一種利用二氧化硫保藏農(nóng)作物秸稈的方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用二氧化硫保藏農(nóng)作物秸桿的方法及應(yīng)用，屬于生物能源及農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]作為甘蔗的相似能源作物，甜高粱莖桿中含有大量可發(fā)酵糖可供生產(chǎn)燃料乙醇。此外，甜高粱生長周期僅為3?4個月(甘蔗為12?13個月)，抗逆性強(qiáng)適種于邊際土地，對干旱、水澇、低溫、鹽堿地等均具有較強(qiáng)耐受性，故甜高粱與甘蔗相比具有更廣的種植范圍及作為世界性能源作物的巨大潛力。
[0003]現(xiàn)有的甜高粱乙醇生產(chǎn)工藝是將甜高粱莖桿榨汁后進(jìn)行液態(tài)發(fā)酵。與甘蔗不同，甜高粱莖桿中心的莖髓體積比例更大，增加了其機(jī)械韌性，導(dǎo)致甜高粱榨汁工藝能效比極低。例如，印度的Rusni Distilleries公司2006年投產(chǎn)液態(tài)法生產(chǎn)甜高粱乙醇，其生產(chǎn)I噸乙醇需要23噸甜高粱莖桿(Ranola，Layaoen et al.2007)。因此，液態(tài)發(fā)酵并不適用于甜高粱乙醇的工業(yè)生產(chǎn)?；诖耍迦A大學(xué)開發(fā)了先進(jìn)固態(tài)發(fā)酵(advanced solid-statefermentat1n, ASSF)甜高粱乙醇工藝，直接對粉碎后的固態(tài)甜高粱莖桿直接發(fā)酵，大幅節(jié)省能耗的同時提高了可發(fā)酵糖的轉(zhuǎn)化效率，生產(chǎn)I噸乙醇僅需16噸甜高粱(Li，Li etal.2012)。目前，該項目已經(jīng)建成世界最大的轉(zhuǎn)鼓式固體發(fā)酵罐(550m3)及年產(chǎn)3000噸甜高粱乙醇的示范工廠。
[0004]從資本投入、勞動力雇傭成本方面考慮，ASSF甜高粱乙醇全年生產(chǎn)是其工業(yè)化運(yùn)作的前提，此點(diǎn)對于位于溫帶地區(qū)(如中國北方)的乙醇工廠尤為重要，因?yàn)檫@些地方甜高粱種植僅為一季，必須對甜高粱莖桿中的可發(fā)酵糖進(jìn)行長達(dá)5個月以上的保藏，才能確保工廠全年運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，甘蔗乙醇及甘蔗制糖工業(yè)同樣面臨保藏的挑戰(zhàn)。在收獲期，大量甘蔗與有限的壓榨處理能力不匹配，導(dǎo)致等待壓榨處理過程中甘蔗中糖分被微生物大量降解，從而造成較大損失。因此，開發(fā)甘蔗的保藏工藝可有效降低甘蔗乙醇或甘蔗制糖的生產(chǎn)成本。
[0005]目前，對甜高粱莖桿中可發(fā)酵糖的保存主要為液態(tài)保存，即對甜高粱榨汁加入防腐劑(CN 1792278A)、降低pH(CN101993957A)及濃縮糖液等，以抑制雜菌的生長達(dá)到保藏可發(fā)酵糖的目的。然而，這類保藏方法無法將含有可發(fā)酵糖的汁液長期保存，處理不好，易酸敗，更為關(guān)鍵的是甜高粱榨汁及糖液濃縮都是能耗巨大的工藝，且無法與ASSF甜高粱乙醇工藝連接，嚴(yán)重限制了其工業(yè)應(yīng)用價值。另一種策略是利用防腐劑，如抗菌素、化學(xué)防腐劑等，直接對甜高粱莖桿進(jìn)行固態(tài)保藏，如CN101248726A、CN102246640A提及的甜高粱莖桿的保藏方法。由于固態(tài)料特性決定了傳質(zhì)效率低，因此無法使液態(tài)或固態(tài)防腐劑均勻分布在固態(tài)料中以封住甜高粱莖桿的所有創(chuàng)口，易導(dǎo)致霉變，保藏時間有限。目前尚無高效固態(tài)甜高粱(整桿或粉碎料)的保藏方法。
[0006]二氧化硫，俗稱“氣體炸彈”，對大多數(shù)病蟲害、微生物均有強(qiáng)烈抑制作用，又因其氣態(tài)、易溶于水的性質(zhì)，易均勻分布于固態(tài)物料中，且高度溶于物料中的液相，使二氧化硫滯留物料中相當(dāng)長時間，保證了長期保藏的目的，因此二氧化硫多用于需要長期保藏10%以上含水量的固態(tài)物料。然而，罕有二氧化硫在農(nóng)作物秸桿(如甜高粱、甘蔗)中應(yīng)用的案例，原因在于其中的可發(fā)酵糖極易被微生物利用，即便是二氧化硫作為防腐劑，處理稍有不當(dāng)，其中可發(fā)酵糖也極易被降解。專利US20140178944A1提出用二氧化硫、甲酸、丙酸對玉米秸桿、小麥秸桿、柳枝稷等木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)及玉米、甜高粱、甘蔗等淀粉/糖質(zhì)原料進(jìn)行保存，然而該專利采用的是青貯保藏方式，此方式特點(diǎn)是需對物料進(jìn)行擠壓以盡可能排除氧氣，加快青貯進(jìn)程。然而這種擠壓操作方式對于含水量超過65% (w/w)、含糖量超過10% (w/w)以上的甜高粱、甘蔗來說勢必造成大量可發(fā)酵糖流失，加之壓榨操作繁復(fù)、能耗較大，對后續(xù)的甜高粱乙醇、甘蔗制糖的生產(chǎn)成本造成明顯提升，降低了其市場競爭力。
[0007]本發(fā)明基于二氧化硫特性，開發(fā)出具有大規(guī)模應(yīng)用潛力的甜高粱等保藏工藝，此外工藝亦可用于其他含水5%以上的用于生物燃料生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)廢棄物的保藏。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明基于現(xiàn)有技術(shù)不足，提供了一種適用于秸桿、農(nóng)作物秸桿(甜高粱、甘蔗)、木薯等含水量大于10%的農(nóng)業(yè)物料的保藏方法。該方法通過二氧化硫的熏蒸并輔之以青霉素和磷化鋁防腐劑，并配合使用青貯窖，無需壓榨高糖、水物料，實(shí)現(xiàn)了上述農(nóng)業(yè)物料的長期保藏。此方法可大幅降低因?yàn)檗r(nóng)業(yè)物料高值化利用過程中保藏不當(dāng)而造成的損失，尤其為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)固態(tài)發(fā)酵甜高粱乙醇技術(shù)的全年化生產(chǎn)提供了保障，使其繼甘蔗乙醇后有望成為最成功、應(yīng)用范圍更廣的世界性生物能源經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。本發(fā)明可采用整桿、短桿及粉碎料三種方式保藏，以甜高粱為例，具體技術(shù)方案如下:
[0009]本發(fā)明的目的在于提供一種利用二氧化硫保藏農(nóng)作物秸桿的方法，該方法是將農(nóng)作物秸桿或塊莖進(jìn)行預(yù)處理后，將預(yù)處理后的農(nóng)作物秸桿或塊莖填充到青貯簡倉內(nèi)，同時添加磷化鋁，形成堆垛后，再利用地膜密封青貯簡倉，密封好后插入通氣管，通入純二氧化硫或二氧化硫-空氣混合氣體，拔出通氣管后密封保藏。
[0010]所述方法的步驟如下:
[0011]I)將農(nóng)作物秸桿或塊莖去除穗、葉后，進(jìn)行分割或粉碎處理，獲得預(yù)處理農(nóng)作物秸桿或塊莖；
[0012]2)將步驟I)所得的農(nóng)作物秸桿或塊莖填充到青貯簡倉內(nèi)，堆放成堆垛，堆放過程中添加磷化鋁，填充結(jié)束后，利用地膜將青貯簡倉進(jìn)行密封處理；
[0013]3)將通氣管插入密封青貯簡倉中通入純二氧化硫氣體或者二氧化硫-空氣混合氣體，通氣結(jié)束后拔出通氣管并密封通氣處，密封保藏保持貯藏物料中的二氧化硫含量。
[0014]優(yōu)選地，所述步驟I)所述農(nóng)作物秸桿，是甜高粱莖桿、高粱秸桿、甘蔗秸桿、玉米秸桿、玉米芯和香蕉秸桿中的任一一種；所述農(nóng)作物塊莖，是甜菜塊莖或木薯塊莖中的任
種。
[0015]優(yōu)選地，所述步驟I)所述預(yù)處理農(nóng)作物秸桿或塊莖，是指兩端有切割創(chuàng)口的
0.3-4.0m的整桿，或者長度為3-30cm的短桿，或者是粒徑為2_30mm的粉碎料。
[0016]優(yōu)選地，步驟2)所述青貯簡倉的填充率為50-95% ;所述添加磷化鋁，添加量為2-10g/t 物料。
[0017]優(yōu)選地，所述步驟3)所述二氧化硫-空氣混合氣體，二氧化硫的體積分?jǐn)?shù)為20-100%。
[0018]更優(yōu)選地，所述二氧化硫的體積分?jǐn)?shù)，保藏整桿二氧化硫的體積分?jǐn)?shù)為100% ;保藏短桿二氧化硫的體積分?jǐn)?shù)為30% ;保藏粉碎料二氧化硫的體積分?jǐn)?shù)為20%。
[0019]優(yōu)選地，所述步驟3)所述通入純二氧化硫氣體或者二氧化硫-空氣混合氣體，通入到簡倉內(nèi)物料中的二氧化硫的含量達(dá)到1000-4000mg/kg ;所述保持貯藏物料中的二氧化硫含量，是保持青貯簡倉內(nèi)物料中二氧化硫含量不低于200mg/kg。
[0020]所述方法的具體步驟如下:
[0021]I)將收割后的甜高粱莖桿利用粉碎機(jī)粉碎至粒徑為2-30_的顆粒，獲得甜高粱莖桿粉碎料；
[0022]2)將步驟I)所得的甜高粱莖桿粉碎料自然堆放發(fā)到青貯簡倉中，在堆放過程中按照4g/t的添加量添加磷化鋁，青貯簡倉的填充率為70%，填充完畢后利用地膜將堆放好的青貯簡倉進(jìn)行密封處理；
[0023]3)將二氧化硫與空氣混合形成二氧化硫體積分?jǐn)?shù)為20 %的二氧化硫-空氣混合氣體，在將通氣管插入到青IC簡倉中，當(dāng)物料中二氧化硫的濃度達(dá)到1000-4000mg/kg后停止通氣并密封插口；
[0024]4)在保藏期間內(nèi)檢測并控制青貯簡倉物料中的二氧化硫含量使其不低于200mg/
kg ο
[0025]所述任一方法用于生物能源或制