《Food and Bioproducts Processing》：Economic and environmental performances of bio-based chemicals produced with green hydrogen as a reagent in a sugarcane biorefinery
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本研究聚焦于利用外部供给的绿色氢（GH2）作为试剂，集成到甘蔗生物炼制中生产高价值生物化学品（如酚、环己酮、Cyrene?、1,6-己二醇、异麦芽酮糖醇等）的首个综合评估。研究通过过程模拟、技术经济分析和生命周期评价，证实即使在当前绿氢价格（$8/kg）下，多数路径仍具备经济竞争力，且能显著降低碳足迹（0.82-3.01 kg CO2-eq/kg），为化工行业脱碳和实现净零排放提供了兼具经济与环境可行性的创新策略。
在追求可持续发展和应对气候变化的全球浪潮中，化学工业因其严重依赖化石原料并排放巨量温室气体而备受压力。传统的石油基化学品生产路径不仅加剧能源安全挑战，也阻碍了“2050年净零排放”目标的实现。在此背景下，生物炼制——一种将生物质转化为燃料、电力和高价值产品的综合设施——被视为一种极具潜力的替代方案。甘蔗产业，作为重要的农业部门，每年产生大量富含木质纤维素（如蔗渣、农业残留物）和糖蜜的副产品。这些“废物”若能高效转化为化学品，不仅能创造经济价值，更能推动循环经济，大幅降低全生命周期的碳排放。然而，将生物质，特别是其中结构复杂、难以处理的木质素和纤维素组分，高效转化为目标化学品，往往需要氢气参与加氢、氢解等关键反应。目前，利用可再生能源电解水生产的“绿色氢”被广泛认为是未来可持续化学工业的基石。但一个关键的科学与工程问题随之浮现：在甘蔗生物炼制中集成外部供给的绿色氢，用于生产多种高价值生物化学品，究竟在经济上是否可行？在环境上又能带来多大的减排效益？此前的研究尚未对此给出全面答案。
为了系统回答这些问题，来自南非斯坦陵布什大学化学工程系的S Gamor、ESA Dogbe和JF G?rgens研究团队，在《Food and Bioproducts Processing》上发表了一项开创性的研究。他们首次对集成外部绿色氢的甘蔗生物炼制路径进行了全面的技术经济和环境绩效评估。研究团队设想了七种不同的生物炼制情景，分别利用甘蔗的三种主要组分：1）通过还原催化分馏（Reductive Catalytic Fractionation, RCF）技术处理木质素，生产酚、酚醛低聚物、环己酮和环己醇；2）通过催化热解处理纤维素，生产左旋葡聚糖酮（levoglucosenone, LGO），进而转化为二氢左旋葡聚糖酮（Cyrene?）或1,6-己二醇（1,6-HDO）；3）利用A-糖蜜通过酶法生物转化生产异麦芽酮糖醇（Isomalt）。所有生物炼制厂均与一个典型的甘蔗制糖厂（300吨甘蔗/小时）集成，确保能源自给自足。
研究人员为开展此项综合评估，主要运用了以下几项关键技术方法：首先，他们利用Aspen Plus? V14过程模拟软件，在稳态连续操作假设下，对所有七种生物炼制路径进行了详细的流程建模与物料、能量衡算，为后续分析提供基础数据。其次，基于模拟得到的设备尺寸和公用工程需求，他们结合Aspen Economic Analyzer?和文献报道的成本数据，进行了详细的技术经济分析，采用折现现金流法计算了在20%内部收益率下的产品最低销售价格（Minimum Selling Price, MSP）。最后，他们运用可持续生物材料圆桌会议（Roundtable on Sustainable Biomaterials, RSB）的温室气体计算工具，进行了“从摇篮到大门”（cradle-to-gate）的生命周期评价，量化了各生物产品的碳足迹，并与对应的化石基产品进行了比较。所有分析均以2023年为基准年，并假设绿色氢的采购价格为8美元/公斤。
1. 物料与能量平衡
模拟结果显示，不同路径的产品收率（基于干重）差异显著：酚为19%，酚醛低聚物为36%，环己酮和环己醇均为20%，Cyrene?为115%，1,6-HDO为74%，结晶和糖浆异麦芽酮糖醇分别为93%和96%。其中Cyrene?的收率超过100%，是因为氢化过程中氢原子被引入产物，增加了总质量。能量需求方面，以每吨产品耗能（兆焦）计，木质素衍生品（酚、环己酮等）最高（142-291 MJ/t），纤维素衍生品（Cyrene?、1,6-HDO）次之（27-53 MJ/t），而糖蜜衍生的异麦芽酮糖醇最低（约8.5 MJ/t）。这主要反映了处理木质素所需的更苛刻的RCF反应条件（高温高压、高溶剂负载）以及纤维素转化中多步骤氢化过程的能耗。所有第二代（2G，指木质纤维素）生物炼制路径的能量需求，均通过燃烧部分未处理的生物质“旁路”（bypass）和/或热解产生的生物炭来满足，实现了能源自给。
2. 经济可行性比较
技术经济分析表明，在绿氢价格为8美元/公斤、要求20%内部收益率的前提下，多数生物基产品的计算MSP具有市场竞争力。具体MSP（美元/吨）为：1,6-HDO（4021）、酚（1286）、酚醛低聚物（1391）、异麦芽酮糖醇（1180-1330）和Cyrene?（927）均低于或接近其对应的化石基产品市场价。而环己酮（2476）和环己醇（2886）的MSP则高于市场价，这主要归因于额外的下游加工成本和绿氢成本。资本支出（CAPEX）分析显示，高压反应器（用于RCF、LGO氢化等）是设备成本的主要贡献者，占总安装成本的25%至77%。运营支出（OPEX）分析则揭示了不同路径对绿氢成本的敏感度：对于1,6-HDO（绿氢占OPEX 63%）和Cyrene?（30%）这类氢密集型路径，绿氢成本是最大运营成本项之一；而对于木质素路径（酚、环己酮等），由于木质素本身O/C（氧碳比）较低且RCF过程中乙醇可作为氢供体，外部绿氢需求很低（占OPEX不到6%），甚至可自给自足。敏感性分析进一步指出，若未来绿氢价格降至2-3美元/公斤，所有路径的经济竞争力将显著提升，尤其是氢密集型产品。
3. 环境绩效评估
生命周期评价给出了令人鼓舞的结果。所有评估的生物基产品的碳足迹范围在0.82至3.01 kg CO2-eq/kg产品之间，显著低于其对应的化石基同类产品（3.11至4.15 kg CO2-eq/kg产品）。这表明集成绿氢的甘蔗生物炼制能带来实质性的碳减排。具体而言，糖衍生路径（异麦芽酮糖醇）和部分纤维素路径（如Cyrene?的溶剂-free工艺）因过程相对简单、溶剂使用少，排放最低。而木质素衍生品由于在RCF和下游纯化中使用了乙醇等溶剂，其碳排放相对较高。研究也指出，氢密集型生物炼制厂的排放对氢气的来源（即其生产过程的碳排放强度）非常敏感。
综上所述，这项研究得出了几个关键结论。首先，它证实了将外部采购的绿色氢作为化学试剂集成到甘蔗生物炼制中，在技术上是可行的，并且能够实现能源自给。其次，在经济层面，即使在当前（2023年）较高的绿氢价格（$8/kg）下，生产酚、酚醛低聚物、异麦芽酮糖醇和Cyrene?等多种生物化学品已具备经济竞争力或接近竞争力；而未来绿氢成本的下降将极大改善所有路径，特别是氢密集型路径（如1,6-HDO）的经济性。最后，在环境层面，所有研究的生物基产品路径均能实现比化石基路径低得多的生命周期碳排放，为化工行业深度脱碳提供了清晰的技术路径。
这项研究的重要意义在于，它打破了以往研究将生物质利用和绿氢视为两个平行赛道的局限，首次通过系统的多情景分析，揭示了二者在甘蔗生物炼制中协同增效的巨大潜力。它不仅为决策者和投资者评估此类集成项目的风险与收益提供了详实的数据支撑，也为未来生物炼制工厂的设计和优化指明了方向——即通过智能整合不同生物质组分转化路径与绿色氢能，可以在实现可观经济效益的同时，大幅推进全球碳中和目标的进程。该研究展示了即使在当前技术经济条件下，基于生物质和绿氢的“绿色化学”已不再是遥远的愿景，而是触手可及的工业现实。
