背景介绍
全球人口的快速增长，特种/商品化学品的需求增加，迫使人们去寻找可再生和生态友好的资源——木质纤维素生物质，其主要成分包括：纤维素、半纤维素和木质素。其中纤维素和半纤维素已应用于生物燃料/特种化学品等方面，而木质素尚未得到充分利用，根据木质素的抗微生物特性、天然来源和生物可降解性可用其生产木质素水凝胶（LH）。LH被应用于各个领域，如生物医学：伤口愈合、药物输送剂和组织工程中的支架应用，农业：改善土壤条件和水压条件下的植物生长，环境：吸附废水中的重金属等应用以及可在电子领域中：用于合成超级电容器。
基于此，韩国庆熙大学化学工程系（综合工程）的Wangyun Won教授开发了两种新的策略（单步和两步工艺）来生产（A和B级）木质素水凝胶，并对四个子系统：甲基丙烯酸木质素生产、木质素分离甲基丙烯酸酯、溶剂回收和水凝胶的生产对系统级的综合分析，包括技术经济分析（TEA）、不确定性分析和生命周期评估（LCA）。作者所提出的木质素升级策略可以在未来的研究中得到利用，以便在木质纤维素生物精炼厂中进行整合，开发可持续的工艺。
图文解读
Fig. 1. Major reactions involved in the proposed process for production of lignin hydrogels
在A级的情况下，水凝胶是通过自由基聚合与甲基丙烯酸木质素（10.69 wt%负载）和甲基丙烯酸磺酸钠（14.05 wt%负载），聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（1.17 wt%负载）作交联剂合成的。此外，加入了纤维素纳米纤维（0.038 wt%负载），以通过形成物理性的水凝胶来提供结构完整性。该反应由ACVA（0.23 wt%负载）引发，并在70℃和1个大气压下孵育12小时（如图 1所示）。
在B级的情况下，水凝胶是通过将木质素（0.25wt%负载）与NIPAAm（4.5 wt%负载）交联来合成的，其中MBAAm是交联剂（0.15 wt%负载），AIBN（0.2 wt%负载）引发聚合反应。该反应在65℃和1个大气压下孵育4-8小时（如图 1所示）。
Fig. 2. System boundary for lifecycle assessment. (a) Grade A hydrogel and (b) Grade B hydrogel
进行LCA研究的主要目的是计算拟议的木质素水凝胶生产过程对环境的影响，该方法分为四个步骤：定义目标和调查范围；对库存分析；环境影响评估；影响评估的说明。从图 2中可以看到木质素水凝胶的生产生命周期制定的系统边界（从摇篮到大门的方法）。Hottle等人在分析生物基聚合物颗粒的生命周期影响评估时提出了类似的“从摇篮到颗粒”的概念，在作者的研究中，下游步骤，即产品的使用/再使用，废物处理方面没有被考虑在调查的范围内。
Fig. 3. Process flow diagram of the proposed lignin hydrogel production process. (a) Hydrogel grade A and (b) Hydrogel grade B.
该研究中，作者设计了一个生产木质素水凝胶的工艺流程（如图 3所示），其中内部限制包括四个子系统：甲基丙烯酸木质素的生产；甲基丙烯酸木质素的分离；水凝胶的生产和溶剂的回收。外部限制包括储存、公用设施、热能和发电以及废水处理。
Fig. 4 Energy requirements of the system before and after heat integration, a) Hydrogel grade A and b) Hydrogel grade B. In case of grade B, x-axis has been drawn in logarithmic scale (base 10)
该项研究中，每天处理434千吨木质素，开发的工艺需要74.7 MW、124.8 MW和28.4 MW的能源俩满足A级水凝胶的加热、冷却和电力需求。对于B级水凝胶，需要16.2 MW、403.5 MW和263.8 MW的能源来满足加热、冷却和电力需求。使用热泵（A级水凝胶的D-1蒸气流中的CP-1；B级水凝胶的S-2蒸气流中的CP-1）对工艺热整合后，计算出能源需求，A级和B级水凝胶的加热需求分别减少83.8%和99.6%。同时，A级和B级水凝胶的冷却需求分别下降了75.6%和91.8%（如图 4所示）。
Fig. 5 (a) Costs and revenues for the proposed process; Cost contribution: b) Hydrogel grade A and c) Hydrogel grade B
根据资本和运营费用，木质素水凝胶的最低销售价格（MSP）是用折现现金分析法估算的。木质素水凝胶的MSP估计A级和B级水凝胶分别为2774美元/吨和4489美元/吨。两个等级的水凝胶的MSP不同可能是由于B级水凝胶采用了低固体负荷（5 wt%）而A级水凝胶的生产采用了26 wt%。图 5显示了成本和收入的比较以及各个子系统对MSP的贡献。
总结
作者提出了一种新的策略来生产木质素水凝胶，并对四个子系统进行了系统级综合分析，即甲基丙烯酸木质素生产、木质素分离甲基丙烯酸酯、溶剂回收和水凝胶生产。该工艺的能源需求是在热整合后确定的，其结果是最大限度地节省了99.6%和91.8%的加热和冷却所需能源。对拟议工艺进行了全面的技术经济分析和生命周期评估，木质素水凝胶的MSP估计A级和B级水凝胶分别为2774美元/吨和4489美元/吨。发现水凝胶生产子系统对木质素的MSP贡献最大是因为使用了昂贵的聚合单体。进行敏感分析发现原料对MSP有重大影响，还进行了不确定性分析，以研究市场不确定因素对LH的MSP影响。根据LCA研究，A级水凝胶的生产过程比B级更清洁。总之，作者所提出的木质素升级策略可以在未来的研究中得到利用，以便在木质纤维素生物精炼厂中进行整合，开发可持续的工艺。
