黄越，赵立欣，于佳动，等：木质纤维类废弃物定向生物转化乳酸、乙酸研究进展

文章信息

木质纤维类废弃物定向生物转化乳酸、乙酸研究进展

黄越 ^1,2 ，赵立欣 ² ，姚宗路 ² ，于佳动 ² ，李再兴 ³ ，申瑞霞 ² ，安柯萌 ^1,2 ，黄亚丽 ¹

¹ 河北科技大学环境科学与工程学院，河北 石家庄 050018； ² 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业农村部华北平原农业绿色低碳重点实验室，北京 100081； ³ 北京石油化工学院环境工程系，北京 102617

引用本文

黄越, 赵立欣, 姚宗路, 等. 木质纤维类废弃物定向生物转化乳酸、乙酸研究进展[J]. 化工进展, 2023, 42(5): 2691-2701.

DOI： 10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0055

摘要：

依托厌氧发酵技术处理秸秆和牛粪等木质纤维类废弃物，是资源循环利用的重要方式之一。乳酸和乙酸是厌氧发酵的重要中间产物，是生产沼气、中链脂肪酸等能源化工产品的重要前体物质，但定向生物转化协同生产效率不高、对木质纤维类废弃物协同产乳酸、乙酸机制等问题有待深入探索。本文基于对产酸代谢途径机理的分析，梳理了同步发酵和分步发酵协同产乳酸、乙酸特性，归纳了影响生物转化产酸效率的关键因素，发现在较高含固率15%~20%、接种20%~40%的活性物质和适宜的过程参数[pH为5.0左右、中温和有机负荷5~10kgVS/(m ³ ·d)]下，木质纤维类废弃物具有良好的协同产酸效果。进一步探明物化和生物强化耦合手段对木质纤维素降解和目标产物的促进效应，为开发生物转化乳酸、乙酸协同生产关键技术以及促进秸秆等木质纤维类废弃物高值转化利用提供理论依据。

木质纤维类废弃物含有大量木质纤维素，而木质纤维素主要包括纤维素、半纤维素和木质素等。木质纤维素经过酶水解的终端产物是以葡萄糖和木糖为主的多种己糖和戊糖，根据发酵产物的不同可分为以下七个产酸发酵途径：乙酸-乙醇型发酵、丙酮-丁醇-乙醇发酵、丙酸型发酵、丁酸型发酵、混合酸发酵、乳酸型发酵（同型产乳酸和异型产乳酸）、同型产乙酸发酵。具体发酵途径见表1。其中，乳酸的单独生产存在于同型产乳酸途径，乙酸的单独生产存在于同型产乙酸途径，两者的协同生产存在于异型产乳酸途径。

在乳酸型发酵中的同型产乳酸途径中，乳酸为唯一发酵产酸产物。同型产乳酸条件下，葡萄糖经糖酵解途径生成丙酮酸，丙酮酸作为氢受体在乳酸脱氢酶的作用下通过辅酶Ⅰ（NAD+）被还原为还原型辅酶Ⅰ（NADH）产生的还原力被还原为乳酸[式(1)]，乳酸为唯一最终产物。

乳酸、乙酸的协同生产发生在异型产乳酸发酵过程中。一些异型产乳酸的乳酸菌缺乏糖酵解途径中的醛缩酶和异构酶等重要酶，故其需要依赖戊糖磷酸途径代谢葡萄糖[式(4)~式(6)]，该途径的关键步骤是由磷酸转酮酶催化5-磷酸木酮糖裂解为乙酰磷酸和3-磷酸甘油醛的反应，一方面乙酰磷酸进一步反应生成乙醇或者乙酸，另一方面3-磷酸甘油醛有可能再次通过糖酵解途径生成丙酮酸进而还原为乳酸。木质纤维类废弃物协同生产乳酸、乙酸途径见图1，协同产酸示意图见图2。

以木质纤维类废弃物水解产酸常见的工艺包括分步糖化产酸与同步糖化产酸。分步糖化产酸工艺使糖化和产酸阶段均能在最优条件下进行，易于操作调控，但产酸过程稳定性不足；同步糖化产酸使糖化和产酸在同一反应体系内进行，避免发生反馈抑制，需充分摸清原料特性，发酵过程中严格控制发酵条件，提高糖化和产酸效率。

国内外关于不同因素对产酸效果的影响主要来自餐厨垃圾、果蔬垃圾和污泥等易降解底物，针对木质纤维类废弃物在不同影响因素下如何影响酸化效率、产物组分的研究有限，与乳酸、乙酸生产的响应关系还缺乏分析。表2总结了相关影响因素调控对木质纤维类废弃物水解酸化协同产酸的相关研究现状。

一般以木质纤维类废弃物为原料的厌氧发酵的含固率在15%左右，过低含固率易分层，原料上层疏水界面易凝结成壳、不利于产酸；过高含固率体系原料流动性和水溶性差，不能充分反应产酸。研究表明，在一定范围内，含固率与产酸效果呈正相关。低含固率条件下（TS<15%），甄月月等比较了以尾菜为底物的含固率为4%、8%的体系的产酸潜力，分析得到含固率为8%时有最大产酸量为15400mg/L和最大乙酸产量为8530mg/L。同样地，在高含固率（TS≥15%）条件下，马旭光等研究了15%、20%体系含固率条件下油菜秸秆和鸡粪的挥发酸产量，20%含固率条件下得到最大挥发性脂肪酸产量。无论是低含固率还是高含固率体系，相对较高的含固率体系总是有较高的产酸量。含固率的提升对提高体系产酸潜力具有正向作用，但是为保证理论产酸量就必须要求高含固率反应器有足够的搅拌性能，酸化产物及时出料或利用，避免引起反馈抑制。

接种物的种类和添加比例是影响产酸效果的关键因素。水解酸化过程中，加入活性较高的产酸型微生物能够提升体系产酸能力。Guo等在秸秆为原料的发酵体系中加入活性污泥作为接种物，其短链脂肪酸产量比纯秸秆发酵体系高出三倍。但是接种物的来源不同，其微生物含量及生物活性也具有一定区别，提升体系产酸能力也有所不同。Li等比较了接种好氧污泥和厌氧污泥的玉米秸秆水解液产酸体系，发现以厌氧污泥为接种物的体系提升产酸效果显著。接种厌氧污泥体系中的细菌群落是多样化的，包括 Firmicutes 、 Chloroflexi 、 Proteobacteria 、 Bacteroidetes 和 Synergistetes 等，但是好氧污泥中的产酸菌主要为 Chloroflexi 和 Proteobacteria 。可见丰富的产酸功能菌落是厌氧污泥产酸能力高于好氧污泥的重要原因。不同的接种物会导致体系中优势菌群发生变化，进而影响反应体系的挥发酸组分和含量。郭志超等发现接种物种类对挥发酸组成影响较大，接种好氧污泥的体系产物以乙酸为主，接种颗粒污泥的体系产物以乙酸和丁酸为主。尽管产酸微生物含量较高时对发酵体系产酸量的提升具有一定的优势，但是维持接种物与底物保持适宜的比例，能够在维持体系适宜C/N比、提升产酸效果的前提下防止污泥占据过多反应器体积增加反应成本。研究表明，加入的接种物与总发酵物料量在20%~40%区间为宜。Lian等以奶牛粪便为接种物、玉米青贮秸秆为底物探究最佳产酸接种比例，发现在接种物和底物比例为1∶3、嗜热温度下，乳酸的最高浓度为17.50g/L，挥发性脂肪酸的最高浓度为18.23g/L。接种物中厌氧污泥里 Firmicutes 、 Chloroflexi 、和 Proteobacteria 等丰富微生物有利于乳酸、乙酸的协同生产，保持体系合适的料泥比在20%~40%区间内，维持功能微生物的一定数量，定期活化接种物，可有效保证乳酸乙酸的协同生产。

pH通过影响微生物活性改变微生物群落结构和丰度，进而影响产酸代谢途径。碱性条件下，体系大量可溶性COD转化为以乙酸和丁酸为主的挥发酸，而中性条件下挥发性脂肪酸几乎完全转化为沼气，酸性条件下的主要产物是乳酸和挥发酸。pH在5.0左右，有益于乳酸和乙酸的协同生产。研究发现，体系pH在反应过程控制在5.0时有最高的乳酸、乙酸协同产率，此时反应器中以乳酸菌和双歧杆菌为主。Tang等调整pH为6、8、10进行分批发酵，发现在中温、pH为6的条件下，得到产率最高的乳酸为0.46g/gTS，主要菌群为短乳杆菌和乳杆菌sp._ rennanqilfy 11。酸性条件为乳酸提供最适宜生长繁殖环境，乳酸菌迅速积累成为优势菌种。类似地，马海玲等在中温35℃、pH控制为4±1时，得到以乳酸、乙酸、乙醇为主的发酵产物，其优势菌属为乳酸杆菌属。可见保持pH为5.0左右的酸性条件下，乳酸菌为优势菌属，一定程度上能够在保证高乳酸产量的同时提高乙酸产量且能有效避免同型乳酸型发酵中高浓度乳酸抑制细胞生长、酶解微生物活性的情况。

温度可以单独影响水解酸化过程的生化反应速率及代谢类型，是水解酸化过程重要的影响因素之一。乳酸菌适宜发酵的温度为19~45℃，秸秆水解酸化产酸过程中温度会影响乳酸菌的活性，进而影响末端产物的含量。任海伟等分别研究了低温（-3℃）、室温（18℃）和中温（34℃）条件下玉米秸秆和白菜的产酸效果，发现在中温条件下有最高的协同产酸量，乳酸5.619%、乙酸2.598%，优势菌群为厚壁菌门。Wang等以青贮为底物得到同样的研究结果，中温条件协同产量最高乳酸产量为61.5g/kgDM、乙酸产量为19.1g/kgDM，此时体系中植物乳杆菌大量存在。分析得出，低温及室温条件产酸微生物活性被抑制，产酸效果不理想。中温37℃左右为最适宜协同产酸温度，植物乳杆菌等相关异型产酸微生物生长代谢快，促进乳酸和乙酸的协同生产。

促进木质纤维类废弃物厌氧发酵产酸主要包括强化木质纤维素糖化和可溶性糖产酸，对于木质纤维素的分解，直接有效的方法多集中在物理或化学的方法，而对于酸化产物的定向强化，微生物预处理引起了足够的关注。表3总结了不同强化手段及其强化效果。

物理法预处理有超声、球磨和挤压等，能够有效地降低木质纤维素粒径，破坏纤维素的结晶度和聚合度；化学法有酸、碱和有机溶剂等能够侵蚀木质纤维素水解，提高其还原糖产量。物理法常作为其他处理的前端辅助手段。例如，大麦秸秆的挤压处理与蒸汽爆炸预处理相结合，葡聚糖、半纤维素和木质素的总回收率分别为84%、91%和87%。Tsegaye等在160℃下用1.5% NaOH和15min微波照射对小麦秸秆进行预处理，去除大量木质素，并保留高含量的纤维素，从而提高了还原糖产量。物理和化学强化法处理周期短、处理效果好但是能耗高且有较多副产物需额外处理，环境友好性差。

利用功能微生物或微生物菌群强化对促进乳酸、乙酸的定向生产效率有重要影响。添加异型产酸菌剂布氏乳杆菌、植物乳杆菌和枯草芽孢杆菌等能够定向增加目标酸产量。郭睿将植物乳杆菌与枯草芽孢杆菌1∶1组合后按1.38×10 ⁶ CFU/g接种至粉碎的残次香梨中，将发酵后的香梨和秸秆以3∶7发酵后得到乳酸2.13%、乙酸1.26%。另外，对于木质纤维素的分解或糖化，也报道了一些生物强化特性，如利用真菌或细菌菌群分解木质纤维素，分解率可达到70%~80%，半纤维素和木质素的去除率为20%~40%。Lalak等用白腐真菌 F . velutipes 对麦草进行预处理，半纤维素和木质素的去除率分别为29.1%、35.4%。然而，生物强化纤维素分解一般导致酸化产物含量保留较少，易产生分解CO2的竞争反应，影响酸化产物的富集。寻找更为高效、专一性强的微生物菌剂或是结合处理效率更高的物化手段，也是更为科学的强化路径。

将以上预处理方式联用，可将物理和化学强化或生物预处理的优势进行互补。经联合预处理后，纤维素和半纤维素转化为可溶性物质的量增加，如Li等利用超声预处理结合瘤胃微生物处理废纸浆，超声功率540W功率、处理50min条件下，纤维素和半纤维素降解为可溶性物质和还原糖的量是原来的36.9倍和26.8倍。超声波分解了木质纤维素之间的紧密结构，提升了纤维素和半纤维素的转化效率。在物理和化学强化处理高效分解木质纤维素的基础上，添加功能菌剂能够进一步强化乳酸和乙酸的协同生产，如Sivagurunathan等在含固率20%的条件下，将稀酸结合蒸汽爆破预处理稻草后添加乳酸乳杆菌进行水解酸化，蒸汽爆破和稀酸能够有效分解木质纤维素成分，乳酸乳杆菌加强了体系内异型产乳酸的代谢，两种方式结合的乳酸、乙酸总产量可达到87.7g/L，强化效果显著。综合产酸联合强化的相关进展，发现物理和化学强化对破坏木质纤维素结构及纤维素、半纤维素分解的时效性上具有一定的优势，对酸化产物的产量和种类的控制基本依赖于微生物群落。正在开展的相关研究采用DES耦合超声波理化预处理纤维素、半纤维素回收率达到98.64%、95.04%。通过添加短乳杆菌和布氏乳杆菌，在酸性pH环境下获得乳酸和乙酸的最大产量为11.14g/L，也验证了上述结论。在保证木质纤维素降解和可溶性产物协同的基础上，注重微生物强化，可达到乳酸和乙酸协同生产的效果。

（扫码关注 我们 ）

邮发代号 ：82-311

订阅热线 ：010-64519502

网址 ：http://hgjz.cip.com.cn

欢迎您分享、点赞、收藏、赏