CN108148730B - 一种用于农作物秸秆预处理的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于农作物秸秆预处理的系统。用于农作物秸秆预处理的系统，所述系统包括反应容器，所述反应容器包括容器本体；所述容器本体的外壁包覆有换热夹套；所述容器本体内设有碱液输送管。本发明的系统采用联合法预处理秸秆，即反复冻融和碱液浸泡处理相结合，并且两个处理单元在同一容器中进行，即原位处理，免去了处理液在不同处理单元之间的转移过程，节省了时间和空间，因此提高了预处理效率。

Description

一种用于农作物秸秆预处理的系统

技术领域

本发明涉及生物技术领域，尤其是涉及一种用于农作物秸秆预处理的系统。

背景技术

随着现代畜牧业的快速发展，畜禽饲料已成为养殖业备受关注的头等大事，以玉米等陈化粮为原料的传统饲料发展受限已成为制约畜牧业发展的主要因素，而农作物原料的非常规饲料化有望缓解饲料用粮的压力，同时亦能改善和保护生态环境。因此，在我国发展农作物的非常规饲料转化将具有显著的经济效益和生态效益。农作物富含的木质纤维素必须降解为可发酵性糖，才能进一步高效转化成畜禽饲料。但利用农作物等生物质原料发酵生产畜禽饲料一般需要原料预处理、酶解和发酵等步骤，其中将纤维素酶解成可发酵糖是关键，决定着原料转化率和发酵饲料的生产成本。由于纤维素的周围充填着半纤维素和木质素，纤维素酶水解时，木质素与半纤维素会阻碍纤维素酶同纤维素分子的直接接触，同时纤维素的结晶性也会对其酶解糖化产生很大影响，所以在对木质纤维素糖化前，必须通过预处理破坏木质素的网状结构，降低纤维素结晶度，进而提高纤维素的转化率。目前，生物质转化预处理方法主要有物理法、物理化学法、化学法、生物法以及联合法。

每种单一的预处理方法都有其局限性。例如，热液处理、冻融处理、电子束辐照处理等物理方法存在处理量小、成本高等缺点。稀酸处理能取得一定效果，但酸对反应容器具有腐蚀作用，且反应试剂的加入对反应原料亦会造成污染。氧化剂虽可将木质纤维素原料中的木质素和大部分半纤维素除去，且纤维素的水解产率也较高，但氧化剂消耗较大，导致成本较高。虽然生物法亦能高效率地分解植物纤维中的木质素，以解除其对纤维素的包裹作用，提高纤维素的可及度和活性，但目前能降解木质素的微生物种类少、处理时间长、木质素分解酶类的酶活力低、采用基因工程技术对白腐菌进行改良等技术问题，这些都限制了生物法的实际应用空间。

综上可知，采用单一方法对木质纤维素原料预处理时，均很难达到理想效果，一般需要将不同方法进行有效组合，以期获得更加经济、环保、高效的联合预处理方式，因此联合法以其较高的综合经济效益获得广泛推广。但目前联合法所用的系统仅仅是将不同处理方法所用的设备串联在一起，该串联是按照预定的处理顺序连接，该系统虽然提高纤维素的水解产率，但却降低了生产效率。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种用于农作物秸秆预处理的系统，该系统通过将冻融处理与碱液处理集成于同一容器来提高秸秆的预处理效率。

本发明的第二目的在于提供一种用于农作物秸秆预处理的方法，该方法在减压环境下进行冻融处理，提升了溶液的冻结温度，降低了处理难度和能耗。

为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：

用于农作物秸秆预处理的系统，所述系统包括反应容器，所述反应容器包括容器本体；

所述容器本体的外壁包覆有换热夹套；

所述容器本体内设有碱液输送管。

本发明的系统采用联合法预处理秸秆，即冻融和碱液处理相结合，并且两个处理单元在同一容器中进行，即原位处理，免去了处理液在不同处理单元之间的转移过程，节省了时间和空间，因此提高了预处理效率。

本发明中，根据冷冻和融化的需要分别向换热夹套中通入冷媒和热媒，介质的选择是任意的，例如水、乙醇溶液、冷冻液等。换热夹套为夹套式换热器中的夹套。

本发明中，碱液输送管的材质选择主要依据是碱液的碱性，若采用氢氧化钠等强碱处理，则应选择聚四氟管、丁基橡胶管等。

本发明的以上系统还可以进一步改进，以改善其他方面的效果，具体如下。

优选地，还包括用于密封所述容器本体的盖体，所述碱液输送管还可拆卸地连接有真空泵。

增加真空泵的目的是降低容器本体中的压力，进而提升溶液冻结的温度，以更低的成本进行冻融处理。至于所需的真空度，一般根据溶液的性质确定。而且“可拆卸”的结构更加灵活，需要相应工序时才将二者连接。

若需实现减压的目的，则容器的密封性相当重要，因此需要设置密封性较好的盖体，此盖体可设置为可拆卸的，以便装卸料液或者检修。

另外，碱液输送管为一管多用，承担输送碱液和抽真空两个功能。

至于盖体的可拆卸结构，可以任意选择，例如凹凸槽相咬合的方式、螺纹连接、或者插销结构等。

优选地，为了增强容器的密封性，所述盖体为可拆卸盖体，所述盖体与反应容器之间设有密封垫。

优选地，所述碱液输送管为熟石灰溶液输送管。

相比NaOH等强碱，熟石灰成本低，且无污染排放。

优选地，所述碱液输送管设有阀门。

设置阀门以便于根据处理进程控制碱液的加入量。

优选地，所述容器本体内设有pH计。

设置pH计以便及时监控反应液的pH值，从而确定后续的处理方式。

优选地，还包括温度采集器，所述温度采集器连接有一个或多个热电偶，所述热电偶设置于所述容器本体内。

温度是冻融处理和碱液处理时很重要的影响因素，因此设置热电偶和温度采集器可以更精确控制处理过程，提高生产效率。

优选地，还包括保温层，所述保温层将所述换热夹套与所述容器本体包覆于内部。

设置保温层可以避免热量损失，节省能耗。

优选地，所述容器本体内还所述碱液输送管还可拆卸地与二氧化碳储存罐连接。

设置CO₂储存罐至少可以达到两个目的：一是调节反应液的pH值，二是在碱液处理完成后，采用二氧化碳冲将熟石灰转化为碳酸钙，防止污染环境。

此方案中，碱液输送管有增添了输送CO₂的功能。

优选地，还包括中央控制器和温度采集器；

所述碱液输送管设有第一阀门；所述容器本体内设有pH计；

所述温度采集器连接有多个热电偶，所述热电偶设置于所述容器本体内；

所述换热夹套设有第二阀门；

所述中央控制器分别与所述第一阀门、所述pH计、所述温度采集器和所述第二阀门；

所述中央控制器用于根据所述pH计测试的pH值控制所述第一阀门的开关；

所述中央控制器用于根据所述温度采集器采集的温度控制所述第二阀门的开关。

如上文所述，在每个输送管设置阀门以及设置温度、pH值检测器的前提下，可以将这些反应进程中的关键参数输入中央控制器，以实现自动化控制，既减少了生产过程中的人为误差，又提高了生产效率。

优选地，所述容器本体的底部为可拆卸的底。

按照常规的设置方式，反应容器中，各输送管及其他关系均通过盖体接入容器内部，因此若在盖体处装卸料液，则操作繁杂。为此，本发明将容器本体的底部为可拆卸的底，从此处卸料，可以避免以上种种问题。

优选地，所述碱液输送管还可拆卸地连接有酶储存罐。

本发明的系统还可以实现原位酶解的过程，只需要通过输送管通入酶解液即可。

优选地，所述容器本体内设有搅拌器，以便于提高反应效率。

如上文所述，本发明提供了在上述系统中预处理秸秆的方法，具体如下：

通过碱液输送管向反应容器中通入碱液(熟石灰溶液或氢氧化钠溶液等)，然后向换热夹套中不断通入冷媒，直至容器中的溶液冻结，然后静止一段时间，之后向换热夹套中不断通入热媒，直至容器中的冻结物融化，然后反应一段时间后，即可进入酶解工序。

优选地，在通入碱液之后和通过冷媒之前还包括对所述反应容器抽真空。

优选地，所述碱液为熟石灰溶液时，熟石灰的浓度优选为6-8％。

优选地，所述碱液为熟石灰溶液时，所述抽真空直至真空度100Pa以下。

优选地，所述冻结之后的静止时间为8-24h。

优选地，所述融化之后的反应时间为8-24h。

所述酶解时，向所述反应容器内通入二氧化碳，直至溶液的pH达到4.5-5.5。

综上，与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：

(1)将冻融、碱液处理和酶解集成于同一容器反应，实现原位处理的目的，既提高了生产效率，又节省了设备占用的空间；

(2)通过减压措施提升了溶液的冻结温度，降低了冻融处理的难度，还降低了能耗；

(3)本发明还通过优化减压冻融和碱液处理的工艺参数，提高了纤维素酶解糖化率；

(4)将碱液输送管可拆卸地与多种设备连接，实现一管多用的效果，使系统更简洁。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的用于农作物秸秆预处理的系统的示意图；

图2为本发明实施例2提供的用于农作物秸秆预处理的系统的示意图；

附图标记：

1-容器本体，2-换热夹套，3-碱液输送管，4-保温层，5-第一阀门，6-中央控制器，7-pH计，8-热电偶。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

一种用于农作物秸秆预处理的系统，如图1所示。

包括反应容器，反应容器包括容器本体1；

容器本体1的外壁包覆有换热夹套2；

容器本体1内设有碱液输送管3。

该系统的工作原理是：

通过碱液输送管3向反应容器中通入碱液(熟石灰溶液或氢氧化钠溶液等)，然后向换热夹套2中不断通入冷媒，直至容器中的溶液冻结，然后静止一段时间，之后向换热夹套2中不断通入热媒，直至容器中的冻结物融化，然后反应一段时间后，即可进入酶解工序。

由此可知，该系统采用联合法预处理秸秆，即冻融和碱液处理相结合，并且两个工序在同一容器中进行，即原位反应，节省了溶液转移反应容器时耗费的时间，因此提高了处理效率。

根据过程控制的需要还可以增设以下结构或零件，以提高自动化率，降低能耗，提高纤维素的产率。为了实现此目的，本发明还提供了更完善的秸秆预处理系统，如图2所示的实施例2。

该系统包括反应容器，反应容器的基本结构包括容器本体1和中央控制器、盖体、温度采集器；容器本体1的外壁包覆有换热夹套2；容器本体1内设有碱液输送管3。

该反应器还有其他附属零件或结构，具体如下。

碱液输送管3设有第一阀门5；容器本体1内设有pH计7；

温度采集器连接有一个或多个热电偶8，热电偶8设置于容器本体1内。

换热夹套2设有第二阀门。

中央控制器6分别与第一阀门5、pH计7、温度采集器、第二阀门连接。

中央控制器6用于根据pH计7测试的pH值控制第一阀门的开关。

中央控制器6用于根据温度采集器采集的温度控制第二阀门的开关。

以上结构都是为了实现自动化。即在每个输送管设置阀门以及设置温度、pH值检测器的前提下，可以将这些反应进程中的关键参数输入中央控制器6，以实现自动化控制，既减少了生产过程中的人为误差，又提高了生产效率。

系统还包括用于密封容器本体1的盖体，碱液输送管3还可拆卸地连接真空泵。增加真空泵的目的是降低容器本体1中的压力，进而提升溶液冻结的温度，以更低的成本进行冻融处理。至于所需的真空度，一般根据溶液的性质确定。

还包括保温层4，保温层4将换热夹套2与容器本体1包覆于内部。设置保温层4可以避免热量损失，节省能耗。

盖体为可拆卸盖体。盖体的可拆卸结构，可以任意选择，例如凹凸槽相咬合的方式、螺纹连接、或者插销结构等等。

优选地，盖体与反应容器之间设有密封垫。

容器本体1的底部为可拆卸的底；按照常规的设置方式，反应容器中，各输送管及其他关系均通过盖体接入容器内部，因此若在盖体处装卸料液，则操作繁杂。为此，本实施例将容器本体1的底部为可拆卸的底，从此处卸料，可以避免以上种种问题。

容器本体1内设有搅拌器，以便于提高反应效率。

在以上实施例中，碱液输送管3承担多个功能，分别在不同的处理单元用于抽真空、输送碱液、输送二氧化碳、输送酶。

以上系统的工作原理是：

首先是根据处理的秸秆量、处理方法等确定冻融以及碱液反应最佳的工艺参数，包括真空度、温度、pH值、碱液用量、冻结时间、反应时间等，从而在中央控制器6中设定，以便后期自动控制。

其次，通过碱液输送管3向反应容器中通入碱液(熟石灰溶液或氢氧化钠溶液等)，然后向换热夹套2中不断通入冷媒，直至容器中的溶液冻结，然后静止一段时间，之后向换热夹套2中不断通入热媒，直至容器中的冻结物融化，然后反应一段时间后，即可进入酶解工序。在此期间的各个工序均有中央控制器6自动完成，并且各个参数由中央控制器6调节阀门的开关来调节。

在实际生产过程中，针对不同类型的秸秆以及不同处理方法，最佳的工艺参数不同。本发明提供了用熟石灰处理秸秆时的最佳工艺参数，具体如下。

在通入碱液之后和通过冷媒之前还包括对反应容器抽真空。

碱液为熟石灰溶液时，熟石灰的浓度优选为6-8％。

碱液为熟石灰溶液时，所述抽真空直至真空度100Pa以下。

冻结之后的静止时间为8-24h。

融化之后的反应时间为8-24h。

酶解时，向反应容器内通入二氧化碳，直至溶液的pH达到4.5-5.5。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种用于农作物秸秆预处理的系统，其特征在于，所述系统包括反应容器，所述反应容器包括容器本体；

所述容器本体的外壁包覆有换热夹套；

所述容器本体内设有碱液输送管；

还包括用于密封所述容器本体的盖体，所述碱液输送管还可拆卸地连接有真空泵；

还包括保温层，所述保温层将所述换热夹套与所述容器本体包覆于内部；

所述碱液输送管还可拆卸地与二氧化碳储存罐连接；

所述碱液输送管还可拆卸地连接有酶储存罐；

所述容器本体内设有pH计；

还包括温度采集器，所述温度采集器连接有一个或多个热电偶，所述热电偶设置于所述容器本体内；

还包括中央控制器；

所述碱液输送管设有第一阀门；

所述温度采集器连接有一个或多个热电偶，所述热电偶设置于所述容器本体内；

所述换热夹套设有第二阀门；

所述中央控制器分别与所述第一阀门、所述pH计、所述温度采集器和所述第二阀门；

所述中央控制器用于根据所述pH计测试的pH值控制所述第一阀门的开关；

所述中央控制器用于根据所述温度采集器采集的温度控制所述第二阀门的开关。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述盖体为可拆卸盖体；

所述盖体与反应容器之间设有密封垫。