中国甘蔗渣综合利用现状分析

刘洋++洪亚楠++姚艳丽++徐磊++邢淑莲++胡小文++高玉尧

摘 要 甘蔗渣是制糖工业的主要废弃物，对甘蔗渣充分利用不仅能生产出高附加值的产品，还能有效缓解污染压力。本文综述了近年来甘蔗渣综合利用的最新进展和现状，主要涉及生物发电、造纸、高密度板材、饲料发开、栽培基质、沼气、燃料乙醇、高性能吸附材料等领域，希望甘蔗渣综合利用的产业化发展提供一些帮助。

关键词 甘蔗渣 ；综合利用 ；现状分析

中图分类号 S216 文献标识码 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2017.02.021

Research Progress in Comprehensive Utilization of Bagasse in China

LIU Yang HONG Yanan YAO Yanli XU Lei XING Shulian HU Xiaowen GAO Yuyao

（Zhanjiang Experimental Station， CATAS， Zhanjiang， Guangdong， 524013）

Abstract Bagasse is the main waste of sugar industry， and its comprehensive utilization can reduce pollution and produce high value-added products. The research and development in bagasse comprehensive utilization in recent years were reviewed， mainly including biomass power generation， paper making， high density board， feed development， culture substrate， biogas， fuel ethanol， high performance adsorption material， etc. This review might provide some references for commercial utilization of bagasse in the future.

Keywords bagasse ； comprehensive utilization ； analysis of present status

甘蔗是中国重要的糖料作物，甘蔗渣是制糖工业的主要废弃物（占24%～27%），也是一种重要的可再生生物质原料。甘蔗是中国最大的制糖原料，南方蔗区甘蔗总产量7 000多万t，每年产生的甘蔗渣产量约为2 000多万t，具有很大的利用空间和潜力。与其它作物秸秆相比，甘蔗渣中纤维素和半纤维素含量较高，蛋白、淀粉和可溶性糖含量较少，蔗渣中的农药残留量很低，但其木质化程度也较高[1]。

由于甘蔗渣转化和利用技术的限制，目前大多数甘蔗渣被直接燃烧或者废弃不用，其利用率很低，不仅造成资源浪费，而且还带来环境污染。近年来，由于国家对农业废弃物利用的重视，甘蔗渣综合利用方面也获得了快速的发展。目前，甘蔗渣在生物发电、饲料生产、栽培基质、沼气、造纸、板材、功能性食品添加剂开发、化学物质合成、高性能吸附材料等领域获得了一些突破和进展。但由于蔗渣的木质化程度高、蔗茎表皮存在硅化细胞，养分不协调等原因，蔗渣作为反刍动物饲料时，有机物消化率只有20%～25%或更低[2]，由于同样的原因，蔗渣直接用作食用菌的栽培料也受到限制。但是，近年来由于生物质转化利用工程技术的快速发展，人们发现甘蔗渣不仅是天然高分子材料、绿色化学品的宝库，其中还蕴藏着丰富的生物质能。甘蔗渣作为生物质原料具有来源集中、收集简单、运输成本低等优势，而且蔗渣成分相对稳定、性质均一，是理想的生物炼制的优质原料。因此，如何利用甘蔗渣生产可再生能源得到了更大的关注。本文就近年来甘蔗渣在综合利用方面取得的一些进展做一个简要的综述，希望能为产业化的发展提供一些帮助。

1 甘蔗渣的产量、成分与结构

1.1 甘蔗渣的产量与分布

目前，中国甘蔗渣主要分布在南方甘蔗主产区，主要包括广西、云南、广东和海南等4省（区），福建、江西、四川等地也有零星分布。广西甘蔗种植面积最大，甘蔗和甘蔗渣产量也最高，甘蔗渣产量占总产量的62%，海南最少只占总产量的2%（表1）。

1.2 甘蔗渣的主要成分与性质

甘蔗渣是甘蔗经过压榨的产物，也属于作物秸秆的范畴。甘蔗渣中干物质含量通常为90%～92%，其中纤维素42%～50%，半纤维素25%～30%，木质素20%～25%，粗蛋白质2.0%，粗脂肪0.7%，粗灰分2%～3%[4-5]。与其他作物秸秆相比，甘蔗渣中的纤维素是以葡萄糖苷键形成的天然高分子化合物，是具有不同形态的固体纤维状物质，相对分子质量约为1×107～2×107。甘蔗渣既不溶于水，也不溶于有机溶剂，加热也不能熔化，但在高温时可分解，在酸性条件下发生水解[6]。

1.3 甘蔗渣的结构特征

甘蔗渣主要成分是纤维素和半纤维素。纤维素是由许多葡萄糖以β-1，4 苷键缩合而成的高分子化合物。分子间彼此以氢键相连，尽管氢键的键能比一般的化学键能小得多，但因氢键的数目多，故相当牢固，以致在一般的食品加工条件下纤维素不可破坏[7-8]。半纤维素的化学性质与纤维素相似，是由不同的己、戊糖基接而成的不均一聚糖，与纤维素相比其聚合度相对较小，容易被分解利用[9]。

2 甘蔗渣的预处理方法

2.1 化学预处理

用化学试剂进行预处理主要包括强酸和强碱处理法。其中用NaOH溶液处理法是应用最广、最有效的纤维素预处理手段之一。研究发现，经过NaOH溶液处理的纤维素可及度提高，但不同的NaOH溶液浓度、液比、温度、浸渍时间等因素对纤维素分解影响较大。另外，研究还发现，不同的酸浓度也可以起到良好的预处理效果。还有的研究表明，用ZnCl2处理纤维素可提高纤维素酶水解的速率和产率。此外，还发现甲胺、乙胺等胺类试剂对一些特殊纤維素有消晶作用，也可提高纤维素酯化反应的反应活性[10]。

2.2 物理预处理

用物理方法进行预处理主要包括机械作用、微波超声波震荡、高能辐射以及气爆技术等。预处理最直接的方式就是机械加工处理，可大大改变纤维素的物理和化学性质，提高纤维素对各种化学反应和酶水解的可及度和反应性。微波和超声波辐射对纤维素碱化反应和高碘酸高选择性的影响氧化纤维素反应的过程[11-12]。微波和超声波能加速纤维素的这两类化学反应，尤其可大大改善高碘酸高选择性氧化纤维素的反应条件。用高能射线如电子射线、γ射线在黏胶纤维、醋酸纤维等生产过程中对纤维素原料进行预处理，可获得所期望的纤维素聚合度和增加纤维素的活性，在减少溶剂用或反应用化学药品造成的环境污染等方面已显示出其优越性。蒸汽爆破技术是一种新型的技术，利用此技术可以极大的提高纤维素的预处理效果，且成本较低。河南天冠酒精集团已成功利用气爆技术预处理小麦秸秆，此项技术拥有广阔的应用前景。

2.3 生物酶解预处理

生物酶解法是采用微生物对木质纤维素原料进行降解的一种方法。经过微生物的处理可以有效提高纤维素或半纤维素的可及度，增加酶解糖化率的效果。利用白腐菌、褐腐菌和软腐菌等微生物可以有效的降解原料中的木质素、纤维素和半纤维素。生物酶解技术是目前发展的主要方向，此项技术具有环保、可持续性强等优势。但目前酶法预处理工业化的难题之一就是纤维素酶成本较高，占整个生产过程总费用的60%～80%[13-14]，如何降低成本是目前研究的重点课题之一。

3 甘蔗渣的综合利用

3.1 生物发电

甘蔗渣最直接有效的利用途径就是燃烧发电[15-16]。但到目前为止，全世界用甘蔗渣生产的电量只有13万kW·h[17]，主要是由于燃烧设备和环保技术要求过高，现有设备不能满足需求。中国南方部分电厂也已经开始利用甘蔗渣进行发电。从2012年起的4年时间内，广西已投资80亿元扶持百家制糖企业蔗渣生物质发电。甘蔗渣发电主要是利用其燃烧产生的热量，利用率虽然较高，但产生的价值较低，而且对环境污染较大，在其他转化利用技术尚未成熟时可短期使用，但并不是最佳的利用途径。

3.2 造纸

甘蔗渣应用于造纸行业的思路是Heiningen等人首先提出的[18]。主要是利用残余固体残渣进行制浆。中国也在此方面做了一些试探性的研究，主要包括甘蔗渣制浆前热水预抽提工艺、甘蔗渣热水预抽提过程糖类组分溶出规律以及预抽提后甘蔗渣的制浆造纸性能等方面[19]。目前可利用的方法主要有乙醇法制浆，醋酸法制浆，高沸醇法制浆等[20]。这些方法都能够有效分离纤维素和半纤维素，用于环保性能较好的纸浆生产[21]。但由于在进行制浆之前还要进行除髓的工序[22]，所以利用甘蔗渣制浆造纸在经济效益上优势不明显。

3.3 高密度纤维板材

甘蔗渣含有较高的纤维素和木质素含量，是制作高密度板材的理想原料。其制作的板材具有比重小、强度高、防腐性能好、吸水率低，不受海水的腐蚀，防火性能好，有良好的阻燃性能，有良好机械加工性能和装饰性能，适用于家具、建筑车厢、船舶、包装箱等制作行业。最近，还成功制作出带有壳聚糖的甘蔗渣芯板，其表征特性优于其他的板材[23]。由于甘蔗渣原料相对集中， 运输成本低， 所以用甘蔗渣生产纤维素板材能给企业带来明显的经济效益。这也是中国目前利用甘蔗渣最直接有效的途径。

3.4 饲料

甘蔗渣一般含水分10%～20%，木质素约20%，可给反刍动物提供纤维素和糖分。利用有效的处理方法可以提高甘蔗渣饲料的消化吸收能力，如甘蔗渣糖化法，甘蔗渣青贮，甘蔗尾叶碱化法等[24]。但在饲料化的过程中要注意环境保护，对渗出液和气体都要进行预防和处理。

3.5 栽培基质

甘蔗渣由于其长纤维占比重较高， 是理想的栽培混合基质的辅助原料。而且，随着食用菌需求的日益增多，菌林矛盾日渐突出，蔗渣作为一种新型食用菌栽培料资源已经受到更多的关注。目前，甘蔗渣作为基质已成功应用于花卉、蘑菇、木耳等的无土栽培以及蔬菜工厂化育苗[25-26]。如何消除硅化细胞的影响是蔗渣作为栽培基质的关键问题[27]。

3.6 沼气

随着开采能源的不短减少，甘蔗渣沼气化一直受到普遍的重视。沼气发酵技术是实现改善环境和废弃物能源化利用的有效途径之一。甘蔗渣中的纤维素、半纤维素可以被微生物菌群利用产生沼气，采用批量发酵的方式，可实现规模化生产。甘蔗渣生产沼气可在常温条件下进行，甘蔗渣的总固体含量产气潜力为201 mL/g，新鲜原料产气潜力为150 mL/g。经试验测定，甘蔗渣是一种良好的发酵原料，发酵产沼气是提高甘蔗渣燃烧效率的一种有效途径[28]。

3.7 燃料乙醇

发展纤维素乙醇产业是缓解能源紧缺问题的有效途径之一，也是非粮生物质综合利用的热点研究领域。其中利用农作物的废弃物生产燃料乙醇是生物质能源中最有发展潜力的途径之一。甘蔗茎秆中的糖分和甘蔗渣中的纤维素都可以转化为乙醇，可以实现对甘蔗的全部利用。巴西利用其丰富的甘蔗蔗糖资源将燃料乙醇生产产业化，并采用糖酒联产的形式实现了经济上的宏观调控。在甘蔗渣纤维素乙醇方面的转化技术研究成果为世界各国提供了良好借鉴[29]。与此同时，各国的研究者对甘蔗渣生产乙醇也进行了研究，通过AFEX（氨气爆破法）预处理甘蔗渣是比较理想的工艺路线，在酶法水解中添加木聚糖酶和纤维素酶可将木聚糖和葡聚糖酶的转化率提高到90%[30]。在AFEX条件下使用啤酒酵母菌进行发酵，该菌株在pH 6.0 时比pH 4.8时能更好的利用木糖。虽然，科学家已经取得了很好的科研进展，但目前甘蔗渣燃料乙醇仍然需要重点解决两个问题，一是高效、经济的甘蔗渣的预处理技术；二是低成本的纤维素降解技术。目前，大多数仍处于试验阶段，但有望在不久的将來得以实现。

3.8 高性能吸附材料