生物炭特性对食品工业厌氧消化效能的影响机制及循环生物经济价值研究

本研究针对生物炭（biochar）在厌氧消化（AD）中提升甲烷产量的机制争议，通过系统分析不同热解温度（200-800°C）下咖啡银皮生物炭的效能，发现甲烷增产主要源于生物炭自身作为底物的贡献，而非直接种间电子传递（DIET）机制，为食品工业废弃物在循环生物经济（CBE）中的应用提供了新视角。

　　

在应对气候变化与资源循环利用的全球背景下，食品工业废弃物的高效转化成为研究热点。传统观点认为，生物炭（biochar）作为添加剂可通过直接种间电子传递（Direct Interspecies Electron Transfer, DIET）机制提升厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）的甲烷产量，但这一假说缺乏严格的实验验证。来自巴西圣保罗研究基金会（FAPESP）等机构的研究团队以咖啡烘焙业废弃物咖啡银皮（Coffee Silver Skin, CSS）为原料，通过多温度热解制备生物炭，首次通过设置阴性对照实验，揭示了生物炭在AD中的真实作用机制。

研究采用两步实验设计：第一部分探究生物炭作为添加剂对牛粪AD的甲烷增产效果；第二部分通过阴性对照（仅生物炭）明确其独立贡献。关键实验技术包括：不同温度（200-800°C）热解制备生物炭、批次反应器AD实验、气相色谱法测定甲烷产量，以及理化性质表征（如电导率、孔隙结构等）。样本来源于巴西米纳斯吉拉斯州的咖啡合作社（COOXUPE）。

研究结果

1. 生物炭作为添加剂的效果：200°C制备的生物炭使甲烷产量提升35.87%（剥离处理）和45.72%（原生状态），而400°C以上生物炭的增效作用显著减弱（<5.71%），800°C生物炭甚至抑制产甲烷。
2. 生物炭作为底物的贡献：阴性对照实验证实，甲烷增产主要源于生物炭自身可降解有机质的底物作用，而非DIET机制。高温生物炭因有机质碳化丧失降解性，导致增效消失。
3. 循环生物经济价值：咖啡银皮生物炭的AD应用可实现食品工业废弃物的能源化与养分循环，但需优化热解温度以平衡降解性与稳定性。

结论与意义
该研究颠覆了生物炭通过DIET提升AD效能的传统认知，指出其甲烷增产主要依赖可降解有机质而非导电性。这一发现为食品工业废弃物的循环生物经济（Circular Bioeconomy, CBE）策略提供了新思路：低温生物炭更适合作为AD补充底物，而高温生物炭更适用于碳封存。论文发表于《Biomass and Bioenergy》，为废弃物资源化技术的精准设计奠定了理论基础。