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气相双动态固态发酵技术&蒸汽爆破技术——气相双动态固态发酵技术

      随着全球能源、粮食、环境三大危机的日益凸显,液态发酵所固有的搅拌通气能耗高、发酵废水量大等缺陷使其显得越来越不合时宜。而固态发酵技术可利用很多种廉价的液态发酵工艺无法利用的粮食加工下脚料进行生产,在生产过程中少有机废水产生,能耗较低,成为解决“三大”危机的主要途径之一,势必将日益受到学术界和产业界的重视。

1. 固态发酵技术面临问题

      作为历史悠久的传统发酵方式,固态发酵技术并未成为当今发酵行业的发展主流。原因在于:1)对固态发酵工艺的过程机制认知远落后于液态发酵;2)固态发酵的传热、传质困难,设备空间利用率低。3)缺乏对固态发酵反应器及其参数的放大设计优化研究。从而导致固态发酵技术中原料分析、菌种代谢、产物收集等一系列不能满足现代发酵工业的需求。

      在固态发酵过程中,搅拌和强制性通风的方式基本可以使颗粒间的空气得到定期的更换。而机制颗粒内部毛细管,菌丝体与物料空隙的空气,仅靠这些方式得不到有效的更换。另外,连续或者间歇搅拌造成的剪切力对菌丝体的损伤作用非常大,不利于微生物的生长和代谢。

2. 气相双动态固态发酵反应器特点

      气相双动态发酵反应器有如下特点:

      ①气相双动态有促进微生物代谢,强化细胞内外的传质,减少代谢产物的反馈抑制,从而有缩短发酵周期,提高转化率的功能;

      ②无固体层机械翻动装置,由薄层、气相双动态及循环风机达到传质和传热要求;

      ③反应器可用蒸汽进行严格的空罐或实罐灭菌,无死角,能严格达到纯种固体发酵要求;

      ④反应器内部设置冷却排管和循环风机,便于反应器内温度与湿度的控制;

      ⑤气相双动态的周期、振幅与波形由进出气阀的适时自动控制系统完成,可以随发酵过程对供氧与发热要求继续计算机在线优化控制。

3. 气相双动态固态发酵效果的控制参数

      影响气相双动态固态发酵的因素主要有:底物填料高度、填料系数、压力脉冲上下限、压力脉冲范围、压力脉冲周期、气体内循环速率及速率变化周期等。

参考文献:陈洪章 徐建.现代固态发酵原理及应用.化学工业出版社,北京,2004年.

气相双动态固态发酵技术&蒸汽爆破技术——蒸汽爆破技术

      木质纤维素等生物质原料致密的空间结构使其难以直接利用,原料预处理是实现生物质高效转化的必要手段。以蒸汽爆破法预处理木质纤维原料的尝试始于上世纪80年代早期。原料用蒸汽加热至180-235℃,维持一定时间,在高温和高压的作用下,半纤维素的乙酰基等生成有机酸类,而后又参与未损半纤维素和木质素解聚的催化过程,使半纤维素部分水解成可溶性多糖,木质素的α-丙烯乙醚及部分β-丙烯乙醚裂开,此时木质素已软化。作为一种物理化学方法,蒸汽爆破可以分别利用木质纤维类物质三种主要成分,有效地分离出活性纤维,并且不用或者少用化学药品,从而对环境无污染,能耗较低,是目前木质纤维素类物质预处理技术中广泛采用的方法。

1. 蒸汽爆破作用机制

      汽爆主要是利用高温高压水蒸汽处理纤维原料,并通过瞬间泄压过程实现原料的组分分离和结构变化。一般是在压力反应器内对原料通入高压蒸汽,在16-34 Kg/cm2,200-240℃条件下维压30 s-20 min,然后迅速减压,迫使物料释放到大气中。

2. 蒸汽爆破技术特点

      ①可应用于各种植物生物质,预处理条件容易调节控制;

      ②半纤维素、木质素和纤维素三种组分会在三个不同的流程中分离,分别为水溶组分、碱溶组分和碱不溶组分;经过汽爆处理的纤维素的酶解转化率可达到理论最大值;经过汽爆处理后的木质素仍能够用于其他化学产品的转化;经过汽爆处理的半纤维素产生的糖可以被全利用,转化为液体燃料;

      ③汽爆过程中产生的发酵抑制物可通过控制汽爆条件而大大降低。且汽爆预处理工艺的费用较低,一般每吨物料消耗0.5-1.0 t蒸汽。这些都使蒸汽爆破法越来越广泛地用于生物质原料的预处理中,并显示出越来越突出的优势。

3. 无污染蒸汽爆破技术

      汽爆过程中,通常会添加一些化学试剂,如添加H2SO4 (或SO2、CO2等)作为催化剂,或在汽爆前预先以SO2 或H2SO4对物料进行处理,可提高纤维素和半纤维素的水解速率。但是,化学试剂的添加,会对环境造成污染,而且对设备的要求也提高。中科院过程所陈洪章研究员提出了无污染蒸气爆破技术,该技术在汽爆的过程中不需要添加任何化学药品,只需控制秸秆的含水量,即可以分离出80%以上的半纤维素,且使秸秆纤维素的酶解率达到90%以上。

参考文献:蒸汽爆碎技术原理及应用,陈洪章,刘丽英编著。化学工业出版社,北京,2006年.