一种亚麻粗纱超临界CO2生物酶漂白装置及其漂白方法与流程

本发明属于纺织技术领域，涉及麻纺行业中的一种亚麻粗纱超临界CO₂生物酶漂白装置及漂白方法。

背景技术：

亚麻纤维是人类最早使用的优质植物纤维，占天然纤维总量的1.5％。其化学组成主要包括纤维素、半纤维素、果胶、木质素、蜡质和含氮物质等，其中半纤维素、木质素、果胶难以去除，且亚麻纤维分子的结晶度和取向度较高，易于对纤维的延伸度、弹性、集束性、柔软性和卷曲性产生影响，给亚麻纤维纺纱织造过程带来了诸多不便。因此，亚麻粗纱漂白一直是麻纺行业关注的难题。多年以来，许多研究工作都立足解决此问题，直到20世纪50年代后期，人们才开始研究粗纱漂白工艺，将粗纱漂白后进行湿纺，使伴生物充分溶胀，从而除去部分杂质，增加纤维可纺性。50年代末，我国成功研发了亚麻粗纱漂白技术；70年代末亚麻粗纱漂白设备基本完善。

传统亚麻粗纱煮练、漂白加工过程中主要以水为介质，依次经过碱煮、亚氯酸钠漂白、水洗、双氧水漂白、水冼、酸冼、水冼工序，去除纤维中的半纤维素、木质素和果胶，最终满足纺纱工序中对亚麻粗纱纤维强度和白度的要求。亚麻粗纱经煮练、漂白处理后，去除了部分粘结纤维之间的物质，减弱了纤维之间的联系，提高了亚麻纤维的分裂度，增加了亚麻纤维的可纺性。然而，传统亚麻粗纱漂白工序具有耗水耗能多、工艺流程长、经济成本高等缺点。同时，煮练、漂白生产后，排放的污水中含有大量的亚氯酸钠、纯碱、双氧水等助剂，给环境带来了严重的污染。

当常态下物质的温度和压力高于其临界温度和临界压力时，该物质即转化成为超临界流体。在超临界状态下，压力和温度的微小改变，均会导致流体密度的显著差异，并表现为流体溶解度的变化，从而使得超临界流体极具有应用价值。自1978年西德Essen举行第一届“超临界流体萃取”国际会议起，30多年来，超临界流体萃取技术已广泛应用于医药、化工、食品及环保等领域。超临界流体萃取技术是在不改变化学组成的条件下，利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，将超临界流体与分离物质接触，使其有选择性地把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来，然后利用温度和压力对超临界流体溶解能力的影响而实现萃取分离目的。在常用的物质中，CO₂以其无毒、无害、不燃、具有化学惰性和独特的四极矩结构，临界温度(31.1℃)和临界压力(7.37MPa)较低等特点，成为应用最为广泛的超临界流体。

技术实现要素：

为了解决亚麻粗纱漂白工序的高污染、高能耗难题，本发明提供一种亚麻粗纱超临界CO₂生物酶漂白装置及漂白方法。

一种亚麻粗纱超临界CO₂生物酶漂白装置，包括CO₂储罐、过滤器、共混器、CO₂增压泵、预热器、加热器、漂白釜、分离釜、助溶剂罐、液体输送泵和磁力循环泵，其中，所述的CO₂储罐、过滤器、共混器、CO₂增压泵、预热器、漂白釜和分离釜通过管路顺次连接，助溶剂罐通过管路连接液体输送泵后与上述共混器相连，所述加热器通过管路与漂白釜上下游连通，用于使漂白釜内的物料进行加热；所述磁力循环泵通过管路与漂白釜上下游连通，用于使漂白釜内的物料进行循环，其特征在于，所述分离釜包括筒体、顶盖和螺旋式分离器，所述筒体和顶盖通过螺栓连接，所述筒体上开设有气液混合物入口、液体出口和气体出口Ⅰ，所述气液混合物入口位于筒体侧壁上，所述液体出口设置在筒体下方，所述气体出口Ⅰ设置在筒体上方；所述筒体内固定连接有螺旋式分离器，所述螺旋式分离器由上而下包括螺旋管入口端、螺旋管和螺旋管出口端，所述螺旋管入口端与气液混合物入口相连接，所述螺旋管出口端与液体出口相连接，所述螺旋管出口端的端口内壁上密封设置有过滤筛板，所述螺旋管出口端上开设有气体出口Ⅱ，所述气体出口Ⅱ位于所述过滤筛板和螺旋管之间。

进一步地，所述螺旋管内装有填料，所述填料为硅胶、聚苯乙烯中的一种，所述填料的粒径为1-10μm。

进一步地，所述螺旋管内的填料粒径从气液混合物入口到气体出口Ⅱ的顺序逐渐减小。

进一步地，所述螺旋式分离器可拆卸地安装于分离釜的筒体内。可拆卸的结构便于清洗分离釜和分离器，分离器内的填料回收后经处理除去吸附的杂质，再利用。

进一步地，所述分离釜至少一个，各分离釜通过管道串联的方式连接，多个分离釜串联使用以提高分离效果。

进一步地，所述共混器由CO₂入口、CO₂出口、共溶剂入口、共溶剂通道、针孔输送管入口、针孔输送管出口、针孔输送管和气液混合通道组成；所述的气液混合通道具有圆柱形结构的空腔，其上下底面分别均匀排布有若干针孔输送管，所述针孔输送管外侧端与扁圆柱形的共溶剂通道相连通，所述共溶剂通道的朝向外侧的底面中心设置有共溶剂入口；所述的气液混合通道的圆柱形结构的侧壁上，对称的设置有CO₂入口、CO₂出口；所述的针孔输送管在气液混合通道上的排布方式是，在垂直方向的相对位置上交叉排列，以保持共溶剂沿气液混合通道的均匀注入，可实现CO₂和共溶剂的完全混合。

本发明中所述的超临界CO₂漂白装置，可以具有多个相同功能的设备单元，如可包括若干共溶剂罐、若干漂白釜、若干增压泵和加热器、若干分离釜等。本领域技术人员可根据处理量的需要进行设置。

本发明另一目的是提供一种超临界二氧化碳生物酶亚麻粗纱漂白方法，该方法采用上述超临界二氧化碳生物酶漂白装置进行漂白。

在优选的技术方案中，所述漂白方法包括如下步骤，将亚麻粗纱放入漂白釜内，以10-50g/min的速度通入溶解有生物酶漂白剂的超临界二氧化碳流体，在温度为25-65℃，压力15-25MPa下漂白30-120min。

在优选的技术方案中，所述生物酶漂白剂含有0.2-3％(o.w.f)木聚糖酶和0.2-5％(o.w.f)葡萄糖氧化酶。使用时，按照所述o.w.f.浓度，称取适量木聚糖酶和葡萄糖氧化酶混合，溶解于溶剂中，溶剂优选为水，配置成质量百分浓度为0.5-3wt％的酶混合溶液，得生物酶漂白剂。

本发明的有益效果：

1.本发明提供一种用于亚麻粗纱漂白的新的超临界二氧化碳漂白装置，相对于现有的漂白装置，本发明该装置的分离釜内可拆卸地固定有螺旋式分离器以增加分离面积，且按照不同粒经大小填充填料，进一步实现了按照萃取物的分子大小进行依次精细分离的目的，本发明装置的共混器中设置的针孔输送管在气液混合通道上的排布方式是，在垂直方向的相对位置上交叉排列，以保持共溶剂沿气液混合通道的均匀注入，可实现CO₂和共溶剂的完全混合。

2.本发明还提供采用本发明所述漂白装置的超临界二氧化碳生物酶亚麻粗纱漂白方法，避免了双氧水、次氯酸钠等大量化学试剂的使用，全过程无污染、零排放，体现了时尚麻纺、绿色麻纺的现代生活理念，具有重要的理论意义和应用价。经本发明方法漂白后的亚麻粗纱白度可达到45-70％，重量损失率7-12％，残胶率9-15％，单纤维断裂强度6.5-13.5cN/dtex，断裂伸长率5-8.5％。

附图说明

图1为亚麻粗纱超临界CO₂漂白装置及工艺流程示意图；

图2为本发明漂白装置中共混器的结构示意图；

图3位本发明漂白装置中分离釜以及螺旋式分离器的结构示意图；

标号说明：1、CO₂储罐，2、共混器，3、漂白釜，4、分离釜，5、过滤器，6、预热器，7、液体输送泵，8、助溶剂罐，9、CO₂增压泵，10、加热器，11、磁力循环泵，22、CO₂入口，23、CO₂出口，24、共溶剂入口，25、共溶剂通道，26、针孔输送管入口，27、针孔输送管出口，28、针孔输送管，29、气液混合通道，41、筒体，42、顶盖，411、气液混合物入口，412、液体出口，413、气体出口Ⅰ，43、螺旋式分离器，431、螺旋管入口端，432、螺旋管，433、螺旋管出口端，434、过滤筛板，435、气体出口Ⅱ。

具体实施方式

下属非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。另外，下述实施例中，如无特殊说明，所使用的实验方法均为常规方法，所用材料、试剂等均可从生物或化学试剂公司购买。

下述实施例中：

亚麻粗纱的白度按照GB/T 17644-2008《纺织纤维白度色度试验方法》、残胶率按照GB 5889-86《苎麻化学成分定量分析方法》进行测试；单纤维断裂强度、断裂伸长率按照GB/T5886-86《苎麻单纤维断裂强度实验方法》进行测试。

木聚糖酶和葡萄糖氧化酶购自江苏锐阳生物科技有限公司，木聚糖酶：活力≥50000U/g，适用pH值4.0-5.5，最佳pH值4.5-5，适用温度30-60℃，最佳温度50-55℃；葡萄糖氧化酶：活力≥300U/g，适用pH值4.0-5.5，最佳pH值3.5-6.5，适用温度20-70℃，最佳温度50-55℃。

实施例1

以下结合附图详细叙述本发明的具体实施方式。下述实施例中所用漂白釜的结构为公布号为CN102787459A的中国专利中的超临界二氧化碳筒子纱染色釜，如其公开文本中实施例1所记载的染色釜结构。

结合附图1-3，说明本发明超临界二氧化碳漂白装置以及漂白工艺。

本发明的超临界二氧化碳漂白装置，如图1所示，包括CO₂储罐、过滤器、共混器、CO₂增压泵、预热器、加热器、漂白釜、分离釜、助溶剂罐、液体输送泵和磁力循环泵，其中，所述的CO₂储罐、过滤器、共混器、CO₂增压泵、预热器、漂白釜、分离釜通过管路顺次连接，助溶剂罐通过管路连接液体输送泵后与上述共混器相连，所述加热器通过管路与漂白釜上下游连通，用于使漂白釜内的物料进行加热；所述磁力循环泵通过管路与漂白釜上下游连通，用于使漂白釜内的物料进行循环。

上述分离釜以及分离釜内设置的螺旋式分离器的结构如图3所示，所述分离釜包括筒体、顶盖和螺旋式分离器，所述筒体和顶盖通过螺栓连接，所述筒体上开设有气液混合物入口、液体出口和气体出口Ⅰ，所述气液混合物入口位于筒体侧壁上，所述液体出口设置在筒体下方，所述气体出口Ⅰ设置在筒体上方；所述筒体内固定连接有螺旋式分离器，所述螺旋式分离器由上而下包括螺旋管入口端、螺旋管和螺旋管出口端，所述螺旋管入口端与气液混合物入口相连接，所述螺旋管出口端与液体出口相连接，所述螺旋管出口端的端口内壁上密封设置有过滤筛板，所述螺旋管出口端上开设有气体出口Ⅱ，所述气体出口Ⅱ位于所述过滤筛板和螺旋管之间。

上述共混器的结构如图2所示，由CO₂入口、CO₂出口、共溶剂入口、共溶剂通道、针孔输送管入口、针孔输送管出口、针孔输送管和气液混合通道组成；所述的气液混合通道具有圆柱形结构的空腔，其上下底面分别均匀排布有若干针孔输送管，所述针孔输送管外侧端与扁圆柱形的共溶剂通道相连通，所述共溶剂通道的朝向外侧的底面中心设置有共溶剂入口；所述的气液混合通道的圆柱形结构的侧壁上，对称的设置有CO₂入口、CO₂出口；所述的针孔输送管在气液混合通道上的排布方式是，在垂直方向的相对位置上交叉排列，以保持共溶剂沿气液混合通道的均匀注入，可实现CO₂和共溶剂的完全混合。

采用上述超临界二氧化碳漂白装置对亚麻粗纱进行漂白时的工作原理如下：

(1)内循环漂白：

CO₂位于CO₂储罐内，亚麻粗纱筒子置于漂白釜内，生物酶漂白剂置于助溶剂罐内。漂白过程中，首先开启制冷系统，液态CO₂在CO₂储罐中流出，通过过滤器过滤，以去除可能含有的杂质，然后经由高压泵注入共混器内部。共溶剂罐内的生物酶漂白剂在液体输送泵的作用下注入共混器的共溶剂入口，并经过共溶剂通道进入针孔输送器入口，通过针孔输送器在针孔输送器出口流出，在气液混合通道内与CO₂充分混合。均匀溶解有共溶剂的CO₂在加压泵的作用下注入到漂白釜内部，并在预热器的作用下进入超临界状态，对煮漂釜内的亚麻粗纱进行漂白。具体地，溶解有生物酶漂白剂的超临界CO₂流体经过漂白釜底部的CO₂流体入口流入漂白釜内，由下而上的向位于其上的亚麻筒子纱渗透扩散，随后流出漂白釜(漂白釜的结构以及工作原理同发明专利CN102787459A中实施例1所记载的染色釜)；在磁力循环泵的作用下，CO₂流体再次进入漂白釜，保持漂白釜内部温度25-65℃、压力15-25MPa、CO₂流体流量10-50g/min，在此条件下利用磁力循环泵实现漂白循环30-120min；漂白过程的热量损失由加热器进行补偿。

(2)外循环漂白：

将亚麻粗纱筒子依次连接套置在漂白釜内，亚麻粗纱经超临界CO₂流体(溶解有生物酶漂白剂)漂白20-40min后，改变流体运行方向，此时CO₂流体经由漂白釜的顶部气体通道进入；由上而下的向位于其上的亚麻筒子纱渗透扩散后流出漂白釜；在磁力循环泵的作用下，CO₂流体再次进入漂白釜，实现外循环漂白。

漂白加工完成后，关闭磁力循环泵。漂白釜体内的超临界CO₂流体(含有生物酶漂白剂、漂白萃取物等漂白产物)经分离釜气液混合物入口和螺旋式分离器入口进入螺旋式分离器中，在分离器内部渐变式填料的作用下，保持3MPa、20℃条件下，使得漂白产物与CO₂气体完全分离；漂白产物经过不同粒径大小的填料时可按照分子量大小依次流出螺旋式分离器，螺旋式分离器内设置的过滤筛板可过滤一些纤维等固体产物。经过螺旋式分离器分离的液态漂白产物可通过分离釜筒体底部的液体出口放出，经进一步纯化后再利用；经过螺旋式分离器后液态CO₂转化为气态CO₂，气态CO₂通过螺旋式分离器的气体出口Ⅱ流出，并通过分离釜筒体和螺旋式分离器之间的空隙，再由设置在分离釜筒体上方的气体出口Ⅰ流出分离釜，经过冷凝器制冷转化成液态CO₂后回收进入CO₂储罐，以备下次使用。

实施例2

根据实施例1所述的超临界二氧化碳漂白装置以及工作原理，对亚麻粗纱进行漂白，包括如下步骤：

(1)生物酶漂白剂的准备：

将0.5％(o.w.f.)木聚糖酶和1％(o.w.f.)葡萄糖氧化酶混合，溶解于水中，配置得到浓度1wt％混合溶液，得到生物酶漂白剂，搅拌均匀待用；

(2)将10kg亚麻粗纱筒子至于漂白釜内，生物酶漂白剂置于助溶剂罐内；

(3)开启制冷系统，液态CO₂在CO₂储罐内流出，助溶剂罐内的生物酶漂白剂在液体输送泵的作用下注入共混器的共溶剂入口，并经过共溶剂通道进入针孔输送器入口，通过针孔输送器在针孔输送器出口流出，在气液混合通道内与CO₂充分混合，均匀溶解有共溶剂的CO₂在加压泵的作用下注入到漂白釜内部，以上述内循环漂白方式对漂白釜内的亚麻粗纱进行漂白，保持漂白釜内部温度为50℃，压力为15MPa，CO₂流体流量10g/min，在此条件下内循环漂白90min；漂白过程的热量损失由加热器进行补偿，漂白加工完成后，关闭循环泵，漂白釜体内的超临界CO₂流体进入分离釜内的螺旋式分离器，在内部渐变式填料(硅胶，粒径为1-10μm)的作用下，保持3MPa、20℃条件下，使得漂白产物与CO₂气体完全分离，分别回收液态漂白产物以及气态的CO₂，以备下次使用。

经过超临界CO₂生物酶漂白后，亚麻粗纱的白度55.3％，重量损失率8.5％，残胶率10.5％，单纤维断裂强度12.6cN/dtex，断裂伸长率7.5％。

实施例3

根据实施例1所述的超临界二氧化碳漂白装置以及工作原理，对亚麻粗纱进行漂白，包括如下步骤：

(1)生物酶漂白剂的准备：

将0.2％(o.w.f.)木聚糖酶和1.5％(o.w.f.)葡萄糖氧化酶混合，溶解于水中，配置成浓度1.5wt％混合溶液，得到生物酶漂白剂，搅拌均匀待用；

(2)将12kg亚麻粗纱筒子至于漂白釜内，生物酶漂白剂置于助溶剂罐内；

(3)开启制冷系统，液态CO₂在CO₂储罐内流出，助溶剂罐内的生物酶漂白剂在液体输送泵的作用下注入共混器的共溶剂入口，并经过共溶剂通道进入针孔输送器入口，通过针孔输送器在针孔输送器出口流出，在气液混合通道内与CO₂充分混合，均匀溶解有共溶剂的CO₂在加压泵的作用下注入到漂白釜内部，以上述内循环漂白方式对漂白釜内的亚麻粗纱进行漂白，保持漂白釜内部温度为65℃，压力为20MPa，CO₂流体流量30g/min，在此条件下内循环漂白60min；漂白过程的热量损失由加热器进行补偿，漂白加工完成后，关闭循环泵，漂白釜体内的超临界CO₂流体进入分离釜内的螺旋式分离器，在内部渐变式填料(硅胶，粒径为1-10μm)的作用下，保持3MPa、20℃条件下，使得漂白产物与CO₂气体完全分离，分别回收液态漂白产物以及气态的CO₂，以备下次使用。

经过超临界CO₂流体漂白后，亚麻粗纱的白度65.6％，重量损失率9.2％，残胶率11.8％，单纤维断裂强度12.5cN/dtex，断裂伸长率6.3％。

实施例4

根据实施例1所述的超临界二氧化碳漂白装置以及工作原理，对亚麻粗纱进行漂白，包括如下步骤：

(1)生物酶漂白剂的准备：

将0.2％(o.w.f.)木聚糖酶和1.5％(o.w.f.)葡萄糖氧化酶混合，溶解于水中，配置成浓度1.2wt％混合溶液，得到生物酶漂白剂，搅拌均匀待用；

(2)将8kg亚麻粗纱筒子至于漂白釜内，生物酶漂白剂置于助溶剂罐内；

(3)开启制冷系统，液态CO₂在CO₂储罐内流出，助溶剂罐内的生物酶漂白剂在液体输送泵的作用下注入共混器的共溶剂入口，并经过共溶剂通道进入针孔输送器入口，通过针孔输送器在针孔输送器出口流出，在气液混合通道内与CO₂充分混合，均匀溶解有共溶剂的CO₂在加压泵的作用下注入到漂白釜内部，以上述内循环漂白方式对漂白釜内的亚麻粗纱进行漂白，保持漂白釜内部温度为60℃，压力为25MPa，CO₂流体流量50g/min，在此条件下内循环漂白120min；漂白过程的热量损失由加热器进行补偿，漂白加工完成后，关闭循环泵，漂白釜体内的超临界CO₂流体进入分离釜内的螺旋式分离器，在内部渐变式填料(硅胶，粒径为1-10μm)的作用下，保持3MPa、20℃条件下，使得漂白产物与CO₂气体完全分离，分别回收液态漂白产物以及气态的CO₂，以备下次使用。

经过超临界CO2流体漂白后，亚麻粗纱的白度68.2％，重量损失率10.6％，残胶率11.7％，单纤维断裂强度10.5cN/dtex，断裂伸长率6.5％。

实施例5

根据实施例1所述的超临界二氧化碳漂白装置以及工作原理，对亚麻粗纱进行漂白，包括如下步骤：

(1)生物酶漂白剂的准备：

将1％(o.w.f.)木聚糖酶和1％(o.w.f.)葡萄糖氧化酶混合，溶解于水中，配置成浓度0.5wt％混合溶液，得到生物酶漂白剂，搅拌均匀待用；

(2)将8kg亚麻粗纱筒子至于漂白釜内，生物酶漂白剂置于助溶剂罐内；

(3)开启制冷系统，液态CO₂在CO₂储罐内流出，助溶剂罐内的生物酶漂白剂在液体输送泵的作用下注入共混器的共溶剂入口，并经过共溶剂通道进入针孔输送器入口，通过针孔输送器在针孔输送器出口流出，在气液混合通道内与CO₂充分混合，均匀溶解有共溶剂的CO₂在加压泵的作用下注入到漂白釜内部，以上述内循环漂白方式对漂白釜内的亚麻粗纱进行漂白，保持漂白釜内部温度为25℃，压力为18MPa，CO₂流体流量20g/min，在此条件下内循环漂白60min；漂白过程的热量损失由加热器进行补偿，漂白加工完成后，关闭循环泵，漂白釜体内的超临界CO₂流体进入分离釜内的螺旋式分离器，在内部渐变式填料(硅胶，粒径为1-10μm)的作用下，保持3MPa、20℃条件下，使得漂白产物与CO₂气体完全分离，分别回收液态漂白产物以及气态的CO₂，以备下次使用。

经过超临界CO₂流体漂白后，亚麻粗纱的白度52.5％，重量损失率8.8％，残胶率11.2％，单纤维断裂强度9.8cN/dtex，断裂伸长率7.4％。

实施例6

根据实施例1所述的超临界二氧化碳漂白装置以及工作原理，对亚麻粗纱进行漂白，包括如下步骤：

(1)生物酶漂白剂的准备：

将3％(o.w.f.)木聚糖酶和4％(o.w.f.)葡萄糖氧化酶混合，溶解于水中，配置成浓度2wt％混合溶液，得到生物酶漂白剂，搅拌均匀待用；

(2)将20kg亚麻粗纱筒子至于漂白釜内，生物酶漂白剂置于助溶剂罐内；

(3)开启制冷系统，液态CO₂在CO₂储罐内流出，助溶剂罐内的生物酶漂白剂在液体输送泵的作用下注入共混器的共溶剂入口，并经过共溶剂通道进入针孔输送器入口，通过针孔输送器在针孔输送器出口流出，在气液混合通道内与CO₂充分混合，均匀溶解有共溶剂的CO₂在加压泵的作用下注入到漂白釜内部，以上述内循环漂白方式对漂白釜内的亚麻粗纱进行漂白，保持漂白釜内部温度为60℃，压力为22MPa，CO₂流体流量40g/min，在此条件下内循环漂白90min；漂白过程的热量损失由加热器进行补偿，漂白加工完成后，关闭循环泵，漂白釜体内的超临界CO₂流体进入分离釜内的螺旋式分离器，在内部渐变式填料(硅胶，粒径为1-10μm)的作用下，保持3MPa、20℃条件下，使得漂白产物与CO₂气体完全分离，分别回收液态漂白产物以及气态的CO₂，以备下次使用。

经过超临界CO₂流体漂白后，亚麻粗纱的白度84.6％，重量损失率10.2％，残胶率10.3％，单纤维断裂强度10.5cN/dtex，断裂伸长率6.2％。