甘蔗渣生產燃料乙醇技術研究現狀與展望

劉 洋，姚艷麗，徐 磊，胡小文，高玉堯，邢淑蓮

(中國熱帶農業科學院湛江實驗站，廣東 湛江 524013)

甘蔗渣生產燃料乙醇技術研究現狀與展望

劉 洋，姚艷麗，徐 磊，胡小文，高玉堯，邢淑蓮

(中國熱帶農業科學院湛江實驗站，廣東 湛江 524013)

甘蔗渣是制糖工業的主要副產物，將其生產成燃料乙醇具有廣闊的應用前景。本文重點介紹了近年來國內外有關甘蔗渣燃料乙醇過程中的預處理、纖維素水解、凈化、發酵等工藝的最新研究進展。希望能為甘蔗渣燃料乙醇產業的發展提供一些幫助。

甘蔗渣；燃料乙醇；預處理；纖維素

0 引言

隨著社會和經濟的不斷發展，能源的消耗將越來越大。發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，具有良好的應用前景[1]。燃料乙醇的發展經歷了2個過程。一代乙醇主要是利用玉米、水稻和小麥等谷物為原料，通過酶解轉化為糖，然后經發酵而成。二代乙醇主要是利用農作物秸稈、植物纖維素和甘蔗渣等為原料，這些原料必須先經過纖維素酶解轉化為糖，然后再經發酵生成乙醇。由于糧食安全等問題，我國一代乙醇已經被全面禁止，但在美國等發達國家仍然在生產。二代乙醇由于原料大多是農作物的廢棄物，受到了國家和企業的重視[2]。

木質纖維素生產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，世界上已經有許多企業開始利用纖維素生產燃料乙醇，但是其生產過程中仍然有許多問題未能有效解決，其生產成本仍然很高。近年來，隨著生物技術、物理技術等的不斷發展，人們渴望在不久的將來能有效解決這些問題。

甘蔗渣是制糖工業的主要副產物(占24%～27%)，是甘蔗提取汁液后獲得的纖維殘余物[3]，特別是在熱帶地區的國家，如何有效利用這些纖維素原料，是目前人們普遍關注的一個問題。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甘蔗可以產生280 kg甘蔗渣，目前全世界每年約產生甘蔗渣5.4×108t[4]，其中大約50%的甘蔗渣被直接燃燒供熱，資源浪費嚴重，對環境也造成破壞。我國也是甘蔗生產大國，每年產生的甘蔗渣產量約為2000多萬t，具有很大的利用空間和潛力。近年來由于生物質轉化利用工程技術的快速發展，人們發現甘蔗渣不僅是天然高分子材料、綠色化學品的寶庫，其中還蘊藏著豐富的生物質能。甘蔗渣作為生物質原料具有來源集中、收集簡單、運輸成本低等優勢，而且蔗渣成分相對穩定、性質均一，是理想的生物煉制的優質原料。因此，如何利用甘蔗渣生產可再生能源得到了更大的關注。此外，通過熱電聯產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，燃燒產生蒸汽和電可滿足甘蔗糖廠的一般需求。但隨著聯合技術的改進，糖廠也可以把剩余電力出售給國家電網或直接給其他用戶[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，環境污染嚴重，并不是最好的利用方式。

甘蔗渣生產燃料乙醇主要包括生物質預處理，纖維素水解，糖發酵等步驟，其中生物質預處理和纖維素水解是關鍵的環節，目前可改進的空間很大。本文就近年來甘蔗渣生產乙醇研究方面取得的一些進展做一個簡要的綜述，希望能為產業化的發展提供一些幫助。

1 甘蔗渣成分與結構

1.1 甘蔗渣的主要成分與性質

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，蔗渣中的農藥殘留量很低，但其木質化程度也較高[7]。甘蔗渣是甘蔗經過壓榨的產物，也屬于作物秸稈的范疇。甘蔗渣中干物質含量通常為90%～92%，其中纖維素42%～50%，半纖維素25%～30%，木質素20%～25%，粗蛋白質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，是具有不同形態的固體纖維狀物質，相對分子質量約為1×107～2×107之間。甘蔗渣既不溶于水，也不溶于有機溶劑，加熱也不能熔化，但在高溫時可分解，在酸性條件下發生水解[10]。

1.2 甘蔗渣的結構特征

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鍵能小得多，但因氫鍵的數目多，故相當牢固，以致在一般的食品加工條件下纖維素不可破壞[11-12]。半纖維素的化學性質與纖維素相似，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 預處理方法

木質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酵的糖。水解是從木質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重要的限制因素。植物中的纖維素與半纖維素和木質素交織在一起，木質素與半纖維素部分共價締合，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構也在一定程度上增加酶水解的難度。因此，通過適合的預處理方法，除去纖維素中的木質素和半纖維素，降低纖維素結晶度和增加材料的孔隙率[14]，是提高酶解效率的關鍵步驟。同時，預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]。經濟的預處理技術應該使用廉價的化學品，并且只需簡單的設備和步驟[3]。

目前，對于不同的木質纖維素已經獲得了幾種預處理方法[16-18]，主要包括化學方法、物理方法和生物酶解方法。化學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]和有機溶劑預處理等[29-31]。在所有這些方法中，酸處理是目前應用最廣效果最理想的方法。

2.1 化學預處理

用1%～10%的稀硫酸，鹽酸或乙酸的水解通常稱為酸水解。其優點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，水解產物中還原糖的濃度相對較低，因此水解產物需在發酵前濃縮[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，纖維素和木質素部分在固相中幾乎保持不變，可以進一步加工利用[32]。酸水解的產物液相主要由單糖（木糖、葡萄糖和阿拉伯糖），半纖維素的分解產物（來自聚合物的低聚物和與糖連接的乙酰基水解產生的乙酸）和單糖的分解產物（例如糠醛，戊糖脫水產物，5-羥甲基糠醛(HMF)和己糖脫水的產物）組成[19]。這些產物是微生物生長的抑制劑。但是，如果保持低的抑制劑濃度，水解產物則可以被用作發酵的培養基[32]。

Pattra等(2008)在121℃條件下，使用不同體積濃度(0.25%～7.0%)H2SO4和反應時間(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，可產生24.5 g/L的總糖。在這個條件下，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物中的葡萄糖濃度，但是當H2SO4濃度在1.0%和5.0%之間時，葡萄糖濃度會有所降低。研究還發現，木糖是甘蔗渣半纖維素水解產物中的主要糖。為了增加甘蔗渣中的還原糖產量以及酸的回收利用，Cheng等(2008)提出了通過電滲析進行酸的再循環方法[22]。用酸處理木質纖維素時遇到的主要問題是形成呋喃衍生物和其它未知的有毒產物。在木聚糖的情況下尤為突出，非常容易導致糠醛產生。鹽酸也可用于木質纖維素的預處理（例如高粱秸稈，甘蔗渣，黑麥草等），然而，其環境破壞和腐蝕性強嚴重的限制了其應用。與其它木質纖維素相比，用HCl水解甘蔗渣產率更高，還原糖轉化率可超過30%[24]。

用H3PO4預處理甘蔗渣的優點是用NaOH中和水解產物之后，形成的磷酸鈉可以保留在水解產物中，作為微生物的營養物[17]。磷酸鈉不需要過濾操作，可以減少工藝流程，對環境也沒什么影響。Gámez等(2006)發現用H3PO4預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反應的水解產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果。水解條件為：酸濃度2%～6%，反應時間0～300 min，溫度100～128℃。最佳條件為：溫度122℃，酸濃度6%，時間9.3 min。在這個條件下，可產生木糖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后達到最高的木糖濃度21.0 g/L[20]。

研究發現經過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、浸漬時間等因素對纖維素分解影響較大。甘蔗渣的NaOH預處理可以消化木質素，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胞壁溶解半纖維素、木質素和二氧化硅，通過水解成為糖醛酸和乙酸酯，降低纖維素的結晶度。通過該方法，可以將甘蔗渣簡單地分餾成堿溶性木質素、半纖維素和殘留物，易于利用它們獲得更有價值的產品。末端殘基（主要是纖維素）可用于生產紙、纖維素衍生物和木聚糖[34]。研究發現用1%和3%NaOH水溶液連續處理甘蔗渣，可從蔗渣中得到25.1%半纖維素，占原始半纖維素的74.9%[34]。這些結果表明，在這些條件下1%和3%NaOH水溶液可以促進半纖維素多糖和木質素大分子的溶解。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率。此外，還發現甲胺、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的反應活性[12]。

2.2 物理預處理

通過熱處理的木質纖維素材料可提高分餾和溶解的效率，促進半纖維素的提取。Boussarsar等(2009)研究了甘蔗渣水熱處理的轉化率，最佳條件為170℃保溫2 h。然而，通過熱水解得到的產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處理條件對乙醇產率的影響[26]。最佳的預處理條件是：SO2浸漬，180℃保溫5 min，可得到86.3%的葡萄糖產率和72.0%的木糖產率，可以達到理論值80%的乙醇產率。此外，微波和超聲波輻射也可以提高纖維素堿化反應速率，尤其可大大改善高碘酸高選擇性氧化纖維素的反應條件[36-37]。用高能射線如電子射線、γ射線在黏膠纖維、醋酸纖維等生產過程中對纖維素原料進行預處理，也可得到理想的纖維素聚合度并增加纖維素的活性。這些技術的優點是可以減少溶劑反應和化學藥品的使用，從而降低對環境的危害。蒸汽爆破技術是一種新型的技術，利用此技術可以極大地提高纖維素的預處理效果，且成本較低[26]。河南天冠酒精集團已成功利用氣爆技術預處理小麥和玉米秸稈，此項技術擁有廣闊的應用前景。

2.3 生物酶解預處理

生物酶解法是采用微生物對木質纖維素原料進行降解的一種方法。經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。生物酶解技術是目前發展的主要方向，此項技術具有環保、可持續性強等優勢。但目前酶法預處理工業化的難題之一就是成本較高，占整個生產過程總費用的60%～80%[38]。如何降低成本是目前研究的重點課題之一。用于生物預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預處理甘蔗渣。研究發現，經過生物預處理的甘蔗渣可通過青霉菌產生纖維素酶和木聚糖酶[28]。盡管這種預處理方式具有環保的優勢，但是研究發現使用Pleurotussajor-caju PS2001的生物預處理效果并不是很理想。然而，用這種方法可以產生纖維素和半纖維素復合酶，可以用于蘑菇的培養，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，已經被證明有良好的木質素降解能力[27]。Li等人(2002)將這種海洋真菌預處理甘蔗渣，有超過50%的木質素被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并沒有表現出比白腐菌或者真菌更高的降解能力。然而，當在培養基中加入Kirk[40]后，其降解能力顯著提升。因此，通過在培養基中適當地添加如Kirk等的營養物，Phlebia sp. MG-60可以更有效地降解甘蔗渣中的木質素，而全纖維素幾乎沒有受損。

3 纖維素水解

從預處理中獲得的纖維素可以使用濃（稀）酸或酶降解成葡萄糖。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和其它不期望的產物。然而，使用微生物水解纖維素不會降解葡萄糖，還被證明對于隨后的發酵具有更好的效果，缺點是時間較長，成本較高。

目前，普遍認為利用纖維素酶對纖維素水解是最有希望的方法[42]。商業的纖維素酶已經用于甘蔗渣乙醇生產。為了有助于酶對木質纖維素的作用效果，需要進行預處理以增加纖維原材料中纖維素的可及度。如果預處理條件太苛刻，釋放的糖降解為酶和酵母抑制化合物，會降低總產率。另一方面，如果使用太弱的預處理條件，則會導致酶和纖維素的可及度降低。

Hernández-Salas等(2009)優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)使用內葡聚糖酶和纖維二糖酶的混合物以糖化蒸汽預處理的甘蔗渣，所得水解產物具有類似于化學處理的糖組分[43]。

Martín等(2007)研究了濕氧化預處理對甘蔗渣的分餾和酶轉化性的影響。預處理條件改善了纖維素的酶轉化性。在195℃，15 min和堿性pH預處理條件下，可獲得最高轉化率為74.9%。將水解時間從24 h加倍至48 h僅導致一些額外的轉化，因為大多數纖維素在第一個24 h期間已經水解[3]。這種預處理最高的總葡萄糖產率為68.9%，其不僅考慮了在酶水解期間形成的葡萄糖，而且考慮了在預處理期間發生的損失。酶可轉化性的增加可能與低含量的木質素和半纖維素以及剩余固體材料的高纖維素含量有關。半纖維素和木質素的溶解肯定導致纖維素對酶的可及度的增加。纖維素的晶體結構的一些破壞和其聚合度的降低是導致在預處理期間發生的酶可轉化性的改進的重要因素。木質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 預處理產物的凈化

在木質纖維素的預處理期間，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。在使用酸或高溫時更容易產生這些物質，影響乙醇的發酵能力。糠醛可以作為戊糖的降解產物，研究發現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物中另一個抑制物是乙酸，當水解反應發生在半纖維素的乙酰基時，可以產生乙酸[20]。通常，當乙酸濃度為4～10 g/L時，對酵母具有抑制作用。用6%H2SO4處理60 min后，甘蔗渣水解產物的乙酸最高濃度為2.72 g/L，低于抑制效應的臨界值[23]。但是。用4%H3PO4處理300 min，乙酸濃度可達到4.0 g/L，產生抑制效果[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)，但是已經超過酵母的抑制臨界值(1.0 g/L)。這表明在甘蔗渣預處理時，應該注意預處理方式的選擇。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物中的抑制化合物。在甘蔗渣水解產物中添加這些物質的確有凈化的效果，但是目前還沒有一種方法可以同時除去所有的有害物質。

目前使用的另一種凈化方法是電滲析(ED)，屬于電化學分離方法。Cheng等人(2008)已經通過實驗證實電滲析方法可以有效地進行甘蔗渣酸水解產物的凈化，凈化后的水解產物具有更好的發酵能力[22]。揮發性化合物，例如糠醛，可以通過沸騰除去，同時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，硫酸可以重復使用，這將節省運行成本降低環境影響。雖然采用ED技術減少了糖的損失，然而由于儀器成本過高，利用ED凈化的經濟評價還需要在乙醇的實際生產中進一步研究[22]。

除了采用化學和物理的方法外，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物各種凈化方法的效率[21]。漆酶的濃度不會對乙酸產生任何影響，對總糖的損失也很小，但是可以最大程度地去除酸水解產物中存在的酚類化合物。離子交換處理的水解產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 糖發酵生產乙醇

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

SHF法是將纖維素的水解和發酵在不同單元中進行[18]。使用該工藝預處理的木質纖維素材料的固體部分經歷水解（糖化）。一旦水解完成，所得纖維素水解產物就會發酵并轉化為乙醇。釀酒酵母是木質纖維素水解產物發酵最常用的微生物，該酵母可發酵水解產物中所含的己糖，但是不能發酵戊糖。SHF方法的主要特征之一是每個步驟可以在其最佳操作條件（特別是溫度和pH）下進行。經過凈化的半纖維素水解產物可以與來自酶反應器的纖維素水解產物合并。為了增加轉化乙醇效率，酵母也可以用來轉化木糖，但是在這種情況下，其轉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，可以使用連續發酵，并且2種發酵獨立地進行（共發酵）。另外，研究還表明，戊糖發酵生產率要低于己糖發酵的生產率。木質纖維素水解產物的共發酵技術可以有效地利用生物質預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，可以同時同化己糖和戊糖，這將大大提高乙醇轉化率。

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

在木質纖維素乙醇生產中，目前非常有希望的整合構型是將戊糖發酵也放入SSF流程中，該方法稱為同步糖化共發酵(SSCF)。SSCF將纖維素水解釋放的葡萄糖發酵和存在于進料流中的戊糖發酵在同一單元中同時完成，因此具有更高的集成度。除了要利用纖維素酶外，SSCF中的關鍵因素是如何有效利用乙醇生產的微生物。這些微生物不僅可以吸收在預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生的戊糖（主要是木糖）。Cardona和Sánchez(2007)利用基因工程手段，已經成功開發了可用于SSCF方法中的復合微生物[17]。目前具有己糖和戊糖分解代謝能力的重組大腸桿菌、運動發酵單胞菌和釀酒酵母菌株已經成功構建，使得SSCF工藝在經濟上是可行的[46]。

目前，已經有很多甘蔗渣生產乙醇的成功報道，甘蔗渣燃料乙醇產率可達48%。Hernández-Salas等(2009)通過稀酸(HCl)和堿(NaOH)預處理甘蔗渣，水解產物用非重組菌株的釀酒酵母發酵，通過發酵可以獲得大量乙醇，乙醇產率為32.6%[24]。另外，使用酸預處理獲得的甘蔗渣水解產物使用Pachysolen tannophilus DW06菌株發酵，并用電滲析凈化，可以獲得34%的乙醇產率[22]。Chandel等(2007)利用HCl預處理甘蔗渣，用NCIM 3501發酵水解產物，并采用適當的凈化方法獲得更高的乙醇產率[21]。其中采用工業離子交換樹脂、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，預處理是甘蔗渣乙醇生產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，預計在不久的將來，生物預處理技術將成為主要的預處理技術。生物預處理的關鍵是篩選合適的菌株，隨著生物工程手段的不斷改進，可能會出現分解木質素和半纖維素能力很強的菌株。另外，采用有機溶劑和濕氧化的預處理方法也被認為是將來的突破口。但是，仍然需要一定的時間，同時也需要國家和各個研究機構的共同努力。甘蔗渣乙醇的另一個重要環節就是纖維素水解，其核心就是纖維素水解菌株產酶能力的提高。就目前的情況來看，纖維素酶的成本依然很高，需要發現新的高效菌株或者采用生物工程的方法構建新的菌株。SSCF工藝被認為是最理想的乙醇生產工藝，但是其發酵條件的優化控制難度較大，這還需進一步的研究和改進。

6 展望

近年來，隨著石油等能源的不斷枯竭，環保問題日益加劇，利用生物質能源已經成為世界各國研究的熱點。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，從而實現可持續發展。甘蔗渣是制糖工業的主要剩余物，與農作物秸稈相比，其已經經過一次粉碎和壓榨，且收集方式簡單，是理想的生物質原材料。如果能探索出一套包括甘蔗渣收集、運輸、預處理、纖維素水解和發酵的理想工藝流程，可以獲得更高的乙醇產量。但是就目前的技術而言，甘蔗渣乙醇的生產成本仍然相對較高。

熱電聯產雖然能夠提供一些電力能源，但就環保等發展趨勢來看，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，這樣利用效率會更高。另外，大多數甘蔗汁和基于糖蜜的乙醇生產方法在穩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定性。因此，如果大規模使用甘蔗渣生產乙醇還需要認真考慮這一問題。

綜上所述，甘蔗渣燃料乙醇雖然獲得了一些進展，但仍面臨諸多挑戰。一是如何降低水解成本，以使甘蔗渣成為更便宜的底物；二是工藝流程優化，包括凈化技術和纖維素酶的生產；三是在商業規模的發酵操作中如何維持微生物的穩定性。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造新的具有較高碳水化合物含量或者能改變自身物理結構的植物材料，這樣就可以在較溫和的條件下或使用半纖維素酶進行預處理。總之，目前在甘蔗渣乙醇技術工藝方面已經獲得了較大的進展，但是在預處理和纖維素水解等技術方面仍然需要繼續改進。相信在不久的將來，甘蔗渣乙醇會得到更廣泛的應用。

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(本篇責任編校：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(農業)科研專項“作物秸稈能源化高效清潔技術研發集成與示范應用”(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. 甘蔗渣生產燃料乙醇技術研究現狀與展望[J]. 甘蔗糖業，2016(6)：45-52.