蒸汽爆破

蒸汽爆破即汽爆（Steam Explosion），是套用蒸汽彈射原理實現的爆炸過程對生物質進行預處理的一種技術。其技術本質為：將滲進植物組織內部的蒸汽分子瞬時釋放完畢，使蒸汽內能轉化為機械能並作用於生物質組織細胞層間，從而用較少的能量將原料按目的分解。由於其既避免了化學處理的二次污染問題，又解決了目前生物處理效率低的問題，是生物質轉化領域最有前景的預處理技術。。

基本介紹

• 中文名：蒸汽爆破
• 外文名：Steam Explosion
• 類型：自然現象
• 發生對象：生物質，植物
• 作用：結構重排

主要介紹

植物細胞中的纖維為木素所粘結，與高溫、高壓蒸汽作用下，纖維素結晶度提高，聚合度下降，半纖維素部分降解，木素軟化，橫向連結強度下降，甚至軟化可塑，當充滿壓力蒸汽的物料驟然減壓時，孔隙中的氣劇膨脹，產生“爆破”效果，可部分剝離木素，並將原料撕裂為細小纖維。

可以認為，在蒸汽爆破過程中存在以下幾方面作用：

①類酸性水解作用及熱降解作用：蒸汽爆破過程中，高壓熱蒸汽進入纖維原料中，並滲入纖維內部的空隙。由於水蒸汽和熱的聯合作用產生纖維原料的類酸性降解以及熱降解，低分子物質溶出，纖維聚合度下降。

②類機械斷裂作用：在高壓蒸汽釋放時，已滲入纖維內部的熱蒸汽分子以氣流的方式從較封閉的孔隙中高速瞬間釋放出來，纖維內部及周圍熱蒸汽的高速瞬間流動，使纖維發生一定程度上的機械斷裂。這種斷裂不僅表現為纖維素大分子中的鍵斷裂，還原端基增加，纖維素內部氫鍵的破壞，還表現為無定形區的破壞和部分結晶區的破壞。

③氫鍵破壞作用：在蒸汽爆破過程中，水蒸汽滲入纖維各孔隙中並與纖維素分子鏈上的部分羥基形成氫鍵。同時高溫、高壓、含水的條件又會加劇對纖維素內部氫鍵的破壞，游離出新的羥基，增加了纖維素的吸附能力。瞬間泄壓爆破使纖維素內各孔隙間的水蒸汽瞬間排除到空氣中，打斷了纖維素內的氫鍵。分子內氫鍵斷裂同時纖維素被急速冷卻至室溫，使得纖維素超分子結構被“凍結”，只有少部分的氫鍵重組。這樣使溶劑分子容易進入片層間，而滲入的溶劑進一步與纖維素大分子鏈進行溶劑化，並引起殘留分子內氫鍵的破壞，加速了葡萄糖環基的運動，最後導致其它晶區的完全破壞，直至完全溶解。

④結構重排作用：在高溫、高壓下，纖維素分子內氫鍵受到一定程度的破壞，纖維素鏈的可動性增加，有利於纖維素向有序結構變化。同時，纖維素分子鏈的斷裂，使纖維素鏈更容易再排列。

汽爆設備原理

傳統的汽爆工藝是1928年由W H Mason發展起來的。但從爆破的物理意義來衡量時，這種方法不能稱之為爆破，而應該稱之為蒸汽熱噴放技術。所謂熱噴放技術通常是指將高溫高壓蒸煮過的物料經快放閥釋放至常壓接收容器的過程。由於物料時依次通過快放閥門，故釋放出物料的爆破壓力隨經過閥門的先後依次降低，更重要的是被爆植物組織內部蒸汽的能量不能以爆的形式瞬間釋放，而是從植物組織內逐漸釋放。

除了這種技術之外，目前還存在另外一種所謂的”蒸汽爆破“技術即膨化技術。這是食品工業上經常採用的處理膨化食品的一種方法，即螺桿擠壓膨化食品加工技術。由於上述兩種技術均不符合”爆破“的物理定義，因此不屬”蒸汽爆破“範疇。

1、汽爆設備的必備屬性

爆的物理概念為：能量在短時間突發性全部釋放完畢。在化學反應、核反應以及物理減壓過程，衡量其突發性的表征之一便是看其在能量釋放時是否伴有“炸響”聲即伴隨衝擊波產生，其反應過程在毫秒級時間內完成。比如鞭炮裝以少量火藥便可將本體炸碎，同時伴隨有清脆而響亮的鞭炮聲。煙花儘管裝藥量比鞭炮多，但由於火藥能量釋放是長時間依次釋放形式，故不能將本體炸碎。

因此，無論是炸藥還是壓力容器所產生的爆破，只有具備了突發性炸響聲，可產生爆破衝擊波才屬於物理意義上的真正的爆破。與此不同，一些通過打開快放閥門，使容器內壓力迅速降低的減壓過程由於沒有產生毫秒級衝擊波，參與反應物料是依次按前後順序從高壓向低壓反應釋放平衡，故不會產生劇烈的炸響聲，減壓過程遠未達到毫秒級將全部容器內物料降為常壓，均不具備爆破及蒸汽爆碎的必備條件。這些做功過程由於時間較長，不產生瞬間大功率，也就無法達到爆破所預期的物理化學效果。

如果將快速打開與容器相連閥門的過程，定義為蒸汽爆破或定義為蒸汽爆破的另一種形式，則將會引起大規模改寫目前世界各國教科書中關於“爆”的公認物理學定義。因此，汽爆設備的必備屬性首先應滿足爆破（放氣）時間的最大限值。由於秸稈等草本類物質的蒸汽滲透時間一般小於1秒，因此，對於汽爆設備的放氣時間不能大於0.1秒，才能夠產生壓差，破壞纖維素的晶格結構，產生真正的汽爆作用。目前廣泛使用的彈射式汽爆設備的爆破時間為0.00875秒，已具備了這一必要條件。

2、汽爆設備的工藝參數

汽爆工藝的主要參數——物料內因與設備外因

2.1 物料內因

物料內因大致可包括：物料種類及組織成分、含水率、預浸泡、化學預處理、粉碎程度、流動性等。物料種類的選擇是課題選向的根本，其組織成分、生長特點、收穫產量、適宜種植地區均應充分考慮。

含水率則是一項易被忽視的重要因素，因為它並不單純是計算乾物質的依據，還影響到生產實施中的生物質收穫模式、運輸方式、貯存方式。此外，由於植物組織細胞內水分對汽爆結果有著直接而重要的影響，含水率還會對汽爆設備工藝參數產生重要影響。預浸泡與化學預處理實質是與汽爆手段複合在一起的其他預處理方式，也是最為常見的對比實驗內容。

粉碎程度與流動性是相互關聯的兩個因素，在大部分情況下對汽爆結果產生的影響較小。但在規模生產時，這兩個因素會對汽爆設備實際產量、配套粉碎設備型式、粉碎功耗、物流輸送設備型式等工業設計參數產生關鍵影響。為了保持與工業生產環境一致，在汽爆實驗時也應採用相同條件。

2.2 設備外因

設備外因包括：蒸汽壓力（溫度）、蒸汽成分、維壓時間、爆破（放氣）時間等。這些因素也是狹義上的汽爆工藝參數。其中蒸汽壓力與維壓時間可受使用者調控，是實驗中最常見的主要對比參數。

爆破（放氣）時間則是設備固有參數。由於這一參數是由汽爆設備自身結構型式確定的，往往會被忽視。依據汽爆原理，在同等的能量下為了取得最大的爆破功率，則需要爆破（放氣）時間趨近於零。因此在同等的蒸汽壓力與維壓時間下，不同的汽爆設備會因其自身不同的爆破（放氣）時間而產生不同的預處理效果。所以，在更為規範和完整的汽爆工藝參數表達形式中應加入對爆破（放氣）時間或蒸汽爆破設備型式的記錄和描述。

總之，上述參數的實驗目標指向則由物料轉化方向譬如纖維乙醇、麻類脫膠、木糖製取、造紙等不同課題方向決定，並據此對不同參數組合的實驗結果做出評價。

3、汽爆設備的選型及分類

實際上，由於早期汽爆設備的技術發展尚不成熟，而將閥門噴放式或螺桿擠出式的設備稱為汽爆設備是不準確的。這些設備對放氣時間一般都大於生物質的蒸汽滲透時間，所以只完成了一定的蒸煮作用，並未產生真正的汽爆效果。這也對汽爆預處理技術的整體走向產生了誤導。

那么，在具備汽爆必備屬性的設備中如何進行選型呢？這首先需要從汽爆工藝參數確定的基本前提出發，充分考慮到項目的成果有效性，再根據工藝特點、項目規模等因素進行設備選型。

如果從實驗室級別的設備開始選擇，首先應考慮到所選實驗設備是否有與之相對應的生產設備，即有能夠保證實驗與生產一致性的系列設備可供選擇，確保未來取得工藝參數的可傳遞性。而對設備本身的爆出效果起碼要保證批內一致及批批一致。其次，是要考察設備的各類重要參數是否有精確的測控、計量設施，過程參數的設定及定量控制是否準確、穩定、方便，包括對蒸汽源的壓力、液位等參數的測控集成。最後，從設備的結構設計型式考察，看是否是在現有技術中具備最佳汽爆效果也就是說具備最短爆破時間的設備類型。

如果直接進行生產設備的選擇，則要依據所得到的汽爆工藝參數是從何種類型的實驗裝備上獲得的。只有選擇與實驗室設備原理一致、爆出時間一致的生產設備，才能保證這些參數的可用性。其他設備選型前提與實驗設備基本相同。

大致的類型劃分有如下內容：

根據許用壓力劃分：低壓型（0～1.5MPa）；中壓型（0～6MPa）；高壓型(6MPa以上)；

根據單機產量劃分：實驗室型；中試型；小型量產型；海量並列型；

根據生產節奏與控制劃分：單次手動型、半自動型、全自動連續型；

根據入料方式劃分：人工自然裝料、自動壓縮裝料；還要考察設備對入料種類、顆粒大小、物性有何限制要求。

其他設備技術指標主要包括：蒸汽消耗率（指每噸生物質汽爆所需蒸汽質量）、其他運行能耗、人工用量、排料方式及入料適應性等。

其它熱噴放設備參考(請注意與蒸汽爆破設備不能混淆)

蒸汽噴放罐

• 氣相蒸煮+機械爆碎
  特點
  經濟：僅需0.5噸汽
  快捷：僅需20分鐘
  環保：無酸鹼無污染
  性價比最高！
  汽爆設備系列
  工業設備
  5立方，10立方，20立方，30立方，50立方，其中50立方汽爆罐屬於國內外最大規模
  實驗室設備
  實驗型分批式汽爆設備
  設備主體包括罐體、端蓋、加料口和卸料口。在產品加工過程中既可保證壓力達到所需要求，同時汽爆溫度可以控制在一定範圍內；並能達到對氣爆罐卸料口的快速開啟，保證了氣體壓力達到生產要求，提高了生產效率。用於中草藥，農作廢棄物等產品的加工，與普通氣爆罐相比具有高壓低溫，閥門開啟迅速等生產特點。
  實驗型分析式汽爆設備
  汽爆罐配備動態數據採集系統、高頻壓力感測器、高精度IR溫度感測器、固體流量計等，可實時監測汽爆過程中壓力、溫度、物料流量等參數變化，利於對汽爆影響參數以及汽爆效果的考察，便於對汽爆過程的分析研究計算、汽爆設備的工程放大設計和套用領域的拓展，是適用於科研人員的汽爆分析平台。
  實驗型自控式汽爆設備
  汽爆罐配備電動/氣動快速閥門，嵌入式一體化觸控螢幕及自主開發控制軟體，使汽爆操作方便快捷，一觸即得。通過汽爆參數設定，實現汽爆罐自動/手動運行，實時記錄並存儲汽爆過程參數變化信息，適用於對多種物料的汽爆處理和汽爆過程分析。
  

典型工程案例

⑴玉米秸稈煉製生產線

2010年，30萬噸/年秸稈煉製工業產業化成功投產，是國內外第一條低成本、高值化、規模化玉米秸稈全利用生產線。首創秸稈汽爆半纖維素和汽爆秸稈雜細胞組織酶解液作為有效經濟發酵丁醇碳源，秸稈長纖維製備材料與木質素液化高值轉化的秸稈煉製工業的產業化技術路線。

30萬噸/年玉米秸稈可生產：

5萬噸/年丁醇、丙酮、乙醇與12萬噸/年纖維素

3萬噸/年高純度木質素與2萬噸/年酚醛樹脂膠

5萬噸/年生物聚醚多元醇

⑵汽爆變性秸稈

利用汽爆變性秸稈生產生態板材，不加任何膠料，避免二次污染。

· 2003年菏澤市綠魯生態工業有限公司了年產2萬m³秸稈生態板，年產5000噸秸稈生態肥產業化示範工程;

·2012年新疆銀隆國際貿易股份有限公司在建年產5萬m³的汽爆秸稈板生產線，日產板材166.67 m³;

獲得中科院科技支新項目資助：秸稈生態板產業化技術與示範(XBXJ-2010-010)，2010-2013。

⑶製備紡織纖維原料

汽爆技術用於麻類原料清潔脫膠，實現麻類脫膠、疏鬆，聯產沼氣或有機複合肥（半纖維素和果膠降解物)。現已開發：

麻類纖維的汽爆清潔脫膠技術；廢棄羊毛、牛毛、駝毛等製備納米抗菌生物蛋白纖維技術；玉米蛋白分級分離及其混紡技術

· 套用企業：安徽星星輕紡（集團）有限公司、湖北陽新遠東麻業有限公司、北京天益嘉華股份有限公司；

· 獲得中科院院地產業化項目資助：苧麻汽爆清潔脫膠技術與產業示範(ZNWH-2010- 010）2010-2013。

⑷清潔製漿

草類原料化學漿的生產是造成我國造紙工業環境污染的一個主要原因，汽爆技術套用於玉米秸稈的製漿有高得率、無污染、多聯產的優點，引領該行業的發展。

企業合作：山東豐源生態科技有限公司，年產10萬噸瓦楞原紙，聯產5000噸低聚木糖，6萬噸有機複合肥。

⑸非糧澱粉

葛根、紅薯等非糧澱粉質原料，採用汽爆技術低壓短時（0.6-1.0 MPa，2-4 min）代替傳統工藝的粉碎與長時間高溫蒸煮過程（90-120 ℃，30-120 min），形成連續耦合固態發酵生產乙醇，並從發酵剩餘物提取葛根黃酮、製備蛋白飼料等新工藝，實現了非糧澱粉質原料組分分級轉化、綜合清潔高效利用。

⑹玉米原料汽爆

玉米深加工和綜合利用是通過濕法、乾法和半濕法提胚來實現的，這些提胚方式污染大、能耗高或者組分分離效果差、產品收益低，並且只能對玉米進行簡單的組織結構上的分離。汽爆能夠在結構上將玉米胚、胚乳和玉米皮三組分有效地分離，還能使玉米中經濟價值高的醇溶蛋白、黃色素等物質更容易分離提取。

技術支持

無污染汽爆技術依託於中國科學院過程工程研究所生物質工程創新團隊，建立了“無污染汽爆及組分分離平台”。

套用領域

⑴食品工業

· 糧食深加工

· 粗飼料加工

· 水果榨汁渣

· 海產品加工

· 肉類剩餘物

⑵生物基材料

· 大麻纖維

· 汽爆秸稈

· 人造板

· 溶解漿

· 聚氨酯泡沫

· 膠黏劑

· 酚醛樹脂

⑶生物能材料

· 乙醇

· 丙酮-丁醇

· 氫氣

· 沼氣

· 生物柴油

⑷化學品

· 草酸

· 糠醛

· 木糖

· 檸檬酸

· 黃原膠

⑸環境保護

· 固體廢棄物

· 有機肥料

· 造紙製漿

· 綠色基材

⑹製藥行業

· 成分提取

· 炮製加工

· 綜合利用