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Current statusand perspectives for full utilization of tobacco stem biomass

烟秆生物质全价利用现状及应用前景



全 文 :第 14卷第 4期
2016年 7月
生  物  加  工  过  程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol􀆰 14 No􀆰 4
Jul. 2016
doi:10􀆰 3969 / j􀆰 issn􀆰 1672-3678􀆰 2016􀆰 04􀆰 015
收稿日期:2016-04-02
基金项目:湖南省重点实验室开放基金(XNZW14K03、XNZW15C04);永州市 2015年度第二批指导性科技计划项目
作者简介:覃佐东(1983—),男,湖南常德人,博士,讲师,研究方向:生物化工, E⁃mail:dong6758068@ 163.com
烟秆生物质全价利用现状及应用前景
覃佐东1,2,汪美凤1,2,靳志丽3,陈海峰1,2,彭艳芳1,2,刘  俊1,2,罗小芳1,2
(1. 湖南科技学院 湘南优势植物资源综合利用湖南省重点实验室,湖南 永州 425199; 2. 湖南科技学院
化学与生物工程学院,湖南 永州 425199; 3. 湖南省烟草公司永州市公司,湖南 永州 425199)
摘  要:烟草是我国一种重要的经济作物,而烟秆作为烟草废弃物的主要部分往往没有得到充分利用,因此烟秆生物质
的处理和利用对烟农和相关企业意义重大。 本文结合国内外相关研究资料,从烟秆生物质的理化性质分析出发,对烟秆
生物质的全价利用进行了综述,如烟秆制备活性炭、生物质燃料和可降解育苗盘等,并对其应用前景进行了展望。
关键词:烟草;烟秆生物质;全价利用
中图分类号:TQ91        文献标志码:A        文章编号:1672-3678(2016)04-0076-05
Current statusand perspectives for full utilization of tobacco stem biomass
QIN Zuodong1,2,WANG Meifeng1,2,JIN Zhili3,CHEN Haifeng1,2,
PENG Yanfang1,2,LIU Jun1,2,LUO Xiaofang1,2
(1. Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Advantage Plants Resources in Hunan South,Hunan University of
Science and Engineering,Yongzhou 425199,China; 2. Department of Biochemistry,Hunan University of Science and Engineering,
Yongzhou 425199,China; 3. Tobacco Company of Yongzhou City in Hunan Province,Yongzhou 425199,China)
Abstract:Tobacco is an important economic crop in China.However,We do not make full use of tobacco
stems,the main part of tobacco waste.Therefore,the processing and utilization of tobacco stem biomass are
very important for tobacco farmers and related enterprises. Based on the domestic and foreign research
data,and the physical and chemical properties of tobacco stem biomass,we reviewed the full utilization of
tobacco stem biomass,such as preparation of activated carbon,biomass fuel,and biodegradable trays,and
prospected its application.
Keywords:tobacco; tobacco stem biomass; full utilization
    烟草(Nicotiana tabacum),又名相思草[1],茄科
烟属,原产热带美洲,一年生草本植物,烟草具有供
人吸食、消肿和解毒等药用价值功效。 我国是世界
烟草生产第一大国,烟草种植面积、总产量、卷烟产
量及销售量均居世界首位。 据统计,2015 年烟草种
植面积为 1􀆰 597×106 hm2,生产烟叶 2􀆰 2×106 t,相应
产生烟秆约 1􀆰 162×106 t[2]。 烟草分布广泛,尤其是
云南省和湖南省,烟草(包括农业、工业和商业在
内)占的比重较大[3]。 湖南省作为烟叶主产区之
一,2014年,湖南省烟叶产量达 2􀆰 33×105 t。 烟草的
大量种植,相应地产出大量烟秆,由于烟秆不易腐
烂且不能用作肥料,因此绝大部分当做废弃物丢弃
或焚烧。 这不仅对环境造成了不同程度的污染,而
且造成了资源的浪费,因此,如何开发利用烟秆,使
烟秆生物质资源化、经济化,成为烟草行业发展亟
待解决的问题。 目前,国内外对如何利用烟秆的研
究相对较少,为了利用烟秆制取更有价值的产品,
本文对烟秆生物质的全价利用现状进行简要的概
括,旨在为实现烟秆的高效全价利用提供参考。
1  烟秆生物质的理化性质
烟秆(tobacco stem),直立、无节,主要由木质部、
韧皮部和髓部组成,其韧皮部和髓部含有一定木质化
纤维,而且烟秆各部分纤维长度相差甚大,木质化纤
维扁而宽,细胞壁较薄,纤维易扭曲,韧性较好[4]。
烟秆由纤维素、半纤维素和木质素 3 种主要组
分以及一些可溶于极性或非极性溶剂的物质组
成[5]。 利用热解 色谱 质谱(Py GC / MS)、热重
红外(TG FTIR)与热重 质谱(TG MS)联用技术
对烟秆进行热解特性及机理分析发现,糠醛和苯酚
是低温热解的主要产物,而糠醛和苯酚由纤维素解
聚生成[6]。 由此可见,烟秆是一种具有较大利用价
值的纤维素资源,其工业分析、元素分析和化学分
析见表 1、表 2和表 3[7-9]。
表 1  烟秆的工业分析结果
Table 1  Industrial analysis results of tobacco stem
工业分析 固定碳 水分 灰分 挥发组分
含量 / % 18􀆰 99 8􀆰 83 3􀆰 64 68􀆰 54
表 2  烟秆的元素分析结果
Table 2  Element analysis results of tobacco stem
元素分析 C H O N S
含量 / % 41􀆰 10 3􀆰 91 52􀆰 47 1􀆰 57 0􀆰 62
表 3  烟秆的化学分析结果
Table 3  Chemical analysis results of tobacco stem
化学成分 总纤维素 木质素 聚戊糖 果胶 苯 醇溶出物 灰分
含量 / % 77􀆰 44 18􀆰 63 17􀆰 92 3􀆰 89 3􀆰 21 0􀆰 62
从表 1~表 3可以看出:烟秆中含有丰富的木质素与
纤维素,这与木材的化学组成相似,尤其是碳含量比
较高,超过 40%。 因此,若将烟秆加以利用来取代木
材,不但具有较高的经济效益,而且具有较大的社会
效益和环境效益。 烟秆中丰富的半纤维素,可以在化
学、食品、造纸、制药及涂料等工业生产中起到重要
作用。
2  烟秆生物质全价利用现状
2􀆰 1  烟秆制作活性炭
活性炭是一种黑色多孔、吸附性极强的固体炭
质,因其有发达孔隙结构、巨大比表面积而具有优
良吸附特性。 活性炭化学性质稳定,它不溶于水和
其他绝大部分溶剂,具有强烈的“物理吸附”和“化
学吸附”的作用,可将某些有机化合物吸附而达到
去除的效果,其应用领域十分广泛[10-11]。
由于烟秆含碳量在 40%以上、化学组成与木材
相似且来源广泛,因此利用烟秆制备活性炭经济又
环保,具有广阔的发展前景。 张利波等[12]以烟秆为
原料,以水蒸气为活化剂,采用微波加热制得一系
列性能优异的活性炭,该活性炭的碘吸附值和亚甲
基蓝吸附值均达到了国家统一标准,相对传统加热
方法,其活化时间有极大缩短,为烟秆的综合利用
提供了新的途径。 杨丽萍[13]以废弃烟秆为原料,以
KOH为活化剂制备活性炭,改性后的烟秆活性炭用
于磷化氢吸附,最大吸附容量可达 302 mg / g。 王
平[14]以 3 mol / L的 H3PO4为活化剂,在 400 ℃下活
化制备的烟秆活性炭对二丙硫醚有较好的吸附效
果,吸附量为 106􀆰 98 mg / g。
2􀆰 2  烟秆制取烟碱
烟碱又称尼古丁,是一种难闻、味苦、无色透明
的油状液态物质,在医药、化工和农业等方面有着
广泛的利用[15]。 如烟碱可作为高效杀虫剂、植物生
长调节剂和肥料增效物等;而烟碱类药物可用于制
戒烟药[16];烟碱与现有的消炎疗效相比,其效果更
加明显[17]。 高纯度的天然烟碱在国际市场上备受
青睐,含量为 98􀆰 5%的高纯度天然烟碱的价格高达
每千克 100美元左右,因此提取烟碱方法的选择极
其重要。 传统提取烟碱的方法有水蒸气蒸馏法、离
子交换法和有机溶剂萃取法等,水蒸气蒸馏法工艺
简单、操作成本低,但提取率不高;离子交换法的特
点是可直接用清水或稀酸浸泡材料,过滤后获得烟
碱的有机酸或无机盐水溶液,然后将此溶液流经强
酸型离子交换树脂,烟碱被富集在离子交换柱上,
再用碱交换即得到游离烟碱的水溶液。 此方法能
得到相对纯净的烟碱,但生产时间长、产品流失大,
且树脂易中毒,不利于工业生产。
近年来,出现了新的烟碱提取方法,经济有效、
试剂无毒害、高效的提取率,如微波协助萃取法[18]
和超声波辅助法。 超声波技术主要是利用超声波
77  第 4期 覃佐东等:烟秆生物质全价利用现状及应用前景
的振荡作用来破坏细胞膜,从而使得细胞中烟碱类
化合物溶出。 此法适合大部分中草药材的提取,因
其可避免高温高压对药材有效成分的破坏,具有省
时、高效、节能、精简步骤等优点。 但对容器要求也
较高,适宜于小规模试验研究[19]。 刘雷等[20]采用
正交试验设计研究了烟碱提取的工艺条件,结果表
明:微波提取的最优条件为微波功率 230 W,提取时
间 70 s,液固比 40 ∶ 1。
目前,从烟草中提取烟碱的方法较多,但对烟
秆研究相对较少。 李殿福[21]采用干馏的方法从烟
秆中提取烟碱,该法具有工艺流程简单、无酸碱腐
蚀和产品杀虫效果好等优点,为烟秆的利用和烟碱
的获取提供了新的途径。
2􀆰 3  烟秆提取果胶
烟秆中含有一定的化学原料———果胶,故可从
中提取。 果胶(pectin),广泛存在于水果、蔬菜中,
它溶于水而不溶于乙醇等有机溶剂,一般为白色至
黄褐色粉末,属于一种天然提取物,无毒。 工业生
产果胶的 80% ~ 90%用于食品工业生产胶冻、果酱
和软糖。 在医药方面,可作金属中毒的解毒剂,在
纺织行业它还是一种良好的乳化剂[22]。
金蓓蕙等[23]利用盐析方法提取了烟秆的果胶
质,并探讨了温度、pH 对提取产率的影响。 该研究
明确了从烟秆中提取果胶的最佳条件,即萃取 pH
为 0􀆰 8,萃取温度为 85 ~ 95 ℃,含水量为 65􀆰 3%,果
胶产率为 0􀆰 43%。 这些工作为研究烟秆提取果胶
方法提供了参考。
2􀆰 4  烟秆制备生物质燃料
生物质燃料(biomass fuel),是由秸秆、稻壳、花
生壳、玉米芯、油茶壳、棉籽壳及“三剩物”等经过加
工产生的环保新能源。 它可转化为常规的固态、液
态和气态燃料,是一种可再生能源,资源利用率高,
可代替煤炭等[24]。
烟秆作为一种固体废弃物资源,单纯的燃烧会
造成环境污染以及资源的浪费,如能有效地将其利
用而转化为生物质燃料,将为能源问题的解决提供
科学依据。 由烟秆制作的生物质燃料有几大优点:
一是节能减排,循环利用;二是清理烟田,降低病虫
害;三是增加农民收入[25]。 烟秆等生物质原料,在
完全或部分缺氧的情况下热解,不仅可以产生生物
油(如生物乙醇和生物柴油)、生物燃料(如 H2和
CH4)等清洁能源,而且可炭化产生一类高含碳量、
高度芳香化难熔性固态物质———生物炭。 利用烟
秆来制备生物炭吸附材料等生物质燃料,可以使资
源得到充分利用,不仅缓解了环境问题,且扩大了
生物炭行业的原料来源,而且能产生一定的经济和
社会效益。 陈智远等[26]在未经预处理高浓度的条
件下,于温度 38 ℃时进行烟秆发酵试验,发现采用
烟秆批量发酵方式产沼气是可行的,该实验为解决
发酵原料不足的问题提供了指导。 郭仕平等[27]将
烟秆压块作为燃料以烘烤烟叶,其烘烤工艺曲线与
煤炭作燃料基本吻合,原料成本低于煤炭,证明了
烟秆压块代煤烘烤烟叶是可行的。 Zhang 等[28]通
过热质量和质谱来研究烟秆的掺烧特性,发现烟秆
添加量为 0%~20%时能达到最好的效果。
2􀆰 5  烟秆制造纸浆及纸浆模塑
纸浆是以植物纤维为原料,经不同的加工方法
制得的纤维状物质。 烟秆丰富的纤维素与木质素
及其他理化性质说明了它是理想的造纸原料。 纸
浆模塑也可以植物纤维浆为原料,加入化学助剂,
在模具成型机中,通过真空或加压的方法使纤维分
布在模具表面,从而形成具有拟定形状与尺寸的模
坯,经过脱水脱模、干燥整饰而成的制品[29]。 该新
兴制品具有良好的防震、防冲击、防静电等性能,纸
浆模塑制品的应用在世界范围内已涉及许多领域,
常用来做各种托盘、餐饮容器及包装[30-31]。
目前,用于造纸的方法主要有硫酸盐法、碱性
过氧化氢机械制浆法和蒸汽爆破法等[32-33]。 这几
种方法应用广泛,但与蒸汽爆破法相比,硫酸盐法
具有更高的强度,且在漂白方面,蒸汽爆破法制备
的纸浆白度较高。 烟秆与木材的化学组成相似,而
木材属于不可再生资源,因此,该研究较多。 早在
1995年,曲桉等[34]研究了烟秆的化学组成、纤维形
态及烟秆原料的制浆、打浆,证明了用烟秆原料造
纸是可行的。 烟秆制的纸浆用来制作纸浆模塑,形
成一条新的产业链,使烟秆经济价值进一步提升。
梁虎南等[35]以烟秆为原料,采用碱性过氧化氢机械
制浆法制备出了合格的新闻纸。 胡英华[36]利用废
纸纤维和玉米淀粉混合制备纤维发泡缓冲包装材
料来代替传统的纸浆模塑包装,以承受重载荷物件。
2􀆰 6  烟秆生产可降解育苗盘
育苗盘,也称穴盘,是工厂化种苗生产工艺中的
一种常用器皿。 现阶段育苗穴盘主要有两类:不可降
解育苗盘和可降解育苗盘。 目前,市面上大量生产的
育苗盘是以聚苯泡沫、聚苯乙烯、聚氯乙烯和聚丙烯
等物质为原料制成的不可降解的育苗盘,但它存在一
87 生  物  加  工  过  程    第 14卷 
定的弊端,如塑料穴盘周转次数少,且每次周转种苗
后,种苗入土需要一定时间的缓苗期,所以相应的延
缓了种苗进入蔬菜或花卉成熟期的时间。 可降解育
苗盘有纸质可降解穴盘以及可降解塑料育苗盘等,该
类育苗盘具备了无污染可降解的优势。
罗小芳等[37]利用烟秆生产可降解育苗盘既解
决了不可降解育苗盘对环境造成污染的问题,还
解决了大量废弃烟秆再利用的问题,且由于烟秆
中含有一定量的烟碱,利用该原料生产的育苗盘
具有一定防虫害效果,为幼苗的生长提供了一个
良好的环境。 可降解育苗盘制作的基本流程如图
1 所示。
图 1  可降解育苗盘工艺流程
Fig􀆰 1  Technical process of biodegradable seedling plate
2􀆰 7  其他利用现状
烟秆还可用于刨花板、纤维板及堆肥等方面的制
造。 张先进等[38]以烟秆为原料,采用一定比例的亚
硫酸盐和氢氧化钠药液浸渍、蒸煮、清洗冷却后经机
械方法硫解、磨浆,然后上网抄造,制成纤维浆板。 菲
律宾的 Castro等[39]于 2000年研制出以烟秆为原料,
酚醛树脂为黏结剂制造低中高密度纤维板的技术,其
目的偏重于使这项技术商业化,制备的无胶纤维板可
用于烟草加工业、包装材料和装饰材料[40-41]。
徐建华等[42]将烟秆炭化之后与酚醛树脂混合
制成木质陶瓷,该研究在资源化利用烟秆的同时还
缓解了中国木材短缺的现状。 周熠等[43]将烟秆与
鸡粪混堆发酵生产生物菌肥,发酵周期变短,产生
的有机质、总氮等含量非常高,该研究为烟秆的利
用提供了新的思路。 胡伟[44]利用烟秆和废弃轮胎
进行了二者混合共裂解的研究,裂解产物为 CH4、
CO、CO2、H2、烟碱和醇等,显示出其具有潜在的应
用前景。 郭勇等[45]提取并分析烟秆主要成分,证明
了烟秆提取物具有优良的生物降解性,是一种环境
友好型的水处理剂,为烟秆生物质资源的利用提供
了新的思路。
3  意义及展望
资源问题与环境问题是当今世界面临的两大
重要问题,不可持续资源的日益枯竭以及白色污染
的日趋严重,驱使着世界各国的主要研究向资源的
可持续利用方向发展。 我国近年来对两型社会的
建立日益重视,如湖南省公示的《长株潭城市群两
型社会示范区湘潭九华片区规划(2010—2030)》,
强调了绿色生态优先,践行两型社会的建立。 全价
利用剩余资源是实现可持续发展战略的有效手段
之一。 烟秆来源广泛、成分丰富等特性对烟秆研究
与利用有着重要意义,并符合国家发展需求。 烟秆
全价利用涉及领域广,如包装行业,食品行业等。
烟秆制品,特别是纸浆模塑制品具有无污染、节约
资源等特性,完全符合新时期绿色战略要求,是解
决环境污染问题的必然选择,是 21 世纪新材料、新
资源的重要领域。 尽管目前对于烟秆的研究利用
较少,但它能够适应人们对保护生态环境的要求与
在更高程度上满足人们的需要,因而必将具有广阔
的应用前景。
近年来,我国在农业及烟草行业投入增加,烟
草种植面积增大,但约有 25%的废弃烟叶、烟末及
烟秆等下脚料被废弃未能得到合理利用。 由此可
见,我国在废弃物的处理上明显存在不足,特别是
废弃烟秆的处理与利用。 多项研究表明,烟秆的开
发利用价值极大,并在原料的选择、生产工艺、废弃
物的处理上都符合环境友好的要求。 目前对烟秆
的研究相对较少,还需不断深入。 本文主要介绍了
烟秆在纸浆模塑、烟碱、活性炭、果胶等方面的利用
现状,体现了烟秆在多个方面都有应用前景。 因
此,结合烟秆生物质资源,因地制宜、合理科学地全
价利用烟秆,不仅能够实现烟秆生物质的高效利用
与高值化转化,同时还可以增加烟农的经济收入和
改善区域环境,为实现烟草行业的可持续发展及生
态环境保护提供理论依据。
97  第 4期 覃佐东等:烟秆生物质全价利用现状及应用前景
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(责任编辑  荀志金)
08 生  物  加  工  过  程    第 14卷