国内外利用秸秆微生物制氢技术发展现状

■李 睿 崔宝臣 张国欣 徐 亮 李丽艳 魏美樑

生物质能是仅次于石油、天然气和煤炭的第四大能源，它是以生物作为载体将太阳能以化学能形式贮存的一种能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用，蕴藏量极大，仅地球上的植物，每年生产量就相当于目前人类消耗矿物能的20倍。农作物秸秆是生物质能的重要组成部分，通常含有38%-50%的纤维素、20%-35%的半纤维素和15%-25%的木质素，富含氮、钾、磷等微量元素，是丰富、廉价的可再生资源[1]。在我国，农作物秸秆年产量达6.5亿吨，其中玉米秸秆占37.4%[2]，加上数量巨大的林业纤维废料和工业纤维废渣，每年可利用的木质纤维素生物质总量可达20亿吨以上[3]。目前，这些木质纤维资源除少部分用作造纸和牲畜饲料、燃料、肥料、建筑及保温材料外，其余的都被堆积或者原地焚烧，很多地区将多余的秸秆露天焚烧，不仅造成严重的环境污染问题，也由此造成资源的浪费。若能利用木质纤维废弃物等廉价的基质制取氢气，不但能降低氢气的生产成本，又能使废弃物资源化。毋庸置疑，开发廉价的木质纤维素微生物制氢技术具有重要意义。

1 农作物秸秆的预处理方法

目前，利用微生物发酵农作物秸秆的研究很多，由于农作物秸秆的主要成分是纤维素、半纤维素及木质素等，微生物不能利用这些大分子的物质，只能利用如葡萄糖、木糖等小分子物质，因此需要对农作物秸秆进行预处理。

当前，国内外研究人员已开发出多种纤维素的预处理方法，如蒸爆法、微波法、电离辐射法、碱处理法、酸处理法等。李湘等[4]研究了碱处理、汽爆处理、酸处理和未处理等四种不同的方法对秸秆发酵的影响，结果表明汽爆处理和碱处理使秸秆分解效率高，汽爆处理对环境影响最小，具有很大的发展潜力。张杰[5]以秸秆水解液为碳源进行油脂微生物发酵，利用油脂微生物转化纤维素水解液生产微生物油脂，研究表明，酶曲中的纤维二糖酶可以将纤维素水解液中的纤维二糖水解成葡萄糖，而油脂酵母又能将葡萄糖转化成微生物油脂储存在体内，提高了葡萄糖的利用效率。杨叶等[6]在进行以玉米秸秆为原料合成纤维素衍生物时，采用蒸汽爆破活化方法进行预处理，取得了较好效果。刘培旺等[7]人对秸秆不同预处理方法对发酵产氢的影响进行了研究，研究表明化学酸、碱处理都可以将秸秆中的纤维素类物质水解生成还原糖，但一定浓度的酸碱会对发酵产氢产生抑制。NaOH和生物处理相结合对秸秆进行预处理后产氢效果最佳其产氢能力是未经预处理秸秆的75倍，氢气浓度是未经处理秸秆的96倍，可见经过预处理后的秸秆具有很大的产氢潜力。

2 秸秆水解液脱毒处理方法

经过预处理后的农作物秸秆水解液可以被微生物利用，但还存在的主要问题是水解液中含有很多有毒抑制化合物，导致微生物对农作物秸秆水解液的利用效果不理想。为了除去预处理后的农作物秸秆水解液中对微生物有毒害的抑制物质，如糠醛、羟甲基糠醛、乙酸、酚类化合物、丁香酸、羟基苯甲酸、香草醛等，需要对农作物秸秆水解液进行脱毒处理。

去除有毒物质的脱毒方法有很多，如物理方法脱毒、化学方法脱毒、微生物降解或酶法脱毒及综合脱毒。其中物理方法包括蒸发、萃取、木炭吸附、活性炭吸附等；化学方法有过量碱法、亚硫酸盐法和离子交换树脂法；用微生物或酶法降解抑制剂，目前仍在研究阶段，水解液中抑制剂成分复杂，要使该微生物降解抑制剂，同时又不利用水解液中的糖类物质，比较困难。曾有关于用酶降解相应抑制剂的报道，该方法在生产中必须加入酶的生产工艺，极大地增加了生产成本。此外，由于酶具有专一性，酶处理也只能去除特定的抑制物质。采用以上脱毒方法中几种方法相结合的方案，可有效去除或减少水解液中的抑制性物质。其中调节水解液pH值和活性炭吸附两者结合，可产生较好的脱毒效果。

张扬等[8]为了充分利用稻杆中的半纤维素同时提高水解液发酵性能，对稻杆半纤维素的水解条件和水解液脱毒进行了实验研究，通过利用有机溶剂萃取、大孔树脂吸附和活性炭吸附等几种脱毒方法比较，由Ca(OH)2+S-8树脂处理的方法可以去除水解液中90%的酚类化合物和60%的糠醛，并且木糖损失不超过20%，大大提高了半纤维素的利用效率，是一种较好的脱毒方法。丁兴红等[9]为了提高Candida sp.ZU-04发酵玉米芯半纤维素水解液生产木糖醇的得率，采用不同的脱毒方法对水解液进行了脱毒处理，结果表明，采用弱碱性离子交换树脂D301对玉米芯半纤维素水解液进行脱毒，能明显提高了半纤维素水解液的发酵性能；分阶段改变通气生产木糖醇得率更高,木糖醇得率为76.0%，该工艺为半纤维素水解液工业化大规模发酵生产木糖醇提供了依据和基础。

3 微生物利用秸秆产氢研究现状

目前，世界各国正在对农作物秸秆进行各种各样的利用，以期达到变废为宝的目的，其中微生物对农作物秸秆的利用成本低而且速度快，是秸秆利用的新途径。

周俊虎等[10]以麦秆等为发酵底料，以厌氧活性污泥为接种物，测试了其发酵产氢的能力。研究表明利用经过预处理后的麦秸和稻草水解液为产氢基质，菌种的发酵产氢能力有很大的提高，发酵产气中氢气浓度分别为23.8%和29.1%。Galina等[11]以甜高粱、甘蔗渣、小麦秸秆、玉米叶片和串叶松香草作为Caldicellulosiruptor saccharolyticus菌种产氢的唯一能源与碳源，产氢量达44.7L/(kg干生物质)，以处理过的甜高粱杆为基进行发酵产氢，有少量氢气产生。甜高粱汁液是很好的产氢基质，罗盘草在适宜的条件下也会进行发酵产氢。Sakchai等[12]主要以甘蔗渣水解液作为Clostridium butyricum菌种的培养基，对产氢条件进行了系统研究，产氢量为1.73 mol H2/(mol总糖)，产氢速率为 1611 mLH2/(L·d)。 Ntaikou 等[13]以Ruminococcus albu菌种为研究对象，预处理后的农作物为发酵产氢底物进行产氢研究，Ruminococcus albus不仅能利用发酵底物中的单糖，同时还能分解利用纤维素和半纤维素而产生氢气，产氢量范围为0.47-2.52 mol/mol葡萄糖。

4 结束语

微生物制利用秸秆制取氢气既可以生产氢能源，同时可以稳定农业废弃物，被认为是很有希望的绿色氢来源之一，是一种发展前景广阔的环境友好型制氢新技术。开发新型秸秆预处理方法是提高秸秆利用效率，降低制氢成本的关键；微生物制氢技术中最关键的因素是菌种，菌种的性能是影响产氢效率和原料转化效率各方面的决定因素。

［1］汪海波,章瑞春.中国农作物秸秆资源分布特点与开发策略[J].山东省农业管理干部学院学报,2007,23(2):164-165.

［2］杨小寒,黄爱玲,周美华.玉米秸秆浓硫酸水解的初步研究[J].中国资源综合利用,2003,(11):9-11.

［3］李日强,席玉英,曹志亮,等.纤维素类废弃物的综合利用[J].中国环境科学,2002,22(1):24–27.

［4］李湘,魏秀英,董仁杰.秸秆微生物降解过程中不同预处理方法的比较研究 [J].农业工程学报,2006,22(增1):110-116.

［5］张杰,张晓东,李岩,等.多纤维素酶协同降解玉米秸秆及水解液微生物油脂发酵研究[J].现代化工,2008,28(增2):133-135.

［6］杨叶,陈洪章.气爆玉米秸秆羧甲基纤维素的制备[J].化工学报,2009,60(7):143-1849.

［7］刘培旺,袁月祥,闫志英,等.秸秆的不同预处理方法对发酵产氢的影响 [J].应用与环境生物学报,2009,15(1):125-129.

［8］张扬,王运红,邓立红,等.稻秸半纤维素水解条件和水解液脱毒的研究 [J].纤维素科学与技术,2005,13(2):38-44.

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［10］周俊虎,戚峰,程军,等.秸秆发酵产氢的碱性预处理方法研究[J].太阳能学报,2007,28(3):329-333.

［11］Galina I,Gabor R,Kornel K.Thermophilic bio-hydrogen production from energy plants by Caldicellulosiruptor saccharolyticus and comparison with related studies [J].International Journal of Hydrogen Energy,2009,34(9):3659-3670.

［12］Sakchai P,Suksaman S,Mallika B,et al.Bio-hydrogen production from the fermentation of sugarcane bagasse hydrolysate by Clostridium butyricum [J]. International Journal of Hydrogen Energy,2008,33(19):5256-5265.

［13］Ntaikou I,Gavala H N,Kornaros M,et al.Hydrogen production from sugars and sweet sorghum biomass using Ruminococcus albus[J].International Journal of Hydrogen Energy,2008,33(4):1153-1163.