零廢棄、高價值：智慧型生物精煉廠的未來藍圖

如果我們的經濟不再依賴石油和天然氣等化石原料，會是什麼樣子？答案顯而易見：我們必須幾乎完全依賴生物性、可再生的資源來創造價值。這種所謂的「生物經濟」無論在本地或全球範圍內，都帶來了巨大的挑戰。波茨坦萊布尼茨農業工程與生物經濟研究所的研究人員最近在《生物燃料研究期刊》上發表了一篇概念性論文，將現有的生物經濟模型整合成一個全面的概念。他們描繪了一種在行星邊界內實現迴圈與永續的生物經濟願景，而智慧型整合生物精煉廠正是這一願景的核心。

生物質，也就是種植的生物原料，是一種寶貴的資源。我們食用它、餵養它、燃燒它或利用它。剩餘的部分通常被堆肥、填埋或焚燒。然而，每一種未使用的殘餘物都蘊藏著潛力。智慧型整合生物精煉廠正是挖掘這一潛力的關鍵。與傳統生物精煉廠不同，傳統精煉廠通常只從特定生物原料中提取一種特殊生化物質，而智慧型精煉廠則結合了多種轉化過程。

萊布尼茨農業工程與生物經濟研究所的研究員、概念論文《生物經濟中的智慧型整合生物精煉廠：邁向零廢棄、減排與自給能源生產的概念》的主要作者納德·馬爾茲班博士解釋道：「有許多轉化技術可以從生物質中產生有價值的材料，例如微生物發酵（如厭氧消化）和熱解。厭氧消化會產生沼氣，而剩餘的消化物仍含有寶貴的有機化合物。」

「與傳統上將其用作肥料不同，我們可以透過水熱腐殖化將這些消化物轉化為人工腐殖質。當這些腐殖質被引入土壤時，能夠穩定細菌多樣性並改善土壤健康。另一個有前景的方法是將厭氧發酵與熱解（即碳化）結合。在這裡，生物炭作為催化劑，提高了沼氣生產的效率，同時生物炭也富含營養物質，能夠長期保持土壤中的養分，並根據過程條件儲存碳超過一個世紀。」

「另一個例子是發酵。如果加入生物炭，發酵抑制劑會被分解，從而顯著提高乙醇和乳酸的產量。此外，熱解過程中產生的生物熱能和電能可用於發酵，減少對外部能源的依賴。熱解產生的二氧化碳可以被捕獲並用於藻類培養，而藻類又可以作為替代蛋白質來源。」

智慧型生物精煉廠的潛力巨大，但最佳化的可能性也同樣廣泛。工業過程如厭氧消化、發酵、熱解、碳化和腐殖化都有可調引數，並且可以以多種方式組合。研究人員並未依賴單一型別的生物質，而是使用了90種不同且隨地區和季節變化的原料。透過為每個過程定義關鍵目標和可調引數，創造了數百萬種潛在情境。

馬爾茲班博士指出：「透過實驗研究所有這些情境將極其昂貴且耗時，而時間是我們無法浪費的奢侈品。我們的經濟仍然嚴重依賴化石原料，我們已經看到了負面影響。因此，我們依賴人工智慧驅動的模擬來識別最有效的方法。作為過程科學家，我們逐步進行，首先最佳化子系統，然後逐步將其連結成一個更大的整體。」

全球產業專業知識和廣泛的研究成果（包括來自萊布尼茨農業工程與生物經濟研究所的資料）為現有生物質轉化過程的進一步發展提供了豐富的資料基礎。關鍵技術包括直接在過程中測量的感測器，這些感測器有助於更好地理解產品與過程的互動，以及人工智慧、數位孿生和先進建模技術。透過利用資料、處理能力和演演算法，可以開發出適應性強且可擴充套件的智慧型整合生物精煉廠，能夠處理數千甚至數百萬種情境。

萊布尼茨農業工程與生物經濟研究所的科學主任、論文的通訊作者芭芭拉·施圖姆教授解釋道：「智慧型整合生物精煉廠可以透過不同模擬系統之間的網路和對話來開發，然後在現實中進行驗證。這個驗證過程能夠識別差距並揭示隱藏的機會，這些機會可以透過重新利用現有技術和系統或引入創新解決方案（如人工腐殖質）來解決。」

「在這個系統性方法中，每個生物精煉廠元件都積極尋求與其他元件的連線，形成更大的整合網路。這個系統將不斷模擬下一步，以找出實現既定目標的最佳方式。這將增強生物經濟模型中的永續性和迴圈性，創造就業機會並支援政策制定者。我們的願景是透過這種系統性整合，實現更具韌性、效率和未來適應性的生物經濟。」

這種整合方法使我們能夠創造一種真正永續的零廢棄生物經濟，並保持在行星邊界內。它提高了盈利能力和競爭力，這在化石產品成本較低的情況下尤為重要。然而，政府的支援和政策幹預對於促進和加速向綠色技術的轉型至關重要。

長期來看，智慧型整合生物精煉廠無疑將比專注於單一過程的系統更具盈利能力。它們還將減少對進口原料的需求，從而提高我們經濟系統的韌性。

透過這篇概念性論文，萊布尼茨農業工程與生物經濟研究所團隊與波茨坦大學和柏林工業大學的合作夥伴邁出了第一步。現在是證明和實施的時候了。今年三月，該研究所將在德國勃蘭登堡的格羅斯克洛伊茨開始建造一座用於研究目的的生物精煉廠。這將補充波茨坦現有的試驗廠和設施，以及波茨坦-馬爾夸特的數位農業實驗場。作為萊布尼茨永續生物經濟創新農場（InnoHof）的一部分，這座設施不僅將以共同創造的方式結合研究與實踐，還將展示這些概念的可行性。

此外，萊布尼茨農業工程與生物經濟研究所正在申請擴建，以便更一致地將這些系統性方法整合到其研究中。在與奧斯納布呂克大學的聯合任命中，該研究所目前正在填補生物經濟系統科學的教授職位。

施圖姆教授強調：「我們必須將系統性、技術性、社會性和經濟性創新結合起來思考。只有當我們將一個系統視為一個整體時，我們才能最佳化子系統，使其有效地服務於永續性。透過我們的概念，我們將進一步加強與政治決策者、行業領袖以及食品和營養領域的跨學科生物經濟研究，旨在提高我們經濟系統的韌性，使我們的經濟更具永續性，並支援德國和歐洲的技術主權。」