农林生物质化学组分的流式分离装置和方法.pdf

本发明涉及一种农林生物质化学组分的流式分离装置和方法。该分离装置包括常温溶剂储存罐、温度调节单元、热溶剂储存罐、抽提管和收集罐，常温溶剂储存罐通过高压泵与温度调节单元连接，温度调节单元与热溶剂储存罐连接，热溶剂储存罐通过单向阀与抽提管连接，抽提管通过恒压阀门与温度调节单元连接，温度调节单元还与收集罐连接。利用该装置，通过改变溶剂的种类、温度、压力和流速，可以将原料中的半纤维素和木素分步抽提至溶剂中，实现生物质中脂溶性物质、半纤维素、木素和纤维素组分的分离。本发明分离方法是在溶剂流动状态下实现对农林生物质化学成分的分离，具有分离快速高效、溶剂使用量低、组分无降解的特点。

权利要求书
1.  一种农林生物质化学组分的流式分离装置，其特征在于，该农林生物质化学组分的流式分离装置包括常温溶剂储存罐、温度调节单元、热溶剂储存罐、抽提管和收集罐，所述的常温溶剂储存罐通过高压泵与温度调节单元连接，所述的温度调节单元与热溶剂储存罐连接，所述的热溶剂储存罐通过单向阀与抽提管连接，所述的抽提管通过恒压阀门与温度调节单元连接，所述的温度调节单元还与收集罐连接。

2.  根据权利要求1所述的农林生物质化学组分的流式分离装置，其特征在于，所述的温度调节单元包括并联连接的加热器和冷却器，所述的加热器分别与高压泵和热溶剂储存罐连接，所述的冷却器分别与恒压阀门和收集罐连接。

3.  根据权利要求1所述的农林生物质化学组分的流式分离装置，其特征在于，所述的恒压阀门与抽提管之间还设置有压力表。

4.  根据权利要求1所述的农林生物质化学组分的流式分离装置，其特征在于，所述的抽提管内部设置有螺旋给料装置，抽提管的进料口和出料口设置有滤网。

5.  根据权利要求1所述的农林生物质化学组分的流式分离装置，其特征在于，所述的高压泵提供压力范围为1～40MPa。

6.  根据权利要求1所述的农林生物质化学组分的流式分离装置，其特征在于，所述的温度调节单元的温度调节范围在10～400℃。

7.  一种农林生物质化学组分的流式分离方法，包括使用权利要求1-6任一项所述的流式分离装置，包括步骤如下；
(1)将农林生物质原料粉碎后装入抽提管中，将溶剂装入常温溶剂储存罐中，通过高压泵将溶剂泵入温度调节单元中，温度调节单元中的加热器将溶剂加热后输送到热溶剂储存罐中，调节单向阀和恒压阀门控制溶剂的流速进而控制溶剂在抽提管的停留时间，溶剂对农林生物质化学组分进行提取；
高压泵调节提取过程中的压力为1～40MPa；
(2)提取结束后，提取化学组分后的溶剂进入温度调节单元中，温度调节单元中的冷凝器对溶剂冷凝至常温后输送到收集罐中，将溶剂蒸发去除即得农林生物质化学组分。

8.  根据权利要求7所述的农林生物质化学组分的流式分离方法，其特征在于，步骤(1)中，当分离农林生物质中的脂溶性物质时，所述的溶剂为苯、甲苯、甲醇、乙醇、超临界二氧化碳或/和甲基叔丁基醚，溶剂加热后的温度为40-210℃，压力0.5-25MPa，溶剂在抽提管的停留时间为5-120min；进一步优选的，所述的脂溶性物质包含但不限于树脂、植物单宁、脂肪酸、植物甾醇；更优选的，溶剂加热后的温度为100-120℃，压力6-8MPa，溶剂在抽提管的停留时间为20-40min；
当分离农林生物质中的半纤维素时，所述的溶剂为水、0.2-10wt％浓度的稀酸溶液，溶剂加热后的温度为100-190℃，压力2.5-10MPa，溶剂在抽提管的停留时间为2-60min；进一 步优选的，所述的稀酸溶液为硫酸、盐酸、硝酸、磷酸或碳酸；更优选的，所述的溶剂为水、0.1-2wt％浓度的稀酸溶液，溶剂加热后的温度为160-180℃，压力6-8MPa，溶剂在抽提管的停留时间为10-30min；
当分离农林生物质中的木质素时，所述的溶剂为1-20wt％浓度的稀碱溶液、0.1-2wt％浓度的无机盐溶液、四氢呋喃、二氧六环、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或/和液氨，溶剂加热后的温度为80-180℃，压力0.5-25MPa，溶剂在抽提管的停留时间为10-90min；进一步优选的，所述的稀碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙，所述的无机盐为碳酸盐或亚硫酸盐；更优选的，所述的溶剂为6-8wt％浓度的稀碱溶液、0.1-0.5wt％浓度的无机盐溶液、四氢呋喃、二氧六环、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或/和液氨，溶剂加热后的温度为80-140℃，压力6-15MPa，溶剂在抽提管的停留时间为10-30min。

9.  根据权利要求7所述的农林生物质化学组分的流式分离方法，其特征在于，步骤(1)中所述的溶剂与农林生物质原料的质量比为3-15:1。

10.  根据权利要求7所述的农林生物质化学组分的流式分离方法，其特征在于，步骤(1)中所述的农林生物质原料为杨木。

说明书农林生物质化学组分的流式分离装置和方法
技术领域
本发明公开了一种农林生物质化学组分的流式分离装置和方法，属于生物质炼制领域。
背景技术
农林生物质主指农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素、农产品加工业下脚料和农林废弃物等物质，具有可再生性，低污染性和广泛分布性。从化学组成来讲，生物质含有除了含有纤维素、半纤维素和木质素三大组分外，还含有一定量的树脂、脂肪、蜡等脂溶性物质。
生物质炼制是指通过开发新的化学、生物和机械手段，将生物质转化为为各种化学品、燃料和生物基材料的技术和设备的集合。生物质组分的有效分离使生物质炼制的基础，能够为后续转化提供合适的原料，因此成为工业界和学术界研究的热点。
近年来，在农林生物质化学组分分离方面涌现出大量专利。中国专利文件CN102561082A(申请号：201210051748.5)公开了一种从木质纤维原料提取半纤维素、纤维素和木质素的方法，在静态的反应釜内利用热水抽提生物质中的半纤维素组分，然后利用碱性有机溶剂(含有氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙的甲醇或乙醇溶液)抽提木质素组分，最终实现半纤维素、木质素和纤维素的分离。中国专利文件CN102101915A(申请号：201010542903.4)公开一种农林生物质组分的分离方法，利用离子液体将农林生物质粉末全部溶解为生物质溶液，然后利用丙酮、水、碱和乙醇的组合，构成特定的溶剂，将生物质溶液中的半纤维素、纤维素和木素分别分离出来。中国专利文件CN101790611A(申请号：200880102063.0)公开了一种将生物质组分分离成诸如纤维素、半纤维素和木质素等单个组分的方法和系统，在反应器内利用10％～30％的氨及其衍生物将木质素溶出，然后利用0.25％-2％的无机酸将半纤维素溶出，类似的专利还有中国专利文件CN1779070A(申请号：200510036416.X)和中国专利文件CN103924468A(申请号：201310688644.X)。
但是，上述专利文件所述的分离方法均在反应器以静态的方式实现，效率较低；并且氢氧化钠、氢氧化钾、硫酸、盐酸、过氧化氢等腐蚀性和氧化性较强的溶剂，在静态的反应器内进行提取，时间较长，碳水化合物降解严重，生成大量的糠醛和有机酸等杂质，为后来的组分纯化带来困难。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种农林生物质化学组分的流式分离装置和方法，利用该装置和方法，可实现生物质中脂溶性物质、半纤维素、木质素和纤维素等化学组分的快速分离。通过流式抽提分离，生物质组分在溶出的同时流出反应器，避免了组分的降解，极大的提高了抽提组分的纯度。
本发明的技术方案如下：
一种农林生物质化学组分的流式分离装置，包括常温溶剂储存罐、温度调节单元、热溶剂储存罐、抽提管和收集罐，所述的常温溶剂储存罐通过高压泵与温度调节单元连接，所述的温度调节单元与热溶剂储存罐连接，所述的热溶剂储存罐通过单向阀与抽提管连接，所述的抽提管通过恒压阀门与温度调节单元连接，所述的温度调节单元还与收集罐连接。
根据本发明，优选的，所述的温度调节单元包括并联连接的加热器和冷却器，所述的加热器分别与高压泵和热溶剂储存罐连接，所述的冷却器分别与恒压阀门和收集罐连接。
根据本发明，优选的，所述的恒压阀门与抽提管之间还设置有压力表。
根据本发明，优选的，所述的抽提管内部设置有螺旋给料装置，抽提管的进料口和出料口设置有滤网。滤网用于防止农林生物质物料的流失。
根据本发明，优选的，所述的高压泵为多元梯度高压泵，能够实现2～4种溶剂的任意体积混合，能够提供1～40MPa的恒定压力；
优选的，所述的温度调节单元的温度调节范围在10～400℃；
优选的，所述的恒压阀门可将压力在1～40MPa之间调节。
根据本发明，一种农林生物质化学组分的流式分离方法，包括使用上述装置，包括步骤如下；
(1)将农林生物质原料粉碎后装入抽提管中，将溶剂装入常温溶剂储存罐中，通过高压泵将溶剂泵入温度调节单元中，温度调节单元中的加热器将溶剂加热后输送到热溶剂储存罐中，调节单向阀和恒压阀门控制溶剂的流速进而控制溶剂在抽提管的停留时间，溶剂对农林生物质化学组分进行提取；
高压泵调节提取过程中的压力为1～40MPa；
(2)提取结束后，提取化学组分后的溶剂进入温度调节单元中，温度调节单元中的冷凝器对溶剂冷凝至常温后输送到收集罐中，将溶剂蒸发去除即得农林生物质化学组分。
根据本发明，优选的，步骤(1)中，当分离农林生物质中的脂溶性物质时，所述的溶剂为苯、甲苯、甲醇、乙醇、超临界二氧化碳或/和甲基叔丁基醚，溶剂加热后的温度为40-210℃，压力0.5-25MPa，溶剂在抽提管的停留时间为5-120min；进一步优选的，所述的脂溶性物质包含但不限于树脂、植物单宁、脂肪酸、植物甾醇；更优选的，溶剂加热后的温度为100-120℃，压力6-8MPa，溶剂在抽提管的停留时间为20-40min；
当分离农林生物质中的半纤维素时，所述的溶剂为水、0.2-10wt％浓度的稀酸溶液，溶剂加热后的温度为100-190℃，压力2.5-10MPa，溶剂在抽提管的停留时间为2-60min；进一步优选的，所述的稀酸溶液为硫酸、盐酸、硝酸、磷酸或碳酸；更优选的，所述的溶剂为水、0.1-2wt％浓度的稀酸溶液，溶剂加热后的温度为160-180℃，压力6-8MPa，溶剂在抽提管的停留时间为10-30min；
当分离农林生物质中的木质素时，所述的溶剂为1-20wt％浓度的稀碱溶液、0.1-2wt％浓度的无机盐溶液、四氢呋喃、二氧六环、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或/和液氨，溶剂加热 后的温度为80-180℃，压力0.5-25MPa，溶剂在抽提管的停留时间为10-90min；进一步优选的，所述的稀碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙，所述的无机盐为碳酸盐或亚硫酸盐；更优选的，所述的溶剂为6-8wt％浓度的稀碱溶液、0.1-0.5wt％浓度的无机盐溶液、四氢呋喃、二氧六环、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或/和液氨，溶剂加热后的温度为80-140℃，压力6-15MPa，溶剂在抽提管的停留时间为10-30min；
优选的，高压泵调节提取过程中的压力为8～30MPa；
优选的，所述的溶剂与农林生物质原料的质量比为3-15:1。
根据本发明，优选的，所述的农林生物质原料为杨木。
根据本发明，将农林生物质原料装入抽提管中，利用高压泵使溶剂在抽提管中流动，通过控制溶剂的种类、比例、温度、压力和流速，将农林生物质原料中的脂溶性物质、半纤维素、木质素组分依次抽提至溶剂中，农林生物质中纤维素组分最终以固态的形式存在于抽提管中，实现生物质化学组分的分离。
本发明的有益效果：
1、本发明分离装置结构简单，使用轻便，分离效果好。
2、本发明分离方法是在溶剂流动状态下实现对农林生物质化学成分的分离，具有分离快速高效、溶剂使用量低、组分无降解的特点。
附图说明
图1为本发明农林生物质化学组分的流式分离装置的主体结构示意图；其中：1、常温溶剂储存罐，2、高压泵，3、温度调节单元，4、热溶剂储存罐，5、单向阀，6、抽提管，7、压力表，8、恒压阀门，9、收集罐。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
一种农林生物质化学组分的流式分离装置，包括常温溶剂储存罐1、温度调节单元3、热溶剂储存罐4、抽提管6和收集罐9，所述的常温溶剂储存罐1通过高压泵2与温度调节单元3连接，所述的温度调节单元3与热溶剂储存罐4连接，所述的热溶剂储存罐4通过单向阀5与抽提管6连接，所述的抽提管6通过恒压阀门8与温度调节单元3连接，所述的温度调节单元3还与收集罐9连接；
所述的温度调节单元3包括并联连接的加热器和冷却器，所述的加热器分别与高压泵2和热溶剂储存罐4连接，所述的冷却器分别与恒压阀门8和收集罐9连接；
所述的恒压阀门8与抽提管6之间还设置有压力表7；
所述的抽提管6内部设置有螺旋给料装置，抽提管6的进料口和出料口设置有滤网；
所述的高压泵2为多元梯度高压泵，能够实现2～4种溶剂的任意体积混合，能够提供1～40MPa的恒定压力；
所述的温度调节单元3的温度调节范围在10～400℃；
所述的恒压阀门8可将压力在1～40MPa之间调节。
实施例2：
一种利用实施例1所述装置对杨木化学组分的流式分离方法，包括步骤如下；
(1)将杨木原料粉碎后装入抽提管6中，将溶剂装入常温溶剂储存罐1中，通过高压泵2将溶剂泵入温度调节单元3中，温度调节单元3中的加热器将溶剂加热后输送到热溶剂储存罐4中，调节单向阀5和恒压阀门8控制溶剂的流速进而控制溶剂在抽提管6的停留时间，溶剂对农林生物质化学组分进行提取；
使用不同溶剂实现不同化学组分的分离，具体如下：
A、溶剂为甲基叔丁基醚，温度调节单元3加热溶剂温度至100-110℃，调节流速使溶剂在抽提管6中的停留时间30min，持续泵送60min，使用溶剂质量为杨木原料质量的4倍，得到含有脂溶性物质(树脂、植物单宁、脂肪酸和植物甾醇)的甲基叔丁基醚溶液；
B、溶剂为水，温度调节单元3加热溶剂温度至175-185℃，调节流速使溶剂在抽提管6中的停留时间20min，持续泵送40min，使用溶剂质量为杨木原料质量的4倍，得到含有半纤维素的水溶液；
C、溶剂为四氢呋喃溶液，温度调节单元3加热溶剂温度至120-135℃，调节流速使溶剂在抽提管6中的停留时间20min，持续泵送60min，使用溶剂质量为杨木原料质量的4倍，得到含有木质素的四氢呋喃溶液；
高压泵2调节提取过程中的压力为8～30MPa；
(2)提取结束后，提取化学组分后的溶剂进入温度调节单元3中，温度调节单元3中的冷凝器对溶剂冷凝至常温后输送到收集罐9中；
蒸发去除甲基叔丁基醚得到脂溶性物质，蒸发去除水后干燥得到半纤维素，蒸发去除四氢呋喃溶液得到木质素，取出抽提管6中的固体得纤维素。
本实施例中，脂溶性物质的得率为95-99％，半纤维素的得率为75-90％，木质素的得率为86-95％，纤维素得率为80-96％。另外，上述半纤维素水溶液中没有检测到糠醛和羟甲基糠醛等糖的降解产物。
对比例：
杨木原料化学组分的静态分离，包括步骤如下：
将杨木原料粉碎后放入反应器内，并加入6倍杨木原料质量的甲基叔丁基醚，加热至100-110℃并维持30min，降温放液，得到含有脂溶性物质(树脂、脂肪、蜡和植物甾醇)的甲基叔丁基醚溶液，蒸发去除甲基叔丁基醚溶液得到脂溶性物质。
向反应器内加入6倍杨木原料质量的水，加热至175-185℃并维持20min，降温放液，得到含有半纤维素的水溶液，蒸发去除水并干燥得到半纤维素。
向反应器内加入锯末6倍杨木原料质量的四氢呋喃，加热至120-135℃并保温20min,降温放液，得到含有木质素的四氢呋喃溶液，蒸发去除四氢呋喃得到木质素。
最后取出反应器内的固体剩余物，得到纤维素。
本对比例中，脂溶性物质的得率为85-90％，半纤维素的得率为45-60％，木质素的得率为50-64％，纤维素得率为70-82％。另外，上述半纤维素水溶液中没有检测到2-5g/L糠醛和1-3g/L羟甲基糠醛等糖的降解产物。
通过对比实施例1和对比例，可知，本发明的流式分离方法比静态式分离方法分离效率明显提高，并且碳水化合物没有降解。
实施例3：
一种利用实施例1所述装置对杨木化学组分的流式分离方法，包括步骤如下；
(1)将杨木原料粉碎后装入抽提管6中，将溶剂装入常温溶剂储存罐1中，通过高压泵2将溶剂泵入温度调节单元3中，温度调节单元3中的加热器将溶剂加热后输送到热溶剂储存罐4中，调节单向阀5和恒压阀门8控制溶剂的流速进而控制溶剂在抽提管6的停留时间，溶剂对农林生物质化学组分进行提取；
使用不同溶剂实现不同化学组分的分离，具体如下：
A、溶剂为乙醇，温度调节单元3加热溶剂温度至100-110℃，调节流速使溶剂在抽提管6中的停留时间30min，持续泵送60min，使用溶剂质量为杨木原料质量的4倍，得到含有脂溶性物质(树脂、植物单宁、脂肪酸和植物甾醇)的乙醇溶液；
B、溶剂为0.2wt％的盐酸，温度调节单元3加热溶剂温度至175-185℃，调节流速使溶剂在抽提管6中的停留时间10min，持续泵送40min，使用溶剂质量为杨木原料质量的4倍，得到含有半纤维素的盐酸溶液；
C、溶剂为二氧六环水溶液(90.2％二氧六环、9.8％水)，温度调节单元3加热溶剂温度至80-120℃，调节流速使溶剂在抽提管6中的停留时间20min，持续泵送40min，使用溶剂质量为杨木原料质量的4倍，得到含有木质素的二氧六环水溶液；
高压泵2调节提取过程中的压力为8～30MPa；
(2)提取结束后，提取化学组分后的溶剂进入温度调节单元3中，温度调节单元3中的冷凝器对溶剂冷凝至常温后输送到收集罐9中；
蒸发去除乙醇得到脂溶性物质，蒸发去除盐酸后干燥得到半纤维素，蒸发去除溶液得到木质素，取出抽提管6中的固体得纤维素。
本实施例中，脂溶性物质的得率为95-99％，半纤维素的得率为70-80％，木质素的得率为90-95％，纤维素得率为90-95％。
实施例4：
如实施例2所述，不同的是：
步骤(1)中，A、溶剂为甲苯，温度调节单元3加热溶剂温度至100-110℃，调节流速使溶剂在抽提管6中的停留时间20min，持续泵送40min，使用溶剂质量为杨木原料质量的6倍，得到含有脂溶性物质(树脂、植物单宁、脂肪酸和植物甾醇)的甲苯溶液；
B、溶剂为0.2wt％的硫酸，温度调节单元3加热溶剂温度至175-185℃，调节流速使溶剂在抽提管6中的停留时间20min，持续泵送40min，使用溶剂质量为杨木原料质量的6 倍，得到含有半纤维素的硫酸溶液；
C、溶剂为0.2wt％氢氧化钠溶液，温度调节单元3加热溶剂温度至110-120℃，调节流速使溶剂在抽提管6中的停留时间30min，持续泵送40min，使用溶剂质量为杨木原料质量的4倍，得到含有木质素的氢氧化钠溶液；
步骤(2)中，提取结束后，提取化学组分后的溶剂进入温度调节单元3中，温度调节单元3中的冷凝器对溶剂冷凝至常温后输送到收集罐9中；
蒸发去除甲苯得到脂溶性物质，蒸发去除溶液后干燥得到半纤维素，蒸发去除溶液得到木质素，取出抽提管6中的固体得纤维素。