發(fā)布時間：2020-06-13 05:12

【摘要】：生物質(zhì)煉制是生物質(zhì)資源大規(guī)模利用關(guān)注的熱點,汽爆技術(shù)是生物質(zhì)煉制的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著汽爆技術(shù)原料范圍不斷拓寬,認知生物質(zhì)復(fù)雜物料特性與汽爆過程的關(guān)系,提出適用于不同種類生物質(zhì)的汽爆過程理論依據(jù),是實現(xiàn)汽爆作為生物質(zhì)通用煉制技術(shù)的關(guān)鍵。論文基于對生物質(zhì)汽爆過程熱質(zhì)耦合傳遞規(guī)律的研究,解析生物質(zhì)主要物料特性(組成結(jié)構(gòu)、水分狀態(tài)、力學強度、堆積密度)與汽爆過程的關(guān)系,在此基礎(chǔ)上研究藥用植物汽爆煉制過程并發(fā)明新型汽爆方法,拓寬汽爆應(yīng)用領(lǐng)域。論文取得了如下主要研究結(jié)果：(1)基于汽爆過程水分和壓力變化,將汽爆過程創(chuàng)新性地劃分為氣相驅(qū)替、氣相滲透、氣相蒸煮、氣相爆破四個階段,建立了汽爆過程多階段熱質(zhì)耦合傳遞模型,為汽爆過程放大和工藝開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)�；谀Ｐ�,研究汽爆過程熱量傳遞與水分遷移規(guī)律,構(gòu)建汽爆能耗的重要評價指標——單位質(zhì)量干基耗氣量,揭示出氣相滲透階段能耗占汽爆過程總能耗90%以上,并提出若干節(jié)能降耗的措施,提高汽爆過程經(jīng)濟性；推出汽爆料含水率表達式,獲得汽爆過程各階段水分變化的定量關(guān)系,給出汽爆過程水分遷移的調(diào)控策略,為汽爆余汽回收和后續(xù)操作參數(shù)的選取提供指導(dǎo)。(2)研究了典型禾本科草本植物和木本植物的化學組分和多孔特性對汽爆物化作用效果的影響。發(fā)現(xiàn)草本植物中木質(zhì)素含量低、半纖維素及其乙�；扛�,使其在汽爆過程中易于發(fā)生熱化學反應(yīng),從而汽爆后物料半纖維素降解率和可溶性產(chǎn)物生成率高。同時草本植物的結(jié)構(gòu)多孔性導(dǎo)致其滲透率高、力學強度低,易于蒸汽滲入和降低爆破時的物理撕裂阻力,從而提高汽爆后物料孔隙率和孔體積增長率。該結(jié)果為認知草本植物和木本植物汽爆條件差異性的本質(zhì)原因提供理論基礎(chǔ)。(3)認知干秸稈復(fù)水過程水分狀態(tài)的變化規(guī)律,考察秸稈內(nèi)不同水分狀態(tài)對力學強度和汽爆過程的影響,闡明不同水分狀態(tài)在汽爆過程發(fā)揮的作用。發(fā)現(xiàn)秸稈中主要存在束縛水和相對自由水,其纖維飽和點(FSP)約在絕干含水率30%。隨復(fù)水量和時間增加,FSP前,束縛水含量增加、流動性保持不變；FSP后,束縛水基本不變,相對自由水增多且流動性增強。研究表明秸稈束縛水增加導(dǎo)致其硬度和斷裂性分別降低31.43%和26.67%,有利于汽爆物理撕裂作用；自由水增加阻礙汽爆過程熱量傳遞,使汽爆升溫時間和能耗分別增加1.29倍和2.18倍,對汽爆熱化學反應(yīng)產(chǎn)生“緩沖效應(yīng)”。最終優(yōu)化出干秸稈汽爆的最佳水分狀態(tài)為FSP,復(fù)水平衡時間為6h-10h,有利于指導(dǎo)汽爆前纖維質(zhì)干物料的復(fù)水操作以提高汽爆效果。(4)基于聚合物彈性力學原理,建立汽爆過程植物細胞應(yīng)力-應(yīng)變模型,獲得爆破壓力與細胞壁應(yīng)力、細胞體積應(yīng)變之間的關(guān)系。揭示出汽爆過程細胞壁應(yīng)力分布和體積應(yīng)變的不均一性,其周向應(yīng)力與縱向應(yīng)力之比為2：1,導(dǎo)致細胞周向伸長比大于縱向伸長比。推出植物細胞的理論臨界爆破壓力(Pc)及其影響因素,Pc隨細胞壁厚和彈性模量增加而增加、隨細胞內(nèi)徑增加而降低,為不同種類生物質(zhì)汽爆壓力的選取提供理論基礎(chǔ)。(5)建立生物質(zhì)堆積密度與汽爆設(shè)備裝料系數(shù)的關(guān)系,系統(tǒng)研究裝料參數(shù)對汽爆過程熱量傳遞與能耗、質(zhì)量傳遞與汽爆物料水分含量、泄壓過程與放氣速度的影響,并以提高汽爆效果、降低過程能耗為原則,給出裝料參數(shù)優(yōu)化策略,以指導(dǎo)實際汽爆過程。研究表明汽爆設(shè)備裝料系數(shù)由生物質(zhì)堆積密度和裝料體積比共同決定,隨二者增加而增加。增加裝料體積比、提高粉碎后物料顆粒尺寸以適當降低堆積密度,有利于提高汽爆過程經(jīng)濟性。在研究范圍內(nèi)優(yōu)化出玉米秸稈裝料體積比為123.7%、顆粒尺寸為3 cm-5 cm即堆積密度為72.33 kg/m3時,獲得汽爆料酶解總糖得率最高且汽爆過程能耗低。(6)在對上述通用生物質(zhì)原料汽爆煉制過程研究的基礎(chǔ)上,將汽爆技術(shù)應(yīng)用于藥用植物加工領(lǐng)域,研究藥用植物汽爆煉制過程,從多孔介質(zhì)角度揭示汽爆強化黃芪皂苷提取傳質(zhì)機理,系統(tǒng)表征汽爆黃芪多孔特性并建立其與皂苷提取性能的關(guān)系。研究表明汽爆顯著改變黃芪多孔結(jié)構(gòu),具有增孔、擴孔和開孔作用；發(fā)現(xiàn)汽爆黃芪平均孔徑是影響皂苷提取參數(shù)的關(guān)鍵多孔特性；汽爆后黃芪(1.8 MPa、4.5 min)中孔和大孔(100nm～10000 nm)所占孔面積比例由8.25%增加至91.57%,對強化提取傳質(zhì)過程發(fā)揮主要貢獻。針對熱敏性成分在常規(guī)汽爆高溫蒸汽下易降解的問題,發(fā)明混合介質(zhì)汽爆新方法,通過引入其他氣體介質(zhì),有效提高爆破壓力、降低維持溫度。與常規(guī)汽爆相比,混合介質(zhì)汽爆使蒸汽對杜仲葉熱穿透性降低12.66%,杜仲葉中熱敏性成分綠原酸提取率增加95.94%。由此將以蒸汽為介質(zhì)的汽爆技術(shù)提升到以混合氣體為介質(zhì)的氣相爆破技術(shù),拓寬汽爆原料范圍。(7)基于上述對生物質(zhì)物料特性和汽爆煉制過程的研究,提出生物質(zhì)多孔特性是生物質(zhì)煉制工程的共性關(guān)鍵科學問題,解析生物質(zhì)本征多孔結(jié)構(gòu)特性與物料特性之間的關(guān)系,并探討生物質(zhì)多孔特性在汽爆煉制過程中的地位和作用,以期為植物生物質(zhì)煉制工程提供工程學上的理論基礎(chǔ)。
【圖文】：

圖１．３植物生物質(zhì)水分狀態(tài)示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｗａ化ｒ邋ｓｔａ化Ｓ邋ｏｆ邋ｐｌａｎｔ邋ｂｉｏｍａｓｓ逡逑１．４．４力學特性逡逑植物生物質(zhì)是一種具有多尺度結(jié)構(gòu)和特殊分子力學現(xiàn)象的生物復(fù)合材料宏觀逡逑尺度上，它是由細胞通過胞間層黏結(jié)而成的具有高度各向異性的天然多孔材料。微觀逡逑尺度上，植物細胞壁可視為半纖維素和木質(zhì)素為基質(zhì)、微纖絲為增強相的天然纖維逡逑增強復(fù)合材料。納米尺度上，植物生物質(zhì)是Ｗ纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等多分子構(gòu)逡逑成的生物高分子聚合物材料。其多級結(jié)構(gòu)表明，在汽爆過程中從宏觀到微觀的力學行逡逑為機制密切相關(guān)。生物質(zhì)物料的宏微觀力學性能直接決定了汽爆過程的宏微觀物理撕逡逑裂效果，從物料微料化程度，到纖維的開裂損傷，再到細胞壁的破碎程度。作為具有逡逑明顯細觀結(jié)構(gòu)、可在多尺度下研究的天然復(fù)合材料，生物質(zhì)具有天然存在的非均相、逡逑各向異性的微觀甚至宏觀的孔隙、缺陷或損傷（裂紋），受載荷后這些初始孔隙、缺逡逑ｓｓ

擇性拆分的方法，是生物質(zhì)煉制的關(guān)鍵技術(shù)之一。汽爆物料在不同環(huán)節(jié)實和姐分水平的分離，同時顯著改善底物基質(zhì)的可及性。目前關(guān)于生物質(zhì)汽究已在汽爆工藝與設(shè)備、汽爆后物料分級煉制等方面積累了大量的工作，拓展于不同種類生物質(zhì)原料的處理上，獲得生物基能源、材料、化學品等然而，隨著汽爆技術(shù)原料范圍和應(yīng)用領(lǐng)域的逐ki擴大，生物質(zhì)這種種類豐構(gòu)多樣且高度不均一的復(fù)雜物料對汽爆工藝與條件的要求差異性巨大，具同種類的生物質(zhì)具有不同的化學組成、形態(tài)結(jié)構(gòu)、水分分布、力學強度、乃至收獲存儲周期、鮮料和干料等這些物料特性的差別。正是生物質(zhì)具有的又有較強個異性的物料特性，從根本上決定了其所需要的汽爆工藝和操汽爆過程經(jīng)濟性和汽爆處理效果乃至后續(xù)產(chǎn)品性能密切相關(guān)。然而，，己有缺乏對生物質(zhì)本征物料特性與汽爆過程關(guān)系方面的深入系統(tǒng)解析，難１＾形的理論依據(jù)來指導(dǎo)不同種類生物質(zhì)物料的汽爆過程，這到預(yù)期處理目標。逡逑
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(過程工程研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK6


本文編號：2710708