蒸汽弹射爆破

蒸汽爆破

蒸汽爆破即汽爆（Steam Explosion），是应用蒸汽弹射原

理实现的爆炸过程对生物质进行预处理的一种技术。其

技术本质为：将渗进植物组织内部的蒸汽分子瞬时释放

完毕，使蒸汽内能转化为机械能并作用于生物质组织细

胞层间，从而用较少的能量将原料按目的分解。由于其

既避免了化学处理的二次污染问题，又解决了目前生物

处理效率低的问题，是生物质转化领域最有前景的预处

理技术。。

中文名：蒸汽爆破

外文名：Steam Explosion

类型：自然现象

发生对象：生物质，植物

作用：结构重排

主要介绍

植物细胞中的纤维为木素所粘结，与高温、高压蒸汽作用下，纤维素结晶度提高，聚合度下降，半纤维素部分降解，木素软化，横向连结强度下降，甚至软化可塑，当充满压力蒸汽的物料骤然减压时，孔隙中的气剧膨胀，产生“爆破”效果，可部分剥离木素，并将原料撕裂为细小纤维。

可以认为，在蒸汽爆破过程中存在以下几方面作用：

①类酸性水解作用及热降解作用：蒸汽爆破过程中，高压热蒸汽进入纤维原料中，并渗入纤维内部的空隙。由于水蒸汽和热的联合作用产生纤维原料的类酸性降解以及热降解，低分子物质溶出，纤维聚合度下降。

②类机械断裂作用：在高压蒸汽释放时，已渗入纤维内部的热蒸汽分子以气流的方式从较封闭的孔隙中高速瞬间释放出来，纤维内部及周围热蒸汽的高速瞬间流动，使纤维发生一定程度上的机械断裂。这种断裂不仅表现为纤维素大分子中的键断裂，还原端基增加，纤维素内部氢键的破坏，还表现为无定形区的破坏和部分结晶区的破坏。

③氢键破坏作用：在蒸汽爆破过程中，水蒸汽渗入纤维各孔隙中并与纤维素分子链上的部分羟基形成氢键。同时高温、高压、含水的条件又会加剧对纤维素内部氢键的破坏，游离出新的羟基，增加了纤维素的吸附能力。瞬间泄压爆破使纤维素内各孔隙间的水蒸汽瞬间排除到空气中，打断了纤维素内的氢键。分子内氢键断裂同时纤维素被急速冷却至室温，使得纤维素超分子结构被“冻结”，只有少部分的氢键重组。这样使溶剂分子容易进入片层间，而渗入的溶剂进一步与纤维素大分子链进行溶剂化，并引起残留分子内氢键的破坏，加速了葡萄糖环基的运动，最后导致其它晶区的完全破坏，直至完全溶解。

④结构重排作用：在高温、高压下，纤维素分子内氢键受到一定程度的破坏，纤维素链的可动性增加，有利于纤维素向有序结构变化[1]。同时，纤维素分子链的断裂，使纤维素链更容易再排列。[2]

汽爆设备原理

传统的汽爆工艺是1928年由W H Mason发展起来的。但从爆破的物理意义来衡量时，这种方法不能称之为爆破，而应该称之为蒸汽热喷放技术。所谓热喷放技术通常是指将高温高压蒸煮过的物料经快放阀释放至常压接收容器的过程。由于物料时依次通过快放阀门，故释放出物料的爆破压力随经过阀门的先后依次降低，更重要的是被爆植物组织内部蒸汽的能量不能以爆的形式瞬间释放，而是从植物组织内逐渐释放。[3]

除了这种技术之外，目前还存在另外一种所谓的”蒸汽爆破“技术即膨化技术。这是食品工业上经常采用的处理膨化食品的一种方法，即螺杆挤压膨化食品加工技术。由于上述两种技术均不符合”爆破“的物理定义，因此不属”蒸汽爆破“范畴。[3]

1、汽爆设备的必备属性

爆的物理概念为：能量在短时间突发性全部释放完毕。在化学反应、核反应以及物理减压过程，衡量其突发性的表征之一便是看其在能量释放时是否伴有“炸响”声即伴随冲击

波产生，其反应过程在毫秒级时间内完成。比如鞭炮装以少量火药便可将本体炸碎，同时伴随有清脆而响亮的鞭炮声。烟花尽管装药量比鞭炮多，但由于火药能量释放是长时间依次释放形式，故不能将本体炸碎。

因此，无论是炸药还是压力容器所产生的爆破，只有具备了突发性炸响声，可产生爆破冲击波才属于物理意义上的真正的爆破。与此不同，一些通过打开快放阀门，使容器内压力迅速降低的减压过程由于没有产生毫秒级冲击波，参与反应物料是依次按前后顺序从高压向低压反应释放平衡，故不会产生剧烈的炸响声，减压过程远未达到毫秒级将全部容器内物料降为常压，均不具备爆破及蒸汽爆碎的必备条件。这些做功过程由于时间较长，不产生瞬间大功率，也就无法达到爆破所预期的物理化学效果。

如果将快速打开与容器相连阀门的过程，定义为蒸汽爆破或定义为蒸汽爆破的另一种形式，则将会引起大规模改写目前世界各国教科书中关于“爆”的公认物理学定义。因此，汽爆设备的必备属性首先应满足爆破（放气）时间的最大限值。由于秸秆等草本类物质的蒸汽渗透时间一般小于1秒，因此，对于汽爆设备的放气时间不能大于0.1秒，才能够产生压差，

破坏纤维素的晶格结构，产生真正的汽爆作用。目前广泛使用的弹射式汽爆设备的爆破时间为0.00875秒，已具备了这一必要条件。[4]

2、汽爆设备的工艺参数

汽爆工艺的主要参数——物料内因与设备外因

2.1 物料内因

物料内因大致可包括：物料种类及组织成分、含水率、预浸泡、化学预处理、粉碎程度、流动性等。物料种类的选择是课题选向的根本，其组织成分、生长特点、收获产量、适宜种植地区均应充分考虑。

含水率则是一项易被忽视的重要因素，因为它并不单纯是计算干物质的依据，还影响到生产实施中的生物质收获模式、运输方式、贮存方式。此外，由于植物组织细胞内水分对汽爆结果有着直接而重要的影响，含水率还会对汽爆设备工艺参数产生重要影响。预浸泡与化学预处理实质是与汽爆手段复合在一起的其他预处理方式，也是最为常见的对比实验内容。

粉碎程度与流动性是相互关联的两个因素，在大部分情况下对汽爆结果产生的影响较小。但在规模生产时，这两个因素会对汽爆设备实际产量、配套粉碎设备型式、粉碎功耗、物

流输送设备型式等工业设计参数产生关键影响。为了保持与工业生产环境一致，在汽爆实验时也应采用相同条件。

2.2 设备外因

设备外因包括：蒸汽压力（温度）、蒸汽成分、维压时间、爆破（放气）时间等。这些因素也是狭义上的汽爆工艺参数。其中蒸汽压力与维压时间可受使用者调控，是实验中最常见的主要对比参数。

爆破（放气）时间则是设备固有参数。由于这一参数是由汽爆设备自身结构型式确定的，往往会被忽视。依据汽爆原理，在同等的能量下为了取得最大的爆破功率，则需要爆破（放气）时间趋近于零。因此在同等的蒸汽压力与维压时间下，不同的汽爆设备会因其自身不同的爆破（放气）时间而产生不同的预处理效果。所以，在更为规范和完整的汽爆工艺参数表达形式中应加入对爆破（放气）时间或蒸汽爆破设备型式的记录和描述。

总之，上述参数的实验目标指向则由物料转化方向譬如纤维乙醇、麻类脱胶、木糖制取、造纸等不同课题方向决定，并据此对不同参数组合的实验结果做出评价。[4]

3、汽爆设备的选型及分类

实际上，由于早期汽爆设备的技术发展尚不成熟，而将阀门喷放式或螺杆挤出式的设备称为汽爆设备是不准确的。这些