非食用滨彤（Cerbera manghas L.）油生产生物柴油的技术经济研究

《Bioresource Technology Reports》：A techno-economic investigation of biodiesel production from non-edible Bintaro ( Cerbera manghas L.) oil

　　

# 摘要

全球人口的持续增长推动着能源需求的不断攀升。化石燃料作为主要能源，已被广泛使用，由此带来了二氧化碳排放和资源枯竭等问题。因此，亟需开发生物柴油等可再生能源来应对这些问题。滨水刺番荔枝（Bintaro，学名 Cerbera manghas L.）种子因其特性及丰富的可获取性，具有成为生物柴油原料的潜力。由于滨水刺番荔枝种子目前尚未被广泛用作生物柴油生产原料，因此需要对其进行技术和经济分析，以评估其大规模生产的可行性。本研究采用 SuperPro Designer 仿真方法，对相关的技术流程和项目经济进行了评估。滨水刺番荔枝种子生物柴油的生产可分为四个主要阶段：原料处理、脱胶、酯交换反应和纯化。该生产流程在物料平衡和能量平衡方面均表现出良好的可行性。此外，经济仿真结果显示，毛利率为 3.47%，投资回报率为 19.11%，内部收益率为 13.52%，投资回收期约为 5.23 年，项目生命周期为 20 年，总投资额为 2,842,000 美元。这些积极结果表明，本研究中的生产情景若扩大至大规模生产，将具有盈利前景。

# 引言

根据联合国人口基金（UNFPA）的数据，2024年全球人口达到81.19亿，较前一年增加了7700万人（UNFPA, 2024）。人口增长推动了全球能源需求的相应上升，因为社会生活普遍依赖能源。英国石油公司的数据显示，2019年印尼消耗了2475太瓦时（TWh）的能源（BP, 2022）。世界的主要能源来源大多为不可再生资源，尤其是化石燃料（IEA, 2021）。然而，化石燃料的大量使用向大气中排放了大量二氧化碳，显著加剧了全球变暖和气候变化（Rehman et al., 2023）。温室气体浓度的增加导致地球平均温度上升、极地冰川融化、海平面上升以及极端天气模式的改变。这些环境变化不仅影响自然生态系统，也威胁到人类生存，导致自然灾害频发、农业系统受到干扰以及生物多样性面临威胁（Kabir et al., 2023）。因此，减少对化石燃料的依赖并转向清洁的可再生能源已成为当务之急。

生物柴油是一种可再生且环境友好的生物燃料，通过植物油、动物脂肪和废油中甘油三酯的酯交换反应制得（Alam and Tanveer, 2020; Elias et al., 2020）。根据原料类型的不同，生物柴油通常被分为三代。第一代生物柴油来源于可食用油脂，如大豆油、菜籽油、葵花籽油和棕榈油，以及动物脂肪。第二代生物柴油使用不可食用的原料，如麻风树油和其他不可食用植物油。第三代生物柴油则以藻类为基础生产（Mizik and Gyarmati, 2021）。尽管第一代原料已有成熟的应用，但由于其与食品供应链的竞争性以及相关的可持续性争议，引发了一系列担忧。因此，研究日益聚焦于第二代生物柴油，以不可食用油为原料，减少与食品生产的竞争，并提高生物燃料开发的可持续性。

替代原料生物柴油的开发应予以优先发展，因为随着全球人口的增长，生物柴油的需求也在持续攀升。在印尼，棕榈油在国内外消费中的需求不断上升，可能导致其供应受限，尤其是随着印尼日益依赖棕榈油生产生物柴油（Murti, 2017）。因此，这一日益增长的需求可能推高棕榈油价格，进而提高生物柴油的生产成本。此外，油棕种植是热带雨林破坏的主要原因之一，为油棕种植园而进行的土地清理导致森林火灾和烟雾污染（Arifin and Setyawan, 2022; Uning et al., 2020）。因此，开发替代性生物柴油原料至关重要，以满足需求并维持第一代生物柴油的供应。第一代生物柴油来源于产油作物，但引发了对粮食安全的担忧，因为原料竞争可能推高成本并给食品供应带来压力（Elias et al., 2020; Mardhiah et al., 2017）。对此，人们引入了以不可食用原料为基础的第二代生物柴油，以减少食物与原料之间的竞争。根据印尼能源与矿产资源部的数据，近年来印尼的生物燃料产量稳步增长，毛棕榈油（CPO）为主要原料（Farobie and Hartulistiyoso, 2021; Syafiuddin et al., 2020）。印尼是全球毛棕榈油生产大国，2021年产量超过4800万吨，其中37%（1800万吨）用于国内消费，其余用于出口（Wirawan et al., 2024）。同年，印尼的生物柴油生产在国内消耗了734万吨毛棕榈油，约占该国毛棕榈油总产量的15%，预计到2022年这一比例将达到17%。这一趋势引发了对毛棕榈油未来出口可用性的担忧，可能会进一步推高毛棕榈油价格。

目前，毛棕榈油（CPO）是印尼生产生物柴油最主要的原料（Khatiwada et al., 2018; Wirawan et al., 2024）。然而，印尼还有许多其他原料也具有显著的生物柴油生产潜力，包括麻风树、油瓜树（Aleurites trisperma blanco）、印加豆（Pongamia pinnata）、龙脑香（Calophyllum inophyllum）、橡胶种子以及滨水刺番荔枝种子（Sutapa et al., 2019）。已有大量研究对这些原料的生物柴油产率和技经可行性进行了评估。其中，滨水刺番荔枝（Cerbera manghas L.）种子的不可食用油在印尼颇具潜力。滨水刺番荔枝是原产于亚洲、澳大利亚、马达加斯加和太平洋群岛热带地区的红树林植物，常用于植树造林、城市绿化，并因其毒性而被用作防治啮齿动物和野猪的天然杀虫剂。研究表明，滨水刺番荔枝种子含有46–64%的粗油（Ong et al., 2014）。这一高含油率凸显了其作为生物柴油原料在能源生产、环境可持续性和经济发展方面的潜在价值。尽管具有这些优势，但现有原料生产生物柴油的成本仍高于石油柴油（Julio et al., 2022; Singh et al., 2019）。因此，寻找成本效益更高的替代方案（如滨水刺番荔枝）至关重要。尽管滨水刺番荔枝展现出潜力，但关于其生物柴油生产可行性的研究仍然有限。

本研究的主要贡献在于提供了一项基于仿真的技术经济综合评估，针对以不可食用的滨水刺番荔枝种子油生产生物柴油进行了分析，为印尼传统以毛棕榈油为基础的生物柴油提供了一种潜在替代方案。与以往关于滨水刺番荔枝及其他不可食用生物柴油原料的研究不同——那些研究主要关注实验室规模的实验、燃料特性表征或工艺产率评估（Aini et al., 2021; Sutapa et al., 2019; Zikri et al., 2020）——本研究侧重于工业规模的工艺仿真和经济可行性分析。具体而言，本研究利用 SuperPro Designer 设计并仿真了一座商业化规模的生物柴油生产工厂，以评估工艺性能、确定最佳产能，并对所提出的生产路径的经济可行性进行评估。需要指出的是，更广泛的可持续性评估，包括生命周期评估、温室气体排放分析、土地利用评估和毒性管理等，超出了本研究的范围，因此未纳入分析。相应地，本研究完全基于工艺仿真和技术经济评估。本研究量化了关键财务指标，包括毛利率、投资回收期、净现值（NPV）、内部收益率（IRR）和投资回报率（ROI），以评估项目的总体可行性。此外，本研究还进行了敏感性分析，以确定影响盈利能力的经济参数和边界条件中最具影响力的因素。总体而言，这些贡献为大规模推广滨水刺番荔枝种子油作为可再生且具有经济竞争力的生物柴油原料提供了新的见解，从而支持印尼生物燃料资源的多样化，减少对以食用油为基础的生物柴油生产路径的依赖。

## 片段：滨水刺番荔枝种子生物柴油预测分析及数据收集

为支持拟议生产工厂的发展规划，需要对生物柴油市场需求进行评估，以判断该行业在印尼的长期潜力。本分析旨在预测未来的生物柴油需求，并确定市场的持续增长是否能够支撑大规模生物柴油生产。印尼生物柴油的年消费量及其需求趋势预测见图1（Institute for Essential Services Reform, 2025）。

## 能源回收机会

从滨水刺番荔枝种子大规模连续生产生物柴油需要大量的能源投入，贯穿整个生产过程，使能耗成为整体运营成本的重要组成部分。鉴于能源价格持续上涨，实施有效的节能策略对于改善工艺经济性、提升长期商业可行性至关重要。其中最广泛采用的方法之一是能源回收，即捕获并重新利用本会被浪费的能源……

# 结论

本研究评估了以不可食用的滨水刺番荔枝种子油生产生物柴油作为印尼传统以棕榈油为基础的生物柴油替代方案的技术经济可行性。评估完全基于仿真技术经济分析，使用 SuperPro Designer 进行，重点涵盖工艺设计、工厂规模放大以及在既定操作和市场假设下的经济绩效。关键绩效指标包括毛利率、投资回收期、净现值……

# 局限性

本研究存在若干局限性，在解读结果时应予以考虑。技术经济分析基于关于原料成本、公用事业价格、生物柴油市场价值、原料可获得性、种植面积、运输物流及操作条件的假设，而这些因素均可能波动并影响总体经济可行性。此外，关于滨水刺番荔枝大规模商业种植及其供应链特征的数据……

# CRediT 作者贡献声明

Aditiya Harjon Bahar：写作——审阅与编辑，写作——原始草稿，可视化，验证，监督，方法论，调查研究，形式化分析，数据管理，概念化。Tasya Diana Septiani：写作——原始草稿，方法论，调查研究，形式化分析，数据管理。Arridina Susan Silitonga：写作——审阅与编辑，写作——原始草稿，可视化，验证，监督，方法论，调查研究，资金获取，形式化分析，数据……

# 知情同意声明

不适用。

# 利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

# 致谢

作者感谢悉尼科技大学提供的支持（2023年战略研究支持基金 324100.2200035）。作者感谢 Sampoerna 大学 CRCS 中心和 SU 能源研究中心的支持。作者还感谢棉兰国立理工学院机械工程系可再生能源中心以及马来亚大学工程学院能源科学中心的支持。

Aditiya Harjon Bahar | Tasya Diana Septiani | Arridina Susan Silitonga | Alfan Sarifudin | Nandy Setiadi Djaya Putra | Abdi Hanra Sebayang

澳大利亚新南威尔士州悉尼科技大学（邮编 2007）工程与信息科技学院土木、环境与社技术工程学院