河南农业大学学术博士学位论文

论文题目：蒸汽爆破对牛骨理化特性的影响及液化工艺优化研究

摘要

中国是畜禽养殖、生产及消费大国，由于长久以来的观念问题及对畜禽骨营养价值的认识不足，造成了除去可直接食用的部分（如排骨、腔骨）外，剩余的绝大部分骨头利用率较低、加工技术适应性不高及产业化困难等问题，进而带来了巨大的骨骼资源浪费及环境污染等方面的问题。目前，以蒸汽爆破作为植物性原料处理方式的报道已经很多，而将其应用于动物骨骼的加工及处理方式还鲜有报道。采用蒸汽爆破液化牛骨技术，既简化了工艺流程又降低了能耗，同时，还能利用畜禽养殖场和屠宰场的畜禽粪便与落叶等废弃物资源，经厌氧发酵所产沼气对蒸汽发生器进行供能，充分利用废弃物资源的同时还大幅度降低了碳排放。

本课题以牛股骨骨干为原料，对其液化技术进行了研究：根据热力计算结果，设计沼气蒸汽发生器，并与爆破装置进行耦合匹配，搭建了牛骨液化工艺实验台；在该实验台上完成了牛骨液化的相关实验，研究了蒸汽爆破对牛骨理化特性的影响机制，并对牛骨液化工艺及脱脂工艺进行了优化；通过蒸汽爆破法制备了超微牛骨汤粉及生物羟基磷灰石并进行表征，研究了其理化特性及消化特性，以期为牛骨的高值化全利用提供理论依据及工艺条件参考；对牛骨蒸汽爆破工艺进行了技术经济评价以及成本核算，并与高温蒸煮工艺进行了对比。主要研究结果与结论如下：

1. 根据瞬时弹射式爆破装置的特点，将牛骨蒸汽爆破过程划分为了三个阶段：升压（渗透）阶段、维持压力（蒸煮）阶段以及泄压（爆破）阶段，建立了各个阶段的能量传递模型与传质模型。牛骨蒸汽爆破过程过程中的有效能耗占比64.72 %，无效能耗占比35.28 %；其中加热骨料所需热量占比46.38 %，为有效能耗。在能量传递模型的基础上，对牛骨蒸汽爆破传质规律进行了分析，阐明了牛骨蒸汽爆破过程中存在的传质现象，分析了各阶段的水分变化情况；验证实验显示所建模型拟合度较好，结果可靠，可用于牛骨蒸汽爆破过程的传热量与水分变化的相关计算。

2.根据牛骨蒸汽爆破机理对牛骨的液化工艺进行了优化，并采用原子吸收分光光度计和电感耦合等离子体发射光谱法等对产物进行了表征。结果表明：牛骨液中矿物质含量随着液化率的增大而显著增加（P＜0.05），而蛋白质与脂肪等有机相的含量则逐渐减少。钙离子的溶解度随着牛骨液化率的增大而增大，且效果显著（P＜0.05）；牛骨液化的最佳工艺条件为：压力维持2.2 MPa（217.3℃），保压874 s，此时的液化率为84.63 %。蒸汽爆破技术中的两个参数（压力与保压时间）对牛骨液化率的影响都极其显著，但交互作用并不明显。蒸汽爆破技术可强力破坏牛骨结构，使有机物有效析出并溶于水中，从而达到液化的效果。

3.根据牛骨蒸汽爆破机理对牛骨的去脂机制进行了研究，并以实现牛骨去脂最大化为目标，对牛骨去脂技术参数进行了优化，并使用激光粒径分析仪、电子扫描显微镜和傅里叶红外光谱法对产物进行表征。结果表明：牛骨硬度随着汽爆参数的增大而显著下降（P＜0.05），因此，增大压力及延长保压时间更有利于牛骨的软化及碎化。蒸汽爆破后的牛骨渣随着汽爆

目录

摘要 ...............................................................................................................................................IV

第一章 前言 ....................................................................................................................................1

1.1 引言 ...................................................................................................................................1

1.2 畜禽骨的结构及营养元素 .................................................................................................1

1.2.1 畜禽骨的结构与力学特性....................................................................................1

1.2.2 畜禽骨的营养组成及作用....................................................................................5

1.3 畜禽骨的研究利用与加工技术现状 .................................................................................7

1.3.1 畜禽骨的研究利用现状........................................................................................7

1.3.2 畜禽骨的加工技术现状......................................................................................13

1.4 蒸汽爆破技术的研究与应用现状 ...................................................................................16

1.4.1 蒸汽爆破技术研究现状......................................................................................16

1.4.2 蒸汽爆破技术应用现状......................................................................................18

1.5 本课题研究的主要内容 ...................................................................................................19

1.5.1 研究目的 ................................................................................................................19

1.5.2 技术路线 ................................................................................................................20

1.5.3 研究内容 ................................................................................................................21

第二章 牛骨液化工艺实验台的设计搭建 ...................................................................................22

2.1 引言 ................................................................................................................................22

2.2 沼气蒸汽发生器的设计计算 ..........................................................................................22

2.2.1 沼气燃烧器结构设计计算..................................................................................22

2.2.2 沼气燃烧器热力计算..........................................................................................24

2.2.3 烟风阻力计算......................................................................................................27

2.2.4 沼气蒸汽发生器的设计参数与结构..................................................................28

2.3 爆破装置选配 ..................................................................................................................29

2.3.1 热喷放技术..........................................................................................................30

2.3.2 瞬时弹射技术......................................................................................................31

2.4 牛骨液化工艺实验台的总体结构 ..................................................................................33

2.5 本章小结 ...........................................................................................................................34

第三章 牛骨的蒸汽爆破机理研究 ...............................................................................................35

3.1 引言 ................................................................................................................................35

3.2 牛骨蒸汽爆破过程 ..........................................................................................................35

3.2 牛骨蒸汽爆破过程能量传递与能耗分析......................................................................36

3.2.1 牛骨蒸汽爆破过程热传递模型建立.................................................................36

3.2.3 牛骨蒸汽爆破过程能耗分析.............................................................................39

3.3 牛骨蒸汽爆破中的传质过程分析 ..................................................................................40

3.3.1 牛骨蒸汽爆破过程中的水分迁移.....................................................................41

3.4 本章小结 ..........................................................................................................................43

第四章 牛骨的液化工艺优化 .......................................................................................................44

4.1 引言 ................................................................................................................................44

4.2 牛骨的液化机制与工艺优化 ...........................................................................................45

4.2.1 材料与方法..........................................................................................................45

4.2.2 结果与分析..........................................................................................................48

4.3 牛骨的去脂机制与工艺优化 ...........................................................................................54

4.3.1 材料与方法..........................................................................................................54

4.3.2 结果与分析..........................................................................................................57

4.4 本章小结 ...........................................................................................................................64

第五章 超微牛骨粉的制备与表征 ...............................................................................................66

5.1 引言 ................................................................................................................................66

5.2 超微牛骨汤粉的制备与表征 ..........................................................................................66

5.2.1 材料与方法..........................................................................................................66

5.2.2 结果与分析..........................................................................................................70

5.3 牛骨源生物活性羟基磷灰石的制备与表征 ..................................................................76

5.3.1 材料与方法..........................................................................................................76

5.3.2 结果与分析..........................................................................................................78

5.4 本章小结 ...........................................................................................................................84

第六章 牛骨资源化利用技术经济评价 .......................................................................................86

6.1 引言 .................................................................................................................................86

6.2 分析方法 ...........................................................................................................................86

6.2.1 技术经济评价指标..............................................................................................86

6.2.2 生产成本分析......................................................................................................86

6.2.3 敏感性分析..........................................................................................................88

6.3 分析与评价 .......................................................................................................................88

6.3.1 技术经济评价指标..............................................................................................88

6.3.2 成本估算..............................................................................................................89

6.3.3 敏感性分析..........................................................................................................91

6.4 本章小结...........................................................................................................................92