《Energy》：Emerging Pretreatment Technologies for Biomass Valorization via Anaerobic Digestion: A Systematic Review and Global Research Trends
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生物气生产通过厌氧消化是可持续能源与废物管理的重要途径，但复杂基质导致水解效率低，需有效预处理。本文系统综述物理、化学、生物及复合预处理方法，分析其机理、性能及经济性，并通过Scopus文献计量（2010-2025）揭示全球研究趋势：中国、印度、美国为活跃贡献者，Bioresource Technology为关键期刊，超声、微波、碱处理等技术关注度上升。研究发现预处理可提升甲烷产量达100%，但规模化、能源平衡与成本问题仍存，未来需优化预处理强度、集成过程监控并开发副产物高值化利用技术。
Aqueel Ahmad | Ashok Kumar Yadav | Shifa Hasan
印度德哈拉丹市Graphic Era（被认定为大学）机械工程系
摘要
通过厌氧消化（AD）生产沼气被认为是一种可持续的能源生成和废物管理方法。然而，许多底物的复杂性可能会限制水解效率和甲烷产量，因此有效的预处理是必要的。本文系统地探讨了各种预处理方法，包括物理、化学、生物和联合方法，并强调了这些预处理方法的机制、性能和技术经济因素。除了技术审查外，还使用Scopus数据库（2010-2025年）和关键词“Biogas Production”和“Pretreatment”进行了文献计量分析。使用VOSviewer软件分析了总共1,609篇出版物，以绘制全球研究趋势并确定关键作者、主要期刊、机构和常用关键词。研究结果表明，中国、印度和美国是最活跃的贡献者，“Bioresource Technology”期刊最为重要。关键词聚类显示，人们对超声波、微波、碱性、酶法和混合预处理的兴趣日益增加，这突显了它们在优化AD过程中的重要性。研究表明，预处理可以显著提高甲烷产量，有时甚至超过未经处理的底物的100%。尽管甲烷产量有所提高，但在可扩展性、能量平衡和成本效益方面仍存在挑战。未来的研究应侧重于优化预处理强度，将预处理与过程监测相结合，并利用副产品来增强AD在可持续能源系统中的作用。
引言
目前世界正面临人口快速增长，据估计到2050年全球人口将达到约97亿（联合国，2022年）。人口的增长进一步推动了发展、消费和废物产生的增加，给自然资源和废物管理系统带来了巨大压力。随着对能源需求的增加，迫切需要能够减少环境影响并解决废物处理问题的可持续能源解决方案[1]。通过厌氧消化（AD）从有机废物中产生的沼气已成为一种有前景的能源解决方案，有望到2050年满足全球10%的能源需求（IRENA 2020）。这与联合国可持续发展目标7（为所有人提供负担得起、可靠和可持续的能源）是一致的[2]，[3]。
沼气可以从多种原料中生产，如农业废弃物、动物粪便、城市固体废物、填埋的有机材料和角蛋白基废物，具体取决于这些原料的可用性。厌氧消化过程包括四个阶段：水解、酸化、乙酸化和甲烷化[4]。沼气产量取决于有机废物的组成，尤其是脂肪和蛋白质的含量。对于结构复杂的底物，水解是限制因素；而对于容易降解的底物，甲烷化速率则受到较大影响[5]。碳水化合物的水解在几小时内即可完成，而蛋白质和脂类的水解则可能需要几天时间[6]。底物中的高木质素和木质纤维素含量会阻碍完全消化过程，因为这些成分的分解存在挑战[7]，[8]。因此，水解通常成为速率限制阶段，因为微生物产生的水解酶可能不足以分解这些高度抗性的化合物[9]。
了解底物的分子组成对于准确评估沼气生产能力至关重要。图1显示了现有文献中有机废物的典型成分。文献分析表明，底物的组成对于确定生物化学甲烷潜力（BMP）至关重要。富含碳水化合物、蛋白质和脂质的底物具有更高的生物降解性，从而提高甲烷产量[10]。相反，木质纤维素和其他生物聚合物的生物降解性较低，这可能会影响甲烷的产生[11]。预处理方法对于打破生物质中的木质纤维素障碍非常重要，从而提高沼气产量，并使该过程在经济上可行和可持续[12]，[13]，[14]。
最近在预处理策略方面的改进旨在增强复杂生物质结构的降解能力，提高它们对厌氧微生物的可利用性。机械预处理作为初步过程用于减小颗粒大小并增加表面积。化学和热预处理可以改变生物质的化学和物理性质，从而提高水解效率[15]，[77]，[88]。生物预处理（如酶法和真菌处理）因其低能耗和环境友好特性而受到关注。这一过程通常需要较长的处理时间[16]，[130]。许多研究还将机械预处理方法与热预处理和化学预处理结合使用，以提高整体效率。这些方法可以提高最高的有机负荷率并降低水力滞留时间（HRT），同时保持有效的降解性能[17]，[18]。因此，这些预处理可以提高沼气产量并降低厌氧消化系统的资本成本。
文献计量研究对于研究趋势的探讨非常重要，为各个领域提供了见解。该研究包括对生物质和生物能源趋势[19]、从生物废物中生产生物能源[20]以及生物能源研究与气候变化交叉领域的分析[21]的考察。这些研究为研究人员和政策制定者提供了确定未来研究方向和策略的宝贵信息。
现有文献表明，已经开发并广泛研究了多种预处理技术以提升厌氧消化的性能。然而，对全球研究趋势、技术改进和预处理技术知识 gap 的全面了解仍然有限。为解决这一差距，本研究结合了全面的文献回顾和文献计量分析。该分析研究了厌氧消化预处理技术的研究趋势，比较了不同的预处理方法，并确定了未来的关键差距和目标。使用Scopus数据库进行了文献计量分析，特别考察了2010-2025年期间的出版物，以评估预处理技术的最新发展和新兴趋势。该综述结合了文献计量的定量方法和预处理技术的定性评估，提供了当前研究现状的全面概述，指出了阻碍大规模应用的挑战，并发现了提高厌氧消化性能的机会。
部分摘录
厌氧消化和共消化：过程概述
厌氧消化是一种在无氧条件下分解有机废物的生物过程，产生沼气。其主要成分是50-70%的甲烷（CH4）、25-40%的二氧化碳（CO2）和其他微量气体（1-5%）。图2展示了每个阶段的进展。厌氧消化过程发生在水道、沉积物和湿润土壤中，细菌通过代谢事件分解有机物[27]。厌氧消化用于处理各种废物
文献计量方法论和研究选择
文献计量研究和文献回顾使用了Scopus数据库。搜索查询涵盖了标题、摘要和作者关键词，使用了“Biogas Production”和“Pretreatment”这些术语。纳入了经过同行评审的英文期刊论文和综述文章。排除了会议论文、书籍章节和社论等文档类型。收集了1983年至2025年1月期间的研究文章，以分析长期出版趋势。
出版物趋势
在Scopus数据库中的全面搜索显示，2010年1月至2025年1月期间共有9,488篇与沼气生产相关的出版物。相比之下，在1983年1月至2025年1月这一更宽的时间段内，仅发现了2,038篇与生物质预处理相关的出版物。该领域最早的研究是由Lo等人（1983年）发表的，他们评估了液固分离预处理对沼气的影响
厌氧消化的预处理技术
厌氧消化中预处理的主要目的是克服限制微生物分解复杂有机物的自然障碍。水解是厌氧消化的初始阶段，通常是速率限制步骤，因为纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质、多糖和脂质等聚合物必须被分解成更小、更易降解的分子[58]，[59]。预处理程序专门设计用于加速这一过程
结论和未来展望
预处理是解决厌氧消化中水解限制问题并提高甲烷产量的重要方法。本综述表明，没有一种特定的预处理方法具有绝对的优势；每种方法都有其独特的优点和局限性。
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物理预处理（如超声波和微波照射）可以提高溶解度和反应动力学，但通常需要大量的能量。
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化学预处理可以有效地
CRediT作者贡献声明
Ashok Kumar Yadav：监督、资源管理、项目行政、方法论、资金获取。Shifa Hasan：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、软件。Aqueel Ahmad：撰写——初稿、软件、方法论、调查、数据分析、概念化
未引用的参考文献
[22], [23], [24], [25], [26], [42], [43], [44], [45], [51], [54], [90], [91], [93], [94]。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
