基于生命周期评价与模拟方法的两种生物炼制路径比较分析：利用螺旋藻（Arthrospira platensis）生产高纯度藻蓝蛋白、生物原油与沼气

《Bioresource Technology Reports》：Comparative analysis of two biorefineries for high-purity phycocyanin, biocrude and biogas production from Arthrospira platensis: a life cycle assessment and simulation approach

　　

本研究评估了一种以蓝细菌为基础的生物炼制体系的环境绩效，该体系以生产高纯度藻蓝蛋白（phycocyanin, PC）为目标，并将废弃生物质（waste biomass, WB）分别通过水热液化（hydrothermal liquefaction, HTL；情景1A）或厌氧消化（anaerobic digestion, AD；情景1B）进行高值化利用。两种路径均适用于蓝细菌WB，但在能耗、化学品需求及下游处理方面存在差异。研究采用生命周期评价（life cycle assessment, LCA），其清单数据来源于过程模拟及实验提取数据。LCA结果表明，在所有影响类别中，PC提取与纯化步骤均是最主要的贡献环节，原因分别在于盐类和离子液体（ionic liquid, IL）的大量消耗。对于生物质高值化途径而言，AD由于化学品和能量需求较低，表现出优于HTL的环境优势。基于上述结果，研究进一步考察了IL回收的影响，并构建与分析了情景2（IL回收率90% + AD）的LCA表现。对各分析情景的LCA结果进行比较后发现，将IL回收率提高15%（情景2）可使提取步骤的环境影响最高降低46%，同时相较于情景1A和1B，整个过程的总环境影响最高分别降低37%和12%。此外，情景2的碳足迹为52.07 kg CO₂ eq./kg干燥生物质，处于文献报道的其他PC生产型生物炼制体系范围之内。上述结果表明，在蓝细菌生物炼制框架中整合高纯度PC生产具有环境可行性，同时识别出AD为环境更优的残余物高值化路径，并强调了溶剂回收效率的重要性。

该论文发表于《Bioresource Technology Reports》，围绕螺旋藻（Arthrospira platensis）高纯度藻蓝蛋白（phycocyanin, PC）生产与残余生物质资源化利用的耦合体系，系统评价了不同生物炼制路径的环境表现。研究背景在于，微藻和蓝细菌因生长快、光合效率高、富含蛋白质、脂质和糖类等特点，被广泛视为可再生生物质原料，并适合构建符合循环生物经济理念的综合生物炼制体系。然而，若仅依赖单一产品尤其是生物燃料，工艺往往难以实现足够的经济可行性，因此近年来多产品联产、优先获取高附加值组分的路径受到重视。PC作为一种主要来源于A. platensis的蓝色藻胆蛋白（phycobiliprotein），兼具抗氧化、抗炎和天然着色特性，在食品、保健品、药物和化妆品领域具有较高应用价值，尤其分析纯级别PC因纯度>4而具有较高市场价值。但高纯度PC的获取依赖复杂的提取与纯化流程，这些步骤常伴随较高化学品和能量消耗，因此其环境可持续性必须通过严格方法加以评估。

当前存在的主要问题包括：第一，尽管离子液体（ionic liquid, IL）如[EMIM][EtSO₄]因蒸气压低、热稳定性高、溶解性能强且具备回收潜力而被视为有前景的提取介质，但其引入完整生物炼制流程后是否真正改善环境绩效仍缺乏系统验证。第二，PC提取后剩余废弃生物质（WB）仍保留可观的有机物和能量潜力，适合通过水热液化（HTL）或厌氧消化（AD）进一步转化，但这两种湿生物质兼容技术在操作条件、试剂需求、能量回收方式和环境负荷方面差异明显，缺乏工业相关尺度上的直接比较。第三，既往文献中多数生命周期评价（LCA）工作聚焦单一产品或主要依赖模型假设，较少将实验验证数据、详细过程模拟和放大情景整合于统一框架中。正因如此，研究人员开展本研究，旨在通过尺度敏感的LCA明确何种工艺组合更适合PC导向型蓝细菌生物炼制体系。

研究人员构建了两个中试尺度综合生物炼制情景：情景1A为“高纯度PC生产 + WB经HTL制备生物原油”，情景1B为“高纯度PC生产 + WB经AD制备沼气”。两种情景共享上游培养、收获、冻干、IL辅助提取及多级纯化流程，差异仅在于PC提取后的残余生物质高值化路径。LCA采用归因型“从摇篮到坟墓”（cradle-to-grave）框架，以每小时生产100 g PC为功能单位；按每年运行8000 h计，中试装置年产0.8 t高纯度PC。研究以系统扩展法处理多产物分配问题，将HTL或AD回收能源对常规能源生产的替代效益纳入净环境影响计算。结果显示，PC提取和纯化是所有影响类别中的主要环境热点，其中提取阶段的主要负担来自IL组分尤其是咪唑（imidazole）的生产，纯化阶段则主要受水相双相体系（aqueous two-phase systems, ATPS）所需磷酸盐生产影响。比较WB资源化路径后发现，AD在全部评价指标上均优于HTL，多数类别甚至呈现净负值，反映出生物气能量回收及废污泥接种物使用带来的环境抵消效应。在此基础上，研究人员进一步提出情景2，即在保留AD路径前提下，将IL回收率由75%提高至90%。这一优化使提取环节影响降低30%–46%，整个流程相较情景1A和1B最高分别下降37%和12%。因此，研究得出结论：在该生物炼制框架下，AD是优于HTL的残余生物质高值化方案，而提高IL回收率是降低整体环境负荷的关键操作参数。其重要意义在于，为高纯度PC导向型蓝细菌生物炼制从实验室向工业应用过渡提供了环境依据，也提示未来工艺优化应同时聚焦提取溶剂循环与低资源消耗纯化技术。

研究所用主要关键技术方法可概括为以下几类：其一，基于既有实验数据与SuperPro Designer 9.5进行中试尺度过程模拟，建立培养、收获、冻干、PC提取纯化以及HTL或AD资源化的完整物料与能量清单；其二，采用生命周期评价（LCA）与EFP 3.1中点法，对酸化、陆地富营养化、气候变化、化石资源使用、矿物与金属资源使用、水耗用及一次能源需求进行量化；其三，使用系统扩展法处理多产物系统的环境归属；其四，结合实验确定的提取、纯化、BMP及产物收率数据，对不同残余物利用情景及IL回收率优化情景进行比较分析。AD接种物来源于市政污水处理厂厌氧污泥。

以下结合论文结果部分各小标题进行归纳。

3.1. LCA results for scenarios 1A and 1B
研究人员首先对情景1A（HTL）与情景1B（AD）的全流程环境影响进行了定量比较。结果表明，两种情景中总环境负荷均主要来自PC生产前段，尤其是提取与纯化过程，而残余生物质利用方式则决定了后段环境表现的优劣。以气候变化总量（climate change total, CCT）为例，研究所得碳足迹结果与部分文献报道范围具有可比性，说明该研究所采用的实验参数与中试模拟具有一定现实合理性。总体上，采用AD的情景1B较HTL情景1A具有更低总影响。

3.1.1. LCA contribution analysis
贡献分析表明，在两种情景下，纯化步骤对多数影响类别的贡献占比最高，约为35%–85%；其次为PC提取，贡献可达约35%–45%。此外，收获与冻干步骤在一次能源需求（primary energy demand, PED）方面贡献较高，达到32%–38%。进一步对提取与纯化环节内部投入进行拆解后发现：纯化阶段的主导因素为ATPS分离所需磷酸盐生产，对各环境类别贡献为46%–82%；提取阶段的关键贡献源则为IL组分中咪唑的生产，贡献范围为42%–73%。研究据此得出结论，若要显著改善该生物炼制体系的环境绩效，应优先优化IL使用与纯化盐耗。

3.1.2. Analysis of LCA results for WB valorisation pathways
针对WB资源化路径，研究人员专门比较了HTL与AD的环境表现。结果显示，AD在所有影响类别中均优于HTL，且在多数类别中表现为负值，说明其通过沼气发电带来的替代收益能够抵消自身过程消耗，同时污泥接种物作为废物流的使用进一步降低了资源消耗。相比之下，HTL在CCT、化石资源使用（resource use-fossils, RUF）和PED等能量相关指标上负担突出。其原因来自高温运行对天然气的依赖，以及异丙醇和二氯甲烷的使用。细化贡献分析显示，HTL中异丙醇作为共溶剂、二氯甲烷作为相分离溶剂，是多类环境影响的主要来源；其中天然气消耗对CCT贡献尤为明显。AD路径则由于物料与能量需求较低，整体环境负担近乎可忽略，并因沼气能量回收在多个类别上产生环境收益。基于这些结果，研究明确指出，从环境角度看，AD是该体系中更理想的WB高值化策略。

3.2. Interpretation of LCA results
在识别出环境热点后，研究人员对工艺优化进行了情景解释分析。由于IL使用是提取阶段的重要影响来源，而文献和前期研究均表明IL具备进一步提高回收率的可能，因此研究以AD为最优残余物利用路线，构建了IL回收率提高至90%的情景2。分析发现，相比情景1B中75%的IL回收率，情景2在提取步骤可实现30%–46%的环境影响降低。尽管IL本身的生产具有一定环境代价，但与传统提取溶剂相比，其优势在于能够通过较温和且资源消耗较低的方式实现回收和再利用，同时维持较高PC提取效率。情景2的碳足迹为52.07 kg CO₂ eq./kg干燥生物质，处于相关文献可比范围之内，说明提高IL循环效率是该工艺环境优化的有效手段。

3.3. Comparison of LCA results for the studied scenarios
在对三种情景进行归一化比较后，研究人员发现，采用AD进行WB利用的两种情景在七项指标中有五项均优于HTL情景1A，降幅约为14%–37%。进一步比较两个AD情景，情景2在全部影响类别中均优于情景1B，降幅约为6%–12%。因此，在研究设定的边界条件和工艺参数下，“AD + 90% IL回收”构成综合环境表现最优的工艺方案。

关于讨论部分，可以将论文的核心讨论概括为以下几点。首先，本研究证实，高纯度PC导向型蓝细菌生物炼制的环境负荷并不主要来自培养本身，而主要集中于提取与纯化等下游操作，说明高附加值产物路线虽具有经济吸引力，但必须同步解决分离纯化带来的资源和能源消耗问题。其次，HTL虽能处理湿生物质并产生生物原油，但在本研究工艺条件下，其高温需求以及异丙醇、二氯甲烷等化学品使用显著推高了环境负担；相对地，AD凭借较低过程需求和沼气回收显示出更好的环境适配性。再次，IL并非天然具有低环境负荷，只有在高回收率前提下，其“绿色溶剂”潜力才可能在系统层面得到体现。因此，研究实际上强调了“过程整合”和“循环效率”比单一溶剂标签更重要。最后，论文也指出，未来仍需继续提高IL提取收率并开发资源消耗更低的纯化方法，以进一步增强该类PC生物炼制体系的环境竞争力。

研究结论部分可译为：
本研究对一种假设性的生物炼制体系进行了环境分析，该体系以生产高纯度PC为目标，并将剩余生物质通过HTL或AD进行高值化利用。LCA结果表明，由于化学品和能量的密集消耗，PC提取与纯化在所有环境影响类别中均为最主要的贡献环节，这与既有文献报道一致。对于剩余生物质高值化而言，HTL在本研究分析的全部类别中均表现出高于AD的环境影响，原因在于其需要使用溶剂（异丙醇和二氯甲烷）且能量需求较高。相反，AD由于能够回收能量，并以废物流作为接种物，对整个生物炼制过程表现出有利影响。研究进一步分析了提取过程中IL回收对总体流程的影响，发现将回收率由75%提高到90%，可使提取步骤环境影响降低30%–46%。这一改进使得相较于IL回收率为75%的HTL和AD情景，整体环境影响最高可分别降低37%和12%。此外，情景2的碳足迹为52.07 kg CO₂ eq./kg干燥生物质，位于文献报道范围之内。因此，IL回收是将基于IL的提取过程整合进高纯度PC生物炼制体系的关键因素。研究结果表明，从环境角度看，将高纯度PC生产与AD剩余生物质高值化耦合具有应用潜力；不过，仍需进一步研究如何提高IL提取收率，以及开发资源消耗更低的纯化方法。