虾废料生物精炼途径的技术经济与环境评估

本研究针对巴西虾废料资源化利用问题，构建生物精炼厂概念模型，通过技术经济和环境评估比较27种技术路线，发现整合型生物精炼厂通过多高值产品协同生产实现最高投资回报率（40%+），净现值达2000万美元。环境分析表明，巴西低碳电力矩阵使精炼厂全球变暖潜能显著降低，但溶剂消耗型工艺环境影响较大。研究提出技术集成、溶剂优选和能效管理是提升可持续性的关键，为蓝色生物经济提供决策框架。

　　

安娜·卡罗莱纳·莫雷拉·丰塞卡（Ana Carolina Moreira Fonseca）| 莫伊泽斯·特莱斯·多斯桑托斯（Moises Teles dos Santos）

圣保罗大学理工学院化学工程系，卢西亚诺·瓜尔贝托教授大道（Av. Prof. Luciano Gualberto），3号小路（Trav. 3），380号，圣保罗，SP 05508-900，巴西

摘要

水产养殖业的快速增长，尤其是虾养殖业，产生了大量废弃物（虾头、虾壳和外壳），这些废弃物既是对环境的一种负担，也是资源增值的机会。这些废弃物富含壳聚糖、虾青素、蛋白质和脂质等有价值的化合物，通过生物精炼的概念可以实现对这些资源的回收和利用。尽管关于从虾壳中提取产品的方法有大量文献报道，但在过程工程领域这一课题仍缺乏深入研究。此外，大规模实施的理想技术配置尚不明确。因此，本研究对多种虾废弃物增值技术路线进行了建模和比较，使用通常用于工业过程早期评估的标准指标来评估其技术和经济性能。结果表明，针对多种高价值生物产品的综合生物精炼技术路线能够最大化工业可行性。其中，壳聚糖寡聚物的盈利能力最高，在某些假设条件下，投资回报率超过40%，净现值接近2000万美元，即使在中等生产规模下也是如此。从环境角度来看，最盈利的路线通常需要更多的水和能源；然而，巴西低碳电力结构显著降低了其全球变暖潜力。相比之下，溶剂密集型路线对环境的影响更大，这突显了过程集成、溶剂选择和高效公用设施管理的重要性。总体而言，研究结果强调了集成和高价值目标对可持续虾类生物精炼厂的战略重要性，未来的工作应探索优化框架以提高经济和环境性能。

引言

虾养殖是最重要的水产养殖活动之一，尤其是在设计有优化虾生长条件的沿海地区。然而，这一行业的扩张必须以可持续的方式进行，以尽量减少对环境的影响，如红树林退化和水污染（Mathew等人，2020年；Venugopal，2022年）。在工业虾加工过程中，通常只使用虾肉，而虾头、虾壳和虾尾被丢弃，它们占虾体总重量的30-60%（Vázquez等人，2017年）。这些残留物通常被送往垃圾填埋场或不当处理，导致环境问题和公共卫生风险。据估计，2022年塞阿拉州（Ceará）的10家虾加工厂处理了约14,181吨新鲜虾（ABCCAM，2022年）。

用于木质纤维素生物质增值的工业过程已经相当成熟；然而，海洋生物质仍然是一个未充分开发的资源（Rudovica等人，2021年）。在这种背景下，出现了壳类或甲壳类生物精炼的概念，即专门将甲壳类外壳分离成具有商业价值产品的设施（Chen等人，2021年；Hülsey，2018年）。海洋生物质含有多种具有工业价值的化合物，如多酚、肽和多糖，其增值是渔业可持续发展的一个有前景的选择（Vicente等人，2022年），符合循环经济和蓝色生物经济的原则（Veríssimo等人，2021年）。

在这些残留物中，壳聚糖具有最大的工业价值。它是自然界中第二丰富的生物聚合物，其结构与纤维素相似，区别在于C-2位置上有一个酰胺侧链（图1）。这一特性使得可以合成无法直接从木质纤维素生物质中获得的含氮构建块（Shamshina和Berton，2020年）。壳聚糖衍生物壳聚糖具有吸引人的工业特性，如无毒、凝胶形成和抗菌活性（Pota?等人，2020年），并已在制药、化妆品、农业和环境领域得到应用（Verardi等人，2023年）。

尽管壳聚糖具有潜力，但其生物精炼的实施仍面临原材料可用性、供应链可行性和工艺可扩展性等障碍（Kumari等人，2023年）。为了克服这些挑战，最近的研究采用了过程模拟（Gómez-Ríos等人，2017年；Gómez-Ríos等人，2019年；Moreno-Sader等人，2021a年；Yang等人，2019年）、生命周期评估（Kiehbadroudinezhad等人，2023年；Mu?oz等人，2018年）、技术和经济分析（Riofrio等人，2021年；Zuorro等人，2020年；Zuorro等人，2021年）以及能量评估（Mu?oz等人，2023年）等工具，以确定最有前景的路线。

固体残留物（虾头、虾壳和受损虾）和液体废水（清洗水）的管理仍然是该行业的主要关键问题（Sipahutar等人，2022年）。传统处理方法包括生产虾壳粉（Pagala等人，2022年）、堆肥（Abirami等人，2021年）和厌氧消化产生沼气（Kumari等人，2023年）。此外，还探索了创新应用，例如将虾壳作为生物柴油生产的异相催化剂（Yang等人，2009年）以及作为醋酸和吡咯生产的原料（Gao等人，2016年）。

然而，主要的技术挑战在于开发高效、低成本且环保的分离方法。传统的壳聚糖提取过程包括三个步骤：（i）脱色，去除色素；（ii）脱矿（DM），去除CaCO₃和Ca₃(PO₄)₂等盐类；（iii）脱蛋白（DP），将蛋白质从壳聚糖基质中分离出来（Pakizeh等人，2021年）。虽然化学方法因速度快和效率高而在工业规模上得到广泛应用，但它们对环境有严重负面影响且耗水量大。相比之下，生物过程（发酵和酶法）能产生更高质量的产品，并允许回收蛋白质和矿物质，但处理时间较长且成本较高（Marzieh等人，2019年；Rakshit等人，2021年）。

最近的进展试图缓解这些限制。例如，使用微波加速壳聚糖脱乙酰化（El Knidri等人，2019年）；用乳酸替代HCl并结合介电屏障放电等离子体，实现了高脱矿和脱蛋白效率（Bori?等人，2020年）；以及使用重组酶和产有机酸的微生物，可去除超过90%的不需要的成分（Verardi等人，2023年）。新兴技术如深共晶溶剂（DES）和离子液体（IL）也显示出潜力，壳聚糖提取效率可达传统工艺的两倍（Dong等人，2023年；Vicente等人，2021年）。其他方法包括HOW-CA工艺（热水+加压碳酸），无需危险试剂即可达到90%以上的效率（Yang等人，2019年），以及即时弹射蒸汽爆炸（ICSE），该工艺可增加生物质表面积，降低结晶度，并生成可再利用的副产品，如肥料（Hu等人，2020年）。

壳聚糖生物质增值策略的多样性促使人们提出了能够同时表示多种处理路线的超结构模型。这种方法基于过程系统工程（PSE），有助于识别瓶颈、成本估算和大规模生产情景的评估（Bertran等人，2022年；Kim等人，2013年；Rex等人，2018年）。

尽管取得了最新进展，但在实验室研究和壳聚糖生物精炼厂的工业应用之间仍存在显著差距。文献中有很多关于残留物特性分析、预处理或提取技术以及特定产品应用的实验研究（Nirmal等人，2020年；Pellis等人，2022年）。然而，综合技术和经济可行性分析仍然较少，限制了行业的战略决策。正如Kim等人（2013年）提出的优化框架的应用，可以识别和评估生物质转化策略，同时考虑技术和经济参数。这种方法有助于进行敏感性分析，并在工业项目评估的早期阶段识别关键成本驱动因素，为海洋生物质生物精炼厂的决策提供坚实基础。

因此，本研究旨在填补这一文献空白，提出基于巴西虾养殖废弃物的壳聚糖生物精炼概念模型。通过建模不同的处理路线并评估技术、经济和环境指标，本研究旨在确定这种生物质综合增值的最有前景的替代方案。这项工作也有助于推进蓝色生物经济，符合全球可持续发展目标，促进从线性开发模式向循环和综合模式的转变。

案例研究概述

案例研究定义

基于塞阿拉州（巴西）的虾加工数据，设计了一个工业虾废弃物增值单元。2022年，该州的10家虾加工厂每年处理约14,181吨新鲜虾（ABCCAM，2022年）。假设阿拉卡蒂-CE（Aracati-CE）所有加工的虾都用于鱼片生产，那么该市每年大约处理5,711吨新鲜虾。假设年平均运营346.75天，这意味着每天处理16.5吨新鲜虾。

结果与讨论

通过将27种技术整合到超结构衍生网络中，表3中描述的30种拓扑结构代表了同时或选择性回收蛋白质、壳聚糖、壳聚糖寡聚物和色素的不同途径。这种系统方法确保每种提出的路线都在统一的框架下进行了一致评估，从而可以直接比较技术、经济和环境指标。

结论

目前对虾加工废弃物的有限利用为发展不与食品供应竞争的生物经济提供了一个起点。旨在实现虾养殖废弃物增值的项目可以在提高其经济竞争力的同时减少其对环境的影响。

对虾废弃物增值途径的技术经济分析表明，通过综合生物精炼策略可以最大化工业可行性。

未引用的参考文献

Riofrio等人，2021年；Yulianto等人，2021年。

CRediT作者贡献声明

安娜·卡罗莱纳·莫雷拉·丰塞卡（Ana Carolina Moreira Fonseca）：撰写——初稿、方法论、形式分析、数据整理、概念构建。莫伊泽斯·特莱斯·多斯桑托斯（Moises Teles dos Santos）：撰写——审稿与编辑、监督、概念构建。

资助

本工作得到了圣保罗研究基金会（FAPESP，巴西）的支持 [资助编号：2022/02809-0 和 2023/07775-0]

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。