我國年產(chǎn)秸稈近10億噸,但綜合利用水平較低。清華大學(xué)研發(fā)“先進(jìn)固態(tài)發(fā)酵技術(shù)”(ASSF)乙醇化回收秸稈碎料內(nèi)的糖分,分離乙醇后的酒糟仍可用于傳統(tǒng)的燃燒、還田、飼畜等,顯著提高秸稈綜合利用率,該技術(shù)待解決問題有:回轉(zhuǎn)筒內(nèi)秸稈碎料的運(yùn)動、發(fā)酵放熱和傳熱規(guī)律;秸稈碎料的動、熱耦合的仿真模擬方法;發(fā)酵料中乙醇的低成本提取分離方法。為解決上述問題,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室級回轉(zhuǎn)筒先進(jìn)固態(tài)發(fā)酵罐及其周向物料運(yùn)動研究實(shí)驗(yàn)臺等設(shè)備,并部分使用仿真軟件,進(jìn)行研究。研究思路如下:(1)秸稈碎料的物性參數(shù)測定;(2)回轉(zhuǎn)筒內(nèi)秸稈碎料的運(yùn)動規(guī)律研究;(3)回轉(zhuǎn)筒內(nèi)秸稈碎料固態(tài)發(fā)酵放熱規(guī)律研究;(4)回轉(zhuǎn)筒內(nèi)秸稈碎料固態(tài)發(fā)酵的動、熱耦合仿真模擬方法開發(fā);(5)提出一種低成本分離發(fā)酵料中乙醇的新方法并進(jìn)行理論分析。(1)針對秸稈碎料物性測量,基于國標(biāo)原理,設(shè)計(jì)制作實(shí)驗(yàn)臺測定了秸稈碎料的主要力學(xué)、熱學(xué)物性參數(shù)。這些參數(shù)是后續(xù)研究和仿真方法開發(fā)的基礎(chǔ)。(2)針對筒內(nèi)秸稈碎料運(yùn)動規(guī)律的研究,分為筒體周向與軸向兩方面。①周向:料床下部和中心容易積累發(fā)酵熱殺死酵母菌,轉(zhuǎn)動筒體翻動料床可均勻床溫,筒內(nèi)料發(fā)酵熱均勻化速度可由筒內(nèi)秸稈碎料的周向混合速度來研究�；趫D像分析建立混合度指標(biāo)Imix及完全混合時間tc指標(biāo),基于混合完全實(shí)驗(yàn)研究了不同工況下筒體周向上物料的混合速度。對揚(yáng)料板存在與否的兩種情形,都細(xì)致分析了物料的運(yùn)動模式,對有揚(yáng)料板情況還分析了揚(yáng)料板對物料運(yùn)動混合的作用機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)了無揚(yáng)料板情況的料床回轉(zhuǎn)周期tc,推導(dǎo)出只需知曉填充率和筒體轉(zhuǎn)速便可預(yù)測tc的公式。對有揚(yáng)料板情況,得出了最快混合揚(yáng)料板方案為4×0.55R,并通過觀察物料運(yùn)動、混合攝像,細(xì)致分析了物料的運(yùn)動模式、揚(yáng)料板的作用機(jī)理,歸納成表。②軸向:物料在筒內(nèi)的平均停留時間MRT和軸向擴(kuò)散程度σR直接關(guān)系著發(fā)酵程度。采用完全輸運(yùn)實(shí)驗(yàn),研究了環(huán)肋對其的影響,并得出最佳軸向輸運(yùn)時間的環(huán)肋方案為肋高0.55R,肋中心距50mm。(3)針對發(fā)酵放熱規(guī)律研究,是因?yàn)榘l(fā)酵效率與P密切相關(guān),可用P表征發(fā)酵效率。p受多因素影響,在簡化情況下僅考察料含糖量S和料溫T的影響。通過穩(wěn)定發(fā)酵完全實(shí)驗(yàn),考察料初始含糖量0.1或0.15、溫度18℃或24℃的前提下,料床T、S分布,計(jì)算P,回歸P與T和S的函數(shù)關(guān)系。(4)針對動、熱耦合仿真方法開發(fā),研究基于顆粒離散元軟件EDEM進(jìn)行。基于虛擬顆粒參數(shù)標(biāo)定,使仿真料床的宏觀運(yùn)動(如休止角,周向混合速度等)與實(shí)驗(yàn)臺料床的一致,建立了秸稈碎料的運(yùn)動仿真方法。基于EDEM二次開發(fā),將顆粒發(fā)酵放熱模型、料導(dǎo)熱模型編入運(yùn)動仿真方案中,建立秸稈碎料的動、熱耦合仿真方法。基于該仿真方法進(jìn)行了工藝深入研究。(5)針對低成本分離發(fā)酵料中乙醇,提出一種基于平面熱源的發(fā)酵料中乙醇提取新方法�；跓嶂貙�(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析,回歸、推導(dǎo)出理想情況下發(fā)酵料中乙醇的平面熱源提取速率模型。結(jié)合生產(chǎn)成本等經(jīng)濟(jì)因素,構(gòu)建出平面熱源提取工藝的成本計(jì)算模型,得到最經(jīng)濟(jì)分離方案。計(jì)算結(jié)果表明,該分離方法比起現(xiàn)有的蒸汽分離法,可顯著降低工藝成本。本文研究較好解決了 ASSF技術(shù)的存在的難題,啟示了回轉(zhuǎn)筒發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)、工況和發(fā)酵后料中乙醇提取的優(yōu)化方向,為促進(jìn)ASSF技術(shù)進(jìn)一步推廣提供了支撐。
【學(xué)位單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ920.6;TQ223.122
【部分圖文】：

酵技術(shù)在我國開始用于能源領(lǐng)域。以秸稈碎料為固態(tài)發(fā)酵對象制造能源，則逡逑是２００５年以來的事。傳統(tǒng)固態(tài)發(fā)酵工藝采用靜態(tài)的固態(tài)發(fā)酵池、坑或罐進(jìn)行逡逑生產(chǎn)，如圖１－２所示。發(fā)酵方法為：將秸稈粉碎并適當(dāng)補(bǔ)水，制作發(fā)酵基，逡逑與酵母菌混合，在厭氧環(huán)境中酵取粗乙醇，然后將粗乙醇精加工成燃料乙醇。逡逑固態(tài)發(fā)酵比液態(tài)發(fā)酵的速度慢，但工藝簡單，對操作人員的技術(shù)水平要求不逡逑太高，設(shè)備簡單，也不會產(chǎn)生污水。其主要限制是生產(chǎn)過程不連續(xù)，工人勞逡逑動強(qiáng)度大，生產(chǎn)環(huán)境惡劣。且發(fā)酵過程中料床靜止不動，由于秸稈碎料熱導(dǎo)逡逑率低、接觸熱阻大，料床內(nèi)部容易積累發(fā)酵熱而過度升溫，高溫會抑制酵母逡逑菌活性甚至殺死酵母菌，造成發(fā)酵效率長線波動，這也是古代釀酒所需時間逡逑長的原因［５］。即使采用攪拌葉片攪動料床以平衡溫度，不僅攪拌效果和溫度逡逑－２－逡逑

Ｗｆ邋ｒ逡逑圖１－１液態(tài)發(fā)酵逡逑水解發(fā)酵，是將秸稈碎料浸泡在特定成分、溫度的液體環(huán)境中，用水解逡逑酶將桿中的纖維素水解為單糖或多糖溶液，然后配置液態(tài)培養(yǎng)基進(jìn)行液態(tài)發(fā)逡逑酵。它可將秸稈完全利用，是秸稈利用最徹底的一種方式，對桿中含糖量也逡逑沒有任何要求，可利用秸稈種類最為廣泛，并可利用木本植物。其主要限制逡逑為水解速度慢、活性高的水解酶的制備成本過高。該技術(shù)最為復(fù)雜，主要目逡逑標(biāo)是降低酶合成的高昂成本。０前僅有極少數(shù)工廠用于燃料乙醇工業(yè)化生產(chǎn)逡逑（如意大利Ｍ＆Ｇ集團(tuán)貝塔可再生能源公司）。這類乙醇發(fā)酵也稱為第２代生逡逑物質(zhì)乙醇工藝。逡逑固態(tài)發(fā)酵是微生物在潮濕、不溶于水的固體培養(yǎng)基質(zhì)上直接進(jìn)行發(fā)酵。逡逑我國從上世紀(jì)５０年代就開始研究固態(tài)發(fā)酵技術(shù)，當(dāng)時主要使用糧食作為發(fā)酵逡逑基，主要用于釀酒、培養(yǎng)菌群及制造抗生素。７０年代開始有人研宄用紅薯粉逡逑渣固態(tài)發(fā)酵制取檸檬酸等

３６．７Ｓ％Ｘ逡逑ｗ逡逑圖１－４目前為止，國內(nèi)外對秸稈粉碎料的研究領(lǐng)域分布逡逑甜高粱桿粉碎料屬非球形粘性生物質(zhì)軟顆粒物。它們是離散粒子的集群，逡逑是典型的復(fù)雜性科學(xué)系統(tǒng)；它們具有能量耗散性質(zhì)，能量會通過顆粒的摩擦逡逑和碰撞而耗散它們具有復(fù)雜的凝聚態(tài)特性運(yùn)動與流體、固體均不同。逡逑用電鏡拍攝微觀照片可觀察到，顆粒表面存在平行的管胞結(jié)構(gòu)，呈纖維狀，逡逑髓斷面可看到豎管Ｗ１，管胞軸向細(xì)胞鏈接緊密，周向相對寬松，如圖１－５所逡逑示。故顆粒具有非各向同性的彈性，傳熱特性，介觀和微觀傳熱過程復(fù)雜，逡逑且秸稈在粉碎過程中容易形成桿狀顆粒。此外，在秸稈粉碎過程中，細(xì)胞破逡逑碎導(dǎo)致液泡內(nèi)含糖液體流出，附著在秸稈顆粒表面，糖溶液中豐富的Ｃ－Ｈ長逡逑鏈、羥基官能團(tuán)、酮、醛

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2829545