鄉村振興背景下秸稈制品研發與設計

◎ 李曉楠，陳淑慧，席佳穎

（浙江經濟職業技術學院，浙江 杭州 310018）

隨著中國城市人口數量激增，網絡大數據平臺的運用以及線上購物、訂餐訂單量的增加和奶茶店迅速崛起的現狀下，外賣餐盒、吸管、快遞包裝填充物帶來的環境問題不容忽視，其回收處理帶來了嚴重的環境壓力[1]。所以，利用可降解的秸稈餐具代替不可降解的塑料制品也是一種具有重大意義的創舉[2]。此外，目前在市場上有相關產業從事傳統秸稈餐具的工作，但沒有對麥稈的特定品種進行選取，選用的麥稈魚龍混雜，工藝水準與質量都令人堪憂。

1 秸稈制品研發與設計

在秸稈制品的生產中，采用秸稈纖維制作纖維餐具、秸稈半纖維的乙醇化、廢渣的熱裂解生產生物質炭。為此，本文提出一種全量利用小麥秸稈制備纖維、乙醇、生物質炭的方法，旨在提供一種以小麥秸稈為原料，并全量利用小麥秸稈先通過堿處理提取纖維，再通過系列纖維素酶如葡聚糖內切酶、葡聚糖外切酶和β-葡萄糖苷酶降解纖維素和半纖維素生產五碳糖，利用酵母進行發酵生產乙醇，經過酶解后可生產較好的生產乙醇原材料五碳糖產品。通過熱裂解技術將廢渣（主要木質素）處理成生物質炭結合無機肥制作生物質炭復合肥的方法，達到秸稈成分的全利用，整個生產過程不會對環境造成污染，同時達到增加經濟效益的效果。此外，對秸稈廢渣進行炭化處理，利用連續式無煙秸稈炭化爐設備對秸稈廢渣進行處理，使炭化處理的過程中產生的廢氣循環進入碳化室中，秸稈廢渣持續受到高溫燃氣的影響，干餾炭化釋放揮發性焦油等，最終經過熱裂解技術處理變成可燃性無污染氣體[3]。

2 秸稈性纖維餐具的制備

2.1 秸稈處理

利用稻麥秸稈聯合收獲打捆成套設備將聯合收割機和打捆機組合成為復式作業機具，達到了提高效率、效益和節約能源的目的，實現了稻麥收獲和秸稈打捆一體化復式作業，減少了作業工序，降低了秸稈收集成本[4]，提高了生產效率和經濟效益，為秸稈餐具的制備提供了原材料。

2.2 秸稈纖維提取

針對稻麥秸稈聯合收獲打捆成套的小麥秸稈，通過近紅外光譜快速分析法測定其含量，以確定后續步驟堿的使用量，采用機械切割的方式將其切成小段以待用。對初步處理的秸稈段進行浸泡脫膠處理，并按一定比例對每秸稈加水、燒堿進行堿煮，以彌補人工脫膠的不足，在堿化鍋中每1 min 翻動1 次，至手搓成煙絲狀，即可漂洗[5]。脫膠后的原料在稀鹽酸溶液里浸漬，以中和纖維中的殘存堿，獲取秸稈纖維。

2.3 產品原料

一次性秸稈餐具原材料按質量分為秸稈纖維漿、質量分數為27%的雙氧水、陽離子型中性施膠劑和防油劑，所述秸稈纖維漿由秸稈纖維和水組成。將85份秸稈纖維漿、85 份質量分數為27%的雙氧水、2 份陽離子型中性施膠劑和0.7 份防油劑攪拌均勻，然后放入成型機成型。

非一次性秸稈麥稈餐具的原料按質量分為小麥秸稈粉35 ～45 份；黏合劑35 ～40 份；填充劑8 ～10份；助劑0.2 ～0.3 份；防油劑5 ～6 份；防水劑6 ～9份；水10 ～15 份；產品原料中小麥秸稈粉的粒度為90 ～100 目。所述黏合劑為聚乳酸和淀粉的混合物，具體質量比為10 ～15:20 ～25。其中，聚乳酸的粒度為90 ～100 目，所述淀粉為玉米淀粉；填充劑為滑石粉，其粒徑為300 ～500 目；助劑為硅烷偶聯劑。

2.4 生產工藝

秸小楠一次性可降解秸稈餐具和非一次性秸稈餐具具有2 套不同的生產工藝。

2.4.1 一次性可降解秸稈餐具

將85 份秸稈纖維漿、85 份質量分數為27%的雙氧水、2 份陽離子型中性施膠劑和0.7 份防油劑，攪拌均勻，然后放入成型機成型，經定型機定型后,切邊、消毒得到一次性餐具。將成型一次性餐具,置入烘干窯中進行烘干，窯中溫度控制在80 ～120 ℃，保持2 h，自然冷卻達到室溫后，出窯逐個進行檢驗、整修，將生產完畢的一次性餐具排放在消毒柜中，用紫外線燈殺菌，然后包裝,即制成可降解的一次性高檔餐具。一次性可降解秸稈餐具與競爭對手相比結果見表1。

表1 一次性可降解秸稈餐具與競爭對手相比結果表

2.4.2 非一次性秸稈餐具

首先，將過90 ～100 目的小麥秸稈在高溫揉搓機中反復揉搓，使其中玻璃態的木質素轉變為凝膠態，利用高溫環境進行脫色處理。然后，按質量分為35 ～45份處理后的小麥秸稈粉35 ～40 份黏合劑、8 ～10 份填充劑、0.2 ～0.3 份助劑和10 ～15 份水充分混合并攪拌均勻，以噴霧的形式加入防水劑和防油劑，提高產品的防水防油性能。最后，將混合料放入模具中一次熱壓成型，得到小麥秸稈餐具。這種方法提高了麥稈餐具的使用壽命，改良了產品在強度、韌度等方面的性能。

3 秸稈半纖維的乙醇化

在小麥秸稈處理中，對纖維進行了初步利用，但是秸稈提取纖維后的廢液廢渣中還含有較多秸稈纖維素、半纖維素等，在經過酶解后可生產較好的生產乙醇原材料五碳糖產品。因此，在對廢渣和廢液的初步處理中，主要以半纖維素為乙醇生產原料，降低成本。

將秸稈初步處理獲得剩余纖維素的物料用濃酸（如濃度為50% ～98% 的濃硫酸、濃度為20.0%～37.2%的濃鹽酸等）中和、調值到纖維素酶最適合作用的條件，然后酶解，通過酶解獲取單糖。溫度為45 ～55 ℃、酶解時間24 ～72 h。酶制劑為纖維素酶、纖維二糖酶、木聚糖酶、果膠酶或漆酶的一種或多種。經過酶解后的物料不需要過濾，將其直接導入發酵罐中，加入酵母。對其進行發酵，生產乙醇，同時酶制劑繼續發揮酶解作用，實現同步糖化發酵。發酵溫度為25 ～42 ℃、發酵時間為36 ～120 h。發酵液固形物濃度為5%～25%，酵母接種量為0.1%～10.0%，發酵后酒精濃度為2%～8%。所用酵母為畢赤酵母、休哈塔假絲酵母、普通釀酒酵母或基因工程釀酒酵母的一種。將經過發酵后的物料，導入蒸餾設備中進行蒸餾，得到乙醇和廢渣液。將得到的廢渣液接種高溫活性污泥進行厭氧發酵，得到沼氣和消化渣液[6]。

4 秸稈生物質炭的生產

清液經處理達標后排出，固渣經上料系統送入內筒、外筒以及介于二者之間的夾腔內的外熱旋轉式干燥爐內，在15 ℃的溫度下，將廢渣放入干燥爐內筒預熱烘干。

生物質熱解技術是生物質熱化學轉化技術中的一種，是將生物質原料切碎或成型，將其在有限的氧氣環境中加熱升溫，引起分子內部分解，從而形成生物質炭、生物油以及不可凝結氣體產物等，是一種對生物質進行熱化學轉化的技術。生物質炭目前應用領域主要包括固碳減排、水源凈化、重金屬吸附和土壤改良等，可作為優質能源、土壤改良劑，也可作為還原劑、肥料緩釋載體和二氧化碳封存等。通過自然界熱裂解的基本原理，秸稈廢棄物生物質熱裂解工程技術考慮在達到安全處置要求的同時，通過特定反應器的水分、溫度、氧氣、速率等條件控制，伴隨人為條件，使廢棄物的生物質得到一定范圍的能源、炭質和營養物質的熱裂解，實現快速、高效的熱裂解。廢棄物生物質熱裂解工程系統主要包括原料處理模塊、炭化窯核心模塊和產物分離產出模塊等，采用初步脫水、高溫(溫度需超過300 ℃)熱解，并且殺滅病原微生物、破壞藥殘等有機污染物分子、破解生物殘體有機質、聚合或縮合部分小分子有機物、離析礦質元素，最終化合為礦物質等，同時吸附、螯合，鈍化重金屬元素。生成物經過進一步冷卻和分離，揮發析出有機分子，變成能使用的可燃氣體；而非可燃揮發分子則冷卻成生物質液體(木醋液)，其存在大量固態殘渣，也就變成了生物質碳析出系統。

5 秸稈生物質炭復合肥及材料技術生產

秸稈生物質炭生產中裂解溫度的確定，能夠有效提高剩余秸稈廢渣的利用，本文對裂解溫度的確定進行了初步研究，通過紅外線光譜儀對不同熱解溫度條件下小麥秸稈生物質炭的紅外光譜曲線進行了分析，以確定合適的溫度，提高生產產量，節約生產成本。

對乙醇化后的消化渣液進行壓榨處理，得到清液和固渣，清液經處理達標后排出，固渣經上料系統送入內筒、外筒、夾于二者之間的外熱旋轉式干燥爐內的夾腔，在15 ℃的溫度下，將廢渣進入干燥爐內筒預熱烘干。

經過烘干預熱后的秸稈顆粒再輸送到外熱式旋轉熱解爐中，當然，爐中也有內筒、外筒和夾在兩者之間的夾腔，在450 ℃下，秸稈顆粒進入內筒發生裂解，產生熱裂解氣和生物質炭。通過氣固分離裝置將生成的熱裂解氣和生物質炭分離，并將其輸送到冷卻狀態，進而再獲取生物質炭產品。將除塵器除塵處理后得到的熱裂解氣放入燃燒室燃燒，產生高溫煙氣。先將產生的高溫煙氣輸送到旋轉式熱解爐的夾腔內，放出熱量后，再輸送到旋轉式干燥爐內，提供熱源，以烘干秸稈廢渣。回轉烘干爐的夾腔和內筒進入煙氣。烘干爐內筒內煙氣與廢渣輸送方向相向而行，完成空氣置換，同時帶離秸稈顆粒烘干產生的水蒸氣，由烘干爐內筒出來的煙氣輸送到燃燒室，作為助燃空氣進行熱解氣燃燒，烘干爐夾腔出來的煙氣進入余熱鍋爐，再次回收利用熱量，進行凈化處理，達到排放標準后即可直接排入大氣，其不會對環境造成污染。未來，在秸稈生物質炭產業上希望擴大生物質炭的方式，形成各種農業肥料的多聯產產業鏈。

6 結語

秸稈制品研發和設計與傳統技術相比，秸稈餐具具有生產成本低、經濟效益高、產品性能高、降解速度快的優勢，而在整個生產方面，我們的核心技術使得整個生產過程不產生浪費和污染，所有廢液、廢渣均為可自然降解物質，解決了秸稈利用過程中產生的環境問題。