一种木质生物质碱氧爆预处理装置及预处理方法

技术领域

本发明涉及生物质材料技术领域，特别涉及一种木质生物质碱氧爆预处理装置及预处理方法。

背景技术

木质生物质是自然界中最丰富的含碳有机大分子功能体，在生物基材料、化学品、高附加值燃料等领域展现出诱人的前景。但是木质生物质材料结构非常复杂，其主要组分是纤维素、半纤维素和木质素，纤维素组成微细纤维构成纤维细胞壁的网状骨架，半纤维素和木素则填充在纤维之间和微细纤维之间，起“粘合”和“填充”作用。在植物生长过程中，构成植物细胞壁的微细纤维(纤维素)是被木素、半纤维素包裹着的，且其本身也存在着高度结晶性和木质化，阻碍了酶与纤维素的接触，使其难以直接被生物降解，导致酶解效率非常低，增加经济成本。因此，对于大多数木质纤维素材料而言，必须进行适当的预处理，以破坏植物细胞壁的结构和组成分布，打开生物质抗降解屏障，暴露结晶纤维素内核，提高酶的可及度。

国内外的相关研究和生产实践表明，爆破预处理是一种比较经济可行的木质纤维预处理技术，目前报道的有蒸汽爆破法、酸爆破法和氨爆破法等几种方式。蒸汽爆破法，主要是利用高压蒸汽，在处理过程中碳水化合物降解会产生有机酸，进而加快反应；酸爆破法和蒸汽爆破法类似，主要是通过预酸化，来加速降解；这两种方法，得到的底物都呈酸性，不仅对设备腐蚀严重，必须要进行碱中和及洗涤，产生大量废水和固体废物；而且对半纤维素破坏严重，同时木质素缩合后富集在纤维素表面，导致酶的无效吸附并阻碍了酶对纤维素的可及度，影响后续酶解发酵过程。氨爆破法是利用液态氨来处理原料，是蒸汽爆破法与碱处理法的结合，能有效去除木质素，抑制物产生量小，但氨属于有毒类介质，且成本高、气味大，其使用安全性、氨的回收和环境污染等方面仍面临巨大挑战。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种木质生物质碱氧爆预处理装置，减少木质素缩合，避免三废产生，增强木质生物质的预处理效果。

本发明的另一目的在于，提供一种上述木质生物质碱氧爆预处理装置的预处理方法。

本发明的技术方案为：一种木质生物质碱氧爆预处理装置，包括均质化处理设备、预热管、爆破反应器和喷放锅；

所述均质化处理设备的出口通过第一管道与预热管的入口连接，第一管道上设有第一阀门，预热管的出口通过第二管道与爆破反应器的入口连接，第二管道上设有第二阀门，爆破反应器上设设有第三阀门和第四阀门，第三阀门用以向爆破反应器通入蒸汽，第四阀门用以向爆破反应器通入氧气，爆破反应器内设有螺旋轴，爆破反应器的出口通过第三管道与喷放锅连接，第三管道上设有第五阀门，喷放锅的顶部设有旋风分离器，喷放锅通过第四管道与预热管连接，预热管上设有第六阀门，第六阀门用以排出剩余气体。

进一步，所述均质化处理设备为搓丝机、挤压撕裂机和螺旋挤压机中的至少一种。

进一步，所述爆破反应器为夹套式结构或直通式结构。

本发明的另一技术方案为：上述木质生物质碱氧爆预处理装置的预处理方法，包括以下步骤：

步骤S1：关闭所有阀门，启动均质化处理设备，在入口处加入木质生物质，降低物料外观尺寸并实现混料，在出口处喷洒碱性药剂；

步骤S2：打开第一阀门，将混有药剂的物料输送进预热管进行预热，然后关闭第一阀门，打开第二阀门，使预热管内的物料进入爆破反应器，关闭第二阀门；

步骤S3：打开第三阀门通入蒸汽，加热物料至反应温度，关闭第三阀门；

步骤S4：打开第四阀门通入氧气，加压至反应压力，关闭第四阀门，进行碱氧爆反应；

步骤S5：打开第五阀门，进行快速释压爆破，预处理的物料经旋风分离器进入喷放锅，废气通过第四管道输送至预热管内，废气的余热对物料进行预热，剩余的废气通过第六阀门排出。

进一步，所述步骤S1中碱性药剂的质量比为1～10％。

进一步，所述碱氧爆反应的反应温度为120℃～180℃。

进一步，所述碱氧爆反应的反应压力为0.8MPa～2.0MPa。

进一步，所述碱氧爆反应的反应时间为3～30min。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本发明的木质生物质碱氧爆预处理装置，通过在爆破反应器前增加均质化处理设备，通过均质化处理减小原料外观尺寸和混合均匀性；同时，在碱性爆破中引入氧气，替代有毒且存在安全风险的氨，利用氧气的脱木素作用，进一步提升爆破预处理效果，降低爆破处理底物中的残留木素量，减少抑制物的产生。

附图说明

图1为本发明的木质生物质碱氧爆预处理装置的结构示意图。

均质化处理设备1、预热管2、爆破反应器3、喷放锅4、第一阀门5、第二阀门6、第三阀门7、第四阀门8、第五阀门9、第六阀门10。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种木质生物质碱氧爆预处理装置，包括均质化处理设备1、预热管2、爆破反应器3和喷放锅4。

如图1所示，均质化处理设备的出口通过第一管道与预热管的入口连接，均质化处理设备为搓丝机、挤压撕裂机和螺旋挤压机中的至少一种，第一管道上设有第一阀门5，预热管的出口通过第二管道与爆破反应器的入口连接，第二管道上设有第二阀门6，爆破反应器上设设有第三阀门7和第四阀门8，第三阀门用以向爆破反应器通入蒸汽，第四阀门用以向爆破反应器通入氧气，爆破反应器为夹套式结构或直通式结构，爆破反应器内设有螺旋轴，爆破反应器的出口通过第三管道与喷放锅连接，第三管道上设有第五阀门9，喷放锅的顶部设有旋风分离器，喷放锅通过第四管道与预热管连接，预热管上设有第六阀门10，第六阀门用以排出剩余气体。

如图1所示，本实施例中，将初步粉碎、除杂的生物质原料加入搓丝机中进行均质化处理，处理后物料的颗粒尺度<1mm，在搓丝机出口处喷洒NaOH溶液，添加量为1％；打开第一阀门使物料进入预热管，然后关闭第一阀门，通入少量蒸汽，加热至80℃；打开第二阀门，加热后的物料进入爆破反应器，然后关闭第二阀门。爆破反应器采用夹套式结构，先打开第四阀门在内腔中通入氧气直至压力达到2.0MPa，然后再打开第三阀门在夹套中通入蒸汽升温至150℃，反应3min后，打开第五阀门快速施压喷放，经旋风分离器分离后进入喷放锅，分离的气体通过第四管道送回预热管，进行余热再利用，所得物料得率为85％，糖损失率为6％。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，将初步粉碎、除杂的生物质原料加入挤压撕裂机中进行均质化处理，处理后物料的颗粒尺度<1mm，在挤压撕裂机出口处喷洒MgO粉末，添加量为10％；打开第一阀门使物料进入预热管，然后关闭第一阀门，通入少量蒸汽，加热至90℃；打开第二阀门，加热后的物料进入爆破反应器，然后关闭第二阀门。爆破反应器采用夹套式结构，先打开第四阀门在内腔中通入氧气直至压力达到1.5MPa，然后再打开第三阀门在夹套中通入蒸汽升温至180℃，反应30min后，打开第五阀门快速施压喷放，经旋风分离器分离后进入喷放锅，分离的气体通过第四管道送回预热管，进行余热再利用，所得物料得率为92％，糖损失率为2％。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于，将初步粉碎、除杂的生物质原料加入螺旋挤压机中进行均质化处理，处理后物料的颗粒尺度<1mm，在螺旋挤压机出口处喷洒Ca(OH)2溶液，添加量为5％；打开第一阀门使物料进入预热管，然后关闭第一阀门，通入少量蒸汽，加热至80℃；打开第二阀门，加热后的物料进入爆破反应器，然后关闭第二阀门。爆破反应器采用夹套式结构，先打开第四阀门在内腔中通入氧气直至压力达到1.2MPa，然后再打开第三阀门在夹套中通入蒸汽升温至160℃，反应3min后，打开第五阀门快速施压喷放，经旋风分离器分离后进入喷放锅，分离的气体通过第四管道送回预热管，进行余热再利用，所得物料得率为88％，糖损失率为4％。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于，将初步粉碎、除杂的生物质原料加入搓丝机中进行均质化处理，处理后物料的颗粒尺度<1mm，在搓丝机出口处喷洒MgO-H

实施例5

本实施例与实施例1的区别在于，将初步粉碎、除杂的生物质原料加入搓丝机中进行均质化处理，处理后物料的颗粒尺度<1mm，在搓丝机出口处喷洒NaOH溶液，添加量为1％；打开第一阀门使物料进入预热管，然后关闭第一阀门，通入少量蒸汽，加热至80℃；打开第二阀门，加热后的物料进入爆破反应器，然后关闭第二阀门。爆破反应器采用夹套式结构，先打开第四阀门在内腔中通入氧气直至压力达到1.0MPa，然后再打开第三阀门在夹套中通入蒸汽升温至140℃，反应8min后，打开第五阀门快速施压喷放，经旋风分离器分离后进入喷放锅，分离的气体通过第四管道送回预热管，进行余热再利用，所得物料得率为86％，糖损失率为5％。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。