国内甜高粱秸秆渣的循环化利用模式展望

张文贞

(甘肃省兰州市永靖县农牧局，甘肃 永靖 731600)

甜高粱属粒用高粱的一个变种，具有抗逆性强(耐干旱、耐水涝、抗盐碱)，生物产量高,糖分积累快的优势，素有“高能植物”之称[1]。在北方地区贫瘠的盐碱地、新垦地产鲜茎秆可达60 000～90 000 kg/hm2, 茎秆含汁量达60%～80%,汁液的糖度为10%～20%[2]。作为一种新兴的糖料作物、饲料作物得到了广泛的开发利用。伴随着国内外能源替代品研究的不断深入，甜高粱的工业化开发力度得到了前所未有的发展。甜高粱秸秆的液态发酵生产乙醇已不能满足企业降本增效、连续生产的要求，固态混菌发酵具有乙醇产量高、生产工艺清洁化的优点，作为一种甜高粱秸秆新型制醇技术登上了工业化生产的舞台。但是，甜高粱秸秆固态发酵制醇过程中产生的甜高粱秸秆渣，严重影响着企业环境卫生和周边的人居环境，制约着企业的清洁生产和产业的可持续发展。为此，本文通过就国内甜高粱秸秆渣含汁与去汁条件下的利用模式进行研究，对于分类建立甜高粱秸秆渣的去汁与含汁回收利用途径,对于延伸产业链条、提高产业附加值提供一定的技术参考。

1 含汁甜高粱秸秆渣的利用途径

1.1 进行新型能源的开发研究

1.1.1 发酵制氢

氢气市场潜能大、应用范围广是未来非化石类燃料的研究开发新方向，刘旭等人以蔗糖作为诱导物质的条件下,利用牛胃里提取的厌氧菌种—肺炎克氏杆菌，在自行研发制造的厌氧流化床生物反应器中保持一定温度和pH值,厌氧发酵可产生含量最高达到28%的氢气[3]。活性污泥也可作为甜高粱秸秆发酵制氢的菌种，以垃圾填埋场采集培养的活性污泥作为菌种、甜高粱秸秆为底物进行发酵制氢，室温14～23℃条件下，料液浓度为50 g/L时，产氢率分别为39.44 ml/g·TS、40.52 ml/g·VS，料液的TS、VS 利用率达到20.16%和30.51%[4]。

1.1.2 生产丁醇

丁醇与乙醇相比具有能量密度和燃料经济性高、蒸汽压力低、与汽油配伍性好、腐蚀性小、便于管道运输、对原料糖浓度要求低(糖度只须在10oBrix 左右即可满足发酵生产)的优点[5]，与发酵生产乙醇相比之下，条件更为宽松、附加值更高。Optinol工艺在选择适宜菌株生产方案、不改变现有生产工艺的基础上，采用非转基因梭菌菌株发酵生产丁醇，实现了低成本发酵与低成本连续萃取和低能量蒸馏过程的结合，为低成本的商业生产平台提供了基础[6]。Bd3菌利用甜高粱秸秆渣混汁发酵丁醇产量达到了10.29 g/L，且原料糖度进一步降低和丁醇产量明显提高、成本明显降低(是种植甜菜的2倍以上)[7]。高耐受菌株C.acetobutylicum ABE1301与甜高粱秸秆渣连续固化发酵，丁醇发酵浓度维持在10～12 g/L，实现了发酵的分离耦合，解除了产物抑制，节约了分离成本与能耗[8]。将甜高粱秸秆渣进行汽爆处理，制得混合渣液，加入由无机盐、N源组成的丁醇发酵培养基，接种丁醇发酵种子液可进行丁醇的发酵生产[9]。

1.1.3 生产生物油

生物油具有原料来源广泛、可再生、便于运输、能量密度较高等特点，是一种潜在的液体燃料和化工原料[10]。吴汉靓等人以甜高粱秸秆渣汁为原料在自制的小型流化床反应器上进行生物油的制备生产，产率达到了57%，但是产出的生物油含水量较高，影响其能量密度[11]。应用核磁共振技术对生物油的主要结构式及其氢原子分布状况进行研究，对于分析生物油的组成、掌握生物油的特性，探索生物油的品质改良相关措施具有重要意义。

1.2 探索还原糖的提取回收

甜高粱秸秆渣汁中富含非结构性碳水化合物(蔗糖、葡萄糖及果糖)和结构性碳水化合物(纤维素和半纤维素)，应用酶解分离、混菌发酵、酸碱处理等技术可进行甜高粱秸秆渣汁中木糖、葡萄糖等可还原糖和乙醇的回收提取，对于提升废弃物附加值、推动产业转型升级具有重要的实践指导意义。

1.2.1 提取木糖

碱处理能提高甜高粱秸秆渣提取木糖等还原性糖的转化率，加入纤维素水解酶能提高低温碱处理时的转化率。低温碱处理9%的甜高粱秸秆渣汁，与9.96 FPU/g的纤维素水解酶酶解120 h,木聚糖浓度达29.48 g/L,转化率达40.45%[1]。甜高粱秸秆渣汁经碱法预处理、固液分离、水洗提取制的提取液，提取液经木聚糖酶糖化固液分离、活性炭吸附脱色、离子交换树脂纯化后得到木糖纯化液，纯化液经氢化处理、浓缩结晶后烘干可制取木糖醇[12]。

1.2.2 提取葡萄糖

酸处理能促进甜高粱秸秆渣中葡萄糖的回收，利用盐酸进行甜高粱秸秆渣汁中葡萄糖的水解回收，葡萄糖回收率达70.1%[1]。草酸作为一种有机酸，能够用于催化半纤维素水解为木糖，作为甜高粱秸秆渣汁制备木糖过程中的水解催化剂，125℃，77 min条件下木糖收率达到了52.11%，且糠醛等副产物产率大幅度低[13]。

1.3 生产肥料黄腐植酸

黄腐殖酸富含植物所需的多种天然营养元素，叶面喷施可强壮植株，增强光合作用，达到增产的目的[14]。甜高粱秸秆渣汁与热带假丝酵母、假单胞杆菌、产朊假丝酵母菌液混合，加入2.0%尿素，30℃发酵72 h可生产含黄腐酸20%的液肥[15]。

2 去汁甜高粱秸秆渣的利用途径

2.1 制作温室秸秆反应堆及复混肥

用甜高粱秸秆渣制作温室反应堆可提高设施大棚地温(升高地温9.0～9.5℃)、促进萌芽(提前葡萄萌芽期25 d)，产生的二氧化碳作为一种气肥施入能提高作物产量[16]。糠醛复混肥具有疏松土壤、保水保肥、增产增收的功效，利用回收提取还原糖后去汁甜高粱秸秆渣进行有机糠醛复混肥的生产，能在促进甜高粱生产废弃物综合利用的基础上，实现甜高粱生产过程的废弃物零排放[17]。

2.2 生产纳米纤维

纳米纤维用途广泛，纺织业上可制作双疏性界面织物，具有透气、防水、防油、防污的优势和过滤细微粒子、病毒细菌等有毒物质的效果，此外，在化工、医药等产品的提纯、过滤等行业也有一定程度的应用[18]。将甜高粱秸秆渣进行汽爆处理，制得甜高粱汽爆秸秆渣，汽爆秸秆渣进行复合酶解、水洗离心、加水制得纳米纤维素悬浮液，高压均质、醋酸酯化改性制成纳米纤维素[9]。

2.3 用作中污水处理吸附剂

重金属因其特殊的化学性质及毒性效应，具有高度危害性和难治理性，水体的重金属污染净化一直是国内外学者研究的焦点。将甜高粱秸秆残渣应用于重金属废水处理，无需人工合成、处理过程简单、无特定设备要求、廉价易得，与离子交换法、膜分离法和化学沉淀法等其他治理方法相比具有占地面积小、合成工艺简单、操作方便、成本低、无二次污染，吸附剂可重复使用等优点[19]。

2.4 进行木塑复合板材的加工生产

装潢板材作为重要的家装原材料，市场需求量大，传统的装潢板材用杨木、松木等树木，粉碎挤压而成，对森林资源的消耗较大，加工成本高。以高密度聚乙烯为塑料基体、硬脂酸为润滑剂、甜高粱秸秆渣为填充物进行新型高密度木塑复合板材的生产，板材的弯曲性、拉伸性、吸水率等各项性能得到了进一步的优化，可生产四孔板、桑拿板、立柱、景观盆等多种木塑复合板材[20]。