生物基材料绿色加工创新团队对甘薯渣纤维素纳米晶的规模化生产过程进行了技术经济分析

近日，中国农业科学院农产品加工研究所生物基材料绿色加工创新团队对甘薯渣纤维素纳米晶的规模化生产过程进行了系统的技术经济分析，相关研究成果发表于国际知名学术期刊《Sustainable Materials and Technologies》（JCR一区，IF=8.7）。中国农业科学院-比利时列日大学联合培养博士研究生朱顺顺为论文第一作者，孙红男研究员和木泰华研究员为共同通讯作者。该研究得到了中国农业科学院科技创新工程（CAAS-ASTIP-202X-IFST）的资助。

生物基材料是从可再生生物质中通过物理、化学或生物方法提取的绿色材料，因其环境友好性、成本效益和可持续发展潜力而备受瞩目。其中，纳米纤维素被誉为21世纪的生物基材料，具有可生物降解、无毒、比表面积大及表面化学性质可调控等特性，可广泛应用于食品、包装、建筑等领域。纤维素纳米晶（cellulose nanocrystals，CNCs）作为纳米纤维素的重要分支，因其独特的结构和理化性质成为研究热点。尽管已有大量研究聚焦于CNCs的生产方法、结构表征和应用前景，但与传统商业方法（如硫酸水解木材生产CNCs）相比，利用甘薯渣等农业副产物生产CNCs的经济性和环境影响仍缺乏深入探讨，亟待进一步研究以推动绿色制造的可持续发展。

本研究成功实现了甘薯渣CNCs的规模化生产，并基于木材CNCs的商业加工工艺模型，对甘薯渣CNCs的生产过程进行了系统的技术经济分析。结果表明，甘薯渣CNCs为棒状结构，直径范围为15.10-30.90 nm，长度范围为80.80-259.90 nm，具有高度结晶的纤维素I型结构（结晶度为61.0%），突凸出显了其作为复合材料增强成分的应用潜力。同时，其最大热降解温度为347.88 ℃，初始热降解温度大于200 ℃，表现出优异的热稳定性，适合用作环保型生物复合材料的增强材料。此外，甘薯渣CNCs的zeta电位为-40.07 mV，显示出良好的储存稳定性和胶体稳定性。基于日产200吨的加工工艺模型，与商业木材CNCs相比，甘薯渣CNCs生产工艺的总投资成本下降0.244亿美元，年度运营成本减少0.055亿美元，加工工艺的净现值（项目获利能力评价指标）更高，进一步验证了甘薯渣CNCs生产工艺的高经济可行性。

以上研究结果明确了甘薯渣等农业副产物在经济和环保效益方面的优势，探索了其在减少化石燃料使用中的潜力，同时为未来CNCs及生物基材料的生产提供了重要的数据支撑和理论指导。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.susmat.2024.e01232

甘薯渣纤维素纳米晶的制备、表征和技术经济分析