基于乳品污泥通过酸催化和热酯交换反应生产生物柴油的生命周期评价

《Journal of Cleaner Production》：Life cycle assessment of dairy sludge-based biodiesel production process via acid catalytic and thermal transesterification reactions

　　

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  催化工艺在大多数影响类别中表现出高1.5%的环境影响。
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  热转化路线因380°C的操作温度，ADP(f)和POCP均高出2%。
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  脂质提取在两条路径中均占环境影响的绝大部分。
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  敏感性分析表明氯仿消耗是主要热点。

引言

乳制品加工行业在牛奶加工过程中会产生大量废水（Ahmad等，2019年）。例如，据报道欧盟各地的设施每年产生约180,000 m³废水（Kothari等，2017年）。这些废水的处理会导致大量富含有机成分（如脂肪、蛋白质和碳水化合物）的污泥积累（Wang等，2025年）。每处理100升牛奶，约产生2公斤污泥（Ashekuzzaman等，2019年）。由于其供应可靠且脂质含量较高，乳制品污泥被确定为生产第二代生物柴油的优良原料（Capodaglio和Callegari，2018年）。与源自食品作物的一代生物柴油相比，第二代生物柴油使用废弃物基材料，从而避免了与粮食资源的直接竞争，并减轻了可食用作物第一代生物柴油的高生产成本（Ali Ijaz Malik等，2024年）。这一策略不仅有助于资源回收和废弃物减量，还提升了能源领域的可持续发展水平（Christopher Selvam D和Raja，2025年）。在韩国，乳制品行业稳步发展，乳制品废水目前已占工业废水总量的约8%（Choi，2016年）。由此产生的污泥目前主要通过堆肥处理，这可能导致次生环境问题，包括气味排放以及土壤和水体污染，凸显了需要更可持续的利用策略。鉴于其相对较高的脂质含量，韩国乳制品污泥为生物柴油生产提供了良好机遇。因此，本研究选择该原料作为研究对象。

传统上，乳制品污泥生物柴油通过酸催化或碱催化的甘油三酯（TGs）与低分子量醇的酯交换反应合成（Pathak等，2025年）。酸性催化剂（如HCl和H₂SO₄）和碱性催化剂（如KOH和NaOH）因催化效率高且经济性好，在工业生物柴油制造中被广泛应用（Munyentwali等，2022年）。然而，这些方法面临诸多挑战，包括设备腐蚀、催化剂回收程序复杂以及环境污染（Pan等，2022年）。此外，酯交换反应中使用酸或碱催化剂需要反应后的洗涤步骤（Pan等，2020年）。该步骤每生产一吨生物柴油几乎产生0.3吨废水，从而增加了纯化成本和环境影响（Jung等，2022年；Nayab等，2022年）。此外，乳制品污泥中含有游离脂肪酸（FFAs）、饱和脂肪酸（SFAs）及其他杂质，这些物质可能降低生物柴油生产过程的总体效率（Atallah等，2020年；Abeysinghe等，2024年）。

为应对这些局限，热酯交换作为一种替代方法被提出（Jung等，2021年；Kwon等，2024年）。省略催化剂可消除中和步骤，从而简化整个工艺流程（Jung等，2021年）。虽然热酯交换是近年来的创新技术，但现有大多数研究要么侧重于最大化生物柴油产出，要么侧重于分析反应路径和工艺变量（Tran-Nguyen等，2020年）。然而，该方法需要较高的操作温度，进而导致能源需求增加并可能产生不利的环境影响（Nayab等，2022年；Kim等，2024年）。因此，生物柴油生产工艺的可持续性应通过对整个生产系统环境影响的整体分析来评估，而不应仅关注生物柴油产品本身。

生命周期评价（LCA）是量化整个生命周期环境影响的重要方法，涵盖从原材料生产到燃料消耗以及残留物最终处置的各个阶段（Escobar等，2014年）。LCA也被公认为评估替代产品环境可持续性的主要方法（Hosseinzadeh-Bandbafha等，2022年）。因此，LCA通过全面比较产品、工艺、技术和服务，识别具有更优可持续性的对象，从而支持基于证据的决策（Saranya和Ramachandra，2020年）。已有数项研究探讨了源自废弃物基原料的第二代生物柴油生产。例如，利用蛋壳来源的CaO催化剂将废食用油转化为生物柴油，其环境负担相较于传统路线有所降低（Chung等，2019年）。一项研究分析了七种不同的生物柴油生产方案，重点聚焦于从污泥中无溶剂提取和转化脂质的中试规模工艺，采用不同类型的催化剂（Notarnicola等，2023年）。此外，使用非食用麻疯树油作为原料，通过田口方法优化了超声辅助生物柴油生产工艺，并通过生命周期评价（LCA）对其技术性能和环境可持续性进行了评估（Truong等，2025年）。这些研究共同表明，学界对提高废弃物基原料生物柴油生产可持续性的兴趣日益增长。

然而，乳制品污泥尽管脂质和蛋白质含量较高且作为生物柴油生产的高价值资源具有潜力，但在LCA研究中却很少被系统评估。此外，现有大多数LCA研究主要聚焦于基于催化剂的酯交换工艺，而关于高温无催化剂热转化工艺的环境评估相对有限。虽然热转化工艺通过消除催化剂中和和洗涤步骤而具有简化流程的优势，但其需要更高的热能输入。尽管存在这些工艺差异，但目前直接对比使用相同有机污泥原料的催化工艺与热工艺的LCA研究仍然稀少。因此，有必要在相同条件下，对这些两种工艺从有机污泥生产生物柴油的环境影响进行对比评估。

此外，已有数项研究在LCA中认识到生物柴油生产过程中使用的溶剂是系统总体环境影响的显著贡献因素（Huang等，2022年；Alam等，2024年）。在这方面，溶剂回收是减轻这些负担的可行途径。然而，目前大多数研究采用固定的回收率（Alam等，2024年），限制了评估回收效率变化如何影响整个系统环境表现的能力。在使用的溶剂中，脂质提取过程中使用的氯仿因其毒性和环境风险尤为令人担忧（Sati等，2019年）。例如，Amiri等（2017年）发现，从Atropa belladonna（天仙子）中提取生物碱的过程中，氯仿是包括臭氧消耗和生态毒性在内的多种环境影响的主要贡献因素（Amiri等，2017年）。鉴于其显著的环境危害，本研究分析了不同氯仿回收率的影响，这一方面在LCA文献中鲜有涉及。此外，为考虑由于经济或能源限制而无法进行溶剂回收的现实情况（Kombe和Lee，2023年），基准情景假设不进行回收。因此，本研究旨在：(1) 利用实验性LCI数据评估基于催化剂和热酯交换两种工艺的环境影响；(2) 通过敏感性分析确定关键变量，并专门探索仅改变氯仿回收率的影响；以及(3) 提出技术和管理策略以改善乳制品污泥生物柴油生产的环境影响。

节选摘要

生命周期评价框架

LCA方法提供了一种系统评估产品环境影响的方法，通过量化所有输入和输出流，从而分析其环境影响（Hu等，2025年）。ISO 14040和ISO 14044为本研究提供了方法论框架，该框架包括四个阶段：目标与范围定义、生命周期清单分析、生命周期影响评估和结果解释（ISO，2006a, 2006b）。作为结果解释阶段的一部分，

CB和TB情景的总体环境影响

图2展示了CB和TB生物柴油生产情景环境影响类别的定量比较。CB在大多数评估类别中表现出略高于TB的环境负担。总体而言，CB在大多数影响类别中的环境负担高于TB。CB的GWP为254.7 kg CO₂-eq/kg BD，比TB（240.8 kg CO₂-eq/kg BD）高约5.5%。类似地，CB的ODP（0.0461 kg CFC-11-eq/kg BD）

结论

本研究对通过酸催化和热转化方式从乳制品污泥生产生物柴油进行了生命周期评价（LCA）。CB生产情景在大多数类别中的环境影响略高于TB，主要由于产率较低导致溶剂用量更大。脂质提取工艺是两种情景中环境负担的主要贡献因素，敏感性分析确认氯仿是关键驱动因素。虽然已探索了更环保的溶剂

CRediT作者贡献声明

Chae-Eun Ahn：撰写——初稿、调查、正式分析。Shakya Abeysinghe：资源、正式分析。Ga-Been Lee：软件、方法论。Won-Gune Jeong：方法论、调查。Kitae Baek：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明，不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）由政府资助的拨款支持（MSIT）（RS-2023-00265179和RS-2024-00339551）、BK21第四期项目（全北国立大学——气候、环境与能源系 - 全球资源循环环境教育与研究中心），以及韩国气候、能源和环境部（MCEE）作为废物转能源——资源循环利用人才培养项目（YL-WE-23-001）的支持。

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