鄉(xiāng)村振興背景下秸稈制品研發(fā)與設(shè)計(jì)

◎ 李曉楠，陳淑慧，席佳穎

（浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018）

隨著中國(guó)城市人口數(shù)量激增，網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的運(yùn)用以及線上購(gòu)物、訂餐訂單量的增加和奶茶店迅速崛起的現(xiàn)狀下，外賣餐盒、吸管、快遞包裝填充物帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題不容忽視，其回收處理帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境壓力[1]。所以，利用可降解的秸稈餐具代替不可降解的塑料制品也是一種具有重大意義的創(chuàng)舉[2]。此外，目前在市場(chǎng)上有相關(guān)產(chǎn)業(yè)從事傳統(tǒng)秸稈餐具的工作，但沒(méi)有對(duì)麥稈的特定品種進(jìn)行選取，選用的麥稈魚(yú)龍混雜，工藝水準(zhǔn)與質(zhì)量都令人堪憂。

1 秸稈制品研發(fā)與設(shè)計(jì)

在秸稈制品的生產(chǎn)中，采用秸稈纖維制作纖維餐具、秸稈半纖維的乙醇化、廢渣的熱裂解生產(chǎn)生物質(zhì)炭。為此，本文提出一種全量利用小麥秸稈制備纖維、乙醇、生物質(zhì)炭的方法，旨在提供一種以小麥秸稈為原料，并全量利用小麥秸稈先通過(guò)堿處理提取纖維，再通過(guò)系列纖維素酶如葡聚糖內(nèi)切酶、葡聚糖外切酶和β-葡萄糖苷酶降解纖維素和半纖維素生產(chǎn)五碳糖，利用酵母進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，經(jīng)過(guò)酶解后可生產(chǎn)較好的生產(chǎn)乙醇原材料五碳糖產(chǎn)品。通過(guò)熱裂解技術(shù)將廢渣（主要木質(zhì)素）處理成生物質(zhì)炭結(jié)合無(wú)機(jī)肥制作生物質(zhì)炭復(fù)合肥的方法，達(dá)到秸稈成分的全利用，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，同時(shí)達(dá)到增加經(jīng)濟(jì)效益的效果。此外，對(duì)秸稈廢渣進(jìn)行炭化處理，利用連續(xù)式無(wú)煙秸稈炭化爐設(shè)備對(duì)秸稈廢渣進(jìn)行處理，使炭化處理的過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣循環(huán)進(jìn)入碳化室中，秸稈廢渣持續(xù)受到高溫燃?xì)獾挠绊?，干餾炭化釋放揮發(fā)性焦油等，最終經(jīng)過(guò)熱裂解技術(shù)處理變成可燃性無(wú)污染氣體[3]。

2 秸稈性纖維餐具的制備

2.1 秸稈處理

利用稻麥秸稈聯(lián)合收獲打捆成套設(shè)備將聯(lián)合收割機(jī)和打捆機(jī)組合成為復(fù)式作業(yè)機(jī)具，達(dá)到了提高效率、效益和節(jié)約能源的目的，實(shí)現(xiàn)了稻麥?zhǔn)斋@和秸稈打捆一體化復(fù)式作業(yè)，減少了作業(yè)工序，降低了秸稈收集成本[4]，提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，為秸稈餐具的制備提供了原材料。

2.2 秸稈纖維提取

針對(duì)稻麥秸稈聯(lián)合收獲打捆成套的小麥秸稈，通過(guò)近紅外光譜快速分析法測(cè)定其含量，以確定后續(xù)步驟堿的使用量，采用機(jī)械切割的方式將其切成小段以待用。對(duì)初步處理的秸稈段進(jìn)行浸泡脫膠處理，并按一定比例對(duì)每秸稈加水、燒堿進(jìn)行堿煮，以彌補(bǔ)人工脫膠的不足，在堿化鍋中每1 min 翻動(dòng)1 次，至手搓成煙絲狀，即可漂洗[5]。脫膠后的原料在稀鹽酸溶液里浸漬，以中和纖維中的殘存堿，獲取秸稈纖維。

2.3 產(chǎn)品原料

一次性秸稈餐具原材料按質(zhì)量分為秸稈纖維漿、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27%的雙氧水、陽(yáng)離子型中性施膠劑和防油劑，所述秸稈纖維漿由秸稈纖維和水組成。將85份秸稈纖維漿、85 份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27%的雙氧水、2 份陽(yáng)離子型中性施膠劑和0.7 份防油劑攪拌均勻，然后放入成型機(jī)成型。

非一次性秸稈麥稈餐具的原料按質(zhì)量分為小麥秸稈粉35 ～45 份；黏合劑35 ～40 份；填充劑8 ～10份；助劑0.2 ～0.3 份；防油劑5 ～6 份；防水劑6 ～9份；水10 ～15 份；產(chǎn)品原料中小麥秸稈粉的粒度為90 ～100 目。所述黏合劑為聚乳酸和淀粉的混合物，具體質(zhì)量比為10 ～15:20 ～25。其中，聚乳酸的粒度為90 ～100 目，所述淀粉為玉米淀粉；填充劑為滑石粉，其粒徑為300 ～500 目；助劑為硅烷偶聯(lián)劑。

2.4 生產(chǎn)工藝

秸小楠一次性可降解秸稈餐具和非一次性秸稈餐具具有2 套不同的生產(chǎn)工藝。

2.4.1 一次性可降解秸稈餐具

將85 份秸稈纖維漿、85 份質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27%的雙氧水、2 份陽(yáng)離子型中性施膠劑和0.7 份防油劑，攪拌均勻，然后放入成型機(jī)成型，經(jīng)定型機(jī)定型后,切邊、消毒得到一次性餐具。將成型一次性餐具,置入烘干窯中進(jìn)行烘干，窯中溫度控制在80 ～120 ℃，保持2 h，自然冷卻達(dá)到室溫后，出窯逐個(gè)進(jìn)行檢驗(yàn)、整修，將生產(chǎn)完畢的一次性餐具排放在消毒柜中，用紫外線燈殺菌，然后包裝,即制成可降解的一次性高檔餐具。一次性可降解秸稈餐具與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 一次性可降解秸稈餐具與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比結(jié)果表

2.4.2 非一次性秸稈餐具

首先，將過(guò)90 ～100 目的小麥秸稈在高溫揉搓機(jī)中反復(fù)揉搓，使其中玻璃態(tài)的木質(zhì)素轉(zhuǎn)變?yōu)槟z態(tài)，利用高溫環(huán)境進(jìn)行脫色處理。然后，按質(zhì)量分為35 ～45份處理后的小麥秸稈粉35 ～40 份黏合劑、8 ～10 份填充劑、0.2 ～0.3 份助劑和10 ～15 份水充分混合并攪拌均勻，以噴霧的形式加入防水劑和防油劑，提高產(chǎn)品的防水防油性能。最后，將混合料放入模具中一次熱壓成型，得到小麥秸稈餐具。這種方法提高了麥稈餐具的使用壽命，改良了產(chǎn)品在強(qiáng)度、韌度等方面的性能。

3 秸稈半纖維的乙醇化

在小麥秸稈處理中，對(duì)纖維進(jìn)行了初步利用，但是秸稈提取纖維后的廢液廢渣中還含有較多秸稈纖維素、半纖維素等，在經(jīng)過(guò)酶解后可生產(chǎn)較好的生產(chǎn)乙醇原材料五碳糖產(chǎn)品。因此，在對(duì)廢渣和廢液的初步處理中，主要以半纖維素為乙醇生產(chǎn)原料，降低成本。

將秸稈初步處理獲得剩余纖維素的物料用濃酸（如濃度為50% ～98% 的濃硫酸、濃度為20.0%～37.2%的濃鹽酸等）中和、調(diào)值到纖維素酶最適合作用的條件，然后酶解，通過(guò)酶解獲取單糖。溫度為45 ～55 ℃、酶解時(shí)間24 ～72 h。酶制劑為纖維素酶、纖維二糖酶、木聚糖酶、果膠酶或漆酶的一種或多種。經(jīng)過(guò)酶解后的物料不需要過(guò)濾，將其直接導(dǎo)入發(fā)酵罐中，加入酵母。對(duì)其進(jìn)行發(fā)酵，生產(chǎn)乙醇，同時(shí)酶制劑繼續(xù)發(fā)揮酶解作用，實(shí)現(xiàn)同步糖化發(fā)酵。發(fā)酵溫度為25 ～42 ℃、發(fā)酵時(shí)間為36 ～120 h。發(fā)酵液固形物濃度為5%～25%，酵母接種量為0.1%～10.0%，發(fā)酵后酒精濃度為2%～8%。所用酵母為畢赤酵母、休哈塔假絲酵母、普通釀酒酵母或基因工程釀酒酵母的一種。將經(jīng)過(guò)發(fā)酵后的物料，導(dǎo)入蒸餾設(shè)備中進(jìn)行蒸餾，得到乙醇和廢渣液。將得到的廢渣液接種高溫活性污泥進(jìn)行厭氧發(fā)酵，得到沼氣和消化渣液[6]。

4 秸稈生物質(zhì)炭的生產(chǎn)

清液經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后排出，固渣經(jīng)上料系統(tǒng)送入內(nèi)筒、外筒以及介于二者之間的夾腔內(nèi)的外熱旋轉(zhuǎn)式干燥爐內(nèi)，在15 ℃的溫度下，將廢渣放入干燥爐內(nèi)筒預(yù)熱烘干。

生物質(zhì)熱解技術(shù)是生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)中的一種，是將生物質(zhì)原料切碎或成型，將其在有限的氧氣環(huán)境中加熱升溫，引起分子內(nèi)部分解，從而形成生物質(zhì)炭、生物油以及不可凝結(jié)氣體產(chǎn)物等，是一種對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行熱化學(xué)轉(zhuǎn)化的技術(shù)。生物質(zhì)炭目前應(yīng)用領(lǐng)域主要包括固碳減排、水源凈化、重金屬吸附和土壤改良等，可作為優(yōu)質(zhì)能源、土壤改良劑，也可作為還原劑、肥料緩釋載體和二氧化碳封存等。通過(guò)自然界熱裂解的基本原理，秸稈廢棄物生物質(zhì)熱裂解工程技術(shù)考慮在達(dá)到安全處置要求的同時(shí)，通過(guò)特定反應(yīng)器的水分、溫度、氧氣、速率等條件控制，伴隨人為條件，使廢棄物的生物質(zhì)得到一定范圍的能源、炭質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的熱裂解，實(shí)現(xiàn)快速、高效的熱裂解。廢棄物生物質(zhì)熱裂解工程系統(tǒng)主要包括原料處理模塊、炭化窯核心模塊和產(chǎn)物分離產(chǎn)出模塊等，采用初步脫水、高溫(溫度需超過(guò)300 ℃)熱解，并且殺滅病原微生物、破壞藥殘等有機(jī)污染物分子、破解生物殘?bào)w有機(jī)質(zhì)、聚合或縮合部分小分子有機(jī)物、離析礦質(zhì)元素，最終化合為礦物質(zhì)等，同時(shí)吸附、螯合，鈍化重金屬元素。生成物經(jīng)過(guò)進(jìn)一步冷卻和分離，揮發(fā)析出有機(jī)分子，變成能使用的可燃?xì)怏w；而非可燃揮發(fā)分子則冷卻成生物質(zhì)液體(木醋液)，其存在大量固態(tài)殘?jiān)?，也就變成了生物質(zhì)碳析出系統(tǒng)。

5 秸稈生物質(zhì)炭復(fù)合肥及材料技術(shù)生產(chǎn)

秸稈生物質(zhì)炭生產(chǎn)中裂解溫度的確定，能夠有效提高剩余秸稈廢渣的利用，本文對(duì)裂解溫度的確定進(jìn)行了初步研究，通過(guò)紅外線光譜儀對(duì)不同熱解溫度條件下小麥秸稈生物質(zhì)炭的紅外光譜曲線進(jìn)行了分析，以確定合適的溫度，提高生產(chǎn)產(chǎn)量，節(jié)約生產(chǎn)成本。

對(duì)乙醇化后的消化渣液進(jìn)行壓榨處理，得到清液和固渣，清液經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后排出，固渣經(jīng)上料系統(tǒng)送入內(nèi)筒、外筒、夾于二者之間的外熱旋轉(zhuǎn)式干燥爐內(nèi)的夾腔，在15 ℃的溫度下，將廢渣進(jìn)入干燥爐內(nèi)筒預(yù)熱烘干。

經(jīng)過(guò)烘干預(yù)熱后的秸稈顆粒再輸送到外熱式旋轉(zhuǎn)熱解爐中，當(dāng)然，爐中也有內(nèi)筒、外筒和夾在兩者之間的夾腔，在450 ℃下，秸稈顆粒進(jìn)入內(nèi)筒發(fā)生裂解，產(chǎn)生熱裂解氣和生物質(zhì)炭。通過(guò)氣固分離裝置將生成的熱裂解氣和生物質(zhì)炭分離，并將其輸送到冷卻狀態(tài)，進(jìn)而再獲取生物質(zhì)炭產(chǎn)品。將除塵器除塵處理后得到的熱裂解氣放入燃燒室燃燒，產(chǎn)生高溫?zé)煔?。先將產(chǎn)生的高溫?zé)煔廨斔偷叫D(zhuǎn)式熱解爐的夾腔內(nèi)，放出熱量后，再輸送到旋轉(zhuǎn)式干燥爐內(nèi)，提供熱源，以烘干秸稈廢渣?；剞D(zhuǎn)烘干爐的夾腔和內(nèi)筒進(jìn)入煙氣。烘干爐內(nèi)筒內(nèi)煙氣與廢渣輸送方向相向而行，完成空氣置換，同時(shí)帶離秸稈顆粒烘干產(chǎn)生的水蒸氣，由烘干爐內(nèi)筒出來(lái)的煙氣輸送到燃燒室，作為助燃空氣進(jìn)行熱解氣燃燒，烘干爐夾腔出來(lái)的煙氣進(jìn)入余熱鍋爐，再次回收利用熱量，進(jìn)行凈化處理，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后即可直接排入大氣，其不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。未來(lái)，在秸稈生物質(zhì)炭產(chǎn)業(yè)上希望擴(kuò)大生物質(zhì)炭的方式，形成各種農(nóng)業(yè)肥料的多聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈。

6 結(jié)語(yǔ)

秸稈制品研發(fā)和設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)技術(shù)相比，秸稈餐具具有生產(chǎn)成本低、經(jīng)濟(jì)效益高、產(chǎn)品性能高、降解速度快的優(yōu)勢(shì)，而在整個(gè)生產(chǎn)方面，我們的核心技術(shù)使得整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程不產(chǎn)生浪費(fèi)和污染，所有廢液、廢渣均為可自然降解物質(zhì)，解決了秸稈利用過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題。