關于秸稈資源高效轉化的策略與發展趨勢探討

＊栗科航 鐘耀華

（山東大學 微生物技術國家重點實驗室 山東 266237）

引言

中國自古就是農業大國，也是秸稈生產大國。當前我國秸稈總產量穩定在8億噸/年，高于糧食總產量，但是大量秸稈資源并沒有得到充分利用。除傳統畜牧養殖業消耗外，剩余秸稈大多被露天焚燒，這不僅是一種極大的資源浪費，同時也造成了嚴重的環境污染問題。第75屆聯合國大會上中國正式提出力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的“雙碳”目標，這樣的時代大背景對減少碳排放有了更高要求。秸稈資源的高效轉化利用是節能減排的重要舉措，不僅能替代部分化石能源減少碳排放，而且可通過土壤固碳增加碳匯，從而為雙碳目標的實現貢獻力量。因此，對秸稈資源高效轉化策略進行評估，探討未來發展趨勢，有助于實現秸稈資源的高效利用。

1.我國秸稈資源綜合利用現狀

當前我國秸稈資源的綜合利用方式可用“五化”來概括，即肥料化、飼料化、燃料化、原料化、基料化。據估算，我國秸稈的綜合利用率為80.11%，但其中肥料化和飼料化利用占總利用量近八成[1]。秸稈肥料化通常是將秸稈粉碎后還田以增加土壤肥力，是目前秸稈利用的主流，也受到政府大力支持，但仍然存在許多難以解決的問題，如不同地區土壤和氣候條件不同，已形成的肥料化利用模式不易推廣等。秸稈飼料化利用是另一條重要途徑，但提升空間較小。秸稈原料化利用雖然當前占比較低，但其工藝流程簡單，在未來有很大發展空間。特別是隨著氣化、熱解等秸稈化學轉化技術，以及纖維素乙醇、沼氣等秸稈生物轉化技術的逐漸成熟，秸稈燃料化利用可能會成為未來秸稈利用的主流。

2.秸稈原料化利用策略及發展趨勢

(1)替代木材用于造紙

我國是紙產品消費大國，造紙所需的木材的進口依賴度高，所以尋找木材替代品作為造紙原料十分必要。以農作物秸稈等非木原料制漿造紙不僅節約木材，減少對森林資源的破壞，還充分利用秸稈，可謂一舉多得[2]。秸稈造紙也存在著污染較大，紙張品質較差的問題，因此需要發展秸稈造紙新技術。例如：建立無污染或少污染的秸稈組分分離技術，研發秸稈原料除硅技術，發展草漿少污染漂白技術等。另外通過物理增強處理可大幅提高草漿纖維品質，從而用于制造高品質紙張。

(2)加工制作人造板

秸稈原料化利用的另一重要策略是用農作物秸稈制作人造板。稻草、麥秸、棉稈等不同類型農作物秸稈都是制作人造板的優質原料。而制作人造板的工藝流程也比較簡單，主要包括秸稈粉碎、膠黏劑混合、熱壓成型制板等[3]。其中膠黏劑是影響秸稈人造板特性的主要因素，也占據了大部分成本。膠黏劑通常是以異氰酸酯膠黏劑為代表的合成樹脂膠黏劑和以硅酸鹽為代表的無機物膠黏劑，但成本高、會釋放甲醛等。近些年以蛋白類、淀粉類低成本的天然高分子化合物為主要成分的生物膠黏劑備受關注。隨著生產工藝的不斷升級，秸稈人造板的原料化利用路徑有望得到更大規模應用。

3.秸稈化學轉化策略及發展趨勢

秸稈化學轉化涉及的途徑較為多元化，相對應的產物也更加豐富。秸稈可以通過氣化、熱解等熱化學轉化途徑制備氣態或液態燃料，也可經酸水解轉化成糖以供后續高價值化合物合成。

(1)氣化制備合成氣

氣化的原理是在氣化爐中通過氧化和燃燒反應將固態秸稈轉化為氣態燃料。該過程需要在氣化爐中將秸稈原料加熱，析出揮發物并裂解釋放氣體，然后通入空氣、氧氣、水蒸汽等氣態介質，充分的氧化或燃燒，最終生成含有CO、CO2、H2、CH4、焦油等物質的混合氣體燃料[4]。這類混合氣體用途比較廣泛，可直接通入內燃機燃燒發電。目前生物質氣化發電技術和生物質綜合氣化聯合循環發電技術已在國內得到一定規模應用。

(2)熱解生產生物油

與氣化類似，熱解也是一種熱化學轉化技術，同樣需要高溫條件，但不需要借助氧氣氧化或燃燒，而是直接通過高加熱將秸稈快速裂解生產熱解氣，再經冷凝變成生物油。生物油是由碳鏈長短不一的醇、醛、酮、酸及各種衍生物組成的復雜含氧混合物，具有含氧量高、黏度大、揮發性弱等特性[5]。盡管生物油的本質與石油類似，但上述特性也阻礙了生物油的廣泛應用，相關的解決措施正逐漸發展起來。例如，通過脫氧加氫技術可降低生物油的含氧量并增加熱值，添加極性溶劑甲醇或乙醇可增加生物油揮發性等。

(3)酸水解生成可發酵單糖

酸水解主要借助硫酸、鹽酸等使秸稈中木質纖維素的糖苷鍵斷裂，生成葡萄糖和木糖等小分子物質。酸水解可分為濃酸水解和稀酸水解兩大類。其中濃酸水解通常添加70%～80%的硫酸或40%左右的鹽酸，它們可在較低溫度下先把木質纖維素水解成低聚糖，然后通過稀釋放熱提高溫度，再將低聚糖轉化成單糖，轉化效率通常80%以上，甚至能完全水解[6]。但濃酸水解需要使用大量酸性試劑，對生產設備有腐蝕作用。稀酸水解需要的酸只有1%左右，但需要高溫條件，水解過程中還會生成糠醛、乙酰丙酸等副產物降低纖維素總體轉化效率并影響葡萄糖和木糖的后續利用。所以對稀酸水解產物進行脫毒處理是該技術的重要發展趨勢。葡萄糖和木糖等產物的利用途徑比較豐富，可通過微生物發酵生成更多高附加值的大宗產品，該部分內容將在下文秸稈生物轉化策略中詳細討論。

4.秸稈生物轉化策略及發展趨勢

秸稈生物轉化的反應條件較溫和，通常是利用微生物或酶進行轉化，其生產工藝更綠色環保，對秸稈利用更全面，產物也更加豐富，是未來秸稈轉化的主要發展方向。目前許多不同類型的生物轉化策略已經建立起來，例如通過微生物厭氧消化生產沼氣，憑借纖維素酶酶解偶聯酵母發酵來生產可再生燃料—纖維素乙醇，也可將酶解產物如葡萄糖等發酵生產大宗化學品，最后通過生物精煉技術實現秸稈的全組分利用生產多種高附加值大宗生物基化學品。

(1)厭氧消化產沼氣

厭氧消化是一個復雜的生物學過程，需要在無氧條件下利用多種厭氧微生物來實現。該過程的初始階段是由微生物產生的胞外酶將蛋白質、脂類和多糖等水解為氨基酸、長鏈脂肪酸和單糖等可溶性單體，然后產酸細菌把這些小分子轉化成揮發性脂肪酸和一部分副產物乙醇等。產乙酸細菌進一步將揮發性脂肪酸轉化生成CH3COOH、CO2、H2等，最終由產甲烷細菌利用合成沼氣的主要成分甲烷[7]。在沼氣生產過程中木質纖維素的降解和甲烷的產生是兩個主要的限速步驟，而秸稈和牲畜糞便的原料配比、C/N等是影響沼氣產量的重要因素。沼氣可直接供應到農民廚房，替代天然氣消耗，而副產物沼液和沼渣能作為優質有機肥提高農作物品質。目前，秸稈產沼氣的工藝還面臨一些難題，如不同類型秸稈對應的發酵特性有較大差異，使得規模化應用存在一定問題。而與傳統牲畜糞便相比，秸稈的體積更大，操作不夠方便，且純秸稈產氣效率也比不上牲畜糞便，所以秸稈和牲畜糞便混合使用是厭氧消化產沼氣的發展方向。

(2)纖維素酶酶解偶聯酵母發酵生產纖維素乙醇

纖維素乙醇是利用木質纖維素為原料生產的燃料乙醇，其生產工藝包括預處理、酶解、發酵等三部分。預處理的核心是利用盡可能少的化學試劑，在低能耗條件下完成對木質纖維素結構的破壞，以提高酶對纖維素的可及性，并盡量減少發酵抑制物產生[8]。酶解在整個纖維素乙醇的生產成本中占據了大部分成本，它需要廉價高效的纖維素酶系。纖維素酶高產菌株構建和發酵生產工藝優化是降低酶成本的基本路徑，而結合分批補料的高固糖化以獲得高濃度可發酵單糖也是降低后繼發酵成本的重要策略。發酵生產乙醇是酵母利用酶解產物實現的，此過程關鍵技術是培育能夠耐受預處理產生的抑制物、全面利用酶水解液中的難發酵性糖（木糖、阿拉伯糖及各種纖維寡糖等）、并生成高濃度乙醇的代謝工程酵母。秸稈纖維素乙醇作為可再生性燃料有望成為日益短缺的化石能源的重要替代品。

(3)酶解產物進一步發酵制備大宗化學品

雖然纖維素乙醇具有良好的應用前景，但其價格易受石油價格影響而波動，經常出現生產成本不及銷售價格的情況，所以利用秸稈酶解產物發酵生產其他大宗化學品可規避這種風險，擁有良好綜合效益。秸稈酶解產物的主要成分葡萄糖可被不同類型微生物利用而發酵生產大宗生物基化學品[9]。如乳酸菌能厭氧發酵葡萄糖生產乳酸，而乳酸在食品防腐、飼料加工、高值化學品生產等有廣泛應用。此外，乳酸可經化學合成為易降解材料——聚乳酸，它具有替代難降解塑料從而解決白色污染問題的潛力[10]。產琥珀酸放線桿菌能利用酶解產物中的多種單糖發酵生產琥珀酸，而琥珀酸是一個重要平臺化合物，可進一步轉化合成許多工業化學品，如1,4-丁二醇、四氫呋喃等。此外丙酮丁醇梭菌能同時利用酶解產物中的葡萄糖和木糖發酵生產丁醇，而丁醇不僅重要工業化學溶劑，而且具有比乙醇更高的熱值、更好的燃燒性能，是更加理想的可再生生物燃料。

(4)生物精煉實現秸稈全組分利用

成本居高不下是阻礙秸稈資源生物轉化發展的主要因素，所以挖掘秸稈生物轉化的全部價值就顯得格外重要。生物精煉是最大化程度利用秸稈資源的策略，它首先需要把秸稈的不同組分分離，然后把每一組分轉化成不同產品，從而實現秸稈全組分高效利用和產品價值最大化[11]。秸稈用酸水解可使半纖維素溶解到液體中，用堿或者有機溶劑可提取木質素，剩余部分則大多是纖維素。纖維素經酶解生成葡萄糖后可發酵生產各類產品。半纖維素經酸水解后生成木糖，木糖可化學加氫或發酵制備木糖醇，還可脫水生成糠醛等化工品，另外半纖維素也可經適當酸水解或酶水解制備附加值更高的低聚木糖。而木質素既可作為燃料為生物精煉工廠提供熱能和電力，也可制備高強度木質素基樹脂復合材料等。總之，通過生物精煉技術可擴展秸稈利用途徑并提高秸稈整體價值。

5.結語

目前秸稈沒有被充分利用的根本原因是秸稈資源轉化途徑的經濟效益還不夠高。秸稈是豐富的可再生資源，利用好這種資源為農民創造額外收益是秸稈利用的基本思路。以造紙和制備人造板為代表的秸稈原料化利用策略工業流程簡單，在秸稈綜合利用中所占的比重有大幅上升空間。秸稈化學轉化策略能生成更豐富和高價值的產物，如合成氣和生物油等。而秸稈生物轉化策略不僅綠色環保，且轉化途徑更為多元，對應產物也更加多樣。因此，秸稈價值最大化的生物精煉技術有望實現秸稈全組分高效利用，突破經濟效益瓶頸，是未來秸稈資源轉化的重要發展趨勢。