甘蔗渣高值化應用研究進展

李克賢 黃科林

（1.廣西師范學院化學與生命科學院，廣西 南寧 530001；2.廣西化工研究院，廣西 南寧 530001）

甘蔗渣高值化應用研究進展

李克賢1黃科林2

（1.廣西師范學院化學與生命科學院，廣西 南寧 530001；2.廣西化工研究院，廣西 南寧 530001）

甘蔗渣是糖廠的副產(chǎn)物，也是一種重要的可再生資源。近年來，甘蔗渣越來越受到關(guān)注，應用研究也涉及多個方面。文章主要綜述了甘蔗渣的高值化應用狀況，最后提出了甘蔗渣今后的發(fā)展方向。

甘蔗渣；高值化應用；發(fā)展方向

甘蔗渣是制糖工業(yè)的主要副產(chǎn)品，是甘蔗機械壓制后所剩的主要部分，屬于農(nóng)業(yè)固體廢棄物。研究表明，甘蔗渣中纖維素約為32%～48%、半纖維素約為19%～24%、木質(zhì)素約為23%～32%、其它約為4%。甘蔗渣是一種取之不盡、用之不竭的可再生資源。多年來，甘蔗渣越來越受到眾多學者的關(guān)注，對其做了很多的應用研究工作。

（一）甘蔗渣高值化應用研究

1.甘蔗渣造紙

甘蔗渣是一種良好的制漿造紙原料，蔗渣目前已成為廣西造紙的主要原料之一。甘蔗渣中纖維素約為32%～48%，利用蔗渣纖維素不但可以生產(chǎn)包裝紙、瓦楞紙、有光紙、衛(wèi)生紙外，而且還可以利用蔗渣漂白化學漿摻配一定數(shù)量的長纖維制造各種高檔文化與生活用紙，如涂布紙、復印紙、雙膠紙、高級衛(wèi)生紙、餐巾紙等。

2.利用甘蔗渣生產(chǎn)紙碗

李振遠在市場信息雜志報道了如下信息：南大(浙江)環(huán)?？萍技瘓F有限公司是一家生產(chǎn)環(huán)保紙碗的企業(yè)，其產(chǎn)品包括方便面碗、冰淇淋杯、牛奶杯和便當盒等。其生產(chǎn)原料是一種可替代木漿材料的資源——甘蔗渣。把甘蔗渣變成原紙，再變成碗之類的產(chǎn)品，這項技術(shù)的研發(fā)地在我國甘蔗糖主產(chǎn)區(qū)廣西。甘蔗渣造紙這項技術(shù)雖然不是特別新，但經(jīng)南大公司新研發(fā)的技術(shù)可使甘蔗渣生產(chǎn)原紙的成本要比全木漿原紙節(jié)省30%，紙的外觀和質(zhì)感比以前也大有提升。

3.制備具有功能性的蔗渣纖維素衍生物

蔗渣纖維素通過酯化，醚化，接枝共聚或溶解再生，可以得到具有一定用途的蔗渣纖維素功能材料。袁懷波等以甘蔗渣為原料，通過醚化處理，并以N，N’－亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，制取醚化交聯(lián)甘蔗渣纖維。醚化交聯(lián)甘蔗渣纖維的最高吸水倍率為52.8g/g。崔志敏等甘蔗渣纖維素為原料，用尿素作催化劑，合成了甘蔗渣纖維素磷酸酯。研究了甘蔗渣纖維紊磷酸酯臺成的最佳工藝條件和應用。結(jié)果表明，產(chǎn)品對Ag+、Pb2+、Fe3+、Zn2+離子的平衡交換吸附量比活性炭平均增加7 15 mg/g，對X-GRRL陽離子藍染料的交換吸附性能比活性炭提高了15.7%。

再生是纖維素改性的一種重要手段。再生纖維素膜是一種十分有前途的高分子膜材料，可作為血液透析膜、食品保鮮膜等。王犇等以蔗渣纖維素為原料，在1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽([Amim]Cl)離子液體中，制備出蔗渣纖維素再生膜。通過偏光顯微鏡觀察了蔗渣纖維素的溶解過程，采用紅外光譜、掃描電鏡、X射線衍射、熱重及力學性能等分析測試手段，對蔗渣纖維素及再生膜進行表征，結(jié)果表明:未經(jīng)活化的蔗渣纖維素可快速、直接溶解在離子液體中，再生前后蔗渣纖維素發(fā)生了從纖維素Ⅰ到纖維素Ⅱ的晶型轉(zhuǎn)變，蔗渣纖維素再生膜具有致密的結(jié)構(gòu)，熱力學穩(wěn)定性達到292℃，拉伸強度高達144MPa。

4.制備微晶纖維素（MCC）

微晶纖維素(Microcrystalline cellulose，MCC)是天然纖維素經(jīng)稀酸水解至極限聚合度(LOOP)的可自由流動的極細微的短棒狀或粉末狀多孔狀顆粒。顏色為白色或近白色，無臭、無味，其顆粒大小一般在20～80微米，極限聚合度（LODP）在15～375；不具纖維性而流動性極強。不溶于水、稀酸、有機溶劑和油脂，在稀堿溶液中部分溶解、潤漲。在羧甲基化、乙酰化、酯化過程中具有較高的反應性能。

傳統(tǒng)的由甘蔗渣制備微晶纖維素利用無機酸（鹽酸，硫酸）作為催化劑，但使用強酸作為催化劑，對設備腐蝕嚴重。此外,含酸廢液的排放對周圍環(huán)境造成污染。在環(huán)境日益惡化的今天，用強酸作催化劑水解天然纖維素制備微晶纖維素產(chǎn)品，已不符合時代發(fā)展的要求。水作為自然界最常用的綠色介質(zhì)在化學反應中已經(jīng)得到廣泛的應用。以超（近）臨界水為介質(zhì)進行化學反應的研究引起了人們的極大興趣，開展了許多卓有成效的工作。作者通過閱讀文獻，借鑒了前人的方法，進行了以蔗渣纖維素漿粕為原料，在以近臨界水為反應媒介并自催化下，制備蔗渣微晶纖維素的研究。結(jié)果表明，利用近臨界水制備蔗渣微晶纖維素不但可行，而且整個工藝過程中清潔，無污染。

5.甘蔗渣制備人造地板、復合材料

甘蔗渣生產(chǎn)人造板是目前利用甘蔗渣最直接最有效的途徑，其加工的方向為中密度纖維板和刨花板。我國是少林缺樹的國家，人均擁有木材為世界平均水平的1/6，是世界上第二大木材進口國。利用甘蔗渣生產(chǎn)人造板頂替木材是一個很好的選擇。我國利用蔗渣生產(chǎn)人造板始于20世紀80年代。人造板可分為纖維和碎粒板兩種，用蔗渣制纖維板在我國已有較長的歷史，而以蔗渣為原料制造碎粒板則是近幾年才發(fā)展起來的。蔗渣人造板按其密度可分為3 類：低密度板，密度為0.3g/m2～0.59g/m2；中密度板，密度為0.59g/m2～0.8 g/m2；高密度板，密度為0.8 g/m2～1.0g/m2。中密度纖維板( 簡稱MDF) 是當今世界人造板發(fā)展的趨勢，這是由于它的性能很似木材，又勝于木材。它不但可以木材作為原料，而且能以一年生的植物纖維如甘蔗渣、秸稈等作為原料。中密度纖維板容重輕( 400 kg/m3～800 kg/m3)，強度高，握釘力強，板面涂飾性能好，表面光滑，板邊密實無需封邊，還適合鋸切、拉槽、鉆孔、雕刻及車制成品機械加工。因此，它是現(xiàn)在人造板中用途最廣的板材，是高中檔家具、建筑、家用電器、包裝、樂器、縫紉機臺板、車船及房屋內(nèi)裝修的最佳用材。

植物纖維/熱塑性塑料復合材料是一種資源循環(huán)型、綠色環(huán)保新材料，它是利用各種植物纖維(竹、稻殼、草纖維等)和熱塑性塑料高分子材料(PE、PP、PVC)為主要原料，經(jīng)高溫混煉，再經(jīng)成型加工而制得的一種價廉性優(yōu)的新型復合材料。文獻報道了甘蔗渣作為填充材料且和其他物質(zhì)制備復合材料。張麗等研究了甘蔗渣對聚丙烯基復合材料性能的影響。分別將未處理和經(jīng)過表面處理的甘蔗渣填充到聚丙烯中，對其復合材料進行了性能測試。實驗結(jié)果表明：當甘蔗渣含量達40份時，復合材料的綜合性能較好。經(jīng)過處理的甘蔗渣/聚丙烯復合材料的力學性能、熱性能、流動性能相對于未經(jīng)處理的甘蔗渣均有不同程度的提高。涂芳等也發(fā)表了甘蔗渣/LDPE發(fā)泡木塑復合材料的研究文章。利用廢舊低密度聚乙烯(LDPE)樹脂為基體，甘蔗渣為填料， 引進發(fā)泡工藝。制得發(fā)泡木塑復合材料，提高木塑復合材料的沖擊性能，降低木塑材料密度。

6.利用甘蔗渣制備吸附材料

（1）制備活性炭。活性炭是一種粉末狀或顆粒狀的黑色固體，是從含碳物質(zhì)中經(jīng)過炭化和活化等工序處理后，所制得的一種具強吸附作用的炭。活性炭在一般溶劑中不易溶解，它具有非常發(fā)達的細孔結(jié)構(gòu)，因此具有極強的吸附能力，現(xiàn)在己被廣泛應用于環(huán)境保護、化學工業(yè)、食品加工、濕法冶金、藥物精制、軍事化學防護等各個領(lǐng)域，是國民經(jīng)濟和國防建設以及人們?nèi)粘Ｉ畋夭豢缮俚漠a(chǎn)品。甘蔗渣作為富含有機質(zhì)的一種副產(chǎn)物，能夠利用其制取活性炭。國外學者Senthil Kumaar S等和NevineKamalAmin等將甘蔗渣經(jīng)過酸浸泡活化后，在600～700℃溫度下炭化，可制得性能較好的活性炭，并利用所制得的活性炭對城市垃圾滲濾液進行吸附處理，發(fā)現(xiàn)對腐殖酸有較好的去除效果。Dimitrios等采用NaOH法傳統(tǒng)加熱活化甘蔗渣研制活性炭，在973K下活化0.5h，所得的活性炭樣品的比表面積小于10m2/g。國內(nèi)利用甘蔗渣制備活性炭研究也很多。如嚴興等]以甘蔗渣為原料，以ZnCl2為活化劑，采用先活化再炭化的方法制取生物活性炭。通過比較得率和碘值，得到了取活性炭的優(yōu)化條件：活化劑ZnCl2濃度為2.0mol/L，活化劑與甘蔗渣的質(zhì)量比為5∶1，活化時間為24h，炭化溫度為500℃，炭化時間為50min，以N2作為保護氣，流量為2.5L/min。

（2）制備重金屬離子吸附劑。廢水重金屬的排放帶來了嚴重的環(huán)境污染，對重金屬污染的治理一直以來受到工業(yè)界與學術(shù)界的重視，脫除離子的主要方法很多，如沉積、離子交換、膜過濾、電離、活性炭吸附等，但成本較高。農(nóng)業(yè)廢棄物（蔗渣，稻草，鋸末等），通過對它們進行改性制備離子吸附劑，可以提高其應用價值，減少污染以及這些殘留物帶來的處理問題。因此利用廉價的甘蔗渣制備重金屬吸附材料引起了學者的興趣，開展了一些研究工作。王踽等采用甘蔗殘渣、丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(MAETAC)為原料，通過接枝共聚反應制備出蔗渣基重金屬離子吸附劑，通過正交試驗得到了合成吸附劑的優(yōu)化工藝條件。優(yōu)化條件下合成的蔗渣基吸附劑對Cu2+的吸附容量達到58.53mg/g。姜玉等通過用三氯氧磷對甘蔗渣進行改性，制備了含有強吸附能力的磷酸基團的甘蔗渣吸附劑，研究了磷酸化反應條件對離子吸附性能的影響。產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)通過紅外光譜進行了表征，同時也測試了所制備的甘蔗渣吸附劑的一些物理性質(zhì)如表面積、孔徑和平均顆粒大小。在恒溫及恒定pH條件下，用靜態(tài)吸附法研究了磷酸化甘蔗渣對Pb2+、Cu2+、Cr3+的吸附動力學，并運用3種動力學模型對吸附過程進行擬合，結(jié)果表明二級動力學模型對試驗數(shù)據(jù)最為吻合。所制備的改性甘蔗渣吸附劑對這3種離子的吸附量為Cr3+>Cu2+> Pb2+。

7.甘蔗渣制備生物乙醇

隨著改革開放不斷深入發(fā)展和工業(yè)化進程的加快，我國國民收入增加，生活水平顯著提高。汽車等交通工具也逐漸進走近了百姓家，但隨之而來的是燃油消耗的增加。地球上石油是不可再生資源，總有一天會消耗盡的，因此，需要開發(fā)可替代產(chǎn)品來應對這一天的到來。目前，用木質(zhì)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)燃料酒精的研究已經(jīng)成為全世界研究的熱點課題之一。甘蔗渣富含豐富的纖維素，半纖維素和木質(zhì)素，可以通過將甘蔗渣預處理，糖化，發(fā)酵工序制備生物質(zhì)乙醇。最大的甘蔗生產(chǎn)國巴西因石油短缺，20世紀后期就開始把目光投向該國豐富的甘蔗資源，投資39.6 億美元的巨額資金實施了“生物能源計劃”。巴西建立糖酒聯(lián)產(chǎn)機制，開發(fā)蔗汁直接生產(chǎn)燃料乙醇工藝。目前，該國有2/3的甘蔗用來生產(chǎn)燃料乙醇，已經(jīng)有燃燒純乙醇的車輛投入使用，擺脫了石油長期受制于人的局面，被譽為“綠色能源之國”。日本3家公司建成一個新型的擁有最先進設備的酒精廠。他們將蔗渣粉碎，然后用產(chǎn)生纖維素酶的細菌處理，將纖維素分解為糖，再用固定化酵母連續(xù)發(fā)酵生產(chǎn)酒精。每天利用720kg甘蔗渣可以生產(chǎn)200L的酒精。

8.甘蔗渣液化制備聚氨酯材料

甘蔗渣一個新的應用方法就是對其液化，制備甘蔗渣多元醇，進而制備聚氨酯材料。甘蔗渣含有大量的木質(zhì)素、纖維素等多羥基成分，因此具備制備多元醇的條件。戈進杰等通過對甘蔗渣液化反應的研究，探索一種甘蔗渣新的利用方法。在以硫酸為催化劑的條件下討論了液化試劑、液固比及反應溫度等因素對甘蔗渣液化反應的影響。結(jié)果表明，甘蔗渣在PEG#400中的液化率可達到96，而且其中的木質(zhì)素全部被液化，所得液化物為聚醚酯多元醇，羥值為280mgKOH/g～38Omg KOH/g，能滿足中強度硬質(zhì)聚氨酯泡沫的要求。龐浩等通過對甘蔗渣進行熱化學液化，制得了以甘蔗渣多元醇為原料的硬質(zhì)聚氨酯泡沫。

9.其它應用

生產(chǎn)畜牧飼料。甘蔗渣一般含水分10%～20%，木質(zhì)素約20%，可給反芻動物消化的主要部分包括纖維素和殘留的糖分，作適當處理甘蔗渣可提供高達20%的反芻動物食糧，但必需對甘蔗渣進行處理，防霉、切碎和加入部分糖蜜等，甚至進行氨化處理，使甘蔗渣中難以被動物消化的纖維素、木質(zhì)素分解，利于動物的消化吸收。美國的農(nóng)業(yè)專家發(fā)明一種利用甘蔗渣加工成高蛋白飼料的技術(shù)。其生產(chǎn)工藝是：把尿素或銨化合物加入甘蔗渣中，在高壓鍋中蒸煮，冷卻以后再進行發(fā)酵、干燥和研磨成粉，就成為一種高粗蛋白飼料，含有的可消化粗蛋白質(zhì)高迭20%左右，而原蔗渣中只含有10%左右。

此外，美國還研究開發(fā)出一種以甘蔗渣為主的蝦餌料。甘蔗渣經(jīng)過粉碎以后再加兌適量的糖酵母、蛋白粉、油脂以礦物質(zhì)和微量元素，制成1～2mm的微粒狀即可。該餌料最適宜于精細養(yǎng)蝦，可降低蝦飼料的成本55%～70%。

（二）結(jié)束語

綜上所述，甘蔗渣的高值化應用研究已經(jīng)相當豐富，但實現(xiàn)工業(yè)化產(chǎn)品還不多，因此，高值化利用以及理論向?qū)嶋H應用轉(zhuǎn)化并將實現(xiàn)于生產(chǎn)將是今后發(fā)展的主要方向。

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TS249.2

A

1008-1151(2011)02-0090-03

2010-12-23

李克賢（1975－），男，安徽臨泉人，廣西師范學院化學與生命科學院研究生，研究方向為應用有機化學。