专利名称：生物质连续稀酸催化水解制取单糖的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种生物质水解制取单糖的方法以及实现这个方法的装置。
背景技术：
能源和环境问题是实现可持续发展所必须解决的问题。从长远看液体燃料短缺将是困扰人类发展的大问题。在此背景下，生物质作为唯一可转化为液体燃料的可再生资源，正日益受到重视。其中燃料乙醇是已得到普遍认可的生物质液体燃料，在能源安全、生态环境、农村经济、技术进步等国家重大战略需求方面将发挥极其重要的作用。
然而现有的燃料乙醇工业生产都采用糖类或粮食为原料，用糖类或粮食生产燃料乙醇工艺简单，但是其产量的增加有一定的限度。原料限制、能耗大、成本高等问题始终是阻碍该产业发展的三大主要因素。对于我们中国粮食不富裕的国家来说，能用于生产燃料究竟的粮食更是有限，这就导致粮食酒精身长成本难以显著降低，国家必须提高比例的财政补贴才能保证生产商的经济利益。即便如此，当粮食减产引起两家大幅上涨时，国家的财政补贴也可能会不足以弥补企业的亏损。利用非粮食原料生产乙醇时发展我国燃料乙醇工业的必然选择。含木质纤维素的生物质废弃物是生产燃料酒精的另一原料来源。它包括农作物秸秆、林业加工废料、甘蔗渣及城市垃圾中所含的废弃生物质等。我国有发展生物质废弃物制乙醇的有利条件。中国的生物质资源相当丰富，每年产生的秸秆就有7.2亿吨。还有大量不易耕种的农田，其中可作为能源职务种植地约有1亿公顷，可人工造林地有4667万亩，按20％利用计算，每年可年产10亿吨生物质。如果用于生产燃料乙醇的话，每年可产乙醇1亿吨以上。上无知液体燃料可以灵活的方式进行规模化生产，非常适合我国的地域分散的能源结构，从能源安全角度看也是十分有利的。
在利用木质纤维素原料生产乙醇的工艺中，必须采用水解工艺将纤维素和半纤维素水解为单糖，然后利用葡萄糖等单糖经过糖酵解过程生产乙醇。
目前工业中除要采用的是渗滤式水解反应器。该反应器类似固定床，固体生物质原料充填在反应器中，酸液连续过。前苏联的水解工艺主要采用这种形式。它的主要优点有1生成的糖可及时排出，减少了糖的分解。
2可在较低的液固比下操作，提高了所得糖的浓度。
3液体通过反应器内的过滤管流出，液固分离自然完成，不必用其他液固分离设备。
4反应器容易控制。
但是，上述的技术为间歇式生产方式，水解反应器占地面积大，需要大量的劳动力。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物质连续稀酸催化水解制取单糖的方法及其装置，以克服现有技术存在的上述缺陷。
本发明提供的适应生物质连续稀酸催化水解的反应装置至少包括
原料槽；与原料槽通过管线相连接的设有螺旋进料杆的卧式反应器；设置在密封装置一侧且与螺旋进料杆相连接的联轴器；与联轴器相连接的动力设备；设置在卧式反应器上的酸溶液入口；与卧式反应器的产物出口通过管线相连接的过滤槽；采用上述装置，实现生物质连续稀酸催化水解制取单糖的方法，包括如下步骤将固体生物质物料加入原料槽，然后开启螺旋进料杆，将固体生物质物料送入卧式反应器，同时将稀酸溶液打入反应器中，固体物料与稀酸溶液混合，在螺旋进料杆的推动下，固体物料与酸液不断的前进，在固体物料与稀酸溶液在前进过程中，发生反应，反应温度为150～230℃，反应后的残渣由产物出口通过管线流入过滤槽，进行固液分离，收集水解液，即为单糖溶液；固体生物质物料在卧式反应器中的停留时间为3～10分钟；基于固体生物质物料的重量，固体生物质物料与稀酸溶液的液固比为5～15L/kg；所说的固体生物质物料包括但不限于农作物秸秆、木屑、林业加工废料、蔗渣及城市垃圾中所含的废弃生物质等，优选采用粒径在80目-40目之间的固体生物质物料；优选的固体生物质物料选自木屑、农作物秸秆或蔗渣；所说的稀酸选自硫酸、盐酸、磷酸中的一种，稀酸溶液的体积浓度为0.5～2％。
本发明的方法和装置，为一种连续式生产方式，水解反应器占地面积小，劳动强度低，在优化工艺条件下半纤维素的转化率可达到91.45％，纤维素的转化率可达到79.23％，实际糖收率可达到75.86％，便于工业化实施。
图1为生物质连续稀酸催化水解反应装置示意图。
具体实施例方式
参见图1，本发明提供的适应生物质连续稀酸催化水解的反应装置包括原料槽；与原料槽1通过管线相连接的设有螺旋进料杆2的卧式反应器3；设置在螺旋进料杆2一端的用于螺旋进料杆2与卧式反应器3之间密封的密封装置4；设置在密封装置4一侧且与螺旋进料杆2相连接的联轴器5；与联轴器5相连接的动力设备6，如电机；设置在卧式反应器3上的酸溶液入口9；与卧式反应器3的产物出口7通过管线相连接的过滤槽8。
螺旋进料杆的第一个螺距为4～8cm，压缩比为1∶2～4；压缩比，即后一个螺距的容积∶前一个螺距的容积＝1∶2～4。
实施例1原料粒径在80目-40目之间的木屑其各组分含量如表1所示(重量百分比)
装置结构如图1，结构参数如下原料槽高0.5m，直径为0.25m；反应器内径为6.5cm，总长度为87cm；螺旋进料杆直径为4cm，第1个螺距为6cm，总长度为122cm，压缩比为1∶2.5；过滤槽高0.5m，直径0.25m。
将木屑加入原料槽，然后开启螺旋进料杆，将木屑送入卧式反应器，同时将体积浓度为1％的硫酸溶液打入反应器中，木屑与硫酸溶液，在螺旋进料杆的推动下，不断的前进，并发生反应，反应温度为180℃，反应后的残渣由产物出口通过管线流入过滤槽，进行固液分离，收集水解液，即为单糖溶液；木屑在卧式反应器中的停留时间为5分钟；基木屑的重量，木屑与硫酸溶液的液固比为5L/kg；通过分析可得半纤维素的转化率为63.29％；纤维素的转化率为38.53％；实际糖收率为38.81％。
实施例2采用实例1中所述的反应装置和反应条件，以农作物秸秆为原料，并将反应温度变为210℃，农作物秸秆在卧式反应器中的停留时间为10分钟；农作物秸秆与硫酸溶液的液固比为15L/kg；其余反应条件不变，反应结束后通过分析可得半纤维素的转化率为91.45％；纤维素的转化率为79.23％；实际糖收率为75.86％。
实施例3采用实例1中所述的反应装置和反应条件，以蔗渣为原料，将停留时间变为10分钟，其余反应条件不变的情况下。反应结束后通过分析可得半纤维素的转化率为86.76％；纤维素的转化率为69.08％；实际糖收率为64.56％。
实施例4采用实例1中所述的反应装置和反应条件，将硫酸的浓度变为2％，其余反应条件不变的情况下。反应结束后通过分析可得半纤维素的转化率为89.73％；纤维素的转化率为75.62％；实际糖收率为63.96％。
权利要求
1.生物质连续稀酸催化水解制取单糖的方法，其特征在于，包括如下步骤将固体生物质物料送入设有螺旋进料杆的卧式反应器，同时将稀酸溶液打入反应器中，固体物料与稀酸溶液，在螺旋进料杆的推动下前进，发生反应，反应温度为150～230℃，物料后的残渣由产物出口通过管线流入过滤槽，进行固液分离，收集水解液，即为单糖溶液。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，固体生物质物料在卧式反应器中的停留时间为3～10分钟。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于固体生物质物料的重量，固体生物质物料与稀酸溶液的液固比为5～15L/kg。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所说的固体生物质物料包括但不限于农作物秸秆、木屑、林业加工废料、甘蔗渣及城市垃圾中所含的废弃生物质。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，固体生物质物料采用粒径在80目-40目之间的自木屑、农作物秸秆或蔗渣。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所说的稀酸选自硫酸、盐酸、磷酸中的一种。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，稀酸溶液的体积浓度为0.5～2％。
8.实现权利要求1～7任一项所述的方法的装置，包括原料槽(1)；与原料槽(1)通过管线相连接的设有螺旋进料杆(2)的卧式反应器(3)；设置在螺旋进料杆(2)一端的用于螺旋进料杆(2)与卧式反应器(3)之间密封的密封装置(4)；设置在密封装置(4)一侧且与螺旋进料杆(2)相连接的联轴器(5)；与联轴器(5)相连接的动力设备(6)；设置在卧式反应器(3)上的酸溶液入口(9)；与卧式反应器(3)的产物出口(7)通过管线相连接的过滤槽(8)。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，螺旋进料杆的第一个螺距为4～8cm。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，压缩比为2～4∶1。
全文摘要
本发明公开了一种生物质连续稀酸催化水解制取单糖的方法及其装置。包括如下步骤将固体生物质物料送入设有螺旋进料杆的卧式反应器，同时将稀酸溶液打入反应器中，固体物料与稀酸溶液，在螺旋进料杆的推动下前进，发生反应，反应温度为150～230℃，反应后的残渣由产物出口通过管线流入过滤槽，进行固液分离，收集水解液，即为单糖溶液。本发明的方法和装置，为一种连续式生产方式，水解反应器占地面积小，劳动强度低，在优化工艺条件下半纤维素的转化率可达到91.45％，纤维素的转化率可达到79.23％，实际糖收率可达到75.86％，便于工业化实施。
文档编号C07H3/00GK1927874SQ20061011658
公开日2007年3月14日 申请日期2006年9月27日 优先权日2006年9月27日
发明者亓伟, 张素平, 颜涌捷, 任铮伟, 李庭琛 申请人:华东理工大学