1。前言
當前木質纖維原料轉化發展中面臨著原料難以大規模收集儲存、就近轉化程度低、分散式商業化開發利用嚴重不足等重要問題，這嚴重製約著生物質轉化的區域發展。因此，如何實現生物質就近收集、儲存和就近轉化成為保證生物質產業可持續發展的一個最基本問題。生物質的生物利用與轉化（如轉化為沼氣、乙醇、丁醇或L-乳酸等）技術是一種複雜的工藝。建立成功的轉化方式往往因生物質非常穩定的多聚物結構未能進行有效預處理而受到很大的限制。近三十年來，輕工技術與工程特別是生物工程長足的進步使生物質的有效利用得到了較大的發展，但低成本儲存及預處理方式和高效率的生物轉化仍是影響工業應用的重大障礙，成為制約生物質利用的主要瓶頸。由於農業生產的間斷性與工業連續性存在一定的矛盾，如何安全儲存生物質是其規模化利用的關鍵問題。生物質必須妥善儲存才能為產品全年可持續生產提供高質量原料。收穫生物質儲存方式（溼儲存或幹儲存）取決於原料初始水分含量的多少（如圖1）。
圖1 秸稈不同儲存方式條件
生物質儲存方式
目前，生物質工廠收集到生物質儲存方式一般為幹儲存，原料水分低於20%。在幹儲存過程要綜合考慮降雨量、平均主導風向等氣象因素，如河南天冠集團有限公司設計優化了生物質堆垛結構技術規程，建立了生物質儲存堆垛的技術規範：秸稈水分含量低於18%，垛高不超過12米，垛寬不超過6米，垛向平行於主導風向，垛頂呈120度左右拱形或斜坡狀，保證了原料長期儲存、跨季節持續穩定供應。不過，整個過程成本較高，室外儲存過程幹物質損失大，需要較大的場地堆放秸稈，秸稈容易黴變或自燃起火。另外，在秸稈沼氣、纖維乙醇等秸稈轉化過程中，還需要額外加入大量水才能保證反應的順利進行。
生物質原料儲存水分大於25%的儲存方式稱為溼儲存（如圖1）。當原料水分在25~50%之間，原料易發生生物降解或氧化造成物料損失， 質量和儲存時間得不到保障。但是，如果溼儲存方式經過合理設計和工藝最佳化調整可避免以上問題的發生，如採用厭氧貯藏或真菌好氧發酵預處理，可在一定程度上降低原料生物質抗性，從而提高生物產品轉化效果。有人認為生物處理儲存方式時間較長（如一個月），但是如果生物處理方式能夠在田間地頭秸稈堆放過程中完成，則預處理時間就不是問題。前期研究集中在利用真菌（優選白腐真菌對原料中木質素進行降解以提高原料的可消化性）對生物質進行常溫好氧發酵處理。為提高各種生物質酶解生物預處理的可行性，對玉米秸稈，小麥秸稈，稻草，棉花秸稈和木質生物質的真菌好氧發酵處理已有報道。同傳統化學熱處理工藝相比，該技術工藝簡單，能耗低，無廢物，下游加工成本低，沒有抑制物產生。但是，在真菌預處理過程中，大量的纖維素和半纖維素的損失是主要問題，最高可達23%，這對於原料高轉化率的要求是不可接受的。而且，由於真菌對木質素的選擇性作用，在秸稈表面出現了大小不一的微孔（如圖2），而對原料整體結構未起到預處理作用。另外規模化應用過程中，為了確保好氧發酵處理順利進行，還需要通入大量空氣和補水操作，消耗大量能量，在空氣和微生物作用下有些原料容易發黴，導致幹物質損失。
圖2 秸稈好氧處理電鏡效果圖
厭氧條件下的微生物貯存技術（如新鮮秸稈青貯和幹秸稈微貯）可以很好避免上述問題，成為生物質長期儲存的可靠方法，其基本原理是利用乳酸菌在密閉條件下的厭氧發酵，轉化可溶性碳水化合物產生大量有機酸（如乳酸，乙酸，丙酸和丁酸等），使原料的pH值降低至4。0以下，殺滅或抑制其他有害雜菌（如各種好氧的腐敗菌和黴菌等），達到長期儲存的目的。原料經過長達一年的厭氧溼儲存，其幹物質損失低至1-5%，同時可消化性較幹儲存方式更高，主要是因為非結構性碳水化合物的降解降低了生物質的生物抗性（如圖3）。
圖3 秸稈和微貯秸稈電鏡觀察圖
固態厭氧溼儲存可以採用不同的操作方式（可移動微貯膜和傳統青貯池）來完成（如圖4），成本低且易於操作。目前市場上已經出現相應的連續式裝置，在收割秸稈的同時完成厭氧儲存過程。
圖4 傳統青貯池和移動微貯膜
生物質生化轉化路徑
基於此，在傳統生物質生化轉化過程如原料收穫、儲存和預處理等工藝（如圖5A）基礎上，本文作者提出了最佳化工藝 （如圖5B）。在田間地頭收穫秸稈的同時完成厭氧微貯秸稈過程，然後運輸到工廠進行生化轉化得到目標產品。跟傳統方式相比，最佳化工藝可以很好地緩解秸稈不易於利用和焚燒給環境帶來的汙染等問題，減輕生物質工廠收集和儲存秸稈的難題，同時對原料有一定的預處理作用。
A
B
結論
同傳統預處理方式相比，厭氧微貯預處理生物質進行生化轉化過程（如圖6）簡單，裝置投資少，能耗低，轉化率高，較少抑制物產生，總體成本低，為生物質轉化工業化提供了新的思路和解決方案。
圖6 生物質利用路徑
綜合考慮，針對生物質生化轉化過程未來的研究熱點應該是：
（1）不同原料的搭配與選擇是未來微貯的研究熱點，合理運用農業資源及農產品的副產品，完善微貯技術，提高綜合生產效益是未來生物質生化轉化研究的重要方向之一。
（2）對微貯過程中的微生物組學進行研究和調控，針對不同的產品需求進行定向調控。對發酵過程中群體微生物結構與功能、微生物及其代謝機理、微生物新酶及其分子改造進行研究，從基因組學和代謝組學的水平上，解析微生物發酵機制、探索微生物酶蛋白的結構與催化功能的相互關係，提升和改造傳統發酵工藝，採用發酵技術和酶技術發掘和延展新的生物製造過程，滿足工業生物製造的需求。
（3）生物質微貯技術應該進行由政府、機構或組織進行宣傳和推廣，在生物質收穫的同時在田間地頭統一完成微貯過程，緩解木質纖維原料收集和儲存問題。
