《Journal of Cleaner Production》：Techno-economic analysis of a sequential bioprocessing facility for sustainable dairy feed production
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摘要通过农业食品系统内食品废弃物的循环利用提供替代饲料来源，将使奶牛场更加独立于饲料价格波动。本研究对通过作物残余物和新鲜果蔬（FFV）废弃物顺序发酵生产可持续奶牛饲料设施的技经分析进行了评估。该设施设计使用寿命为10年，年产能82,787公吨（MT）发酵饲料，原料包括18,
摘要
通过农业食品系统内食品废弃物的循环利用提供替代饲料来源，将使奶牛场更加独立于饲料价格波动。本研究对通过作物残余物和新鲜果蔬（FFV）废弃物顺序发酵生产可持续奶牛饲料设施的技经分析进行了评估。该设施设计使用寿命为10年，年产能82,787公吨（MT）发酵饲料，原料包括18,081 MT麦秸、43,396 MT FFV废弃物和12,151 MT苜蓿干草。当发酵饲料售价为90美元/MT时（最低售价为83.2美元/MT），FFV废弃物处置费为67美元/MT，年通胀率为2.0%时，该设施实现盈利。在此条件下，年净现金流从第一年的1,687,450美元到第十年的656,262美元，投资回收期为3.96年，年化投资回报率（ROI）为10.6%。在5%的折现率下，投资的净现值（NPV）为3,436,129美元，内部收益率（IRR）为18%，折现投资回收期为4.63年。敏感性分析表明，发酵饲料的售价是影响设施盈利能力的最主要因素，其次是FFV垃圾填埋处置费，第三是苜蓿干草成本。麦秸成本、设备和劳动力对设施盈利的影响相对较小。工艺产能分析表明，该设施至少需要达到满负荷20%的产能才能盈利。本研究从理论上证明了所提出的顺序生物加工设施作为农业产业中生产可持续奶牛饲料方法的经济可行性。
引言
全球约有32%至40%的生产用于人类消费的食品被损失和浪费，每年数量达到16.4亿至25亿吨（MT）（Dou等，2024；Wang等，2023）。将不适合人类食用的食品损失与浪费（FLW）转移用于养殖动物饲料，将多元化当前的动物饲料市场，减少对传统饲料作物的依赖——这些传统饲料作物需要化肥、农药、除草剂和自然资源（土壤、水、能源）——同时减少因垃圾填埋处置产生的温室气体排放（Dou等，2024；Poore和Nemecek，2018）。果蔬废弃物是全球食品损失与浪费中占比最大的单一类别（FAO，2019）。部分农场或温室生产的果蔬由于恶劣天气导致的收获延迟、收获设备故障、劳动力短缺和市场价格低迷等原因，从未到达加工设施或消费者手中（Kummu等，2012）。某些类型的消费前果蔬因表面瑕疵、大小和形状不规则，或处理加工过程中的损失，尽管营养价值很高，却被从供应链中移除，从未到达零售商和消费者手中。这些类型的食品损失与废弃物是适合作为进一步加工为动物饲料的原料（Baker等，2024；Dou等，2022；Shurson等，2023）。
农业食品系统在收获后还留下大量作物残余物。作物残余物占总生物量的44%至72%，具体取决于作物类型（Smil，1999）。这些作物残余物含有高浓度的纤维，通常在反刍动物（如牛、羊、山羊）的饲料中是可以消化的，因为与单胃动物（如猪、家禽）相比，它们的消化系统更为复杂，其瘤胃微生物能够将复杂的碳水化合物转化为可利用的能量（Calvert，1991）。然而，木质素含量（因常见作物残余物类型而异，例如玉米秸秆17%至22%，麦秸11%至26%）（?hgren等，2007；Zhang等，2022），限制了这些高纤维饲料成分中能量的利用。木质素抗大多数瘤胃和肠道微生物的降解作用（Varga和Kolver，1997）。因此，开发有效的生物加工处理方法来降解作物残余物中的木质素，可以提高作物残余物中复杂碳水化合物和其他营养物质的消化率和发酵性，从而支持可持续畜牧饲料的生产。
利用白腐菌进行木质素降解的生物加工已被广泛研究（Van Kuijk等，2015；Wan和Li，2012）。已发现许多菌种能够降解木质素，包括一些已知的可食用菌种（如侧耳属、香菇属）（Van Kuijk等，2015）。此前一项使用平菇发酵麦秸（含和不含FFV废弃物）的研究结果显示，FFV对木质素降解具有抑制作用（Sun等，2023），这提示应使用顺序生物加工方法——先用真菌处理作物残余物，再与FFV进行厌氧发酵（Sun等，2025）。含和不含顺序发酵饲料的粗饲料全混合日粮（TMR）在体外干物质消化率方面无显著差异（Sun等，2025）。通过将含10%顺序发酵饲料的TMR饲喂奶牛来评估饲料适口性，结果显示与未饲喂生物加工饲料成分的TMR相比，没有出现饲料拒食现象（未发表数据）。行业的潜在采用需要对加工技术的技经指标进行可靠的评估。因此，基于当地资源和政策对提出的顺序生物加工设施进行技经分析，对于了解该设施的经济可行性及其对未来奶牛养殖可持续性和韧性发展的贡献具有重要意义。
我们选择评估的顺序生物加工设施拟设在美国明尼苏达州，但结果可以外推至美国其他州或具有相关适用条件的国家。整体研究始于包含物质平衡和能量平衡的过程模拟，随后分析资本成本和运营成本，并进一步分析收入和盈利能力。进行了敏感性和盈亏平衡分析以了解盈利能力与不同因素及生物加工产能之间的关系。还对该设施进行了简化的碳足迹分析。
章节摘要
模拟描述
本研究模拟了一个假设设施，其能力为加工18,081公吨（MT）麦秸、43,396 MT新鲜果蔬（FFV）废弃物和12,151 MT苜蓿干草，生产可持续奶牛饲料，从而减少对依赖天气、劳动力和其他投入及资源的传统饲料来源的需求。我们此前的实验室研究结果表明，顺序生物加工在降低木质素含量（瘤胃不可消化纤维）方面是有效的。
物质平衡
工艺流程图和物质平衡如图1所示。每个草捆重量在272公斤至680公斤之间。为简化计算，我们假设麦秸以大型圆捆形式收获，每捆重约500公斤。如果该设施每年运行360天，则每天加工50.2 MT这些草捆（年加工量18,081 MT）。将使用载重能力为2 MT的叉车将每个草捆运输至容积为20立方米的草捆处理器。
结论
本研究对一个新型顺序生物加工设施进行了技经分析。所提出的系统利用真菌发酵麦秸，随后与新鲜果蔬废弃物和苜蓿干草混合进行厌氧青贮，生产可持续奶牛饲料成分，有可能部分替代奶牛日粮中的传统粗饲料和蛋白质。饲料产品销售收入和垃圾填埋处置费构成了主要收入来源。
CRediT作者贡献声明
肖·桑（Xiao Sun）：写作——审阅与编辑，写作——初稿，可视化，方法论，调查，形式化分析，数据管理，概念化。郑夏·杜（Zhengxia Dou）：写作——审阅与编辑，验证，资金获取，概念化。杰拉尔德·舒尔森（Gerald Shurson）：写作——审阅与编辑，验证，资金获取，形式化分析，概念化。何波（Bo Hu）：写作——审阅与编辑，验证，指导，资金获取，概念化。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本工作得到美国农业部（USDA）——国家食品农业、可再生能源与环境服务公司（NIFA）的支持与资助（资助编号2022-68014-36664）。
肖·桑|郑夏·杜|杰拉尔德·舒尔森|何波
