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本文聚焦生物基生产系统原料，通过技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA），对比常规、替代及下一代原料（NGFs）的经济与环境性能。发现二氧化碳、甘蔗蜜和废物流中的甘油表现较优，为原料选择和可持续发展提供重要参考。
1. 生物加工中原料面临的挑战与机遇
随着人口增长和人类活动加剧，环境问题日益突出，可持续发展成为必然需求，生物基技术备受关注。目前，生物基产品生产依赖的第一代和第二代生物质原料，存在与粮食资源竞争、增加环境负担等问题，第三代生物质原料商业化也面临挑战。
不过，微生物菌株工程和建模技术的发展，为新原料的应用带来可能。近年来，二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）等被称为下一代原料（NGFs）的物质，因其不与粮食竞争、可减少浪费且可再生等优势，成为潜在的生物加工原料。但此前缺乏对各类原料性能的综合对比，本文旨在填补这一空白，为原料选择提供依据。
2. 生物技术中潜在可持续原料概述
生物技术使用的原料常需特定投入或能量处理，才能用于微生物转化。原料来源多样，包括基础资源生产的、工业副产品（如甘油、糖蜜），还有未充分利用的木质纤维素残渣和食物垃圾等，这些原料经不同发酵技术可生产多种产品。
2.1 常规原料
常规原料即第一代原料，是目前生物技术中糖的主要来源，包括食用作物和部分农业副产品，如甜菜、甘蔗、玉米等，这些作物与粮食和饲料存在竞争关系。其中，甜菜和甘蔗主要生产蔗糖，玉米主要生产葡萄糖，糖蜜则是制糖业的副产品，富含糖分。这些作物的分布和使用因地理位置而异。
2.2 替代原料
替代原料包括第二、三、四代原料。第二代原料主要是非食用的木质纤维素生物质，如芒草、柳枝稷，以及农业废弃物、林业废弃物等，可产生五碳（C5）和六碳（C6）糖，农业废弃物是其中较有前景的原料。第三代原料以藻类生物质为代表，能快速生产多种有价值化合物，其碳水化合物主要为纤维素和淀粉。第四代原料则是转基因的微生物和植物，但相关研究较少。
2.3 下一代原料
NGFs 在生物技术领域逐渐受到关注，可分为 C1 和 C2 底物。C1 底物有 CO2、一氧化碳（CO）、CH4、甲醇、甲酸等；C2 底物包括乙醇和乙酸。这些原料来源广泛，可从自然、合成产物、副产品或废物流中获取。
CO2可从大气或工业排放中捕获，捕获技术多样，应用最广的是化学吸收和物理分离。CO 通常在合成气生产过程中产生。CH4来源丰富，可通过多种技术进行甲烷化反应。甲醇产量大，除传统生产方式外，还可通过生物和电化学途径制备。甲酸可通过多种方法合成，先进的可再生技术正在快速发展。乙酸和乙醇是大宗化学品，生产途径多样，且乙醇还可由多种原料发酵或从 NGFs 合成得到。
3. 研究方法
3.1 评估原料可持续性能的系统工程工具
技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）是评估原料可行性和可持续性的重要工具。TEA 通过过程模拟模型获取数据，以单位生产成本为主要参数，同时考虑地理位置、生产能力等因素，评估原料提取或转化的经济可行性。LCA 依据 ISO 14040/44 标准，从气候变化、土地利用等多个影响类别量化原料的环境影响，包括目标与范围定义、生命周期清单分析、生命周期影响评估和结果解释四个主要阶段。
3.2 原料和加工路线筛选
本研究通过三个主要阶段进行。首先，使用特定关键词检索文献，确定生物技术中潜在的原料和加工路线，然后将原料分类，确定其来源，并总结加工路线，为后续评估做准备。
3.3 标准化和归一化
收集文献、工业和模拟数据库中的经济和环境分析数据，将成本数据标准化为每千克原料的成本（以美元为默认货币），环境影响类别标准化为每千克最终产品的影响，并考虑产品分配和系统边界（从原料提取到生物转化前）。对数据进行归一化处理，将经济结果除以相应最大值，得到 0 - 1 之间的值，便于对原料的经济和环境性能进行排名。
3.4 置信度评分
为确定数据可靠性，对文献和数据库中的数据赋予 1 - 3 分的置信度评分，1 分表示可靠性最低，3 分表示最高。评分考虑研究日期、系统边界、TEA 和 LCA 的详细程度及假设等因素。对于环境数据，还应用生态足迹数据库中的谱系矩阵进一步评估，该矩阵从可靠性、完整性等五个指标进行评分，1 分表示最高置信度，5 分表示最低。最后，根据归一化数据和置信度评分对原料进行排名。
4. 结果与讨论
4.1 原料的经济性能
根据标准化和归一化的经济数据及置信度评分，CO2（除直接从大气捕获外）单位生产成本最低，甘蔗蜜次之，但甘蔗蜜置信度评分较低。部分常规、替代和 NGFs（尤其是化石燃料来源的）成本相近且较低，而可再生来源的 NGFs 成本较高。与目前常用的葡萄糖相比，一些 NGFs（如甲醇、乙酸）和蔗糖经济性能更好。
CO2生产成本的差异主要取决于气体浓度，大气捕获成本受技术和规模影响。糖蜜因杂质多、含糖量低，成本低于其售价；甘油因生物柴油产业副产量增加，价格大幅下降。第二代和第三代原料因生物质结构复杂，生产技术要求高，成本高于第一代原料。从化石燃料获取 NGFs 的路线经济上可行，但可再生技术（如电合成）效率低、规模小，经济性能差。
4.2 原料的环境性能
采用 ReCiPe 方法对原料进行标准化 LCA 分析，选取气候变化、农业用地占用、水资源消耗和光化学氧化剂形成四个关键影响类别评估环境性能。
在气候变化方面，通过 CO2加氢使用风能生产甲醇（R22）和甲酸（R26）的影响最低，而使用化石能源通过 CO2加氢生产 CH4（R16）的影响最高。使用可再生能源替代化石能源生产 NGFs 可显著降低气候变化影响。
光化学氧化剂形成方面，甜菜糖蜜（R4）、厌氧消化产生的 CH4（R15）等影响较低，而南非煤制甲醇（R18）等影响较高。农业用地占用方面，许多废弃物或化石基原料过程影响较低，而生物质气化生产 CH4（R14）影响较高。水资源消耗方面，厌氧消化产生的 CH4（R15）影响最低，菜籽油制甘油（R8）影响最高。
综合来看，糖蜜在常规原料中整体环境影响最低，因其经济价值低，经济分配占比小。废食用油制甘油也表现出低环境影响，而大豆和菜籽油制甘油因土地需求大、肥料投入多，环境影响较高。第二代原料相较于第一代，在减少温室气体排放方面更有优势，但加工路线差异和肥料使用对其影响较大。第三代原料大型藻类因加工过程需消耗大量化石燃料能源，环境影响中等至较高，但因其无需农业用地，在农业用地占用方面影响较低。部分废弃物来源的原料（如厌氧消化产生的 CH4、工业捕获的 CO2）整体环境影响较低，而大多数化石燃料或非可再生能源来源的 NGFs、大豆和菜籽油制甘油、大型藻类环境影响较高。
4.3 原料的整体可持续性性能
为综合评估原料的经济和环境影响，采用欧几里得距离作为指标，对经济和环境数据进行归一化处理后计算。结果显示，甘蔗蜜和甜菜蔗糖在糖类原料中经济和环境性能最佳，但二者经济置信度评分低，且糖蜜经济分配占比小。废物流中的甘油在整体可持续性方面表现较好，但第二代原料性能因原料、加工路线和地理位置而异。
部分 NGFs 在经济和环境方面优于常规和替代原料，CO2成本最低，环境影响小，置信度评分合理。化石基 NGFs 路线存在经济和环境性能的权衡，其成本低但环境影响高；而可再生能源和原料的 NGFs（尤其是电合成路线）成本竞争力弱，但气候变化影响低。
5. 结论与展望
本综述对生物技术潜在原料的经济和环境可持续性进行了定量评估和排名。结果表明，糖蜜、蔗糖和 CO2等原料在单位功能上表现出较大潜力，但在选择原料时，还需考虑下游因素，如转化效率、分离、分配和产品生命周期末端影响等。
本研究填补了相关文献空白，为研究人员选择可持续原料、商业利益相关者评估投资可行性、政策制定者决策提供了参考。未来可进一步完善数据库，纳入更多可持续性评估因素，如原料同化和加工效率、底物纯度、碳水化合物组成、地理位置、技术成熟度和资源可用性等。还可将本研究的可持续性数据库与区域数据库整合，创建原料地图集，帮助各利益相关者根据可持续性和资源可用性选择原料和生产路线，最终将整体可持续性分析与行星影响评估框架相联系，了解原料和生产路线对环境的绝对影响。
