甘蔗渣的综合利用

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1、循环经济工程技术研究系列之 甘蔗渣的综合利用,甘蔗渣的综合利用,循环经济是人类应对资源瓶颈制约和环境污染挑战而提出的发展新理念和新 的经济形态，其融合了生态学 、清洁生产、产业共生及环境经济学等多学科理论，以资源的高效利用和循环利用为 目标，以 “减量化、再利用、资源化”为原则 ，实现物质闭路循环和能量梯次使用。 目前 ，循环经济在甘蔗制糖产业已得到广泛的应用，如 “甘蔗一制糖一滤泥一有机肥一甘蔗”、“甘蔗一制糖一糖蜜一酒精一废液一肥料一甘蔗”、“甘蔗一制糖一酒精一造纸一碱回收一水泥碳酸钙一复合肥 一甘蔗”等物质闭路循环及能量多级利用系统。 废物资源化,甘蔗渣的组成,干蔗渣主要成分分析： 湿蔗

2、渣主要成分分析：,甘蔗渣成分特点,在适宜的营养(特别是氮素)、温度、湿度、通气量和pH值条件下，通过微生物的繁衍，使秸秆分解，把碳、氮、磷、钾和硫等分解矿化或形成为简单的有机物和腐殖质的过程。 秸秆中纤维素、半纤维素占极大的比例，纤维素是葡萄糖的聚合物，由于结构特殊，因此有抵抗各种氧化剂的能力，只能被浓酸水解。微生物和对纤维素的作用，完全取决于微生物的功能和分解条件。纤维素的分解分两个阶段。第一阶段是在微生物分泌的纤维素酶的作用下水解，生成纤维糊精、纤维二糖，在纤维二糖酶的作用下生成葡萄糖。第二阶段是水解产物的发酵过程。第二阶段好气微生物和厌气微生物的发酵产物有所不同。好气纤维分解菌能将纤维素

3、完全分解，只产生CO2、一些粘液物质、色素和大量微生物细胞物质，3040分解的纤维素可以转变成纤维素分解菌的细胞物质；嫌气性纤维分解菌则发酵成各种有机酸(醋酸、丙酸、丁酸、蚁酸、乳酸和琥珀酸等)、醇类、二氧化碳和氢气。 木质素是复杂的植物物质，是具有某些侧链的苯环结构，很难分解。一些细菌和高等真菌能把木质素的侧链及芳香环氧化，进而裂解木质素。在堆肥中有相当数量的木质素形成腐殖质，它是植物营养的储存库，也是土壤肥力的基础。 半纤维素包括多种化合物，有多缩醣醛和多缩糖醛酸。在微生物的作用下，多糖水解成简单的单糖类(C6H12O6、C5H10O5)，多缩糖醛酸水解成糖醛酸或醣醛酸糖酸和糖的混合物。主

4、要被真菌和细菌所分解。作物的秸秆的主要成份是纤维素、半纤维素和木质素。,甘蔗渣中的纤维素,纤维素（cellulose）是由葡萄糖组成的大分子多糖，是植物细胞壁的主要成分。 半纤维素(hemicellulose)：是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体，这些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿伯糖、甘露糖和半乳糖等。它结合在纤维素微纤维的表面，并且相互连接，这些纤维构成了坚硬的细胞相互连接的网络。 木质素（lignin）是 有氧代苯丙醇或其衍生物结构单元的芳香性高聚物。形成纤维支架，具有强化木质纤维的作用。,甘蔗渣中的纤维素,纤维素（cellulose）是由葡萄糖组成的大分子多糖。不溶于水及一般有机

5、溶剂。是植物细胞壁的主要成分。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50%以上。纤维素大分子的基环是D-葡萄糖以-1，4糖苷键组成的大分子多糖，分子量约500002500000，相当于30015000个葡萄糖基脱水葡萄糖，其分子式为：（C6H10O5）n。,甘蔗渣中的纤维素,纤维素在常温下，它是比较稳定的，这是因为纤维素分子之间存在氢键。不溶于水和乙醇、乙醚等有机溶剂，能溶于铜氨Cu(NH3）4（OH）2溶液和铜乙二胺NH2CH2CH2NH2Cu（OH）2溶液等。水可使纤维素发生有限溶胀，某些酸、碱和盐的水溶液可渗入纤维结晶区，产生无限溶胀，使纤维素溶解。纤维素加热到约

6、150时不发生显著变化 ，超过这温度会由于脱水而逐渐焦化。 纤维素与较浓的无机酸起水解作用，反应时氧桥断裂，同时水分子加入，纤维素由长链分子变成短链分子，直至氧桥全部断裂，变成葡萄糖。 纤维素与较浓的苛性碱溶液作用生成碱纤维素，与强氧化剂作用生成氧化纤维素。,甘蔗渣中的纤维素,纤维素是地球上最古老、最丰富的天然高分子，是取之不尽用之不竭的，人类最宝贵的天然可再生资源。纤维素化学与工业始于160多年前，是高分子化学诞生及发展时期的主要研究对象，纤维素及其衍生物的研究成果为高分子物理及化学学科的创立、发展和丰富作出了重大贡献。 纤维素的主要生理作用是吸附大量水分，增加粪便量，促进肠蠕动，加快粪便的

7、排泄，使致癌物质在肠道内的停留时间缩短，对肠道的不良刺激减少，从而可以预防肠癌发生。,甘蔗渣中的半纤维素,半纤维素(hemicellulose)：指在植物细胞壁中与纤维素共生、可溶于碱溶液，遇酸后远较纤维素易于水解的那部分植物多糖。一种植物往往含有几种由两或三种糖基构成的半纤维素，其化学结构各不相同。半纤维素木聚糖在木质组织中占总量的50%，它结合在纤维素微纤维的表面，并且相互连接，这些纤维构成了坚硬的细胞相互连接的网络。构成半纤维素的糖基主要有D-木糖、L-阿拉伯糖、D-甘露糖、D葡萄糖、D-半乳糖、4-氧甲基-D-葡萄糖醛酸及少量L-鼠李糖、L-岩藻糖等。半纤维素主要分为三类，即聚木糖类、

8、聚葡萄甘露糖类和聚半乳糖葡萄甘露糖类。 半纤维素与纤维素间无化学键合，相互间有氢键和范德瓦耳斯力存在。 半纤维素与木素之间可能以苯甲基醚的形式连接起来，形成木素碳水化合物的复合体。,甘蔗渣中的半纤维素,半纤维素是植物细胞壁构成纤维素小纤维间的间质凝胶的多糖群中除去果胶质以外的物质，是构成初生壁的主要成分。包括葡萄糖、木糖、甘露糖、阿拉伯糖和半乳糖等，单糖聚合体间分别以共价键、氢键、醚键和酯键连接，他们与伸展蛋白、其他结构蛋白、壁酶、纤维素和果胶等构成具有一定硬度和弹性的细胞壁，因而呈现稳定的化学结构。原来是从总纤维素中以17.5%NaOH以至24%KOH提取出来的多糖成分的总称，而没有相应的特

9、定的化学结构。碱提取液用醋酸中和沉淀的部分是半纤维素A，上清液用乙醇沉淀的部分是半纤维素B。,甘蔗渣中的半纤维素,半纤维素(hemicellulose)：指在植物细胞壁中与纤维素共生、可溶于碱溶液，遇酸后远较纤维素易于水解的那部分植物多糖。一种植物往往含有几种由两或三种糖基构成的半纤维素，其化学结构各不相同。树茎、树枝、树根和树皮的半纤维素含量和组成也不同。因此，半纤维素是一类物质的名称。 构成半纤维素的糖基主要有D-木糖、D-甘露糖、D葡萄糖、D-半乳糖、L-阿拉伯糖、4-氧甲基-D-葡萄糖醛酸及少量L-鼠李糖、L-岩藻糖等。半纤维素主要分为三类，即聚木糖类、聚葡萄甘露糖类和聚半乳糖葡萄甘露

10、糖类。,甘蔗渣中的半纤维素,从植物纤维中提取半纤维素的方法，其步骤是：将植物纤维、碱、水混合后放入带有搅拌装置和加热系统的反应釜中，将反应釜温度升至3585，同时在300rpm2000rpm的转速条件下，搅拌10s10min，以常规方法过滤或离心，得到的滤液或上清液即为半纤维素的提取液；向半纤维素的提取液中加入其23倍体积量的80%95%的乙醇，使可溶性半纤维素沉淀，常规过滤，收集产物并干燥，得半纤维素。,甘蔗渣生产木糖醇,甘蔗渣用于生产木糖醇 目前 ，素有中国 “糖都”之称的崇左市已将 “甘蔗一机制糖蔗渣木糖、木糖醇”产业链的建设纳入规划。同时，由中国科学院广西植物研究所自主研发的生物法生产

11、木糖醇技术也于2009年4月在唐传生物科技(厦门)有限公司位于厦门海沧的生产线上试产成功。这又将引起业界人士对广西木糖醇产业的深入探索。 若能将这一自主研发的木糖醇生产技术运用于甘蔗渣制浆前预抽提液中糖类物质生产木糖醇，则有可能形成另一种广西甘蔗渣利用的新途径。 但是，是将甘蔗渣结合制浆造纸的生物炼制模式，利用其制浆前预抽提液中糖类物质生产木糖醇还是将甘蔗渣直接转化，现有的转化技术是否完全适用于甘蔗渣原料以及生产成本、产业化等问题，都需要展开进一步的探讨研究。,甘蔗渣生产木糖醇,木聚糖是植物细胞中主要的半纤维素成分，占植物细胞干重的35%，是一种丰富的生物质资源，是自然界中除纤维素之外含量最丰

12、富的多糖。然而自然界中很大一部分木聚糖未被有效利用，造成很大的资源浪费。 木聚糖的结构是一种多聚五碳糖，由-D-1,4木糖苷键连接起来，并带有多种取代基。木聚糖部分降解可形成低聚木糖，彻底降解则得到多种五碳单糖，其中以木糖为主。,甘蔗渣生产木糖醇,木糖醇是一种具有营养价值的甜味物质，广泛存在于各种水果、蔬菜中，但含量很低。商品木糖醇是用玉米芯、甘蔗渣等农业作物中，经过深加工而制得的，是一种天然健康的甜味剂。 木糖醇白色晶体，外表和蔗糖相似，是多元醇中最甜的甜味剂，味凉、甜度相当于蔗糖，热量相当于葡萄糖。是未来的甜味剂，是蔗糖和葡萄糖替代品。 因为木糖醇仅仅能被缓慢吸收或部分被利用。热量低是它的

13、一大特点：每克2.4卡路里，比其他的碳水化合物少40%。木糖醇从60年代开始应用与食品中。在一些国家它是很受糖尿病人欢迎的一种甜味剂。 木糖 木糖醇,甘蔗渣生产木糖醇,我国木糖醇工业是一个新兴的工业，从小试、中试，到试生产，一步一步地发展起来的，生产技术也刚刚有一个雏形，并不是很成熟，有待发展和完善。目前，我国生产木糖醇有化学法和生物法。 化学法生产木糖醇有两种工艺：中和脱酸工艺和离子交换脱酸工艺。 中和脱酸工艺 原料 水解 中和 浓缩 脱色 离子交换 浓缩 加氢 浓缩 结晶 分离 包装 离子交换工艺 原料 水解 脱色 离子交换 浓缩 离子交换 加氢 离子交换 浓缩 结晶 分离 包装,甘蔗渣生

14、产木糖醇,化学法生产木糖醇首先要得到木糖，木糖可通过水解富含木聚糖的植物得到，而后将木糖氢化便得到醇，其流程： 木聚糖主要来 自木 (质)素纤维素材料 ，如农业废弃物 (玉米芯、小麦秸秆等)。虽然天然半纤维素的水解产 物中超过80是木糖，但水解液 中还包含其他多种糖类物质 (如葡萄糖、阿拉伯糖、甘露糖 、半乳糖等)。,甘蔗渣生产木糖醇,生物转化生产木糖醇 利用生物发酵法生产木糖醇的研究大多着重于利用农业废弃物的水解液作为原料进行生产。然而，水解液中除含有单糖外，还含有多种可溶性物质，其中包括木质素、糖降解副产品以及少量的碱提取物。一些化合物能抑制微生物的利用水解得到的糖，特别是和糠醛类物质，会

15、抑制微生物的发酵，所以如何改进水解条件或方法，减少有害物质的含量是生物发酵生产木糖醇必须要解决的问题。 目前对于热带假丝酵母生产木糖醇的研究主要集中在如何增加关键酶的活性。此外，木糖醇发酵条件的优化也被广泛探讨(如改变种龄、接种量、发酵pH值、温度、培养基组成、溶解氧等条件。 有研究表明，高的接种量和起始木糖含量可以提高 木糖醇的产量以及效率，但同时，高的起始木糖含量会导致酵母生长的抑制，导致发酵周期过长问。由于木糖发酵菌不能利用葡萄糖产出木糖醇，为解决酵母量不足的影响，可以在木糖醇发酵时添加葡萄糖可以起到增加细胞量，保障能源供应，以利用木糖转化为木糖醇。,甘蔗渣生产糠醛,糠醛生产技术 按高聚

16、糖水解和形成糠醛的过程可把制取糠醛的方法分为一步法和两步法 。一步法是半纤维素水解生产戊糖和戊糖脱水环化生成糠醛两个反应过程在同一个反应器 内一次完成 。由于一步法的设备投资少，操作简单，小液比生产时残渣含水量低，可直接用做锅炉燃料产生蒸汽 ，于是在糠醛工业中得到了广泛的应用。 但是，一步法生产工艺生产过程中使用蒸汽气提移出糠醛，蒸汽消耗量大，存在糠醛收率低、废水废气污染严重等问题。 随着生物质化学利用的发展，注重了原料综合利用和环境保护，结合两段水解法，又重新提出了两步法糠醛生产工艺，重点是分离原料中的纤维素和半纤维素，然后分别加以利用。两步法是原料中的半纤维素水解生成戊糖和戊糖在较高温度条

17、件下脱水环化生成糠醛在两个不同的反应器中完成。过滤后的残渣再经水解、发酵得到乙醇；利用残渣生产纸浆。,甘蔗渣生产糠醛,一步法糠醛生产技术 一步法糠醛生产工艺因其设备投资少，易于操作，在糠醛工业中得到了广泛的应用。经过近几十年发展，糠醛的生产工艺和技术都有了很大的提高，从最初的单锅蒸煮，发展到多锅串联以及连续生产工 艺。根据催化剂种类的不同主要包括盐酸法、硫酸法、改 良硫酸法、醋酸法、无机盐法5类 。但是由于这些生产工艺多采用水蒸气气提法移出反应 中生成的糠醛 ，蒸汽消耗量大 ，原料利用率低。 两步法糠醛生产工艺 两步法糠醛生产工艺较为复杂，设备投资较高，但是糠醛收率能达到70以上，可以显著提高经济效益。随着糠醛工业的发展以及原料综合利用要求的提高，积极发展两步 法糠醛生产技术具有重要的经济和环保意义。,