Bioresource Technology：马铃薯皮废弃物用于可持续生产生物燃料、生物塑料和生物吸附剂

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背景简介

马铃薯是世界年产量第四大作物。马铃薯皮废弃物（PPW）是马铃薯加工业的主要废物流，其产量巨大，对全球环境构成威胁。然而，由于其成分特征、可用性和零成本，PPW成为生产高价值生物产品的可再生资源。

伊朗伊斯法罕理工大学的Keikhosro Karimi（通讯）在国际知名期刊《Bioresource Technology》上发表题为“Potato peel waste biorefinery for the sustainable production of biofuels, bioplastics, and biosorbents”的文章。该研究提供了通过生物和热化学转化实现PPW增值的最新进展概述。PPW通过脱毒、预处理、水解和发酵产生生物燃料和生物化学品（生物油、生物炭和生物吸附剂）的潜力巨大。同时，PPW在生物和热化学转化过程中存在一些挑战。该综述为PPW的生物精炼奠定了基础。

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图文解读

本综述总结论述了（i）PPW的成分特征，（ii）PPW生物转化，包括用于提高PPW生物消化率的各种预处理方法，水解和发酵生产PPW的各种增值生物产品，对通过生物炼制方法实现PPW价值化的进展提供了更深入的见解，（iii）将PPW热化学转化为有价值的生物产品，以及（iv）PPW可持续价值化的挑战和前景。

PPW主要由木质纤维素、淀粉、蛋白质和脂质组成。此外，PPW含有大量的糖生物碱和酚类化合物。含有纤维素、半纤维素和木质素的木质纤维素部分构成PPW的主要部分（PPW的44-65%），是生产生物制品的潜在来源。然而，木质纤维素的顽固性和结晶结构使其耐生物降解。因此，预处理步骤对于破坏这种结构屏障至关重要。此外，将纤维素和半纤维素糖转化为单体糖需要后续水解步骤，单体糖可以进一步转化为生物产品除了纤维素和半纤维素外，木质素部分也是生物产品生产的来源，如树脂和风味化合物。

PPW预处理方法大致可分为物理（机械粉碎）、化学（如碱、酸和有机溶剂）和物理化学技术（如液体热水、蒸汽爆破和氨纤维爆破）。在选择预处理方法时应考虑以下几点：预处理副产物对酶和发酵微生物的抑制作用、预处理过程的环境影响、能源需求、资本投资以及预处理后所需的后续处理过程（如脱盐等）。有机溶剂预处理是同时脱毒和预处理PPW的最有效和最有前景的方法，此外，这种预处理可以回收用于产生过程热量和电力的纯木质素。

PPW经过预处理后可通过生物炼制过程转化为增值产品，包括乙醇、沼气、生物丁醇、生物制氢、生物塑料等，此外PPW还可被微生物利用生产黄原胶；黑曲霉和里氏木霉共培养可利用PPW生产纤维素酶。通过热化学转化技术（热解和水热液化）可利用PPW生产生物油、生物炭和天然气等增值产品。

生物炼制方法中PPW的价值化是朝着生产生物产品迈出的一步，生物产品有望替代石油产品，为循环生物经济铺平道路。同时生产多个增值产品可以显著提高基于PPW的生物炼制厂的盈利能力和可持续性，从而最大限度地提高PPW的价值，并最大限度地减少残余废物。目前的研究包括（1）将PPW和猪粪进一步厌氧消化以产生沼气，将沼气产生的热量对消化残渣进行热解，热解热流入蒸汽室以生成生物炭。（2）利用PPW生物炼制厂生产乙醇、黄原胶和沼气，其中，预处理液和水解固体残渣用于厌氧消化为沼气。（3）通过生物炼制工艺用于从PPW中回收糖生物碱、多酚和多糖。然而，目前的研究大多集中于实验室规模，商业规模的部署还处于早期阶段，关于其技术经济可行性和环境可持续性的研究还很少。PPW中存在抑制性化合物，因此，需要昂贵的脱毒工艺，这是PPW生物加工的主要挑战。此外，由于难消化组分和易消化组分共存，预处理方法选择较为困难。此外，PPW可用量的不确定性以及PPW高含水率和快速分解率使其工业规模的PPW加工更具挑战性；同时，PPW的理化特征因季节、地理位置、种类、剥皮方式和其他几个因素而异，可能会影响其储存、处理和加工等。因此，实现PPW的工业生物炼制还需付出诸多努力。

 图1 全球马铃薯皮废弃物生产和预处理产生的温室气体排放（每吨CO₂当量）

图2 生物和热化学处理使马铃薯皮废弃物增值转化

 图3 拟建马铃薯皮废弃物生物炼制厂

 图4 马铃薯皮废弃物生物处理的利弊

 图5 马铃薯皮废弃物热化学处理相关的挑战

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总结与展望

PPW可通过各种生物和热化学技术生产有价值的生物产品，是一种具有广阔应用前景的生物质原料。PPW转化为生物燃料、生物聚合物和生物吸附剂提供了传统化石燃料的可持续替代品。基于PPW合理的生物炼制可从去除抑制化合物开始，然后将剩余的PPW生物转化为生物燃料、生物聚合物或生物化学品，最后将剩余PPW通过热化学转化为生物炭、生物油或生物吸附剂，从而使PPW的价值最大化。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.127609

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