CN102226317A - 竹材生物质燃料和竹浆粕的联产制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明竹材生物质燃料和竹浆粕的联产制备方法，步骤如下：（1）热水抽提，得到半纤维素抽提液；（2）对纤维素挤压揉搓，挤压脱出半纤维素和木质素抽提液，并得到细丝状物料；（3）纤维素深度提取及竹浆粕的制备：所述细丝状物料加碱升温处理，洗涤并滤出半纤维素和木质素降解液后得竹浆粕；（4）生物质燃料乙醇的制备：分离半纤维素并进行糖化转换，再接种酵母菌发酵，经蒸馏浓缩得生物质燃料乙醇；（5）生物质燃料颗粒的制备：细长竹尾和枝叶粉碎后，与污泥及步骤（4）分离半纤维素后的残留液混合，挤压成型干燥得生物质燃料颗粒。本发明工艺先进，而且在不增加生产成本的前提下，提高竹材资源的利用率、增加经济效益和减少环境污染。

Description

竹材生物质燃料和竹浆粕的联产制备方法
技术领域
本发明涉及可再生生物质能源和可再生纺织原料技术领域，具体涉及竹材生物质燃料和竹浆粕的联产制备方法。
背景技术
竹子生长快、一次栽种多次轮伐、可再生性强，竹纤维较其它纤维具有更强的吸湿和透气性能，使竹浆粕原料更适合制作夏季服装、运动衣和贴身内衣，近几年竹浆粕作可再生纺织原料得到快速发展。竹浆粕主要技术指标要求有：1、纤维素含量应不低于98%；2、半纤维素含量控制在2.0%以下；3、木质素含量不超过1.0% 。竹子主要成分及其含量分别为：纤维素含量40～60%、半纤维素含量20～30%、木质素含量19～28%。竹材制浆粕过程中将溶出大量的半纤维素和木质素，造成严重的环境污染，高昂的污水处理设备投资和运行费增加企业生产成本、影响经济效益，并且随着能源需要的增加，对可再生生物质能源的研究也日益受到重视，竹材制浆粕的过程中备料所剩余的竹尾和枝叶都没有得到有效的利用，增加了资源和环境的负荷。
发明内容
为克服现有技术存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供竹材生物质燃料和竹浆粕的联产制备方法，与现有技术相比，本发明工艺先进，而且在不增加生产成本的前提下，提高竹材资源的利用率、增加经济效益和减少环境污染。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
（1）竹材原料分切后清洗除尘，经热水抽提半纤维素，纤维素胞间层、初生壁和次生壁S1、S2层中的半纤素、木质素部分溶出，纤维素结构受到破坏、纤维间结合力下降，使纤维细胞的初生壁和次生壁S1层、S2层破裂或分离，再滤出半纤维素抽提液，并得到抽提后片状物料；（2）用平行双螺杆挤出机将所述抽提后片状物料挤压、揉搓成细丝状物料，并挤压脱出半纤维素和木质素抽提液，并向剩余的细丝状物料中加碱和双氧水，使剩余半纤维素和木质素继续降解；（3）向所述剩余的细丝状物料中加碱，升温反应，洗涤反应后物料并滤出半纤维素和木质素降解液后得竹浆粕；（4）从步骤（1）所述的半纤维素抽提液、步骤（2）所述的半纤维素和木质素抽提液以及步骤（3）所述的半纤维素和木质素降解液的混合液中分离出半纤维素和残留液，对分离后半纤维素进行糖化转换，再接种酵母，最后经蒸馏浓缩得生物质燃料乙醇；（5）分切竹材原料剩余的细长竹尾和枝叶经粉碎后，与步骤（4）所述残留液及污水处理过程所产生的污泥混合，得混合物；所述混合物经挤压成型干燥得生物质燃料颗粒。
本发明的具体工艺步骤如下：
（1）半纤维素的热水抽提：竹材原料分切成长度20mm～30mm的片状，清洗除砂尘后，按3：1的液固比装锅并加热升温至145℃～165℃，并保温120～200分钟，进行热水抽提；滤出半纤维素抽提液，并得到抽提后片状物料；
（2）纤维素挤压、搓揉分裂：用平行双螺杆挤出机对步骤（1）所述抽提后片状物料施加大于1MPa的挤压压力，以4：1的压缩比进行挤压、搓揉，使片状物料变成细丝状物料，挤压脱出半纤维素和木质素抽提液后得到剩余细丝状物料，再向剩余细丝状物料中加入相当于所述细丝状物料质量2%～3%的碱和相当于所述细丝状物料质量3%～4%的双氧水后继续处理，得到深度处理的细丝状物料；控制揉搓时的摩擦温度为90℃～120℃；
（3）纤维素深度提取及竹浆粕的制备：将步骤（2）所述深度处理的细丝状物料直送入高温高压反应釜，按4：1的液固比加质量百分比为13%的碱，饱和蒸汽升温至170℃～200℃并保温80～110分钟，进行降解反应，滤出半纤维素和木质素降解液后即得竹浆粕；
（4）生物质燃料乙醇的制备：将步骤（1）所述的半纤维素抽提液、步骤（2）所述的半纤维素和木质素抽提液以及步骤（3）所述的半纤维素和木质素降解液混合得到混合液，从混合液中分离出半纤维素，并得到残留液；分离出的半纤维素在33℃～38℃、pH为5.5～6.5条件下进行糖化转换，按11%～13%量接种酵母菌发酵25小时～30后蒸馏、提纯，即获得生物质燃料乙醇；
（5）生物质燃料颗粒的制备：步骤（1）所述竹材原料分切后剩余的细长竹尾和枝叶经粉碎后，与来自污水处理所产生的污泥及步骤（4）所述残留液混合，得混合物；所述混合物经挤压成型干燥得生物质燃料颗粒。
所述步骤（1）竹材原料分切清洗除砂尘后，进行热水抽提的最优温度为155℃，保温时间为200分钟，。
所述步骤（4）的接种酵母为毕赤酵母Pichiastipitis与酒精酵母的融合子SHR06-1。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
（1）本发明的竹材生物质燃料和竹浆粕的联产制备方法中竹材经热水抽提的预处理，与稀酸预处理、碱预处理和蒸汽爆破预处理相比，可避开对设备的防化学腐蚀要求、减少环境污染、减轻纤维素的降解损伤；
（2）本发明采用纤维挤压、搓揉分裂可使纤维细胞的初生壁和次生壁S1层、S2层破裂或分离，纤维素深度提取时化学药剂可同时作用纤维细胞的内外壁，缩短反应时间；与药剂直接作用竹片相比可减缓“剥皮”反应：竹片内层纤维达到处理要求时外层纤维已处理过度，造成单根纤维部分降解、两尖端受损变短，增加化学药品消耗、降低纤维素得率；
（3）本发明对分离出的半纤维素进行糖化反应，再经发酵生产生物质燃料乙醇，降低竹降粕生产中的污水处理负荷，同时半纤维素高值化利用；
（4）本发明分离半纤维素后得到的残液和废水处理污泥的主要成分为木质素、果胶、细小纤维等，具有高的燃烧热值和粘性，与枝叶粉末混合生产生物质燃料颗粒，使生产废弃物高值化利用，提高经济效益；
（5）本发明将砍伐竹子过程中剩下的细长竹尾和枝叶制成的生物质燃料颗粒，其硫含量、氮含量很低，燃烧过程产生Sox和Nox较少，是用于生物质锅炉燃烧的清洁燃料。提高了竹子的利用率，并且降低了竹材因齐于野外自然碳化或野外燃烧而造成的环境污染。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
（1）半纤维素的抽提
将竹材原料分切成长度20mm的片状，用清水清洗除砂尘后，按3：1的液固比装锅并加热升温至155℃，保温120分钟，进行热水抽提、水解半纤维素；采用筛网在常压下将含半纤维素的抽提液从片状物料中滤出，得到半纤维素抽提液液和水解后片状物料；
（2）纤维素挤压、搓揉分裂
用平行双螺杆挤出机对步骤（1）所述水解后片状物料施加大于1MPa的挤压压力，控制摩擦温度90℃。以4:1的压缩比进行挤压、揉搓，使片状物料变成细丝状物料，并挤压脱出半纤维素和木质素抽提液，得到剩余细丝状物料，再向剩余细丝状物料中加入2%的碱和3%的双氧水继续反应，得到深度处理的细丝状物料；
（3）纤维素深度提取及竹浆粕的制备
将深度处理的细丝状物料装入高温高压反应釜，按照4:1的固液比加入10%的碱，饱和蒸汽升温至180℃加快化学反应处理速度，在此温度下保温80分钟使剩余半纤维素和木质素充分降解；然后将反应釜中细丝状物料倒出，洗涤后滤出半纤维素和木质素降解液，得到竹浆粕；
（4）生物质燃料乙醇的制备
将步骤（1）所述的半纤维素抽提液、步骤（2）所述的半纤维素和木质素抽提液以及步骤（3）所述的半纤维素和木质素降解液混合，得混合液，将半纤维素从混合液中分离出来，并得到残留液；分离出的半纤维素在33℃、PH值5.5下进行糖化转换，按11%量接种毕赤酵母(Pichiastipitis)与酒精酵母的融合子SHR06-1发酵25小时后蒸馏、提纯，即获得生物质燃料乙醇；
（5）生物质燃料颗粒的制备
将步骤（1）的竹材原料制备过程中剩下的细长竹尾和枝叶粉碎，与步骤（4）所述的残留液和来自污水处理过程所产生的污泥混合，经挤压成型干燥，得到生物质燃料颗粒。
实施例2
（1）半纤维素的抽提
将竹材原料分切成长度25mm的片状，用清水清洗除砂尘后，按3：1的液固比装锅并加热升温至160℃，保温130分钟，进行热水抽提、水解半纤维素；采用筛网在常压下将含半纤维素的抽提液从片状物料中滤出，得到半纤维素抽提液液和水解后片状物料；
（2）纤维素挤压、搓揉分裂
用平行双螺杆挤出机对步骤（1）所述水解后片状物料施加大于1MPa的挤压压力，控制摩擦温度100℃。以4:1的压缩比进行挤压、揉搓，使片状物料变成细丝状物料，挤压脱出半纤维素和木质素抽提液后剩余细丝状物料，向剩余细丝状物料中加入3%的碱和3%的双氧水继续反应，得到深度处理的细丝状物料；
（3）纤维素深度提取及竹浆粕的制备
将深度处理的细丝状物料装入高温高压反应釜，按照4:1的固液比加入12%的碱，饱和蒸汽升温至180℃加快化学反应处理速度，在此温度下保温100分钟使剩余半纤维素和木质素充分降解；然后将反应釜中细丝状物料倒出，洗涤后滤出半纤维素和木质素降解液，得到竹浆粕；
（4）生物质燃料乙醇的制备
将步骤（1）所述的半纤维素抽提液、步骤（2）所述的半纤维素和木质素抽提液以及步骤（3）所述的半纤维素和木质素降解液混合，得混合液，将半纤维素从混合液中分离出来，并得到残留液；分离出的半纤维素在38℃、PH值6下进行糖化转换，按13%量接种毕赤酵母(Pichiastipitis)与酒精酵母的融合子SHR06-1发酵28小时后蒸馏、提纯，即获得生物质燃料乙醇；
（5）生物质燃料颗粒的制备
将步骤（1）的竹材原料制备过程中剩下的细长竹尾和枝叶粉碎，与步骤（4）所述的残留液和来自污水处理过程所产生的污泥混合，经挤压成型干燥，得到生物质燃料颗粒。
实施例3
（1）半纤维素的抽提
将竹材原料分切成长度30mm的片状，用清水清洗除砂尘后，按3：1的液固比装锅并加热升温至155℃，保温200分钟，进行热水抽提、水解半纤维素；采用筛网在常压下将含半纤维素的抽提液从片状物料中滤出，得到半纤维素抽提液液和水解后片状物料；
（2）纤维素挤压、搓揉分裂
用平行双螺杆挤出机对步骤（1）所述水解后片状物料施加大于1MPa的挤压压力，控制摩擦温度120℃；以4:1的压缩比进行挤压、揉搓，使片状物料变成细丝状物料，挤压脱出半纤维素和木质素抽提液后得到剩余细丝状物料；向剩余细丝状物料中加入2%的碱和4%的双氧水继续反应，得到深度处理的细丝状物料；
（3）纤维素深度提取及竹浆粕的制备
将深度处理的细丝状物料装入高温高压反应釜，按照4:1的固液比加入13%的碱，饱和蒸汽升温至180℃加快化学反应处理速度，在此温度下保温110分钟使剩余半纤维素和木质素充分降解；然后将反应釜中细丝状物料倒出，洗涤后滤出半纤维素和木质素降解液，得到竹浆粕；
（4）生物质燃料乙醇的制备
将步骤（1）所述的半纤维素抽提液、步骤（2）所述的半纤维素和木质素抽提液以及步骤（3）所述的半纤维素和木质素降解液混合，得混合液，将半纤维素从混合液中分离出来，并得到残留液；分离出的半纤维素在35℃、PH值6.5下进行糖化转换，按12%量接种毕赤酵母(Pichiastipitis)与酒精酵母的融合子SHR06-1发酵30小时后蒸馏、提纯，即获得生物质燃料乙醇；
（5）生物质燃料颗粒的制备
将步骤（1）的竹材原料制备过程中剩下的细长竹尾和枝叶粉碎，与步骤（4）所述的残留液和来自污水处理过程所产生的污泥混合，经挤压成型干燥，得到生物质燃料颗粒。
实施例4
（1）半纤维素的抽提
将竹材原料分切成长度20mm的片状，用清水清洗除砂尘后，按3：1的液固比装锅并加热升温至155℃，保温160分钟，进行热水抽提、水解半纤维素；采用筛网在常压下将含半纤维素的抽提液从片状物料中滤出，得到半纤维素抽提液液和水解后片状物料；
（2）纤维素挤压、搓揉分裂
用平行双螺杆挤出机对步骤（1）所述水解后片状物料施加大于1MPa的挤压压力，控制摩擦温度110℃。以4:1的压缩比进行挤压、揉搓，使片状物料变成细丝状物料，挤压脱出半纤维素和木质素抽提液后得到剩余细丝状物料；向剩余细丝状物料中加入3%的碱和4%的双氧水继续反应，得到深度处理的细丝状物料；
（3）纤维素深度提取及竹浆粕的制备
将深度处理的细丝状物料装入高温高压反应釜，按照4:1的固液比加入10%的碱，饱和蒸汽升温至180℃加快化学反应处理速度，在此温度下保温80分钟使剩余半纤维素和木质素充分降解；然后将反应釜中细丝状物料倒出，洗涤后滤出半纤维素和木质素降解液，得到竹浆粕；
（4）生物质燃料乙醇的制备
将步骤（1）所述的半纤维素抽提液、步骤（2）所述的半纤维素和木质素抽提液以及步骤（3）所述的半纤维素和木质素降解液混合，得混合液，将半纤维素从混合液中分离出来，并得到残留液；分离出的半纤维素在36℃、PH值5.5下进行糖化转换，按11%量接种毕赤酵母(Pichiastipitis)与酒精酵母的融合子SHR06-1发酵27小时后蒸馏、提纯，即获得生物质燃料乙醇；
（5）生物质燃料颗粒的制备
将步骤（1）的竹材原料制备过程中剩下的细长竹尾和枝叶粉碎，与步骤（4）所述的残留液和来自污水处理过程所产生的污泥混合，经挤压成型干燥，得到生物质燃料颗粒。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.竹材生物质燃料和竹浆粕的联产制备方法，其特征在于：步骤如下：
（1）竹材原料分切后清洗除尘，再经热水抽提半纤维素，滤出半纤维素抽提液，并得到抽提后片状物料；
（2）将所述抽提后片状物料挤压、揉搓成细丝状物料，挤压脱出半纤维素和木质素抽提液，并向剩余的细丝状物料中加碱和双氧水，使剩余半纤维素和木质素继续降解，得到深度处理的细丝状物料；
（3）向所述深度处理的细丝状物料中加碱，升温反应，洗涤反应后物料并滤出半纤维素和木质素降解液后得竹浆粕；
（4）将步骤（1）所述的半纤维素抽提液、步骤（2）所述的半纤维素和木质素抽提液以及步骤（3）所述的半纤维素和木质素降解液混合后得混合液，从所述混合液中分离出半纤维素，同时得到残留液；对分理处的半纤维素进行糖化转换，接种酵母菌发酵，最后经蒸馏浓缩得生物质燃料乙醇；
（5）竹材原料分切后剩余的细长竹尾和枝叶经粉碎后，与污泥及步骤（4）所述残留液混合，得混合物；所述混合物经挤压成型干燥得生物质燃料颗粒。
2.根据权利要求1所述的竹材生物质燃料和竹浆粕的联产制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
（1）半纤维素的热水抽提：竹材原料分切成长度20mm～30mm的片状，清洗除砂尘后，按3：1的液固比装锅并加热升温至145℃～165℃，并保温120～200分钟，进行热水抽提；滤出半纤维素抽提液，并得到抽提后片状物料；
（2）纤维素挤压、搓揉分裂：用平行双螺杆挤出机对步骤（1）所述抽提后片状物料施加大于1MPa的挤压压力，以4：1的压缩比进行挤压、搓揉，使片状物料变成细丝状物料，挤压脱出半纤维素和木质素抽提液后得到剩余细丝状物料，再向剩余细丝状物料中加入相当于所述细丝状物料质量2%～3%的碱和相当于所述细丝状物料质量3%～4%的双氧水后继续处理，得到深度处理的细丝状物料；控制揉搓时的摩擦温度为90℃～120℃；
（3）纤维素深度提取及竹浆粕的制备：将步骤（2）所述深度处理的细丝状物料直送入高温高压反应釜，按4：1的液固比加质量百分比为13%的碱，饱和蒸汽升温至170℃～200℃并保温80～110分钟，进行降解反应，滤出半纤维素和木质素降解液后即得竹浆粕；
（4）生物质燃料乙醇的制备：将步骤（1）所述的半纤维素抽提液、步骤（2）所述的半纤维素和木质素抽提液以及步骤（3）所述的半纤维素和木质素降解液混合得到混合液，从混合液中分离出半纤维素，并得到残留液；分离出的半纤维素在33℃～38℃、pH为5.5～6.5条件下进行糖化转换，按11%～13%量接种酵母菌发酵25小时～30后蒸馏、提纯，即获得生物质燃料乙醇；
（5）生物质燃料颗粒的制备：步骤（1）所述竹材原料分切后剩余的细长竹尾和枝叶经粉碎后，与来自污水处理所产生的污泥及步骤（4）所述残留液混合，得混合物；所述混合物经挤压成型干燥得生物质燃料颗粒。
3.根据权利要求2所述的竹材生物质燃料和竹浆粕的联产制备方法，其特征在于：所述步骤（1）竹材原料分切成长度20mm～30mm的片状，清洗除砂尘后，按3：1的液固比装锅并加热升温至155℃，保温200分钟，进行热水抽提。
4.根据权利要求3所述的竹材生物质燃料和竹浆粕的联产制备方法，其特征在于：所述步骤（4）的接种酵母为毕赤酵母Pichiastipitis与酒精酵母的融合子SHR06-1。
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