基于生物質(zhì)物料特性的汽爆過(guò)程解析

隋文杰 陳洪章

（中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所生物質(zhì)煉制工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

基于生物質(zhì)物料特性的汽爆過(guò)程解析

隋文杰 陳洪章

（中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所生物質(zhì)煉制工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

隋文杰，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所，博士研究生，從事生物質(zhì)工程的研究工作。

E-mail:shirley_swj@126.com

以木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)可再生資源為主要原料的生物煉制，需要進(jìn)行預(yù)處理破壞生物質(zhì)致密復(fù)雜的結(jié)構(gòu)屏障，實(shí)現(xiàn)選擇性組分結(jié)構(gòu)拆分，進(jìn)而促進(jìn)生物質(zhì)高效高值轉(zhuǎn)化。其中，汽爆技術(shù)是生物質(zhì)煉制過(guò)程的關(guān)鍵預(yù)處理手段，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注~。其主要是利用高溫高壓水蒸氣處理纖維原料，在物理化學(xué)作用下，半纖維素部分水解，木質(zhì)素軟化變得易降解，從而使纖維橫向聯(lián)結(jié)強(qiáng)度下降，細(xì)胞孔隙中充滿高壓氣體，變得柔軟可塑。當(dāng)驟然減壓時(shí)，孔隙中的氣體急劇膨脹，產(chǎn)生閃爆，將物料放裂成細(xì)小的纖維束狀，從而實(shí)現(xiàn)原料的組分分離和結(jié)構(gòu)變化。經(jīng)過(guò)幾十年的研究，汽爆技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到不同國(guó)家用于不同原料的處理上，并在眾多領(lǐng)域如食品工業(yè)、制藥行業(yè)、生物質(zhì)能和環(huán)境保護(hù)等均有廣泛應(yīng)用。中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所陳洪章研究員建立了以汽爆及其組分分離技術(shù)為核心的生物質(zhì)煉制技術(shù)平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一系列經(jīng)濟(jì)高效的生物質(zhì)原料煉制工藝，并得到生物基能源、材料和化學(xué)品等眾多產(chǎn)品，旨在實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源的經(jīng)濟(jì)效益最大化。

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生物質(zhì)汽爆過(guò)程的影響因素主要分為以下四類：物料參數(shù)、操作參數(shù)、設(shè)備參數(shù)和產(chǎn)品參數(shù)。其中，物料參數(shù)主要包括生物質(zhì)物料種類化學(xué)組成、物理結(jié)構(gòu)、水分狀態(tài)和顆粒尺寸（與裝料系數(shù)相關(guān)），其決定了所選擇的汽爆工藝和操作條件，并且與汽爆過(guò)程能耗和汽爆效果及后續(xù)產(chǎn)品性能密切相關(guān)。近年來(lái)，關(guān)于生物質(zhì)物料特性對(duì)汽爆效果的影響已有若干報(bào)道~，但始終缺乏從生物質(zhì)物料特性與汽爆過(guò)程關(guān)系方面的深入解析，難以形成具體理論依據(jù)而指導(dǎo)不同生物質(zhì)物料的汽爆工藝，強(qiáng)化汽爆處理效果。

1 木質(zhì)纖維素類物料特性與汽爆過(guò)程的關(guān)系

1.1 木質(zhì)纖維素類物料化學(xué)組分與汽爆過(guò)程的關(guān)系

木質(zhì)纖維素物料主要包括針葉木、闊葉木和草本類植物。其主要化學(xué)成分包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，在一般植物纖維原料中，這三種成分的質(zhì)量占原料總質(zhì)量的80%～95%，構(gòu)成植物體的支撐骨架。纖維素組成微細(xì)纖維，構(gòu)成纖維細(xì)胞壁的網(wǎng)狀骨架，而半纖維素和木質(zhì)素則是填充在纖維之間和微細(xì)纖維之間的黏合劑和填充劑。此外，還含有其他少量成分，如樹(shù)脂、脂肪、蠟、果膠、淀粉、蛋白質(zhì)、無(wú)機(jī)物、單寧、色素等。這三類木質(zhì)纖維素物料在化學(xué)組成上的差異使其在汽爆作用機(jī)制和工藝等方面有明顯差別。

以無(wú)抽提物的絕干木材為基準(zhǔn)，針葉木平均含43%纖維素、28%半纖維素和29%木質(zhì)素，闊葉木約含45%纖維素、34%半纖維素和21%木質(zhì)素。兩者纖維素含量相近，除楊木外，不論是闊葉木還是針葉木，聚葡萄糖的相對(duì)量變動(dòng)極少。闊葉木半纖維素含量高于針葉木，在半纖維素中，闊葉木含有大量的聚4-O-甲基葡萄糖醛酸木糖（20%～25%），聚葡萄糖甘露糖則較少（1%～3%）；而針葉木聚半乳葡萄糖甘露糖醋酸酯的含量則很高（15%～20%），聚4-O-甲基葡萄糖醛酸阿拉伯木糖含量約為10%，聚阿拉伯糖、半乳糖含量均較少，1%～3%。因此，闊葉木比針葉木含更多的聚木糖，而針葉木則含有更多的聚甘露糖、較多的聚半乳糖與聚阿拉伯糖。針葉木木質(zhì)素含量高于闊葉木，針葉木木質(zhì)素主要含有愈創(chuàng)木基丙烷及少量的對(duì)羥苯基丙烷，闊葉木木質(zhì)素主要含有愈創(chuàng)木基丙烷和紫丁香基丙烷及少量的對(duì)羥苯基丙烷。草本類植物與闊葉木組成相近，其大多數(shù)品種的纖維素含量都接近木材的水平，但稻草、玉米秸稈、高粱稈等偏低；聚戊糖含量比針葉木高得多，相當(dāng)于闊葉木的高值；木質(zhì)素含量除竹子與針葉木接近外，大多數(shù)比較低，接近闊葉木的低值，其中稻稈木質(zhì)素含量最低，但草葉、草節(jié)、草穗木質(zhì)素含量卻很高；熱水抽出物及1%NaOH抽出物含量比木材高，以稻草、麥草、玉米秸稈為最高；灰分均高于木材，以稻草最為突出，而且灰分中主要化學(xué)組成為SiO。因此，草本類植物具

2有以下特征：①半纖維素含量較高、木質(zhì)素含量較低，由于在汽爆過(guò)程中主要發(fā)生半纖維素鏈上的乙?；鶊F(tuán)水解，產(chǎn)生的乙酸含量高，催化半纖維素的糖苷鍵和木質(zhì)素上β-酯鍵的水解，因此，在一定范圍內(nèi)半纖維素含量高的原料產(chǎn)生的酸催化作用強(qiáng)，在汽爆過(guò)程中更容易降解。②草本類植物相對(duì)于木本植物木質(zhì)素分子量較低且木質(zhì)素中酚羥基含量高，因此具有較高的親液性而易在熱酸性環(huán)境下降解溶出。相對(duì)于草本類植物，針葉木在化學(xué)組成上則表現(xiàn)出較強(qiáng)的預(yù)處理抗性：①針葉木中半纖維素含量相對(duì)較低，可利用乙?；康?，酸性環(huán)境下聚葡萄糖-甘露糖相較于聚木糖難以被降解，影響汽爆效果；②纖維細(xì)胞高度木質(zhì)化，含有較多的木質(zhì)素且木質(zhì)素分子量高，難以在汽爆過(guò)程中溶出，同時(shí)木質(zhì)素中含有較多的難以被酸脫除的愈創(chuàng)木基，因此在汽爆過(guò)程中木質(zhì)素變化相對(duì)較小，木質(zhì)素-碳水化合物（LCC）難以產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而降解，不利于汽爆；③針葉木中樹(shù)脂道內(nèi)較多填充物的存在可能阻礙汽爆過(guò)程中熱質(zhì)傳遞，也會(huì)影響汽爆效果。

基于秸稈與木材在化學(xué)組成上的差異，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所陳洪章研究員對(duì)傳統(tǒng)汽爆工藝進(jìn)行改進(jìn)，發(fā)明了對(duì)秸稈不加任何化學(xué)品的低壓汽爆技術(shù)（3.0MPa降到1.5MPa以下），揭示了秸稈自體水解作用機(jī)理。該技術(shù)在汽爆過(guò)程中不需要添加任何化學(xué)藥品，只需控制秸稈的含水量，將原料與蒸汽混合并維持一段時(shí)間，半纖維素被釋放出來(lái)的乙酸等弱酸水解而發(fā)生降解，其中乙酸是由原料中的乙?；舛a(chǎn)生的。汽爆過(guò)程中水在高溫下也同樣起到了酸催化劑的作用。最終可以分離出80%以上的半纖維素，并且使纖維素酶解率達(dá)到90%以上。目前，該汽爆設(shè)備已成功放大到50m3工業(yè)規(guī)模?；趯?duì)過(guò)程集成和耦合作用機(jī)制的認(rèn)識(shí)，將堿性雙氧水、超微粉碎、機(jī)械梳分等方法應(yīng)用于汽爆工藝中，建立了以汽爆為核心的組合預(yù)處理新方法，實(shí)現(xiàn)了秸稈化學(xué)組分、細(xì)胞類型和組織層面的分級(jí)分離，為實(shí)現(xiàn)秸稈組分高效清潔利用奠定了基礎(chǔ)。以此建成了秸稈多級(jí)聯(lián)產(chǎn)瓦楞原紙、生態(tài)板等多聯(lián)產(chǎn)園區(qū)，并將汽爆煉制平臺(tái)推廣應(yīng)用于煙草加工、中草藥提取、麻纖維清潔脫膠等行業(yè)領(lǐng)域。

1.2 木質(zhì)纖維素類物料組成結(jié)構(gòu)與汽爆過(guò)程的關(guān)系

針葉木、闊葉木與草本類植物的組成結(jié)構(gòu)有明顯的差異。針葉木組成細(xì)胞種類較少，一般來(lái)說(shuō)，有樹(shù)脂道、無(wú)導(dǎo)管，主要組成結(jié)構(gòu)管胞，既有輸導(dǎo)功能又有機(jī)械支持機(jī)能，管胞占木材容積90%以上，典型的細(xì)胞長(zhǎng)3～5mm、寬0.03～0.05mm。兩個(gè)相鄰的細(xì)胞相隔由5層組成，其中兩層是纖維性質(zhì)，緊接著是兩層木栓化層，中間是一層木質(zhì)層，每立方厘米有5000萬(wàn)個(gè)以上的細(xì)胞。闊葉木組成細(xì)胞種類比較多且進(jìn)化程度高，闊葉木沒(méi)有樹(shù)脂道，但具有導(dǎo)管，導(dǎo)管起輸導(dǎo)水分作用，木纖維起機(jī)械支持功能。闊葉木中含有韌性木纖維、纖維管胞和管胞3種纖維細(xì)胞，統(tǒng)稱為木纖維。木纖維是構(gòu)成闊葉材的重要解剖分子之一，平均長(zhǎng)度為1mm，寬度一般小于20μm，占木材容積的60%～80%，其中以韌性木纖維最多。草本類植物組成細(xì)胞種類比較多，包括纖維細(xì)胞、導(dǎo)管、薄壁細(xì)胞、表皮細(xì)胞、篩管和伴胞等，導(dǎo)管細(xì)胞含量較多，其直徑比纖維細(xì)胞大得多。以莖為例，其共同的特點(diǎn)是維管束散生分布于大量基本組織中，沒(méi)有皮層和中柱的界限。纖維細(xì)胞分布于外表皮層下和維管束，纖維平均長(zhǎng)度為1.0～1.5mm，平均寬度為10～20μm，含量一般占容積的40%～70%?；窘M織在莖中占較大比例，由薄壁細(xì)胞構(gòu)成。草本類植物中禾本科莖稈中心的基本薄壁組織在發(fā)育過(guò)程中往往發(fā)生破裂，形成中空的髓腔。

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由上述分析發(fā)現(xiàn)，植物生物質(zhì)本身具有多孔性，各個(gè)細(xì)胞有由細(xì)胞腔和細(xì)胞壁組成的不同形狀和大小的孔腔，不同細(xì)胞之間通過(guò)紋孔相連，而在細(xì)胞壁層面，不同的組分之間、微纖絲中都存在不同尺度的孔隙。而生物質(zhì)物料汽爆過(guò)程，歸根到底是一個(gè)形成孔和破壞孔的過(guò)程，涉及生物質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱質(zhì)傳遞和反應(yīng)過(guò)程。為深入解析植物生物質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)與汽爆過(guò)程的關(guān)系，提出生物質(zhì)多孔介質(zhì)的概念：一種以細(xì)胞壁和胞間物質(zhì)為固體骨架形成不同孔徑孔隙，供流體存在或傳遞的多孔介質(zhì)。細(xì)胞壁大分子孔隙、紋孔、胞間連絲、角隅、細(xì)胞腔孔隙相互連通，可與氣相、液相或汽液兩相流體共存或流體在其中傳遞。生物質(zhì)多孔介質(zhì)主要性能是多孔結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部流體的傳遞行為。由于針葉木中細(xì)胞組成種類相對(duì)較少，纖維排列緊密規(guī)則，被稱為“無(wú)孔材”。纖維較長(zhǎng)且含量高，是植物原料的支持組織，纖維細(xì)胞由于高度木質(zhì)化一般具有發(fā)達(dá)的次生壁（厚度較大），結(jié)構(gòu)致密，水蒸氣難以滲入物料孔隙內(nèi)，導(dǎo)致汽爆過(guò)程中熱質(zhì)傳遞阻力大，難以形成充滿高壓水蒸氣的孔隙作用位點(diǎn)，不易被撕裂。闊葉木中存在導(dǎo)管組織輸送水分，導(dǎo)管腔孔大且長(zhǎng)，受其影響纖維排列規(guī)則性不如針葉木，被稱為“有孔材”。其所含薄壁細(xì)胞含量多為針葉材的2倍，薄壁細(xì)胞腔大、壁薄、長(zhǎng)度短，在植物生長(zhǎng)中起著儲(chǔ)存營(yíng)養(yǎng)的作用，既利于熱質(zhì)傳遞，又利于水蒸氣閃蒸對(duì)其物理撕裂。草本類植物中，次生木質(zhì)部包埋于大量的基本組織即薄壁細(xì)胞中，孔隙率較高，利于水蒸氣夾帶熱量的傳遞，汽爆效果較木本類植物強(qiáng)。

由于纖維細(xì)胞和薄壁細(xì)胞是木質(zhì)纖維素生物質(zhì)原料中最主要、最基本的細(xì)胞，不同原料中，這兩類細(xì)胞的含量、結(jié)構(gòu)各不相同，這就從本質(zhì)上決定了所需處理?xiàng)l件的差異。由此可見(jiàn)，相同的預(yù)處理強(qiáng)度對(duì)這兩類細(xì)胞的作用效果不一致，若以纖維細(xì)胞降解為目的，那么薄壁細(xì)胞勢(shì)必過(guò)度降解，造成抑制物的產(chǎn)生和過(guò)量，不利于后續(xù)轉(zhuǎn)化過(guò)程。筆者以此為依據(jù)，建立了二段汽爆分梳工藝。采用較溫和的汽爆條件進(jìn)行第一段汽爆，通過(guò)氣流分級(jí)裝置將第一段物料分級(jí)，得到薄壁組織和纖維組織，再將纖維組織在合適的條件下進(jìn)行第二段汽爆。研究表明，二段汽爆分梳工藝有效地針對(duì)各組織的結(jié)構(gòu)特征選擇性地進(jìn)行預(yù)處理，既能保證纖維組織達(dá)到較好的預(yù)處理效果，又能避免薄壁細(xì)胞的過(guò)度降解，從而提高纖維原料酶解率的同時(shí)，又能有效控制抑制物的產(chǎn)生，降低其含量，省去了脫毒單元操作的引入。此外，該方法中，纖維組織和薄壁組織的分離和選擇性預(yù)處理，為木質(zhì)纖維素原料的分層多級(jí)轉(zhuǎn)化提供了新途徑。

1.3 木質(zhì)纖維素類物料水分狀態(tài)與汽爆過(guò)程的關(guān)系

由于汽爆處理對(duì)象一般為含水率≤15%的生物質(zhì)干物料，在汽爆前通常需要對(duì)物料進(jìn)行復(fù)水處理以調(diào)節(jié)其水分狀態(tài)，提高汽爆效果和均一性。水分作為參與汽爆過(guò)程的唯一作用介質(zhì)，在汽爆過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。①反應(yīng)介質(zhì)，汽爆高溫蒸煮過(guò)程中熱酸性環(huán)境主要來(lái)自于水分pKw值隨溫度增加而降低所表現(xiàn)出的酸性水和生物質(zhì)水解而釋放的乙酸等有機(jī)酸，這種高溫酸性環(huán)境導(dǎo)致一系列類酸性水解反應(yīng)的發(fā)生，半纖維素被水解為寡糖、單糖和糠醛，糖和木質(zhì)素之間連接的乙?；黄茐尼尫乓宜徇M(jìn)一步降低體系酸值，同時(shí)木質(zhì)素發(fā)生部分溶解、降解和再聚合。②傳遞介質(zhì)，水分一方面作為酸性物質(zhì)和水解中間產(chǎn)物等的傳遞介質(zhì)，一方面以蒸汽形式夾帶熱量用于加熱物料，作為傳熱介質(zhì)決定了熱量傳遞的方式和效率。當(dāng)物料中含水率足夠低且毛細(xì)管孔未被液態(tài)水完全填充而形成連續(xù)的氣體通道時(shí)，蒸汽能夠快速滲入物料中，通過(guò)冷凝的方式釋放蒸發(fā)潛熱以快速加熱物料；在汽爆維壓溫度到達(dá)前，當(dāng)物料內(nèi)部已積聚充滿冷凝的液態(tài)水時(shí)，后續(xù)傳熱將通過(guò)較慢速的熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行，降低了傳熱速率，縮短了物料有效反應(yīng)時(shí)間，造成實(shí)際汽爆強(qiáng)度的降低和處理效果的不均一性。此外，水分含量過(guò)多還將消耗更多的蒸汽加熱物料內(nèi)水分，不僅對(duì)汽爆效果沒(méi)有貢獻(xiàn)，反而增加能耗。③爆破介質(zhì)，在泄壓瞬間，物料孔隙內(nèi)液態(tài)水發(fā)生閃蒸而高壓蒸汽體積急劇膨脹，對(duì)外做功，對(duì)物料起到物理撕裂作用，破壞物料結(jié)構(gòu)。④增塑劑，對(duì)于纖維物料，水分影響植物細(xì)胞形態(tài)和力學(xué)性能，如木材干燥過(guò)程中的干縮濕脹現(xiàn)象和黏彈性的改變，適當(dāng)?shù)膹?fù)水處理能夠疏松軟化纖維性物料，利于汽爆泄壓時(shí)的物理撕裂作用。

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基于水分含量在反應(yīng)器內(nèi)液態(tài)水和高壓蒸汽兩相間的變化規(guī)律，筆者將汽爆過(guò)程重新劃分為氣相驅(qū)替階段（復(fù)水）、氣相滲透階段（升壓）、氣相蒸煮階段（維壓）和氣相爆破階段（泄壓）。在氣相驅(qū)替階段，隨物料內(nèi)復(fù)入水分含量的增加，物料孔隙內(nèi)空氣被驅(qū)替出來(lái)，且起到適當(dāng)軟化物料的作用；在氣相滲透階段，蒸汽迅速滲入物料孔隙結(jié)構(gòu)中加熱物料，消耗大量蒸汽，同時(shí)產(chǎn)生大量冷凝水；在氣相蒸煮階段，體系溫度和壓力不再變化，蒸汽冷凝和液態(tài)水蒸發(fā)基本維持平衡；在氣相爆破階段，物料中部分液態(tài)水發(fā)生閃蒸，壓縮蒸汽體積急劇膨脹，從而破壞物料物理結(jié)構(gòu)。筆者建立了汽爆過(guò)程多階段水分傳遞模型，定量分析汽爆過(guò)程中水分含量的變化規(guī)律，獲得冷凝水和閃蒸水的關(guān)系以及汽爆后物料含水率表達(dá)式。其中，冷凝水量能夠反映汽爆過(guò)程的蒸汽消耗，繼而提出了單位質(zhì)量干基耗氣量以評(píng)價(jià)汽爆能耗；閃蒸水的定量計(jì)算有利于汽爆后氣體余熱的回收利用；對(duì)汽爆后物料含水率進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)以期指導(dǎo)后續(xù)干燥、酶解、提取等工藝條件選取。為進(jìn)一步從水分的不同狀態(tài)入手深入解析了水分在汽爆過(guò)程中的作用并獲得最佳水分狀態(tài)。采用低場(chǎng)核磁技術(shù)分析玉米秸稈在不同含水率復(fù)水過(guò)程中的水分分布和遷移規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)玉米秸稈內(nèi)有兩種水分存在。一是在細(xì)胞腔的中空部分，以液體形式存在的自由水；一是在細(xì)胞壁中，與構(gòu)成細(xì)胞壁的纖維素以化學(xué)結(jié)合形式存在的水分，為結(jié)合水。隨復(fù)水時(shí)間和復(fù)水量的增加，結(jié)合水含量增加至絕對(duì)含水率30%后不再變化，流動(dòng)性基本不變；自由水絕對(duì)含水率30%出現(xiàn)，含量和流動(dòng)性隨含水率增加而持續(xù)增加。因此，絕對(duì)含水率30%被認(rèn)為是玉米秸稈的纖維飽和點(diǎn)，且復(fù)水6～10h后秸稈內(nèi)水分狀態(tài)基本不再變化，認(rèn)為達(dá)到復(fù)水平衡。由木材與水分關(guān)系的相關(guān)研究可知自由水與植物類物料的反應(yīng)性有關(guān)，而束縛水與物料力學(xué)性能有關(guān)，兩者將分別影響汽爆高溫蒸煮過(guò)程的熱化學(xué)反應(yīng)和爆破過(guò)程的物理撕裂作用，繼而考察了不同水分狀態(tài)對(duì)物料力學(xué)特性和汽爆過(guò)程的影響。研究表明，束縛水含量的增加降低了物料斷裂性和硬度，起到塑化劑作用而軟化物料，有利于增強(qiáng)爆破效果；自由水含量的增加對(duì)物料力學(xué)強(qiáng)度無(wú)影響，由于其相對(duì)于束縛水變化范圍大，造成過(guò)多的蒸汽用于加熱自由水，增加汽爆能耗的同時(shí)阻礙熱量的傳遞，從而對(duì)汽爆過(guò)程中發(fā)生的一系列反應(yīng)產(chǎn)生緩沖效應(yīng)，影響汽爆強(qiáng)度。對(duì)于汽爆料酶解效果評(píng)價(jià)表明，總糖得率在纖維飽和點(diǎn)時(shí)達(dá)到最大值且對(duì)應(yīng)汽爆能耗較低。因此，通過(guò)上述研究闡明了不同水分狀態(tài)在汽爆過(guò)程中的作用，并確定汽爆前最佳復(fù)水策略為復(fù)水至物料纖維飽和點(diǎn)，復(fù)水時(shí)間6～10h。

1.4 木質(zhì)纖維素類物料顆粒尺寸與汽爆過(guò)程的關(guān)系

對(duì)生物質(zhì)物料進(jìn)行粉碎處理以降低粒徑是汽爆預(yù)處理前的一個(gè)必要步驟，但也是一個(gè)高耗能過(guò)程。生物質(zhì)物料顆粒尺寸對(duì)汽爆過(guò)程的影響體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①與汽爆設(shè)備裝料系數(shù)密切相關(guān)，決定設(shè)備利用率并涉及整條生產(chǎn)線的處理能力。②影響汽爆熱質(zhì)傳遞過(guò)程，繼而影響汽爆效果及其均一性~。汽爆的最佳作用位點(diǎn)在細(xì)胞內(nèi)，力求每個(gè)細(xì)胞都是一個(gè)汽爆罐的最佳理想狀態(tài)。顆粒尺寸過(guò)大，促進(jìn)了堆積顆粒間傳熱，但不利于顆粒內(nèi)蒸汽的有效滲入，一方面容易造成顆粒外過(guò)度受熱降解產(chǎn)生抑制物而顆粒內(nèi)部溫度較低，另一方面導(dǎo)致閃蒸作用削弱、撕裂阻力增強(qiáng)，不利于爆破作用。顆粒尺寸過(guò)小，如低于細(xì)胞尺寸，物料由于密實(shí)的堆積導(dǎo)致顆粒間傳熱困難，但伴隨著顆粒間蒸汽的緩慢滲入，顆粒內(nèi)傳熱迅速達(dá)到平衡，蒸汽難以在物料細(xì)胞內(nèi)維持，失去了物理撕裂效果。③物料顆粒尺寸對(duì)傳熱的影響與汽爆過(guò)程能量利用效率密切相關(guān)，而物料粉碎本身也是一個(gè)高能耗的處理過(guò)程，被認(rèn)為占整個(gè)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程總能耗的三分之一。因此，選擇適當(dāng)?shù)纳镔|(zhì)物料顆粒尺寸對(duì)提高汽爆效果和過(guò)程得率、降低過(guò)程能耗具有重要作用。

筆者在對(duì)汽爆裝料系數(shù)的研究中考察了不同范圍粒徑對(duì)玉米秸稈汽爆效果和能耗的影響。獲得不同粒徑下玉米秸稈堆積密度與裝料系數(shù)的關(guān)系φ=kρ0’(1+w)（φ是裝料系數(shù), kg/m3；k是裝載物料的密實(shí)程度；ρ0’是干物料堆積密度, kg/m3；w是物料干基含水率）。汽爆過(guò)程能耗分析表明，隨粒徑增加，裝料系數(shù)降低，汽爆總能耗降低，但能量利用效率（以單位質(zhì)量干基物料耗氣量計(jì)）也降低，這是單位質(zhì)量干基物料所分擔(dān)的設(shè)備加熱能耗的增加所致。物料顆粒尺寸對(duì)汽爆效果的影響為，當(dāng)粒徑由20目增加至0.5～0.8cm再增加至5～8cm時(shí)，糖回收率呈現(xiàn)先增加再降低的趨勢(shì)，而酶解率變化趨勢(shì)與之相反，總糖得率在粒徑5～8cm達(dá)到最大值。因此，綜合考慮生物質(zhì)物料顆粒尺寸對(duì)汽爆效果和能耗的影響，適當(dāng)?shù)奈锪戏鬯榭梢蕴岣咂Ч?，但并非傳統(tǒng)認(rèn)為粒徑越小越好。以玉米秸轉(zhuǎn)化糖得率為優(yōu)化目標(biāo)，普通秸稈粉碎機(jī)粉碎后5～8cm即為最優(yōu)顆粒尺寸，對(duì)應(yīng)粉碎和汽爆能耗低。

2 非木質(zhì)纖維素類物料特性與汽爆過(guò)程的關(guān)系

2.1 麻類纖維原料與汽爆過(guò)程的關(guān)系

傳統(tǒng)汽爆操作中，物料在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的高溫蒸煮后，在泄壓過(guò)程中由于介質(zhì)壓力的推動(dòng)被輸送到指定接收器，汽爆過(guò)程中產(chǎn)生的熱化學(xué)作用和物理撕裂作用共同作用于物料使其物化性能改變，因此屬于非原位汽爆。然而對(duì)于一些原料的汽爆處理，希望以化學(xué)作用為主，盡量減小物理撕裂對(duì)原料的破壞作用。如麻類脫膠，在突然泄壓時(shí)，麻類物料由管道排出過(guò)程中，由于受到管道內(nèi)壁和物料內(nèi)部彼此間的摩擦撕裂作用，麻纖維容易斷裂；同時(shí)，在管道中麻纖維隨氣流翻滾前進(jìn)，易纏繞、打結(jié)，給后續(xù)的分離和梳理帶來(lái)很大的困擾。除此之外，非原位汽爆工藝還存在噴放式出口導(dǎo)致原料的回收困難和損失、高溫氣體直接排向大氣而熱量難以充分回收利用等問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者提出了全新的原位汽爆工藝，即泄壓過(guò)程中蒸汽分離出來(lái)，而物料停留在汽爆罐內(nèi)，相對(duì)停留在原來(lái)位置。具體操作如下：將物料裝在特制的料車內(nèi)，料車有箱式料車和籠式料車兩種，箱式料車壁是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，蒸汽直接通過(guò)網(wǎng)孔進(jìn)入箱內(nèi)物料，籠式料車壁也是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，壁頂部設(shè)有掛鉤，掛鉤可以掛長(zhǎng)條物料，在蒸汽出口的閥門處設(shè)置鋼網(wǎng)板；突然泄壓瞬間，蒸汽從料車的網(wǎng)孔穿出，再通過(guò)鋼網(wǎng)板孔逸出，而物料仍保留在罐體中的料車內(nèi)，再?gòu)男读峡谌〕隽宪嚰纯傻玫狡蟮奈锪?，逸出的氣體進(jìn)入氣體回收系統(tǒng)，便于能量的二次利用。經(jīng)原位汽爆0.7MPa、4min處理后的大麻纖維表面變得潔凈，大麻纖維得到有效的開(kāi)纖分裂，纖維明顯變細(xì)，且測(cè)得半纖維素和木質(zhì)素的含量分別下降了80%和85%，纖維素含量達(dá)到88%。該工藝的優(yōu)勢(shì)在于：應(yīng)用于麻纖維處理時(shí)，降低了對(duì)原料纖維結(jié)構(gòu)的破壞，解決了原料的纏繞和打結(jié)問(wèn)題，便于后續(xù)分離和梳理工藝；原料回收簡(jiǎn)單，回收率可達(dá)100%，氣體得到回收，不造成環(huán)境污染也使資源得到充分利用；可應(yīng)用于食品或中藥等安全衛(wèi)生系數(shù)高的原料，拓寬了汽爆的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.2 食用原料與汽爆過(guò)程的關(guān)系

糧食、果蔬等一些吸濕性強(qiáng)的非纖維成分為主的生物質(zhì)物料，在較低的汽爆條件下即可實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的蒸煮、膨化和微料化作用，利于新型物料產(chǎn)品的加工。但這些吸濕性強(qiáng)的物料在汽爆過(guò)程中由于蒸汽的冷凝復(fù)入大量水分，其內(nèi)部含有的束縛水和細(xì)小毛細(xì)管內(nèi)的自由水含量高又難以脫除，不利于汽爆后物料的干燥、加工、儲(chǔ)存和運(yùn)輸。干燥是一種高能耗的通用操作過(guò)程，全球10%～25%的能源用于工業(yè)化的熱力干燥，同時(shí)，干燥行業(yè)又普遍熱效率低，通常在30%～60%。傳統(tǒng)的干燥設(shè)備效率低、能耗高、成本費(fèi)用大、時(shí)間長(zhǎng)，因此，為克服一些吸濕性強(qiáng)的糧食類和果蔬類物料汽爆后干燥困難的問(wèn)題，筆者將汽爆與蒸汽干燥和真空干燥相結(jié)合，發(fā)明了新型的干法汽爆工藝和配套設(shè)備。

該工藝以水蒸氣爆破閃蒸和真空加熱可脫除物料內(nèi)水分為原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)原料預(yù)處理與干燥的雙重功能。將物料置于臥式汽爆罐中，罐體一側(cè)設(shè)置物料進(jìn)出口，另一側(cè)設(shè)置出氣口與緩沖罐相連，出氣口閥門前安裝鋼網(wǎng)板，可使氣體通過(guò)而物料攔截于汽爆罐內(nèi)。物料在汽爆前將緩沖罐抽真空至真空度達(dá)到0.05～0.08MPa，以增大汽爆壓差，增強(qiáng)汽爆效果。果蔬類原料通過(guò)汽爆罐內(nèi)置加熱系統(tǒng)間接加熱使其內(nèi)部水分蒸發(fā)至一定壓力，淀粉類糧食原料則需通入一定量飽和蒸汽或過(guò)熱蒸汽至一定壓力，維壓一段時(shí)間后，迅速打開(kāi)出氣口泄壓閃蒸，物料中的水被加熱汽化，導(dǎo)致物料不斷干燥失水，尤其在泄壓瞬間，物料中的水因閃蒸而得到干燥。閃蒸過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，物料原位處于汽爆罐中持續(xù)干燥。為進(jìn)一步提高干燥效果，對(duì)汽爆罐和緩沖罐再次抽真空至真空度達(dá)到0.05～0.08MPa，同時(shí)通過(guò)汽爆罐中加熱系統(tǒng)對(duì)爆破后冷卻的物料持續(xù)間歇加熱，由于物料內(nèi)水分的沸點(diǎn)隨著真空度的降低而降低，同時(shí)物料受熱溫度增加，從而使物料內(nèi)水分蒸發(fā)而達(dá)到真空干燥的目的。因此，通過(guò)干法汽爆對(duì)物料進(jìn)行預(yù)處理微料化的同時(shí)又可以有效降低其含水率，適用于糧食、果蔬等多種原料的處理，且干燥效率高、能耗小、費(fèi)用低。

2.3 藥用植物原料與汽爆過(guò)程的關(guān)系

汽爆技術(shù)是破壞物料結(jié)構(gòu)，解除有效成分提取屏障的有效處理手段。在對(duì)汽爆強(qiáng)化天然產(chǎn)物提取的研究中，筆者發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)汽爆方式以水蒸氣為單一氣相介質(zhì)，在常用壓力條件下溫度較高，易造成熱敏性成分的降解損失。熱敏性成分在天然產(chǎn)物中種類眾多，包括生物堿、有機(jī)酸、樹(shù)脂、色素、多元酚、苷類、鞣質(zhì)、蛋白質(zhì)和多糖等，而常規(guī)汽爆方式不適合對(duì)這類熱敏性成分的提取，限制了其在天然產(chǎn)物提取、加工方面的應(yīng)用。如茶葉渣在常規(guī)汽爆（1.5MPa、5min）后茶多酚含量不降反增，蝦殼脫鈣后汽爆時(shí)蝦青素遇高溫分解造成汽爆提取后含量不增反降，麻黃草在較高汽爆條件處理后所得麻黃堿含量降低。雖然降低維壓溫度可以避免熱敏性成分的降解，但由于飽和水蒸氣溫度和壓力是一一對(duì)應(yīng)的，隨之而來(lái)爆破壓力的降低不利于汽爆對(duì)物料組成結(jié)構(gòu)的有效破壞，從而對(duì)成分提取的促進(jìn)效果不明顯。

因此，筆者跳出傳統(tǒng)熱化學(xué)作用的束縛，提出“低溫氣相爆破”，其不僅僅是通過(guò)調(diào)節(jié)含水率、維壓時(shí)間、溫度（壓力）等傳統(tǒng)意義上的操作，而是一種新的操作方式，即以水蒸氣和同等壓力下溫度低于水蒸氣的氣體混合作為氣相介質(zhì)，通過(guò)溫度較低氣體的填充有效降低汽爆溫度同時(shí)保證了汽爆壓力，并通過(guò)對(duì)兩相介質(zhì)溫度和壓力關(guān)系的推導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了梯度溫度氣相爆破。原義濤等開(kāi)展了空氣與水蒸氣混合介質(zhì)汽爆預(yù)處理麻黃草提取麻黃堿的研究。麻黃草汽爆條件為：通空氣至壓力為0.8MPa，然后迅速通蒸汽至1.5MPa，維壓3min后泄壓爆破。該條件下麻黃堿的提取率達(dá)到0.345%，比未處理組提高了243%。通過(guò)電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，未汽爆麻黃草表面的孔小且稀，而汽爆后麻黃草表面的孔大且密，表面纖維和纖維束明顯卷曲折疊，有些還斷裂，說(shuō)明汽爆增加了物料的多孔性，促進(jìn)活性成分的提取。付小果等采用空氣與水蒸氣混合介質(zhì)汽爆預(yù)處理杜仲葉提取綠原酸。汽爆條件為：通空氣至壓力為0.4MPa，然后通蒸汽至壓力0.8MPa，維壓2min。汽爆后綠原酸得率和提取速率分別提高62%和423%，綠原酸提取物的抗氧化性提高，其中羥基自由基清除率提高了94.6%。因此，低溫氣相爆破在保證汽爆對(duì)物料結(jié)構(gòu)的破壞作用同時(shí)，避免成分分解，從而強(qiáng)化熱敏性成分提取，將在天然產(chǎn)物提取、加工以及糧食、食品和藥品加工領(lǐng)域發(fā)揮更大優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于生物質(zhì)物料特性解析汽爆過(guò)程，提出適用于不同生物質(zhì)原料的汽爆過(guò)程理論依據(jù)，是實(shí)現(xiàn)汽爆作為通用煉制技術(shù)的關(guān)鍵。筆者基于多年對(duì)生物質(zhì)物料特性的認(rèn)知和汽爆預(yù)處理的研究，分析并歸納了包括化學(xué)組成、物理結(jié)構(gòu)、水分狀態(tài)、顆粒尺寸和特殊生物質(zhì)物料要求在內(nèi)的生物質(zhì)物料特性與汽爆過(guò)程的關(guān)系，有望對(duì)生物質(zhì)汽爆煉制過(guò)程從機(jī)理層面、技術(shù)層面和產(chǎn)業(yè)化層面提出科學(xué)指導(dǎo)。為適用于更廣泛生物質(zhì)資源、滿足其加工需要，汽爆技術(shù)在不斷發(fā)展和進(jìn)步。基于生物質(zhì)物料特性，筆者在低壓無(wú)污染汽爆的基礎(chǔ)上，將爆破介質(zhì)由傳統(tǒng)的水蒸氣拓寬到混合氣相介質(zhì)，開(kāi)發(fā)了惰性介質(zhì)和混合介質(zhì)氣相爆破，將汽爆技術(shù)深化完善到梯度溫度氣相爆破工藝和中草藥等低溫氣相爆破工藝；為克服麻類等纖維物料汽爆纏繞打結(jié)問(wèn)題，在目前非原位爆破工藝的基礎(chǔ)上又開(kāi)發(fā)了原位汽爆工藝，以滿足食品、麻類等特殊物料的預(yù)處理；為克服糧食、果蔬等物料汽爆后干燥困難等問(wèn)題，將汽爆與閃蒸干燥、真空干燥結(jié)合，開(kāi)發(fā)了干法汽爆工藝，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)食用原料汽爆和干燥的目的。依據(jù)纖維組織和薄壁組織等對(duì)預(yù)處理?xiàng)l件的選擇差異性，開(kāi)發(fā)了二段汽爆工藝，同時(shí)實(shí)現(xiàn)提高酶解效果和降低發(fā)酵抑制物的目的。汽爆技術(shù)已不再局限于單一的水蒸氣爆破，爆破介質(zhì)已提升到依據(jù)物料特性要求的多種氣體排列組合的氣相介質(zhì)，傳統(tǒng)的汽爆已不能完全覆蓋其內(nèi)涵，筆者首次提出了氣相爆破的概念，旨在豐富和提升傳統(tǒng)水蒸氣汽爆技術(shù)，同時(shí)極大拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上，發(fā)明了以氣相爆破技術(shù)為核心的一系列清潔高效經(jīng)濟(jì)的組合預(yù)處理體系，推動(dòng)了以氣相爆破技術(shù)為核心的生物質(zhì)煉制體系的發(fā)展，有助于發(fā)展生物質(zhì)資源成為新一代大規(guī)模通用工業(yè)原料。

［本研究得到國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（“973”計(jì)劃）（No. 2011CB707401）資助。］

10.3969/j.issn.1674-0319.2015.05.003

認(rèn)知生物質(zhì)物料復(fù)雜特性及其與汽爆過(guò)程的關(guān)系，提出適用于不同生物質(zhì)物料的汽爆過(guò)程理論依據(jù)，是實(shí)現(xiàn)汽爆作為通用煉制技術(shù)的關(guān)鍵。文章從生物質(zhì)物料特性出發(fā)解析汽爆過(guò)程，探討了木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)化學(xué)組成、物理結(jié)構(gòu)、水分狀態(tài)、顆粒尺寸以及非木質(zhì)纖維素類物料特性與汽爆過(guò)程的關(guān)系；以降低汽爆能耗和提高汽爆效果為目的，歸納了不同物料特性下汽爆工藝和參數(shù)的選擇依據(jù)，為不同生物質(zhì)物料汽爆工藝和操作條件的開(kāi)發(fā)選擇和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)；在此基礎(chǔ)上，發(fā)明了基于物料特性的多種新型汽爆工藝，使汽爆應(yīng)用領(lǐng)域得到極大拓寬，以期建立以生物質(zhì)為通用原料的新型工業(yè)技術(shù)體系和研究平臺(tái)。