葛藤预处理残渣与海鞘被囊废物中的甲烷回收

《Environmental Technology & Innovation》：Methane recovery from pretreated kudzu residue and sea squirt tunic waste

　　

葛藤加工残渣与海鞘被囊废物均为副产品，但其结构特征可能限制其作为厌氧消化(AD)进料的使用。本研究评估了经预处理后的葛藤材料与海鞘被囊组分在生化甲烷潜力及动力学上的响应。葛藤原料与煎剂残渣在研磨或冷冻后进行评估，葛藤汁液未额外预处理；海鞘被囊整体、体部和根部组分在120 ℃、25 min灭菌锅(autoclave)预处理与否条件下测试。生化甲烷潜力试验于35 ± 1 ℃进行，底物投加量按挥发性固体(VS)计。由于批次试验所用接种物采集时间不同，处理效应在各批次内比较。冷冻处理葛藤原料与葛藤残渣的甲烷产率分别为308.5和241.9 N mL CH4 g-1 VS，而对应研磨样品为143.9和140.4 N mL CH4 g-1 VS。酸性洗涤木质素含量由原料葛藤的15%降至残渣的11%，但未对应更高甲烷产率。灭菌锅处理使海鞘整体与体部组分甲烷产率由276.0和288.7升至301.9和322.1 N mL CH4 g-1 VS，根部组分响应很小。预处理效果取决于废物组分与结构：冷冻葛藤优于研磨样品，灭菌锅处理利于海鞘整体与体部被囊。

研究背景方面，厌氧消化(AD)可将有机资源转化为富甲烷沼气并实现废物处理与能源回收。能源作物作AD进料可能引发与粮食生产和耕地竞争等问题，而不与粮食生产竞争的区域性副产品与残渣是重要的替代AD进料。农业、林业、食品与海产品加工行业产生大量有机副产品，若管理不当会造成臭气和污染；但这类物料理化性质差异大，水解受限组分和抗性结构会制约甲烷产率、产气速率与滞后期。植物源底物中木质素限制微生物和酶接触纤维素与半纤维素，海鞘(Halocynthia roretzi)被囊因致密复杂纤维素结构也可能降解性差。葛藤(Pueraria montana var. lobata)为木质纤维素类陆生残渣，海鞘被囊为结构抗性海洋纤维素残渣，二者均为未充分利用的残余生物质且具结构难降解特征，因此需要在《Environmental Technology》所刊本研究中评估底物特异性预处理响应与甲烷回收潜力。

关键技术方法上，研究人员从韩国晋州一家草药煎剂诊所获取葛藤、从当地海鲜餐厅获取海鞘；葛藤分为鲜葛藤、榨汁过程产生的热处理葛藤废物与葛藤汁，鲜葛藤与葛藤废物分别采用烘干研磨或-20 ℃约7天冷冻后直接投料；海鞘分为整体、体部与根部，并设置120 ℃、25 min灭菌锅预处理组与未处理组。表征按标准方法测固体含量，按ASTM D5865测高位热值(HHV)，元素分析仪测C、H、N、S；用Buswell–Boyle化学计量方程由元素组成估算理论生化甲烷潜力(TBMP)；生化甲烷潜力(BMP)试验于35 ± 1 ℃按VS基准投料，甲烷产气动力学用修正Gompertz模型描述。

1. 2.
   Materials and methods
   研究人员通过前述样本队列与分组开展材料制备、理化表征、TBMP估算和BMP及动力学建模，证明方法体系可支撑两类难降解残余生物质的底物特异性评价。

2.1. Materials

结果表明葛藤废物来自150 ℃、5 h热处理榨汁工艺，冷冻处理为单次冷冻而非反复冻融；海鞘按整体、体部、根部划分并对应灭菌锅处理与否，说明样本来源与预处理分组是后续产甲烷差异分析的基础。

2.2. Characterization

研究人员通过固体含量、高位热值(HHV)及C、H、N、S元素组成表征，为经验式和TBMP计算提供输入参数。

2.3. Theoretical biochemical methane potential (TBMP) estimation

研究人员依据元素组成写出C_aH_bO_cN_dS_e经验式，并用Buswell–Boyle方程估算标准状态理论甲烷潜力，用以判断实测BMP与理论上限的关系。

2.3节之后为BMP与动力学内容：研究人员通过35 ± 1 ℃批次BMP试验获得各底物甲烷产率，并用修正Gompertz模型提取最大甲烷产率、最大产甲烷速率和滞后期，发现接种物批次不同使处理效应只能在同批次内比较。

研究结果上，冷冻葛藤原料甲烷产率为308.5 N mL CH₄ g^-1 VS，冷冻葛藤残渣为241.9 N mL CH₄ g^-1 VS，对应研磨样品仅143.9和140.4 N mL CH₄ g^-1 VS；酸性洗涤木质素由原料15%降至残渣11%，但木质素下降并未带来更高甲烷产率。海鞘被囊中，灭菌锅处理使整体组分由276.0升至301.9 N mL CH₄ g^-1 VS，体部由288.7升至322.1 N mL CH₄ g^-1 VS，根部组分几乎无响应。研究人员由此得出结论：预处理成效依赖废物组分和解剖部位结构，冷冻破坏植物组织利于葛藤释放可降解有机物，湿热处理松解海鞘被囊纤维素结构但对根部作用有限。

讨论部分总结为，难降解生物质AD利用不能套用单一预处理范式；植物源木质纤维素与海洋动物源纤维素样被囊虽都表现结构抗性，但障碍机制和适用预处理不同。葛藤经冷冻而非细粉碎获得更高甲烷回收，说明物理破碎方式需匹配组织含水与细胞壁结构；海鞘被囊整体与体部对120 ℃、25 min灭菌锅预处理有正向响应，根部因结构或组分差异响应弱。研究强调底物特异性预处理策略对副产物能源化至关重要，也为区域集中收集的葛藤煎剂残渣与海鞘加工废物提供了AD进料评价依据。

研究结论部分译为：葛藤原料与煎剂残渣经冷冻处理的甲烷产率高于对应研磨样品；海鞘被囊整体与体部经120 ℃、25 min灭菌锅预处理后甲烷产率提高，根部组分改善不明显。预处理性能取决于废物组分与结构，冷冻处理适用于葛藤类木质纤维素残渣，灭菌锅热处理适用于海鞘整体与体部被囊；两类海洋与陆生难降解残余生物质均可通过底物特异性预处理提升厌氧消化甲烷回收潜力。