《Bioresource Technology Reports》：Comparative pilot-scale hydrodynamic cavitation-assisted methanol- and ethanol-based biodiesel production from waste cooking oil: Process performance and techno-economic analysis
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尽管已报道多种生物柴油生产方法，但多数方法存在能耗高、反应时间长及可扩展性有限的问题。此外，尽管水动力空化（HC）在实验室规模表现良好，但缺乏对其辅助生物柴油合成的中试规模研究。本研究在每批次100 L的中试规模下，利用HC反应器从废食用油（WCO）生产生物柴
尽管已报道多种生物柴油生产方法，但多数方法存在能耗高、反应时间长及可扩展性有限的问题。此外，尽管水动力空化（HC）在实验室规模表现良好，但缺乏对其辅助生物柴油合成的中试规模研究。本研究在每批次100 L的中试规模下，利用HC反应器从废食用油（WCO）生产生物柴油，提供了全面的技术、经济及能源评估。酯交换反应在以下操作条件下进行：使用甲醇时的甲醇与油摩尔比为6:1（使用乙醇时为乙醇与油摩尔比8:1），1 wt%氢氧化钾（KOH）催化剂，反应时间1小时，孔口入口压力3 bar（空化数分别为甲醇0.26和乙醇0.51），反应温度60 °C。获得的脂肪酸甲酯（FAME）和脂肪酸乙酯（FAEE）产率分别为93.44 ± 0.1%和92.38 ± 0.1%，产率效率分别为1.06 × 10?3 kg/kJ和0.89 × 10?3 kg/kJ，空化产率分别为4.05 × 10?6 mol·L/J和3.23 × 10?6 mol·L/J。利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、气相色谱-火焰离子化检测（GC-FID）、热重分析及微商热重分析（TGA/DTG）、碳-13核磁共振（13C NMR）和质子核磁共振（1H NMR）对生产的生物柴油进行了表征，并符合美国材料与试验协会（ASTM）和欧洲标准（EN）规范。技术经济评估显示其具有强大的可行性，投资回报率（ROI）超过130%，内部收益率（IRR）远高于基准投资阈值，投资回收期不到一年，且投资能源回报率（EROI）值较高（FAME为10.77，FAEE为7.63）。总体而言，结果表明水动力空化是从WCO可持续生产生物柴油的一种可扩展、节能且具经济吸引力的途径。
在全球人口增长、城市化、工业化和经济发展的背景下，能源需求显著增加，导致对化石燃料的依赖加剧，亟需开发可持续的替代能源。生物柴油作为一种由长链脂肪酸衍生的单烷基酯，被视为传统柴油的有前景的再生替代品，不仅能提供与矿物柴油相当理化性质，还能大幅减少二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、硫氧化物（SO?）等排放，支持可持续发展目标（SDGs）。然而，尽管各国实施了生物柴油混合强制令，但印度等国的混合比例与目标差距巨大，且受限于土地和水资源，使用食用植物油面临伦理和经济约束。因此，利用每年产生约140亿升的废食用油（WCO）作为原料，成为解决能源需求、公共卫生问题及废弃物资源化的理想选择。传统商业生物柴油生产主要依赖机械搅拌，存在反应速率常数低、能耗高、设备需求大及对原料质量敏感等缺点。为克服这些缺陷，过程强化（PI）技术如微波、超声波及水动力空化（HC）被引入。HC技术通过液体通过节流阀、文丘里管或孔板产生局部压力下降，形成纳米级气泡（空化核），其崩溃时产生高温高压和微冲击波，显著降低传质阻力并提高反应效率。然而，现有HC反应器多局限于小规模操作，且缺乏基于WCO及乙醇溶剂的中试研究及详细的技术经济评估。
本研究由Nirav Prajapati等研究人员开展，旨在设计并开发一种新型中试规模（每批次100 L，为迄今报道最大规模）的生物柴油生产设施，采用多孔孔板式过程强化水动力空化机制。研究人员选用印度当地购买的WCO作为原料，以高纯度甲醇和乙醇为溶剂，KOH为均相催化剂，对比评估了两种醇类在HC反应器中的性能。主要关键技术方法包括：利用具有32个孔、厚度12 mm的孔板装置诱导空化，在3 bar入口压力、60 °C反应温度下进行操作；通过GC-FID、FTIR、TGA/DTG、1H NMR和13C NMR对原料及产物进行全方位表征；采用技术经济分析方法评估ROI、IRR、EROI及投资回收期。
研究结果分为以下几个部分：
**计算生物柴油生产的性能参数**：研究表明，使用甲醇和乙醇作为溶剂，每批次100 L容量的WCO生产生物柴油/甘油的产量分别为98.5 L/7.3 L和98 L/7.2 L。甲醇体系的FAME产率为93.44 ± 0.1%，乙醇体系的FAEE产率为92.38 ± 0.1%，两者均符合欧洲标准（EN标准，酯含量≥96.5%）。甲醇和乙醇的空化数分别为0.26和0.51，均小于1，表明空化效应高效。FAME和FAEE的产率效率分别为1.06 × 10?3 kg/kJ和0.89 × 10?3 kg/kJ，空化产率分别为4.05 × 10?6 mol·L/J和3.23 × 10?6 mol·L/J。
**产物表征**：通过FTIR确认了酯键的形成；GC-FID分析了脂肪酸甲酯和乙酯的组成；TGA/DTG评估了热稳定性；1H NMR和13C NMR进一步证实了分子结构。所有产品均满足ASTM和EN规范，证明HC技术能产出符合国际标准的高品质生物柴油。
**技术经济评估**：对HC生物柴油生产设施进行了详细的经济分析。结果显示该工艺具有极强的商业可行性，投资回报率（ROI）超过130%，内部收益率（IRR）远高于基准，投资回收期短于一岁。能源回报方面，FAME和FAEE的投资能源回报率（EROI）分别为10.77和7.63，显示出卓越的能源效率。
在讨论部分，研究人员指出，与常规机械搅拌方法相比，HC技术使FAME和FAEE的产率效率分别提高了七倍和六倍。该研究填补了利用HC技术从WCO生产乙醇基生物柴油以及进行大规模技术经济评估的空白。研究强调，尽管HC反应器在设计上需要一定的工艺参数优化，但其易于实施、高转化率和短反应时间的特点使其适合在农村或分散式环境中部署。此外，该研究设计的低成本、易操作反应器可由半熟练人员操作，有助于提高当地生物能源自给率和废弃物价值化。
结论部分总结道，本研究成功在中试规模（每批次100 L）下利用HC反应器从WCO生产生物柴油。HC技术被证明是一种高效的技术，相较于传统方法，FAME和FAEE的产率效率分别提高了七倍和六倍。使用具有32个孔的孔板装置诱导空化过程，操作条件明确。该研究确立了水动力空化作为从WCO可持续生产生物柴油的可扩展、节能且具经济吸引力的途径。
