AmBeed文献解读|Green Chemistry

生物基 HMF 生产和从木质纤维素生物质中回收的经济和环境可持续性

     2024年10月21日，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Yuyao Jia & Jeremy S. Guest课题组在Green Chemistry（IF=9.3)上发表文章《Economic and environmental sustainability of bio-based HMF production and recovery from lignocellulosic biomass》，主要探讨了从木质纤维素生物质中生产和回收生物基5-羟甲基糠醛（HMF）的经济和环境可持续性。研究通过改进现有的生物燃料生产过程，将这种不受欢迎的副产品转变为有价值的联产品，从而提高整个生物炼制过程的可持续性。

      5-羟甲基糠醛（HMF）是一种用途广泛的平台化学品。然而，目前还没有有效的绿色途径能够直接从木质纤维素生物质中生产HMF。在木质纤维素生物质的水热转化过程中，产生的HMF通常是不需要的副产品，最终被丢弃。本研究通过改进现有的生物燃料生产工艺，将这种原本不需要的副产品转化为有价值的联产品。作者对集成生物炼制设计进行了详尽的经济和环境可持续性评估。评估结果显示，生物炼制厂能够接受每吨原料最高115.17美元的购买价格，并以每公斤4.54美元的最低售价生产HMF，这一价格比市场上HMF的价格低约75%。HMF的全球增温潜势（GWP）中位数是每千克HMF相当于3.92千克CO₂ 当量，比其生物基对二甲苯（p-xylene）的潜势值低约32%。此外，使用转基因原料在生物炼制厂中生产的多样化联产品对提高整体可持续性产生了积极影响。

研究内容

      作者使用转基因甘蔗作为原料的生物炼制厂的设计、模拟和评估过程。这个生物炼制厂能够联产5-羟甲基糠醛（HMF）、糠醛、生物柴油和粗甘油等生物基产品。整个设计是在BioSTEAM软件环境中进行的，该软件是一个用于生物炼制厂设计、模拟和在不确定性下进行技术经济分析的快速灵活的工具（图1a）。图1b 展示了生物产品回收和纯化的示意图，以分离纤维素糖（葡萄糖、木糖和阿拉伯糖）和乙酸，从而使用串联的两步纳滤法从预处理液中回收和纯化HMF和糠醛。

  

图1 拟建生物炼制厂的简化流程图，包括：（a）从甘蔗中联产HMF、糠醛、生物柴油和粗甘油；（b）拟建生物炼化厂的生物制品回收和纯化部分。图中的首字母缩写表示：聚乙二醇600（PEG600）和甲基叔丁基醚（MTBE）

     作者研究了最高原料购买价格（MFPP），确定生物精炼厂可以维持作物的MFPP，为创新的转基因甘蔗作为替代原料的经济适用性提供有价值的数据支持（图2a），然后研究了最低产品销售价格（MPSP）（图2b），成本估算和明细（图2c），HMF的全球增温潜势值（GWP₁₀₀）估计为每千克HMF相当于3.92[3.39-4.74]千克CO₂当量（图2d），GWP₁₀₀主要由系统供暖需求主导（图2e），电力需求也是生物精炼厂对环境影响的重要因素，占生物精炼厂GWP₁₀₀的17.50%[14.02-21.48%]。

  

图2  生物精炼厂的成本估算和环境影响

      作者分析了经济和环境可持续性的驱动因素。22个参数中的6个，即HMF价格、生物柴油价格、原料脂质含量、HMF市场价格、HMF在第一次纳滤中的保留、从葡萄糖中产生的微生物脂质产量以及预处理和糖化后的植物脂质回收率，被确定为MFPP的影响参数（ρ的绝对值≥0.1）（图3）。主要副产品，即HMF和生物柴油的市场价格是对MFPP影响最大的参数，HMF-MPSP的灵敏度与MFPP相似，此外，由于转基因生物能源作物对HMF GWP₁₀₀的显著影响，提高微生物脂质产量和营养脂质恢复将同时提高系统的经济和环境可持续性。

 

图3 参数与MFPP、HMF MPSP和按分配能量的GWP₁₀₀之间的斯皮尔曼相关系数（ρ值）

      作者研究了微生物和脂质综合生产的影响，在400次模拟中，MFPP、HMF MPSP和HMF GWP₁₀₀值分别为每公吨65.69-96.77美元、每千克5.11-11.56美元和每千克HMF 3.44-5.52千克二氧化碳当量（图4a-c）。观察表明，微生物脂质生产是生物炼制的主要中间步骤之一。

 

图4  (a) MFPP（最高原料购买价格），(b) HMF MPSP（HMF生产最低可销售价格），(c) HMF GWP₁₀₀（HMF的100年全球增温潜势值），使用其他参数的基线假设。菱形标记代表从基线生物炼制厂获得的值。

      作者还研究了转基因生物能源作物的营养脂质生产，在400种不同的组合下模拟了生物精炼厂的设计，评估原料脂质含量（5-15%）和加工（预处理和糖化）后的脂质回收率（50-95%）对生物精炼厂性能的影响，这些模拟得出的MFPP、HMF MPSP和HMF GWP₁₀₀值分别为每吨85.01-121.85美元和每千克1.75-7.55美元，每千克HMF 3.37-4.76千克CO₂当量（图5a-c）。观察结果表明，原料中较高的脂质含量和提高的回收率可以显著降低生物基HMF的生产成本和销售价格。

 

图5 (a) MFPP，(b)HMF MPSP， (c) HMF GWP₁₀₀ ，使用其他参数的基线假设，在原料脂质含量和加工后（预处理和糖化）营养脂质回收的不同组合下进行能量分配。菱形标记代表从基线生物精炼厂获得的值。

      作者还设定了使用纳滤回收HMF的目标，通过对第一个纳滤系统中不同的HMF保留率（1-50%）进行了分析，以量化其进展对MFPP和HMF MPSP的影响（图6）。

 

图6  MFPP、HMF MPSP和HMF GWP₁₀₀使用其他参数的基线假设，在第一NF（纳滤）中使用不同HMF保留时的能量分配。

      该研究证明了生产多种增值生物产品的集成生物精炼厂的经济可行性和环境可持续性，并优先考虑了研究设定的目标和进一步改进所需的潜在技术。该研究为使用绿色和非催化技术从替代原料中共同生产生物基HMF的经济和环境优势提供了独特的视角。该研究还介绍了使用新开发的转基因生物能源作物来提高该过程的经济和环境可持续性的好处。

实验所用的5-Hydroxymethyl-2-furaldehyde（CAS: 67-47-0）来自AmBeed

 

Doi：10.1039/d4gc04270k