《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Biodiesel production using enzymatic catalysts with municipal sewage sludge efficiently reduces greenhouse gas and nitrogen oxide emissions: A review
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Balaji Panchal|Chia-Hung Su|My Linh Nguyen|Chun-Chong Fu|Kim Ngan Ngo|Shao-Jung Wu|Horng-Yi Juan
化学工程系，明志科技大学，台湾新北市泰山区贡娟路84号，24303
摘要
本文综述
Balaji Panchal|Chia-Hung Su|My Linh Nguyen|Chun-Chong Fu|Kim Ngan Ngo|Shao-Jung Wu|Horng-Yi Juan
化学工程系，明志科技大学，台湾新北市泰山区贡娟路84号，24303
摘要
本文综述并分析了现有研究，主要来自科学期刊，这些研究探讨了在柴油发动机中使用各种催化剂生产生物柴油时，大气中CO（18-59%）、CO?（8.6-15.26%）、HC（0.35-64%）、NOx（3-50.26%）和烟雾（12-67.65%）排放的减少情况。文章对用于生物柴油生产的各种催化剂进行了深入评估，包括酸碱催化剂、离子液体催化剂、碳基催化剂和EIIL（酶诱导液相催化）工艺，以评估其效率。然而，由于成本较高，大多数这些催化剂并不适合大规模工业应用。尽管EIIL催化工艺被认为是一种更环保的选择，可以减少温室气体排放，但仍存在一些挑战需要解决，例如替代传统溶剂，因为传统溶剂具有挥发性、毒性或致癌性等缺点，可能导致酶失活。此外，还评估了生物柴油生产中的原料适用性、排放量和经济可行性。本文还讨论了MSS（微生物源脂质）作为能源的潜力，从性能和环境影响的角度进行了分析。与石油柴油和其他油类原料相比，MSS与良好的发动机性能相关。本研究为未来的研究奠定了基础，有助于开发经济可行、低排放的生物柴油生产工艺，使其更加环保。
引言
大气中各种温室气体的积累给地球上的生命带来了许多问题，如各种疾病、异常天气模式和森林火灾。温室气体排放的主要来源之一是CO?排放[1]。此外，化石燃料的燃烧通过增加温室气体排放和地球表面温度显著影响环境[2]，释放出高毒性的气体，如CO、SOx、NOx和PM[3]。这些气体通过增加温室气体水平破坏臭氧层[4]。2018年，大气中的CO?浓度达到了408 ppm。CO?是人类活动产生的最主要的温室气体，占温室气体排放总量的77%以上[5]。2019年，大气中的CO?浓度达到了1750年之前的148%。其中，60.7%的排放来自乘用车，26.2%来自重型车辆，1.2%来自摩托车[6]。发动机排放对环境和健康构成威胁，但良好的替代燃料（如生物柴油）有助于缓解一些环境和能源问题[7]。生物柴油是一种绿色燃料，其物理化学性质与石油基燃料相似[8]。与传统柴油相比，它不易燃、无毒，碳氢化合物含量高，排放量低[9]。
生物柴油是通过甘油三酯的酯交换反应或低分子量醇与FFA（游离脂肪酸）的酯化反应制备的，作为一种清洁和可再生的能源，显示出作为石油柴油替代品的潜力[10]。生物柴油的生产方法有多种，包括乳液/微乳液法、热解法和电解法[11]。另一方面，非催化酯交换反应需要在高温高压下进行，且需要较高的醇与油的比例[12]。目前，许多国家将生物柴油与传统柴油混合使用，混合比例从法国的B5到美国的B20不等，德国的一些卡车也使用纯生物柴油（100%生物柴油）[13]。全球多个国家已经规定使用生物柴油等可再生燃料，未来将继续发展支持向可再生燃料过渡的基础设施[14]。
Changmai等人[15]报道了几种用于生物柴油生产的异相催化剂，包括Zn@CaO、CaO@SnO?、双胍功能化的羟基磷灰石封装的γ-Fe?O?纳米颗粒和CaO@La?O?[16]。然而，这些催化剂的合成通常需要苛刻的反应条件和多个步骤，导致合成成本较高[17]。最常用的酯交换催化剂是碱[18]、酸和酶[19]。已经开发了几种新的生物柴油合成催化剂，如KOH/Al?O?和KOH/NaY等固体碱催化剂、K?CO?负载在 Cinder 上的催化剂、KOH/膨润土催化剂、改性的CaO催化剂、KF/CaO、KF/CaOeMgO等；固体酸催化剂如Al(HSO?)?和Mg?-xZn?+xO?[20]。然而，均相碱催化剂通常对设备具有腐蚀性，并且与FFA反应会产生不必要的皂类副产物，而均相酸催化剂需要高温，存在严重的环境和腐蚀问题[21]。因此，研究重点在于开发高效且环保的生物柴油生产催化剂。为了解决这个问题，利用酶固定化的IL（离子液体）催化剂，并以MSS作为原料，可以生产出经济价值高的生物柴油。这种方法为解决环境污染问题提供了潜在的解决方案。用IL固定的酶在生物柴油生产中具有巨大潜力，因为它们易于从反应中分离产物，催化剂可重复使用，且对环境的影响最小[22]。因此，选择合适的催化剂至关重要，需要考虑其可重复使用性和整个过程的总成本，以实现最佳的转化率。
生物柴油使用第一代到第四代原料生产，每种原料都有其自身的缺点，例如对食品安全和环境的影响[23]。就可持续性而言，某些代数的原料由于转化率低和缺乏原材料而无法在经济上或实际操作上实现稳定的能源供应[24]。为了克服这一缺陷，提出了使用MSS脂质作为原料。MSS含有大量的脂质成分，包括油、油脂、脂肪和长链脂肪酸，这些成分来自生活和工业污泥。MSS中的脂质含量在10%到25%之间，使其成为生物柴油合成的可行原料[25]。将MSS转化为生物柴油符合废物转化为能源的范式，将未充分利用的废物流转化为有价值的能源，同时降低环境风险[26]。
本文提供了生物柴油生产过程的概述、比较分析和讨论。它介绍了用于生物柴油生产的不同原料和催化剂，以及低温室气体和NOx排放的生物柴油的性能特点。特别关注了使用酶促反应进行生物柴油生产的催化过程，特别是低成本MSS在生物柴油生产中的应用。本文还探讨了用IL固定酶的创新方法。然而，关于使用EIIL控制排放和提高高IP（转化率）性能的研究有限。数据来源于2000年至2025年发表在同行评审期刊上的文章和书籍，主要通过Web of Science、ScienceDirect、Scopus数据库、Springer和Google Scholar进行搜索。用于商业化的催化剂的作用需要进一步开发。因此，通过对比和分析MSS生物柴油生产过程，本文旨在确定可行的技术，为未来的实际应用和改进催化剂提供方向。目标是推动MSS生物柴油从实验室生产向工业生产的转变。
章节片段
生物柴油原料在减少大气排放中的作用
本文回顾了生物柴油生产中原料的作用。原料中的FFA（游离脂肪酸）会显著影响生物柴油转化过程中的能量和化学输入以及排放[27]（表1）。饱和脂肪酸的十六烷值较高，导致点火延迟较短，气缸内温度较低，从而减少了热NOx的生成。另一方面，不饱和脂肪酸会延长燃烧时间，导致温度升高和NOx排放增加。
使用各种催化剂生产生物柴油以减少排放
生物柴油可以通过三种主要工艺生产：（1）微乳液法，（2）热裂解（热解法），（3）酯交换/酯化法[141]。酯交换/酯化法是生物柴油生产的常用工艺。这些过程涉及FFA与醇（甲醇、乙醇、丁醇等）的催化反应。这些工艺成本低，生产的生物柴油粘度低，质量优良。
催化剂和原料在决定生物柴油性能中的作用
本文讨论了生物柴油的物理化学性质，强调了影响生物柴油性能的各种因素，如原材料、FFA组成、生产方法和最终生产参数。不同生物柴油的性能在以下部分进行了详细讨论，并在表5中进行了总结。
Panchal等人[197]展示了来自Burkholderia属的脂肪酶，当固定在新型介孔PIL（多孔无机载体）上时
使用酶固定化IL/PIL催化剂生产生物柴油的经济成本
产品产量和材料加工过程中的能源需求是选择原料的关键影响因素。根据所使用的原料类型，将MSS转化为生物柴油和化学品的技术经济性能是主要分析领域。通常，生产成本是通过将每个系统的总成本除以产量来计算的。总成本包括资本需求、运营成本（维护、消耗品、电力、劳动力、废物处理）等。
本研究在商业应用方面的技术重点
生物柴油生产方法面临诸如传质限制、停留时间过长、可扩展性问题以及仪器成本高等挑战。传统的酶和纳米催化剂方法成本高昂，不太适合大规模商业生产。尽管已经开发了几种基于不同原料的生物燃料生产技术，但它们的技术经济可行性和可持续性仍存在相当大的不确定性。
结论、局限性和进一步研究
生物柴油的生产，包括所使用的催化剂和原料，会显著影响其物理化学性质和发动机性能。尽管如此，关于这一主题的研究仍然有限。本文旨在研究具有成本效益的MSS原料和生产方法，以提高生物柴油的质量和发动机性能，并将其与柴油燃料进行密切比较。利用廉价、质量较低的原料
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会影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了台湾科学技术部（MOST；资助编号：MOST 109-2221-E-131-001和MOST 110-2221-E-131-022-MY3的财政支持。
