甘蔗渣生產(chǎn)燃料乙醇技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

劉 洋，姚艷麗，徐 磊，胡小文，高玉堯，邢淑蓮

(中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院湛江實(shí)驗(yàn)站，廣東 湛江 524013)

甘蔗渣生產(chǎn)燃料乙醇技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

劉 洋，姚艷麗，徐 磊，胡小文，高玉堯，邢淑蓮

(中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院湛江實(shí)驗(yàn)站，廣東 湛江 524013)

甘蔗渣是制糖工業(yè)的主要副產(chǎn)物，將其生產(chǎn)成燃料乙醇具有廣闊的應(yīng)用前景。本文重點(diǎn)介紹了近年來國內(nèi)外有關(guān)甘蔗渣燃料乙醇過程中的預(yù)處理、纖維素水解、凈化、發(fā)酵等工藝的最新研究進(jìn)展。希望能為甘蔗渣燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供一些幫助。

甘蔗渣；燃料乙醇；預(yù)處理；纖維素

0 引言

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源的消耗將越來越大。發(fā)展新型可再生能源將是解決這一問題的有效途徑之一。燃料乙醇作為一種清潔的可再生能源，具有良好的應(yīng)用前景[1]。燃料乙醇的發(fā)展經(jīng)歷了2個(gè)過程。一代乙醇主要是利用玉米、水稻和小麥等谷物為原料，通過酶解轉(zhuǎn)化為糖，然后經(jīng)發(fā)酵而成。二代乙醇主要是利用農(nóng)作物秸稈、植物纖維素和甘蔗渣等為原料，這些原料必須先經(jīng)過纖維素酶解轉(zhuǎn)化為糖，然后再經(jīng)發(fā)酵生成乙醇。由于糧食安全等問題，我國一代乙醇已經(jīng)被全面禁止，但在美國等發(fā)達(dá)國家仍然在生產(chǎn)。二代乙醇由于原料大多是農(nóng)作物的廢棄物，受到了國家和企業(yè)的重視[2]。

木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料乙醇的原料主要被分成4大類：①作物的廢棄物，主要包括水稻秸稈、玉米秸稈、小麥秸稈、高粱秸稈、甘蔗渣等；②含有纖維素的林木，主要包括楊樹和松樹等；③能源植物，主要包括王草、柳枝稷、苜蓿等；④城市固體廢棄物，主要包括辦公廢紙、家具等。目前，世界上已經(jīng)有許多企業(yè)開始利用纖維素生產(chǎn)燃料乙醇，但是其生產(chǎn)過程中仍然有許多問題未能有效解決，其生產(chǎn)成本仍然很高。近年來，隨著生物技術(shù)、物理技術(shù)等的不斷發(fā)展，人們渴望在不久的將來能有效解決這些問題。

甘蔗渣是制糖工業(yè)的主要副產(chǎn)物(占24%～27%)，是甘蔗提取汁液后獲得的纖維殘余物[3]，特別是在熱帶地區(qū)的國家，如何有效利用這些纖維素原料，是目前人們普遍關(guān)注的一個(gè)問題。甘蔗渣主要來源于巴西、印度、中國、印度尼西亞、古巴、哥倫比亞等地。通常1 t甘蔗可以產(chǎn)生280 kg甘蔗渣，目前全世界每年約產(chǎn)生甘蔗渣5.4×108t[4]，其中大約50%的甘蔗渣被直接燃燒供熱，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，對環(huán)境也造成破壞。我國也是甘蔗生產(chǎn)大國，每年產(chǎn)生的甘蔗渣產(chǎn)量約為2000多萬t，具有很大的利用空間和潛力。近年來由于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用工程技術(shù)的快速發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)甘蔗渣不僅是天然高分子材料、綠色化學(xué)品的寶庫，其中還蘊(yùn)藏著豐富的生物質(zhì)能。甘蔗渣作為生物質(zhì)原料具有來源集中、收集簡單、運(yùn)輸成本低等優(yōu)勢，而且蔗渣成分相對穩(wěn)定、性質(zhì)均一，是理想的生物煉制的優(yōu)質(zhì)原料。因此，如何利用甘蔗渣生產(chǎn)可再生能源得到了更大的關(guān)注。此外，通過熱電聯(lián)產(chǎn)方式可以將甘蔗渣有效利用。不含水的甘蔗渣的總熱值為19.25 MJ/kg，含有48%水分的甘蔗渣熱值為9.95 MJ/kg。一般情況下，燃燒產(chǎn)生蒸汽和電可滿足甘蔗糖廠的一般需求。但隨著聯(lián)合技術(shù)的改進(jìn)，糖廠也可以把剩余電力出售給國家電網(wǎng)或直接給其他用戶[5-6]。然而，在一些國家中，蔗渣通常在低效率鍋爐中燃燒，該過程利用效率低，環(huán)境污染嚴(yán)重，并不是最好的利用方式。

甘蔗渣生產(chǎn)燃料乙醇主要包括生物質(zhì)預(yù)處理，纖維素水解，糖發(fā)酵等步驟，其中生物質(zhì)預(yù)處理和纖維素水解是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，目前可改進(jìn)的空間很大。本文就近年來甘蔗渣生產(chǎn)乙醇研究方面取得的一些進(jìn)展做一個(gè)簡要的綜述，希望能為產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展提供一些幫助。

1 甘蔗渣成分與結(jié)構(gòu)

1.1 甘蔗渣的主要成分與性質(zhì)

與其他作物秸稈相比，甘蔗渣中纖維素和半纖維素含量較高，蛋白、淀粉和可溶性糖含量較少，蔗渣中的農(nóng)藥殘留量很低，但其木質(zhì)化程度也較高[7]。甘蔗渣是甘蔗經(jīng)過壓榨的產(chǎn)物，也屬于作物秸稈的范疇。甘蔗渣中干物質(zhì)含量通常為90%～92%，其中纖維素42%～50%，半纖維素25%～30%，木質(zhì)素20%～25%，粗蛋白質(zhì)2.0%，粗脂肪0.7%，粗灰分2%～3%[8-9]。甘蔗渣中的纖維素是以葡萄糖苷鍵形成的天然高分子化合物，是具有不同形態(tài)的固體纖維狀物質(zhì)，相對分子質(zhì)量約為1×107～2×107之間。甘蔗渣既不溶于水，也不溶于有機(jī)溶劑，加熱也不能熔化，但在高溫時(shí)可分解，在酸性條件下發(fā)生水解[10]。

1.2 甘蔗渣的結(jié)構(gòu)特征

甘蔗渣主要成分是纖維素(42%～50%)和半纖維素(25%～30%)。纖維素是由許多葡萄糖以β-1,4苷鍵縮合而成的高分子化合物。分子間彼此以氫鍵相連，盡管氫鍵的鍵能比一般的化學(xué)鍵能小得多，但因氫鍵的數(shù)目多，故相當(dāng)牢固，以致在一般的食品加工條件下纖維素不可破壞[11-12]。半纖維素的化學(xué)性質(zhì)與纖維素相似，是由不同的己、戊糖基接成的不均一聚糖，與纖維素相比其聚合度相對較小，容易被分解利用[13]。

2 預(yù)處理方法

木質(zhì)纖維素主要以多糖為主，不易被利用，必須通過酸或酶水解成可發(fā)酵的糖。水解是從木質(zhì)纖維素材料獲得糖的有效途徑，但是天然纖維素的可及度是一個(gè)重要的限制因素。植物中的纖維素與半纖維素和木質(zhì)素交織在一起，木質(zhì)素與半纖維素部分共價(jià)締合，從而防止了酶直接作用于纖維素。此外，纖維素本身的晶體結(jié)構(gòu)也在一定程度上增加酶水解的難度。因此，通過適合的預(yù)處理方法，除去纖維素中的木質(zhì)素和半纖維素，降低纖維素結(jié)晶度和增加材料的孔隙率[14]，是提高酶解效率的關(guān)鍵步驟。同時(shí)，預(yù)處理的過程必須保持半纖維素的效用并避免形成抑制劑[15]。經(jīng)濟(jì)的預(yù)處理技術(shù)應(yīng)該使用廉價(jià)的化學(xué)品，并且只需簡單的設(shè)備和步驟[3]。

目前，對于不同的木質(zhì)纖維素已經(jīng)獲得了幾種預(yù)處理方法[16-18]，主要包括化學(xué)方法、物理方法和生物酶解方法。化學(xué)方法包括各種酸處理[19-23]和堿處理[24]；物理方法包括蒸汽爆炸[25-26]和液體熱水預(yù)處理[15]等；生物酶解主要是白腐菌處理[27-28]。此外，還有微波超聲波震蕩、高能輻射、濕氧化[3]和有機(jī)溶劑預(yù)處理等[29-31]。在所有這些方法中，酸處理是目前應(yīng)用最廣效果最理想的方法。

2.1 化學(xué)預(yù)處理

用1%～10%的稀硫酸，鹽酸或乙酸的水解通常稱為酸水解。其優(yōu)點(diǎn)是可以通過稀酸將半纖維素水解成單糖。甘蔗渣的半纖維素含量可達(dá)35%，用酸水解可以得到更多的單糖。然而，由于酸水解期間的液/固比較高，水解產(chǎn)物中還原糖的濃度相對較低，因此水解產(chǎn)物需在發(fā)酵前濃縮[22]。

酸可以攻擊多糖，特別是比纖維素更容易水解的半纖維素。因此，纖維素和木質(zhì)素部分在固相中幾乎保持不變，可以進(jìn)一步加工利用[32]。酸水解的產(chǎn)物液相主要由單糖（木糖、葡萄糖和阿拉伯糖），半纖維素的分解產(chǎn)物（來自聚合物的低聚物和與糖連接的乙酰基水解產(chǎn)生的乙酸）和單糖的分解產(chǎn)物（例如糠醛，戊糖脫水產(chǎn)物，5-羥甲基糠醛(HMF)和己糖脫水的產(chǎn)物）組成[19]。這些產(chǎn)物是微生物生長的抑制劑。但是，如果保持低的抑制劑濃度，水解產(chǎn)物則可以被用作發(fā)酵的培養(yǎng)基[32]。

Pattra等(2008)在121℃條件下，使用不同體積濃度(0.25%～7.0%)H2SO4和反應(yīng)時(shí)間(15～240 min)評估了甘蔗渣的水解效果[23]。獲得的最佳條件為0.5%的H2SO4水解60 min，可產(chǎn)生24.5 g/L的總糖。在這個(gè)條件下，可獲得最高的葡萄糖濃度11 g/L，還可獲得木糖11.29 g/L；阿拉伯糖2.22 g/L；但也可產(chǎn)生2.48 g/L的乙酸和0.12 g/L的糠醛。從0.5%增加到1.0% H2SO4不影響甘蔗渣半纖維素水解產(chǎn)物中的葡萄糖濃度，但是當(dāng)H2SO4濃度在1.0%和5.0%之間時(shí)，葡萄糖濃度會(huì)有所降低。研究還發(fā)現(xiàn)，木糖是甘蔗渣半纖維素水解產(chǎn)物中的主要糖。為了增加甘蔗渣中的還原糖產(chǎn)量以及酸的回收利用，Cheng等(2008)提出了通過電滲析進(jìn)行酸的再循環(huán)方法[22]。用酸處理木質(zhì)纖維素時(shí)遇到的主要問題是形成呋喃衍生物和其它未知的有毒產(chǎn)物。在木聚糖的情況下尤為突出，非常容易導(dǎo)致糠醛產(chǎn)生。鹽酸也可用于木質(zhì)纖維素的預(yù)處理（例如高粱秸稈，甘蔗渣，黑麥草等），然而，其環(huán)境破壞和腐蝕性強(qiáng)嚴(yán)重的限制了其應(yīng)用。與其它木質(zhì)纖維素相比，用HCl水解甘蔗渣產(chǎn)率更高，還原糖轉(zhuǎn)化率可超過30%[24]。

用H3PO4預(yù)處理甘蔗渣的優(yōu)點(diǎn)是用NaOH中和水解產(chǎn)物之后，形成的磷酸鈉可以保留在水解產(chǎn)物中，作為微生物的營養(yǎng)物[17]。磷酸鈉不需要過濾操作，可以減少工藝流程，對環(huán)境也沒什么影響。Gámez等(2006)發(fā)現(xiàn)用H3PO4預(yù)處理甘蔗渣后木糖濃度為17.6 g/L，阿拉伯糖濃度為2.6 g/L，葡萄糖濃度為3.0 g/L，糠醛濃度為1.2 g/L，乙酸濃度為4.0 g/L。使用為2%、4%和6%的H3PO4濃度，在60 min反應(yīng)的水解產(chǎn)物中的木糖濃度分別為6、7.3和8.6 g/L[19]。在Rodriguez-Chong等人(2004)的研究中，硝酸也具有類似的水解結(jié)果。水解條件為：酸濃度2%～6%，反應(yīng)時(shí)間0～300 min，溫度100～128℃。最佳條件為：溫度122℃，酸濃度6%，時(shí)間9.3 min。在這個(gè)條件下，可產(chǎn)生木糖18.6 g/L，阿拉伯糖2.04 g/L，葡萄糖2.87 g/L；乙酸0.9 g/L和糠醛1.32 g/L，180 min后達(dá)到最高的木糖濃度21.0 g/L[20]。

研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過NaOH溶液處理的纖維素可及度提高，但不同的NaOH溶液濃度、液比、溫度、浸漬時(shí)間等因素對纖維素分解影響較大。甘蔗渣的NaOH預(yù)處理可以消化木質(zhì)素，并使纖維素和半纖維素用于水解[33]。用NaOH處理甘蔗渣可以破壞細(xì)胞壁溶解半纖維素、木質(zhì)素和二氧化硅，通過水解成為糖醛酸和乙酸酯，降低纖維素的結(jié)晶度。通過該方法，可以將甘蔗渣簡單地分餾成堿溶性木質(zhì)素、半纖維素和殘留物，易于利用它們獲得更有價(jià)值的產(chǎn)品。末端殘基（主要是纖維素）可用于生產(chǎn)紙、纖維素衍生物和木聚糖[34]。研究發(fā)現(xiàn)用1%和3%NaOH水溶液連續(xù)處理甘蔗渣，可從蔗渣中得到25.1%半纖維素，占原始半纖維素的74.9%[34]。這些結(jié)果表明，在這些條件下1%和3%NaOH水溶液可以促進(jìn)半纖維素多糖和木質(zhì)素大分子的溶解。還有研究表明，用ZnCl2處理纖維素可提高纖維素酶水解的速率和產(chǎn)率。此外，還發(fā)現(xiàn)甲胺、乙胺等胺類試劑對一些特殊纖維素有消晶作用，也可提高纖維素酯化反應(yīng)的反應(yīng)活性[12]。

2.2 物理預(yù)處理

通過熱處理的木質(zhì)纖維素材料可提高分餾和溶解的效率，促進(jìn)半纖維素的提取。Boussarsar等(2009)研究了甘蔗渣水熱處理的轉(zhuǎn)化率，最佳條件為170℃保溫2 h。然而，通過熱水解得到的產(chǎn)物存在木聚糖低聚物和大鏈的聚合物[35]。盧波等(2009)使用甘蔗渣作為原料研究了蒸汽預(yù)處理?xiàng)l件對乙醇產(chǎn)率的影響[26]。最佳的預(yù)處理?xiàng)l件是：SO2浸漬，180℃保溫5 min，可得到86.3%的葡萄糖產(chǎn)率和72.0%的木糖產(chǎn)率，可以達(dá)到理論值80%的乙醇產(chǎn)率。此外，微波和超聲波輻射也可以提高纖維素堿化反應(yīng)速率，尤其可大大改善高碘酸高選擇性氧化纖維素的反應(yīng)條件[36-37]。用高能射線如電子射線、γ射線在黏膠纖維、醋酸纖維等生產(chǎn)過程中對纖維素原料進(jìn)行預(yù)處理，也可得到理想的纖維素聚合度并增加纖維素的活性。這些技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以減少溶劑反應(yīng)和化學(xué)藥品的使用，從而降低對環(huán)境的危害。蒸汽爆破技術(shù)是一種新型的技術(shù)，利用此技術(shù)可以極大地提高纖維素的預(yù)處理效果，且成本較低[26]。河南天冠酒精集團(tuán)已成功利用氣爆技術(shù)預(yù)處理小麥和玉米秸稈，此項(xiàng)技術(shù)擁有廣闊的應(yīng)用前景。

2.3 生物酶解預(yù)處理

生物酶解法是采用微生物對木質(zhì)纖維素原料進(jìn)行降解的一種方法。經(jīng)過微生物的處理可以有效提高纖維素或半纖維素的可及度，增加酶解糖化率的效果。目前可利用的微生物主要有白腐菌、褐腐菌和軟腐菌等。生物酶解技術(shù)是目前發(fā)展的主要方向，此項(xiàng)技術(shù)具有環(huán)保、可持續(xù)性強(qiáng)等優(yōu)勢。但目前酶法預(yù)處理工業(yè)化的難題之一就是成本較高，占整個(gè)生產(chǎn)過程總費(fèi)用的60%～80%[38]。如何降低成本是目前研究的重點(diǎn)課題之一。用于生物預(yù)處理的最有希望的微生物是白腐真菌[39]。Camassola和Dillon(2009)使用白腐菌Pleurotussajor-caju PS2001預(yù)處理甘蔗渣。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過生物預(yù)處理的甘蔗渣可通過青霉菌產(chǎn)生纖維素酶和木聚糖酶[28]。盡管這種預(yù)處理方式具有環(huán)保的優(yōu)勢，但是研究發(fā)現(xiàn)使用Pleurotussajor-caju PS2001的生物預(yù)處理效果并不是很理想。然而，用這種方法可以產(chǎn)生纖維素和半纖維素復(fù)合酶，可以用于蘑菇的培養(yǎng)，從而增加其附加值。另外，其他一些真菌如海洋真菌Phlebia sp. MG-60是從紅樹林植物篩選得到的，已經(jīng)被證明有良好的木質(zhì)素降解能力[27]。Li等人(2002)將這種海洋真菌預(yù)處理甘蔗渣，有超過50%的木質(zhì)素被Phlebia sp. MG-60降解，并且纖維素的損失率小于10%[27]。在沒有添加Kirk營養(yǎng)物(葡萄糖10 g/L，酒石酸銨0.221g/L，乙酸鈉1.64 g/L，聚山梨酯80 1.0 g/L)的條件下，Phlebia sp. MG-60并沒有表現(xiàn)出比白腐菌或者真菌更高的降解能力。然而，當(dāng)在培養(yǎng)基中加入Kirk[40]后，其降解能力顯著提升。因此，通過在培養(yǎng)基中適當(dāng)?shù)靥砑尤鏚irk等的營養(yǎng)物，Phlebia sp. MG-60可以更有效地降解甘蔗渣中的木質(zhì)素，而全纖維素幾乎沒有受損。

3 纖維素水解

從預(yù)處理中獲得的纖維素可以使用濃（?。┧峄蛎附到獬善咸烟?。如果使用稀酸(H2SO4和HCl)，需要在1.5%酸濃度下200～240℃的溫度來水解結(jié)晶纖維素[41]。但是在這種條件下，葡萄糖也不可避免被降解成HMF和其它不期望的產(chǎn)物。然而，使用微生物水解纖維素不會(huì)降解葡萄糖，還被證明對于隨后的發(fā)酵具有更好的效果，缺點(diǎn)是時(shí)間較長，成本較高。

目前，普遍認(rèn)為利用纖維素酶對纖維素水解是最有希望的方法[42]。商業(yè)的纖維素酶已經(jīng)用于甘蔗渣乙醇生產(chǎn)。為了有助于酶對木質(zhì)纖維素的作用效果，需要進(jìn)行預(yù)處理以增加纖維原材料中纖維素的可及度。如果預(yù)處理?xiàng)l件太苛刻，釋放的糖降解為酶和酵母抑制化合物，會(huì)降低總產(chǎn)率。另一方面，如果使用太弱的預(yù)處理?xiàng)l件，則會(huì)導(dǎo)致酶和纖維素的可及度降低。

Hernández-Salas等(2009)優(yōu)化了處理甘蔗渣的酶制劑，其含有Celluclast，Novozyme和Viscozyme L。甘蔗渣堿性酶水解中的樣品，與龍舌蘭渣(12%～58%)相比，還原糖產(chǎn)率(11%～20%)明顯降低了。來自堿性酶處理的水解物中的葡萄糖濃度較高[24]。Martín等(2002)使用內(nèi)葡聚糖酶和纖維二糖酶的混合物以糖化蒸汽預(yù)處理的甘蔗渣，所得水解產(chǎn)物具有類似于化學(xué)處理的糖組分[43]。

Martín等(2007)研究了濕氧化預(yù)處理對甘蔗渣的分餾和酶轉(zhuǎn)化性的影響。預(yù)處理?xiàng)l件改善了纖維素的酶轉(zhuǎn)化性。在195℃，15 min和堿性pH預(yù)處理?xiàng)l件下，可獲得最高轉(zhuǎn)化率為74.9%。將水解時(shí)間從24 h加倍至48 h僅導(dǎo)致一些額外的轉(zhuǎn)化，因?yàn)榇蠖鄶?shù)纖維素在第一個(gè)24 h期間已經(jīng)水解[3]。這種預(yù)處理最高的總葡萄糖產(chǎn)率為68.9%，其不僅考慮了在酶水解期間形成的葡萄糖，而且考慮了在預(yù)處理期間發(fā)生的損失。酶可轉(zhuǎn)化性的增加可能與低含量的木質(zhì)素和半纖維素以及剩余固體材料的高纖維素含量有關(guān)。半纖維素和木質(zhì)素的溶解肯定導(dǎo)致纖維素對酶的可及度的增加。纖維素的晶體結(jié)構(gòu)的一些破壞和其聚合度的降低是導(dǎo)致在預(yù)處理期間發(fā)生的酶可轉(zhuǎn)化性的改進(jìn)的重要因素。木質(zhì)素作為纖維素酶的競爭性吸附劑，也降低了吸附的酶的活性[3]。

4 預(yù)處理產(chǎn)物的凈化

在木質(zhì)纖維素的預(yù)處理期間，除了糖之外，還形成脂肪酸（乙酸、甲酸和乙酰丙酸），呋喃衍生物糠醛和HMF，以及酚類化合物。在使用酸或高溫時(shí)更容易產(chǎn)生這些物質(zhì)，影響乙醇的發(fā)酵能力?？啡┛梢宰鳛槲焯堑慕到猱a(chǎn)物，研究發(fā)現(xiàn)糠醛含量隨酸濃度增加而增加[23]。

在甘蔗渣半纖維素水解產(chǎn)物中另一個(gè)抑制物是乙酸，當(dāng)水解反應(yīng)發(fā)生在半纖維素的乙酰基時(shí)，可以產(chǎn)生乙酸[20]。通常，當(dāng)乙酸濃度為4～10 g/L時(shí)，對酵母具有抑制作用。用6%H2SO4處理60 min后，甘蔗渣水解產(chǎn)物的乙酸最高濃度為2.72 g/L，低于抑制效應(yīng)的臨界值[23]。但是。用4%H3PO4處理300 min，乙酸濃度可達(dá)到4.0 g/L，產(chǎn)生抑制效果[17]。另外，使用6%H3PO4在300℃下可獲得相對低的糠醛濃度(1.5 g/L)，但是已經(jīng)超過酵母的抑制臨界值(1.0 g/L)。這表明在甘蔗渣預(yù)處理時(shí)，應(yīng)該注意預(yù)處理方式的選擇。已知幾種凈化方法，例如酸堿中和，氫氧化鈣，活性炭，離子交換樹脂[44]和使用漆酶等[21]都可以不同程度地降低水解產(chǎn)物中的抑制化合物。在甘蔗渣水解產(chǎn)物中添加這些物質(zhì)的確有凈化的效果，但是目前還沒有一種方法可以同時(shí)除去所有的有害物質(zhì)。

目前使用的另一種凈化方法是電滲析(ED)，屬于電化學(xué)分離方法。Cheng等人(2008)已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)電滲析方法可以有效地進(jìn)行甘蔗渣酸水解產(chǎn)物的凈化，凈化后的水解產(chǎn)物具有更好的發(fā)酵能力[22]。揮發(fā)性化合物，例如糠醛，可以通過沸騰除去，同時(shí)通過電滲析可以除去乙酸和硫酸。在通過電滲析處理后，水解產(chǎn)物中90%的乙酸被除去，而葡萄糖，木糖，阿拉伯糖，半乳糖，甘露糖和纖維二糖的損失率低于5%。此外，通過蒸餾分離和收集，硫酸可以重復(fù)使用，這將節(jié)省運(yùn)行成本降低環(huán)境影響。雖然采用ED技術(shù)減少了糖的損失，然而由于儀器成本過高，利用ED凈化的經(jīng)濟(jì)評價(jià)還需要在乙醇的實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)一步研究[22]。

除了采用化學(xué)和物理的方法外，也可以采用生物凈化的方法。Chandel等人(2007)比較了甘蔗渣水解產(chǎn)物各種凈化方法的效率[21]。漆酶的濃度不會(huì)對乙酸產(chǎn)生任何影響，對總糖的損失也很小，但是可以最大程度地去除酸水解產(chǎn)物中存在的酚類化合物。離子交換處理的水解產(chǎn)物可以得到最高的乙醇濃度(8.67 g/L)，然后依次是活性炭(7.43 g/L)，漆酶(6.50 g/L)，過堿化(5.19 g/L)和中和處理(3.46 g/L)。

5 糖發(fā)酵生產(chǎn)乙醇

目前，糖發(fā)酵生產(chǎn)工藝主要有3種，即分步糖化發(fā)酵(SHF)、同步糖化發(fā)酵(SSF)和同步糖化共發(fā)酵(SSCF)。這3種發(fā)酵方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，但是如果技術(shù)能夠得到改進(jìn)，SSCF被認(rèn)為是最理想的發(fā)酵方式。

SHF法是將纖維素的水解和發(fā)酵在不同單元中進(jìn)行[18]。使用該工藝預(yù)處理的木質(zhì)纖維素材料的固體部分經(jīng)歷水解（糖化）。一旦水解完成，所得纖維素水解產(chǎn)物就會(huì)發(fā)酵并轉(zhuǎn)化為乙醇。釀酒酵母是木質(zhì)纖維素水解產(chǎn)物發(fā)酵最常用的微生物，該酵母可發(fā)酵水解產(chǎn)物中所含的己糖，但是不能發(fā)酵戊糖。SHF方法的主要特征之一是每個(gè)步驟可以在其最佳操作條件（特別是溫度和pH）下進(jìn)行。經(jīng)過凈化的半纖維素水解產(chǎn)物可以與來自酶反應(yīng)器的纖維素水解產(chǎn)物合并。為了增加轉(zhuǎn)化乙醇效率，酵母也可以用來轉(zhuǎn)化木糖，但是在這種情況下，其轉(zhuǎn)化率低于僅吸收己糖的微生物，這主要是由于酵母的雙岐生長造成的。為了抵消這種影響，可以使用連續(xù)發(fā)酵，并且2種發(fā)酵獨(dú)立地進(jìn)行（共發(fā)酵）。另外，研究還表明，戊糖發(fā)酵生產(chǎn)率要低于己糖發(fā)酵的生產(chǎn)率。木質(zhì)纖維素水解產(chǎn)物的共發(fā)酵技術(shù)可以有效地利用生物質(zhì)預(yù)處理和纖維素水解期間釋放的所有糖。使用2種或多種相容的微生物混合物，可以同時(shí)同化己糖和戊糖，這將大大提高乙醇轉(zhuǎn)化率。

纖維素向乙醇的轉(zhuǎn)化也可以通過同步糖化發(fā)酵(SSF)進(jìn)行。這種方法是將具有纖維素分解活性的幾種酶（基本上是內(nèi)切葡聚糖酶、纖維二糖水解酶和β-葡萄糖苷酶）同時(shí)加入到同一容器中。使糖化產(chǎn)生的纖維二糖和葡萄糖轉(zhuǎn)化為乙醇。與SHF相比，SSF在工藝上簡化了設(shè)備，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了能源。但是，SSF也具有一些不利的因素，如存在一些抑制因子，水解和發(fā)酵的最佳條件不一致等，這使得其控制和優(yōu)化更難[45]。此外，此方式還需要更大量的外源酶[17]。

在木質(zhì)纖維素乙醇生產(chǎn)中，目前非常有希望的整合構(gòu)型是將戊糖發(fā)酵也放入SSF流程中，該方法稱為同步糖化共發(fā)酵(SSCF)。SSCF將纖維素水解釋放的葡萄糖發(fā)酵和存在于進(jìn)料流中的戊糖發(fā)酵在同一單元中同時(shí)完成，因此具有更高的集成度。除了要利用纖維素酶外，SSCF中的關(guān)鍵因素是如何有效利用乙醇生產(chǎn)的微生物。這些微生物不僅可以吸收在預(yù)處理步驟期間釋放的己糖（主要是葡萄糖），而且還可以吸收半纖維素水解產(chǎn)生的戊糖（主要是木糖）。Cardona和Sánchez(2007)利用基因工程手段，已經(jīng)成功開發(fā)了可用于SSCF方法中的復(fù)合微生物[17]。目前具有己糖和戊糖分解代謝能力的重組大腸桿菌、運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌和釀酒酵母菌株已經(jīng)成功構(gòu)建，使得SSCF工藝在經(jīng)濟(jì)上是可行的[46]。

目前，已經(jīng)有很多甘蔗渣生產(chǎn)乙醇的成功報(bào)道，甘蔗渣燃料乙醇產(chǎn)率可達(dá)48%。Hernández-Salas等(2009)通過稀酸(HCl)和堿(NaOH)預(yù)處理甘蔗渣，水解產(chǎn)物用非重組菌株的釀酒酵母發(fā)酵，通過發(fā)酵可以獲得大量乙醇，乙醇產(chǎn)率為32.6%[24]。另外，使用酸預(yù)處理獲得的甘蔗渣水解產(chǎn)物使用Pachysolen tannophilus DW06菌株發(fā)酵，并用電滲析凈化，可以獲得34%的乙醇產(chǎn)率[22]。Chandel等(2007)利用HCl預(yù)處理甘蔗渣，用NCIM 3501發(fā)酵水解產(chǎn)物，并采用適當(dāng)?shù)膬艋椒ǐ@得更高的乙醇產(chǎn)率[21]。其中采用工業(yè)離子交換樹脂、48%的木炭和37%的漆酶效果較好，而用過減法中和處理效果較差[19]。

綜上所述，預(yù)處理是甘蔗渣乙醇生產(chǎn)中最重要的步驟之一。雖然酸處理效果較好，但是污染問題仍然突出。因此，預(yù)計(jì)在不久的將來，生物預(yù)處理技術(shù)將成為主要的預(yù)處理技術(shù)。生物預(yù)處理的關(guān)鍵是篩選合適的菌株，隨著生物工程手段的不斷改進(jìn)，可能會(huì)出現(xiàn)分解木質(zhì)素和半纖維素能力很強(qiáng)的菌株。另外，采用有機(jī)溶劑和濕氧化的預(yù)處理方法也被認(rèn)為是將來的突破口。但是，仍然需要一定的時(shí)間，同時(shí)也需要國家和各個(gè)研究機(jī)構(gòu)的共同努力。甘蔗渣乙醇的另一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是纖維素水解，其核心就是纖維素水解菌株產(chǎn)酶能力的提高。就目前的情況來看，纖維素酶的成本依然很高，需要發(fā)現(xiàn)新的高效菌株或者采用生物工程的方法構(gòu)建新的菌株。SSCF工藝被認(rèn)為是最理想的乙醇生產(chǎn)工藝，但是其發(fā)酵條件的優(yōu)化控制難度較大，這還需進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。

6 展望

近年來，隨著石油等能源的不斷枯竭，環(huán)保問題日益加劇，利用生物質(zhì)能源已經(jīng)成為世界各國研究的熱點(diǎn)。生物能源可減少溫室氣體的排放，減少不可再生資源的浪費(fèi)，從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。甘蔗渣是制糖工業(yè)的主要剩余物，與農(nóng)作物秸稈相比，其已經(jīng)經(jīng)過一次粉碎和壓榨，且收集方式簡單，是理想的生物質(zhì)原材料。如果能探索出一套包括甘蔗渣收集、運(yùn)輸、預(yù)處理、纖維素水解和發(fā)酵的理想工藝流程，可以獲得更高的乙醇產(chǎn)量。但是就目前的技術(shù)而言，甘蔗渣乙醇的生產(chǎn)成本仍然相對較高。

熱電聯(lián)產(chǎn)雖然能夠提供一些電力能源，但就環(huán)保等發(fā)展趨勢來看，仍然不是最理想的利用方式。而且，糖廠把甘蔗渣燃燒提供需要的熱力和電力會(huì)造成與甘蔗渣乙醇競爭原材料。如果纖維素乙醇的成本降低，可以將用于燃燒的甘蔗渣用于乙醇的生產(chǎn)，這樣利用效率會(huì)更高。另外，大多數(shù)甘蔗汁和基于糖蜜的乙醇生產(chǎn)方法在穩(wěn)定性方面也遇到許多問題，在甘蔗渣乙醇工藝中存在新的抑制劑影響了工藝的穩(wěn)定性。因此，如果大規(guī)模使用甘蔗渣生產(chǎn)乙醇還需要認(rèn)真考慮這一問題。

綜上所述，甘蔗渣燃料乙醇雖然獲得了一些進(jìn)展，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。一是如何降低水解成本，以使甘蔗渣成為更便宜的底物；二是工藝流程優(yōu)化，包括凈化技術(shù)和纖維素酶的生產(chǎn)；三是在商業(yè)規(guī)模的發(fā)酵操作中如何維持微生物的穩(wěn)定性。在原材料改造方面，未來的趨勢還包括利用生物工程手段創(chuàng)造新的具有較高碳水化合物含量或者能改變自身物理結(jié)構(gòu)的植物材料，這樣就可以在較溫和的條件下或使用半纖維素酶進(jìn)行預(yù)處理。總之，目前在甘蔗渣乙醇技術(shù)工藝方面已經(jīng)獲得了較大的進(jìn)展，但是在預(yù)處理和纖維素水解等技術(shù)方面仍然需要繼續(xù)改進(jìn)。相信在不久的將來，甘蔗渣乙醇會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

[1] 閉帥珠，彭林才，陳克利. 蔗渣纖維素乙醇的預(yù)處理技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 生物質(zhì)化學(xué)工程，2016，50(2)：53-60.

[2] 王奇，朱艷. 秸稈生產(chǎn)乙醇預(yù)處理的研究現(xiàn)狀分析[J].生物質(zhì)化學(xué)工程，2012，46(5)：53-58.

[3] MARTíN C, KLINKE H B, THOMSEN A B. Wet oxidation as a pretreatment method for enhancing the enzymatic convertibility of sugarcane bagasse[J]. Enzyme Microb. Technol., 2007, 40: 426-432.

[4] 林鑫，武國慶. 纖維素乙醇關(guān)鍵技術(shù)及進(jìn)展[J]. 生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)，2015，2(2)：16-21.

[5] QUINTERO J A, CARDONA C A. Ethanol dehydration by adsorption with starchy and cellulosic materials[J]. Ind. Eng. Chem. Res., 2009, 48: 6783-6788.

[6] RAMJEAWONT. Life cycle assessment of electricity generation from bagasse in Mauritius[J]. J. Cleaner Prod., 2008, 16: 1727-1734.

[7] SHAIKH H M, PANDARE K V, NAIR G, et al. Utilization of sugarcane bagasse cellulose for producing cellulose acetates: Novel use of residual hemicellulose as plasticizer[J]. Carbohydrate polymers, 2009, 6(1): 23-29.

[8] 李永蓮，劉文鋒，林凱誠，等. 木質(zhì)纖維素預(yù)處理技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41(10)：158-161.

[9] 王允圃，李積華，劉玉環(huán)，等. 甘蔗渣綜合利用技術(shù)的最新進(jìn)展[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，26(16)：370-375.

[10] 張振，臧中盛，劉蘋，等. 木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法的研究進(jìn)展[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，51(7)：1306-1309.

[11] 李永蓮，劉文鋒，林凱誠，等. 木質(zhì)纖維素預(yù)處理技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41(10)：158-161.

[12] SUN J X, SUN X F, ZHAO H, et al. Isolation and characterization of cellulose from sugarcane bagasse [J]. Polymer Degradation and Stability, 2004(84): 331-339.

[13] 楊呂炎，姚建中，吳創(chuàng)之. 生物質(zhì)熱解過程中灰分對熱解油的影響[C]. 中國生物質(zhì)能技術(shù)研討會(huì)，2002：136-143.

[14] KELLER F A, HAMILTON J E, NGUYEN Q A. Microbial pretreatment of biomass[J]. Appl. Biochem. Biotechnol., 2003, 105-108: 27-41.

[15] LASER M, SCHULMAN D, ALLEN S G, et al. A comparison of liquid hot water and steam pretreatments of sugar cane bagasse for bioconversion to ethanol[J]. Bioresour. Technol., 2002, 81: 33-44.

[16] SUN Y, CHENG J. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a review[J]. Bioresour. Technol., 2002, 83: 1-11.

[17] CARDONA C A, SáNCHEZ O J. Fuel ethanol production: process design trends and integration opportunities[J]. Bioresour. Technol., 2007, 98: 2415-2457.

[18] SáNCHEZ O J, CARDONA C A. Trends in biotechnological production of fuel ethanol from different feedstocks[J]. Bioresour. Technol., 2008, 99: 5270-5295.

[19] GáMEZ S, GONZáLEZ-CABRIALES J J, RAMíREZ J A, et al. Study of the hydrolysis of sugar cane bagasse using phosphoric acid[J]. J. Food Eng., 2006, 74: 78-88.

[20] RODRIGUEZ-CHONG A, RAMIREZ J A, GARROTE G, et al. Hydrolysis of sugarcane bagasse using nitric acid: a kinetic assessment[J]. J. Food Eng., 2004, 61: 143-152.

[21] CHANDEL A K, KAPOOR R K, SINGH A, et al. Detoxification of sugarcane bagasse hydrolysate improves ethanol production by Candida shehatae NCIM 3501[J]. Bioresour. Technol., 2007, 98: 1947-1950.

[22] CHENG K K, CAI B Y, ZHANG J A, et al. Sugarcane bagasse hemicellulose hydrolysate for ethanol production by acid recovery process[J]. Biochem. Eng. J., 2008, 38: 105-109.

[23] PATTRA S, SANGYOKA S, BOONMEE M, et al. Bio-hydrogen production from the fermentation of sugarcane bagasse hydrolysate by Clostridium butyricum[J]. Int. J. Hydrogen Energy, 2008, 33: 5256-5265.

[24] HERNáNDEZ-SALAS J M, VILLA-RAMíREZ M S, VELOZ-RENDóN J S, et al. Comparative hydrolysis and fermentation of sugarcane and agave bagasse[J]. Bioresour. Technol., 2009, 100: 1238-1245.

[25] PATTI, R P, DELFORNO T P, SAKAMOTO I K, et al. Thermophilic hydrogen production from sugarcane bagasse pretreated by steam explosion and alkaline delignification[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2015, 40(19): 6296-6306.

[26] 盧波，經(jīng)艷，蔡愛華，等. 酸催化蒸汽爆破預(yù)處理提高蔗渣酶解性能研究[J]. 廣西科學(xué)，2009，16(4)：441-445.

[27] LI X, KONDO R, SAKAI K. Biodegradation of sugarcane bagasse with marine fungus Phlebia sp. MG-60[J]. J. Wood Sci., 2002, 48: 159-162.

[28] CAMASSOLA M, DILLON A J P. Biological pretreatment of sugar cane bagasse for the production of cellulases and xylanases by Penicillium echinulatum[J]. Ind. Crops Prod., 2009, 29: 642-647.

[29] PASQUINI D, PIMENTA M T B, FERREIRA L H, et al. Sugarcane bagasse pulping using supercritical CO2associated with co-solvent 1-butanol/water[J]. J. Supercrit. Fluids, 2005, 34: 125-131.

[30] PEREIRA A A, MARTINS G F, ANTUNES P A, et al. Lignin from sugar cane bagasse: extraction, fabrication of nanostructured films, and application[J]. Langmuir, 2007, 23: 6652-6659.

[31] TU Q, FU S, ZHAN H, et al. Kinetic modeling of formic acid pulping of bagasse[J]. J. Agric. Food Chem., 2008, 56: 3097-3101.

[32] GáMEZ S, RAMíREZ J A, GARROTE G, et al. Manufacture of fermentable sugar solutions from sugar cane bagasse hydrolyzed with phosphoric acid at atmospheric pressure[J]. J. Agric. Food Chem., 2004, 52: 4172-4177.

[33] PANDEY A, SOCCOL C R, NIGAM P, et al. Biotechnological potential of agro-industrial residues. I. Sugarcane bagasse[J]. Bioresour. Technol., 2000, 74(2): 69-80.

[34] PENG F, REN J L, XU F, et al. Comparative study of hemicelluloses obtained by graded ethanol precipitation from sugarcane bagasse[J]. J. Agric. Food Chem., 2009,57(14): 6305-6317.

[35] BOUSSARSAR H, ROGé B, MATHLOUTHI M. Optimization of sugarcane bagasse conversion by hydrothermal treatment for the recovery of xylose[J]. Bioresour. Technol., 2009, 100(24): 6537-6542.

[36] BINOD P, SATYANAGALAKSHMI K, SINDHU R, et al. Short duration microwave assisted pretreatment enhances the enzymatic saccharification and fermentable sugar yield from sugarcane bagasse[J]. Renewable Energy, 2012, 37(1): 109-116.

[37] 王淋靚，張思原，梁瓊元，等. 超聲波輔助堿性雙氧水法提取甘蔗渣纖維素最優(yōu)工藝探討[J]. 南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2013，44(6)：1008-1013.

[38] 趙艷鋒. 纖維素的改性技術(shù)及進(jìn)展[J]. 天津化工，2006，3(2)：11-14.

[39] PAN X, ARATO C, GILKES N, et al. Biorefining of softwoods using ethanol organosolve pulping: preliminary evaluation of process streams for manufacture of fuel-grade ethanol and co-products[J]. Biotechnol. Bioeng., 2005, 90: 473-481.

[40] KIRK T K, SCHULTZ E, CONNORS W J, et al. Influence of culture parameters on lignin metabolism by Phanerochaete chysosporium[J]. Arch. Microbiol., 1978, 117: 277-285.

[41] OJUMU T V, OGUNKUNLE O A. Production of glucose from lignocellulosic under extremely low acid and high temperature in batch process, autohydrolysisapproach[J]. J. Appl. Sci., 2005, 5(1): 15-17.

[42] LYND L R, ELANDER R T, WYMAN C E. Likely features and costs of mature biomass ethanol technology[J]. Appl. Biochem. Biotechnol., 1996, 57-58: 741-761.

[43] MARTíN C, GALBE M, NILVEBRANT N O, et al. Comparison of the fermentability of enzymatic hydrolysates of sugarcane bagasse pretreated by steam explosion using different impregnating agents[J]. Appl. Biochem. Biotechnol., 2002, 98-100: 699-716.

[44] CARVALHEIRO F, DUARTE L C, LOPES S, et al. Evaluation of the detoxification of brewery’s spent grain hydrolysate for xylitol production by Debaryomyces hansenii CCMI 941[J]. Process Biochem., 2005, 40: 1215-1223.

[45] CLAASSEN P A M, VAN LIER J B, LóPEZ CONTRERAS A M, et al. Utilisation of biomass for the supply of energy carriers[J]. Appl. Microbiol. Biotechnol., 1999, 52: 741-755.

[46] MOHAGHEGHI A, EVANS K, CHOUY C, et al. Cofermentation of glucose, xylose, and arabinose by genomic DNA-integrated xylose/arabinose fermenting strain of Zymomonas mobilis AX101[J]. Appl. Biochem. Biotechnol., 2002, 98-100: 885-898.

(本篇責(zé)任編校：鄧丹丹)

The Research Progress of Production of Bioethanol From Sugarcane Bagasse

LIU Yang, YAO Yan-li, XU Lei, HU Xiao-wen, GAO Yu-yao, XING Shu-lian
(Zhanjiang Experimental Station, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Zhanjiang, Guangdong 524013)

Sugarcane bagasse is the main by-product in sugar industry. It has good application prospects that produce fuel ethanol using sugarcane bagasse. This article mainly introduced the latest research progress of pretreatment, cellulose hydrolysis, detoxification, ethanol fermentation of sugarcane bagasse. We hope to provide some help to the development of the bagasse fuel ethanol industry.

Sugarcane bagasse; Bioethanol; Pretreatment; Lignocellulose

TS249.2

A

1005-9695(2016)06-0045-08

2016-06-15；

2016-12-04

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)“作物秸稈能源化高效清潔技術(shù)研發(fā)集成與示范應(yīng)用”(201503135-23)

劉洋(1980-)，男，山西太原人，副研究員，博士，主要從事甘蔗渣能源化利用研究；E-mail：lyfull@163.com

劉洋，姚艷麗，徐磊，等. 甘蔗渣生產(chǎn)燃料乙醇技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J]. 甘蔗糖業(yè)，2016(6)：45-52.