《Biomass and Bioenergy》：Sustainable ethyl levulinate production from oil palm empty fruit bunch: Integrated techno-economic analysis and life cycle assessment
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全球人口呈指数级增长，引发能源需求激增，导致不可再生的化石燃料迅速枯竭。在马来西亚，交通运输部门约占能源总需求的40.1%，其中柴油是主要能源来源。柴油因其优越的能量密度而被广泛用于物流和海外航运。然而，对化石能源的持续依赖带来了显著的环境风险，主要是温室气体
全球人口呈指数级增长，引发能源需求激增，导致不可再生的化石燃料迅速枯竭。在马来西亚，交通运输部门约占能源总需求的40.1%，其中柴油是主要能源来源。柴油因其优越的能量密度而被广泛用于物流和海外航运。然而，对化石能源的持续依赖带来了显著的环境风险，主要是温室气体（GHG）排放增加所导致的全球变暖。
为应对这些环境挑战，研究聚焦于通过使用含氧添加剂来提升燃料性能。乙酰丙酸乙酯（EL）已成为一种有前景的低毒、可生物降解的生物基替代品。使用EL的主要优势在于其高氧浓度，有助于更完全燃烧并减少颗粒物（PM）排放。此外，EL的低冰点（?79 °C）显著改善了柴油混合物的倾点和浊点，解决了生物柴油使用中高冰点这一主要障碍。
历史上，蔗糖因其高转化效率而被广泛研究用于乙酰丙酸（LA）的生产，LA是EL的主要中间体。然而，蔗糖的工业规模实施对原料安全和食品市场稳定构成风险。因此，现有研究重点已转向可持续的木质纤维素材料。油棕空果串（EFB）因其丰富的可利用性和化学适用性，在马来西亚已成为一种特别有潜力的原料。马来西亚作为全球棕榈油生产领导者，每年产生约2200万吨EFB废弃物。传统的EFB焚烧加剧了空气污染。尽管已有研究报道LA产率相对较低（17.6%），但EFB的大量可利用性使其成为工业规模增值化的理想候选原料。将EFB转化为高价值生物化学品（如EL），为应对棕榈油加工过程中产生的废弃物提供了可持续解决方案，并与马来西亚推动生物能源、生物精炼和循环生物经济发展的国家战略路径相一致。
此前研究已推进了EFB衍生生物化学品的可持续性评估方法。已有研究将基于遗传算法的多目标优化应用于EFB生产LA，以协调经济、环境和安全目标。另有研究在其他原料和工艺配置下报告了EL生产的技术经济和环境评估。然而，尚无研究采用统一的基于模拟的框架来联合评估不同EFB转化为EL路线的技术、经济和环境性能。
为填补这些空白，本研究提出了一个全面的多维可行性框架，比较三条不同的EFB转化为EL的转化路径。所有三条路径均在Aspen Plus中进行了严格模拟，以确定节能的工艺配置。随后进行了技术经济分析（TEA），以确定各路径的资本投资、运营成本和整体盈利能力，该分析专门针对马来西亚棕榈油行业的经济环境定制。此外，通过门到门的生命周期评估（LCA）评估了每条转化路线的环境足迹，以量化关键可持续性指标。最终，本研究通过可持续性指数（SI）提供整体评估，该指数超越了理论反应合成，为EFB商业化增值转化为EL确定了最具可持续性和经济稳健性的配置。
可持续生产乙酰丙酸乙酯的综合性多维评估框架研究解读
一、研究背景与问题提出
全球人口的快速增长推动了能源需求的急剧上升，导致不可再生的化石燃料迅速消耗。在马来西亚，交通运输部门占全国总能源需求的约40.1%，其中柴油作为主要能源被广泛用于物流和海外航运领域。然而，对化石能源的持续依赖引发了严重的环境问题，尤其是温室气体（GHG）排放增加导致的全球变暖。为缓解这些环境压力，研究者开始关注通过含氧添加剂改善燃料性能。乙酰丙酸乙酯（EL）凭借其高氧含量、低毒性及可生物降解性，成为极具潜力的生物基柴油添加剂替代品。EL的高氧浓度有助于燃料更完全燃烧并减少颗粒物（PM）排放，其极低的冰点（?79 °C）还能显著改善柴油混合物的倾点和浊点性能，克服了生物柴油应用中高冰点的关键障碍。
在EL的生产原料选择上，传统上以蔗糖为主要原料生产乙酰丙酸（LA）——EL的关键中间体，因其转化效率较高。然而，蔗糖的工业规模应用会威胁原料安全和食品市场稳定。因此，研究重心转向可持续的木质纤维素类生物质。油棕空果串（EFB）作为马来西亚棕榈油产业每年产生约2200万吨的废弃物，因其储量丰富且化学组成适宜，成为极具吸引力的第二代生物质原料。传统上EFB通过焚烧处理，造成空气污染。将EFB增值转化为EL等高价值生物化学品，不仅能解决棕榈油加工过程中的废弃物问题，也契合马来西亚推动生物能源、生物精炼和循环生物经济发展的国家战略。
此前已有研究对EFB衍生生物化学品进行可持续性评估，例如采用遗传算法多目标优化协调LA生产的经济、环境与安全目标，也有研究在其他原料和工艺配置下评估EL生产的技术经济与环境性能。然而，尚无研究采用统一的模拟框架，对不同的EFB转化为EL的工艺路线进行技术、经济和环境维度的联合评估。这一研究空白促使本研究开展。
二、研究内容与主要结论
本研究构建了一个综合的多维可行性评估框架，系统比较三条不同的EFB转化为EL的转化路径。三条路径均基于成熟的酸催化和加氢化学，使用商业化催化剂，具备工业规模比较的基础。所有路径均在Aspen Plus中严格模拟，以确定节能的工艺配置。随后开展技术经济分析（TEA），评估各路径的资本投资、运营成本和整体盈利能力，并针对马来西亚棕榈油行业的经济环境进行定制。同时，通过门到门的生命周期评估（LCA）量化各转化路线的关键环境可持续性指标。最终，通过可持续性指数（SI）对各路径进行整体评价，以识别最具可持续性和经济稳健性的商业化配置。
研究结果表明，采用两步法将糠醛经糠醇转化为EL的路线（路线2）在技术、经济和环境维度上均表现最优。路线2可实现23.5 wt%的EL产率，年利润达1.0037亿林吉特（RM 100.37 million），并通过最小化公用工程排放实现了最低的全球变暖潜势。该路线在全部可持续性评价标准中占据主导地位。
三、关键技术方法
本研究采用的主要技术方法包括：基于Aspen Plus的过程模拟，使用NRTL物性方法模拟极性混合物的非理想液相行为，采用RSTOIC化学计量反应器模拟多数反应步骤，并选择性使用Rplug反应器应用动力学速率表达式；过程优化采用Aspen Plus灵敏度分析工具，对精馏塔的回流比、理论塔板数和馏出物与进料比（D/F）等关键操作变量进行参数化评估；技术经济分析（TEA）通过设备尺寸计算、成本关联式、化学工程工厂成本指数（CEPCI）通胀修正及Lang因子估算资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）；生命周期评估（LCA）采用门到门方法量化各路径的环境足迹。三条路径均以3.95吨/小时的原始EFB进料为统一质量平衡基础。
四、研究结果
4.1 技术性能评估
通过Aspen Plus模拟，三条路线均实现了工艺的稳态运行。路线2采用两步法，即糠醛在铜铬催化剂上加氢生成糠醇，再经α-Fe2O3催化剂在乙醇和氢气参与下通过溶剂解反应转化为EL，最终经精馏纯化并回收乙醇循环利用。路线2实现了23.5 wt%的EL产率，为三条路线中最高。
4.2 技术经济分析（TEA）
基于设备尺寸计算和成本关联式，结合Lang因子估算，路线2展现出最优的经济性能，年利润达RM 100.37 million。该路线的资本支出和运营支出在三条路线中处于最具竞争力的水平，主要得益于其简化的两步工艺减少了设备数量和公用工程消耗。
4.3 生命周期评估（LCA）
门到门生命周期评估显示，路线2通过最小化公用工程排放实现了最低的全球变暖潜势。其简化的工艺流程降低了蒸汽和电力需求，从而减少了与能源生产相关的温室气体排放，在环境可持续性方面表现最佳。
4.4 可持续性指数（SI）综合评估
多准则可持续性指数综合了技术性能、技术经济分析和生命周期评估各维度的权衡。评估结果显示，路线2在所有可持续性评价标准中均占据主导地位，成为EFB商业化增值转化为EL的最优工艺配置。
五、讨论与结论
讨论部分指出，路线2的优势源于其简化的两步反应路径，避免了路线1和路线3中涉及5-羟甲基糠醛（5-HMF）和LA的多步转化及相应纯化步骤，从而降低了设备投资和能量需求。研究结论强调，通过统一的模拟框架联合评估技术、经济和环境维度，路线2被确定为最具可持续性和经济稳健性的EFB转化为EL的工艺方案，为马来西亚棕榈油产业废弃物的高值化利用提供了可行的商业化路径。
