專利名稱：一種生物質水熱預處理反應器的制作方法
技術領域：
本發明屬于生物化工領域，特別涉及一種生物質預處理反應器。
背景技術：
生物質是一種豐富、廉價的可再生資源。全世界各國研究者都在傾力研究的一條利用路線是將生物質通過酶解轉化成可發酵性糖，再進一步發酵成酒精。酶法水解起始于二十世紀六十年代。在較低溫度下用酶做催化劑，使纖維素能夠發生特異轉化，具有更高的生產潛力并減少酸水解中毒害物質的生成量。但是由于天然秸桿中纖維素被半纖維素和木質素形成的矩陣包圍以及纖維素自身的具有的晶體結構，使得酶制劑很難與纖維素接觸，直接影響接酶解效率以及后續的酒精發酵濃度。因此，要充分利用秸桿資源必須先對其進行有效的預處理。預處理的目的是改變天然纖維素的結構，破壞纖維素-木質素-半纖維素之間的連接，降低纖維素的結晶度，脫去木質素，增加原料的疏松性，暴露纖維素或者修飾原料中的小孔以使得酶分子能夠穿透纖維進而增加纖維素酶系與纖維素的有效接觸，從而提高酶效率。為此，研究者們探討了多種預處理方法，包括物理法，化學法，生物法以及綜合法。其中，水熱預處理以其環境友好，易于放大而備受研究者所青睞。但專門用于水熱預處理的反應器研制并未有太多的進展，需要進一步開發經濟高效的專用水熱預處理反應器。

發明內容
發明目的本發明的目的是為生物質水熱預處理提供一種專用反應器，使用此反應器可有效提高預處理效率。本發明的構思現有的一些水熱預處理反應器無攪拌，不利于反應過程中的傳質；也有的反應器采用單一的攪拌方式去處理不同的生物質，忽略了不同生物質間的結構差異性，使得預處理效果不夠理想。此外，大多數反應器升溫與降溫速度慢，使其達到預處理溫度的時間過長，導致體系中副反應發生的幾率大增。為了解決這些問題，發明了本反應器，具有三種攪拌方式可調，可以用于處理不同種類的生物質；同時采用雙冷卻與快速加熱系統，有效縮短達到預處理反應的時間以及反應結束后的冷卻時間，進而有效減少副反應的發生，增加了預處理的效率；本反應器操作靈活，釜體、釜蓋即可單獨提升與下降操作，也可以合體進行升降操作；此外，本反應器的加熱與冷卻系統位置可以互換，增強了系統的使用方便性。本發明技術方案本發明的基本構造如下此反應器由以下部件組成磁力攪拌系統⑴；防爆閥⑵；壓力表⑶；爸蓋⑷；法蘭(5);釜體(6);冷卻盤管(7);取樣管(8);下軸(9);攪拌槳(10);油桶(11);測溫管
(12);支座(13);立柱(14);升降固定套1(15);升降固定套2(16);升降螺桿(17);水槽
(18);軸套(19);電機支架(20);電機(21);升降螺桿(22);遙手把(23)組成。將物料添加進釜體(6)后，根據含水量調節的需要，加入一定量的自來水或蒸餾水調節物料的含水量，蓋上釜蓋(4)，擰緊法蘭(5)上螺栓。將溫度傳感器探頭插入測溫管
(12)。開啟磁力攪拌系統(I)，帶動攪拌槳(10)，進行充分攪拌使物料與水混合均勻。三種攪拌槳六彎葉開啟渦輪式、布魯馬金式以及三葉推進式可替換，根據所處理生物質不同種類進行選擇。通過遙手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2 (16)與升降螺桿(17)提升已蓋上蓋的反應釜整體至已升到一定溫度的油桶(11)上方后，再用遙手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2 (16)與升降螺桿(17)將反應釜整體緩慢置入油浴中。油桶上方開口使反應釜可以順利進入油浴，油浴溫度的選擇依據反應所用的溫度以及時間通過電加熱系統控制在150°C -600°C，反應釜中的溫度控制在150°C -500°C，精度則由控溫系統控制。依生物質種類不同，設定保溫時間為lmin-120min。反映結束后,通過遙手把(23),升降固定套I (15)，升降固定套2 (16)與升降螺桿(17)提升反應釜整體至一定高度后，通過旋轉軸的旋轉置換油桶(11)和水槽(18)的位置，使水槽恰好位于反應釜下方。再用遙手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2 (16)與升降螺桿(17)將反應釜整體緩慢放入水槽(18)中，同時將自來水與冷卻盤管(7)通過橡皮管連接以輔助反應釜快速降溫。待溫度 降到40°C以下時，將反應釜從水槽中取出。卸下螺栓，用遙手把(23)，升降固定套2 (16)與升降螺桿(17)提升釜蓋后，取出釜體￠)中的生物質，完成對生物質的預處理。本發明的生物質水熱預處理反應器可用于以下生物質的預處理玉米秸桿，水稻秸桿，小麥秸桿，豆秸，高粱，甜高粱，花生秧或殼等農作物秸桿；苜蓿，皇竹草，蘆葦等草本植物；木材碎片或鋸末，小樹枝等木本植物的各部分；芒草、柳枝稷、速生柳等能源植物的各部分。本發明具有以下特點和優勢I.結構簡單，操作方便，設置雙升降系統，即可將釜體或者釜蓋單獨升降，又可將釜體釜蓋整體升降；2.加熱油浴與冷卻水槽位置可以自由方便互換，增加了操作的靈活性；3.采用三種可調換式攪拌槳，供不同種類生物質研究，增強了反應器的適用性；4.升溫速度快，控溫精良，有效減少副反應發生；5.具有雙冷卻系統，可快速降溫。


圖I生物質水熱預處理反應器；
具體實施例方式下面通過實施例對本發明做進一步說明。實施例I如附圖1，將玉米秸桿加入反應釜(6)后，根據含水量調節的需要，加入一定量的自來水調節物料的含水量為92% (w/w) 0蓋上釜蓋(4)，擰緊法蘭(5)上螺栓后，將溫度傳感器探頭插入測溫管(12)。開啟磁力攪拌系統(I)，帶動攪拌槳(10)-六彎葉開啟渦輪式，攪拌速度控制在50rpm，使物料與水混合均勻。通過遙手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2(16)與升降螺桿(17)至已升至250°C的油浴(11)上方后，再用升降螺桿遙手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2 (16)與升降螺桿(17)將反應釜緩慢置入油浴中。待反應釜溫度上升至180°C時，開始計時，20分鐘后，反應結束。通過遙手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2 (16)與升降螺桿(17)提升反應釜至一定高度后，通過旋轉軸將水槽
(18)與油桶(11)位置互換，使反應釜使位于水槽(18)上方，再通過升遙手把(23)，升降固定套1(15)，升降固定套2(16)與升降螺桿(17)將反應釜緩慢放入水槽(18)中，同時將自來水與冷卻盤管(6)通過橡皮管接通以輔助反應釜快速降溫。20分鐘后，待溫度降到40°C時，通過遙手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2 (16)與升降螺桿(17)將反應釜從水槽中取出，打開釜蓋，取出物料，完成對物料的處理。將預處理的玉米秸桿進行固液分離，固體物料含水量為45%，按比例添加30IU纖維素酶/g纖維素后用于纖維素的酶解，酶解48h后，纖維素的酶解率為79%。相對應未經預處理的玉米秸桿，其酶解率只有23%。實施例2如附圖1，將玉米秸桿加入反應釜(6)后，根據含水量調節的需要，加入一定量的自來水調節物料的含水量為85% (w/w) 0蓋上釜蓋(4)，擰緊法蘭(5)上螺栓后，將溫度傳感器探頭插入測溫管(12)。開啟磁力攪拌系統(I)，帶動攪拌槳(10)-布魯馬金式，攪拌速度控制在SOrpm，使物料與水混合均勻。通過遙手把(23)，升降固定套1(15)，升降固定套2(16)與升降螺桿(17)至已升至300°C的油浴(11)上方后，再用升降螺桿遙手把(23)，升降固定套1(15)，升降固定套2(16)與升降螺桿(17)將反應釜緩慢置入油浴中。待反應釜溫度上升至190°C時，開始計時，15分鐘后，反應結束。通過遙手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2(16)與升降螺桿(17)提升反應釜至一定高度后，通過旋轉軸將水槽(18)與油桶(11)位置互換，使反應釜使位于水槽(18)上方，再通過升遙手把(23)，升降固定套1(15)，升降固定套2(16)與升降螺桿(17)將反應釜緩慢放入水槽(18)中，同時將自來水與冷卻盤管(6)通過橡皮管接通以輔助反應釜快速降溫。20分鐘后，待溫度降到40°C時，通過遙手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2 (16)與升降螺桿(17)將反應釜從水槽中取出，打開釜蓋，取出物料，完成對物料的處理。將預處理的水稻秸桿進行固液分離，固體物料含水量為40%，用作纖維素酶的產酶培養基進行綠色木霉固態發酵。處理后的原料和麥麩按照4 I進行配比，加入
I 2. 5 (w/w)的無機鹽溶液(硫酸銨6% (w/w),硫酸鎂3% (w/w),磷酸氫二鉀I. 5% (w/ w))，在121°C下進行滅菌30min后，冷卻，接種I : O. 5 (w/v)的綠色木霉種子液進行發酵，溫度為29°C，發酵6天后，酶活為59IU/g干曲，遠遠超過對照(未處理)13IU/g干曲。實施例3如附圖1，將玉米秸桿加入反應釜(6)后，根據含水量調節的需要，加入一定量的自來水調節物料的含水量為80% (w/w) 0蓋上釜蓋(4)，擰緊法蘭(5)上螺栓后，將溫度傳感器探頭插入測溫管(12)。開啟磁力攪拌系統(I)，帶動攪拌槳(10)-三葉推進式，攪拌速度控制在60rpm，使物料與水混合均勻。通過遙手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2(16)與升降螺桿(17)至已升至350°C的油浴(11)上方后，再用升降螺桿遙手把(23)，升降固定套1(15)，升降固定套2(16)與升降螺桿(17)將反應釜緩慢置入油浴中。待反應釜溫度上升至200°C時，開始計時，10分鐘后，反應結束。通過遙手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2(16)與升降螺桿(17)提升反應釜至一定高度后，通過旋轉軸將水槽(18)與油桶(11)位置互換，使反應釜使位于水槽(18)上方，再通過升遙手把(23)，升降固定套1(15)，升降固定套2(16)與升降螺桿(17)將反應釜緩慢放入水槽(18)中，同時將自來水與冷卻盤管(6)通過橡皮管接通以輔助反應釜快速降溫。20分鐘后，待溫度降到40°C時，通過遙手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2 (16)與升降螺桿(17)將反應釜從水槽中取出，打開釜蓋，取出物料，完成對物料的處理。將預處理的水稻秸桿進行固液分離，固體物料含水量為42%。此原料用于沼氣發酵，相對于不予處理的原料，產氣高峰提 高4天，提前9天完成產氣過程。
權利要求
1.一種生物質水熱預處理反應器，其特征在于該反應器由以下部件組成磁力攪拌系統⑴；防爆閥⑵；壓力表⑶；爸蓋⑷；法蘭(5);爸體(6);冷卻盤管(7);取樣管(8);下軸(9);攪拌槳(10);油桶(11);測溫管(12);支座(13);立柱(14);升降固定套1(15);升降固定套2(16);升降螺桿(17);水槽(18);軸套(19);電機支架(20);電機(21);升降螺桿(22);遙手把(23)組成； 將物料添加進釜體(6)后，根據含水量調節的需要，加入一定量的自來水或蒸餾水調節物料的含水量，蓋上釜蓋(4)，擰緊法蘭(5)上螺栓，將溫度傳感器探頭插入測溫管(12)，開啟磁力攪拌系統(I)，帶動攪拌槳(10)，進行充分攪拌使物料與水混合均勻，三種攪拌槳六彎葉開啟渦輪式、布魯馬金式以及三葉推進式可替換，根據所處理生物質不同種類進行選擇，通過遙手把(23)，升降固定套1(15)，升降固定套2(16)與升降螺桿(17)提升已蓋上蓋的反應釜整體至已升到一定溫度的油桶(11)上方后，再用遙手把(23)，升降固定套1(15)，升降固定套2(16)與升降螺桿(17)將反應釜整體緩慢置入油浴中，油桶上方開口使反應釜可以順利進入油浴，反應結束后，通過遙手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2(16)與升降螺桿(17)提升反應釜整體至一定高度后，通過旋轉軸的旋轉置換油桶(11)和水槽(18)的位置，使水槽恰好位于反應釜下方，再用遙手把(23)，升降固定套1(15)，升降固定套2(16)與升降螺桿(17)將反應釜整體緩慢放入水槽(18)中，同時將自來水與冷卻盤管(7)通過橡皮管連接以輔助反應釜快速降溫，待溫度降到40°C以下時，將反應釜從水槽中取出，卸下螺栓，用遙手把(23)，升降固定套2 (16)與升降螺桿(17)提升釜蓋后，取出釜體出)中的生物質，完成對生物質的預處理。
2.根據權利要求I所述的生物質水熱預處理反應器，其特征是三種攪拌槳-六彎葉開啟渦輪式、布魯馬金式以及三葉推進式可替換，根據所處理生物質不同種類進行選擇，增強了反應器的適用性與處理效果。
3.根據權利要求I所述的生物質水熱預處理反應器，其特征是采用雙冷系統-外部水槽與內部冷卻盤管相結合，可快速降溫。
4.根據權利要求I所述的生物質水熱預處理反應器，其特征是加熱油桶與冷卻水槽位置可互換，增加了反應器的操作靈活度。
5.根據權利要求I所述的生物質水熱預處理反應器，其特征在于油浴溫度為1500C _600°C，預處理溫度為150°C _500°C，預處理時間為lmin_120min。
6.根據權利要求I所述的生物質水熱預處理反應器，其特征在于所述的預處理反應器用于以下生物質的預處理玉米秸桿，水稻秸桿，小麥秸桿，豆秸，高粱，甜高粱，花生秧或殼等農作物秸桿；苜蓿，皇竹草，蘆葦等草本植物；木材碎片或鋸末，小樹枝等木本植物的各部分；芒草、柳枝稷、速生柳等能源植物的各部分。
全文摘要
本發明公開了一種生物質水熱預處理反應器，其結構包括加熱與溫度控制系統，水熱預處理系統，磁力攪拌系統，冷卻系統，反應釜升降控制系統。通過本發明反應器，可以實現對生物質的高效水熱預處理。本發明反應器，具有三種攪拌方式可調，用于處理不同種類的生物質，增強了其適用性與處理效果；同時采用雙冷卻與快速加熱系統，有效縮短達到預處理反應的時間以及反應結束后的冷卻時間，進而有效減少副反應的發生，增加了預處理的效率；本反應器操作靈活，釜體、釜蓋既可單獨提升與下降操作，也可以合體進行升降操作；此外，本反應器的加熱與冷卻系統位置可以互換，增強了系統的安全性與操作方便性。
文檔編號C12M1/38GK102952744SQ20111025436
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月31日 優先權日2011年8月31日
發明者徐建, 陳洪章 申請人:中國科學院過程工程研究所