温和水热预处理提升葡萄渣厌氧消化产沼气效率的协同效应研究

《Biomass and Bioenergy》：Biogas production through combined thermochemical and biochemical processing of grape pomace

本研究针对葡萄渣(GP)高木质素含量(≈50 wt%)导致厌氧消化效率低的问题，开展了温和加压水热预处理结合厌氧消化的协同工艺研究。结果表明，187°C预处理可使样品生物甲烷产量较理论值提升29%，证实预处理能重构木质素基质并增强其生物降解性。该研究为高木质素农业废弃物的能源化利用提供了创新策略。

　　

每年全球葡萄酒产业会产生超过7700万吨的葡萄渣——这种由葡萄皮、籽和梗组成的固体废弃物，其中木质素含量高达40-60 wt%，远高于玉米秸秆等农业残余物(约20 wt%)。这种高木质素特性就像给葡萄渣穿上了一层"天然防护服"，严重阻碍了微生物在厌氧消化过程中对可发酵碳水化合物的利用，导致传统处理方式下沼气产率普遍低于200 NL/kg。如何破解木质素对生物降解的抑制作用，成为提升葡萄渣能源化利用效率的关键难题。

发表在《Biomass and Bioenergy》上的这项研究提出了一种创新解决方案：通过温和的热化学-生化组合工艺，对葡萄渣进行"预处理手术"，旨在重构其顽固的木质素结构，从而释放被束缚的生物转化潜力。

研究人员采用了几项关键技术方法：首先对葡萄渣样本(GP00)进行物理化学表征，包括热重分析(TGA)、元素分析(CHN)和扫描电镜(SEM)观察；随后在加压反应器中进行水热预处理，温度范围150-210°C，停留时间20分钟，考察固体产率(Ψ)和木质素含量变化；最后通过500 mL实验室规模厌氧消化系统，在55°C条件下进行30天生物转化实验，每日监测沼气产量和甲烷含量。

3.1. 生物质表征

葡萄渣(GP00)的木质素含量达52.02 wt%，碳含量47.8 wt%，其微观结构显示完整的植物细胞壁和木质纤维结构，这解释了为何直接厌氧消化时微生物难以有效攻击底物。

3.2. 葡萄渣、木质素和纤维素的热化学处理

随着处理温度从150°C升至210°C，固体产率从0.88降至0.42，而总木质素含量从59.89%显著增加至72.69%。值得注意的是，虽然绝对木质素含量上升，但SEM显示处理后的样品出现了细胞壁变薄、孔隙增加等结构松弛现象，这为后续生物转化创造了有利条件。

3.3. 葡萄渣的生物转化

厌氧消化实验显示，未经处理的GP00样品沼气产量为237 NL/kg，而经过187°C预处理的GP04样品虽然绝对产量降至171 NL/kg，但相较于仅考虑非木质素组分转化的理论预测值，实际产量高出29%。这表明热化学预处理确实改变了木质素的生物可及性，使其部分参与了沼气生成。

3.4. 葡萄渣、木质素和纤维素的微观结构分析

高倍SEM图像清晰揭示了预处理引起的形态学变化：GP04样品出现细胞结构收缩、壁厚变薄和部分撕裂，而木质素样品则显示出从致密玻璃态向多孔结构的转变。这些结构改变为微生物酶提供了更多的攻击位点，是提升生物降解效率的结构基础。

该研究的核心发现在于，虽然热化学预处理会导致部分易降解组分的损失，但通过对木质素矩阵的"结构重塑"，显著提升了剩余固体的生物可降解性。在187°C条件下，实际沼气产量比基于"木质素不参与反应"假设的理论值高出27%，证明改性后的木质素确实贡献了额外的沼气产量。

这项研究的意义不仅在于为葡萄渣的高值化利用提供了技术路径，更重要的是揭示了一条适用于高木质素农业废弃物的通用处理策略：通过优化预处理强度(温度约130°C时生物甲烷产量最大可提升20%)，在保留可降解组分和改造顽固结构之间找到平衡点。这种热化学-生化耦合工艺符合循环经济原则，为葡萄酒产业的可持续发展提供了科学支撑，同时也为其他木质纤维素类生物质的能源转化提供了有益借鉴。