利用餐厨垃圾的光合生物精炼厂生产聚羟基脂肪酸酯的技术经济分析

《Bioresource Technology Reports》：Techno-economic analysis of a photobiorefinery for the production of polyhydroxyalkanoates from food waste

　　

本研究提出了一种利用紫色光合细菌（PPB）混合培养物从餐厨垃圾中生产聚羟基脂肪酸酯（PHA）的光合生物精炼厂的设计与经济评估。研究人员使用SuperPro Designer?软件对该过程进行了模拟。研究评估了两种下游处理工艺：干生物质溶剂萃取和湿浆料溶剂萃取。该设施的处理能力为102.4 kt/y，年PHA产量为5000 t。生物氢作为副产品以322 t/y的产量生产。干萃取和湿萃取的净现值（NPV）分别估计为38.6 M$和51.3 M$。PHA的最小售价（MSP）分别为4.81 $/kg和4.41 $/kg，其中湿萃取显著提高了盈利能力。然而，与文献中非光合PHA生产相比，两种设计均被证明成本竞争力较低，主要原因是体积产率低且PHA回收成本高。通过提高光发酵的PHA产量，可以实现低于4 $/kg的PHA价格。

全球范围内，超过三分之一的食物生产最终被浪费，消费阶段的损失更是超过总浪费量的50%，年度食物垃圾产生量高达约13亿吨。面对这一严峻形势，开发新的食物垃圾预防与管理途径势在必行。食物垃圾富含能量且来源丰富，可通过生物过程进行资源化利用，其中厌氧消化是最为常见的处理方式之一。然而，近年来新型生物精炼厂概念不断涌现，旨在生产更高附加值的产品，聚羟基脂肪酸酯（PHA）便是其中之一。

PHA是由微生物细胞内合成用于碳源和能量储存的生物聚合物，其热物理性质与聚丙烯、聚乙烯等石油基聚合物相似。PHA的显著优势在于其可生物降解性，以及通过废弃物资源化实现低碳生产的潜力。得益于良好的生物相容性、热塑性和疏水性，PHA已广泛应用于农业、医学和食品工业领域，是包装和生物医学应用的理想候选材料。尽管具有诸多优势和广泛应用前景，较高的生产成本导致的市场价格缺乏竞争力，严重制约了PHA作为合成塑料替代品的规模化应用。目前PHA商业化生产成本通常为3.0–5.0 $/kg，而石油基聚合物仅为1.0–1.5 $/kg。昂贵的原料和纯培养的使用是导致高生产成本的主要因素，其中碳源成本占总生产成本的30%–50%。因此，当前研究聚焦于利用混合微生物培养物的替代生产路线，以消除灭菌成本并利用廉价易得的碳源，如废水、有机城市固体废弃物或食品工业废弃物。

传统上，从废弃物流中生产PHA依赖于好氧混合微生物培养。紫色光合细菌（PPB）被提出作为消除曝气成本的替代方案。PPB是一类具有多样代谢机制的不产氧光合微生物，其最适合PHA生产的生长模式为光异养模式，即利用光作为能量源、有机碳作为碳源。PHA的积累通过营养限制诱导实现。光照周期和强度在促进PHA积累方面发挥着核心作用，已有研究表明连续光照有利于PHA生产，不同光强条件下的最优值存在差异。

下游处理是PHA生产的重要组成部分，可高达总生产成本的一半。PHA回收存在两种通用方法：细胞裂解（机械、化学或生物消化）和直接溶剂萃取。尽管研究表明细胞裂解方法可能更具成本效益，但溶剂萃取仍是更常用且可靠的过程，可保持较高的产品质量。据研究人员所知，文献中尚无利用PPB混合培养进行PHA与生物氢联产的综合光合生物精炼厂建模与技术经济分析的先例。大多数已发表的技术经济评估聚焦于纯培养或好氧混合微生物培养的使用。本研究旨在调查利用PPB从餐厨垃圾生产高附加值产品的可行性，并比较依赖于干生物质或湿生物质溶剂萃取的两种替代PHA回收工艺，以确定最具成本效益的过程。

该设施年处理餐厨垃圾102.4 kt，来源于混合来源的城市固体废弃物和食品服务废弃物，年产PHA 5000 t、生物氢322 t/y。工厂年运行330天、每天24小时。经济评估设定分析年份为2026年，建设期30个月，启动期4个月，工厂寿命20年，贴现率7%，通胀率3%。设备购置成本依据SuperPro Designer?内置模型计算，安装、管道、仪表、保温、电气、建筑、场地改良及辅助设施等按设备购置成本的特定比例估算，另计工程、施工等间接费用及承包商费、应急费用等。运营成本涵盖原材料、劳动力、设施维护、实验室/质量控制、耗材及公用事业等。原材料成本按市场实际价格估算，公用事业和耗材成本基于软件默认值，PHA售价设定为6.0 $/kg，餐厨垃圾进料假定收取30 $/t的 gate fee。盈利能力通过毛利率、投资回报率、净现值、内部收益率和投资回收期等指标评估，并通过现金流分析确定PHA的最小售价。

研究人员开展此项研究的核心动机在于：食物垃圾污染问题亟待解决；传统厌氧消化产附加值较低；PHA作为可降解生物塑料前景广阔但成本过高；PPB光培养可省去曝气能耗，但缺乏成套工艺的技术经济评估；干/湿两种溶剂萃取路线的经济性尚不明晰。通过开展全过程模拟与经济性评价，研究人员试图明确该光合生物精炼厂 concept 的可行性，识别关键成本制约因素，并为工艺优化提供方向。

**关键技术方法**

本研究采用SuperPro Designer? v14软件进行全流程模拟，涵盖预处理、光发酵、PHA与生物氢回收、厌氧消化及废水处理六大工段。预处理采用热解和气酸化发酵两段式工艺，热解条件为8 bar、160 ℃，酸化发酵在35 ℃、有机负荷率7.5 gVS_feed/L/d、水力停留时间3天的条件下进行。光发酵采用 plug-flow 式光生物反应器，基于Allegue等人的实验数据建模，人工补光强度5 W/m²、每日12 h，水力停留时间2天，固体停留时间通过66%细胞回流实现6天，有机负荷率3.3 gCOD/L/d。下游比较了两种PHA回收工艺：干萃取工艺采用喷雾干燥至2% w/w含水率后，以二甲基碳酸酯（DMC）为溶剂进行两段式萃取，溶剂/干生物质比20 g/g，90 ℃萃取1 h，辅以三效蒸发和真空干燥；湿萃取工艺直接将固含量120 g/L的浆料进行萃取，后续通过液-液分离、微滤及蒸馏回收溶剂。生物氢采用变压吸附（PSA）纯化至99.98% v/v。厌氧消化在55 ℃、中性、10天水力停留时间的条件下进行，沼气驱动内燃机发电。废水处理包括两段好氧消化、混凝沉淀、过滤及反渗透（80%回收率）。经济分析采用20年项目寿命、7%贴现率，通过敏感性分析考察各参数对NPV和MSP的影响。

**研究结果**

预处理与酸化发酵结果：热解后采用闪蒸实现蒸汽爆破效应，酸化发酵总挥发性脂肪酸（VFA）产率达0.59 gCOD_VFA/gCOD_feed，VFA占总COD的62.3%、可溶性COD的93.3%，生物氢产率和纯度分别为135 L/kgVS_feed和59.5% v/v。液体VFA富集流进入光发酵，固体转移至厌氧消化。

光发酵结果：基于物料平衡的转化反应描述微生物代谢，生物量产率为0.96 gCOD/gCOD_S，总COD去除率59.5%。PHA体积产率为0.50 g/L/d，PHA含量为50 dwt%。生物氢产率为59.2 mL/gCOD_feed，气体产物中氢气含量约85%，体积产率187.7 mL/L/d。该产率约为文献报道的Allegue等人数据的3倍，这可通过本研究采用更高有机负荷率来解释，且该产率处于PPB生物氢生产的文献报道范围内。

PHA回收结果：两种萃取工艺的总溶剂回收率均超过99.8%。干萃取中，喷雾干燥能耗占公用事业成本的56.9%；湿萃取中，蒸馏仅占公用事业成本的34.8%，湿萃取实现公用事业成本降低35.6%、年运营成本降低7.1%。萃取回收的PHA产品纯度达95 dwt%以上。

经济分析结果：研究比较了干萃取和湿萃取两种基础工艺，并考察了单段萃取替代双段萃取（情境I）以及生物氢燃烧替代销售（情境II）两种变体。基础工艺中，湿萃取的总投资（75.885 M$）略高于干萃取（74.872 M$），但年运营成本更低（25.146 vs. 27.080 M$）。湿萃取的NPV（51.288 M$）较干萃取（38.606 M$）高约33%，毛利率（30.71% vs. 25.38%）、投资回报率（19.94% vs. 18.13%）和内部收益率（14.77% vs. 13.06%）均更优，投资回收期更短（5.01 vs. 5.52年）。两工艺的单元生产成本分别为5.42 $/kg（干萃取）和5.03 $/kg（湿萃取），PHA最小售价分别为4.81 $/kg和4.41 $/kg。

情境I（单段萃取）结果：回收成本降低约5%，但因回收效率下降导致年产量减少，NPV显著降低（干萃取降至2.24 M$），证明双段萃取的经济性更优。若能以单段萃取实现相同回收率（50 dwt%），则运营成本可望大幅降低。

情境II（生物氢燃烧）结果：生物氢与甲烷共燃使发电量增加36%至2256 kW，但NPV较基础情境降低34%–54%，MSP增加9%–10%。即使以低价（<4 $/kg H₂）销售生物氢，仍优于燃烧方案。氢气在厂内仅储存1小时即输入管网，是维持销售经济性的关键因素。

敏感性分析结果：干萃取对所有不确定参数的敏感性均高于湿萃取。PHA售价对项目NPV影响最大，其次为总投资。总投资增加30%时，MSP升至6.60 $/kg（干萃取）和6.18 $/kg（湿萃取）。PHA产量为关键变量：提升至65 dwt%时湿萃取MSP可降至4 $/kg以下；降至35 dwt%时干萃取NPV转负，MSP增幅约30%。Gate fee翻倍至60 $/t可使NPV增加37%–52%；若需以30 $/t购买餐厨垃圾则NPV降低77%–103%，干萃取出现负值。规模扩大可显著改善盈利性，但受光发酵所需大面积的土地 availability 限制。

**讨论总结**

研究人员对本研究结果与文献中类似技术经济评估进行了系统比较。该光合生物精炼厂的经济特性与文献中提出的类似概念具有可比性，但近期多项研究在运营成本和最小售价方面表现出更优结果。使用Enterobacter aerogenes的纯培养、好氧混合培养结合氯仿萃取、以及多原料模块系统等不同工艺路线，部分实现了更低的MSP。值得注意的是，Khatun等人的分析表明，使用异质餐厨垃圾作为单一碳源时，若采用特定微生物培养，MSP可高达11.35 $/kg，提示可通过结合更均质底物改善盈利性。

本研究中PPB混合培养的优势在于可复杂底物，区别于多用于均质底物的纯培养。然而，光培养导致极低的体积产率（0.50 g PHA/L/d），反应器体积庞大，光发酵成为资本成本最高（约占总投资的36%）和运营成本第二高的工段。光生物反应器成本与非光合培养文献报道相当，表明PPB在降低PHA积累资本成本方面并无固优势，这与部分文献建议相左。提高光发酵体积产率是改善经济性的关键，可通过优化发酵条件以提高生物量产率或细胞PHA含量实现。

整体PHA产率偏低主要归因于光发酵阶段较低的COD去除率（60%）和典型的混合培养回收率（50 dwt%），生物氢生产进一步降低了PHA产率。理论上，通过提高光发酵聚合物积累选择性，PHA产率可提升15%。然而，生物氢生产对经济性能具有积极影响，因其售价较高，提示产品多样化可改善竞争力。

湿萃取相较干萃取显著降低了能耗和运营成本，避免了生物质干燥这一最耗能步骤。DMC的补充成本极低（约0.08 $/kg PHA），得益于高效率的溶剂回收系统。蒸发因DMC较高的沸点和汽化?而成为能耗密集型操作，选用低热需求溶剂或降低溶剂/生物质比可进一步降低下游成本。

研究同时分析了单段萃取和生物氢燃烧两种替代情境，前者因回收效率损失导致经济性下降，后者因丧失高价值产品销售机会而显著恶化盈利指标。敏感性分析揭示了关键参数对项目经济性的定量影响规律，为风险管控和工艺优化提供了决策依据。

**研究结论**

本研究提供了一种利用PPB混合培养从餐厨垃圾生产PHA、以生物氢为副产物的综合光合生物精炼厂的概念设计和技术经济评估。研究比较了从干生物质或湿生物质中进行溶剂萃取回收聚合物产品的两种工艺。干萃取和湿萃取的PHA最小售价分别为4.81 $/kg和4.41 $/kg。虽然这些价格处于市场范围内，但高于以往有关有机废弃物生产PHA研究中的价格。由于PHA回收是所有工段中运营成本最高的，降低回收成本对于提高工厂盈利性至关重要。光发酵过程也需改进以提高体积产率和PPB培养的PHA含量。提高整体PHA产率或进一步丰富过程产品种类，均可作为使该光合生物精炼厂成为更具吸引力和竞争力的PHA生产选项的探索方向。