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TRIZ理论在纤维乙醇工业中的应用

TRIZ理论在纤维乙醇工业中的应用

刘坤

上海天之冠可再生能源有限公司

TRIZ理论是前苏联阿奇舒勒及其领导的一批研究人员，自1946年开始，花费大量人力物力，在分析研究了世界各国250万件专利的基础上，所提出的发明问题解决理论。阿奇舒勒开始就坚信发明问题的基本原理是客观存在的，这些原理不仅能被确认也能被整理而形成一种理论，掌握该理论的人不仅能提高发明的成功率、缩短发明的周期，也可使发明问题具有可预见性。

TRIZ理论最大的特定就是开阔的研发人员的视野，使其不局限于本专业中，而是利用全人类的专利技术为其服务，特别是一些难以解决的问题可以从功能的角度用TRIZ系列创新工具进行尝试，应能起到事半功倍的效果。

纤维乙醇工业是通过酶水解秸秆成可发酵性的糖，酵母利用其可发酵性的糖发酵产生酒精。存在于秸秆中的非水溶性木质纤维素很难被微生物或酶水解，主要是因为纤维素的结晶度、聚合度以及环绕着纤维素与半纤维素缔合的木质素鞘所致。木质素与半纤维素以共价键形式结合，将纤维素分子包埋在其中，形成一个天然屏障，使酶不宜与纤维素分子接触，减少了纤维素的水解效能。因此，为了提高秸秆纤维素的可酶解性或可发酵性，首先必须对秸秆进行预处理。

预处理的方法有很多，有机械的、化学的、物理的等等，其中碱预处理是比较常见的，也是研究的热门。在碱处理的过程中会产生大

根据发明原理2需要把溶有木质素的碱液分离出来，这样得到木质素和碱液；根据发明原理22，废碱液难处理主要是因为溶解了木质素，如果能从碱液中分离出木质素，就可以实现变废为宝把木质素做成高附加值的产品；根据发明原理35可知，需要把溶解状态的木质素变为可沉淀的固态，就可以达到分离的目的。

初步方案：

木质素要从碱液中沉淀，最简单的方法就是改变液体的碱性，因此需要引入酸性物质，通常的方法是加入稀酸，通过仔细分析整个纤维乙醇生产工艺路线，查找是否有可以利用的资源。发现酶解液加入酵母发酵后，会产生发酵废水，而这个废水是弱酸性废水，在原有工艺中，这个废水是直接进入废水处理工段。根据工艺路线，预处理产生的碱性废水和发酵产生的酸性废水最后都要进入废水处理工段，因此可以在此之前，将两者中和，再进入废水处理工段，可以充分利用整个工艺路线中的资源，达到少加稀酸的目的，减少成本。

原工艺：

碱处理废水

碱处理废水

废水处理工段

废水处理工段

发酵废水

发酵废水

新工艺：

碱处理废水

碱处理废水

废水处理工段混合废水

废水处理工段

混合废水

发酵废水

发酵废水

新工艺路线中虽然多了一个工艺步骤，但是两种废水混合后一方面可以部分中和碱液中的碱性物质，减少稀酸的添加量，另一方面废水的混和不会产生附加的成本，也不会增加废水处理的量，因此可以减少废水处理的成本。通过摇瓶试验，验证可以减少5%-10%的稀酸添加量。

3、物质场

为了实现从碱液中分离木质素（不能改变碱液的性质）的功能，建立物质场模型，用原有的方法建立的模型中S1=废碱液、S2=稀酸和F=化学场。

根据理想解，好的方法应该是不需要加入稀酸，增加成本，来实现分离木质素的功能。因此可以考虑更换S2和F，来实现分离功能，新的物质场模型是一个不完整的物质场模型，模型中S1=废碱液，S2和F待定。

原技术路线形成的物质场模型：

化学场

化学场

废碱液稀酸

废碱液

稀酸

根据理想解的要求，酸性物质是应该不用添加，因此需要重新选择F，因此现在的物质场模型中缺少了S2和F，属于不完整系统，因此根据规则1需要引入新元件S2和F。从离子的角度来分析可以重新定义需要解决的问题，从分离NaOH和木质素的问题转变为分离Na+和OH-的问题，让Na+游离到清水与新的OH-形成新的碱液，而原废碱液中，由于Na+的分离，能够使分离出来的OH-可以与新的H+形成H2O，成为中性，而木质素可以在中性液体中沉淀出来。

新技术路线形成的物质场模型：

电场

电场

废碱液清水

废碱液

清水

查阅大量的处理废水的文献，在纺织、造纸等产生有机废水的工业文献中找到了相关电场分离有机物质的文献，而且都有相关的专利，因此在此基础上能初步形成新的工艺路线。

新技术路线：

木质素

木质素

清水沉淀废碱液

清水

沉淀

废碱液

电渗处理器

电渗处理器

碱液清水

碱液

清水

4、功能分析以及效应的选择

通过对比实现打碎分离组织的功能的各种效应实例，得知可以通过蒸汽爆碎的原理进行爆碎（参照坚果工业化加工原理和葵花籽工业化加工原理），打碎纤维素、半纤维素和木质素之间的化学键，以达到预处理的效果。

功能分析：预处理的目的就是要打破这三大素形成的天然屏障，分开纤维素、半纤维素和木质素，现有的方法就是通过化学场，打破三大素之间的化学键。

原技术路线效应模型：

化学酸碱中和效应