甘蔗渣生产燃料乙醇技术研究现状与展望

刘 洋，姚艳丽，徐 磊，胡小文，高玉尧，邢淑莲

(中国热带农业科学院湛江实验站，广东 湛江 524013)

甘蔗渣生产燃料乙醇技术研究现状与展望

刘 洋，姚艳丽，徐 磊，胡小文，高玉尧，邢淑莲

(中国热带农业科学院湛江实验站，广东 湛江 524013)

甘蔗渣是制糖工业的主要副产物，将其生产成燃料乙醇具有广阔的应用前景。本文重点介绍了近年来国内外有关甘蔗渣燃料乙醇过程中的预处理、纤维素水解、净化、发酵等工艺的最新研究进展。希望能为甘蔗渣燃料乙醇产业的发展提供一些帮助。

甘蔗渣；燃料乙醇；预处理；纤维素

0 引言

随着社会和经济的不断发展，能源的消耗将越来越大。发展新型可再生能源将是解决这一问题的有效途径之一。燃料乙醇作为一种清洁的可再生能源，具有良好的应用前景[1]。燃料乙醇的发展经历了2个过程。一代乙醇主要是利用玉米、水稻和小麦等谷物为原料，通过酶解转化为糖，然后经发酵而成。二代乙醇主要是利用农作物秸秆、植物纤维素和甘蔗渣等为原料，这些原料必须先经过纤维素酶解转化为糖，然后再经发酵生成乙醇。由于粮食安全等问题，我国一代乙醇已经被全面禁止，但在美国等发达国家仍然在生产。二代乙醇由于原料大多是农作物的废弃物，受到了国家和企业的重视[2]。

木质纤维素生产燃料乙醇的原料主要被分成4大类：①作物的废弃物，主要包括水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、高粱秸秆、甘蔗渣等；②含有纤维素的林木，主要包括杨树和松树等；③能源植物，主要包括王草、柳枝稷、苜蓿等；④城市固体废弃物，主要包括办公废纸、家具等。目前，世界上已经有许多企业开始利用纤维素生产燃料乙醇，但是其生产过程中仍然有许多问题未能有效解决，其生产成本仍然很高。近年来，随着生物技术、物理技术等的不断发展，人们渴望在不久的将来能有效解决这些问题。

甘蔗渣是制糖工业的主要副产物(占24%～27%)，是甘蔗提取汁液后获得的纤维残余物[3]，特别是在热带地区的国家，如何有效利用这些纤维素原料，是目前人们普遍关注的一个问题。甘蔗渣主要来源于巴西、印度、中国、印度尼西亚、古巴、哥伦比亚等地。通常1 t甘蔗可以产生280 kg甘蔗渣，目前全世界每年约产生甘蔗渣5.4×108t[4]，其中大约50%的甘蔗渣被直接燃烧供热，资源浪费严重，对环境也造成破坏。我国也是甘蔗生产大国，每年产生的甘蔗渣产量约为2000多万t，具有很大的利用空间和潜力。近年来由于生物质转化利用工程技术的快速发展，人们发现甘蔗渣不仅是天然高分子材料、绿色化学品的宝库，其中还蕴藏着丰富的生物质能。甘蔗渣作为生物质原料具有来源集中、收集简单、运输成本低等优势，而且蔗渣成分相对稳定、性质均一，是理想的生物炼制的优质原料。因此，如何利用甘蔗渣生产可再生能源得到了更大的关注。此外，通过热电联产方式可以将甘蔗渣有效利用。不含水的甘蔗渣的总热值为19.25 MJ/kg，含有48%水分的甘蔗渣热值为9.95 MJ/kg。一般情况下，燃烧产生蒸汽和电可满足甘蔗糖厂的一般需求。但随着联合技术的改进，糖厂也可以把剩余电力出售给国家电网或直接给其他用户[5-6]。然而，在一些国家中，蔗渣通常在低效率锅炉中燃烧，该过程利用效率低，环境污染严重，并不是最好的利用方式。

甘蔗渣生产燃料乙醇主要包括生物质预处理，纤维素水解，糖发酵等步骤，其中生物质预处理和纤维素水解是关键的环节，目前可改进的空间很大。本文就近年来甘蔗渣生产乙醇研究方面取得的一些进展做一个简要的综述，希望能为产业化的发展提供一些帮助。

1 甘蔗渣成分与结构

1.1 甘蔗渣的主要成分与性质

与其他作物秸秆相比，甘蔗渣中纤维素和半纤维素含量较高，蛋白、淀粉和可溶性糖含量较少，蔗渣中的农药残留量很低，但其木质化程度也较高[7]。甘蔗渣是甘蔗经过压榨的产物，也属于作物秸秆的范畴。甘蔗渣中干物质含量通常为90%～92%，其中纤维素42%～50%，半纤维素25%～30%，木质素20%～25%，粗蛋白质2.0%，粗脂肪0.7%，粗灰分2%～3%[8-9]。甘蔗渣中的纤维素是以葡萄糖苷键形成的天然高分子化合物，是具有不同形态的固体纤维状物质，相对分子质量约为1×107～2×107之间。甘蔗渣既不溶于水，也不溶于有机溶剂，加热也不能熔化，但在高温时可分解，在酸性条件下发生水解[10]。

1.2 甘蔗渣的结构特征

甘蔗渣主要成分是纤维素(42%～50%)和半纤维素(25%～30%)。纤维素是由许多葡萄糖以β-1,4苷键缩合而成的高分子化合物。分子间彼此以氢键相连，尽管氢键的键能比一般的化学键能小得多，但因氢键的数目多，故相当牢固，以致在一般的食品加工条件下纤维素不可破坏[11-12]。半纤维素的化学性质与纤维素相似，是由不同的己、戊糖基接成的不均一聚糖，与纤维素相比其聚合度相对较小，容易被分解利用[13]。

2 预处理方法

木质纤维素主要以多糖为主，不易被利用，必须通过酸或酶水解成可发酵的糖。水解是从木质纤维素材料获得糖的有效途径，但是天然纤维素的可及度是一个重要的限制因素。植物中的纤维素与半纤维素和木质素交织在一起，木质素与半纤维素部分共价缔合，从而防止了酶直接作用于纤维素。此外，纤维素本身的晶体结构也在一定程度上增加酶水解的难度。因此，通过适合的预处理方法，除去纤维素中的木质素和半纤维素，降低纤维素结晶度和增加材料的孔隙率[14]，是提高酶解效率的关键步骤。同时，预处理的过程必须保持半纤维素的效用并避免形成抑制剂[15]。经济的预处理技术应该使用廉价的化学品，并且只需简单的设备和步骤[3]。

目前，对于不同的木质纤维素已经获得了几种预处理方法[16-18]，主要包括化学方法、物理方法和生物酶解方法。化学方法包括各种酸处理[19-23]和碱处理[24]；物理方法包括蒸汽爆炸[25-26]和液体热水预处理[15]等；生物酶解主要是白腐菌处理[27-28]。此外，还有微波超声波震荡、高能辐射、湿氧化[3]和有机溶剂预处理等[29-31]。在所有这些方法中，酸处理是目前应用最广效果最理想的方法。

2.1 化学预处理

用1%～10%的稀硫酸，盐酸或乙酸的水解通常称为酸水解。其优点是可以通过稀酸将半纤维素水解成单糖。甘蔗渣的半纤维素含量可达35%，用酸水解可以得到更多的单糖。然而，由于酸水解期间的液/固比较高，水解产物中还原糖的浓度相对较低，因此水解产物需在发酵前浓缩[22]。

酸可以攻击多糖，特别是比纤维素更容易水解的半纤维素。因此，纤维素和木质素部分在固相中几乎保持不变，可以进一步加工利用[32]。酸水解的产物液相主要由单糖（木糖、葡萄糖和阿拉伯糖），半纤维素的分解产物（来自聚合物的低聚物和与糖连接的乙酰基水解产生的乙酸）和单糖的分解产物（例如糠醛，戊糖脱水产物，5-羟甲基糠醛(HMF)和己糖脱水的产物）组成[19]。这些产物是微生物生长的抑制剂。但是，如果保持低的抑制剂浓度，水解产物则可以被用作发酵的培养基[32]。

Pattra等(2008)在121℃条件下，使用不同体积浓度(0.25%～7.0%)H2SO4和反应时间(15～240 min)评估了甘蔗渣的水解效果[23]。获得的最佳条件为0.5%的H2SO4水解60 min，可产生24.5 g/L的总糖。在这个条件下，可获得最高的葡萄糖浓度11 g/L，还可获得木糖11.29 g/L；阿拉伯糖2.22 g/L；但也可产生2.48 g/L的乙酸和0.12 g/L的糠醛。从0.5%增加到1.0% H2SO4不影响甘蔗渣半纤维素水解产物中的葡萄糖浓度，但是当H2SO4浓度在1.0%和5.0%之间时，葡萄糖浓度会有所降低。研究还发现，木糖是甘蔗渣半纤维素水解产物中的主要糖。为了增加甘蔗渣中的还原糖产量以及酸的回收利用，Cheng等(2008)提出了通过电渗析进行酸的再循环方法[22]。用酸处理木质纤维素时遇到的主要问题是形成呋喃衍生物和其它未知的有毒产物。在木聚糖的情况下尤为突出，非常容易导致糠醛产生。盐酸也可用于木质纤维素的预处理（例如高粱秸秆，甘蔗渣，黑麦草等），然而，其环境破坏和腐蚀性强严重的限制了其应用。与其它木质纤维素相比，用HCl水解甘蔗渣产率更高，还原糖转化率可超过30%[24]。

用H3PO4预处理甘蔗渣的优点是用NaOH中和水解产物之后，形成的磷酸钠可以保留在水解产物中，作为微生物的营养物[17]。磷酸钠不需要过滤操作，可以减少工艺流程，对环境也没什么影响。Gámez等(2006)发现用H3PO4预处理甘蔗渣后木糖浓度为17.6 g/L，阿拉伯糖浓度为2.6 g/L，葡萄糖浓度为3.0 g/L，糠醛浓度为1.2 g/L，乙酸浓度为4.0 g/L。使用为2%、4%和6%的H3PO4浓度，在60 min反应的水解产物中的木糖浓度分别为6、7.3和8.6 g/L[19]。在Rodriguez-Chong等人(2004)的研究中，硝酸也具有类似的水解结果。水解条件为：酸浓度2%～6%，反应时间0～300 min，温度100～128℃。最佳条件为：温度122℃，酸浓度6%，时间9.3 min。在这个条件下，可产生木糖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后达到最高的木糖浓度21.0 g/L[20]。

研究发现经过NaOH溶液处理的纤维素可及度提高，但不同的NaOH溶液浓度、液比、温度、浸渍时间等因素对纤维素分解影响较大。甘蔗渣的NaOH预处理可以消化木质素，并使纤维素和半纤维素用于水解[33]。用NaOH处理甘蔗渣可以破坏细胞壁溶解半纤维素、木质素和二氧化硅，通过水解成为糖醛酸和乙酸酯，降低纤维素的结晶度。通过该方法，可以将甘蔗渣简单地分馏成碱溶性木质素、半纤维素和残留物，易于利用它们获得更有价值的产品。末端残基（主要是纤维素）可用于生产纸、纤维素衍生物和木聚糖[34]。研究发现用1%和3%NaOH水溶液连续处理甘蔗渣，可从蔗渣中得到25.1%半纤维素，占原始半纤维素的74.9%[34]。这些结果表明，在这些条件下1%和3%NaOH水溶液可以促进半纤维素多糖和木质素大分子的溶解。还有研究表明，用ZnCl2处理纤维素可提高纤维素酶水解的速率和产率。此外，还发现甲胺、乙胺等胺类试剂对一些特殊纤维素有消晶作用，也可提高纤维素酯化反应的反应活性[12]。

2.2 物理预处理

通过热处理的木质纤维素材料可提高分馏和溶解的效率，促进半纤维素的提取。Boussarsar等(2009)研究了甘蔗渣水热处理的转化率，最佳条件为170℃保温2 h。然而，通过热水解得到的产物存在木聚糖低聚物和大链的聚合物[35]。卢波等(2009)使用甘蔗渣作为原料研究了蒸汽预处理条件对乙醇产率的影响[26]。最佳的预处理条件是：SO2浸渍，180℃保温5 min，可得到86.3%的葡萄糖产率和72.0%的木糖产率，可以达到理论值80%的乙醇产率。此外，微波和超声波辐射也可以提高纤维素碱化反应速率，尤其可大大改善高碘酸高选择性氧化纤维素的反应条件[36-37]。用高能射线如电子射线、γ射线在黏胶纤维、醋酸纤维等生产过程中对纤维素原料进行预处理，也可得到理想的纤维素聚合度并增加纤维素的活性。这些技术的优点是可以减少溶剂反应和化学药品的使用，从而降低对环境的危害。蒸汽爆破技术是一种新型的技术，利用此技术可以极大地提高纤维素的预处理效果，且成本较低[26]。河南天冠酒精集团已成功利用气爆技术预处理小麦和玉米秸秆，此项技术拥有广阔的应用前景。

2.3 生物酶解预处理

生物酶解法是采用微生物对木质纤维素原料进行降解的一种方法。经过微生物的处理可以有效提高纤维素或半纤维素的可及度，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、褐腐菌和软腐菌等。生物酶解技术是目前发展的主要方向，此项技术具有环保、可持续性强等优势。但目前酶法预处理工业化的难题之一就是成本较高，占整个生产过程总费用的60%～80%[38]。如何降低成本是目前研究的重点课题之一。用于生物预处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预处理甘蔗渣。研究发现，经过生物预处理的甘蔗渣可通过青霉菌产生纤维素酶和木聚糖酶[28]。尽管这种预处理方式具有环保的优势，但是研究发现使用Pleurotussajor-caju PS2001的生物预处理效果并不是很理想。然而，用这种方法可以产生纤维素和半纤维素复合酶，可以用于蘑菇的培养，从而增加其附加值。另外，其他一些真菌如海洋真菌Phlebia sp. MG-60是从红树林植物筛选得到的，已经被证明有良好的木质素降解能力[27]。Li等人(2002)将这种海洋真菌预处理甘蔗渣，有超过50%的木质素被Phlebia sp. MG-60降解，并且纤维素的损失率小于10%[27]。在没有添加Kirk营养物(葡萄糖10 g/L，酒石酸铵0.221g/L，乙酸钠1.64 g/L，聚山梨酯80 1.0 g/L)的条件下，Phlebia sp. MG-60并没有表现出比白腐菌或者真菌更高的降解能力。然而，当在培养基中加入Kirk[40]后，其降解能力显著提升。因此，通过在培养基中适当地添加如Kirk等的营养物，Phlebia sp. MG-60可以更有效地降解甘蔗渣中的木质素，而全纤维素几乎没有受损。

3 纤维素水解

从预处理中获得的纤维素可以使用浓（稀）酸或酶降解成葡萄糖。如果使用稀酸(H2SO4和HCl)，需要在1.5%酸浓度下200～240℃的温度来水解结晶纤维素[41]。但是在这种条件下，葡萄糖也不可避免被降解成HMF和其它不期望的产物。然而，使用微生物水解纤维素不会降解葡萄糖，还被证明对于随后的发酵具有更好的效果，缺点是时间较长，成本较高。

目前，普遍认为利用纤维素酶对纤维素水解是最有希望的方法[42]。商业的纤维素酶已经用于甘蔗渣乙醇生产。为了有助于酶对木质纤维素的作用效果，需要进行预处理以增加纤维原材料中纤维素的可及度。如果预处理条件太苛刻，释放的糖降解为酶和酵母抑制化合物，会降低总产率。另一方面，如果使用太弱的预处理条件，则会导致酶和纤维素的可及度降低。

Hernández-Salas等(2009)优化了处理甘蔗渣的酶制剂，其含有Celluclast，Novozyme和Viscozyme L。甘蔗渣碱性酶水解中的样品，与龙舌兰渣(12%～58%)相比，还原糖产率(11%～20%)明显降低了。来自碱性酶处理的水解物中的葡萄糖浓度较高[24]。Martín等(2002)使用内葡聚糖酶和纤维二糖酶的混合物以糖化蒸汽预处理的甘蔗渣，所得水解产物具有类似于化学处理的糖组分[43]。

Martín等(2007)研究了湿氧化预处理对甘蔗渣的分馏和酶转化性的影响。预处理条件改善了纤维素的酶转化性。在195℃，15 min和碱性pH预处理条件下，可获得最高转化率为74.9%。将水解时间从24 h加倍至48 h仅导致一些额外的转化，因为大多数纤维素在第一个24 h期间已经水解[3]。这种预处理最高的总葡萄糖产率为68.9%，其不仅考虑了在酶水解期间形成的葡萄糖，而且考虑了在预处理期间发生的损失。酶可转化性的增加可能与低含量的木质素和半纤维素以及剩余固体材料的高纤维素含量有关。半纤维素和木质素的溶解肯定导致纤维素对酶的可及度的增加。纤维素的晶体结构的一些破坏和其聚合度的降低是导致在预处理期间发生的酶可转化性的改进的重要因素。木质素作为纤维素酶的竞争性吸附剂，也降低了吸附的酶的活性[3]。

4 预处理产物的净化

在木质纤维素的预处理期间，除了糖之外，还形成脂肪酸（乙酸、甲酸和乙酰丙酸），呋喃衍生物糠醛和HMF，以及酚类化合物。在使用酸或高温时更容易产生这些物质，影响乙醇的发酵能力。糠醛可以作为戊糖的降解产物，研究发现糠醛含量随酸浓度增加而增加[23]。

在甘蔗渣半纤维素水解产物中另一个抑制物是乙酸，当水解反应发生在半纤维素的乙酰基时，可以产生乙酸[20]。通常，当乙酸浓度为4～10 g/L时，对酵母具有抑制作用。用6%H2SO4处理60 min后，甘蔗渣水解产物的乙酸最高浓度为2.72 g/L，低于抑制效应的临界值[23]。但是。用4%H3PO4处理300 min，乙酸浓度可达到4.0 g/L，产生抑制效果[17]。另外，使用6%H3PO4在300℃下可获得相对低的糠醛浓度(1.5 g/L)，但是已经超过酵母的抑制临界值(1.0 g/L)。这表明在甘蔗渣预处理时，应该注意预处理方式的选择。已知几种净化方法，例如酸碱中和，氢氧化钙，活性炭，离子交换树脂[44]和使用漆酶等[21]都可以不同程度地降低水解产物中的抑制化合物。在甘蔗渣水解产物中添加这些物质的确有净化的效果，但是目前还没有一种方法可以同时除去所有的有害物质。

目前使用的另一种净化方法是电渗析(ED)，属于电化学分离方法。Cheng等人(2008)已经通过实验证实电渗析方法可以有效地进行甘蔗渣酸水解产物的净化，净化后的水解产物具有更好的发酵能力[22]。挥发性化合物，例如糠醛，可以通过沸腾除去，同时通过电渗析可以除去乙酸和硫酸。在通过电渗析处理后，水解产物中90%的乙酸被除去，而葡萄糖，木糖，阿拉伯糖，半乳糖，甘露糖和纤维二糖的损失率低于5%。此外，通过蒸馏分离和收集，硫酸可以重复使用，这将节省运行成本降低环境影响。虽然采用ED技术减少了糖的损失，然而由于仪器成本过高，利用ED净化的经济评价还需要在乙醇的实际生产中进一步研究[22]。

除了采用化学和物理的方法外，也可以采用生物净化的方法。Chandel等人(2007)比较了甘蔗渣水解产物各种净化方法的效率[21]。漆酶的浓度不会对乙酸产生任何影响，对总糖的损失也很小，但是可以最大程度地去除酸水解产物中存在的酚类化合物。离子交换处理的水解产物可以得到最高的乙醇浓度(8.67 g/L)，然后依次是活性炭(7.43 g/L)，漆酶(6.50 g/L)，过碱化(5.19 g/L)和中和处理(3.46 g/L)。

5 糖发酵生产乙醇

目前，糖发酵生产工艺主要有3种，即分步糖化发酵(SHF)、同步糖化发酵(SSF)和同步糖化共发酵(SSCF)。这3种发酵方式都有各自的优缺点，但是如果技术能够得到改进，SSCF被认为是最理想的发酵方式。

SHF法是将纤维素的水解和发酵在不同单元中进行[18]。使用该工艺预处理的木质纤维素材料的固体部分经历水解（糖化）。一旦水解完成，所得纤维素水解产物就会发酵并转化为乙醇。酿酒酵母是木质纤维素水解产物发酵最常用的微生物，该酵母可发酵水解产物中所含的己糖，但是不能发酵戊糖。SHF方法的主要特征之一是每个步骤可以在其最佳操作条件（特别是温度和pH）下进行。经过净化的半纤维素水解产物可以与来自酶反应器的纤维素水解产物合并。为了增加转化乙醇效率，酵母也可以用来转化木糖，但是在这种情况下，其转化率低于仅吸收己糖的微生物，这主要是由于酵母的双岐生长造成的。为了抵消这种影响，可以使用连续发酵，并且2种发酵独立地进行（共发酵）。另外，研究还表明，戊糖发酵生产率要低于己糖发酵的生产率。木质纤维素水解产物的共发酵技术可以有效地利用生物质预处理和纤维素水解期间释放的所有糖。使用2种或多种相容的微生物混合物，可以同时同化己糖和戊糖，这将大大提高乙醇转化率。

纤维素向乙醇的转化也可以通过同步糖化发酵(SSF)进行。这种方法是将具有纤维素分解活性的几种酶（基本上是内切葡聚糖酶、纤维二糖水解酶和β-葡萄糖苷酶）同时加入到同一容器中。使糖化产生的纤维二糖和葡萄糖转化为乙醇。与SHF相比，SSF在工艺上简化了设备，提高了生产效率，节约了能源。但是，SSF也具有一些不利的因素，如存在一些抑制因子，水解和发酵的最佳条件不一致等，这使得其控制和优化更难[45]。此外，此方式还需要更大量的外源酶[17]。

在木质纤维素乙醇生产中，目前非常有希望的整合构型是将戊糖发酵也放入SSF流程中，该方法称为同步糖化共发酵(SSCF)。SSCF将纤维素水解释放的葡萄糖发酵和存在于进料流中的戊糖发酵在同一单元中同时完成，因此具有更高的集成度。除了要利用纤维素酶外，SSCF中的关键因素是如何有效利用乙醇生产的微生物。这些微生物不仅可以吸收在预处理步骤期间释放的己糖（主要是葡萄糖），而且还可以吸收半纤维素水解产生的戊糖（主要是木糖）。Cardona和Sánchez(2007)利用基因工程手段，已经成功开发了可用于SSCF方法中的复合微生物[17]。目前具有己糖和戊糖分解代谢能力的重组大肠杆菌、运动发酵单胞菌和酿酒酵母菌株已经成功构建，使得SSCF工艺在经济上是可行的[46]。

目前，已经有很多甘蔗渣生产乙醇的成功报道，甘蔗渣燃料乙醇产率可达48%。Hernández-Salas等(2009)通过稀酸(HCl)和碱(NaOH)预处理甘蔗渣，水解产物用非重组菌株的酿酒酵母发酵，通过发酵可以获得大量乙醇，乙醇产率为32.6%[24]。另外，使用酸预处理获得的甘蔗渣水解产物使用Pachysolen tannophilus DW06菌株发酵，并用电渗析净化，可以获得34%的乙醇产率[22]。Chandel等(2007)利用HCl预处理甘蔗渣，用NCIM 3501发酵水解产物，并采用适当的净化方法获得更高的乙醇产率[21]。其中采用工业离子交换树脂、48%的木炭和37%的漆酶效果较好，而用过减法中和处理效果较差[19]。

综上所述，预处理是甘蔗渣乙醇生产中最重要的步骤之一。虽然酸处理效果较好，但是污染问题仍然突出。因此，预计在不久的将来，生物预处理技术将成为主要的预处理技术。生物预处理的关键是筛选合适的菌株，随着生物工程手段的不断改进，可能会出现分解木质素和半纤维素能力很强的菌株。另外，采用有机溶剂和湿氧化的预处理方法也被认为是将来的突破口。但是，仍然需要一定的时间，同时也需要国家和各个研究机构的共同努力。甘蔗渣乙醇的另一个重要环节就是纤维素水解，其核心就是纤维素水解菌株产酶能力的提高。就目前的情况来看，纤维素酶的成本依然很高，需要发现新的高效菌株或者采用生物工程的方法构建新的菌株。SSCF工艺被认为是最理想的乙醇生产工艺，但是其发酵条件的优化控制难度较大，这还需进一步的研究和改进。

6 展望

近年来，随着石油等能源的不断枯竭，环保问题日益加剧，利用生物质能源已经成为世界各国研究的热点。生物能源可减少温室气体的排放，减少不可再生资源的浪费，从而实现可持续发展。甘蔗渣是制糖工业的主要剩余物，与农作物秸秆相比，其已经经过一次粉碎和压榨，且收集方式简单，是理想的生物质原材料。如果能探索出一套包括甘蔗渣收集、运输、预处理、纤维素水解和发酵的理想工艺流程，可以获得更高的乙醇产量。但是就目前的技术而言，甘蔗渣乙醇的生产成本仍然相对较高。

热电联产虽然能够提供一些电力能源，但就环保等发展趋势来看，仍然不是最理想的利用方式。而且，糖厂把甘蔗渣燃烧提供需要的热力和电力会造成与甘蔗渣乙醇竞争原材料。如果纤维素乙醇的成本降低，可以将用于燃烧的甘蔗渣用于乙醇的生产，这样利用效率会更高。另外，大多数甘蔗汁和基于糖蜜的乙醇生产方法在稳定性方面也遇到许多问题，在甘蔗渣乙醇工艺中存在新的抑制剂影响了工艺的稳定性。因此，如果大规模使用甘蔗渣生产乙醇还需要认真考虑这一问题。

综上所述，甘蔗渣燃料乙醇虽然获得了一些进展，但仍面临诸多挑战。一是如何降低水解成本，以使甘蔗渣成为更便宜的底物；二是工艺流程优化，包括净化技术和纤维素酶的生产；三是在商业规模的发酵操作中如何维持微生物的稳定性。在原材料改造方面，未来的趋势还包括利用生物工程手段创造新的具有较高碳水化合物含量或者能改变自身物理结构的植物材料，这样就可以在较温和的条件下或使用半纤维素酶进行预处理。总之，目前在甘蔗渣乙醇技术工艺方面已经获得了较大的进展，但是在预处理和纤维素水解等技术方面仍然需要继续改进。相信在不久的将来，甘蔗渣乙醇会得到更广泛的应用。

[1] 闭帅珠，彭林才，陈克利. 蔗渣纤维素乙醇的预处理技术研究进展[J]. 生物质化学工程，2016，50(2)：53-60.

[2] 王奇，朱艳. 秸秆生产乙醇预处理的研究现状分析[J].生物质化学工程，2012，46(5)：53-58.

[3] MARTÍN C, KLINKE H B, THOMSEN A B. Wet oxidation as a pretreatment method for enhancing the enzymatic convertibility of sugarcane bagasse[J]. Enzyme Microb. Technol., 2007, 40: 426-432.

[4] 林鑫，武国庆. 纤维素乙醇关键技术及进展[J]. 生物产业技术，2015，2(2)：16-21.

[5] QUINTERO J A, CARDONA C A. Ethanol dehydration by adsorption with starchy and cellulosic materials[J]. Ind. Eng. Chem. Res., 2009, 48: 6783-6788.

[6] RAMJEAWONT. Life cycle assessment of electricity generation from bagasse in Mauritius[J]. J. Cleaner Prod., 2008, 16: 1727-1734.

[7] SHAIKH H M, PANDARE K V, NAIR G, et al. Utilization of sugarcane bagasse cellulose for producing cellulose acetates: Novel use of residual hemicellulose as plasticizer[J]. Carbohydrate polymers, 2009, 6(1): 23-29.

[8] 李永莲，刘文锋，林凯诚，等. 木质纤维素预处理技术的研究进展[J]. 贵州农业科学，2013，41(10)：158-161.

[9] 王允圃，李积华，刘玉环，等. 甘蔗渣综合利用技术的最新进展[J]. 中国农学通报，2010，26(16)：370-375.

[10] 张振，臧中盛，刘苹，等. 木质纤维素预处理方法的研究进展[J]. 湖北农业科学，2012，51(7)：1306-1309.

[11] 李永莲，刘文锋，林凯诚，等. 木质纤维素预处理技术的研究进展[J]. 贵州农业科学，2013，41(10)：158-161.

[12] SUN J X, SUN X F, ZHAO H, et al. Isolation and characterization of cellulose from sugarcane bagasse [J]. Polymer Degradation and Stability, 2004(84): 331-339.

[13] 杨吕炎，姚建中，吴创之. 生物质热解过程中灰分对热解油的影响[C]. 中国生物质能技术研讨会，2002：136-143.

[14] KELLER F A, HAMILTON J E, NGUYEN Q A. Microbial pretreatment of biomass[J]. Appl. Biochem. Biotechnol., 2003, 105-108: 27-41.

[15] LASER M, SCHULMAN D, ALLEN S G, et al. A comparison of liquid hot water and steam pretreatments of sugar cane bagasse for bioconversion to ethanol[J]. Bioresour. Technol., 2002, 81: 33-44.

[16] SUN Y, CHENG J. Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a review[J]. Bioresour. Technol., 2002, 83: 1-11.

[17] CARDONA C A, SÁNCHEZ O J. Fuel ethanol production: process design trends and integration opportunities[J]. Bioresour. Technol., 2007, 98: 2415-2457.

[18] SÁNCHEZ O J, CARDONA C A. Trends in biotechnological production of fuel ethanol from different feedstocks[J]. Bioresour. Technol., 2008, 99: 5270-5295.

[19] GÁMEZ S, GONZÁLEZ-CABRIALES J J, RAMÍREZ J A, et al. Study of the hydrolysis of sugar cane bagasse using phosphoric acid[J]. J. Food Eng., 2006, 74: 78-88.

[20] RODRIGUEZ-CHONG A, RAMIREZ J A, GARROTE G, et al. Hydrolysis of sugarcane bagasse using nitric acid: a kinetic assessment[J]. J. Food Eng., 2004, 61: 143-152.

[21] CHANDEL A K, KAPOOR R K, SINGH A, et al. Detoxification of sugarcane bagasse hydrolysate improves ethanol production by Candida shehatae NCIM 3501[J]. Bioresour. Technol., 2007, 98: 1947-1950.

[22] CHENG K K, CAI B Y, ZHANG J A, et al. Sugarcane bagasse hemicellulose hydrolysate for ethanol production by acid recovery process[J]. Biochem. Eng. J., 2008, 38: 105-109.

[23] PATTRA S, SANGYOKA S, BOONMEE M, et al. Bio-hydrogen production from the fermentation of sugarcane bagasse hydrolysate by Clostridium butyricum[J]. Int. J. Hydrogen Energy, 2008, 33: 5256-5265.

[24] HERNÁNDEZ-SALAS J M, VILLA-RAMÍREZ M S, VELOZ-RENDÓN J S, et al. Comparative hydrolysis and fermentation of sugarcane and agave bagasse[J]. Bioresour. Technol., 2009, 100: 1238-1245.

[25] PATTI, R P, DELFORNO T P, SAKAMOTO I K, et al. Thermophilic hydrogen production from sugarcane bagasse pretreated by steam explosion and alkaline delignification[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2015, 40(19): 6296-6306.

[26] 卢波，经艳，蔡爱华，等. 酸催化蒸汽爆破预处理提高蔗渣酶解性能研究[J]. 广西科学，2009，16(4)：441-445.

[27] LI X, KONDO R, SAKAI K. Biodegradation of sugarcane bagasse with marine fungus Phlebia sp. MG-60[J]. J. Wood Sci., 2002, 48: 159-162.

[28] CAMASSOLA M, DILLON A J P. Biological pretreatment of sugar cane bagasse for the production of cellulases and xylanases by Penicillium echinulatum[J]. Ind. Crops Prod., 2009, 29: 642-647.

[29] PASQUINI D, PIMENTA M T B, FERREIRA L H, et al. Sugarcane bagasse pulping using supercritical CO2associated with co-solvent 1-butanol/water[J]. J. Supercrit. Fluids, 2005, 34: 125-131.

[30] PEREIRA A A, MARTINS G F, ANTUNES P A, et al. Lignin from sugar cane bagasse: extraction, fabrication of nanostructured films, and application[J]. Langmuir, 2007, 23: 6652-6659.

[31] TU Q, FU S, ZHAN H, et al. Kinetic modeling of formic acid pulping of bagasse[J]. J. Agric. Food Chem., 2008, 56: 3097-3101.

[32] GÁMEZ S, RAMÍREZ J A, GARROTE G, et al. Manufacture of fermentable sugar solutions from sugar cane bagasse hydrolyzed with phosphoric acid at atmospheric pressure[J]. J. Agric. Food Chem., 2004, 52: 4172-4177.

[33] PANDEY A, SOCCOL C R, NIGAM P, et al. Biotechnological potential of agro-industrial residues. I. Sugarcane bagasse[J]. Bioresour. Technol., 2000, 74(2): 69-80.

[34] PENG F, REN J L, XU F, et al. Comparative study of hemicelluloses obtained by graded ethanol precipitation from sugarcane bagasse[J]. J. Agric. Food Chem., 2009,57(14): 6305-6317.

[35] BOUSSARSAR H, ROGÉ B, MATHLOUTHI M. Optimization of sugarcane bagasse conversion by hydrothermal treatment for the recovery of xylose[J]. Bioresour. Technol., 2009, 100(24): 6537-6542.

[36] BINOD P, SATYANAGALAKSHMI K, SINDHU R, et al. Short duration microwave assisted pretreatment enhances the enzymatic saccharification and fermentable sugar yield from sugarcane bagasse[J]. Renewable Energy, 2012, 37(1): 109-116.

[37] 王淋靓，张思原，梁琼元，等. 超声波辅助碱性双氧水法提取甘蔗渣纤维素最优工艺探讨[J]. 南方农业学报，2013，44(6)：1008-1013.

[38] 赵艳锋. 纤维素的改性技术及进展[J]. 天津化工，2006，3(2)：11-14.

[39] PAN X, ARATO C, GILKES N, et al. Biorefining of softwoods using ethanol organosolve pulping: preliminary evaluation of process streams for manufacture of fuel-grade ethanol and co-products[J]. Biotechnol. Bioeng., 2005, 90: 473-481.

[40] KIRK T K, SCHULTZ E, CONNORS W J, et al. Influence of culture parameters on lignin metabolism by Phanerochaete chysosporium[J]. Arch. Microbiol., 1978, 117: 277-285.

[41] OJUMU T V, OGUNKUNLE O A. Production of glucose from lignocellulosic under extremely low acid and high temperature in batch process, autohydrolysisapproach[J]. J. Appl. Sci., 2005, 5(1): 15-17.

[42] LYND L R, ELANDER R T, WYMAN C E. Likely features and costs of mature biomass ethanol technology[J]. Appl. Biochem. Biotechnol., 1996, 57-58: 741-761.

[43] MARTÍN C, GALBE M, NILVEBRANT N O, et al. Comparison of the fermentability of enzymatic hydrolysates of sugarcane bagasse pretreated by steam explosion using different impregnating agents[J]. Appl. Biochem. Biotechnol., 2002, 98-100: 699-716.

[44] CARVALHEIRO F, DUARTE L C, LOPES S, et al. Evaluation of the detoxification of brewery’s spent grain hydrolysate for xylitol production by Debaryomyces hansenii CCMI 941[J]. Process Biochem., 2005, 40: 1215-1223.

[45] CLAASSEN P A M, VAN LIER J B, LÓPEZ CONTRERAS A M, et al. Utilisation of biomass for the supply of energy carriers[J]. Appl. Microbiol. Biotechnol., 1999, 52: 741-755.

[46] MOHAGHEGHI A, EVANS K, CHOUY C, et al. Cofermentation of glucose, xylose, and arabinose by genomic DNA-integrated xylose/arabinose fermenting strain of Zymomonas mobilis AX101[J]. Appl. Biochem. Biotechnol., 2002, 98-100: 885-898.

(本篇责任编校：邓丹丹)

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

公益性行业(农业)科研专项“作物秸秆能源化高效清洁技术研发集成与示范应用”(201503135-23)

刘洋(1980-)，男，山西太原人，副研究员，博士，主要从事甘蔗渣能源化利用研究；E-mail：lyfull@163.com

刘洋，姚艳丽，徐磊，等. 甘蔗渣生产燃料乙醇技术研究现状与展望[J]. 甘蔗糖业，2016(6)：45-52.