餐厨垃圾资源化制糖工艺的优化设计与可持续性评估：技术经济及生命周期分析

针对传统糖源生产高成本、高环境负荷问题，研究人员开发了餐厨垃圾梯级糖化工艺，优化后从1吨湿垃圾中提取117.1kg总糖（提取率81.4%-91.5%），最低售价$358/MT，温室气体减排达-68kg CO2/MT，为生物制造提供可持续糖源解决方案。

　　

随着全球生物制造产业迅猛发展，糖类作为微生物发酵的核心底物面临供给瓶颈。传统玉米、甘蔗等糖源不仅占用耕地资源，其生产过程还伴随高能耗与碳排放（如玉米糖化需液化-糖化两步法）。尽管木质纤维素被视为替代原料，但其顽固结构导致预处理成本居高不下（需高温酸/酶解）。与此同时，全球每年约13亿吨餐厨垃圾的堆积造成28%农地资源浪费与33亿吨CO₂当量排放。这种富含可溶性糖（如蔗糖）、淀粉（25.2%干重）和结构多糖（纤维素26.9%）的混合基质，亟需系统性开发以实现资源闭环。

美国弗吉尼亚理工大学Haibo Huang团队在《Bioresource Technology》发表研究，通过多级酶解工艺从混合餐厨垃圾（菠萝/卷心菜/烘焙废料等）中梯级提取三类糖分，结合技术经济分析(TEA)与生命周期评估(LCA)，证实该路径兼具经济竞争力与碳减排优势。

关键技术包括：1）混合基质均质化处理（Virginia Tech餐饮中心提供预消费废弃物）；2）可溶性糖的温水浸提（81.4%效率）；3）淀粉的α-淀粉酶/糖化酶协同水解（88.5%效率）；4）纤维素/半纤维素的复合酶解（91.5%效率）；5）基于Aspen Plus的工业化规模成本建模；6）采用GREET模型的碳足迹核算。

实验过程优化
通过调配菠萝/马铃薯等六类废弃物的混合比例（详见附表），使基质成分趋近工业级原料。最优参数下，每吨湿基废弃物产出42.9kg可溶性糖（含葡萄糖/果糖）、55.3kg淀粉水解糖及18.9kg结构多糖水解产物，总提取能耗较木质纤维素降低62%。

技术经济分析
全糖回收方案因设备投资过高（2.8M）导致成本劣势。而"可溶性糖+淀粉糖"组合方案凭借358/MT的最低售价（较玉米糖低21%），内部收益率(IRR)达14.7%，主要归因于酶用量优化（Novonesis提供耐热淀粉酶）与废渣沼联产。

生命周期评估
系统边界涵盖废弃物收集至糖品出厂阶段。结果显示，相比传统糖源，餐厨糖化工艺实现净负碳排放（-68kg CO₂/MT），其中避免填埋甲烷排放贡献减排量的73%，酶生产环节仅占碳足迹的12%。

该研究首次量化证实餐厨制糖的双重效益：经济性方面，通过分级提取策略平衡收率与成本；环境性方面，其碳负特性显著优于生物质糖（减排1.2kg CO₂/kg糖）。作者建议未来研究聚焦混合酶制剂开发与区域化废弃物收集网络构建，以进一步降低预处理能耗。该成果为《USDA生物制品试点计划》资助项目，其技术框架已应用于弗吉尼亚州餐厨处理厂的设计。