石灰浸渍耦合双螺杆挤压预处理优化玉米秸秆产甲烷效率的研究

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【字体：大中小】 时间：2025年05月27日 来源：Bioresource Technology Reports CS7.2

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　　本研究针对玉米秸秆(CS)厌氧消化(AD)效率低的问题，创新性地将石灰(Ca(OH)2)浸渍与双螺杆挤压预处理耦合，通过干物质含量优化（30gDM/100gFM使BMP提升18%）和工艺顺序比较（下游浸渍使产甲烷速率提升93%），证实该联合预处理可显著促进木质纤维素解聚（达17%）并消除二次生长现象，为农业废弃物资源化提供了兼具经济性与高效性的技术方案。

在全球推进碳中和的背景下，农业废弃物资源化利用成为实现循环经济的关键路径。玉米秸秆(CS)作为年产量超10亿吨的典型木质纤维素生物质，其厌氧消化(AD)转化生物甲烷的瓶颈在于顽固的木质素-碳水化合物复合结构。传统挤压预处理虽能物理破坏纤维结构，但对木质素去除有限；而石灰(Ca(OH)₂)等碱性预处理虽可选择性断裂β-O-4键实现解聚，但存在反应周期长、效率低等问题。法国研究团队在《Bioresource Technology Reports》发表的研究，通过将石灰浸渍与双螺杆反应性挤压创新结合，为这一领域提供了突破性解决方案。

研究采用三阶段技术路线：首先通过干物质(DM)梯度实验确定30%DM为最佳负载量；继而比较挤压前后石灰浸渍的时序效应；最终通过生化甲烷潜力(BMP)测试、组分分析和动力学建模评估预处理效果。实验采用法国Cescau产区的CS原料，经6mm锤片粉碎后，使用工业级双螺杆挤压机（进料量5kg FM/h）进行连续处理。

干物质优化揭示临界阈值
通过调节CS的干物质含量（10-70%DM）发现，30%DM组实现BMP提升18%，且消除二次生长现象。傅里叶变换红外光谱(FTIR)显示该条件下酚羟基特征峰减弱，证实木质素结构解离。

工艺时序决定效率差异
对比挤压前/后石灰浸渍发现：虽然两者BMP增幅相当（22% vs 27%），但下游浸渍组的木质纤维素解聚率高达17%，产甲烷速率提升93%。扫描电镜(SEM)显示下游处理组形成更多微孔结构，利于水解酶接触。

经济环境效益双赢
石灰的低成本（170€/吨）与挤压工艺的连续性形成互补，且钙离子可提升沼渣肥效。研究建议后续开展半连续AD中试验证工业可行性。

该研究首次系统阐释了反应性挤压中化学-机械协同作用的时空调控规律：挤压产生的剪切力使石灰更易渗透至纤维素微纤丝间隙，而后续浸渍则通过碱性环境维持纤维的"松散状态"。这一发现不仅为AD预处理工艺选择提供理论依据，更推动了农业废弃物向"零废弃"目标的迈进。文末作者Arthur Chevalier等特别指出，该技术路线可直接整合至现有沼气工程，具有显著的产业化应用前景。

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