通过超声辅助催化将非食用原料转化为生物柴油的价值实现：进展、挑战与未来展望

《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》：Valorization of Non-Edible Feedstocks for Biodiesel Production via Ultrasonic-Assisted Catalysis: Advances, Challenges and Future Perspectives

　　• 非食用原料的可持续价值化用于生物柴油生产。
• 新出现的异质催化剂结构提高了催化效率。
• 超声波处理加速了酯交换反应并改善了质量传递。
• 通过稳定性、再利用和物料平衡来评估催化剂性能。
• 评估可再利用性、物料平衡、生命周期评估（LCA）、技术经济分析（TEA）和放大可行性。

**引言**
全球对能源需求的增加、对化石燃料耗尽的担忧以及减少温室气体排放的需要，加速了可再生和可持续交通燃料的发展。生物柴油主要由脂肪酸烷基酯（FAAE）组成，作为一种重要的可再生替代品，因为它具有生物降解性，含硫量极低，可以从多种脂质资源中生产，并且可以在符合适当燃料质量规格的现有压缩点火发动机中使用（Farouk等人，2024年）。生物柴油通常是通过将富含甘油三酯和游离脂肪酸的原料与短链醇进行酯交换反应来生产的，整个过程的效率取决于原料的性质、催化剂特性、反应条件和质量传递行为。因此，当前的研究逐渐从单纯最大化生物柴油产量转向开发具有原料灵活性、高效率、可回收性、经济可行性和环境可持续性的催化过程，以满足大规模生物柴油生产的需求（Hossein Esmaeili，2022年）。

传统上，生物柴油生产主要依赖于大豆油、菜籽油、葵花籽油和棕榈油等可食用植物油脂，因为它们易于获取，脂肪酸组成相对适宜，并且已经建立了相应的加工基础设施（Nazia Hossain等人，2019年）。然而，大规模使用可食用油脂作为燃料引发了关于食品与燃料竞争、农业土地需求、生物多样性、原料成本和资源可持续性的问题（Perumal，2023年）。这些限制促使人们更加关注非食用和废弃物来源的脂质资源，包括麻疯树、印度桐、印度枫香、蓖麻、橡胶籽、荷荷巴、废弃食用油、动物脂肪等低价值脂质资源。这些原料可以减少对食品级油脂的依赖，并支持废物转化和循环生物经济模式的实现（Govindhan，2023年）。不过，这些原料的物理化学性质差异较大，尤其是游离脂肪酸（FFA）和水分含量较高，脂肪酸组成复杂，以及杂质的存在，使得生物柴油生产变得复杂，需要选择合适的催化剂，在某些情况下还需要进行预处理（Perumal & Mahendirtadoss，2021年）。

传统的均相碱性催化剂，如NaOH和KOH，在适宜条件下能提供快速的反应速率和高转化率，但由于FFA和水的存在会导致皂化产物形成、催化剂中和、催化剂难以分离、产生废水以及催化剂回收性有限，因此其应用于非食用和废弃物来源的原料受到限制（Parameshwar等人，2024年；Hao Wang等人，2026年）。这些限制推动了向异质催化剂系统的研究，这类催化剂能够实现更简单的催化剂分离、回收和再利用，同时减少下游纯化需求。最近的发展包括固体碱催化剂、固体酸催化剂、双功能酸碱催化剂、负载型催化剂、磁性催化剂、多孔催化剂和纳米结构催化剂，催化剂性能与表面酸碱性、活性位点密度、比表面积、孔结构、颗粒大小、形态、结晶度以及催化剂与载体的相互作用密切相关（Ghosh等人，2024年）。对于低FFA含量的油脂，固体碱催化剂（如CaO、MgO、SrO和混合金属氧化物）通常更有效；而对于高FFA含量的原料，固体酸催化剂更为有利，因为它们可以促进酯化反应并减少皂化产物的形成。双功能酸碱催化剂能够同时进行酯化和酯交换，为处理难处理的非食用和废弃物来源的原料提供了有效的途径。最近的研究还探索了利用富含钙的残留物、灰分、生物炭和其他富含矿物质的材料作为催化剂来源，以结合催化效率与低成本催化剂生产（Luo等人，2017年；Heng Zhou等人，2026年）。

生物柴油产量的提高与催化剂物理化学性质和反应条件之间的相互作用密切相关。强而易接近的碱性位点有利于醇的活化及甘油三酯的酯交换反应，而酸性位点则促进游离脂肪酸的酯化反应（Pdamou等人，2024年）。高比表面积和合适的孔尺寸增加了反应物到达活性位点的机会，而纳米级颗粒尺寸和改进的活性相分散可以减少扩散限制（Shanthini等人，2025年）。然而，仅凭高生物柴油产量并不能说明催化剂性能优越，催化剂的稳定性、活性物种的浸出、再生能力、机械强度和可再利用性同样重要。最新研究表明，在优化实验室条件下，某些先进的异质催化系统的转化率可超过90-97%，但由于原料组成、催化剂制备、催化剂负载量、醇与油的比例、温度、反应时间和反应器配置的不同，直接比较各种系统的产量较为困难（Ghosh等人，2025年）。

当异质催化与超声波处理结合时，声空化作用可以改善油-醇乳化、催化剂分散、界面接触和外部质量传递。因此，超声异质催化系统的有效性取决于催化剂结构、表面性质、活性位点可及性和超声操作条件的综合作用，而不仅仅是催化剂的活性本身。超声 amplitude、声功率、频率、占空比、反应器配置和特定能量输入都会影响空化强度，从而影响反应动力学和生物柴油转化率（Oza等人，2024年）。尽管在异质催化剂用于生物柴油生产方面已有大量研究，但仍存在一些重要空白。以往的综述通常分别讨论原料、催化剂开发、纳米催化剂或超声波处理，而没有将催化剂来源、形态、物理化学性质、超声条件、反应动力学和生物柴油产量综合在一个框架内进行分析（Johari，2024年）。特别是，对于催化剂结构与活性位点特性之间关系及其对生物柴油转化率影响的明确建立关注不够。此外，由于原料性质、催化剂制备方法、反应条件和超声反应器配置的差异，催化剂性能的直接比较也较为复杂。此外，催化剂性能通常仅通过生物柴油产量来评估，而对其浸出、再生能力、长期可再利用性、能耗、物料平衡、标准化燃料质量验证、生命周期评估（LCA）、技术经济分析（TEA）和放大可行性的系统研究相对较少。表S1使用七个维度对本文进行了基准对比：原料范围、催化剂家族、超声/反应参数、反应动力学、催化剂浸出/稳定性、LCA/TEA和放大可行性。

基准对比表明，现有文献在这些问题上提供了宝贵的但分散的证据。例如，Pravin和Baskar（2024年）的研究展示了使用Mimusops elengi种子油和Ulva intestinalis油的可回收磺化Zn掺杂生物炭催化剂的技术经济和环境潜力，报告了21.59%的投资回报率（ROI）、4.63年的回收期、最低售价0.81美元/千克以及每千克生物柴油0.088千克二氧化碳的碳足迹。然而，该研究对超声处理的描述并不全面。Ihsan等人（2025年）展示了双功能异质催化剂的伪一级动力学和32.58千焦/摩尔的活化能，但未提供完整的LCA/TEA和超声处理框架。最近使用CoFe2O4@磺化氧化石墨烯处理废弃椰子油的研究展示了结合异质纳米催化、超声辅助处理和动力学分析的价值，但其LCA/TEA和工业化放大的研究仍有限。这些例子表明，虽然存在重要的技术进步，但它们尚未在整个工艺链中得到系统性的整合。

本文的创新之处在于建立了一个综合的先进框架，用于超声辅助的非食用原料生物柴油生产，系统地连接了原料特性、催化剂来源和形式、催化功能、物理化学性质、表面酸碱性、活性位点可及性、催化剂结构以及超声操作参数与反应动力学和生物柴油转化率之间的关系。与以往主要讨论原料、异质催化剂、纳米催化剂或超声辅助处理的独立话题不同，本文批判性地评估了它们对催化性能、质量传递、反应动力学、催化剂稳定性和可再利用性的相互影响。另一个贡献是将催化剂浸出、再生、分析验证、物料平衡、超声能耗、LCA、TEA和放大可行性整合到一个共同的评估框架中，从而区分了高实验室规模的生物柴油产量和技术上及环境上可行的工艺。本文还确定了结构-活性-过程之间的关系，并指出了超声空化相对于传统搅拌方法的优势条件。这一综合框架为设计稳定、可回收、节能、兼容原料且可扩展的可持续生物柴油生产催化剂系统提供了关键基础。

因此，本文的目标是提供关于超声辅助的非食用原料生物柴油生产中异质催化剂的先进和批判性评估，特别关注催化剂来源和形式、固体酸催化剂、固体碱催化剂和双功能催化剂系统、先进的催化剂结构、物理化学性质、催化机制、超声处理参数、反应动力学、生物柴油产量、催化剂稳定性和可再利用性。本文进一步评估了分析验证、能源需求、LCA、TEA、放大挑战和商业化前景，以识别当前的技术限制和未来研发高效、经济可行和环境可持续的生物柴油生产工艺的机会。

**文献搜索策略和可重复性搜索协议**
为了识别非食用和废弃物来源脂质原料超声辅助生物柴油生产的科学进展，P. Govindhan博士在2025年4月至2026年3月期间使用了Scopus、Web of Science Core Collection、ScienceDirect、SpringerLink、Wiley Online Library、ACS Publications、Taylor & Francis Online和Google Scholar数据库进行了系统的、可重复的文献搜索（Kombe，2024年）。

**生物柴油生产技术**
由于生物柴油具有生物降解性、更低的温室气体排放、更高的十六烷值以及与现有柴油发动机系统的兼容性，它已成为一种有前景的可再生替代品（Pedzisai等人，2025年）。生物柴油主要从基于脂质的原料中生产，包括可食用和不可食用的植物油脂、废弃食用油、动物脂肪和微生物脂质（Pedzisai等人，2025年）。虽然可以直接使用植物油脂作为替代品，但...

**超声辅助生物柴油生产的基础**
超声处理已成为生物柴油生产中最具前景的工艺强化技术之一，因为它显著提高了质量传递效率、减少了反应时间、降低了能耗并改善了催化剂利用率。与传统机械搅拌的酯交换反应不同，超声处理促进了不相容的醇-油反应介质中微小空泡的形成、生长和剧烈破裂（Gupta等人，2020年；...

**影响生物柴油生产的因素**
多个操作参数显著影响生物柴油的生产效率，包括：(i) 醇与油的质量比，(ii) 反应温度，(iii) 反应时间，(iv) 超声操作参数，(v) 催化剂负载量。在各种生物柴油生产技术中，酯交换反应因其高转化效率和操作简便性而最被广泛应用（Govindhan，2024年；Ghosh等人，2024年）。

**生物柴油生产原料**
原料的选择是影响生物柴油生产经济可行性、环境可持续性和燃料质量的最关键因素之一。原料的特性，如油含量、脂肪酸组成、游离脂肪酸（FFA）浓度、水分含量、可用性、栽培要求和生产成本，直接影响催化剂的选择、预处理要求、转化效率和整体工艺经济性（Govindhan，2024年；Ghosh等人，2024年）。

**参与生物柴油生产的催化剂**
催化剂在生物柴油生产中起着关键作用，通过加速甘油三酯的酯交换和游离脂肪酸（FFA）的酯化反应，从而提高反应动力学、生物柴油产量和整体工艺效率。选择合适的催化剂需考虑多个因素，包括原料质量、FFA和水分含量、反应条件、催化剂稳定性、产物分离和工艺经济性（Govindhan，2024年；Ghosh等人，2024年）。在过去二十年里，...

**超声辅助酯交换的动力学表达（伪一级模型）**
动力学建模对于理解酯交换机制、评估催化剂性能、优化反应条件和设计工业生物柴油反应器至关重要。在超声辅助的生物柴油生产中，当醇过量存在时，甘油三酯（TG）与短链醇（通常是甲醇）的酯交换过程通常用伪一级动力学模型描述（Ghosh等人，2024年）。

**生物柴油质量的物料平衡和分析验证**
异质催化剂在生物柴油生产中的性能通常通过生物柴油产量和甘油三酯转化率来评估。然而，这些参数不足以全面评估催化系统的性能，因为它们不能反映完全转化、产物纯度或整个物料平衡的闭合情况。许多已发表的研究中仅报告了生物柴油产量，而没有考虑残留的单甘油酯、二甘油酯和甘油三酯、过量的甲醇和甘油（...

**异质催化剂家族的全面比较**
表13全面比较了用于非食用原料生物柴油生产的主要催化剂家族，不仅考虑了催化活性，还考虑了原料耐受性、催化剂稳定性、再生能力、工业可扩展性、经济可行性和环境可持续性。该比较表明，没有一种催化剂能同时满足高效、经济可行和环境可持续的所有要求（...

**全球环境视角**
由于原料可用性、农业实践、土地使用政策和国家可再生能源策略的差异，生物柴油生产的环境可持续性在不同地区存在显著差异（...因此，环境评估应在区域政策框架、可持续性认证体系以及生命周期温室气体（GHG）核算方法的背景下进行解读（Jeswani等人，2020年）。在拉丁美洲，透明的评估框架对于比较超声波辅助异质生物柴油生产的可持续性和经济性能至关重要。基于此，本初步的技术经济评估（TEA）以1千克纯化生物柴油为功能单位进行标准化，并考虑了从摇篮到大门/从工艺到大门的边界，涵盖原料准备、油提取、预处理、超声波辅助酯交换、分离和纯化等环节。

未来展望
超声波辅助异质催化已成为利用非食用生物资源生产可持续生物柴油最具前景的工艺强化策略之一。声学空化与可重复使用的异质催化剂的协同结合显著提高了传质效率，加速了酯交换反应动力学，减少了催化剂消耗，并提高了生物柴油产量，同时最大限度地减少了废水生成。尽管取得了这些进展，但超声波辅助生物柴油生产的性能仍受原料质量、催化剂功能与结构以及超声操作条件等多方面因素的综合影响，而不仅仅是生物柴油产量的因素。对于低游离脂肪酸（FFA）含量的原料，固体碱性催化剂特别有效；对于高FFA含量的油类，固体酸性催化剂更为适用；而双功能酸碱催化剂则能更好地适应具有挑战性的非食用和废弃物衍生原料。此外，磁性多孔材料在生物柴油生产中也展现出潜力。

未引用的参考文献：
Govindhan, 2023; Perumal and Mahendiradoss, 2021; Ghosh et al., 2024; Rida et al., 2025; Esmaeili, 2022; Nabanita and Gopinath, 2022; Nazia et al., 2019; Pravin, 2024; Bizualem and Gashu Nurie, 2024; Neha et al., 2024; Ministry of New and Renewable Energy, 2022; Malani et al., 2026; Bui and Manickam, 2023; Qiongyu et al., 2024; Serges et al., 2024; Wan et al., 2024; Jon et al., 2026; Sakshi et al., 2026; Basir et al., 2026; Lu et al., 2023; Govindhan, 2026; Harumi et al., 2022; Forough et al.,

利益冲突声明
未收到任何资助。

致谢
P. Govindhan 非常感谢印度泰米尔纳德邦蒂鲁奇拉帕利市的SRM TRP工程学院提供的财务支持（批准编号：SRM/TRP/RI/005）。