邱春生，孫力平

(1.天津城建大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津 300384;2.天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，天津 300384)

能源危機和環(huán)境惡化是全球可持續(xù)發(fā)展面臨的兩大問題?；剂系拇罅肯氖窃斐扇驓夂蜃兓?、溫室效應(yīng)和大氣污染的根源［1］。尋找新型的可再生能源刻不容緩。第一代生物能源以生物乙醇和生物柴油為代表，其原料通常來自富含淀粉、糖類或油脂的農(nóng)作物，然而，基于這些農(nóng)作物的生物燃料的生產(chǎn)間接造成了糧食價格的上漲，引發(fā)潛在的糧食危機。近年來，基于木質(zhì)纖維素生物質(zhì)原料的生物燃料的生產(chǎn)得到研究者的廣泛關(guān)注。

全世界農(nóng)作物每年會產(chǎn)生大約2 000億t的農(nóng)業(yè)廢棄物，是自然界最廣泛的木質(zhì)纖維素來源之一［2］，可收集利用的主要包括農(nóng)作物秸稈、稻殼、甘蔗渣、玉米芯等。目前，農(nóng)業(yè)廢棄物除部分用作牲畜飼料、造紙和燃料外，絕大部分丟棄于農(nóng)田或就地焚燒，對環(huán)境造成污染的同時浪費了大量的自然資源。農(nóng)業(yè)廢棄物的主要成分為來自植物光合作用合成的有機物，木質(zhì)纖維素生物質(zhì)是其主要組成部分。木質(zhì)纖維素的高效生物轉(zhuǎn)化是農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的關(guān)鍵。該研究對國內(nèi)外木質(zhì)纖維素農(nóng)業(yè)廢棄物生物轉(zhuǎn)化資源化利用技術(shù)和發(fā)展趨勢進行了探討。

1 木質(zhì)纖維素農(nóng)業(yè)廢棄物簡介

農(nóng)作物秸稈是來源豐富、廉價的木質(zhì)纖維素原料。稻米、小麥和玉米是世界范圍內(nèi)種植最廣泛的糧食作物，其秸稈年產(chǎn)生量分別達(dá)到731.3×106t、354.34×106t和203.61×106t。甘蔗作為最主要的糖料作物，每年甘蔗渣產(chǎn)生量也達(dá)到180.73×106t［3-4］。這些農(nóng)業(yè)廢棄物可以為生物燃料的生產(chǎn)提供穩(wěn)定的原料來源。

木質(zhì)纖維素是由纖維素(32% ～47%)、半纖維素(19%～30%)、木質(zhì)素(5% ～24%)、少量的蛋白質(zhì)(3% ～5%)和灰分(4% ～12%)等組成的復(fù)雜的聚合物［5-7］。其中，纖維素和半纖維素的水解產(chǎn)物為碳水化合物，如葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖等。不同農(nóng)作物秸稈含有的碳水化合物成分如表1所示［5］。木質(zhì)纖維素所含的碳水化合物可被生物轉(zhuǎn)化為醇類、酸類、CH4、H2等代謝產(chǎn)物，其中，乙醇、CH4和H2可用作清潔燃料。

2 木質(zhì)纖維素燃料乙醇生產(chǎn)

燃料乙醇又稱生物乙醇，可由碳水化合物通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)，由于其可以在某些情況下直接替代燃油等液態(tài)燃料且節(jié)能環(huán)保，是第一代生物燃料的代表。美國和巴西是最大的燃料乙醇生產(chǎn)國，預(yù)計2015年產(chǎn)量將達(dá)到100億L［6］，其原料主要來自玉米和甘蔗。但對于大多數(shù)國家和地區(qū)，玉米和甘蔗是主要的糧食/糖料作物，往往會與糧食供應(yīng)產(chǎn)生沖突。因此，木質(zhì)纖維素燃料乙醇生產(chǎn)既能緩解原料供應(yīng)問題，又可消除農(nóng)業(yè)廢棄物處理不當(dāng)對環(huán)境帶來的危害，具有良好的發(fā)展?jié)摿?，是目前燃料乙醇領(lǐng)域的研究熱點，其關(guān)鍵是提高木質(zhì)纖維素原料中的纖維素和半纖維素的生物轉(zhuǎn)化效率。通常包括原料預(yù)處理、酶水解和乙醇發(fā)酵3個步驟。

表1 農(nóng)業(yè)廢棄物的碳水化合物含量 %

2.1 原料預(yù)處理 木質(zhì)纖維素中的纖維素是由葡萄糖單體通過β-1，4糖苷鍵連接而成，半纖維素是由D-木糖、D-阿拉伯糖、D-半乳糖和D-甘露糖等聚合而成的碳鏈較短和高度分支的碳水化合物。而難以水解的木質(zhì)素與這兩種多糖聚合物緊密結(jié)合在一起，使得其中的碳水化合物很難被乙醇發(fā)酵微生物降解轉(zhuǎn)化。燃料乙醇生產(chǎn)過程中，一般需要對木質(zhì)纖維素原料進行預(yù)處理以釋放纖維素和半纖維素。預(yù)處理方法可分為物理預(yù)處理、物理化學(xué)預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理和生物預(yù)處理。

2.1.1 物理預(yù)處理。主要包括研磨粉碎［8］、高溫?zé)峤猓?］、微波和電子束輻射［10］等方法，這些方法的目的是通過物理作用破壞木質(zhì)纖維素高分子聚合物的結(jié)構(gòu)，促使其斷裂或初步分解，提高后繼處理還原糖的釋放量。物理預(yù)處理方法產(chǎn)生的副產(chǎn)物較少，普遍存在能耗高、效率較低的問題。

2.1.2 物理化學(xué)預(yù)處理。主要包括蒸汽爆破［3，11］、高溫液態(tài)水處理［12］、氨爆破［13］、CO2爆破預(yù)處理［14］等方法。蒸汽爆破無需添加任何催化劑，但對木質(zhì)素的分離不夠完全;高溫液態(tài)水處理有很高的木糖回收率，不需化學(xué)試劑，但會產(chǎn)生少量抑制乙醇發(fā)酵微生物的糠醛、羧酸等副產(chǎn)物;氨爆破預(yù)處理方法可同時實現(xiàn)較高的纖維素和半纖維素轉(zhuǎn)化率，降低后繼水解階段酶的使用量，但該方法對木質(zhì)素含量較高的原料處理效率較低;CO2爆破預(yù)處理與氨爆破方法原理相似，但是對設(shè)備的耐壓性要求更高。

2.1.3 化學(xué)預(yù)處理。主要包括酸堿預(yù)處理［15-16］、濕式氧化預(yù)處理［17］、有機溶劑預(yù)處理［18］等方法。酸堿預(yù)處理是目前使用的比較多的方法，但存在設(shè)備腐蝕、產(chǎn)生抑制性副產(chǎn)物和大量酸堿廢水的處理問題;濕式氧化預(yù)處理可有效地將半纖維素轉(zhuǎn)移至液相，降低其對纖維素的包裹，提高后繼工序中纖維素酶的水解效率;有機溶劑處理的作用是破壞木質(zhì)素和半纖維素之間的化學(xué)鍵，從而破壞木質(zhì)纖維素的致密結(jié)構(gòu)，但使用的有機溶劑會對后繼的乙醇發(fā)酵微生物產(chǎn)生抑制。

2.1.4 生物預(yù)處理。主要是利用白腐菌、褐腐菌、軟腐菌等可破壞木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)的真菌的生物分解作用［8，19］，其中，褐腐菌可破壞纖維素，白腐菌和軟腐菌可同時分解纖維素和木質(zhì)素。生物預(yù)處理的特點就是對設(shè)備要求低、條件溫和及節(jié)能。但真菌等微生物分解木質(zhì)纖維素耗時較長，效率較低，限制了該方法的應(yīng)用。

2.2 酶水解 木質(zhì)纖維素原料經(jīng)過預(yù)處理后釋放出碳水化合物及其聚合物，然后通過酶水解將其轉(zhuǎn)化為糖單體供乙醇發(fā)酵。較酸堿水解酶水解的腐蝕性低、不產(chǎn)生抑制微生物生長的副產(chǎn)物、條件溫和從而能耗更低，經(jīng)濟性好，是目前普遍采用的方法［20］。

酶水解具有很高的特異性，纖維素酶和半纖維素酶分別特異性地水解纖維素和半纖維素中的結(jié)合鍵［21-22］。纖維素主要由葡聚糖構(gòu)成，纖維素分解酶系包括內(nèi)切、外切葡聚糖酶和β-1，4葡萄糖苷酶。而半纖維素由甘露聚糖、木聚糖、葡聚糖、半乳聚糖和阿拉伯糖等結(jié)合而成，半纖維素水解酶系包括內(nèi)切酶(括β-木聚糖酶、β-甘露聚糖酶)、外切酶(β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、β-甘露糖苷酶)和阿拉伯糖苷酶、半乳糖苷酶、乙酰木聚糖苷酶等至少8種以上的酶在內(nèi)。酶水解的最終產(chǎn)物是以葡萄糖和木糖為主的多種己糖和戊糖。

多種細(xì)菌和真菌可以分泌纖維素酶和半纖維素酶［23］。木霉屬是研究最多的酶生產(chǎn)菌，可產(chǎn)生至少2種纖維二糖水解酶、5種纖維素內(nèi)切酶和3種木聚糖內(nèi)切酶［24］。但是，木霉屬不能產(chǎn)生水解β-D-葡萄糖鍵的β-葡萄糖苷酶，曲霉屬微生物可很好地彌補β-葡萄糖苷酶的生產(chǎn)［21］。研究表明，原料的預(yù)處理方式、溫度、pH、底物濃度和酶量等多種因素可影響酶水解效率［21］。酶水解的最適條件為40～50℃、pH 4～5。目前的研究多集中在如何最大限度地提高酶水解的效率以及降低酶的生產(chǎn)成本方面。

2.3 乙醇發(fā)酵 經(jīng)酶水解糖化后的富含碳水化合物的原料可供給微生物發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。其中，葡萄糖可高效地通過釀酒酵母轉(zhuǎn)化為乙醇，而自然界中能高效發(fā)酵戊糖產(chǎn)乙醇的微生物較少。木質(zhì)纖維素乙醇生產(chǎn)的瓶頸為缺乏同時高效穩(wěn)定轉(zhuǎn)化己糖和戊糖的微生物。商業(yè)化燃料乙醇生產(chǎn)中，需要微生物具有廣泛的底物范圍、高的乙醇轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率、高濃度乙醇耐受性、高溫和抑制劑耐受力。為達(dá)到上述目的，近年來，基因工程的手段被應(yīng)用于構(gòu)建高產(chǎn)乙醇基因工程菌。

用于乙醇發(fā)酵的野生型菌種有S.cerevisiae、Escherichia coli、Zymomonas mobilis、Pachysolen tannophilus、C.shehatae、Pichia stipitis、Candida brassicae、Mucor indicus 等［25-26］。其中，S.cerevisiae具有最高效的轉(zhuǎn)化己糖發(fā)酵乙醇能力，但不能利用木質(zhì)纖維素水解液中的木糖等戊糖。部分Pichia和Candida屬微生物可以利用戊糖，但其乙醇產(chǎn)生速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于S.cerevisiae［5］。研究者采用基因工程的手段構(gòu)建了底物范圍更廣、生產(chǎn)效率更高的菌株，如P.stipitis BCC15191、E.coli KO11、S.cerevisiae ATCC 26603 等［27-28］，但這些菌株乙醇生產(chǎn)效率仍低于S.cerevisiae，且普遍存在遺傳穩(wěn)定性差的問題。

木質(zhì)纖維素水解產(chǎn)物乙醇發(fā)酵方法包括分步糖化發(fā)酵法(SHF)、同步糖化發(fā)酵(SSF)、同時糖化共發(fā)酵法(SSCF)和聯(lián)合生物加工法(CBP)［5］。SHF是最初應(yīng)用的方法，糖化和發(fā)酵過程在不同反應(yīng)器和條件下進行，但水解產(chǎn)物的積累會抑制纖維素酶活性，逐漸被SSF方法替代。SSF方法中糖化和發(fā)酵在同一個反應(yīng)器中進行，糖化產(chǎn)生的葡萄糖迅速轉(zhuǎn)化為乙醇，可有效解除對纖維素酶的抑制，但糖化過程的最佳溫度較高，耐熱的乙醇發(fā)酵微生物是該過程的關(guān)鍵。SSCF過程與SSF過程類似，不同點是實現(xiàn)了戊糖和己糖的共發(fā)酵，提高了原料的利用效率，共代謝戊糖和己糖基因工程菌的構(gòu)建是該領(lǐng)域研究的重點。CBP中纖維素酶生產(chǎn)、糖化和發(fā)酵集中在一個反應(yīng)器中進行，無需額外添加較為昂貴的水解酶，簡化酶的分離純化環(huán)節(jié)，可極大降低生產(chǎn)成本，但構(gòu)建同時具備上述功能的高效微生物或微生物群落仍是一個難題［29］。

綜上所述，盡管木質(zhì)纖維素原料的乙醇產(chǎn)率低于傳統(tǒng)的糖基或淀粉基原料，但木質(zhì)纖維素農(nóng)業(yè)廢棄物具有可再生、廉價和來源豐富的優(yōu)勢，勢必成為燃料乙醇生產(chǎn)的主要原料來源，但大規(guī)模用于工業(yè)生產(chǎn)還需克服一些技術(shù)難題:合理的預(yù)處理技術(shù)、纖維素酶成本控制、底物廣泛且耐受性強的乙醇發(fā)酵基因工程菌的構(gòu)建。

3 厭氧發(fā)酵生產(chǎn)CH4

以農(nóng)業(yè)廢棄物為原料微生物厭氧產(chǎn)CH4由于具有諸多優(yōu)點，近年來得到廣泛關(guān)注。生物發(fā)酵產(chǎn)CH4底物來自于可再生的生物質(zhì)原料，不依賴于石油和天然氣，從而可減少CO2的排放量。根據(jù)IPCC(政府間氣候變化專門委員會)統(tǒng)計，在過去的一個世紀(jì)，大氣中CH4對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)是CO2的23倍［30］。這些CH4主要是自然界中的有機廢棄物在天然厭氧環(huán)境下降解產(chǎn)生的，對農(nóng)業(yè)廢棄物進行收集資源化利用可減少CH4的自然排放量。此外，厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的混合氣體中的CH4經(jīng)過提純富集后可替代天然氣的使用，可有效減少化石能源的消耗，降低CO2排放。

3.1 生物產(chǎn)CH4過程及其影響因素 生物產(chǎn)CH4過程是在厭氧環(huán)境下進行的一系列復(fù)雜的生物轉(zhuǎn)化過程，包括水解、酸化、產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷化4個階段［31］。其中，產(chǎn)CH4階段主要由產(chǎn)甲烷古菌完成，對環(huán)境因素要求較高，需要在嚴(yán)格厭氧環(huán)境下進行，且對溫度和pH敏感。產(chǎn)甲烷微生物最適的溫度范圍介于30～35℃和50～60℃，在此溫度范圍之外，產(chǎn)甲烷菌的活性將會受到抑制，而其他3個階段起作用的微生物對溫度和pH的適應(yīng)范圍更廣。同時，盡管水解酸化階段可以在pH低至4.5～5.0的條件下進行，生物產(chǎn)CH4系統(tǒng)穩(wěn)定運行的最佳pH范圍僅介于6.8～7.2之間，在產(chǎn)CH4過程中需嚴(yán)格控制系統(tǒng)的溫度和pH［32］。此外，微生物產(chǎn)CH4過程還受到底物構(gòu)成、有機負(fù)荷、C/N比和抑制物的影響。

3.2 農(nóng)業(yè)廢棄物木質(zhì)纖維素產(chǎn)CH4研究 與乙醇發(fā)酵類似，由于木質(zhì)纖維素的致密結(jié)構(gòu)，微生物產(chǎn)CH4過程也需對原材料進行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理以利于提高產(chǎn)氣率。其預(yù)處理過程與“2.1”預(yù)處理過程類似。由于后繼生物轉(zhuǎn)化過程的較大差異，最佳預(yù)處理方式和操作條件也呈現(xiàn)差異。

He等考察了堿處理對稻草厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率的影響，結(jié)果表明在NaOH投加量為6%(干物質(zhì))的情況下，產(chǎn)氣率最大提高了60%以上［33］。Pang等研究發(fā)現(xiàn)同樣量的NaOH處理玉米秸稈，產(chǎn)氣率可提高48.5%［34］。反應(yīng)溫度和處理時間是影響堿預(yù)處理的最重要的參數(shù)。

高溫液態(tài)水預(yù)處理木質(zhì)纖維素也是一種高效的方法，該過程最大的優(yōu)勢是無外加化學(xué)物質(zhì)。但在處理過程中，發(fā)生了部分水解反應(yīng)，降低了產(chǎn)物的pH，會對后期產(chǎn)CH4過程產(chǎn)生不利影響，因為適宜的堿度是產(chǎn)CH4過程必需的。研究發(fā)現(xiàn)，高溫液態(tài)水處理-NaOH堿組合是最高效的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法，稻草經(jīng)過200℃高溫液態(tài)水處理10 min后，加入5%的NaOH，產(chǎn)氣率和CH4產(chǎn)率分別達(dá)到315.9 L/kgVS(揮發(fā)性固體)和132.7 L/kgVS，較空白對照組產(chǎn)率分別提高225.6% 和 222%［35］。

不同農(nóng)業(yè)廢棄物原料產(chǎn)CH4能力取決于其中有機物的含量，研究者考察了不同原料的產(chǎn)CH4能力，4種最重要的木質(zhì)纖維素來源農(nóng)業(yè)廢棄物玉米秸稈、麥稈、稻草和甘蔗渣的產(chǎn)CH4能力如表2所示。

CH4(沼氣)生產(chǎn)研究較多，是一項比較成熟的技術(shù)，木質(zhì)纖維素農(nóng)業(yè)廢棄物有巨大的為社會經(jīng)濟發(fā)展提供清潔的可再生能源的潛力。僅就能源產(chǎn)出率來說，CH4厭氧發(fā)酵技術(shù)是目前木質(zhì)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)最有效的利用方式，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主的地區(qū)，有廣闊的發(fā)展前景。

4 木質(zhì)纖維素原料生物制氫

H2具有較高的能量密度(142 kJ/g)，燃燒副產(chǎn)物只有水產(chǎn)生，可以直接在內(nèi)燃機中使用，經(jīng)提純后可以經(jīng)由燃料電池發(fā)電，是一種理想的清潔能源。全世界大約88%的商業(yè)用H2來自化石燃料(天然氣、重油或煤炭)，4%來自電水解產(chǎn)H2［44］。這些途徑需要消耗大量的能源且不可持續(xù)。其他H2生產(chǎn)方法包括藻類光解產(chǎn)氫、光合細(xì)菌產(chǎn)氫和厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫，其中，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫由于可利用來源廣泛的有機廢棄物，且基本不需能量輸入，是最具應(yīng)用潛力的可再生H2的生產(chǎn)方法。

表2 不同農(nóng)業(yè)廢棄物木質(zhì)纖維素產(chǎn)CH4能力

4.1 預(yù)處理方式對木質(zhì)纖維素產(chǎn)氫的影響 多數(shù)文獻(xiàn)報道中，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的底物為碳水化合物，如葡萄糖、蔗糖、淀粉等，或富含這些成分的有機廢水，但這些原料來源有限。隨著對清潔燃料的需求量日益加大，豐富、廉價原料的供給引起廣泛關(guān)注，木質(zhì)纖維素類農(nóng)業(yè)廢棄物具備提供充足的碳水化合物的潛力。研究者對此開展了大量研究。

與乙醇發(fā)酵和產(chǎn)CH4過程類似，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)氫的限制因素同樣為木質(zhì)纖維素穩(wěn)定、難水解的微晶結(jié)構(gòu)，為獲得高產(chǎn)氫率，適當(dāng)?shù)念A(yù)處理過程是必需的［45］。Zhang等考察了酸堿預(yù)處理對玉米秸稈產(chǎn)氫率的影響，結(jié)果表明，0.5%的NaOH處理后的玉米秸稈，產(chǎn)氫率達(dá)到57 ml/gVS，是不經(jīng)預(yù)處理產(chǎn)氫量的19倍，而0.2%HCl預(yù)處理后產(chǎn)氫量提高了50倍，達(dá)到150 ml/gVS［46］。Fan等研究發(fā)現(xiàn)2%HCl結(jié)合微波加熱預(yù)處理可提高麥稈中糖類的溶出率，使產(chǎn)氫率由0.5 ml/gVS增加到68 ml/gVS［47］。蒸汽爆破也是常用的預(yù)處理方法，表3列出了預(yù)處理后前后不同原料的產(chǎn)氫率。

表3 不同木質(zhì)纖維素原料產(chǎn)H2能力

4.2 環(huán)境因素對木質(zhì)纖維素產(chǎn)氫的影響 生物發(fā)酵產(chǎn)氫的微生物群落結(jié)構(gòu)一般來自產(chǎn)甲烷菌活性被抑制的厭氧產(chǎn)甲烷微生物群落，pH和溫度是生物發(fā)酵產(chǎn)氫過程最重要的操作參數(shù)，通過調(diào)節(jié)pH和溫度，一方面可抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，另一方面可改變底物的代謝途徑以利于提高產(chǎn)氫率。

pH可以通過改變副產(chǎn)物的構(gòu)成和菌群結(jié)構(gòu)影響產(chǎn)氫率，研究顯示接近中性的pH環(huán)境有利于農(nóng)作物秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫［46，48］。Li等研究者通過批次試驗，考察了不同pH對玉米秸稈產(chǎn)氫的影響，結(jié)果顯示最佳pH為7.0～7.5［48］。微生物發(fā)酵產(chǎn)H2過程中會產(chǎn)生大量的可揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)，造成系統(tǒng)pH下降，批次試驗中通常不調(diào)整pH，因此系統(tǒng)pH不能穩(wěn)定保持在最適pH范圍，也是造成產(chǎn)氫率較低的原因。通常認(rèn)為，最適的產(chǎn)氫pH介于5.0～7.0之間［50］。生物產(chǎn)氫發(fā)酵中，丁酸和乙酸是兩種主要的副產(chǎn)物。低pH下(4.5～6.0)丁酸-乙酸型產(chǎn)氫更容易形成，而在較高的pH下，乙醇和丙酸常常是主要的副產(chǎn)物［47，51-52］。Fan采用麥稈發(fā)酵產(chǎn)氫的研究中發(fā)現(xiàn)，在pH低于6.0時，副產(chǎn)物主要為乙酸和丁酸，pH高于6.5的時候，副產(chǎn)物由乙醇、丙酸、乳酸和己酸等組成［47］。大量研究顯示，pH不僅可以改變底物的代謝途徑，還可以改變產(chǎn)氫微生物群落的結(jié)構(gòu)［53］。

溫度也被認(rèn)為是影響生物制氫過程的主要參數(shù)。產(chǎn)氫微生物可適應(yīng)的溫度范圍較廣，最佳產(chǎn)氫溫度與底物構(gòu)成、操作類型和接種物(菌群構(gòu)成)等因素相關(guān)［50］。研究顯示，較高的溫度由于可加速水解木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，更有利于得到較高的氫產(chǎn)率［54］。Yokoyama等考察了不同溫度(37～85℃)對產(chǎn)氫的影響，結(jié)果顯示60℃和75℃下產(chǎn)氫率最高，且不同溫度下優(yōu)勢產(chǎn)氫微生物結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大變化［55］。55℃以下的產(chǎn)氫過程通常需要對接種物進行處理或保持在低pH下運行以抑制產(chǎn)CH4菌(氫消耗菌)的活性，而高溫(60℃以上)可有效抑制氫消耗菌的活性，有利于獲得較高的氫產(chǎn)率和簡化操作流程。

盡管H2相對其他生物燃料具有較多的優(yōu)勢，但目前關(guān)于生物制氫的報道以基礎(chǔ)研究為主，工業(yè)化生產(chǎn)的主要限制因素是較低的生產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化率，木質(zhì)纖維素農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)氫過程的副產(chǎn)物通常為VFAs和醇類，不是完全代謝產(chǎn)物，對底物潛在能量的利用率遠(yuǎn)低于乙醇發(fā)酵和產(chǎn)CH4過程，開發(fā)兩階段產(chǎn)氫-產(chǎn)CH4技術(shù)有利于提高過程的能源利用效率。微生物是產(chǎn)氫過程的核心，控制氫消耗微生物和氫消耗途徑是改進木質(zhì)纖維素農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)氫過程穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

5 小結(jié)

木質(zhì)纖維素類農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用是解決能源危機和環(huán)境問題的關(guān)鍵，近年得到了廣泛關(guān)注，對其利用途徑、預(yù)處理工藝、生物轉(zhuǎn)化途徑、過程控制和關(guān)鍵微生物等方面都進行了深入的研究，為木質(zhì)纖維素類農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用奠定了一定的基礎(chǔ)，但科技工作者仍然面臨著以下很多挑戰(zhàn)。如果能解決好這些問題，木質(zhì)纖維素類農(nóng)業(yè)廢棄物生物資源化產(chǎn)業(yè)必將產(chǎn)生更大的社會效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

(1)木質(zhì)纖維素類農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)乙醇技術(shù)已基本成熟，但實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)仍需要解決以下問題:高產(chǎn)纖維素酶和木質(zhì)素酶菌種選育、高效同時利用己糖和戊糖基因工程菌的構(gòu)建及廉價有效的預(yù)處理工藝的開發(fā)。

(2)探討因地制宜的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)CH4工藝和設(shè)備，解決發(fā)酵后廢棄物的處置利用問題。

(3)提高生物制氫過程的生產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化率及工業(yè)化穩(wěn)定高效的生物制氫技術(shù)的開發(fā)。

(4)資源化利用政策的完善、全民意識的樹立以及資金技術(shù)的保障措施。

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