CN102658077A - 一种生物质微波连续预处理反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物质微波连续预处理设备，其结构包括：物料连续输入系统，微波功率连续线性可调反应系统，防微波泄漏系统、控制与检测系统，排热、排湿系统，物料混合系统，补水系统，物料输出系统。本发明通过进料装置与传送带将高浓度物料输送入微波反应系统，在温度、湿度检测系统、补水系统与物料混合系统的控制下，将物料调整在所需的温度、湿度范围内，并使其传热、传质均匀，最后由出料系统输出物料，实现对物料的连续预处理。本设备采用触摸屏操作，动态显示微波功率、温度、湿度、时间等参数，自动、智能化程度高，人机交流简易、方便。本发明实现了常压下对生物质的连续预处理，处理效率高，能耗低，降低了预处理的成本。

Description

一种生物质微波连续预处理反应器

技术领域

本发明属于生物化工领域，特别涉及一种生物质微波连续预处理反应器。

背景技术

随着以石化燃料为主的传统能源如煤炭、石油等的日趋紧缺及其利用过程中产生的一系列环境问题，世界各国都在积极探索利用可再生能源，而生物质作为地球上最丰富的可再生能源，引起了人们越来越多的关注。优化生物炼制工艺是提高生物质利用效能的重要前提，而预处理工艺是生物炼制的关键环节。针对生物质的预处理，研究人员采用酸、碱、汽爆、水热、等离子体、微波、超声、离子液体等方式做了大量的研究工作。其中，微波预处理由于热效率高，易操作，方便和无污染等特点，吸引了研究人员的关注。

微波预处理技术发展较早，早在1984年，日本学者Azuma和Ooshima(Ooshima et al.Biotechnology Letters，1984，6(5)，289-294.)等就发现微波对植物纤维素原料进行预处理可以部分降解木质素和半纤维素，从而增加其可及度，提高植物纤维素的酶水解(糖化)的效率。Kichaiya(Kitchaiya et al.Journal of wood chemistry and technology，2003，23(2)，217-225.)利用微波，在常压的甘油水溶液中对植物纤维素原料进行预处理，得到了与Azuma和Ooshima类似的结果。国内的熊犍等(2000)、张丽等(2009)也做了微波预处理生物质的相关研究。(熊犍等.华南理工大学学报(自然科学版)2000，(03)，84-89.张丽等.纤维素科学与技术，2009，(01)，52-56.)

针对微波技术，研究人员早期报道过一些专用设备。如1990年，台湾大学Chen等人报道了微波连续反应技术，反应物经泵体加压进入微波反应器内，经微波辐射后流出进入接收器(Chen et al.Journal of the Chemical Society，Chemical Communications，1990，(11)，807-809.)。1994年，澳大利亚CSIRO公司报道了一种连续反应器，这种反应器是将一组横向式盘管置于微波炉中而成，物料可以连续通过反应器进行反应。(Cablewski et al.The Journal of OrganicChemistry，1994，59(12)，3408-3412.)

目前，国外专业微波反应器的生产厂商包括Anton Paar GmbH(Graz，澳大利亚)，Biotage AB(UPPsala，瑞典)，CEM公司(Matthews，NC，美国)和Milestones.r.l.(Sorisole，意大利)。这些公司开发的单模或多模微波设备主集中于有机化学合成、制药等领域，专门针对生物质微波连续预处理的设备比较少。此外，若将这些公司的微量高通量设计理念用于设计以工业放大为导向的生物质微波连续预处理设备，实施起来有一定的困难。

近年来，国内的研究人员也开发出了相应的工业应用的微波连续处理设备，主要应用于生物化工产品的干燥、杀菌、杀青、食品烘烤、熟化、膨化等行业。专利号为ZL200620062178.X的专利公布了一种微波连续干燥生产线，主要用于陶瓷类产品的干燥。专利号为ZL200620029596.9的专利公布了一种连续微波反应设备，该设备采用管道的方式连续进料，适用于液体物料如离子液体等进行反应。专利号为ZL200820157825.4的专利公布了一种微波连续合成反应装置，该装置适用于固态反应物合成，尤其适用于粘度较大的聚合物合成，且物料在其螺杆搅拌下混合更加的均匀。综上，现有的微波设备不能很好提供一个良好的生物质连续预处理环境，致使其工程放大缺乏相应的理论基础和模型，很大程度上限制了其工业应用设备的优化设计，也制约了微波技术在其它应用领域的进一步拓展。因此，有必要进一步开发经济高效，并适合工业放大的生物质微波连续预处理设备。

发明内容

【发明目的】本发明的目的是设计一台专用于生物质微波预处理的中试设备，为探究生物质微波预处理工艺的工业放大，奠定基础。

【本发明的构思】针对生物质微波预处理技术，现有的微波设备不能提供一个良好的生物质连续预处理环境，致使其工程放大缺乏相应的理论基础和模型，很大程度上限制了其工业应用设备的优化设计。为此，本专利提出了一种生物质微波连续预处理反应器：通过特制的传动装置有效的传送物料，并在微波箱体内设置有温度、湿度传感器，补水装置，以及物料混合装置，通过实时监测物料在微波处理过程中的各项参数的变化情况，更加真实的反映了物料在预处理过程中所处的环境，有利于微波技术工程放大相应的理论基础的研究和模型的建立，为其进一步推广到工业的应用，进行理论与实践铺垫。

【本发明技术方案】

一种生物质微波连续预处理反应器，包括物料连续输入系统、功率连续线性可调微波反应系统、防微波泄漏系统、控制与检测系统、排热排湿系统、物料混合系统、补水系统和预处理后物料输出系统等。

在微波箱体内，传输带上方设置有由阀门控制的补水装置，可根据需要对物料补水或其它液体溶剂。

在微波箱体的顶部增加排热罩、排湿罩，便于将潮气引入通风橱。

在设备的进出料装置与传送系统的配合下，物料可以连续进出微波反应系统，实现物料的连续预处理。

在设备的传送装置中，传送带由聚四氟乙烯、波纤加聚四氟乙烯、镀特氟龙的玻璃棉或聚酰胺等不吸收微波的材料制成；且设有防漏结构，传送带两侧底部安装滚轮，使传送带成‘凹’字形结构，防止漏料；设有可控搅拌结构：设备加热区内耦合振动电机，使物料在运行的过程中轻微抖动。

在设备的进料口、中间、出料口处分别安装热电偶或热电阻、红外测温仪，多点实时检测物料的温度。

设备采用PLC或MCGS自动化控制，触摸屏操作，动态显示微波功率、温度、湿度、时间、输送电机转速等参数。

在微波箱体上设有用于清洁的安全门，箱体底部设有排水孔，可用水冲洗。大面积可视窗(有灯光)采用防微波泄漏的扼流装置，观察物料运行状态，并设有开门自动断电保护装置。

本发明的基本构造如下：

物料首先由进料斗2进入到传送带10的入口端，物料由传送带10传输，经过微波抑制器3后，送到微波箱体7内，微波箱体7内上端设有补水的进水喷头、湿度探头，可以对处理过程中的物料进行水份调节，并检测箱体内的湿度变化。在微波箱体7的进料口、中间、出料口处分别安装热电偶或热电阻、红外测温仪，实时检测箱体内的温度，通过温度的变化情况，进而对微波功率进行反馈调节，同时，微波箱体内部的一段传送带下面设有振动电机，可以对物料进行轻微的混合，实现物料更好的传质、传热。箱体7下部还预留有一小孔，方便实验过程中有需要通入保护气体(比如氮气等)的情况。由于物料在反应过程中可能会有较多的水份蒸发，所以箱体7顶部设有排热罩5、排湿罩6，用于将热气和湿气引出。微波箱体内的微波源由6个1KW的磁控管并联在一起，并通过可控电路，实现功率线性连续可调，可满足不同强度的实验过程。当物料在微波箱体里经过适当的处理后，物料由传送带传输，经过微波抑制器3后，到达出料端的出料斗11。

本发明具有以下特点和优势：

1.微波功率和传送带速度可连续线性可调，可满足不同强度实验的需要；

2.设备智能化程度较高，控制面板可控参数多，如湿度，温度，传送带速度，微波功率，工作时间等。

3.传质传热效果好，在微波加热均匀的前提下，微波箱体内传送带下添加振动装置，可进一步改善传质、传热效果；

4.结构简单，结合紧凑，无压力容器，设备造价低；

5.可适用于多种生物质原料的处理，并可以实验连续操作，生产效率高；

6.尾气处理完善，进出料口设有风罩，可减少排入大气中的废气，减免污染；

附图说明

图1一种生物质微波连续预处理反应器

1，换向端架；2，进料斗；3，微波抑制器；4，电源箱(磁控管\变压器6只)；5，排热罩；6，排湿罩；7，加热箱体；8，安全门；9，控制台；10，传输带；11，出料斗；12，动力端架；

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

每小时处理1kg玉米秸秆的生物质微波连续预处理反应器。

如附图1，固液比为10％(m/v)的物料首先由进料漏斗2进入到传送带的入口端，物料由传送带10传输，传送带采用镀特氟龙的玻璃棉制成，且设有防漏结构，传送带两侧底部安装滚轮，使传送带成‘凹’字形结构，防止漏料。经过微波抑制器3后，送到微波箱体7内。微波箱体7内上端设有补水的进水喷头、湿度探头，可以对处理过程中的物料进行水份调节，并检测箱体内的湿度变化，并且在微波箱体的进料口、中间、出料口处分别安装热电偶测温仪，多点实时检测箱体内的温度，同时，微波箱体7内部的一段传送带下面设有振动电机，可以对物料进行轻微的抖动，实现物料更好的传质、传热。在微波箱体上设有打扫卫生的安全门8，箱体底部有排水孔，可用水冲洗。大面积可视窗(有灯光)采用防微波泄漏的扼流装置，观察物料运行状态，并设有开门自动断电保护装置。由于物料在反应过程中可能会有较多的水份蒸发，所以箱体顶部设有排热罩5、排湿罩6，用于将热气和湿气引出。微波箱体7内的微波源由6个1KW的韩国三星原装进口风冷磁控管并联在一起，并通过可控电路，微波功率选用1KW，物料在微波箱体中的停留时间为5min。当物料在微波箱体里经过适当的处理后，物料由传送带10传输，经过微波抑制器3后，到达出料端的出料斗11。此外，设备控制系统采用PLC自动化控制，触摸屏操作，动态显示微波功率、温度、湿度、时间、输送电机转速等参数。

预处理后的原料含水量为15％，按比例添加20IU纤维素酶/g纤维素后用于纤维素的酶解，酶解48h后，纤维素的酶解率为80％。相对应未经微波处理的玉米秸秆，其酶解率只有25％。

实施例2

每小时处理3kg速生柳的生物质微波连续预处理反应器。

如附图1，固液比为10％(m/v)的物料首先由进料漏斗2进入到传送带的入口端，物料由传送带10传输，传送带采用波纤加聚四氟乙烯制成，且设有防漏结构，传送带两侧底部安装滚轮，使传送带成‘凹’字形结构，防止漏料。经过微波抑制器3后，送到微波箱体7内，微波箱体7内上端设有补水的进水喷头、湿度探头，可以对处理过程中的物料进行水份调节，并检测箱体内的湿度变化，并且在微波箱体的进料口、中间、出料口处分别安装红外测温仪，多点实时检测箱体内的温度，同时，微波箱体7内部的一段传送带下面设有振动电机，可以对物料进行轻微的抖动，实现物料更好的传质、传热。箱体上部还预留有一小孔，实验过程中通入氮气作为保护气体。在微波箱体上设有打扫卫生的安全门8，箱体底部有排水孔，可用水冲洗。大面积可视窗(有灯光)采用防微波泄漏的扼流装置，观察物料运行状态，并设有开门自动断电保护装置。由于物料在反应过程中可能会有较多的水份蒸发，所以箱体顶部设有排热罩5、排湿罩6，用于将热气和湿气引出。微波箱体7内的微波源由6个1KW的韩国三星原装进口风冷磁控管并联在一起，并通过可控电路，微波功率选用3KW，物料在微波箱体中的停留时间为10min。当物料在微波箱体里经过适当的处理后，物料由传送带10传输，经过微波抑制器3后，到达出料端的出料斗11。此外，设备控制系统采用MCGS自动化控制，触摸屏操作，动态显示微波功率、温度、湿度、时间、输送电机转速等参数。

预处理后的原料含水量为17％，按比例添加20IU纤维素酶/g纤维素后用于纤维素的酶解，酶解48h后，纤维素的酶解率为75％。相对应未经微波处理的速生柳，其酶解率只有20％。

实施例3

每小时处理6kg芒草的生物质微波连续预处理反应器。

如附图1，固液比为10％(m/v)的物料首先由进料漏斗2进入到传送带的入口端，物料由传送带10传输，传送带采用聚酰胺制成，且设有防漏结构，传送带两侧底部安装滚轮，使传送带成‘凹’字形结构，防止漏料。经过微波抑制器3后，送到微波箱体7内，微波箱体7内上端设有补水的进水喷头、湿度探头，可以对处理过程中的物料进行水份调节，并检测箱体内的湿度变化，并且在微波箱体的进料口、中间、出料口处分别安装热电阻测温仪，多点实时检测箱体内的温度，同时，微波箱体7内部的一段传送带下面设有振动电机，可以对物料进行轻微的抖动，实现物料更好的传质、传热。箱体上部还预留有一小孔，实验过程中通入氮气作为保护气体。在微波箱体上设有打扫卫生的安全门8，箱体底部有排水孔，可用水冲洗。大面积可视窗(有灯光)采用防微波泄漏的扼流装置，观察物料运行状态，并设有开门自动断电保护装置。由于物料在反应过程中可能会有较多的水份蒸发，所以箱体顶部设有排热罩5、排湿罩6，用于将热气和湿气引出。微波箱体7内的微波源由6个1KW的韩国三星原装进口风冷磁控管并联在一起，并通过可控电路，微波功率选用6KW，物料在微波箱体中的停留时间为15min。当物料在微波箱体里经过适当的处理后，物料由传送带10传输，经过微波抑制器3后，到达出料端的出料斗11。此外，设备控制系统采用MCGS自动化控制，触摸屏操作，动态显示微波功率、温度、湿度、时间、输送电机转速等参数。

预处理后的原料含水量为20％，按比例添加20IU纤维素酶/g纤维素后用于纤维素的酶解，酶解48h后，纤维素的酶解率为80％。相对应未经微波处理的芒草，其酶解率只有30％。

Claims (8)

1.一种生物质微波连续预处理反应器，其特征在于：包括物料连续输入系统、功率连续线性可调微波反应系统、防微波泄漏系统、控制与检测系统、排热排湿系统、物料混合系统、补水系统和预处理后物料输出系统等。

2.如权利要求1所述生物质微波连续预处理反应器，其特征在于：在微波箱体内，传输带上方设置有由阀门控制的补水装置，可根据需要对物料补水或其它液体溶剂。

3.如权利要求1所述生物质微波连续预处理反应器，其特征在于：在微波箱体的顶部增加排热罩、排湿罩，便于将潮气引入通风橱。

4.如权利要求1所述生物质微波连续预处理反应器，其特征在于：在设备的进出料装置与传送系统的配合下，物料可以连续进出微波反应系统，实现物料的连续预处理。

5.如权利要求1所述生物质微波连续预处理反应器，其特征在于：在设备的传送装置中，传送带由聚四氟乙烯、波纤加聚四氟乙烯、镀特氟龙的玻璃棉或聚酰胺等不吸收微波的材料制成；且设有防漏料构，即传送带底部设置定位筋，设备两侧设置手动锁紧轮；设有防漏结构，传送带两侧底部安装滚轮，使传送带成‘凹’字形结构，防止漏料；设有可控搅拌结构：设备加热区内耦合振动电机，使物料在运行的过程中轻微抖动。

6.如权利要求1所述生物质微波连续预处理反应器，其特征在于：在设备的进料口、中间、出料口处分别安装热电偶或热电阻、红外测温仪，多点实时检测物料的温度。

7.如权利要求1所述生物质微波连续预处理反应器，其特征在于：设备采用PLC或MCGS自动化控制，触摸屏操作，动态显示微波功率、温度、湿度、时间、输送电机转速等参数。

8.如权利要求1所述生物质微波连续预处理反应器，其特征在于：在微波箱体上设有用于清洁的大开口门，箱体底部设有排水孔，可用水冲洗。大面积可视窗(有灯光)采用防微波泄漏的扼流装置，观察物料运行状态，并设有开门自动断电保护装置。