A process economic assessment of hydrocarbon biofuels production using chemoautotrophic organisms
- 作者
- Nymul E. Khan, John A. Myers, Amalie L. Tuerk, Wayne R. Curtis
- 单位
- Department of Chemical Engineering, The Pennsylvania State University, University Park, PA 16802, USA
- 杂志
- Bioresource Technology（2014）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2014.08.118
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
评估利用化能自养微生物（Rhodobacter capsulatus和Ralstonia eutropha）从氢气、二氧化碳和氧气生产C30烃类燃料（botryococcene）的过程经济可行性，识别限制经济性的关键参数并确定可行性目标。
研究策略
基于Aspen Plus构建生物反应器模型，整合微生物生长、维持和燃料合成的热力学模型以及气液传质模型，对5000桶/天的工厂进行资本和运营成本估算，并开展灵敏度分析以考察比燃料生产率、停留时间、传质系数等对燃料成本的影响。
核心内容
该研究基于Aspen Plus构建了化能自养微生物生产C30烃类燃料（botryococcene）的5000桶/天工厂模型，整合了微生物生长、维持和燃料合成的热力学模型与气液传质模型，对Rhodobacter capsulatus和Ralstonia eutropha两种菌株进行了过程经济评估。结果显示电力成本占燃料成本的90%以上，经济可行性要求平准化电力成本低于2美分/kWh且比燃料生产率不低于0.3 g-fuel/gDW-h。在特定操作条件下，Rhodobacter capsulatus因维持能较低（2.01×10^-3 mol-H2/gDW-h）而优于Ralstonia eutropha（维持系数6.8×10^-3 mol-H2/gDW-h）。非电力平台成本约54.3 $/bbl，其中资本成本24.44 $/bbl，操作成本约18.9 $/bbl；基于陆上风电电价，最低燃料成本为187.2-748.8 $/bbl，仍为原油目标价格127 $/bbl的2-6倍。研究还发现低比生产率（0.1 g/gDW-h）下制氢电耗约为0.5 g/gDW-h时的175倍。该评估表明在当前可再生能源电价和原油价格下该工艺不具备经济可行性，但通过提高燃料生产率和降低电力成本，未来在技术进步和碳价机制下可能实现经济可行。
创新点
首次对基于化能自养微生物的电燃料（Electrofuels）过程进行详细过程经济评估，量化了电力成本、特定燃料生产率和气液传质系数对最终燃料成本的相对贡献，并基于实测生理参数（真生长得率和维持系数）进行了模拟。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodobacter capsulatus | 自养代谢（卡尔文循环） | — | — | 催化 | 作为工程化生产宿主，利用H2、O2和CO2自养生长并合成botryococcene；真生长得率2.66 gDW/mol-H2，维持系数2.01×10^-3 mol-H2/gDW-h。 |
| Ralstonia eutropha | 自养代谢（卡尔文循环） | — | — | 催化 | 替代宿主，具有较高的氢生长得率（7.68 gDW/mol-H2）但维持能需求较高（6.8×10^-3 mol-H2/gDW-h）。 |
| — | 甲羟戊酸（MVA）途径 | — | — | 催化 | 用于合成C30烃类燃料botryococcene的前体，与卡尔文循环共同提供碳骨架和能量。 |
| — | — | — | botryococcene synthase | 催化 | 来自Botryococcus braunii，催化法尼基焦磷酸合成botryococcene，是工程菌中异源表达的关键酶。 |
关键发现
- 电力成本占燃料成本的>90%
- 经济可行性要求平准化电力成本（LCOE）<2美分/kWh，且特定燃料生产率需≥0.3 g-fuel/gDW-h
- 在τ=15 h、R_fuel=0.5 g-fuel/gDW-h、kLa=330/h、细胞回流效率95%的条件下，Rhodobacter capsulatus（真生长得率2.66 gDW/mol-H2，维持系数2.01×10^-3 mol-H2/gDW-h）因维持能较低而优于Ralstonia eutropha（真生长得率7.68 gDW/mol-H2，维持系数6.8×10^-3 mol-H2/gDW-h）
- 5000桶/天工厂的非电力平台成本约54.3 $/bbl，其中资本成本24.44 $/bbl，固定成本约5.81 $/bbl（原文误写为58.81），营养物、CO2等操作成本约18.9 $/bbl
- 基于陆上风电LCOE的最低燃料成本预计为187.2-748.8 $/bbl，仍为2020年原油目标价格127 $/bbl的2-6倍
- 在低比生产率下，0.1 g/gDW-h对应的制氢电耗约为0.5 g/gDW-h时的175倍。
研究结论
在当前可再生能源电价和原油价格下，利用化能自养微生物生产烃类生物燃料的电燃料工艺不具备经济可行性，但通过提高特定燃料生产率（>0.3 g-fuel/gDW-h）以及实现LCOE<2美分/kWh，未来在技术进步和碳价机制下可能实现经济可行。