《Journal of Cleaner Production》：Life-cycle modeling of integrated agro-industrial and urban waste biorefineries in Brazil
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在巴西，通过参与式研讨会，对33项聚焦于农工及城市源废水与固体废弃物的研究计划进行了过程映射。研究结果表明，现有的资源化路径仍以低价值能源载体（如沼气、甲烷、氢气和合成气）为主导，而针对中、高价值产品（如挥发性脂肪酸、生物塑料、乳酸及精制平台化学品）的过程较
在巴西，通过参与式研讨会，对33项聚焦于农工及城市源废水与固体废弃物的研究计划进行了过程映射。研究结果表明，现有的资源化路径仍以低价值能源载体（如沼气、甲烷、氢气和合成气）为主导，而针对中、高价值产品（如挥发性脂肪酸、生物塑料、乳酸及精制平台化学品）的过程较少。研究人员基于此提出了一个整合框架，涵盖原料聚类、技术整合（能量整合、物质整合与过程强化）以及产品整合，以支持构建概念性的多产品生物精炼厂场景。研究进一步提出了七个涵盖制糖与酒精、柑橘、大豆、乳制品、咖啡、木薯产业及城市环境服务领域的整合场景。最后，研究人员提出了一套基于ISO 14044和ILCD手册的五步全生命周期评估（LCA，Life Cycle Assessment）决策框架，旨在指导综合生物精炼厂中多功能系统的全生命周期建模。该研究强调，必须明确处理多功能性、系统扩张、替代和分配等问题，以避免过于简化的单一产品评估，并为可持续的循环生物经济转型提供方法论支持。
### 论文解读文章
**研究背景与问题**
随着全球对循环经济与低碳发展路径的日益重视，将废弃物资源化利用以协同生产生物基产品与生物能源，已成为推动可持续发展的重要战略方向。生物精炼厂作为将多种生物质原料转化为能源、生物产品和化学品的综合平台，其环境与经济绩效的准确评估至关重要。然而，在实际应用中，综合生物精炼厂的分析面临数据获取困难、计算工具需求复杂以及跨学科团队协作要求高等挑战。巴西作为全球最大的甘蔗生产国和第二大甘蔗乙醇生产国，拥有丰富的农工废弃物资源，但其废弃物处理与资源化路径仍呈现高度依赖低价值能源载体的不平衡状态。传统单一产品生物精炼厂模式难以充分挖掘废弃物的潜在价值，亟需系统的方法来识别和整合原料、技术及高价值产品，以设计和评估多产品综合生物精炼系统。针对这一研究缺口，本研究依托圣保罗研究基金会（FAPESP）资助的主题项目，旨在通过参与式方法探索综合生物精炼厂的概念设计与全生命周期评估策略。
**研究内容与技术方法**
研究人员开展了一项基于参与式工作坊的定性研究。技术方法的核心包括：首先，于2024年8月1日在圣保罗大学圣卡洛斯工程学院（EESC/USP）举办第一次研讨会，利用数字平台EasyRetro，组织来自主题项目的33个研究团队的研究人员进行过程映射，识别原料-过程-产品组合，并通过三轮投票（分别针对废弃物类别集成潜力、环境处置处理潜力和最终产品转化潜力）收集研究人员的感知偏好，运用卡方拟合优度检验和Cohen's w效应量进行统计验证。其次，基于过程映射结果，应用原料整合（基于同生产链或相似物化特性）、技术整合（基于能量整合EI、物质整合MI和过程强化PI框架）和产品整合（基于产品价值层级：低、中、高价值）策略，构建七个涵盖巴西关键农工与城市服务部门的综合概念场景。最后，依据ISO 14044和ILCD手册，结合最新文献证据，制定了一个五步全生命周期评估（LCA）决策框架。
**研究发现**
**第一工作坊主要发现：** 基于废弃物类别的最大集成潜力研究结果表明，农工部门废弃物是主要来源，其中甘蔗酒糟、大豆糖蜜、咖啡渣、乳制品废水和柑橘废物的集成潜力最高。基于环境处置处理潜力的最大集成潜力研究结果则显示，先进的厌氧生物转化和混合系统（如厌氧消化-超滤、两阶段厌氧消化等）在处理农工废弃物方面具有重要应用价值。基于最终产品转化潜力的最大集成潜力研究发现，高甲烷含量沼气、氢气/甲烷/有机酸组合产品以及聚羟基脂肪酸酯（PHA）是最受关注的产品。
**价值增值产品过程映射：** 通过对33项研究计划进行定量评估，研究发现当前产品格局以低价值产出为主（占比52.08%），包括沼气、甲烷、氢气、合成气、生物油和再生水等能源载体和资源回收产出；中等价值产品（占比33.33%）包括挥发性脂肪酸（VFA）、生物肥料、生物炭等；高价值生物产品（占比14.58%）涵盖PHA、乳酸、乙酸、γ-戊内酯及先进菌丝体材料。
**整合策略应用：** 原料整合方面，研究人员依据巴西主要产业的生产数据，确认了制糖与酒精、柑橘、大豆、乳制品、咖啡、木薯产业及城市环境服务部门作为优先整合领域，并验证了其废弃物在共享处理途径上的兼容性。技术整合方面，与咖啡和柑橘废弃物相关的过程更频繁地应用能量整合（EI），而与制糖与酒精、大豆和城市环境服务部门相关的多个过程则侧重于物质整合（MI）；过程强化（PI）在多个部门的映射过程中作为补充策略出现。产品整合方面，通过桑基图展示了多产品整合路径，证实了基于液态、固态和混合态主导物理分数的不同整合策略能够实现低、中、高价值产出的协同。
**多产品全生命周期建模：** 研究人员创建了七个概念性整合场景，并提出了一个包含七个决策节点（D1至D7）的标准化模板，用于将复杂生物精炼厂设计转化为可进行LCA的系统配置。同时，以一个基于甘蔗酒糟酸发酵的假设性多功能过程为例，进行了初步的LCA建模说明。基于上述分析，研究人员进一步构建了一个五步LCA决策框架：（1）定义并论证系统边界；（2）确定LCA建模方法（归因性或后果性）；（3）明确主要产品和次要产品；（4）解决多功能过程并论证分配程序；（5）进行敏感性和不确定性分析。并通过甘蔗酒糟场景实例展示了该框架的具体应用。
**研究贡献与结论**
该研究通过引入一个参与式的、分析结构化的框架，弥合了现有研究中缺乏系统化集成方案、多采用预设技术假设或单一废弃物流及技术中心设计的缺口。其理论贡献在于为构建综合生物精炼厂场景提供了基于研究人员集体专业知识的方法论，超越了现有的概念模型。实践上，为巴西关键农工部门及国际上具有类似产业结构的国家提供了可复制的废弃物价值化策略参考。该框架支持从传统废弃物处理系统向能够回收高价值产品的综合生物精炼厂转型，有助于循环资源利用、生物能源回收和低碳生产路径的发展，与多项联合国可持续发展目标（SDGs）相关联。
**结论部分翻译：** 本研究表明，参与式过程映射可以为识别农工和城市源废水及固体废弃物生物精炼厂中的整合机会提供结构化基础。通过映射33项巴西研究计划，研究发现当前资源化路径仍主要面向低价值能源载体，如沼气、甲烷、氢气和合成气，而针对中、高价值产品（包括挥发性脂肪酸、生物塑料、乳酸、先进菌丝体材料和精制平台化学品）的过程较少。这种不平衡凸显了超越以能源为中心的回收模式，并设计将能源生产与高价值产品回收相结合的多级联配置的必要性。所提出的整合框架将原料聚类、技术整合和产品整合联系起来，以支持概念性多产品生物精炼厂场景的构建。原料整合可促进共享技术平台的使用，而物质整合、能量整合和过程强化则可以改善中间流的内部利用并减少冗余处理步骤。然而，这些场景应被解释为概念性配置，而非经过验证的工业应用。一个关键启示是，综合生物精炼厂的全生命周期建模必须明确处理多功能性、系统扩张、替代和分配问题，以避免过度简化的单一产品评估。所提出的决策框架为构建未来的多产品系统LCA研究提供了一条方法论路径。未来的研究应使用实测的前景数据替代筛选级假设，评估技术经济可行性，并考察物流、基础设施、市场条件、监管约束和不确定性。这些步骤对于确定所提出的整合路径能否从有前景的概念配置扩展为可实施的循环生物经济系统至关重要。
