甘蔗的综合利用技术发展概论

甘蔗的综合利用技术发展概论李剑雄小组组长：李剑雄组员：王浩甘蔗是甘蔗属（Saccharum）的总称。原产于热带、亚热带地区。中国最常见的食用甘蔗为竹蔗（Saccharumsinense）。甘蔗是一种一年生或多年生热带和亚热带草本植物，属C4作物。甘圆柱形茎直立、分蘖、丛生、有节，节上有芽；节间实心，外被有蜡粉，有紫、红或黄绿色等；叶子丛生，叶片有肥厚白色的中脉；大型圆锥花序顶生，小穗基部有银色长毛，长圆形或卵圆形颖果细小。甘蔗适合栽种于土壤肥沃、阳光充足、冬夏温差大的地方。甘蔗是温带和热带农作物，是制造蔗糖的原料，且可提炼乙醇作为能源替代品。全世界有一百多个国家出产甘蔗，最大的甘蔗生产国是巴西、印度和中国。中国最常见的食用甘蔗为中国竹蔗（Saccharumsinense）。甘蔗中含有丰富的糖分、水分，还含有对人体新陈代谢非常有益的各种维生素、脂肪、蛋白质、有机酸、钙、铁等物质，主要用于制糖，现广泛种植于热带及亚热带地区。表皮一般为紫色和绿色两种常见中国是世界主要产糖国之一。1998～1999年世界原糖总产是1.287亿吨，其中中国食糖总产893.4万吨，成为世界第三产糖大国。近50年来，中国蔗糖业取得了很大的发展。甘蔗种植面积从1949年160万亩发展到1998年2000万亩；甘蔗总产量从1949年264.2万吨发展到1998年的7890万吨，至1998～1999年，全国蔗糖总产达到770.1万吨，占全国食糖总量的86.2%。2006年，糖产量9925万吨，增产14.6%。2007年，糖产量11110万吨，增产11.4%。中国糖产量跨越一亿吨大关。2008年，糖产量13000万吨，增产6.7%。2009年，糖产量12200万吨，减产9.1%。受金融危机以及频繁自然灾害影响，糖产量略有减产。我国古代医学家将甘蔗列入“补益药”。中医认为，甘蔗入肺、胃二经，具有清热、生津、下气、润燥、补肺益胃的特殊效果。甘蔗可治疗因热病引起的伤津，心烦口渴，反胃呕吐，肺燥引发的咳嗽气喘。甘蔗还可以通便解结，饮其汁还可缓解酒精中毒。《本草纲目》言∶甘蔗性平，有清热下气、助脾健胃、利大小肠、止渴消痰、除烦解酒之功效，可改善心烦口渴、便秘、酒醉、口臭，肺热咳嗽、咽喉肿痛等症。甘蔗制糖甘蔗制糖工序包括提汁、清净、蒸发、结晶、分蜜和干燥。后4道工序的工艺技术与甜菜制糖的基本相同。根据《2013-2017年中国制糖行业产销需求与投资预测分析报告》数据显示，五年时间，食糖总产量5881万吨，比“十五”期间增加1429万吨，增长32%;食糖消费“十一五”期间达到6439万吨，比“十五”期间增加1546万吨，增长31.6%。主要的甘蔗制糖方法：甘蔗压榨法：使之迄今仍是甘蔗提汁的主要方法。甘蔗渗出法：渗出提汁法具有省钢材、省动力、省投资、省维修费用等优点。但技术管理要求较高，耗用蒸汽较多。亚硫酸法：亚硫酸法制得的白砂糖放置时间较长会变黄。石灰法：石灰法流程简单，设备少，只靠加灰中和蔗汁生成较少量的沉淀物与加热的凝聚作用，清净过程除去的非糖物和色素较少，适用于生产粗糖。碳酸法：清净效果优于亚硫酸法，产品质量较好。但清净耗用物料较多，成本较高，且滤泥处理比较困难。碳酸法工艺流程比亚硫酸法复杂，操作技术要求较高。甘蔗渣的用途甘蔗渣是制糖工业的主要副产品，是一种重要的可再生生物质资源。甘蔗渣的成分以纤维素，半纤维素以及木质素为主，蛋白、淀粉和可溶性糖含量较少。甘蔗渣一般含干物质90%~92%，粗蛋白质2.0%，粗纤维44%~46%，粗脂肪0.7%，无氮浸出物42%，粗灰分2%~3%。与作物秸秆相比，甘蔗渣的农药残留量很低，但其木质化程度高。由于蔗渣的木质化程度高、蔗茎表皮存在硅化细胞，养分不协调等原因，蔗渣作为反刍动物饲料时，有机物消化率只有20%~25%或更低，由于同样的原因，蔗渣直接用作食用菌的栽培料也受到限制。由于转化利用技术手段落后，传统上甘蔗渣经常被废弃不用、或者多数只用做燃料，其利用率很低，不仅造成了资源的浪费，而且还带来了环境的污染。随着科学技术的进步，以及生物质转化利用工程技术的不断发展，人们发现甘蔗渣不仅是天然高分子材料、绿色化学品的宝库，其中还蕴藏着丰富的生物质能。而且甘蔗渣作为生物质原料具有明显的优势：甘蔗渣来源集中、产量大，收集简单、运输半径小，且甘蔗成分相对稳定、性质均一，将其用于高附加值产品的生产，可满足产业化所需的原料集中性，连续性和均一性要求，因此，甘蔗渣是生物炼制的优质的原料。甘蔗渣的综合利用1、蔗渣作锅炉燃料蔗渣作为锅炉燃料，这是最简单、最古老的利用方法，而且目前仍然还在采用。每年有大量的蔗渣作为锅炉燃料烧掉，虽然能解决糖厂的能源问题。但是这种利用比较单一，经济效益低，造成资源浪费。越来越不适应经济的发展要求。甘蔗渣的综合利用2、蔗渣饲料开发甘蔗渣经过处理后可以作为反刍动物的饲料，各国畜牧工作者通过大量试验，找到了充分利用这一资源的方法，部分解决了冬春季节反刍动物缺料的问题。具体的方法有：甘蔗渣糖化法，甘蔗渣青贮，甘蔗渣碱化法，甘蔗尾叶碱化法。甘蔗渣的综合利用3、蔗渣栽培食用菌随着食用菌规模化生产，菌林矛盾日渐突出，蔗渣成为引人关注的一种新型食用菌栽培料资源。蔗渣作为使用菌栽培料的成功做法是消除硅化细胞的影响和通过合理的配方改变培养料的养分组成。做酵母菌发酵材料。甘蔗渣的综合利用4、蔗渣开发功能性食品开发利用木聚糖酶对甘蔗渣进行选择性降解制备功能性食品添加剂低聚木糖，并对其性质进行研究。木聚糖酶解，分离得低聚木糖粗品，再经浓缩，碳吸附、真空蒸发浓缩得次级低聚木糖，超滤后、分离，喷雾干燥，得产品精制低聚木糖。产品具有良好的pH稳定性、热稳定性和优良的保存性能，可广泛应用于保健品、食品、饮品，特别适用于各种“文明病”患者、婴幼儿、老年人和亚健康人群，社会和经济效益明显。甘蔗渣的综合利用5、甘蔗渣进行沼气发酵甘蔗渣的主要成分是纤维素、半纤维素及木质素，其中纤维素、半纤维素可以被产沼气微生物菌群利用，产生沼气，沼气发酵技术是实现改善环境，废弃物资源化利用的有效途径之一。以甘蔗渣为沼气的发酵原料，采用批量发酵的方式，可以发酵产沼气。经试验测定，甘蔗渣是一种良好的发酵原料。在常温条件即可进行，甘蔗渣的TS（总固体含量）产气潜力为201mL/gTS，新鲜原料产气潜力为150mL/g。发酵产沼气是提高甘蔗渣燃烧效率的一种有效途径。甘蔗渣的综合利用6、利用的甘蔗渣降解为还原糖以甘蔗渣为原料，进行酸和酶综合处理甘蔗纤维以甘蔗渣为原料，进行酸和酶综合处理甘蔗纤维素为还原糖的研究，这对进一步利用甘蔗渣发酵转化为燃料酒精，提高甘蔗的全生物量利用率，具有非常重大的意义。采用酸和酶相结合的方法，分别用2%、5%和10%的醋酸预处理甘蔗渣，再按一定的酶/甘蔗渣（质量比）加入纤维素酶对其进行降解。结果发现，5%的醋酸降解的效果最好，平均测得还原糖含量为2.413mg/mL。甘蔗渣的综合利用7、蔗渣燃料乙醇乙醇是来自生物质资源的最有发展前景的液态燃料。以甘蔗为原料生产燃料乙醇的产出最具优势，发酵技术是甘蔗生产燃料乙醇的关键技术当前，发展纤维素乙醇产业是非粮生物质综合利用的热点之一。巴西等国利用其丰富的甘蔗蔗糖资源将燃料乙醇生产产业化得以实现的成功例子，以及在甘蔗渣纤维素乙醇方面的转化技术研究成果为世界各国提供了良好借鉴。甘蔗渣的综合利用8、利用甘蔗渣生产糠醛，乳酸，草酸8.1、甘蔗渣可以用于木糖的生产原料。木糖是一种半纤维素糖，主要用于在生物转化成木糖醇。另外可以作为糠醛转化的原料。由酸水解蔗渣生产糠醛的最佳条件分别是6%的磷酸，134℃，反应300min。这时溶液中各物质的产率分别是13.7g糠醛/L，4.0g木糖/L，2.9g葡萄糖/L，1.1g阿拉伯糖/L和1.2g醋酸/L。甘蔗渣的综合利用8、利用甘蔗渣生产糠醛，乳酸，草酸8.2、以甘蔗渣为底物生产乳酸，最佳的工艺条件是经过木质素的提取后，硫酸和盐酸的混合下在90~120℃的条件下反应1~5h。在这项研究中发现其最佳的催化条件是加0.5%的HCl在100℃时反应5h。其水解的产物，葡萄糖，1.50；木糖，22.59；阿拉伯糖，1.29；醋酸，0.15；糠醛，1.19；为了提高乳酸的产量，在其水解液里加入木糖和酵母提取液，发酵的主要产品为乳酸，10.85；醋酸，7.87；甲酸，6.04；乙醇，5.24。甘蔗渣的综合利用8、利用甘蔗渣生产糠醛，乳酸，草酸8.3、甘蔗渣制取草酸工艺其最佳的反应条件硫酸浓度为70%（质量分数），物料浸泡时间为24h，硝酸与甘蔗渣质量比为2.24:1，氧化—水解反应时间为5h，反应温度为65~70℃。该条件下制得的草酸二水合物的平均得率可达67.42%。甘蔗渣的综合利用9、利用甘蔗渣制取活性炭以甘蔗渣为原料，以ZnCl2为活化剂，采用先活化再炭化的方法制取生物活性炭[18]。近年来有国外学者将甘蔗渣经过酸浸泡活化后，在600~700℃温度下炭化，可制得性能较好的活性炭[19]。用该方法所制得的活性炭对城市垃圾渗滤液进行吸附处理，发现对腐殖酸的去除效果较好。甘蔗渣的综合利用10、利用化学改性甘蔗渣处理重金属废水10、1用二羟甲基二羟基乙烯脲（DMDHEU）、氯化胆碱（CC）和蔗渣发生交联反应引入带正电荷的氮，制得阴离子交换剂。改性后的蔗渣对铬酸盐的吸附能力大大提高。10.2用超声波处理甘蔗渣，用嘧啶作溶剂，和琥珀酸酐、马来酸酐反应制备吸附剂。10.3用蚁酸和甘蔗渣反应引入羧基。制得蚁酸纤维，用来吸附Cd和Pb。甘蔗渣的综合利用11、甘蔗渣制浆造纸很早就有人研究如何利用甘蔗渣这一丰富的原料资源造纸，但均因蔗渣浆制成的纸张过于脆弱，而宣告失败。后经长期探索，终于了解到，影响纸质脆弱的主要因素是蔗渣中的蔗髓，将蔗髓除去后的蔗渣是完全可以制成合格纸张的。在此认识基础上，台湾于1925年首次试制成功小批量蔗渣纸，随后在1938年建成第一家日产60吨化学蔗渣浆厂；两年后，又投产了日产100吨化学蔗渣浆的纸厂。这以后，一些产糖国家逐渐开始用蔗渣造纸，1959年首次在古巴投产的潘地亚连续蒸煮器就是以蔗渣为原料的。据统计，到1990年全世界已有96家蔗渣制浆造纸厂，，年产蔗渣浆约250万吨，占当时全世界产浆总量的1.4％。甘蔗渣的综合利用12、蔗渣造纸板生产人造板是利用蔗渣最直接最有效的途径，目前正用于造制几乎所有类型的组合板，包括绝缘板湿加工和干加工组合板、颗粒板以及中等密度纤维板。乙醇法制浆，醋酸法制浆，高沸醇法制浆等等，都具有溶剂可回收、能够分离半纤维素、纤维素、特别是分析得到的高纯度高反应活性木质素可以用于替代部分苯酚合成低醛型的酚醛树脂，用于环保性能较好的人造板生产甘蔗渣的综合利用13、溶剂法甘蔗渣木质素用于低醛型酚醛树脂胶黏剂利用甘蔗渣木质部分替代有毒的苯酚，制备高强度的木质素基酚醛树脂（LPF）胶黏剂，发现用可再生资源木质素50%替代苯酚，甲醛苯酚的摩尔比是1.5:1，成品中游离甲醛的质量分数小于0.1%，明显低于普通酚醛树脂胶黏剂中甲醛的含量，所制得改性胶粘剂的胶粘强度、剪切强度均超过1.50MPa，达到国家I类板大于1MPa的要求，高于普通酚醛树脂胶粘剂，储存期稳定性也较好。甘蔗渣的综合利用14、蔗渣的常压溶剂法热化学液化产物合成可生物降解高分子聚合物蔗渣在聚醚多元醇和环碳酸乙烯酯等供氢溶剂和无机强酸的催化作用下，可以被液化成为具有高反应活性、分子量分布适中的成本显著降低的生物质基的多羟基化合物或生物质基多元醇。生物质基多元醇可以替代部分的石化基聚醚多元醇或者直接用于聚酯类膜状材料，或聚氨酯类高分子材料的合成（如聚氨酯泡沫包装材料和绝缘材料）。新型的高分子材料除了性能达标、生产成本下降外，更由于生物质基多元醇部分继承了生物质的化学结构，因此使新材料的可生物降解性能大大提高了。甘蔗渣的综合利用15、蔗渣的微波定向催化裂解综合炼制技术微波裂解甘蔗渣产生的生物合成气，通过费托反应合