基于生物精炼技术的工业农业废弃物循环利用：生物活性化合物的提取与生物能源的利用

《Journal of Cleaner Production》：Closing loops of industrial agro-residues based on a biorefinery approach: extraction of bioactive compounds and bioenergy

本研究通过乙醇提取和厌氧消化技术，评估了土豆皮和番茄渣的生物活性物质（如多酚和类胡萝卜素）回收与能源回收的整合工艺（生物精炼厂）。实验表明，预处理的土豆皮多酚提取量提高，而番茄渣在未预处理时类胡萝卜素含量更高。提取后的残渣甲烷产量显著提升（土豆皮提高约100%，番茄渣提高约150%）。经济分析显示，单独厌氧消化土豆皮成本效益最佳（运营比0.6），而番茄渣采用生物精炼厂（运营比0.43）更经济，但需结合产品售价评估可行性。研究为循环经济和SDG12目标提供了技术经济依据。

　　在当今社会，随着对可持续发展和资源循环利用的关注日益增加，食品加工行业面临着如何有效管理大量有机废弃物的挑战。本文探讨了土豆皮（PP）和番茄渣（TP）这两种常见废弃物的资源化利用潜力，通过生物精炼（biorefinery）的方式，将提取生物活性化合物（如类胡萝卜素、酚类化合物和抗氧化剂）与厌氧消化（AD）结合，以实现资源的高效利用和环境效益的提升。研究还评估了不同处理方式对提取效率和经济可行性的影响，旨在为食品加工行业提供可行的解决方案，以实现可持续发展目标（SDG）中的负责任消费和生产（SDG 12）。

土豆皮和番茄渣是食品加工过程中产生的大量有机废弃物，通常被用作动物饲料或直接进行厌氧消化处理。然而，这些废弃物中仍蕴含着丰富的生物活性成分，其提取和利用不仅可以减少环境负担，还能为行业带来额外的经济收益。研究表明，使用50%乙醇进行固液提取，相较于未处理的原料，能够显著提高总酚类化合物的提取效率。这一过程不仅提升了提取物的品质，还改善了厌氧消化的性能，从而提高甲烷产量。然而，不同原料的处理方式对提取结果产生了不同的影响，例如，番茄渣在未处理的情况下，其类胡萝卜素含量较高，而土豆皮在预处理后，其总酚类化合物的提取效率显著提升。

在生物精炼过程中，提取和厌氧消化的整合被视为一种资源回收和循环利用的策略。通过这种整合，不仅可以提高废弃物的附加值，还能促进碳循环的闭合，减少对环境的影响。然而，生物精炼的经济可行性受到多种因素的影响，包括处理成本、原料价格、提取效率以及市场对提取物的需求。研究中对不同处理方式下的经济成本进行了详细分析，发现单独的厌氧消化过程在经济上更具优势，其运营比（operating ratio）为0.6，意味着运营成本低于收入。然而，对于番茄渣这样的高价值提取物来源，生物精炼方法展现出更高的吸引力，其运营比为0.43，显示出更高的经济效益。

研究中提到的预处理步骤（如干燥和粉碎）对提取效率和经济性具有重要影响。尽管干燥和粉碎增加了能源消耗，但它们在提升提取效率方面也起到了关键作用。例如，预处理后的土豆皮在50%乙醇提取过程中表现出更高的酚类化合物提取效率，这使得其在经济分析中更具竞争力。然而，对于番茄渣而言，预处理并未显著提高提取效率，反而增加了运营成本，这表明不同原料对预处理的响应存在差异。

此外，研究还探讨了厌氧共消化（AcoD）的潜力。通过将不同原料按特定比例混合，可以提升甲烷产量。研究发现，PP和TP的混合物在甲烷产量上与单独消化的原料没有显著差异，说明这两种原料可以同时处理而不影响生物气体的产量和质量。然而，为了进一步优化甲烷产量，未来的研究可以探索与其他有机废弃物的共消化，以改善营养平衡和提高整体生物气体产量。

从经济角度分析，提取过程的成本远高于厌氧消化过程。因此，单独进行厌氧消化在经济上更具优势，但当目标是高价值提取物时，生物精炼方法的经济性便显得尤为重要。在研究中，生物精炼方法的运营成本占总成本的90%以上，这表明提取过程是整个经济模型中的主要成本驱动因素。然而，当提取物的市场价格足够高时，生物精炼的经济可行性依然值得期待。

总的来说，本文揭示了通过生物精炼方法对食品加工废弃物进行资源化利用的潜力。这一方法不仅有助于提高废弃物的附加值，还能在经济和环境层面带来显著效益。然而，经济可行性需要根据具体的处理条件和市场情况进行综合评估。因此，未来的研究应进一步探索提取物的应用领域，以明确其市场价值，并进行规模化模拟，以确保该方法在实际工业应用中的效率和经济性。同时，还需要考虑其他成本因素，如人工、设施成本和资本投资，以实现更全面的经济评估。通过这些努力，食品加工行业可以在可持续发展和经济效益之间找到平衡点，推动资源的高效利用和环境的友好管理。