《Chemical Engineering Research and Design》：Biobutanol production from sugarcane bagasse via deep eutectic solvent pretreatment: Integrated process optimisation, techno-economic and life cycle assessment
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甘蔗渣生物丁醇生产中三元深熔盐预处理 techno-economic分析与生命周期评估。研究比较CC:EG:Ni与CC:EG:Mg两种DES预处理效果，通过实验优化发现Ni基DES在10-15%固含量、10 FPU/g酶载荷下丁醇产量达0.31g/g葡萄糖，成本1.06美元/公斤，回收率90%可使环境影响降低。LCA显示Mg基DES环境效益更优，但经济性稍逊。成果为可持续生物丁醇生产提供技术经济和环境评估依据。
尼图·乔希库马尔（Neethu Joshikumar）、艾莎·努尔（Aisha Noor）、卡马尔·基肖尔·潘特（Kamal Kishore Pant）、弗雷德里克·博塔（Frederik Botha）、罗伯特·J·亨利（Robert J. Henry）
印度德里印度理工学院（IIT Delhi）化学工程系，邮编110016
摘要
随着全球气候变化的加剧以及对可持续、高能量燃料需求的增长，生物丁醇作为一种有前景的生物燃料替代品应运而生，它能够在减少温室气体排放的同时满足交通运输的能源需求。本研究全面评估了利用两种三元深共晶溶剂（DES）——氯化胆碱：乙二醇：六水合氯化镍（CC:EG:Ni）和氯化胆碱：乙二醇：六水合氯化镁（CC:EG:Mg）（摩尔比为1:2:0.016）从甘蔗渣中生产生物丁醇的过程。该工艺流程包括基于DES的预处理、酶水解、微生物发酵以及后续的分离和纯化步骤。研究考虑了一个每小时处理33吨甘蔗渣的商业规模工厂。下游过程使用Aspen Plus软件进行了模拟，发酵前的数据来自实验。假设丙酮-丁醇-乙醇（ABE）工厂与糖厂相邻建造。通过OpenLCA 2.0进行了生命周期评估（LCA）以评估该工艺的环境影响。实验研究重点在于优化预处理效率，以提高生物质的分离程度和可发酵糖的产量，从而提升ABE发酵的性能。在10%的固体负载下，使用CC:EG:Ni和10 FPU/g的酶负载量时，获得了最高的丁醇产量，为0.31克丁醇/克糖。丁醇的产品成本为1.06美元/千克，回收期为7.08年，售价为1.73美元/千克。不同的案例分析表明，尽管CC:EG:Ni在经济上更具可行性，但在所有环境影响指标上CC:EG:Mg的表现更优；此外，如果回收90%的DES，环境影响可以大幅降低。此外，本研究还指出了工艺优化的关键点，并强调了基于DES的预处理技术在从木质纤维素残渣中生产经济和环境可持续的生物丁醇方面的潜力。
引言
应对气候变化和减少对有限化石燃料依赖的迫切需求推动了对可持续生物燃料生产的极大兴趣（Sun等人，2025年）。在先进的生物燃料中，生物丁醇因其更高的能量密度、更低的吸湿性、较低的挥发性以及与现有车辆燃料基础设施的兼容性而成为乙醇的优良替代品（Ashraful等人，2014年）。这些特性使得生物丁醇成为汽油混合物的理想替代品，并有望升级为可持续航空燃料。然而，生物丁醇生产的经济可行性受到原料处理成本高昂以及木质纤维素生物质所需复杂预处理技术的阻碍，尽管这种生物质资源丰富但往往未被充分利用（Zhu等人，2025年）。
甘蔗渣（SCB）是一种大量的木质纤维素生物质（LCB）残渣，是生产生物丁醇的有希望的原料（Al Azad等人，2025年；Loh等人，2013年）。SCB的组成通常为42-51%的纤维素、18-26%的半纤维素和17-23%的木质素（Shaji等人，2021年）。由于木质素-碳水化合物基质的顽固性，LCB的结构复杂性严重阻碍了酶水解和微生物发酵的效率（Chourasia等人，2021年）。因此，有效的预处理对于提高纤维素和半纤维素的可利用性至关重要，从而将其转化为可发酵的糖类，并最终通过丙酮-丁醇-乙醇（ABE）发酵生产生物丁醇。
传统的生物丁醇生产过程通常包括酸预处理或酶预处理，随后进行发酵和下游分离（Shangdiar等人，2022年）。许多技术经济分析（TEA）研究了这些工艺，强调了原料类型、预处理方法和分离策略对总体生产成本的影响。然而，这些方法常常存在能耗高、产生抑制性化合物、设备腐蚀以及化学品回收性有限等缺点（Mankar等人，2021年）。最近，三元深共晶溶剂（DES）作为一种绿色且可持续的生物质预处理方法引起了关注（Smith等人，2014年）。DES由氢键供体和氢键受体组成，具有低毒性、可生物降解性和可回收性等独特性质，符合绿色化学的原则（Hansen等人，2020年）。这些溶剂能够破坏木质素-全纤维素的连接，并部分去除木质素，从而提高酶的消化率和糖的产量（Wang等人，2022年）。多项研究探讨了基于DES的生物丁醇生产预处理方法，显示出改善的脱木质素效果和糖的回收率。
Patel等人（2025年）对与生物丁醇生产相关的TEA进行了全面回顾。尽管这些研究表明，与当前市场价相比，大规模应用在经济上是可行的，但仍存在一些挑战。其中，原料成本高昂显著影响了总体生产成本。此外，由于丁醇对微生物菌株的细胞毒性作用，丁醇的产量较低，这也是一个重要限制（Patel等人，2025年）。因此，推进生物丁醇的商业化需要获取低成本原料、开发更高效且经济的预处理方法、优化微生物菌株以及改进发酵性能，特别是通过原位产品回收技术。现有的LCA研究表明，与化石燃料相比，生物丁醇生产可以带来显著的环境效益，如减少温室气体排放，但结果受原料类型、预处理方法和工艺能耗的显著影响（Pereira等人，2015年）。
尽管取得了这些进展，但要实现商业化仍需改进工艺。特别是预处理效率、提高糖产量以及减少能源密集型的分离步骤是限制经济竞争力和环境可持续性的关键因素。大多数TEA和LCA研究主要集中在传统预处理方法上，而对新型预处理技术（如三元DES）的全面评估较少。此外，针对甘蔗渣生产生物丁醇的研究中，结合详细实验数据、严谨的TEA和LCA的分析也很有限，大多数文献仅单独进行经济或环境分析，而未进行综合评估。本研究评估了影响糖释放和生物丁醇产量的关键参数，如DES的选择、组成、预处理时的固液比和酶负载量。系统地优化这些因素对于开发具有成本效益和可扩展性的工艺至关重要。据我们所知，这是第一项使用DES生产生物丁醇的研究，并附有详细的TEA和LCA评估。本研究旨在通过优化工艺来最大化生物丁醇的产量。在用两种三元DES（摩尔比为1:2:0.016的氯化胆碱：乙二醇：六水合氯化镍和氯化胆碱：乙二醇：六水合氯化镁）进行预处理前后，使用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对甘蔗渣进行了表征。我们评估了固体负载量和酶负载量对ABE发酵性能的影响。此外，还对所开发工艺进行了TEA和LCA评估，以了解工艺经济性和可持续性的关键点，并识别改进机会。本研究的结果将有助于开发可持续的生物丁醇生产工艺，促进木质纤维素废物的增值利用，并支持向循环生物经济的转型。
材料
甘蔗渣（SCB）购自印度德里附近的一家糖厂。样品在烤箱中烘干过夜后，存放在密封容器中，并冷藏以备后续使用。ATCC Clostridium acetobutylicum 824菌株也从ATCC获取。
氯化胆碱（≥99.0%）、乙二醇（EG ≥99%）、六水合氯化镍（NiCl2·6H2O）、六水合氯化镁（MgCl2·6H2O）、HPLC级水、乙醇、丙酮、柠檬酸钠缓冲液、RCM培养基和纤维素酶均用于实验。
甘蔗渣的表征
为了了解DES预处理后的结构和组成变化，使用SEM、FT-IR和XRD对未经处理和经过预处理的SCB进行了表征。图3显示了预处理前后的SEM图像。预处理前的SCB表面完整且紧密。预处理后，SCB结构受到破坏，颗粒松散，可能含有残留的木质素或木聚糖成分（Chourasia等人，2021年）。这表明DES可能对SCB的结构产生了影响。
结论
本研究成功展示了使用DES预处理和酶水解将SCB作为生物丁醇生产原料的潜力。在测试的条件中，当固体负载量为10-15%、酶用量为10 FPU/g时，CC:EG:Ni处理方案获得了最高的葡萄糖释放量和丁醇产量，达到0.31克丁醇/克葡萄糖的产量。这些结果是在没有采取任何解毒步骤的情况下获得的，突显了该工艺的高效率和成本效益。
作者贡献声明
罗伯特·J·亨利（Robert J Henry）：撰写——审稿与编辑、监督、软件使用、资源调配、方法论制定、资金获取、概念构思。弗雷德里克·博塔（Frederik Botha）：撰写——审稿与编辑、监督、方法论制定、概念构思。尼图·乔希库马尔（Neethu Joshikumar）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论制定、实验研究、数据分析、概念构思。卡马尔·K·潘特（Kamal K Pant）：撰写——审稿与编辑、监督、软件使用、资源调配、方法论制定、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢昆士兰大学-德里印度理工学院研究学院的资助。尼图·乔希库马尔（Neethu Joshikumar）还感谢CRF、德里印度理工学院（IIT Delhi）、Aspen Tech和OpenLCA的支持。罗伯特·H（RH）感谢ARC Research Hub to Engineer Plants to Replace Fossil Carbon（项目编号IH230100006）提供的财务支持。
