基于生物质物料特性的汽爆过程解析

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1、基于生物质物料特性的汽爆过程解析认知生物质物料复杂特性及其与汽爆过程的关系，提出适用于不同生物质物料的汽爆过程理论依据，是实现汽爆作为通用炼制技术的关键。文章从生物质物料特性出发解析汽爆过程，探讨了木质纤维素类生物质化学组成、物理结构、水分状态、颗粒尺寸以及非木质纤维素类物料特性与汽爆过程的关系;以降低汽爆能耗和提高汽爆效果为目的，归纳了不同物料特性下汽爆工艺和参数的选择依据，为不同生物质物料汽爆工艺和操作条件的开发选择和优化提供理论指导;在此基础上，发明了基于物料特性的多种新型汽爆工艺，使汽爆应用领域得到极大拓宽，以期建立以生物质为通用

2、原料的新型工业技术体系和研究平台。以木质纤维素类生物质可再生资源为主要原料的生物炼制，需要进行预处理破坏生物质致密复杂的结构屏障，实现选择性组分结构拆分，进而促进生物质高效高值转化。其中，汽爆技术是生物质炼制过程的关键预处理手段，近年来受到广泛关注其主要是利用高温高压水蒸气处理纤维原料，在物理化学作用下，半纤维素部分水解，木质素软化变得易降解，从而使纤维横向联结强度下降，细胞孔隙中充满高压气体，变得柔软可塑。当骤然减压时，孔隙中的气体急剧膨胀，产生闪爆，将物料放裂成细小的纤维束状，从而实现原料的组分分离和结构变化。经过几十年的研宄，汽爆技

3、术已经发展到不同国家用于不同原料的处理上，并在众多领域如食品工业、制药行业、生物质能和环境保护等均有广泛应用。中国科学院过程工程研究所陈洪章研宄员建立了以汽爆及其组分分离技术为核心的生物质炼制技术平台，在此基础上，开发了一系列经济高效的生物质原料炼制工艺，并得到生物基能源、材料和化学品等众多产品，旨在实现生物质资源的经济效益最大化。生物质汽爆过程的影响因素主要分为以下四类：物料参数、操作参数、设备参数和产品参数。其中，物料参数主要包括生物质物料种类化学组成、物理结构、水分状态和颗粒尺寸(与装料系数相关)，其决定了所选择的汽爆工艺和操作条件

4、，并且与汽爆过程能耗和汽爆效果及后续产品性能密切相关。近年来，关于生物质物料特性对汽爆效果的影响己有若干报道-，但始终缺乏从生物质物料特性与汽爆过程关系方面的深入解析，难以形成具体理论依据而指导不同生物质物料的汽爆工艺，强化汽爆处理效果。1木质纤维素类物料特性与汽爆过程的关系1.1木质纤维素类物料化学组分与汽爆过程的关系木质纤维素物料主要包括针叶木、阔叶木和草本类植物。其主要化学成分包括纤维素、半纤维素和木质素，在一般植物纤维原料中，这三种成分的质量占原料总质量的80%〜95%,构成植物体的支撑骨架。纤维素组成微细纤维，构成纤维细胞壁的X

5、状骨架，而半纤维素和木质素则是填充在纤维之间和微细纤维之间的黏合剂和填充剂。此外，还含有其他少量成分，如树脂、脂肪、蜡、果胶、淀粉、蛋白质、无机物、单宁、色素等。这三类木质纤维素物料在化学组成上的差异使其在汽爆作用机制和工艺等方面有明显差别。以无抽提物的绝干木材为基准，针叶木平均含43%纤维素、28%半纤维素和29%木质素，阔叶木约含45%纤维素、34%半纤维素和21%木质素。两者纤维素含量相近，除杨木外，不论是阔叶木还是针叶木，聚葡萄糖的相对量变动极少。阔叶木半纤维素含量高于针叶木，在半纤维素中，阔叶木含有大量的聚4-0-甲基葡萄糖醛酸

6、木糖(20%〜25%),聚葡萄糖甘露糖则较少(1%〜3%);而针叶木聚半乳葡萄糖甘露糖醋酸酯的含量则很高(15%〜20%)，聚4-0-甲基葡萄糖醛酸阿拉伯木糖含量约为10%,聚阿拉伯糖、半乳糖含量均较少，1%〜3%_。因此，阔叶木比针叶木含更多的聚木糖，而针叶木则含有更多的聚甘露糖、较多的聚半乳糖与聚阿拉伯糖。针叶木木质素含量高于阔叶木，针叶木木质素主要含有愈创木基丙焼及少量的对轻苯基丙烷，阔叶木木质素主要含有愈创木棊丙烷和紫丁香基丙焼及少量的对轻苯基丙烧。草本类植物与阔叶木组成相近，其大多数品种的纤维素含量都接近木材的水平，但稻草、玉米

7、秸秆、高粱杆等偏低;聚戊糖含量比针叶木高得多，相当于阔叶木的高值;木质素含量除竹子与针叶木接近外，大多数比较低，接近阔叶木的低值，其中稻秆木质素含量最低，但草叶、草节、草穗木质素含量却很高;热水抽出物及l%NaOH抽出物含量比木材高，以稻草、麦草、玉米秸秆为最高;灰分均髙于木材，以稻草最为突出，而且灰分中主要化学组成为Si02。因此，草本类植物具有以下特征：半纤维素含量较高、木质素含量较低，由于在汽爆过程中主要发生半纤维素链上的乙酰基团水解，产生的乙酸含量高，催化半纤维素的糖苷键和木质素上JS-酯键的水解，因此，在一定范围内半纤维素含量高

8、的原料产生的酸催化作用强，在汽爆过程中更容易降解。草本类植物相对于木本植物木质素分子量较低且木质素中酚羟基含量高，因此具有较高的亲液性而易在热酸性环境下降解溶出。相对于草本类植物，针叶木在化学