通过微生物油脂和乙醇提纯生产航空生物燃料的工艺分析及技术经济比较

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《Fuel》：Process analysis and techno-economic comparison of aviation biofuel production via microbial oil and ethanol upgrading

【字体：大中小】 时间：2025年10月17日 来源：Fuel 7.5

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　　本研究评估了四种基于木质纤维素生物质的可持续航空燃料（SAF）生产路径，包括合成气发酵（SYN-HDT和SYN-ATJ）和糖发酵（SUG-HDT和SUG-ATJ）。通过Aspen Plus模拟发现，乙醇路线（SUG-ATJ）在燃料产率（63%）和碳利用率（32.5%）上最优，但需较高电力；合成气路线（SYN-HDT）能源自给但产率较低（42%）。经济分析显示，SUG-ATJ单位燃料成本最低（1.24€/L），而合成气路径因设备投资高导致成本较高。研究指出微生物油路径需优化产率、氢需求和水耗，才能与乙醇路线竞争。

　　全球气候变化和全球变暖已成为人类和地球生态系统面临的主要挑战之一。为了防止全球变暖超过1.5°C的临界点，必须迅速部署零排放技术。航空和海运行业因其在温室气体（GHG）排放中的重要作用，成为国际社会关注的重点领域。航空业的排放量预计将在2050年达到21.2 Gt CO?，而海运业的CO?排放量可能比2012年增长250%。因此，寻找可持续的替代能源对于这两个行业实现碳中和目标至关重要。

运输业是欧盟第二大温室气体排放源，其排放量在过去30年中持续上升，而电力化技术在道路和铁路运输中可以有效减少排放。然而，航空运输仍需依赖与化石燃料相似的可持续燃料。航空燃料必须满足严格的规格要求，而海运燃料则需要在现有船舶基础设施的基础上进行升级。这些行业面临独特的挑战，因此需要不同的解决方案来实现其减排目标。

生物燃料作为一种可再生能源，已成为减少运输业碳排放的重要策略。国际能源署（IEA）预测，到2050年，生物燃料可能占全球运输燃料的27%。在航空领域，可持续航空燃料（SAF）尤其重要，因为航空发动机需要符合特定要求的燃料。目前，HEFA（氢处理酯和脂肪酸）是商业生产中唯一经过市场验证且具有成本竞争力的路径。然而，HEFA面临一些挑战，如可用性和成本限制，尤其是使用过的烹饪油（UCO）和动物脂肪作为原料。这些限制加上对某些第一代生物燃料的碳减排潜力的担忧，使得HEFA的长期可持续性受到质疑。因此，研究者开始关注其他技术，特别是使用更丰富和可持续的生物质原料，如木质纤维素残渣。

在接下来的二十年里，先进的生物质原料和相关技术预计会成熟，从而解决HEFA的原料限制问题，并推动先进生物燃料的规模化生产。其中，微生物油作为一种有前景的原料，正在被关注。微生物油通常定义为由油脂积累微生物（如脂肪酵母）在细胞内积累的脂类，其含量可超过细胞干重的20%。微生物油的组成与植物油相似，可能成为HEFA工厂的可行原料。已有研究表明，微生物油的生产成本可能在1.2–1.81 €/kg之间，取决于规模和生产效率。然而，由于微生物油的生产仍处于早期阶段，其经济性仍有待进一步研究。

另一种生产SAF的路径是酒精制航空燃料（ATJ）过程，其中酒精（主要是乙醇）通过催化反应升级为航空燃料。ATJ路径有两种主要方法：一种是乙烯的寡聚化，另一种是Guerbet反应。研究表明，基于乙烯的寡聚化方法在航空燃料生产中表现更优。对于ATJ路径，乙醇的生产是关键因素。乙醇可以通过两种主要路径生产：一种是水解-发酵路径，其中生物质首先被化学和酶解处理，然后通过微生物如酵母发酵生成乙醇；另一种是气化路径，其中生物质衍生的合成气（主要由H?、CO和CO?组成）被细菌发酵生成乙醇。从经济角度来看，ATJ路径的乙醇原料成本是其关键因素，对航空燃料的最低售价有显著影响。

本研究评估了四种基于生物质的路径，用于从木质纤维素生物质（如小麦秸秆）生产类似航空燃料的生物燃料。这四种路径包括：（1）通过气化和合成气发酵生产微生物油，再通过加氢处理生成航空燃料；（2）通过水解生成糖，再通过发酵生成微生物油，最后进行加氢处理；（3）通过气化和合成气发酵生成乙醇，再通过ATJ过程升级为航空燃料；（4）通过水解生成糖，再通过发酵生成乙醇，最后通过ATJ过程升级为航空燃料。这些路径利用了木质纤维素生物质，符合CORSIA（国际航空碳抵消和减排计划）和欧盟REDD II（可再生能源指令）的可持续性标准。

研究的主要目的是评估这四种路径在技术性能和经济可行性方面的表现。微生物油路径在技术成熟度方面不如乙醇路径，因此本研究提供了从先进原料生产微生物油的首个全面的经济评估，并将其与ATJ路径进行比较。此外，详细的工艺集成和成本估算使得能够提取有关这些新路径如何更具竞争力的有用信息。通过填补这一研究空白，本研究有助于开发可扩展且经济高效的替代HEFA的方案，从而帮助航空业实现其长期脱碳目标。

研究的创新之处在于对微生物油路径进行全面的经济和技术评估，这是首次在工业规模上与已建立的ATJ过程进行比较。本研究采用Aspen Plus?进行模拟，以确保模型的准确性，并通过与文献数据的对比验证其结果。模拟结果揭示了不同路径在燃料产量、能量效率和氢气需求方面的显著差异。例如，SUG-ATJ路径在航空燃料产量和碳利用率方面表现最佳，但其外部电力需求较高，导致能源密集型。相比之下，SYN-HDT路径在电力自给方面表现较好，但其总体燃料产量和碳效率较低。SYN-ATJ路径则在能源自给和航空燃料产量之间取得了良好的平衡。SUG-HDT路径的氢气需求和电力消耗相对适中，但其在航空燃料生产方面的表现不如ATJ路径。

从碳平衡的角度来看，SUG-ATJ路径的碳利用率最高，达到32.5%。然而，其他路径（如SYN-HDT和SUG-HDT）由于微生物油生产过程中较高的碳损失（如液态发酵的废气），其碳利用率较低。在能源分析方面，SUG-ATJ路径的能源需求最高，而SYN-HDT路径则在能源自给方面表现较好。研究还发现，水的使用量在这些路径中也是一个重要因素，尤其是在糖基路径中，由于水解和发酵反应器在低温下运行，其新鲜水需求较低。然而，随着规模扩大，水的使用可能对可持续性产生影响。

在经济评估方面，微生物油路径（SYN-HDT和SUG-HDT）的总设备成本和资本投资较高，尤其是由于微生物油生产过程中较高的氢气需求和多步骤提取和纯化过程。相比之下，ATJ路径的总成本较低，这使得它们在经济上更具吸引力。然而，微生物油路径的生产成本仍然较高，特别是在需要外部氢气的情况下。研究还发现，乙醇生产成本在SUG-ATJ路径中较低，这使得其在经济上更具竞争力。此外，生物质成本在整体成本中占有重要比例，达到24–28%。使用成本较低但较难处理的生物质原料（如生物残渣和废弃物）可以进一步降低生产成本。

研究还分析了如何通过优化工艺来提高微生物油路径的经济性。例如，开发更高效的微生物菌株，减少氧气需求，以及利用可再生能源供应氢气，可以显著提高微生物油路径的竞争力。此外，提高氢气利用效率和减少废气排放也是关键因素。通过这些改进，微生物油路径可能在未来的航空燃料生产中发挥更大作用。

尽管本研究提供了有价值的见解，但仍存在一些局限性。首先，许多工艺参数（尤其是微生物油发酵和回收）基于实验室或试点数据，这可能无法完全代表工业性能。其次，长期连续运行数据稀缺，特别是对于气化和气相发酵过程。第三，一些工艺模块使用了标准设计假设，这些假设虽然与文献一致，但可能无法完全捕捉某些变量，如不同原料的糖或合成气组成变化、抑制性副产物的形成以及先进清洁步骤的能量成本。第四，资本和运营成本估计仍然存在不确定性，这些估计没有考虑技术学习、供应链改进或政策激励可能带来的成本降低。最后，更广泛的可持续性因素，如水足迹、土地使用影响或间接温室气体排放，未在本研究中进行评估，但这些因素可能影响不同路径的吸引力。

综上所述，本研究为航空燃料生产提供了重要的技术经济评估，强调了不同路径在燃料产量、碳利用率和经济性方面的差异。虽然乙醇路径在某些方面更具优势，但微生物油路径的长期潜力值得进一步研究。通过优化菌株和催化剂，提高生产效率和燃料选择性，微生物油路径有望成为航空燃料生产的可行替代方案。此外，研究还指出，未来的研究应关注生命周期评估、水足迹分析以及碳捕集和利用（CCU）技术，以全面评估不同路径的环境影响。通过克服当前的技术瓶颈，微生物油路径可能在航空燃料生产中发挥关键作用，从而推动航空业实现其长期脱碳目标。

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