《Sustainable Chemistry One World》：Hydrogen energy production from various food wastes: A sustainable and holistic approach for food waste valorization
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食品废弃物（FW）作为生物氢生产原料，在可持续发展中具有重要潜力。本文系统综述了FW的理化特性、预处理方法（如去 lignin、水解纤维素）、生物氢生产技术（暗发酵、光发酵等），并探讨影响产氢效率的参数（pH、温度、C/N比）。同时分析了技术经济性、环境效益及市场前景，指出需解决规模化生产成本、重金属污染及系统集成难题，以实现FW资源化与清洁能源替代的协同发展。
作者名单：Shreyshi Aggarwal | Deepa Devi Verma | Nitika Rathi | Manu Pant | Prateek Gururani | Pooja Bhatnagar
所属机构：印度北阿坎德邦Dehradun市的Graphic Era Deemed to be University生物技术系，邮编248002
摘要
全球产生的食物浪费（FW）数量严重引发了环境和经济问题。根据联合国粮食及农业组织（FAO）的最新报告，每年有超过130万吨的食物被浪费。此外，化石燃料占全球初级能源使用的约51%，预计到2035年这一比例将增加18%。因此，消费者对可持续、可回收且高效的燃料的需求推动了从有机废物中生产绿色氢气的探索。在这方面，食物浪费或食品加工废弃物是丰富的营养素和有机酸来源，可用于有效生产可持续和可再生的燃料，如生物氢。许多研究通过光发酵和暗发酵等方法揭示了从食物废弃物中生产生物氢的潜力。然而，从食物废弃物中高效且可持续地生产生物氢受到多种因素的影响，如预处理方法、综合策略、技术经济分析、市场评估和环境评估。因此，本综述全面介绍了从食物废弃物中生产生物氢的相关知识，包括不同的预处理方法、整合策略、生物氢生产方法以及影响工艺效率的技术因素。同时，综述还强调了技术经济、环境和市场评估，以及与从食物废弃物中生产生物氢相关的未来前景和挑战。
引言
食物是人类生存的基本需求。在全球范围内，大量食物在生产和配送过程中被浪费。食物废弃物包括水果、蔬菜、乳制品、肉类和面包等产品，这些废弃物产生于厨房、餐饮场所、农场、食品加工设施和市场等场所。联合国粮食及农业组织（FAO）报告称，食品供应链的每个环节每年都会浪费13亿吨食物，这占所有城市垃圾的约三分之一。其中还包含少量变质食物，这些食物分解时会释放强烈气味。食物废弃物最多的地区是拉丁美洲（每年每人约200公斤）和欧洲（每年每人约180公斤），其次是北美、大洋洲、北非、西亚和中亚（每年每人约175公斤）。相比之下，撒哈拉以南非洲、工业化亚洲以及南亚和东南亚（每年每人分别约10公斤、150公斤和155公斤）的食物废弃物较少。食物废弃物对环境和社会经济状况有显著影响，尤其是在印度等发展中国家。一方面，大约三分之一的食物被丢弃在垃圾场，造成严重的环境破坏，并成为甲烷排放的主要来源，进而导致全球变暖；另一方面，其焚烧会向大气中释放有毒化学物质，进一步加剧气候变化和空气污染。全球大量的城市垃圾对垃圾填埋场容量构成长期挑战。另一方面，随着人口和经济的增长，对能源的需求不断增加，尽管化石燃料资源正在枯竭，但由于人口快速增长（预计到2050年将达到90亿），能源需求仍以每年2%的速度上升。为了满足未来的能源需求，转向可再生能源有助于减缓气候变化；环境问题和温室气体排放的增加要求从传统能源向可再生能源转型。化石燃料价格的波动和快速枯竭导致能源生产效率下降，进而加剧了温室气体排放和全球变暖。因此，研究人员越来越关注探索替代的可再生能源，并开发创新的、碳中性的能源生产方法。2015年，联合国提出了可持续发展目标（SDGs），旨在减少食物浪费、食物损失和贫困。在国家层面成功实施这些目标有助于减少贫困并确保粮食安全。因此，迫切需要开发更环保和可持续的废物处理及能源生产技术。最理想的解决方案是回收食物废弃物并从中生产能源（生物燃料），从而减少对化石燃料的依赖。这符合可持续发展目标7（负担得起和清洁的能源）、目标9（工业、创新和基础设施）、目标12（负责任的消费和生产）以及目标13（气候行动）。食物废弃物还可以作为生产多种增值产品的原料，如生物燃料、生物乙醇、单细胞蛋白、有机酸和饲料蛋白等。在各种生物燃料中，氢能源因其极高的清洁性和零碳排放而最具前景。
氢的原子序数为1，分子式为H2。氢是一种无色无味的气体，被认为是最清洁的燃料。氢的多功能性体现在其多种应用中，包括发电、运输和工业过程。此外，氢还用于化学合成、石油精炼和食品加工。作为一种清洁且多用途的能源载体，氢已成为化石燃料的替代品。生物氢作为一种脱碳的能源，有潜力将气候变化减少十倍以上。氢燃烧后的产物是水，几乎不产生碳排放，其热值约为120–142 KJ/g。目前，约76%的氢生产依赖于天然气通过甲烷蒸汽重整，约23%依赖于煤炭气化，剩余的氢通过水电解生成。传统的氢生产方法不仅能耗高，还依赖化石燃料，从而加剧环境污染。相比之下，生物途径为生物氢生产提供了更好的选择。这种方法在相对较低的温度和大气压力下进行，理论上所需的能量输入较少。生物氢生产的生物过程包括直接光解、间接光解、光发酵和暗发酵。其中，暗发酵是从各种生物质来源生产生物氢的最具成本效益的方法之一。在暗发酵过程中，多种生物质类型可作为微生物的碳源，这些生物质来源包括食物废弃物、农业废弃物、燃料木材和城市固体废弃物。纤维素生物质因其可用性、经济性和较高的碳水化合物含量而成为最具前景的选择。然而，暗发酵生产生物氢的效率受多种因素影响，如所用底物的类型、接种物来源以及操作参数（如pH值、温度和停留时间）等。
因此，本综述旨在深入讨论食物废弃物用于生物氢生产的可持续价值化。综述旨在介绍各种预处理方法、生物氢生产技术及集成系统，同时全面探讨食物废弃物的特性以及影响生物氢生产的关键技术因素。从可持续性和商业化的角度出发，综述还强调了技术经济、环境和市场评估，以及与从食物废弃物中生产生物氢相关的未来前景和挑战。
食物废弃物的特性可分为不同类型，如物理化学性质（水分含量、挥发性固体、总固体、灰分、pH值、高位热值）、元素组成（碳、氢、氮、硫、氧、磷、总有机碳）、生化成分（蛋白质、脂肪、纤维、碳水化合物）、营养成分（总氨氮、总凯氏氮）和重金属（镉、铜、汞、镍）等[17][18]。以下是一些具体说明：
为了将食物废弃物作为合成生物活性化合物（如单细胞蛋白、酶、有机酸）和生化产品（如乙醇、生物氢、饲料蛋白）的原料，必须对其进行预处理。预处理通常包括去除木质素、水解诱导半纤维素断裂、降低纤维素结晶度以及通过有效断裂β-1,4-糖苷键来增强材料的孔隙结构。
目前，主要使用四种方法生产生物氢：暗发酵、光发酵、生物光解和微生物电解池（MECs）。这些方法都具有环保、可持续和可再生的特点，因此氢生产的原料可以是有机废弃物或水[72]。表3展示了这些方法的工作原理、优势、局限性、氢产量、影响因素及所用原料等。
氢生产的效率受多种参数影响，如底物类型和浓度、微生物种类、C/N比、营养可利用性、有机负荷率（OLR）、水力停留时间（HRT）和操作温度及pH值[106]。以下是一些具体因素：
仅优化工艺参数不足以提高氢生产的效率，还需要实现输入材料的完全氧化。因此，改进/整合多种技术以将原料完全转化为氢至关重要。现有研究探讨了通过发酵过程生产生物氢的混合方法或多种技术的集成[121]。两种生物方法的结合表明...
根据最新报告，2025年全球生物氢市场规模为7678万美元，预计到2026年将达到8251万美元，到2035年将达到约1.578亿美元。因此，2025年至2035年间市场规模的复合年增长率为7.47%[125]。预计氢的年使用量将增加3000多亿立方米，年增长率约为3.5%。
鉴于未来可能出现食物短缺，近年来人们越来越重视将食物废弃物用于生物能源。全球每天都有大量食物被浪费，据联合国粮食及农业组织（FAO）报告，每年有约13亿吨食物被浪费。如果能够找到经济可行的技术，这种未被充分利用的资源可以成为有效的能源来源。
综上所述，食物废弃物是生产可持续和可再生能源（如生物氢）的最有效原料之一。这一概念不仅能为人类提供替代能源，还有助于通过有效的废物管理保持环境清洁。在可持续能源生产中，食物废弃物可作为发酵等过程的原料。
不适用。
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Shreyshi Aggarwal：撰写初稿，数据整理。
Nitika Rathi：撰写和编辑。
Deepa Devi Verma：撰写和编辑。
Prateek Gururani：监督工作，数据整理，概念构思。
Manu Pant：撰写和编辑。
Pooja Bhatnagar：监督工作，数据整理，概念构思。
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
本文得到了Graphic Era Deemed to be University的支持。
本文无其他附加信息。
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