《Waste Management》：Sustainable management of tropical timber residues for greenhouse gas mitigation: enhanced biogas recovery via hydrothermal-alkaline pretreatment
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•热液-碱性预处理提高了木材残渣中的甲烷回收率。•嗜热消化提高了热带生物质的生物降解性。•据估计，喀麦隆的生物甲烷潜力高达189,076兆瓦时/年（MWh yr?1）。•森林残渣具有提供可再生能源和减少温室气体排放的潜力。引言化石燃料价格的持续上涨，加上大量温室气体排放造成的环境
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热液-碱性预处理提高了木材残渣中的甲烷回收率。
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嗜热消化提高了热带生物质的生物降解性。
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据估计，喀麦隆的生物甲烷潜力高达189,076兆瓦时/年（MWh yr?1）。
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森林残渣具有提供可再生能源和减少温室气体排放的潜力。
引言
化石燃料价格的持续上涨，加上大量温室气体排放造成的环境退化，促使科学界和政府机构转向可持续能源资源，如风能、太阳能、地热能和生物质能。在这些替代能源中，生物质因其广泛的可用性和巨大的能源潜力而脱颖而出（Perea-Moreno等人，2019年）。
作为主要能源，生物质可以直接通过燃烧产生能量，或者通过生物或机械过程转化为生物气体、生物氢、生物柴油或生物乙醇等能源载体（Tagne等人，2021年；Vintila等人，2019年，Tagne等人，2024年）。这种资源可以作为发展中国家的有前景的替代品，特别是那些经济主要依赖于农业的国家（He等人，2016年；?enol，2020年）。利用生物质生产能源不仅有助于改善环境，还可以产生社会经济效益，同时支持可持续发展目标。通过厌氧消化生化转化废物产生的生物气体是全球范围内成本最低、最容易获得的技术之一。
诸如Bilinga（Nauclea diderrichii）、Sapelli（Entandrophragma cylindricum）、Movingui（Distemonanthus benthamianus）和Iroko（Milicia excelsa）等物种属于茜草科（Rubiaceae）、楝科（Meliaceae）、豆科（Fabaceae）和桑科（Moraceae），是中部非洲广泛分布的热带森林资源，特别是在喀麦隆、加蓬和刚果共和国。喀麦隆的森林面积估计约为2300万公顷，占其国土面积的近40%，拥有撒哈拉以南非洲第三高的生物质潜力，并在全球热带木材出口中排名第六（Nzotcha和Kenfack，2019年；Sessa等人，2021年）。由于这些物种的物理机械特性，它们主要被用于建筑行业、重型木工、水力工程和家具制造，包括家具、地板、室内和室外接合件、装饰性单板和桥梁及结构框架元件的生产（Ndukwe等人，2012年；?etinkol等人，2012年；Biw?lé等人，2023年）。
在这些木材物种的各种加工阶段，会产生锯末、木屑和边材等副产品，这些副产品通常被露天焚烧，从而引发环境问题。像大多数热带硬木一样，这些物种主要由纤维素、半纤维素和 lignin 组成，适合作为能源生产的原材料（Nambissan等人，2025年）。从这些残留物中回收能量是一种有效的减少废物的方法，同时有助于能源结构的可持续多样化。与其他农业残留物相比，这些木材物种由于灰分含量低而具有多个优势，使其成为生物精炼应用的理想候选者。
木质纤维素材料的复杂结构是其通过厌氧消化进行能量转换效率的主要障碍，从而影响了整个过程的成本效益（He等人，2016年）。Lignin 是木质纤维素生物质的关键结构成分，它作为一种保护性结构障碍，阻止微生物在生物转化过程中接触多糖。为了将这些原料转化为可再生燃料，必须将纤维素和半纤维素分解为微生物可以利用的可发酵碳水化合物单元（Kumar，2017年）。在这种情况下，预处理是厌氧消化过程中的一个关键步骤。它有助于改变生物质结构，提高微生物的可接近性，从而增强降解效果并增加生物甲烷的产量（Jekayinfa等人，2020年）。因此，在生物气体生产设施中，木质纤维素原料的预处理对于优化工艺产量至关重要。
有多种预处理技术可供选择，包括化学方法、生物方法、机械方法和热化学方法。其中，使用碱性物质（如氢氧化钠或氨水）的化学处理、酸处理、有机溶剂法和蒸汽爆炸法因其在破坏木质纤维素结构方面的高效性而得到广泛应用（Kim等人，2016年；Cai等人，2021年；Sun等人，2022年；Vintila等人，2019年）。研究表明，预处理方法的有效性受到原料特性的显著影响，因为不同的基底对预处理的反应各不相同（Carlos，2021年）。热化学预处理通常在温和条件下进行，以限制抑制性化合物（如酚类、糠醛和5-羟甲基糠醛）的产生，这些化合物已知会对产甲烷微生物的活性产生负面影响。在中间温度下进行蒸汽辅助的碱性预处理时，氢氧化钠释放出的氢氧根离子能有效破坏 lignin 和半纤维素之间的键。这些离子还能诱导纤维素的部分解聚反应。氢氧化钠在切断 lignin 结构中的酯键和共价碳-碳键方面特别有效（Kim等人，2016年）。
Xue等人（2020年）证明，对芒草（Miscanthus）施加联合碱性-热液预处理（在175°C下使用8%的NaOH）相比单独使用碱性或热液预处理，生物气体产量提高了56.92%。此外，Zakaria等人（2014年）实施了一种混合碱性和热液预处理策略，旨在改善油棕果肉纤维的酶促糖化过程，发现 lignin 降解显著提高。类似地，一项评估不同预处理方法对稻草的研究表明，联合热液和基于NaOH的碱性预处理使生物气体产量比单独热液预处理提高了79.16%（Sato等人，2021年）。
到目前为止，很少有研究调查过 Bilinga、Sapelli、Movingui 和 Iroko 物种在联合热液-碱性预处理条件下的生物气体生产潜力。这些热带硬木在中部非洲的多个地区广泛存在，是尚未充分开发的木质纤维素能源资源。它们具有高密度、复杂的 lignin 结构和可变提取物含量，这些都极大地影响了它们的厌氧生物降解性。因此，对其特性的研究为更好地理解它们的生物甲烷生产潜力和林业残留物的利用提供了重要数据。
本研究旨在利用热液-碱性预处理方法探究这些残留物的生物气体生产潜力，以评估其厌氧生物降解性的改善情况及其作为喀麦隆林业残留物能源回收原料的适用性。该研究还提供了在相同预处理条件下的生物甲烷产量的比较实验数据，以及对它们对处理不同响应的分析。最后，研究结果被整合到一个区域性的能源利用方案和温室气体排放的理论评估中。
章节摘录
原材料收集
从喀麦隆中部地区的 Mbalmayo 一个以木材加工活动闻名的地区收集了四种木材物种：Bilinga（Nauclea diderrichii）、Sapelli（Entandrophragma cylindricum）、Movingui（Distemonanthus benthamianus）和 Iroko（Milicia excelsa）。这些物种的残留物经过手工分类，然后通过机械研磨和筛选，达到平均粒径小于1毫米，符合?enol（2023年）描述的协议。
生物质分析
本研究中使用的各种木材物种的残留生物质的物理化学特性总结在表1中。
评估的参数包括干物质（DM）、有机干物质（oDM）和灰分，在所有基底中都显示出显著的值。这些成分的相对比例直接影响甲烷产量，其中 DM 和 oDM 分别提供了总固体和可生物降解有机含量的关键指标（Neri等人，2023年）。高 oDM
结论
这项研究表明，喀麦隆木材工业中的森林残留物，特别是 Iroko、Sapelli、Movingui 和 Bilinga，作为可持续生物甲烷生产的原料具有巨大潜力。结果证实，热液-碱性预处理是一种有效策略，能够克服热带木质纤维素生物质的顽固性，在嗜热厌氧消化条件下显著提高基底的生物降解性和甲烷回收率。
CRediT 作者贡献声明
Rufis Fregue Tiegam Tagne：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，软件应用，方法学研究，概念建立。Junie Albine Kenfack Atangana：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，软件应用，方法学研究，调查。Ndongo Gervais Kounou：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，软件应用，方法学研究，调查。Satyanarayana Narra：写作 – 审稿与编辑，验证，监督，资源管理，项目管理，方法学研究，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢 TWAS 和 DFG（德国研究基金会，德国；TWAS，意大利）在该项目（项目编号 NA 2133/1-1）下提供的财务支持
Rufis Fregue Tiegam Tagne|Junie Albine Kenfack Atangana|Ndongo Gervais Kounou|Satyanarayana Narra|Olivier Ndjapi|Ioana Ionel
