秸稈膨化技術及高效應用的研究

摘要 我國擁有豐富的秸稈資源，然而，其中大部分尚未得到有效開發利用，造成了資源的浪費。因此，秸稈膨化技術的發展及其高效利用成為不可回避的趨勢。首先對農作物秸稈的主要成分進行了介紹，隨后深入綜述了螺桿膨化機的工作原理，詳述了單螺桿、雙螺桿和三螺桿膨化機在秸稈膨化領域的研究歷程，并對各類膨化機的優劣進行了分析。同時，還對膨化過程中的影響因素進行了綜合總結。根據秸稈膨化的應用，展望了秸稈在制漿、復合板材和乙醇方面的利用，為高效利用秸稈提供了理論指導。

關鍵詞 秸稈；木質纖維；螺桿膨化機；乙醇；復合板材

中圖分類號 S216.2 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）14-0006-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.14.002

Research on Straw Bulking Technology and Its Efficient Application

GAO Li-hong1，2，ZHAO Xin-peng2， ZHOU Qing-bo2 et al

（1.School of Materials Science and Engineering， Taiyuan University of Science and Technology， Taiyuan，Shanxi 030024;2.Ningbo Institute of Materials Technology & Engineering， Chinese Academy of Sciences， Ningbo，Zhejiang 315201）

Abstract China has abundant straw resources，however，most of them have not been effectively developed and utilised，resulting in a waste of resources.Therefore，the development of straw puffing technology and its efficient use has become an unavoidable trend.This paper firstly introduces the main components of crop straw，then gives an in-depth overview of the working principle of screw extruder，details the research history of single-screw，twin-screw and three-screw extruders in the field of straw extrusion，and analyses the advantages and disadvantages of various types of extruders.At the same time，a comprehensive summary of the influencing factors in the expansion process is also presented.Based on the application of straw bulking，the article looks forward to the utilisation of straw in pulping，composite boards and ethanol，providing theoretical guidance for the efficient utilisation of straw.

Key words Straw;Wood fibre;Screw expander;Ethanol;Composite panels

基金項目 浙江省科技計劃項目（2019C02073）。

作者簡介 高麗紅（1998—），女，山西五臺人，碩士研究生，研究方向：生物基高分子材料。*通信作者，研究員，博士生導師，從事生物基高分子材料研究。

收稿日期 2023-11-21

作為農耕大國，我國秸稈資源也十分豐富，根據統計，我國全年的秸稈資源總產量約為10.4億t。但由于沒有先進的管理技術手段與配套的管理設施，大量的秸稈資源未能得到合理的開采和使用，大量農作物秸稈被任意丟棄或露天燃燒，不但導致能源損失，還會污染環境。

秸稈的主要成分是木質纖維，木質纖維原料產量豐富、來源廣泛、成本較低，但是因其本身的復雜結構使分離過程變得困難，大量研究證明，預處理是實現秸稈木質纖維素原料中各組分充分利用的必要途徑，膨化預處理可以破壞其致密的結構，使其發揮更廣泛的作用。膨化機是膨化預處理的關鍵，主要有單螺桿膨化機、雙螺桿膨化機及三螺桿膨化機，經過膨化機處理的秸稈可以用作飼料、用作肥料、制備復合板材、制乙醇及用作制漿等，農作物秸稈的綜合利用對我國農業的綠色發展、循環經濟和實現雙碳目標具有重要意義。

1 木質纖維的組成與結構

木質纖維組成主要包括纖維素（占40%～50%）、半纖維素（占20%～40%）以及木質素［1］。在這些組分中，纖維素構成了生物質結構的骨架，被半纖維素和木質素所包裹［2］。而木質素則在其中扮演著對半纖維素和纖維素之間的保護層作用，它們通過氫鍵和醚鍵相互連接［3］。這3種成分緊密相互結合，一起組成了木纖維的復雜構造（圖1）。

半纖維素，作為一種非均相聚合物，主要由葡糖醛酸木聚糖、葡甘聚糖以及其他數量較少的多糖構成［5］。其側鏈糖基種類眾多，與主鏈連接方式不同，因而呈現多樣的結構和性能［6］。半纖維素易于水解為單糖，源于其聚合度較低且結晶結構較少［7］。

纖維素，構成植物細胞壁的主要成分，由均一的D-葡萄糖以β-1，4糖苷鍵連接而成［8］。其分解產物為葡萄糖，根據纖維素分子的聚集方式，可劃分為結晶區和無定形區。結晶區纖維素排列有序、緊密，阻礙纖維素酶解，而無定形區纖維素易于水解［9］。

木質素呈高度交聯的三維網絡結構，包括愈創木基丙烷、紫丁香基丙烷和對羥苯基丙烷等基本結構單元（圖2），其獨特的C—C鍵交聯導致脫除和解聚困難。木質素的復雜化學結構和不均勻性阻礙纖維素和半纖維素的酶解，成為木質纖維生物質高值化利用的障礙［11］。此外，木質素不僅阻止酶進入碳水化合物聚合物，還有報道顯示其可吸附酶，通過使水解酶失活來阻止其進一步作用。

2 膨化設備及原理

2.1 膨化機的工作原理

膨化機運作時，物料通過進料口投入，隨后經過套筒內旋轉的螺桿連續輸送。在運行過程中，螺桿、螺套壁和秸稈之間相互發生擠壓、摩擦和剪切作用，將機械能直接轉化為熱能。在瞬間產生的高溫高壓環境下，膨化腔內的壓力突然減小，導致秸稈急速噴射而出。此過程中，膨化作用破壞了秸稈表面的蠟質膜，引發秸稈纖維細胞壁的斷裂，促使纖維素、半纖維素和木質素結構的解離，從而引發秸稈的物理和化學性質發生顯著變化［12］。膨化過程還使秸稈內部形成多孔結構，同時體積會增大，從而形成膨化秸稈［13］。

2.2 膨化設備

各類膨化機的研究進展見表1，目前，秸稈膨化技術領域主要涉及單螺桿、雙螺桿及三螺桿機型［22］。單螺膨化機以其較低的成本受到關注，但在處理大尺寸和高含水秸稈方面存在限制。雙螺桿擠壓膨化技術較單螺桿膨化機而言改進了混料和均化效果［23］，然而，雙螺桿設備復雜，導致運維成本相對較高［24］。在實際應用中，單螺桿和雙螺桿機型在膨化過程中普遍存在混料效果差、效率低以及能耗高等問題。此外，螺桿與槽壁的較大間距容易引發秸稈堵塞問題，影響設備的正常運行。與之相比，三螺桿膨化機實現了秸稈的短時高溫擠壓膨化，在生產效率、穩定性和防堵性方面表現更為優越。綜上所述，秸稈膨化技術的發展趨勢是朝著更高效、更穩定、更實用的方向邁進，以滿足秸稈綜合利用的需求。

3 膨化工藝

膨化秸稈的加工工藝見圖3，影響擠壓膨化產品質量的工藝參數涵蓋物料含水量、加工溫度、螺桿螺距、喂料速度、螺桿轉速、噴嘴出口間隙、螺桿與套筒的間隙、套筒結構、物料粒度和模口直徑等關鍵要素。

張祖立等［23］通過試驗得出最佳參數組合：螺距41 mm、噴嘴出口間隙4 mm、秸稈物料粒度4 mm、秸稈物料含水率30％。膨化溫度可達120～140 ℃，膨化壓力約為1.8 MPa，生產率約為23 kg/h；王宏立等［24］通過建立BP神經網絡模型，確定最佳參數組合：秸稈含水率30%、秸稈粒度4 mm、噴嘴出口間隙4 mm、螺桿螺距41 mm；趙鳳芹等［25］在2008年發現，影響加工秸稈粗纖維含量的參數順序為：螺桿轉速>秸稈物料長度>秸稈物料含水率>機筒內壁溫度>螺桿與機筒之間的間隙；魯金瑩［26］研究得出，膨化預處理稻草的最佳參數：物料含水率30%、螺桿轉速120 r/min、擠壓區溫度181 ℃。

以上因素都會影響膨化效果，但還存在許多其他因素。這些因素之間相互影響、相互作用，膨化過程的機理極為復雜。盡管目前有一定理論基礎，仍不能滿足實際生產需求，無法建立適用于廣泛情況的理論模型，因此需要不斷開發適用的膨化試驗設備，采用合理試驗設計，探索適宜的機器結構和操作工藝參數。

4 膨化應用

4.1 飼料

隨著畜牧業的迅速發展，飼料需求呈急劇增加之勢，非糧型飼料的發展變得尤為迫切。在動物飼養中，粗飼料一直以來都以秸稈為主，然而，秸稈的質地粗糙且適口性差，導致家畜對其采食率和消化率相對較低，影響了秸稈作為飼料的有效應用。

鄒向鋒［27］研究表明，膨化處理可以提升適口性，增強免疫力，減少成本，降低細菌含量，有利于儲存，降低疾病發生率。祁宏偉等［28］創新開發了玉米秸稈膨化微貯技術，能規模化加工，降低成本，提高飼料利用率和生產性能。奚小波等［29］的研究表明，螺桿轉速130 r/min，出料段機筒溫度150 ℃，物料含水率10%時得到的飼料綜合質量較好。苑忠呂［30］提出秸稈膨化發酵罐頭技術，將秸稈轉化為高品質飼料。周如太等［31］研究表明，稻草膨化后，其中粗蛋白、粗脂肪和無氮浸出物含量分別比膨化前提高25.20%、24.50%和6.90%，粗纖維降低6.20%。王宏立等［32］證明擠壓膨化提高了飼料的營養價值。崔樹和［33］研究發現，膨化處理玉米秸稈的發酵飼料改善了黃牛瘤胃體外發酵效果，提高了生長性能、消化吸收和肉品質。王建軍［34］研究表明，膨化發酵玉米秸稈飼料提高了動物采食量、生長性能、有益微生物，增加了飼料中蛋白質含量，提升了肉品質。侯沛君等［35］發現，膨化處理秸稈改善了湖羊的生長性能和氮利用率。

綜合多項研究結果還表明，膨化技術可以打破秸稈中的粗纖維和木質纖維結構，相較于未經膨化的干秸稈，經過膨化的飼料具有諸多優勢，包括營養豐富、易于消化和吸收、營養成分增加、利用率提高、成本降低、牲畜免疫力增強、肉質和奶質改善，乳脂率增加、蛋白質含量提高，以及膽固醇含量降低等。這些優點共同為畜牧業的可持續發展提供了廣闊前景。

4.2 肥料

在秸稈還田方面，王鑫［36］指出，膨化能有效降低耕層土壤容重，促進有益細菌的增加、真菌數量的減少，同時提高土壤中的速效養分和有機質含量，特別是堿解氮與速效鉀的增加，從而改善土壤結構。榮譽［37］研究表明，膨化發酵處理的玉米秸稈具有較高的粗蛋白質含量和較低的粗纖維含量，這使其營養價值更為優越。此外，汽爆膨化處理也被證明對作物種子的發芽和幼苗生長產生了積極影響［38］。白重陽等［39］的研究則表明，膨化秸稈還田量的不同處理對寒地水稻產量、品質和氮素利用產生不同影響，為寒地水稻秸稈的高效利用提供了技術支撐。這些研究結果強調了秸稈膨化技術在農田管理中的重要作用，旨在提高土壤肥力、改善作物品質和增加農作物產量。

秸稈膨化技術在直接還田過程中展現出顯著的改善效果，有助于解決諸如出苗效果不佳、返青期延長、病蟲害增多等問題。膨化處理能夠顯著增加微生物和消化酶與秸稈之間的接觸面積，從而有效提升腐熟效率、改良土壤板結情況。這一過程進而刺激土壤肥力的增強，直接導致產量提升。這一創新技術的引入不僅可實現農民經濟效益的顯著提升，同時也有助于確保農業的可持續發展。

4.3 復合板材

羅鵬等［40］首次提出了一種創新的方法，即采用膨化預處理的稻草作為原料，結合脲醛樹脂（UF）膠黏劑制造稻草刨花板。研究顯示，經過膨化預處理的稻草制備的刨花板具有明顯提高的強度性能。隨著預處理條件的增強，稻草刨花板的物理力學性能相應增強。在特定的預處理條件下，如溫度為160 ℃，停留時間為6 min，或者溫度為170 ℃，停留時間分別為4和6 min，制備的稻草刨花板符合國家標準GB/T4897—2003對強度性能的要求。

馮彥洪等［41］采用膨化處理后的稻稈制備了無膠板，從而顯著提高了無膠板的物理和機械性能。研究表明，經過膨化處理的稻稈制備的無膠板的靜曲強度和彈性模量分別提高了142.02%和196.78%，而2 h吸水厚度膨脹率則下降了65.48%。

趙鑫鵬等［42］將膨化后的玉米秸稈與聚丙烯（PP）復配，制備了復合板材。研究結果顯示，采用添加了水性聚丙烯酸乳液（AC）和水性乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）乳液膨化玉米秸稈制備的復合板材，其物理機械性能在沖擊韌性方面顯著提高，沖擊韌性強度分別提高了156.74%和100.98%，而拉伸強度分別提高了83.42%和12.03%。

這些研究成果表明，通過膨化技術的應用，可以有效提升秸稈和其他材料制備的板材的性能，從而為生產和應用提供了可行的方法和技術支持。

4.4 乙醇

燃料乙醇作為一種可再生的清潔能源，在減少環境污染方面具有重要作用，用秸稈作為乙醇生產原料具有顯著意義，其中微生物可利用的關鍵化合物為還原糖，其發酵產乙醇，產量與還原糖含量成正比。

倫曉中等［43］通過膨化預處理結合纖維素酶水解工藝，研究表明最優條件下，還原糖轉化率可達28.98%。寇巍等［44］的研究表明，膨化預處理技術使還原糖轉化率從13.48%提高到24.91%。王曉明等［45］通過膨化預處理提高了玉米秸稈酶解率，最佳條件為48 h、含氮質量分數0.25%、33 ℃、釀酒酵母與畢赤酵母體積比3∶7，乙醇質量濃度可達10.2 g/L。趙鵬翔等［46］研究了磷酸預浸對玉米秸稈膨化預處理生產纖維素乙醇的效果，最佳預處理溫度為190 ℃。任天寶等［47］發現，汽爆膨化能提高酶解產糖率，隨著壓強和維壓時間增加，還原糖產量增加。王曉龍等［48］研究了汽爆膨化預處理對玉米秸稈的影響，最佳條件為1.2 MPa、10 min維壓時間，纖維素含量為34.42%、半纖維素4.01%、木質素17.09%、纖維素酶水解得率為68.3%，從而提升了玉米秸稈纖維素乙醇的市場競爭力。這些研究共同表明，膨化預處理技術在提高秸稈乙醇產率方面具有潛在的應用前景。

4.5 制漿

紙制品在現代社會扮演著不可替代的角色，廣泛應用于教育、通信、包裝、文化傳承等領域，成為社會發展和人類生活的重要基礎。然而，我國的森林覆蓋率較低，木材資源匱乏，難以滿足不斷增長的紙制品需求，因此，開發和利用非木材纖維原料顯得尤為迫切［49］。在此背景下，將農業廢棄物秸稈作為造紙纖維原料進行造紙不僅可以減少資源浪費和環境污染，還能增加經濟效益［50］。

牛司鵬等［51］對未經膨化和經膨化預處理的玉米秸稈進行了纖維形態和化學組分的分析對比，并初步研究了膨化預處理玉米秸稈在硫酸鹽法制漿中的性能。研究結果顯示，在膨化預處理后，玉米秸稈的纖維素含量增加，而半纖維素和木質素減少。此外，在蒸煮過程中，膨化預處理還減少了化學藥品的使用量，提高了紙漿的得率。在特定的工藝條件下，膨化預處理玉米秸稈的硫酸鹽法制漿得率提高了9.9%，高錳酸鉀值降低了3.1%，而抗張指數、撕裂指數和耐破指數分別降低了7.2%、9.8%和5.5%。

此外，周曉瑩等［52］的研究成果也證實，膨化過程中可以導致部分木素的脫落，從而造成纖維疏松分離，但并不會對纖維素的結晶區產生影響。在造紙過程中，將膨化稻草漿與廢紙漿混合配抄成紙時，膨化漿占比20%～30%即可獲得符合要求的紙。這些研究結果共同表明，利用膨化處理的秸稈作為纖維原料進行造紙是一種可行的途徑，能夠有效提高資源利用效率和環境友好性。

5 總結與展望

隨著膨化技術的演進，從單螺桿到雙螺桿再到三螺桿膨化機的創新，實現了對秸稈的高效短時及高溫膨化，有效提升生產效率、穩定機器運行、降低震動危害和防止堵塞現象。秸稈膨化是綜合利用領域的革命性發展，為該行業帶來了新的轉折點，因此對三螺桿膨化技術進行更深入研究具有重要意義。

從總體看，秸稈膨化技術的發展趨勢明顯，其應用范圍主要體現在飼料、肥料、復合板材、乙醇及制漿等領域。經過膨化處理的秸稈在飼料和肥料方面可提升其營養價值，促進家畜的消化和吸收效率；通過膨化技術生產乙醇有助于提高經濟效益；而經膨化的秸稈纖維在工業上取得突破，可用于造紙和復合板材等領域。未來，膨化秸稈的發展應著重于造紙和復合板材等高附加值方向，通過秸稈膨化漿取代廢紙漿，實現高值化利用，同時通過膨化技術結合其他材料制備的復合板材能夠滿足特定性能要求，廣泛應用于多個領域，進一步提升秸稈的附加值。

總之，高效利用秸稈不僅可以解決焚燒帶來的環境問題，還有助于農民增收致富。然而，目前秸稈膨化技術整體水平仍有待提高，關鍵技術和裝備存在不足，成為規模化、商品化、產業化利用的制約因素。因此，通過研究膨化過程中的關鍵條件，提高膨化利用率，增加附加值，從而實現規模化、商品化、產業化將成為未來的重要任務。

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