纖維廢棄物預(yù)處理與秸稈廢棄物的生物轉(zhuǎn)化

喻瑋昱

摘 要：利用微生物可將廢棄物轉(zhuǎn)化為生物能源，是緩解能源和環(huán)境危機的重要途徑。秸稈就是我們農(nóng)村隨處可見的廢棄物，秸稈生物轉(zhuǎn)化中，預(yù)處理可以破壞秸稈組分結(jié)構(gòu)，促進(jìn)纖維酶解，起著非常重要的作用。本文分析了秸稈組分特點與纖維降解關(guān)系，重點介紹了物理法、化學(xué)法、生物法等不同預(yù)處理方法，并對其優(yōu)缺點進(jìn)行了分析比較，以期為生物能源的發(fā)展提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：秸稈；生物轉(zhuǎn)化；預(yù)處理；生物能源

中圖分類號：S38 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）20-0006-01

面對能源和環(huán)境的雙重壓力，可再生能源如太陽能、生物質(zhì)能的生產(chǎn)，成為全球關(guān)注的熱點[1-2]。生物質(zhì)指所有通過光合作用，利用太陽能和二氧化碳轉(zhuǎn)化形成的有機物質(zhì)和光合產(chǎn)物衍生的其它物質(zhì)，如秸稈、木材等。據(jù)估計，生物質(zhì)能將成為未來可持續(xù)能源的重要部分，到本世紀(jì)中葉，生物燃?xì)狻⑷剂弦掖嫉刃履茉磳⒄既蚩偰芎?0%以上。秸稈是典型生物質(zhì)，全世界秸稈年產(chǎn)量達(dá)29億多噸，我國秸稈年產(chǎn)量世界最高，達(dá)7億噸。秸稈生物轉(zhuǎn)化過程的突出問題就是降解難，這與秸稈組分結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而預(yù)處理是改變秸稈組分結(jié)構(gòu)、解決降解難問題的重要方法，本文就現(xiàn)有的預(yù)處理方法進(jìn)行總結(jié)介紹[3-4]。

1 秸稈組分結(jié)構(gòu)及其生物轉(zhuǎn)化

秸稈是屬于可再生的生物質(zhì)資源。秸稈中蘊含了很豐富的能量，秸稈廢棄物生物轉(zhuǎn)化的重要價值在于解決環(huán)境問題的同時，可以獲得乙醇、沼氣、氫氣等可再生能源產(chǎn)品，用于生產(chǎn)和生活中。

秸稈生物降解過程的難易與其細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。植物細(xì)胞壁分為三層，即胞間層、初生壁和次生壁。胞間層主要成分為果膠質(zhì)；初生壁在胞間層的內(nèi)側(cè)，主要成分包括纖維素和半纖維素；次生壁在初生壁的里面，主要成分是纖維素，還伴有木質(zhì)素。纖維素是葡萄糖的高聚物；半纖維素是非纖維類的碳水化合物的統(tǒng)稱；木質(zhì)素是由苯基丙烷結(jié)構(gòu)單元聚合而成的芳香族高分子化合物。

酶與纖維素的直接接觸是纖維水解的先決條件。纖維組分的有機結(jié)合使細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)變得十分緊密，纖維素分子是細(xì)胞壁的主要構(gòu)架，其間充滿了半纖維素和木質(zhì)素，在某些局部區(qū)域，纖維素形成致密的結(jié)晶區(qū)，而木質(zhì)素的存在成為酶與纖維素接觸的物理障礙，以上都使得秸稈生物可降解程度非常低。不同預(yù)處理可以改變纖維組分結(jié)構(gòu)，是提高纖維素酶解和轉(zhuǎn)化效率的有效途徑[3-4]。

2 預(yù)處理

2.1 物理預(yù)處理

秸稈物理預(yù)處理過程中的主要手段是機械粉碎和加熱等方式，這些處理可以增加秸稈比表面積，同時對于秸稈內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞有利于增強纖維可降解性能，從而一定程度上解決秸稈生物轉(zhuǎn)化難的問題。機械粉碎是最常見的物理處理方法，機械粉碎能引起纖維原料形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)的改變，降低結(jié)晶度，從而明顯提高纖維原料轉(zhuǎn)化率，研磨和切碎均能促進(jìn)秸稈的厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣水平，主要是因為粒徑減小可以大幅提高纖維原料對酶的可及度，其缺點就是能耗大，研磨成本高。輻射預(yù)處理也能破壞纖維原料結(jié)構(gòu)，如γ輻射一方面能降低纖維的聚合度，另一方面，能使纖維素原料變得更加松散，破壞纖維素結(jié)晶結(jié)構(gòu)，也能脫去部分木質(zhì)素，從而提高纖維轉(zhuǎn)化率[3-4]。

與機械粉碎和輻射方法相比較，蒸汽爆破、高溫?zé)崴幚淼纫部梢詮囊欢ǔ潭壬蠈崿F(xiàn)纖維素和木質(zhì)素之間的分離，破壞纖維結(jié)構(gòu)，溶解部分纖維組分，提高纖維素酶的酶解效率。上述過程也可以通過外部添加酸堿等化學(xué)物質(zhì)，進(jìn)一步加強預(yù)處理效果，發(fā)展成組合預(yù)處理技術(shù)。

2.2 化學(xué)預(yù)處理

化學(xué)法包括酸處理、堿處理、溶劑處理等。其中應(yīng)用最為廣泛的是酸處理。酸處理中可以使用硝酸、磷酸和鹽酸等，而最為常見的是硫酸。酸可以去除半纖維素，破壞纖維結(jié)構(gòu)，從而獲得較高的酶解得率，提高生物轉(zhuǎn)化效率。目前稀酸水解已經(jīng)成功用于纖維原料的預(yù)處理，通過稀酸處理可以獲得較高的糖得率，顯著促進(jìn)酶水解。研究結(jié)果也表明，鹽酸處理能有效提高秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫過程氫氣產(chǎn)率，這與纖維組分在酸處理條件下的水解成易降解的可溶性組分有關(guān)[3-4]。

木質(zhì)素是纖維廢棄物降解過程的空間障礙，木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)合物的存在也給纖維水解帶來了難題，因此，木質(zhì)素的去除是提高纖維生物轉(zhuǎn)化效率的重要途徑。堿處理是一種高效的脫木質(zhì)素方法，堿處理的作用機制是利用堿對木聚糖半纖維素和其它組分內(nèi)部分子之間酯鍵的皂化作用，通過減少酯鍵可以提高纖維原料的孔隙率，利用堿處理脫木質(zhì)素后，纖維素組分比例也將發(fā)生變化，預(yù)處理后物料中纖維素明顯得到潤脹，纖維素結(jié)晶度降低，從而使酶解糖化效率明顯提高[3-4]。

2.3 生物預(yù)處理

生物預(yù)處理主要使用的是真菌，包括產(chǎn)纖維素酶真菌和木質(zhì)素降解真菌。很多發(fā)酵微生物對纖維不具備降解能力或者能力很弱，纖維素酶的補充就顯得尤為重要。木霉等真菌可用來生產(chǎn)纖維素酶，然后將纖維素酶用于秸稈原料的酶解。例如，產(chǎn)氫過程使用的產(chǎn)氫污泥纖維降解能力很微弱，通過添加纖維素酶，可以大幅提高纖維的降解效率和產(chǎn)氫水平。

除纖維素酶產(chǎn)生菌外，木質(zhì)素降解真菌也可用于生物預(yù)處理。白腐菌就是典型的木質(zhì)素降解真菌，白腐菌則可分泌胞外氧化酶，用于去除木質(zhì)素，破壞木質(zhì)素和纖維素之間的化學(xué)連接，從而增加纖維素對微生物的可及度，提高其在后續(xù)酶解效率。利用白腐菌分泌的復(fù)合木質(zhì)素 降解酶系，秸稈纖維的木素含量顯著降低，從而明顯提高酶解效率[3-4]。

除了真菌，細(xì)菌也有一些應(yīng)用。比如一些具纖維降解能力的梭菌，將秸稈纖維原料預(yù)處理后，再利用纖維降解菌進(jìn)行預(yù)處理獲得酶解糖液，可以提高發(fā)酵產(chǎn)氫效率。研究者篩選分離得到一株高效纖維素降解產(chǎn)氫梭菌，該菌可以直接發(fā)酵纖維素原料產(chǎn)氫，當(dāng)其與利用糖的產(chǎn)氫菌復(fù)合培養(yǎng)時，產(chǎn)氫效率會更高。

2.4 組合預(yù)處理

很多物理和化學(xué)預(yù)處理也可組合使用。酸處理可以將玉米秸稈不溶纖維組分轉(zhuǎn)化為可溶性糖，從而促進(jìn)后續(xù)產(chǎn)氫，微波和酸處理組合，則可進(jìn)一步強化纖維原料發(fā)酵過程。汽爆是一種高效物化預(yù)處理方法，通過將原料在150～240℃的飽和水蒸氣中蒸煮一定時間后，瞬間將壓力降至常壓，使纖維發(fā)生爆破，可破壞秸稈結(jié)構(gòu)，使半纖維素水解，木質(zhì)素發(fā)生重排，提高酶解效率。氨纖維爆破處理結(jié)合了爆破和氨的化學(xué)作用，就是在一定壓力和溫度下處理一定時間，通過突然釋放壓力爆破原料。

生物法不足在于周期長，通過與酸堿預(yù)處理相結(jié)合，可以一定程度上縮短白腐菌預(yù)處理時間，提高處理效果。例如單純的酸處理能提高白楊樹葉的發(fā)酵產(chǎn)氫潛力，而酸處理和纖維素酶處理的復(fù)合處理效果更好，產(chǎn)氫效率比單一酸處理提高1倍，酸和堿化學(xué)處理能破壞纖維素結(jié)構(gòu)，提高纖維原料對酶的可及性，而纖維素酶的添加則可彌補發(fā)酵菌纖維素酶分泌能力的不足，從而起到協(xié)同加強產(chǎn)氣作用[3-4]。

綜上所述，將秸稈等生物質(zhì)廢棄物轉(zhuǎn)化為能源具有廣闊的前景，在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中，盡管酸堿處理、汽爆、氨纖維爆破等主流的預(yù)處理都可以改變纖維結(jié)構(gòu)組分，提高秸稈生物轉(zhuǎn)化效率，但預(yù)處理作用機制有待進(jìn)一步闡明，同時，目前尚沒有一種方法與其它方法相比在能耗、成本上具有十分突出的優(yōu)勢，各種預(yù)處理方法尚需在實際中進(jìn)行多方位的綜合提高和考察。

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