木质纤维素类农业废弃物生物转化资源化研究进展

邱春生，孙力平

(1.天津城建大学环境与市政工程学院，天津 300384;2.天津市水质科学与技术重点实验室，天津 300384)

能源危机和环境恶化是全球可持续发展面临的两大问题。化石燃料的大量消耗是造成全球气候变化、温室效应和大气污染的根源［1］。寻找新型的可再生能源刻不容缓。第一代生物能源以生物乙醇和生物柴油为代表，其原料通常来自富含淀粉、糖类或油脂的农作物，然而，基于这些农作物的生物燃料的生产间接造成了粮食价格的上涨，引发潜在的粮食危机。近年来，基于木质纤维素生物质原料的生物燃料的生产得到研究者的广泛关注。

全世界农作物每年会产生大约2 000亿t的农业废弃物，是自然界最广泛的木质纤维素来源之一［2］，可收集利用的主要包括农作物秸秆、稻壳、甘蔗渣、玉米芯等。目前，农业废弃物除部分用作牲畜饲料、造纸和燃料外，绝大部分丢弃于农田或就地焚烧，对环境造成污染的同时浪费了大量的自然资源。农业废弃物的主要成分为来自植物光合作用合成的有机物，木质纤维素生物质是其主要组成部分。木质纤维素的高效生物转化是农业废弃物资源化利用的关键。该研究对国内外木质纤维素农业废弃物生物转化资源化利用技术和发展趋势进行了探讨。

1 木质纤维素农业废弃物简介

农作物秸秆是来源丰富、廉价的木质纤维素原料。稻米、小麦和玉米是世界范围内种植最广泛的粮食作物，其秸秆年产生量分别达到731.3×106t、354.34×106t和203.61×106t。甘蔗作为最主要的糖料作物，每年甘蔗渣产生量也达到180.73×106t［3-4］。这些农业废弃物可以为生物燃料的生产提供稳定的原料来源。

木质纤维素是由纤维素(32% ～47%)、半纤维素(19%～30%)、木质素(5% ～24%)、少量的蛋白质(3% ～5%)和灰分(4% ～12%)等组成的复杂的聚合物［5-7］。其中，纤维素和半纤维素的水解产物为碳水化合物，如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖等。不同农作物秸秆含有的碳水化合物成分如表1所示［5］。木质纤维素所含的碳水化合物可被生物转化为醇类、酸类、CH4、H2等代谢产物，其中，乙醇、CH4和H2可用作清洁燃料。

2 木质纤维素燃料乙醇生产

燃料乙醇又称生物乙醇，可由碳水化合物通过微生物发酵生产，由于其可以在某些情况下直接替代燃油等液态燃料且节能环保，是第一代生物燃料的代表。美国和巴西是最大的燃料乙醇生产国，预计2015年产量将达到100亿L［6］，其原料主要来自玉米和甘蔗。但对于大多数国家和地区，玉米和甘蔗是主要的粮食/糖料作物，往往会与粮食供应产生冲突。因此，木质纤维素燃料乙醇生产既能缓解原料供应问题，又可消除农业废弃物处理不当对环境带来的危害，具有良好的发展潜力，是目前燃料乙醇领域的研究热点，其关键是提高木质纤维素原料中的纤维素和半纤维素的生物转化效率。通常包括原料预处理、酶水解和乙醇发酵3个步骤。

表1 农业废弃物的碳水化合物含量 %

2.1 原料预处理 木质纤维素中的纤维素是由葡萄糖单体通过β-1，4糖苷键连接而成，半纤维素是由D-木糖、D-阿拉伯糖、D-半乳糖和D-甘露糖等聚合而成的碳链较短和高度分支的碳水化合物。而难以水解的木质素与这两种多糖聚合物紧密结合在一起，使得其中的碳水化合物很难被乙醇发酵微生物降解转化。燃料乙醇生产过程中，一般需要对木质纤维素原料进行预处理以释放纤维素和半纤维素。预处理方法可分为物理预处理、物理化学预处理、化学预处理和生物预处理。

2.1.1 物理预处理。主要包括研磨粉碎［8］、高温热解［9］、微波和电子束辐射［10］等方法，这些方法的目的是通过物理作用破坏木质纤维素高分子聚合物的结构，促使其断裂或初步分解，提高后继处理还原糖的释放量。物理预处理方法产生的副产物较少，普遍存在能耗高、效率较低的问题。

2.1.2 物理化学预处理。主要包括蒸汽爆破［3，11］、高温液态水处理［12］、氨爆破［13］、CO2爆破预处理［14］等方法。蒸汽爆破无需添加任何催化剂，但对木质素的分离不够完全;高温液态水处理有很高的木糖回收率，不需化学试剂，但会产生少量抑制乙醇发酵微生物的糠醛、羧酸等副产物;氨爆破预处理方法可同时实现较高的纤维素和半纤维素转化率，降低后继水解阶段酶的使用量，但该方法对木质素含量较高的原料处理效率较低;CO2爆破预处理与氨爆破方法原理相似，但是对设备的耐压性要求更高。

2.1.3 化学预处理。主要包括酸碱预处理［15-16］、湿式氧化预处理［17］、有机溶剂预处理［18］等方法。酸碱预处理是目前使用的比较多的方法，但存在设备腐蚀、产生抑制性副产物和大量酸碱废水的处理问题;湿式氧化预处理可有效地将半纤维素转移至液相，降低其对纤维素的包裹，提高后继工序中纤维素酶的水解效率;有机溶剂处理的作用是破坏木质素和半纤维素之间的化学键，从而破坏木质纤维素的致密结构，但使用的有机溶剂会对后继的乙醇发酵微生物产生抑制。

2.1.4 生物预处理。主要是利用白腐菌、褐腐菌、软腐菌等可破坏木质纤维素结构的真菌的生物分解作用［8，19］，其中，褐腐菌可破坏纤维素，白腐菌和软腐菌可同时分解纤维素和木质素。生物预处理的特点就是对设备要求低、条件温和及节能。但真菌等微生物分解木质纤维素耗时较长，效率较低，限制了该方法的应用。

2.2 酶水解 木质纤维素原料经过预处理后释放出碳水化合物及其聚合物，然后通过酶水解将其转化为糖单体供乙醇发酵。较酸碱水解酶水解的腐蚀性低、不产生抑制微生物生长的副产物、条件温和从而能耗更低，经济性好，是目前普遍采用的方法［20］。

酶水解具有很高的特异性，纤维素酶和半纤维素酶分别特异性地水解纤维素和半纤维素中的结合键［21-22］。纤维素主要由葡聚糖构成，纤维素分解酶系包括内切、外切葡聚糖酶和β-1，4葡萄糖苷酶。而半纤维素由甘露聚糖、木聚糖、葡聚糖、半乳聚糖和阿拉伯糖等结合而成，半纤维素水解酶系包括内切酶(括β-木聚糖酶、β-甘露聚糖酶)、外切酶(β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、β-甘露糖苷酶)和阿拉伯糖苷酶、半乳糖苷酶、乙酰木聚糖苷酶等至少8种以上的酶在内。酶水解的最终产物是以葡萄糖和木糖为主的多种己糖和戊糖。

多种细菌和真菌可以分泌纤维素酶和半纤维素酶［23］。木霉属是研究最多的酶生产菌，可产生至少2种纤维二糖水解酶、5种纤维素内切酶和3种木聚糖内切酶［24］。但是，木霉属不能产生水解β-D-葡萄糖键的β-葡萄糖苷酶，曲霉属微生物可很好地弥补β-葡萄糖苷酶的生产［21］。研究表明，原料的预处理方式、温度、pH、底物浓度和酶量等多种因素可影响酶水解效率［21］。酶水解的最适条件为40～50℃、pH 4～5。目前的研究多集中在如何最大限度地提高酶水解的效率以及降低酶的生产成本方面。

2.3 乙醇发酵 经酶水解糖化后的富含碳水化合物的原料可供给微生物发酵生产乙醇。其中，葡萄糖可高效地通过酿酒酵母转化为乙醇，而自然界中能高效发酵戊糖产乙醇的微生物较少。木质纤维素乙醇生产的瓶颈为缺乏同时高效稳定转化己糖和戊糖的微生物。商业化燃料乙醇生产中，需要微生物具有广泛的底物范围、高的乙醇转化率和产率、高浓度乙醇耐受性、高温和抑制剂耐受力。为达到上述目的，近年来，基因工程的手段被应用于构建高产乙醇基因工程菌。

用于乙醇发酵的野生型菌种有S.cerevisiae、Escherichia coli、Zymomonas mobilis、Pachysolen tannophilus、C.shehatae、Pichia stipitis、Candida brassicae、Mucor indicus 等［25-26］。其中，S.cerevisiae具有最高效的转化己糖发酵乙醇能力，但不能利用木质纤维素水解液中的木糖等戊糖。部分Pichia和Candida属微生物可以利用戊糖，但其乙醇产生速率远远低于S.cerevisiae［5］。研究者采用基因工程的手段构建了底物范围更广、生产效率更高的菌株，如P.stipitis BCC15191、E.coli KO11、S.cerevisiae ATCC 26603 等［27-28］，但这些菌株乙醇生产效率仍低于S.cerevisiae，且普遍存在遗传稳定性差的问题。

木质纤维素水解产物乙醇发酵方法包括分步糖化发酵法(SHF)、同步糖化发酵(SSF)、同时糖化共发酵法(SSCF)和联合生物加工法(CBP)［5］。SHF是最初应用的方法，糖化和发酵过程在不同反应器和条件下进行，但水解产物的积累会抑制纤维素酶活性，逐渐被SSF方法替代。SSF方法中糖化和发酵在同一个反应器中进行，糖化产生的葡萄糖迅速转化为乙醇，可有效解除对纤维素酶的抑制，但糖化过程的最佳温度较高，耐热的乙醇发酵微生物是该过程的关键。SSCF过程与SSF过程类似，不同点是实现了戊糖和己糖的共发酵，提高了原料的利用效率，共代谢戊糖和己糖基因工程菌的构建是该领域研究的重点。CBP中纤维素酶生产、糖化和发酵集中在一个反应器中进行，无需额外添加较为昂贵的水解酶，简化酶的分离纯化环节，可极大降低生产成本，但构建同时具备上述功能的高效微生物或微生物群落仍是一个难题［29］。

综上所述，尽管木质纤维素原料的乙醇产率低于传统的糖基或淀粉基原料，但木质纤维素农业废弃物具有可再生、廉价和来源丰富的优势，势必成为燃料乙醇生产的主要原料来源，但大规模用于工业生产还需克服一些技术难题:合理的预处理技术、纤维素酶成本控制、底物广泛且耐受性强的乙醇发酵基因工程菌的构建。

3 厌氧发酵生产CH4

以农业废弃物为原料微生物厌氧产CH4由于具有诸多优点，近年来得到广泛关注。生物发酵产CH4底物来自于可再生的生物质原料，不依赖于石油和天然气，从而可减少CO2的排放量。根据IPCC(政府间气候变化专门委员会)统计，在过去的一个世纪，大气中CH4对温室效应的贡献是CO2的23倍［30］。这些CH4主要是自然界中的有机废弃物在天然厌氧环境下降解产生的，对农业废弃物进行收集资源化利用可减少CH4的自然排放量。此外，厌氧发酵产生的混合气体中的CH4经过提纯富集后可替代天然气的使用，可有效减少化石能源的消耗，降低CO2排放。

3.1 生物产CH4过程及其影响因素 生物产CH4过程是在厌氧环境下进行的一系列复杂的生物转化过程，包括水解、酸化、产乙酸和产甲烷化4个阶段［31］。其中，产CH4阶段主要由产甲烷古菌完成，对环境因素要求较高，需要在严格厌氧环境下进行，且对温度和pH敏感。产甲烷微生物最适的温度范围介于30～35℃和50～60℃，在此温度范围之外，产甲烷菌的活性将会受到抑制，而其他3个阶段起作用的微生物对温度和pH的适应范围更广。同时，尽管水解酸化阶段可以在pH低至4.5～5.0的条件下进行，生物产CH4系统稳定运行的最佳pH范围仅介于6.8～7.2之间，在产CH4过程中需严格控制系统的温度和pH［32］。此外，微生物产CH4过程还受到底物构成、有机负荷、C/N比和抑制物的影响。

3.2 农业废弃物木质纤维素产CH4研究 与乙醇发酵类似，由于木质纤维素的致密结构，微生物产CH4过程也需对原材料进行适当的预处理以利于提高产气率。其预处理过程与“2.1”预处理过程类似。由于后继生物转化过程的较大差异，最佳预处理方式和操作条件也呈现差异。

He等考察了碱处理对稻草厌氧发酵产气率的影响，结果表明在NaOH投加量为6%(干物质)的情况下，产气率最大提高了60%以上［33］。Pang等研究发现同样量的NaOH处理玉米秸秆，产气率可提高48.5%［34］。反应温度和处理时间是影响碱预处理的最重要的参数。

高温液态水预处理木质纤维素也是一种高效的方法，该过程最大的优势是无外加化学物质。但在处理过程中，发生了部分水解反应，降低了产物的pH，会对后期产CH4过程产生不利影响，因为适宜的碱度是产CH4过程必需的。研究发现，高温液态水处理-NaOH碱组合是最高效的木质纤维素预处理方法，稻草经过200℃高温液态水处理10 min后，加入5%的NaOH，产气率和CH4产率分别达到315.9 L/kgVS(挥发性固体)和132.7 L/kgVS，较空白对照组产率分别提高225.6% 和 222%［35］。

不同农业废弃物原料产CH4能力取决于其中有机物的含量，研究者考察了不同原料的产CH4能力，4种最重要的木质纤维素来源农业废弃物玉米秸秆、麦秆、稻草和甘蔗渣的产CH4能力如表2所示。

CH4(沼气)生产研究较多，是一项比较成熟的技术，木质纤维素农业废弃物有巨大的为社会经济发展提供清洁的可再生能源的潜力。仅就能源产出率来说，CH4厌氧发酵技术是目前木质木质纤维素生物质最有效的利用方式，在农业生产为主的地区，有广阔的发展前景。

4 木质纤维素原料生物制氢

H2具有较高的能量密度(142 kJ/g)，燃烧副产物只有水产生，可以直接在内燃机中使用，经提纯后可以经由燃料电池发电，是一种理想的清洁能源。全世界大约88%的商业用H2来自化石燃料(天然气、重油或煤炭)，4%来自电水解产H2［44］。这些途径需要消耗大量的能源且不可持续。其他H2生产方法包括藻类光解产氢、光合细菌产氢和厌氧发酵产氢，其中，厌氧发酵产氢由于可利用来源广泛的有机废弃物，且基本不需能量输入，是最具应用潜力的可再生H2的生产方法。

表2 不同农业废弃物木质纤维素产CH4能力

4.1 预处理方式对木质纤维素产氢的影响 多数文献报道中，厌氧发酵产氢的底物为碳水化合物，如葡萄糖、蔗糖、淀粉等，或富含这些成分的有机废水，但这些原料来源有限。随着对清洁燃料的需求量日益加大，丰富、廉价原料的供给引起广泛关注，木质纤维素类农业废弃物具备提供充足的碳水化合物的潜力。研究者对此开展了大量研究。

与乙醇发酵和产CH4过程类似，农作物秸秆产氢的限制因素同样为木质纤维素稳定、难水解的微晶结构，为获得高产氢率，适当的预处理过程是必需的［45］。Zhang等考察了酸碱预处理对玉米秸秆产氢率的影响，结果表明，0.5%的NaOH处理后的玉米秸秆，产氢率达到57 ml/gVS，是不经预处理产氢量的19倍，而0.2%HCl预处理后产氢量提高了50倍，达到150 ml/gVS［46］。Fan等研究发现2%HCl结合微波加热预处理可提高麦秆中糖类的溶出率，使产氢率由0.5 ml/gVS增加到68 ml/gVS［47］。蒸汽爆破也是常用的预处理方法，表3列出了预处理后前后不同原料的产氢率。

表3 不同木质纤维素原料产H2能力

4.2 环境因素对木质纤维素产氢的影响 生物发酵产氢的微生物群落结构一般来自产甲烷菌活性被抑制的厌氧产甲烷微生物群落，pH和温度是生物发酵产氢过程最重要的操作参数，通过调节pH和温度，一方面可抑制产甲烷菌的活性，另一方面可改变底物的代谢途径以利于提高产氢率。

pH可以通过改变副产物的构成和菌群结构影响产氢率，研究显示接近中性的pH环境有利于农作物秸秆发酵产氢［46，48］。Li等研究者通过批次试验，考察了不同pH对玉米秸秆产氢的影响，结果显示最佳pH为7.0～7.5［48］。微生物发酵产H2过程中会产生大量的可挥发性脂肪酸(VFAs)，造成系统pH下降，批次试验中通常不调整pH，因此系统pH不能稳定保持在最适pH范围，也是造成产氢率较低的原因。通常认为，最适的产氢pH介于5.0～7.0之间［50］。生物产氢发酵中，丁酸和乙酸是两种主要的副产物。低pH下(4.5～6.0)丁酸-乙酸型产氢更容易形成，而在较高的pH下，乙醇和丙酸常常是主要的副产物［47，51-52］。Fan采用麦秆发酵产氢的研究中发现，在pH低于6.0时，副产物主要为乙酸和丁酸，pH高于6.5的时候，副产物由乙醇、丙酸、乳酸和己酸等组成［47］。大量研究显示，pH不仅可以改变底物的代谢途径，还可以改变产氢微生物群落的结构［53］。

温度也被认为是影响生物制氢过程的主要参数。产氢微生物可适应的温度范围较广，最佳产氢温度与底物构成、操作类型和接种物(菌群构成)等因素相关［50］。研究显示，较高的温度由于可加速水解木质纤维素结构，更有利于得到较高的氢产率［54］。Yokoyama等考察了不同温度(37～85℃)对产氢的影响，结果显示60℃和75℃下产氢率最高，且不同温度下优势产氢微生物结构也发生了较大变化［55］。55℃以下的产氢过程通常需要对接种物进行处理或保持在低pH下运行以抑制产CH4菌(氢消耗菌)的活性，而高温(60℃以上)可有效抑制氢消耗菌的活性，有利于获得较高的氢产率和简化操作流程。

尽管H2相对其他生物燃料具有较多的优势，但目前关于生物制氢的报道以基础研究为主，工业化生产的主要限制因素是较低的生产率和转化率，木质纤维素农业废弃物产氢过程的副产物通常为VFAs和醇类，不是完全代谢产物，对底物潜在能量的利用率远低于乙醇发酵和产CH4过程，开发两阶段产氢-产CH4技术有利于提高过程的能源利用效率。微生物是产氢过程的核心，控制氢消耗微生物和氢消耗途径是改进木质纤维素农业废弃物产氢过程稳定性的关键。

5 小结

木质纤维素类农业废弃物资源化利用是解决能源危机和环境问题的关键，近年得到了广泛关注，对其利用途径、预处理工艺、生物转化途径、过程控制和关键微生物等方面都进行了深入的研究，为木质纤维素类农业废弃物的资源化利用奠定了一定的基础，但科技工作者仍然面临着以下很多挑战。如果能解决好这些问题，木质纤维素类农业废弃物生物资源化产业必将产生更大的社会效益、经济效益和环境效益。

(1)木质纤维素类农业废弃物生产乙醇技术已基本成熟，但实现大规模工业化生产仍需要解决以下问题:高产纤维素酶和木质素酶菌种选育、高效同时利用己糖和戊糖基因工程菌的构建及廉价有效的预处理工艺的开发。

(2)探讨因地制宜的农作物秸秆产CH4工艺和设备，解决发酵后废弃物的处置利用问题。

(3)提高生物制氢过程的生产率和转化率及工业化稳定高效的生物制氢技术的开发。

(4)资源化利用政策的完善、全民意识的树立以及资金技术的保障措施。

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