《Bioresource Technology Reports》：Circular valorization of oil palm empty fruit bunch residue: Biochar-assisted SSF for enhanced bioethanol production
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利用油棕空果壳（EFB）通过同步糖化与发酵制备生物乙醇，研究发现将发酵残渣热解制备的生物炭（EBC-500）重新用于SSF过程可显著提升乙醇产量。优化条件下（生物炭添加量0.2 g，占干基10%，pH 5），乙醇浓度达7.57 g/L，产量较对照组提高72%。生物炭通过调节pH和吸附抑制物，而非单纯比表面积，增强微生物活性。该研究为棕榈产业链的循环资源利用提供了经济可行的生物乙醇生产方案。
作者：Yazhai Zhang、Hanqi Gu、Zhiyuan Han、Yuhan Liu、Shuai Gao、Aainaa Izyan Nafsun
马来西亚彭亨大学化学与过程工程技术学院
Al-Sultan Abdullah, Lebuh Persiaran Tun Khalil Yaakob, 26300, Kuantan, Pahang, Malaysia
摘要
通过同步糖化与发酵（SSF）将油棕空果串（EFB）转化为生物乙醇的过程中，通常受到转化效率低和发酵时间长的限制。为克服这些限制并实现生物质残留物的循环利用，本研究提出了一种将残留物转化为生物炭的回收策略：将EFB发酵残渣热解生成生物炭，并将其重新用作SSF过程中的添加剂。通过改变生物炭的用量和pH值，评估了生物炭对乙醇产量的影响，并系统地确定了最佳的SSF条件。在测试的生物炭中，EBC-500表现出最显著的增效效果。在优化条件下（生物炭用量为0.2克，相当于干生物量的10%（重量比），pH值为5时，24小时后的乙醇浓度达到7.57克/升，最大乙醇产量为0.44克/克，相比不含生物炭的对照组提高了72%。
生物炭在现有的24小时动力学窗口内提高了乙醇产量，而EBC-500的优异性能与其表面化学特性有关，而不仅仅是表面积。本研究为通过利用发酵残渣提高生物乙醇产量提供了一种实用且可持续的方法，同时提供了关于在成本效益高的酶系统条件下，生物炭辅助SSF的机制见解，有助于油棕产业的循环生物资源利用。
引言
随着全球能源需求的持续增长和环境问题的日益严重，发展可再生能源已成为转变能源结构和实现碳中和的关键策略（Rabbi等人，2022年）。特别是由木质纤维素生物质（如农业残渣）生产的第二代生物乙醇，被认为是化石燃料的有希望的替代品（Broda等人，2022年）。与第一代生物乙醇（由淀粉或糖基原料和食品资源制成）不同，第二代生物乙醇通过利用非食品生物质提供了更高的可持续性（Haji Esmaeili等人，2020年）。然而，由于木质纤维素材料的结构复杂性，第二代生物乙醇的生产涉及多个关键步骤，包括预处理、酶水解、发酵和产品分离。这些复杂性以及大规模生产的成本一直是该工艺商业化的重大障碍（Jain和Kumar，2024年）。
最近关于降低第二代生物乙醇生产成本的研究主要集中在优化预处理过程、提高酶水解效率、优化发酵过程以及最大化副产品的利用上（Shukla等人，2023年）。其中，同步糖化与发酵（SSF）工艺因其结合了酶水解和发酵过程而受到特别关注，这减少了所需的处理步骤、能源需求和设备成本（Ayodele等人，2020年）。然而，SSF也存在一些局限性，如酶活性低、产生抑制性副产物以及发酵条件不稳定，这些因素进一步阻碍了乙醇产量的提高。因此，继续研究SSF工艺的优化以提高乙醇生产效率至关重要（Afedzi和Parakulsuksatid，2023年）。
生物炭辅助的发酵和由残渣衍生的生物炭此前已应用于氢气（Wongfaed等人，2025年）、甲烷（Li等人，2022年）以及与乙醇相关的生物过程中（Zhou等人，2025年）。研究表明，生物炭可以通过调节pH值、吸附副产物和促进微生物活性来改善发酵条件，从而提高乙醇产量（Sun等人，2022年）。有报道称，在添加由SSF发酵后的玉米秸秆残渣制成的生物炭后，对发酵过程有积极影响（Zhao等人，2021年）。最近，由发酵残渣制成的生物炭还被用于高固体含量食物废弃物生物乙醇发酵系统中，显示出乙醇产量的增加，这可能与微生物附着性和代谢活性的增强有关（Zhou等人，2025年）。目前尚无直接文献记录使用由发酵残渣衍生的生物炭在基于同步糖化与发酵（SSF）的第二代生物乙醇生产中的应用，尤其是以空果串（EFB）作为木质纤维素原料，并在成本效益高的、具有工业相关性的酶系统中进行。
空果串（EFB）是棕榈油产业的重要农业副产品，是一种丰富但未充分利用的木质纤维素资源，具有巨大的增值生物转化潜力（James Rubinsin等人，2020年）。本研究利用EFB作为原料，通过同步糖化与发酵（SSF）生产第二代生物乙醇。发酵后，残渣固体被转化为生物炭，并重新引入SSF系统作为功能性添加剂，建立了闭环的残渣增值策略。该方法旨在阐明生物炭在成本效益高的酶系统中对SSF性能的调节作用。系统评估了生物炭用量和发酵pH值对乙醇产量的影响。本研究的结果为SSF过程中生物炭辅助的界面效应提供了新的见解，并展示了通过循环生物资源利用提高第二代生物乙醇生产效率和经济效益的可行途径。
材料
实验中使用的原料为空果串（EFB），取自彭亨的Felda Lepar棕榈油厂。此外，还使用了氢氧化钠、盐酸、柠檬酸、柠檬酸三钠、氯化钾、纤维素酶（Z2）、木聚糖酶（M2）和干酵母（Saccharomyces cerevisiae）等化学试剂。所有化学品均为分析级，由中国商业供应商提供。本研究中使用的纤维素酶和木聚糖酶均为商业产品。
生物炭产量分析
发酵残渣通过分别在500°C和600°C下热解制备成生物炭（命名为EBC-500和EBC-600）。生物炭产量的计算公式如下（公式4基于Lehmann和Joseph，2015年）：
其中，Pre-C-mass（克）是生物炭热解前的碳源质量，Post-C-mass（克）是热解后获得的生物炭质量。生物炭产量的结果如下
结论
本研究证明了将由发酵残渣衍生的生物炭整合到基于酶的SSF系统中用于生产第二代生物乙醇的技术可行性。生物炭的加入提高了SSF的效率，乙醇产量主要受工艺参数的影响，尤其是生物炭用量和发酵pH值，而生物炭制备温度则起到次要的优化作用。其中，EBC-500表现出最显著的改进效果。
CRediT作者贡献声明
Yazhai Zhang：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、项目规划、方法论设计、研究实施、资金筹集、数据分析、概念构思。
Hanqi Gu：撰写 – 审稿与编辑。
Zhiyuan Han：可视化处理。
Yuhan Liu：数据管理。
Aainaa Izyan Nafsun：撰写 – 审稿与编辑。
伦理批准
本文不包含任何涉及人类参与者或动物的研究。
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本工作时，作者使用ChatGPT辅助语言编辑和翻译，以符合学术写作标准。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
