专利名称：一种生物质水热预处理反应器的制作方法
技术领域：
本发明属于生物化工领域，特别涉及一种生物质预处理反应器。
背景技术：
生物质是一种丰富、廉价的可再生资源。全世界各国研究者都在倾力研究的一条利用路线是将生物质通过酶解转化成可发酵性糖，再进一步发酵成酒精。酶法水解起始于二十世纪六十年代。在较低温度下用酶做催化剂，使纤维素能够发生特异转化，具有更高的生产潜力并减少酸水解中毒害物质的生成量。但是由于天然秸杆中纤维素被半纤维素和木质素形成的矩阵包围以及纤维素自身的具有的晶体结构，使得酶制剂很难与纤维素接触，直接影响接酶解效率以及后续的酒精发酵浓度。因此，要充分利用秸杆资源必须先对其进行有效的预处理。预处理的目的是改变天然纤维素的结构，破坏纤维素-木质素-半纤维素之间的连接，降低纤维素的结晶度，脱去木质素，增加原料的疏松性，暴露纤维素或者修饰原料中的小孔以使得酶分子能够穿透纤维进而增加纤维素酶系与纤维素的有效接触，从而提高酶效率。为此，研究者们探讨了多种预处理方法，包括物理法，化学法，生物法以及综合法。其中，水热预处理以其环境友好，易于放大而备受研究者所青睐。但专门用于水热预处理的反应器研制并未有太多的进展，需要进一步开发经济高效的专用水热预处理反应器。
发明内容
发明目的本发明的目的是为生物质水热预处理提供一种专用反应器，使用此反应器可有效提高预处理效率。本发明的构思现有的一些水热预处理反应器无搅拌，不利于反应过程中的传质；也有的反应器采用单一的搅拌方式去处理不同的生物质，忽略了不同生物质间的结构差异性，使得预处理效果不够理想。此外，大多数反应器升温与降温速度慢，使其达到预处理温度的时间过长，导致体系中副反应发生的几率大增。为了解决这些问题，发明了本反应器，具有三种搅拌方式可调，可以用于处理不同种类的生物质；同时采用双冷却与快速加热系统，有效缩短达到预处理反应的时间以及反应结束后的冷却时间，进而有效减少副反应的发生，增加了预处理的效率；本反应器操作灵活，釜体、釜盖即可单独提升与下降操作，也可以合体进行升降操作；此外，本反应器的加热与冷却系统位置可以互换，增强了系统的使用方便性。本发明技术方案本发明的基本构造如下此反应器由以下部件组成磁力搅拌系统⑴；防爆阀⑵；压力表⑶；爸盖⑷；法兰(5);釜体(6);冷却盘管(7);取样管(8);下轴(9);搅拌桨(10);油桶(11);测温管
(12);支座(13);立柱(14);升降固定套1(15);升降固定套2(16);升降螺杆(17);水槽
(18);轴套(19);电机支架(20);电机(21);升降螺杆(22);遥手把(23)组成。将物料添加进釜体(6)后，根据含水量调节的需要，加入一定量的自来水或蒸馏水调节物料的含水量，盖上釜盖(4)，拧紧法兰(5)上螺栓。将温度传感器探头插入测温管
(12)。开启磁力搅拌系统(I)，带动搅拌桨(10)，进行充分搅拌使物料与水混合均匀。三种搅拌桨六弯叶开启涡轮式、布鲁马金式以及三叶推进式可替换，根据所处理生物质不同种类进行选择。通过遥手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2 (16)与升降螺杆(17)提升已盖上盖的反应釜整体至已升到一定温度的油桶(11)上方后，再用遥手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2 (16)与升降螺杆(17)将反应釜整体缓慢置入油浴中。油桶上方开口使反应釜可以顺利进入油浴，油浴温度的选择依据反应所用的温度以及时间通过电加热系统控制在150°C -600°C，反应釜中的温度控制在150°C -500°C，精度则由控温系统控制。依生物质种类不同，设定保温时间为lmin-120min。反映结束后,通过遥手把(23),升降固定套I (15)，升降固定套2 (16)与升降螺杆(17)提升反应釜整体至一定高度后，通过旋转轴的旋转置换油桶(11)和水槽(18)的位置，使水槽恰好位于反应釜下方。再用遥手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2 (16)与升降螺杆(17)将反应釜整体缓慢放入水槽(18)中，同时将自来水与冷却盘管(7)通过橡皮管连接以辅助反应釜快速降温。待温度 降到40°C以下时，将反应釜从水槽中取出。卸下螺栓，用遥手把(23)，升降固定套2 (16)与升降螺杆(17)提升釜盖后，取出釜体￠)中的生物质，完成对生物质的预处理。本发明的生物质水热预处理反应器可用于以下生物质的预处理玉米秸杆，水稻秸杆，小麦秸杆，豆秸，高粱，甜高粱，花生秧或壳等农作物秸杆；苜蓿，皇竹草，芦苇等草本植物；木材碎片或锯末，小树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。本发明具有以下特点和优势I.结构简单，操作方便，设置双升降系统，即可将釜体或者釜盖单独升降，又可将釜体釜盖整体升降；2.加热油浴与冷却水槽位置可以自由方便互换，增加了操作的灵活性；3.采用三种可调换式搅拌桨，供不同种类生物质研究，增强了反应器的适用性；4.升温速度快，控温精良，有效减少副反应发生；5.具有双冷却系统，可快速降温。
图I生物质水热预处理反应器；
具体实施例方式下面通过实施例对本发明做进一步说明。实施例I如附图1，将玉米秸杆加入反应釜(6)后，根据含水量调节的需要，加入一定量的自来水调节物料的含水量为92% (w/w) 0盖上釜盖(4)，拧紧法兰(5)上螺栓后，将温度传感器探头插入测温管(12)。开启磁力搅拌系统(I)，带动搅拌桨(10)-六弯叶开启涡轮式，搅拌速度控制在50rpm，使物料与水混合均匀。通过遥手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2(16)与升降螺杆(17)至已升至250°C的油浴(11)上方后，再用升降螺杆遥手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2 (16)与升降螺杆(17)将反应釜缓慢置入油浴中。待反应釜温度上升至180°C时，开始计时，20分钟后，反应结束。通过遥手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2 (16)与升降螺杆(17)提升反应釜至一定高度后，通过旋转轴将水槽
(18)与油桶(11)位置互换，使反应釜使位于水槽(18)上方，再通过升遥手把(23)，升降固定套1(15)，升降固定套2(16)与升降螺杆(17)将反应釜缓慢放入水槽(18)中，同时将自来水与冷却盘管(6)通过橡皮管接通以辅助反应釜快速降温。20分钟后，待温度降到40°C时，通过遥手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2 (16)与升降螺杆(17)将反应釜从水槽中取出，打开釜盖，取出物料，完成对物料的处理。将预处理的玉米秸杆进行固液分离，固体物料含水量为45%，按比例添加30IU纤维素酶/g纤维素后用于纤维素的酶解，酶解48h后，纤维素的酶解率为79%。相对应未经预处理的玉米秸杆，其酶解率只有23%。实施例2如附图1，将玉米秸杆加入反应釜(6)后，根据含水量调节的需要，加入一定量的自来水调节物料的含水量为85% (w/w) 0盖上釜盖(4)，拧紧法兰(5)上螺栓后，将温度传感器探头插入测温管(12)。开启磁力搅拌系统(I)，带动搅拌桨(10)-布鲁马金式，搅拌速度控制在SOrpm，使物料与水混合均匀。通过遥手把(23)，升降固定套1(15)，升降固定套2(16)与升降螺杆(17)至已升至300°C的油浴(11)上方后，再用升降螺杆遥手把(23)，升降固定套1(15)，升降固定套2(16)与升降螺杆(17)将反应釜缓慢置入油浴中。待反应釜温度上升至190°C时，开始计时，15分钟后，反应结束。通过遥手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2(16)与升降螺杆(17)提升反应釜至一定高度后，通过旋转轴将水槽(18)与油桶(11)位置互换，使反应釜使位于水槽(18)上方，再通过升遥手把(23)，升降固定套1(15)，升降固定套2(16)与升降螺杆(17)将反应釜缓慢放入水槽(18)中，同时将自来水与冷却盘管(6)通过橡皮管接通以辅助反应釜快速降温。20分钟后，待温度降到40°C时，通过遥手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2 (16)与升降螺杆(17)将反应釜从水槽中取出，打开釜盖，取出物料，完成对物料的处理。将预处理的水稻秸杆进行固液分离，固体物料含水量为40%，用作纤维素酶的产酶培养基进行绿色木霉固态发酵。处理后的原料和麦麸按照4 I进行配比，加入
I 2. 5 (w/w)的无机盐溶液(硫酸铵6% (w/w),硫酸镁3% (w/w),磷酸氢二钾I. 5% (w/ w))，在121°C下进行灭菌30min后，冷却，接种I : O. 5 (w/v)的绿色木霉种子液进行发酵，温度为29°C，发酵6天后，酶活为59IU/g干曲，远远超过对照(未处理)13IU/g干曲。实施例3如附图1，将玉米秸杆加入反应釜(6)后，根据含水量调节的需要，加入一定量的自来水调节物料的含水量为80% (w/w) 0盖上釜盖(4)，拧紧法兰(5)上螺栓后，将温度传感器探头插入测温管(12)。开启磁力搅拌系统(I)，带动搅拌桨(10)-三叶推进式，搅拌速度控制在60rpm，使物料与水混合均匀。通过遥手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2(16)与升降螺杆(17)至已升至350°C的油浴(11)上方后，再用升降螺杆遥手把(23)，升降固定套1(15)，升降固定套2(16)与升降螺杆(17)将反应釜缓慢置入油浴中。待反应釜温度上升至200°C时，开始计时，10分钟后，反应结束。通过遥手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2(16)与升降螺杆(17)提升反应釜至一定高度后，通过旋转轴将水槽(18)与油桶(11)位置互换，使反应釜使位于水槽(18)上方，再通过升遥手把(23)，升降固定套1(15)，升降固定套2(16)与升降螺杆(17)将反应釜缓慢放入水槽(18)中，同时将自来水与冷却盘管(6)通过橡皮管接通以辅助反应釜快速降温。20分钟后，待温度降到40°C时，通过遥手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2 (16)与升降螺杆(17)将反应釜从水槽中取出，打开釜盖，取出物料，完成对物料的处理。将预处理的水稻秸杆进行固液分离，固体物料含水量为42%。此原料用于沼气发酵，相对于不予处理的原料，产气高峰提 高4天，提前9天完成产气过程。
权利要求
1.一种生物质水热预处理反应器，其特征在于该反应器由以下部件组成磁力搅拌系统⑴；防爆阀⑵；压力表⑶；爸盖⑷；法兰(5);爸体(6);冷却盘管(7);取样管(8);下轴(9);搅拌桨(10);油桶(11);测温管(12);支座(13);立柱(14);升降固定套1(15);升降固定套2(16);升降螺杆(17);水槽(18);轴套(19);电机支架(20);电机(21);升降螺杆(22);遥手把(23)组成； 将物料添加进釜体(6)后，根据含水量调节的需要，加入一定量的自来水或蒸馏水调节物料的含水量，盖上釜盖(4)，拧紧法兰(5)上螺栓，将温度传感器探头插入测温管(12)，开启磁力搅拌系统(I)，带动搅拌桨(10)，进行充分搅拌使物料与水混合均匀，三种搅拌桨六弯叶开启涡轮式、布鲁马金式以及三叶推进式可替换，根据所处理生物质不同种类进行选择，通过遥手把(23)，升降固定套1(15)，升降固定套2(16)与升降螺杆(17)提升已盖上盖的反应釜整体至已升到一定温度的油桶(11)上方后，再用遥手把(23)，升降固定套1(15)，升降固定套2(16)与升降螺杆(17)将反应釜整体缓慢置入油浴中，油桶上方开口使反应釜可以顺利进入油浴，反应结束后，通过遥手把(23)，升降固定套I (15)，升降固定套2(16)与升降螺杆(17)提升反应釜整体至一定高度后，通过旋转轴的旋转置换油桶(11)和水槽(18)的位置，使水槽恰好位于反应釜下方，再用遥手把(23)，升降固定套1(15)，升降固定套2(16)与升降螺杆(17)将反应釜整体缓慢放入水槽(18)中，同时将自来水与冷却盘管(7)通过橡皮管连接以辅助反应釜快速降温，待温度降到40°C以下时，将反应釜从水槽中取出，卸下螺栓，用遥手把(23)，升降固定套2 (16)与升降螺杆(17)提升釜盖后，取出釜体出)中的生物质，完成对生物质的预处理。
2.根据权利要求I所述的生物质水热预处理反应器，其特征是三种搅拌桨-六弯叶开启涡轮式、布鲁马金式以及三叶推进式可替换，根据所处理生物质不同种类进行选择，增强了反应器的适用性与处理效果。
3.根据权利要求I所述的生物质水热预处理反应器，其特征是采用双冷系统-外部水槽与内部冷却盘管相结合，可快速降温。
4.根据权利要求I所述的生物质水热预处理反应器，其特征是加热油桶与冷却水槽位置可互换，增加了反应器的操作灵活度。
5.根据权利要求I所述的生物质水热预处理反应器，其特征在于油浴温度为1500C _600°C，预处理温度为150°C _500°C，预处理时间为lmin_120min。
6.根据权利要求I所述的生物质水热预处理反应器，其特征在于所述的预处理反应器用于以下生物质的预处理玉米秸杆，水稻秸杆，小麦秸杆，豆秸，高粱，甜高粱，花生秧或壳等农作物秸杆；苜蓿，皇竹草，芦苇等草本植物；木材碎片或锯末，小树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
本发明公开了一种生物质水热预处理反应器，其结构包括加热与温度控制系统，水热预处理系统，磁力搅拌系统，冷却系统，反应釜升降控制系统。通过本发明反应器，可以实现对生物质的高效水热预处理。本发明反应器，具有三种搅拌方式可调，用于处理不同种类的生物质，增强了其适用性与处理效果；同时采用双冷却与快速加热系统，有效缩短达到预处理反应的时间以及反应结束后的冷却时间，进而有效减少副反应的发生，增加了预处理的效率；本反应器操作灵活，釜体、釜盖既可单独提升与下降操作，也可以合体进行升降操作；此外，本反应器的加热与冷却系统位置可以互换，增强了系统的安全性与操作方便性。
文档编号C12M1/38GK102952744SQ20111025436
公开日2013年3月6日 申请日期2011年8月31日 优先权日2011年8月31日
发明者徐建, 陈洪章 申请人:中国科学院过程工程研究所