CN101608412A - 微波-汽爆同步耦合法对植物秸秆去晶化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微波－汽爆同步耦合法对植物秸秆去晶化的方法。使用的装置包括秸秆粉碎机、物料预浸器、蒸气发生器、微波发生器、微波－蒸汽爆破反应罐、物料接收罐和固液分离器。其方法是将秸秆物料放入反应罐，通入150－235℃的饱和蒸汽，同时连续或间歇作用100－9000W/(kg干秸秆)的微波，反应2－15min后开启爆破阀，将秸秆爆破到物料接收罐，送入固液分离器分离并收集所得固体产品和液体产品。本发明首次将微波预处理和蒸汽爆破预处理同步耦合起来对植物秸秆进行去晶化，并设计出了一整套装置。该方法处理周期短，经济效能高，提高了纤维素去晶化率和酶的可及性，从而提高了秸秆的酶解率。
Description
技术领域
本发明属于秸秆的生物化工领域，特别涉及一种微波-汽爆同步耦合法对植物秸秆去晶化的方法，主要用于玉米秸秆、麦秆和甜高粱秸秆等多种植物秸秆的预处理。
背景技术
未经处理的秸秆很难被微生物和酶水解，主要是因为构成秸秆细胞壁的木质纤维素的结构较为复杂。木质纤维素主要包括纤维素、半纤维素、木质素三种组分，半纤维素和木质素通过共价键联结成网络结构，将纤维素分子包埋其中，使酶不易与纤维素分子接触。同时许多纤维素分子通过氢键连接共同组成结晶结构，使纤维素聚合物显示出刚性和高度水不溶性，增加了酶解的困难。因此高效利用秸秆组分的关键在于通过对秸秆进行预处理，部分去除木质素和半纤维素等成分，破坏纤维素的结晶结构，增加生物质材料的多孔性，增加酶和原料的接触面积，提高酶的可及性，从而提高秸秆的酶解率。
汽爆是木质纤维素原料预处理较常用的方法。它是用高压饱和蒸汽处理生物质原料，然后突然减压，细胞中的水瞬时汽化，造成纤维素分子间晶体结构解体，同时木质素和半纤维素对纤维素的保护作用遭到破坏，纤维素分子暴露出来，有利于后续酶解。汽爆法是一种无污染、不需回收物质的技术，用于处理硬木的经济性较好，可有效水解半纤维素，但也存在一定的局限性，主要表现在设备费用较高，反应破坏了木聚糖的结构，对木质素的分离不彻底，还可能积累糠醛、蚁酸等对微生物生长起抑制作用的物质。
微波是一种波长在100cm至1mm范围内的电磁波(其频率在300MHz至300GHz)。微波处理是一种新型的木质纤维素原料预处理方法，它是用微波辐射物料，使物料内部分子互相碰撞、产生热量，从而导致物料升温，在高温下发生酸催化的自水解反应，从而部分降解木质素和半纤维素，增加纤维素的可及性和反应活性，提高植物纤维素的酶解效率。目前，对微波预处理技术的研究还停留在实验室阶段，尚无实际生产应用的报道。
在实际对植物秸秆原料进行预处理时，由于单一的处理方法很难达到预定的效果，往往采用各种不同的组合方法，比较常见的组合方法有平行组合和顺序组合两种。如中国专利CN 101148830A即公布了一种将汽爆与微波两种方法顺序组合对植物秸秆进行预处理的方法。
在此基础上，遵循平行组合的思路，综合微波技术加热效率高和汽爆技术爆破的工艺方法未见报道。
发明内容
本发明的目的是针对现有汽爆技术和微波技术处理秸秆的各自的优势和不足，提供一种微波-汽爆同步耦合法对植物秸秆去晶化的方法，为生物质能源的开发利用提供一条新的途径。
本发明提供的微波-汽爆同步耦合对植物秸秆去晶化的方法的装置包括秸秆粉碎机、物料预浸器、电加热蒸气发生器、第一微波发生器和第二微波发生器、微波-蒸汽爆破反应罐、物料接收罐和固液分离器。
微波-蒸汽爆破反应罐通过加料阀与物料预浸器连接，物料预浸器与秸秆粉碎机连接。反应罐分别通过两个波导管与第一微波发生器和第二微波发生器连接，罐体底端和夹套分别通过管道与蒸汽发生器连接。反应罐通过爆破阀与其正下方的物料接收罐连接，物料接收罐与固液分离器连接。
本发明提供的微波-汽爆同步耦合对植物秸秆去晶化的方法包括以下步骤：
将秸秆用粉碎机粉碎至粒径为5-50mm，用水预浸至含水量为10-40％，放入微波-蒸汽爆破反应罐中。对电加热蒸汽发生器进行预热，将产生的150-235℃的饱和蒸汽分别通入微波-蒸汽爆破反应罐的筒体和夹套中，同时将第一微波发生器和第二微波发生器产生的的微波通过上、下两个微波馈口引入反应罐，从而保证微波较为均匀的作用于物料，秸秆对微波的比吸收率为100-9000W/(kg干秸秆)。根据处理原料和工艺要求的不同，可通过控制第一微波发生器和第二微波发生器的启闭实现微波连续或间歇作用于物料，其中间歇作用的方式为每隔1-2min作用1-4min恒定功率的微波。反应2-15min后，开启爆破阀门，秸秆物料在压差作用下进入物料接收罐，冷却后送入固液分离器中分离并收集所得固体产品和液体产品。收集从微波-蒸汽爆破反应罐和物料接收罐排出的蒸汽，冷凝后加以回收利用，并用水管清洗反应罐和物料接收罐。
上述中的所有蒸汽管路和微波-蒸汽爆破反应罐5均用岩棉包裹实现保温。
上述中的第一微波发生器和第二微波发生器所产生的微波分别通过微波-蒸汽爆破反应罐的上、下两个微波馈口导入罐内，每个微波馈口能够承受300℃的高温、5.0MPa的高压。微波馈口的数量可反应罐5容积的不同而有所变化。
本发明第一次将微波预处理和蒸汽爆破预处理同步耦合起来对植物秸秆进行去晶化，并设计出了一套能够顺利实现此工艺的装置。这套装置实现了微波对物料的均匀加热，避免了因微波加热不均匀而出现秸秆物料部分碳化的问题。该方法处理周期短，经济效能高，所处理物料的纤维素去晶化率和酶的可及性大为提高，从而使酶解率得到提高。
附图说明
图1是本发明的工艺装置流程示意图。
图2是本发明的主要工艺流程图。
具体实施方式
结合附图对本发明作进一步描述。
如图所示，1.秸秆粉碎机，2.物料预浸器，3.电加热蒸汽发生器，4.1第一微波发生器，4.2.第二微波发生器，5.微波-蒸汽爆破反应罐，6.物料接收罐，7.固液分离器。
微波-蒸汽爆破反应罐5分别与电加热蒸汽发生器3、第一微波发生器4.1和第二微波发生器4.2、物料接收罐6连接，主要作用是通过进料口接收经过秸秆粉碎机1粉碎和物料预浸器2用水预浸后的秸秆和来自电加热蒸汽发生器3的蒸汽，同时接受微波发生器4.1和4.2产生并通过波导管导入的微波辐射，使秸秆与蒸汽在微波作用下反应，反应结束后通过爆破阀将秸秆从反应罐5爆破至物料接收罐6。
物料接收罐6与微波-蒸汽爆破反应罐5和固液分离器7连接，主要作用是接收来自反应罐5的秸秆，冷却后送入固液分离器7进行固液分离。
操作步骤如下：
1)粉碎，将植物秸秆在秸秆粉碎机1中粉碎至粒径为5-50mm；
2)预浸，将粉碎后的秸秆物料在预浸器2中用水预浸至含水量为10-40％；
3)加料，控制阀门开关将物料由进料口加入微波-蒸汽爆破反应罐5；
4)预热，对电加热蒸气发生器3进行预热，产生150-235℃的饱和蒸汽；
5)通气，控制阀门开关将蒸气发生器3中产生的温度为150-235℃的饱和蒸汽分别通入反应罐5的筒体和夹套中；
6)作用微波，开启第一微波发生器4.1和第二微波发生器4.2，对物料连续或间歇作用微波，秸秆对微波的比吸收率为100-9000W/(kg干秸秆)。其中间歇作用的方式为每隔1-2min作用1-4min不等的恒定功率的微波。；
7)反应，秸秆与蒸汽在设定温度、压力、微波功率和作用时间下反应，并保温一定时间；
8)汽爆，反应结束后，关闭第一微波发生器4.1、第二微波发生器4.2，开启爆破阀，利用压力差将物料瞬间挤出反应罐5实现汽爆，汽爆后的物料进入物料接收罐6；
9)固液分离，将物料送入固液分离器7，分离并收集所得固体产品和液体产品；
10)清洗，用水管清洗微波-蒸汽爆破反应罐5和物料接收罐6。
应用实施例1
将干玉米秸秆在秸秆粉碎机中粉碎至粒径为10-20mm，用水预浸至含水量为40％，放入微波-蒸汽爆破反应罐中。对电加热蒸汽发生器进行预热，待蒸汽温度达到210℃，将饱和蒸汽分别通入反应罐的筒体和夹套中。开启微波发生器，对物料连续作用比吸收率为9000W/(kg干秸秆)的微波。物料在210℃饱和蒸汽、比吸收率为9000W/(kg干秸秆)的微波连续作用下反应2min，然后关闭微波发生器，开启爆破阀，利用压力差将物料瞬间挤出反应罐实现汽爆，汽爆后的物料进入物料接收罐中，冷却后送入固液分离器，分离并收集所得固体产品和液体产品，并用水管清洗微波-蒸汽爆破反应罐和物料接收罐。处理后的秸秆的相对结晶度降低了15.7％，酶解24h，酶解率达到76.7％，酶解48h达到93.3％。
应用实施例2
将干玉米秸秆在秸秆粉碎机中粉碎至粒径为30-40mm，用水预浸至含水量为20％，放入微波-蒸汽爆破反应罐中。对电加热蒸汽发生器进行预热，待蒸汽温度达到180℃，将饱和蒸汽分别通入反应罐的筒体和夹套中。开启微波发生器，对物料间歇作用比吸收率为600W/(kg干秸秆)的微波，作用方式为每隔2min作用3min的微波。物料在180℃饱和蒸汽、比吸收率为600W/(kg干秸秆)的微波间歇作用下反应10min，然后关闭微波发生器，开启爆破阀，利用压力差将物料瞬间挤出反应罐实现汽爆，汽爆后的物料进入物料接收罐中，冷却后送入固液分离器，分离并收集所得固体产品和液体产品，并用水管清洗微波-蒸汽爆破反应罐和物料接收罐。处理后的秸秆的相对结晶度降低了8.2％，酶解24h，酶解率达到65.7％，酶解48h达到86.3％。
Claims (7)
1、一种微波-汽爆同步耦合法对植物秸秆去晶化的方法，其特征在于包括的步骤：
1)将植物秸秆在秸秆粉碎机(1)中粉碎至粒径为5-50mm，并在物料预浸器(2)中用水预浸至含水量为10-40％，放入微波-蒸汽爆破反应罐(5)中；
2)开启电加热蒸气发生器(3)进行预热，将饱和蒸汽通入反应罐(5)，开启第一微波发生器(4.1)和第二微波发生器(4.2)作用微波，物料进行反应；
3)反应一段时间后关闭第一微波发生器(4.1)和第二微波发生器(4.2)，开启爆破阀，实现物料爆破；
4)爆破后的秸秆物料进入物料接收罐(6)，之后送入固液分离器(7)分离并收集所得固体产品和液体产品。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤2)的反应条件为：微波与饱和蒸汽同时作用于物料，饱和蒸汽温度150-235℃，单位质量秸秆对微波的比吸收率为100-9000W/(kg干秸秆)，反应时间2-15min，微波连续或间歇作用于秸秆，其中间歇作用的方式为每隔1-2min作用1-4min不等的恒定功率的微波。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一微微波发生器(4.1)和第二微波发生器(4.2)所产生的微波分别通过微波-蒸汽爆破反应罐(5)的上、下两个微波馈口导入罐内，每个微波馈口能够承受300℃的高温、5.0MPa的高压。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)所述的含水量为20-40％。
5、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2)所述的单位质量秸秆对微波的比吸收率为600-9000W/kg干秸秆。
6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)微波-蒸汽爆破反应罐(5)和物料接收罐(6)排出的蒸汽进行回收利用。
7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微波-蒸汽爆破反应罐(5)的外部具有夹套和岩棉保温层；蒸汽发生器(3)产生的饱和蒸汽分成两路，分别通入反应罐(5)的筒体和夹套中。
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