甘蔗（Saccharum officinarum）在全球生物经济中扮演着核心角色，是巴西的主要可再生能源来源，占全国能源结构的16.8% [1,2]。2023/2024年度，巴西有345个活跃的加工单元，处理了超过7.16亿吨甘蔗 [3]，产生了大量副产物，如蔗渣、糖蜜和酒糟，尽管这些副产物具有很高的生物能源潜力，但仍未得到充分利用。巴西也是全球第二大乙醇生产国，2023/2024年度产量为359亿升 [4]，这进一步加剧了发酵和蒸馏过程中的液体废物和残留物产生。
甘蔗蔗渣是榨汁后留下的纤维残渣，广泛用于蒸汽和电力联产，也被视为生产第二代乙醇（2G）的原料。然而，仍需要成本效益高的预处理策略来提高其转化效率 [[5], [6], [7], [8]]。糖蜜来自糖的结晶过程，含有高浓度的可发酵糖（45-55%），在发酵前需要大量稀释，这导致了乙醇厂近77%的淡水消耗 [9]。酒糟是蒸馏过程中的液体残留物，每生产1升乙醇会产生10-18升酒糟 [10,11]，其有机负荷高、酸性强且含有丰富的营养物质 [12,13]。主要用作肥料时，蔗渣会带来盐碱化和地下水污染等环境风险，因此需要寻找替代的增值途径 [11,14,15]。
作为全球经济的关键贡献者，甘蔗产业面临着日益增加的可持续性、经济和环境压力。因此，迫切需要采取策略来减轻其环境影响。在这种情况下，生物精炼概念变得尤为重要，强调能源回收和综合生物经济系统 [16,17]。在这一框架下，循环生物经济的发展成为提升糖业生物精炼能力的关键方法。副产物的增值潜力巨大，可以减少废物并创造额外的收入流 [5,18]。因此，由于甘蔗副产物的生物降解性和厌氧菌群的代谢多样性，该行业非常适合采用厌氧消化（AD）技术，以实现灵活高效的资源转化 [19,20]。
厌氧消化是一个多步骤过程，包括水解、酸化、乙酸生成和甲烷生成，具体产物取决于操作条件。传统上，厌氧消化的目标是最大化富含甲烷的沼气产量，然后将其提纯为生物甲烷 [21,22]。然而，抑制甲烷生成可以选择酸化路径，通过产生氢气和挥发性脂肪酸（VFAs） [20]。根据巴西沼气和生物甲烷协会的数据 [23]，沼气相对于化石燃料可实现高达90%的脱碳，进一步凸显了其作为关键可再生能源的作用。如图1所示，将厌氧消化整合到循环生物经济框架中，使甘蔗产业能够将副产物转化为生物能源。生物甲烷和氢气可用于热能和电力生产 [24]、交通运输 [25,26]、可持续航空 [27,28]、甲醇合成 [29,30] 或生物肥料生产 [31,32]。
尽管关于甘蔗副产物厌氧消化的研究文献越来越多，但仍然需要整合和系统化相关知识，以便在不同底物、反应器配置和操作条件之间进行有意义的比较。特别是，现有文献中报告了多种单级系统（侧重于富含甲烷的沼气）和两级系统（旨在分离氢气和甲烷生产），但这些系统的评估往往在异质且不可比较的操作条件下进行。这种整合对于将分散的实验证据转化为系统化的工艺设计、优化指导以及单级和两级厌氧消化策略的选择至关重要。
基于此，本研究采用Methodi Ordinatio方法 [33] 对用于生产氢气和沼气的甘蔗副产物厌氧消化技术进行了系统综述。除了总结研究趋势和性能指标外，该综述还提出了针对氢气和甲烷生产的操作指南。这些指南区分了单级和两级厌氧消化及其相关操作策略，并将其置于甘蔗生物精炼的背景下。通过这种方式组织操作知识，综述为未来的生命周期评估（LCA）和技术经济评估（TEA）研究奠定了坚实的基础，从而能够更全面地评估甘蔗产业中的厌氧消化技术。
