基于生物精炼的废弃甘油增值转化：甘油碳酸酯的工艺模拟与优化研究

本研究针对生物柴油副产物粗甘油的资源化利用问题，通过甘油与碳酸二甲酯(DMC)的酯交换反应合成高值化学品甘油碳酸酯(GC)。研究人员采用Aspen HYSYS模拟和Design Expert 13优化，系统考察温度(40-100°C)、催化剂负载量(4-6wt.%)、DMC/甘油摩尔比(1:1-4:1)等参数影响，发现活塞流反应器(PFR)在88.57°C、6.15min停留时间、3.5:1摩尔比条件下实现98.63%转化率，为生物精炼系统提供了可持续的废弃物升级方案。

　　

随着全球变暖加剧，生物柴油作为化石燃料替代品快速发展，但其副产物粗甘油的大量堆积成为新挑战。甘油碳酸酯(GC)因其环状碳酸酯和羟基的双功能特性，在化妆品、医药、电子等领域具有广泛应用，但传统合成路线存在使用剧毒光气、高压CO等缺陷。如何实现绿色高效的GC合成，成为推动生物精炼闭环的关键科学问题。

研究团队通过Aspen HYSYS v10流程模拟结合Design Expert v13响应面优化，采用芒果皮煅烧灰分(MIPCA)这种富含CaO/K₂O的生物质衍生催化剂，系统比较了连续搅拌釜式反应器(CSTR)与活塞流反应器(PFR)的性能差异。关键技术包括：基于实验数据的动力学建模、多参数交互作用分析、以及包含环境评估的技经分析。

结果与讨论显示：

1. 反应温度对甘油转化率呈非线性影响，80°C后提升趋缓；
2. 催化剂负载量超过4.14wt%时出现活性平台；
3. PFR在3.5:1 DMC/甘油摩尔比下仅需6.15min停留时间即达98.63%转化，效率显著优于CSTR。

环境评估证实：生物质衍生催化剂的全生命周期碳排放比金属催化剂降低62%，且反应副产物甲醇可循环用于DMC生产，形成"CO₂→DMC→GC→甲醇→DMC"的碳闭环。

该研究创新性地将废弃物衍生催化剂与流程模拟技术结合，不仅证实PFR在工业化放大中的优势，更建立了生物柴油副产品高值化转化的完整技术路线。论文发表于《Biomass and Bioenergy》，为实现联合国可持续发展目标(SDGs)中的清洁能源和负责任生产目标提供了具体解决方案。