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本文聚焦生物工艺开发，提出 “可持续生物工艺操作窗口”（SBO 窗口）概念。强调早期融合技术可行性与环境可持续性评估的重要性，介绍现有评估工具及早期评估现状，阐述 SBO 窗口应用案例，为开发可持续生物工艺提供新思路。
引言
推动当前以化石为基础的经济向基于可再生资源的生物经济转型，增强环境可持续性是主要动力。生物工艺从实验室成功转化到工业规模，在实现产业生物化过程中起着关键作用。目前生物工艺开发早期主要关注技术可行性，旨在与现有工艺竞争，追求经济竞争力。在定义技术约束时，常以 “操作窗口” 来可视化，比如搅拌罐反应器中搅拌和通气的限制。但早期开发往往忽视环境可持续性评估，这与生物经济的初衷相悖。部分原因是人们常认为生物工艺本身就是绿色可持续的，或者缺乏评估可持续性的意识和专业知识。等到大规模生产时才进行环境可持续性评估，可能因需要进行成本高昂的改造或重新设计整个流程，造成经济损失。因此，早期评估生物工艺的环境可持续性至关重要，需要将其纳入生物工艺开发流程。然而，现有的工具要么不适合早期评估，要么缺乏，要么未在可持续性驱动的生物工艺开发中得到有效应用。
环境可持续性评估的前提条件和现有工具
评估环境可持续性的工具多样，复杂程度和准确性各异。像过程质量强度、E(+)- 因子、产品 CO2足迹等简单指标，能反映单位产品的资源使用或废弃物产生比例。半定量指标如 EcoScale，以及基于绿色化学 12 原则的定性评估也可应用。而完整的生命周期评估（LCA）能更全面地呈现工艺的环境可持续性，但因其复杂性和部分回顾性，需要大量数据，早期工艺开发阶段往往难以获取。为弥补数据不足，常需做出大量假设，这又会降低准确性。许多生物经济 LCA 研究因不准确或不完整而存在缺陷，例如系统边界狭窄或数据不可用。所以，早期生物工艺开发阶段可能不太适合进行完整的 LCA。此时，应聚焦特定（生化）反应或过程的重要类别，比如水的使用和能源消耗，这在发酵和下游工艺单元操作中通常较为关键，还可量化温室气体排放，与化学工艺进行对比。不过，影响类别需根据具体的工艺或单元操作来选择和编制。
当前的困境在于，生物工艺开发早期由于缺乏数据，难以进行全面的环境可持续性评估，只能依赖预测准确性较低的简单指标。尽管如此，以往一些生物工艺设计研究尝试解决这一矛盾，可作为参考案例。
生物工艺开发早期可持续性评估的现状
多数考虑生物工艺环境可持续性评估的研究聚焦于特定产品，从大宗化学品到精细化学品都有涉及。在早期评估中，很多研究使用相对简单的指标，这里重点关注 LCA。进行 LCA 时，常面临系统边界设定难以可比、影响类别选择存在差异的问题。比如在柠檬酸生产的早期 LCA 研究中，主要考虑底物和发酵罐的操作模式，聚焦生物转化过程。而其他研究在生产芳香族化合物、乳酸或单萜吲哚生物碱等时，会纳入过程集成和强化，考虑反应条件，如生物催化剂和原料的选择，以及不同的下游加工（DSP）路线。多项关于不同生物表面活性剂发酵生产的研究发现，发酵、特定的 DSP 单元操作和合理的规模放大对环境可持续性影响最大，并建议据此优化工艺。在生物催化剂选择方面，酶生产对整个工艺的环境可持续性可能有重大影响。此外，还开展了对比 LCA，评估生物催化合成相较于化学过程是否具有生态优势，例如在生产异丙基棕榈酸酯、内酯或环二核苷酸时。也有研究调查了特殊反应器和工艺设置对环境的影响，如 Abel 等人分析了不同底物输入（甲酸盐、H2、由可再生能源电解 CO2和 H2O 产生的乙酸盐）和三种产品（乳酸、生物质、酶）的电微生物生产（EMP）系统，并与传统生物工艺对比，发现使用 90% 可再生能源时，EMP 系统更有利，土地使用可减少 95%。后续对 EMP 中丁醇生产的技术经济评估显示，氢气、直接空气捕获和可再生能源的价格以及工艺关键绩效指标（KPIs）对工艺经济性有很强的限制，不过目标 KPIs 并非遥不可及。其他生物经济 LCA 或更简单的方法聚焦于反应器设计，如光生物反应器，或旨在最小化搅拌罐反应器的能源需求。
虽然 LCA 和其他指标在生物工艺设计早期的应用有限，但文献中仍有不少相关案例。Wowra 等人全面回顾了 LCA 在（早期）生物工艺开发中的应用，强调其对整体评估的重要性。然而，LCA 严重依赖数据，早期工艺开发阶段数据缺失，且其复杂性需要建模和验证方面的专业知识才能得出可靠结论。因此，需要权衡：若有足够数据，LCA 是理想方法，但生物工艺工程师在早期开发阶段需要易于应用的工具来估算环境可持续性，以便调整和决策工艺设计参数，同时这些工具收集的数据也可为后续更复杂的方法（如 LCA）做准备。
环境可持续性评估融入生物工艺开发
为更好地将环境可持续性的重要性融入工艺设计，并使其成为决定性因素，需要易于获取的工具。化学过程工程领域已认识到将可持续性融入早期工艺设计的必要性和相关性，产生了 “工业生态学” 和 “面向环境的设计” 等概念，但这些概念尚未在生物工艺开发中得到讨论和应用。为此，提出 “可持续生物工艺操作窗口”（SBO 窗口）这一新兴概念，将早期可持续性分析融入生物工艺开发。
类比技术生物工艺开发中的 “操作窗口”，建立环境可持续性窗口。以水的使用和能源消耗等特定影响类别为参数空间，为生物工艺设定环境可持续性主要贡献因素的约束条件，这些约束定义了生物工艺实现环境可持续性的最佳操作范围。同时，应用经典的 “操作窗口” 确定满足环境影响类别预定义约束的工艺参数，确保所选操作参数兼顾技术可行性和环境可持续性。这两个窗口的结合，即 SBO 窗口，展示了所有选定环境影响类别的抽象多维参数空间及其对工艺条件的影响。
SBO 窗口在案例研究中的应用
SBO 窗口虽尚未广泛应用，但可借鉴文献中基于早期环境可持续性评估改进生物工艺的研究。以生物技术生产纤维二糖脂为例，Oraby 等人在从摇篮到大门的 LCA 研究中发现，发酵是所有调查影响类别（包括非生物资源消耗、富营养化和全球变暖潜能值）的主要贡献因素，尤其是搅拌和通气所需的能源。他们提出的解决方案是缩短发酵时间（这需要提高时空产率），以及通过减少通气和鼓泡提高能源效率。然而，要实现经济可行性，需达到目标 KPIs，这可能与有利于环境可持续性的解决方案相矛盾。
在这种情况下，SBO 窗口可辅助决策，平衡最大环境可持续性和可接受的 KPIs。对于纤维二糖脂生产，降低能源消耗可使操作点进入环境可持续性窗口，但这意味着在传统 “操作窗口” 中要减少搅拌和通气，操作点会靠近 “供氧不足” 和 “混合不良” 的边界。因此，需要在 SBO 窗口中整合技术和环境边界条件。若操作点超出边界，则需重新设计发酵过程或选择不同的（生物）化学转化路线。
可持续性窗口的边界需根据每个工艺单独定义，因为其受多种因素影响，如产品类型、生产工厂位置、底物和可再生能源的获取、底物的环境可持续性以及（水）回收策略等。坐标轴应代表对工艺环境可持续性影响最大的类别。在上述例子中，最低的水消耗和能源使用是理想状态，但会受到工艺经济可行性的最低要求限制。经济要求可用转化为 KPIs 的工艺指标表示，包括每千克产品成本、年产量、反应产率、生物催化剂产率、产品浓度和时空产率等。基于化学工业市场细分（制药行业、精细化工行业和大宗工业）定义了阈值评估值，有助于在早期开发阶段进行成本和工艺优化。虽然已建立了废弃物产生的类似阈值，但评估环境可持续性参数（如全球变暖潜能值、工艺的能源和水消耗）的额外阈值仍缺失。
通过纤维二糖脂生产的案例，展示了建立 SBO 窗口如何在生物工艺开发早期支持环境可持续性考量。将其应用于当前正在开发的生物工艺，还需选择合适的影响类别，设定各窗口的特定阈值和操作点，并根据工艺开发过程中获取的数据反复评估。此外，SBO 窗口的概念需在 DSP 中推广应用，以确定可持续的生物工艺操作参数，覆盖从接种到产品纯化的整个生物工艺开发流程，助力开发环境可持续、技术可行且经济合理的生物工艺。
展望
在生物工艺开发早期应用环境可持续性分析是一个新兴领域。将其与传统生物工艺优化工具相结合，有望开发出环境可持续、稳健且经济的生物工艺。目前在收集数据和进行复杂的可持续性计算方面投入了大量精力，但在重新融入生物工艺开发方面缺乏系统性。生物工艺工程师需要一种易于应用的工具，能集成到当前生物工艺开发流程中，用于早期环境可持续性评估，SBO 窗口概念在此可发挥作用。虽然现阶段 SBO 窗口概念定性成分较多，但应推动其向更定量的方向发展。希望生物工艺工程师利用并完善 SBO 窗口概念，开展早期环境可持续性评估，这至少能提高对生物工艺开发早期环境可持续性考量重要性的认识，并为后续如完整 LCA 等复杂方法收集数据。
