纤维废弃物预处理与秸秆废弃物的生物转化

喻玮昱

摘 要：利用微生物可将废弃物转化为生物能源，是缓解能源和环境危机的重要途径。秸秆就是我们农村随处可见的废弃物，秸秆生物转化中，预处理可以破坏秸秆组分结构，促进纤维酶解，起着非常重要的作用。本文分析了秸秆组分特点与纤维降解关系，重点介绍了物理法、化学法、生物法等不同預处理方法，并对其优缺点进行了分析比较，以期为生物能源的发展提供基础。

关键词：秸秆；生物转化；预处理；生物能源

中图分类号：S38 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）20-0006-01

面对能源和环境的双重压力，可再生能源如太阳能、生物质能的生产，成为全球关注的热点[1-2]。生物质指所有通过光合作用，利用太阳能和二氧化碳转化形成的有机物质和光合产物衍生的其它物质，如秸秆、木材等。据估计，生物质能将成为未来可持续能源的重要部分，到本世纪中叶，生物燃气、燃料乙醇等新能源将占全球总能耗40%以上。秸秆是典型生物质，全世界秸秆年产量达29亿多吨，我国秸秆年产量世界最高，达7亿吨。秸秆生物转化过程的突出问题就是降解难，这与秸秆组分结构密切相关，而预处理是改变秸秆组分结构、解决降解难问题的重要方法，本文就现有的预处理方法进行总结介绍[3-4]。

1 秸秆组分结构及其生物转化

秸秆是属于可再生的生物质资源。秸秆中蕴含了很丰富的能量，秸秆废弃物生物转化的重要价值在于解决环境问题的同时，可以获得乙醇、沼气、氢气等可再生能源产品，用于生产和生活中。

秸秆生物降解过程的难易与其细胞壁结构密切相关。植物细胞壁分为三层，即胞间层、初生壁和次生壁。胞间层主要成分为果胶质；初生壁在胞间层的内侧，主要成分包括纤维素和半纤维素；次生壁在初生壁的里面，主要成分是纤维素，还伴有木质素。纤维素是葡萄糖的高聚物；半纤维素是非纤维类的碳水化合物的统称；木质素是由苯基丙烷结构单元聚合而成的芳香族高分子化合物。

酶与纤维素的直接接触是纤维水解的先决条件。纤维组分的有机结合使细胞壁结构变得十分紧密，纤维素分子是细胞壁的主要构架，其间充满了半纤维素和木质素，在某些局部区域，纤维素形成致密的结晶区，而木质素的存在成为酶与纤维素接触的物理障碍，以上都使得秸秆生物可降解程度非常低。不同预处理可以改变纤维组分结构，是提高纤维素酶解和转化效率的有效途径[3-4]。

2 预处理

2.1 物理预处理

秸秆物理预处理过程中的主要手段是机械粉碎和加热等方式，这些处理可以增加秸秆比表面积，同时对于秸秆内部结构的破坏有利于增强纤维可降解性能，从而一定程度上解决秸秆生物转化难的问题。机械粉碎是最常见的物理处理方法，机械粉碎能引起纤维原料形态和微观结构的改变，降低结晶度，从而明显提高纤维原料转化率，研磨和切碎均能促进秸秆的厌氧发酵产沼气水平，主要是因为粒径减小可以大幅提高纤维原料对酶的可及度，其缺点就是能耗大，研磨成本高。辐射预处理也能破坏纤维原料结构，如γ辐射一方面能降低纤维的聚合度，另一方面，能使纤维素原料变得更加松散，破坏纤维素结晶结构，也能脱去部分木质素，从而提高纤维转化率[3-4]。

与机械粉碎和辐射方法相比较，蒸汽爆破、高温热水处理等也可以从一定程度上实现纤维素和木质素之间的分离，破坏纤维结构，溶解部分纤维组分，提高纤维素酶的酶解效率。上述过程也可以通过外部添加酸碱等化学物质，进一步加强预处理效果，发展成组合预处理技术。

2.2 化学预处理

化学法包括酸处理、碱处理、溶剂处理等。其中应用最为广泛的是酸处理。酸处理中可以使用硝酸、磷酸和盐酸等，而最为常见的是硫酸。酸可以去除半纤维素，破坏纤维结构，从而获得较高的酶解得率，提高生物转化效率。目前稀酸水解已经成功用于纤维原料的预处理，通过稀酸处理可以获得较高的糖得率，显著促进酶水解。研究结果也表明，盐酸处理能有效提高秸秆发酵产氢过程氢气产率，这与纤维组分在酸处理条件下的水解成易降解的可溶性组分有关[3-4]。

木质素是纤维废弃物降解过程的空间障碍，木质素-碳水化合物复合物的存在也给纤维水解带来了难题，因此，木质素的去除是提高纤维生物转化效率的重要途径。碱处理是一种高效的脱木质素方法，碱处理的作用机制是利用碱对木聚糖半纤维素和其它组分内部分子之间酯键的皂化作用，通过减少酯键可以提高纤维原料的孔隙率，利用碱处理脱木质素后，纤维素组分比例也将发生变化，预处理后物料中纤维素明显得到润胀，纤维素结晶度降低，从而使酶解糖化效率明显提高[3-4]。

2.3 生物预处理

生物预处理主要使用的是真菌，包括产纤维素酶真菌和木质素降解真菌。很多发酵微生物对纤维不具备降解能力或者能力很弱，纤维素酶的补充就显得尤为重要。木霉等真菌可用来生产纤维素酶，然后将纤维素酶用于秸秆原料的酶解。例如，产氢过程使用的产氢污泥纤维降解能力很微弱，通过添加纤维素酶，可以大幅提高纤维的降解效率和产氢水平。

除纤维素酶产生菌外，木质素降解真菌也可用于生物预处理。白腐菌就是典型的木质素降解真菌，白腐菌则可分泌胞外氧化酶，用于去除木质素，破坏木质素和纤维素之间的化学连接，从而增加纤维素对微生物的可及度，提高其在后续酶解效率。利用白腐菌分泌的复合木质素 降解酶系，秸秆纤维的木素含量显著降低，从而明显提高酶解效率[3-4]。

除了真菌，细菌也有一些应用。比如一些具纤维降解能力的梭菌，将秸秆纤维原料预处理后，再利用纤维降解菌进行预处理获得酶解糖液，可以提高发酵产氢效率。研究者筛选分离得到一株高效纤维素降解产氢梭菌，该菌可以直接发酵纤维素原料产氢，当其与利用糖的产氢菌复合培养时，产氢效率会更高。

2.4 组合预处理

很多物理和化学预处理也可组合使用。酸处理可以将玉米秸秆不溶纤维组分转化为可溶性糖，从而促进后续产氢，微波和酸处理组合，则可进一步强化纤维原料发酵过程。汽爆是一种高效物化预处理方法，通过将原料在150～240℃的饱和水蒸气中蒸煮一定时间后，瞬间将压力降至常压，使纤维发生爆破，可破坏秸秆结构，使半纤维素水解，木质素发生重排，提高酶解效率。氨纤维爆破处理结合了爆破和氨的化学作用，就是在一定压力和温度下处理一定时间，通过突然释放压力爆破原料。

生物法不足在于周期长，通过与酸碱预处理相结合，可以一定程度上缩短白腐菌预处理时间，提高处理效果。例如单纯的酸处理能提高白杨树叶的发酵产氢潜力，而酸处理和纤维素酶处理的复合处理效果更好，产氢效率比单一酸处理提高1倍，酸和碱化学处理能破坏纤维素结构，提高纤维原料对酶的可及性，而纤维素酶的添加则可弥补发酵菌纤维素酶分泌能力的不足，从而起到协同加强产气作用[3-4]。

综上所述，将秸秆等生物质废弃物转化为能源具有广阔的前景，在生物质转化过程中，尽管酸碱处理、汽爆、氨纤维爆破等主流的预处理都可以改变纤维结构组分，提高秸秆生物转化效率，但预处理作用机制有待进一步阐明，同时，目前尚没有一种方法与其它方法相比在能耗、成本上具有十分突出的优势，各种预处理方法尚需在实际中进行多方位的综合提高和考察。

参考文献

[1]李十中.生物燃料产业发展路线图[J].中国酿造，2013，32（S1）：77-81.

[2]陈洪章.生物炼制有望续写石油炼制辉煌[J].中国石油和化工，2015，2：48-49.

[3]Michel B.，Simphiwe F.，Yuda B.， et al. Influence of pretreatment severity on structural changes， lignin content and enzymatic hydrolysis of sugarcane bagasse samples[J].Renew.Energy，2017，104：271-280.

[4]杨为华，李凤和.常压法秸秆预处理技术研究进展[J].化工进展，2017，36（3）：873-880.endprint