CN102357465A

CN102357465A - 一种生物质长短纤维干法梳理分级的方法与设备

Info

Publication number: CN102357465A
Application number: CN2011102338536A
Authority: CN
Inventors: 陈洪章; 付小果
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2011-08-15
Filing date: 2011-08-15
Publication date: 2012-02-22

Abstract

针对生物质原料中纤维细胞与杂细胞组织利用中存在相互影响、相互制约，而现有的纤维分级方法产生大量污水，不适合工业化利用的问题，发明了一种生物质原料长短纤维干法梳理分级的方法与设备：将原料进行分类；根据不同原料选择汽爆条件进行汽爆处理；汽爆处理后的物料置于纤维梳理分级设备进行分级，分别得纤维束组织和杂细胞。采用汽爆与机械梳理组织分级相耦合，梳理分级后得到的长纤维可用于造纸、纺织等工业应用的优质纤维原料，而薄壁细胞等组成的细小纤维可用于生产生物肥料、饲料蛋白或酶解发酵生产乙醇、丁醇、2，3-丁二醇、黄原胶等一系列的生物化工产品，从而实现生物质长短纤维组分分级分离、清洁、高值化利用。

Description

一种生物质长短纤维干法梳理分级的方法与设备

技术领域

本发明属于生物质资源应用领域，特别涉及一种用于生物质长短纤维干法梳理分级的方法与设备。

背景技术

生物质原料来源广泛，富含纤维的生物质原料主要是植物纤维原料。植物纤维原料种类众多，根据原料的形态特征、来源及其我国的习惯，大体上分为以下几类(表1)：

表1植物纤维原料的分类[杨淑惠主编，植物纤维化学，中国轻工业出版社，2001]

组成植物纤维原料的细胞可分为两大类即纤维细胞与非纤维细胞(杂细胞)。非纤维细胞大多属于薄壁细胞，如阔叶木和禾本科植物中的导管；针、阔叶木中的木射线薄壁细胞；禾本科中的表皮细胞、硅细胞、木栓细胞、筛管等。薄壁细胞薄而柔软，短小，胞腔大，多为圆形、椭圆形或多面型。纤维细胞包括针叶木和阔叶木的管胞、韧皮型木纤维、禾本科植物中的韧皮型纤维等。

表2植物纤维原料的纤维细胞和杂细胞含量比较表

[梁实梅，张静娴等编著，《制浆技术问答》，中国轻工业出版社，1994]

从表2中的数据可以看出，针叶木含杂细胞最少，只有1.5％左右，阔叶木次之，草类最多，一般都在40-60％之间，竹类原料在20-35％之间。

由于细胞形态、组成等方面的差异，植物纤维原料中的纤维细胞与非纤维细胞在造纸、纺织、化工等领域应用时差异巨大。

在造纸工业，在制浆蒸煮时薄壁细胞等杂细胞易吸收药液起化学作用，增加化学药品消耗，洗涤时大部分流失，吸水性强，给抄纸带来困难。而且杂细胞交织能力弱，机械强度差，造成纸张强度下降，所以，从造纸角度来看，原料中的杂细胞越少越好。

在纺织工业中，人们在开发常规纤维原料麻、棉新产品的同时，有越来越多的天然植物纤维原料被人们加以开发利用，如竹纤维、菠萝纤维、棉杆皮纤维等。现在，纺织工业中的人造纤维浆粕是纤维原料替代研究的重点，这些称为“细小纤维的”非纤维细胞中，含有较多的苯醇抽出物，灰分等不纯物，对浆粕的纯度、过滤性能等有较大的影响，因此，筛除细小纤维以改造浆粕质量，已成为生产人造纤维浆粕的有效措施之一。因此，纤维原料在纺织工业中应用的是天然植物纤维中的长纤维细胞部分，因此，对天然植物纤维原料的进行清洁、高效的脱胶、除杂细胞等处理工艺一直是纺织工业原料研究的重点。

与木材一样，秸秆等植物纤维原料可用于制造板材，但由于秸秆，如玉米秸秆等在秆穰中含有比较丰富的糖、脂肪等非纤维细胞，造成板得吸水性大，质量难过关。

而植物纤维原料在发酵工业中应用时，需要将其降解成糖才能进行下一步的发酵转化，目前，纤维素原料降解成糖的常用方法包括酸水解法以及酶降解法。当采用溶剂或酶对植物纤维原料进行降解时，溶剂与酶跟原料的可作用位点的多少、难易就成为降解反应的关键。在这种情况下，原料中的杂细胞以及细小纤维组织由于反应时的可作用位点多，可及性强，因此，杂细胞、细小纤维的酶解效率相对长纤维的酶解效率大大提高。

从上面的分析可以看出，造纸工业，纺织工业、板材工业等利用植物纤维原料中的纤维细胞部分(主要是长纤维部分)，而杂细胞、细小纤维部分不但在蒸煮过程中造成蒸煮液的浪费，而且使产品的质量下降，品位降低。而纤维原料在发酵、生物转化过程中，需将原料降解，长纤维细胞、杂细胞与细小纤维细胞与溶剂或酶的可及性差异大，是反应与转化的不稳定因素。

由此，要想提高纤维原料的综合利用价值，必须将纤维细胞与非纤维细胞的分离后分别高值化，因此，开发针对植物纤维原料的细胞分离方法体系及其设备成为其综合利用的关键环节。

目前，研究报道的关于纤维细胞与非纤维细胞的分级方法主要有纤维的水力疏解分级，采用大量的水(物料浓度0.05-0.1％)将纤维疏解开，重复多次，分别收集上浮的薄壁细胞等以及下沉的纤维细胞，由此，将产生大量的废水，不利于原料的工业化利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生物质长短纤维干法梳理分级的方法与设备，即针对植物纤维原料中纤维细胞与杂细胞组织(含细小纤维)利用中存在相互影响、相互制约，而现有的纤维分级方法产生大量污水，不适合工业化生产利用的问题，发明了一种生物质原料长短纤维干法梳理分级的方法与设备，采用汽爆预处理与机械梳理组织分级相耦合，分离得到优质纤维组织、杂细胞组织(细小纤维组织)。长纤维束组织可用于造纸、纺织等工业应用的优质纤维原料，而薄壁细胞等组成的细小纤维可用于生产生物肥料或酶解发酵生产乙醇、丁醇、2，3-丁二醇、黄原胶、饲料蛋白等一系列的生物化工产品，从而实现生物质原料的长短纤维组分分级分离、清洁、高值化利用。

其具体的技术方案为：

1)将生物质原料进行分类；

2)根据不同种类的原料选择汽爆条件进行汽爆处理；

3)将汽爆处理后的物料置于纤维梳理分级设备进行纤维梳理分级，分别得到纤维束组织和包括细小纤维组织的杂细胞。

所述的分类是将生物质原料分为木材纤维原料、非木材纤维原料和半木材纤维原料；

所述的根据不同原料选择汽爆条件为：木材纤维原料选用的汽爆条件为175-250℃维持5-10min；非木材纤维原料选用的汽爆条件为150-180℃维持3-10min；半木材纤维原料选用的汽爆条件为165-200℃维持2-7min。

所述的纤维梳理分级设备，其特征在于该设备包括：进料口，分级梳理中心轴，变频电机，连接皮带、风机、杂细胞出料口、纤维出料口等。

所述的纤维梳理分级包括以下步骤：开启梳理分机设备，将汽爆处理后的物料从进料口投入，调节转速为250-1500转/min，分别处理5-60min，分别收集分级后的纤维束组织和包括细小纤维组织的杂细胞。

本发明的有益效果为：

1、本发明公开了一种生物质长短纤维干法梳理分级的方法与设备，采用汽爆预处理与机械梳理组织分级相耦合，分离得到优质纤维组织、杂细胞组织(细小纤维组织)，将分级后的纤维分别高值化利用。

2、本发明提供的生物质原料纤维梳理分级方法，按照植物纤维原料的特性，选用适用于不同类型原料的汽爆条件对其进行梳理前的处理，汽爆后的原料成丝状，结构疏松，降低了纤维细胞与杂细胞之间的粘连作用，使纤维细胞暴露，但仍保持一定的韧性，是实现纤维梳理分级的重要一步。

3、本发明提供了一种生物质长短纤维干法梳理分级的专用设备，是根据汽爆处理后纤维原料的性质，根据纤维细胞与杂细胞之间粘连特性选用适宜的转速与处理时间实现纤维的分级，整个分级过程，是一种清洁、高效的分级过程。

4、本发明提供的纤维梳理分级不同于目前纺织工业上采用的纤维梳理，纺织工业采用的纤维分级针对的是纤维原料，基本含有的都是纤维细胞，只是对纤维细胞进行梳理或进行不同来源的原料进行梳理混合，从而满足纤维的可纺织性，而本发明针对的含有纤维细胞和非纤维细胞的初始原材料，梳理的目标是将其中的纤维细胞与非纤维细胞进行分离，然后实现纤维细胞与非纤维细胞部分分别进行高值化利用的目的。

5、本发明提供的生物质长短纤维干法梳理分级的方法体现的是纤维在干法状态下的分级处理，不同于现有的纤维的水力疏解分级，水力疏解时物料的浓度只有0.05-0.1％，也就是说处理1吨物料将用到至少1000吨水，

6、梳理分级后得到的长纤维可用于造纸、纺织等工业应用的优质纤维原料，而薄壁细胞等组成的细小纤维可用于生产生物肥料或酶解发酵生产乙醇、丁醇、2，3-丁二醇、黄原胶、饲料蛋白等一系列的生物化工产品，从而实现植物纤维原料的组分分级分离、清洁、高值化利用。

附图说明

图1：纤维梳理分级设备俯视图

图2：纤维梳理分级设备图

1进料口，2变频电机，3连接皮带，4风机，5杂细胞出料口6杂细胞下料口，7纤维出料口，8分级梳理中心轴

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：菠萝叶纤维的汽爆预处理耦合纤维梳理分级

将菠萝叶置于汽爆罐，在170℃维持5min进行蒸汽爆破，将汽爆后的物料调节含水量到50％，然后将物料送入纤维梳理装置，开启梳理装置，调节转速为600r/min，连续处理15min，分别收集长纤维部分以及杂细胞部分(含细小纤维)，其中纤维长纤维部分约占60％，可作为纺织纤维进行下一步的处理，而细小纤维部分约占40％，可发酵生产饲料蛋白。

实施例2：苎麻汽爆脱胶及纤维的梳理分级

将30kg苎麻置于0.5立方汽爆罐，在200℃维持4min进行蒸汽爆破，将汽爆后的物料调节含水量到50％，然后将物料送入纤维梳理装置，开启梳理装置，调节转速为700r/min，连续处理20min，分别收集长纤维部分以及杂细胞部分(含细小纤维)，其中纤维长纤维部分约占75％，可作为纺织纤维进行下一步的处理，而细小纤维部分约占25％，可发酵生产生物肥料。

实施例3：农作物秸秆的纤维梳理分级分离

将玉米秸秆切短至3-20cm，置于汽爆罐中，在160℃维持5min进行汽爆处理，将汽爆后的物料调节含水量到55％，然后将物料送入纤维梳理装置，开启梳理装置，调节转速为500r/min，连续处理15min，分别收集长纤维部分以及杂细胞部分(含细小纤维)，其中纤维长纤维部分约占45％，可作为制浆纤维进行下一步的处理，而细小纤维部分约占55％，可进行酶解后发酵生产燃料乙醇。

实施例4：棉杆原料的纤维梳理分级

将棉秆切短至3-20cm，置于汽爆罐中，在180℃维持6min进行汽爆处理，将汽爆后的物料调节含水量到55％，然后将物料送入纤维梳理装置，开启梳理装置，调节转速为800r/min，连续处理20min，分别收集长纤维部分以及杂细胞部分(含细小纤维)，其中纤维长纤维部分约占75％，可作为制浆纤维进行下一步的处理，而细小纤维部分约占25％，可进行酶解后发酵生产燃料丁醇。

实施例5：竹材纤维的梳理分级

将竹子破片，按1.5cm*30cm规格切段，按照1∶1比例加入蒸馏水在常温下将切段的竹材预先浸泡30min，将预先浸泡竹材置于汽爆罐中，在175℃维持13min进行汽爆处理，将汽爆后的物料调节含水量到55％，然后将物料送入纤维梳理装置，开启梳理装置，调节转速为900r/min，连续处理10min，分别收集长纤维部分以及杂细胞部分(含细小纤维)，其中纤维长纤维部分约占75％，可作为竹原纤维进行下一步的处理，而细小纤维部分约占25％，可进行加碱脱木质素制备纸浆原料以及木质素产品。

Claims

1.一种生物质原料长短纤维干法梳理分级的方法，其步骤如下：

(1)将生物质原料进行分类；

(2)根据不同种类的原料选择汽爆条件进行汽爆处理；

(3)将汽爆处理后的物料置于纤维梳理分级设备进行纤维梳理分级，分别得到纤维束组织和包括细小纤维组织的杂细胞。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)所述的分类是将生物质原料分为木材纤维原料、非木材纤维原料和半木材纤维原料。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，木材纤维原料包括针叶林原料与阔叶林原料。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，非木材纤维原料包括禾本科纤维原料、韧皮纤维原料、籽毛纤维原料和叶部纤维原料。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，半木材纤维原料包括棉秆。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)所述的根据不同原料选择汽爆条件为：木材纤维原料选用的汽爆条件为175-250℃维持5-10min；非木材纤维原料选用的汽爆条件为150-180℃维持3-10min；半木材纤维原料选用的汽爆条件为165-200℃维持2-7min。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(3)所述的纤维梳理分级设备包括：进料口，分级梳理中心轴，变频电机，连接皮带、风机、杂细胞出料口、纤维出料口。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(3)所述的纤维梳理分级包括以下步骤：开启梳理分机设备，将汽爆处理后的物料从进料口投入，调节转速为250-1500转/min，分别处理5-60min，分别收集分级后的纤维束组织和包括细小纤维组织的杂细胞。