《Biomass and Bioenergy》：Techno-economic and environmental assessments of alternative scenarios for a Brazilian mango biorefinery
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巴西芒果工业生物精炼厂（MIBL）通过整合果肉、淀粉、果胶、木素及纤维素回收，结合TEA和LCA评估显示MIBL B3（果肉+淀粉）在3-5%贴现率下实现盈利，而B2（果肉+淀粉+果胶）因冻干等高资本投入不可行。环境热点集中于果胶提取的溶剂和酸使用（气候、毒性、水耗）及木素/纤维素回收的废水排放（富营养化）。建议新兴经济体优先简化布局，整合配置需技术创新和政策激励。
埃德纳尔多·贝尼西奥·德·萨·菲略（Ednaldo Benício de Sá Filho）、约翰尼·大卫·戈麦斯·德·凯罗斯（Johnny David Gomes de Queiroz）、莫尔西莱德·德·弗雷塔斯·罗莎（Morsyleide de Freitas Rosa）和玛丽亚·克莱亚·布里托·德·菲盖雷多（Maria Cléa Brito de Figueirêdo）
巴西塞阿拉联邦大学化学工程系，技术中心709号楼，皮西（Pici），福塔莱萨（Fortaleza），60455-760
摘要
随着生物经济的不断发展，通过综合性的生物精炼厂对农业工业废弃物进行创新性转化变得愈发重要。在巴西，芒果加工过程中产生的废弃物几乎占果实总质量的一半，包括果皮、果核和种皮，这些废弃物可以转化为高价值的生物产品。本研究开发并评估了一种芒果工业生物精炼厂布局（Mango Industrial Biorefinery Layout，简称MIBL），该布局涵盖了纸浆、淀粉、果胶、木质素和纤维素的回收利用。针对三种基准配置（MIBL A、B和C）以及从最平衡的配置MIBL B衍生出的三种替代方案，进行了技术经济分析（Techno-Economic Analysis，简称TEA）和生命周期评估（Life Cycle Assessment，简称LCA）。研究结果显示，纸浆生产是主要收入来源；而果胶回收过程由于需要冷冻干燥技术，资本投入最大，占设备成本的30%以上。直接固定资本投资额在7100万至9100万美元之间，在巴西现有条件下净现值（Net Present Value，NPV）为负值，表明其可行性较低。环境问题主要集中在果胶提取环节（溶剂和酸的使用导致气候变化、毒性问题及水资源消耗）以及木质素/纤维素回收环节（废水排放引发富营养化）。改进后的布局显著提升了项目的可行性。在3%至5%的折现率下，MIBL B3（仅回收纸浆和淀粉）的净现值为正；在有利条件下，MIBL B1（同时回收纸浆、淀粉和木质素/纤维素）也具备可行性；相比之下，由于资本投入过高，MIBL B2（仅回收纸浆和淀粉和果胶）仍不具备盈利能力。简化的芒果生物精炼厂布局为发展中国家提供了更现实的短期发展策略，而综合性布局则需要技术创新、减少溶剂使用以及政策支持，以实现经济与环境目标的平衡。
引言
巴西是全球主要的芒果生产国，2020年的芒果产量为157万吨[1]。芒果加工过程中会产生大量废弃物——果皮（25%）、种皮（9%）和果核（13%），这些废弃物占果实总质量的近一半[2,3]。由于基础设施不足和运输成本高昂，废弃物处理不当会导致土壤污染、害虫滋生和病原体扩散[4]。通过综合性生物精炼厂对这些废弃物进行转化，不仅可以生产生物能源和生物活性化合物，还有助于推动循环经济发展[5,6]。实验室研究已证明芒果废弃物具有开发多种生物产品的潜力，如果胶、淀粉、木质素和纤维素[7][8][9]。
全球向生物经济的转型越来越依赖于通过可持续生物精炼厂将废弃物转化为高附加值产品。为了确保环境效益和经济效益，必须从技术开发的早期阶段就开始进行技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA），为研究、开发和创新（R&D）过程提供指导[10,11]。在技术成熟度（Technology Readiness Level，简称TRL）框架内，从概念设计（TRL 1–2）到试点和工业化应用（TRL 3–9）的每个阶段都需要TEA和LCA的支持，以优化工艺流程并确定投资优先级[12][13][14]。
最新研究表明，前瞻性的综合TEA-LCA方法对生物精炼厂设计至关重要，因为可持续性结果受提取工艺、溶剂使用方式和能源密集型操作的影响显著。然而，尽管实验室研究取得了进展，但关于综合性工业布局的建模在文献中仍较为匮乏。现有研究大多仅关注单一产品的处理流程，无法全面了解整个系统的性能[15][16][17]。
在芒果废弃物转化的具体背景下，仍存在两个关键知识空白：首先，现有研究通常仅探讨单独的提取工艺，而未对能够同时处理纸浆、果皮和种皮的综合性生物精炼厂进行建模[16][17][18]；其次，现有文献缺乏能够比较不同配置的情景分析，以评估技术简化、溶剂使用量和能源需求对未来可持续性的影响。
为填补这些空白，本研究开发并评估了一种具备多种处理能力的芒果工业生物精炼厂布局（MIBL），并运用综合性的TEA和LCA方法进行了评估。本研究通过（i）对四种提取工艺进行完整的物质和能量平衡建模，（ii）评估三种不同规模工厂的环境和经济性能，（iii）比较不同提取方案以确定低环境影响且成本效益高的设计方案，从而推动了相关领域的发展。
方法与流程
方法论框架
本研究的方法论框架（图1）包括一系列步骤，用于评估芒果生物精炼厂的技术经济和环境可行性。该方法结合了文献研究、实验室数据和工业规模建模，为TEA和LCA提供了支持。通过分析结果，确定了最具可行性的生产规模，并评估了改进方案。
MIBL的技术经济分析
对不同MIBL配置的比较分析表明，生产规模对产品产量和收入有显著影响（表2）。在所有情况下，纸浆生产均占收入的80%至85%；淀粉和果胶提供了次要收入来源，而木质素和纤维素的贡献虽然较小但较为稳定，体现了系统的多功能性。在各种配置中，MIBL A（每批次产量21.72吨）的效益最低，其产量和收入均较低。
结论
本研究结合了技术经济分析和生命周期评估，对巴西芒果生物精炼厂的多种布局进行了评估。在基准配置中，MIBL B（每批次产量27.21吨）是最优选择，它具备最佳的收益资本比和中等的环境性能。分析指出，果胶回收过程主要依赖于柠檬酸和乙醇的使用以及冷冻干燥技术；木质素和纤维素的提取则涉及酸碱处理。
作者贡献声明
埃德纳尔多·贝尼西奥·德·萨·菲略（Ednaldo Benício de Sá Filho）：负责撰写、审稿与编辑、原始稿件撰写、数据可视化、方法论设计、研究方案制定、资金申请、数据分析、概念框架构建。约翰尼·大卫·戈麦斯·德·凯罗斯（Johnny David Gomes de Queiroz）：负责撰写、审稿与编辑、方法论设计、数据分析。莫尔西莱德·德·弗雷塔斯·罗莎（Morsyleide de Freitas Rosa）：负责撰写、审稿与编辑、数据可视化、结果验证、项目管理工作。玛丽亚·克莱亚·布里托·德·菲盖雷多（Maria Cléa Brito de Figueirêdo）：负责撰写、审稿与编辑、数据可视化。
关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的说明
本研究使用了ChatGPT来提升文本清晰度并辅助生成净现值敏感性分析图表。所有用于绘制图表的数据均包含在补充材料中。所有作者均已审阅并批准了最终稿件内容。
致谢
作者感谢CAPES、Embrapa以及国家材料循环研究所（CNPq – INCT Polymer Materials Circularity提供的财政支持。同时，作者也感谢Embrapa Agroindústria Tropical实验室的技术人员在实验过程中的宝贵帮助。
