Decarbonizing Industrial Banana Drying: A Verifiable Framework for Sustainable Resource Management 中文标题 工业香蕉干燥脱碳：可持续资源管理的可验证框架

《Resources》：Decarbonizing Industrial Banana Drying: A Verifiable Framework for Sustainable Resource Management

　　

对流式水果干燥是能源密集型过程，也是农业食品部门温室气体（GHG）的主要来源。现有碳足迹（CF）研究较为零散，将排放核算与经济绩效和质量验证相分离，限制了其对寻求切实脱碳行动的中小企业（SMEs）的实用性。本研究提出了一个整合的、面向验证的框架，将组织碳核算、过程工程和产品质量统一于一个决策平台中。该框架结合了（i）温室气体量化（ISO 14064-1:2018和ISO 14067:2018）；（ii）通过过程模拟进行技术经济建模；（iii）质量属性（水分、水分活度、颜色、质地）的实验验证；以及（iv）敏感性分析。该框架应用于四种能源配置：基线情景和三种脱碳情景（太阳能热、光伏（PV）及组合系统）。基线碳足迹为139,090 kg CO₂e（±11.43%）。减排幅度为15.05%至34.73%，其中太阳能-光伏组合配置实现了最高减排量，同时保持了商业质量。排放强度从每功能单位1.19 kg CO₂e降至0.78 kg CO₂e。经济绩效显示投资回收期为5.78至10.54年，内部收益率（IRR）为15.8%至24.2%。该框架为中小企业提供了一种可转移的工具，能够基于环境、经济和质量的综合标准优先选择脱碳策略。

**论文解读：工业香蕉干燥脱碳的可验证框架——可持续资源管理的整合方法**

**一、研究背景与问题**

在全球向低碳农工体系转型的背景下，工业食品加工高度依赖能源密集型热工操作，使得能源资源管理成为关键挑战。在热带水果价值链中，脱水处理对于延长货架期、减少采后生物质损失以及提高生物资源可利用性不可或缺。然而，传统的对流干燥工艺通常在高热负荷和长停留时间下运行，导致大量化石能源需求、高运营成本和显著的温室气体（GHG）排放。这种资源密集型动态过程与《巴黎协定》、2030年议程等国际气候政策框架以及国家层面脱碳目标（如哥伦比亚2021年第2169号法律规定2030年前实现51%的全国温室气体减排）形成直接冲突。尽管将太阳能热收集器和光伏（PV）系统等可再生热源与电源集成到传统干燥基础设施中的研究已有大量文献报道，但现有研究仍较为零散。多数研究仅评估孤立的绩效指标——如能源效率、基于实验室规模IPCC排放因子的碳足迹（CF）、ISO 14040/14044下的生命周期评估（LCA）或经济可行性。关键问题在于，鲜有研究将组织层面的碳核算（如ISO 14064-1:2018）与过程层面的脱碳策略相衔接，或系统性地将可验证的温室气体减排与产品质量约束相关联。农工加工中，大幅削减碳排放的热策略可能损害热不稳定品质属性（如颜色、质地、水分活度和货架期稳定性），或需要过高资本支出，这为中小企业（SMEs）的采用设置了重大障碍。此外，GHG核算标准之间的不一致性（如PAS 2050、GHG Protocol、ISO 14067）阻碍了可比性、透明性及直接纳入可验证的企业可持续性报告。尽管ISO 14064-1为量化直接（类别1）和能源间接（类别2）运营热点提供了严谨的标准框架，但其与过程工程、经济评估和产品质量阈值在统一决策平台内的整合在水果加工领域尚未得到探索。为填补上述关键知识与方法学空白，本研究提出了一个面向验证的整合决策框架，用于工业水果脱水的可持续资源管理。

**二、研究内容与主要方法**

研究人员针对哥伦比亚卡尔达斯一家专门从事热带水果工业化脱水（以香蕉为主，约占总产量的70%）的中小企业开展了案例研究。该工厂年处理约170吨新鲜水果，使用1吨容量的对流托盘干燥机。研究提出的框架包含四个互补组成部分：（1）依据ISO 14064-1:2018和ISO 14067:2018进行温室气体量化，确保结果可追溯性与可比性；（2）通过过程模拟开发技术经济模型，利用SuperPro Designer? v11软件以实验室干燥动力学数据校准（Deff = 9.63 × 10?1? m2/s，R2 = 0.9916），并以140批历史工厂数据验证（每批去除492 kg水分，热效率42.4%）；（3）对质量属性（水分含量、水分活度、颜色、质地）进行实验验证，确保环境改善不损害最终产品质量；（4）应用敏感性分析识别对结果影响最大的变量。研究设置了四种能源配置：基线情景（100%天然气加热+电网供电）、S1（太阳能热温室预热5小时混合）、S2（100%光伏供电）、S3（太阳能热+光伏组合系统）。经济分析涵盖资本支出（CapEx）、运营支出（OpEx）、净现值（NPV）、内部收益率（IRR）和投资回收期（PBP）等指标，评估期为20年。

**三、主要研究结果**

**3.1 组织碳足迹（ISO 14064-1:2018）：** 依据ISO 14064-1:2018对香蕉脱水进行组织碳足迹量化，建立可验证的基线。清单显示处理132.90吨原材料并产出19,261 kg脱水产品的总足迹为139.09 t CO?e（±11.43%）。香蕉农业生产（子类别4.1）贡献最大（99.64 t CO?e，占72.80%），与常规农业大量使用氮肥、化石燃料和农用化学品一致。天然气燃烧（子类别1.1）是第二大排放源（19,031 kg CO?e，占13.68%），且处于公司直接运营控制之下。间接来源（类别3、4、5）占总足迹的83.20%，凸显上游供应链和投入品生命周期的重要作用。值得注意的是，类别1和2排放中，干燥窑天然气燃烧占85.20%，是直接运营脱碳的主要杠杆。

**3.2 直接运营控制排放（类别1和2）的脱碳潜力：** 基于ISO 14067:2018的门到门（gate-to-gate）部分碳足迹（PCF）方法，以1 kg脱水包装香蕉为功能单位（FU）进行生命周期清单分析。基线情景总排放为1.196 kg CO?e/FU，其中对流干燥阶段贡献约95%，主要源于天然气燃烧。S1（太阳能热预热）天然气消耗减少23.82%，排放降至0.933 kg CO?e/FU（减排21.96%）；S2（完全光伏电气化）仅替代电网电力，排放为1.016 kg CO?e/FU（减排15.05%）；S3（组合系统）实现最佳环境绩效，排放为0.780 kg CO?e/FU（减排34.73%）。

**3.3 技术经济绩效：** 四种情景的质量产率（Yp）均保持在14.5%。相对基线，单位原材料比能耗（SEC）在S1、S2和S3中分别降低22.5%、15.6%和35.7%；单位蒸发水SEC从基线的2.16 kWh/kg H?O降至S3的1.39 kWh/kg H?O。经济分析显示，S1所需额外投资最小（约659 USD），投资回收期最短（5.78年），IRR最高（24.17%）；S2投资回收期最长（10.54年），IRR最低（15.80%）；S3与S2的CapEx相同但回收期更短（9.71年）、IRR更高（16.65%）。所有情景的IRR均超过折现率（11.25%），确认经济可行性。多因素经济敏感性分析表明，能源价格和工厂产能利用率是长期盈利能力的主要驱动因素，且情景排名在大多数参数变化下保持稳定。

**3.4 产品质量评估：** 对基线和S1情景进行了实验验证，两者代表不同的干燥温度-时间曲线。所有评估情景的最终水分含量均低于10%（5.9–7.6%）；水分活度（aw）保持在0.45–0.47范围内，远低于细菌、酵母菌和霉菌的阈值。颜色参数方面，S1相比基线表现出更低的光亮度（L*）损失和总色差（ΔE），表明混合干燥方式更好地保留了色素。质地硬度范围为199 N（基线）至239 N（S1），处于对流干燥的典型报道范围内。方差分析（ANOVA）表明，L、a和最终水分无显著差异（p > 0.05），而b*坐标（p = 0.005）和硬度（p = 0.011）存在显著差异。总体而言，S1保持了与基线相当的质量，确保商业适用性和食品稳定性。

**3.5 综合绩效评估：** 研究建立了整合环境（CF）、技术（SEC）、经济（IRR）和产品质量四个维度的多准则决策分析（MCDA），采用最小-最大归一化和等权重方案（各25%）计算综合绩效指数（OPI）。等权重下，OPI排序为S1（0.57）> S3（0.53）> S2（0.47）> 基线（0.45）。敏感性分析表明，当碳足迹权重从25%增至60%时，S3的OPI从0.53显著升至0.78，成为气候考量突出时的最优方案；S1保持相对稳定（0.57至0.60）。在36种权重配置的系统敏感性分析中，S1在IRR权重超过25%时始终最优，S3在碳足迹权重超过40%时占优，S2在质量权重超过40%时受偏好。TOPSIS验证确认了OPI模型的稳健性。

**四、结论与意义**

本研究论证了利用易得的可再生能源技术实现工业水果脱水脱碳的可行性，为农工中小企业可持续资源管理提供了清晰路径。主要贡献在于建立了可验证的技术经济框架，整合三大支柱：（i）温室气体量化（ISO 14064-1/ISO 14067）；（ii）用于能源评估的过程模拟；（iii）实验性质量验证。这一统一结构将碳核算转化为可操作的投资信息。多准则分析揭示了环境、经济和品质目标间的权衡关系。对于资本受限的中小企业，S1（太阳能-热混合）提供了切实可行的过渡路径，兼具显著减排和较低初始投资优势。S3在环境标准权重增加时排名提升，在监管压力或绿色融资激励下成为优先选择。研究还挑战了环境库兹涅茨曲线（EKC）的传统叙述，证明发展中国家农工中小企业也能实现减排与财务回报的双赢。研究的方法论意义在于弥合了测量与行动之间的鸿沟，通过ISO兼容清单、运营模拟和质量指标的关联，将气候目标转化为企业管理层可理解的具体投资轨迹。该框架在门到门范围内整合ISO 14064-1与ISO 14067，解决了中小企业在组织层面碳核算与产品层面可比性之间的关键运营缺口，为其他农工部门提供了高可转移性的决策支持工具。