甘蔗渣高值化应用研究进展

李克贤 黄科林

（1.广西师范学院化学与生命科学院，广西 南宁 530001；2.广西化工研究院，广西 南宁 530001）

甘蔗渣高值化应用研究进展

李克贤1黄科林2

（1.广西师范学院化学与生命科学院，广西 南宁 530001；2.广西化工研究院，广西 南宁 530001）

甘蔗渣是糖厂的副产物，也是一种重要的可再生资源。近年来，甘蔗渣越来越受到关注，应用研究也涉及多个方面。文章主要综述了甘蔗渣的高值化应用状况，最后提出了甘蔗渣今后的发展方向。

甘蔗渣；高值化应用；发展方向

甘蔗渣是制糖工业的主要副产品，是甘蔗机械压制后所剩的主要部分，属于农业固体废弃物。研究表明，甘蔗渣中纤维素约为32%～48%、半纤维素约为19%～24%、木质素约为23%～32%、其它约为4%。甘蔗渣是一种取之不尽、用之不竭的可再生资源。多年来，甘蔗渣越来越受到众多学者的关注，对其做了很多的应用研究工作。

（一）甘蔗渣高值化应用研究

1.甘蔗渣造纸

甘蔗渣是一种良好的制浆造纸原料，蔗渣目前已成为广西造纸的主要原料之一。甘蔗渣中纤维素约为32%～48%，利用蔗渣纤维素不但可以生产包装纸、瓦楞纸、有光纸、卫生纸外，而且还可以利用蔗渣漂白化学浆掺配一定数量的长纤维制造各种高档文化与生活用纸，如涂布纸、复印纸、双胶纸、高级卫生纸、餐巾纸等。

2.利用甘蔗渣生产纸碗

李振远在市场信息杂志报道了如下信息：南大(浙江)环保科技集团有限公司是一家生产环保纸碗的企业，其产品包括方便面碗、冰淇淋杯、牛奶杯和便当盒等。其生产原料是一种可替代木浆材料的资源——甘蔗渣。把甘蔗渣变成原纸，再变成碗之类的产品，这项技术的研发地在我国甘蔗糖主产区广西。甘蔗渣造纸这项技术虽然不是特别新，但经南大公司新研发的技术可使甘蔗渣生产原纸的成本要比全木浆原纸节省30%，纸的外观和质感比以前也大有提升。

3.制备具有功能性的蔗渣纤维素衍生物

蔗渣纤维素通过酯化，醚化，接枝共聚或溶解再生，可以得到具有一定用途的蔗渣纤维素功能材料。袁怀波等以甘蔗渣为原料，通过醚化处理，并以N，N’－亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，制取醚化交联甘蔗渣纤维。醚化交联甘蔗渣纤维的最高吸水倍率为52.8g/g。崔志敏等甘蔗渣纤维素为原料，用尿素作催化剂，合成了甘蔗渣纤维素磷酸酯。研究了甘蔗渣纤维紊磷酸酯台成的最佳工艺条件和应用。结果表明，产品对Ag+、Pb2+、Fe3+、Zn2+离子的平衡交换吸附量比活性炭平均增加7 15 mg/g，对X-GRRL阳离子蓝染料的交换吸附性能比活性炭提高了15.7%。

再生是纤维素改性的一种重要手段。再生纤维素膜是一种十分有前途的高分子膜材料，可作为血液透析膜、食品保鲜膜等。王犇等以蔗渣纤维素为原料，在1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐([Amim]Cl)离子液体中，制备出蔗渣纤维素再生膜。通过偏光显微镜观察了蔗渣纤维素的溶解过程，采用红外光谱、扫描电镜、X射线衍射、热重及力学性能等分析测试手段，对蔗渣纤维素及再生膜进行表征，结果表明:未经活化的蔗渣纤维素可快速、直接溶解在离子液体中，再生前后蔗渣纤维素发生了从纤维素Ⅰ到纤维素Ⅱ的晶型转变，蔗渣纤维素再生膜具有致密的结构，热力学稳定性达到292℃，拉伸强度高达144MPa。

4.制备微晶纤维素（MCC）

微晶纤维素(Microcrystalline cellulose，MCC)是天然纤维素经稀酸水解至极限聚合度(LOOP)的可自由流动的极细微的短棒状或粉末状多孔状颗粒。颜色为白色或近白色，无臭、无味，其颗粒大小一般在20～80微米，极限聚合度（LODP）在15～375；不具纤维性而流动性极强。不溶于水、稀酸、有机溶剂和油脂，在稀碱溶液中部分溶解、润涨。在羧甲基化、乙酰化、酯化过程中具有较高的反应性能。

传统的由甘蔗渣制备微晶纤维素利用无机酸（盐酸，硫酸）作为催化剂，但使用强酸作为催化剂，对设备腐蚀严重。此外,含酸废液的排放对周围环境造成污染。在环境日益恶化的今天，用强酸作催化剂水解天然纤维素制备微晶纤维素产品，已不符合时代发展的要求。水作为自然界最常用的绿色介质在化学反应中已经得到广泛的应用。以超（近）临界水为介质进行化学反应的研究引起了人们的极大兴趣，开展了许多卓有成效的工作。作者通过阅读文献，借鉴了前人的方法，进行了以蔗渣纤维素浆粕为原料，在以近临界水为反应媒介并自催化下，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，而且整个工艺过程中清洁，无污染。

5.甘蔗渣制备人造地板、复合材料

甘蔗渣生产人造板是目前利用甘蔗渣最直接最有效的途径，其加工的方向为中密度纤维板和刨花板。我国是少林缺树的国家，人均拥有木材为世界平均水平的1/6，是世界上第二大木材进口国。利用甘蔗渣生产人造板顶替木材是一个很好的选择。我国利用蔗渣生产人造板始于20世纪80年代。人造板可分为纤维和碎粒板两种，用蔗渣制纤维板在我国已有较长的历史，而以蔗渣为原料制造碎粒板则是近几年才发展起来的。蔗渣人造板按其密度可分为3 类：低密度板，密度为0.3g/m2～0.59g/m2；中密度板，密度为0.59g/m2～0.8 g/m2；高密度板，密度为0.8 g/m2～1.0g/m2。中密度纤维板( 简称MDF) 是当今世界人造板发展的趋势，这是由于它的性能很似木材，又胜于木材。它不但可以木材作为原料，而且能以一年生的植物纤维如甘蔗渣、秸秆等作为原料。中密度纤维板容重轻( 400 kg/m3～800 kg/m3)，强度高，握钉力强，板面涂饰性能好，表面光滑，板边密实无需封边，还适合锯切、拉槽、钻孔、雕刻及车制成品机械加工。因此，它是现在人造板中用途最广的板材，是高中档家具、建筑、家用电器、包装、乐器、缝纫机台板、车船及房屋内装修的最佳用材。

植物纤维/热塑性塑料复合材料是一种资源循环型、绿色环保新材料，它是利用各种植物纤维(竹、稻壳、草纤维等)和热塑性塑料高分子材料(PE、PP、PVC)为主要原料，经高温混炼，再经成型加工而制得的一种价廉性优的新型复合材料。文献报道了甘蔗渣作为填充材料且和其他物质制备复合材料。张丽等研究了甘蔗渣对聚丙烯基复合材料性能的影响。分别将未处理和经过表面处理的甘蔗渣填充到聚丙烯中，对其复合材料进行了性能测试。实验结果表明：当甘蔗渣含量达40份时，复合材料的综合性能较好。经过处理的甘蔗渣/聚丙烯复合材料的力学性能、热性能、流动性能相对于未经处理的甘蔗渣均有不同程度的提高。涂芳等也发表了甘蔗渣/LDPE发泡木塑复合材料的研究文章。利用废旧低密度聚乙烯(LDPE)树脂为基体，甘蔗渣为填料， 引进发泡工艺。制得发泡木塑复合材料，提高木塑复合材料的冲击性能，降低木塑材料密度。

6.利用甘蔗渣制备吸附材料

（1）制备活性炭。活性炭是一种粉末状或颗粒状的黑色固体，是从含碳物质中经过炭化和活化等工序处理后，所制得的一种具强吸附作用的炭。活性炭在一般溶剂中不易溶解，它具有非常发达的细孔结构，因此具有极强的吸附能力，现在己被广泛应用于环境保护、化学工业、食品加工、湿法冶金、药物精制、军事化学防护等各个领域，是国民经济和国防建设以及人们日常生活必不可少的产品。甘蔗渣作为富含有机质的一种副产物，能够利用其制取活性炭。国外学者Senthil Kumaar S等和NevineKamalAmin等将甘蔗渣经过酸浸泡活化后，在600～700℃温度下炭化，可制得性能较好的活性炭，并利用所制得的活性炭对城市垃圾渗滤液进行吸附处理，发现对腐殖酸有较好的去除效果。Dimitrios等采用NaOH法传统加热活化甘蔗渣研制活性炭，在973K下活化0.5h，所得的活性炭样品的比表面积小于10m2/g。国内利用甘蔗渣制备活性炭研究也很多。如严兴等]以甘蔗渣为原料，以ZnCl2为活化剂，采用先活化再炭化的方法制取生物活性炭。通过比较得率和碘值，得到了取活性炭的优化条件：活化剂ZnCl2浓度为2.0mol/L，活化剂与甘蔗渣的质量比为5∶1，活化时间为24h，炭化温度为500℃，炭化时间为50min，以N2作为保护气，流量为2.5L/min。

（2）制备重金属离子吸附剂。废水重金属的排放带来了严重的环境污染，对重金属污染的治理一直以来受到工业界与学术界的重视，脱除离子的主要方法很多，如沉积、离子交换、膜过滤、电离、活性炭吸附等，但成本较高。农业废弃物（蔗渣，稻草，锯末等），通过对它们进行改性制备离子吸附剂，可以提高其应用价值，减少污染以及这些残留物带来的处理问题。因此利用廉价的甘蔗渣制备重金属吸附材料引起了学者的兴趣，开展了一些研究工作。王踽等采用甘蔗残渣、丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(MAETAC)为原料，通过接枝共聚反应制备出蔗渣基重金属离子吸附剂，通过正交试验得到了合成吸附剂的优化工艺条件。优化条件下合成的蔗渣基吸附剂对Cu2+的吸附容量达到58.53mg/g。姜玉等通过用三氯氧磷对甘蔗渣进行改性，制备了含有强吸附能力的磷酸基团的甘蔗渣吸附剂，研究了磷酸化反应条件对离子吸附性能的影响。产物的结构通过红外光谱进行了表征，同时也测试了所制备的甘蔗渣吸附剂的一些物理性质如表面积、孔径和平均颗粒大小。在恒温及恒定pH条件下，用静态吸附法研究了磷酸化甘蔗渣对Pb2+、Cu2+、Cr3+的吸附动力学，并运用3种动力学模型对吸附过程进行拟合，结果表明二级动力学模型对试验数据最为吻合。所制备的改性甘蔗渣吸附剂对这3种离子的吸附量为Cr3+>Cu2+> Pb2+。

7.甘蔗渣制备生物乙醇

随着改革开放不断深入发展和工业化进程的加快，我国国民收入增加，生活水平显著提高。汽车等交通工具也逐渐进走近了百姓家，但随之而来的是燃油消耗的增加。地球上石油是不可再生资源，总有一天会消耗尽的，因此，需要开发可替代产品来应对这一天的到来。目前，用木质纤维素发酵生产燃料酒精的研究已经成为全世界研究的热点课题之一。甘蔗渣富含丰富的纤维素，半纤维素和木质素，可以通过将甘蔗渣预处理，糖化，发酵工序制备生物质乙醇。最大的甘蔗生产国巴西因石油短缺，20世纪后期就开始把目光投向该国丰富的甘蔗资源，投资39.6 亿美元的巨额资金实施了“生物能源计划”。巴西建立糖酒联产机制，开发蔗汁直接生产燃料乙醇工艺。目前，该国有2/3的甘蔗用来生产燃料乙醇，已经有燃烧纯乙醇的车辆投入使用，摆脱了石油长期受制于人的局面，被誉为“绿色能源之国”。日本3家公司建成一个新型的拥有最先进设备的酒精厂。他们将蔗渣粉碎，然后用产生纤维素酶的细菌处理，将纤维素分解为糖，再用固定化酵母连续发酵生产酒精。每天利用720kg甘蔗渣可以生产200L的酒精。

8.甘蔗渣液化制备聚氨酯材料

甘蔗渣一个新的应用方法就是对其液化，制备甘蔗渣多元醇，进而制备聚氨酯材料。甘蔗渣含有大量的木质素、纤维素等多羟基成分，因此具备制备多元醇的条件。戈进杰等通过对甘蔗渣液化反应的研究，探索一种甘蔗渣新的利用方法。在以硫酸为催化剂的条件下讨论了液化试剂、液固比及反应温度等因素对甘蔗渣液化反应的影响。结果表明，甘蔗渣在PEG#400中的液化率可达到96，而且其中的木质素全部被液化，所得液化物为聚醚酯多元醇，羟值为280mgKOH/g～38Omg KOH/g，能满足中强度硬质聚氨酯泡沫的要求。庞浩等通过对甘蔗渣进行热化学液化，制得了以甘蔗渣多元醇为原料的硬质聚氨酯泡沫。

9.其它应用

生产畜牧饲料。甘蔗渣一般含水分10%～20%，木质素约20%，可给反刍动物消化的主要部分包括纤维素和残留的糖分，作适当处理甘蔗渣可提供高达20%的反刍动物食粮，但必需对甘蔗渣进行处理，防霉、切碎和加入部分糖蜜等，甚至进行氨化处理，使甘蔗渣中难以被动物消化的纤维素、木质素分解，利于动物的消化吸收。美国的农业专家发明一种利用甘蔗渣加工成高蛋白饲料的技术。其生产工艺是：把尿素或铵化合物加入甘蔗渣中，在高压锅中蒸煮，冷却以后再进行发酵、干燥和研磨成粉，就成为一种高粗蛋白饲料，含有的可消化粗蛋白质高迭20%左右，而原蔗渣中只含有10%左右。

此外，美国还研究开发出一种以甘蔗渣为主的虾饵料。甘蔗渣经过粉碎以后再加兑适量的糖酵母、蛋白粉、油脂以矿物质和微量元素，制成1～2mm的微粒状即可。该饵料最适宜于精细养虾，可降低虾饲料的成本55%～70%。

（二）结束语

综上所述，甘蔗渣的高值化应用研究已经相当丰富，但实现工业化产品还不多，因此，高值化利用以及理论向实际应用转化并将实现于生产将是今后发展的主要方向。

[1] 宗闪闪,杨旭红.甘蔗渣的利用现状[J].江苏丝绸,2009,(4)27-31.

[2] 周林,郭祀远,蔡妙颜.蔗渣的生物利用[J].中国糖料,2004(2):40-42.

[3] 袁怀波,叶明,刘文宏.醚化交联甘蔗渣纤维的制备及吸水性能的研究[J].纤维素科学与技术,2008,16(4): 17-23.

[4] 崔志敏,罗懦显,朱锦瞻.甘蔗渣纤维素磷酸酯的合成与应用研究[J].精细化工,2001,1:699-702.

[5] 王犇,曹妍,黄科林,等.蔗渣纤维素在离子液体中的溶解与再生[J].化工学报,2010,61(1):1592-1599.

TS249.2

A

1008-1151(2011)02-0090-03

2010-12-23

李克贤（1975－），男，安徽临泉人，广西师范学院化学与生命科学院研究生，研究方向为应用有机化学。