化石燃料消耗的持续增加凸显了寻找可持续替代品的迫切需求。因此，生物质等可再生资源被视为传统化石资源的可行替代品[1]。生物质生物精炼技术的出现是构建可持续社会的重要一步[2]。木质纤维素（LCB）已成为生产生物燃料和化学品的主要候选材料。它是地球上最丰富的天然生物聚合物[3]，主要由木材、草类和农业废弃物组成，其主要成分是纤维素、半纤维素和木质素[4]。LCB的特点是碳水化合物含量高达75%[5]，是生产可发酵糖的重要来源，在生物精炼过程中起着关键作用[6]。这些糖类可以作为多种产品的多功能构建块，应用范围涉及不同行业。特别是将木质纤维素糖转化为生物燃料（如第二代乙醇）具有巨大的市场潜力，因为全球汽油消耗量巨大。
然而，LCB的天然结构（称为生物质抗性）严重阻碍了水解酶对纤维素的接触，导致酶解产糖效率低下。因此，预处理是破坏LCB细胞壁结构不可或缺的步骤。预处理过程的主要目标是提高纤维素的酶解性，这可以通过去除半纤维素和木质素、降低纤维素结晶度以及增加孔隙度来实现，从而在后续的酶解步骤中实现高效的糖释放[7]。在各种预处理方法中，化学预处理是最有前景的方法之一，具有最广泛的应用前景。在化学预处理过程中，使用化学试剂破坏LCB的抗性结构，实现半纤维素的部分水解和木质素的去除，降低纤维素的聚合度，增加孔隙度[8]。化学预处理通常具有双重效果：释放木糖和提高纤维素的可接近性。
动力学建模在预处理过程中起着关键作用，因为它可以作为预测反应速率和优化条件的重要工具，从而提高后续糖释放的效率。在化学预处理过程中，生物质组分会发生溶解，从而影响纤维素的暴露程度。因此，理解生物质组分的动力学有助于解释预处理过程的机制。然而，LCB是一种复杂的生物材料，具有多种化学成分和称为生物质抗性的分层超分子结构，使植物细胞壁具有不溶性特征并抵抗降解[9]。此外，预处理反应通常发生在两相（液-固）或三相（气-液-固）系统中，反应、质量和热量传递方面具有复杂特性。因此，LCB的预处理是一个复杂的系统（根据化学工程定义），因此无法进行严格动力学建模。为了适当地描述生物质组分的溶解（水解）动力学，需要对系统进行简化。通常，用于生物质化学预处理的动力学模型可以分为伪均相和异质建模，这取决于是否考虑了质量传递的影响（图1），而本文主要关注伪均相建模。
伪均相建模是本文的主要焦点，它采用了一个关键的简化假设，即将多相预处理系统视为单一的均相系统，从而忽略了显式的质量传递效应。这一广泛类别可以进一步细分为“现象学建模”（当建模基于操作因素的数学回归时）和“伪均相动力学建模”（当它基于化学反应动力学的机制原理时）。相比之下，完全异质建模考虑了不同相中的反应和伴随的质量传递现象，代表了一种更复杂的方法，本文不予讨论。因此，本文首先讨论了LCB的复杂结构和预处理的必要性（第2节），然后综合了现象学严重性参数的发展（第3节），接着批判性地考察了应用于主要化学预处理途径（包括酸性、碱性、有机溶剂法和氧化法）的等温伪均相动力学模型（第4节）。讨论进一步扩展到了与工业操作更密切相关的非等温动力学（第5节）。最后，讨论了这些主导建模范式的挑战和未来展望（第6节）。通过专注于均相和伪均相方法，本文旨在提供对其原理、应用和描述LCB预处理反应动力学发展的全面深入分析。这些模型可以作为进一步优化和控制预处理过程的有用工具，以提高效率并理解其潜在机制。
