全 文 ：第 １２卷第 １期
２０１４年 １月
生　 物　 加　 工　 过　 程
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｐｒｏｃｅｓｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ􀆰 １２ Ｎｏ􀆰 １
Ｊａｎ􀆰 ２０１４
ｄｏｉ：１０􀆰 ３９６９ ／ ｊ􀆰 ｉｓｓｎ􀆰 １６７２－３６７８􀆰 ２０１４􀆰 ０１􀆰 ００２
收稿日期：２０１３－１１－１５
基金项目：国家重点基础研究计划（９７３计划）（２０１１ＣＢ７０７４０６）；国家高技术研究发展计划（８６３计划）（２０１２ＡＡ０２２３０１）
作者简介：何燕青（１９８８—），男，上海人，博士研究生，研究方向：生物能源与生物制造；鲍　 杰（联系人），教授，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｊｂａｏ＠ ｅｃｕｓｔ􀆰 ｅｄｕ􀆰 ｃｎ
螺带桨搅拌在木质纤维素稀酸预处理反应器中的应用
何燕青，张龙平，张　 建，鲍　 杰
（华东理工大学 生物工程学院 生物反应器工程国家重点实验室，上海 ２００２３７）
摘　 要：在干式稀酸预处理的反应器中采用螺带桨搅拌器，对秸秆预处理体系进行混合。 在带有螺带式搅拌的预
处理过程中，在质量分数 ２􀆰 ０％和 ２􀆰 ５％的 Ｈ２ＳＯ４用量条件下，预处理后 ７２ ｈ秸秆的酶解糖化得率分别为 ７７􀆰 ５５％和
８７􀆰 １１％，比静态预处理得到的得率分别增长了 ７􀆰 ６％和 ２􀆰 ４％，抑制物的生成显著降低。 通过计算流体力学方法验
证，螺带桨搅拌器可以有效地改善玉米秸秆在稀酸预处理过程中的蒸汽和秸秆两相的混合情况。
关键词：螺带桨；木质纤维素；稀酸；预处理；计算流体力学
中图分类号：ＴＫ６　 　 　 　 文献标志码：Ａ　 　 　 　 文章编号：１６７２－３６７８（２０１４）０１－０００８－０５
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅｌｉｃａｌ ｒｉｂｂｏｎ ｓｔｉｒｒｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｏｒ ｆｏｒ ｄｉｌｕｔｅ ａｃｉｄ
ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅ
ＨＥ Ｙａｎｑｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｌｏｎｇｐｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎ，ＢＡＯ Ｊｉｅ
（Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ
Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２３７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｈｅｌｉｃａｌ ｒｉｂｂｏｎ ｓｔｉｒｒｅｒ ｗａｓ ｅｑｕｉｐｐｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｏｒ ｔｏ ｔｅｓｔ ｉｆ ｔｈｅ ｍｉｘｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍ ｃｏｕｌｄ ｂｅ
ｓｏｌｖｅｄ􀆰 Ｔｈｅ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｓ ａｆｔｅｒ ７２ ｈｏｕｒｓ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ｏｆ ７７􀆰 ５５％ ａｎｄ ８７􀆰 １１％ ｉｎ ｔｈｅ
ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ａｇｉｔａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｕｌｆｕｒｉｃ ａｃｉｄ ｄｏｓａｇｅ ｒｅａｃｈｅｄ ２􀆰 ０％， ａｎｄ ２􀆰 ５％
（ｍ ／ ｍ），ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｉｔ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ７􀆰 ６％ ａｎｄ ２􀆰 ４％ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｏｓｅ ｉｎ ｓｔａｔｉｃａｌ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ􀆰 Ｔｈｅ
ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｉｎｈｉｂｉｔｏｒｓ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｒｅｍａｒｋａｂｌｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ􀆰 ＣＦＤ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅ ｔｈｅ
ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ａｇｉｔａｔｉｏｎ􀆰 ＣＦＤ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｉｘｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅａｍ ａｎｄ
ｃｏｒｎ ｓｔｏｖｅｒ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｇｉｔａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ􀆰
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｅｌｉｃａｌ ｒｉｂｂｏｎ ｓｔｉｒｒｅｒ；ｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅ；ｄｉｌｕｔｅ ａｃｉｄ；ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ
　 　 预处理是木质纤维素生物炼制过程的一个关
键步骤［１］，其中稀酸预处理是当前最主流的预处理
方法之一［２－５］，在纤维乙醇的生产中大规模应用。
传统的稀酸预处理使用较多的稀 Ｈ２ＳＯ４（ｍ（稀酸） ∶
ｍ（秸秆）＝ ６ ∶１～１０ ∶１） ［６－７］，导致预处理后产生大量
废液。 针对上述问题，开发一种“干法”稀酸预处理
的方法［８］，即通过降低预处理过程中的稀Ｈ２ＳＯ４用
量（ｍ（稀 Ｈ２ＳＯ４） ∶ｍ（干秸秆）＝ １ ∶２），使预处理后
的物料不含游离水。 但由于固体含量超高（接近
７０％），势必导致预处理反应器内大量的气液固三相
难以混合均匀，影响预处理效果。 先前的研究中，
螺带搅拌桨已被成功应用于高固体含量木质纤维
素同步糖化与发酵生产乙醇过程［９］，因此也可被尝
试应用于干法预处理中。
笔者通过冷模实验的方法考察螺带桨反应器
在处理高固体含量的秸秆和水的混合过程，初步验
证螺带桨在处理高固体含量秸秆体系的良好性能；
接着，研制螺带桨搅拌预处理反应器，并通过热模
预处理实验评价预处理效果。 最后，通过计算流体
力学（ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ，ＣＦＤ）方法模拟预
处理反应器中的气固混合以验证螺带搅拌桨在反
应器中的应用。
１　 材料与方法
１􀆰 １　 原材料与试剂
玉米秸秆产自河南新乡，收获于 ２０１１ 年秋季。
秸秆经过水洗除尘、烘干、机械粉碎后密封备用。
所用化学试剂都购自上海凌峰化学试剂公司。 纤
维素酶为湖南尤特尔公司提供的 Ｙｏｕｔｅｌｌ＃６ 固体纤
维素酶，纤维素酶的滤纸酶活以及纤维二糖酶酶活
分别为 １３５ ＦＰＵ ／ ｇ和 ３４４ ＣＢＵ ／ ｇ。
１􀆰 ２　 流体力学冷模实验
冷模实验在图 １所示的 ３个带有扭矩仪的反应
器中进行。 反应器 Ａ 体积为 ５ Ｌ，直径为 １７０ ｍｍ；
反应器 Ｂ体积为 ５０ Ｌ，直径为 ３８４ ｍｍ；反应器 Ｃ 体
积为 ５００ Ｌ，直径为 ７８６ ｍｍ。 ３ 个反应器中分别添
加 １５０ ｇ、１􀆰 ５ ｋｇ 以及 １５ ｋｇ 的干玉米秸秆，以自来
水作为示踪剂，自反应器顶部加入秸秆中，体系的
含水量作为表征体系混合程度的指标。 含水量通
过差质量法测定。
１—螺带桨；２—反应器罐体；３—搅拌轴；４—反应器底座
图 １　 冷模反应器
Ｆｉｇ􀆰 １　 Ｒｅａｃｔｏｒ ｆｏｒ ｍｏｃｋ⁃ｕｐ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ
１􀆰 ３　 预处理反应器
在冷模实验的基础上，预处理反应器的设计如
图 ２所示。 反应器工作体积为 ２０ Ｌ，为原先干式预
处理反应器体积的 ２ 倍，直径 ２６０ ｍｍ，高 ４００ ｍｍ，
螺带桨是由反应器上方的电机驱动。
１—物料出口；２—蒸汽入口；３—反应器主体部分；４—温度电极；
５—反应器顶盖；６—压力表；７—排气口；８—锚式底桨；
９—螺带式搅拌桨；１０—电机
图 ２　 螺带桨搅拌式预处理反应器
Ｆｉｇ􀆰 ２　 Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅｌｉｃａｌ ｒｉｂｂｏｎ ｓｔｉｒ
ｒｅａｃｔｏｒ ｆｏｒ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ
１􀆰 ４　 干式稀酸预处理
将 １ ４００ ｇ干基玉米秸秆与 ７００ ｇ质量分数 ５％
的稀 Ｈ２ＳＯ４溶液搅拌均匀，在室温下密封放置 １２ ｈ。
然后将预浸后的秸秆加入螺带桨搅拌预处理反应
器中进行预处理，在 １８５ ℃、１􀆰 ２ ＭＰａ、５０ ｒ ／ ｍｉｎ的条
件下维持 ３ ｍｉｎ。
１􀆰 ５　 预处理后秸秆的酶解糖化
预处理效果评价通过预处理秸秆的酶解糖化
实验进行评价。 酶解糖化条件：固含量 ５％、５０ ℃、
每克干固体纤维素酶用量 １５ ＦＰＵ、ｐＨ ４􀆰 ８的柠檬酸
缓冲液体系、１５０ ｒ ／ ｍｉｎ 搅拌转速、持续 ７２ ｈ。 酶解
实验在 １００ ｍＬ的三角瓶中进行，装液量 ２０ ｍＬ，每
个实验重复 ２次。
１􀆰 ６　 预处理后秸秆中可溶性组分以及寡糖的测定
称取 ５ ｇ 预处理秸秆，加入 ５０ ｇ 去离子水，在摇
瓶中 １８０ ｒ ／ ｍｉｎ洗脱 ２ ｈ，经过真空抽滤，吸取 １ ｍＬ滤
液测定可溶性组分。 取 ５ ｍＬ 滤液加入压力试管中，
并添加 １ ｍＬ ７２％ Ｈ２ＳＯ４，再添加 ２３ ｍＬ 去离子水稀
释至 ４％（质量分数）稀酸浓度，于 １２１ ℃反应 ６０ ｍｉｎ。
反应结束后，用 ＣａＣＯ３粉末中和至 ｐＨ ５􀆰 ０，糖类损失
９　 第 １期 何燕青等：螺带桨搅拌在木质纤维素稀酸预处理反应器中的应用
通过校正曲线校正，中和后的试样离心取上清液进行
ＨＰＬＣ分析，测定葡萄糖和木糖浓度，计算寡糖含量。
１􀆰 ７　 纤维素和木聚糖含量的测定
经过 １􀆰 ６节中真空抽滤后的固体用去离子水彻
底水洗，并于 １０５ ℃烘干 １２ ｈ。 称取烘干后的玉米
秸秆 ０􀆰 １ ｇ 于压力试管中，并加入 １ ｍＬ 质量分数
７２％的浓 Ｈ２ＳＯ４，用玻璃棒在 ３０ ℃水浴中每隔 ５ ～
１０ ｍｉｎ搅拌 １次，反应持续 ６０ ｍｉｎ，随后添加 ２８ ｍＬ
去离子水，将酸浓度稀释到 ４％，密封后放入灭菌锅
１２１ ℃反应 ６０ ｍｉｎ，反应结束后用 ＣａＣＯ３粉末中和
至 ｐＨ ５􀆰 ０，离心后取上清液，进行 ＨＰＬＣ 分析，测定
葡萄糖和木糖浓度，计算纤维素和木聚糖含量。 高
温高压反应后，糖类损失通过校正曲线进行校正。
１􀆰 ８　 计算流体力学（ＣＦＤ）模拟
反应器设计使用 Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ ２０１０ 软件（Ｄａｓｓａｕｌｔ
Ｉｎｃ􀆰 ，法国），网格划分使用网格生成器软件 ＩＣＥＭ
ＣＦＤ １１􀆰 ０（Ａｎｓｙｓ Ｉｎｃ􀆰 ，美国），数学模型处理使用
ＣＦＸ １１􀆰 ０（Ａｎｓｙｓ Ｉｎｃ􀆰 ，美国）软件。 初始和边界条
件设定如下：①桨叶和轴区相对流变区域是静止
的；②没有避免边界条件；③残留误差设定为 １ ×
１０－４；④本实验的模拟中应用 Ｅｕｌｅｒｉａｎ Ｅｕｌｅｒｉａｎ 和
ｋ e湍流模型。 本模拟实验中，秸秆被假设为假塑
流体，蒸汽被假设为通入罐内的惰性气体。 秸秆和
水质量比 ２ ∶１的预浸条件下，通过测定扭矩的方法，
测得其表观黏度为 ２􀆰 ３１ Ｐａ·ｓ，气体的密度被设定为
１４􀆰 １８ ｇ ／ Ｌ，该值相当于 ２５０ ℃、３􀆰 ０ ＭＰａ 下的蒸汽
密度，通入反应器的气体流速设定为 １􀆰 ７５ ｍ ／ ｓ，相
当于在 ３ ｍｉｎ内通入 ７００ ｇ 热蒸汽时的气速。 保守
气含率用于表征模拟过程的气液混合情况。
１􀆰 ９　 检测方法
糖类和抑制物都使用 ＨＰＬＣ（日本岛津公司）检
测，检测条件：Ａｍｉｎｅｘ ＨＰＸ ８７Ｈ 柱（美国 Ｂｉｏ⁃Ｒａｄ
公司）、ＲＩＤ １０Ａ 示差检测器（日本岛津公司），柱
温 ６５ ℃，流动相为 ０􀆰 ００５ ｍｏｌ ／ Ｌ Ｈ２ ＳＯ４，流速 ０􀆰 ６
ｍＬ ／ ｍｉｎ。 所有待测试样都经过稀释和 ０􀆰 ２２ μｍ 滤
膜过滤处理。
２　 结果与讨论
２􀆰 １　 螺带式搅拌对高固体含量秸秆的混合
为了考察螺带式搅拌桨在处理高固体含量秸
秆时的混合性能，笔者首先采用不同尺度的带有螺
带搅拌桨的冷模反应器进行实验。 转速 ５０ ｒ ／ ｍｉｎ、
含水量 ５０％条件下玉米秸秆和水的混合时间的模
拟实验分别在 ５、５０ 以及 ５００ Ｌ 反应器中进行，图 ３
为不同规模反应器中进行的秸秆和水的混合实验
结果。
图 ３　 螺带式反应器中玉米秸秆和水的混合时间的模拟
Ｆｉｇ􀆰 ３　 Ｍｉｘｉｎｇ ｏｆ ｃｏｒｎ ｓｔｏｖｅｒ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ
ｈｅｌｉｃａｌ ｒｉｂｂｏｎ ｓｔｉｒ ｒｅａｃｔｏｒ
图 １ 中的 Ｐ１ ～ Ｐ８ 表示冷模实验的重复次数。
由图 ３可知：在冷模实验中，水相的分布随着搅拌时
间的延长渐渐趋于稳定，固液两相均匀混合（即含
水量稳定在 ５０％），基本都在 ３ ｍｉｎ左右完成。 在不
同规模的反应器中，其混合均匀的时间在 ２～３ ｍｉｎ。
因此，在螺带桨搅拌器反应器中，固体秸秆和液体
的混合可以在短时间内完成，为真实预处理反应过
程在螺带搅拌桨反应器内的可行性提供了基础。
２􀆰 ２　 螺带搅拌桨预处理反应器中的干式稀酸预
处理
　 　 在静置预处理反应器中，反应器体积 １０ Ｌ（直
径 １８０ ｍｍ、高 ４００ ｍｍ），直筒型不带搅拌桨，预处理
条件为 １９０ ℃、酸用量 ２％或 ２􀆰 ５％，停留时间 ３
０１ 生　 物　 加　 工　 过　 程　 　 第 １２卷　
ｍｉｎ，通过蒸汽加热至 １９０ ℃，升温时间 １０ ｍｉｎ。 运
用同样的蒸汽发生器在 ２０ Ｌ预处理反应器时，由于
反应体积的增大造成了供气不足，使得从 １８５ ℃升
至 １９０ ℃耗时过长；而在同样的升温时间内，预处理
温度最高达到了 １８５ ℃。 因此在新型预处理反应器
过程中，反应条件定为 １８５ ℃、酸用量 ２％或 ２􀆰 ５％、
停留时间 ３ ｍｉｎ、搅拌转速 ５０ ｒ ／ ｍｉｎ。 通过 ７２ ｈ的酶
解糖化得率以及预处理秸秆中各组分的测定表征 ２
种不同预处理方式的效率（图 ４）。
图 ４　 螺带搅拌桨预处理反应器与静态预处理
反应器中的预处理比较
Ｆｉｇ􀆰 ４　 Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ ｉｎ
ｔｈｅ ｎｅｗ ａｎｄ ｏｌｄ ｒｅａｃｔｏｒｓ
图 ４（ａ）为不同条件下酶解糖化的纤维素转化
率的比较，是最直观评价预处理效率的指标。 从图
４（ａ）中可以看出：在 ２％或 ２􀆰 ５％酸用量下，螺带式
搅拌预处理反应器中玉米秸秆的纤维素转化率分
别达到了 ７７􀆰 ５５％和 ８７􀆰 １１％，比静置预处理反应器
中得到的玉米秸秆 （ ７２􀆰 １３％和 ８５􀆰 １２％）提高了
７􀆰 ６％和 ２􀆰 ４％，值得一提的是，该反应中，预处理温
度因为反应器原因降低了 ５ ℃，而通常预处理的效
率是随着温度的升高而逐渐增加的，但在搅拌式反
应器中糖化效果反而略高，因此认为螺带桨在过程
中的持续搅拌对预处理有一定的促进作用。
除了最直接的纤维素转化率之外，预处理秸秆
中游离的糖类（图 ４（ｂ））和抑制物（图 ４（ ｃ））也是
评价预处理过程的重要指标。 从图 ４（ｂ）中可以看
出：在 ２％酸用量条件下，单糖相差并不大，但是寡
糖含量相差较大，搅拌式处理秸秆中木寡糖含量较
高，每克干固体中产生了 ８４ ｍｇ木寡糖，比静置预处
理的秸秆高了 １０ ｍｇ 左右。 在稀酸预处理过程中，
木聚糖非常容易降解为木糖以及木寡糖，随后在稀
酸高温条件下，木糖和木寡糖会进一步降解为糠醛
抑制物。 从图 ４可以看出：搅拌式预处理得到的秸
秆木寡糖含量较高，而糠醛含量则远小于静置预处
理的秸秆，说明木聚糖的进一步降解作用在带有搅
拌的预处理过程中被大大降低了，原因主要是搅拌
作用能够避免静置预处理反应器中的部分过度预
处理。 同样在葡聚糖的降解过程也体现了这一点，
静置预处理秸秆的葡寡糖以及葡萄糖含量都高于
搅拌式预处理的秸秆；但静置预处理的秸秆中，每
克干固体中产生了 ２􀆰 ３５ ｍｇ ５ 羟甲基糠醛
（５ ＨＭＦ），比新处理秸秆中的含量（０􀆰 ９０ ｍｇ）高了
２倍多。 因为在静止的预处理过程中，堆积在底部
的物料不断地和热蒸汽进行接触并吸收蒸汽［１０］，因
此这一部分的处理强度大于上部的物料，造成了葡
聚糖降解为 ５ ＨＭＦ 的现象；而在带有搅拌的预处
理过程中，玉米秸秆不停地被搅动，难以和蒸汽局
部过度接触，所以产生了较少的抑制物。
在 ２􀆰 ５％酸用量下，该现象也同样明显。 从图 ４
中还可以看出：新预处理秸秆中，每克干固体中产生
了 １０２ ｍｇ木糖，比静置预处理秸秆高了 ２０ ｍｇ，而每
克干固体中所产生的糠醛和乙酸含量（６􀆰 ２８ 和 ８􀆰 １２
ｍｇ）都低于静置预处理秸秆（９􀆰 ０ 和 １２􀆰 １ ｍｇ），说明
在搅拌作用下，木糖也得到了较多程度的保留。
从上述结果可以说明，螺带式预处理搅拌桨在
玉米秸秆干式稀酸预处理过程中起到了重要的作
用，可以在 １８５ ℃下，得到与原先 １９０ ℃条件下相类
似的预处理效果，并且大大降低了预处理后的抑制
１１　 第 １期 何燕青等：螺带桨搅拌在木质纤维素稀酸预处理反应器中的应用
物浓度。
２􀆰 ３　 螺带搅拌桨预处理反应器中气固两相 ＣＦＤ模拟
　 　 在 ２􀆰 ２部分中，螺带式搅拌桨对预处理过程的
促进作用非常明显，主要是促进了两相的混合，避
免蒸汽在某个部位过度加热。 因此，借助计算流体
力学方法，对预处理过程中的两相混合做了简单的
模拟。 模拟中，将预浸后的秸秆假设为假塑流体，
其表观黏度在先前的冷模实验中使用扭矩仪进行
了测定，为 ２􀆰 ３１ Ｐａ·Ｓ，而蒸汽被假设成为通入反应
器的惰性气体，其气速根据高温高压下蒸汽密度进
行计算，为 １􀆰 ７５ ｍ ／ ｓ。
图 ５为保守气含率表征蒸汽在反应器中的分布
情况。 从图 ５可以看出：随着搅拌转速的提升，蒸汽
的分布逐渐趋于均匀，分布到整个反应器中；当转
速增大到 ５０ ｒ ／ ｍｉｎ 之后，蒸汽的分布基本相同。 在
没有搅拌的过程中，蒸汽的分布集中于靠近蒸汽入
口的部分，使得那一部分与蒸汽过分接触，导致预
处理强度的不均一以及过高的抑制物浓度，该 ＣＦＤ
模拟简单说明了带有螺带式搅拌器的反应器在预
处理反应过程中起到气固两相的混合作用，这也可
能是带有螺带搅拌的预处理整体效果强于静态预
处理的原因。
图 ５　 不同转速下预处理反应器中蒸汽的分布
Ｆｉｇ􀆰 ５　 Ｇａｓ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｅａｍ ｉｎ ｈｅｌｉｃａｌｌｙ ａｇｉｔａｔｅｄ ｒｅａｃｔｏｒ
３　 结　 论
通过冷模实验方法验证了螺带搅拌桨混合高固
体含量秸秆和水的良好性能，并设计制造了 ２０ Ｌ 螺
带桨预处理反应器。 研究发现：在带有搅拌的预处理
过程中，较低的处理温度下却得到了更高效的预处理
效果，该条件下预处理秸秆的酶解糖化得率、单糖产
生以及抑制物的生成等方面都优于静态预处理过程
得到的秸秆。 ＣＦＤ模型简单解释了反应过程中气相
与固相的混合情况，在带有搅拌的过程中，气相的分
布更加均匀，达到更均匀的预处理效果，这也可能是
预处理效果增强的原因。 本研究为预处理过程的有
效放大奠定了基础，为干式稀酸预处理方法运用于工
业化纤维乙醇生产提供了有益的参考。
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ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ａｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｂｉｏｅｔｈａｎｏｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｂａｓｅｄ
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ａｃｉｄ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｒｎ ｓｔｏｖｅｒ ｆｏｌｌｏｗｅｄ ｂｙ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ
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［ ７ ］ 　 Ｓａｈａ Ｂ Ｃ，Ｉｔｅｎ Ｌ Ｂ，Ｃｏｔｔａ Ｍ Ａ，ｅｔ ａｌ􀆰 Ｄｉｌｕｔｅ ａｃｉｄ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ，
ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ｓａｃｃｈａｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｈｅａｔ ｓｔｒａｗ ｔｏ
ｅｔｈａｎｏｌ［Ｊ］ ．Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００５，４０（１２）：３６９３⁃３７００􀆰
［ ８ ］ 　 张建，楚德强，于占春，等 􀆰 低水用量约束条件下的高固体含
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［ ９ ］ 　 Ｚｈａｎｇ Ｊ，Ｃｈｕ Ｄ Ｑ，Ｈｕａｎｇ Ｊ，ｅｔ ａｌ􀆰 Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｓａｃｃｈａｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ
ａｎｄ ｅｔｈａｎｏｌ ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｔ ｈｉｇｈ ｃｏｒｎ ｓｔｏｖｅｒ ｓｏｌｉｄｓ ｌｏａｄｉｎｇ ｉｎ ａ
ｈｅｌｉｃａｌ ｓｔｉｒｒｉｎｇ ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ［Ｊ］ ．Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，
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［１０］ 　 Ｚｈａｎｇ Ｊ， Ｗａｎｇ Ｘ Ｓ， Ｃｈｕ Ｄ Ｑ， ｅｔ ａｌ􀆰 Ｄｒｙ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ
ｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ｗｉｔｈ ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ ｌｏｗ ｓｔｅａｍ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｕｓａｇｅ ｆｏｒ
ｂｉｏｅｔｈａｎｏｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ［ Ｊ ］ ． Ｂｉｏｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２０１１， １０２
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（责任编辑　 管珺）
２１ 生　 物　 加　 工　 过　 程　 　 第 １２卷