红葡萄渣厌氧生物精炼的柔性设计：生物燃料与生物化学品的联产优化

本研究针对全球葡萄酒产业副产物红葡萄渣(RGM)的资源化难题，创新性地构建了柔性厌氧生物精炼平台，系统考察HRT和OLR对VFAs（短链脂肪酸）、MCFAs（中链脂肪酸）、H2和CH4联产的影响。首次实现RGM产己酸（5% w/w）及痕量C7-C8酸，并通过膜分离获得纯度>90%的脂肪酸流，为单细胞油脂(SCO)生产奠定基础。

　　

全球葡萄酒产业每年产生约7000万吨葡萄，其中欧洲占61%的产量，主要来自意大利、法国和西班牙。酿酒过程中产生的红葡萄渣(RGM)含有丰富的有机质，但传统处理方式易导致环境污染和资源浪费。虽然已有研究探索RGM的厌氧消化(AD)产甲烷，但甲烷的低能量密度和市场价值限制了其经济性。与此同时，高附加值的生物化学品如短链脂肪酸(VFA_s)和中链脂肪酸(MCFA_s)日益受到关注，其市场价格可达甲烷的8倍以上。如何通过工艺调控实现RGM的多路径资源化，成为当前研究的重点难点。

针对这一挑战，意大利的研究团队在《Environmental Technology》发表论文，设计了一套实验室规模的柔性生物精炼系统。研究采用半连续试验，考察了2-20天水力停留时间(HRT)和2.5-25 g_COD/L·d有机负荷率(OLR)对产物谱的影响，结合离心-超滤(UF)纯化工艺，最终评估了多酚对甲烷生产的潜在抑制效应。

关键技术包括：(1)采用Corvinone葡萄品种的RGM和农业消化液接种；(2)设置5组HRT/OLR组合的半连续反应器，监测VFA_s/MCFA_s谱和气体产量；(3)应用改进的Stover-Kincannon模型进行动力学分析；(4)150 kDa超滤膜纯化脂肪酸流；(5)批次实验比较多酚提取前后的甲烷产率。

研究结果部分：

3.1. VFA_s、己酸和其他MCFA_s的生产
3.1.1. HRT对酸谱的影响
短HRT(2-6天)导致反应体系快速酸化(pH 4-5)，VFAs产量仅1.1-1.7 g_COD/L，以乙酸(60-75%)为主。HRT延长至10天时，VFAs产量提升至15.5 g_COD/L，丁酸占比达52%。

3.1.2. 己酸和链延长(CE)动力学
HRT 10天时，乳酸:乙酸摩尔比4.67和pH 6.15的条件触发了反向β-氧化，产生2.53 g_COD/L己酸(占VFAs 17.4%)，并检测到痕量庚酸(0.14 g_COD/L)和辛酸(0.11 g_COD/L)。

3.2. 生物氢和生物甲烷的生产
HRT 10天时H₂产量达25 L/kg_VS，而HRT 20天时CH₄产量最优(165-170 L/kg_VS)。多酚提取反而使甲烷产率降低30%，推测是因共提取了可发酵糖类。

3.3. 工艺动力学参数确定
Stover-Kincannon模型显示R_max为1.19 g_COD/(L·d)，低于其他生物质，证实RGM降解存在抑制。

3.4. 压力驱动膜纯化VFAs/MCFAs
离心-超滤联用使脂肪酸流纯度从28%提升至92%，浓度维持11-11.5 g_COD/L，满足后续单细胞油脂(SCO)生产需求。

研究结论指出，通过HRT/OLR的灵活调控，可在同一平台实现RGM向不同高值产物的定向转化：10天HRT优先产己酸和H₂，20天HRT转向CH₄最大化。特别值得注意的是，多酚的"抑制效应"实际源于其提取过程中关键碳源的损失，这一发现修正了传统认知。研究首创的膜纯化流程为后续SCO生产提供了关键技术支撑，而CE过程中C7-C8酸的检出，为RGM的高值化开辟了新路径。该柔性生物精炼模式为葡萄酒产业副产物的资源化提供了可推广的解决方案。