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 代表着迈向可持续能源和化学品生产的关键途径。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。虽然生物质目前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 亿至 2440 亿美元；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。

然而，尽管潜力巨大，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，且现有的转化工艺通常需要高温高压，这增加了资本和运营成本。这些工艺往往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之间的竞争也构成了持续的挑战。此外，当用于生产生物燃料的作物被挪用时，就会出现“粮油之争”，引发对粮食安全和价格上涨的担忧。

为了解决这些问题，研究人员正专注于非粮生物质来源（如农业废弃物和残留物）以及各种转化工艺，以提高效率和可持续性。我们利用 CAS Content Collection^TM（全球最大的经人工标引的科学信息库）对生物质出版物领域进行了深入分析，以更好地了解该领域的发展演变。

通过精心设计的检索策略，我们确定了 2015 年至 2025 年间发表的约 220,000 篇关于生物质转化为增值产品的文献。我们系统地提取并分析了这些文献中的文献计量信息、CAS 标引概念和化学物质，以识别研究趋势并对生物质转化领域产生有意义的见解。我们的分析发现，关于生物质转化及相关研究的期刊论文呈温和增长趋势，出版量在过去十年中几乎翻了一番。相比之下，专利出版物增长的不一致性表明基础研究与其商业化之间的衔接较弱，凸显了阻碍实际应用的运营挑战和技术局限性（见图 1）。

图 1： 生物质转化研究期刊论文和专利族的年度趋势。2025 年数据截至 8 月。来源：CAS Content Collection。

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

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利用的基本原材料，其选择显著影响转化技术的效率和产品产出。

在本分析中，CAS 索引概念根据其来源被划分为不同的类别，即植物源、动物源和城市垃圾（见图 2）。

提示框：了解更多关于 CAS SciFinder® 中的 CAS 词汇表的信息。CAS 概念可以帮助您根据需要构建更精确或更广泛的搜索查询，在研究陌生领域时尤为有用。 在 CAS SciFinder 中搜索 CAS 词汇表 | CAS]

‍

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 内容合集。

植物源残渣和废弃物因其储量丰富且木质纤维素含量高，在出版物领域占据主导地位。该类别包括非食用农业残渣，如秸秆、木材、果壳和纤维，从而避免了“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。秸秆尤为突出，因为它来源广泛且适用于多种转化途径。秸秆含有 30-40% 的纤维素、20-30% 的半纤维素和 15-20% 的木质素，非常适合酶水解、发酵工艺以及热解和气化等热化学转化路径。

木材是第二大主要原料，来源于木屑和刨花等林业残渣。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、颗粒化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，同样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、成分稳定的特点，可高效转化为生物乙醇、生物燃料和多元醇（木糖醇）。

植物源食品类别包括玉米、水稻、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来源。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，果蔬废弃物在生产有机酸、生物燃料和肥料方面的利用率正日益提高。

油脂原料类别以植物源物质为主。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，占 95-98%）组成。三酰甘油是高级脂肪酸与甘油的酯类。它们在生产平台化学品和生物燃料方面的应用也日益广泛。

粪便和家禽垫料等动物废弃物因其来源广泛且转化路径成熟，代表了一类重要的生物质流。利用这些废弃物不仅能产生可再生能源，还有助于减少强效温室气体——甲烷的排放。

城市垃圾，特别是其中的有机部分，以食物垃圾和加工残渣为主。这些材料富含碳水化合物、脂类和蛋白质，适合进行厌氧消化、气化和堆肥处理。城市垃圾的资源化利用不仅能减少填埋量，还能生产沼气、生物燃料和平台化学品，从而支持可持续的城市废弃物管理策略。

转化工艺：生物质如何转化为燃料和化学品

将多种生物质原料转化为燃料、平台化学品、肥料和医药产品，需要先进的转化技术来分解复杂的有机结构并将其转化为目标化合物。转化路径的选择取决于预期的最终产品和原料特性，特别是原料的水分含量、木质素组成和碳水化合物结构。

目前有多种生物质转化技术可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、生物化学和化学技术。我们分析了 CAS 索引概念，将其归类为这三种转化技术，并检查了相关文献，以识别潜在的模式和新兴趋势（见图 3）。

图 3： 生物质转化技术以气泡图形式呈现，每个类别内的具体工艺由热图表示。颜色梯度表示出版物数量，红色代表出版活动最活跃，绿色代表最低。来源：CAS 内容合集。

我们的分析显示，热化学技术（利用热量和压力）是研究最多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提供可扩展、节能的解决方案而受到青睐，特别是在生物化学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，以及为环境应用生产生物炭和水热炭方面的重要性。

下一个主要类别是生物化学工艺，它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物化学转化工艺包括发酵、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、肥料和其他增值化学品方面的广泛应用。

最后一类是化学转化方法，它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简单糖类方面的基础作用，这些糖类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的多样性和产品需求需要采用多技术并举的方法，而大量的研究成果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

CAS 内容合集中索引的出版物根据其报告的研究内容被分配了章节编号。我们利用 CAS 索引章节将出版物分为四个产品类别：燃料、平台化学品与材料、肥料以及医药产品。 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，而医药类别的出版物相对较少。

CAS 数据库包含大量带有“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合并为统一的产品名称（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 内容合集 (CAS Content Collection)。

在燃料类别中，主要产品为碳材料、脂肪族烃和酯类。在平台化学品和材料类别中，主要物质组包括碳材料、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，木炭与焦炭及各类碳质材料占据主导地位，主要作为固体燃料的替代品。平台化学品和材料领域则侧重于先进碳产品，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。

酯类是燃料及平台化学品和材料类别中的另一大主要产品。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，包括用于油脂化学品的脂肪酸衍生物。

在肥料类别中，最常见的产品是有机肥料、多营养元素肥料和生物肥料。有机肥料和多营养元素肥料为植物生长提供所需养分，而生物肥料则含有活微生物，有助于促进植物生长并改善健康状况。

在医药类别中，最常见的产品是天然生物活性化合物、肽类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医药行业中使用的生物质衍生物质。肽类用于治疗代谢性疾病和癌症。蛋白质水解物在医药中用于营养支持和特定的治疗用途。碳材料因其生物相容性、高活性物质负载能力、导电性以及作为多种活性成分载体的能力而得到应用。

物质共现揭示研究热点

为了获得更深入的见解，我们分析了来自CAS REGISTRY® 的出版物集中物质的共现情况，该数据库汇集了从科学文献和其他来源中筛选出的已披露化学物质。这种分析方法能够揭示看似无关的概念之间的重要联系，并预示新的研究突破方向。在此，我们考察了物质共现（不限角色）、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) 不限角色的所有物质对，(B) 产品-产品对，以及 (C) 催化剂-催化剂对，展示了排名靠前的组合的出版物数量和专利占比。柱状图根据专利占总出版物数量的百分比进行了颜色编码。来源：CAS 内容合集 (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-半纤维素和半纤维素-木质素对在研究出版物中占据主导地位。这些关联反映了生物质分馏和增值策略的整合性，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。碳在多种共现模式中均处于核心地位，与纤维素、木质素、氢气及各种无机化合物共同出现。这种普遍性凸显了碳作为生物质结构成分以及热化学转化过程（特别是碳化和气化反应）中关键产物的双重角色。

• 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-氢气、氢气-甲烷和一氧化碳-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兴趣浓厚。木糖与葡萄糖的共现反映了半纤维素和纤维素水解研究，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的回收策略。

• 催化剂共现：以成熟的生物质转化催化体系为主导，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。镍基配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对载体材料的优化，旨在提高生物质加工环境下催化剂的性能和稳定性。

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，使其成为传统化石燃料的可行替代品，主要是因为其含氧量较高，且硫、氮含量较低，从而实现了更清洁的燃烧，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，展示了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之混合，从而提高辛烷值，但会降低单位体积的能量。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非常接近，使其能够作为直接替代品或混合燃料使用，同时减少颗粒物和碳氢化合物的排放。

此外，可直接使用的生物燃料（液态生物烃）也与石油燃料完全兼容，无需对车辆发动机进行任何改造即可等效运行。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过程及原料之间的联系图（见图 6）。

图 6： 基于 CAS 内容合集中文献数量，连接燃料产品与其各自转化过程及原料的桑基图。

分析显示，富碳材料构成了主要的燃料产品。这些材料主要通过碳化、热解和热分解等热化学过程，利用秸秆、木材和其他植物基残渣作为原料制成。富碳燃料占据主导地位，是因为木质纤维素残渣与热化学过程具有直接兼容性，能够高效产出生物炭、木炭、焦炭等稳定的高能固体产品。

其次是基于脂肪族烃的燃料，它们通过加氢、裂解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。这些烃类物质的突出地位反映了当前开发“嵌入式”（drop-in）生物燃料的努力，旨在替代交通和工业应用中的传统化石燃料。

以生物柴油为主要代表的酯类物质，主要通过酯交换反应合成，并以植物油为主要原料。该产品相关文献数量众多，表明生物柴油近年来已获得良好的可扩展性及政策支持。

其他燃料相关产品，如芳香烃、焦油、醇类、酚类、醛类和酮类，主要通过植物残渣和废弃物的热分解获得。最后，羧酸、糖类和寡糖则通过生物化学过程（尤其是发酵）生成，所用原料包括秸秆和植物油等。

这一全面的图谱突显了如何通过不同但相互关联的转化路径从生物质中提取多种燃料产品，并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突显了各类燃料产品的增长率，图7B聚焦于原料变化，图7C则捕捉了转化工艺的进展。这些趋势共同揭示了生物质利用的演变动态，反映了生物能源领域的技术进步与市场适应情况。

图7：散点图展示了CAS内容合集中（A）燃料产品、（B）原料和（C）转化工艺的年度增长趋势及文献数量。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，源自脂肪族烃、芳香烃、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，表明尽管其技术成熟度各异，但仍具有强劲的发展势头。值得注意的是，脂肪族烃专利文献的激增表明，市场对生物基化石燃料替代品的商业兴趣浓厚。

相比之下，醛类和酮类尽管研究活跃度适中，但增长率接近于零，这可能反映了这些化合物作为主要燃料时存在尚未解决的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不高，但专利文献占比最高，这标志着针对其独特化学性质进行专业生物燃料应用的商业化努力正处于重点攻关阶段。

图7B显示，动物脂肪和油脂以及纤维以近30%的最高增长率和最高的专利活动占比脱颖而出。这表明这些原料在实际应用中正获得更多关注，而非仅限于学术研究，这可能归因于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，植物脂肪和油脂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约为20%，且出版活动适中，标志着植物残渣在生物质转化中的作用日益增强。令人惊讶的是，尽管粮食作物、生物废弃物和粪便具有可持续性优势，但其增长有限，这可能反映了在收集、加工或规模化方面仍存在持续的经济或物流挑战。

在图7C中，热解工艺以36%的惊人增长率脱颖而出，尽管其研究活跃度仅为中等。这种激增很可能反映了其固有的优势，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在文献数量与增长率之间呈现反比关系。尽管这些方法因其高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，在中温加工领域出现了具有商业可行性的创新，在严苛的热处理方法与温和的生物化学路径之间占据了独特的地位。加氢工艺尽管年度增长率极低且研究产出有限，但专利申请比例很高，这很可能归功于其能够利用多种原料生产燃料和平台化学品的通用性。生物工艺尽管具有可持续性优势，但增长滞后，这可能受到反应动力学缓慢和规模化挑战的制约，这些因素持续限制了其工业应用。

总之，这些趋势突显了技术成熟度、商业兴趣和可扩展性如何塑造生物质转化的未来，使其向更高效、更具市场驱动力的解决方案迈进。

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）。该方法有助于识别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内容合集。

氢气的文献数量最多，凸显了其作为一种清洁且可再生燃料的重要性，在能源和交通领域有着广泛应用，如燃料电池汽车、备用电源系统、工业供热和电网储能。它主要通过气化和木材、秸秆、锯末等木质纤维素残渣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，特别是作为电池的电极材料。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属性，而被用作车辆生物燃料。

平台化学品与材料：原料、转化工艺及产品分析

我们开展了一系列类似的分析，旨在深入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，展示了基于 CAS 内容合集中文献数量的平台化学品和材料产品与其各自转化工艺及原料之间的关联。

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，即通过催化方式分解复杂的聚合物，例如木质素。热分解和加氢是生成芳香族化合物的另外两种重要工艺。

生物质聚合物的生产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广泛应用，根据生物质的性质和加工条件，这些方法为功能性聚合物和富碳材料的生产提供了路径。

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、丰富的植物油脂，使其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，而含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最终产品的类型。

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，以识别新兴课题和具有高商业价值的领域（见图 10）。

图 10： 平台化学品和材料产品类别中选定课题的平均增长率与出版物数量及专利占比对比。（A）产品；（B）来源；（C）工艺。来源：CAS 内容合集。

有机酸正处于强劲增长阶段，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、琥珀酸及其他基础构件的技术进步，且工业界对石油基酸的生物基替代品表现出日益浓厚的兴趣。

聚合物保持稳步增长，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。大量的出版物表明研究界在改善聚合物性能和开发新型生物基单体方面保持着持续的兴趣，而高专利占比则证明了工业界对市场实施的坚定承诺。

作为产品的烃类呈现出显著增长，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烃类生产具有浓厚兴趣。增长的驱动力源于对石油基烃类可再生替代品的需求以及催化转化技术的进步。

在原料中，粮食作物的专利占比最高，表明尽管出版物数量适中，但商业兴趣依然浓厚。这种高专利活动反映了粮食作物加工业已建立的价值链，以及能够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。高专利占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展现出卓越的增长势头，尽管出版物数量适中。这可能是利用最丰富生物质资源方面的技术突破。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，出版物数量可观，反映了其作为一种易得农业残余物的重要性。

近年来增长最快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中复杂聚合物结构（特别是木质素和纤维素）分解为有价值单体单元的技术日益关注。较低的专利占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。

糖化工艺表现出卓越的增长，出版物数量适中。这反映了其在将木质纤维素生物质转化为可发酵糖方面的关键作用。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和其他有价值化学品的定向生产。

热解工艺也表现出高增长，出版物数量适中，反映了技术的成熟和商业化部署。用于生物油生产的快速热解和用于特定化学品的催化热解正在推动这一增长。该工艺的优势在于能够处理多种原料并产生多种产品流，使其在分布式加工和农村经济发展方面具有吸引力。

碳化工艺表现出极高的专利活动和最大的出版物数量，表明技术已趋于成熟并持续创新。高专利占比反映了其广泛的应用，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，以及在储能和碳封存方面的新兴机遇。

发酵工艺表现出高专利活动和大量的出版物数量，反映了生物技术应用的成熟度。高专利占比表明乙醇、有机酸和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、代谢工程和综合生物加工方法。

除了前几节讨论的产品外，我们还分析了标有产品角色的单个物质（见图 11）。数据揭示了研究界对 15 种源自生物质转化的关键平台化学品的重点关注，其中碳、5-羟甲基糠醛 (HMF) 和糠醛成为研究最多的产品。

图 11： 平台化学品和材料类别中排名前 15 位的产物，以及与这些物质共存的工艺和来源。来源：CAS 内容合集。

5-羟甲基糠醛 (HMF) 和糠醛是关键的呋喃类平台分子，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。糠醇由糠醛加氢制得，广泛应用于铸造树脂、粘合剂以及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、储能和土壤改良应用至关重要。巨大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 替代品以及各种医药中间体至关重要。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物，展示了生物质转化与能源生产及合成气生成的整合。生物质制氢对于新兴的氢能经济尤为重要。

分析揭示了不同平台化学品在转化工艺选择上的独特模式。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。化学和酶促水解工艺对于解构复杂的生物质天然聚合物至关重要。水解在 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方面的作用。

酶促水解和乙醇发酵的高度共现，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方面的作用。热分解和解聚工艺在芳香族化合物生产中表现出特殊的关联性，与愈创木酚和苯酚联系紧密。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，农业残余物是平台化学品生产的主要原料。秸秆（包括玉米、水稻和小麦秸秆）在多种产品中的利用率最高，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。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利用较为均衡，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

生物质转化领域的研究活动十分活跃，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“粮油之争”问题，即主要依靠非食用生物基输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。日益严峻的环境问题和化石燃料资源的局限性，将持续推动人们对生物质衍生能源和化学品来源的关注。工业脱碳将持续推进，因为全球都在应对气候变化带来的影响，而生物燃料和生物化学品是低排放工业流程的重要组成部分。

正如我们对出版物格局的分析所示，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，有着广阔的前景。迄今为止的研究成果表明，科学正在进步；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。

‍