根据《联合国 2030 年可持续发展议程》，向清洁生产系统转型与开发促进包容性和可持续工业化的弹性基础设施以及推动创新密切相关 (Quintero et al., 2026)。在此背景下，过程设计和可持续性评估是识别将副产品转化为高附加值产品的有效途径的必要工具。因此，基于模拟的过程设计已成为支持投资决策和推进基于循环经济原则的工业系统研究的关键策略 (Gómez and Correa, 2024)。
农业工业过程，如乙醇生产，会产生多种副产品。其中，酒糟废液和废酵母因其产量大和成分特征而尤为相关。酒糟废液是发酵液蒸馏后获得的残余浆液，约占发酵液总体积的 92–96% (Abreu and Monteiro, 2014; Gómez and Correa, 2024; Moreira et al., 2023)。相比之下，废酵母是通过离心从发酵液中回收的生物量，约占发酵液总体积的 6% (Reed and Nagodawithana, 1990; Tse et al., 2021)。
2025 年，全球乙醇产量达到约 1.21 × 1011 升，产生约 1.69 × 1012 升酒糟废液和约 1.08 × 1011 升废酵母 (RFA, 2026; Singh et al., 2021)。在哥伦比亚，2024 年乙醇产量达到 4.06 × 108 升，产生约 5.68 × 109 升酒糟废液和 3.63 × 108 升废酵母 (Proca?a, 2025; Reed and Nagodawithana, 1990)。这些大量的酒糟废液和废酵母突显了乙醇行业在管理过程副产品方面面临的挑战，同时也揭示了在循环经济框架内对其进行增值利用的重大机遇。
酒糟废液的成分受原料类型和发酵过程中使用的养分强烈影响。例如，源自糖蜜的酒糟废液通常含有高浓度的有机物 (63.4 克/升)、钙 (0.45–5.18 克/升，以 CaO 计) 和镁 (0.42–0.52 克/升，以 MgO 计) (Espa?a et al., 2011)。当浓缩时，酒糟废液显示出更高的养分水平，包括总有机碳 (141 克/升) 和钾 (53.72 克/升)，使其成为农业应用的前景良好的原料 (Gómez and Correa, 2024)。同样，废酵母含有大量的蛋白质 (干重的 40–65%) 和碳水化合物 (13–54%)。特别是，酵母细胞壁占干生物量的 15–30%，富含具有功能特性的 β-葡聚糖和甘露糖蛋白 (Ciobanu et al., 2024; Utama et al., 2023)。
尽管酒糟废液和废酵母生化成分丰富且可用，但往往利用不足。目前，仅有一小部分酒糟废液用于甘蔗灌溉施肥或通过热浓缩和喷雾干燥加工生产专用肥料 (Carpanez et al., 2022; Páez et al., 2016)。其余酒糟废液作为水相废物流处理，在处置前被送往处理系统，导致显著的处理成本 (Gómez and Correa, 2024)。同样，一小部分废酵母被重新用作下一批次的接种物或出售给动物饲料行业 (如猪、牛、宠物)。当未回收时，剩余的生物量未经预先分离直接送至蒸馏塔，导致环境和经济影响 (Sydney et al., 2021)。
值得指出的是，持续应用酒糟废液进行灌溉施肥可能会提高土壤盐度，促进养分向地表水和地下水淋溶，增加土壤有机质和氮水平，产生难闻的气味，有助于温室气体排放，并鼓励昆虫繁殖 (de Carvalho et al., 2023; Fuess et al., 2018; Fuess et al., 2017; Páez et al., 2016)。由于其高生化需氧量 (BOD，7000–20,000 毫克/升) 和化学需氧量 (COD，50,000–150,000 毫克/升)，酒糟废液对土壤和水生生态系统构成了相当大的环境风险 (Aguiar et al., 2023)。在此背景下，识别和开发酒糟废液和废酵母的替代增值利用途径对于减轻与其传统管理和处置实践相关的环境影响至关重要。
尽管多项研究探讨了回收酒糟废液和废酵母以获得高附加值产品，如蛋白质、色素、沼气、肥料、动物饲料和生物刺激素等 (Balakrishnan, 2024; Devi et al., 2023; Dima et al., 2020; Hashemi et al., 2021; Hashemi et al., 2022; Onba??lar et al., 2023; Puligundla et al., 2020; Zeko et al., 2023)。然而，基于这些副产品的综合增值利用生产生物肥料 (BF)、液态有机改良剂 (LOA)、固态有机改良剂 (SOA)、奶牛颗粒饲料 (PFDC) 和沼气 (BG) 的工艺设计，并通过大规模过程模拟进行评估，尚未见报道。缺乏探索回收酒糟废液成分 (如矿物质和总有机碳) 和源自废酵母的组分 (蛋白质和 β-葡聚糖) 作为多种工艺配置中的原料和投入品的方法，这代表了开发旨在最大化资源回收、产品多样化和乙醇行业整体可持续性的集成设施系统的显著研究空白。
因此，基于模拟的过程合成提供了解决这一研究空白的适当方法。过程设计能够定义最佳的单元操作和单元过程 (UOPs)，以及工艺流程图 (PF) 中的操作条件。相比之下，过程模拟提供了一个系统框架，用于在实验室、中试或大规模实施之前评估 PF (Martin et al., 2022)。因此，本研究旨在大规模设计和评估五种技术配置 (TCs)，用于综合增值利用乙醇生产过程中产生的酒糟废液和废酵母。采用基于模拟的方法，对提出的配置在回收两种副产品中有价值成分并将它们转化为市场产品的潜力方面进行了评估，从而有助于哥伦比亚及全球向循环经济的转型。
