一种汽爆预处理秸秆提取低聚木糖的方法及其装置与流程

本发明涉及生物质预处理技术领域，具体涉及一种汽爆预处理秸秆提取低聚木糖的方法及其装置。

背景技术：

低聚木糖又称木寡糖，是由2-7个木糖分子以β-1,4糖苷键结合而成的功能性聚合糖，可以选择性地促进肠道双歧杆菌的增殖活性。制备低聚木糖的原料主要是半纤维素。农作物秸秆是一种可再生有机物，其蕴藏着丰富的能量，目前焚烧还田等处理秸秆的方法不仅浪费资源，而且严重污染环境，农作物秸秆主要由纤维素、半纤维素、木质素组成。因此，采用秸秆制备低聚木糖可提高农业附加值，减少环境污染。

目前低聚木糖的提取方法主要有微波降解法、酸提取法、碱提取法、汽爆即蒸汽爆破和预处理后定向酶解法，微波降解法具有速度快、效率高、但是成本高，不适合大量生产。酸提取法和碱提取法，在生产过程中需要加入酸、碱类物质，在后续过程中再分离脱除，也会造成一定的废水，污染环境。预处理后定向酶解法，处理效果较好，但是在降解时加入的酶类物质最后过程分离纯化困难，将导致的分离成本的增加或者产品纯度的降低，如公布号为cn106148452a的中国专利公开了一种利用农林剩余物制备低聚木糖水解液的新方法。汽爆即蒸汽爆破，是应用蒸汽弹射原理实现的爆炸过程对生物质进行预处理的一种技术，其技术本质为：将渗进植物组织内部的蒸汽分子瞬时释放完毕，使蒸汽内能转化为机械能并作用于生物质组织细胞层间，从而用较少的能量将原料按目的分解。由于其既避免了化学处理的二次污染问题，又解决了目前生物处理效率低的问题，是生物质转化领域最有前景的预处理技术。目前汽爆装置种类繁多，如公布号为cn106192507a的中国专利公开了一种瞬间爆秸秆处理装置，公布号为cn103451985b的中国专利公开了一种植物纤维的多级单螺旋连续式蒸汽爆破装置等，物料均直接堆放在汽爆装置的底部，蒸汽不易迅速且均匀的渗入秸秆，易导致汽爆后的秸秆夹生，目前对降低汽爆装置产生的噪音的研究比较少，汽爆罐在使用过程中声音过大，对工作人员有危害，同时也给周围的环境带来了噪音污染，目前的制备工艺对汽爆后瞬间泄压释放的蒸汽直接排空，未能有效利用蒸汽的能量，造成能源浪费。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种生产效率高、可保护环境的汽爆预处理秸秆提取低聚木糖的方法及其装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种汽爆预处理秸秆提取低聚木糖的方法，包括以下步骤：

a.备料：取秸秆加入粉碎机中进行机械粉碎，粉碎后秸秆不超过3厘米，将粉碎后的秸秆倒入预热罐，使用蒸汽罐向预热罐输送蒸汽，对秸秆进行预热；

b.汽爆处理：将步骤a预热后的秸秆加入汽爆罐中，密封，使用蒸汽罐向汽爆罐输送蒸汽至温度208～223℃，压力1.3～1.5mpa，维持90～105秒，快速泄压，蒸汽返回预热罐预热秸秆，物料释放到内部放置有水的常压容器中；

c.过滤：将步骤b常压容器中的物料经过板框压滤机过滤得滤液；

d.脱色：将步骤c所得滤液放入脱色罐中，进行活性炭脱色，得木聚糖溶液；

e.降解：将步骤d所得的木聚糖溶液置于反应釜中，加入磺酸型固体酸催化剂，在130～138℃条件下搅拌反应2～4小时，反应完成后，过滤所得滤液即为低聚木糖溶液；

f.浓缩：将步骤e所得的低聚木糖溶液置于蒸发结晶器，在65～70℃条件下蒸发浓缩，得低聚木糖产品。

进一步地，步骤b中所述泄压后的蒸汽经过降噪罐降噪处理后返回预热罐预热秸秆，所述常压容器为带有搅拌功能的常压容器。

进一步地，步骤e中所述木聚糖溶液的质量为磺酸型固体酸催化剂的质量的200～210倍。

一种汽爆预处理秸秆提取低聚木糖的装置，包括粉碎机、蒸汽罐、汽爆罐、常压容器、板框压滤机、脱色罐、反应釜和蒸发结晶器，还包括降噪罐和预热罐，所述粉碎机，用于秸秆的机械粉碎；所述蒸汽罐，用于给汽爆罐和预热罐提供蒸汽；所述常压容器，用于承接并迅速冷却汽爆后的物料；所述板框压滤机，用于去除爆破料中的固体渣；所述脱色罐，用于去除步骤c所得滤液的杂质；所述反应釜，用于木聚糖溶液的降解，制备低聚木糖溶液；所述蒸发结晶器，用于蒸发浓缩低聚木糖溶液制备低聚木糖产品；所述预热罐，用于预热秸秆，预热罐顶端开设秸秆入料口，预热罐内部设有预热挡板，所述预热挡板上均匀布设圆孔，预热罐侧端下部开设秸秆出料口、清理口、第一蒸汽入口和第二蒸汽入口，所述秸秆出料口位于预热挡板上方，清理口、第一蒸汽入口和第二蒸汽入口位于预热挡板下方；所述降噪罐，用于爆破后蒸汽的降噪处理，降低对环境的噪音，降噪罐顶端开设蒸汽出口，降噪罐底端开设第三蒸汽入口，降噪罐内从上到下依次设有降噪换热器和分流筒，所述分流筒侧壁和底部均匀布设通孔，所述降噪换热器为圆柱形，降噪换热器上均匀开设蒸汽通道和折流挡板，所述蒸汽通道和折流挡板均垂直于降噪换热器的上下底面；所述汽爆罐顶端开设物料入口，底端开设物料出口，汽爆罐内部设置蒸汽分散装置和物料分散装置，所述蒸汽分散装置包括主管道和分散管道，所述主管道的一端连接蒸汽罐，主管道的另一端连接分散管道，所述分散管道呈环形，分散管道内侧均匀布设开口斜向上的蒸汽喷孔，所述物料分散装置包括固定支架、固定杆、固定套管、分散板、第一固定绳和第二固定绳，所述固定支架呈“十”字形，固定支架端部固定至汽爆罐侧壁，固定支架下部固定连接两个固定套管和固定杆，所述固定杆位于两个固定套管之间，固定杆上转轴连接两个以上的分散板，所述分散板呈半圆形，分散板上均匀布设圆孔，上下布置的两个分散板之间通过第二固定绳连接，分散板远离固定杆的一端设有第一固定绳，所述第一固定绳穿过固定套管连接至汽爆罐外部的转轴，所述分散板位于分散管道上方且分散板的半径小于分散管道的半径。

进一步地，所述预热挡板上设置网状交叉板。

进一步地，所述第一固定绳为钢丝绳，第二固定绳为尼龙绳。

进一步地，所述分散板为六个，位于汽爆罐上方的分散板上的圆孔大于位于汽爆罐下方的分散板上的圆孔。

进一步地，所述第一固定绳和汽爆罐之间设置密封垫。

本发明的有益效果为：

1.本发明提供的一种汽爆预处理秸秆提取低聚木糖的方法，采用汽爆法处理秸秆，有效避免传统工艺使用酸碱产生的废水污染环境。汽爆前对秸秆进行预热，可降低秸秆进入汽爆罐内的加热时间，缩短生产周期，提高生产效率；汽爆后的蒸汽返回预热罐预热秸秆，对蒸汽回收利用，有效节能，物料释放到内部放置有水的具有搅拌功能的常压容器中，可收集物料，迅速降低物料的温度，溶解有效成分，也可以缓冲汽爆过程产生的噪音；本发明降解过程采用磺酸型固体酸催化剂，使用方便，易于分离回收，可重复利用且对设备无腐蚀，有效避免了酶水解法制备过程中酶类物质分离纯化困难导致的分离成本的增加或者产品纯度的降低。

2.本发明提供的一种汽爆预处理秸秆提取低聚木糖的装置，其中，预热罐内部设有预热挡板，所述预热挡板上均匀布设圆孔，便于蒸汽从底部预热秸秆。本发明设置降噪罐，可有效降低汽爆罐的噪音，降低噪音污染，有效保护环境和工作人员的健康，降噪罐内设置的降噪换热器，在蒸汽通过蒸汽通道时既可以进一步降低噪音，也可以起到换热的作用，回收蒸汽的热量，经过降噪罐的蒸汽重新返回预热罐预热秸秆，有效节能。汽爆罐内设置蒸汽分散装置和物料分散装置，使物料分层放置，方便蒸汽更加迅速均匀的渗入到物料内部，避免物料完全堆积在罐底造成蒸汽难以进入，汽爆物料夹生现象，其中，固定支架呈“十”字形，不影响物料的下落；第一固定绳穿过固定套管连接至汽爆罐外部的转轴，上下布置的两个分散板之间通过第二固定绳连接，当汽爆过程时，物料分层放置，拉紧第一固定绳，则分散板全部处于水平方向，在泄压前，则松开第一固定绳，所有的分散板将自动沿转轴下落至垂直方向，物料全部下落堆积到罐底，保证汽爆效果；所述分散管道呈环形，分散管道内侧均匀布设开口斜向上的蒸汽喷孔，每一个分散管道对应两个相对设置的分散板，保证蒸汽快速均匀的渗进物料；所述分散板位于分散管道上方且分散板的半径小于分散管道的半径，既保证蒸汽的渗进物料的效果，又保证分散管道不影响分散板的自由转动。

3.本发明的预热挡板上设置网状交叉板，增加秸秆底部与预热挡板间的空隙，更加有利于蒸汽的流通，预热秸秆更加均匀；所述第一固定绳需要拉紧或松开且承力最大，因此第一固定绳为钢丝绳，可以保证使用强度和使用寿命，第二固定绳为尼龙绳，更加方便位于下方的分散板随上方的分散板转动；所述第一固定绳和汽爆罐之间设置密封垫，保障汽爆罐的密封效果。

附图说明

图1是本发明一种汽爆预处理秸秆提取低聚木糖的方法的工艺流程图。

图2是本发明一种汽爆预处理秸秆提取低聚木糖的装置的预热罐的结构示意图。

图3是本发明一种汽爆预处理秸秆提取低聚木糖的装置的降噪罐的结构示意图。

图4是本发明一种汽爆预处理秸秆提取低聚木糖的装置的降噪换热器的结构示意图。

图5是本发明一种汽爆预处理秸秆提取低聚木糖的装置的汽爆罐的结构示意图。

图6是本发明一种汽爆预处理秸秆提取低聚木糖的装置的物料分散装置的结构示意图。

图7是本发明一种汽爆预处理秸秆提取低聚木糖的装置的蒸汽分散装置的结构示意图。

附图中标号为：1为粉碎机、2为预热罐、3为蒸汽罐、4为汽爆罐、5为常压容器、6为降噪罐、7为板框压滤机、8为脱色罐、9为反应釜、10为蒸发结晶器、11为转轴、12为密封垫、21为秸秆入料口、22为预热挡板、23为秸秆出料口、24为清理口、25为第一蒸汽入口、26为第二蒸汽入口、27为网状交叉板、41为物料入口、42为物料出口、43为主管道、44为分散管道、45为蒸汽喷孔、46为固定支架、47为固定杆、48为固定套管、49为分散板、401第一固定绳、402第二固定绳、61为第三蒸汽入口、62为蒸汽出口、63为降噪换热器、64为蒸汽通道、65为折流挡板、66为分流筒。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

实施例1

如图1所示，一种汽爆预处理秸秆提取低聚木糖的方法，包括以下步骤：

a.备料：取秸秆加入粉碎机1中进行机械粉碎，粉碎后秸秆不超过3厘米，将粉碎后的秸秆倒入预热罐2，使用蒸汽罐3向预热罐2输送蒸汽，对秸秆进行预热；

b.汽爆处理：将步骤a预热后的秸秆直接加入汽爆罐4中，密封，使用蒸汽罐3向汽爆罐4输送蒸汽至温度208～223℃，压力1.3～1.5mpa，维持90～105秒，快速泄压，蒸汽返回预热罐2预热秸秆，物料释放到内部放置有水的常压容器5中；

c.过滤：将步骤b常压容器中的物料经过板框压滤机7过滤得滤液；

d.脱色：将步骤c所得滤液放入脱色罐8中，进行活性炭脱色，得木聚糖溶液；

e.降解：将步骤d所得的木聚糖溶液置于反应釜9中，加入磺酸型固体酸催化剂，在130～138℃条件下搅拌反应2～4小时，反应完成后，过滤所得滤液即为低聚木糖溶液；

f.浓缩：将步骤e所得的低聚木糖溶液置于蒸发结晶器10，在65～70℃条件下蒸发浓缩，得低聚木糖产品。

实施例2

如图2～图7所示，一种汽爆预处理秸秆提取低聚木糖的装置，包括粉碎机1、蒸汽罐3、汽爆罐4、常压容器5、板框压滤机7、脱色罐8、反应釜9和蒸发结晶器10，还包括降噪罐6和预热罐2，所述粉碎机1，用于秸秆的机械粉碎；所述蒸汽罐3，用于给汽爆罐4和预热罐2提供蒸汽；所述常压容器5，用于承接并迅速冷却汽爆后的物料；所述板框压滤机7，用于去除爆破料中的固体渣；所述脱色罐8，用于去除步骤c所得滤液的杂质；所述反应釜9，用于木聚糖溶液的降解，制备低聚木糖溶液；所述蒸发结晶器10，用于蒸发浓缩低聚木糖溶液制备低聚木糖产品；所述预热罐2，用于预热秸秆，预热罐2顶端开设秸秆入料口21，预热罐2内部设有预热挡板22，所述预热挡板22上均匀布设圆孔，预热罐2侧端下部开设秸秆出料口23、清理口24、第一蒸汽入口25和第二蒸汽入口26，所述秸秆出料口23位于预热挡板22上方，清理口24、第一蒸汽入口25和第二蒸汽入口26位于预热挡板22下方；所述降噪罐6，用于爆破后蒸汽的降噪处理，降低对环境的噪音，降噪罐6顶端开设蒸汽出口62，降噪罐6底端开设第三蒸汽入口61，降噪罐6内从上到下依次设有降噪换热器63和分流筒66，所述分流筒66侧壁和底部均匀布设通孔，所述降噪换热器63为圆柱形，降噪换热器63上均匀开设蒸汽通道64和折流挡板65，所述蒸汽通道64和折流挡板65均垂直于降噪换热器63的上下底面；所述汽爆罐4顶端开设物料入口41，底端开设物料出口42，汽爆罐4内部设置蒸汽分散装置和物料分散装置，所述蒸汽分散装置包括主管道43和分散管道44，所述主管道43的一端连接蒸汽罐3，主管道43的另一端连接分散管道44，所述分散管道44呈环形，分散管道44内侧均匀布设开口斜向上的蒸汽喷孔45，所述物料分散装置包括固定支架46、固定杆47、固定套管48、分散板49、第一固定绳401和第二固定绳402，所述固定支架46呈“十”字形，固定支架46端部固定至汽爆罐4侧壁，固定支架46下部固定连接两个固定套管48和固定杆47，所述固定杆47位于两个固定套管48之间，固定杆47上转轴连接两个以上的分散板49，所述分散板49呈半圆形，分散板49上均匀布设圆孔，上下布置的两个分散板49之间通过第二固定绳402连接，分散板49远离固定杆47的一端设有第一固定绳401，所述第一固定绳401穿过固定套管48连接至汽爆罐4外部的转轴11，所述分散板49位于分散管道44上方且分散板49的半径小于分散管道44的半径。

实施例3

如图1～图7所示，一种汽爆预处理秸秆提取低聚木糖的方法及其装置，一种汽爆预处理秸秆提取低聚木糖的方法包括以下步骤：

a.备料：取秸秆加入粉碎机1中进行机械粉碎，粉碎后秸秆不超过3厘米，将粉碎后的秸秆倒入预热罐2，使用蒸汽罐3向预热罐2输送蒸汽，对秸秆进行预热；

b.汽爆处理：将步骤a预热后的秸秆加入汽爆罐4中，密封，使用蒸汽罐3向汽爆罐4输送蒸汽至温度208～223℃，压力1.3～1.5mpa，维持90～105秒，快速泄压，蒸汽返回预热罐2预热秸秆，物料释放到内部放置有水的常压容器5中；

c.过滤：将步骤b常压容器中的物料经过板框压滤机7过滤得滤液；

d.脱色：将步骤c所得滤液放入脱色罐8中，进行活性炭脱色，得木聚糖溶液；

e.降解：将步骤d所得的木聚糖溶液置于反应釜9中，加入磺酸型固体酸催化剂，在130～138℃条件下搅拌反应2～4小时，反应完成后，过滤所得滤液即为低聚木糖溶液；

f.浓缩：将步骤e所得的低聚木糖溶液置于蒸发结晶器10，在65～70℃条件下蒸发浓缩，得低聚木糖产品。

其中，步骤b中所述泄压后的蒸汽经过降噪罐6降噪处理后返回预热罐2预热秸秆，所述常压容器5为带有搅拌功能的常压容器5，步骤e中所述木聚糖溶液的质量为磺酸型固体酸催化剂的质量的200～210倍。

根据上述的一种汽爆预处理秸秆提取低聚木糖的方法的一种汽爆预处理秸秆提取低聚木糖的装置，包括粉碎机1、蒸汽罐3、汽爆罐4、常压容器5、板框压滤机7、脱色罐8、反应釜9和蒸发结晶器10，还包括降噪罐6和预热罐2，所述粉碎机1，用于秸秆的机械粉碎；所述蒸汽罐3，用于给汽爆罐4和预热罐2提供蒸汽；所述常压容器5，用于承接并迅速冷却汽爆后的物料；所述板框压滤机7，用于去除爆破料中的固体渣；所述脱色罐8，用于去除步骤c所得滤液的杂质；所述反应釜9，用于木聚糖溶液的降解，制备低聚木糖溶液；所述蒸发结晶器10，用于蒸发浓缩低聚木糖溶液制备低聚木糖产品；所述预热罐2，用于预热秸秆，预热罐2顶端开设秸秆入料口21，预热罐2内部设有预热挡板22，所述预热挡板22上均匀布设圆孔，预热罐2侧端下部开设秸秆出料口23、清理口24、第一蒸汽入口25和第二蒸汽入口26，所述秸秆出料口23位于预热挡板22上方，清理口24、第一蒸汽入口25和第二蒸汽入口26位于预热挡板22下方；所述降噪罐6，用于爆破后蒸汽的降噪处理，降低对环境的噪音，降噪罐6顶端开设蒸汽出口62，降噪罐6底端开设第三蒸汽入口61，降噪罐6内从上到下依次设有降噪换热器63和分流筒66，所述分流筒66侧壁和底部均匀布设通孔，所述降噪换热器63为圆柱形，降噪换热器63上均匀开设蒸汽通道64和折流挡板65，所述蒸汽通道64和折流挡板65均垂直于降噪换热器63的上下底面；所述汽爆罐4顶端开设物料入口41，底端开设物料出口42，汽爆罐4内部设置蒸汽分散装置和物料分散装置，所述蒸汽分散装置包括主管道43和分散管道44，所述主管道43的一端连接蒸汽罐3，主管道43的另一端连接分散管道44，所述分散管道44呈环形，分散管道44内侧均匀布设开口斜向上的蒸汽喷孔45，所述物料分散装置包括固定支架46、固定杆47、固定套管48、分散板49、第一固定绳401和第二固定绳402，所述固定支架46呈“十”字形，固定支架46端部固定至汽爆罐4侧壁，固定支架46下部固定连接两个固定套管48和固定杆47，所述固定杆47位于两个固定套管48之间，固定杆47上转轴连接两个以上的分散板49，所述分散板49呈半圆形，分散板49上均匀布设圆孔，上下布置的两个分散板49之间通过第二固定绳402连接，分散板49远离固定杆47的一端设有第一固定绳401，所述第一固定绳401穿过固定套管48连接至汽爆罐4外部的转轴11，所述分散板49位于分散管道44上方且分散板49的半径小于分散管道44的半径。所述预热挡板22上设置网状交叉板27。所述第一固定绳401为钢丝绳，第二固定绳402为尼龙绳。所述分散板49为六个，位于汽爆罐4上方的分散板49上的圆孔大于位于汽爆罐4下方的分散板49上的圆孔。所述第一固定绳401和汽爆罐4之间设置密封垫12。

以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明实施范围，故凡依本发明专利范围所述技术方案所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。