综述：从废弃物到资源：通过厌氧消化推进乳清渗透液价值化的研究进展

　　本综述系统探讨了乳清渗透液（whey permeate）作为乳制品工业副产物的特性、现有利用策略及其通过厌氧消化（AD）实现资源化转化的潜力。文章详细分析了乳清渗透液的高有机负荷（以乳糖为主）和低营养特性，重点阐述了AD技术在处理此类高COD废水中的优势，包括甲烷（CH4）回收、挥发性脂肪酸（VFA）生产以及有机负荷去除。同时指出了当前研究中存在的术语不统一、工艺参数优化不足等问题，并为未来研究提供了标准化和工艺强化方向。

　　

2. 乳清渗透液的生产与组成

乳清渗透液是乳清经过膜过滤（如超滤）后产生的副产物，主要成分为乳糖（76–86%）、低蛋白（2–7%）、矿物质（8–11%）和微量脂肪。其组成因来源（如奶酪或希腊酸奶）和处理工艺不同而存在显著差异，例如酸乳清渗透液pH较低（约4.4），而甜乳清渗透液pH接近中性（6.5）。乳清渗透液具有高生物化学需氧量（BOD ±67,000 mg/L）和高化学需氧量（COD ±76,000 mg/L），直接排放会造成环境压力。

3. 乳清渗透液的当前应用

3.1. 直接应用

乳清渗透液可直接用于食品、饮料和饲料行业。例如在烘焙食品中替代蔗糖，或在香肠中作为盐替代品。但由于其强烈的乳清味和酸味，接受度有限。此外，也可用于运动饮料配方，利用其矿物质和碳水化合物成分。但在高比例添加时易产生“肉汤样”和“酸乳”风味。

3.2. 间接应用

间接应用主要通过微生物发酵将乳糖转化为高附加值产品，包括：

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  有机酸：如乳酸、丙酸、琥珀酸，可通过细菌发酵生产。
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  低聚半乳糖（GOS）：通过酶法转化生产益生元。
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  细菌素：如Nisin Z，可用于生物防腐剂。
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  微藻培养：作为培养基成分促进微藻生长和酶生产。
  然而，这些过程通常需要复杂的预处理和营养补充，增加了成本。

4. 厌氧消化（AD）技术

AD是一种在无氧条件下通过微生物群落将有机物转化为CH₄、CO₂和消化物的技术。过程分为四个阶段：

1. 1.
   水解：复杂有机物被分解为可溶性物质（如乳糖分解为葡萄糖和半乳糖）。
2. 2.
   酸生成：可溶性物质被发酵产生VFA（如乙酸、丙酸）、醇类和酮类。
3. 3.
   乙酸生成：VFA被进一步转化为乙酸、H₂和CO₂。
4. 4.
   甲烷生成：乙酸和H₂/CO₂被甲烷古菌转化为CH₄。

5. 影响AD性能的关键因素

5.1. 温度

分为嗜冷（15–25°C）、嗜温（35–40°C）和嗜热（50–60°C）条件。嗜温条件最常用，嗜热条件可提高负荷率但稳定性差。低温AD（如10°C）虽可行，但微生物多样性会降低。

5.2. 水力停留时间（HRT）

缩短HRT可减少反应器体积，但过低会导致微生物洗出和VFA积累。建议采用消化物再循环以维持菌群稳定性。

5.3. 有机负荷率（OLR）

高OLR可提高处理效率，但易引发酸抑制。需通过接种物预适应和逐步提高负荷来实现稳定启动。

5.4. 混合

适度的混合可促进传质和避免分层，但过度混合会破坏微生物絮体或颗粒。

5.5. 碳氮比（C/N）

推荐C/N为25–30。乳清渗透液C/N高，需通过共消化（如与畜禽粪便）平衡营养，防止氨抑制或VFA积累。

5.6. pH

不同微生物群最适pH不同： acidogens为5.2–6.5，methanogens为7.5–8.5。乳清渗透液初始pH低，易导致酸化，需添加缓冲剂（如NaHCO₃）或采用两阶段反应器分别优化酸化和甲烷化条件。

5.7. 微量元素

Fe、Ni、Co、Mo等对甲烷菌酶活性至关重要。补充微量元素可促进VFA降解、减轻H₂S抑制，并恢复失稳反应器。

6. 乳清渗透液AD研究概述

研究显示，乳清渗透液AD的甲烷产率理论值可达212.6 L CH₄/kg乳糖（STP条件下）。但实际操作中，易因快速酸化导致VFA积累（尤其是丙酸）和pH下降，抑制甲烷生成。为解决该问题，研究采用策略包括：

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  反应器设计：两阶段系统（如CSTR-UASB）可分离酸化和甲烷化步骤，提高稳定性。
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  共消化：与含氮原料（如牛粪）混合可提供缓冲能力和营养平衡。
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  生物强化：投加特定微生物菌剂可改善进程效率。
  此外，AD还可定向生产VFA（如乙酸、丙酸）或H₂，作为高附加值产品。

7. 未来展望

未来研究应优先统一术语标准、建立系统质量平衡评估方法、开展技术经济与生命周期评价，并探索工艺集成与调控策略，以推动乳清渗透液AD的工业化应用。

8. 结论

乳清渗透液通过AD实现资源化，不仅可生产可再生能源（CH₄）和高值化学品（VFA），还能有效降低环境负荷。然而，仍需在工艺稳定性、微生物调控和经济可行性方面深入研究，以充分发挥其潜力。