第一作者：刘芳, 董昕玥
通讯作者：王蕾研究员
通讯单位：西湖大学工学院，浙江省海岸带环境与资源研究重点实验室
合作单位：清华大学化学工程系 赵雪冰副教授
论文DOI：10.1016/j.enconman.2021.114653
背景介绍
木质纤维生物质资源化利用作为解决后化石资源时代能源、材料和化学品紧缺的重要途径，生物精炼技术正日益受到国内外研究者的关注。通过较为温和的生物精炼技术实现生物质的全面利用，以提高产业链的经济可行性和环境可持续性已成为生物质资源化领域广泛关注的焦点。本研究结合化工过程仿真模拟和全生命周期评价手段，评估了基于甲酸预处理(Formiline) 的生物精炼技术生产乙醇、糠醛和木质素的秸秆碳元素利用率、能源转化效率及环境表现，并与传统的基于稀酸预处理的生物质精炼工艺进行了比较。
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研究结果表明，多产物联产的Formiline生物精炼工艺设计显著提高了小麦秸秆的碳元素和能量利用效率,分别达到58%和43%。基于全生命周期方法的环境影响评价结果则显示除了环境影响指标ODP（臭氧消耗潜值）外，Formiline 生物精炼工艺在其余环境影响指标中都占优势（图1）。随后，该研究将Formiline生物精炼产业链延伸到下游产品深加工，即包括将木质素初级产品深加工成LPF 树脂，初级产品糠醛分别加工成4种产品，即丁二烯、表面活性剂、航空煤油和润滑油。文章量化了延伸后产业链的温室气体减排潜力和经济绩效（图2）。结果显示，所有延伸设计都产生了积极的温室气体减排潜力（约2.3吨 CO2e/吨小麦秸秆），有望为中国 2060碳中和目标做出贡献。在四个产业链延伸方案中，生产表面活性剂和润滑油的方案更具有经济效益，但结论受产品价格的影响较大。
图1基于不同分配方法的Formiline和稀酸预处理精炼工艺的全生命周期比较（功能单位：生产和使用1t乙醇）
图2 稀酸预处理和四种延伸后Formiline产业链的现金流与温室气体减排潜力
该工作为木质纤维生物质全利用技术的产业链延伸设计、经济可行性以及环境可持续评估提供了新的思路。相关成果发表于Energy Conversion and Management 2021, 246, 114653，由西湖大学王蕾研究员团队与清华大学赵雪冰副教授共同协作完成。通讯作者王蕾本科和博士分别毕业于清华大学化工系与帝国理工大学，并获得欧盟玛丽居里基金资助进行博士后研究工作，之后加入荷兰壳牌石油公司担任高级研究员。王蕾博士自2019年秋加入西湖大学，现任工学院特聘研究员，西湖大学中植助理教授，生物质能源与材料实验室（BEMLab)负责人，Biofuels, Bioproducts & Biorefining期刊编委，中国循环经济协会专业委员会专家委员。在Energy & Environmental Science, Green Chemistry, Applied Energy and Renewable & Sustainable Energy Reviews等能源与环境技术领域权威期刊发表学术论文20余篇，著书一部，并参与编著两部生物质相关书籍章节。课题组目前主要从事木质纤维素生物质清洁分离、纤维素高值化利用以及生物循环经济 (Circular Bioeconomy) 产业链设计与评价研究工作。诚挚欢迎具有相关研究背景的人士申请课题组博士生、博士后和助理研究员。
王蕾研究员介绍链接:
https://www.westlake.edu.cn/academics/School_of_Engineering/About/Faculty/202006/t20200618_5971.shtml
原文链接
doi.org/10.1016/j.enconman.2021.114653
