【文章內容簡介】 干法厭氧發(fā)酵技 術作為有機固體廢物資源化的有效途徑，近年來已逐漸成為世界各國農業(yè)固體廢物資源化技術研究的熱點。干法厭氧發(fā)酵是一門涉及生物學、生態(tài)學、物理學、化學、數(shù)學、工程學等多個學科的綜合性學科，是一項系統(tǒng)工程。當前的主要研究進展包括： （ 1）干法厭氧發(fā)酵過程的主要因素研究，包括底物組成、底物預處理、總固體（ TS）含量、接種物、 pH、溫度以及攪拌等影響因素。許多研究表明，采用多種底物混合發(fā)酵可獲得更高的產氣效率，同時也為沼渣的后續(xù)處理與利用帶來方便。如 Lehtom 等 [12]用不同秸稈與糞便混合，當秸稈比例為 30％時，與 單一糞便發(fā)酵相比，沼氣產量提高了 16％ ～ 85％。 Teihm 等 [13]研究表明，采用超聲波處理物料 20～ 120 min，可使厭氧發(fā)酵時間從 22d 降到 8d，同時沼氣產量提高 倍。 Zhang 等 [14]在進行稻草干法厭氧消化的研究中，分別在 60、 90、 110℃條件下對稻草進行熱處理發(fā)現(xiàn)，預處理溫度越高，固體減少量越多，甲烷產量越高。Shrivastava 等 [15]研究結果表明，白腐真菌發(fā)酵麥秸可有效地提高蛋白質含量、有機質消化率，同時降低 C/N 比，顯示出白腐真菌能將麥稈轉化為高能量的牲畜飼料。上述干 法厭氧消化技術的研究表明，混合厭氧發(fā)酵以及優(yōu)化混合原料組合將是重要的發(fā)展方向。 （ 2）有機固體廢物干法厭氧消化處理工藝研究，包括連續(xù)式反應器和間歇式（批次）反應器。目前歐洲主要采用 4 種已經實現(xiàn)商業(yè)化運作的連續(xù)沼氣干法發(fā)酵工藝，即 Kompogas 臥式推流發(fā)酵工藝、 Dranco 豎式推流發(fā)酵工藝、LingleKCA 臥式推流發(fā)酵工藝和 Vala 豎式氣攪拌工藝 [16]。 （ 3）干法厭氧發(fā)酵的生物監(jiān)測及環(huán)境效應研究，包括干法發(fā)酵工藝對病源菌的影響和大氣環(huán)境的影響。如 Salminen 等 [17]綜述干法發(fā) 酵工藝對有害微生物的影響認為，厭氧消化能夠殺滅病源菌，且高溫厭氧消化比中溫更有效，能 100％殺滅糞大腸菌與沙門菌，而中溫型消化池僅能殺滅部分糞大腸菌與沙門菌。Schauss 等 [18]研究了將秸稈厭氧干發(fā)酵后再施入農田整個過程的溫室氣體排放，結果表明，干發(fā)酵后氧化氮（以 N計）排放量為 458g/hm2 a，比對照 770g/hm2 a 減少近 1/3，甲烷排放量減少 22％。由于干發(fā)厭氧發(fā)酵過程主要是微生物作用的結果，因此，選育出高效、適應低溫的厭氧發(fā)酵菌種是提高厭氧發(fā)酵效率，降低產氣成本的主要途徑。 纖維 素乙醇生產技術 第二代生物燃料是以麥稈、草和木材等農林廢棄物為主要原料，采用纖維素轉化技術生產乙醇燃料。根據諾維信與麥肯錫共同發(fā)布的研究報告顯示，通過農業(yè)廢棄物制備纖維素乙醇，到 2020年能夠為我國替代 3100萬 t汽油，使我國對進口原油的依賴下降 10％，同時減少 9000萬 t二氧化碳排放。英國能源研究中心（ UKERC）在對全球 90多項研究進行分析后得出結論，如果我們盡可能充分利用農業(yè)廢棄物、能源作物以及廢料，那么由生物質來提供全球 1/5 的能源這一目標是可以實現(xiàn)的 [19]。但是要把農林廢棄物生物質轉變成乙醇燃 料，必須解決 3個重大技術問題： 一是克服木質纖維素分子對生物轉化的抗性 —— 由多糖降解為可發(fā)酵糖；二是通過微生 物代謝工程和基因工程研究，高速、高效、高收率地利用可發(fā)酵糖 —— 生物轉化；三是簡捷、高效的下游過程技術 —— 產物分離。 其中第一步將大分子多糖降解為可生物利用的還原糖是目前最大的技術屏障。從全球范圍分析，以下幾種技術方向上可能會取得突破性進展。 基于酶制劑的纖維素乙醇生產技術 目前用于纖維素水解的方法主要有化學法和酶解法，前者往往需要高溫高壓和極端酸堿度，這就意味著高能耗、高污染和高毒性，因而 并不經濟。酶解法可以在比較溫和的條件下反應，但缺點是生產成本一直居高不下。 2021 年全球最大的工業(yè)酶制劑和工業(yè)微生物制劑生產商丹麥諾維信公司推出纖維素酶賽力一代， 2021 年賽力二代纖維素乙醇復合酶問世，與一代相比，添加量可降低一半以上，并可在更高總固形物含量下實現(xiàn)良好的轉化率，有助生產商減少固定資產投入。諾維信公司使用賽力二代的生產線中，乙醇生產過程中酶的成本已經降至 美元 /L， 纖維素酶的技術突破為生物質乙醇產業(yè)帶來了新的生機。諾維信中國研發(fā)中心在賽力二代中也做了一些工作，主要反映在兩方面：一方面是利用中國的生物多樣性尋找新酶，將其用于全球產品的開發(fā)； 另一方面是從中國本土的市場需求出發(fā)，研究中國的生物質材料需要什么樣的酶種，因為酶制劑開發(fā)需要有底物適應性，在中國收集到一些玉米秸稈可能跟其他國家的秸稈組分不同，相應地降解它們所需要的酶也不同。纖維素乙醇的另一個瓶頸是預處理技術，該技術迄今仍是世界范圍內的難題，各國取得的突破都比較有限，由示范裝置得出的成本數(shù)據多數(shù)過于理想化，在大規(guī)模 生產中較難復制 [20]。 聯(lián)合生物加工（ CBP）工藝 傳統(tǒng)的纖維素乙醇生產工藝路線有以下 3 種方式：分步水解和發(fā)酵（ SHF）、同步糖化和發(fā)酵（ SSF）、同步糖化共發(fā)酵（ SSCF）。在此基礎上， Lynd 等 [20]提出了聯(lián)合生物加工工藝（ CBP）方案，并論證了其可行性。 CBP 不包括纖維素酶的生產和分離過程，而是把糖化和發(fā)酵結合到由微生物介導的一個反應體系中，因此，與其他工藝過程相比較，底物和原料的消耗相對較低，一體化程度較高 [21]。該方案將產酶過程與糖化、發(fā)酵集合在一個反應器內同步進行，大大 降低了酶成本。從長期來看， CBP 工藝無疑是比較完美的工藝，但是太多的不成熟注定在短期內不可能工業(yè)化應用。清華大學核研究院新能源研究所副所長李十中認為，目前纖維素乙醇的生產工藝較為復雜，使得降低成本的空間有限。纖維素乙醇的商業(yè)化，很可能需要通過生產工藝的變革來實現(xiàn)。如李十中等 [22]在“生物質高效降解專用微生物篩選與構建技術研究”中，通過優(yōu)化微波消解預處理技術、復合酶系協(xié)同水解技術、還原糖在線分離技術、膜生物反應器技術和五、六碳糖共發(fā)酵技術等，消除纖維素分解產物的反饋抑制，提高纖維素酶的分解轉化效率，進而集 成化纖維素分解、還原糖分離及共發(fā)酵組合反應器技術?，F(xiàn)已選育和構建 10 種以上高產模式產物乙醇、 L乳酸的微生物菌種，使各項產物收率、戊糖轉化率、產物濃度、生物合成反應速度等關鍵技術指標均比傳統(tǒng)工藝提高 10%以上， 戊糖發(fā)酵乙醇收率達到 80%， L乳酸的光學純度大于 99%。 微藻制取生物質燃料技術 在眾多的非糧生物質中，藻類具有分布廣泛、油脂含量高、環(huán)境適應能力強、生長周期短、產量高等特點，用藻類制備生物燃料的研究開發(fā)方興未艾。美國能源部已進行了