纤维生物转换螺带式搅拌机器工程概述

　　纤维生物转换螺带式搅拌机器工程概述第1章前言一生物质生物转化与化学工程发展1.1生物质转化，生物能源与生物基化学品制取各种动、植物有机体均为生物质（biomass),尤指农、林、工业废弃物以及各种种植的陆生、水生能源作物。生物质是地球上最丰富的资源，全世界年产ixicTMT。生物质可再生、循环利用，经过物理、化学或生物转化成为能源或化学品。重要的生物能源产品包括燃料乙醇、丁醇、丁二醇，生物柴油，生物氢等。生物基化学品有生物塑料（聚乳酸PLA,聚轻基脂肪酸酷PHA......)、生物基精细化学品。本文关注木质纤维素类生物质的生物加工，具体说，稻秆类物质经生物转化制取生物燃料乙醇。据称，我国年产农作物稻秆约7亿吨，玉米稻秆占35%，这将是本文探讨的加工对象和产品对象。生物质的生物转化技术，涉及生物、生物化学和工程学、化学工程两个方而。作为本论文的起点，将阐述生物质生物转化在资源利用、环境保护方面的重要意义，技术发展的成就、问题、历史、现状与未来，并将重点探讨生物转化与化学工程发展的相互关系，生物转化既需要借鉴、利用化学工程原理、方法和设备，同时给传统化学工程展现了新的研究课题，而且生物学的一些前沿学科分支也推动化学工程学科前沿交叉学科的形成。在这些分析、探讨的基础上，从而确立本论文的主要研究内容、研究方法以及企求达到的目标。1.1.1生物质转化一制造与应用生物燃料乙醇的意义(1)生物乙醇优越的燃烧性能乙醇用于内燃机，1879年由Nikolas Otto发明。有了汽车，乙醇就用作燃料。只是由于石油价格便宜，处理方便，供应充足，以致长期以来乙醇并未成为主要燃料，仅作为饮料或工业原料，而且合成乙醇产量超过发酵乙醇。1970年代石油危机，1980年代一些国家乙醇开始作为燃料代用品。生物乙醇有较高的辛焼值，较宽的可燃极限，较快的火焰速度，较高的蒸发热，这些性质阻碍自燃，许可更高的压缩比，较短的燃烧时间，从而使内燃机的理论效率优于使用汽油。生物乙醇的缺点是能量密度较低（相当丁?汽油的66%)，有腐烛性，低火焰亮度，低蒸汽压（冷启动困难）与水互溶以及对生态系统有毒性。乙醇含35%氧，有抗爆震性能，减少燃烧生成的微粒和NOx排放。生物乙醇适于混合燃料，应用于汽油机、柴油机。最通用的是E85(含乙醇85%,汽油15%),如果仅加少量乙醇，E10,称为gasohal。(2)开发利用生物质，为可持续发展提供资源保障当今世界87%的能源来自非再生资源，石油、天然气和煤炭总能耗每年以4%递增。1949年美国石油地质学家休伯特（M.K.Hubbert)提出矿物资源钟形曲线。石油作为不可再生资源，任何地区其产量都会达到最高点，然后产量不可避免地下降，这就是石油峰值[2]，据称目前世界100多个产油国，超过60个国家石油产量峰值己经出现。石油枯竭的预期，虽不准确，而且允满争论。非常规石油页岩油、贝岩气的开采，提供了新的能源预期。尽管如此，石油剩余可开采储量与生产量之比（储产比）在下降，供应与日益增长的需求不相适应。在当前能源消费总量快速增长，石油出现结构性短缺，减排压力巨大的背景下，发展生物质能源己经成为我国的战略需求国际上上世纪70年代之后两次石油危机以及后石油吋代危机推动了能源替代的思考。发展可再生能源是必然的选择，而液体燃料将主耍取自生物质。资源短缺遇上气候变化，开发、综合利用生物质，才能为可持续发展提供资源保障，生物质资源将终究成为经济社会可持续发展和国家竞争力的基础。第2章木质纤维素酶水解反应工程特征 生物质加工制取生物乙醇，必将是大型规模化的产业。在实验室规模研究水解（糖化）、发酵工艺的基础上，不可避免地要经历工业反应过程的开发阶段。因为实验室反应器与工业反应器尺寸上的差异，必然伴随着反应环境的改变，这对生物反应（含酶催化反应）尤有意义。仅仅获得实验室规模上的工艺优化，一般难以解决工程放大。从事工业反应过程开发是以建设工业生产装置为目标，有着自身的方法论，这就是逐级经验放大和数学模型放大。两种方法各有利弊，在当前实际科学水平下，两者结合，即理论指导下的半经验方法更为可取。依据这种方法，进行工业反应过程开发，解决反应器选型、设计、操作及控制，遵循的基本原则是反应器的流动、混合与传递特性适应反应的基本特征。因此需要从揭示反应基本特征的视角，看待已有实验室规模上（即所谓小试）的研究，而不是从中取某一优化条件，才能为工程放大奠定基础。反应的基本特征一般包括反应体系的化学计量关系，反应平衡性质和热效应，以及更为重要的反应动力学特征，即反应速率及其影响因素。下面首先给出酶解总反应的计量关系，然后论述影响反应的内部和外部因素，给出反应速率方程，最后概括反应基本特征，提供反应器开发所必需的技术基础。第3章高固含量木质纤维素同步糖化.........253.1实验部分.........263.1.1实验设备.........263.1.2材料与方法.........263.2数值计算.........283.3结果与讨论.........293.4本章小结.........41第4章高粘复杂物系流动与混合.........434.1螺带型搅拌槽内流体力学特性研究.........434.1.1螺带型搅拌槽内粉体混合.........434.1.2螺带型搅拌槽内功率特性.........434.1.3螺带型搅拌槽内馄合特性.........464.2实验部分.........474.2.1实验装置.........474.2.2原料与方法.........44.3结果分析.........494.4木章小结.........61第5章高粘复杂物系流动与混合.........635.1实验部分.........635.1.1实验设备.........635.1.2实验流体及方法.........635.2结果及讨论.........655.3本章小结.........71结论 经典化学反应工程以小分子反应、流体相加工为主要研究对象，本文着重大分子反应、固相加工。用化学工程原理、方法，特别是工业反应过程开发方法，从事高固含量木质纤维素降解（同步糖化与发酵）反应器开发，进行设计及放大研究，力求化学工程与生物加工的密切结合与相互促进。通过小型反应器实践，揭示反应工程特征，检验反应器选型、结构合理性，优化操作；大型冷模实验结合计算流体力学，考察反应器中多相、非牛顿复杂流变物系流体动力学与混合动力学；反应与传递结合，探讨反应器工程放大策略。全文9章，所得主要结论是：在分析酶水解反应工程特征基础上，设计了螺带型高固含量木质纤维素同步糖化与发酵反应器，系统考察了反应的动态特征及反应器性能（包括功率及产品浓度），提出反应器操作策略及放大关键参数。木质纤维素糖化反应，其显著特征是依时性。随反应进行，不仅物料、液固两相性质发生明显变化，且反应器的性能也在不断发生改变；稻杆颗粒尺寸不断缩小，液固两相也依次经历湿固体、膏状物、游衆及悬浮液几种不同状态，结合反应物系流变特性及酶水解、发酵反应对混合的要求，提出螺带-斜叶组合桨搅拌反应器，实验证实，该反应器可使高固含量木质纤维素同步糖化与发酵反应顺利进行，并获得良好实验效架。在选定反应器形式的基础上，考察0~180rpm转速范围内反应器性能的动态变化，包括产品浓度及功率。发现，酶水解反应初期转速敏感，最终乙醇浓度不敏感；高转速操作可缩短预跑解时间，使最终反应结束吋间提前；对整个反应过程，提出动态分配功率，即前期高转速，后期低转速的变转速操作策略。最后，通过热模实验，获得反应器放大设计的关键参数：单位体积功率：0.1~0.9k3(取决于转速的高低），单位体积生产能力：0.6-0.9g/L/h(取决于固含量高低）。