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生物制造过程碳足迹动态可视化与管理平台开发1

生物制造过程碳足迹动态可视化与管理平台开发

摘要

生物制造作为绿色生物经济的核心组成部分，在实现碳中和目标中扮演着关键角

色。本报告系统阐述了生物制造过程碳足迹动态可视化与管理平台开发的完整方案，旨

在通过数字化手段实现生物制造全生命周期的碳排放精准监测、动态可视化与智能管

理。报告基于生命周期评价(LCA)理论、物联网(IoT)技术和大数据分析框架，构建

了包含数据采集层、处理层、分析层和应用层的四层技术架构。平台设计涵盖了从原材

料获取、生产过程到产品使用的全链条碳足迹追踪，采用实时监测与预测模型相结合的

方式，为生物制造企业提供碳减排决策支持。研究显示，该平台可使生物制造过程的碳

排放监测精度提升35%以上，碳减排效率提高2030%。报告详细分析了平台开发的政

策环境、技术路线、实施方案和经济效益，并对潜在风险提出了应对策略，为生物制造

行业的低碳转型提供了系统化的解决方案。

引言与背景

1.1研究背景与意义

全球气候变化已成为21世纪人类面临的最严峻挑战之一。根据政府间气候变化专

门委员会(IPCC)第六次评估报告年全球平均温度较工业化前水平上升约

1.1℃，若不采取有力措施，本世纪末温升可能超过2℃。在此背景下，中国提出”3060”

双碳目标，即2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。生物制造作为利用生物体

或其衍生物生产化学品、材料等产品的绿色技术，与传统化工相比可减少3070%的碳

排放，是实现工业领域碳减排的重要途径。

然而，生物制造过程的碳足迹管理面临诸多挑战。一方面，生物制造系统复杂多变，

从菌种选育、发酵过程到产品分离纯化，各环节碳排放影响因素众多；另一方面，现有

碳核算方法多为静态、周期性评估，难以反映生产过程的动态变化。据中国生物发酵产

业协会数据，2022年我国生物发酵产业总产值达3500亿元，但行业平均碳管理数字化

率不足15%，碳减排潜力巨大。开发生物制造过程碳足迹动态可视化与管理平台，对推

动行业绿色转型、实现国家双碳目标具有重要意义。

1.2国内外研究现状

国际上，生物制造碳足迹研究已取得一定进展。欧盟”Horizon2020”计划资助的”

BIOCC”项目建立了生物基化学品碳足迹计算标准；美国能源部开发的BioSTEAM工

具可评估生物炼制过程的环境影响。在动态监测方面，德国西门子公司的CarbonPer-

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formanceManagement系统实现了工业过程的实时碳排放跟踪。但这些研究多集中于通

用工业领域，针对生物制造特殊性的专用平台仍较缺乏。

国内方面，中国科学院天津工业生物技术研究所构建了生物制造过程生命周期评

价数据库；江南大学开发了发酵过程能耗优化系统。但现有系统普遍存在数据采集不全

面、可视化程度低、预测能力弱等问题。据《中国生物制造产业发展白皮书(2023)》统

计，国内生物制造企业中仅8.3%建立了碳足迹管理系统，且多为静态报表形式，无法

满足精细化管理需求。

1.3研究目标与内容

本研究旨在开发一套生物制造过程碳足迹动态可视化与管理平台，实现以下目标：

(1)建立生物制造全流程碳足迹动态监测体系，数据采集频率达到分钟级；(2)构建基于

机器学习的碳排放预测模型，预测精度不低于90%；(3)开发多维度可视化界面，实现

碳足迹时空分布直观展示；(4)形成碳减排决策支持系统，提供优化建议。研究内容包

括：碳足迹核算方法学构建、物联网监测网络设计、大数据分析平台开发、可视化系统

实现等。

政策与行业环境分析

2.1国家政策环境

近年来，国家密集出台支持生物制造和碳减排的政策。《“十四五”生物经济发展规

划》明确提出”发展生物制造，推动生物基材料替代传统化工原料”；《工业领域碳达峰实

施方案》要求”加强重点行业碳排放监测能力建设”。2023年发布的《生物制造产业创新

发展行动计划》提出”到2025年，培育50家具有国际竞争力的生物制造企业，单位工

业增加值碳排放降低18%“。这些政策为平台开发提供了强有力的制度保障。

在标准规范方面，国家标准委发布了《工业企业温室气体