脉冲电场作为沼气厂动物副产品热卫生化处理的替代技术：两种指示菌灭活性能与能耗建模

《Bioresource Technology Reports》：Pulsed electric field as an alternative technology to thermal hygienization of animal by-products in biogas plant: Modelling of inactivation performances of two indicator bacteria and energy consumption

　　

• •
  部分（<60%wt）下游热处理卫生化显示出最低的能源需求
• •
  PEF 灭活可在数秒内对大肠杆菌和粪肠球菌达到 5 log₁₀ 的灭活效果
• •
  较高温度可缩短 PEF 处理时间，且能源需求是主要障碍

引言

脉冲电场（PEF）是一项在 20 世纪后半叶研究开发的技术，其基于短时间将高压脉冲应用于置于两个电极之间的样品（Schoenbach et al., 2000）。样品中细胞经历的高压电场脉冲会导致细胞膜电导增加，从而增加细胞膜通透性，在膜上产生开口（Golberg et al., 2016），且这与样品温度无关。这种通透性的增加在低电场强度下可以是可逆的，也称为电穿孔，但在高电场强度下可能变得不可逆，从而导致细胞裂解（Golberg et al., 2016）。

最早且目前仍在医学中应用，PEF 有助于可逆地打开肿瘤细胞膜，促进活性成分进入细胞，并有可能将 PEF 聚焦于特定细胞而保留非癌细胞（Ibrahimi et al., 2023）。由于能够无论温度如何都能打开甚至破坏细胞，PEF 处理的应用范围日益扩大，在水和食品保存方面发挥着重要作用，包括液态食品（牛奶、果汁、汤、蛋、啤酒）和固态食品（土豆、番茄、苹果、柑橘），这使得能够在相对较低的温度下破坏细菌，从而保持食品质量（例如颜色、酸度、维生素和类胡萝卜素含量）（Barbosa-Cánovas et al., 2022; Vorobiev and Lebovka, 2020）。PEF 处理在食品工业中的应用已确立，有数百个单位在工业上运行，与热处理相比，在微生物灭活和机械加工（尤其是切割、削皮、破碎）方面具有诸多优势（Barbosa-Cánovas et al., 2022; Vorobiev and Lebovka, 2020）。例如，在薯条加工中，实施 PEF 处理允许将能源和水消耗减少 90%，这是由于删除了预热步骤，同时减少了油耗并生产更长且碎屑更少的薯条（Barbosa-Cánovas et al., 2022）。

PEF 的另一项应用是用于厌氧消化作为预处理，以从细胞中提取碳水化合物并削弱细胞膜，目的是增加产甲烷菌分子的可用性，从而提高沼气产量（Capodaglio, 2021; El Achkar et al., 2018; Kova?i? et al., 2021）。提取有用分子是 PEF 的一个有趣特性，目前正在生物精炼概念下进行开发，包括利用藻类促进其生长并回收 valuable 分子（Abuhasheesh et al., 2025）或从木质纤维素生物质生产生物燃料（Basak et al., 2023; Krishnamoorthy et al., 2022）。用于食品保存的 PEF 处理可进一步应用于破坏其他类型样品中的致病细菌，特别是动物衍生废物，其中包括厌氧消化厂。

欧盟条例第 1069/2009 号（European Union, 2009）和欧盟条例第 142/2011 号（European Union, 2011）要求通过称为卫生化的热处理来限制厌氧消化中的卫生风险，该处理要求将特定类别的动物副产品研磨至 12 毫米以下，并在 70 °C 以上连续维持至少 1 小时。正如立法中定义的那样，作为参考的热处理温度和保留时间必须被监控，并作为工艺性能的证明。替代卫生化工艺也是可能的，如果它们证明能对粪肠球菌或森费特堡沙门氏菌（775 W, H2S 阴性）达到 5 log₁₀ 的灭活效果（European Union, 2011）。动物副产品的卫生化非常重要，因为这些材料具有向人类或动物传播疾病的很高风险。

PEF 处理可被视为这些替代卫生化工艺之一，因为它显示出能够破坏沼气尾液中的致病细菌，并且作为一个额外好处，从经济/能源角度来看，它作为预处理可提高沼气产量（Safavi and Unnthorsson, 2017; Szwarc et al., 2023; Wang et al., 2023）。首先，必须确定 PEF 处理适合的运行条件，以实现对厌氧消化尾液 5 log₁₀ 的灭活（Fernández-Molina et al., 2006; Liu et al., 2021, Liu et al., 2020; Mendes-Oliveira et al., 2020; Mosqueda-Melgar et al., 2007; Timmermans et al., 2019; Van Heesch et al., 2000）。其次，卫生化，无论是热处理还是其他技术，都是一个耗能步骤，这会对沼气生产厂的整体工艺性能产生负面影响（Coultry et al., 2013; Grim et al., 2015; Liu et al., 2021）。因此，对于沼气厂来说，尽可能减少卫生化中的能源输入具有经济可行性。替代技术似乎很有前景（El Achkar et al., 2018; Liu et al., 2021; Szwarc et al., 2023），但需要进一步研究有关能源效率和经济可行性方面。

本研究旨在评估 PEF 技术在厌氧消化尾液卫生化方面的相关性，首先在基于已发表实验数据的模型方面评估灭活效率，该数据来自对两种溶液进行的 PEF 灭活实验，这两种溶液均通过将动物副产品原始尾液稀释并分别接种预先在营养肉汤上培养的大肠杆菌 ATCC 19433 和粪肠球菌 ATCC 25922 制备而成。其次，本研究评估 PEF 能源需求并将模拟结果与热处理卫生化能源需求进行比较。最后，本研究讨论了 PEF 技术实施的前景，重点是其主要特征：短处理时间（低于 1 秒）。

章节摘要

数学模型：威布尔模型

微生物破坏动力学旨在评估微生物浓度对数减量随处理时间及其他参数（如处理强度）变化的进程。文献中开发了各种数学模型来模拟微生物破坏动力学，基于曲线形状并借鉴不同的理论。一级反应模型用于模拟线性曲线（Pampoukis et al., 2026）。它假设微生物种群

结果与讨论

该模型基于文献中报告的间歇和连续研究的实验数据，提供了热处理和 PEF 处理的灭活性能和能耗的计算值，这将需要进一步与工业数据进行对比以进行验证。

减少不确定性并提高模型精度的进一步工作

本研究基于给定参数范围的实验数据：E 范围从 10 到 30 kV.cm^?1，有效 PEF 处理时间范围达 0.5 ms、1 ms 和 30 ms，灭活性能范围在 0.8 到 6 log₁₀ 之间。因此，模型提供了外推数据，这伴随着高不确定水平。尽管，模型数据与文献数据的比较似乎验证了模型的准确性。为了改进模型，并且更

结论

在厌氧消化厂背景下，将 PEF 技术作为动物副产品卫生化的替代处理似乎具有相关性，特别是在大肠杆菌和粪肠球菌的灭活性能方面，其优势在于秒级的短处理时间。本文研究的模型基于间歇和提供了热处理和 PEF 处理的灭活性能和能耗的计算值。

CRediT 作者贡献声明

Gwendal Vonk：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，软件，资源，方法论，调查，形式分析，概念化。Xiaojun Liu：写作 – 审阅与编辑，验证，资源，方法论，调查。Thomas Lendormi：写作 – 审阅与编辑，可视化，验证，监督，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，形式分析，概念化。

资金

本研究获得了法国生态转型局 ADEME的资金支持，并通过欧洲区域发展基金（ERDF）经由欧盟的 CPER SMARTAGRI-APIVALE 2015–2020 项目获得资金支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本论文中报告的工作。

致谢

作者希望向已故 Jean-Louis Lanoisellé 教授致敬，感谢他对卫生化这一研究领域不可或缺的努力和贡献。

Gwendal Vonk|Xiaojun Liu|Thomas Lendormi