生物质物料特性与汽爆炼制过程关系的研究

发布时间：2020-06-13 05:12

【摘要】：生物质炼制是生物质资源大规模利用关注的热点,汽爆技术是生物质炼制的关键技术之一。随着汽爆技术原料范围不断拓宽,认知生物质复杂物料特性与汽爆过程的关系,提出适用于不同种类生物质的汽爆过程理论依据,是实现汽爆作为生物质通用炼制技术的关键。论文基于对生物质汽爆过程热质耦合传递规律的研究,解析生物质主要物料特性(组成结构、水分状态、力学强度、堆积密度)与汽爆过程的关系,在此基础上研究药用植物汽爆炼制过程并发明新型汽爆方法,拓宽汽爆应用领域。论文取得了如下主要研究结果：(1)基于汽爆过程水分和压力变化,将汽爆过程创新性地划分为气相驱替、气相渗透、气相蒸煮、气相爆破四个阶段,建立了汽爆过程多阶段热质耦合传递模型,为汽爆过程放大和工艺开发奠定理论基础。基于模型,研究汽爆过程热量传递与水分迁移规律,构建汽爆能耗的重要评价指标——单位质量干基耗气量,揭示出气相渗透阶段能耗占汽爆过程总能耗90%以上,并提出若干节能降耗的措施,提高汽爆过程经济性；推出汽爆料含水率表达式,获得汽爆过程各阶段水分变化的定量关系,给出汽爆过程水分迁移的调控策略,为汽爆余汽回收和后续操作参数的选取提供指导。(2)研究了典型禾本科草本植物和木本植物的化学组分和多孔特性对汽爆物化作用效果的影响。发现草本植物中木质素含量低、半纤维素及其乙酰基含量高,使其在汽爆过程中易于发生热化学反应,从而汽爆后物料半纤维素降解率和可溶性产物生成率高。同时草本植物的结构多孔性导致其渗透率高、力学强度低,易于蒸汽渗入和降低爆破时的物理撕裂阻力,从而提高汽爆后物料孔隙率和孔体积增长率。该结果为认知草本植物和木本植物汽爆条件差异性的本质原因提供理论基础。(3)认知干秸秆复水过程水分状态的变化规律,考察秸秆内不同水分状态对力学强度和汽爆过程的影响,阐明不同水分状态在汽爆过程发挥的作用。发现秸秆中主要存在束缚水和相对自由水,其纤维饱和点(FSP)约在绝干含水率30%。随复水量和时间增加,FSP前,束缚水含量增加、流动性保持不变；FSP后,束缚水基本不变,相对自由水增多且流动性增强。研究表明秸秆束缚水增加导致其硬度和断裂性分别降低31.43%和26.67%,有利于汽爆物理撕裂作用；自由水增加阻碍汽爆过程热量传递,使汽爆升温时间和能耗分别增加1.29倍和2.18倍,对汽爆热化学反应产生“缓冲效应”。最终优化出干秸秆汽爆的最佳水分状态为FSP,复水平衡时间为6h-10h,有利于指导汽爆前纤维质干物料的复水操作以提高汽爆效果。(4)基于聚合物弹性力学原理,建立汽爆过程植物细胞应力-应变模型,获得爆破压力与细胞壁应力、细胞体积应变之间的关系。揭示出汽爆过程细胞壁应力分布和体积应变的不均一性,其周向应力与纵向应力之比为2：1,导致细胞周向伸长比大于纵向伸长比。推出植物细胞的理论临界爆破压力(Pc)及其影响因素,Pc随细胞壁厚和弹性模量增加而增加、随细胞内径增加而降低,为不同种类生物质汽爆压力的选取提供理论基础。(5)建立生物质堆积密度与汽爆设备装料系数的关系,系统研究装料参数对汽爆过程热量传递与能耗、质量传递与汽爆物料水分含量、泄压过程与放气速度的影响,并以提高汽爆效果、降低过程能耗为原则,给出装料参数优化策略,以指导实际汽爆过程。研究表明汽爆设备装料系数由生物质堆积密度和装料体积比共同决定,随二者增加而增加。增加装料体积比、提高粉碎后物料颗粒尺寸以适当降低堆积密度,有利于提高汽爆过程经济性。在研究范围内优化出玉米秸秆装料体积比为123.7%、颗粒尺寸为3 cm-5 cm即堆积密度为72.33 kg/m3时,获得汽爆料酶解总糖得率最高且汽爆过程能耗低。(6)在对上述通用生物质原料汽爆炼制过程研究的基础上,将汽爆技术应用于药用植物加工领域,研究药用植物汽爆炼制过程,从多孔介质角度揭示汽爆强化黄芪皂苷提取传质机理,系统表征汽爆黄芪多孔特性并建立其与皂苷提取性能的关系。研究表明汽爆显著改变黄芪多孔结构,具有增孔、扩孔和开孔作用；发现汽爆黄芪平均孔径是影响皂苷提取参数的关键多孔特性；汽爆后黄芪(1.8 MPa、4.5 min)中孔和大孔(100nm～10000 nm)所占孔面积比例由8.25%增加至91.57%,对强化提取传质过程发挥主要贡献。针对热敏性成分在常规汽爆高温蒸汽下易降解的问题,发明混合介质汽爆新方法,通过引入其他气体介质,有效提高爆破压力、降低维持温度。与常规汽爆相比,混合介质汽爆使蒸汽对杜仲叶热穿透性降低12.66%,杜仲叶中热敏性成分绿原酸提取率增加95.94%。由此将以蒸汽为介质的汽爆技术提升到以混合气体为介质的气相爆破技术,拓宽汽爆原料范围。(7)基于上述对生物质物料特性和汽爆炼制过程的研究,提出生物质多孔特性是生物质炼制工程的共性关键科学问题,解析生物质本征多孔结构特性与物料特性之间的关系,并探讨生物质多孔特性在汽爆炼制过程中的地位和作用,以期为植物生物质炼制工程提供工程学上的理论基础。
【图文】：

图１．３植物生物质水分状态示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｗａ化ｒ邋ｓｔａ化Ｓ邋ｏｆ邋ｐｌａｎｔ邋ｂｉｏｍａｓｓ逡逑１．４．４力学特性逡逑植物生物质是一种具有多尺度结构和特殊分子力学现象的生物复合材料宏观逡逑尺度上，它是由细胞通过胞间层黏结而成的具有高度各向异性的天然多孔材料。微观逡逑尺度上，植物细胞壁可视为半纤维素和木质素为基质、微纤丝为增强相的天然纤维逡逑增强复合材料。纳米尺度上，植物生物质是Ｗ纤维素、半纤维素和木质素等多分子构逡逑成的生物高分子聚合物材料。其多级结构表明，在汽爆过程中从宏观到微观的力学行逡逑为机制密切相关。生物质物料的宏微观力学性能直接决定了汽爆过程的宏微观物理撕逡逑裂效果，从物料微料化程度，到纤维的开裂损伤，再到细胞壁的破碎程度。作为具有逡逑明显细观结构、可在多尺度下研究的天然复合材料，生物质具有天然存在的非均相、逡逑各向异性的微观甚至宏观的孔隙、缺陷或损伤（裂纹），受载荷后这些初始孔隙、缺逡逑ｓｓ

择性拆分的方法，是生物质炼制的关键技术之一。汽爆物料在不同环节实和姐分水平的分离，同时显著改善底物基质的可及性。目前关于生物质汽究已在汽爆工艺与设备、汽爆后物料分级炼制等方面积累了大量的工作，拓展于不同种类生物质原料的处理上，获得生物基能源、材料、化学品等然而，随着汽爆技术原料范围和应用领域的逐ki扩大，生物质这种种类丰构多样且高度不均一的复杂物料对汽爆工艺与条件的要求差异性巨大，具同种类的生物质具有不同的化学组成、形态结构、水分分布、力学强度、乃至收获存储周期、鲜料和干料等这些物料特性的差别。正是生物质具有的又有较强个异性的物料特性，从根本上决定了其所需要的汽爆工艺和操汽爆过程经济性和汽爆处理效果乃至后续产品性能密切相关。然而，，己有缺乏对生物质本征物料特性与汽爆过程关系方面的深入系统解析，难１＾形的理论依据来指导不同种类生物质物料的汽爆过程，这到预期处理目标。逡逑
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(过程工程研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK6


本文编号：2710708