一种机械-生物结合法提取玉米秸秆改性精纤维的方法与流程

本发明涉及农作物处理方法技术领域，具体地涉及一种机械-生物结合法提取玉米秸秆改性精纤维的方法。

背景技术：

农作物秸秆是一种宝贵的可再生资源，推进秸秆的综合利用对于提高农业效益、促进资源节约、保护生态环境、增加农民收入、防治大气污染具有重要的现实意义。吉林省是农业大省，秸秆产生量在全国位居前列。多年来，吉林省一直非常重视秸秆的综合利用，不断加大政策引导和扶持，积极采取多种形式，秸秆综合利用水平不断提高，但从总体上看，吉林省秸秆有效利用率仍然较低，综合利用能力不足，相当多的农作物秸秆被弃置或者进行焚烧，没有得到合理开发利用。

在这种背景下，为切实加大秸秆转化力度，提高秸秆综合利用水平，实现资源节约、环境保护和农民增收，促进农业可持续发展和生态文明建设，大力开展秸秆综合利用项目。从秸秆的品种结构看，秸秆资源以玉米、水稻、大豆为主，三大作物秸秆资源又以玉米秸秆资源数量所占比重最大，约占三大秸秆资源总量的84％。玉米秸秆量大，分布广，是进行秸秆综合利用的重点。

目前我国玉米秸秆综合利用方式主要有肥料化、饲料化、基料化、能源化和工业原料化等五种方式。秸秆肥料化主要包括直接还田和间接还田，主要以秸秆直接还田为主，采取机械化粉碎直接还田、覆盖还田、快速腐熟还田、堆沤还田、加工有机肥等方法。秸秆饲料化利用主要是加工青贮、黄贮、微贮(纤维素复合酶发酵、em菌发酵、低水份快速发酵等)、氨化、盐化、碱化、颗粒饲料、秸秆粉、压块饲料、柱形饲料、打包饲料、膨化饲料等10多秸秆饲料品种。秸秆基料化主要是利用秸秆中含有丰富的碳、氮、矿物质及激素等营养成分生产食用菌。同时，秸秆育苗基料、花木基料、草坪基料等也呈快速发展趋势。秸秆含有丰富的纤维素和木质素等有机物，有效替代木制基料，从而形成“秸秆→蘑菇→饲料→粪便→回田”的能量多级利用、物质链式循环生态农业模式。秸秆能源化利用主要包括秸秆固化成型燃料、秸秆发电、秸秆沼气(生物气化)以及其他秸秆热解气化秸秆干馏等方式。能源化利用是我国秸秆综合利用的重要途径和方式。秸秆原料化主要是替代木材或粮食，应用于造纸、建材、制糖、乙醇、化工等工业领域。目前，秸秆已被广泛用于工业原料，主要以秸秆转化应用于生产板材、木塑、造纸以及纤维素原料生产、生产化工醇等为主。

综上，秸秆综合利用产业的发展方向应以积极推进秸秆高端工业化、能源化利用，以秸秆直燃发电、秸秆固体燃料，尤其是秸秆造纸、饲料化、纤维化等产品附加值高的项目为主，加快促进我国秸秆的产业化发展。为了能够实现对玉米秸秆高效高值利用，必须考虑将生产玉米秸秆精纤维产品，提高秸秆在造纸、生态建材等领域的综合利用效率。现有的方法生产的玉米秸秆精纤维为了保证纤维质量，往往分离效率较低，不节能环保，而且整套设备占地面积大，耗能多。

技术实现要素：

本发明为了克服上述技术问题的不足，提供了一种机械-生物结合法提取玉米秸秆改性精纤维的方法，保证秸秆改性精纤维质量的同时，还提高分离效率，实现了节能环保，且提供了一套占地面积较小的提取玉米秸秆改性精纤维的成套设备。

解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明设计了一种机械-生物结合法提取玉米秸秆改性精纤维的方法，包括以下步骤：

(1)通过用水浸泡的方式，将玉米秸秆粗纤维的含水量至少达到70％；

(2)沥干后再通过叠螺式纤维揉搓分丝机进行分丝，将粗纤维通过机械法分离成细纤维；所述的叠螺式纤维揉搓分丝机为1-2组；

(3)细纤维置于生物净化机内，通过嗜糖性微生物去除细纤维之间及表面附着的糖类小分子，得到生物改性纤维，所述的嗜糖性微生物为嗜糖假单胞杆菌pseudomonassaccharophila属；所述的生物净化机的数量为1-3组。

(4)通过蒸汽加温的方式对上述步骤(3)所得到的生物改性纤维进行灭活作用，其中蒸汽加温的温度为90～110℃；

(5)再通过碾压脱水机进行脱水，得到玉米秸秆改性精纤维；打包外运。所述的碾压脱水机为对辊碾压机。

整个过程中采用循环系统使用水。

该机械-生物结合法提取玉米秸秆改性精纤维的装置，包括依次连接的粗纤维加料机、浸泡罐、封闭式沥干床、叠螺式纤维揉搓分丝机、生物净化机、灭活罐、碾压脱水机和打包机，所述的粗纤维加料机的入口与秸秆皮瓤分离机的出口相连接，所述的浸泡罐与入水管道相连，所述的封闭式沥干床的出水管道延伸至浸泡罐的入水口，所述的碾压脱水机的出水管道延伸至浸泡罐的入水口，所述的粗纤维加料机还与除尘设备相连接。

进一步地说，所述的浸泡罐包括封头、罐体和支腿，所述的罐体与支腿连接，并由支腿支撑，所述的罐体底部设置出水口，所述的封头中部设置有与入水管道连接的入水口，所述的封头上还设置有与封闭式沥干床的出水管道连接的入水口和与碾压脱水机的出水管道连接的入水口，所述的封头上还设置有检测玉米秸秆粗纤维含水量的检测口。

进一步地说，所述的叠螺式揉搓分丝机具有壳体和横向穿过壳体的进料管，所述的进料管的左端为进料口，右端为出料口，所述的进料管的外部为螺旋轴，所述的螺旋轴上贯穿有固定环和游动环，靠近进料口端的固定环与游动环之间的空隙较大，在螺旋轴转动下实现初步揉搓，固定环与游动环之间的空隙由进料口至出料口逐渐缩小，逐步实现将纤维揉搓细丝；纤维丝在螺旋轴工作的带动下，推动物料前进的同时，不断地带动游动环清扫缝隙，防止堵塞；所述的进料管与螺杆连接，螺杆将沥干后的粗纤维带入进料管，通过叠螺式纤维揉搓分丝机进行分丝，将粗纤维通过机械法分离成细纤维。

进一步地说，所述的生物净化机具有壳体、微生物菌液喷料口和绞龙叶片，所述的绞龙叶片均匀分布在生物净化机的壳体内，微生物菌液喷料口按照绞龙叶片的宽度距离均匀的分布在壳体的上下部分，确保微生物菌液能够均匀地喷洒至物料表面，与物料充分混合；所述的壳体中部横向设置有进料管，所述的进料管的前端为进料口，进料管的后端为出料口，所述的进料管与绞龙叶片连通，所述的壳体上位于进料口上部设置有微生物加料口，使得微生物菌液通过微生物菌液喷料口均匀喷洒于物料表面。

进一步地说，所述的灭活罐位于生物净化机的后端，灭活罐的上端部和下端部均开设有蒸汽入口。

进一步地说，所述的碾压脱水机为对辊碾压机，两个辊子的碾压方向相向而行，两个辊子相切设置，位于两个辊子切线方向为进料方向，细纤维自上进料，自下出料。

本发明的有益效果是：

本发明根据机械-生物结合的原理，摒弃了现有揉丝机不能将秸秆粗纤维进行有效的分离的缺点，利用叠螺式揉搓方式，通过微生物净化，实现高效的玉米秸秆改性精纤维提取，提取出的秸秆改性精纤维具有高值综合利用特性。在此设计思想的基础上，形成一种机械-生物结合法提取玉米秸秆改性精纤维的成套工艺与设备。本发明在保证秸秆改性精纤维质量的同时，提高了分离效率，实现了节能环保，并减少占地面积。

本发明成套设备具有如下的特点和优势：

(1)分离效率高：与目前现有的秸秆揉丝机不同，该设备利用叠螺式揉搓机的机械分离效率稳定和纤维质量高的优点，同时摒弃了现有揉丝机不能将秸秆粗纤维进行有效分离的缺点，在保证设备稳定可靠使用的同时达到分离的目的；

(2)维护成本低：与其它类型设备相比，该成套设备实现连续进出料，但各部分设备可分开设置，便于更换配件，利于维护管理，维护成本低；

(3)环保节能设计：纤维分离系统的用水全部循环利用，无外排废水；

(4)安装及维修简单：该成套设备各设备分开设置，与装拆方便，不影响生产，无火花、无高压危险及易损构件维修十分安全。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是机械-生物结合法提取秸秆改性精纤维工艺流程图；

图2是机械-生物结合法提取秸秆改性精纤维设备俯视图；

图3是浸泡罐图；

图4是叠螺式揉搓分丝机结构图；

图5是生物净化机结构图；

图6是灭活罐结构图；

图7是对辊碾压机结构图；

图中：1-秸秆粗纤维自动加料机；2-除尘设备；3-浸泡罐；4-封闭式沥干床；5-叠螺式纤维揉搓分丝机；6-微生物加料口；7-生物净化机；8-灭活罐；9-蒸汽入口；10-对辊碾压机；11-打包机。

具体实施方式

为了能够实现对玉米秸秆纤维高效高值利用，必须考虑将秸秆精纤维进行有效的提取，提高秸秆改性精纤维的综合利用效率。本发明根据机械-生物结合的原理，摒弃了现有揉丝机不能将秸秆粗纤维进行有效的分离的缺点，利用叠螺式揉搓方式，通过微生物净化，实现高效的玉米秸秆改性精纤维提取，提取出的秸秆改性精纤维具有高值综合利用特性。在此设计思想的基础上，形成一种机械-生物结合法提取玉米秸秆改性精纤维的成套工艺与设备。

实施例1：

如图1-7所示的机械-生物结合法提取玉米秸秆改性精纤维的方法，包括以下步骤：

(1)通过用水浸泡的方式，将玉米秸秆粗纤维的含水量至少达到70％；

(2)沥干后再通过叠螺式纤维揉搓分丝机进行分丝，将粗纤维通过机械法分离成细纤维；叠螺式纤维揉搓分丝机为1组；

(3)细纤维置于生物净化机内，通过嗜糖性微生物去除细纤维之间及表面附着的糖类小分子，得到生物改性纤维；所述的嗜糖性微生物为嗜糖假单胞杆菌pseudomonassaccharophila属；生物净化机的数量为1组。

(4)通过蒸汽加温的方式对上述步骤(3)所得到的生物改性纤维进行灭活作用；其中蒸汽加温的温度为90℃；

(5)再通过对辊碾压机进行脱水，得到玉米秸秆改性精纤维；打包外运。

整个过程中采用循环系统使用水。

该机械-生物结合法提取玉米秸秆改性精纤维的装置，包括依次连接的粗纤维加料机1、浸泡罐3、封闭式沥干床4、叠螺式纤维揉搓分丝机5、生物净化机7、灭活罐8、碾压脱水机10和打包机11，所述的粗纤维加料机的入口与秸秆皮瓤分离机的出口相连接，所述的浸泡罐3与入水管道相连，所述的封闭式沥干床4的出水管道延伸至浸泡罐3的入水口，所述的碾压脱水机10的出水管道延伸至浸泡罐3的入水口，所述的粗纤维加料机1还与除尘设备2相连接。

所述的浸泡罐3包括封头、罐体和支腿，所述的罐体与支腿连接，并由支腿支撑，所述的罐体底部设置出水口，所述的封头中部设置有与入水管道连接的入水口，所述的封头上还设置有与封闭式沥干床4的出水管道连接的入水口和与碾压脱水机10的出水管道连接的入水口，所述的封头上还设置有检测玉米秸秆粗纤维含水量的检测口。

所述的叠螺式揉搓分丝机5具有壳体和横向穿过壳体的进料管，所述的进料管的左端为进料口，右端为出料口，所述的进料管的外部为螺旋轴，所述的螺旋轴上贯穿有固定环和游动环，靠近进料口端的固定环与游动环之间的空隙较大，在螺旋轴转动下实现初步揉搓，固定环与游动环之间的空隙由进料口至出料口逐渐缩小，逐步实现将纤维揉搓细丝；纤维丝在螺旋轴工作的带动下，推动物料前进的同时，不断地带动游动环清扫缝隙，防止堵塞；所述的进料管与螺杆连接，螺杆将沥干后的粗纤维带入进料管，通过叠螺式纤维揉搓分丝机进行分丝，将粗纤维通过机械法分离成细纤维。

所述的生物净化机7具有壳体、微生物菌液喷料口和绞龙叶片，所述的绞龙叶片均匀分布在生物净化机的壳体内，微生物菌液喷料口按照绞龙叶片的宽度距离均匀的分布在壳体的上下部分，确保微生物菌液能够均匀地喷洒至物料表面，与物料充分混合；所述的壳体中部横向设置有进料管，所述的进料管的前端为进料口，进料管的后端为出料口，所述的进料管与绞龙叶片连通，所述的壳体上位于进料口上部设置有微生物加料口6，使得微生物菌液通过微生物菌液喷料口均匀喷洒于物料表面。

所述的灭活罐8位于生物净化机7的后端，灭活罐的上端部和下端部均开设有蒸汽入口9。

所述的碾压脱水机为对辊碾压机，两个辊子的碾压方向相向而行，两个辊子相切设置，位于两个辊子切线方向为进料方向，细纤维自上进料，自下出料。

本发明工作原理是：

通过粗纤维加料机1将粗纤维导入浸泡罐3中，浸泡罐3主要将玉米秸秆粗纤维通过浸泡方式使其含水量达到70％，浸泡后的粗纤维经过沥干床4，再通过螺杆带入后端的叠螺式纤维揉搓分丝机5进行分丝，将粗纤维通过机械法分离成细纤维，然后将叠螺式纤维揉搓分丝机5末端连接生物净化机7，其目的是将细纤维之间及表面附着的糖类等小分子通过嗜糖性微生物加以去除，使之成为生物改性纤维。由于大量微生物的存在，在生物净化机后端连接生物灭活罐8，通过蒸汽加温达到灭活的效果。提取后纤维含有大量的水分，最后通过对辊碾压机10进行脱水，得到生物改性的玉米秸秆改性精纤维，最后通过打包机11将其打包后外运。

实施例2：

作为扩展，机械-生物结合法提取玉米秸秆改性精纤维的方法，包括以下步骤：

(1)通过用水浸泡的方式，将玉米秸秆粗纤维的含水量至少达到70％；

(2)沥干后再通过叠螺式纤维揉搓分丝机进行分丝，将粗纤维通过机械法分离成细纤维；叠螺式纤维揉搓分丝机为2组；

(3)细纤维置于生物净化机内，通过嗜糖性微生物去除细纤维之间及表面附着的糖类小分子，得到生物改性纤维；所述的嗜糖性微生物为嗜糖假单胞杆菌pseudomonassaccharophila属；生物净化机的数量为3组。

(4)通过蒸汽加温的方式对上述步骤(3)所得到的生物改性纤维进行灭活作用；其中蒸汽加温的温度为110℃；

(5)再通过对辊碾压机进行脱水，得到玉米秸秆改性精纤维；打包外运。。

整个过程中采用循环系统使用水。

本发明提供的用于机械-生物结合法提取玉米秸秆改性精纤维的成套设备，针对机打秸秆主要由皮瓤分离机、粗纤维加料机1、浸泡罐3、叠螺式纤维揉搓分丝机5、生物净化机7、灭活罐8和对辊碾压机10风选设备组成。首先将收集的原材料(机打秸秆)投入皮瓤分离设备，该生产线为全物理分离过程，不使用水和化学药剂辅助分离。秸秆得到有效分离后获得秸秆粗纤维，通过粗纤维加料机1将粗纤维导入浸泡罐3中，浸泡罐3主要将玉米秸秆粗纤维通过浸泡方式使其含水量达到70％，浸泡后的粗纤维经过沥干床4，再通过螺杆带入后端的叠螺式纤维揉搓分丝机5进行分丝，将粗纤维通过机械法分离成细纤维，然后将叠螺式纤维揉搓分丝机5末端连接生物净化机7，其目的是将细纤维之间及表面附着的糖类等小分子通过嗜糖性微生物加以去除，使之成为生物改性纤维。由于大量微生物的存在，在生物净化机后端连接生物灭活罐8，通过蒸汽加温达到灭活的效果。提取后纤维含有大量的水分，最后通过对辊碾压机10进行脱水，得到生物改性的玉米秸秆改性精纤维，最后通过打包机11将其打包后外运。

实施例3：

作为扩展，机械-生物结合法提取玉米秸秆改性精纤维的方法，包括以下步骤：

(1)通过用水浸泡的方式，将玉米秸秆粗纤维的含水量至少达到70％；

(2)沥干后再通过叠螺式纤维揉搓分丝机进行分丝，将粗纤维通过机械法分离成细纤维；叠螺式纤维揉搓分丝机为2组；

(3)细纤维置于生物净化机内，通过嗜糖性微生物去除细纤维之间及表面附着的糖类小分子，得到生物改性纤维；所述的嗜糖性微生物为嗜糖假单胞杆菌pseudomonassaccharophila属；生物净化机的数量为2组。

(4)通过蒸汽加温的方式对上述步骤(3)所得到的生物改性纤维进行灭活作用；其中蒸汽加温的温度为100℃；

(5)再通过对辊碾压机进行脱水，得到玉米秸秆改性精纤维；打包外运。

整个过程中采用循环系统使用水。

本发明的设备针对整杆秸秆主要由整杆破碎机、皮瓤分离机、粗纤维加料机1、浸泡罐3、叠螺式纤维揉搓分丝机5、生物净化机7、灭活罐8和对辊碾压机10风选设备组成。首先将收集的原材料(整杆秸秆)投入破碎机，破碎后的秸秆通过皮瓤分离设备，该生产线为全物理分离过程，不使用水和化学药剂辅助分离。秸秆得到有效分离后获得秸秆粗纤维，通过粗纤维加料机1将粗纤维导入浸泡罐3中，浸泡罐3主要将玉米秸秆粗纤维通过浸泡方式使其含水量达到70％，浸泡后的粗纤维经过沥干床4，再通过螺杆带入后端的叠螺式纤维揉搓分丝机5进行分丝，将粗纤维通过机械法分离成细纤维，然后将叠螺式纤维揉搓分丝机5末端连接生物净化机7，其目的是将细纤维之间及表面附着的糖类等小分子通过嗜糖性微生物加以去除，使之成为生物改性纤维。由于大量微生物的存在，在生物净化机后端连接生物灭活罐8，通过蒸汽加温达到灭活的效果。提取后纤维含有大量的水分，最后通过对辊碾压机10进行脱水，得到生物改性的玉米秸秆改性精纤维，最后通过打包机11将其打包后外运。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。