一种多产品生物炼制厂的优化集成设计：该炼制厂可生产绿色化学品以及苹果汁

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《Industrial & Engineering Chemistry Research》：Optimal Integrated Design for a Multiproduct Biorefinery Producing Green Chemicals and Juice from Apples

【字体：大中小】 时间：2025年10月28日 来源：Industrial & Engineering Chemistry Research 3.9

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　　苹果废料资源化与生物乙醇协同生产系统优化研究。通过混合整数非线性规划模型，对比分析了苹果加工中自产乙醇与外购乙醇的经济性，发现自产乙醇虽增加约44%能耗，但投资回收期缩短至6.7年，净现值提升36.4%。工艺创新包括亚临界水萃取（150℃/4.6bar）替代传统酸解，实现98%以上pectin回收率，同时构建闭环溶剂循环系统，乙醇回收率达96%。经济评估显示单位生产成本1.09-1.13€/L，低于西班牙苹果汁市场价1.5€/L。研究表明，当乙醇价格超过0.5€/kg时，自产方案更具竞争力，且减少42%的废物产生量。

　　在当前社会，食品浪费已成为一个严峻的挑战，不仅影响食品供应链的效率，还对环境造成重大负担。据欧洲统计，每年产生的食品废弃物高达5900万吨。面对这一问题，食品废弃物的高值化利用（valorization）正逐渐成为研究热点，因为它能够有效降低环境和经济压力，并推动循环经济的发展。近年来，研究者们关注于通过创新技术从水果加工副产品中提取有价值的化学品和生物燃料。这些副产品不仅含有可发酵糖分，还富含果胶和生物活性化合物，这些成分可以转化为多种高附加值产品和生物能源。因此，优化食品废弃物的处理过程，不仅有助于提高资源利用效率，还能增强工业的可持续性。

在本研究中，我们聚焦于苹果加工过程中的副产品——苹果渣（apple pomace），探讨如何通过一个集约化的设施，实现苹果汁的生产以及苹果渣的高值化利用。该设施通过现场生产乙醇，并将其作为绿色溶剂应用于果胶和酚类化合物的提取过程中，以减少对外部化学品的依赖，提高整体资源循环利用水平。这种设计不仅符合循环经济理念，还能够降低能源消耗和原材料成本，从而提升经济效益。此外，采用亚临界水（subcritical water）进行果胶提取，取代传统的酸性提取方法，不仅减少了酸性物质的使用，还降低了化学处理的风险，提升了环境友好性。

为了评估该设施的经济可行性，研究者们进行了两种情景分析：一种是现场生产乙醇，另一种是购买乙醇。两种方案在投资和生产需求方面表现出相似的特性，单位生产成本均在1.09 €/L至1.13 €/L之间。然而，在内部收益率（IRR）和折现回本期（DPP）方面，现场生产乙醇的方案表现出36.4%和6.7年，而购买乙醇的方案则略高，达到37.8%和6.4年。尽管购买乙醇的方案在经济回报上略占优势，但现场生产乙醇的方案在废物减少、内部乙醇再利用以及能源供应自主性方面具有显著优势。因此，从长远来看，现场乙醇生产方案更具可持续性。

本研究还分析了两种方案的运营成本和投资成本，发现虽然现场生产乙醇的单位成本略高于购买乙醇的方案，但其在降低对外部能源和化学品的依赖方面表现出色。这种自给自足的模式能够有效减少供应链的复杂性，提高资源利用率。此外，亚临界水提取果胶和酚类化合物的过程，减少了对传统酸性试剂的使用，从而降低了化学品的使用成本和环境影响。在某些情况下，这些高附加值产品（如果胶和酚类化合物）的市场价值足以弥补现场乙醇生产的额外成本。

本研究的另一个重要发现是，虽然现场生产乙醇在某些情况下可能并不总是更具经济吸引力，但在高乙醇价格和大规模生产的情况下，其优势会更加明显。通过对不同规模的设施进行分析，研究者们发现随着生产规模的扩大，现场乙醇生产的投资回报率逐渐提升，而购买乙醇的折现回本期则相应延长。这表明，对于大型苹果汁生产设施，现场乙醇生产是一个更具竞争力的选择，能够有效降低单位生产成本，同时提升整体盈利能力。

此外，本研究还探讨了如何利用数学建模和优化方法来设计和评估这种集成设施。通过混合整数非线性规划（MINLP）模型，研究者们能够系统地评估不同工艺配置的可行性，并确定最优的运营条件。这种建模方法不仅提高了设计的科学性和精确性，还为未来类似项目的优化提供了参考。研究中还涉及了多种参数的计算，包括原材料和能源的消耗、设备投资成本以及各种处理步骤的运行成本。这些数据为评估整个系统的经济性和环境影响提供了坚实的基础。

从经济角度来看，现场乙醇生产虽然需要较高的初始投资，但其长期效益不容忽视。通过回收和再利用乙醇，设施能够在减少外部采购成本的同时，提高资源利用效率。相比之下，购买乙醇的方案虽然在短期内可能更具吸引力，但随着乙醇价格的波动和生产规模的扩大，其经济优势可能逐渐消失。因此，研究者们建议，企业在进行食品废弃物高值化利用时，应综合考虑其经济性和环境效益，以选择最适合自身需求的方案。

此外，本研究还强调了在食品加工过程中，如何通过优化设计实现资源的高效利用。通过引入先进的提取技术和循环利用系统，苹果渣的高值化利用不仅能够减少废弃物的产生，还能提高整个生产过程的经济效益。例如，使用亚临界水提取果胶，避免了传统酸性提取方法的局限性，同时降低了化学品的使用量。此外，设施中使用的分子筛和活性炭床等技术，能够有效回收酚类化合物，进一步提升资源利用效率。

在实际应用中，这种集成设施的设计需要考虑到多个因素，包括生产规模、原材料价格、能源成本以及市场条件。研究者们通过敏感性分析，评估了不同乙醇价格对设施经济性的影响。结果表明，乙醇价格的波动会对两种方案的经济表现产生显著影响。当乙醇价格较低时，购买乙醇的方案更具经济优势；而当乙醇价格较高时，现场生产乙醇的方案则更加可行。这种灵活性使得该设施能够适应不同的市场环境和运营条件，从而提高其整体竞争力。

总体而言，本研究展示了一种可行的解决方案，通过集成苹果汁生产与苹果渣高值化利用，不仅能够提高资源利用效率，还能增强企业的经济收益。尽管现场乙醇生产在某些情况下可能并不总是最优选择，但其在减少对外部能源和化学品的依赖、提高可持续性方面具有显著优势。因此，未来的研究和实践应更加关注如何在不同生产规模和市场条件下，优化这种集成设施的设计和运营，以实现更高的经济效益和环境效益。

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