《Journal of Cleaner Production》：Life cycle assessment of a food waste-based biorefinery: From production of biopolymers to fabrication of advanced nanofibre masks
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基于食品废弃物的生物精炼框架通过发酵转化为聚乳酸（PLA）和聚(3-羟基丁酸-co-3-羟基戊酸酯)（PHBV），并利用电纺技术制备纳米纤维口罩。生命周期评估显示，采用质量分配法时PLA的全球变暖潜力为-1.32 kg CO?eq/kg，PHBV为1.32 kg CO?eq/kg，电纺纳米纤维口罩相较传统医用口罩减少23.8%全球变暖潜力，同时显著提升毒性相关指标。
朱家乐|秦子豪|罗俊熙|王振尧| Mou金花|Anda Fridrihsone|孙正|Carol Sze Ki Lin
教育部上海海洋大学水生遗传资源勘探与利用重点实验室，中国上海
摘要
COVID-19大流行导致口罩消费激增，凸显了寻找可持续替代品的需求。尽管疫情限制措施有所放宽，但由于公众意识的提高，口罩消费量仍远高于疫情前水平。为此，本研究对一种创新的生物精炼框架进行了全面的生命周期评估（LCA），该框架将食物废弃物（FW）转化为生物聚合物，具体为聚乳酸（PLA）和聚（3-羟基丁酸-共-3-羟基戊酸）（PHBV），用于生产纳米纤维口罩。分析表明，FW衍生生物聚合物的环境影响受到分配方法的影响。在主要质量分配方法下，PLA和PHBV的全球变暖潜能值（GWP）分别为-1.32和1.32千克二氧化碳当量/千克。在不同经济和能源分配情况下，PLA的GWP范围为0.18至2.29千克二氧化碳当量/千克，而PHBV的GWP范围为-0.62至0.24千克二氧化碳当量/千克，这突显了方法论的敏感性。当这些聚合物被电纺成医用纺织品时，与传统的外科口罩相比，制成的纳米纤维口罩的全球变暖潜能值降低了23.8%，同时在毒性相关类别上也有了显著改善。此外，敏感性分析确定了关键的环境热点，并提出了优化策略。不确定性分析证实了环境效益的稳健性，即使参数存在变化也是如此。总体而言，这项研究展示了基于废弃物的生物精炼系统在减轻个人防护装备环境影响方面的潜力。
引言
COVID-19大流行引发了前所未有的全球口罩需求，产量从2019年的125.3亿个激增至2020年的3788.5亿个和2021年的4021.4亿个（Lyu等人，2023年）。虽然自疫情高峰期以来口罩使用量有所下降，但消费量仍然显著高于疫情前水平，一项针对五个亚洲城市的综合调查显示，疫情后的使用量几乎是疫情前的三倍（Liu等人，2024年）。这种持续的需求加剧了全球塑料废物管理挑战。全球分析表明，在所有塑料废物中，只有16%被回收利用，25%被焚烧，40%被填埋，约19%因管理不善而进入环境（Kleme?等人，2020年）。研究表明，废弃的口罩会释放微塑料、污染物和金属，破坏生态系统和生物地球化学循环（Du等人，2022年；Idowu等人，2023年）。不当的焚烧会释放有毒的二噁英和呋喃，加剧空气污染（Mor和Ravindra，2023年）。这些环境后果凸显了开发减少对化石基材料依赖的可持续替代品的紧迫性。
集成生物精炼平台为将有机废物流转化为高价值生物聚合物提供了一种典范方法，同时解决了废物管理和材料可持续性问题（Yaashikaa等人，2022年）。在潜在的原料中，食物废弃物（FW）具有显著优势：产量巨大（13亿吨）、获取成本较低、不会与土地用途竞争，以及异质的大营养素组成有利于微生物生物合成（FAO，2019年）。将FW转化为生物聚合物的生化转化过程，原本会大幅增加垃圾填埋场的人为甲烷排放，这体现了在可持续材料开发中日益重视的循环经济原则（To等人，2023年；Yang等人，2023年）。这种方法超越了传统的回收方式，通过从根本上将废物材料重新构造成具有更好环境性能的新生物基产品。FW衍生的生物聚合物成为外科口罩等医用纺织品的有希望的替代品（Hu等人，2017年；Hathi等人，2022年）。
传统的外科口罩由三层聚丙烯（PP）组成：亲水的内层、静电熔融吹制的中间层和疏水的外层（Ajaj等人，2023年）。随着颗粒积累和电荷耗散，过滤效率会下降（Xu等人，2020年）。电纺是一种利用高压场从聚合物溶液中制备亚微米纤维的先进技术，形成具有高表面积和互连孔隙性的非织造基质（Ji等人，2024年）。这些结构特性通过拦截、惯性撞击和布朗扩散提高了过滤性能，同时保持了适当的透气性以保障呼吸舒适度（Cimini等人，2023年）。聚乳酸（PLA）和聚（3-羟基丁酸-共-3-羟基戊酸）（PHBV）具有适合电纺的最佳流变性能，能够制造出形态和直径分布可控的纳米纤维膜，在初步评估中显示出对病毒和细菌的防护效果（Lo等人，2024年）。鉴于其优越的结构特性、生物相容性和生物降解性，PLA和PHBV电纺纳米纤维是下一代口罩中PP的潜在可持续替代品，可能提供更好的保护。
PLA和PHBV是通过FW衍生底物经微生物发酵合成的典型生物聚合物。PLA的发酵生产涉及将葡萄糖转化为乳酸（LA），随后进行聚合（Hu等人，2017年）。作者之前的研究表明，使用FW作为乳酸生产微生物的营养来源可显著降低发酵成本，最多可降低51%，特别是通过减少葡萄糖在运营成本中的占比（Kwan等人，2015年，2018年）。同样，PHBV也可以由如Cupriavidus necator等细菌生物合成，这些细菌会吸收FW衍生的脂质并在细胞内积累共聚物（Hathi等人，2022年）。将3-羟基戊酸单体引入聚合物结构中可以改善其热机械性能，包括降低结晶度、提高断裂伸长率和改善加工性能（Policastro等人，2021年）。
生命周期评估（LCA）被广泛用于评估医用个人防护装备的环境影响（Kumar等人，2021年）。然而，大多数研究主要关注传统外科口罩（Chen等人，2021年；Li等人，2023年；Luo等人，2023年）或通过传统制造工艺生产的生物基替代品（Ajaj等人，2023年；Lyu等人，2023年；Soo等人，2022年）。文献中仍存在几个关键的知识空白。首先，尽管对纳米纤维技术的兴趣日益浓厚，但关于电纺生物聚合物口罩的全面从摇篮到坟墓的评估仍然明显缺失。现有的研究，如Malara（2024年）通过简化的LCA研究了影响纤维形态的工艺参数，以及Hu等人（2023年）对用于水处理的电纺纳米纤维膜的分析，尚未涉及其在医用纺织品中的应用。其次，通过废物转化途径生产的生物基口罩的环境效益尚未得到充分探索，也缺乏与传统的石油基口罩以及来自专用作物（如糖或淀粉）的生物基替代品的系统比较（Elshabrawy等人，2024年）。第三，集成生物精炼-电纺系统中的环境热点分析不够充分，阻碍了有针对性的优化。这些空白突显了对生产医用个人防护装备的循环经济方法进行系统环境评估的迫切需求，特别是在疫情后的高产量应用场景中，如外科口罩。
本研究对将FW转化为高性能纳米纤维口罩的集成废物转化框架进行了系统的LCA评估。研究分为两个阶段进行：首先是PLA和PHBV从FW共生产的从摇篮到大门的评估；其次是这些生物聚合物制成的纳米纤维口罩的从摇篮到坟墓的分析，包括与传统外科口罩的比较。此外，还评估了不同分配方法（质量、经济和能源）的影响。进行了敏感性分析以确定环境热点和优化机会，并进行了不确定性分析以评估LCA模型的稳健性。这项研究揭示了基于废物的生物精炼方法在应对疫情后时代医疗防护装备日益增加的环境负担方面的潜在环境效益。
部分摘录
目标和范围
本研究评估了一种新型生物精炼系统的环境可持续性，该系统将FW转化为PLA和PHBV，然后通过电纺将这些生物聚合物转化为非织造纳米纤维，用于生产口罩。研究分为两个阶段进行，如图1所示的集成系统边界所示。首先，从摇篮到大门的评估量化了从FW共生产PLA和PHBV的环境影响。
LCA模型的抵消和分配
在环境评估中考虑抵消因素至关重要，因为它会显著影响评估结果。包括填埋场抵消可以极大地改变PLA和PHBV的环境特征（表S10）。对于PLA，抵消将其GWP从7.87千克二氧化碳当量转变为-1.32千克二氧化碳当量，并逆转了其生态毒性影响（即FET：0.46千克1,4-DCB当量变为-6.02千克1,4-DCB当量），表明避免了甲烷排放和污染转移的益处。PHBV由于较低的生物碳依赖性，显示出
结论
本研究的结果表明，FW衍生的纳米纤维口罩提供了传统外科口罩的可持续替代品。环境性能对分配方法敏感。在质量分配下，最能反映这种废物转化系统的质量流动驱动特性，FW衍生的PLA作为碳汇，其GWP为-1.32千克二氧化碳当量/千克，而PHBV的GWP为1.32千克二氧化碳当量/千克。值得注意的是，PLA的GWP范围为
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朱家乐：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。秦子豪：撰写 – 审稿与编辑，方法论，正式分析，概念化。罗俊熙：撰写 – 审稿与编辑，方法论，正式分析。王振尧：撰写 – 审稿与编辑。 Mou金花：撰写 – 审稿与编辑。Anda Fridrihsone：撰写 – 审稿与编辑，方法论，正式分析。孙正：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本文所述的工作得到了中国香港特别行政区研究资助委员会的资助（项目编号：CityU C1105-20G）。
