CN108048297A - 一种应用于碱预处理木质纤维素酶解糖化节水减排工艺的装置 - Google Patents

一种应用于碱预处理木质纤维素酶解糖化节水减排工艺的装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于碱预处理木质纤维素酶解糖化节水减排工艺的装置，该装置包括依次连通的碱液储罐、第一计量泵、预处理罐、第一离心机、酶解罐、第二计量泵、酶液储罐；第一离心机排液口经管道和阀门并联连通有预处理废液储罐、一次洗涤废水储罐、二次洗涤废水储罐和三次洗涤废水储罐，预处理废液储罐和一次洗涤废水储罐的底部出液口分别经第三计量泵连通预处理罐，形成一个循环回路；二次洗涤废水储罐和三次洗涤废水储罐的底部出液口分别经第三离心泵与第一离心机防震连通，形成循环回路；本发明实现碱预处理木质纤维素的高效酶解糖化和节水减排，减少木质纤维素预处理残渣洗涤过程中的水耗，降低了废液排放量，节省了运营成本。

Description

一种应用于碱预处理木质纤维素酶解糖化节水减排工艺的 装置
技术领域：
本发明涉及废弃物资源化利用和环境保护领域，具体涉及一种应用于碱预处理木质纤维素酶解糖化节水减排工艺的装置。
背景技术：
目前我国每年约有2亿吨的农作物秸秆被废弃或直接燃烧，不仅会造成环境污染，还浪费丰富的有机物原料资源。采用生化转化技术将农作物秸秆等木质纤维素废弃物转化为生物燃料、生物化学品等高附加值产品近年来受到广泛关注。木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素通过共价和非共价键连接形成，其结构致密，不易降解。预处理、酶水解、发酵是木质纤维素生化转化技术的关键步骤。通过预处理破坏木质纤维素的致密结构和各组分之间的紧密连接，可提高后续酶解和发酵过程中纤维素和半纤维素的转化效率。然而，预处理的高能耗和酶的高成本导致木质纤维素生化转化技术的产业化尚未能形成规模。碱预处理为目前能耗最低的预处理技术，可高效去除木质素，保留部分半纤维素和几乎所有纤维素，显著提高木质纤维素后续酶解效率，但是碱预处理技术会产生大量的预处理和洗涤废液，其有机物浓度含量高，环境污染危害大，而且预处理和洗涤过程会耗费大量的水，不利于其产业化应用。因此，近年来中外研究人员针对碱预处理技术的缺点展开了一些技术探索。中国专利[CN 102251428 A]公布了一种秸秆类木质纤维素原料处理产生的黑液的处理方法。中国专利[CN 101555667 B]公布了一种木质纤维素原料的生物炼制方法，提及了利用碱处理黑液预浸渍木质纤维素原料或者将黑液酸化制备碱木质素。中国专利[CN105296568 A]公布了一种碱处理木质纤维素废液回收利用的方法。中国专利[CN105838756 A]公布了一种碱处理木质纤维素酶解产糖的节水减排工艺。以上专利虽然涉及到了碱预处理和洗涤废液回收利用的方法，但并未提及实现上述工艺的装置。
发明内容：
本发明的目的是提供一种应用于碱预处理木质纤维素酶解糖化节水减排工艺的装置。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种应用于碱预处理木质纤维素酶解糖化节水减排工艺的装置，该装置包括依次连通的碱液储罐、第一计量泵、预处理罐、第一离心机、酶解罐、第二计量泵、酶液储罐；所述第一计量泵将碱液由碱液储罐输送到预处理罐，所述第二计量泵将酶液由酶液储罐输送到酶解罐，所述预处理罐和酶解罐均设有夹套，夹套一端经离心泵连通水加热器，夹套另一端也连通水加热器，形成一个热水循环回路；预处理罐底端排料口连通第一离心机，第一离心机固体物料排出口防震连通酶解罐，第一离心机排液口经管道和阀门并联连通有预处理废液储罐、一次洗涤废水储罐、二次洗涤废水储罐和三次洗涤废水储罐，预处理废液储罐和一次洗涤废水储罐的底部出液口分别经第三计量泵连通预处理罐，形成一个循环回路；二次洗涤废水储罐和三次洗涤废水储罐的底部出液口分别经第三离心泵与第一离心机防震连通，形成循环回路；预处理废液储罐和一次洗涤废水储罐还跟絮凝罐连通，所述絮凝罐依次通过第四离心泵、第二离心机与废液储罐连通。
特别地，碱液储罐和预处理罐罐身均设有保温层和观察口。
所述预处理罐夹套一端经第一离心泵连通第一水加热器，夹套另一端也连通第一水加热器，形成一个热水循环回路；所述酶解罐夹套一端经第二离心泵连通第二水加热器，夹套另一端也连通第二水加热器，形成一个热水循环回路。
所述碱液储罐顶端设有带球阀的漏斗式进料口、带过滤器和流量计的液体进口，顶端中央设有叶式搅拌桨，所述搅拌桨连接搅拌电机，碱液储罐底端设有带三通球阀的出水口，此外，所述碱液储罐还设有电加热管和温度电极，温度电极由罐身侧面深入到罐体中央，并避免触碰搅拌桨。
所述预处理罐设有板框式搅拌桨，所述搅拌桨连接搅拌电机，预处理罐顶端设有带球阀的漏斗式进料口、带过滤器和流量计的液体进口、碱液进口和预处理废液进口，所述碱液进口经第一计量泵与碱液储罐底端设有带三通球阀的出水口连通，所述预处理废液进口经第三计量泵分别跟预处理废液储罐、一次洗涤废水储罐连通；预处理罐的底端设有带球阀的排料口，所述排料口防震连通第一离心机，此外，所述预处理罐还设有温度电极，温度电极由罐身侧面深入到罐体中央，并避免触碰搅拌桨。
所述第一水加热器或第二水加热器设有保温层、水位指示管、加热管、温度电极、叶式搅拌桨、所述搅拌桨连接搅拌电机，第一水加热器或第二水加热器顶端开设自来水进水口、循环水进口，侧面接近底部的位置设有循环水出口，底部设有带球阀的排液口，温度电极由侧面深入到罐体中央，并避免触碰搅拌桨。
碱液储罐、预处理罐、酶解罐和水加热器中的温度电极与控制器连接，控制器通过实测温度与预设温度的差异控制碱液储罐的温度。水加热器的温度由控制器通过预处理罐和酶解罐的实测温度与预设温度的差异进行调控。
所述第一离心机兼具离心固液分离和洗涤的功能，第一离心机的顶端设有洗涤废水进口、带过滤器和流量计的液体进口、跟预处理罐底端的带球阀的排料口防震连通的进料口，底端设有带球阀的排液口和固体物料排出口。
所述酶解罐罐体设有观察口，酶解罐设有保温层、板框式搅拌桨，所述搅拌桨连接搅拌电机，酶解罐顶端设有跟第一离心机底端的固体物料排出口防震连通的进料口、酸碱液进口、酶液进口和带过滤器和流量计的液体进口，底端设有带球阀的排料口，此外还设有由罐身侧面深入到罐体中央并避免触碰搅拌桨的温度电极和pH电极。
酶液储罐罐体设有观察口，酶液储罐设有叶式搅拌桨，所述搅拌桨连接搅拌电机，酶液储罐顶端设有带球阀的漏斗式进料口、酸碱液进口和带过滤器和流量计的液体进口，底端设有带球阀的排液口，酶液储罐侧端设有酶液出口，所述酶液出口经第二计量泵跟酶解罐顶端的酶液进口连通，此外还设有由罐身侧面深入到罐体中央并避免触碰搅拌桨的pH电极。
酶解罐和酶液储罐的pH由控制器通过实测pH与预设pH的差异控制酸液或碱液的加入量进行调整。
所述预处理废液储罐、一次洗涤废水储罐、二次洗涤废水储罐和三次洗涤废水储罐顶端分别设有通过球阀和管路跟第一离心机的底端的排液口防震连通的进液口，通过球阀控制不同的废液进入相应的储罐，底端设有出液口；预处理废液储罐和一次洗涤废水储罐的出液口分别经第三计量泵连通预处理罐的预处理废液进口，形成一个循环回路；二次洗涤废水储罐和三次洗涤废水储罐的出液口分别经第三离心泵与第一离心机顶端的洗涤废水进口连通，形成循环回路。
预处理废液储罐底部出液口设有三通球阀，一次洗涤废水储罐的底部出液口依次设有球阀和三通球阀，预处理废液储罐和一次洗涤废水储罐的底部出液口通过三通球阀分别与絮凝罐、第三计量泵连通，二次洗涤废水储罐和三次洗涤废水储罐的出液口分别通过球阀与第三离心泵连通。
所述絮凝罐设有叶式搅拌桨，所述搅拌桨连接搅拌电机，絮凝罐顶端设有进料口和絮凝剂进口，底端设有带球阀的排料口；所述进料口经三通阀门跟预处理废液储罐和一次洗涤废水储罐的出液口连通。
所述第二离心机只具有离心功能，顶端设有进料口，底端设有排液口和固体物料排出口，所述进料口经第四离心泵跟絮凝罐底端排料口连通，所述排液口跟废液储罐连通。
与第一离心机、第二离心机的部件连接均为防震连接。
管道中控制浆料和水进出的阀门均为球阀。
所述碱液储罐、第一计量泵、预处理罐、第一水加热器、第一离心泵实现碱预处理木质纤维素；所述第一离心机兼具洗涤和离心固液分离的功能，实现木质纤维素预处理渣的洗涤和固液分离；所述酶解罐、酶液储罐、定量将酶液由酶液储罐输送到酶解罐的第二计量泵、第二水加热器、将热水由第二水加热器向酶解罐热水夹套循环输送的第二离心泵实现酶解；跟第一离心机的底端的排液口防震连通的预处理废液储罐、一次洗涤废水储罐、二次洗涤废水储罐和三次洗涤废水储罐实现了不同废液废水的循环应用；絮凝罐、第四离心泵、第二离心机和废液储罐实现了木质素回收。
本发明还保护上述应用于碱预处理木质纤维素酶解糖化节水减排工艺的装置的使用方法，包括以下步骤：
1)碱液配制：从碱液储罐进料口加入碱，通过流量计加入水，使得碱液的体积浓度为1-2％；
2)碱预处理：开启第一水加热器，将水加热至70-90℃，从预处理罐进料口加入木质纤维素原料，通过第一计量泵泵入步骤1)得到的碱液，使得预处理浆料的质量体积浓度为10％，开启第一离心泵把预先加热的水泵入预处理罐的夹套中，预处理罐内温度达到预设温度时，开启搅拌电机，预处理1-2h；
3)固液分离和洗涤：预处理结束后，关闭预处理罐搅拌电机、关闭第一离心泵，把预处理后的浆料排出到第一离心机进行固液分离，预处理液排入到预处理废液储罐，关闭预处理罐底端排料口的球阀，按照木质纤维素原料与水的质量体积比为1:10的量加入水到预处理罐，清洗预处理罐5～10min后洗涤水全部排入第一离心机清洗木质纤维素残渣5～10min后，进行固液分离，第一次的洗涤废液排入到一次洗涤废水储罐；再次关闭预处理罐底端排料口的球阀，重复加水洗涤木质纤维素处理残渣两次，第二次的洗涤废液排入到二次洗涤废水储罐，第三次的洗涤废液排入到三次洗涤废水储罐；
4)酶水解：步骤3)洗涤完后的固体物料排入到酶解罐，通过液体进口加入水，调固液比1:3～1:5，开启搅拌电机，用有机酸调节体系pH至4.8～5.5，加入非离子表面活性剂，控制体积浓度为0.25～0.5％，按照10～20FPU/g纤维素的量通过第二计量泵加入酶液储罐中配置好的酶浓度为40FPU/g纤维素以上的纤维素酶，关闭第二计量泵，通过液体进口加水调整体系最终固液比1:5～1:10，在第二水加热器作用下控制温度45～50℃，在转速80～120rpm的条件下，酶解72～96h得到含有可发酵糖的酶解浆料从排料口排出；
5)预处理废液和洗涤废液的回收利用：开启第三计量泵将预处理废液储罐中的预处理废液全部泵入预处理罐，按照固液质量体积比1:10的量，定量泵入一次洗涤废水储罐中第一次洗涤废液至预处理罐进行碱预处理；待预处理结束后，预处理后的浆料排出到第一离心机进行固液分离，预处理液排入到预处理废液储罐后，一次洗涤废水储罐中剩余的第一次洗涤废液全部泵入预处理罐清洗预处理罐，然后洗涤水排入第一离心机清洗木质纤维素残渣5～10min后，离心进行固液分离，第一次的洗涤废液排入到一次洗涤废水储罐；开启二次洗涤废水储罐下端出液口的球阀，将二次洗涤废水储罐的第二次的洗涤废水泵入第一离心机清洗木质纤维素残渣5～10min后，离心进行固液分离，洗涤废水排入到一次洗涤废水储罐；开启三次洗涤废水储罐下端出液口的球阀，将三次洗涤废水储罐的第三次的洗涤废水泵入第一离心机清洗木质纤维素残渣5～10min后，离心进行固液分离，洗涤废水排入到二次洗涤废水储罐；按照木质纤维素原料与水的质量体积比1:10的量，通过液体进口加入定量的水到第一离心机，清洗木质纤维素残渣5～10min后，离心进行固液分离，第三次的洗涤废液排入到三次洗涤废水储罐，洗涤完后的固体物料排入到酶解罐重复步骤4)；
6)木质素絮凝：预处理废液储罐中的预处理废液和一次洗涤废水储罐中第一次洗涤废液全部排入絮凝罐，按照终浓度质量体积浓度为5～9％加入CaCl2，搅拌10～15min，将固液混合浆料全部泵入第二离心机，离心固液分离，液体部分排入废液储罐，固体部分通过固体物料排出口排出。
本发明的有益效果如下：本发明结构简单，实现碱预处理木质纤维素的高效酶解糖化和节水减排，减少木质纤维素预处理残渣洗涤过程中的水耗，降低了废液排放量，节省了运营成本。
附图说明：
图1是本发明实施例1的装置的结构示意图；
其中，1、碱液储罐，2、预处理罐，3、第一计量泵，4、第一水加热器，5、第一离心泵，6、第一离心机，7、酶解罐，8、酶液储罐，9、第二计量泵，10、第二水加热器，11、第二离心泵，12、管道，13、预处理废液储罐，14、一次洗涤废水储罐，15、二次洗涤废水储罐，16、三次洗涤废水储罐，17、第三计量泵，18、第三离心泵，19、絮凝罐，20、第四离心泵，21、第二离心机，22、废液储罐，
1.1、4.1、8.1、10.1和19.1为叶式搅拌桨，1.2、2.2、4.2、7.3、8.2、10.2和19.2为搅拌电机，1.3、2.3、8.3和19.3为带球阀的漏斗式进料口，1.4、2.4、6.2、7.9和8.4为带过滤器和流量计的液体进口，1.5为带三通球阀的出水口，4.6、8.5、10.5、和22.2为带球阀的排液口，2.7、7.6和19.5为带球阀的排料口，1.6、4.7和10.6为加热管，1.7、2.8、4.8、7.7和10.7为温度电极，2.1和7.2为板框式搅拌桨，2.5为碱液进口，2.6为预处理废液进口，4.3和10.3为自来水进水口，4.4和10.4为循环水进口，4.5和10.8为循环水出口，6.1、7.1、19.4和21.1为进料口，6.3和21.2为排液口，6.4和21.3为固体物料排出口，7.4和8.8为酸碱液进口，7.5为酶液进口，22.1为进液口，7.8和8.6为pH电极，8.7为酶液出口，12.1、14.1、15.1、16.1、18.1为普通球阀，12.2、12.3、12.4、13.1、13.2为三通球阀。
具体实施方式：
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：
如图1所示的一种应用于碱预处理木质纤维素酶解糖化节水减排工艺的装置，该装置包括依次连通的碱液储罐1、第一计量泵3、预处理罐2、第一离心机6、酶解罐7、第二计量泵9、酶液储罐8；所述第一计量泵3将碱液由碱液储罐1输送到预处理罐2，所述第二计量泵9将酶液由酶液储罐8输送到酶解罐7，所述预处理罐2和酶解罐7均设有夹套，所述预处理罐2夹套一端经第一离心泵5连通第一水加热器4，夹套另一端也连通第一水加热器4，形成一个热水循环回路；所述酶解罐7夹套一端经第二离心泵11连通第二水加热器10，夹套另一端也连通第二水加热器10，形成一个热水循环回路；预处理罐2底端排料口2.7连通第一离心机6，第一离心机6固体物料排出口6.4防震连通酶解罐7，第一离心机6排液口6.3经管道和阀门并联连通有预处理废液储罐13、一次洗涤废水储罐14、二次洗涤废水储罐15和三次洗涤废水储罐16，预处理废液储罐13和一次洗涤废水储罐14的底部出液口分别经第三计量泵17连通预处理罐2，形成一个循环回路；二次洗涤废水储罐15和三次洗涤废水储罐16的底部出液口分别经第三离心泵18与第一离心机6防震连通，形成循环回路；预处理废液储罐13和一次洗涤废水储罐14还跟絮凝罐19连通，所述絮凝罐19依次通过第四离心泵20、第二离心机21与废液储罐22连通。
特别地，碱液储罐1和预处理罐2罐身均设有保温层和观察口。
所述碱液储罐1顶端设有带球阀的漏斗式进料口1.3、带过滤器和流量计的液体进口1.4，顶端中央设有叶式搅拌桨1.1，所述搅拌桨1.1连接搅拌电机1.2，碱液储罐1底端设有带三通球阀的出水口1.5，此外，所述碱液储罐1还设有电加热管1.6和温度电极1.7，温度电极1.7由罐身侧面深入到罐体中央，并避免触碰搅拌桨1.1。
所述预处理罐2设有板框式搅拌桨2.1，所述搅拌桨2.1连接搅拌电机2.2，预处理罐2顶端设有带球阀的漏斗式进料口2.3、带过滤器和流量计的液体进口2.4、碱液进口2.5和预处理废液进口2.6，所述碱液进口2.5经第一计量泵3与碱液储罐1底端设有带三通球阀的出水口1.5连通，所述预处理废液进口2.6经第三计量泵17分别跟预处理废液储罐13、一次洗涤废水储罐14连通；预处理罐2的底端设有带球阀的排料口2.7，所述排料口2.7防震连通第一离心机6，此外，所述预处理罐2还设有温度电极2.8，温度电极2.8由罐身侧面深入到罐体中央，并避免触碰搅拌桨2.1。
所述第一水加热器4或第二水加热器10设有保温层、水位指示管、加热管4.7或10.6、温度电极4.8或10.7、叶式搅拌桨4.1或10.1、所述搅拌桨连接搅拌电机4.2或10.2，第一水加热器4或第二水加热器10顶端开设自来水进水口4.3或10.3、循环水进口4.4或10.4，侧面接近底部的位置设有循环水出口4.5或10.8，底部设有带球阀的排液口4.6或10.5，温度电极4.8或10.7由侧面深入到罐体中央，并避免触碰搅拌桨。
碱液储罐1、预处理罐2、酶解罐7和水加热器中的温度电极与控制器连接，控制器通过实测温度与预设温度的差异控制碱液储罐1的温度。水加热器的温度由控制器通过预处理罐2和酶解罐7的实测温度与预设温度的差异进行调控。
所述第一离心机6兼具离心固液分离和洗涤的功能，第一离心机6的顶端设有洗涤废水进口、带过滤器和流量计的液体进口6.2、跟预处理罐2底端的带球阀的排料口2.7防震连通的进料口6.1，底端设有带球阀的排液口6.3和固体物料排出口6.4。
所述酶解罐7罐体设有观察口，酶解罐7设有保温层、板框式搅拌桨7.2，所述搅拌桨7.2连接搅拌电机7.3，酶解罐7顶端设有跟第一离心机6底端的固体物料排出口6.4防震连通的进料口7.1、酸碱液进口7.4、酶液进口7.5和带过滤器和流量计的液体进口7.9，底端设有带球阀的排料口7.6，此外还设有由罐身侧面深入到罐体中央并避免触碰搅拌桨的温度电极7.7和pH电极7.8。
酶液储罐8罐体设有观察口，酶液储罐8设有叶式搅拌桨8.1，所述搅拌桨8.1连接搅拌电机8.2，酶液储罐8顶端设有带球阀的漏斗式进料口8.3、酸碱液进口8.8和带过滤器和流量计的液体进口8.4，底端设有带球阀的排液口8.5，酶液储罐8侧端设有酶液出口8.7，所述酶液出口8.7经第二计量泵9跟酶解罐7顶端的酶液进口7.5连通，此外还设有由罐身侧面深入到罐体中央并避免触碰搅拌桨的pH电极8.6。
酶解罐和酶液储罐的pH由控制器通过实测pH与预设pH的差异控制酸液或碱液的加入量进行调整。所述预处理废液储罐13、一次洗涤废水储罐14、二次洗涤废水储罐15和三次洗涤废水储罐16顶端分别设有通过球阀和管路跟第一离心机6的底端的排液口6.3防震连通的进液口，通过球阀控制不同的废液进入相应的储罐，底端设有出液口；预处理废液储罐13和一次洗涤废水储罐14的出液口分别经第三计量泵17连通预处理罐2的预处理废液进口2.6，形成一个循环回路；二次洗涤废水储罐15和三次洗涤废水储罐16的出液口分别经第三离心泵18与第一离心机6顶端的洗涤废水进口连通，形成循环回路。
预处理废液储罐13底部出液口设有三通球阀13.1，一次洗涤废水储罐14的底部出液口依次设有球阀14.1和三通球阀13.2，预处理废液储罐13和一次洗涤废水储罐14的底部出液口通过三通球阀13.1、13.2分别与絮凝罐19、第三计量泵17连通，二次洗涤废水储罐15和三次洗涤废水储罐16的出液口分别通过球阀与第三离心泵18连通。
所述絮凝罐19设有叶式搅拌桨19.1，所述搅拌桨19.1连接搅拌电机19.2，絮凝罐19顶端设有进料口19.4和带球阀的漏斗式进料口(作为絮凝剂进口)19.3，底端设有带球阀的排料口19.5；所述进料口19.4经三通阀门13.2跟预处理废液储罐13和一次洗涤废水储罐14的出液口连通。
所述第二离心机21只具有离心功能，顶端设有进料口21.1，底端设有排液口21.2和固体物料排出口21.3，所述进料口21.1经第四离心泵20跟絮凝罐底端排料口19.5连通，所述排液口21.2跟废液储罐22连通。
与第一离心机6、第二离心机21的部件连接均为防震连接。
管道中控制浆料和水进出的阀门均为球阀。
所述碱液储罐1、第一计量泵3、预处理罐2、第一水加热器4、第一离心泵5实现碱预处理木质纤维素；所述第一离心机6兼具离心固液分离和洗涤的功能，实现木质纤维素预处理渣的洗涤和固液分离；所述酶解罐7、酶液储罐8、定量将酶液由酶液储罐输送到酶解罐的第二计量泵9、第二水加热器10、将热水由第二水加热器向酶解罐热水夹套循环输送的第二离心泵11实现酶解；跟第一离心机6的底端的排液口6.3防震连通的预处理废液储罐13、一次洗涤废水储罐14、二次洗涤废水储罐15和三次洗涤废水储罐16实现不同废液废水的循环应用；絮凝罐19、第四离心泵20、第二离心机21和废液储罐22实现木质素回收。
本装置操作过程为：
1.碱液配制。从碱液储罐1的带球阀的漏斗式进料口1.3加入一定质量的固体NaOH，通过带过滤器和流量计的液体进口1.4的流量计定量加入水，使得NaOH的质量体积浓度为2％，开启搅拌电机1.2，从观察口观察，待NaOH完全溶解后停止搅拌。
2.碱预处理。先开启第一水加热器4，将水加热至80℃左右。从预处理罐2带球阀的漏斗式进料口2.3加入一定质量的木质纤维素原料，通过第一计量泵3定量泵入步骤1得到的碱液，使得预处理浆料的质量体积浓度为10％，开启第一离心泵5把预先加热的水泵入预处理罐2的夹套中，在控制器中预设温度为80℃，预处理罐内温度达到预设温度时，开启搅拌电机2.2，预处理2h。
3.固液分离和洗涤：预处理结束后，打开带球阀的排料口2.7的球阀，把预处理后的浆料排出到第一离心机6中，关闭预处理罐2搅拌电机2.2，关闭第一离心泵5。在第一离心机6中通过离心进行固液分离，预处理液通过操作球阀12.1、12.2、12.3和12.4排入到预处理废液储罐13。关闭预处理罐底端带球阀的排料口2.7的球阀，关闭第一离心机6底端球阀12.1，按照木质纤维素原料与水的质量体积比1:10的量，通过带过滤器和流量计的液体进口2.4加入定量的水到预处理罐2，开启搅拌电机2.2清洗预处理罐2 5～10min，打开预处理罐底端带球阀的排料口2.7的球阀，待洗涤水全部排入第一离心机6，关闭搅拌电机2.2和预处理罐底端带球阀的排料口2.7的球阀。在第一离心机6中清洗木质纤维素残渣5～10min后，离心进行固液分离，第一次的洗涤废液通过操作球阀12.1、12.2、12.3和12.4排入到一次洗涤废水储罐14。再次关闭第一离心机6底端球阀12.1，按照木质纤维素原料与水的质量体积比1:10的量通过带过滤器和流量计的液体进口6.2加入定量的水到第一离心机6，清洗木质纤维素残渣5～10min后，离心进行固液分离，第二次的洗涤废液通过操作球阀12.1、12.2和12.3排入到二次洗涤废水储罐15。再次关闭第一离心机6底端球阀12.1，按照木质纤维素原料与水的质量体积比1:10的量，通过带过滤器和流量计的液体进口6.2加入定量的水到第一离心机6，清洗木质纤维素残渣5～10min后，离心进行固液分离，第三次的洗涤废液通过操作球阀12.1和12.2排入到三次洗涤废水储罐16。关闭球阀12.1，打开第一离心机固体物料排出口6.4，使固体物料通过重力作用排入到酶解罐7。
4.酶水解：通过带过滤器和流量计的液体进口7.9按质量体积比1:3～1:5定量加入水，开启搅拌电机7.3，观察pH变化，通过控制器从酸碱液进口7.4加入乙酸，调pH至设定值4.8，同时通过酸碱液进口7.4加入终浓度为0.25～0.5％(体积浓度)非离子表面活性剂。酶液的配制在酶液储罐8中进行，根据实际需要从带球阀的进料口8.3加入酶，配制的酶浓度为40FPU/g纤维素以上。再根据酶解反应体系中酶的添加量为10～20FPU/g纤维素，开启第二计量泵9定量泵入酶液储罐8预先配制好的酶液后，关闭第二计量泵9。再通过带过滤器和流量计的液体进口7.9加水调整酶解体系最终固液比为1:5～1:10。开启第二水加热器10，将水加热至50℃左右，开启第二离心泵11，将热水泵入酶解罐7的夹套中，通过控制器控制酶解罐7内的温度至设定值50℃，在转速80～120rpm的条件下，酶解反应72h后，通过排料口7.6排出含有可发酵糖的酶解浆料，关闭第二离心泵11和搅拌电机7.3。
5.预处理和洗涤废液的回收利用：开启第三计量泵17，将预处理废液储罐13中的预处理废液全部泵入预处理罐2，按照固液比1:10(质量体积比)的量，定量泵入一次洗涤废水储罐14中部分第一次洗涤废液至预处理罐2，通过带球阀的漏斗式进料口2.3加入木质纤维素，同时按照终浓度0.5～1％(质量体积浓度)向预处理罐2补加NaOH固体。开启第一离心泵5把预先加热的水泵入预处理罐2的夹套中，在控制器中预设温度为80℃，预处理罐2内温度达到预设温度时，开启搅拌电机2.2，处理2h后，打开带球阀的排料口2.7的球阀，把预处理后的浆料排出到第一离心机6中，关闭搅拌电机2.2，关闭第一离心泵5。在第一离心机6中通过离心进行固液分离，预处理液通过操作球阀12.1、12.2、12.3和12.4排入到预处理废液储罐13。关闭预处理罐底端带球阀的排料口2.7的球阀，关闭第一离心机6底端球阀12.1，将一次洗涤废水储罐14中剩余的第一次洗涤废液通过第三计量泵17全部泵入至预处理罐2，开启搅拌电机2.2，清洗预处理罐2 5～10min，打开带球阀的排料口2.7球阀，待洗涤水全部排入第一离心机6，关闭搅拌电机2.2和带球阀的排料口2.7的球阀。在第一离心机6中清洗木质纤维素残渣5～10min后，离心进行固液分离，第一次的洗涤废液通过操作球阀12.1、12.2、12.3和12.4排入到一次洗涤废水储罐14。再次关闭球阀12.1，开启二次洗涤废水储罐15下端出液口的球阀15.1，开启球阀18.1和第三离心泵18，将二次洗涤废水储罐的第二次的洗涤废水全部泵入到第一离心机6，清洗木质纤维素残渣5～10min后，离心进行固液分离，洗涤废水通过操作球阀12.1、12.2、12.3和12.4排入到一次洗涤废水储罐14。再次关闭球阀12.1，开启球阀16.1、18.1和第三离心泵18，将三次洗涤废水储罐的第三次的洗涤废水全部泵入到第一离心机6，清洗木质纤维素残渣5～10min后，离心进行固液分离，洗涤废水通过操作球阀12.1、12.2和12.3排入到二次洗涤废水储罐15。再次关闭球阀12.1、18.1，按照木质纤维素原料与水的质量体积比1:10的量，通过带过滤器和流量计的液体进口6.2加入定量的水到第一离心机6，清洗木质纤维素残渣5～10min后，离心进行固液分离，第三次的洗涤废液通过操作球阀12.1、和12.2排入到三次洗涤废水储罐16。关闭球阀12.1，打开第一离心机6固体物料排出口6.4，使固体物料通过重力作用排入到酶解罐7。酶水解重复步骤4的操作。
6.木质素絮凝：操作球阀13.1、13.2和14.1，将预处理废液储罐13中的预处理废液和一次洗涤废水储罐14中第一次洗涤废液全部排入絮凝罐19，按照终浓度5～9％(质量体积浓度)通过带球阀的漏斗式进料口19.3加入絮凝剂CaCl2，开启搅拌电机19.2搅拌10～15min，打开球阀19.5，开启第四离心泵20，将固液混合浆料全部泵入第二离心机21，离心固液分离，液体部分通过排液口21.2排入废液储罐22，固体部分通过固体物料排出口21.3排出。整个过程耗水量与原料质量比例为15:1，得到葡萄糖浓度为105.4g/L，木糖浓度为45.2g/L，纤维素转化率为61.8％。

Claims (10)

1.一种应用于碱预处理木质纤维素酶解糖化节水减排工艺的装置，其特征在于，该装置包括依次连通的碱液储罐(1)、第一计量泵(3)、预处理罐(2)、第一离心机(6)、酶解罐(7)、第二计量泵(9)、酶液储罐(8)；所述第一计量泵(3)将碱液由碱液储罐(1)输送到预处理罐(2)，所述第二计量泵(9)将酶液由酶液储罐(8)输送到酶解罐(7)，所述预处理罐(2)和酶解罐(7)均设有夹套，夹套一端经离心泵连通水加热器，夹套另一端也连通水加热器，形成一个热水循环回路；预处理罐(2)底端排料口(2.7)连通第一离心机(6)，第一离心机(6)固体物料排出口(6.4)防震连通酶解罐(7)，第一离心机(6)排液口(6.3)经管道和阀门并联连通有预处理废液储罐(13)、一次洗涤废水储罐(14)、二次洗涤废水储罐(15)和三次洗涤废水储罐(16)，预处理废液储罐(13)和一次洗涤废水储罐(14)的底部出液口分别经第三计量泵(17)连通预处理罐(2)，形成一个循环回路；二次洗涤废水储罐(15)和三次洗涤废水储罐(16)的底部出液口分别经第三离心泵(18)与第一离心机(6)防震连通，形成循环回路；预处理废液储罐(13)和一次洗涤废水储罐(14)还跟絮凝罐(19)连通，所述絮凝罐(19)依次通过第四离心泵(20)、第二离心机(21)与废液储罐(22)连通。
2.根据权利要求1所述的应用于碱预处理木质纤维素酶解糖化节水减排工艺的装置，其特征在于，所述预处理罐(2)夹套一端经第一离心泵(5)连通第一水加热器(4)，夹套另一端也连通第一水加热器(4)，形成一个热水循环回路；所述酶解罐(7)夹套一端经第二离心泵(11)连通第二水加热器(10)，夹套另一端也连通第二水加热器(10)，形成一个热水循环回路；所述第一水加热器(4)或第二水加热器(10)设有保温层、水位指示管、加热管、温度电极、叶式搅拌桨、所述搅拌桨连接搅拌电机，第一水加热器(4)或第二水加热器(10)顶端开设自来水进水口、循环水进口，侧面接近底部的位置设有循环水出口，底部设有带球阀的排液口，温度电极由侧面深入到罐体中央，并避免触碰搅拌桨。
3.根据权利要求1或2所述的应用于碱预处理木质纤维素酶解糖化节水减排工艺的装置，其特征在于，所述碱液储罐(1)罐身均设有保温层和观察口，碱液储罐(1)顶端设有带球阀的漏斗式进料口(1.3)、带过滤器和流量计的液体进口(1.4)，顶端中央设有叶式搅拌桨(1.1)，所述搅拌桨(1.1)连接搅拌电机(1.2)，碱液储罐(1)底端设有带三通球阀的出水口(1.5)，此外，所述碱液储罐(1)还设有电加热管(1.6)和温度电极(1.7)，温度电极(1.7)由罐身侧面深入到罐体中央，并避免触碰搅拌桨(1.1)。
4.根据权利要求1或2所述的应用于碱预处理木质纤维素酶解糖化节水减排工艺的装置，其特征在于，所述预处理罐(2)罐身设有保温层和观察口，预处理罐(2)设有板框式搅拌桨(2.1)，所述搅拌桨(2.1)连接搅拌电机(2.2)，预处理罐(2)顶端设有带球阀的漏斗式进料口(2.3)、带过滤器和流量计的液体进口(2.4)、碱液进口(2.5)和预处理废液进口(2.6)，所述碱液进口(2.5)经第一计量泵(3)与碱液储罐(1)底端设有带三通球阀的出水口(1.5)连通，所述预处理废液进口(2.6)经第三计量泵(17)分别跟预处理废液储罐(13)、一次洗涤废水储罐(14)连通；预处理罐(2)的底端设有带球阀的排料口(2.7)，所述排料口(2.7)防震连通第一离心机(6)，此外，所述预处理罐(2)还设有温度电极(2.8)，温度电极(2.8)由罐身侧面深入到罐体中央，并避免触碰搅拌桨(2.1)。
5.根据权利要求1或2所述的应用于碱预处理木质纤维素酶解糖化节水减排工艺的装置，其特征在于，所述第一离心机(6)兼具离心固液分离和洗涤的功能，第一离心机(6)的顶端设有洗涤废水进口、带过滤器和流量计的液体进口(6.2)、跟预处理罐(2)底端的带球阀的排料口(2.7)防震连通的进料口(6.1)，底端设有带球阀的排液口(6.3)和固体物料排出口(6.4)。
6.根据权利要求1或2所述的应用于碱预处理木质纤维素酶解糖化节水减排工艺的装置，其特征在于，所述酶解罐(7)罐体设有观察口，酶解罐(7)设有保温层、板框式搅拌桨(7.2)，所述搅拌桨(7.2)连接搅拌电机(7.3)，酶解罐(7)顶端设有跟第一离心机(6)底端的固体物料排出口(6.4)防震连通的进料口(7.1)、酸碱液进口(7.4)、酶液进口(7.5)和带过滤器和流量计的液体进口(7.9)，底端设有带球阀的排料口(7.6)，此外还设有由罐身侧面深入到罐体中央并避免触碰搅拌桨的温度电极(7.7)和pH电极(7.8)。
7.根据权利要求1或2所述的应用于碱预处理木质纤维素酶解糖化节水减排工艺的装置，其特征在于，酶液储罐(8)罐体设有观察口，酶液储罐(8)设有叶式搅拌桨(8.1)，所述搅拌桨(8.1)连接搅拌电机(8.2)，酶液储罐(8)顶端设有带球阀的漏斗式进料口(8.3)、酸碱液进口(8.8)和带过滤器和流量计的液体进口(8.4)，底端设有带球阀的排液口(8.5)，酶液储罐(8)侧端设有酶液出口(8.7)，所述酶液出口(8.7)经第二计量泵(9)跟酶解罐(7)顶端的酶液进口(7.5)连通，此外还设有由罐身侧面深入到罐体中央并避免触碰搅拌桨的pH电极(8.6)。
8.根据权利要求1或2所述的应用于碱预处理木质纤维素酶解糖化节水减排工艺的装置，其特征在于，所述预处理废液储罐(13)、一次洗涤废水储罐(14)、二次洗涤废水储罐(15)和三次洗涤废水储罐(16)顶端分别设有通过球阀和管路跟第一离心机(6)的底端的排液口(6.3)防震连通的进液口，通过球阀控制不同的废液进入相应的储罐，底端设有出液口；预处理废液储罐(13)和一次洗涤废水储罐(14)的出液口分别经第三计量泵(17)连通预处理罐(2)的预处理废液进口(2.6)，形成一个循环回路；二次洗涤废水储罐(15)和三次洗涤废水储罐(16)的出液口分别经第三离心泵(18)与第一离心机(6)顶端的洗涤废水进口连通，形成循环回路；预处理废液储罐(13)底部出液口设有三通球阀(13.1)，一次洗涤废水储罐(14)的底部出液口依次设有球阀(14.1)和三通球阀(13.2)，预处理废液储罐(13)和一次洗涤废水储罐(14)的底部出液口通过三通球阀(13.1、13.2)分别与絮凝罐(19)、第三计量泵(17)连通，二次洗涤废水储罐(15)和三次洗涤废水储罐(16)的出液口分别通过球阀与第三离心泵(18)连通。
9.根据权利要求1或2所述的应用于碱预处理木质纤维素酶解糖化节水减排工艺的装置，其特征在于，所述絮凝罐(19)设有叶式搅拌桨(19.1)，所述搅拌桨(19.1)连接搅拌电机(19.2)，絮凝罐(19)顶端设有进料口(19.4)和带球阀的漏斗式进料口19.3，底端设有带球阀的排料口(19.5)；所述进料口(19.4)经三通阀门(13.2)跟预处理废液储罐(13)和一次洗涤废水储罐(14)的出液口连通；所述第二离心机(21)只具有离心功能，顶端设有进料口(21.1)，底端设有排液口(21.2)和固体物料排出口(21.3)，所述进料口(21.1)经第四离心泵(20)跟絮凝罐底端排料口(19.5)连通，所述排液口(21.2)跟废液储罐(22)连通。
10.权利要求1所述应用于碱预处理木质纤维素酶解糖化节水减排工艺的装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)从碱液储罐进料口加入碱，通过流量计加入水，使得碱液的体积浓度为1-2％；
2)开启第一水加热器，将水加热至70-90℃，从预处理罐进料口加入木质纤维素原料，通过第一计量泵泵入步骤1)得到的碱液，使得预处理浆料的质量体积浓度为10％，开启第一离心泵把预先加热的水泵入预处理罐的夹套中，预处理罐内温度达到预设温度时，开启搅拌电机，预处理1-2h；
3)预处理结束后，关闭预处理罐搅拌电机、关闭第一离心泵，把预处理后的浆料排出到第一离心机进行固液分离，预处理液排入到预处理废液储罐，关闭预处理罐底端排料口的球阀，按照木质纤维素原料与水的质量体积比为1:10的量加入水到预处理罐，清洗预处理罐5～10min后洗涤水全部排入第一离心机清洗木质纤维素残渣5～10min后，进行固液分离，第一次的洗涤废液排入到一次洗涤废水储罐；再次关闭预处理罐底端排料口的球阀，重复加水洗涤木质纤维素处理残渣两次，第二次的洗涤废液排入到二次洗涤废水储罐，第三次的洗涤废液排入到三次洗涤废水储罐；
4)步骤3)洗涤完后的固体物料排入到酶解罐，通过液体进口加入水，调固液比1:3～1:5，开启搅拌电机，用有机酸调节体系pH至4.8～5.5，加入非离子表面活性剂，控制体积浓度为0.25～0.5％，按照10～20FPU/g纤维素的量通过第二计量泵加入酶液储罐中配置好的酶浓度为40FPU/g纤维素以上的纤维素酶，关闭第二计量泵，通过液体进口加水调整体系最终固液比1:5～1:10，在第二水加热器作用下控制温度45～50℃，在转速80～120rpm的条件下，酶解72～96h得到含有可发酵糖的酶解浆料从排料口排出；
5)开启第三计量泵将预处理废液储罐中的预处理废液全部泵入预处理罐，按照固液质量体积比1:10的量，定量泵入一次洗涤废水储罐中第一次洗涤废液至预处理罐进行碱预处理；待预处理结束后，预处理后的浆料排出到第一离心机进行固液分离，预处理液排入到预处理废液储罐后，一次洗涤废水储罐中剩余的第一次洗涤废液全部泵入预处理罐清洗预处理罐，然后洗涤水排入第一离心机清洗木质纤维素残渣5～10min后，离心进行固液分离，第一次的洗涤废液排入到一次洗涤废水储罐；开启二次洗涤废水储罐下端出液口的球阀，将二次洗涤废水储罐的第二次的洗涤废水泵入第一离心机清洗木质纤维素残渣5～10min后，离心进行固液分离，洗涤废水排入到一次洗涤废水储罐；开启三次洗涤废水储罐下端出液口的球阀，将三次洗涤废水储罐的第三次的洗涤废水泵入第一离心机清洗木质纤维素残渣5～10min后，离心进行固液分离，洗涤废水排入到二次洗涤废水储罐；按照木质纤维素原料与水的质量体积比1:10的量，通过液体进口加入定量的水到第一离心机，清洗木质纤维素残渣5～10min后，离心进行固液分离，第三次的洗涤废液排入到三次洗涤废水储罐，洗涤完后的固体物料排入到酶解罐重复步骤4)；
6)预处理废液储罐中的预处理废液和一次洗涤废水储罐中第一次洗涤废液全部排入絮凝罐，按照终浓度质量体积浓度为5～9％加入CaCl2，搅拌10～15min，将固液混合浆料全部泵入第二离心机，离心固液分离，液体部分排入废液储罐，固体部分通过固体物料排出口排出。
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