CN102350265A - 提高汽爆物料均一性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及七种提高汽爆物料均一性的方法：①在缓冲罐后接真空泵，保证出料管道和缓冲罐内压力衡定(即环境压力恒定)；②物料进入汽爆罐前，充分喷水或浸泡，保证复水均匀；③进料后首先对维压罐抽真空，抽走物料细胞内空气，再打开蒸汽阀进蒸汽；④在维压罐中安装循环风机，使蒸汽在维压罐内呈流通状态，强化传热传质；⑤进汽管从维压罐一侧底部深入，沿着罐壁向上延伸到维压罐中上部，设置1～10个进汽口，多路进汽；⑥颗粒粒径小于50mm的物料，装料系数控制在0～40kg/L，罐体高径比小于或等于10；⑦脉冲进汽，强化传热传质。各方案均能有效减少汽爆过程中各因素引起的不均一性，从而提高汽爆物料的均匀性。

Description

提高汽爆物料均一性的方法

技术领域

本发明涉及一种提高生物质预处理效果的方法，特别涉及到提高汽爆物料均一性的方法。

背景技术

蒸汽爆破，简称汽爆，是近年来发展起来的一种预处理方法。原料用蒸汽加热至180-235℃，维压一定时间，在突然减压喷放时，液态水迅速闪蒸，产生大量蒸汽，原料组织或细胞体积猛增，受机械力的作用，其结构被破坏；另外，在维压过程中，还有原料本身的自催化作用，其主要组分部分降解。

汽爆技术最早始于1926年，当时为间歇生产，主要是用于生产人造纤维板。从20世纪70年代开始，此项技术也被广泛用于动物饲料的生产和从木材纤维中提取乙醇和特殊化学品。80年代后，此项技术有很大的发展，使用领域也逐步扩大，出现了连续汽爆生产技术和设备，即加拿大Stake Technology公司，将此项技术应用于制浆造纸领域，它与加拿大魁北克大学共同研究，首先对杨木、后对许多非木材纤维原料进行了大量的汽爆试验，取得了很好的效果。在此基础上，开发研制了汽爆制浆技术和设备，并在制浆废液用于生产动物饲料技术方面也有深入的研究。

汽爆技术经过几十年的研究，已经发展到不同国家用于不同原料的预处理上，并用于众多领域。比如在食品工业、制药行业、生物能源、材料、化学品和环境保护等领域均有广泛的应用。其应用前景和优势日益突显，但针对目前居多应用实例来看，汽爆后的物料存在不均一性特征，即常说的夹带生料问题，常见情况如①汽爆后的秸秆，部分颜色加深、撕裂程度大、或者直接被爆成浆状，但也有部分秸秆表观看不出多大改变，与进料颜色、形状等均差不多；②利用汽爆进行大麻脱胶，汽爆后的大麻，有的撕裂程度大、变得柔软、杂质分离多，有的较硬，胶质仍牢固结合在大麻纤维上；③汽爆玉米或花生颗粒时，很明显的发现有的颗粒可以爆开，有的仍呈完整粒状，没有爆开。分析这些问题，原因有三，①假如装料很多，而且卸料口面积又不足够大，或者说是整个物料的排出要有一段的时间，那么先出的物料接触的是大气压，而后出的物料由于先出物料的闪蒸结果，其周围环境必然不是大气压而是高于大气压，(当然这种假设前提是在管道里流向缓冲罐的情况，如果直接爆向空气，则不存在这种情况)，因此在这种情况下，前后出的物料的压力降速是不一样的，也就是说闪蒸气体对物料细胞壁做的功是不一样的，也导致了汽爆对物料的物理撕裂效果不均一；②对物料进行汽爆之前，物料复水不均匀，从而导致物料内部结构不均一，即有的物料呈充分润胀状态，有的呈半润胀或完全干缩状态，这样就根本导致了物料细胞壁的胀缩性差别，这样引起3个后果，1)充分润胀后的细胞壁，其上的羟基很多被水分子饱和，纤维与纤维之间的结合减少，这样纤维呈相对松散状态，这样就意味着降低了细胞壁的强度，也即细胞壁抵抗外界应力的能力降低；2)充分润胀后的细胞壁，由于水分子羟基的取代，增大了纤维与纤维之间的距离，细胞壁上的微孔半径增大，有利于蒸汽分子的进入；3)充分润胀后的细胞，其细胞腔内充满或半充满液态水，在泄压瞬间，这部分高温高压液态水相当于一个很大的热源，闪蒸汽化蒸汽为其原来体积的几十倍，瞬时爆破，给细胞壁一个很大的冲击力；③物料进入维压罐维压的过程中，水蒸汽渗入物料的各种空隙中进行传热传质，此阶段也有一个复水的过程，根据多孔介质渗流理论，当是饱和度S→1(饱和水蒸汽)，水蒸汽渗流满足达西定律，即

$V=\frac{K}{\mathrm{\μ}}F\frac{\mathrm{\ΔP}}{L}$

(式中，V为牛顿流体以很低的流速渗流通过多孔体试样的容积流率；F和L分别是多空体试样或床层沿流体流动的横向正截面积与成长；μ为流体粘性系数；ΔP为流动压力降；K是引进的比例系数，即流体的渗透能力，称为“渗透系数”，也常用K^1/2作为多孔介质孔隙率的特征尺度。)从该式可以看出，若ΔP不够大或者通过的床层厚度够大，又或者装料过多，物料被压得过于密实，即孔隙率ε小，也即K^1/2小，这样蒸汽通过物料的流率将会很小，也即传质传热很难深入到物料内部，这样导致的传质传热的严重不均匀性严重影响了汽爆物料的均一性。

针对以上问题，本发明提出了有效的解决方案：①在缓冲罐后接真空泵，保证出料管道和缓冲罐内真空度维持在0.05～0.1MPa；②物料进入汽爆罐前，充分喷水或浸泡，保证复水均匀，喷水量与原物料质量比为0～1，喷水后维持时间为5min～12h，浸泡时间为5min～12h；③进料后首先对维压罐抽真空，抽走细胞内空气，再打开蒸汽阀进蒸汽，维压罐中的真空度维持在0.05～0.1MPa；④在维压罐中安装循环风机，使蒸汽在维压罐内呈流通状态，强化传热传质，风机风量维持在0～10⁴m/s；⑤进汽管从维压罐一侧底部深入，沿着罐壁向上延伸到维压罐中上部，设置0～10个进汽口，多路进汽；⑥颗粒粒径小于50mm的物料，装料系数控制在0～40kg/L，罐体高径比小于或等于10，减少罐体底部物料的重力压头；⑦脉冲进汽，强化传热传质，脉冲进汽频率为0～100Hz。

发明内容

本发明是针对目前汽爆物料不均一性的问题，提出一系列的解决方案，即①在缓冲罐后接真空泵，保证出料管道和缓冲罐内真空度维持在0.05～0.1MPa；②物料进入汽爆罐前，充分喷水或浸泡，保证复水均匀，喷水量与原物料质量比为0～1，喷水后维持时间为5min～12h，浸泡时间为5min～12h；③进料后首先对维压罐抽真空，抽走细胞内空气，再打开蒸汽阀进蒸汽，维压罐中的真空度维持在0.05～0.1MPa；④在维压罐中安装循环风机，使蒸汽在维压罐内呈流通状态，强化传热传质，风机风量维持在0～10⁴m/s；⑤进汽管从维压罐一侧底部深入，沿着罐壁向上延伸到维压罐中上部，设置0～10个进汽口，多路进汽；⑥颗粒粒径小于50mm的物料，装料系数控制在0～40kg/L，罐体高径比小于或等于10，减少罐体底部物料的重力压头；⑦脉冲进汽，强化传热传质，脉冲进汽频率为0～100Hz。

本发明的有益效果：各方案均是为解决汽爆物料不均一性而提出的，方案①是为了恒定出料时物料细胞周围环境压力，避免压力差不均造成的影响，方案②是从复水的角度，在物料进入汽爆罐前先保证复水的均匀性，从而避免在维压罐中的复水不均匀性的影响，方案③至⑦均是从蒸汽渗流的角度，强化蒸汽的传质传热作用，从而达到均匀传热传质的目的。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

维压罐体积为2L，高25cm，底面直径为10cm。蒸汽发生器15L，进料前已打开蒸汽发生器电源，得到220℃饱和水蒸汽。缓冲罐体积为15L，缓冲罐后接流量可调的智能真空泵。

将室外风干的玉米秸秆切成1～2cm块状(其中含水量为10％)，称取100g(湿重)，补加38.5g水使其含水量为35％，待水分均匀吸收后，加入到维压罐中，关闭进料阀。打开蒸汽阀，通入一定量蒸汽，使罐内压力在1.2MPa，维持8min。打开真空泵，设定压力为0.05MPa.关闭蒸汽阀，迅速打开卸料阀，物料同蒸汽一起进入缓冲罐，打开缓冲罐底部阀门，收集得到汽爆物料。不开真空泵的一组实验作对照。测得实验组和对照组汽爆物料水洗液中还原糖含量分别为3.772％、1.567％，总糖含量分别为14.58％、7.915％，可溶性木质素含量分别为8.443％、6.509％，可溶性有机固形物含量分别为25.33％、12.08％，汽爆物料固体残渣的酶解率分别为76.66％、62.16％。

实施例2

维压罐体积为2L，高25cm，底面直径为10cm.蒸汽发生器15L，进料前已打开蒸汽发生器电源，得到220℃饱和水蒸汽。缓冲罐体积为15L。

称取三份绝干玉米籽粒，各50g，标记为①②③，①不作任何处理，②浸泡24h，③浸泡48h，分别将①②③加入到维压罐中，关闭进料阀。打开蒸汽阀，通入一定量蒸汽，使罐内压力在1.2MPa，维持8min。关闭蒸汽阀，迅速打开卸料阀，物料同蒸汽一起进入缓冲罐，打开缓冲罐底部阀门，收集得到汽爆玉米籽粒。将得到的玉米籽粒的含水量都调节到50％，按照5∶1(w/v)的液固比分别加入不同浓度的乙醇，在60℃下振荡提取1h后，在446nm下测定OD值，结果显示在较高的乙醇浓度下，汽爆前浸泡时间少的汽爆玉米胚乳的黄色素提取量要少于浸泡时间长的汽爆玉米胚乳的黄色素提取量，这可能是因为当汽爆前玉米的含水量大的时候，汽爆时高温高压会使玉米内的水分迅速变为高温高压的蒸汽，从而加强了玉米内部的爆破力，使黄色素更容易析出。

实施例3

维压罐体积为2L，高25cm，底面直径为10cm.蒸汽发生器15L，进料前已打开蒸汽发生器电源，得到220℃饱和水蒸汽。缓冲罐体积为15L，缓冲罐后接流量可调的智能真空泵。

将室外风干的玉米秸秆切成1～2cm块状(其中含水量为10％)，称取100g(湿重)，补加38.5g水使其含水量为35％，待水分均匀吸收后，加入到维压罐中，关闭进料阀。打开真空泵，设定压力为0.05MPa。达到设定真空度后，关闭真空泵，打开蒸汽阀，通入一定量蒸汽，使罐内压力在1.2MPa，维持8min。关闭蒸汽阀，迅速打开卸料阀，物料同蒸汽一起进入缓冲罐，打开缓冲罐底部阀门，收集得到汽爆物料。不开真空泵的一组试验为对照。测得实验组和对照组汽爆物料水洗液中还原糖含量分别为4.176％、1.567％，总糖含量分别为16.49％、7.915％，可溶性木质素含量分别为8.873％、6.509％，可溶性有机固形物含量分别为27.32％、12.08％，汽爆物料固体残渣的酶解率分别为77.38％、62.16％。

实施例4

维压罐体积为5L，高63.7cm，底面直径为10cm.蒸汽发生器15L，进汽管从维压罐一侧底部深入，沿着罐壁向上延伸到维压罐中上部，设置4个进汽口，4处同时进汽。进料前已打开蒸汽发生器电源，得到220℃饱和水蒸汽。

将室外风干的玉米秸秆切成1～2cm块状(其中含水量为10％)，称取100g(湿重)，补加38.5g水使其含水量为35％，待水分均匀吸收后，加入到维压罐中，关闭进料阀。打开蒸汽阀，通入一定量蒸汽，使罐内压力在1.2MPa，维持8min。关闭蒸汽阀，迅速打开卸料阀，物料同蒸汽一起进入缓冲罐，打开缓冲罐底部阀门，收集得到汽爆物料。只有一处进汽的试验组为对照。测得实验组和对照组汽爆物料水洗液中还原糖含量分别为3.436％、1.567％，总糖含量分别为11.49％、7.915％，可溶性木质素含量分别为7.313％、6.509％，可溶性有机固形物含量分别为21.72％、12.08％，汽爆物料固体残渣的酶解率分别为67.38％、62.16％。

Claims (8)

1.提高汽爆物料均一性的方法，其特征包括：维持出料时物料细胞周围环境压力的恒定、保证物料进入汽爆罐前复水的均匀性、强化维压过程中的蒸汽传质传热的均匀性。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的维持出料时物料细胞周围环境压力的恒定为在缓冲罐后接真空泵，保证出料管道和缓冲罐内真空度维持在0.05～0.1MPa。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的保证物料进入汽爆罐前的复水的均匀性为物料进入汽爆罐前，充分喷水或浸泡，保证复水均匀，喷水量与原物料质量比为0～1，喷水后维持时间为5min～12h，浸泡时间为5min～12h。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的强化维压过程中的蒸汽传质传热的均匀性为进料后首先对维压罐抽真空，抽走细胞内空气，再打开蒸汽阀进蒸汽，维压罐中的真空度维持在0.05～0.1MPa。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的强化维压过程中的蒸汽传质传热的均匀性为在维压罐中安装循环风机，使蒸汽在维压罐内呈流通状态，风机风量维持在0～10⁴m/s。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的强化维压过程中的蒸汽传质传热的均匀性为进汽管从维压罐一侧底部深入，沿着罐壁向上延伸到维压罐中上部，设置0～10个进汽口，多路进汽。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的强化维压过程中的蒸汽传质传热的均匀性为颗粒粒径小于50mm的物料，装料系数控制在0～40kg/L，罐体高径比小于或等于10。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的强化维压过程中的蒸汽传质传热的均匀性为脉冲进汽，脉冲进汽频率为0～100Hz。