《Bioresource Technology Reports》：Techno-economic analysis of lignin-first biorefinery using reductive catalytic fractionation of rice straw
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以稻秆为原料通过还原催化分离（RCF）工艺生产木质素原油和第二代乙醇，采用Aspen Plus软件进行稳态模拟，计算得出木质素原油最低售价为2.53美元/千克，全球变暖潜能为2.7千克二氧化碳当量/千克原油。研究重点在于工艺经济性分析与环境影响评估，关键参数包括溶剂回收效率、催化剂成本和废液循环优化。
Panneerselvam Ranganathan
化学工程系，印度卡利卡特国立理工学院（NIT），科泽科德，673601
摘要
木质素优先还原催化分馏（RCF）是一种新的木质纤维素生物精炼工艺，其中首先分离木质素以生产木质素油，然后将剩余的全纤维素部分升级为第二代（2G）乙醇。为了评估RCF工艺的商业潜力，技术经济分析是一个强有力的工具。在这项工作中，对基于RCF的生物精炼工艺进行了建模，以生产木质素油和2G乙醇作为稻草的副产品。使用Aspen Plus软件进行了稳态模拟，以确定工艺设计中的质量和能量流动。基于质量和能量平衡的结果，通过折现现金流方法计算了木质素油的最小销售价格（MSP），在2G乙醇价格固定的情况下。木质素油的最小销售价格为每公斤2.53美元，这一数值在文献报道的范围内较高。此外，还进行了敏感性分析，以确定影响工艺成本的关键参数。另外，还评估了RCF油生产过程中的全球变暖潜力（GWP），以二氧化碳当量（CO2 eq.）表示，以进行环境评估。观察到GWP约为每公斤木质素油2.7公斤二氧化碳当量。因此，需要在膜分离技术、低成本催化剂和最佳液体回收方面进行进一步的研究和开发，以证明基于RCF的生物精炼概念的商业潜力。
引言
文献中已经开发了木质纤维素生物精炼技术，旨在从木质纤维素生物质中生产生物燃料和生化产品（Byun和Han，2020；Madadi等人，2025a，Madadi等人，2025b）。许多研究致力于通过综合生物精炼模型从生物质中生成高价值产品，如乙醇、糠醛和酚类（Madadi等人，2025a，Madadi等人，2025b）。Madadi等人（2025a）开发了一种转化型生物精炼模型，旨在同时生产生物燃料和可再生平台化学品，如糠醛和酚类。该模型每年处理1.4亿吨杨树生物质，可减少7530万吨二氧化碳排放，并节省173亿美元的社会经济成本。然而，该模型主要依赖于木质纤维素底物中的糖分利用，而木质素部分的附加值较低。例如，在第二代（2G）生物乙醇工艺中，研究主要集中在糖分的回收上，而没有考虑处理对木质素部分的影响；因此，木质素是在乙醇蒸馏后回收的，并用于发电，这是一种低效的利用方式。然而，木质素是一种由芳香基团组成的复杂成分，具有显著的价值提升潜力，可以转化为高附加值的大宗化学品和精细化学品。因此，提高木质素部分的利用效率对于推动木质纤维素生物精炼向循环经济的转变至关重要。此外，生产高价值木质素单体（如愈创木酚和丁香酚）对于提高木质纤维素生物质的可持续生物精炼效率具有巨大潜力（Madadi等人，2025b）。文献中很少有研究报道通过超结构设计和优化将技术经济分析和环境评估结合起来（Giuliano等人，2025；Robinson等人，2022）。还原催化分馏（RCF）是一种木质素优先分解的方法，其中首先分离木质素，然后再升级剩余的全纤维素部分（Van den Bosch等人，2015；Bartling等人，2020）。该过程通常使用有机溶剂和氢供体，在高温（200–250°C）和高压（50–100 bar）下，借助金属（Pd、Ni、Ru）支持的催化剂进行，有助于将木质素转化为酚类单体、二聚体和寡聚体。这种方法在不影响碳水化合物流回收的情况下，能够产生高产量的稳定木质素单体。该过程通常使用氢化金属支持的催化剂，促进木质素转化为特定的C9酚类单体，如丙基愈创木酚、丙醇愈创木酚和异丁香酚（Renders等人，2017）。所产生的木质素单体可以通过精心选择和工程化的微生物宿主转化为高附加值产品，如粘康酸、β-酮二酸、PHB或脂质（Perez等人，2022；Werner等人，2023；Sener等人，2025）。
RCF通常在实验室规模上进行，资本支出占57%，运营支出占35%（Arts等人，2023）。该过程能耗较高，因为生物质较低热值（LHV）的73%在此过程中被利用。此外，操作压力是主要成本驱动因素，需要约750–1000 psi的甲醇压力。这表明需要转向低蒸汽压溶剂、缩短停留时间和无氢操作，以降低整个过程的成本。文献中的RCF研究主要集中在催化剂开发上，以保留多糖。最近，Madadi等人（2025c）通过机器学习（ML）建模报道了可扩展的木质素生产方法。作者收集了来自先前RCF研究的约3500个数据点，以建模和优化木质素单体的生产。使用ML驱动的建模框架，开发了每年处理1.4亿吨杨树生物质的工艺模型，以计算经济和环境参数。
为了使RCF工艺在经济上可行，有必要生产副产品。在这方面，从木质纤维素生物质中生产的RCF油和2G乙醇是否具有成本效益？为了研究这一点，概念性评估或设计案例为理解RCF技术涉及的各种过程的潜力提供了详细的基础。这有助于识别可以通过研发显著降低成本的技术障碍。表1展示了RCF技术的技术经济分析文献综述。Bartling等人（2020）报告称，当乙醇价格为0.44美元/升时，RCF原油的最小销售价格为每公斤1.13美元。使用了每天处理2000公吨干生物质的能力。Arts等人（2023）报告称，当每天处理15万吨桦木时，原油的最小销售价格为每公斤1欧元，每公斤产品产生1.5公斤二氧化碳。作者报告称，缩短反应时间、降低温度和增加液体回收可以提高RCF生物精炼的经济性。
最近，Daelemans等人（2025）批判性地回顾了两种配置的还原分解技术——RCF和RCD（还原催化分解）的技术和经济前景，并报告了原油的最小销售价格为每公斤3.23欧元。更近期，Sener等人（2025）通过工程菌株Novosphingobium aromaticivorans DSM12444从木质素单体中生产了2-吡酮-4,6-二羧酸（PDC）。RCP产生的碳水化合物浆液被转化为乙醇。作者在乙醇价格固定的情况下报告了PDC的最小销售价格。这些研究主要集中在特定类型的生物质上，如桦木和杨树。然而，关于稻草的研究在文献中尚未报道。具体来说，印度每年产生约1.12亿吨稻草，其中只有20%被利用（Singh和Arya，2021）。部分稻草在田间直接燃烧，导致严重的空气污染。因此，政府承诺建设多个基于稻草的2G乙醇工厂。因此，有机会设计结合稻草作为原料的RCF工艺和2G乙醇工厂。
因此，本工作的目标是开发一种基于木质素优先还原催化分馏（RCF）的稻草生物精炼工艺，每天产能为10万升（LPD）2G乙醇。利用所提出设计的质量和平衡结果，进行了技术经济分析，以评估从稻草中通过木质素优先RCF生产RCF木质素油和第二代乙醇的情况。此外，还研究了在2G乙醇价格固定的情况下，RCF原油的最小销售价格的各种工艺参数。
部分摘录
工艺设计
所提出工厂的设计基础是每天处理540吨干生物质。由于印度已经提出了许多日产能为10万升（KLPD）的2G乙醇工厂，因此该工厂的产能能够生产10万升生物乙醇，主要产品是来自稻草的木质素原油。RCF工艺的工艺流程图以及基于稻草的2G乙醇工厂如图1所示，提出的工艺流程图如下
质量和能量流动
使用商业软件Aspen Plus V12（Aspen Plus 2006）模拟了稻草到木质素油和2G乙醇的工艺，以获得材料和能量流动。图3显示了基于100公斤稻草的RCF工艺的质量流动。在RCF工艺中，100公斤干稻草产生15.48公斤木质素原油，需要100升水、900升甲醇和5.4公斤氢气。甲醇溶剂与水的体积比为9:1。大约90%的原始
结论
本研究提出了稻草还原催化分馏的工艺设计和技术经济分析，用于生产木质素油和生物乙醇。基于RCF的木质素油在下游升级方面具有优势，因为其含有高含量的单体和低分子量的寡聚体，碳产率和稳定性高。计算出的最小销售价格和全球变暖潜力分别为每公斤RCF油2.53美元和每公斤RCF油2.7公斤二氧化碳当量（CO2 eq.）。进行了敏感性分析
CRediT作者贡献声明
Panneerselvam Ranganathan：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，监督，项目管理，方法论，调查，概念化。
未引用参考文献
Román-Leshkov和Beckham，2021
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
