中國(guó)甘蔗渣綜合利用現(xiàn)狀分析

劉洋++洪亞楠++姚艷麗++徐磊++邢淑蓮++胡小文++高玉堯

摘 要 甘蔗渣是制糖工業(yè)的主要廢棄物，對(duì)甘蔗渣充分利用不僅能生產(chǎn)出高附加值的產(chǎn)品，還能有效緩解污染壓力。本文綜述了近年來(lái)甘蔗渣綜合利用的最新進(jìn)展和現(xiàn)狀，主要涉及生物發(fā)電、造紙、高密度板材、飼料發(fā)開(kāi)、栽培基質(zhì)、沼氣、燃料乙醇、高性能吸附材料等領(lǐng)域，希望甘蔗渣綜合利用的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供一些幫助。

關(guān)鍵詞 甘蔗渣 ；綜合利用 ；現(xiàn)狀分析

中圖分類號(hào) S216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2017.02.021

Research Progress in Comprehensive Utilization of Bagasse in China

LIU Yang HONG Yanan YAO Yanli XU Lei XING Shulian HU Xiaowen GAO Yuyao

（Zhanjiang Experimental Station， CATAS， Zhanjiang， Guangdong， 524013）

Abstract Bagasse is the main waste of sugar industry， and its comprehensive utilization can reduce pollution and produce high value-added products. The research and development in bagasse comprehensive utilization in recent years were reviewed， mainly including biomass power generation， paper making， high density board， feed development， culture substrate， biogas， fuel ethanol， high performance adsorption material， etc. This review might provide some references for commercial utilization of bagasse in the future.

Keywords bagasse ； comprehensive utilization ； analysis of present status

甘蔗是中國(guó)重要的糖料作物，甘蔗渣是制糖工業(yè)的主要廢棄物（占24%～27%），也是一種重要的可再生生物質(zhì)原料。甘蔗是中國(guó)最大的制糖原料，南方蔗區(qū)甘蔗總產(chǎn)量7 000多萬(wàn)t，每年產(chǎn)生的甘蔗渣產(chǎn)量約為2 000多萬(wàn)t，具有很大的利用空間和潛力。與其它作物秸稈相比，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[1]。

由于甘蔗渣轉(zhuǎn)化和利用技術(shù)的限制，目前大多數(shù)甘蔗渣被直接燃燒或者廢棄不用，其利用率很低，不僅造成資源浪費(fèi)，而且還帶來(lái)環(huán)境污染。近年來(lái)，由于國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物利用的重視，甘蔗渣綜合利用方面也獲得了快速的發(fā)展。目前，甘蔗渣在生物發(fā)電、飼料生產(chǎn)、栽培基質(zhì)、沼氣、造紙、板材、功能性食品添加劑開(kāi)發(fā)、化學(xué)物質(zhì)合成、高性能吸附材料等領(lǐng)域獲得了一些突破和進(jìn)展。但由于蔗渣的木質(zhì)化程度高、蔗莖表皮存在硅化細(xì)胞，養(yǎng)分不協(xié)調(diào)等原因，蔗渣作為反芻動(dòng)物飼料時(shí)，有機(jī)物消化率只有20%～25%或更低[2]，由于同樣的原因，蔗渣直接用作食用菌的栽培料也受到限制。但是，近年來(lái)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(kù)，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(lái)源集中、收集簡(jiǎn)單、運(yùn)輸成本低等優(yōu)勢(shì)，而且蔗渣成分相對(duì)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。本文就近年來(lái)甘蔗渣在綜合利用方面取得的一些進(jìn)展做一個(gè)簡(jiǎn)要的綜述，希望能為產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展提供一些幫助。

1 甘蔗渣的產(chǎn)量、成分與結(jié)構(gòu)

1.1 甘蔗渣的產(chǎn)量與分布

目前，中國(guó)甘蔗渣主要分布在南方甘蔗主產(chǎn)區(qū)，主要包括廣西、云南、廣東和海南等4省（區(qū)），福建、江西、四川等地也有零星分布。廣西甘蔗種植面積最大，甘蔗和甘蔗渣產(chǎn)量也最高，甘蔗渣產(chǎn)量占總產(chǎn)量的62%，海南最少只占總產(chǎn)量的2%（表1）。

1.2 甘蔗渣的主要成分與性質(zhì)

甘蔗渣是甘蔗經(jīng)過(guò)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%[4-5]。與其他作物秸稈相比，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(duì)分子質(zhì)量約為1×107～2×107。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[6]。

1.3 甘蔗渣的結(jié)構(gòu)特征

甘蔗渣主要成分是纖維素和半纖維素。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[7-8]。半纖維素的化學(xué)性質(zhì)與纖維素相似，是由不同的己、戊糖基接而成的不均一聚糖，與纖維素相比其聚合度相對(duì)較小，容易被分解利用[9]。

2 甘蔗渣的預(yù)處理方法

2.1 化學(xué)預(yù)處理

用化學(xué)試劑進(jìn)行預(yù)處理主要包括強(qiáng)酸和強(qiáng)堿處理法。其中用NaOH溶液處理法是應(yīng)用最廣、最有效的纖維素預(yù)處理手段之一。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)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(duì)纖維素分解影響較大。另外，研究還發(fā)現(xiàn)，不同的酸濃度也可以起到良好的預(yù)處理效果。還有的研究表明，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(duì)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[10]。

2.2 物理預(yù)處理

用物理方法進(jìn)行預(yù)處理主要包括機(jī)械作用、微波超聲波震蕩、高能輻射以及氣爆技術(shù)等。預(yù)處理最直接的方式就是機(jī)械加工處理，可大大改變纖維素的物理和化學(xué)性質(zhì)，提高纖維素對(duì)各種化學(xué)反應(yīng)和酶水解的可及度和反應(yīng)性。微波和超聲波輻射對(duì)纖維素堿化反應(yīng)和高碘酸高選擇性的影響氧化纖維素反應(yīng)的過(guò)程[11-12]。微波和超聲波能加速纖維素的這兩類化學(xué)反應(yīng)，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。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(guò)程中對(duì)纖維素原料進(jìn)行預(yù)處理，可獲得所期望的纖維素聚合度和增加纖維素的活性，在減少溶劑用或反應(yīng)用化學(xué)藥品造成的環(huán)境污染等方面已顯示出其優(yōu)越性。蒸汽爆破技術(shù)是一種新型的技術(shù)，利用此技術(shù)可以極大的提高纖維素的預(yù)處理效果，且成本較低。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(duì)木質(zhì)纖維素原料進(jìn)行降解的一種方法。經(jīng)過(guò)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。利用白腐菌、褐腐菌和軟腐菌等微生物可以有效的降解原料中的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素。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(shì)。但目前酶法預(yù)處理工業(yè)化的難題之一就是纖維素酶成本較高，占整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程總費(fèi)用的60%～80%[13-14]，如何降低成本是目前研究的重點(diǎn)課題之一。

3 甘蔗渣的綜合利用

3.1 生物發(fā)電

甘蔗渣最直接有效的利用途徑就是燃燒發(fā)電[15-16]。但到目前為止，全世界用甘蔗渣生產(chǎn)的電量只有13萬(wàn)kW·h[17]，主要是由于燃燒設(shè)備和環(huán)保技術(shù)要求過(guò)高，現(xiàn)有設(shè)備不能滿足需求。中國(guó)南方部分電廠也已經(jīng)開(kāi)始利用甘蔗渣進(jìn)行發(fā)電。從2012年起的4年時(shí)間內(nèi)，廣西已投資80億元扶持百家制糖企業(yè)蔗渣生物質(zhì)發(fā)電。甘蔗渣發(fā)電主要是利用其燃燒產(chǎn)生的熱量，利用率雖然較高，但產(chǎn)生的價(jià)值較低，而且對(duì)環(huán)境污染較大，在其他轉(zhuǎn)化利用技術(shù)尚未成熟時(shí)可短期使用，但并不是最佳的利用途徑。

3.2 造紙

甘蔗渣應(yīng)用于造紙行業(yè)的思路是Heiningen等人首先提出的[18]。主要是利用殘余固體殘?jiān)M(jìn)行制漿。中國(guó)也在此方面做了一些試探性的研究，主要包括甘蔗渣制漿前熱水預(yù)抽提工藝、甘蔗渣熱水預(yù)抽提過(guò)程糖類組分溶出規(guī)律以及預(yù)抽提后甘蔗渣的制漿造紙性能等方面[19]。目前可利用的方法主要有乙醇法制漿，醋酸法制漿，高沸醇法制漿等[20]。這些方法都能夠有效分離纖維素和半纖維素，用于環(huán)保性能較好的紙漿生產(chǎn)[21]。但由于在進(jìn)行制漿之前還要進(jìn)行除髓的工序[22]，所以利用甘蔗渣制漿造紙?jiān)诮?jīng)濟(jì)效益上優(yōu)勢(shì)不明顯。

3.3 高密度纖維板材

甘蔗渣含有較高的纖維素和木質(zhì)素含量，是制作高密度板材的理想原料。其制作的板材具有比重小、強(qiáng)度高、防腐性能好、吸水率低，不受海水的腐蝕，防火性能好，有良好的阻燃性能，有良好機(jī)械加工性能和裝飾性能，適用于家具、建筑車廂、船舶、包裝箱等制作行業(yè)。最近，還成功制作出帶有殼聚糖的甘蔗渣芯板，其表征特性優(yōu)于其他的板材[23]。由于甘蔗渣原料相對(duì)集中， 運(yùn)輸成本低， 所以用甘蔗渣生產(chǎn)纖維素板材能給企業(yè)帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)效益。這也是中國(guó)目前利用甘蔗渣最直接有效的途徑。

3.4 飼料

甘蔗渣一般含水分10%～20%，木質(zhì)素約20%，可給反芻動(dòng)物提供纖維素和糖分。利用有效的處理方法可以提高甘蔗渣飼料的消化吸收能力，如甘蔗渣糖化法，甘蔗渣青貯，甘蔗尾葉堿化法等[24]。但在飼料化的過(guò)程中要注意環(huán)境保護(hù)，對(duì)滲出液和氣體都要進(jìn)行預(yù)防和處理。

3.5 栽培基質(zhì)

甘蔗渣由于其長(zhǎng)纖維占比重較高， 是理想的栽培混合基質(zhì)的輔助原料。而且，隨著食用菌需求的日益增多，菌林矛盾日漸突出，蔗渣作為一種新型食用菌栽培料資源已經(jīng)受到更多的關(guān)注。目前，甘蔗渣作為基質(zhì)已成功應(yīng)用于花卉、蘑菇、木耳等的無(wú)土栽培以及蔬菜工廠化育苗[25-26]。如何消除硅化細(xì)胞的影響是蔗渣作為栽培基質(zhì)的關(guān)鍵問(wèn)題[27]。

3.6 沼氣

隨著開(kāi)采能源的不短減少，甘蔗渣沼氣化一直受到普遍的重視。沼氣發(fā)酵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)改善環(huán)境和廢棄物能源化利用的有效途徑之一。甘蔗渣中的纖維素、半纖維素可以被微生物菌群利用產(chǎn)生沼氣，采用批量發(fā)酵的方式，可實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。甘蔗渣生產(chǎn)沼氣可在常溫條件下進(jìn)行，甘蔗渣的總固體含量產(chǎn)氣潛力為201 mL/g，新鮮原料產(chǎn)氣潛力為150 mL/g。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，甘蔗渣是一種良好的發(fā)酵原料，發(fā)酵產(chǎn)沼氣是提高甘蔗渣燃燒效率的一種有效途徑[28]。

3.7 燃料乙醇

發(fā)展纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)是緩解能源緊缺問(wèn)題的有效途徑之一，也是非糧生物質(zhì)綜合利用的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。其中利用農(nóng)作物的廢棄物生產(chǎn)燃料乙醇是生物質(zhì)能源中最有發(fā)展?jié)摿Φ耐緩街弧８收崆o稈中的糖分和甘蔗渣中的纖維素都可以轉(zhuǎn)化為乙醇，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)甘蔗的全部利用。巴西利用其豐富的甘蔗蔗糖資源將燃料乙醇生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化，并采用糖酒聯(lián)產(chǎn)的形式實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)上的宏觀調(diào)控。在甘蔗渣纖維素乙醇方面的轉(zhuǎn)化技術(shù)研究成果為世界各國(guó)提供了良好借鑒[29]。與此同時(shí)，各國(guó)的研究者對(duì)甘蔗渣生產(chǎn)乙醇也進(jìn)行了研究，通過(guò)AFEX（氨氣爆破法）預(yù)處理甘蔗渣是比較理想的工藝路線，在酶法水解中添加木聚糖酶和纖維素酶可將木聚糖和葡聚糖酶的轉(zhuǎn)化率提高到90%[30]。在AFEX條件下使用啤酒酵母菌進(jìn)行發(fā)酵，該菌株在pH 6.0 時(shí)比pH 4.8時(shí)能更好的利用木糖。雖然，科學(xué)家已經(jīng)取得了很好的科研進(jìn)展，但目前甘蔗渣燃料乙醇仍然需要重點(diǎn)解決兩個(gè)問(wèn)題，一是高效、經(jīng)濟(jì)的甘蔗渣的預(yù)處理技術(shù)；二是低成本的纖維素降解技術(shù)。目前，大多數(shù)仍處于試驗(yàn)階段，但有望在不久的將來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。

3.8 高性能吸附材料