瞬时弹射式蒸汽爆破处理生物质的能量模型及能耗理论分析

在生物质资源化利用领域,蒸汽爆破技术是打破生物质抗降解屏障、实现生物炼制的关键技术途径,具有清洁、短时和高效的显著特点。针对生物质蒸汽爆破过程中能量消耗和能量平衡问题,基于传热学基本原理,对生物质蒸汽爆破过程中的能量组成和转化进行了分析,建立了生物质蒸汽爆破能耗模型,阐明了蒸汽爆破过程中蒸汽热能转换机械功,并利用能量模型对影响生物质蒸汽爆破预处理能耗因素进行能耗分析。结果表明:该模型可以较为准确地反映物质蒸汽爆破过程中的热能利用和转化过程,能够定量分析生物质蒸汽爆破过程中物料含水率、蒸汽爆破强度和装料量的能耗变化规律。研究结果为蒸汽爆破技术的生物液体燃料或生物炼制产业化应用提供了理论参考。

同步酶解发酵瞬时弹射式蒸汽爆破玉米秸秆生产生物饲料研究

通过优化瞬时弹射式蒸汽爆破(Instant Catapult Steam Explosion,ICSE)预处理玉米秸秆同步酶解发酵(Synchronous saccharification and fermentation,SSF)工艺,提高玉米秸秆转化生物饲料工艺的效率和可行性。使用合成培养基和秸秆酶解物培养产朊假丝酵母(Candida utilis BNCC 336517),比较不同温度条件下单纯酶解和同步酶解发酵对瞬时弹射式蒸汽爆破预处理秸秆的糖转化率影响;进一步设计正交试验获得玉米秸秆转化真蛋白最佳条件。结果显示,产朊假丝酵母能高效利用纤维二糖;37℃、单纯酶解100 g瞬时弹射式蒸汽爆破预处理玉米秸秆可产32.16 g总糖,同步酶解发酵后干物质降解率51.61%,总糖利用率为84.1%;相同温度条件下三因素三水平正交试验结果:料水比1:7,纤维素酶复合物20 FPU,添加1%(NH4)2SO4,发酵96 h后产品真蛋白质含量为14.66%。表明得到产朊假丝酵母最优同步酶解发酵条件,且该条件下转化玉米秸秆生产生物饲料具有经济可行性。

瞬时弹射式蒸汽爆破法制备速溶牦牛骨粉及其理化特性

为解决骨粉的难溶解性及制备耗时问题,该研究采用瞬时弹射式蒸汽爆破(instant catapult steam explosion,ICSE)技术制备速溶牦牛骨粉,并与常规球磨牦牛骨粉进行理化特性比较分析。通过观察不同压力(0.5~1.5 MPa)和不同保压时间(5~30 min)ICSE条件下牦牛骨的液化情况及骨粉得率,以确定牦牛骨粉的制备条件,并通过骨粉化学结构、粒度分布、微观形态、稳定性、蛋白质溶解性和钙离子释放度的测定对比分析了速溶牦牛骨粉和常规球磨骨粉的理化特性。结果显示:1.5 MPa 30 min ICSE条件下制备的骨粉(<500目)得率可达46.16%;与常规球磨牦牛骨粉相比,ICSE牦牛骨粉化学结构无明显变化,但其中值粒径(5.61μm)明显较小(P<0.05),粒度分布均匀并呈正态分布,微观形态均匀规则;ICSE牦牛骨粉的蛋白质溶解度在37、60和100℃条件下分别为97.17%、95.29%和82.07%,均明显高于球磨骨粉(4.07%,6.47%和10.17%)(P<0.05);ICSE牦牛骨粉钙离子释放度为67.42 mg/g,高于常规球磨骨粉(14.25 mg/g);此外,短时间内ICSE骨粉悬浮液在室温条件下无明显沉淀,其溶解性和稳定性优于球磨骨粉。ICSE法制备速溶牦牛骨粉解决了骨粉制备耗时长、溶解性差等问题,为骨粉的制备提供了一种新方法。

瞬时弹射式蒸汽爆破对玉米秸秆化学结构的影响

对玉米秸秆瞬时弹射式蒸汽爆破(Instant Catapult Steam Explosion,ICSE)预处理的效果进行了研究。通过与热喷放、碱堆沤2种预处理方法的对比,研究了ICSE预处理对玉米秸秆化学特性、微观结构、理化特性的改变机理。热重试验表明:在ICSE处理下,最大失重速率比热喷放及碱堆沤2种预处理方式分别高19.7%和21.2%,热解终了时残留物的质量分数比热喷放及碱堆沤2种预处理方式分别低31.8%和26.4%。显微试验表明:爆破过程彻底改变了玉米秸秆的组织结构,使其细胞壁完全断裂破碎。傅立叶红外光谱试验表明:ICSE样品谱线比其他样品谱线发生了更为明显位移,表明ICSE处理能够相对于其他预处理方式更加明显的改变玉米秸秆有机官能团。X射线衍射试验表明:ICSE比热喷放玉米秸秆结晶度下降了29.4%,比碱处理堆沤降低了26.1%,峰数减少,化学组成和结构变化最为明显。

瞬时弹射式蒸汽爆破对玉米秸秆微贮营养成分和牛瘤胃营养物质消失率的影响

为研究干黄玉米秸秆经瞬时弹射式蒸汽爆破(ICSE)预处理后微贮产品营养成分及奶牛瘤胃营养物质消失率的变化规律,使用气压2.0MPa保持150s、气压1.8MPa保持200s和气压1.2MPa保持200s3组预处理条件,每组4个重复,用ICSE技术对玉米秸秆进行预处理,并接种乳酸菌在厌氧条件下微贮60d;微贮后的秸秆产品进行氨基酸成分分析、主要营养成分测定和真菌毒素含量检测;采用尼龙袋法测定并评价微贮秸秆产品的奶牛瘤胃干物质消失率。结果表明:1.8 MPa 200s预处理后微贮饲料的品质最佳,其中粗蛋白质含量10.85%,是2.0MPa 150s预处理组(5.99%)近两倍(P<0.05),高于对照组(8.38%)和1.2 MPa 200s预处理组(10.46%);1.8MPa 200s预处理组的奶牛瘤胃干物质消失率也最高,达到77.36%,极显著高于对照组和1.2MPa 200s预处理组(P<0.01),显著高于2.0MPa 150s预处理组(P<0.05)。综上,瞬时弹射式蒸汽爆破预处理结合乳酸菌微贮后的干黄玉米秸秆品质较好,在反刍动物养殖中具有一定应用价值。

新型爆破技术ICSE对青贮玉米秸秆物理特性的影响

通过对比研究瞬时弹射式蒸汽爆破(ICSE)与热喷放、碱处理堆沤2种预处理方式,探索ICSE预处理对青贮玉米秸秆物理特性影响,并对固体表面自由能、沉降特性、比表面积、孔径分布进行分析。固体表面自由能实验表明:ICSE20.3%和25.7%,亲水指数达10.1 mJ^(1/2)/m,分别高出125.8%和177.0%。物料沉降特性实验表明:ICSE沉降比最大为1∶1,其次为热喷放0.6∶1,最后为碱堆沤0.3∶1。比表面积及孔径分布实验表明:ICSE试样比表面积达3.5 m^2/g,相比热喷放提高57.4%,相比碱处理堆沤提高263.0%,孔径孔容分布扩大。实验结果表明,ICSE能有效提高物料的固体表面自由能和亲水指数,增大生物质比表面积和与水溶液的混溶性,ICSE越性。