專利名稱：固體酸催化液態(tài)聚糖水解及濃縮的固定床管式反應(yīng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)水解糖化制取可發(fā)酵性糖領(lǐng)域，特別涉及一種適用于聚糖水解制取單糖和糖溶液濃縮技術(shù)的規(guī)模化生產(chǎn)的新型反應(yīng)裝置。
背景技術(shù)：
纖維素燃料乙醇的研究已開展多年，但其制備工藝中尚存在一些關(guān)鍵的技術(shù)問題尚未解決，其中最主要的是如何將生物質(zhì)原料高效、低能耗、綠色環(huán)保的轉(zhuǎn)化為單糖，為乙醇發(fā)酵提供原料?，F(xiàn)有的水解糖化工藝主要有酸水解法和酶水解法，酸水解法具有水解強(qiáng)度大、反應(yīng)速度快、原料轉(zhuǎn)化率高的特點(diǎn)，但是由于其反應(yīng)溫度較高，造成能耗過大，同時， 在高溫的酸性環(huán)境中，生成的單糖容易發(fā)生降解反應(yīng)，糖損失嚴(yán)重；酶水解法具有高的選擇性和糖收率，可以定向產(chǎn)生單糖，不發(fā)生副反應(yīng)造成糖損失，但是其由于反應(yīng)時間較長、纖維素酶成本高等缺點(diǎn)，限制了其在大型生成中的應(yīng)用。固體酸水解法是近幾年發(fā)展起來的一種酸水解技術(shù)，可以在較低的反應(yīng)溫度時， 對生物質(zhì)物料進(jìn)行催化水解，由于其反應(yīng)溫度低，酸強(qiáng)度較弱，因此其反應(yīng)過程中的能耗低、生成的糖基本不損失，具有很大的發(fā)展?jié)摿σ约皯?yīng)用價值。本專利申請的發(fā)明人已開發(fā)出適用于生物質(zhì)水解的固體酸催化劑，并申請了中國發(fā)明專利“一種生物質(zhì)水解用固體酸催化劑的制備方法(申請?zhí)?01110126178. 7) ”。影響纖維素燃料乙醇經(jīng)濟(jì)性因素不僅是原料的利用率(原料中的半纖維素和纖維素成分是否全部轉(zhuǎn)化成可發(fā)酵性糖)，更重要的是水解液中的糖濃度。水解液中糖濃度低，不僅使發(fā)酵過程中需要加入的營養(yǎng)物質(zhì)增多，而且發(fā)酵液中乙醇的濃度低，增加了乙醇精制過程的能耗，造成生產(chǎn)成本增加。根據(jù)發(fā)明人對生物質(zhì)原料水解糖化的研究經(jīng)驗(yàn)以及對固體酸特性的研究，開發(fā)了本發(fā)明中所涉及的固定床管式反應(yīng)系統(tǒng)，不僅可以將生物質(zhì)物料預(yù)處理后產(chǎn)生的聚糖高效地水解成單糖，而且還可以對糖液進(jìn)行濃縮，提高液體中的糖濃度。該套反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作成本低、反應(yīng)高效、維護(hù)簡便，具有巨大的市場發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以在較低反應(yīng)溫度下實(shí)現(xiàn)聚糖催化水解及糖液濃縮的固定床管式反應(yīng)裝置，將生物質(zhì)原料預(yù)處理后所得的聚糖低能耗、高效地轉(zhuǎn)化成單糖。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取以下的技術(shù)方案固體酸催化液態(tài)聚糖水解及濃縮的固定床管式反應(yīng)裝置，包括原料儲存罐、固定床管式反應(yīng)器和糖液儲存罐；所述原料儲存罐上設(shè)有攪拌裝置及使攪拌裝置與原料儲存罐密封的機(jī)械密封裝置。所述原料儲存罐上還設(shè)有排氣口和排液口。原料輸入管與所述原料儲存罐連通，原料儲存罐的原料輸出管經(jīng)過高壓計(jì)量泵與固定床管式反應(yīng)器連通。固定床管式反應(yīng)器的輸出端經(jīng)分液閥門分別與排液管、回流管、糖液輸送管連通，所述回流管、糖液輸送管分別與原料儲存罐、糖液儲存罐連通。糖液儲存罐設(shè)有回流濃縮管與原料儲存罐連通，回流濃縮管亦可設(shè)有高壓計(jì)量泵。另設(shè)有清洗液輸送管通過閥門分別與原料儲存罐、 糖液儲存罐連通。所述的固定床管式反應(yīng)器，是由若干段填充固體酸催化劑的不銹鋼管通過連接彎頭組成的，包括帶有攻絲的一定長度的不銹鋼管；設(shè)置于不銹鋼管兩端的連接部件，用于封堵和過濾罐內(nèi)的固體酸催化劑顆粒，并與彎頭管線相連。通過彎頭管線將若干段填充催化劑的不銹鋼管相連，以滿足反應(yīng)所需的催化劑床層高度要求，實(shí)現(xiàn)聚糖的水解以及糖液濃縮。反應(yīng)器最外層設(shè)置有保溫層，如設(shè)在圓柱形外殼內(nèi)的圓柱形夾套，里面填充保溫材料，用于防止反應(yīng)器內(nèi)的溫度損失。在反應(yīng)器上還設(shè)置有用于檢測反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)溫度的溫度感應(yīng)部件，與溫度感應(yīng)部件相連的溫度顯示和控制儀表，以及加熱裝置；反應(yīng)過程中， 由溫度感應(yīng)部件反饋反應(yīng)器殼體內(nèi)的反應(yīng)溫度，再由控制儀表進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，可以通過加熱裝置對固定床管式反應(yīng)器進(jìn)行保溫和加溫操作。上述裝置的工作過程如下打開原料輸入管的閥門將聚糖溶液輸送至原料儲存罐中，通過原料儲存罐的排氣口將由于液體進(jìn)入所擠壓的空氣排出，保持原料儲存罐內(nèi)處于正常的大氣壓；通過設(shè)置在原料儲存罐上的攪拌裝置攪拌使原料儲存罐內(nèi)的液體混合均勻。打開原料輸出管的閥門，在提供液體流動所需動力的高壓計(jì)量泵作用下將原料儲存罐中的聚糖溶液輸入至固定床管式反應(yīng)器進(jìn)行聚糖水解反應(yīng)及糖液濃縮，在固定床管式反應(yīng)器的輸出端可以進(jìn)行分液回流管使反應(yīng)液回流至原料儲存罐中，再經(jīng)過原料輸出管輸入到固定床管式反應(yīng)器中重新進(jìn)行聚糖水解反應(yīng)及糖液濃縮以提高糖液濃度；糖液輸送管向糖液儲存罐中輸送糖液；排液管放出先流出的液體或水，對反應(yīng)液進(jìn)行濃縮。在反應(yīng)過程中，這三個分液管可根據(jù)實(shí)際情況選擇開或閉，還可通過閥門開合大小調(diào)節(jié)流量比例。打開糖液輸送管的閥門，將固定床管式反應(yīng)器中的反應(yīng)液輸送至糖液儲存罐中， 通過排液口放出糖液；在回流濃縮管的高壓計(jì)量泵所提供的動力作用下，糖液儲存罐中的糖液還可以回流至原料儲存罐，再經(jīng)過原料輸出管輸入到固定床管式反應(yīng)器中重新進(jìn)行聚糖水解反應(yīng)及糖液濃縮以提高糖液濃度。該反應(yīng)裝置不使用時，打開清洗液輸送管上的閥門向原料儲存罐和糖液儲存罐中通入清水，再由上述排液口間歇放液，實(shí)現(xiàn)對罐體的清洗。本發(fā)明與現(xiàn)有的反應(yīng)器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明中所述的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，便于操作和維護(hù)；(2)該反應(yīng)器可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化操作，并根據(jù)反應(yīng)原料的特性，調(diào)整固定床管式反應(yīng)器的長度，以滿足反應(yīng)的需求；(3)與全混流間歇反應(yīng)器相比，該反應(yīng)器操作簡單、反應(yīng)效率高、反應(yīng)徹底；(4)該反應(yīng)器不僅可以實(shí)現(xiàn)聚糖的水解，而且由于其內(nèi)部固體酸催化劑的特性，還可以實(shí)現(xiàn)糖液的濃縮；(5)該反應(yīng)器在低溫下運(yùn)行，與常規(guī)的水解糖化反應(yīng)裝置相比，大幅度地降低了反應(yīng)能耗，提高了纖維素燃料乙醇的經(jīng)濟(jì)性。運(yùn)用本裝置可以將生物質(zhì)預(yù)處理環(huán)節(jié)停留在生成聚糖的程度，無需再進(jìn)行深入反應(yīng)至生成單糖，大幅度降低了生物質(zhì)水解糖化環(huán)節(jié)的能耗，提高了纖維素燃料乙醇的經(jīng)濟(jì)性。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和流程示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的固定床管式反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例的固體酸催化劑填充管結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例的固定床管式反應(yīng)器內(nèi)催化劑填充管布置示意圖(管式反應(yīng)器橫截面圖)。附圖標(biāo)記說明1-原料輸入管；2-原料儲存罐；3-攪拌軸；4-攪拌槳；5-固定床管式反應(yīng)器；6-溫度顯示和控制儀表；7-電爐絲；8-第一高壓計(jì)量泵；9-分液閥門；10-排液管；11-回流管；12-糖液輸送管；13-糖液儲存罐；14-第二高壓計(jì)量泵；15-回流濃縮管；16-機(jī)械密封裝置；17-排液口 ；18-清洗液輸送管。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本實(shí)施例結(jié)構(gòu)如下本實(shí)施例包括原料儲存罐2、固定床管式反應(yīng)器5和糖液儲存罐13。所述原料儲存罐2上設(shè)有帶攪拌漿4的攪拌軸3，以及使攪拌軸3與原料儲存罐3密封的機(jī)械密封裝置 16。所述原料儲存罐2上還設(shè)有排氣口和帶閥門的排液口 17。原料輸入管1經(jīng)閥門與所述原料儲存罐2通，原料儲存罐2的原料輸出管經(jīng)過第一高壓計(jì)量泵8與固定床管式反應(yīng)器3連通。固定床管式反應(yīng)器3的輸出端經(jīng)分液閥門9分別與排液管10、回流管11、糖液輸送管12連通，所述回流管11、糖液輸送管12分別與原料儲存罐3、糖液儲存罐13連通。 糖液儲存罐13設(shè)有回流濃縮管15與原料儲存罐2連通，回流濃縮管15設(shè)有第二高壓計(jì)量泵14。另設(shè)有清洗液輸送管18通過閥門分別與原料儲存罐2、糖液儲存罐13連通。如圖2、3、4所示，所述的固定床管式反應(yīng)器5，是由若干段填充固體酸催化劑的不銹鋼管通過連接彎頭組成的，包括帶有攻絲的一定長度的不銹鋼管；設(shè)置于不銹鋼管兩端的連接部件，用于封堵和過濾罐內(nèi)的固體酸催化劑顆粒，并與彎頭管線相連。通過彎頭管線將若干段填充催化劑的不銹鋼管相連，以滿足反應(yīng)所需的催化劑床層高度要求，實(shí)現(xiàn)聚糖的水解以及糖液濃縮。反應(yīng)器最外層設(shè)置有圓柱形外殼內(nèi)的圓柱形夾套，里面填充保溫材料，用于防止反應(yīng)器內(nèi)的溫度損失。在圓柱形殼體內(nèi)還設(shè)置有用于檢測反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)溫度的溫度感應(yīng)部件，與溫度感應(yīng)部件相連的溫度顯示和控制儀表6，以及繞在圓柱形殼體上的電爐絲7 ；反應(yīng)過程中，由溫度感應(yīng)部件反饋反應(yīng)器殼體內(nèi)的反應(yīng)溫度，再由控制儀表 6進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，可以通過電爐絲7對固定床管式反應(yīng)器5進(jìn)行保溫和加溫操作。固定床管式反應(yīng)器中填充的固體酸催化劑可以采用中國專利申請 201110126178. 7公開的固體酸催化劑，亦可采用現(xiàn)有技術(shù)公開的其他固體酸催化劑。下面結(jié)合本實(shí)施例對本發(fā)明工作過程做進(jìn)一步說明。實(shí)施例1結(jié)合圖1，以生物質(zhì)原料(玉米秸稈)預(yù)處理后生成的聚糖溶液單次進(jìn)樣反應(yīng)為例，對本發(fā)明中系統(tǒng)的操作方法進(jìn)行闡述(1)打開原料輸入管1處的閥門，使預(yù)處理后的聚糖溶液進(jìn)入到原料儲存罐2中， 并打開攪拌系統(tǒng)中的攪拌軸3，攪拌軸3帶動攪拌槳4對聚糖原料液進(jìn)行攪拌；
(2)開啟固定床管式反應(yīng)器5的溫度顯示和控制儀表6及電爐絲7的開關(guān)，設(shè)定溫度，略高于所需求的反應(yīng)溫度；(3)待溫度顯示和控制儀表6顯示的溫度到達(dá)設(shè)定溫度后，開啟第一高壓計(jì)量泵 8，將聚糖原料液輸送至固定床管式反應(yīng)器5中；(4)調(diào)節(jié)溫度顯示和控制儀表6的設(shè)定溫度為所需的反應(yīng)溫度，對反應(yīng)器進(jìn)行保溫和加溫操作；(5)開啟分液閥門9中的排液管10，并關(guān)閉回流管11和糖液輸送管12 ；(6)反應(yīng)完成后，關(guān)閉排液管10，打開糖液輸送管12，將反應(yīng)后的液體進(jìn)入糖液儲存罐13中；(7)待原料儲存罐2中的液體物料輸送完畢后，打開糖液儲存罐13底部連接的第二高壓計(jì)量泵14，將糖液經(jīng)回流濃縮管15輸送至原料儲存罐2中，重復(fù)步驟(1)_(6)，并根據(jù)所需糖液的濃度擬定循環(huán)次數(shù)；(8)將循環(huán)完畢的糖液通過糖液輸送管12進(jìn)入糖液儲存罐13中備用，完成此次操作。原料儲存罐2和糖液儲存罐13上還設(shè)有帶閥門的排液口 17 ；清洗液輸送管18經(jīng)過閥門分別與所述原料儲存罐2和糖液儲存罐13連通。該反應(yīng)裝置不使用時，打開清洗液輸送管18上的閥門向原料儲存罐2和糖液儲存罐13中通入清水，再由上述排液口 17間歇放液，實(shí)現(xiàn)對罐體的清洗。實(shí)施例2結(jié)合圖1，以生物質(zhì)原料(玉米秸稈)預(yù)處理后生成的聚糖溶液連續(xù)進(jìn)樣反應(yīng)為例，對本發(fā)明中系統(tǒng)的操作方法進(jìn)行闡述(1)-(5)與實(shí)施例1完全相同；(6)待反應(yīng)完成后，關(guān)閉排液管10，調(diào)節(jié)回流管11和糖液輸送管12的流量，實(shí)現(xiàn)液體物料的分流，使一部分物料回到原料儲存罐2中，另一部分物料進(jìn)入糖液儲存罐13 中；(7)分流完成后，開啟糖液儲存罐13底部連接的第二高壓計(jì)量泵14，調(diào)節(jié)流量，使一部分糖液經(jīng)回流濃縮管15回流至原料儲存罐2中，根據(jù)對糖液濃度的需要設(shè)定總體循環(huán)時間；(8)待完成第一次整體循環(huán)時間后，調(diào)節(jié)糖液儲存罐13的排液口流量，將糖液作為原料輸送至下一個操作環(huán)節(jié)中；(9)首次聚糖水解和濃縮的工藝操作完成，原料連續(xù)進(jìn)入到原料儲存罐2中，一直重復(fù)步驟(7)-(8)的操作。上述兩個實(shí)施例中的反應(yīng)介質(zhì)為生物質(zhì)原料預(yù)處理后生成的聚糖溶液和液體溶劑(生物質(zhì)物料包括玉米秸稈、甜高粱渣、木屑、稻草等木質(zhì)纖維素類農(nóng)林廢棄物；液體溶劑包括水和可以溶解聚糖，有助于糖與催化劑形成化學(xué)鍵并對催化劑無害的化學(xué)試劑)。本發(fā)明中涉及的固定床管式反應(yīng)器不局限于單純的生物質(zhì)原料預(yù)處理后生成的聚糖水解，對于通過其它化學(xué)反應(yīng)制得的聚糖溶液，需要在固定床管式反應(yīng)器中進(jìn)行催化水解成單糖以及糖溶液濃縮的工藝方法同樣屬于本發(fā)明的范疇。上列說明是針對本發(fā)明可行實(shí)施例的具體說明，該實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明的專利范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實(shí)施或變更，均應(yīng)包含于本案的專利范圍中。
權(quán)利要求
1.一種固體酸催化液態(tài)聚糖水解及濃縮的固定床管式反應(yīng)裝置，其特征在于包括原料儲存罐、固定床管式反應(yīng)器和糖液儲存罐；所述原料儲存罐上設(shè)有攪拌裝置及使攪拌裝置與原料儲存罐密封的機(jī)械密封裝置，還設(shè)有排氣口和排液口 ；原料輸入管與所述原料儲存罐連通，原料儲存罐的原料輸出管與固定床管式反應(yīng)器連通；固定床管式反應(yīng)器的輸出端經(jīng)分液閥門分別與排液管、回流管、糖液輸送管連通，所述回流管、糖液輸送管分別與原料儲存罐、糖液儲存罐連通；糖液儲存罐設(shè)有回流濃縮管與原料儲存罐連通。
2.如權(quán)利要求1所述的固體酸催化液態(tài)聚糖水解及濃縮的固定床管式反應(yīng)裝置，其特征在于所述的固定床管式反應(yīng)器由若干段填充固體酸催化劑的不銹鋼管通過連接彎頭組成的，反應(yīng)器最外層設(shè)置有保溫層，在反應(yīng)器上還設(shè)置有用于檢測反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)溫度的溫度感應(yīng)部件，與溫度感應(yīng)部件相連的溫度顯示和控制儀表，以及加熱裝置。
3.如權(quán)利要求1所述的固體酸催化液態(tài)聚糖水解及濃縮的固定床管式反應(yīng)裝置，其特征在于還設(shè)有清洗液輸送管，所述清洗液輸送管經(jīng)過閥門分別與原料儲存罐和糖液儲存罐連通。
4.如權(quán)利要求2所述的固體酸催化液態(tài)聚糖水解及濃縮的固定床管式反應(yīng)裝置，其特征在于所述固定床管式反應(yīng)器由填充固體酸催化劑的不銹鋼管和設(shè)置于不銹鋼管兩端的連接部件通過連接彎頭組裝而成。
5.如權(quán)利要求2所述的固體酸催化液態(tài)聚糖水解及濃縮的固定床管式反應(yīng)裝置，其特征在于所述保溫層為設(shè)在固定床管式反應(yīng)器圓柱形外殼內(nèi)的圓柱形夾套，里面填充保溫材料。
6.如權(quán)利要求2所述的固體酸催化液態(tài)聚糖水解及濃縮的固定床管式反應(yīng)裝置，其特征在于所述加熱裝置為繞在固定床管式反應(yīng)器圓柱形外殼上的電爐絲。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種可以在較低反應(yīng)溫度下實(shí)現(xiàn)聚糖催化水解及糖液濃縮的固定床管式反應(yīng)裝置，包括原料儲存罐、固定床管式反應(yīng)器和糖液儲存罐；原料儲存罐上設(shè)有攪拌裝置及使攪拌裝置與機(jī)械密封裝置，還設(shè)有排氣口和排液口；原料輸入管與原料儲存罐連通，原料儲存罐的原料輸出管與固定床管式反應(yīng)器連通；固定床管式反應(yīng)器的輸出端經(jīng)分液閥門分別與排液管、回流管、糖液輸送管連通，回流管、糖液輸送管分別與原料儲存罐、糖液儲存罐連通；糖液儲存罐設(shè)有回流濃縮管與原料儲存罐連通。運(yùn)用本裝置可以將生物質(zhì)預(yù)處理環(huán)節(jié)停留在生成聚糖的程度，無需再進(jìn)行深入反應(yīng)至生成單糖，大幅度降低了生物質(zhì)水解糖化環(huán)節(jié)的能耗，提高了纖維素燃料乙醇的經(jīng)濟(jì)性。
文檔編號C13K13/00GK102277456SQ20111016270
公開日2011年12月14日 申請日期2011年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月16日
發(fā)明者亓偉, 余強(qiáng), 莊新姝, 張宇, 徐惠娟, 王瓊, 袁振宏, 許敬亮 申請人:中國科學(xué)院廣州能源研究所