基于绿色化学原理的废弃食用油碱性酯交换反应多目标优化研究：生物柴油生产的可持续路径探索

本研究针对废弃食用油(WCO)转化生物柴油过程中的技术、能耗与环境可持续性问题，通过响应面法(RSM)优化碱性酯交换反应参数（甲醇/油摩尔比3-9、KOH浓度1-2%、温度45-55°C、搅拌速度350-450 rpm），建立产率（最高89.43%）、能耗（10.2 MJ/kg）与绿色化学平衡（81.4%）的多目标模型，为生物柴油工业化生产提供兼顾效率与环保的解决方案。

　　

随着全球能源转型加速，生物柴油作为化石燃料的绿色替代品备受关注。然而，传统生产方法面临原料成本高、工艺能耗大、环境友好性不足等挑战。废弃食用油(WCO)虽被视为理想原料，但其转化过程中甲醇过量使用、催化剂回收困难等问题导致过程效率与可持续性难以兼得。意大利卡拉布里亚大学的Catia Giovanna Lopresto团队在《Chemosphere》发表的研究，通过创新性地整合绿色化学原理与多目标优化策略，为这一难题提供了系统性解决方案。

研究团队采用中心复合设计(CCD)构建28组实验，通过高效液相色谱(HPLC)监测反应进程，结合折射率分析和Turbiscan稳定性检测，系统评估了甲醇/油摩尔比(M/O)、KOH催化剂浓度、温度和搅拌速度对产率、能耗及绿色指标的影响。关键创新在于引入E因子（环境因子）、原子效率(AEff)等绿色化学参数，建立综合评估体系。

3.1 废弃食用油特性

GC分析显示WCO主要含油酸(57.7%)、亚油酸(25.0%)和棕榈酸(10.4%)，酯化率可达96.7%。酸值(<0.5%)和水分未检出，满足碱性均相酯交换的原料要求。

3.2 反应优化

在55°C、350 rpm、M/O=9、1% KOH条件下获得最高酯产率89.43%（实际转化率92.5%）。值得注意的是，传统高产出条件（如M/O=9）虽提升产率，但导致能量强度(EI)升至13.13 MJ/kg，揭示单一目标优化的局限性。

3.5 能耗分析

实验测得能耗范围为9.65-14.47 MJ/kg，微波辅助等非常规方法可降至7.15 MJ/kg（反应时间缩短至7分钟），但设备成本与放大难度制约其工业应用。

3.6 绿色化学评估

通过归一化处理E'因子（1-E）、AEff、PMP（过程质量生产率）和FSt'（化学计量因子倒数）等指标，构建绿色化学平衡体系。测试23在450 rpm、M/O=6时取得最佳平衡值83.11%，对应EI仅9.65 MJ/kg，但酯产率降至85.25%，凸显多目标优化的必要性。

3.7 多目标优化

通过响应面模型解析发现：

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  产率优化需高M/O(9)与高搅拌(450 rpm)

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  能耗最小化需低M/O(3)与低搅拌(350 rpm)

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  绿色平衡最佳条件为中等参数组合

最终多目标优化确定最佳参数为：M/O=3、1.3 wt% KOH、50.7°C、350 rpm，预测可实现83.3%产率、10.2 MJ/kg能耗和81.4%绿色平衡的协同优化。

该研究突破传统生物柴油优化研究的单目标局限，首次将绿色化学指标量化纳入反应体系评估。提出的多目标模型为工业装置设计提供新范式，其方法论可扩展至其他可持续化工过程。特别值得注意的是，研究揭示出"最高产率≠最绿色工艺"的反直觉结论，这对政策制定者推动生物燃料产业发展具有重要启示。团队建议未来研究应聚焦非均相催化剂开发与甘油增值利用，进一步降低生产成本与环境足迹。这项工作为实现循环经济背景下生物精炼的绿色升级提供了重要技术支撑。