甘蔗糖蜜与木质纤维素联产粘康酸与丁酸：生物精炼场景的技术经济与环境效益对比

本研究针对生物精炼制造成本高、温室气体排放大的问题，通过Aspen Plus模拟对11种整合蔗糖厂的生物精炼场景进行技术经济与温室气体排放分析。结果表明，利用A-糖蜜生产丁酸(BA)并联产绿氢的场景经济性最佳（最低售价1416美元/吨），而粘康酸(ccMA)生产经济可行性较低；整合一代(1G)与二代(2G)原料可大幅降低温室气体排放（最高减排98%），为生物基化学品生产提供了经济与环境协同优化策略。

　　

随着全球对可持续发展和低碳经济的迫切需求，利用生物质资源生产高附加值化学品已成为替代化石原料的重要途径。然而，生物精炼厂的发展面临着重大的技术和经济挑战：高昂的生产成本、复杂的工艺流程以及能否真正实现温室气体减排目标，这些都直接影响着生物基化学品的市场竞争力。在众多生物基平台化学品中，粘康酸（cis, cis-muconic acid, ccMA）和丁酸（butyric acid, BA）因其广阔的应用前景和市场潜力（目标市场价格约为1700美元/吨）而备受关注。ccMA是生产尼龙前体己二酸的关键潜在替代品，而BA则广泛应用于食品、化工和制药工业。但是，如何以经济可行的方式从可再生资源（如甘蔗加工副产物糖蜜和农业废弃物木质纤维素）中生产这些化学品，并同时实现环境效益最大化，仍然是一个亟待解决的关键问题。

为了系统地回答这些问题，由南非斯坦陵布什大学（Stellenbosch University）的Motshamonyane J. Phasha、Abdul M. Petersen和Johann F. G?rgens组成的研究团队，在《Industrial Crops and Products》上发表了一项综合性研究。他们通过细致的流程模拟与技术经济分析，对比了十一种不同的生物精炼场景，旨在找到最优的生产路径，为产业投资和政策制定提供科学依据。

本研究主要采用了以下几种关键方法：首先，利用Aspen Plus? V11过程模拟软件对十一种不同的生物精炼场景进行了严格的物料和能量衡算，这些场景涵盖了不同的原料组合（第一代糖蜜（1G）和/或第二代木质纤维素（2G））、产品（单独生产BA或ccMA，或联产）以及中和剂选择（传统NaOH/H₂SO₄或可再生的Mg(OH)₂/H₂SO₃系统）。其次，基于模拟输出的设备尺寸和能耗数据，采用了折扣现金流法进行详细的经济评估，核心指标是要求达到20%内部收益率（IRR）所需的最低销售价格（MSP）。第三，依据REDcert方法学（遵循欧盟指令2018/2001）对各个场景进行了温室气体（GHG）排放核算，量化了其相对于化石基准的减排潜力。所有模拟均基于一个处理量为300吨甘蔗/小时的现有糖厂，其提供的A-糖蜜（25.4 t/h）和木质纤维素（65 t/h干基）作为原料来源。

3.1. 1G ccMA和BA场景的物料与能量平衡

分析表明，在仅使用1G原料（A-糖蜜）的场景中，BA的生产率（8.4-8.9 t/h）显著高于ccMA（6.15 t/h）。使用可再生Mg(OH)₂/H₂SO₃系统（S5, S6）虽然增加了工艺的复杂性，但几乎消除了新鲜酸碱的消耗。能量需求上，ccMA生产（S3）因其纯化依靠低温结晶而最为节能（~5 kWh/kg产品），而BA生产因其溶剂萃取和回收过程而能耗较高（~9.5 kWh/kg产品）。回收发酵副产氢气用于销售而非锅炉燃烧，会影响全厂的能源平衡和物料流。

3.2. 1G经济性结果

经济性是决定可行性的核心。计算得到的最低销售价格（MSP）显示，采用可再生试剂系统并销售氢气的BA生产场景（S5）经济性最佳，MSP为1416美元/吨，低于1700美元/吨的市场价格。这主要得益于化学成本的显著降低。相反，ccMA生产场景（S3）的MSP高达2364美元/吨，经济上不可行。销售氢气作为副产品能有效降低BA生产的MSP，而将氢气用作燃料则经济性较差。多产品联产（S4）并未展现出经济优势。

3.3. 1G2G场景的物料与能量平衡

整合1G和2G原料显著提高了产品产量。将预处理水解后的木质素进一步 solubilised（溶解）并用于生产ccMA（S8），使ccMA总产量比仅用糖时（S3）提高了79%。对于BA，整合场景（S9）的产量（16.2 t/h）也接近1G场景（S1）的两倍。然而，2G原料的处理（预处理、酶水解）引入了额外的能耗和设备，使得1G2G场景的能量需求普遍高于1G场景。 lignin的 valorisation（价值化）意味着更少的 lignin被送往热电联产（CHP）锅炉，影响了全厂的蒸汽和电力平衡。

3.4. 1G2G经济性结果

尽管整合原料提升了产量，但高昂的资本支出（CAPEX）和操作支出（OPEX，特别是酶成本）使得1G2G场景的经济性面临挑战。BA生产场景（S9）的MSP为1768美元/吨，最接近市场价格。而采用可再生试剂系统的BA场景（S10, MSP 1954美元/吨）和经济性最佳的联产场景（S11, BA+ccMA, MSP 1935美元/吨）均未能展现出优于传统试剂1G2G场景（S9）的经济性。这表明在1G2G体系中，可再生试剂系统带来的化学成本节约难以抵消其增加的资本和能源成本。

3.5. 参数假设的敏感性分析

对最优经济场景（S5）的敏感性分析表明，产品 yield（产率）是影响MSP最关键的参数。产率提高30%可使MSP降至约1000美元/吨，远低于市场价格，突出了通过菌株改良和工艺优化提高产率的重要性。原料（糖蜜、木质纤维素）价格和氢气售价也对MSP有显著影响。

3.6. 选定场景的温室气体减排

温室气体排放分析揭示了1G2G整合的巨大环境效益。仅使用1G原料的BA场景（S2）排放因子为1.65 kg CO₂eq/kg BA，而整合度最高的联产场景（S11）排放因子仅为0.03 kg CO₂eq/kg BA，实现了99%的减排。可再生试剂系统的使用（S5）也显著降低了1G BA生产的排放。高的减排率（>65%）使得大多数BA生产场景有资格获得10%的绿色溢价（green premium），从而提升其经济竞争力。然而，ccMA生产场景的减排率普遍较低（S3为33%），难以获得绿色溢价。

该研究的结论部分强调，微生物的生产能力、工艺整合策略和副产物价值化共同决定了甘蔗生物精炼厂的经济与环境可行性。对于现有糖厂而言，利用1G糖蜜生产BA并采用可再生试剂系统，是一条在近期内即可实施的、经济上接近可行的绿色化学之路。副产绿氢的销售是提升项目经济性的关键。然而，将生产扩展至整合1G和2G原料时，尽管能带来巨大的环境效益（极高减排率），但其经济性受到2G处理高昂成本的制约，目前仍难以与1G路线竞争。研究结果凸显了在生物精炼厂设计中，选择与可再生试剂系统兼容的产品回收方法至关重要。ccMA的结晶纯化工艺与可再生酸碱系统不兼容，限制了其成本削减潜力，而BA的溶剂萃取则更适配。因此，未来研究应致力于开发新的ccMA回收方法，并探索将ccMA和BA进一步转化为己二酸、丁二醇等更高价值产品的升级路线，从而全面提升生物精炼厂的价值链。这项研究为工业界和政策制定者提供了重要的决策依据，表明需要通过技术创新、政策激励（如绿色溢价）和商业模式创新（如氢能合约）来协同推动生物基化学品的商业化，以应对气候变化和化石资源枯竭的全球性挑战。