國內(nèi)甜高粱秸稈渣的循環(huán)化利用模式展望

張文貞

(甘肅省蘭州市永靖縣農(nóng)牧局，甘肅 永靖 731600)

甜高粱屬粒用高粱的一個變種，具有抗逆性強(耐干旱、耐水澇、抗鹽堿)，生物產(chǎn)量高,糖分積累快的優(yōu)勢，素有“高能植物”之稱[1]。在北方地區(qū)貧瘠的鹽堿地、新墾地產(chǎn)鮮莖稈可達60 000～90 000 kg/hm2, 莖稈含汁量達60%～80%,汁液的糖度為10%～20%[2]。作為一種新興的糖料作物、飼料作物得到了廣泛的開發(fā)利用。伴隨著國內(nèi)外能源替代品研究的不斷深入，甜高粱的工業(yè)化開發(fā)力度得到了前所未有的發(fā)展。甜高粱秸稈的液態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇已不能滿足企業(yè)降本增效、連續(xù)生產(chǎn)的要求，固態(tài)混菌發(fā)酵具有乙醇產(chǎn)量高、生產(chǎn)工藝清潔化的優(yōu)點，作為一種甜高粱秸稈新型制醇技術(shù)登上了工業(yè)化生產(chǎn)的舞臺。但是，甜高粱秸稈固態(tài)發(fā)酵制醇過程中產(chǎn)生的甜高粱秸稈渣，嚴重影響著企業(yè)環(huán)境衛(wèi)生和周邊的人居環(huán)境，制約著企業(yè)的清潔生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。為此，本文通過就國內(nèi)甜高粱秸稈渣含汁與去汁條件下的利用模式進行研究，對于分類建立甜高粱秸稈渣的去汁與含汁回收利用途徑,對于延伸產(chǎn)業(yè)鏈條、提高產(chǎn)業(yè)附加值提供一定的技術(shù)參考。

1 含汁甜高粱秸稈渣的利用途徑

1.1 進行新型能源的開發(fā)研究

1.1.1 發(fā)酵制氫

氫氣市場潛能大、應(yīng)用范圍廣是未來非化石類燃料的研究開發(fā)新方向，劉旭等人以蔗糖作為誘導(dǎo)物質(zhì)的條件下,利用牛胃里提取的厭氧菌種—肺炎克氏桿菌，在自行研發(fā)制造的厭氧流化床生物反應(yīng)器中保持一定溫度和pH值,厭氧發(fā)酵可產(chǎn)生含量最高達到28%的氫氣[3]?；钚晕勰嘁部勺鳛樘鸶吡唤斩挵l(fā)酵制氫的菌種，以垃圾填埋場采集培養(yǎng)的活性污泥作為菌種、甜高粱秸稈為底物進行發(fā)酵制氫，室溫14～23℃條件下，料液濃度為50 g/L時，產(chǎn)氫率分別為39.44 ml/g·TS、40.52 ml/g·VS，料液的TS、VS 利用率達到20.16%和30.51%[4]。

1.1.2 生產(chǎn)丁醇

丁醇與乙醇相比具有能量密度和燃料經(jīng)濟性高、蒸汽壓力低、與汽油配伍性好、腐蝕性小、便于管道運輸、對原料糖濃度要求低(糖度只須在10oBrix 左右即可滿足發(fā)酵生產(chǎn))的優(yōu)點[5]，與發(fā)酵生產(chǎn)乙醇相比之下，條件更為寬松、附加值更高。Optinol工藝在選擇適宜菌株生產(chǎn)方案、不改變現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，采用非轉(zhuǎn)基因梭菌菌株發(fā)酵生產(chǎn)丁醇，實現(xiàn)了低成本發(fā)酵與低成本連續(xù)萃取和低能量蒸餾過程的結(jié)合，為低成本的商業(yè)生產(chǎn)平臺提供了基礎(chǔ)[6]。Bd3菌利用甜高粱秸稈渣混汁發(fā)酵丁醇產(chǎn)量達到了10.29 g/L，且原料糖度進一步降低和丁醇產(chǎn)量明顯提高、成本明顯降低(是種植甜菜的2倍以上)[7]。高耐受菌株C.acetobutylicum ABE1301與甜高粱秸稈渣連續(xù)固化發(fā)酵，丁醇發(fā)酵濃度維持在10～12 g/L，實現(xiàn)了發(fā)酵的分離耦合，解除了產(chǎn)物抑制，節(jié)約了分離成本與能耗[8]。將甜高粱秸稈渣進行汽爆處理，制得混合渣液，加入由無機鹽、N源組成的丁醇發(fā)酵培養(yǎng)基，接種丁醇發(fā)酵種子液可進行丁醇的發(fā)酵生產(chǎn)[9]。

1.1.3 生產(chǎn)生物油

生物油具有原料來源廣泛、可再生、便于運輸、能量密度較高等特點，是一種潛在的液體燃料和化工原料[10]。吳漢靚等人以甜高粱秸稈渣汁為原料在自制的小型流化床反應(yīng)器上進行生物油的制備生產(chǎn)，產(chǎn)率達到了57%，但是產(chǎn)出的生物油含水量較高，影響其能量密度[11]。應(yīng)用核磁共振技術(shù)對生物油的主要結(jié)構(gòu)式及其氫原子分布狀況進行研究，對于分析生物油的組成、掌握生物油的特性，探索生物油的品質(zhì)改良相關(guān)措施具有重要意義。

1.2 探索還原糖的提取回收

甜高粱秸稈渣汁中富含非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(蔗糖、葡萄糖及果糖)和結(jié)構(gòu)性碳水化合物(纖維素和半纖維素)，應(yīng)用酶解分離、混菌發(fā)酵、酸堿處理等技術(shù)可進行甜高粱秸稈渣汁中木糖、葡萄糖等可還原糖和乙醇的回收提取，對于提升廢棄物附加值、推動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要的實踐指導(dǎo)意義。

1.2.1 提取木糖

堿處理能提高甜高粱秸稈渣提取木糖等還原性糖的轉(zhuǎn)化率，加入纖維素水解酶能提高低溫堿處理時的轉(zhuǎn)化率。低溫堿處理9%的甜高粱秸稈渣汁，與9.96 FPU/g的纖維素水解酶酶解120 h,木聚糖濃度達29.48 g/L,轉(zhuǎn)化率達40.45%[1]。甜高粱秸稈渣汁經(jīng)堿法預(yù)處理、固液分離、水洗提取制的提取液，提取液經(jīng)木聚糖酶糖化固液分離、活性炭吸附脫色、離子交換樹脂純化后得到木糖純化液，純化液經(jīng)氫化處理、濃縮結(jié)晶后烘干可制取木糖醇[12]。

1.2.2 提取葡萄糖

酸處理能促進甜高粱秸稈渣中葡萄糖的回收，利用鹽酸進行甜高粱秸稈渣汁中葡萄糖的水解回收，葡萄糖回收率達70.1%[1]。草酸作為一種有機酸，能夠用于催化半纖維素水解為木糖，作為甜高粱秸稈渣汁制備木糖過程中的水解催化劑，125℃，77 min條件下木糖收率達到了52.11%，且糠醛等副產(chǎn)物產(chǎn)率大幅度低[13]。

1.3 生產(chǎn)肥料黃腐植酸

黃腐殖酸富含植物所需的多種天然營養(yǎng)元素，葉面噴施可強壯植株，增強光合作用，達到增產(chǎn)的目的[14]。甜高粱秸稈渣汁與熱帶假絲酵母、假單胞桿菌、產(chǎn)朊假絲酵母菌液混合，加入2.0%尿素，30℃發(fā)酵72 h可生產(chǎn)含黃腐酸20%的液肥[15]。

2 去汁甜高粱秸稈渣的利用途徑

2.1 制作溫室秸稈反應(yīng)堆及復(fù)混肥

用甜高粱秸稈渣制作溫室反應(yīng)堆可提高設(shè)施大棚地溫(升高地溫9.0～9.5℃)、促進萌芽(提前葡萄萌芽期25 d)，產(chǎn)生的二氧化碳作為一種氣肥施入能提高作物產(chǎn)量[16]。糠醛復(fù)混肥具有疏松土壤、保水保肥、增產(chǎn)增收的功效，利用回收提取還原糖后去汁甜高粱秸稈渣進行有機糠醛復(fù)混肥的生產(chǎn)，能在促進甜高粱生產(chǎn)廢棄物綜合利用的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)甜高粱生產(chǎn)過程的廢棄物零排放[17]。

2.2 生產(chǎn)納米纖維

納米纖維用途廣泛，紡織業(yè)上可制作雙疏性界面織物，具有透氣、防水、防油、防污的優(yōu)勢和過濾細微粒子、病毒細菌等有毒物質(zhì)的效果，此外，在化工、醫(yī)藥等產(chǎn)品的提純、過濾等行業(yè)也有一定程度的應(yīng)用[18]。將甜高粱秸稈渣進行汽爆處理，制得甜高粱汽爆秸稈渣，汽爆秸稈渣進行復(fù)合酶解、水洗離心、加水制得納米纖維素懸浮液，高壓均質(zhì)、醋酸酯化改性制成納米纖維素[9]。

2.3 用作中污水處理吸附劑

重金屬因其特殊的化學(xué)性質(zhì)及毒性效應(yīng)，具有高度危害性和難治理性，水體的重金屬污染凈化一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的焦點。將甜高粱秸稈殘渣應(yīng)用于重金屬廢水處理，無需人工合成、處理過程簡單、無特定設(shè)備要求、廉價易得，與離子交換法、膜分離法和化學(xué)沉淀法等其他治理方法相比具有占地面積小、合成工藝簡單、操作方便、成本低、無二次污染，吸附劑可重復(fù)使用等優(yōu)點[19]。

2.4 進行木塑復(fù)合板材的加工生產(chǎn)

裝潢板材作為重要的家裝原材料，市場需求量大，傳統(tǒng)的裝潢板材用楊木、松木等樹木，粉碎擠壓而成，對森林資源的消耗較大，加工成本高。以高密度聚乙烯為塑料基體、硬脂酸為潤滑劑、甜高粱秸稈渣為填充物進行新型高密度木塑復(fù)合板材的生產(chǎn)，板材的彎曲性、拉伸性、吸水率等各項性能得到了進一步的優(yōu)化，可生產(chǎn)四孔板、桑拿板、立柱、景觀盆等多種木塑復(fù)合板材[20]。