一種利用微波-稀酸汽爆對(duì)木質(zhì)纖維素類(lèi)物料進(jìn)行連續(xù)預(yù)處理的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物質(zhì)預(yù)處理的領(lǐng)域，具體涉及一種利用微波-稀酸汽爆對(duì)木質(zhì)纖維素類(lèi)物料進(jìn)行連續(xù)預(yù)處理的裝置及方法，主要用于木質(zhì)纖維素原料的預(yù)處理。
【背景技術(shù)】
[0002]21世紀(jì)以來(lái)，人類(lèi)對(duì)能源的需求量劇增，隨著化石燃料的過(guò)度開(kāi)采，二氧化碳的排放導(dǎo)致的溫室效應(yīng)的影響，世界面臨著前所未有的資源、能源、環(huán)境問(wèn)題。在這種嚴(yán)峻的環(huán)境壓力下，尋找資源節(jié)約型、環(huán)境友好型且可再生的新能源成了急需要解決的問(wèn)題。我國(guó)是個(gè)一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，纖維素資源充裕，每年有高達(dá)6億噸以上的各類(lèi)生物質(zhì)廢料，但纖維素利用率不高，目前利用率不足3%。在農(nóng)業(yè)收獲季節(jié)，農(nóng)民經(jīng)常使用焚燒的手段處理木質(zhì)纖維素等富含纖維素的農(nóng)作物，不僅僅浪費(fèi)了纖維素資源還造成了環(huán)境的污染。木質(zhì)纖維制乙醇是現(xiàn)今時(shí)期我國(guó)實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)可能性的重要方式之一，因其具有廣闊的發(fā)展前景已經(jīng)逐漸變成了未來(lái)我國(guó)生物能源產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向。
[0003]天然木質(zhì)纖維素材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)非常復(fù)雜，半纖維素通過(guò)氫鍵與纖維素相連，其側(cè)鏈通過(guò)阿魏酸或醛酸與木素相連，半纖維素與木素將纖維素包裹起來(lái)，形成了難以被微生物所降解的聚合體。并且，纖維素本身高度結(jié)晶，增加了降解難度。通過(guò)預(yù)處理最大程度地利用木質(zhì)纖維素中的有用成分(木糖)的同時(shí)，撕開(kāi)半纖維素的包裹，讓纖維素充分暴露出來(lái)為下一步酶解創(chuàng)造一個(gè)良好的條件。
[0004]目前國(guó)內(nèi)常用的預(yù)處理技術(shù)有物理法、化學(xué)法、生物法等，這些預(yù)處理都存在一些缺陷，如公開(kāi)號(hào)CN103773815A的專(zhuān)利公開(kāi)了一種利用苯/乙醇對(duì)木質(zhì)纖維素進(jìn)行脫蠟處理的技術(shù)，但該方法使用了化學(xué)用品苯，回收成本高，環(huán)境負(fù)荷大；如公開(kāi)號(hào)CN102261004A公開(kāi)的一種微生物法與化學(xué)法聯(lián)合的預(yù)處理方法，其中生物法的反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，效率較低，因此目前僅局限于實(shí)驗(yàn)和中試階段，工業(yè)化困難。另外，稀酸汽爆法雖然是公認(rèn)的比較有前景的預(yù)處理方法，但是由于處理強(qiáng)度較大，容易產(chǎn)生對(duì)后續(xù)發(fā)酵有抑制作用的物質(zhì)。
[0005]因此開(kāi)發(fā)低污染、低能耗、時(shí)間短、高轉(zhuǎn)化率、并對(duì)后續(xù)發(fā)酵無(wú)抑制作用的適合工業(yè)化的木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法十分必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明涉及生物質(zhì)預(yù)處理的領(lǐng)域，具體涉及一種利用微波-稀酸汽爆對(duì)木質(zhì)纖維素類(lèi)物料進(jìn)行連續(xù)預(yù)處理的裝置及方法，實(shí)現(xiàn)了提高了木質(zhì)纖維素的處理量，縮短了處理周期，降低了能耗，并且提高了預(yù)處理之后物料對(duì)酶的可及性，使得纖維素的酶解率提高。
[0007]該方法在本發(fā)明提供的利用微波-稀酸汽爆對(duì)木質(zhì)纖維素類(lèi)物料進(jìn)行連續(xù)預(yù)處理的裝置，其特征在于，包括稀酸罐(I)、噴淋閥(2)、進(jìn)料器(3)、增壓螺桿裝置(4)、1?20臺(tái)微波發(fā)生器(5)、1?20個(gè)微波饋口 ￠)、反應(yīng)滯留器(7)、電加熱蒸汽發(fā)生器(8)、噴爆閥
(9)、旋風(fēng)分離器(10)，稀酸罐(I)的下端連接噴淋閥(2)，噴淋閥(2)下端正對(duì)進(jìn)料器(3)，進(jìn)料器下端的出口與增壓螺桿裝置(4)進(jìn)口連接，增壓螺桿裝置(4)末端出口跟反應(yīng)滯留器(7)進(jìn)口連接，反應(yīng)滯留器(7)進(jìn)口通過(guò)噴爆閥(9)與旋風(fēng)分離器(10)連接。
[0008]增壓螺桿裝置(4)的下方設(shè)有篩網(wǎng)；反應(yīng)滯留器(7)上設(shè)有多個(gè)微波饋口(6)，通過(guò)微波饋口(6)安裝多個(gè)微波發(fā)生器(5);電加熱蒸汽發(fā)生器與反應(yīng)滯留器連接，通入蒸汽。
[0009]本發(fā)明理由上述裝置進(jìn)行微波-稀酸汽爆對(duì)木質(zhì)纖維素預(yù)處理的方法，包括以下步驟:
[0010]將(粒徑I?30cm的)木質(zhì)纖維素物料輸送到進(jìn)料器(3)中，同時(shí)稀酸罐⑴中(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1?30% )稀酸連續(xù)地通過(guò)噴淋閥(2)噴到木質(zhì)纖維素物料上，對(duì)木質(zhì)纖維素物料進(jìn)行噴淋浸漬，多余的稀酸通過(guò)增壓螺桿裝置(4)下方的篩網(wǎng)過(guò)濾出來(lái)，返回到稀酸罐(I)中；之后，通過(guò)酸浸漬的木質(zhì)纖維素物料進(jìn)入防反噴的增壓螺桿裝置(4)，在增壓螺桿裝置(4)中通過(guò)揉搓、脫水?dāng)D壓、增壓和加速浸漬后進(jìn)入反應(yīng)滯留器(7);在反應(yīng)滯留器(7)中，微波與飽和蒸汽共同作用，加快稀酸對(duì)物料的反應(yīng)速率；最后，物料通過(guò)末端的噴爆閥(9)噴爆到旋風(fēng)分離器(10)中，將物料與蒸汽分離開(kāi)，物料從分離器下部排出，蒸汽從上部分離。即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)料，間歇出料的微波-稀酸汽爆預(yù)處理木質(zhì)纖維素的過(guò)程。
[0011]將浸漬過(guò)程與進(jìn)料過(guò)程集合到一起，來(lái)自稀酸罐(I)中的一定濃度的稀硫酸通過(guò)噴淋閥(2)均勻地噴灑到進(jìn)料器中的秸桿上對(duì)秸桿進(jìn)行噴淋浸漬，然后直接進(jìn)入增壓螺桿裝置(4)中進(jìn)行揉搓、脫水?dāng)D壓、增壓和加速浸漬。物料進(jìn)入反應(yīng)滯留器(7)，反應(yīng)滯留器
(7)將連續(xù)稀酸汽爆預(yù)處理與微波預(yù)處理集于一身，在其中微波與飽和蒸汽協(xié)同作用，加快稀酸對(duì)物料的反應(yīng)速率。
[0012]本發(fā)明將稀酸罐(I)中一定濃度的稀硫酸通過(guò)噴淋閥(2)均勻地噴灑到進(jìn)料器中的秸桿上，然后直接進(jìn)入增壓螺桿裝置(4)中加速浸漬過(guò)程，浸漬時(shí)間由常規(guī)浸漬的5?12h縮短至3?1min0
[0013]反應(yīng)滯留器(7)上安裝有若干個(gè)微波發(fā)生器(5)，第一個(gè)微波發(fā)生器(5)的安裝位置靠近入口處，并且微波饋口(6)安裝在反應(yīng)滯留器(7)殼體表面，從入口處依次往出口處排列，間隔大小及排布方式根據(jù)微波輻射有效范圍確定。
[0014]反應(yīng)滯留器(7)將連續(xù)稀酸汽爆預(yù)處理與微波預(yù)處理集于一身，微波與飽和蒸汽協(xié)同作用，加快了稀酸對(duì)物料的反應(yīng)速率。因采用微波共同作用，滯留反應(yīng)時(shí)間由稀酸汽爆預(yù)處理的10?15min左右縮短至5?lOmin，對(duì)蒸汽的需求量由lkg/ (kg干物料)降低到0.5?0.7kg/(kg干物料)。此外所述單位質(zhì)量的絕干物料的微波功率消耗為200?1000W。
[0015]所述物料在反應(yīng)滯留器(7)中所用的飽和蒸汽溫度由稀酸汽爆預(yù)處理時(shí)的170°C降低至140?150。。。
[0016]本發(fā)明第一次實(shí)現(xiàn)微波-稀酸汽爆對(duì)木質(zhì)纖維素類(lèi)物料進(jìn)行連續(xù)預(yù)處理，并設(shè)計(jì)出了一套能夠順利實(shí)現(xiàn)此工藝的裝置。該裝置不僅將浸漬過(guò)程與進(jìn)料過(guò)程集合到一起，在增壓螺桿裝置中加速了浸漬過(guò)程，還將連續(xù)稀酸汽爆預(yù)處理與微波預(yù)處理集于一身，在反應(yīng)滯留器中微波與飽和蒸汽協(xié)同作用，加快了稀酸對(duì)物料的反應(yīng)速率，并且提高了預(yù)處理之后物料對(duì)酶的可及性，使得纖維素的酶解率提高。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是本發(fā)明利用微波-稀酸汽爆對(duì)木質(zhì)纖維素類(lèi)物料進(jìn)行連續(xù)預(yù)處理的工藝流程不意圖；
[0018]1、稀酸罐2、噴淋閥3、進(jìn)料器4、增壓螺桿裝置5、微波發(fā)生器(I?20個(gè))6、微波饋口(I?20個(gè))7、反應(yīng)滯留器8、電加熱蒸汽發(fā)生器9、噴爆閥10、旋風(fēng)分離器。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，氮本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。
[0020]通過(guò)閱讀下文優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述，各種其他的優(yōu)點(diǎn)和益處對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優(yōu)選實(shí)施方式的目的，而并不認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中，包括以下設(shè)備:1.稀酸罐、2.噴淋閥、3.進(jìn)料器、4.增壓螺桿裝置、5.微波發(fā)生器(I?20個(gè))、6.微波饋口(I?20個(gè))、7.反應(yīng)滯留器、8.電加熱蒸汽發(fā)生器、9.噴爆閥、10.旋