木质纤维素残留物是用于循环且本质上为碳负性生物聚合物制造的未充分利用的碳资源。本研究提出了首个针对利用木质纤维素生产聚羟基脂肪酸酯 (PHA) 生物复合材料的集成动态模拟 (DS)、生命周期评价 (LCA) 和技术经济分析 (TEA)。研究人员开发并校准了基于动力学和质量传递的生物反应器模型，该模型利用以木质纤维素衍生糖类培养的食酸罗尔斯通氏菌 (Cupriavidus necator) 的实验数据，复现了瞬态生物量和细胞内 PHA 积累过程（底物转化率 0.55 w/w PHA/substrate，细胞干重转化率 0.67 w/w PHA/cell dry weight）。动态输出结果为涵盖生物质预处理、发酵、基于天然低共熔溶剂的 PHA 回收、纤维-PHA 复合以及寿命终止循环的 PHA 生物复合材料工艺的全厂质量和能量平衡提供了依据。LCA 结果显示，每千克 PHA 的全球变暖潜势 (GWP) 为 1.51 kg CO2e。替代化石源聚丙烯可减少约 2.18 kg CO2e/kg，即 GWP 降低 60%，若按 2030 年聚丙烯需求量计算，全球潜在减排量约为每年 3.4 亿吨 CO2e。蒙特卡洛不确定性分析证实，其 GWP 超过化石基等效聚丙烯的概率较低（<4%）。TEA 显示，在年产 1 千吨 (ktpa) 产能下，PHA 生物复合材料的生产成本为 2.6 美元/kg，经济利润率为 4.4 美元/kg。贴现现金流分析表明，要实现小于 10 年的可接受回报期，PHA 生物复合材料的生产容量至少需达到 0.3 ktpa。该研究确立了木质纤维素基 PHA 生物复合材料作为一种可扩展且气候友好型平台材料的地位，并强调了工艺集成对于实现经济可行性的核心作用。
**研究背景与意义**
随着全球塑料产量预计从 4 亿吨增至 2040 年的 7 亿吨，以及其中 98% 依赖石油基原料且难以降解的现状，生态系统健康面临严峻威胁。为应对气候变化，国际社会设定了严格的减排目标，亟需发展碳中性的生物基系统以实现温室气体 (GHG) 减排和材料循环。聚羟基脂肪酸酯 (PHA) 作为可生物降解和生物相容的聚酯，被视为替代化石基一次性塑料的关键候选者。然而，现有研究多集中于实验室规模，且常依赖粮食作物或高成本底物，缺乏对木质纤维素废弃物规模化利用的综合评估。特别是，目前尚无针对木质纤维素基 PHA 生物复合材料生产的集成动态模拟 (DS)、生命周期评价 (LCA) 和技术经济分析 (TEA) 研究，导致其环境效益和经济可行性尚不明确。本研究旨在填补这一空白，通过构建集成的 DS-LCA-TEA 框架，评估利用木质纤维素废弃物生产 PHA 生物复合材料的可扩展性与可持续性，为净零循环生物经济策略提供科学依据。该研究成果发表于《Green Chemistry》。
**关键研究方法**
研究人员采用了集成的 DS-LCA-TEA 方法论。首先，基于食酸罗尔斯通氏菌 (C. necator) 在木质纤维素衍生糖上的培养实验数据，构建了描述微生物生长、底物消耗及 PHA 积累的动力学质量传递模型，并通过微分进化算法校准参数。其次，利用校准后的动态模型输出，进行全厂范围的物质与能量平衡计算，涵盖生物质预处理、发酵、天然低共熔溶剂 (NDES) 提取回收、纤维复合及厌氧消化 (AD) 联合热电联产 (CHP) 等环节。随后，依据 ISO14040-44 标准，采用 ReCiPe 2016 方法进行从摇篮到坟墓的 LCA 分析，功能单元设定为年产 1 千吨 (ktpa) PHA 生物复合材料。最后，结合工程成本估算关联式进行 TEA，评估资本支出、运营支出及净现值 (NPV)。样本队列来源于文献报道的利用谷物废弃物作为底物的实验数据。
**研究结果**
**动态模拟 (DS) 建模结果**
通过敏感性分析识别出关键动力学参数，并利用实验数据校准模型。结果显示，维持底物和氮浓度恒定的补料分批操作策略至关重要，可避免 PHA 被细胞重新消耗。模型成功复现了实验趋势，预测在约 30 小时达到最大 PHA 浓度 6.6 g L
-1，此时底物转化率为 0.55 w/w。该结果为后续全厂质量平衡提供了精确的时间分辨输入。
**生命周期评价 (LCA) 结果**
LCA 分析表明，该工艺的摇篮到大门 GWP 为 1.51 kg CO
2e/kg PHA，显著低于文献报道的其他 PHA 生产路径。若替代化石基聚丙烯，可实现 60% 的 GWP 减排（2.18 kg CO
2e/kg）。热点分析指出氢氧化钠、磷酸钠和蒸汽是主要环境影响来源。蒙特卡洛模拟证实，该工艺 GWP 高于化石基聚丙烯的概率仅为 3.7%，显示出极高的气候缓解稳健性。此外，通过副产物 lignin 和沼气的现场 CHP 发电，不仅满足了工厂能耗，还产生了额外电力盈余，进一步降低了环境足迹。
**技术经济分析 (TEA) 结果**
TEA 结果显示，在 1 ktpa 产能下，总资本投资约为 1600 万美元。得益于木质纤维素底物的低成本及现场能源自给，PHA 生物复合材料的生产成本低至 2.6 美元/kg。在假设市场售价为 7 美元/kg 的情况下，投资回报期为 5 年。敏感性分析表明，生产规模效应显著，当产能超过 0.3 ktpa 时，项目具备经济可行性（回报期<10 年）。
**结论与讨论**
本研究证实，通过集成动态模拟、生命周期评价和技术经济分析，利用木质纤维素废弃物生产 PHA 生物复合材料在环境和技术经济上均具有显著优势。研究结论指出，该工艺不仅能实现 60% 的温室气体减排，还能在具有竞争力的成本下（2.6 美元/kg）实现规模化生产。关键在于工艺集成，特别是利用未转化生物质进行现场能源回收，以及优化发酵控制策略以最大化 PHA 积累。这项工作确立了木质纤维素基 PHA 生物复合材料作为一种可扩展、气候友好型平台材料的地位，为推动生物制造从实验室走向工业化应用提供了重要的理论支撑和数据支持。
