蒸馏单甘酯（DMG）是油脂化工行业中的关键产品之一，预计到2035年，全球DMG市场将稳步增长，达到13.72亿美元[1]。DMG作为一种安全、可生物降解的非离子表面活性剂，在食品和药品产品中表现出优异的乳化性能[2]。由于无毒特性，食品工业中使用的超过75%的乳化剂都来源于DMG。DMG还有助于饮料澄清过程。DMG可以通过各种脂肪酸来源的甘油解作用合成，包括甘油三酯（TG）、游离脂肪酸（FFA）和生物柴油或脂肪酸甲酯（FAME）。使用碱性催化剂对植物油或脂肪中的TG进行甘油解是生产单甘酯（MG）和二甘酯（DG）的传统方法，且不会产生副产品。然而，传统工艺需要200-260°C的高反应温度来克服非极性油和极性甘油之间的不溶性。超过250°C的高温度不仅会导致产品分解，还会加剧不饱和脂肪酸的聚合，从而影响产品质量，如口感和颜色[3]。为了降低反应温度，提出了溶剂辅助操作的方法。Kumoro[4]研究了使用碱性催化剂和异丙醇作为共溶剂对废弃食用油进行甘油解的情况，在甘油与废弃食用油的摩尔比为3:1、异丙醇与油的体积/重量比为2:1、温度为80°C、NaOH用量为3%以及反应时间为90分钟的条件下，最终产品中含有89%的MG和1.01%的TG。尽管在较低的反应温度下获得了高纯度的MG，但过量使用溶剂可能会给下游工艺带来纯化负担。
FFA的甘油解通常用于在酸性催化条件下从纯化的月桂酸和硬脂酸原料中生产特定的MG，如单月桂酸酯和单硬脂酸酯[5,6]。这种反应最近也被认为是减少高FFA原料中FFA含量的一种优选方法，以便进行生物柴油生产的酯交换[7]。在使用无催化剂系统中，通过在230°C下以1:1的FFA与粗甘油摩尔比进行甘油解，150分钟内FFA含量从30%降至1%以下。然而，在这种温度下产品呈现深色[8]。离子液体（IL）催化剂被提出用于降低甘油解温度。Zong等人[9]使用四甲基氨二氢磷酸盐（[N1,1,1,1][H2PO4）对辛酸进行甘油解，在150°C下，使用6:1的甘油与辛酸摩尔比和5%的IL催化剂时，转化率为87.7%，MG产率为78.4%。
近年来，由于环境考虑和可持续性目标，将工业废弃物作为替代原料的价值化受到了越来越多的关注。Debnath等人[10]指出，从废弃物材料制造生物表面活性剂或乳化剂可以将生产成本降低30-50%，这更加资源高效且环保。将废弃物利用与简单且可扩展的技术相结合，增强了经济可行性，同时促进了环境可持续的工艺[11]。作为最丰富和可持续的废弃物资源之一，废弃食用油（WCO）在全球范围内大量产生，这主要是由于全球食用油消费量很高，每年约为1700万吨[12]。随着WCO年增长率达到2%，数据显示废弃物转化为高附加值产品的循环利用非常显著[13]。棕榈脂肪酸蒸馏物（PFAD）含有丰富的FFA，是生产DMG的廉价资源[14,15]。据报道，2020年全球PFAD的产量约为250万吨，约占粗棕榈油（CPO）总消费量的4%[16]。PFAD是棕榈油精炼行业的副产品，其FFA含量较高，而WCO主要是由TG组成的消费后废弃物，FFA含量取决于其降解历史[17]。此外，由于东南亚地区强大的棕榈油产业和广泛的食品服务行业，PFAD和WCO在该地区都非常丰富。因此，选择这两种原料是基于（i）工业相关性，（ii）持续可用性，以及（iii）它们转化为更高价值乳化剂（DMG）的潜力，从而促进循环经济，并有助于实现可持续发展目标12（负责任的消费和生产）和可持续发展目标13（气候行动）[18]。
大多数关于MG合成的研究都集中在实验室规模上，使用单一类型的原料（如TG或FFA）与纯甘油反应。很少有研究比较不同生产方法（包括化学（CHEM）、自催化（AUT）和酶法（ENZ）过程）在投资可行性和运营成本方面的性能[5,19]。然而，在这些报告中，基于DMG产品纯度足够高的假设，明确排除了纯化步骤。实际上，由于纯化过程涉及大量的化学和能源消耗，通常占总制造成本的60-80%，从而显著影响整体经济可行性[10]。因此，如果从分析中排除纯化步骤，可能会严重低估技术经济评估（TEA）的结果。
生命周期评估（LCA）评估了生物精炼厂和生物基产品在其整个价值链中的环境影响，考虑了系统边界、影响评估方法和不确定性[20]。只有Kopsahelis等人[21]报告了通过生物技术过程从脂肪和废弃油生产MG的100年全球变暖潜力（GWP100）为180.75千克二氧化碳当量（CO2-eq），而Noll等人[22]报告了每千克生物表面活性剂（鼠李糖脂）的碳足迹为7.58千克二氧化碳当量（CO2-eq）。使用可比的从摇篮到大门边界，这些排放量的显著差异可归因于环境影响评估方法的不同。到目前为止，还没有研究全面评估化学表面活性剂生产的环境影响，限制了工业规模可持续DMG制造的过程选择。
本研究重点是通过WCO和PFAD的甘油解生产DMG，这种方法特别适合生产高价值的DMG。使用废弃物和残余原料可以提高经济可行性和工艺可持续性，并减少对动物源性食品来源的竞争。因此，这两种原料代表了不同的化学特性（富含FFA的系统与以TG为主的系统），这显著影响了甘油解行为、催化剂性能、下游分离过程（DSP）要求以及整个工艺的经济性。需要注意的是，MG是在连续反应序列中形成的中间产品。因此，之前在实验室规模上进行的实验中的动力学参数是基于商业可用催化剂和MG产品的高选择性来选择的，以反映系统中的实际成分[9,4]。此外，DMG乳化剂的特性在将其与TG、DG和FFA混合物分离以满足欧洲委员会（EFSA食品添加剂和营养来源小组[23]定义的食品级蒸馏单甘酯或DMG标准（E471）方面提出了关键挑战。由于极性和非极性MG增强了相界结构，使得相分离变得困难。为了解决这个问题，本研究提出了一种适当的单元操作顺序，包括皂化反应器和真空蒸馏，以在工业规模上经济地实现90%的DMG纯度。合适的甘油解原料是基于关键工艺性能选择的，包括TEA和从摇篮到大门边界的LCA。通过Sankey图可视化了每个过程中涉及的原材料直至产品生成的二氧化碳当量（CO2-eq）排放对全球变暖的贡献，以便更好地了解环境影响的改进。还进行了敏感性分析，以观察DMG工艺的可行性，不仅从经济角度，还建议了最小化环境影响的最佳生产率。整合TEA和LCA有助于在财务性能和长期可持续性之间取得平衡[[24], [25]]。本研究实现了废弃物和残余物的升级利用，以生产DMG产品，这支持了循环生物经济原则，并符合油脂化工行业的全球可持续性目标，尤其是在东南亚地区。
