坎皮纳斯州立大学的一个研究小组建议，在将其提交给微生物消化过程之前，用超声波处理啤酒厂产生的固体废物。图片来源：Biotar/FEA-UNICAMP
四位巴西和两位美国科学家刚刚发表的一篇科学文章报道了当啤酒厂的废谷物（大麦甘蔗渣）（啤酒工业产生的大量废物）在进行厌氧消化之前用超声波处理时获得的电能和热能的增加，厌氧消化是一种涉及消耗有机物和产生甲烷的微生物过程。
预处理产生的沼气中含有56%的甲烷，比不使用超声波获得的比例高出27%。在甲烷中净化后，与传统的化石燃料相比，沼气可以用作车辆燃料，碳足迹非常低。此外，在热电联产机中，甲烷可以被啤酒厂燃烧掉以产生电力和热量。最终的废物可以用作生物肥料而不是矿物肥料。该方法在发表在《清洁生产杂志》上的文章中进行了详细描述。
该创新工艺是在坎皮纳斯州立大学食品工程学院（FEA-UNICAMP）的生物工程和水废物处理实验室（Biotar）开发的。研究小组负责人Tânia Forster-Carneiro是FAPESP支持的一个项目的首席研究员。
食品加工厂有废水处理厂，符合法律，但并不总是处理有机固体废物，这些废物通常被运往受控或卫生的垃圾填埋场，或用于生产动物饲料。“为有机固体废物增加价值的研究对工业和整个社会都很重要，”Forster-Carneiro说。“特别是在这项研究中，我们用超声波对废物进行了预处理，这是一种通常只应用于实验室的初始技术，因此获得了更高水平的甲烷生产。结果非常积极。
博士后研究员Luz Selene Buller和博士候选人William Sganzerla都是FAPESP奖学金的获得者，也是该研究小组的成员。
正如Sganzerla所解释的那样，啤酒厂废物是木质纤维素（包括木质素，纤维素和半纤维素），参与厌氧消化的微生物不容易穿透细胞壁。“用木质纤维素原料喂养厌氧消化反应器会产生低水平的甲烷，因为微生物不消耗这种生物质，而这种生物质必须通过预处理来分解。
该研究还分析了整个过程中的能量回收途径，得出的结论是，沼气产生的电力抵消了超声波和厌氧消化预处理所需能量的80%，同时产生的热能剩余比不使用超声波获得的多余热量高出50%。
“一个技术挑战是如何应用消耗很少能量的可持续预处理，”Sganzerla说。“高能耗的预处理对于工业规模的应用是不可行的。因此，沼气燃烧产生的电力将用于超声波。产生的热量可用于工业中需要热能的各种过程。所有这些都遵循了低碳排放食品生产的循环经济原则。
对于Forster-Carneiro来说，研究中高度详细的测量是这篇文章引起科学界如此多关注的主要原因。“我们计算了所有入站和出站流量中质量和能量的平衡。我们详细展示了每处理一吨大麦甘蔗渣可以产生0.23兆瓦时的电力，“她说。
该研究还提出了从可再生能源中发电以减轻温室气体排放的潜力。五年多来，Forster-Carneiro一直与本文的倒数第二作者Michael Timko合作。Timko是马萨诸塞州伍斯特理工学院的教授，也是废物价值评估方面的专家。“这项研究非常好，”她说。“很少有研究项目详细说明从甲烷中产生能量的计算。
这项实验源于FEA-UNICAMP与当地酿酒商之间的良好关系，这反映在技术访问和固体废物捐赠中。有关啤酒厂每周生产120-250公吨大麦甘蔗渣。“工厂目前不回收这些废物。它只是将其用于动物饲料，但它可以处理甘蔗渣并同时产生能量，“Forster-Carneiro说。
在这方面，Sganzerla指出了巴西国家固体废物政策（2010年颁布的第12，305号法律）的影响。“总有一天，所有制造商都有义务处理他们产生的废物，”他说。“他们将不得不使用可用的技术。从技术上讲，这已经是可行的。我们在研究中指出了各种可能性。目前没有制造商大规模这样做，因为尽管存在厌氧消化并且是液体和固体废物的可行技术，但需要对固体和木质纤维素废物进行更深入的研究。
营养丰富
巴西是世界五大啤酒生产国之一。根据该文章，2019年，它生产了140亿升。生产100升啤酒可产生约20公斤大麦甘蔗渣，因此巴西每年生产约280万吨。2020年，Forster-Carneiro和她的团队为在酿酒商操作的厌氧反应器中使用这种有机废物申请了专利，用于废水处理。
Forster-Carneiro，Sganzerla，Buller和Solange Mussatto（隶属于丹麦技术大学生物技术和生物医学系）于2021年3月在《清洁生产杂志》上发表的一篇文章详细评估了废物价值的经济优势，包括肥料生产。
“厌氧消化过程以高有机负荷处理废物，从而产生营养物质。留在反应器中的固体部分，称为生物消化器，基本上由经过处理的富含氮，磷，钾和其他矿物质的木质纤维素材料组成。在麦芽大麦甘蔗渣的情况下，氮和蛋白质的比例很高，使其成为一种良好的生物肥料，可以取代NPK[含有氮，磷和钾的矿物肥料]，“Sganzerla说。
Forster-Carneiro和她的团队也在研究大麦甘蔗渣的热液预处理。“我们将废物送入反应器，该反应器在一定的温度和压力条件下水解生物质[分解分子]以产生具有可溶性营养物质的水解物[液体]。这对发酵过程非常有益。然而，需要更深入的研究，以便我们能够获得有效和可持续的解决方案，用于处理木质纤维素废物，“Sganzerla说。