通过酶水解预处理提高甘蔗渣的甲烷产量：不同发酵技术的比较研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enhanced Methane Production from Sugarcane Bagasse via Enzymatic Hydrolysis Pretreatment: A Comparative Study of Fermentation Techniques

本研究首次利用Aspergillus japonicus URM5242通过固态、浸没及串联发酵预处理甘蔗渣，显著提高甲烷产量，浸没发酵增幅达592.8%，验证了生物预处理的经济生态效益及工业应用潜力。

　　

Liliana Andréa dos Santos | Leonardo César da Silva | Guilherme Gomes de Sousa Magalh?es | J?natas Carvalho-Silva | Jorge Vinicius Fernandes Lima Cavalcanti | André Felipe de Melo Sales Santos | Tatiana Souza Porto

动物形态学与生理学系，伯南布哥联邦农业大学（UFRPE），Dom Manoel de Medeiros大道，无门牌号，52171-900，累西腓，伯南布哥州，巴西

摘要

酶促水解是一种可持续的预处理方法，用于木质纤维素生物质，以提高纤维素生物燃料的产量。本研究首次报道了使用Aspergillus japonicus URM5242通过固态发酵（SSF）、浸没发酵（SmF）和序贯发酵（SqF）来水解甘蔗渣（SB），旨在利用厌氧颗粒污泥提高甲烷（CH₄）的产量，并在35天内评估了甲烷的生化潜力（BMP）。经浸没发酵处理的甘蔗渣（SmF_H）具有最高的CH₄产量（103.09 NmL g?1 VS），其次是固态发酵处理的甘蔗渣（SSF_H）（69.13 NmL g?1 VS）、序贯发酵处理的甘蔗渣（SqF_H）（45.16 NmL g?1 VS）以及未经处理的甘蔗渣（15.51 NmL g?1 VS）。Gompertz模型在拟合甲烷产量数据方面优于一级动力学模型。沼气中的CH₄含量分别为：SqF_H 63.21%，SmF_H 60.45%，SSF_H 53.43%，SB 14.81%。FTIR和SEM确认了物理化学和形态学的变化。这些结果表明，酶促预处理是一种经济可行且生态可持续的农业工业废弃物增值方法。通过浸没发酵方法，CH₄产量实现了前所未有的592.80%的增长，这凸显了该方法的创新性及其在工业应用中的巨大潜力，为循环生物经济和能源转型做出了重要贡献。

引言

生物燃料在全球向低碳能源系统转型的过程中发挥着战略作用，尤其是当它们由可再生和废弃物基原料制成时。生物燃料可以从多种来源获得，包括木质纤维素生物质[1]、农业废弃物[2]、食物废弃物[2]以及水果或蔬菜脂肪残渣[3]、[4]。将农业活动产生的生物质转化为生物产品和生物燃料的过程被称为木质纤维素生物精炼[5]。 生物精炼厂采用多种工艺，包括物理、化学、生物化学和热化学方法[1]、[6]。第二代生物精炼厂致力于利用木质纤维素农业工业废弃物，如甘蔗渣（SB），这些废弃物往往缺乏适当的处理和能源管理规范[7]。巴西在农业工业领域表现突出，是咖啡、大豆、玉米尤其是甘蔗等农产品的主要生产和出口国[8]。根据国家供应公司（CONAB）的数据，预计2023/24季节甘蔗产量将增长约11%，达到6.776亿吨。在糖酒精工业中加工甘蔗时会产生大量固体废弃物——甘蔗渣，每吨原材料大约产生275公斤[9]。甘蔗渣是一种可再生的木质纤维素材料，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，这些成分赋予其结构硬度并降低了其生物降解性[9]、[10]。由于这些特性，甘蔗渣成为生产可再生燃料和高附加值化学品的有希望的原料[11]。 丰富且低成本的废弃物，如甘蔗渣，是生物精炼厂的理想原料，因为它们不仅在经济上可行，还能减轻环境负担，同时其成分有利于微生物将其转化为高附加值产品[12]。通过厌氧消化（AD）利用甘蔗渣生产沼气已成为生物精炼领域的一种可行策略。AD是一种成熟的沼气生成技术路线[13]，包括四个阶段：水解、酸生成、醋酸生成和甲烷生成。生成的沼气通常由CH₄（50–70%）、二氧化碳（CO₂（30–50%）和其他微量气体组成[14]。 然而，甘蔗渣中纤维素和半纤维素的顽固结构强调了在厌氧消化前进行预处理的必要性。这些处理可以单独进行，也可以结合使用化学、物理或生物方法[11]、[15]。生物过程因其低毒性和经济效益而受到越来越多的关注。与物理和化学过程相比，生物过程需要较低的能源投入、最小的基础设施，并且不需要使用化学试剂[4] [16]。这些生物制剂能够通过生化作用转化和改变木质纤维素生物质的结构，为未来生物燃料的生产带来了广阔的前景[17]。此外，这一过程旨在提高厌氧消化过程中微生物对底物的可利用性，从而增加沼气产量[2]。 该过程涉及使用纯培养或混合培养的微生物，以及由丝状真菌产生的酶（纤维素酶、木聚糖酶和漆酶）[18]。通常优先选择Aspergillus属真菌用于商业生产水解酶[4]、[18]。 这些酶分别作用于纤维素和半纤维素的水解步骤，生成简单的C5和C6糖类（如木糖和葡萄糖），这些糖在AD过程中容易转化为CH₄。此外，酶在半纤维素生物质预处理阶段的效率可以提高CH₄的产量高达50%，这证明了它们在各种工艺中的应用价值[4]。最近的研究强调了真菌预处理在提高木质纤维素生物质（包括草类[19]、啤酒糟[20]）中CH₄产量方面的有效性，使用的真菌包括Pycnoporus sanguineus、Trichoderma longibrachiatum、Aspergillus oryzae，以及商业酶和微生物联合体[21]。 多项研究表明，真菌预处理可以增加结构聚合物的可用性，从而提高木质纤维素残渣中的CH₄产量。然而，迄今为止，尚未有研究探讨使用Aspergillus属真菌水解甘蔗渣以提高CH₄产量的应用。尽管Aspergillus japonicus已被用于水果残渣（如橙子和百香果皮[4]）的预处理以提高CH₄产量，但其在不同发酵过程中用于水解甘蔗渣的应用尚未被报道。此外，只有一项研究评估了使用Aspergillus japonicus URM5620以甘蔗渣为原料生产纤维素酶的情况，而非生成CH₄[22]。 因此，本研究探索了使用Aspergillus japonicus URM5242作为酶促生物预处理步骤的潜力，通过三种不同的发酵过程（固态发酵（SSF）、浸没发酵（SmF）和序贯浸没发酵（SqF）来提高CH₄产量，这是一种创新的方法，有助于开发更可持续的生物技术路线，以提高木质纤维素生物质沼气的能量产出。此外，本研究还旨在比较这三种发酵方法，并将最佳的沼气产量与操作和工艺条件联系起来，为未来的大规模应用研究提供参考。 因此，本研究的目的是量化使用Aspergillus japonicus URM5242进行酶促预处理后CH₄产量的增加情况，与未经处理的甘蔗渣相比，预计这种增加可能超过100%。这一目标支持了以下假设：酶促预处理路径可以成为一种具有能源效率、减少温室气体（GHG）排放以及促进农业工业领域循环经济和可持续性的有效方法。

材料与方法

流程图展示了本研究采用的主要方法步骤：材料的获取和表征；通过SSF、SmF和SqF进行生物酶预处理；进行沼气监测的生化甲烷潜力（BMP）测试；以及对气体和固体相的补充分析。这些步骤将在2.1至2.4小节中详细描述（图1）。

甘蔗渣、水解产物和接种物的表征

未经处理的甘蔗渣、通过不同发酵过程水解后的产物以及接种物（GS）的物理化学表征结果（表2）。

未经处理的甘蔗渣和水解产物表现出酸性pH值，这与Wongfaed等人的研究结果一致[36]。厌氧接种物GS的pH值接近中性。多位作者报告厌氧颗粒污泥的pH值类似（7.49、7.7）[34]、[35]。 未经处理的甘蔗渣的含水量处于AD的理想范围内（35%至65%）。

结论

本研究表明，使用Aspergillus japonicus URM5242的不同发酵过程在预处理甘蔗渣以提高CH₄产量方面是有效的。这是首次报道使用Aspergillus japonicus URM5242处理甘蔗渣进行AD的研究，通过SmF处理使CH₄产量增加了592.80%，而SSF和SqF分别增加了353.33%和206.66%。 这些结果突显了真菌水解酶在生物质降解中的高效性，并证实了...

作者贡献声明

Liliana Andréa dos Santos：撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、方法学、研究、数据管理、概念化。 Leonardo César da Silva：原始稿撰写、方法学、研究、数据管理。 Guilherme Gomes de Sousa Magalh?es：原始稿撰写、方法学、研究、数据管理。 J?natas Carvalho-Silva：原始稿撰写、方法学、研究、数据管理。 Jorge Vinicius Fernandes Lima Cavalcanti：原始稿撰写

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢伯南布哥科学技术支持基金会（FACEPE，伯南布哥州，巴西）通过项目APQ-1560-5.03/22和APQ-1137-5.07/22（多用户模式）提供的资金支持。 Tatiana Porto感谢巴西国家科学技术发展委员会（CNPq，巴西）通过研究生产力补助金（项目编号315249/2021–8）提供的财务支持。Liliana Santos也感谢CNPq的支持。