再生燃料 的重要性，在能源和交通领域有着广泛的应用，例如燃料电池汽车、备用电源系统、工业供热以及电网储能。它主要通过气化和木质纤维素残渣（如木材、秸秆和锯末）的热分解等热化学工艺获得。 

碳是次之的重要物质，由于其高含碳量和能量密度，常以木炭和焦炭的形式用作固体燃料。此外，活性炭等碳基材料被应用于 储能 和转化领域，特别是在电池中作为电极材料。这些碳形式主要通过木材和秸秆等生物质来源的碳化获得。 

甲烷在该类别中位居其后，主要通过气化和发酵工艺从秸秆和粪便等生物质来源中提取。甲烷作为生物燃料被广泛用于发电、供热，并以沼气或压缩生物甲烷的形式用作运输燃料。 

此外，木质纤维素废弃物在气化过程中产生的一氧化碳（CO）可与氢气结合形成合成气，这是一种用于发电的多功能燃料混合物。乙醇也因其高辛烷值、清洁燃烧特性以及可通过秸秆、甘蔗渣、粮食作物和微生物等多种生物质来源发酵生产的可再生性，而被用作车辆的生物燃料。 

平台化学品和材料：原料、转化工艺和产品分析

我们进行了一系列类似的分析，以了解平台化学品和材料的产品类别。首先，我们探讨了生物质原料、转化工艺与这些化学产品之间的相关性（见图 9）。 

图 9： 桑基图展示了平台化学品和材料产品与其各自转化工艺及原料之间的联系，该图基于 CAS Content CollectionTM 中的文献数量绘制。

分析表明，碳材料主要通过碳化工艺生产，该工艺可提高碳含量、减少挥发分，并赋予最终产品多孔结构。热分解和水热反应也是合成木炭、碳纤维和碳质材料等碳材料时采用的重要热化学工艺。通常进行碳化的生物质原料包括秸秆、木材和纤维。

从生物质中生成芳香族化合物的主要工艺之一是解聚，该工艺涉及对复杂聚合物（如 木质素）的催化分解。热分解和加氢是生成芳香族化合物的另外两种重要工艺。 

从生物质生产聚合物主要依赖于聚合反应，通常在发酵工艺之后进行，发酵过程也会产生用于后续聚合的生物基单体。酯交换、碳化和水解等其他方法也被采用，根据生物质的性质和加工条件，这些方法为功能聚合物和富碳材料提供了转化路径。  

加氢是合成醇类和烃类的主要方法。脂肪酸衍生物主要通过酯交换反应获得。这种偏好主要归因于其主要来源的性质：甘油三酯、脂肪酸、丰富的植物脂肪和油类，这使得它们非常适合通过酯交换反应生成其他酯类。水解（包括酶水解）是与糖类和寡糖转化相关的关键工艺之一。 

秸秆和木材也主要与水解工艺相关，该工艺能有效地将其木质纤维素成分转化为糖衍生物。有机酸大多通过水解和热分解获得。酮类和醛类主要与热分解和加氢相关，而氮化合物则主要与加氢相关。总体而言，我们的分析全面概述了各种转化工艺如何与特定的生物质原料相关联，以及这些工艺如何决定所获得的产品类型。

我们还分析了 2021-2024 年期间的平均同比增长率以及专利占比，以确定新兴主题和具有高商业价值的主题（见图 10）。

图 10： 平台化学品和材料产品类别中选定主题的平均增长率与出版物数量及专利百分比的对比。(A) 产品；(B) 来源；(C) 工艺。来源：CAS Content Collection。

有机酸正经历强劲增长，且专利活动适中，反映了其作为聚合物合成和化学中间体平台分子的作用。这一增长得益于将糖类催化转化为乙酰丙酸、琥珀酸及其他结构单元的技术进步，工业界对石油衍生酸的生物基替代品表现出日益浓厚的兴趣。  

聚合物保持稳定增长，专利活动活跃，反映了生物基聚酯、聚氨酯和聚酰胺的持续商业化进程。大量的出版物表明学术界对改善聚合物性能和开发新型生物基单体保持着持续的研究兴趣，而高专利百分比则体现了工业界对市场应用的投入。  

作为产品的碳氢化合物呈现出显著增长，出版物数量适中，专利活动活跃。这种组合表明商业界对用于燃料和化学应用的生物基碳氢化合物生产具有浓厚兴趣。增长的驱动力源于对石油衍生碳氢化合物可再生替代品的需求，以及催化转化技术的进步。

在原料中，粮食作物的专利百分比最高，表明尽管出版物数量适中，但商业兴趣浓厚。这种高专利活动反映了粮食作物加工已建立的价值链，以及可以利用现有农业基础设施的相对直接的商业化路径。植物油脂也表现出高专利活动和大量的出版物数量。高专利百分比表明其在生物柴油生产、油脂化学品和特种应用方面已具备成熟的商业可行性。  

木质纤维素材料作为原料，尽管出版物数量适中，但增长异常迅速。这可能是利用最丰富的生物质资源所取得的新兴技术突破。增长得益于预处理技术、酶系统和综合加工方法的进步，这些技术解决了木质纤维素生物质的顽固性问题。甘蔗渣也表现出强劲增长和大量的出版物数量，反映了其作为一种易于获取的农业残余物的重要性。 

近年来增长迅速的工艺大多与生物质中天然聚合物的转化有关。热聚合物降解在转化工艺中表现出最高的同比增长率。这种显著增长反映了人们对能够将生物质（特别是木质素和纤维素）中的复杂聚合物结构分解为有价值单体单元的技术日益关注。较低的专利百分比表明该领域仍处于早期研究阶段，在知识产权开发方面存在巨大机遇。 

糖化工艺表现出异常增长，出版物数量适中。这反映了其在 转化 木质纤维素生物质为可发酵糖过程中的关键作用。解聚工艺表现出显著增长，这得益于催化解聚、溶剂分馏和选择性键断裂技术的进步，这些技术实现了芳香族化合物及其他有价值化学品的定向生产。  

热解技术同样呈现出高增长态势，且文献发表量适中，反映出该技术已趋于成熟并进入商业化部署阶段。用于生物油生产的快速热解技术以及针对特定化学品的催化热解技术正在推动这一增长。该工艺能够处理多种原料并产生多种产品流，因此在分布式加工和农村经济发展方面极具吸引力。  

碳化技术表现出极高的专利活跃度，文献发表量位居首位，表明该技术已高度成熟并持续创新。高专利占比反映了其广泛的应用领域，包括活性炭生产、农业生物炭以及先进碳材料。商业驱动因素包括环境修复市场、土壤改良应用，以及在能源存储和碳封存方面涌现的新机遇。  

发酵技术表现出高专利活跃度，文献发表量显著，反映了生物技术应用的成熟度。高专利占比表明乙醇、有机酸及其他发酵产品已具备成熟的商业路径。持续的创新重点在于新型微生物、代谢工程以及集成生物加工方法。

除前文讨论的产品外，我们还分析了被赋予产品角色的单一物质（见图 11）。数据显示，研究重点显著集中在 15 种源自生物质转化的关键平台化学品上，其中碳、5-羟甲基糠醛 (HMF) 和糠醛是研究最多的产品。  

图 11： 平台化学品和材料类别中的前 15 种产品，以及与这些物质共现的工艺和来源。来源：CAS Content Collection。

5-羟甲基糠醛 (HMF) 和糠醛是至关重要的呋喃类平台分子，可作为生物燃料、聚合物和精细化学品的前体。HMF 在生产 2,5-呋喃二甲酸 (FDCA) 方面极具价值，后者是聚酯生产中对苯二甲酸的可再生替代品。由糠醛加氢制得的糠醇广泛应用于铸造树脂、粘合剂，并作为呋喃树脂的前体。  

源自生物质碳化工艺的碳材料可产生活性炭、生物炭和碳纳米材料，这些材料对于环境修复、能源存储和土壤改良应用至关重要。显著的研究兴趣反映了生物质衍生碳材料在 应对 多重可持续性挑战方面的多功能性。  

酚类化合物（包括苯酚和愈创木酚）对于生产酚醛树脂、双酚 A 替代品以及各种药物中间体至关重要。愈创木酚凭借其甲氧基官能团，为生产香草醛和其他高附加值芳香族化合物提供了独特机遇。乙酰丙酸作为生产 γ-戊内酯、甲基四氢呋喃以及用作燃料添加剂和绿色溶剂的各种酯类的平台分子，具有重要意义。乙酸和甲酸既可作为化学中间体，也可作为直接工业应用的产品。包括氢气、二氧化碳、一氧化碳和甲烷在内的气态产品，展示了生物质转化与能源生产及合成气生成的整合。生物质制氢尤为 相关 助力新兴的氢能经济。

分析揭示了不同平台化学品在转化工艺选择上呈现出明显的模式。碳化工艺在碳生产中占据主导地位，反映了其通过热处理生产高碳含量材料的有效性。化学水解和酶水解工艺对于解构复杂的生物质天然聚合物至关重要。水解工艺在 5-羟甲基糠醛 (HMF) 和糠醛生产中的突出地位，凸显了其在将纤维素和半纤维素组分转化为呋喃类化合物中的作用。 

酶水解和发酵与乙醇的高共现性，反映了它们在将纤维素分解为葡萄糖等可发酵糖，进而通过发酵生产生物乙醇过程中的作用。热分解和解聚工艺在芳香族化合物生产中表现出极高的相关性，并与愈创木酚和苯酚有着紧密的联系。这些工艺能有效分解木质素结构，从而释放出有价值的芳香族化合物。

原料分析显示，农业残余物在平台化学品生产中占据主导地位。秸秆（包括玉米秸秆、稻草和麦秸）在多种产品中的使用率最高，在糠醛和 HMF 生产中表现尤为突出。这反映了这些材料中较高的戊聚糖和己聚糖含量，使其成为生产呋喃类化合物的理想选择。  

木质生物质作为原料展现出多功能性，与碳生产、糠醛、苯酚和愈创木酚表现出显著的共现性。木质生物质中较高的木质素含量使其特别适合通过解聚生产芳香族平台化学品。其与碳生产的大量共现也反映了木材在木炭和活性炭制造中的传统作用。甘蔗渣在多种产品中的使用较为均衡，其中与糠醛和碳生产的关联度最高。 

生物质产品的未来方向 

生物质转化领域展现出活跃的研究态势，期刊论文数量超过了专利数量，这表明这些材料的商业化仍面临挑战。为了获得广泛应用，生物燃料和生物化学品必须克服“与粮争地”的问题，即主要依赖非食用生物基投入来生产燃料和化学品，而不限制粮食供应或推高食品价格。能源效率和限制转化过程中的排放，也是使这些材料在经济和环境上具有可行性的关键。

这些挑战虽然艰巨，但并非不可逾越。日益增长的环境担忧和化石燃料资源的局限性，将持续推动人们对生物质能源和化学品来源的关注。 工业脱碳 随着世界努力应对气候变化带来的影响，工业脱碳进程必将持续，而生物燃料和生物化学品是实现低排放工业流程的重要组成部分。

正如我们对出版物布局的分析所显示的那样，利用生物质原料和各种转化方法生产受市场青睐的工业产品，存在着巨大的机遇。迄今为止的研究成果表明，相关科学正在不断进步；随着持续的突破，这些生物基材料有望从实验性创新跨越为现代经济所依赖的通用投入品。

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