乡村振兴背景下秸秆制品研发与设计

2023-05-19李晓楠陈淑慧席佳颖

现代食品 2023年4期

◎ 李晓楠，陈淑慧，席佳颖

（浙江经济职业技术学院，浙江杭州 310018）

随着中国城市人口数量激增，网络大数据平台的运用以及线上购物、订餐订单量的增加和奶茶店迅速崛起的现状下，外卖餐盒、吸管、快递包装填充物带来的环境问题不容忽视，其回收处理带来了严重的环境压力[1]。所以，利用可降解的秸秆餐具代替不可降解的塑料制品也是一种具有重大意义的创举[2]。此外，目前在市场上有相关产业从事传统秸秆餐具的工作，但没有对麦秆的特定品种进行选取，选用的麦秆鱼龙混杂，工艺水准与质量都令人堪忧。

1 秸秆制品研发与设计

在秸秆制品的生产中，采用秸秆纤维制作纤维餐具、秸秆半纤维的乙醇化、废渣的热裂解生产生物质炭。为此，本文提出一种全量利用小麦秸秆制备纤维、乙醇、生物质炭的方法，旨在提供一种以小麦秸秆为原料，并全量利用小麦秸秆先通过碱处理提取纤维，再通过系列纤维素酶如葡聚糖内切酶、葡聚糖外切酶和β-葡萄糖苷酶降解纤维素和半纤维素生产五碳糖，利用酵母进行发酵生产乙醇，经过酶解后可生产较好的生产乙醇原材料五碳糖产品。通过热裂解技术将废渣（主要木质素）处理成生物质炭结合无机肥制作生物质炭复合肥的方法，达到秸秆成分的全利用，整个生产过程不会对环境造成污染，同时达到增加经济效益的效果。此外，对秸秆废渣进行炭化处理，利用连续式无烟秸秆炭化炉设备对秸秆废渣进行处理，使炭化处理的过程中产生的废气循环进入碳化室中，秸秆废渣持续受到高温燃气的影响，干馏炭化释放挥发性焦油等，最终经过热裂解技术处理变成可燃性无污染气体[3]。

2 秸秆性纤维餐具的制备

2.1 秸秆处理

利用稻麦秸秆联合收获打捆成套设备将联合收割机和打捆机组合成为复式作业机具，达到了提高效率、效益和节约能源的目的，实现了稻麦收获和秸秆打捆一体化复式作业，减少了作业工序，降低了秸秆收集成本[4]，提高了生产效率和经济效益，为秸秆餐具的制备提供了原材料。

2.2 秸秆纤维提取

针对稻麦秸秆联合收获打捆成套的小麦秸秆，通过近红外光谱快速分析法测定其含量，以确定后续步骤碱的使用量，采用机械切割的方式将其切成小段以待用。对初步处理的秸秆段进行浸泡脱胶处理，并按一定比例对每秸秆加水、烧碱进行碱煮，以弥补人工脱胶的不足，在碱化锅中每1 min 翻动1 次，至手搓成烟丝状，即可漂洗[5]。脱胶后的原料在稀盐酸溶液里浸渍，以中和纤维中的残存碱，获取秸秆纤维。

2.3 产品原料

一次性秸秆餐具原材料按质量分为秸秆纤维浆、质量分数为27%的双氧水、阳离子型中性施胶剂和防油剂，所述秸秆纤维浆由秸秆纤维和水组成。将85份秸秆纤维浆、85 份质量分数为27%的双氧水、2 份阳离子型中性施胶剂和0.7 份防油剂搅拌均匀，然后放入成型机成型。

非一次性秸秆麦秆餐具的原料按质量分为小麦秸秆粉35 ～45 份；黏合剂35 ～40 份；填充剂8 ～10份；助剂0.2 ～0.3 份；防油剂5 ～6 份；防水剂6 ～9份；水10 ～15 份；产品原料中小麦秸秆粉的粒度为90 ～100 目。所述黏合剂为聚乳酸和淀粉的混合物，具体质量比为10 ～15:20 ～25。其中，聚乳酸的粒度为90 ～100 目，所述淀粉为玉米淀粉；填充剂为滑石粉，其粒径为300 ～500 目；助剂为硅烷偶联剂。

2.4 生产工艺

秸小楠一次性可降解秸秆餐具和非一次性秸秆餐具具有2 套不同的生产工艺。

2.4.1 一次性可降解秸秆餐具

将85 份秸秆纤维浆、85 份质量分数为27%的双氧水、2 份阳离子型中性施胶剂和0.7 份防油剂，搅拌均匀，然后放入成型机成型，经定型机定型后,切边、消毒得到一次性餐具。将成型一次性餐具,置入烘干窑中进行烘干，窑中温度控制在80 ～120 ℃，保持2 h，自然冷却达到室温后，出窑逐个进行检验、整修，将生产完毕的一次性餐具排放在消毒柜中，用紫外线灯杀菌，然后包装,即制成可降解的一次性高档餐具。一次性可降解秸秆餐具与竞争对手相比结果见表1。

表1 一次性可降解秸秆餐具与竞争对手相比结果表

2.4.2 非一次性秸秆餐具

首先，将过90 ～100 目的小麦秸秆在高温揉搓机中反复揉搓，使其中玻璃态的木质素转变为凝胶态，利用高温环境进行脱色处理。然后，按质量分为35 ～45份处理后的小麦秸秆粉35 ～40 份黏合剂、8 ～10 份填充剂、0.2 ～0.3 份助剂和10 ～15 份水充分混合并搅拌均匀，以喷雾的形式加入防水剂和防油剂，提高产品的防水防油性能。最后，将混合料放入模具中一次热压成型，得到小麦秸秆餐具。这种方法提高了麦秆餐具的使用寿命，改良了产品在强度、韧度等方面的性能。

3 秸秆半纤维的乙醇化

在小麦秸秆处理中，对纤维进行了初步利用，但是秸秆提取纤维后的废液废渣中还含有较多秸秆纤维素、半纤维素等，在经过酶解后可生产较好的生产乙醇原材料五碳糖产品。因此，在对废渣和废液的初步处理中，主要以半纤维素为乙醇生产原料，降低成本。

将秸秆初步处理获得剩余纤维素的物料用浓酸（如浓度为50% ～98% 的浓硫酸、浓度为20.0%～37.2%的浓盐酸等）中和、调值到纤维素酶最适合作用的条件，然后酶解，通过酶解获取单糖。温度为45 ～55 ℃、酶解时间24 ～72 h。酶制剂为纤维素酶、纤维二糖酶、木聚糖酶、果胶酶或漆酶的一种或多种。经过酶解后的物料不需要过滤，将其直接导入发酵罐中，加入酵母。对其进行发酵，生产乙醇，同时酶制剂继续发挥酶解作用，实现同步糖化发酵。发酵温度为25 ～42 ℃、发酵时间为36 ～120 h。发酵液固形物浓度为5%～25%，酵母接种量为0.1%～10.0%，发酵后酒精浓度为2%～8%。所用酵母为毕赤酵母、休哈塔假丝酵母、普通酿酒酵母或基因工程酿酒酵母的一种。将经过发酵后的物料，导入蒸馏设备中进行蒸馏，得到乙醇和废渣液。将得到的废渣液接种高温活性污泥进行厌氧发酵，得到沼气和消化渣液[6]。

4 秸秆生物质炭的生产

清液经处理达标后排出，固渣经上料系统送入内筒、外筒以及介于二者之间的夹腔内的外热旋转式干燥炉内，在15 ℃的温度下，将废渣放入干燥炉内筒预热烘干。

生物质热解技术是生物质热化学转化技术中的一种，是将生物质原料切碎或成型，将其在有限的氧气环境中加热升温，引起分子内部分解，从而形成生物质炭、生物油以及不可凝结气体产物等，是一种对生物质进行热化学转化的技术。生物质炭目前应用领域主要包括固碳减排、水源净化、重金属吸附和土壤改良等，可作为优质能源、土壤改良剂，也可作为还原剂、肥料缓释载体和二氧化碳封存等。通过自然界热裂解的基本原理，秸秆废弃物生物质热裂解工程技术考虑在达到安全处置要求的同时，通过特定反应器的水分、温度、氧气、速率等条件控制，伴随人为条件，使废弃物的生物质得到一定范围的能源、炭质和营养物质的热裂解，实现快速、高效的热裂解。废弃物生物质热裂解工程系统主要包括原料处理模块、炭化窑核心模块和产物分离产出模块等，采用初步脱水、高温(温度需超过300 ℃)热解，并且杀灭病原微生物、破坏药残等有机污染物分子、破解生物残体有机质、聚合或缩合部分小分子有机物、离析矿质元素，最终化合为矿物质等，同时吸附、螯合，钝化重金属元素。生成物经过进一步冷却和分离，挥发析出有机分子，变成能使用的可燃气体；而非可燃挥发分子则冷却成生物质液体(木醋液)，其存在大量固态残渣，也就变成了生物质碳析出系统。

5 秸秆生物质炭复合肥及材料技术生产

秸秆生物质炭生产中裂解温度的确定，能够有效提高剩余秸秆废渣的利用，本文对裂解温度的确定进行了初步研究，通过红外线光谱仪对不同热解温度条件下小麦秸秆生物质炭的红外光谱曲线进行了分析，以确定合适的温度，提高生产产量，节约生产成本。

对乙醇化后的消化渣液进行压榨处理，得到清液和固渣，清液经处理达标后排出，固渣经上料系统送入内筒、外筒、夹于二者之间的外热旋转式干燥炉内的夹腔，在15 ℃的温度下，将废渣进入干燥炉内筒预热烘干。

经过烘干预热后的秸秆颗粒再输送到外热式旋转热解炉中，当然，炉中也有内筒、外筒和夹在两者之间的夹腔，在450 ℃下，秸秆颗粒进入内筒发生裂解，产生热裂解气和生物质炭。通过气固分离装置将生成的热裂解气和生物质炭分离，并将其输送到冷却状态，进而再获取生物质炭产品。将除尘器除尘处理后得到的热裂解气放入燃烧室燃烧，产生高温烟气。先将产生的高温烟气输送到旋转式热解炉的夹腔内，放出热量后，再输送到旋转式干燥炉内，提供热源，以烘干秸秆废渣。回转烘干炉的夹腔和内筒进入烟气。烘干炉内筒内烟气与废渣输送方向相向而行，完成空气置换，同时带离秸秆颗粒烘干产生的水蒸气，由烘干炉内筒出来的烟气输送到燃烧室，作为助燃空气进行热解气燃烧，烘干炉夹腔出来的烟气进入余热锅炉，再次回收利用热量，进行净化处理，达到排放标准后即可直接排入大气，其不会对环境造成污染。未来，在秸秆生物质炭产业上希望扩大生物质炭的方式，形成各种农业肥料的多联产产业链。