木質纖維素類農業廢棄物生物轉化資源化研究進展

邱春生，孫力平

(1.天津城建大學環境與市政工程學院，天津 300384;2.天津市水質科學與技術重點實驗室，天津 300384)

能源危機和環境惡化是全球可持續發展面臨的兩大問題。化石燃料的大量消耗是造成全球氣候變化、溫室效應和大氣污染的根源［1］。尋找新型的可再生能源刻不容緩。第一代生物能源以生物乙醇和生物柴油為代表，其原料通常來自富含淀粉、糖類或油脂的農作物，然而，基于這些農作物的生物燃料的生產間接造成了糧食價格的上漲，引發潛在的糧食危機。近年來，基于木質纖維素生物質原料的生物燃料的生產得到研究者的廣泛關注。

全世界農作物每年會產生大約2 000億t的農業廢棄物，是自然界最廣泛的木質纖維素來源之一［2］，可收集利用的主要包括農作物秸稈、稻殼、甘蔗渣、玉米芯等。目前，農業廢棄物除部分用作牲畜飼料、造紙和燃料外，絕大部分丟棄于農田或就地焚燒，對環境造成污染的同時浪費了大量的自然資源。農業廢棄物的主要成分為來自植物光合作用合成的有機物，木質纖維素生物質是其主要組成部分。木質纖維素的高效生物轉化是農業廢棄物資源化利用的關鍵。該研究對國內外木質纖維素農業廢棄物生物轉化資源化利用技術和發展趨勢進行了探討。

1 木質纖維素農業廢棄物簡介

農作物秸稈是來源豐富、廉價的木質纖維素原料。稻米、小麥和玉米是世界范圍內種植最廣泛的糧食作物，其秸稈年產生量分別達到731.3×106t、354.34×106t和203.61×106t。甘蔗作為最主要的糖料作物，每年甘蔗渣產生量也達到180.73×106t［3-4］。這些農業廢棄物可以為生物燃料的生產提供穩定的原料來源。

木質纖維素是由纖維素(32% ～47%)、半纖維素(19%～30%)、木質素(5% ～24%)、少量的蛋白質(3% ～5%)和灰分(4% ～12%)等組成的復雜的聚合物［5-7］。其中，纖維素和半纖維素的水解產物為碳水化合物，如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖等。不同農作物秸稈含有的碳水化合物成分如表1所示［5］。木質纖維素所含的碳水化合物可被生物轉化為醇類、酸類、CH4、H2等代謝產物，其中，乙醇、CH4和H2可用作清潔燃料。

2 木質纖維素燃料乙醇生產

燃料乙醇又稱生物乙醇，可由碳水化合物通過微生物發酵生產，由于其可以在某些情況下直接替代燃油等液態燃料且節能環保，是第一代生物燃料的代表。美國和巴西是最大的燃料乙醇生產國，預計2015年產量將達到100億L［6］，其原料主要來自玉米和甘蔗。但對于大多數國家和地區，玉米和甘蔗是主要的糧食/糖料作物，往往會與糧食供應產生沖突。因此，木質纖維素燃料乙醇生產既能緩解原料供應問題，又可消除農業廢棄物處理不當對環境帶來的危害，具有良好的發展潛力，是目前燃料乙醇領域的研究熱點，其關鍵是提高木質纖維素原料中的纖維素和半纖維素的生物轉化效率。通常包括原料預處理、酶水解和乙醇發酵3個步驟。

表1 農業廢棄物的碳水化合物含量 %

2.1 原料預處理 木質纖維素中的纖維素是由葡萄糖單體通過β-1，4糖苷鍵連接而成，半纖維素是由D-木糖、D-阿拉伯糖、D-半乳糖和D-甘露糖等聚合而成的碳鏈較短和高度分支的碳水化合物。而難以水解的木質素與這兩種多糖聚合物緊密結合在一起，使得其中的碳水化合物很難被乙醇發酵微生物降解轉化。燃料乙醇生產過程中，一般需要對木質纖維素原料進行預處理以釋放纖維素和半纖維素。預處理方法可分為物理預處理、物理化學預處理、化學預處理和生物預處理。

2.1.1 物理預處理。主要包括研磨粉碎［8］、高溫熱解［9］、微波和電子束輻射［10］等方法，這些方法的目的是通過物理作用破壞木質纖維素高分子聚合物的結構，促使其斷裂或初步分解，提高后繼處理還原糖的釋放量。物理預處理方法產生的副產物較少，普遍存在能耗高、效率較低的問題。

2.1.2 物理化學預處理。主要包括蒸汽爆破［3，11］、高溫液態水處理［12］、氨爆破［13］、CO2爆破預處理［14］等方法。蒸汽爆破無需添加任何催化劑，但對木質素的分離不夠完全;高溫液態水處理有很高的木糖回收率，不需化學試劑，但會產生少量抑制乙醇發酵微生物的糠醛、羧酸等副產物;氨爆破預處理方法可同時實現較高的纖維素和半纖維素轉化率，降低后繼水解階段酶的使用量，但該方法對木質素含量較高的原料處理效率較低;CO2爆破預處理與氨爆破方法原理相似，但是對設備的耐壓性要求更高。

2.1.3 化學預處理。主要包括酸堿預處理［15-16］、濕式氧化預處理［17］、有機溶劑預處理［18］等方法。酸堿預處理是目前使用的比較多的方法，但存在設備腐蝕、產生抑制性副產物和大量酸堿廢水的處理問題;濕式氧化預處理可有效地將半纖維素轉移至液相，降低其對纖維素的包裹，提高后繼工序中纖維素酶的水解效率;有機溶劑處理的作用是破壞木質素和半纖維素之間的化學鍵，從而破壞木質纖維素的致密結構，但使用的有機溶劑會對后繼的乙醇發酵微生物產生抑制。

2.1.4 生物預處理。主要是利用白腐菌、褐腐菌、軟腐菌等可破壞木質纖維素結構的真菌的生物分解作用［8，19］，其中，褐腐菌可破壞纖維素，白腐菌和軟腐菌可同時分解纖維素和木質素。生物預處理的特點就是對設備要求低、條件溫和及節能。但真菌等微生物分解木質纖維素耗時較長，效率較低，限制了該方法的應用。

2.2 酶水解 木質纖維素原料經過預處理后釋放出碳水化合物及其聚合物，然后通過酶水解將其轉化為糖單體供乙醇發酵。較酸堿水解酶水解的腐蝕性低、不產生抑制微生物生長的副產物、條件溫和從而能耗更低，經濟性好，是目前普遍采用的方法［20］。

酶水解具有很高的特異性，纖維素酶和半纖維素酶分別特異性地水解纖維素和半纖維素中的結合鍵［21-22］。纖維素主要由葡聚糖構成，纖維素分解酶系包括內切、外切葡聚糖酶和β-1，4葡萄糖苷酶。而半纖維素由甘露聚糖、木聚糖、葡聚糖、半乳聚糖和阿拉伯糖等結合而成，半纖維素水解酶系包括內切酶(括β-木聚糖酶、β-甘露聚糖酶)、外切酶(β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、β-甘露糖苷酶)和阿拉伯糖苷酶、半乳糖苷酶、乙酰木聚糖苷酶等至少8種以上的酶在內。酶水解的最終產物是以葡萄糖和木糖為主的多種己糖和戊糖。

多種細菌和真菌可以分泌纖維素酶和半纖維素酶［23］。木霉屬是研究最多的酶生產菌，可產生至少2種纖維二糖水解酶、5種纖維素內切酶和3種木聚糖內切酶［24］。但是，木霉屬不能產生水解β-D-葡萄糖鍵的β-葡萄糖苷酶，曲霉屬微生物可很好地彌補β-葡萄糖苷酶的生產［21］。研究表明，原料的預處理方式、溫度、pH、底物濃度和酶量等多種因素可影響酶水解效率［21］。酶水解的最適條件為40～50℃、pH 4～5。目前的研究多集中在如何最大限度地提高酶水解的效率以及降低酶的生產成本方面。

2.3 乙醇發酵 經酶水解糖化后的富含碳水化合物的原料可供給微生物發酵生產乙醇。其中，葡萄糖可高效地通過釀酒酵母轉化為乙醇，而自然界中能高效發酵戊糖產乙醇的微生物較少。木質纖維素乙醇生產的瓶頸為缺乏同時高效穩定轉化己糖和戊糖的微生物。商業化燃料乙醇生產中，需要微生物具有廣泛的底物范圍、高的乙醇轉化率和產率、高濃度乙醇耐受性、高溫和抑制劑耐受力。為達到上述目的，近年來，基因工程的手段被應用于構建高產乙醇基因工程菌。

用于乙醇發酵的野生型菌種有S.cerevisiae、Escherichia coli、Zymomonas mobilis、Pachysolen tannophilus、C.shehatae、Pichia stipitis、Candida brassicae、Mucor indicus 等［25-26］。其中，S.cerevisiae具有最高效的轉化己糖發酵乙醇能力，但不能利用木質纖維素水解液中的木糖等戊糖。部分Pichia和Candida屬微生物可以利用戊糖，但其乙醇產生速率遠遠低于S.cerevisiae［5］。研究者采用基因工程的手段構建了底物范圍更廣、生產效率更高的菌株，如P.stipitis BCC15191、E.coli KO11、S.cerevisiae ATCC 26603 等［27-28］，但這些菌株乙醇生產效率仍低于S.cerevisiae，且普遍存在遺傳穩定性差的問題。

木質纖維素水解產物乙醇發酵方法包括分步糖化發酵法(SHF)、同步糖化發酵(SSF)、同時糖化共發酵法(SSCF)和聯合生物加工法(CBP)［5］。SHF是最初應用的方法，糖化和發酵過程在不同反應器和條件下進行，但水解產物的積累會抑制纖維素酶活性，逐漸被SSF方法替代。SSF方法中糖化和發酵在同一個反應器中進行，糖化產生的葡萄糖迅速轉化為乙醇，可有效解除對纖維素酶的抑制，但糖化過程的最佳溫度較高，耐熱的乙醇發酵微生物是該過程的關鍵。SSCF過程與SSF過程類似，不同點是實現了戊糖和己糖的共發酵，提高了原料的利用效率，共代謝戊糖和己糖基因工程菌的構建是該領域研究的重點。CBP中纖維素酶生產、糖化和發酵集中在一個反應器中進行，無需額外添加較為昂貴的水解酶，簡化酶的分離純化環節，可極大降低生產成本，但構建同時具備上述功能的高效微生物或微生物群落仍是一個難題［29］。

綜上所述，盡管木質纖維素原料的乙醇產率低于傳統的糖基或淀粉基原料，但木質纖維素農業廢棄物具有可再生、廉價和來源豐富的優勢，勢必成為燃料乙醇生產的主要原料來源，但大規模用于工業生產還需克服一些技術難題:合理的預處理技術、纖維素酶成本控制、底物廣泛且耐受性強的乙醇發酵基因工程菌的構建。

3 厭氧發酵生產CH4

以農業廢棄物為原料微生物厭氧產CH4由于具有諸多優點，近年來得到廣泛關注。生物發酵產CH4底物來自于可再生的生物質原料，不依賴于石油和天然氣，從而可減少CO2的排放量。根據IPCC(政府間氣候變化專門委員會)統計，在過去的一個世紀，大氣中CH4對溫室效應的貢獻是CO2的23倍［30］。這些CH4主要是自然界中的有機廢棄物在天然厭氧環境下降解產生的，對農業廢棄物進行收集資源化利用可減少CH4的自然排放量。此外，厭氧發酵產生的混合氣體中的CH4經過提純富集后可替代天然氣的使用，可有效減少化石能源的消耗，降低CO2排放。

3.1 生物產CH4過程及其影響因素 生物產CH4過程是在厭氧環境下進行的一系列復雜的生物轉化過程，包括水解、酸化、產乙酸和產甲烷化4個階段［31］。其中，產CH4階段主要由產甲烷古菌完成，對環境因素要求較高，需要在嚴格厭氧環境下進行，且對溫度和pH敏感。產甲烷微生物最適的溫度范圍介于30～35℃和50～60℃，在此溫度范圍之外，產甲烷菌的活性將會受到抑制，而其他3個階段起作用的微生物對溫度和pH的適應范圍更廣。同時，盡管水解酸化階段可以在pH低至4.5～5.0的條件下進行，生物產CH4系統穩定運行的最佳pH范圍僅介于6.8～7.2之間，在產CH4過程中需嚴格控制系統的溫度和pH［32］。此外，微生物產CH4過程還受到底物構成、有機負荷、C/N比和抑制物的影響。

3.2 農業廢棄物木質纖維素產CH4研究 與乙醇發酵類似，由于木質纖維素的致密結構，微生物產CH4過程也需對原材料進行適當的預處理以利于提高產氣率。其預處理過程與“2.1”預處理過程類似。由于后繼生物轉化過程的較大差異，最佳預處理方式和操作條件也呈現差異。

He等考察了堿處理對稻草厭氧發酵產氣率的影響，結果表明在NaOH投加量為6%(干物質)的情況下，產氣率最大提高了60%以上［33］。Pang等研究發現同樣量的NaOH處理玉米秸稈，產氣率可提高48.5%［34］。反應溫度和處理時間是影響堿預處理的最重要的參數。

高溫液態水預處理木質纖維素也是一種高效的方法，該過程最大的優勢是無外加化學物質。但在處理過程中，發生了部分水解反應，降低了產物的pH，會對后期產CH4過程產生不利影響，因為適宜的堿度是產CH4過程必需的。研究發現，高溫液態水處理-NaOH堿組合是最高效的木質纖維素預處理方法，稻草經過200℃高溫液態水處理10 min后，加入5%的NaOH，產氣率和CH4產率分別達到315.9 L/kgVS(揮發性固體)和132.7 L/kgVS，較空白對照組產率分別提高225.6% 和 222%［35］。

不同農業廢棄物原料產CH4能力取決于其中有機物的含量，研究者考察了不同原料的產CH4能力，4種最重要的木質纖維素來源農業廢棄物玉米秸稈、麥稈、稻草和甘蔗渣的產CH4能力如表2所示。

CH4(沼氣)生產研究較多，是一項比較成熟的技術，木質纖維素農業廢棄物有巨大的為社會經濟發展提供清潔的可再生能源的潛力。僅就能源產出率來說，CH4厭氧發酵技術是目前木質木質纖維素生物質最有效的利用方式，在農業生產為主的地區，有廣闊的發展前景。

4 木質纖維素原料生物制氫

H2具有較高的能量密度(142 kJ/g)，燃燒副產物只有水產生，可以直接在內燃機中使用，經提純后可以經由燃料電池發電，是一種理想的清潔能源。全世界大約88%的商業用H2來自化石燃料(天然氣、重油或煤炭)，4%來自電水解產H2［44］。這些途徑需要消耗大量的能源且不可持續。其他H2生產方法包括藻類光解產氫、光合細菌產氫和厭氧發酵產氫，其中，厭氧發酵產氫由于可利用來源廣泛的有機廢棄物，且基本不需能量輸入，是最具應用潛力的可再生H2的生產方法。

表2 不同農業廢棄物木質纖維素產CH4能力

4.1 預處理方式對木質纖維素產氫的影響 多數文獻報道中，厭氧發酵產氫的底物為碳水化合物，如葡萄糖、蔗糖、淀粉等，或富含這些成分的有機廢水，但這些原料來源有限。隨著對清潔燃料的需求量日益加大，豐富、廉價原料的供給引起廣泛關注，木質纖維素類農業廢棄物具備提供充足的碳水化合物的潛力。研究者對此開展了大量研究。

與乙醇發酵和產CH4過程類似，農作物秸稈產氫的限制因素同樣為木質纖維素穩定、難水解的微晶結構，為獲得高產氫率，適當的預處理過程是必需的［45］。Zhang等考察了酸堿預處理對玉米秸稈產氫率的影響，結果表明，0.5%的NaOH處理后的玉米秸稈，產氫率達到57 ml/gVS，是不經預處理產氫量的19倍，而0.2%HCl預處理后產氫量提高了50倍，達到150 ml/gVS［46］。Fan等研究發現2%HCl結合微波加熱預處理可提高麥稈中糖類的溶出率，使產氫率由0.5 ml/gVS增加到68 ml/gVS［47］。蒸汽爆破也是常用的預處理方法，表3列出了預處理后前后不同原料的產氫率。

表3 不同木質纖維素原料產H2能力

4.2 環境因素對木質纖維素產氫的影響 生物發酵產氫的微生物群落結構一般來自產甲烷菌活性被抑制的厭氧產甲烷微生物群落，pH和溫度是生物發酵產氫過程最重要的操作參數，通過調節pH和溫度，一方面可抑制產甲烷菌的活性，另一方面可改變底物的代謝途徑以利于提高產氫率。

pH可以通過改變副產物的構成和菌群結構影響產氫率，研究顯示接近中性的pH環境有利于農作物秸稈發酵產氫［46，48］。Li等研究者通過批次試驗，考察了不同pH對玉米秸稈產氫的影響，結果顯示最佳pH為7.0～7.5［48］。微生物發酵產H2過程中會產生大量的可揮發性脂肪酸(VFAs)，造成系統pH下降，批次試驗中通常不調整pH，因此系統pH不能穩定保持在最適pH范圍，也是造成產氫率較低的原因。通常認為，最適的產氫pH介于5.0～7.0之間［50］。生物產氫發酵中，丁酸和乙酸是兩種主要的副產物。低pH下(4.5～6.0)丁酸-乙酸型產氫更容易形成，而在較高的pH下，乙醇和丙酸常常是主要的副產物［47，51-52］。Fan采用麥稈發酵產氫的研究中發現，在pH低于6.0時，副產物主要為乙酸和丁酸，pH高于6.5的時候，副產物由乙醇、丙酸、乳酸和己酸等組成［47］。大量研究顯示，pH不僅可以改變底物的代謝途徑，還可以改變產氫微生物群落的結構［53］。

溫度也被認為是影響生物制氫過程的主要參數。產氫微生物可適應的溫度范圍較廣，最佳產氫溫度與底物構成、操作類型和接種物(菌群構成)等因素相關［50］。研究顯示，較高的溫度由于可加速水解木質纖維素結構，更有利于得到較高的氫產率［54］。Yokoyama等考察了不同溫度(37～85℃)對產氫的影響，結果顯示60℃和75℃下產氫率最高，且不同溫度下優勢產氫微生物結構也發生了較大變化［55］。55℃以下的產氫過程通常需要對接種物進行處理或保持在低pH下運行以抑制產CH4菌(氫消耗菌)的活性，而高溫(60℃以上)可有效抑制氫消耗菌的活性，有利于獲得較高的氫產率和簡化操作流程。

盡管H2相對其他生物燃料具有較多的優勢，但目前關于生物制氫的報道以基礎研究為主，工業化生產的主要限制因素是較低的生產率和轉化率，木質纖維素農業廢棄物產氫過程的副產物通常為VFAs和醇類，不是完全代謝產物，對底物潛在能量的利用率遠低于乙醇發酵和產CH4過程，開發兩階段產氫-產CH4技術有利于提高過程的能源利用效率。微生物是產氫過程的核心，控制氫消耗微生物和氫消耗途徑是改進木質纖維素農業廢棄物產氫過程穩定性的關鍵。

5 小結

木質纖維素類農業廢棄物資源化利用是解決能源危機和環境問題的關鍵，近年得到了廣泛關注，對其利用途徑、預處理工藝、生物轉化途徑、過程控制和關鍵微生物等方面都進行了深入的研究，為木質纖維素類農業廢棄物的資源化利用奠定了一定的基礎，但科技工作者仍然面臨著以下很多挑戰。如果能解決好這些問題，木質纖維素類農業廢棄物生物資源化產業必將產生更大的社會效益、經濟效益和環境效益。

(1)木質纖維素類農業廢棄物生產乙醇技術已基本成熟，但實現大規模工業化生產仍需要解決以下問題:高產纖維素酶和木質素酶菌種選育、高效同時利用己糖和戊糖基因工程菌的構建及廉價有效的預處理工藝的開發。

(2)探討因地制宜的農作物秸稈產CH4工藝和設備，解決發酵后廢棄物的處置利用問題。

(3)提高生物制氫過程的生產率和轉化率及工業化穩定高效的生物制氫技術的開發。

(4)資源化利用政策的完善、全民意識的樹立以及資金技術的保障措施。

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