啤酒糟水热预处理提升可持续沼气生产与废弃物资源化：机制解析与工艺创新

本研究针对啤酒糟(BSG)木质纤维素结构复杂导致厌氧消化(AD)产甲烷效率低的问题，通过连续水热预处理反应器结合宏转录组分析，发现预处理后甲烷产量超1500 mL CH4/L·天，挥发性固体降解效率提升30%，甲烷含量从30%增至65%。基因组分析显示产甲烷古菌和发酵细菌活性显著增强，为工业级生物质能源化提供了技术支撑与微生物机制见解。

　　

啤酒作为全球第三大受欢迎饮料，每年酿造行业产生约3000万吨副产物啤酒糟（Brewer's Spent Grain, BSG），其高水分、纤维和蛋白质特性虽可用于动物饲料或填埋处理，但木质纤维素结构严重限制了微生物降解效率，导致厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）产甲烷率低下。当前全球可持续发展与废弃物资源化需求日益迫切，BSG作为一种潜在可再生原料，其高效能源化利用成为研究焦点。然而，复杂多糖的抗降解特性、传统预处理方法易产生呋喃醛等抑制物，以及微生物功能机制不明确等问题，严重阻碍了BSG的大规模应用。

为突破这些瓶颈，来自西班牙巴利亚多利德大学可持续过程研究所的研究团队在《Biomass and Bioenergy》发表论文，创新性地将连续水热预处理系统与宏转录组技术结合，系统评估了水热预处理对BSG厌氧消化产甲烷的强化效果与微生物机制。

研究团队采用的关键技术方法包括：（1）连续水热预处理反应器系统（15 MPa, 210°C, 2秒停留时间）处理BSG悬浮液；（2）5升厌氧消化反应器在37°C下运行，对比未预处理与预处理BSG的产气性能；（3）宏转录组测序（NovaSeq X Plus平台）分析接种物（INOCULUM）、未处理BSG（BSG1）和预处理BSG（BSG2）的微生物群落结构与功能差异；（4）常规理化指标（TS、VS、TOC、TN、沼气成分等）监测。

3.1. 水热预处理对BSG碳氮去除的影响

水热预处理显著促进半纤维素溶出和木质素部分解聚，使BSG降解率大幅提升。未处理BSG阶段（0-90天） effluent（出水）中总悬浮固体（TSS）稳定在8 g/L，而预处理BSG阶段（90-180天）TSS降至4-5 g/L，挥发性固体（VS）降解效率提高30%。氮素分析显示铵盐浓度稳定（400-500 mg NH₄⁺-N/L），无抑制现象；总有机碳（TOC）从300-500 mgC/L降至200 mgC/L，表明预处理增强了有机物生物可利用性。

3.2. 碱度与pH的稳定性

系统碱度维持在2200-3500 mg CaCO₃/L，pH稳定于7.0-7.5，表明水热预处理未破坏系统缓冲能力，避免了酸积累对产甲烷古菌的抑制。

3.3. 沼气产量与组成变化

未处理BSG的沼气甲烷含量仅30-40%，CO₂占50-60%；预处理后甲烷含量升至65%，CO₂降至30%。甲烷产率从100-500 mL CH₄/L·天跃升至1500 mL CH₄/L·天，证实水热预处理有效破解木质纤维素屏障，释放可发酵糖类。

3.4. 与化学预处理法的对比

相较于碱处理易产生酚类抑制物、酸处理生成糠醛（furfural）和羟甲基糠醛（HMF），水热预处理最小化毒性副产物形成，更适合规模化应用。

3.5. 宏转录组分析揭示微生物机制

预处理后微生物群落中拟杆菌门（Bacteroidota）相对丰度从5%增至28%，其携带的糖苷水解酶（GH）和碳水化合物结合模块（CBM）基因表达上调；产甲烷古菌（如Methanobacteriales）活性增强。KEGG通路分析显示BSG2样本中甲烷代谢通路（K07497）、纤维素酶（K01153）和氢化酶（K03427）相关基因显著富集，表明预处理定向优化了微生物功能朝向高效产甲烷。

本研究通过技术-生物学双视角证明，水热预处理不仅提升BSG降解效率与甲烷产量，更通过调控微生物群落功能实现过程优化。连续反应器设计克服了批次工艺的控温难题，宏转录组分析首次关联了操作参数与微生物功能响应，为工业级生物燃气生产提供了可扩展的解决方案。该研究推进了废弃物能源化与循环生物经济策略的实践应用，为酿造行业碳中和目标提供了关键技术支撑。