《Foods》：Integrated Biorefineries for Food Waste and Food-Processing Side Streams Through Feedstock-Oriented Design and Sustainable Process Integration
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餐厨垃圾作为一种可再生碳资源，在综合生物精炼系统中具有生产生物能源、平台化学品、生物材料及其他高价值产品的巨大潜力。然而，餐厨垃圾的异质组成以及现有转化技术的多样性，使得选择高效且经济可行的增值策略变得复杂。成功的餐厨垃圾增值需要采用系统导向的方法，将单个技术
餐厨垃圾作为一种可再生碳资源，在综合生物精炼系统中具有生产生物能源、平台化学品、生物材料及其他高价值产品的巨大潜力。然而，餐厨垃圾的异质组成以及现有转化技术的多样性，使得选择高效且经济可行的增值策略变得复杂。成功的餐厨垃圾增值需要采用系统导向的方法，将单个技术与原料特性、预处理、转化路径和资源回收整合为连贯的生物精炼构型。本结构化批判性综述识别了通过Scopus、Web of Science核心合集和ScienceDirect检索到的2015年1月至2026年9月期间的文献，批判性地审视了餐厨垃圾生物精炼概念从传统加工到集成式、级联式、循环式和近零废物系统的演变，重点阐述了其工程原理、优势和局限性。当前预处理技术以及生物、化学和热化学转化路径被比较评估，评估维度包括工艺性能、技术成熟度和工业适用性。特别关注了综合生物精炼设计，强调了基于原料的过程选择、级联增值化、过程集成和资源回收。生命周期评价、技术经济分析、循环性指标和技术成熟度作为支持决策和工业实施的关键工具，其互补作用也得到了讨论。未来的进展将依赖于将成熟的转化技术与数字化、自适应过程管理和集成系统设计相结合，以最大化资源效率，同时推动向可持续循环生物经济的转型。
本文主体部分围绕餐厨垃圾生物精炼的系统框架展开，内容总结如下：
3. 餐厨垃圾作为生物精炼原料
3.1. 餐厨垃圾来源及其对生物精炼的影响
餐厨垃圾生物精炼的性能在很大程度上取决于原料特性而非单纯的转化技术。家庭餐厨垃圾占消费端食物浪费的最大比例，但其成分可预测性差，含有碳水化合物、蛋白质和脂类，并伴有物理污染。这有利于厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）和混合培养发酵等鲁棒性强的转化平台。餐饮服务废物虽相对集中，但制备废料与餐后残渣的性质差异显著，高脂、高盐及清洁剂可能抑制生物过程。零售废物因产品身份已知，更利于选择性增值，但包装物是其主要的限制因素。食品加工副流和副产品虽然工艺可重复性好，但需考虑其现有用途（如饲料、肥料）的机会成本，不能默认转向新应用就具有环境或经济效益。
3.2. 化学成分与转化潜力
原料的化学成分是决定其技术转化潜力的主要因素。富含碳水化合物的残渣易于水解转化为乙醇和有机酸；富含蛋白质的原料可用于生产酶、肽类和单细胞蛋白（Single-Cell Proteins, SCP），但氨释放可能抑制微生物活性；脂类虽能量产率高，但长链脂肪酸会阻碍传质并抑制菌群。微量成分如盐分、酚类和精油也会显著影响生物转化。
3.3. 水分含量
餐厨垃圾通常含水量高达74-90%。高水分有利于湿法发酵和AD，但降低了能量密度并增加了运输成本和干燥能耗。因此，应在干基和湿基两种基础上评估生物精炼性能。
3.4. 碳氮比
碳氮比（Carbon-to-Nitrogen Ratio, C/N）是评估餐厨垃圾适用于AD和堆肥的常用参数，但其无法反映碳的生物可利用性或抑制性化合物情况，只能作为初步筛选参数。
3.5. 变异性与季节性效应
餐厨垃圾的成分随地域、季节和收集系统变化，这种变异性影响甲烷势和可发酵底物。多数实验室研究通过均质化单一批次原料来减少变异，但这忽视了工业条件下的实际波动。因此，原料灵活性往往比在优化条件下最大化产率更为重要。
4. 餐厨垃圾增值的生物精炼构型
本章区分了常规、集成、级联、循环和近零废物生物精炼五种构型，这些构型代表了不同程度和形式的工艺集成与资源回收。更高的集成度并不自动意味着更好的可持续性，因为额外的分馏、分离和循环步骤会增加资本需求和操作复杂性。
4.2. 常规生物精炼
基于单一主导转化路径，旨在最大化一种主要产品，如AD、生物乙醇或生物柴油。该方法简化了工艺设计，但未能充分利用餐厨垃圾的成分多样性，且依赖单一产品使其易受市场波动影响。
4.3. 集成生物精炼
通过功能集成实现原料、工艺和公用工程的交换。真正的集成要求在系统层面评估物质、能源和营养交换的净效益，而非简单地将残余流在单元操作间转移。
4.4. 级联生物精炼
根据组分价值优先利用生物质，先回收高价值化合物，再将剩余生物质转化为平台化学品、生物燃料或沼气。额外提取步骤会增加工艺复杂性和成本，其整体性能需平衡产品价值、回收效率和过程复杂度。
4.5. 循环生物精炼
在级联处理的基础上，进一步实现碳、养分、水和能源的内部再循环。循环性需通过量化指标评估，不能仅凭原料来源于废物就认定其具有循环性能。
4.6. 近零废物生物精炼
旨在通过广泛的资源集成，最小化残余物料和能量流。由于热力学和经济约束，完全零废物在实践中难以实现，故称为“近零废物”。
4.7. 综合与未来展望
不同构型应视为替代性的、可能互补的设计策略。当前研究缺乏统一的定义和评估标准。未来的餐厨垃圾生物精炼将更依赖于有效的系统集成，包括先进的过程监控、建模和数字控制系统。
5. 预处理技术：释放餐厨垃圾的增值潜力
预处理不再是孤立的单元操作，而是生物精炼设计的组成部分。目标已从最大化生物质解构转变为实现下游高效转化所需的最小处理强度。
5.1. 物理预处理技术
机械粉碎因其操作简便和可扩展性仍是基准技术，但过度粉碎的能量投入边际效益递减。蒸汽爆破对木质纤维素残渣有效，但对易降解餐厨垃圾可能产生抑制物。超声波处理虽实验室效果良好，但能耗和反应器放大是主要障碍。
5.2. 化学预处理技术
酸处理和碱处理仍是工业基准，但存在试剂消耗、腐蚀和废水处理等问题。离子液体（Ionic Liquids, ILs）和低共熔溶剂（Deep Eutectic Solvents, DESs）选择性好，但工业化部署有限，溶剂回收和稳定性是关键瓶颈。
5.3. 生物预处理技术
真菌预处理适用于木质纤维素残渣，但时间长且有糖分损失风险。酶预处理操作可控，但酶制剂成本高。微生物预处理可同时水解有机物并生成挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acids, VFAs），但维持稳定的微生物群落是挑战。
5.4. 预处理选择的决策框架
选择预处理策略需遵循分级方法：首先进行原料表征，然后结合目标产品组合进行评估。预处理的选择正从技术导向转向原料导向，系统级评价工具如技术经济分析（Techno-Economic Analysis, TEA）和生命周期评价（Life-Cycle Assessment, LCA）已成为不可或缺的手段。
