一种利用二氧化硫保藏农作物秸秆的方法及应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用二氧化硫保藏农作物秸杆的方法及应用，属于生物能源及农业技术领域。
【背景技术】
[0002]作为甘蔗的相似能源作物，甜高粱茎杆中含有大量可发酵糖可供生产燃料乙醇。此外，甜高粱生长周期仅为3?4个月(甘蔗为12?13个月)，抗逆性强适种于边际土地，对干旱、水涝、低温、盐碱地等均具有较强耐受性，故甜高粱与甘蔗相比具有更广的种植范围及作为世界性能源作物的巨大潜力。
[0003]现有的甜高粱乙醇生产工艺是将甜高粱茎杆榨汁后进行液态发酵。与甘蔗不同，甜高粱茎杆中心的茎髓体积比例更大，增加了其机械韧性，导致甜高粱榨汁工艺能效比极低。例如，印度的Rusni Distilleries公司2006年投产液态法生产甜高粱乙醇，其生产I吨乙醇需要23吨甜高粱茎杆(Ranola，Layaoen et al.2007)。因此，液态发酵并不适用于甜高粱乙醇的工业生产。基于此，清华大学开发了先进固态发酵(advanced solid-statefermentat1n, ASSF)甜高粱乙醇工艺，直接对粉碎后的固态甜高粱茎杆直接发酵，大幅节省能耗的同时提高了可发酵糖的转化效率，生产I吨乙醇仅需16吨甜高粱(Li，Li etal.2012)。目前，该项目已经建成世界最大的转鼓式固体发酵罐(550m3)及年产3000吨甜高粱乙醇的示范工厂。
[0004]从资本投入、劳动力雇佣成本方面考虑，ASSF甜高粱乙醇全年生产是其工业化运作的前提，此点对于位于温带地区(如中国北方)的乙醇工厂尤为重要，因为这些地方甜高粱种植仅为一季，必须对甜高粱茎杆中的可发酵糖进行长达5个月以上的保藏，才能确保工厂全年运转。此外，甘蔗乙醇及甘蔗制糖工业同样面临保藏的挑战。在收获期，大量甘蔗与有限的压榨处理能力不匹配，导致等待压榨处理过程中甘蔗中糖分被微生物大量降解，从而造成较大损失。因此，开发甘蔗的保藏工艺可有效降低甘蔗乙醇或甘蔗制糖的生产成本。
[0005]目前，对甜高粱茎杆中可发酵糖的保存主要为液态保存，即对甜高粱榨汁加入防腐剂(CN 1792278A)、降低pH(CN101993957A)及浓缩糖液等，以抑制杂菌的生长达到保藏可发酵糖的目的。然而，这类保藏方法无法将含有可发酵糖的汁液长期保存，处理不好，易酸败，更为关键的是甜高粱榨汁及糖液浓缩都是能耗巨大的工艺，且无法与ASSF甜高粱乙醇工艺连接，严重限制了其工业应用价值。另一种策略是利用防腐剂，如抗菌素、化学防腐剂等，直接对甜高粱茎杆进行固态保藏，如CN101248726A、CN102246640A提及的甜高粱茎杆的保藏方法。由于固态料特性决定了传质效率低，因此无法使液态或固态防腐剂均匀分布在固态料中以封住甜高粱茎杆的所有创口，易导致霉变，保藏时间有限。目前尚无高效固态甜高粱(整杆或粉碎料)的保藏方法。
[0006]二氧化硫，俗称“气体炸弹”，对大多数病虫害、微生物均有强烈抑制作用，又因其气态、易溶于水的性质，易均匀分布于固态物料中，且高度溶于物料中的液相，使二氧化硫滞留物料中相当长时间，保证了长期保藏的目的，因此二氧化硫多用于需要长期保藏10%以上含水量的固态物料。然而，罕有二氧化硫在农作物秸杆(如甜高粱、甘蔗)中应用的案例，原因在于其中的可发酵糖极易被微生物利用，即便是二氧化硫作为防腐剂，处理稍有不当，其中可发酵糖也极易被降解。专利US20140178944A1提出用二氧化硫、甲酸、丙酸对玉米秸杆、小麦秸杆、柳枝稷等木质纤维素类生物质及玉米、甜高粱、甘蔗等淀粉/糖质原料进行保存，然而该专利采用的是青贮保藏方式，此方式特点是需对物料进行挤压以尽可能排除氧气，加快青贮进程。然而这种挤压操作方式对于含水量超过65% (w/w)、含糖量超过10% (w/w)以上的甜高粱、甘蔗来说势必造成大量可发酵糖流失，加之压榨操作繁复、能耗较大，对后续的甜高粱乙醇、甘蔗制糖的生产成本造成明显提升，降低了其市场竞争力。
[0007]本发明基于二氧化硫特性，开发出具有大规模应用潜力的甜高粱等保藏工艺，此外工艺亦可用于其他含水5%以上的用于生物燃料生产的农业废弃物的保藏。
【发明内容】
[0008]本发明基于现有技术不足，提供了一种适用于秸杆、农作物秸杆(甜高粱、甘蔗)、木薯等含水量大于10%的农业物料的保藏方法。该方法通过二氧化硫的熏蒸并辅之以青霉素和磷化铝防腐剂，并配合使用青贮窖，无需压榨高糖、水物料，实现了上述农业物料的长期保藏。此方法可大幅降低因为农业物料高值化利用过程中保藏不当而造成的损失，尤其为实现先进固态发酵甜高粱乙醇技术的全年化生产提供了保障，使其继甘蔗乙醇后有望成为最成功、应用范围更广的世界性生物能源经济发展模式。本发明可采用整杆、短杆及粉碎料三种方式保藏，以甜高粱为例，具体技术方案如下:
[0009]本发明的目的在于提供一种利用二氧化硫保藏农作物秸杆的方法，该方法是将农作物秸杆或块茎进行预处理后，将预处理后的农作物秸杆或块茎填充到青贮简仓内，同时添加磷化铝，形成堆垛后，再利用地膜密封青贮简仓，密封好后插入通气管，通入纯二氧化硫或二氧化硫-空气混合气体，拔出通气管后密封保藏。
[0010]所述方法的步骤如下:
[0011]I)将农作物秸杆或块茎去除穗、叶后，进行分割或粉碎处理，获得预处理农作物秸杆或块茎；
[0012]2)将步骤I)所得的农作物秸杆或块茎填充到青贮简仓内，堆放成堆垛，堆放过程中添加磷化铝，填充结束后，利用地膜将青贮简仓进行密封处理；
[0013]3)将通气管插入密封青贮简仓中通入纯二氧化硫气体或者二氧化硫-空气混合气体，通气结束后拔出通气管并密封通气处，密封保藏保持贮藏物料中的二氧化硫含量。
[0014]优选地，所述步骤I)所述农作物秸杆，是甜高粱茎杆、高粱秸杆、甘蔗秸杆、玉米秸杆、玉米芯和香蕉秸杆中的任一一种；所述农作物块茎，是甜菜块茎或木薯块茎中的任
种。
[0015]优选地，所述步骤I)所述预处理农作物秸杆或块茎，是指两端有切割创口的
0.3-4.0m的整杆，或者长度为3-30cm的短杆，或者是粒径为2_30mm的粉碎料。
[0016]优选地，步骤2)所述青贮简仓的填充率为50-95% ;所述添加磷化铝，添加量为2-10g/t 物料。
[0017]优选地，所述步骤3)所述二氧化硫-空气混合气体，二氧化硫的体积分数为20-100%。
[0018]更优选地，所述二氧化硫的体积分数，保藏整杆二氧化硫的体积分数为100% ;保藏短杆二氧化硫的体积分数为30% ;保藏粉碎料二氧化硫的体积分数为20%。
[0019]优选地，所述步骤3)所述通入纯二氧化硫气体或者二氧化硫-空气混合气体，通入到简仓内物料中的二氧化硫的含量达到1000-4000mg/kg ;所述保持贮藏物料中的二氧化硫含量，是保持青贮简仓内物料中二氧化硫含量不低于200mg/kg。
[0020]所述方法的具体步骤如下:
[0021]I)将收割后的甜高粱茎杆利用粉碎机粉碎至粒径为2-30_的颗粒，获得甜高粱茎杆粉碎料；
[0022]2)将步骤I)所得的甜高粱茎杆粉碎料自然堆放发到青贮简仓中，在堆放过程中按照4g/t的添加量添加磷化铝，青贮简仓的填充率为70%，填充完毕后利用地膜将堆放好的青贮简仓进行密封处理；
[0023]3)将二氧化硫与空气混合形成二氧化硫体积分数为20 %的二氧化硫-空气混合气体，在将通气管插入到青IC简仓中，当物料中二氧化硫的浓度达到1000-4000mg/kg后停止通气并密封插口；
[0024]4)在保藏期间内检测并控制青贮简仓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