近期，巴西 Instituto Mauá de Tecnologia 的 Giovanna Lovato 团队在 Sustainable Horizons 发表综述文章，评价了生物精炼厂的核心工艺——厌氧消化技术产生的技术和可持续的经济效益。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.horiz.2022.100024
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- 研究背景 -
随着自然资源的日益消耗，以及人们对替代能源的不断探索，厌氧消化技术逐渐成为当下生物精炼厂的核心工艺。
Fig. 1. Simplified soybean processing, with emphasis on products of commercial value and by-products intended for anaerobic treatment – adapted from (Paulinetti et al., 2021).
然而，由于缺乏对于更灵活和非常规的相关技术的系统性评估与研究，此类技术仍旧无法大规模投入使用——如固定化生物质的厌氧顺序批量生物膜反应器（Anaerobic Sequencing Batch Biofilm Reactors, AnSBBR）。
图1是一类典型的大豆加工流程图，突出显示了本研究重点关注的工艺步骤、产品和副产品，如甘油和大豆糖蜜。这两类副产品都有多种用途，且分别具有高水平的潜在可发酵糖和高碳含量，在厌氧消化过程中的使用有助于降低成本，并符合环境友好要求，这十分贴合联合国可持续发展目标12（SDG 12，负责任消费与生产）的号召（如图2）。但与此同时，这两类副产品都具有较大的体积，这或多或少限制了人们充分利用它们的可能性。
- 研究方法 -
前人已在实验室尺度对采用AnSBBR处理大豆糖蜜和甘油的液相循环系统进行了充分的研究。基于此，本研究将无法被再利用的大豆糖蜜和甘油进行调配，用于生产富甲烷的沼气，其主要成分如表1所示。
Table 1 Composition of soybean molasses and glycerin “in natura”.
为获取该产能的最佳条件，研究对该反应器在工业尺度的应用进行了估算。
假设的前提是该反应器在工业尺度的表现跟实验室条件一致，且这两种副产品的产出是持续的。研究采用巴西中西部某大型工业的大豆糖蜜和甘油日产量（分别为每天212吨和25吨）为基础数据进行估算，其中28%的大豆糖蜜和67%的甘油可用于甲烷生产。
为更加经济地评价大豆糖蜜和甘油厌氧消化系统生产甲烷的成本，估计其总投资和潜在收益（如图3），本文计算时主要考虑: 1. 在锅炉中使用甲烷代替柴油生产蒸汽时，可节约的能源；2. 过量的甲烷将被用于发电，所以只需采用40%的涡轮效率。
尽管只是初步的估计，但这可以为全面实施该技术时需考虑的其它成本提供参考，例如惰性载体、碱化、管理费用和折旧。
Fig. 3. Illustrative flowchart of simplified economic analysis.
- 结论和展望 -
基于实验室尺度的研究数据，本研究预估了该反应器用于大规模生产甲烷的效果，得到的结果如下：
Fig. 4. Full-scale flowchart based on estimated data from the project in the treatment of soybean molasses and glycerin
如果工厂配置8个AnSBBR，每天处理59吨糖蜜，每个反应器占地1000m3，该系统的年产能可达18.6GWh，初始投资760万美元，年收益220万美元；如果配置6个AnSBBR，每天处理17吨甘油，每个反应器占地900m3，该系统的年产能可达6.3GWh，初始投资580万美元，年收益100万美元。
本研究为处理工业废水，尤其是大豆加工过程中产生的废水提供了可持续的新方向，这项技术与SDG12直接相关。研究方法回收利用了原本会被丢弃的副产品，保护了环境，并且为后人改良传统工艺 （如大豆加工和生物柴油生产）、遵守循环经济原则、促进资源和能源的高效利用的相关研究提供了有效参考。
在本研究的基础上，针对大豆糖蜜的处理，笔者呼吁未来的研究者应综合考虑不同温度条件下农工业废水多级处理工艺中的代谢途径及动力学常数等；针对甘油的处理，下一步应验证本文设计的反应器的策略，以探寻一类可以在亲热温度（55°C）下以稳定的方式促进可持续消化的微生物联合体。
作者简介
Giovanna Lovato has a Bachelor in Chemical Engineering from the Mauá Institute of Technology (2011), MSc (2014) and PhD (2018) in Science from the program of Hydraulics and Sanitation Engineering from the University of São Paulo. She did part of her PhD in Denmark Technical University. She has professional experience in research, in the area of Biochemical Engineering focused on anaerobic processes for wastewater treatment and bioenergy production (hydrogen and methane) using sequencing batch reactors. Currently, she is an Assistant Professor in the Mauá Institute of Technology.
引用格式：
Paulinetti, A.P., Augusto, I.M.G., Batista, L.P.P., Tavares, A.G.B., Albanez, R., Ratusznei, S.M., Lovato, G., Rodrigues, J.A.D., 2022. Anaerobic digestion as a core process for sustainable energy production in the soybean biorefinery: A techno-economic assessment. Sustainable Horizons 3, 100024.
期刊官网（英文）：https://journals.elsevier.com/sustainable-horizons
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