Technoeconomic assessment of bacterial nanocellulose production from second generation sugars derived via the OxiOrganosolv pretreatment process
本研究评估了通过氧化有机溶剂预处理法利用林业来源糖类生产细菌纳米纤维素的技术经济可行性，指出最小化生物反应器的固定资本投资以及优化原材料和干燥成本是实现经济可行性的关键。
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在材料的世界里，人们一直在寻找既坚固、具有柔韧性，又对地球友好的物质。细菌纤维素就是这样一种物质，它并非由植物创造，而是由微小的细菌将糖转化为极其精细的纤维。与木材或棉花中含有木质素等其他植物成分的纤维素不同，这种细菌版本的纤维素是纯净的。它形成一种大部分由水组成的凝胶状薄片，却拥有卓越的强度，并可以被塑造成用于医疗用途的薄膜、管状物或支架。由于其具有生物降解性和无毒性，科学家和工程师们正热切寻求寻找能够廉价生产它的方法，以期用它取代塑料包装，或用于先进的伤口敷料。挑战在于，制造这种材料一直很缓慢且昂贵，通常需要纯净的糖分以及大量的能量来去除最终产品中的水分。
希腊的一个研究小组最近探讨了一个问题：利用一种源自林业废弃物的特定类型废糖，是否能让这种材料在经济上变得可行。他们专注于一个过程，该过程首先利用氧气和热量剥离植物材料中木质的、无用的部分，留下可以转化为糖的洁净纸浆。随后，他们提出了一个简单但困难的问题：如果我们使用这种第二代糖来喂养细菌，最终产品的实际制造成本会是多少？为了找到答案，他们建立了一个详细的计算机模型，模拟一座每年可以生产一百吨干重细菌纤维素的工厂。他们不仅仅是在猜测；他们计算了从糖到达工厂到干燥薄片被包装完毕的过程中，每一件设备、每一滴水以及每一小时电力的成本。
研究人员设计了一种依赖于大型浅盘的工厂布局，细菌在这些浅盘中生长在一个安静、静止的环境中。这是必要的，因为细菌需要呼吸空气来创造它们的纤维，而搅拌混合物会破坏它们形成的脆弱薄片。该过程涉及一个大约八天的长周期，在每个批次期间，细菌消耗糖分并在液体表面构建一层厚厚的纳米纤维素。一旦生长完成，薄片会被收获，并用温和的清洁溶液清洗以去除细菌，然后进行干燥。团队为最终产品模拟了两种不同的结果：一种是将材料干燥至基本呈固体状态并保留少量水分，另一种是将其作为几乎完全由水组成的湿凝胶进行销售。
当他们运行数据时，结果清晰而严苛。为了使项目在财务上可行，公司需要以每公斤约两百零三欧元的价格出售干燥材料，或者以每公斤略高于两 euros 的价格出售湿凝胶。这些价格很高，但反映了当前技术的现实。最大的成本驱动因素不是糖或电力，而是机械设备本身。研究人员发现，用于培育细菌的设备，特别是种子罐和大型托盘反应器，占据了建造工厂总成本的近百分之八十。这种沉重的投资是必须的，因为细菌生长缓慢，这意味着工厂需要大量同时运行的反应器才能在一年内生产出可观数量的产品。
这项研究还强调，喂养细菌的成本是一个重要因素。糖溶液需要昂贵的营养物质，特别是名为胨（peptone）的富含蛋白质的成分，它占据了每日运营预算的很大一部分。此外，该过程会产生大量的废水，必须进行仔细处理，这增加了另一层成本和复杂性。研究人员指出，干燥阶段虽然耗能，但比起设备成本而言，其财务负担较轻，但干燥过程仍然至关重要，因为如何干燥材料会改变其物理特性。如果干燥过于剧烈，材料就会失去使其在高端应用中具有价值的独特品质。
尽管价格高昂，但分析表明，只要市场能够充分认可该材料的独特性能并愿意支付溢价，该项目在三十年的生命周期内是可以盈利的。研究人员得出结论，使这种材料变得更便宜的途径在于设计更好、更便宜的反应器，并寻找缩短漫长发酵周期的方法。他们还强调，提高干燥过程的效率以及寻找更廉价的废水处理方法是必不可少的步骤。虽然目前的模型显示细菌纤维素是一种高成本产品，但该研究为哪些领域需要改进以使其接近日常材料的价格提供了清晰的路线图。这项工作证实，虽然技术是可靠的，但目前的经济状况非常紧凑，依赖于该材料的卓越品质来为其在医学和先进包装等利基市场的成本提供合理依据。
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