1、本科毕业论文 文献综述 环境 工程 甘蔗渣资源化利用技术的研究现状与展望 摘要： 作为一种重要的生物质原料，甘蔗渣越来越受到人们的重视，尤其在资源化利用方面已成为研究的热点。本文论述了近几年来国内外甘蔗渣的资源化利用技术，并对甘蔗渣资源化利用的前景进行了展望。 关键词： 甘蔗渣；资源化技术；前景展望 1 前言 甘蔗渣是甘蔗经压榨机将蔗汁榨出后剩下的渣粕， 是制糖工业的主要副产品。我国是仅次于巴西和印度的第三甘蔗种植大国， 甘蔗渣资源非常的集中且数量较多，但 对于蔗渣的利用率却不高。 糖厂产生的蔗渣除小部分用于造纸和生产低品 纤维板外，大部分都是作为燃料烧去， 这不但造成极大的资源浪费和巨大的经
2、济损失，还会引起环境污染。根据甘蔗渣的资源化特征，研究者发现甘蔗渣可作为一种资源来开发利用，这不但可以提高糖厂的经济效益，还可以变废为宝，为其他行业提供大量的资源 1,2。 2 甘蔗渣的资源化技术研究 2.1 饲料化技术 甘蔗渣 一般含有干物质 90% 92%， 粗蛋白质 2.0%， 粗纤维 44% 46%， 粗脂肪 0.7%。 在用作饲料时，纤维素和木质素很难被动物消化吸收，所以在处理过程中必须对甘蔗渣进行防霉、切碎和氨化等处理，降低木质素的含量 3。 对于这方面的研究， 国外起步得比较早 ，且 已有较长的历史 。目前，国外研究的常用处理方法有化学、物理和生物三种方法。其中，化学处理法是最常
3、见的，也是技术发展最成熟的。 如美国一畜牧研究所发明了将甘蔗渣经氨化处理后加工成高蛋白饲料的方法。该方法处理得到的饲料粗蛋白含量可达 8% 11%，有机物的消化率较高。生物处理方法虽是一个新的研究领域，但随着生物技术的快速发展， 已取得了一定的成绩。如 古巴的研究者们利用富含无机氮的甘蔗渣来栽培一种丝状真菌，该真菌的菌丝生长 30 36h后 ， 可得到一种以真菌菌丝体形成的含蛋白质12%的饲 料。经比较，通过生物处理法制得的饲料无论是蛋白质含量还是消化率都高于化学法或物理法制得的饲料，用于喂养家畜能获得更佳的饲养效果 2,3。因此，生物处理法已成为这一领域研究的主要方向。 在我国，最早的甘蔗渣
4、饲料化技术是将蔗渣与糖蜜、尿素进行合理搭配后 ，制成混配料来喂牛。该方法不仅解决了冬春牛缺料问题 ， 而且还能使牛增重 。但由于该方法制得的饲料适口性较差，有条件的畜牧者还会加入一些甘蔗叶、青贮料或饲料调味剂来增加牛的食量。之后，研究者又发明了甘蔗渣青贮技术，即 在蔗渣上洒碱溶液、糖蜜、玉米粉和尿素使饲料水分达 60%后置于青贮池中 ， 经 46周贮藏发酵就可得到成品 。蔗渣青贮技术在当前使用较为普遍，处理后的饲料适口性好，易消化，营养物质不会减少， 而且有一种芳香酸味，刺激家畜的食欲，增加 它们的 采食量， 这 对 家畜 的生长发育有良好的促进作用 4。 开发利用蔗渣饲料资源 ， 不但可以提
5、高糖厂的经济效益 ， 还可为畜牧业提供大量的饲料资源 ， 降低了饲养成本 。 对于我国出现干旱沙化、饲料短缺的部分地区，开发利用 甘蔗渣饲料化技术，发展环保型、节粮型畜牧业具有重大的意义。但是由于 我国甘蔗渣饲料化技术的研究起步较晚 ， 与国际水平相比仍有很大差距， 在开发利用和提高蔗渣饲料资源的利用率等方面还需进行深入的研究。 2.2 能源化技术 甘蔗渣能源化利用不但可以缓解目前世界能源危机，而且污染少、产能高，具有环保节能等诸多优点。目前，甘蔗渣能源化技术的研究和发展方向主要是沼气发酵和生产燃料乙醇两方面。 2.2.1 甘蔗渣沼气发酵 沼气发酵作为一种厌氧消化技术，具有处理效果好与可回收获
6、得能源和有机肥料的优点，目前虽已是一门较成熟的技术 ，但发酵周期长、原料产气率和利用率低仍是制约其发展的瓶颈。由于 甘蔗渣的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，其中纤维素、半纤维素可以被产沼气微生物菌群利用。研究者开始对利用甘蔗渣发酵生产沼气的可行性进行了研究。 研究发现 ，甘蔗渣新鲜原料产气潜力为150mL/g， 总固体含量 （ TS） 产气潜力可达 201mL/gTS，是一种良好的发酵原料5。 沼气发酵过程，同时也是酶促反应的过程。发酵原料的降解过程都是在微生物的作用下通过酶促反应完成的。为 提高 蔗渣的利用率和产气率，许多研究者对参与发酵过程的酶进行了大量的研究，包括 发酵原料预处理、发
7、酵过程中酶的调控等方面 6。对 于 甘蔗渣沼气发酵过程中酶活力与产气量的动态关系路娟娟等进行了研究， 并 发现淀粉酶、纤维素酶、木聚糖酶、脱氢酶的酶活力与产气量随时间呈现出峰值交替变化的规律， 而且 前三种酶的酶活力峰值提前于产气量的峰值变化 7。 目前我国对于甘蔗渣沼气发酵的研究主要集中在借助生物酶的手段来提高原料降解速度、缩短滞留时间、提高原料产气率和利用率及提高处理效果等方面，很少有提及与菌种和发酵原料有关的问题 8。有研究表明，当接种物和其他发酵条件相同时，发酵浓度越高，原料的分解速度越 慢；浓度越低，分解速度越快。当沼气菌种的质量不同时产气的速度也会不同。若没掌握好沼气发酵菌种和发酵
8、原料浓度，搭配不合理，则会出现沼气池进料后，长时间不产气或产气微弱或断断续续的现象 9。因此，为保证沼气池正常产气，必须注意沼气菌种的培养和发酵原料的配比，这也是我国在蔗渣沼气发酵技术上亟需解决的问题。 如此看来，甘蔗渣 发酵生产沼气是提高甘蔗渣燃烧效率，改善生态环境，使甘蔗渣资源化利用的一种有效途径。相比于其他沼气发酵技术，它具有 发酵周期短、原料产气率和利用率高等优点。但目前我国对沼气菌种和发酵原料的研究还不 深入，不能合理调控各发酵功能菌群活性和发酵浓度，在一定程度上阻碍了蔗渣的发酵效率。 2.2.2 生产燃料乙醇 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
9、源来替代石化产品，目前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。我国第一代燃料乙醇是以谷物为原料（例如玉米、小麦和稻米），通过酶解转化为糖，然后经发酵而成的。这种建立在粮食原料基础上的生产不符合我国科学发展的要求，于是便产生了第二代燃料乙醇。它是以生物质，即蔗渣、废弃的玉米秸秆和其它类型的植物纤维材料作 为基础原料。这些原料经过纤维素酶解转化为糖，然后再经发酵即可生成乙醇 10,11。 利用甘蔗渣生产燃料乙醇具有不与粮食争地，原料集中，贮运方便等优点，但 与常规汽油相比，生产成本较高是目前燃料乙醇发展的突出障碍。 这主要由两方面原因引起。第一，木质纤维预处理与酶解效率
10、偏低。针对这一问题，国内外专家研究发现采用酸处理法、酶处理法、有机溶剂加酸法以及蒸汽挤压膨化裂法对甘蔗渣进行预处理可提高效率。 其中酸水解法被认为是目前最有可能工业化利用的方法，受到了大批学者的关注。最近日本已完成了用浓盐酸进行纤维素水解研究 ，发现 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。第二，缺少有良好乙醇生产性能且对木质纤维水解糖液中的毒性物质具有耐受性的微生物菌株。 针对这一问题，瑞典 Lund大学的 Babel等和美国普渡大学的 Nancy Ho等对酿酒酵母进行木糖代谢途径改造，经驯化、诱变后 ,重组构建酵母菌株 ,即可得到性能优良的突变菌
11、株 TBM3400。 Sonderegger等比较发酵木质纤维素水解糖液产乙醇的特性后发现酿酒酵母 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10,12,13。 甘蔗渣生产乙醇的成本偏高，无法达到市场的要求。对此，人们有了另一种思路，即对甘蔗渣分而用之。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 10,14。 虽然甘蔗渣分而用之的经济产业链可通过自身的弥补来适应市场的需求，但甘蔗渣生产燃料乙醇的两大问题仍是制约其发展的瓶颈，还需进行深入研究 。
12、综上所述，甘蔗渣能源化技术不仅 节约了大量的生物质资源，还有效缓解了农村能源紧张的局面。虽然 目前 的技术尚不成熟，在生产工艺方面还存在需要改进的地方。但随着研究的深入，蔗渣沼气发酵工艺必将向着原料降解速度快、滞留时间短、原料产气率和利用率高的方向发展，蔗渣生产乙醇技术也将解决酶制剂效率 性和微生物菌株的问题，降低生产成本 。 2.3 甘蔗渣栽培食用菌 随着食用菌产业的发展 ， 其对原材料的需求也越来越大。但由于棉子壳等原材料价格猛涨 ， 减少对棉子壳的依赖 ， 走食用菌栽培原材料多样化和本土化之路势在必行。 我国利用蔗渣培育食用菌的历史悠久， 经过大量试验， 已成功地培育出香菇、木耳、猴头等
13、食用菌。例 如，有研究者已成功利用 甘蔗渣栽培料栽培秀珍菇，并发现其生物转化率达到 70%以上 15。 若要将栽培技术应用于实际生产中，还须提高食用菌产量，增大经济效益。有国外学者提出，通过合理的配方改变培养料的养分组成是蔗渣作为食用菌栽培料的成功做法 16。因此，现在有许多研究者将研究重点转移到了各种菇的栽培配方上。有人 用不同配方的蔗渣培养基栽培平菇，对其纤维素酶、半纤维素酶活性和首潮菇产量进行观察。结果表明， 不同平菇菌种对不同配方的适应能力不同，平菇广温 7号在调 pH蔗渣处理的产量最高，凤尾菇 4号在发酵蔗渣处理的产量最高 17。此外，研 究者还发现，在培养基内 配加米糠、玉米粉等营
14、养较丰富的配料能较大地提高食用菌的生物学效率 ， 加入粗杂木屑可改善培养料的通透性 ， 促进菌丝生长，但至于需要添加哪些配料 ， 如何优化配方组合还没有确切的结论，有待进一步的研究 18。 与其它材料相比 ， 甘蔗渣不需加工处理即可直接利用，而且 栽培后的菌渣中仍含有大量未被利用的营养和能源物质，可作为饲料和沼气原料使用， 所以 将蔗渣用于食用菌生产，投入小、见效快、收益高，不仅促进了食用菌产业的发展，还可提高农民的经济水平，具有较好的发展前景。然而，就生产实际而言，还需解决优质菌种的 选育、高效栽培技术的开发等问题，从而提高蔗渣栽培食用菌的应用价值。 2.4 制备吸附材料 随着工业的发展，重
15、金属离子污染已经成为影响人类和其他生物生存环境的严重问题之一。制备低成本、无污染的重金属离子吸附剂，已成为当务之急。研究表明，甘蔗渣含有自然界最为丰富的高分子资源纤维素，无论原渣还是蔗渣衍生品都具有捕集废水中重金属的能力 19。 虽然具有吸附金属的能力，但在处理废水时，蔗渣 对 Cd、 Cr、 Ni等离子的吸附能力不强 ， 处理金属离子浓度高的废水效果不佳 20,21。为满足工业要求，研究者发明了 通过化学改性 使甘蔗渣变成离子交换剂或螯合吸附剂，以提高它的吸附性能的方法，如将碱化后的甘蔗渣纤维素与二硫化碳反应得到高效的水处理剂甘蔗渣纤维素黄原酸酯 （ SCX） 或者 用嘧啶作溶剂和催化剂将甘
16、蔗渣改性，使其具有吸附重金属离子的能力 22,23。 目前，我国利用甘蔗渣制备吸附剂技术的发展已较为成熟，但对于如何使金属从吸附剂上脱附并再生吸附剂的研究却报道较少 。 在 研究中，稀 HNO3、稀 HCl常作为解吸液来洗脱金属离子，但这将增加解吸回收和再生的费用 ， 限制吸附剂的再生利用 19。因此，在今后的研究中应加强对金属离子解吸和吸附剂 再生的研究。 甘蔗渣吸附处理重金属废水的效果较好、成本低、不造成二次污染 ， 符合固体废物资源化的要求。但用其处理含重金属废水存在一定的局限性 ， 如吸附选择性差、金属离子难以洗脱等。为扩大其在废水处理中的实际运用 ， 应增大甘蔗渣及其衍生产品对金属捕
17、集的研究范围 ， 进一步研究对甘蔗渣的改性方法 ， 重点开发选择性高的吸附剂 。 2.5 制备微晶纤维素 微晶纤维素又称水解纤维素，是天然纤维素经稀酸水解后聚合度达到平衡聚合度的可自由流动的纤维素晶体组成的天然聚合物， 由于具有较低聚合度和较大的比表面积等特殊性质，微晶纤维素被广泛应 用于医药、食品、化妆品以及轻化工行业 24。 我国在蔗渣微晶纤维素的制备方面研究尚浅，主要 以 产品白度 作为 研究方向。甘蔗渣白度非常低，仅为 70 80 ， 用它来制备微晶纤维素时必须进行增白处理。 为此， 王秋梅 等 依据现代新漂白技术 ， 应用二氧化氯漂白 ， 对其漂白因素进行了优化处理 25。此外， 我
18、国使用的技术存在污染环境的问题。目前普遍采用用无机酸（盐酸，硫酸）作为催化剂的传统方法来制备微晶纤维素。无机酸在生产过程中不仅会腐蚀设备还会使排放废液中含有大量的酸，引起环境污染等问题 26。为此， 李克贤等人进行了 以近临 界水作为反应媒介，利用蔗渣纤维素浆粕来制备蔗渣微晶纤维素的研究。结果表明，利用近临界水制备蔗渣微晶纤维素不但可行，而且整个工艺过程清洁，无污染 27。 国外对微晶纤维素的研究较早，从 1955年开始就开始利用甘蔗渣制备微晶纤维素，并已经有相当规模的生产。各国生产的微晶纤维素种类繁多，性质不一，所采用的工艺条件和设备选型也不尽相同。但是，其主要制造原理和基本工艺路线还是一致
19、的，即采用酸水解、洗涤、干燥、粉碎等化工过程制造微晶纤维素。目前工业化生产的方法主要有化学法、机械法，此外还有微生物发酵法即酶解法正在研制 发展过程中 28,29。 用甘蔗渣替代棉、木浆粕生产得到的微晶纤维素具有颗粒数量分布均匀且粒径较小的特点，该技术不仅为甘蔗渣的资源化利用提供了一条新途径，还能创造较高的经济效益。由于我国技术研究还不够成熟，蔗渣制备微晶纤维素的工艺尚未得到广泛应用，有待进一步的研究。 2.6 制浆造纸 在 150多年前 ， 农林产品并不是世界上用于造纸的主要纤维原料。随着国民总产值的增加 ， 棉花、亚麻和其它纤维原料逐渐成为了造纸工业的重要原料。虽然目前很多国家都有充足的木
20、材资源可用于造纸 ， 但这些森林资源正在减少并影响环境生态 ， 因此 需要开发木材的新替代物 。到 20世纪初 ，因 纸浆和纸产品的价格间断下降 ，不少企业开始用甘蔗渣代替木材作为造纸原料 30。 蔗渣造纸的方法主要有高得率制浆法和化学制浆法。高得率制浆法包括机械法、化学机械法和化学热磨机械法等。采用该方法时，木质素反应活性很高，在漂白过程中要避免产生那些难以除去的发色基团。甘蔗渣化学制浆工艺目前仍以碱法为主。 碱法制浆适应条件大 ， 工艺成熟 ， 可生产高强度和较高白度的纸浆 ，在造纸工业中占据着统治地位。但传统碱法蒸煮 ， 纸浆得率低 ， 大部分硅溶于黑液 ， 造成黑液粘度高 ， 蒸发和碱
21、回收困难 ， 严重影响 环境。因此 ， 传统的碱法已经很少单独应用于甘蔗渣制浆。经过人们多年的探索和改进 ， 出现了氧碱法制浆和添加助剂的碱法制浆 ，并 取得较好的效果 31。 目前，在亚洲、拉丁美洲等国家 尽管有许多以蔗渣为原料的纸厂 ， 但蔗渣的应用范围还不如禾草和竹子那样广泛 ， 生产能力也较低。使得蔗渣在工业上只能有限应用的主要原因在于对蔗渣纤维的潜力认识不够。一般来说 ， 要在纤维素工业中用好蔗渣，充分发挥其制浆潜力，就必须考虑与蔗渣性质相关的工艺技术和物理方面的内容，如 蔗渣的贮存、除髓、除硅和漂白等 32,33,34。 甘蔗渣因具有来源丰富 、容易成浆、成本低廉、成纸表面平滑等优
22、点 ， 随着木材资源对造纸行业压力的加大 ， 人们将越来越重视甘蔗渣原料的开发利用。而甘蔗渣能否解决我国乃至整个世界造纸业原料短缺的问题 ， 关键是如何使甘蔗渣造纸具有更显著的社会效益 ， 环境效益和经济效益。 综上所述，饲料化、能源化、基质化及工业原料化已成为甘蔗渣资源化利用的主要研究和发展方向。但在实际生产时存在若干问题，如生产饲料时为促进动物对饲料的消化吸收，需 进行防霉、切碎和氨化预处理，加大了生产成本；生产乙醇时 酶制剂的效率 性和微生物菌株性能优良的问题还未得到有效解决；生产出的 吸附材料 吸附选择性差且吸附剂难以从水相中分离出来。这一系列问题使得甘蔗渣资源未能被最大程度的开发利用
23、。但随着科学技术的发展，甘蔗渣的利用率必将不断提高。 3 结语 甘蔗渣的生物质资源丰富，是一种宝贵的可回收利用资源。它的资源化利用范围较广，可用来栽培食用菌，处理重金属废水，生产燃料乙醇以及制备活性炭和微晶纤维素等。目前，我国甘蔗渣的饲料化技术、能源化技术以及制浆造纸技术已基本发展成熟，并有相当规模的生产，但对于制备吸附剂和微晶纤维素等新兴技术行业的研究，还不具备投入生产的能力，与发达国家之间存在相当大的差距 。 在众多的技术中，利用甘蔗渣制备吸附材料无论从环保角度还是从材料供应角度来讲，都具有非常重要的意义，可为甘蔗渣资源化利用的研究和发展提供方向。 参考文献 1 王允圃等 .甘蔗渣综合利用
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