CN113186095A - 基于小肠仿生的连续水解反应器及方法 - Google Patents
基于小肠仿生的连续水解反应器及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于小肠仿生的连续水解反应器，包括柔性软管，其特征在于：该柔性软管具有一定的弹性模量，可在外力作用下进行径向的收缩与膨胀；所述柔性软管的上表面均匀设置有若干个刚性压片，所有刚性压片的一端均套设在固定轴上，所述固定轴由固定支架支撑；每个刚性压片的上方均设置有凸轮，所有凸轮均套设在转轴上，所述转轴由伺服电机带动旋转；当伺服电机带动转轴旋转时，转轴旋转带动凸轮旋转；当转轴旋转到设定角度时，凸轮与对应的刚性压片相抵触，对对应的刚性压片形成挤压，使刚性压片对柔性软管形成挤压；本发明可广泛应用于传热、化工和食品等领域。
Description
技术领域
本发明涉及反应器技术领域，特别涉及一种基于小肠仿生的连续水解反应器及方法。
背景技术
利用木质纤维素类生物质资源生产生物燃料是解决能源危机与环境污染的潜在手段。木质纤维素主要是由纤维素、半纤维素、木质素三大组分组成，纤维素和半纤维素是能够被水解发酵生产生物燃料的碳水化合物，木质素是一类酚类网状高分子聚合物，能够保护纤维素和半纤维素被微生物降解，一般来说，需要先利用纤维素酶和半纤维素酶将纤维素、半纤维素等转化为葡萄糖、木糖等可小分子糖，然后其才能被微生物利用生产生物燃料，因此酶水解是木质纤维素生产生物燃料的最关键步骤。
酶水解反应器是木质纤维素中纤维素与半纤维素被酶水解成可发酵单糖的主要场所，其运行方式与结构形式对酶解过程的效率有着至关重要的影响。现阶段酶水解生物反应器从运行方式上可以分为批次式反应器与连续式反应器。批次反应器是反应物全部处于反应器中一起反应，在所需条件反应一定时间，达到所需转化率后全部取出反应器，再将下一批需要反应的物料加入反应器中，前后批次间互不影响。连续式反应器是物料不停流入，产物不停流出的一种反应器。相较于批次反应器，连续式反应器具有产品质量稳定、产物抑制作用较小、易于操作控制，有利于工业化应用等优点。
酶解反应器从结构形式上可以分为釜式反应器、管式反应器、填料塔反应器等。它们的结构大多由钢铁或其合金材料组成。由于器壁不能收缩或运动，不会参与内部物料的混合，因此常常需要借助搅拌桨等来加强反应器内物料混合以实现较高的反应效率。但针对木质纤维素浆液这种高粘度的物料，会产生“分隔区域”，混合效率低，对固体颗粒分布的影响也较弱，同时搅拌桨的高速剪切造成纤维素酶的失活，降低转化效率，且当进口浆料固体含量的升高时，体系粘度的增加、抗剪性增强，搅拌功率会随之指数倍增加，因此对于酶解反应器而言，其连续生产过程会受到反应器内强化混合方式的限制而出现生产效率下降的问题，故开发新型的酶解反应器结构形式，应用新式的物料混合强化方式对其性能的提升至关重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于小肠仿生的连续水解反应器及方法，以克服针对水解过程中采用传统刚式反应器存在传质受限、能耗高等问题或者采用传统搅拌方式造成剪切力使酶失活等问题。
本发明的技术方案是：一种基于小肠仿生的连续水解反应器，包括柔性软管，其特征在于：该柔性软管具有一定的弹性模量，可在外力作用下进行径向的收缩与膨胀；所述柔性软管放置在底板上并通过卡槽固定，所述柔性软管的上表面均匀设置有若干个刚性压片，所有刚性压片的一端均套设在固定轴上，所述固定轴由固定支架支撑；每个刚性压片的上方均设置有凸轮，所有凸轮均套设在转轴上，所述转轴由伺服电机带动旋转；当伺服电机带动转轴旋转时，转轴旋转带动凸轮旋转；当转轴旋转到一定角度时，凸轮与对应的刚性压片相抵触，对对应的刚性压片形成挤压，使刚性压片对柔性软管形成挤压，柔性软管发生径向形变；使柔性软管的挤压点处浆料的轴向流动速度迅速减小并转化为一定的径向速度，挤压点附近形成较强的二次流动，挤压点附近物料混合得到强化；当凸轮离开刚性压片后，刚性压片停止对柔性软管挤压，柔性软管恢复原状；通过凸轮旋转，凸轮对刚性压片形成周期性挤压，使柔性软管产生周期性蠕动，以强化柔性软管内流场扰动和物料混合。
本发明基于仿生学理论模拟了生物体肠道的推进与分节两种运动形式，柔性软管段是水解反应的主要场所，利用泵送装置推进浆料用于模拟白蚁肠道的推进运动形式，利用在柔性软管不同部位进行不同相位的周期性挤压模拟肠道的分节作用，基于这两种作用，一方面强化了柔性软管内的物质传递，使物料能够充分混合，且避免了产物积累造成的抑制，使得酶催化反应能够高效进行，另一方面避免了固相颗粒沉降所造成的管道堵塞，保证反应器的连续高效运行。
根据本发明所述的基于小肠仿生的连续水解反应器的优选方案，所述连续水解反应器还包括泵送装置和二个物料储存装置；二个物料储存装置的输入端均与泵送装置相连接，二个物料储存装置的输出端分别通过三通阀与柔性软管的输入端连接，柔性软管的输出端连接产物收集器。
根据本发明所述的基于小肠仿生的连续水解反应器的优选方案，当转轴旋转时，相邻凸轮与对应的刚性压片相接触时所处的角度位于转轴旋转平面内的不同的旋转角度。
根据本发明所述的基于小肠仿生的连续水解反应器的优选方案，当转轴旋转时，相邻凸轮与对应的刚性压片相接触时所处的角度在旋转平面内相差180度。
本发明的第两个技术方案是，一种基于小肠仿生的连续水解反应器进行浆液酶解的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、将纤维素酶溶液与一定浓度的木质纤维素浆液分别加入物料储存装置；
步骤二、开启三通阀，启动泵送装置，将物料储存装置中的纤维素酶溶液和木质纤维素浆液泵入柔性软管；
步骤三、开启伺服电机，伺服电机带动转轴旋转，转轴旋转动带动凸轮旋转，当转轴旋转到一定角度时，凸轮与对应的刚性压片相接触，对对应的刚性压片形成挤压，使刚性压片对柔性软管形成挤压，柔性软管发生径向形变，使柔性软管的挤压点处浆料的轴向流动速度迅速减小并转化为一定的径向速度，挤压点附近形成二次流动，使挤压点附近物料混合得到强化；随着凸轮的转动，凸轮离开刚性压片，刚性压片停止对柔性软管挤压，柔性软管恢复原状；通过凸轮旋转，凸轮对刚性压片形成周期性挤压，使柔性软管产生周期性蠕动；并根据浆液浓度调节伺服电机的转速，使柔性软管的蠕动频率至合适范围；
步骤四、反应器运行一定时间，柔性软管内的浆液经过充分的反应并被传输至柔性软管的出口，通过产物收集器对固液相产物进行收集以供后续利用。
本发明所述的基于小肠仿生的连续水解反应器及方法的有益效果是:本发明可以实现木质纤维素纤维素连续酶水解生产可发酵单糖；且利用电机运行所带动的对柔性软管的不同部位进行不同相位的周期性挤压，强化柔性软管内物料混合，防止底物沉降，实现较高的酶解效率，保证反应器的正常运行；在进行高含固量的木质纤维素浆液的水解时，周期性不同相位的法向挤压在保证混合效果的同时仅需要较少的能量投入；相比于其他搅拌式反应器，该反应器内部剪切力较小，对酶活性损耗较小，该反应器结构形式简单，便于组装与拆卸；本发明可广泛应用在能源、化工等领域。
附图说明
图1是本发明所述的基于小肠仿生的连续水解反应器的结构示意图。
图2是相邻凸轮安装位置示意图。
具体实施方法
实施例1，参见图1至图2，一种基于小肠仿生的连续水解反应器，包括泵送装置1、二个物料储存装置2a、2b和柔性软管7；二个物料储存装置2a、2b的输入端均与泵送装置1相连接，二个物料储存装置2a、2b的输出端分别通过三通阀3与柔性软管7的输入端连接，柔性软管7的输出端连接产物收集器11。物料储存装置用于输送反应液，比如分别输送纤维素酶溶液与一定浓度的木质纤维素浆液。
所述柔性软管7具有一定的弹性模量，可在外力作用下进行径向的收缩与膨胀；所述硅胶软管放置在底板13上并通过卡槽固定，所述柔性软管7的上表面均匀设置有若干个刚性压片8，所有刚性压片8的一端均套设在固定轴9上，所述固定轴9由固定支架4支撑；每个刚性压片8的上方均设置有凸轮6，所有凸轮6均套设在转轴5上，所述转轴5由伺服电机10带动旋转；当伺服电机10带动转轴5旋转时，转轴5旋转带动凸轮6旋转；当转轴5旋转到一定角度时，凸轮6与对应的刚性压片8相接触，对对应的刚性压片8形成挤压，使刚性压片8对柔性软管7形成挤压，柔性软管7发生径向形变，使柔性软管的挤压点处浆料的轴向流动速度迅速减小并转化为一定的径向速度，挤压点附近形成较强的二次流动，挤压点附近物料混合得到强化；当凸轮6离开刚性压片8后，刚性压片8停止对柔性软管7挤压，柔性软管7恢复原状；通过凸轮6旋转，凸轮6对刚性压片8形成周期性挤压，使柔性软管7产生周期性蠕动，以强化柔性软管7内流场扰动和物料混合。
在具体实施例中，当转轴5旋转时，相邻凸轮与对应的刚性压片8相接触时所处的角度位于转轴(5)旋转平面内的不同的旋转角度。以顺序设置12个凸轮为例，当转轴旋转30度时，位于第1、4、7、10号凸轮与对应的刚性压片相接触，其余凸轮与对应的刚性压片8不相接触，当转轴旋转150度时，位于第2、5、8、11号凸轮与对应的刚性压片相抵触，其余凸轮与对应的刚性压片不相接触，当转轴旋转270度时，位于第3、6、9、12号凸轮与对应的刚性压片8相接触，其余凸轮与对应的刚性压片不相抵触。
在具体实施例中，特别是，当转轴旋转时，相邻凸轮与对应的刚性压片相接触时所处的角度在旋转平面内相差180度。比如，以顺序设置12个凸轮为例，当转轴旋转30度时，奇数号凸轮与对应的刚性压片8相接触，偶数号凸轮与对应的刚性压片8不相抵触，当转轴旋转210度时，奇数号凸轮与对应的刚性压片8不相接触，偶数号凸轮与对应的刚性压片8相接触。
在具体实施例中，凸轮可以选择盘形凸轮或者契形凸轮，如偏心圆盘凸轮等。在具体实施例中，泵送装置类型可以为注射泵、蠕动泵、隔膜泵。
实施例2，利用实施例1的一种基于小肠仿生的连续水解反应器进行浆液酶解的方法，包括如下步骤：
步骤一、将纤维素酶溶液与一定浓度的木质纤维素浆液分别加入二个物料储存装置2a、2b。具体为将一定质量过50目筛网筛选的干燥小麦秸秆球磨24h后与0.1M柠檬酸钠缓冲溶液混合配置成不同固体含量的木质纤维素生物质浆液，根据配置好的生物质浆液浓度加入不同质量的纤维素酶于0.1M柠檬酸钠缓冲溶液配置成酶溶液，分别将配置好的溶液转移到二个物料储存装置2a、2b中。
步骤二、开启三通阀3，启动泵送装置1并设置流速以保证物料在柔性软管7中有足够的停留时间，物料储存装置2a、2b中的浆液被泵入柔性软管7，流动方向为13；
步骤三、开启伺服电机10，伺服电机10带动转轴5旋转，转轴5旋转带动凸轮6旋转；当转轴5旋转到一定角度时，凸轮6与对应的刚性压片8相接触，对对应的刚性压片8形成挤压，使刚性压片8对柔性软管7形成挤压，柔性软管7发生径向形变；使柔性软管7的挤压点处浆料的轴向流动速度迅速减小并转化为一定的径向速度，挤压点附近形成二次流动，使挤压点附近物料混合得到强化；随着凸轮6的转动，凸轮6离开刚性压片8，刚性压片8停止对柔性软管7挤压，柔性软管7恢复原状；管内物料轴向流动速度慢慢恢复；通过凸轮6旋转，凸轮6对刚性压片8形成周期性挤压，使柔性软管7产生周期性蠕动；根据浆液浓度调节伺服电机10的转速，使柔性软管7的蠕动频率处于合适范围；随着伺服电机10持续转动，硅胶软管内物质径向传递得到大大强化，混合效率的提高能够使木质纤维素底物与酶能够催化剂能够进行充分接触反应，另一方面，混合强化能够让产物在管内分布趋向于均匀，从而避免了其局部积累而造成的抑制作用。
步骤四、反应器运行一定时间，柔性软管7内的浆液经过充分的反应并被传输至柔性软管7的出口，通过产物收集器11对固液相产物进行收集以供后续利用。
在具体实施例中，可将反应器置于一个保温箱内部进行催化反应以保证纤维素酶的高催化活性，保温箱主体框架材质为有机玻璃板，有机玻璃板内表面贴有红外反射面，红外反射面将箱外的辐射反射回箱内，以使温度快速上升，同时起到减少热量损失的作用；并且在红外反射面上贴电热膜，加热后向箱体内散发热量，温度可控制并进行实时反馈，最高达到50℃；再在有机玻璃外边面贴有保温棉，减少热量散发，使保温箱内温度维持在一定的温度；保温箱两侧的上方装有风扇，以维持箱内温度均匀。
在具体实施例中，可将浆料与酶溶液通过三通阀3进入柔性软管前各连接一个小三通阀，通过小三通阀各连接一个备用的物料储存器，方便物料用尽时进行迅速切换以实现连续运行。
本发明的工作原理是：当木质纤维素浆液与酶溶液被泵送装置以一定的速度通过三通阀注入柔性软管后，两股流体在管内进行层流流动，只在管中间的扩散混合区域能够进行催化反应，此时该反应器具有生物肠道的推动作用，当开启伺服电机10时并设置电机转速，电机带动转轴5上的凸轮转动，以设置相邻凸轮与刚性压片8相接触时转轴5转动的角度相差180度为例，当一号凸轮对刚性压片8进行挤压时，由于单号凸轮与一号凸轮转动相位一致，因此与单号凸轮对应的刚性压片8同时挤压柔性软管，可致相应挤压点的管截面完全封闭，柔性软管内靠近挤压点处浆料的轴向流动速度迅速减小并转化为一定的径向速度，挤压点附近形成较强的二次流动，物料混合得到强化，当单号凸轮转动至慢慢松开刚性压片8时，管内物料轴向流动速度慢慢恢复，经过半个转动周期，双号凸轮同时挤压柔性软管至相应挤压点管截面完全封闭，此时挤压点附近的二次流动迅速增加，使得挤压点周围物料混合效率增加，随着电机轴继续转动，管内物质径向传递得到大大强化，一个转动周期内二次流动增强，管内物料混合效率显著增加。木质纤维素浆液与酶溶液能够进行充分接触反应，同时产物在管内分布趋向于均匀，避免了其局部积累从而抑制催化反应。因此对柔性软管不同部位进行依次挤压，可以模仿肠道的分节作用以强化柔性软管内流场扰动，强化柔性软管内物质混合。
此外由于木质纤维素颗粒不溶于水，木质纤维素浆料具有一定的沉降特性，持续挤压模拟分节运动所强化的流场扰动可以有效阻止木质纤维素颗粒与生成木质素含量较高的固体颗粒的沉降，从而避免了其带来的管道堵塞与催化效率的降低。随着泵送装置物料在管内连续地流动，木质纤维素持续被水解成可发酵单糖并生成木质素含量较高的颗粒，然后进入产物收集器，所获得地固液相产物可通过离心分离并进行后续转化利用。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.基于小肠仿生的连续水解反应器，包括柔性软管(7)，其特征在于：该柔性软管(7)具有一定的弹性模量，可在外力作用下进行径向的收缩与膨胀；所述柔性软管(7)的上表面均匀设置有若干个刚性压片(8)，所有刚性压片(8)的一端均套设在固定轴(9)上，所述固定轴(9)由固定支架(4)支撑；每个刚性压片(8)的上方均设置有凸轮(6)，所有凸轮(6)均套设在转轴(5)上，所述转轴(5)由伺服电机(10)带动旋转；当伺服电机(10)带动转轴(5)旋转时，转轴(5)旋转带动凸轮(6)旋转；当转轴(5)旋转到一定角度时，凸轮(6)与对应的刚性压片(8)相抵触，对对应的刚性压片(8)形成挤压，使刚性压片(8)对柔性软管(7)形成挤压，柔性软管(7)发生径向形变；当凸轮(6)离开刚性压片(8)后，刚性压片(8)停止对柔性软管(7)挤压，柔性软管(7)恢复原状；通过凸轮(6)旋转，凸轮(6)对刚性压片(8)形成周期性挤压，使柔性软管(7)产生周期性蠕动，以强化柔性软管(7)内流场扰动和物料混合。
2.根据权利要求1所述的基于小肠仿生的连续水解反应器，其特征在于：所述连续水解反应器还包括泵送装置(1)和二个物料储存装置(2a、2b)；二个物料储存装置(2a、2b)的输入端均与泵送装置(1)相连接，二个物料储存装置(2a、2b)的输出端分别通过三通阀(3)与柔性软管(7)的输入端连接，柔性软管(7)的输出端连接产物收集器(11)。
3.根据权利要求1或2所述的基于小肠仿生的连续水解反应器，其特征在于：当转轴(5)旋转时，相邻凸轮与对应的刚性压片相接触时所处的角度位于转轴(5)旋转平面内的不同的旋转角度。
4.根据权利要求1或2所述的基于小肠仿生的连续水解反应器，其特征在于：当转轴(5)旋转时，相邻凸轮与对应的刚性压片相接触时所处的角度在旋转平面内相差180度。
5.利用权利要求1至4中任一种基于小肠仿生的连续水解反应器进行浆液酶解的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、将纤维素酶溶液与一定浓度的木质纤维素浆液分别加入物料储存装置(2a、2b)；
步骤二、开启三通阀(3)，启动泵送装置，将物料储存装置中的纤维素酶溶液和木质纤维素浆液泵入柔性软管(7)；
步骤三、开启伺服电机(10)，伺服电机(10)带动转轴(5)旋转，转轴(5)旋转动带动凸轮(6)旋转；当转轴(5)旋转到一定角度时，凸轮(6)与对应的刚性压片(8)相接触，对对应的刚性压片(8)形成挤压，使刚性压片(8)对柔性软管(7)形成挤压，柔性软管(7)发生径向形变，使柔性软管(7)的挤压点处浆料的轴向流动速度迅速减小并转化为一定的径向速度，挤压点附近形成二次流动，使挤压点附近物料混合得到强化；随着凸轮(6)的转动，凸轮(6)离开刚性压片(8)，刚性压片(8)停止对柔性软管(7)挤压，柔性软管(7)恢复原状；通过凸轮(6)旋转，凸轮(6)对刚性压片(8)形成周期性挤压，使柔性软管(7)产生周期性蠕动；根据浆液浓度调节伺服电机(10)的转速，使柔性软管(7)的蠕动频率至合适范围；
步骤四、反应器运行一定时间，柔性软管(7)内的浆液经过充分的反应并被传输至柔性软管(7)的出口，通过产物收集器(11)对固液相产物进行收集以供后续利用。
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