2007
随着经济的发展和社会的进步，化石能源渐 趋枯竭，世界将目光聚焦到了可再生能源来替代 石化产品， 特别是以丰富的可再生纤维素为原料， 生产更加安全、环保和高性价比的能源，以期部 分替代化石能源[1]。燃料乙醇被认为是最有发展 前景的新型可再生能源之一， 开发前景非常广阔。 第一代燃料乙醇以谷物为原料（例如玉米、小麦 和稻米） ，通过酶解转化为糖，然后经发酵而成。 由于我国人口众多，粮食安全是国家的首要战略 任务，因此，不能将燃料乙醇的发展建立在粮食 原料基础之上，这也是最近国家发改委出台通知 禁止企业盲目上燃料酒精项目的原因。第二代燃 料乙醇的基础原料是生物质，即蔗渣、废弃的玉 米秸秆和其它类型的植物纤维材料。这些原料经 过纤维素酶解转化为糖， 然后再经发酵生成乙醇。 第二代燃料乙醇由于其优异的环境效益受到国家 政策和酒精产业界的青睐。
纤维素是自然界分布最广、含量最多、价格 低廉，而又未得到充分利用的可再生资源。据估 计，每年全球通过生物合成可再生性纤维素 1000 亿 t 左右，除少量用于造纸、建筑、纺织等行业 或用作粗饲料、薪柴外，大部分未被有效利用。蔗 渣是甘蔗制糖工业的主要副产品， 是甘蔗在糖厂经 过多座压榨机或用渗透法把蔗汁提取后剩下的甘 蔗茎的纤维性残渣，干蔗渣产率一般为 11.5％ ～13％。我国南方蔗区总产蔗量 7000 多万 t，蔗 渣纤维的产量将达到 700 万 t。作为一类相对集 中的大量可再生纤维质资源，以蔗渣生产燃料乙 醇受到国内外各有关部门越来越广泛的重视。
绝 干 蔗 渣 低 位 发 热 量 （ 按 干 基 计 算 ） QgDW(MJ/kg)=17.88－〔2.51W/(100－W)〕
湿 蔗 渣 低 位 发 热 量 （ 按 湿 基 计 算 ） QfDW(MJ/kg)=QgDW×(100－W)/100
W—蔗渣水分(％)
按蔗渣水分 50％计，蔗渣的低位发热量为7.685 MJ/kg
(1)蔗渣来源集中，产量大。经压榨已成碎片 或丝、粉状，可节约预处理设备及动力，而且贮 存与运输都较为方便，故在糖厂或附近设酒精厂， 贮运及动力消耗成本比玉米芯、 稻草等其它原料低 得多。蔗渣（水分 50％）重量为甘蔗总量的 25％ 左右。
(2)蔗渣含全纤维素比较高，一般为 50％～ 55％，比木材稍低，高于稻草。
(3)木质素含量中等，为 20％左右，比木材 低，但比稻草高。因此蔗渣纤维原料比较容易蒸 煮。
(4)半纤维含量为 26％～30％， 比针叶树 （如 松树等）高，接近或超过阔叶树（如白桦等） 。
(5)蔗渣灰分含量比木材高，而低于稻草，在 灰分中 SiO2占 60％左右。
(6)热水和 1％NaOH 抽提物的含量比木材高， 蔗渣的 1％ NaOH 的抽提物含量达 35％～40％， 而木材则在 15％～20％之间。因此，蔗渣制浆的 得率比木材低，因而不是造纸的理想原料。
木质纤维原料生产乙醇是未来燃料乙醇的发 展方向，甘蔗渣与其它木质纤维原料一样，其生 产燃料乙醇主要流程见图 1：木质纤维原料首先 经过物理、化学和生物方法预处理得到糖化液， 然后经微生物菌株（酿酒酵母，运动单孢菌）发 酵生产乙醇，再进行蒸馏，脱水得到无水乙醇[4]。 木质纤维原料生产燃料乙醇主要存在以下两方面 的问题：①木质纤维预处理与酶解效率偏低；② 缺少对木质纤维水解糖液中的毒性物质具有耐受 性、具有良好乙醇生产性能，能充分利用水解液 中的已糖和戊糖的微生物菌株[5]。
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图 1 木质纤维素生产乙醇的流程图 |
国内外专家针对这两个瓶颈问题，展开了广 泛而深入的研究与探索，尤其在甘蔗渣预处理技 术和菌株选育方面取得阶段性的成果。
纤维素预处理方法有物理、化学方法：辐射 处理、高压热水、有机溶剂、稀酸、低温浓酸、 酸催化的蒸汽水解、蒸汽爆碎、液氨爆碎、碱水 解及利用白腐菌等微生物移除木质素等。其中酸 水解法被认为是目前最有可能工业化利用的方 法。
美国普渡大学建立了 Klason 方法[6]，是可再 生能源工程研究室研究开发的两步酸水解过程的 部分；使用 72％的浓硫酸分解原料的纤维素片， 留下木质素作为残渣，与木质素分离被分解的纤 维素用稀硫酸加热水解成糖类。另一种浓酸水解 法是用 40％的 HCl 分解纤维素，加水稀释和加热 后使纤维素水解成糖类；在工业上，二次世界大 战期间德国用这种工艺水解的木质素纤维材料， 苛性钠中和后用作动物饲料。最近日本完成了用 浓盐酸进行纤维素水解研究，浓酸的水解一般比 稀酸的水解可得到高浓度的糖和酒精产量，但酸 碱用量大，需设法回收利用。
稀硫酸的水解技术和采用高温高压提取糖的 工艺在二次世界大战前由肖娄尔（Scholler）开 发并且在德国应用于乙醇生产上。卢雪梅等用硫 酸(4％)预处理蔗糖渣，预处理得糖 27.14％，酶 解得糖 24.98％， 总得率 52.07％,(相对于未处理 的原料)。刘家健利用 4％的硫酸，常压回流 3h 对蔗渣进行酸处理，得糖率分别为 27.19％和 17.72％[7]。
稀酸水解的试验运转已暴露出一些问题：设 备的严重腐蚀、侵蚀、焦油的形成和无机盐的结 垢等，所有的设备都受到这些问题的困扰，造成 高额的投资和极高的清洁和维修费用，并且也限 制了这些工艺向商业化转化。
对于纤维材料的生物利用总的来说可以分为 二类：一类是二步发酵法，即先由纤维素酶或半 纤维素酶水解木质纤维素产生葡萄糖、木糖等可 发酵性糖，再由酵母菌发酵产生酒精；第二类是 经过一个步骤即可将纤维类物质转化为酒精，其 中又分为有二种微生物参与的同时糖化发酵和仅 用一个菌株的直接发酵法两种。利用纤维素酶作 用于纤维类物质，一方面可以直接将纤维素水解 产生可发酵性糖，然后由酵母发酵生成酒精；另 一方面通过纤维素酶的作用破坏细胞壁的结构， 软化细胞壁，从而提高原料利用率，增加酒精产 量。
目前，欧美、日本等发达国家以及国内的许 多研究人员正在集中科研力量攻关纤维酒精生产 中的关键技术。以美国为例，美国能源部正在为 发展生物废料酒精做积极的准备。2001 年美国能 源部与世界最大的酶制剂生产商 NOVO（诺维信） 公司合作，共同构建利用生物废料制造酒精的技 术平台，耗资数百万美元研究低成本、高效率的 纤维素酶生产技术，将玉米秸杆转化为酒精。随 着科技技术的不断发展和纤维素酶生产成本的降 低，纤维素废物酒精发酵实现工业化生产将成为 现实。
巴西一间日榨 2.4 万ｔ联产糖和酒精工厂， 已建成一个日产酒精 5000 Ｌ的中间工业化生产 线，采用有机溶剂方法，是以酒精-水的混合物作 为溶剂，稀硫酸（0.1～0.25％）作为反应的催化 剂。反应在 170～185℃，2.0～2.5 MPa 的条件下 进行。该工作是实验室规模（20 kg/h 粗蔗渣） ， 在反应器中转化为已糖和戊糖的过程所用时间较 短。反应产物全部溶解在有机溶剂中，除去溶剂 及沉淀的木质素后回收糖液。中间厂所得的结果 为：蔗渣在 10～20 min 后，还原糖的总转化率为 59％，液体中糖含量为 80 g/L，含有还原糖的最 终液体与甘蔗汁和糖蜜混合后成功地发酵为酒 精。发酵所用的酵母菌株即使在较高抑制剂（短 链有机酸、糠醛以及羟甲基糠醛）浓度下也非常 适合于将已糖发酵。调整水解液和甘蔗糖组分的比例以匹配原汁中最大量的抑制剂。实验室规模 被放大到每天 5000 L 的中试规模（PDU） 。通过初 步计算可以预测有机溶剂法生产酒精可与目前直 接用蔗汁和糖蜜生产酒精相竞争。一旦水解反应 适宜的话，生产费用将大大降低。将来再开发出 戊糖发酵成酒精，将进一步提高该过程的经济效 益。
近年国内外有不少单位进行不同规模的蒸汽 挤压膨化裂解预处理方法。蔗渣蒸汽膨化裂解， 是利用有压力的蒸汽在一定压力、温度下，使部 分容易水解的成分先降解为醋酸，作为催化剂， 再加上蔗渣从膨化器中突然降压排出，粗纤维组 织内部产生新的快速脱水而使纤维素、半纤维素 与木质素分开，并降解其聚合度成低聚化合物。
加拿大斯代克技术公司的螺旋连续热压式裂 解设备，主要由 3 部分组成：①入料器，专用于 蔗渣压缩，不同螺纹距的螺旋叶，使入料蔗渣越 往里越紧密如“塞子”的密度，足以承受反应区 的压力，而不会“反喷” ；②反应器即热压器，蔗 渣在通入蒸汽压力为 15～20 Pa 时， 反应时间 5～ 10 min，消化率约 50％；③排料器。从热压反应 区反应完毕的蔗渣，经排料螺旋输送至快开阀， 由于释放产生压差，闪急蒸发爆发膨胀，使蔗渣 组织分化，而离解，进入旋风分离或收料器，把 产品与蒸汽分开，并回收蒸汽。裂解出来的预处 理蔗渣十分幼细，添加尿素拌匀，便是很理想的 饲料。
酿酒酵母作为传统乙醇生产菌株，具有许多 优良特性：如厌氧条件下具有良好的生长能力， 较高的乙醇得率，对一些生长抑制因子如乙醇、 乙酸等具有较高的耐受性等。酿酒酵母被认为是 最具有前景的应用于木质纤维乙醇生产的工业菌 株。瑞典 Lund 大学的Barbel 等和美国普渡大学 的 Nancy Ho.等都对酿酒酵母进行木糖代谢途径 改造，构建得到能够利用葡萄糖和木糖共发酵生 产乙醇的重组酵母菌株；并对其进行驯化、诱变， 选育得到性能比较优良的突变菌株 TBM3400 等。 Sonderegger 等对不同的基因重组和突变酿酒酵 母菌株，进行了发酵木质纤维素水解糖液产乙醇 的特性比较，发现酿酒酵母 TMB3400 具有强的木 糖代谢能力，工业菌株 F12 对纤维水解液中的毒 性物质具有较好的耐受力。木糖代谢途径工程在 酿酒酵母的应用，能够利用占水解后单糖总糖分 近 30％的木糖发酵生产乙醇，从而大大提高了酒 精产率，降低了生产成本。
但是，已经选育的重组和突变酵母菌株对木 糖的利用率偏低，并伴有木糖醇的积累，还达不 到商业要求。基于此，乙醇生产微生物选育的重 心已经从分子育种转向传统育种，通过驯化、诱 变、细胞融合等技术，筛选符合要求的菌种成为 研究热点[12]。
甘蔗渣作为甘蔗制糖工业的主要副产品，除 了用于燃料，还用于造纸、制人造板、活性炭、 膳食纤维，以及一些生物产品，如富含蛋白的生 物饲料、酶、木糖醇、燃料乙醇等（见图 2） 。如 何实现甘蔗渣经济有效的利用，成为目前研究的 难点与热点。其中，甘蔗渣生产燃料乙醇被给予 厚望。主要有以下优点：①蔗渣作为发展燃料酒 精原料，具有不与粮食争地，原料集中，贮运方 便，是优选原料；②蔗渣的物理、化学成分均适 合作酒精。但是，甘蔗渣的预处理成本高、效率 低；还没有选育出对木质纤维水解糖液中的毒性 物质具有耐受性、能充分利用水解液中糖类成分 的、具有良好乙醇生产性能的微生物菌株，这些 瓶颈问题致使其生产成本太高，达不到市场的要 求。
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图 2 甘蔗渣综合利用图 |
甘蔗渣的综合利用给了人们另外一种思路， 可以对甘蔗渣分而用之，半纤维素原料用来生产 低聚木糖、木糖、木糖醇等具有一定的市场销量 和经济效益的产品，纤维素用来生产燃料乙醇， 同时，生产膳食纤维等一些高附加值产品。基于此，这个经济产业链通过自身的弥补就可以适应 市场的需求。
山东龙力集团联合山东大学微生物技术国家 重点实验室在山东禹城建立了以玉米芯为原料的 “木糖醇—酒精联产”的生产模式，并且显示出 较好的经济效益。甘蔗渣可以借鉴玉米芯的成功 经验，展开综合利用研究，使甘蔗渣燃料乙醇生 产能够在现阶段达到市场的要求。同时，还需继 续对甘蔗渣燃料乙醇的两大瓶颈问题展开研究， 加大科研投入，早日取得突破性进展。
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