TRIZ理论在纤维乙醇工业中的应用

1、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TRI

2、Z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量含有木质素

3、的废碱水,每生产1吨可酶解纤维质原料要产生5吨黑 液废水，现有的有两种方法来处理黑液废水：1、离心得到废液和需 要的固相，固相通过水洗，清除残余的碱液以及碱处理过程中产生的 抑制物，然后加入纤维素酶制剂进行后续的酶解工序；而废液需要用 稀酸中和到酸性，使得木质素沉淀下来，最后再离心分离出木质素和 酸液。这种方法虽然可以分离出木质素，但是碱液不能回收，每次预 处理都需要加入大量的烧碱和稀酸，非常不经济，同时在清洗的过程 中又产生了大量新的废水，废水处理费用高；2、将黑液废水加热蒸 发成固体，经焚烧炉焚烧，将焚烧后的灰分加石灰溶解，再经沉淀, 得到回收的液体碱液，虽然这种方法可以回收烧碱，但是这种

4、方法需 要大量投资黑液废水处理设备，投资成本太高，同时黑液废水的处理 费用也特别高，每吨黑液废水的处理费用达400元人民币，另一个缺 点是黑液废水中的主要成分木质素不能得到回收利用，白白被烧掉。 1、定义理想解如果木质素直接变成固体从碱液中分离出来,我们就可以重复利 用碱液进行下一次碱处理工艺，变废为宝，同时还可以利用木质素, 形成高附加值副产品。2、技术冲突定义技术冲突：改善的参数（结构稳定性和强度）和恶化的参数（物质损失和物体产生的有害因素）之间构成了一对技术冲突。查找冲突矩阵找出创新原理：35、参数变化，22、变有害为有益,2、分离。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

5、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: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

6、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01废水处理工段发酵废水I新工艺：碱处理废水 >1混合废水I1废水处理工一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=

7、废碱液、S2二稀酸 和F二化学场。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$1二废碱液，S2 和F待定。原技术路线形成的物质场模型:稀酸 y 废碱根据理想解的要求，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Fo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0万的问题，让Na游离到清水与新的0H形成新的碱液，而原废碱液中，由于

8、Na的分离，能够使分离出来的0H-可以与新的IT形成H20, 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: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：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:.化学酸碱中和效应化学力温度()碱类物质中氢氧根能使纤维内部的氢键结合变弱，导致纤维分子 的膨胀，而且能溶解半纤维素、皂化糖醛酸和乙酸的酯键，中和游离 的糖醛酸，削弱纤维素与木质素之间的联系，最后还能溶解木质素, 达到分离的效果。通过功能分析并查找相应的效应，发现实现分离功能的实例中包 括了坚果工业化加工和葵花籽工业化加工,属于慢慢加压然后突然减 压，达到使外部组织爆碎的效果，即爆破原理，