CN101818217A - 一种纤维素类生物质高温液态水预处理的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可对木质纤维素类生物质中的半纤维素进行水解的方法及装置。方法步骤为:将粒度在1cm以内的木质纤维素类生物质加入压缩渗滤反应器内筒中,以带有低浓度金属离子、温度在150-200℃、压力在对应温度的饱和蒸汽压至5MPa以内的高温液态水为反应介质,反应介质以分段变流量的方式连续流过压缩渗滤反应器内筒中的生物质原料,同时回收冷却后的木糖及其低聚糖为主的液体产物。本发明装置由三部分组成:预热并实现变量流加反应介质的反应介质流加系统Ⅰ;带有压缩渗滤反应器和分体式反应器加热装置的压缩渗滤反应器组件Ⅱ,液体产物收集装置Ⅲ。本发明可实现木质纤维素类生物质中半纤维素组分的高效水解,并可实现水解液的连续、稳定收集。
Description
技术领域
本发明涉及生物质新能源技术领域,尤其涉及一种纤维素类生物质高效预处理的方法以及实现这个方法的装置。
技术背景
随着大量化石能源的不断消耗带来的能源危机和环境压力,开发可再生能源已经日益受到人们的重视。在众多新能源中,生物质是一种清洁的可再生能源资源,通过木质纤维素类生物质水解制取燃料乙醇来代替部分化石燃料,是缓解石油危机的有效方法之一,对保障国家能源安全、实现CO2减排、有效推动农村经济发展都有重要意义。
木质纤维素类生物质作为最有前景的燃料乙醇生产原料,其生产工艺包括水解生成可发酵糖,糖发酵为乙醇以及乙醇的脱水提纯。目前的主流工艺是预处理-酶水解-微生物乙醇发酵。从世界范围内看,在美国、加拿大、欧洲以及我国都建有纤维素乙醇的示范工厂,但尚无一家实现商业化。究其原因主要来自三个方面:一是缺乏高效的预处理工艺,二是纤维素酶的成本居高不下,三是半纤维素的主要水解产物木糖等五碳糖发酵效率较低。
预处理是纤维素乙醇必备的工艺步骤,其作用在于水解半纤维素为五碳糖为主的液体产物,破坏生物质紧密的结构,从而提高纤维素酶的酶解效率。
预处理方法很多,包括物理法、化学法、生物法等,经济性较好、工艺较成熟的稀酸预处理存在三方面缺点:1)反应过于激烈,副产物多,副产物会抑制乙醇发酵;2)试剂具有腐蚀性,对设备要求高,增加设备成本;3)酸根易污染环境。以上缺陷严重制约其进一步发展。
高温液态水(Hot liquid water,HLW;or Hot-Compressed Water,HCW)是指温度高于150℃而压力在饱和蒸汽压以上故而保持在液体状态的水,其较常温水的密度、介电常数、离子积、粘度等物性均发生变化。随着温度和压力的升高,高温液态水粘度变低、扩散系数增高,从而具有传质性能好的优点;介电常数升高,相对密度变大,使其又具有非常好的溶解性能,可同时溶解有机物和无机物;再则其电离常数随压力的增大而增大,在275℃附近有一极大值,约为10-11(mol/L),为常温常压水的105倍,因此高温液态水中的[H3O+][OH-]浓度已接近弱酸或弱碱,自身具有酸催化与碱催化的功能。
以高温液态水法水解生物质中的半纤维素,在此过程中水既是溶剂,又可作为反应物和催化剂,比之化学试剂,廉价、环保;原料无需干燥,可节约能源,还具有反应速度快、转化率高、选择性好,能抑制由热分解产生的焦化的优势。
目前以高温液态水对生物质进行预处理,国内外都有研究,但基本上都处在机理和小试阶段或较粗犷的概念阶段,距离工业化应用还有很长距离。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可对木质纤维素类生物质中的半纤维素进行水解的方法及装置,以提高反应糖得率,进而实现纤维素乙醇的工业化实施。
本发明目的通过以下技术方案来实现:
本发明纤维素类生物质高温液态水预处理的方法包括以下步骤:将粒度在1cm以内的木质纤维素类生物质加入压缩渗滤反应器内筒中,以带有低浓度金属离子、温度在150-200℃、压力在对应温度的饱和蒸汽压至5MPa以内的高温液态水为反应介质,反应介质以分段变流量的方式连续流过压缩渗滤反应器内筒中的生物质原料,同时回收冷却后的木糖及其低聚糖为主的液体产物。
反应介质以分段变流量的方式可以为:反应介质第一段流量范围在5-20ml/min,第二段流量10ml/min,产出的反应液经过收集系统连续收集。
所述低浓度金属离子选自如下之一或一种以上金属的氯化盐或硫酸盐:Cu2+,Fe2+,Fe3+,K+,Na+,Mg2+;所述反应介质中金属离子质量百分比浓度范围为0.01-0.15wt%。
本发明装置由以下三部分组成:预热并实现变量流加反应介质的反应介质流加系统I;带有压缩渗滤反应器和分体式反应器加热装置的压缩渗滤反应器组件II,可使水解液连续流出的带有冷却和进气路的缓冲装置的液体产物收集装置III。
压缩渗滤反应器组件II带有压缩渗滤反应器和分体式反应器加热装置,分体式反应器加热装置可预热至略高于反应温度后再包被到装有物料的压缩渗滤反应器内筒外加热,使内筒内的原料迅速达到反应温度,克服反应器预热过程中原料的分解;液体产物收集装置III带有冷却和缓冲装置,可使水解液连续流出,可实现水解液的连续、稳定收集。
该装置的工作过程为:反应介质预热到反应温度;将纤维素类生物质原料放置于压缩渗滤反应器的内筒中,密闭反应器盖,排除空气;将分体式反应器加热装置预热到略高于反应温度,将其包被在压缩渗滤反应器内筒外,同时开始以变流量分段使反应介质流过原料,通过液体产物收集装置III收集冷却后的水解液。到达反应时间,迅速移开分体式加热装置,同时迅速冷却压缩渗滤反应器内筒,结束反应。
本发明具有的特点是:
1.采用含有低浓度金属离子的氯化盐或硫酸盐的高温液态水作为反应介质,实现木质纤维素类生物质中半纤维素组分的高效水解。
2.采用分段、变流量的水解方法,把生物质中的半纤维素水解成糖类产物,节省了反应介质、尤其是水的用量,避免了水解产物的进一步降解,提高了水解效果。
3.整个纤维素类生物质高温液态水预处理装置包括了反应介质流加系统、压缩渗滤反应器系统和产物收集系统。反应器内的物料无需经历较长的加热过程,预热好的反应介质和加热器可以直接使原料在设定的反应条件下开始反应。
附图说明
图1是本发明装置流程示意图
附图标记说明:
I.反应介质流加系统 II.压缩渗滤反应器组件 III.液体产物收集装置
1.液体加料罐 2.计量泵 3.电沙浴 4.预热盘管 5.压缩渗滤反应器 6.夹套加热器 7.压缩弹簧 8.热电偶 9.温度控制仪 10.冷却管 11.取样罐 12.缓冲接料罐
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示,纤维素类生物质压缩渗滤水解系统由以下三部分组成:由液体加料罐1、计量泵2、电沙浴3和预热盘管4组成的反应介质流加系统I;由压缩渗滤反应器5、夹套加热器6、压缩弹簧7、热电偶8和温度控制仪9组成的压缩渗滤反应器组件II;由冷却管10、取样罐11和缓冲接料罐12组成的液体产物收集装置III。
以榨汁后的甜高梁渣为水解原料为例,将尺寸在1cm以内的甜高粱渣适当湿润,加入压缩渗滤反应器5,以压缩弹簧7施加一定的压力压实物料(亦可不用压缩弹簧,使物料呈自然状态置于反应器中),密闭反应器盖,从压缩渗滤反应器5的进气路加入氮气,使压缩渗滤反应器5在反应温度呈设定的压力状态;在液体加料罐1中添加质量百分比浓度范围为0.01-0.15wt%的金属盐,将电沙浴3调到反应温度加热预热盘管4;将夹套加热器6调到稍高于反应温度进行预热,待各预热条件达到后,将夹套加热器6包被到压缩渗滤反应器5上,调节温度控制仪9至反应温度,同时开启并调节计量泵2,按照设定流量(第一阶段流量范围为5-20ml/min,第二阶段流量为10ml/min)进行流加,反应开始计时,同时打开液体产物收集装置III中连接冷却管10的出料阀门和连接缓冲接料罐12的阀门,通过缓冲接料罐12的进气路,以氮气将罐内压力调到略低于压缩渗滤反应器5中的压力,连续收集反应液;取样时,打开并调节取样罐11的阀门,取样分析,监测反应进程。
以质量百分比浓度为0.01wt%的K2SO4为反应介质,反应温度为150℃,反应压力为饱和蒸汽压,第一段流加速率为5ml/min,第二段流加速度为10ml/min的工况下,木糖为主的糖类产物转化率为81.2%。
以质量百分比浓度为0.1wt%的CuCl2为反应介质,反应温度为184℃,反应压力为饱和蒸汽压,第一段流加速率为10ml/min,第二段流加速度为10ml/min的工况下,木糖为主的糖类产物转化率为89.3%。
以质量百分比浓度为0.15wt%MgCl2为反应介质,反应温度为200℃,反应压力为5MPa,第一段流加速率为20ml/min,第二段流加速度为10ml/min的工况下,木糖为主的糖类产物转化率为91.6%。
同样,以Fe2+,Fe3+,Na+,K+,Cu2+,Mg2+等金属离子的氯化盐或硫酸盐,按以上方法水解,半纤维素的糖转化率都达到80%以上。
本发明中采用的为木质纤维素类生物质,包括木材、木屑、农作物秸秆等农林废弃物、草类以及回收的纸张等纤维类物质。
Claims (7)
1.纤维素类生物质高温液态水预处理的方法,其特征在于,包括如下步骤:将粒度在1cm以内的木质纤维素类生物质加入压缩渗滤反应器内筒中,以带有低浓度金属离子、温度在150-200℃、压力在对应温度的饱和蒸汽压至5MPa以内的高温液态水为反应介质,反应介质以分段变流量的方式连续流过压缩渗滤反应器内筒中的生物质原料,同时回收冷却后的木糖及其低聚糖为主的液体产物。
2.如权利要求1所述的纤维素类生物质高温液态水预处理的方法,其特征在于:所述低浓度金属离子选自如下之一或一种以上金属的氯化盐或硫酸盐:Cu2+,Fe2+,Fe3+,K+,Na+,Mg2+;所述反应介质中金属离子质量百分比浓度范围为0.01-0.15wt%。
3.如权利要求1所述的纤维素类生物质高温液态水预处理的方法,其特征在于:反应介质以分段变流量的方式添加,反应介质第一段流量范围在5-20ml/min,第二段流量10ml/min,产出的反应液经过收集系统连续收集。
4.实现权利要求1所述的方法的纤维素类生物质高温液态水预处理装置,其特征在于由以下三部分组成:预热并实现变量流加反应介质的反应介质流加系统(I);带有压缩渗滤反应器和分体式反应器加热装置的压缩渗滤反应器组件(II),可使水解液连续流出的带有冷却和进气路的缓冲装置的液体产物收集装置(III)。
5.如权利要求4所述的纤维素类生物质高温液态水预处理装置,其特征在于,所述反应介质流加系统(I)由液体进料罐(1)、计量泵(2)、电沙浴(3)和预热盘管(4)组成。
6.如权利要求4所述的纤维素类生物质高温液态水预处理装置,其特征在于,所述压缩渗滤反应器组件(II)由压缩渗滤反应器(5),夹套式加热器(6),压缩弹簧(7),热电偶(8)和温度控制仪(9)组成;同时,压缩渗滤反应器(5)上开有进气路,用于调整反应压力。
7.如权利要求4所述的纤维素类生物质高温液态水预处理装置,其特征在于,所述液体产物收集装置(III)由冷却管(10),取样罐(11)和缓冲接料罐(12)组成,缓冲接料罐(12)上开有进气路,用于调整缓冲接料罐(12)中的压力,使液体产物稳定流入。
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