《Bioresource Technology Reports》：A multi-approach assessment of a low-TRL lignocellulosic biorefinery for lignin production
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研究人员针对木质纤维素生物炼制作为可持续生物基替代化石技术的潜力，指出当前该类工艺普遍处于低技术成熟度(TRL)，难以与成熟的高TRL化石路线公平比较的问题。为此，本研究对采用有机溶剂法从木质纤维素生物质中生产木质素的低TRL工艺开展了全面的多维度技术与环境性
研究人员针对木质纤维素生物炼制作为可持续生物基替代化石技术的潜力，指出当前该类工艺普遍处于低技术成熟度(TRL)，难以与成熟的高TRL化石路线公平比较的问题。为此，本研究对采用有机溶剂法从木质纤维素生物质中生产木质素的低TRL工艺开展了全面的多维度技术与环境性能评估。研究人员基于专利数据，分别采用过程模拟放大法和基于化工定律的简化计算方法构建了两类核算体系，并将各工序的物质能量流自动耦合至生命周期评价工具(Brightway2、Activity Browser及ecoinvent 3.9.1数据库)，采用环境足迹3.1(EF 3.1)方法计算环境影响。结果表明，溶剂回收与能耗之间存在显著权衡关系，决定了美国科学技术公司(AST)工艺在气候变化影响方面的竞争力(1.2 kg CO2-eq)。研究人员对20个工艺参数、9项性能指标及24项环境影响指标进行了皮尔逊相关性分析、敏感性分析、主成分分析及不确定性分析，识别出生物质组成、木质素溶解转化率、过滤工段滤饼含水率及馏出物流量是影响木质素产率、水耗、总热需求和全球变暖潜势(GWP100)的最敏感参数。动态生命周期评价(dLCA)显示，将AST工艺生产的木质素用作材料时具有随时间变化的气候效益，这与静态LCA结果存在差异。前瞻性生命周期评价(pLCA，采用Premise工具，覆盖2020–2050年)表明，随着电力脱碳及核电与可再生能源占比提升，气候变化影响略有下降，但矿物/金属资源枯竭影响则有所上升。
本研究发表于《Bioresource Technology Reports》，聚焦于解决低技术成熟度(TRL)木质纤维素生物炼制工艺难以与成熟化石技术进行公平环境与经济效益对比的关键科学问题。当前，实验室规模的生物质转化技术数据往往局限于特定实验条件，缺乏工业尺度的可靠数据支撑，导致决策困难。木质素作为木质纤维素的三大组分之一，其高效提取与高值化利用是生物炼制的核心环节。有机溶剂法虽能产出高纯度无硫木质素，但面临溶剂回收能耗高、成本高的瓶颈。美国科学技术公司(AST)开发的以正丁醇为溶剂的有机溶剂工艺虽具潜力，但仍处于低TRL阶段。因此，研究人员旨在通过多方法评估，量化该工艺的技术可行性与环境可持续性，为生物炼制的早期开发与放大提供科学依据。
为开展此项研究，研究人员采用了三个关键技术方法。第一，基于化工过程模拟软件ProSimPlus?构建并放大了AST工艺的流程图(PFD)，同时开发了增强型溶剂回收方案(AST-SR)及基于工程定律的简化核算方法(AST-HC)。第二，集成静态、前瞻性(pLCA)及动态生命周期评价(dLCA)方法，其中pLCA结合REMIND模型与SSP2-NDC情景预测2020至2050年的变化，dLCA则引入时间维度计算全球平均温度变化(GMTC)与累积辐射强迫(iRF)。第三，实施了涵盖20个工艺参数的单因素(OAT)敏感性分析、皮尔逊相关性分析、主成分分析(PCA)及不确定性分析，以识别关键影响因子。
研究结果部分主要包含以下内容。首先是模拟结果验证。研究人员成功将AST工艺放大至日处理0.5吨生物质规模，模拟所得木质素产率(98.3%)与专利数据偏差仅1%，单位生物质能耗(1.96–2.23 kWh/kg)与文献报道范围一致，验证了模型的可靠性。其次是生命周期评价(LCA)结果。增强溶剂回收方案(AST-SR)使新鲜正丁醇消耗降低90%，在大多数环境影响类别中表现优于基准方案，但在全球变暖潜势(GWP100)上表现出溶剂减排与加热增排的权衡，基准方案GWP100为1.2 kg CO2-eq。简化计算方法(AST-HC)虽可用于初步估算，但在考虑复杂内部循环时误差较大(-50%至+63%)。前瞻性LCA(pLCA)结果显示，至2050年，得益于法国低碳电力结构(核电为主)，气候变化影响呈下降趋势，但矿物资源枯竭(ADP)与人类毒性(无机物)因能源转型对金属需求的增加而上升。动态LCA(dLCA)结果揭示，静态LCA忽略了生物碳捕获与排放的动力学特征；将木质素制成材料使用时，其在20至40年的使用期内表现出净降温效应(负辐射强迫)，直至废弃焚烧才释放储存的碳，证实了时间维度对气候效益评估的重要性。参数分析与不确定性分析表明，生物质木质素含量、溶解转化率及过滤效率是决定工艺性能的最敏感参数；经济分配系数与生物质组成的波动是导致环境评估结果不确定性的主要来源。
讨论与结论部分指出，低TRL技术的环境评估必须依赖可靠的放大数据。本研究证实，AST工艺的环境绩效主要受溶剂使用与回收能耗之间的权衡所驱动。虽然简化工程算法适用于早期筛选，但模拟方法对于优化复杂的内部循环至关重要。前瞻性分析提醒，未来能源结构的脱碳虽能降低碳排放，却可能加剧矿产资源压力。动态评估进一步证明，生物基产品的气候效益具有时效性，其最终环境影响高度依赖于产品寿命与报废管理策略。总体而言，该研究构建了一个灵活透明的多方法评估框架，能够有效支持新兴生物炼制技术在早期开发阶段的决策与放大。
