CREST | 日本九州工业大学Wakisaka团队：综合废物管理系统中餐厨垃圾向生物燃料的创新转化

导 读

日本九州工业大学Minato Wakisaka团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“综合废物管理系统中餐厨垃圾向生物燃料的创新转化（Innovative conversion of food waste into biofuel in integrated waste management system; 2022, 52(19): 3453-3492）”的综述。

在追求应对气候变化和能源安全的强驱动力下，餐厨垃圾作为生物燃料的可再生能源之一，为替代化石燃料提供了机遇，有助于以更可持续的方式转化废物。本文总结了生物燃料生产的现状、以餐厨垃圾为原料的潜在障碍、技术转化成熟度、政策支持、生物燃料的需求、公众社会参与度及在经济领域所能创造的附加价值等多个方面。同时，本文报导了以餐厨垃圾生产生物燃料的实验及中试研究，阐述了整合构建餐厨垃圾处理和生物燃料工厂技术的智能设备的主要障碍，涉及的代谢途径以及政策的不确定性也进一步阻碍了大规模投资的可能性。值得一提的是，这是首次主要以餐厨垃圾为主要原料工业化生产生物燃料的可行性研究综述，为政府以及潜在投资者在未来从城市固废的餐厨垃圾中发展生物燃料提供了新的视野。

图1 图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

全世界正在逐步减少对石油燃料的依赖，逐步向清洁能源过渡，以减少温室气体的排放。目前由生物乙醇和生物柴油组成的生物燃料受到了越来越多的关注，其对于解决能源安全、环境问题及社会经济发展等方面都有着重大意义。

建立和维护原料供应链是生物燃料管理的核心要素。因此潜在的生物燃料原料，比如生物能源废物、农业残余物、城市固体废物和林产品，可以有效转移粮食安全与能源供应之间的冲突。而餐厨垃圾占城市固体废物总量的70%，因此餐厨垃圾是生产生物燃料最可行的原料之一。

促进废物转化技术发展以可持续生产生物燃料才能适应大规模市场需求变化。通过预处理可以提高餐厨垃圾向生物燃料的有效转化。比如通过研磨技术的物理预处理可以减少餐厨垃圾的粒度并增大表面积，以便在进一步的化学和生物预处理中发生更快的水解。然而由于餐厨垃圾成分的复杂性，预处理的过程中面临着挑战。在水解之前减少餐厨垃圾的粒度并优化工艺条件以实现高转化率需要进一步研究。因此，迫切需要开发合适的餐厨垃圾预处理技术，以实现生物燃料的可持续生产。

生物乙烷在运输燃料中具有广泛的用途而备受关注。就餐厨垃圾富含碳水化合物的特性和可持续生产而言，利用餐厨垃圾生产生物乙烷是一种很有前景的方法。已有相关研究报导了通过单独反应器的两级厌氧消化系统从餐厨垃圾中生产生物乙烷。相较于传统的单阶段氢气和甲烷厌氧消化系统，双阶段生物乙烷工艺生产提高氢气与甲烷的产量，减少了加氢时间，提高了高固体生物质溶解为挥发性脂肪酸并有效分离氢气和甲烷。图2构建了由餐厨垃圾可持续生产生物乙烷的集成两阶段系统，其由预处理工艺、两级生物乙烷生产装置（生物制氢装置和生物制乙烷装置）、热电联产（CHP）和废水处理装置组成。产生的三种主要产品为气体产品、废水和固体液体消化物。生物乙烷系统产生的全部能源将提供给当地社区和现场运营，而产生的废水将被引导至污水处理厂进行沼气生产，然后进一步达到处理标准。沼气将在CHP中转化为部分电能。

图2 餐厨垃圾转化为生物乙烷的生物精炼模型

生物柴油是最有希望替代液体燃料的生物燃料之一。与石油柴油相比，其可以减少烟灰和硫的排放，并且不会增加大气中的二氧化碳。生物柴油主要是依靠在低温和低压条件下，利用碱催化酯交换工艺生产的。目前生物柴油主要以大豆油、棉籽油、植物油和动物脂肪为原料生产，其从餐厨垃圾中转化生产仍然处于起步阶段。

餐厨垃圾有效转化生物柴油的关键因素是提取的脂质（酸性或碱性催化反应）和整合的微生物脂质（酶促脂肪酶、细菌、真菌和微藻转化）的酯交换反应。在转化为生物柴油之前，餐厨垃圾中的营养物质要作为微生物生长的支持系统。研究者们报导了利用酸性催化剂（硫酸和磺酸）、碱性催化剂（MgO、Al₂O₃、NaOH、KOH）和酶催化剂（脂肪酶和酵母）来从餐厨垃圾中生产生物柴油。

图3展示了利用餐厨垃圾生产生物柴油的工艺流程及其在微藻中脂质积累的生化途径。在微生物培养的第一阶段，餐厨垃圾流出物含有大量营养元素，可以用于微生物生长，促进脂质的高产。在收获生物质的第二阶段，主要通过离心、筛分、过滤、浮选和絮凝，然后脱水或干燥以获得占总固体物质2~7%的高浓度浆料。第三阶段的油提取可以通过化学或机械过程进行。利用餐厨垃圾和其有价值的营养废弃物生产生物柴油可以有效降低生产成本，在工业水平上提供经济效益，具有一定的发展前景。

图3 生物柴油生产工艺流程及其在微藻中脂质积累的生化途径

丙酮-丁醇-乙醇（ABE）作为一种先进的液体生物燃料受到了极大的关注。相对于乙醇而言，其具有更高的能量含量、可与高浓度的汽油混合、对水的亲和力低及挥发性更低的优势。然而生产底物是糖和淀粉一直是阻碍ABE商业化生产的主要障碍。而富含木质纤维素生物质和淀粉质材料的餐厨垃圾可以成为生产ABE的专用原料。

ABE发酵从菌株选择、底物利用、发酵策略和回收过程开始。能够进行ABE发酵的菌株可归类为梭菌属菌株和非梭菌属菌株。ABE发酵过程主要涉及酸生成和溶剂生成两个阶段。研究者们在ABE发酵的上游阶段，引入物理、化学品和生物预处理来水解原材料中的木质纤维素化合物。然而副产物乙酸等可能对梭状芽孢杆菌有毒，降低ABE的生产力。同时，有必要采用有效的原位产物回收（ISPR）和分离技术来减小丁醇的毒性作用。在下游工艺中，研究者提出了一种使用混合萃取-蒸馏工艺的ABE分离方法，有效节约能源。

但总体而言，ABE的应用高度依赖于其生产策略和价格。虽然将餐厨垃圾作为原材料有效降低了生产成本，但中游发酵技术和联产下游分离的相关挑战仍需要得到改善，才能使ABE产业化在经济上有竞争力。

努力实现可持续生物燃料生产并利用餐厨垃圾资源创造循环经济是改善环境的好方法。生物燃料作为碳基能源，已经成为全球碳循环的一部分。生物燃料的燃烧不会作为新的净碳添加到⼆氧化碳系统中，并可能减少温室⽓体排放，带来生态环境效益。此外，通过制定生物燃料相关的政策，可以证明其对农村社会的积极影响，比如刺激农村经济、创造就业机会等，带来社会经济效益。

总结与展望

本研究报告首次回顾了利用餐厨垃圾作为生产生物燃料原料的潜力。生物燃料生产取决于（i）原料供应和价格，（ii）技术转换成本和生产经济性，（iii) 法规和政策的稳定性，（iv）融资相关和（v）公众认知，为投资提供基础决策以确保未来生物燃料的可持续性方向。结合技术发展综合处理餐厨垃圾，对于制定更有意义的餐厨垃圾管理策略，实现生物燃料生产，减少温室气体排放和减少垃圾填埋场等目标都至关重要。以餐厨垃圾为原料生产生物燃料需要政府、投资者、市民的共同参与合作，才能够推动该技术的发展。

作者简介

第一作者简介：

Halimatun Saadiah Hafida，日本九州工业大学生物功能工程系访问学者，马来西亚博特拉大学种植业研究所研究人员，研究领域涉及生物工程、微生物和生物技术。已发表学术论文二十余篇。

通讯作者简介：

Minato Wakisaka，日本九州工业大学生物功能工程系副教授，研究领域涉及环境科学、农业科学以及环境材料与循环利用技术。已发表学术论文八十余篇。

Nor’Aini Abdul Rahman，马来西亚博特拉大学生物工艺技术系高级讲师，研究领域涉及生物技术、农业植物科学、园艺学和食物科学。已发表学术论文四十余篇。

|撰稿：陈偲

|编排：曾镜羽

点击下方蓝字阅读原文

环境科技评论CREST

回溯展望·美丽世界

公众号投稿、合作：[e-mail] 

往期推荐