專利名稱：一種生物質(zhì)微波連續(xù)預(yù)處理反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生 物化工領(lǐng)域，特別涉及ー種生物質(zhì)微波連續(xù)預(yù)處理反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
隨著以石化燃料為主的傳統(tǒng)能源如煤炭、石油等的日趨緊缺及其利用過程中產(chǎn)生的一系列環(huán)境問題，世界各國都在積極探索利用可再生能源，而生物質(zhì)作為地球上最豐富的可再生能源，引起了人們越來越多的關(guān)注。優(yōu)化生物煉制エ藝是提高生物質(zhì)利用效能的重要前提，而預(yù)處理工藝是生物煉制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對生物質(zhì)的預(yù)處理，研究人員采用酸、堿、汽爆、水熱、等離子體、微波、超聲、離子液體等方式做了大量的研究工作。其中，微波預(yù)處理由于熱效率高，易操作，方便和無污染等特點，吸引了研究人員的關(guān)注。微波預(yù)處理技術(shù)發(fā)展較早，早在1984年，日本學(xué)者Azuma和Ooshima(Ooshimaet al. Biotechnology Letters, 1984,6 (5), 289-294.)等就發(fā)現(xiàn)微波對植物纖維素原料進行預(yù)處理可以部分降解木質(zhì)素和半纖維素，從而增加其可及度，提高植物纖維素的酶水解(糖化)的效率。Kichaiya (Kitchaiya et al. Journal of wood chemistry andtechnology, 2003，23 (2)，217-225.)利用微波，在常壓的甘油水溶液中對植物纖維素原料進行預(yù)處理，得到了與Azuma和Ooshima類似的結(jié)果。國內(nèi)的熊犍等(2000)、張麗等(2009)也做了微波預(yù)處理生物質(zhì)的相關(guān)研究。(熊犍等.華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2000，,84-89.張麗等.纖維素科學(xué)與技術(shù)，2009，(01)，52-56.)針對微波技術(shù)，研究人員早期報道過一些專用設(shè)備。如1990年，臺灣大學(xué)Chen等人報道了微波連續(xù)反應(yīng)技術(shù)，反應(yīng)物經(jīng)泵體加壓進入微波反應(yīng)器內(nèi)，經(jīng)微波輻射后流出進入接收器(Chen et al. Journal of tne Chemical society, Chemical しommunications,1990，(11),807-809. )。1994年，澳大利亞CSIRO公司報道了ー種連續(xù)反應(yīng)器，這種反應(yīng)器是將ー組橫向式盤管置于微波爐中而成，物料可以連續(xù)通過反應(yīng)器進行反應(yīng)。(Cablewskiet al. The Journal of Organic Chemistry,1994,59(12),3408-3412.)目前，國外專業(yè)微波反應(yīng)器的生產(chǎn)廠商包括Anton Paar GmbH (Graz,澳大利亞),Biotage AB (UPPsala,瑞典)，CEM 公司(Matthews, NC,美國)和 Milestones.r. I. (Sorisole，意大利)。這些公司開發(fā)的單?；蚨嗄Ｎ⒉ㄔO(shè)備主集中于有機化學(xué)合成、制藥等領(lǐng)域，專門針對生物質(zhì)微波連續(xù)預(yù)處理的設(shè)備比較少。此外，若將這些公司的微量高通量設(shè)計理念用于設(shè)計以エ業(yè)放大為導(dǎo)向的生物質(zhì)微波連續(xù)預(yù)處理設(shè)備，實施起來有一定的困難。近年來，國內(nèi)的研究人員也開發(fā)出了相應(yīng)的エ業(yè)應(yīng)用的微波連續(xù)處理設(shè)備，主要應(yīng)用于生物化工產(chǎn)品的干燥、殺菌、殺青、食品烘烤、熟化、膨化等行業(yè)。專利號為ZL200620062178. X的專利公布了一種微波連續(xù)干燥生產(chǎn)線，主要用于陶瓷類產(chǎn)品的干燥。專利號為ZL200620029596. 9的專利公布了一種連續(xù)微波反應(yīng)設(shè)備，該設(shè)備采用管道的方式連續(xù)進料，適用于液體物料如離子液體等進行反應(yīng)。專利號為ZL200820157825. 4的專利公布了ー種微波連續(xù)合成反應(yīng)裝置，該裝置適用于固態(tài)反應(yīng)物合成，尤其適用于粘度較大的聚合物合成，且物料在其螺桿攪拌下混合更加的均勻。綜上，現(xiàn)有的微波設(shè)備不能很好提供ー個良好的生物質(zhì)連續(xù)預(yù)處理環(huán)境，致使其工程放大缺乏相應(yīng)的理論基礎(chǔ)和模型，很大程度上限制了其エ業(yè)應(yīng)用設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計，也制約了微波技術(shù)在其它應(yīng)用領(lǐng)域的進ー步拓展。因此，有必要進ー步開發(fā)經(jīng)濟高效，并適合エ業(yè)放大的生物質(zhì)微波連續(xù)預(yù)處理設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是設(shè)計一臺專用于生物質(zhì)微波預(yù)處理的中試設(shè)備，為探究生物質(zhì)微波預(yù)處理工藝的エ業(yè)放大，奠定基礎(chǔ)。本發(fā)明的構(gòu)思針對生物質(zhì)微波預(yù)處理技術(shù)，現(xiàn)有的微波設(shè)備不能提供ー個良好的生物質(zhì)連續(xù)預(yù)處理環(huán)境，致使其工程放大缺乏相應(yīng)的理論基礎(chǔ)和模型，很大程度上限制了其エ業(yè)應(yīng)用設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計。為此，本專利提出了ー種生物質(zhì)微波連續(xù)預(yù)處理反應(yīng)器通過特制的傳動裝置有效的傳送物料，并在微波箱體內(nèi)設(shè)置有溫度、濕度傳感器，補水裝置，以及物料混合裝置，通過實時監(jiān)測物料在微波處理過程中的各項參數(shù)的變化情況，更加真實的反映了物料在預(yù)處理過程中所處的環(huán)境，有利于微波技術(shù)工程放大相應(yīng)的理論基礎(chǔ)的 研究和模型的建立，為其進一歩推廣到エ業(yè)的應(yīng)用，進行理論與實踐鋪墊。本發(fā)明技術(shù)方案ー種生物質(zhì)微波連續(xù)預(yù)處理反應(yīng)器，包括物料連續(xù)輸入系統(tǒng)、功率連續(xù)線性可調(diào)微波反應(yīng)系統(tǒng)、防微波泄漏系統(tǒng)、控制與檢測系統(tǒng)、排熱排濕系統(tǒng)、物料混合系統(tǒng)、補水系統(tǒng)和預(yù)處理后物料輸出系統(tǒng)等。 在微波箱體內(nèi)，傳輸帶上方設(shè)置有由閥門控制的補水裝置，可根據(jù)需要對物料補水或其它液體溶剤。在微波箱體的頂部增加排熱罩、排濕罩，便于將潮氣引入通風(fēng)櫥。在設(shè)備的進出料裝置與傳送系統(tǒng)的配合下，物料可以連續(xù)進出微波反應(yīng)系統(tǒng)，實現(xiàn)物料的連續(xù)預(yù)處理。在設(shè)備的傳送裝置中，傳送帶由聚四氟こ烯、波纖加聚四氟こ烯、鍍特氟龍的玻璃棉或聚酰胺等不吸收微波的材料制成；且設(shè)有防漏結(jié)構(gòu)，傳送帶兩側(cè)底部安裝滾輪，使傳送帶成‘凹’字形結(jié)構(gòu)，防止漏料；設(shè)有可控攪拌結(jié)構(gòu)設(shè)備加熱區(qū)內(nèi)耦合振動電機，使物料在運行的過程中輕微抖動。在設(shè)備的進料ロ、中間、出料ロ處分別安裝熱電偶或熱電阻、紅外測溫儀，多點實時檢測物料的溫度。設(shè)備采用PLC或MCGS自動化控制，觸摸屏操作，動態(tài)顯示微波功率、溫度、濕度、時間、輸送電機轉(zhuǎn)速等參數(shù)。在微波箱體上設(shè)有用于清潔的安全門，箱體底部設(shè)有排水孔，可用水沖洗。大面積可視窗(有燈光)采用防微波泄漏的扼流裝置，觀察物料運行狀態(tài)，并設(shè)有開門自動斷電保護裝置。本發(fā)明的基本構(gòu)造如下物料首先由進料斗2進入到傳送帶10的入口端,物料由傳送帶10傳輸,經(jīng)過微波抑制器3后，送到微波箱體7內(nèi)，微波箱體7內(nèi)上端設(shè)有補水的進水噴頭、濕度探頭，可以對處理過程中的物料進行水份調(diào)節(jié)，并檢測箱體內(nèi)的濕度變化。在微波箱體7的進料ロ、中間、出料ロ處分別安裝熱電偶或熱電阻、紅外測溫儀，實時檢測箱體內(nèi)的溫度，通過溫度的變化情況，進而對微波功率進行反饋調(diào)節(jié)，同時，微波箱體內(nèi)部的一段傳送帶下面設(shè)有振動電機，可以對物料進行輕微的混合，實現(xiàn)物料更好的傳質(zhì)、傳熱。箱體7下部還預(yù)留有一小孔，方便實驗過程中有需要通入保護氣體(比如氮氣等)的情況。由干物料在反應(yīng)過程中可能會有較多的水份蒸發(fā)，所以箱體7頂部設(shè)有排熱罩5、排濕罩6，用于將熱氣和濕氣引出。微波箱體內(nèi)的微波源由6個IKW的磁控管并聯(lián)在一起，并通過可控電路，實現(xiàn)功率線性連續(xù)可調(diào)，可滿足不同強度的實驗過程。當(dāng)物料在微波箱體里經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗螅锪嫌蓚魉蛶鬏?，?jīng)過微波抑制器3后，到達(dá)出料端的出料斗11。本發(fā)明具有以下特點和優(yōu)勢I.微波功率和傳送帶速度可連續(xù)線性可調(diào)，可滿足不同強度實驗的需要；2.設(shè)備智能化程度較高，控制面板可控參數(shù)多，如濕度，溫度，傳送帶速度，微波功率，工作時間等。3.傳質(zhì)傳熱效果好，在微波加熱均勻的前提下，微波箱體內(nèi)傳送帶下添加振動裝 置，可進ー步改善傳質(zhì)、傳熱效果；4.結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)合緊湊，無壓力容器，設(shè)備造價低；5.可適用于多種生物質(zhì)原料的處理，并可以實驗連續(xù)操作，生產(chǎn)效率高；6.尾氣處理完善，進出料ロ設(shè)有風(fēng)罩，可減少排入大氣中的廢氣，減免污染；


圖I ー種生物質(zhì)微波連續(xù)預(yù)處理反應(yīng)器1，換向端架；2，進料斗；3，微波抑制器；4，電源箱(磁控管\變壓器6只)；5，排熱罩；6，排濕罩；7，加熱箱體；8，安全門；9，控制臺；10，傳輸帶；11，出料斗；12，動カ端架；
具體實施例方式下面通過實施例對本發(fā)明做進ー步說明。實施例I每小時處理Ikg玉米秸桿的生物質(zhì)微波連續(xù)預(yù)處理反應(yīng)器。如附圖1，固液比為10% (m/v)的物料首先由進料漏斗2進入到傳送帶的入口端，物料由傳送帶10傳輸，傳送帶采用鍍特氟龍的玻璃棉制成，且設(shè)有防漏結(jié)構(gòu)，傳送帶兩側(cè)底部安裝滾輪，使傳送帶成‘凹’字形結(jié)構(gòu)，防止漏料。經(jīng)過微波抑制器3后，送到微波箱體7內(nèi)。微波箱體7內(nèi)上端設(shè)有補水的進水噴頭、濕度探頭，可以對處理過程中的物料進行水份調(diào)節(jié)，并檢測箱體內(nèi)的濕度變化，并且在微波箱體的進料ロ、中間、出料ロ處分別安裝熱電偶測溫儀，多點實時檢測箱體內(nèi)的溫度，同時，微波箱體7內(nèi)部的一段傳送帶下面設(shè)有振動電機，可以對物料進行輕微的抖動，實現(xiàn)物料更好的傳質(zhì)、傳熱。在微波箱體上設(shè)有打掃衛(wèi)生的安全門8，箱體底部有排水孔，可用水沖洗。大面積可視窗(有燈光)采用防微波泄漏的扼流裝置，觀察物料運行狀態(tài)，并設(shè)有開門自動斷電保護裝置。由干物料在反應(yīng)過程中可能會有較多的水份蒸發(fā)，所以箱體頂部設(shè)有排熱罩5、排濕罩6，用于將熱氣和濕氣引出。微波箱體7內(nèi)的微波源由6個IKW的韓國三星原裝進ロ風(fēng)冷磁控管并聯(lián)在一起，并通過可控電路，微波功率選用1KW，物料在微波箱體中的停留時間為5min。當(dāng)物料在微波箱體里經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗?，物料由傳送?0傳輸，經(jīng)過微波抑制器3后，到達(dá)出料端的出料斗11。此夕卜，設(shè)備控制系統(tǒng)采用PLC自動化控制，觸摸屏操作，動態(tài)顯示微波功率、溫度、濕度、時間、輸送電機轉(zhuǎn)速等參數(shù)。預(yù)處理后的原料含水量為15%，按比例添加20IU纖維素酶/g纖維素后用于纖維素的酶解，酶解48h后，纖維素的酶解率為80%。相對應(yīng)未經(jīng)微波處理的玉米秸桿，其酶解率只有25%。實施例2每小時處理3kg速生柳的生物質(zhì)微波連續(xù)預(yù)處理反應(yīng)器。如附圖1，固液比為10% (m/v)的物料首先由進料漏斗2進入到傳送帶的入口端，物料由傳送帶10傳輸，傳送帶采用波纖加聚四氟こ烯制成，且設(shè)有防漏結(jié)構(gòu)，傳送帶兩側(cè) 底部安裝滾輪，使傳送帶成‘凹’字形結(jié)構(gòu)，防止漏料。經(jīng)過微波抑制器3后，送到微波箱體7內(nèi)，微波箱體7內(nèi)上端設(shè)有補水的進水噴頭、濕度探頭，可以對處理過程中的物料進行水份調(diào)節(jié)，并檢測箱體內(nèi)的濕度變化，并且在微波箱體的進料ロ、中間、出料ロ處分別安裝紅外測溫儀，多點實時檢測箱體內(nèi)的溫度，同時，微波箱體7內(nèi)部的一段傳送帶下面設(shè)有振動電機，可以對物料進行輕微的抖動，實現(xiàn)物料更好的傳質(zhì)、傳熱。箱體上部還預(yù)留有一小孔，實驗過程中通入氮氣作為保護氣體。在微波箱體上設(shè)有打掃衛(wèi)生的安全門8，箱體底部有排水孔，可用水沖洗。大面積可視窗(有燈光)采用防微波泄漏的扼流裝置，觀察物料運行狀態(tài)，并設(shè)有開門自動斷電保護裝置。由干物料在反應(yīng)過程中可能會有較多的水份蒸發(fā)，所以箱體頂部設(shè)有排熱罩5、排濕罩6,用于將熱氣和濕氣引出。微波箱體7內(nèi)的微波源由6個IKW的韓國三星原裝進ロ風(fēng)冷磁控管并聯(lián)在一起，并通過可控電路，微波功率選用3KW，物料在微波箱體中的停留時間為lOmin。當(dāng)物料在微波箱體里經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗?，物料由傳送?0傳輸，經(jīng)過微波抑制器3后，到達(dá)出料端的出料斗11。此外，設(shè)備控制系統(tǒng)采用MCGS自動化控制，觸摸屏操作，動態(tài)顯示微波功率、溫度、濕度、時間、輸送電機轉(zhuǎn)速等參數(shù)。預(yù)處理后的原料含水量為17%，按比例添加20IU纖維素酶/g纖維素后用于纖維素的酶解，酶解48h后，纖維素的酶解率為75%。相對應(yīng)未經(jīng)微波處理的速生柳，其酶解率只有20%。實施例3每小時處理6kg芒草的生物質(zhì)微波連續(xù)預(yù)處理反應(yīng)器。如附圖1，固液比為10% (m/v)的物料首先由進料漏斗2進入到傳送帶的入口端，物料由傳送帶10傳輸，傳送帶采用聚酰胺制成，且設(shè)有防漏結(jié)構(gòu)，傳送帶兩側(cè)底部安裝滾輪，使傳送帶成‘凹’字形結(jié)構(gòu)，防止漏料。經(jīng)過微波抑制器3后，送到微波箱體7內(nèi)，微波箱體7內(nèi)上端設(shè)有補水的進水噴頭、濕度探頭，可以對處理過程中的物料進行水份調(diào)節(jié)，并檢測箱體內(nèi)的濕度變化，并且在微波箱體的進料ロ、中間、出料ロ處分別安裝熱電阻測溫儀，多點實時檢測箱體內(nèi)的溫度，同時，微波箱體7內(nèi)部的一段傳送帶下面設(shè)有振動電機，可以對物料進行輕微的抖動，實現(xiàn)物料更好的傳質(zhì)、傳熱。箱體上部還預(yù)留有一小孔，實驗過程中通入氮氣作為保護氣體。在微波箱體上設(shè)有打掃衛(wèi)生的安全門8，箱體底部有排水孔，可用水沖洗。大面積可視窗(有燈光)采用防微波泄漏的扼流裝置，觀察物料運行狀態(tài)，并設(shè)有開門自動斷電保護裝置。由干物料在反應(yīng)過程中可能會有較多的水份蒸發(fā)，所以箱體頂部設(shè)有排熱罩5、排濕罩6，用于將熱氣和濕氣引出。微波箱體7內(nèi)的微波源由6個IKW的韓國三星原裝進ロ風(fēng)冷磁控管并聯(lián)在一起，并通過可控電路，微波功率選用6KW，物料在微波箱體中的停留時間為15min。當(dāng)物料在微波箱體里經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗?物料由傳送帶10傳輸，經(jīng)過微波抑制器3后，到達(dá)出料端的出料斗11。此外，設(shè)備控制系統(tǒng)采用MCGS自動化控制，觸摸屏操作，動態(tài)顯示微波功率、溫度、濕度、時間、輸送電機轉(zhuǎn)速等參數(shù)。
預(yù)處理后的原料含水量為20%，按比例添加20IU纖維素酶/g纖維素后用于纖維素的酶解，酶解48h后，纖維素的酶解率為80%。相對應(yīng)未經(jīng)微波處理的芒草，其酶解率只有 30%。
權(quán)利要求
1.一種生物質(zhì)微波連續(xù)預(yù)處理反應(yīng)器，其特征在于包括物料連續(xù)輸入系統(tǒng)、功率連續(xù)線性可調(diào)微波反應(yīng)系統(tǒng)、防微波泄漏系統(tǒng)、控制與檢測系統(tǒng)、排熱排濕系統(tǒng)、物料混合系統(tǒng)、補水系統(tǒng)和預(yù)處理后物料輸出系統(tǒng)等。
2.如權(quán)利要求I所述生物質(zhì)微波連續(xù)預(yù)處理反應(yīng)器，其特征在于在微波箱體內(nèi)，傳輸帶上方設(shè)置有由閥門控制的補水裝置，可根據(jù)需要對物料補水或其它液體溶劑。
3.如權(quán)利要求I所述生物質(zhì)微波連續(xù)預(yù)處理反應(yīng)器，其特征在于在微波箱體的頂部增加排熱罩、排濕罩，便于將潮氣引入通風(fēng)櫥。
4.如權(quán)利要求I所述生物質(zhì)微波連續(xù)預(yù)處理反應(yīng)器，其特征在于在設(shè)備的進出料裝置與傳送系統(tǒng)的配合下，物料可以連續(xù)進出微波反應(yīng)系統(tǒng)，實現(xiàn)物料的連續(xù)預(yù)處理。
5.如權(quán)利要求I所述生物質(zhì)微波連續(xù)預(yù)處理反應(yīng)器，其特征在于在設(shè)備的傳送裝置中，傳送帶由聚四氟乙烯、波纖加聚四氟乙烯、鍍特氟龍的玻璃棉或聚酰胺等不吸收微波的材料制成；且設(shè)有防漏料構(gòu)，即傳送帶底部設(shè)置定位筋，設(shè)備兩側(cè)設(shè)置手動鎖緊輪；設(shè)有防漏結(jié)構(gòu)，傳送帶兩側(cè)底部安裝滾輪，使傳送帶成‘凹’字形結(jié)構(gòu)，防止漏料；設(shè)有可控攪拌結(jié)構(gòu)設(shè)備加熱區(qū)內(nèi)耦合振動電機，使物料在運行的過程中輕微抖動。
6.如權(quán)利要求I所述生物質(zhì)微波連續(xù)預(yù)處理反應(yīng)器，其特征在于在設(shè)備的進料口、中間、出料口處分別安裝熱電偶或熱電阻、紅外測溫儀，多點實時檢測物料的溫度。
7.如權(quán)利要求I所述生物質(zhì)微波連續(xù)預(yù)處理反應(yīng)器，其特征在于設(shè)備采用PLC或MCGS自動化控制，觸摸屏操作，動態(tài)顯示微波功率、溫度、濕度、時間、輸送電機轉(zhuǎn)速等參數(shù)。
8.如權(quán)利要求I所述生物質(zhì)微波連續(xù)預(yù)處理反應(yīng)器，其特征在于在微波箱體上設(shè)有用于清潔的大開口門，箱體底部設(shè)有排水孔，可用水沖洗。大面積可視窗(有燈光)采用防微波泄漏的扼流裝置，觀察物料運行狀態(tài)，并設(shè)有開門自動斷電保護裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種生物質(zhì)微波連續(xù)預(yù)處理設(shè)備，其結(jié)構(gòu)包括物料連續(xù)輸入系統(tǒng)，微波功率連續(xù)線性可調(diào)反應(yīng)系統(tǒng)，防微波泄漏系統(tǒng)、控制與檢測系統(tǒng)，排熱、排濕系統(tǒng)，物料混合系統(tǒng)，補水系統(tǒng)，物料輸出系統(tǒng)。本發(fā)明通過進料裝置與傳送帶將高濃度物料輸送入微波反應(yīng)系統(tǒng)，在溫度、濕度檢測系統(tǒng)、補水系統(tǒng)與物料混合系統(tǒng)的控制下，將物料調(diào)整在所需的溫度、濕度范圍內(nèi)，并使其傳熱、傳質(zhì)均勻，最后由出料系統(tǒng)輸出物料，實現(xiàn)對物料的連續(xù)預(yù)處理。本設(shè)備采用觸摸屏操作，動態(tài)顯示微波功率、溫度、濕度、時間等參數(shù)，自動、智能化程度高，人機交流簡易、方便。本發(fā)明實現(xiàn)了常壓下對生物質(zhì)的連續(xù)預(yù)處理，處理效率高，能耗低，降低了預(yù)處理的成本。
文檔編號B01J19/12GK102658077SQ20121010747
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月12日
發(fā)明者彭華棟, 徐建, 李宏強, 陳金金 申請人:中國科學(xué)院過程工程研究所