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为解决木质纤维素类原料在厌氧消化（AD）中水解慢、沼气产量低的问题，研究人员针对黑麦和玉米开展多步预处理研究。发现 55℃/80℃热预处理、生物有机催化剂（BOC）及空化处理可提升生物甲烷产量（8.6%-136.6%），为 AD 工厂增效提供低能耗方案。
在全球加速能源转型的背景下，传统化石燃料的主导地位正面临挑战，可再生能源的开发成为应对气候危机的关键。厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）作为一种成熟的生物质能转化技术，可将农业废弃物、能源作物等转化为沼气，但木质纤维素类原料（如玉米、黑麦）因结构复杂，微生物难以高效分解，导致水解过程成为限速步骤，沼气产量受限且消化周期长。如何突破木质纤维素的抗降解屏障，提升厌氧消化效率，成为当前生物能源领域亟待解决的核心问题。
为攻克这一难题，英国牛津大学（University of Oxford）与阿尔卑斯生态科学有限公司（ALPS Ecoscience Ltd）的研究人员开展了一项创新性研究。他们针对英国商业化应用的玉米和黑麦原料，系统评估了多种低能耗、环境友好的预处理方法，包括不同温度的热预处理（55℃和 80℃）、生物有机催化剂（Bio-Organic Catalyst, BOC）添加及空化（Cavitation）机械破碎，旨在通过优化预处理工艺提升生物甲烷产量，为现有 AD 工厂的高效化改造提供科学依据。该研究成果发表在《BioEnergy Research》，为厌氧消化技术的商业化升级开辟了新路径。
研究采用实验室规模的生物甲烷潜力（Biochemical Methane Potential, BMP）测定、可溶性化学需氧量（Soluble Chemical Oxygen Demand, SCOD）分析及改良 Gompertz 动力学模型拟合等技术。原料取自英国萨默塞特郡的 Engie UK Ltd 能源沼气厂，接种物来自牛津郡的 Cassington 厌氧消化设施。实验设置了包括空化处理、BOC 添加、不同温度热预处理及其组合的多种处理组，通过三重复实验验证数据可靠性。
预处理对原料溶解性的影响
通过测定零时刻 SCOD 发现，热预处理显著提升原料溶解性。玉米经 55℃处理后 SCOD 较未处理组增加 100%，80℃处理组增加 78%；黑麦在 80℃下 SCOD 提升超 60%，且添加 BOC 的 80℃处理组溶解性最佳。空化处理单独使用时溶解性提升有限，与 BOC 联用时对黑麦有一定促进作用，但对玉米效果不显著。这表明低温热预处理能有效破坏木质纤维素结构，释放可溶有机物，为微生物利用奠定基础。
生物甲烷产量的差异化响应
玉米和黑麦对预处理的响应呈现显著差异。玉米在 55℃热预处理下生物甲烷产量最高，较对照组提升 136.6%，而 80℃处理组仅提升 8.6%；黑麦则在 80℃热预处理下表现最佳，产量提升 62%，空化处理联合 BOC 可使其产量提升 38.7%，但单独 BOC 添加仅提升 14%。动力学分析显示，热预处理显著缩短 lag phase（滞后期），并提高最大产甲烷速率（μm），其中黑麦 80℃处理组 μm达 10.89 mL/gVS/d，是未处理组的 3 倍。
预处理效果的原料特异性机制
研究发现，玉米更适合低温（55℃）处理，可能与其较高的纤维素含量和较低的木质素比例有关；黑麦因木质素结构更复杂，需更高温度（80℃）或机械破碎（空化）协同作用以破坏细胞壁。BOC 的作用呈现双重性：在黑麦空化处理中通过吸附木质素促进纤维素分解，但在玉米中可能与微生物竞争底物，导致单独使用时产量下降 4%。这提示预处理方案需根据原料特性定制化设计。
商业化应用的可行性与挑战
尽管热预处理需要能耗，但在具备余热回收的 AD 工厂中（如结合热电联产系统），55-80℃的低温处理具有经济可行性。空化处理虽能耗较低，但对黑麦的增效作用显著，可作为替代方案。研究表明，优化后的预处理工艺可使现有 AD 工厂在无需大规模设备改造的前提下，通过加装加热模块或空化装置提升效率，降低消化体积和生产成本。这对于英国 740 余家 AD 工厂而言，在可再生能源补贴退坡后（如 2026 年到期的 Feed-In Tariffs），具有关键的成本控制和竞争力提升意义。
该研究系统揭示了机械 - 化学 - 热联合预处理对木质纤维素类原料的增效机制，证明低能耗预处理技术在提升生物甲烷产量中的有效性和原料适应性。其创新点在于结合工业实际需求，开发了可直接适配现有 AD 设施的改良方案，为推动厌氧消化从依赖补贴向商业化自主运营转型提供了技术支撑。未来研究需进一步验证规模化应用中的能耗平衡，并探索多原料混合预处理的优化策略，以加速生物能源产业向 “净零” 目标迈进。
