《Bioresource Technology Reports》：Circular valorization of oil palm empty fruit bunch residue: Biochar-assisted SSF for enhanced bioethanol production
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利用油棕空果殼（EFB）通過同步糖化與發(fā)酵制備生物乙醇，研究發(fā)現將發(fā)酵殘渣熱解制備的生物炭（EBC-500）重新用于SSF過程可顯著提升乙醇產量。優(yōu)化條件下（生物炭添加量0.2 g，占干基10%，pH 5），乙醇濃度達7.57 g/L，產量較對照組提高72%。生物炭通過調節(jié)pH和吸附抑制物，而非單純比表面積，增強微生物活性。該研究為棕櫚產業(yè)鏈的循環(huán)資源利用提供了經濟可行的生物乙醇生產方案。
作者：Yazhai Zhang、Hanqi Gu、Zhiyuan Han、Yuhan Liu、Shuai Gao、Aainaa Izyan Nafsun
馬來西亞彭亨大學化學與過程工程技術學院
Al-Sultan Abdullah, Lebuh Persiaran Tun Khalil Yaakob, 26300, Kuantan, Pahang, Malaysia
摘要
通過同步糖化與發(fā)酵（SSF）將油棕空果串（EFB）轉化為生物乙醇的過程中，通常受到轉化效率低和發(fā)酵時間長的限制。為克服這些限制并實現生物質殘留物的循環(huán)利用，本研究提出了一種將殘留物轉化為生物炭的回收策略：將EFB發(fā)酵殘渣熱解生成生物炭，并將其重新用作SSF過程中的添加劑。通過改變生物炭的用量和pH值，評估了生物炭對乙醇產量的影響，并系統(tǒng)地確定了最佳的SSF條件。在測試的生物炭中，EBC-500表現出最顯著的增效效果。在優(yōu)化條件下（生物炭用量為0.2克，相當于干生物量的10%（重量比），pH值為5時，24小時后的乙醇濃度達到7.57克/升，最大乙醇產量為0.44克/克，相比不含生物炭的對照組提高了72%。
生物炭在現有的24小時動力學窗口內提高了乙醇產量，而EBC-500的優(yōu)異性能與其表面化學特性有關，而不僅僅是表面積。本研究為通過利用發(fā)酵殘渣提高生物乙醇產量提供了一種實用且可持續(xù)的方法，同時提供了關于在成本效益高的酶系統(tǒng)條件下，生物炭輔助SSF的機制見解，有助于油棕產業(yè)的循環(huán)生物資源利用。
引言
隨著全球能源需求的持續(xù)增長和環(huán)境問題的日益嚴重，發(fā)展可再生能源已成為轉變能源結構和實現碳中和的關鍵策略（Rabbi等人，2022年）。特別是由木質纖維素生物質（如農業(yè)殘渣）生產的第二代生物乙醇，被認為是化石燃料的有希望的替代品（Broda等人，2022年）。與第一代生物乙醇（由淀粉或糖基原料和食品資源制成）不同，第二代生物乙醇通過利用非食品生物質提供了更高的可持續(xù)性（Haji Esmaeili等人，2020年）。然而，由于木質纖維素材料的結構復雜性，第二代生物乙醇的生產涉及多個關鍵步驟，包括預處理、酶水解、發(fā)酵和產品分離。這些復雜性以及大規(guī)模生產的成本一直是該工藝商業(yè)化的重大障礙（Jain和Kumar，2024年）。
最近關于降低第二代生物乙醇生產成本的研究主要集中在優(yōu)化預處理過程、提高酶水解效率、優(yōu)化發(fā)酵過程以及最大化副產品的利用上（Shukla等人，2023年）。其中，同步糖化與發(fā)酵（SSF）工藝因其結合了酶水解和發(fā)酵過程而受到特別關注，這減少了所需的處理步驟、能源需求和設備成本（Ayodele等人，2020年）。然而，SSF也存在一些局限性，如酶活性低、產生抑制性副產物以及發(fā)酵條件不穩(wěn)定，這些因素進一步阻礙了乙醇產量的提高。因此，繼續(xù)研究SSF工藝的優(yōu)化以提高乙醇生產效率至關重要（Afedzi和Parakulsuksatid，2023年）。
生物炭輔助的發(fā)酵和由殘渣衍生的生物炭此前已應用于氫氣（Wongfaed等人，2025年）、甲烷（Li等人，2022年）以及與乙醇相關的生物過程中（Zhou等人，2025年）。研究表明，生物炭可以通過調節(jié)pH值、吸附副產物和促進微生物活性來改善發(fā)酵條件，從而提高乙醇產量（Sun等人，2022年）。有報道稱，在添加由SSF發(fā)酵后的玉米秸稈殘渣制成的生物炭后，對發(fā)酵過程有積極影響（Zhao等人，2021年）。最近，由發(fā)酵殘渣制成的生物炭還被用于高固體含量食物廢棄物生物乙醇發(fā)酵系統(tǒng)中，顯示出乙醇產量的增加，這可能與微生物附著性和代謝活性的增強有關（Zhou等人，2025年）。目前尚無直接文獻記錄使用由發(fā)酵殘渣衍生的生物炭在基于同步糖化與發(fā)酵（SSF）的第二代生物乙醇生產中的應用，尤其是以空果串（EFB）作為木質纖維素原料，并在成本效益高的、具有工業(yè)相關性的酶系統(tǒng)中進行。
空果串（EFB）是棕櫚油產業(yè)的重要農業(yè)副產品，是一種豐富但未充分利用的木質纖維素資源，具有巨大的增值生物轉化潛力（James Rubinsin等人，2020年）。本研究利用EFB作為原料，通過同步糖化與發(fā)酵（SSF）生產第二代生物乙醇。發(fā)酵后，殘渣固體被轉化為生物炭，并重新引入SSF系統(tǒng)作為功能性添加劑，建立了閉環(huán)的殘渣增值策略。該方法旨在闡明生物炭在成本效益高的酶系統(tǒng)中對SSF性能的調節(jié)作用。系統(tǒng)評估了生物炭用量和發(fā)酵pH值對乙醇產量的影響。本研究的結果為SSF過程中生物炭輔助的界面效應提供了新的見解，并展示了通過循環(huán)生物資源利用提高第二代生物乙醇生產效率和經濟效益的可行途徑。
材料
實驗中使用的原料為空果串（EFB），取自彭亨的Felda Lepar棕櫚油廠。此外，還使用了氫氧化鈉、鹽酸、檸檬酸、檸檬酸三鈉、氯化鉀、纖維素酶（Z2）、木聚糖酶（M2）和干酵母（Saccharomyces cerevisiae）等化學試劑。所有化學品均為分析級，由中國商業(yè)供應商提供。本研究中使用的纖維素酶和木聚糖酶均為商業(yè)產品。
生物炭產量分析
發(fā)酵殘渣通過分別在500°C和600°C下熱解制備成生物炭（命名為EBC-500和EBC-600）。生物炭產量的計算公式如下（公式4基于Lehmann和Joseph，2015年）：
其中，Pre-C-mass（克）是生物炭熱解前的碳源質量，Post-C-mass（克）是熱解后獲得的生物炭質量。生物炭產量的結果如下
結論
本研究證明了將由發(fā)酵殘渣衍生的生物炭整合到基于酶的SSF系統(tǒng)中用于生產第二代生物乙醇的技術可行性。生物炭的加入提高了SSF的效率，乙醇產量主要受工藝參數的影響，尤其是生物炭用量和發(fā)酵pH值，而生物炭制備溫度則起到次要的優(yōu)化作用。其中，EBC-500表現出最顯著的改進效果。
CRediT作者貢獻聲明
Yazhai Zhang：撰寫 – 原稿撰寫、可視化、驗證、監(jiān)督、軟件使用、資源管理、項目規(guī)劃、方法論設計、研究實施、資金籌集、數據分析、概念構思。
Hanqi Gu：撰寫 – 審稿與編輯。
Zhiyuan Han：可視化處理。
Yuhan Liu：數據管理。
Aainaa Izyan Nafsun：撰寫 – 審稿與編輯。
倫理批準
本文不包含任何涉及人類參與者或動物的研究。
寫作過程中生成式AI和AI輔助技術的聲明
在準備本工作時，作者使用ChatGPT輔助語言編輯和翻譯，以符合學術寫作標準。使用該工具后，作者對內容進行了必要的審查和編輯，并對發(fā)表文章的內容負全責。
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的財務利益沖突或個人關系可能影響本文所述的工作。
