酒糟与废弃啤酒酵母的协同消化集成转化，用于生产生物能源和生化产品：一种零废弃的生物精炼方法

作者名单：Chakkrit Sreela-or、Chatchawin Nualsri、Nantharat Wongfaed、Punnada Tharangsri、Tsuyoshi Imai、Peer Mohamed Abdul、Alissara Reungsang、Sureewan Sittijunda

泰国披集奴洛克市Pibulsongkram Rajabhat大学食品与农业技术学院，邮编65000

摘要

本研究展示了一种集成式的零废物生物精炼技术，通过两阶段厌氧共消化工艺对酒糟和废啤酒酵母进行增值处理，并实现了产物的分级回收。一个实验室规模的系统连续运行90天后，获得了稳定的氢气产量（37.62 mL/g-VS；14.9 kJ/L·d）和甲烷产量（301.8 mL/g-VS；30.22 kJ/L·d）。微生物群落分析显示：在氢气生成阶段，Bifidobacterium、Caproiciproducens和Lactobacillus菌种占主导地位；而在甲烷生成阶段，则富集了Paludibacter、Candidatus Cloacimonas、Methanoculleus和Methanosarcina菌种。对日处理量为1000 m³/天的设施进行的技术经济分析表明，该项目具有可行性，净现值为2,376,686美元，投资回收期为6年，20年内的内部收益率为14.5%。遵循循环生物精炼原理，利用Cupriavidus necator TISTR 1335菌株将氢气发酵液转化为聚羟基丁酸酯（PHB），其PHB含量达到72.40%（2.78 g/L），同时化学需氧量（COD）去除率达到80.65%。厌氧消化残渣被加工成符合泰国有机肥料标准的生物肥料颗粒。在绿橡树生菜种植试验中，最优配方的生物肥料颗粒（BPF-1）使每株植物的鲜重增加了116.8克，相当于传统化肥效果的96%。这种集成方法成功生产了四种高附加值产品：生物氢气、生物甲烷、生物塑料和生物肥料，并实现了对原始酒糟原料97.2%的COD削减。该系统实现了完全的废物转化，符合循环经济理念，为农业工业废物管理提供了可持续的解决方案，并证明了其经济可行性及环境效益。

引言

泰国是全球十大糖出口国之一，2022/23销售年度糖出口量约为690万吨，创收32亿美元（美国农业部数据，2024年）。其中大部分糖通过糖蜜发酵进一步加工成乙醇，过程中会产生约10–15升乙醇对应的酒糟（Nualsri等人，2025a）。同时，泰国啤酒酿造行业会产生废啤酒酵母（SBY），主要包含经过麦芽发酵后分离出的失活酵母生物质（主要是Saccharomyces cerevisiae）。尽管酒糟和SBY来自不同行业，但两者产量庞大，因此在排放前需要妥善处理。将它们转化为高价值产品而非进行传统处理或处置，是实现可持续废物管理的一条有吸引力的途径。

一些设施已利用酒糟通过厌氧消化生产沼气；然而，仍有大量剩余酒糟可作为先进生物能源应用的优质原料。两阶段厌氧消化工艺可依次生产生物氢气和生物甲烷，这是一种特别有吸引力的增值途径。然而，酒糟的碳含量高但氮含量有限，这可能限制发酵过程中的微生物生长和代谢活动（Nitayavardhana和Khanal，2010）。相比之下，SBY富含氮和必需营养素（Ferreira等人，2010），使其成为与酒糟共厌氧消化的理想共底物（Nualsri等人，2025a）。酒糟和SBY互补的营养成分有助于优化碳氮比（C/N），从而提高两阶段厌氧消化系统生产生物氢气和生物甲烷的效率。

除了两阶段厌氧消化外，循环生物精炼技术还为废物增值提供了可行途径，同时实现环境可持续性。循环生物精炼强调材料的再利用和再生，以实现可持续的生产（Cherubini，2010）。厌氧消化残渣含有液体和固体成分，其中含有大量化学需氧量（COD）和挥发性脂肪酸（VFAs）及营养物质，因此在排放前需进行适当处理（Drosg等人，2015）。

这些特性使得消化残渣适合用于生产高价值的生化产品。聚羟基烷酸酯（PHAs）是一种生物塑料，可通过多种微生物菌株从富含VFAs的废料中制备。Sitthikitpanya等人（2021）的研究表明，Chlorella生物质水解液与甘蔗叶水解液共消化产生的氢气发酵液中含有2.01 g/L的PHA，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析确认其为聚羟基丁酸酯（PHB），同时COD从15.03 g/L降至0.77 g/L。Zhao等人（2019）在含有聚丙烯酰胺的废水氢气发酵液中实现了15.8%的PHA积累，C/N比为51。此外，从蒸馏废料产生的氢气发酵液中获得了占干细胞重量（DCW）40%的PHA。Sitthikitpanya等人（2021）还将氢气生产废料固体部分23.9%的COD转化为土壤改良剂，展示了废物全面增值的潜力。

尽管人们对厌氧消化和生物精炼整合的兴趣日益增加，但大多数先前的研究仅单独探讨了废物增值链的各个环节。酒糟和SBY的共消化主要针对生物能源生产（生物氢气和/或生物甲烷），而利用不同原料和微生物菌株从氢气发酵液中生产PHB的研究也有报道（Sitthikitpanya等人，2021；Zhao等人，2019）。此外，消化残渣的增值效果通常仅通过物理化学成分进行评估，缺乏直接的农艺验证。据我们所知，此前尚未有研究将这些要素整合到一个完全封闭的零废物生物精炼平台中。本研究的新颖之处在于：（i）在一个集成系统中结合了酒糟和SBY的两阶段厌氧共消化、连续PHB生产以及消化残渣的农艺增值；（ii）使用纯种Cupriavidus necator TISTR 1335菌株从该共消化系统的氢气发酵液中生产PHB；（iii）将剩余消化残渣转化为生物肥料颗粒并在绿橡树生菜种植中验证其效果；（iv）结合长期反应器运行、微生物群落动态和技术经济分析，为工业规模应用提供了全面的基础。

章节摘录

原料来源与制备

酒糟来自泰国那空沙旺省KTIS BioEthanol有限公司的乙醇生产厂。实验前将其储存在4°C的冰箱中。收集的酒糟分析了其物理化学性质，包括COD、初始pH值、碳和氮含量、总固体（TS）及挥发性固体（VS）。

SBY是啤酒酿造过程的副产品，来自泰国孔敬省的Khon Kaen Brewery有限公司。

酒糟和SBY两阶段厌氧共消化过程中的氢气和甲烷生产性能

图2和表S1展示了酒糟和SBY两阶段厌氧共消化长期运行过程中的氢气和甲烷生产性能。在最初的7天（启动阶段），氢气产率（HPR）在428至956 mL/L·d之间，pH值在4.44至4.57之间（图2）。随后反应器切换至连续运行模式，HRT为1天，HPR逐渐增加，并在第20天左右达到稳定状态。从第20天到第30天（第一阶段），平均HPR为

结论

本研究成功展示了一种集成式的零废物生物精炼方法，通过顺序的生物能源和生化生产实现了酒糟和SBY的全面增值。两阶段厌氧共消化系统在90天内保持稳定运行，产出了氢气（37.62 mL/g-VS；14.9 kJ/L·d）和甲烷（301.86 mL/g-VS；30.22 kJ/L·d）。微生物群落分析表明，产氢阶段的细菌与产甲烷阶段的细菌之间存在有效的代谢分离

作者贡献声明

Chakkrit Sreela-or：负责撰写初稿、方法论设计、实验研究、数据分析及概念构建。Chatchawin Nualsri：负责撰写初稿、方法论设计、实验研究、数据分析及概念构建。Nantharat Wongfaed：负责撰写初稿、实验研究及数据分析。Punnada Tharangsri：负责方法论设计及数据分析。Tsuyoshi Imai：负责数据可视化及项目监督。Peer Mohamed Abdul：负责数据可视化及项目监督。Alissara Reungsang：

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了泰国国家研究委员会（NRCT）的资助（项目编号：120/2563和N42A670487）。此外，该工作还得到了日本科学技术机构（JST）NEXUS项目的支持（项目编号：JPMJNX25B2）。作者衷心感谢孔敬大学微生物氢气生产过程研究小组提供的实验室设施和技术支持。最后，我们感谢