高粱秸稈生物煉制研究進展

李敏,鄒偉,寇慧,曹雅淇

(四川輕化工大學 生物工程學院,四川 宜賓,644005)

高粱,別稱蜀黍、蘆粟等,在中國有至少四五千年的種植歷史。甜高粱是粒用高粱的一個變種,與普通高粱相比,除具有高光效、抗旱、耐鹽堿等優點之外,它的莖稈糖錘度在15%～23%,是國內外一種新型的糖料作物、能源作物和飼料作物[1-2]。根據中國農業年鑒顯示,2020年我國高粱種植面積已達63.47萬hm2,產生的高粱秸稈十分龐大,直接丟棄或焚燒,不僅會嚴重污染環境,還會導致秸稈資源固有價值的喪失[3]。研究表明,高粱秸稈含有豐富纖維(占總量的80%以上)、糖分、粗脂肪、蛋白質等營養物質以及氮、磷、鉀等有機元素,可以用于釀酒,作為可再生生物質能源生產清潔能源,制生物肥料,飼料,制糖等,具有巨大的利用價值[4-5]。

生物煉制是以傳統農業廢棄物等生物質資源為原料,以綜合利用的方式轉化生產能源、化工產品和生物材料等的過程。高粱秸稈生物轉化生產高熱值燃料、化學品等本身并不困難,采用生物煉制技術工業化大規模綜合利用高粱秸稈等非糧生物質資源加工生產清潔能源,滿足日常生產生活需求,才是當前秸稈類生物質面臨的首要挑戰[6]。

1 高粱秸稈生物煉制應用

高粱秸稈是豐富的、可再生的農業有機廢棄物,通過生物煉制技術加工生產各種燃料、化學品等實現秸稈的高值化利用,促進環境友好型、可持續性發展。高粱秸稈生物煉制與預處理效果密不可分。通過高效的預處理技術打破秸稈的木質纖維素抗降解屏障,盡可能將組分結合轉化,可以提高高粱秸稈生物煉制效率。常用的預處理方法有物理法(機械粉碎、微波等)、化學法(稀酸、稀堿等)、生物法(酶、微生物菌群等)、復合預處理法(物理-化學、物理-生物等)等,但在處理效率、成本、時間等方面仍存在局限性[7-8]。新興的干法預處理技術以實現低能耗、低反應器腐蝕程度為目的,促進干式稀酸預處理技術完善,提高高粱秸稈干法生物煉制工業化的可行性[9]。此外,高粱秸稈預處理與后續生產利用聯系緊密,根據產物選擇適宜的預處理方法,既能提高預處理效率,還能提高秸稈轉化率和產物得率,如電化學法、酸與深層共晶溶劑法、芬頓預處理法聯合細菌接種等[10-12]。當前,高粱秸稈生物煉制技術主要包括基于碳水化合物、纖維素/半纖維素、木質素、全組分的生物煉制模式(圖1)。隨著秸稈資源預處理技術的完善及生產工藝的創新改進,高粱秸稈生物煉制效率大幅提高,為實現秸稈資源在生物能源、化工產品等領域的高效利用提供助力(表1)。

圖1 高粱秸稈生物煉制Fig.1 Comprehensive utilization of sorghum straw

1.1 基于碳水化合物的生物煉制

在高粱秸稈等生物質中,含有較高濃度的非結構性碳水化合物(可溶性糖和淀粉)、大部分的結構性碳水化合物(粗纖維),會隨著原料秸稈進入生物煉制加工過程[34]。

1.1.1 乙醇

甜高粱秸稈非結構性碳水化合物含量高,粉碎榨汁后,利用其中的可溶性糖,如蔗糖、葡萄糖、果糖等可直接進行發酵生產乙醇。新鮮高粱秸稈榨汁發酵與傳統秸稈發酵原料相比,高粱秸稈汁液的高含糖量省去了原料糖化步驟,縮短了發酵周期。利用高粱秸稈發酵生產乙醇有液態發酵和固態發酵2種方式[35]。將新鮮高粱秸稈所得汁液液態發酵生產乙醇,乙醇得率高、勞動強度小但生產速度慢、發酵時間長、季節限制大。但通過結合細胞固定化技術和改善糖化發酵方式,可以有效縮短發酵周期[36]。固態發酵是在沒有或幾乎沒有自由流動水的狀態下進行的一種或多種微生物發酵過程,高粱秸稈固態發酵受季節限制小,能耗小,乙醇濃度高,能夠提高原料利用率。劉健等[37]采用經60Co-γ輻射誘變所得菌株進行高粱秸稈固態發酵,乙醇產率達到6.4 g/100 g鮮秸稈。李十中教授團隊選育高產乙醇菌株進行固態發酵,乙醇收率高于92%;并根據高粱秸稈分批固態發酵的實驗結果,建立了動力學模型方程,系統地研究了先進固體發酵技術(advanced solid state fermentation,ASSF),成功進行了中試放大試驗,理論乙醇產率99.5%,實際乙醇收率90.86%[38-39]。然而,高粱秸稈固態發酵過程的細胞密度和乙醇產量都低于液態發酵,采用旋轉式或攪拌式生物反應器雖然能夠克服部分導熱和傳質差的問題,但在放大工藝中仍舊不能完全克服上述問題[40]。構建工程菌株利用高粱秸稈通過生物轉化的方式生產乙醇,具有較高可行性和工業應用價值。陳朝儒[41]以甜高粱秸稈為原料,利用酵母重組技術,同步糖化發酵產乙醇,濃度達到31.79 g/L。根據高粱秸稈物料特性,優化改進或研究新的發酵工藝,設計適宜的發酵設備,克服原料轉化率低、乙醇濃度低、放大試驗效果大幅縮減的問題,仍舊是現階段提高生物質發酵生產乙醇效率的重要解決途徑[42]。

1.1.2 功能性化學品

甜高粱秸稈汁液中含有53%～85%蔗糖、9%～33%葡萄糖、6%～21%果糖等,營養物質豐富,常被用來生產糖漿和結晶糖[43]。在生物煉制技術中,通常將纖維素、半纖維素優先轉化為可溶性的糖類、醛類等小分子化合物,如:木糖、木糖醇、阿拉伯糖、糠醛和其他衍生物等[44-45],并可進一步轉化為其他常用的增值化學品。高粱秸稈的可溶性糖在高溫、低pH條件下容易降解為5-羥甲基糠醛,而糠醛和5-羥甲基糠醛作為高粱秸稈水解的重要中間產物,可以生物轉化合成呋喃基含氧化合物,如2-甲基呋喃、2,5-二甲基呋喃、5-乙氧基甲基糠醛等,替代傳統含氧燃料[17]。近年來有研究表明,碳水化合物通過干法生物煉制技術可以得到L-乳酸,能夠用于生產生物可降解的新興塑料材料聚乳酸[46]。上述方法為促進高粱秸稈的高值化利用和完善碳水化合物的生物煉制技術提供了新思路。

高粱秸稈水溶性碳水化合物生物煉制技術仍不能滿足工業化生產的需求,需要進一步探索改進工藝:(1)探索一種低成本、長時間、安全有效的保持秸稈鮮綠多汁的方法,以保留更多糖分;(2)優先分離轉化纖維素、半纖維素,以獲得更多的產物;(3)增加對碳水化合物在以高粱秸稈為原料的生物轉化中的應用研究;(4)提高糠醛等中間產物的收率,從而提高秸稈生物轉化生產增值化學品的得率。

1.2 基于纖維素/半纖維素的生物煉制

纖維素、半纖維素是高粱秸稈中含量最高的成分,以它為主要原料生產生物燃料代替化學能源,是高粱秸稈生物煉制的有效途徑之一,對實現可持續發展、保障環境安全具有重要意義。

1.2.1 燃料乙醇

高粱秸稈被認為是最具潛力生產第一代和第二代能源的作物之一,因其在單位面積生產無水乙醇的產量較高,是近年來生產燃料乙醇的優選材料。

高粱秸稈經預處理、酸解或者酶解轉化成糖類,再經過微生物發酵作用生產生物燃料乙醇是目前最常用的方法[47]。預處理后高粱秸稈的水解方式包括:酸水解、酶水解、超/亞臨界水解、金屬離子促水解等,但這些方法都存在一定缺陷,使得纖維素水解糖化的產率不高[48]。因此生產過程中通常將纖維素水解糖化和發酵生產乙醇結合起來,主要有分步糖化發酵(separate hydrolysis and fermentation,SHF)、同步糖化發酵(simultaneous saccharification and fermentation,SSF)、同步糖化共發酵(simultaneous saccharification and co-fermentation,SSCF)、統合生物加工(consolidated bioprocessing,CBP)以及干法生物煉制技術(dry milling biorefinery processing,DMBP)等方式(表2)[9,49-50]。其中,最常用的是同步糖化發酵,該方法既能減少纖維素水解反應器數量,還能解除糖的反饋抑制作用。另外,將同步糖化發酵技術和分批補料發酵相結合,可以進一步提高燃料乙醇得率。近年來,采用單一或多種微生物聯合產酶、水解和發酵于同一生物反應器內的CBP越來越受到研究者的關注,被認為是在兼顧成本效益方面生產纖維素乙醇的重大突破[47]。與同步糖化發酵相比,CBP可以實現由微生物將底物一步轉化為燃料乙醇的過程,流程簡便,成本低,可應用于大規模工業化生產。但CBP要求單一生產菌株具有較高的乙醇產率和其他抑制物耐受性,因此需要篩選高產酶菌株,調節生產菌株外源基因的表達水平或通過研究代謝通路來提高纖維素乙醇的生產速率和得率[51]。干法生物煉制技術具有工業化生產高濃度纖維素乙醇的優勢,是在干式稀酸預處理得到高固含量的條件下,通過生物脫毒后進行同步糖化與共發酵生產燃料乙醇。干法生物煉制技術零廢水、低能耗、高產纖維素乙醇,但強調對預處理后抑制物的生物脫毒處理,同樣受到發酵菌株生產性能的限制,需要借助基因工程技術優選發酵性能良好的菌株[9]。

表2 不同糖化發酵技術比較Table 2 Comparison of different saccharification fermentation techniques

當前,高粱秸稈生產燃料乙醇的研究重點主要集中在:(1)通過使用現代化生物技術,調節影響生產菌株外源基因表達的因素或研究代謝途徑提高菌株產酶能力;(2)利用基因工程技術,選育能直接以纖維素為碳源生產高產燃料乙醇的菌株;(3)運用系統生物學構建微生物聯盟,微生物協調作用實現高粱秸稈“一步生產”燃料乙醇模式;(4)基于高粱秸稈全組分生物煉制模式,充分利用纖維素、半纖維素生產燃料乙醇,并以生物煉制技術解決生產后處理問題[52-53]。

1.2.2 丁醇

丁醇被認為是繼燃料乙醇后最具潛力的新型生物燃料,與乙醇相比,具有更高的能量密度和燃燒值,直接就可用作傳統發動機的燃料[22]。丁醇的生產方法包括羰基合成法、微生物發酵法和醇醛縮合法,從成本和生產效率等方面考慮,微生物發酵法是最適合工業化生產的方式。丁醇產生菌生產丁醇常會受到丁醇毒性作用而導致產物終濃度低。通過ABE發酵高粱秸稈等生物質原料以3∶6∶1的比例生產丙酮、丁醇、乙醇,再經分離得到純產品的發酵方式,低成本、高產量(丁醇占比最大),且丙酮還可充當預處理劑作用于木質素,對生物丁醇的產量提升具有至關重要的作用[22-23]。然而,ABE發酵技術生產丁醇仍存在許多限制條件:(1)非梭菌生產菌株的開發。ABE發酵技術是通過梭狀芽孢桿菌Clostridia的厭氧發酵,利用高粱秸稈糖化液轉化為丁醇、乙醇、丙酮等,對于非梭菌而言,其丁醇的生產能力仍然低于野生型梭狀芽孢桿菌,需要通過基因工程、誘變選育等手段來改造其產丁醇能力。(2)減弱毒害抑制作用。高粱秸稈糖化液和丁醇濃度過高時對生產菌株的毒害抑制作用,需要對秸稈水解液進行脫毒,及時分離回收發酵液中的丁醇。(3)丁醇的分離回收效率。丁醇的分離回收普遍采用蒸餾、吸附、萃取等方式,但都存在不同的缺點,高效的分離回收技術和低回收成本是提高丁醇回收效率的關鍵。

1.2.3 氫氣與揮發性脂肪酸

高粱秸稈厭氧消化生產氫氣的方法包括暗發酵、光發酵和暗-光耦合發酵3種,采用暗發酵制氫不受光照限制,且穩定性強,產氫速率快,通過堿和酶處理的兩步暗發酵,可以提高氫氣和揮發性脂肪酸的收率,增加了高粱秸稈生物精煉的競爭力[25],但常伴隨著乙酸、丙酸、丁酸等揮發性脂肪酸的產生,會在一定程度上抑制氫氣的得率。光發酵細菌能夠利用較寬的光譜,具有比暗發酵更高的底物轉化率,但目前僅停留在實驗室階段[54]。而暗-光耦合發酵法能將暗發酵產生的小分子有機酸作為光發酵的適宜的碳源底物,減弱抑制作用,較單一的暗發酵與光發酵具有更高的底物利用率和氫氣產率[54-55]。單一的發酵產氫菌株很難達到較高的氫得率,常采用混菌培養產氫來提高氫氣產率,研究表明,通過C.cellulovorans和C.acetobutylicum梭菌菌株共培養增強秸稈類生物質的水解程度,底物去除率更高,氫氣和揮發性脂肪酸的產量也隨之增大[56]。

低氫氣產量和低生產效率是高粱秸稈微生物厭氧發酵制氫聯產揮發性脂肪酸的主要限制因素,通過預處理可以削弱一部分影響,但要實現從實驗室階段走向大規模工業化生產模式仍需解決以下難題:(1)生產菌株調控和反應器數量。暗-光耦合發酵生產菌株代謝機理尚不明確,在同一發酵器內混合培養必須控制培養條件和發酵條件的差別,增加了生產操作難度;不同反應器內增加了暗發酵有機酸液體的分離操作和不同發酵罐發酵條件的調控,增加了經濟成本和產氫難度;(2)發酵前處理。把酶水解與暗-光耦合發酵在同一反應器內進行,秸稈被水解成糖的同時即被產氫菌消耗,可以有效提高產氫效率;(3)高產氫菌株的篩選。從自然界中篩選分離出適應不同生產環境的優勢菌株,進行純培養或混菌培養。(4)新興產氫技術。探索新的生產發酵方式,如暗發酵與微生物電解池耦合產氫,能夠高效轉化秸稈水解液產氫氣,實現資源利用和能源得率的最大化,但目前仍處于實驗室研究階段。

1.2.4 沼氣

厭氧發酵產生物燃料一直是高粱秸稈生物煉制的主要方向,而研究表明,在高粱秸稈轉化為乙醇過程中,其總固體利用率僅為30%左右,高粱秸稈采用乙醇-甲烷聯產方式生產乙醇所得產量較未處理秸稈提高了173.78%,其甲烷總產量比單產甲烷高8.21%～65.06%[26]。合理的預處理技術也是提高秸稈厭氧消化率和提高沼氣產量的方法,用堿性H2O2預處理高粱秸稈,可以增加纖維素含量,與酸性預處理相比,不僅可以縮短發酵生產周期,還能使沼氣的最終體積增加65%[57]。除了需要改進厭氧消化工藝提高甲烷產量以外,還可以利用厭氧消化系統(如單級連續攪拌罐式反應器和兩級浸出床反應器等[27])或設計專業的秸稈沼氣工程,構建沼氣綜合利用系統,如“豬-沼氣-魚”等[58]。

秸稈生產沼氣是近年的研究熱點,推動沼氣生產技術發展完善,有效緩解能源危機,實現秸稈的最大化利用。對此,后續開發主要包括:(1)多種厭氧微生物協同產沼氣,且根據每個地方高粱秸稈種類等的不同,結合當地實際改善其發酵技術和生產工藝,以提高沼氣產量;(2)沼氣生產由以禽畜糞便為主要導向的生產模式轉變為以農業廢棄物為主要導向的生產模式。(3)沼氣發酵剩余的沼渣可以作為原料生產植物酵素、有機物料腐熟劑等,減少生產殘留。

1.2.5 多元醇和其他增值化學品

在高粱秸稈生物質以纖維素/半纖維素為主的生物煉制加工技術中,纖維素、半纖維素首先被水解加工成葡萄糖、蔗糖、果糖、木糖等糖類物質,然后生物轉化成以碳鏈為主的多元醇和有機酸。以碳鏈為主的多元醇:C1體系主要包括甲烷、甲醇等;C2體系主要包括乙二醇等;C3體系主要由甘油、1,3-丙二醇和1,2-丙二醇構成;C4體系主要包括丁二酸、赤蘚糖醇等;C5體系主要包括木糖醇等;C6體系主要包括山梨糖醇、甘露醇等[59]。這些以碳鏈為主的化學產品體系通過成熟的生物發酵技術已經廣泛應用于工業化生產中,應用于食品、醫藥、農用化學品、精細化工等領域。纖維素、半纖維素水解成葡萄糖、果糖、蔗糖、木糖等含有羥基、醛基等多種官能團的單糖,通過單糖異構化脫水作用,再經催化劑催化作用和生物發酵作用,還可以生成葡萄糖酸、己二酸、乙酰丙酸、乳酸、γ-戊內酯等各種高值化學品。有效利用高粱秸稈等生物質生產化學品避免對化石原料的過度開采,探索以秸稈等為原料高效、選擇性的生產增值化學品的方法,是秸稈在生物化工領域發展的巨大挑戰[60]。

1.3 基于木質素的生物煉制

木質素占木質纖維素生物量的10%～35%,由紫丁香基丙烷(S),愈創木基丙烷(G),對羥苯基丙烷(H)3個單體通過溴化二苯醚鍵等化學鍵聚合而成[61-62],具有生產各種化學品和生物燃料的潛力。傳統高粱秸稈生物煉制加工中,優先考慮的是纖維素、半纖維素的利用,而木質素由于其結構的復雜性及本身解聚和重聚反應的不確定性,常被作為難降解的抗性屏障在預處理過程直接脫除過濾,極大地限制了木質素的增值轉化利用[63]。因此,木質素的生物煉制首先要解決高粱秸稈中木質素的分離問題。在以往的研究中,對秸稈中木質素的處理幾乎都是采取降解或催化轉化的利用方式,單獨分離木質素而不改變其結構性質的純提工藝還不太完善[64],極大限制了木質素的高值化利用。新興的深層共晶溶劑可以從秸稈等生物質中去除纖維素和木質素之間的鍵合,提取高純度的木質素,基于氯化膽堿(choline chloride,簡稱ChCl)的深層共晶溶劑在提取和分離木質素方面更加顯著,在轉化木質素生產各種燃料和增值化學品方面也有極大地潛力[31,65]。木質素的生物煉制主要包括熱化學轉化和生物轉化,熱化學轉化法通過熱解、氣化、加氫還原或氧化等方法,快速將木質素解聚成熱解油、合成氣等燃料和化學品;生物轉化通過微生物代謝將木質素轉化為脂質、聚羥基脂肪酸酯和香草醛等高附加值產品[66]?；谀举|素生物煉制的發展方向中,首先要考慮其從原料中分離的成本和對環境的影響,分離成本遠高于其利用價值,且超出環境承受范圍,就需設計新的分離、提取工藝;基于木質素的天然結構、高紫外吸收率、生物降解性[64]等特點,深入擴展它在生物基材料和木質素基納米材料等領域的應用模式。

1.4 基于全組分的生物煉制

高粱秸稈的全組分生物煉制,能夠實現秸稈的高值化利用,使秸稈的利用最大化,減少單一組分未完全利用對環境造成的二次危害。在以高粱秸稈為主要原料進行工業生產的利用方式中,大都以纖維素高效利用為秸稈生物煉制的主要導向,如燃料乙醇、丁醇、糠醛等,并未實現秸稈的全組分煉制,而半纖維素、木質素也是生產過程中浪費最為嚴重的組分。半纖維素結構不是化學均勻的,在預處理過程中容易被降解除去;木質素結構的黏合性和復雜性導致其在處理過程中能被分離但難以降解,基于此,研究者們提出了半纖維素、木質素優先分離與轉化的生物煉制技術[44-45,67]。優先分離秸稈各組分,對分離的各組分進行生物精煉,構建高粱秸稈的分級資源利用模式,實現秸稈資源全組分利用。另一種方式是通過兩相體系“一鍋法”催化纖維素和半纖維素水解成糖并生成高附加值的含氧化學物質,而木質素首先被解聚成酚類、愈創木酚、醛類、酮類等,再進一步轉化為烴類燃料、復合木塑材料前體和其他化學產品,如AlCl3催化的兩相2-MeTHF(2-甲基四氫呋喃)/H2O預處理可以增強纖維素和半纖維素的酶水解效率,并沉淀獲得木質素[32,59];使用氯化膽堿/甲基異丁基酮(ChCl/MIBK)雙相溶劑體系的一鍋法可以同時進行木質纖維素的分餾和轉化,將纖維素、半纖維素酶水解為糖類并轉化為糠醛,同時還能有選擇性地提取木質素[33]。為了實現高粱秸稈更高效的全組分利用或各組分分級高值化利用,緩解作物秸稈對環境造成二次危害,提出高粱秸稈全組分多級循環利用策略或各組分分級資源利用模式,避免利用方式單一化,進一步完善高粱秸稈全組分生物煉制技術,實現高粱秸稈可持續發展[68]。

2 結論與展望

高粱秸稈生物煉制已應用于生物質能源、化學產品、生物材料等多個領域,但基于其不同組分和全組分綜合利用的生物煉制技術還有待研究者們繼續探索。高粱秸稈生物煉制的首要動機是緩解化石能源危機、減少環境危害,但由于預處理技術的限制,其大規模工業化生產受到影響,仍然不能實現高效、高產的生產模式。研究新的預處理技術,改進完善處理設備,是高粱秸稈生物煉制的重要前提;改進秸稈木質纖維素各組分分級方法,探尋優勢生產菌種,是解決高粱秸稈高效生物煉制的瓶頸。高粱秸稈各組分分級分餾、利用技術仍存在挑戰,秸稈的一鍋式處理實現各組分高值轉化,最大限度促進生物煉制效率,是提高高粱秸稈全組分整體效益的重要技術突破。

在全球化石能源緊缺和生態環境日益惡劣的嚴峻挑戰下,通過生物煉制技術轉化高粱秸稈等生物質材料高效生產低成本生物能源、化學產品和生物材料等,對減少溫室氣體排放,促進低碳循環發展,緩解日益嚴重的環境問題方面具有重要意義。雖然高粱秸稈生物精煉加工工業化、商業化規模仍存在許多不足,阻礙高粱秸稈的增值轉化,但隨著預處理技術和生物煉制技術的不斷發展完善,高粱秸稈生物煉制模式也將迎來新的轉折,為我國秸稈資源高值化利用、可持續性發展和環境保護等方面做出積極貢獻。