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为解决第一代（1G）乙醇的环境问题及第二代（2G）乙醇成本高、技术不成熟等挑战，研究人员评估甘蔗制糖厂 1G2G 生物乙醇生产的集成与预处理方案。发现全年运行、邻近工厂原料整合等可降低最低乙醇售价（MESP），液热水（LHW）预处理较优。该研究为生物乙醇生产提供新思路。
生物乙醇作为交通运输和化工领域脱碳的重要途径，其需求正随着环保要求的提升而快速增长。然而，传统第一代（1G）乙醇依赖粮食作物，存在与粮争地等环境争议；第二代（2G）乙醇虽以木质纤维素为原料，但面临技术不成熟、资本成本高、工艺复杂等问题，如工业 2G 工厂产能利用率仅 40–70%，且预处理成本占生产总成本高达 40%。此外，甘蔗制糖厂季节性运行导致设备利用率低，如何实现全年高效生产、降低成本成为行业难题。
为突破上述瓶颈，南非研究人员开展了甘蔗制糖厂邻近工厂原料整合的 1G2G 生物乙醇生产技术经济研究，相关成果发表在《Biochemical Engineering Journal》。研究通过模拟不同工艺场景，分析全年运行、预处理技术、原料整合规模等对生产成本和能效的影响，旨在探索经济环保的生物乙醇生产模式。
研究主要采用 Aspen Plus V11? 进行流程模拟，结合非随机双液（NRTL）和电解质 NRTL 热力学模型，模拟不同预处理（蒸汽爆炸 STEX、液热水 LHW）、发酵策略（C5 单糖发酵、C5&C6 共发酵）及原料整合（1 厂或 2 厂供料）场景的质量和能量平衡，并通过经济评估模型计算最低乙醇售价（MESP）、资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX），分析关键参数对成本的影响。
3.1 质量和能量平衡
- 乙醇产率与能效：C5&C6 共发酵场景乙醇产率（332–367 L / 吨原料）显著高于 C5 单糖发酵（220–273 L / 吨），LHW 预处理因更高的半纤维素和纤维素转化率，产率达 337 L / 吨。1G2GST 场景因糖浆生产能耗高，比能耗达 11.2 GJ / 吨乙醇；LHW 通过热水循环和热集成，能耗较文献降低 70%。
- 原料整合效益：引入邻近工厂原料后，乙醇产量提升 13–52%，2 厂配置通过规模效应降低预处理设备投资，MESP 下降 13–22%。C5 单糖发酵因保留更多纤维素用于能源回收，能源自给能力更强。
3.2 经济性能
- 全年运行优势：相比季节性运行，全年运行使 CAPEX 降低 21%，MESP 下降 11%，凸显设备利用率对成本的关键影响。
- 预处理技术对比：LHW 预处理的 CAPEX 比 STEX 低，MESP 为 1.25 US$/L，且避免 STEX 设备腐蚀问题。纳米过滤系统虽增加成本，但减少废水排放和糖损失。
- 多厂整合潜力：2 厂配置的 1G2GBS 场景 MESP 低至 1.16 US/L 的 MESP 成为更可行方案，且运输距离对成本影响有限（300 km 时 MESP 仅增 3%）。
3.3 敏感性分析
提高 LHW 预处理固含量至 25% 可使 MESP 下降 11%，酶成本降低至 5 US
/L，显示工艺强化和技术创新的降本空间。
结论与意义
研究表明，邻近工厂原料整合与全年运行结合 LHW 预处理、C5&C6 共发酵，可显著降低 1G2G 生物乙醇成本，其中 LHW 预处理通过热集成和固含量优化展现突出潜力。该研究量化了区域工厂协同效应，为甘蔗制糖厂向低碳生物炼制转型提供了技术路径，对推动生物乙醇产业规模化、可持续发展具有重要参考价值。未来需进一步优化物流规划和环境影响评估，以实现工业化应用。
