纤维素富集型甘蔗渣与硬杨木残渣的两步法预处理及生物丁醇高效转化研究

本研究针对木质纤维素生物质转化效率低的问题，创新性地采用稀酸-有机溶剂两步预处理技术处理甘蔗渣(SB)和杨木(AW)，结合酶解糖化和丙酮-丁醇-乙醇(ABE)发酵工艺，实现木质素回收率15%、葡萄糖产量最高13.8 g/L，最终获得8.65 g/L生物丁醇产量，为农林废弃物高值化利用提供新策略。

　　

随着全球能源转型加速，生物燃料作为石油替代品备受关注。其中生物丁醇因其能量密度高(29.2 MJ/L)、腐蚀性低且可直接混掺汽油的特性，成为仅次于生物乙醇的第二大明星生物燃料。然而传统淀粉基原料引发的"与人争粮"矛盾，以及木质纤维素生物质固有的结构复杂性导致的转化效率低下，始终制约着生物丁醇产业化进程。据统计，仅中国、巴西、印度三国每年产生超过5亿吨甘蔗渣，南非年产量达750万吨，但大部分被焚烧或填埋，造成资源浪费和环境压力。

针对这一现状，南非德班理工大学联合俄罗斯生物技术研究中心开展了一项突破性研究。研究人员选取甘蔗渣(SB)和杨木(AW)两种典型木质纤维素原料，创新性地开发了稀硫酸-有机溶剂两步预处理工艺，通过温度梯度优化(150-170°C)、酶解糖化及Clostridium acetobutylicum ATCC 824发酵的集成技术路线，成功实现纤维素高效转化与木质素同步回收。该成果发表于《Waste Management Bulletin》，为农林废弃物资源化提供了新范式。

关键技术方法包括：1) 稀酸(1% H₂
SO₄
)与有机溶剂(65%乙醇+3 mM NaOH)两步预处理；2) 使用Penicillium verruculosum B151纤维素酶与F10 β-葡萄糖苷酶复合制剂进行酶解；3) ABE发酵过程采用强化梭菌培养基，通过HPLC和GC监测代谢产物。

【预处理效果】
温度梯度实验显示，160°C稀酸预处理后190°C有机溶剂处理的SB获得最佳效果，固体残留量从初始2g降至0.71g，木质素回收率达15%。杨木(AW)在150°C预处理时表现最优，酶解后葡萄糖产量达13.8 g/L，总还原糖(TRS)产量29.29 g/100g基质。

【抑制剂控制】
酚类物质检测发现，SB在170°C时酚含量最高(6.55 mg/L)，AW在160°C达4.53 mg/L。通过优化预处理温度，有效控制了对酶活和菌体生长具有抑制作用的酚类衍生物生成。

【发酵性能】
72小时ABE发酵结果显示，AW在170°C预处理组获得最高生物丁醇产量8.65 g/L，SB在160°C组达7.08 g/L。代谢谱分析显示典型ABE比例(SB为0.019:1:0.019，AW为0.042:1:0.17)，证实Clostridium acetobutylicum对木质纤维素水解液的良好适应性。

该研究通过多阶段工艺优化，首次证明硬木杨木残渣的生物丁醇转化潜力。创新性的两步预处理技术既解决了木质纤维素原料抗降解性强的核心难题，又实现了木质素副产物的高值回收。相比传统单阶段处理，该方法使葡萄糖得率提升40%，且发酵终产物浓度达到工业化门槛(>7 g/L)。特别值得注意的是，研究团队采用的俄罗斯产酶制剂B151展现出卓越的水解效率，这对降低生物炼制酶成本具有重要参考价值。

从应用角度看，该技术路线可直接对接现有糖厂废弃物处理系统，南非每年750万吨甘蔗渣若采用此工艺，理论上可年产52万吨生物丁醇。研究同时揭示了温度对预处理效果的非线性影响，为不同木质纤维素原料的个性化处理提供了参数优化框架。未来通过菌种改造和工艺集成，有望进一步突破农林废弃物生物炼制的经济性瓶颈，加速可再生能源对化石燃料的替代进程。