秸秆膨化技术及高效应用的研究

摘要 我国拥有丰富的秸秆资源，然而，其中大部分尚未得到有效开发利用，造成了资源的浪费。因此，秸秆膨化技术的发展及其高效利用成为不可回避的趋势。首先对农作物秸秆的主要成分进行了介绍，随后深入综述了螺杆膨化机的工作原理，详述了单螺杆、双螺杆和三螺杆膨化机在秸秆膨化领域的研究历程，并对各类膨化机的优劣进行了分析。同时，还对膨化过程中的影响因素进行了综合总结。根据秸秆膨化的应用，展望了秸秆在制浆、复合板材和乙醇方面的利用，为高效利用秸秆提供了理论指导。

关键词 秸秆；木质纤维；螺杆膨化机；乙醇；复合板材

中图分类号 S216.2  文献标识码 A  文章编号 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

基金项目 浙江省科技计划项目（2019C02073）。

作者简介 高丽红（1998—），女，山西五台人，硕士研究生，研究方向：生物基高分子材料。*通信作者，研究员，博士生导师，从事生物基高分子材料研究。

收稿日期 2023-11-21

作为农耕大国，我国秸秆资源也十分丰富，根据统计，我国全年的秸秆资源总产量约为10.4亿t。但由于没有先进的管理技术手段与配套的管理设施，大量的秸秆资源未能得到合理的开采和使用，大量农作物秸秆被任意丢弃或露天燃烧，不但导致能源损失，还会污染环境。

秸秆的主要成分是木质纤维，木质纤维原料产量丰富、来源广泛、成本较低，但是因其本身的复杂结构使分离过程变得困难，大量研究证明，预处理是实现秸秆木质纤维素原料中各组分充分利用的必要途径，膨化预处理可以破坏其致密的结构，使其发挥更广泛的作用。膨化机是膨化预处理的关键，主要有单螺杆膨化机、双螺杆膨化机及三螺杆膨化机，经过膨化机处理的秸秆可以用作饲料、用作肥料、制备复合板材、制乙醇及用作制浆等，农作物秸秆的综合利用对我国农业的绿色发展、循环经济和实现双碳目标具有重要意义。

1 木质纤维的组成与结构

木质纤维组成主要包括纤维素（占40%～50%）、半纤维素（占20%～40%）以及木质素［1］。在这些组分中，纤维素构成了生物质结构的骨架，被半纤维素和木质素所包裹［2］。而木质素则在其中扮演着对半纤维素和纤维素之间的保护层作用，它们通过氢键和醚键相互连接［3］。这3种成分紧密相互结合，一起组成了木纤维的复杂构造（图1）。

半纤维素，作为一种非均相聚合物，主要由葡糖醛酸木聚糖、葡甘聚糖以及其他数量较少的多糖构成［5］。其侧链糖基种类众多，与主链连接方式不同，因而呈现多样的结构和性能［6］。半纤维素易于水解为单糖，源于其聚合度较低且结晶结构较少［7］。

纤维素，构成植物细胞壁的主要成分，由均一的D-葡萄糖以β-1，4糖苷键连接而成［8］。其分解产物为葡萄糖，根据纤维素分子的聚集方式，可划分为结晶区和无定形区。结晶区纤维素排列有序、紧密，阻碍纤维素酶解，而无定形区纤维素易于水解［9］。

木质素呈高度交联的三维网络结构，包括愈创木基丙烷、紫丁香基丙烷和对羟苯基丙烷等基本结构单元（图2），其独特的C—C键交联导致脱除和解聚困难。木质素的复杂化学结构和不均匀性阻碍纤维素和半纤维素的酶解，成为木质纤维生物质高值化利用的障碍［11］。此外，木质素不仅阻止酶进入碳水化合物聚合物，还有报道显示其可吸附酶，通过使水解酶失活来阻止其进一步作用。

2 膨化设备及原理

2.1 膨化机的工作原理

膨化机运作时，物料通过进料口投入，随后经过套筒内旋转的螺杆连续输送。在运行过程中，螺杆、螺套壁和秸秆之间相互发生挤压、摩擦和剪切作用，将机械能直接转化为热能。在瞬间产生的高温高压环境下，膨化腔内的压力突然减小，导致秸秆急速喷射而出。此过程中，膨化作用破坏了秸秆表面的蜡质膜，引发秸秆纤维细胞壁的断裂，促使纤维素、半纤维素和木质素结构的解离，从而引发秸秆的物理和化学性质发生显著变化［12］。膨化过程还使秸秆内部形成多孔结构，同时体积会增大，从而形成膨化秸秆［13］。

2.2 膨化设备

各类膨化机的研究进展见表1，目前，秸秆膨化技术领域主要涉及单螺杆、双螺杆及三螺杆机型［22］。单螺膨化机以其较低的成本受到关注，但在处理大尺寸和高含水秸秆方面存在限制。双螺杆挤压膨化技术较单螺杆膨化机而言改进了混料和均化效果［23］，然而，双螺杆设备复杂，导致运维成本相对较高［24］。在实际应用中，单螺杆和双螺杆机型在膨化过程中普遍存在混料效果差、效率低以及能耗高等问题。此外，螺杆与槽壁的较大间距容易引发秸秆堵塞问题，影响设备的正常运行。与之相比，三螺杆膨化机实现了秸秆的短时高温挤压膨化，在生产效率、稳定性和防堵性方面表现更为优越。综上所述，秸秆膨化技术的发展趋势是朝着更高效、更稳定、更实用的方向迈进，以满足秸秆综合利用的需求。

3 膨化工艺

膨化秸秆的加工工艺见图3，影响挤压膨化产品质量的工艺参数涵盖物料含水量、加工温度、螺杆螺距、喂料速度、螺杆转速、喷嘴出口间隙、螺杆与套筒的间隙、套筒结构、物料粒度和模口直径等关键要素。

张祖立等［23］通过试验得出最佳参数组合：螺距41 mm、喷嘴出口间隙4 mm、秸秆物料粒度4 mm、秸秆物料含水率30％。膨化温度可达120～140 ℃，膨化压力约为1.8 MPa，生产率约为23 kg/h；王宏立等［24］通过建立BP神经网络模型，确定最佳参数组合：秸秆含水率30%、秸秆粒度4 mm、喷嘴出口间隙4 mm、螺杆螺距41 mm；赵凤芹等［25］在2008年发现，影响加工秸秆粗纤维含量的参数顺序为：螺杆转速>秸秆物料长度>秸秆物料含水率>机筒内壁温度>螺杆与机筒之间的间隙；鲁金莹［26］研究得出，膨化预处理稻草的最佳参数：物料含水率30%、螺杆转速120 r/min、挤压区温度181 ℃。

以上因素都会影响膨化效果，但还存在许多其他因素。这些因素之间相互影响、相互作用，膨化过程的机理极为复杂。尽管目前有一定理论基础，仍不能满足实际生产需求，无法建立适用于广泛情况的理论模型，因此需要不断开发适用的膨化试验设备，采用合理试验设计，探索适宜的机器结构和操作工艺参数。

4 膨化应用

4.1 饲料

随着畜牧业的迅速发展，饲料需求呈急剧增加之势，非粮型饲料的发展变得尤为迫切。在动物饲养中，粗饲料一直以来都以秸秆为主，然而，秸秆的质地粗糙且适口性差，导致家畜对其采食率和消化率相对较低，影响了秸秆作为饲料的有效应用。

邹向锋［27］研究表明，膨化处理可以提升适口性，增强免疫力，减少成本，降低细菌含量，有利于储存，降低疾病发生率。祁宏伟等［28］创新开发了玉米秸秆膨化微贮技术，能规模化加工，降低成本，提高饲料利用率和生产性能。奚小波等［29］的研究表明，螺杆转速130 r/min，出料段机筒温度150 ℃，物料含水率10%时得到的饲料综合质量较好。苑忠吕［30］提出秸秆膨化发酵罐头技术，将秸秆转化为高品质饲料。周如太等［31］研究表明，稻草膨化后，其中粗蛋白、粗脂肪和无氮浸出物含量分别比膨化前提高25.20%、24.50%和6.90%，粗纤维降低6.20%。王宏立等［32］证明挤压膨化提高了饲料的营养价值。崔树和［33］研究发现，膨化处理玉米秸秆的发酵饲料改善了黄牛瘤胃体外发酵效果，提高了生长性能、消化吸收和肉品质。王建军［34］研究表明，膨化发酵玉米秸秆饲料提高了动物采食量、生长性能、有益微生物，增加了饲料中蛋白质含量，提升了肉品质。侯沛君等［35］发现，膨化处理秸秆改善了湖羊的生长性能和氮利用率。

综合多项研究结果还表明，膨化技术可以打破秸秆中的粗纤维和木质纤维结构，相较于未经膨化的干秸秆，经过膨化的饲料具有诸多优势，包括营养丰富、易于消化和吸收、营养成分增加、利用率提高、成本降低、牲畜免疫力增强、肉质和奶质改善，乳脂率增加、蛋白质含量提高，以及胆固醇含量降低等。这些优点共同为畜牧业的可持续发展提供了广阔前景。

4.2 肥料

在秸秆还田方面，王鑫［36］指出，膨化能有效降低耕层土壤容重，促进有益细菌的增加、真菌数量的减少，同时提高土壤中的速效养分和有机质含量，特别是碱解氮与速效钾的增加，从而改善土壤结构。荣誉［37］研究表明，膨化发酵处理的玉米秸秆具有较高的粗蛋白质含量和较低的粗纤维含量，这使其营养价值更为优越。此外，汽爆膨化处理也被证明对作物种子的发芽和幼苗生长产生了积极影响［38］。白重阳等［39］的研究则表明，膨化秸秆还田量的不同处理对寒地水稻产量、品质和氮素利用产生不同影响，为寒地水稻秸秆的高效利用提供了技术支撑。这些研究结果强调了秸秆膨化技术在农田管理中的重要作用，旨在提高土壤肥力、改善作物品质和增加农作物产量。