木质纤维素类农业废弃物生物转化资源化研究进展

摘要木质纤维素类农业废弃物生物质资源的合理利用，对减少环境污染、缓解能源危机具有重要意义。简述了国内外木质纤维素类生物质资源化利用技术，着重对木质纤维素类农业废弃物生产燃料乙醇、厌氧发酵产甲烷（CH4）和产氢（H2）领域研究进展进行了论述。

关键词木质纤维素；农业废弃物；资源化

中图分类号S181.3；X703文献标识码A文章编号0517-6611（2014）18-05928-05

能源危机和环境恶化是全球可持续发展面临的两大问题。化石燃料的大量消耗是造成全球气候变化、温室效应和大气污染的根源[1]。寻找新型的可再生能源刻不容缓。第一代生物能源以生物乙醇和生物柴油为代表，其原料通常来自富含淀粉、糖类或油脂的农作物，然而，基于这些农作物的生物燃料的生产间接造成了粮食价格的上涨，引发潜在的粮食危机。近年来，基于木质纤维素生物质原料的生物燃料的生产得到研究者的广泛关注。

全世界农作物每年会产生大约2 000亿t的农业废弃物，是自然界最广泛的木质纤维素来源之一[2]，可收集利用的主要包括农作物秸秆、稻壳、甘蔗渣、玉米芯等。目前，农业废弃物除部分用作牲畜饲料、造纸和燃料外，绝大部分丢弃于农田或就地焚烧，对环境造成污染的同时浪费了大量的自然资源。农业废弃物的主要成分为来自植物光合作用合成的有机物，木质纤维素生物质是其主要组成部分。木质纤维素的高效生物转化是农业废弃物资源化利用的关键。该研究对国内外木质纤维素农业废弃物生物转化资源化利用技术和发展趋势进行了探讨。

1木质纤维素农业废弃物简介

农作物秸秆是来源丰富、廉价的木质纤维素原料。稻米、小麦和玉米是世界范围内种植最广泛的粮食作物，其秸秆年产生量分别达到731.3×106 t、354.34×106 t和203.61×106 t。甘蔗作为最主要的糖料作物，每年甘蔗渣产生量也达到180.73×106 t[3-4]。这些农业废弃物可以为生物燃料的生产提供稳定的原料来源。

木质纤维素是由纤维素（32%～47%）、半纤维素（19%～30%）、木质素（5%～24%）、少量的蛋白质（3%～5%）和灰分（4%～12%）等组成的复杂的聚合物[5-7]。其中，纤维素和半纤维素的水解产物为碳水化合物，如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖等。不同农作物秸秆含有的碳水化合物成分如表1所示[5]。木质纤维素所含的碳水化合物可被生物转化为醇类、酸类、CH4、H2等代谢产物，其中，乙醇、CH4和H2可用作清洁燃料。

2木质纤维素燃料乙醇生产

燃料乙醇又称生物乙醇，可由碳水化合物通过微生物发酵生产，由于其可以在某些情况下直接替代燃油等液态燃料且节能环保，是第一代生物燃料的代表。美国和巴西是最大的燃料乙醇生产国，预计2015年产量将达到100亿L[6]，其原料主要来自玉米和甘蔗。但对于大多数国家和地区，玉米和甘蔗是主要的粮食/糖料作物，往往会与粮食供应产生冲突。因此，木质纤维素燃料乙醇生产既能缓解原料供应问题，又可消除农业废弃物处理不当对环境带来的危害，具有良好的发展潜力，是目前燃料乙醇领域的研究热点，其关键是提高木质纤维素原料中的纤维素和半纤维素的生物转化效率。通常包括原料预处理、酶水解和乙醇发酵3个步骤。

2.1原料预处理木质纤维素中的纤维素是由葡萄糖单体通过β1，4糖苷键连接而成，半纤维素是由D木糖、D阿拉伯糖、D半乳糖和D甘露糖等聚合而成的碳链较短和高度分支的碳水化合物。而难以水解的木质素与这两种多糖聚合物紧密结合在一起，使得其中的碳水化合物很难被乙醇发酵微生物降解转化。燃料乙醇生产过程中，一般需要对木质纤维素原料进行预处理以释放纤维素和半纤维素。预处理方法可分为物理预处理、物理化学预处理、化学预处理和生物预处理。

2.1.1物理预处理。主要包括研磨粉碎[8]、高温热解[9]、微波和电子束辐射[10]等方法，这些方法的目的是通过物理作用破坏木质纤维素高分子聚合物的结构，促使其断裂或初步分解，提高后继处理还原糖的释放量。物理预处理方法产生的副产物较少，普遍存在能耗高、效率较低的问题。

2.1.2物理化学预处理。主要包括蒸汽爆破[3，11]、高温液态水处理[12]、氨爆破[13]、CO2爆破预处理[14]等方法。蒸汽爆破无需添加任何催化剂，但对木质素的分离不够完全；高温液态水处理有很高的木糖回收率，不需化学试剂，但会产生少量抑制乙醇发酵微生物的糠醛、羧酸等副产物；氨爆破预处理方法可同时实现较高的纤维素和半纤维素转化率，降低后继水解阶段酶的使用量，但该方法对木质素含量较高的原料处理效率较低；CO2爆破预处理与氨爆破方法原理相似，但是对设备的耐压性要求更高。

2.1.3化学预处理。主要包括酸碱预处理[15-16]、湿式氧化预处理[17]、有机溶剂预处理[18]等方法。酸碱预处理是目前使用的比较多的方法，但存在设备腐蚀、产生抑制性副产物和大量酸碱废水的处理问题；湿式氧化预处理可有效地将半纤维素转移至液相，降低其对纤维素的包裹，提高后继工序中纤维素酶的水解效率；有机溶剂处理的作用是破坏木质素和半纤维素之间的化学键，从而破坏木质纤维素的致密结构，但使用的有机溶剂会对后继的乙醇发酵微生物产生抑制。

安徽农业科学2014年2.1.4生物预处理。主要是利用白腐菌、褐腐菌、软腐菌等可破坏木质纤维素结构的真菌的生物分解作用[8，19]，其中，褐腐菌可破坏纤维素，白腐菌和软腐菌可同时分解纤维素和木质素。生物预处理的特点就是对设备要求低、条件温和及节能。但真菌等微生物分解木质纤维素耗时较长，效率较低，限制了该方法的应用。

2.2酶水解木质纤维素原料经过预处理后释放出碳水化合物及其聚合物，然后通过酶水解将其转化为糖单体供乙醇发酵。较酸碱水解酶水解的腐蚀性低、不产生抑制微生物生长的副产物、条件温和从而能耗更低，经济性好，是目前普遍采用的方法[20]。

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