專利名稱：一種生物質(zhì)長(zhǎng)短纖維干法梳理分級(jí)的方法與設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物質(zhì)資源應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種用于生物質(zhì)長(zhǎng)短纖維干法梳理分 級(jí)的方法與設(shè)備。
背景技術(shù)：
生物質(zhì)原料來源廣泛，富含纖維的生物質(zhì)原料主要是植物纖維原料。植物纖維原 料種類眾多，根據(jù)原料的形態(tài)特征、來源及其我國(guó)的習(xí)慣，大體上分為以下幾類(表1)表1植物纖維原料的分類[楊淑惠主編，植物纖維化學(xué)，中國(guó)輕エ業(yè)出版社，2001]
針葉林原料馬尾松、落葉松等
植 木材纖維原料 --
闊葉林原料楊木，桉木等
物---
禾本科纖維原料 蘆葦、甘蔗渣、麥草等 纖--韌皮纖維原料 桑皮，棉桿皮、麻類等
維 非木材纖維原料 --
籽毛纖維 棉花、棉短絨、棉質(zhì)破布等 J^--
葉部纖維原料 菠蘿葉、甘蔗葉、龍須草等 料---
1半木材纖維原料L棉桿等_組成植物纖維原料的細(xì)胞可分為兩大類即纖維細(xì)胞與非纖維細(xì)胞(雜細(xì)胞)。非 纖維細(xì)胞大多屬于薄壁細(xì)胞，如闊葉木和禾本科植物中的導(dǎo)管；針、闊葉木中的木射線薄壁 細(xì)胞；禾本科中的表皮細(xì)胞、硅細(xì)胞、木栓細(xì)胞、篩管等。薄壁細(xì)胞薄而柔軟，短小，胞腔大， 多為圓形、橢圓形或多面型。纖維細(xì)胞包括針葉木和闊葉木的管胞、韌皮型木纖維、禾本科 植物中的韌皮型纖維等。表2植物纖維原料的纖維細(xì)胞和雜細(xì)胞含量比較表[梁實(shí)梅，張靜嫻等編著，《制漿技術(shù)問答》，中國(guó)輕エ業(yè)出版社，1994]
原料纖維細(xì)胞(％)雜細(xì)胞(％)原料纖維細(xì)胞(％) 雜細(xì)胞(％)
馬尾松98.51.5黑龍江葦64.535.5
落葉松98.51.5棉桿芯71.328.7紅松98.21.8龍須草70.529.5 桉樹82.417.6荻65.534.5 鉆天楊76.723.3甘蔗渣64.335.7 白皮樺73.326.7稻草46.054.0
磁竹83.816.2麥草62.137.9
綠竹74.725.3高粱稈48.751.3西風(fēng)竹68.931.1蓖麻稈80.020.0 毛竹68.831.2芭茅稈46.953.1
黃竹—65.1_34.9_玉米稈—30.8 _59.2 _
從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，針葉木含雜細(xì)胞最少，只有1.5%左右，闊葉木次之，草類最多，一般都在40-60 %之間，竹類原料在20-35 %之間。由于細(xì)胞形態(tài)、組成等方面的差異，植物纖維原料中的纖維細(xì)胞與非纖維細(xì)胞在造紙、紡織、化工等領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)差異巨大。在造紙工業(yè)，在制漿蒸煮時(shí)薄壁細(xì)胞等雜細(xì)胞易吸收藥液起化學(xué)作用，增加化學(xué)藥品消耗，洗滌時(shí)大部分流失，吸水性強(qiáng)，給抄紙帶來困難。而且雜細(xì)胞交織能力弱，機(jī)械強(qiáng)度差，造成紙張強(qiáng)度下降，所以，從造紙角度來看，原料中的雜細(xì)胞越少越好。在紡織工業(yè)中，人們?cè)陂_發(fā)常規(guī)纖維原料麻、棉新產(chǎn)品的同時(shí)，有越來越多的天然植物纖維原料被人們加以開發(fā)利用，如竹纖維、菠蘿纖維、棉桿皮纖維等?，F(xiàn)在，紡織工業(yè)中的人造纖維漿粕是纖維原料替代研究的重點(diǎn)，這些稱為“細(xì)小纖維的”非纖維細(xì)胞中，含有較多的苯醇抽出物，灰分等不純物，對(duì)漿粕的純度、過濾性能等有較大的影響，因此，篩除細(xì)小纖維以改造漿粕質(zhì)量，已成為生產(chǎn)人造纖維漿粕的有效措施之一。因此，纖維原料在紡織工業(yè)中應(yīng)用的是天然植物纖維中的長(zhǎng)纖維細(xì)胞部分，因此，對(duì)天然植物纖維原料的進(jìn)行清潔、高效的脫膠、除雜細(xì)胞等處理工藝一直是紡織工業(yè)原料研究的重點(diǎn)。與木材一樣，秸稈等植物纖維原料可用于制造板材，但由于秸稈，如玉米秸稈等在稈穰中含有比較豐富的糖、脂肪等非纖維細(xì)胞，造成板得吸水性大，質(zhì)量難過關(guān)。而植物纖維原料在發(fā)酵工業(yè)中應(yīng)用時(shí)，需要將其降解成糖才能進(jìn)行下一步的發(fā)酵轉(zhuǎn)化，目前，纖維素原料降解成糖的常用方法包括酸水解法以及酶降解法。當(dāng)采用溶劑或酶對(duì)植物纖維原料進(jìn)行降解時(shí)，溶劑與酶跟原料的可作用位點(diǎn)的多少、難易就成為降解反應(yīng)的關(guān)鍵。在這種情況下，原料中的雜細(xì)胞以及細(xì)小纖維組織由于反應(yīng)時(shí)的可作用位點(diǎn)多，可及性強(qiáng)，因此，雜細(xì)胞、細(xì)小纖維的酶解效率相對(duì)長(zhǎng)纖維的酶解效率大大提高。從上面的分析可以看出，造紙工業(yè)，紡織工業(yè)、板材工業(yè)等利用植物纖維原料中的纖維細(xì)胞部分(主要是長(zhǎng)纖維部分)，而雜細(xì)胞、細(xì)小纖維部分不但在蒸煮過程中造成蒸煮液的浪費(fèi)，而且使產(chǎn)品的質(zhì)量下降，品位降低。而纖維原料在發(fā)酵、生物轉(zhuǎn)化過程中，需將原料降解，長(zhǎng)纖維細(xì)胞、雜細(xì)胞與細(xì)小纖維細(xì)胞與溶劑或酶的可及性差異大，是反應(yīng)與轉(zhuǎn)化的不穩(wěn)定因素。由此，要想提高纖維原料的綜合利用價(jià)值，必須將纖維細(xì)胞與非纖維細(xì)胞的分離后分別高值化，因此，開發(fā)針對(duì)植物纖維原料的細(xì)胞分離方法體系及其設(shè)備成為其綜合利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，研究報(bào)道的關(guān)于纖維細(xì)胞與非纖維細(xì)胞的分級(jí)方法主要有纖維的水力疏解分級(jí)，采用大量的水(物料濃度0.05-0. 1% )將纖維疏解開，重復(fù)多次，分別收集上浮的薄壁細(xì)胞等以及下沉的纖維細(xì)胞，由此，將產(chǎn)生大量的廢水，不利于原料的工業(yè)化利用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種生物質(zhì)長(zhǎng)短纖維干法梳理分級(jí)的方法與設(shè)備，即針對(duì)植物纖維原料中纖維細(xì)胞與雜細(xì)胞組織(含細(xì)小纖維)利用中存在相互影響、相互制約，而現(xiàn)有的纖維分級(jí)方法產(chǎn)生大量污水，不適合工業(yè)化生產(chǎn)利用的問題，發(fā)明了一種生物質(zhì)原料長(zhǎng)短纖維干法梳理分級(jí)的方法與設(shè)備，采用汽爆預(yù)處理與機(jī)械梳理組織分級(jí)相耦合，分離得到優(yōu)質(zhì)纖維組織、雜細(xì)胞組織(細(xì)小纖維組織)。長(zhǎng)纖維束組織可用于造紙、紡織等工業(yè)應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)纖維原料，而薄壁細(xì)胞等組成的細(xì)小纖維可用于生產(chǎn)生物肥料或酶解發(fā)酵生產(chǎn)乙醇、丁醇、2，3-丁二醇、黃原膠、飼料蛋白等一系列的生物化工產(chǎn)品，從而實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)原料的長(zhǎng)短纖維組分分級(jí)分離、清潔、高值化利用。其具體的技術(shù)方案為1)將生物質(zhì)原料進(jìn)行分類；2)根據(jù)不同種類的原料選擇汽爆條件進(jìn)行汽爆處理；3)將汽爆處理后的物料置于纖維梳理分級(jí)設(shè)備進(jìn)行纖維梳理分級(jí)，分別得到纖維束組織和包括細(xì)小纖維組織的雜細(xì)胞。所述的分類是將生物質(zhì)原料分為木材纖維原料、非木材纖維原料和半木材纖維原料；所述的根據(jù)不同原料選擇汽爆條件為木材纖維原料選用的汽爆條件為 175-250°C維持5-lOmin ；非木材纖維原料選用的汽爆條件為150_180°C維持3-lOmin ；半木材纖維原料選用的汽爆條件為165-200°C維持2-7min。所述的纖維梳理分級(jí)設(shè)備，其特征在于該設(shè)備包括進(jìn)料口，分級(jí)梳理中心軸，變頻電機(jī)，連接皮帶、風(fēng)機(jī)、雜細(xì)胞出料口、纖維出料口等。所述的纖維梳理分級(jí)包括以下步驟開啟梳理分機(jī)設(shè)備，將汽爆處理后的物料從進(jìn)料口投入，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為250-1500轉(zhuǎn)/min，分別處理5-60min，分別收集分級(jí)后的纖維束組織和包括細(xì)小纖維組織的雜細(xì)胞。本發(fā)明的有益效果為1、本發(fā)明公開了一種生物質(zhì)長(zhǎng)短纖維干法梳理分級(jí)的方法與設(shè)備，采用汽爆預(yù)處理與機(jī)械梳理組織分級(jí)相耦合，分離得到優(yōu)質(zhì)纖維組織、雜細(xì)胞組織(細(xì)小纖維組織)，將分級(jí)后的纖維分別高值化利用。2、本發(fā)明提供的生物質(zhì)原料纖維梳理分級(jí)方法，按照植物纖維原料的特性，選用適用于不同類型原料的汽爆條件對(duì)其進(jìn)行梳理前的處理，汽爆后的原料成絲狀，結(jié)構(gòu)疏松， 降低了纖維細(xì)胞與雜細(xì)胞之間的粘連作用，使纖維細(xì)胞暴露，但仍保持一定的韌性，是實(shí)現(xiàn)纖維梳理分級(jí)的重要一步。3、本發(fā)明提供了一種生物質(zhì)長(zhǎng)短纖維干法梳理分級(jí)的專用設(shè)備，是根據(jù)汽爆處理后纖維原料的性質(zhì)，根據(jù)纖維細(xì)胞與雜細(xì)胞之間粘連特性選用適宜的轉(zhuǎn)速與處理時(shí)間實(shí)現(xiàn)纖維的分級(jí)，整個(gè)分級(jí)過程，是一種清潔、高效的分級(jí)過程。4、本發(fā)明提供的纖維梳理分級(jí)不同于目前紡織工業(yè)上采用的纖維梳理，紡織工業(yè)采用的纖維分級(jí)針對(duì)的是纖維原料，基本含有的都是纖維細(xì)胞，只是對(duì)纖維細(xì)胞進(jìn)行梳理或進(jìn)行不同來源的原料進(jìn)行梳理混合，從而滿足纖維的可紡織性，而本發(fā)明針對(duì)的含有纖維細(xì)胞和非纖維細(xì)胞的初始原材料，梳理的目標(biāo)是將其中的纖維細(xì)胞與非纖維細(xì)胞進(jìn)行分離，然后實(shí)現(xiàn)纖維細(xì)胞與非纖維細(xì)胞部分分別進(jìn)行高值化利用的目的。5、本發(fā)明提供的生物質(zhì)長(zhǎng)短纖維干法梳理分級(jí)的方法體現(xiàn)的是纖維在干法狀態(tài)下的分級(jí)處理，不同于現(xiàn)有的纖維的水力疏解分級(jí)，水力疏解時(shí)物料的濃度只有 0. 05-0. 1%，也就是說處理1噸物料將用到至少1000噸水，6、梳理分級(jí)后得到的長(zhǎng)纖維可用于造紙、紡織等工業(yè)應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)纖維原料，而薄壁細(xì)胞等組成的細(xì)小纖維可用于生產(chǎn)生物肥料或酶解發(fā)酵生產(chǎn)乙醇、丁醇、2，3-丁二醇、黃
5原膠、飼料蛋白等一系列的生物化工產(chǎn)品，從而實(shí)現(xiàn)植物纖維原料的組分分級(jí)分離、清潔、 高值化利用。


圖1 纖維梳理分級(jí)設(shè)備俯視2 纖維梳理分級(jí)設(shè)備圖1進(jìn)料口，2變頻電機(jī)，3連接皮帶，4風(fēng)機(jī)，5雜細(xì)胞出料口 6雜細(xì)胞下料口，7纖維出料口，8分級(jí)梳理中心軸
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。實(shí)施例1 菠蘿葉纖維的汽爆預(yù)處理耦合纖維梳理分級(jí)將菠蘿葉置于汽爆罐，在170°C維持5min進(jìn)行蒸汽爆破，將汽爆后的物料調(diào)節(jié)含水量到50%，然后將物料送入纖維梳理裝置，開啟梳理裝置，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為600r/min，連續(xù)處理15min，分別收集長(zhǎng)纖維部分以及雜細(xì)胞部分(含細(xì)小纖維)，其中纖維長(zhǎng)纖維部分約占 60%，可作為紡織纖維進(jìn)行下一步的處理，而細(xì)小纖維部分約占40%，可發(fā)酵生產(chǎn)飼料蛋白。實(shí)施例2 苧麻汽爆脫膠及纖維的梳理分級(jí)將30kg苧麻置于0. 5立方汽爆罐，在200°C維持細(xì)化進(jìn)行蒸汽爆破，將汽爆后的物料調(diào)節(jié)含水量到50%，然后將物料送入纖維梳理裝置，開啟梳理裝置，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為700r/ min，連續(xù)處理20min，分別收集長(zhǎng)纖維部分以及雜細(xì)胞部分(含細(xì)小纖維)，其中纖維長(zhǎng)纖維部分約占75 %，可作為紡織纖維進(jìn)行下一步的處理，而細(xì)小纖維部分約占25 %，可發(fā)酵生產(chǎn)生物肥料。實(shí)施例3 農(nóng)作物秸稈的纖維梳理分級(jí)分離將玉米秸稈切短至3-20cm，置于汽爆罐中，在160°C維持5min進(jìn)行汽爆處理，將汽爆后的物料調(diào)節(jié)含水量到陽％，然后將物料送入纖維梳理裝置，開啟梳理裝置，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為 500r/min，連續(xù)處理15min，分別收集長(zhǎng)纖維部分以及雜細(xì)胞部分(含細(xì)小纖維)，其中纖維長(zhǎng)纖維部分約占45 %，可作為制漿纖維進(jìn)行下一步的處理，而細(xì)小纖維部分約占55 %，可進(jìn)行酶解后發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇。實(shí)施例4 棉桿原料的纖維梳理分級(jí)將棉稈切短至3-20cm，置于汽爆罐中，在180°C維持6min進(jìn)行汽爆處理，將汽爆后的物料調(diào)節(jié)含水量到陽％，然后將物料送入纖維梳理裝置，開啟梳理裝置，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為 800r/min，連續(xù)處理20min，分別收集長(zhǎng)纖維部分以及雜細(xì)胞部分(含細(xì)小纖維)，其中纖維長(zhǎng)纖維部分約占75%，可作為制漿纖維進(jìn)行下一步的處理，而細(xì)小纖維部分約占25%，可進(jìn)行酶解后發(fā)酵生產(chǎn)燃料丁醇。實(shí)施例5 竹材纖維的梳理分級(jí)將竹子破片，按1. 5cm*30cm規(guī)格切段，按照1 1比例加入蒸餾水在常溫下將切段的竹材預(yù)先浸泡30min，將預(yù)先浸泡竹材置于汽爆罐中，在175°C維持i:3min進(jìn)行汽爆處理，將汽爆后的物料調(diào)節(jié)含水量到55 %，然后將物料送入纖維梳理裝置，開啟梳理裝置，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為900r/min，連續(xù)處理lOmin，分別收集長(zhǎng)纖維部分以及雜細(xì)胞部分(含細(xì)小纖維)， 其中纖維長(zhǎng)纖維部分約占75%，可作為竹原纖維進(jìn)行下一步的處理，而細(xì)小纖維部分約占 25%,可進(jìn)行加堿脫木質(zhì)素制備紙漿原料以及木質(zhì)素產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種生物質(zhì)原料長(zhǎng)短纖維干法梳理分級(jí)的方法，其步驟如下(1)將生物質(zhì)原料進(jìn)行分類；(2)根據(jù)不同種類的原料選擇汽爆條件進(jìn)行汽爆處理；(3)將汽爆處理后的物料置于纖維梳理分級(jí)設(shè)備進(jìn)行纖維梳理分級(jí)，分別得到纖維束組織和包括細(xì)小纖維組織的雜細(xì)胞。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(1)所述的分類是將生物質(zhì)原料分為木材纖維原料、非木材纖維原料和半木材纖維原料。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，木材纖維原料包括針葉林原料與闊葉林原料。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，非木材纖維原料包括禾本科纖維原料、韌皮纖維原料、籽毛纖維原料和葉部纖維原料。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，半木材纖維原料包括棉稈。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(2)所述的根據(jù)不同原料選擇汽爆條件為木材纖維原料選用的汽爆條件為175-250°C維持5-lOmin ；非木材纖維原料選用的汽爆條件為150-180°C維持3-lOmin ；半木材纖維原料選用的汽爆條件為165-200°C維持 2-7min。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(3)所述的纖維梳理分級(jí)設(shè)備包括進(jìn)料口，分級(jí)梳理中心軸，變頻電機(jī)，連接皮帶、風(fēng)機(jī)、雜細(xì)胞出料口、纖維出料口。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟(3)所述的纖維梳理分級(jí)包括以下步驟 開啟梳理分機(jī)設(shè)備，將汽爆處理后的物料從進(jìn)料口投入，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為250-1500轉(zhuǎn)/min，分別處理5-60min，分別收集分級(jí)后的纖維束組織和包括細(xì)小纖維組織的雜細(xì)胞。
全文摘要
針對(duì)生物質(zhì)原料中纖維細(xì)胞與雜細(xì)胞組織利用中存在相互影響、相互制約，而現(xiàn)有的纖維分級(jí)方法產(chǎn)生大量污水，不適合工業(yè)化利用的問題，發(fā)明了一種生物質(zhì)原料長(zhǎng)短纖維干法梳理分級(jí)的方法與設(shè)備將原料進(jìn)行分類；根據(jù)不同原料選擇汽爆條件進(jìn)行汽爆處理；汽爆處理后的物料置于纖維梳理分級(jí)設(shè)備進(jìn)行分級(jí)，分別得纖維束組織和雜細(xì)胞。采用汽爆與機(jī)械梳理組織分級(jí)相耦合，梳理分級(jí)后得到的長(zhǎng)纖維可用于造紙、紡織等工業(yè)應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)纖維原料，而薄壁細(xì)胞等組成的細(xì)小纖維可用于生產(chǎn)生物肥料、飼料蛋白或酶解發(fā)酵生產(chǎn)乙醇、丁醇、2，3-丁二醇、黃原膠等一系列的生物化工產(chǎn)品，從而實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)長(zhǎng)短纖維組分分級(jí)分離、清潔、高值化利用。
文檔編號(hào)B07B13/00GK102357465SQ20111023385
公開日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月15日
發(fā)明者付小果, 陳洪章 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所