生物质原料处理过程与设备

6生物质原料处理187很多生物工程产品是以生物质为原料的，如酒精发酵以玉米或薯干作为原料，氨基酸发酵以玉米或大米作为原料。

这些原料在进行生物反应之前，需要作预处理，包括分级、除杂、粉碎等。287387生物加工原料在很多情况下来源于植物，属生物质原料，如植物的块根和块茎以及秸杆等。这些原料在收获、贮藏、运输等过程中，往往会混入沙土、石子甚至金属等杂物。

工厂在进行生产前，必须先将原料中混杂的杂物除去。因为，杂物特别是铁片、石子等混入原料，会破坏机械设备。487一、筛选与分级设备587（一）磁力除铁器金属混杂物若不加以清除，随原料进入机内，将会损坏机器，甚至引起粉尘爆炸事故，须在清理过程中用磁选设备除去。磁选设备的主要部件是磁体。每个磁体都有两个磁极，其周围存在磁场。磁体分永久磁体和电磁体。谷物清理多采用永久磁体。磁场要有足够的磁场强度。磁选设备分永磁溜管和永磁滚筒。6871．永磁溜管永磁溜管（图1-1）的永久磁铁装在溜管上边的盖板上。一般在溜管上设置2~3个盖板，每个盖板上装有两组前后错开的磁铁。

工作时，原料从溜管上端流下，磁性物体被磁铁吸住。7878872．永磁滚筒永磁滚筒（图1-2）主要由进料装置、滚筒、磁芯、机壳和传动装置等部分组成。9871087（二）精选机颗粒状的生物质原料必须进行精选和分级，其主要原理是按颗粒长度进行分级，以除去不必要的杂粒。常用的精选机是利用带有袋孔（窝眼）的工作面来分离杂粒，袋孔中嵌入长度不同的颗粒，带升高度不同而分离。11871．碟片式精选机在金属碟片的平面上制成许多袋形的凹孔。碟片在粮堆中运动时，短小的颗粒嵌入袋孔被带到较高的位置才会落下，因此只要把收集短粒斜槽放在适当位置上，就能将短粒分出来。12871387为除去不同品种杂质所需要的不同袋孔可用于同一机器中，即在同一台机器上安装不同袋孔的碟片；碟片损坏可以部分更换，还可分别检查每次碟片的除杂效果，因此碟片精选机是比较优越的精选机，缺点是碟片上的袋孔容易磨损，功率消耗较大。14872．滚筒精选机袋孔2是开在筛转圆管1的内表面，长粒子大麦依靠进料位差和利用滚筒本身的倾斜度，沿滚筒长度方向流动由另一端流出，而短粒子大麦嵌入袋孔的位置较深，被带到较高位置而落入中央槽4之中由螺旋输送机3送出。1587二、筛选设备1687筛选是谷物等生物质原料清理除杂最常用的方法。筛面上配备适当的筛孔，使物料在筛面上作相对运动。生产用的生物质原料大多数都是粉粒状的，例如各种谷物、大米、麸皮等等。其中常含有各种杂质，如泥土、砂石、草籽、杂谷、金属等，这必须先用筛子清除。1787为保证生产质量，生产过程又往往将粒度不同的物料加以分级，这也要用筛子来完成。这两方面的操作都可称为筛选。筛选操作常常是将物料从筛的一端加入，并使其向筛的另一端移动，从而使尺寸小于筛孔的物料穿过筛孔落下，成为筛下物，而尺寸大于筛孔的物料经过筛面从筛的另一端引出。1887筛选机械有很多种不同的构造，发酵工厂中常用的是振动筛和转筒筛。振动筛是原料加工中应用最广的一种筛选与风选结合的清理设备，多用于清除小及轻的杂质。振动筛主要由进料装置、筛体、吸风除尘装置和支架等部分组成，如图1-7所示。19872087进料装置的作用是保证进入筛面的物料流量稳定并沿筛面均匀分布，以提高清理效率。进料装置由进料斗和流量控制活门构成。按其构造有喂料辊和压力进料装置两种。喂料辊进料装置需要传动，只有筛面较宽时才采用。压力门进料装置结构简单，操作方便，喂料均匀，特别是重锤压力门进料装置，动作灵敏，能随进料变化自动调节流量，故为筛选设备普遍采用。2187筛体是振动筛的主要工作部件，筛体内有三层筛面。第一层是接料筛面，筛孔最大，筛上物为大型杂质，筛下物为粮粒及大型杂物，筛面反向倾斜，以使筛下物集中落到第二层的过程中。2287振动筛是一种平面筛，常用筛子有两种：一种是由金属丝（或其他丝线）编织而成的；另一种是冲孔的金属板。筛孔的形状有圆形、正方形、长方形等。大麦粗选机用的是长方形的冲孔筛板。筛板开孔率一般为50~60%，开孔率越大，筛选效率越高，但开孔率过大会影响筛子的强度。2387筛筒的倾斜角度为3-5°；筛筒直径与长度之比为1：4~6；圆周速度约为0.7~1.0m/s，速度太快，粒子反而难以穿过筛孔，使生产率下降。整个圆筒往往分成几节筒筛，布置不同孔径的筛面。2487在生物生产中，为了加速后续的生物反应和化学反应等过程的反应速度，对于使用的固体生物质原料，常须将其粉碎。使大块固体物料破碎成小块物料的操作，通常称为粉碎，而使小块物料进一步粉碎为粉末状物料，有时则称为磨碎或研磨，很多情况下，统称为粉碎。2587在以固体生物质为原料的生物反应生产过程中，对原料粉碎的效果好坏，不仅直接反映出粉碎操作的合理性和经济性，而且会间接影响到下一工序如蒸煮、浸出、水解（酸解和酶解）和发酵等的效果和效率。2687机械粉碎的工作原理主要有以下几种方式：（1）挤压粉碎

固体原料放在两挤压面之间，当挤压面施加的挤压力达到一定值后，物料即被粉碎。大块物料往往先以这种方式破碎。（2）冲击粉碎

物料受瞬时冲击力而被粉碎。这种方式特别适用于脆性物料的破碎。2787（3）磨碎

物料在两相对运动的硬质材料平面或各种形状的研磨体之间，受到摩擦作用而被研磨成细粒。这种方式多用于小块物料的细磨。（4）劈碎

物体放在一带有齿的面和一平面间受挤压即劈裂而粉碎。（5）剪碎

物料在两个破碎工作面间，如同承受载荷的两支点（或多支点）梁，除了在外力作用点受劈力外，还发生弯曲折断。多用于较大块的长或薄的硬、脆性物料粉碎。2887固体物料的粉碎，可按粉碎物料和成品的粒度大小，可作如下的分类：（1）粗碎

原料粒度范围为40~1500mm，成品粒度约为5~50mm；（2）中、细碎

原料粒度范围为5~50mm，成品粒度为0.1~5mm；（3）微粉碎

原料粒度范围为5~10mm，成品粒度<100μm左右；（4）超微粉碎

原料粒度范围为0.5~5mm，而成品<10~25μm。2987物料粉碎前后的粒度比称为粉碎比或粉碎度。如以X表示之，则：

（1-4）式中

d1——粉碎前物料的平均粒径，mm；d2——粉碎后物料的平均粒径，mm。3087对于一次粉碎后的粉碎比，粗碎约为2~6，中、细碎为5~50，磨碎为50以上。总粉碎比是表示经过几道粉碎步骤后的总结果。粉碎物料时，须根据固体物料的物理性质、块粒大小、需要破碎或粉磨的程度，选择适当的破碎方法。3187一般来说，任何一种粉碎机往往利用几种破碎方式进行物料的粉碎。选择粉碎物料的方法，必须根据物料的物理性质，物料的大小，粉碎的程度等，应特别注意物料的硬度和破裂性。3287对坚硬的和脆性的物料，挤压和冲击很有效。对韧性物料剪切力作用较好。对方向性物料则以劈碎为宜。但不论哪一种粉碎机，很少单独使用其中的一种方法，而是几种方法的组合，使粉碎更加有效。3387无论粉碎机械属哪种作用力形式，原料的性质如何及所需粉碎度怎样，都应符合下述一些基本要求：（1）粉碎后的物料颗粒大小要均匀；（2）已被粉碎的物块，须立即从轧压部位排除；3487（3）操作能自动化，如能不断地自动卸料等；（4）容易更换磨损的部分，在操作发生障碍时，有保险装置使能自动停车；（5）产生极少的粉尘，以减少环境污染及保障工人健康；（6）单位产品消耗的能量要小。3587一、粉碎设备3687锤式粉碎机是利用快速的锤刀对物料进行冲击粉碎，广泛用于各种中等硬度的物料，如地瓜、玉米等生物质原料的中碎与细碎作业，尤其使用于脆性物料。由于脆性物料抗冲击性较弱，因此，从工作原理来说，采用这种破碎方式非常合理。锤式粉碎机最大特点是具有很高的破碎比（达10~50）这是其他粉碎机不能比拟的。3787缺点：工作部件易于磨损，物料含水量过高（超过10~15%）时，易于堵塞，因而维修工作量大。388739871．锤刀其主要部件是一个转动的圆筒，它装在轴上，主要是利用许多锤刀作圆周运动来锤碎原料。锤刀的形式一般有矩形、带角矩形和斧形，有高碳钢片制成。矩形的锤刀具有可多次再用的优点，当一般的角被磨钝后，可以倒转换再用，直至四边角全部用遍为止。但装换时，应注意避免由于重量的不等而引起转子的不平衡。4087但是对韧性较大的原料进行粉碎时，则采用斧形锤刀较适宜，由于斧形锤刀的重心偏于尖端，与同样重量的矩形锤刀相比较，斧形锤刀的打击粉碎力要大的多。如图1-10所示。41872．筛面用来控制粉碎程度，筛面采用铁板冲制。粉料通风的筛孔，孔径在1.5~2.5毫米之间，许多酒精厂所采用的筛孔大小都在此范围内。4287提高粉碎机效率的方法，一般有下列常用的几种：（1）采用密闭循环法，为了减少磨损，能较快地把大少不同的物料颗粒分开，将没有达到规定的颗粒，与已达到要求的细粉，一起通过筛面，再在粉碎机外部用单独的筛子，把不合要求的物料分离开来，重新回到粉碎机中进行粉碎。如此密闭循环，可提高生产能力达45~70%。4387（2）增加吸风装置，增加吸风机后，可以加速粉料离开筛孔，把粉碎机内已经粉碎好的细粉抽出来，提高了粉碎机的工作效率。据某厂采用后的经验，安装了旋风分离器，可以提高粉碎机的生产能力大约30%左右，而电耗也大为降低。（3）采用鳞状筛代替平筛。含水分较高的原料，会使粉碎带来困难，使锤碎机的筛孔被堵塞，粉碎效果显著降低，电耗也会增大，这时可采用湿式粉碎来解决此问题。4487锤碎机通常发生的不正常情况及其处理措施如下：（1）出现锤碎机堵塞现象其产生的原因可能有下面三个：即进料量太多；筛孔堵塞；有异物落入机内。通常可采用下列三个措施来处理：首先是打开锤碎机，进行疏通；还可以取出筛子，疏通筛眼；或者可以停止磨粉，取出异物。4587（2）锤碎机运转时有杂声这是由于硬质杂物落入锤碎机内。一般采取的措施是：停止锤碎机运转，取出杂物，并检查筛子是否损坏。（3）粉粒直径过大，超过规定范围这是因为筛子磨损或破裂而引起的，处理的办法是调换新筛子。（4）锤碎机落料过大的原因是筛子未装，或者是筛子脱头裂口大采取的措施是停车检查，装筛或是换筛。4687（二）辊式粉碎机辊式粉碎机广泛用于破碎粘性和湿物料块。啤酒厂粉碎麦芽和大米都是用辊式粉碎机，常用的有两辊式、四辊式、无辊式和六辊式等。1．两辊式粉碎机两辊式粉碎机主要工作机构为两个相对旋转的平行装置的圆柱形辊筒。工作时，装在两辊之间的物料由于辊筒对物料的摩擦作用而被拖入两辊的间隙中被粉碎。两辊式粉碎机制造简便，结构紧凑，运行平稳。通常适于中碎和细碎。4787两辊式粉碎机依照装配结构可分为：（1）一个辊筒的轴承座可沿导轨滑移，另一辊筒轴承座固定（图1-12a）；（2）两个辊筒轴承座均可沿导轨滑移（图1-12b）。4887按照辊筒表面形状可分为：（1）辊筒表面光滑的；（2）辊筒表面有齿的；（3）辊筒表面有凸棱或凹槽的。按照粉碎工作原理可分为：（1）由挤压作用进行粉碎作业的；（2）由挤压、剪切与研磨作用联合作用进行粉碎作业的。4987图1-13为一台两辊式粉碎机，其中一个辊筒轴承座为可移动的。作为粉碎作业工作部件的两个辊筒相对转动。固定辊筒的轴承座装在机架上，可移动的辊筒的轴承座为弹簧压紧，在承受载荷过大时，弹簧被压缩，轴承座可沿导轨滑移。两轴承之间装有支撑架及可拆装的钢垫片，增减垫片厚度可调节两辊间的间隙。508751875287当辊筒间隙内落入不能粉碎的硬物时，可移动辊筒使弹簧压缩而向后滑移。硬物通过后，借弹簧力恢复到原来位置。辊间的挤压力可由调节螺母及弹簧压板来调整。辊筒外表面装配有耐磨护套，护套材料大多用锰钢。为延长护套使用寿命，也有在护套表面焊一层耐磨硬质合金。两辊筒下侧设有刮刀，用于刮除粘附在辊面上的物料。5387传动机构直接驱动固定辊筒，而在辊筒另一端装配一对相啮合的齿轮，以驱动可滑移的辊筒使之与固定辊筒相对旋转。由于在粉碎过程中两辊筒的中心距经常变动，因此齿轮对的齿形应是特别加高的。两辊式粉碎机也有用其他型式传动机构的。有的用一台电动机和一台有两个轴头的减速箱，通过万向联轴节分别拖动两个辊箱，以适应在粉碎过程中辊筒的移动。高速两辊式粉碎机往往采用两台电动机分别传动。54872．四辊式粉碎机四辊式粉碎机由两对辊筒和一组筛子所组成，如图1-14所示。原料经第一对辊筒粉碎后，由筛选装置分离出皮壳排出，粉粒再进入第二对辊筒粉碎。55873．五辊式粉碎机该机前三个辊筒是光辊，组成两个磨碎单元；后两个辊筒是丝辊，单独成一磨碎单元。通过筛选装置的配合，可以分离出细粉、细粒和皮壳，如图1-15所示。该机性能很好，如在啤酒加工过程中应用，通过调节可以应用于各种麦芽。56874．六辊式粉碎机该机性能与五辊式相同。它由三对辊筒组成，前两对用光辊，主要以挤压作用粉碎原料，可以使得生物质原料的皮壳不致粉碎得太细而影响后一工序的操作，如啤酒厂的麦芽汁过滤。第三对辊筒用丝辊，将筛出的粗粒粉碎成细粉和细粒，以利于糖化时充分浸出有用物质。该机的构造原理如图1-16所示。5787（三）湿式粉碎机生物加工工厂中，粉碎原料时，往往会逸出较多的粉尘，影响环境。这是干法粉碎的一个不足之处。为了避免这一缺点，在某些产品的生产过程中，采用湿式粉碎操作，其所用到的粉碎机称为湿式粉碎机。。5887湿式粉碎设备主要包括：输料装置、加料器、粉碎机和加热器等几部分。粉碎可采用一级或二级粉碎（两台粉碎机串联使用）。从粉碎机出来的粉浆进入加热器，利用蒸煮工段放出的二次蒸汽预热至一定温度后备用。湿式研磨过程主要是分散微粒化的过程，可分为把颗粒团破碎、解集、润湿、分散和稳定等步骤5987当前，湿式粉碎设备的发展趋向为：改进原有机型，以提高工作性能；开发新的机型使其兼有多种粉碎形式，如兼有冲击和剪切，离心压缩和剪切等。工业上常用的砂磨机有盘式砂磨机、双轴立式砂磨机、搅拌棒型砂磨机、双锥型磨机、双筒式磨机、超微湿式粉碎机等。6087（五）切片机对生物质原料的粉碎处理，根据加工工艺的不同，对粉碎后的原料形状有不同的要求，有的要求是粉状的，有的要求是块状或片状的。要求块状或片状的粉碎，这时要求用到切片机。6187刀具在切削加工时作圆弧运动，具有一个向下向前的速度。由步进电机驱动的进给机构做连续进给，若使进给速度和刀具切削的转速相配合，就能达到连续均匀切削的目的。6287（六）超细粉碎机超细粉碎技术是20世纪40年代随着现代化工、电子、材料及矿产等行业的不断发展而兴起的一门跨学科、跨行业的高新技术。经过几十年的研究开发，超细粉碎技术得到不断改进和发展。尽管如此，对这门技术的一些基本概念及名词解释至今尚无严格的统一定义，国际上如此，我国也如此。6387超细粉碎技术的主要特点是产品的粒度微小，比表面积剧增，物料分散性、吸附性、溶解性、化学活性、生物活性等有着很大的改善，从而使得物料的应用范围和使用效果有了极大的提高。目前，超细粉碎技术在化工、电子、煤炭、矿产工业等方面已得到广泛的开发和应用，但在生物材料方面的开发及应用研究还相对较为有限，因为生物材料的超细粉碎在技术上有特殊要求。6487生物材料的超细粉碎除了使产品的粒度微细化外，还需保持产品的有效成分及营养物质不受氧化和损坏，不引入污染杂质，尽可能保持和改善产品的生化特性和风味等；另外，生物材料一般多含水分、纤维素、糖分、蛋白质及其它生物活性物质，使得加工过程中粘度大、韧性强、抗热性差，因而使物料的粉碎和分级较为困难。常用的超细粉碎设备有机械冲击式机粉碎机、振动磨、胶体磨、搅拌磨等。6587给料由螺旋给料器给入粉碎室。进入粉碎室的物料，在高速回转的转子与带齿衬套的定子之间受到冲击、剪切而粉碎，粉碎后的物料在气流的带动下进入分级区，一定粒级以下的微细粒子经分级涡轮分级后排出机外由捕集器捕收，粉碎不充分的物料，再一次用粉碎轮进行微细粉碎，本机的粉碎轮和分级轮分别用电机带动，给他们有分别的、独立的转数，因而可以对产品粒度的上限和下限分别控制，可以得到窄级别产品。6687龙岩市的福建丰力机械科技有限公司/也生产这种类型的粉碎机，对ACM微粉碎机进行了新开发，形成ACM-A型机，它的机构有所改进，处理能力进一步提高，可比ACM机提高1.5~2倍。6787（七）纳米粉碎机纳米粒子一般是指颗粒尺寸在1nm到100nm之间具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应的超细粒子，该粒子具有的比表面积、表面原子数、表面能和表面张力很大，且随粒径的下降急剧增加，因而展现出许多特有的性质。目前，由纳米微粒组成的新型材料在催化、陶瓷、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有着广阔的应用前景。68871．CF气流超细粉碎机气流粉碎机的基本原理是利用空气、蒸汽或其他气体通过一定压力的喷嘴喷射产生高度的湍流和能量转换流，物料颗粒在这高能气流作用下悬浮输送，相互发生强烈的冲击、碰撞和磨擦，加上高速喷射气流对颗粒的剪切冲击作用，使得物料颗粒间得到充分的研磨而粉碎成细小粒子。69872．爆炸冲击粉碎法爆炸冲击粉碎法或冲击解离粉末团聚体法是用爆轰冲击波引起粉体的高速运动和相互碰撞，使晶粒或颗粒发生粉碎而细化的方法。应用冲击波来破碎或处理粉体，或用冲击波解离粉末硬团聚体方面的研究，国内外研究人员己进行了初步工作，但目前还不够深入系统。70877187在生物加工的过程中，固体间的混合也是操作单元之一。固体间的混合与气体间的混合有很大的差别。气体通过分子扩散，互相掺合，最终自动达到均匀混合。而固体间混合需要外加机械作用才能进行。因固体粒子形状、粒径、密度等各不相同，各成分在混合的同时伴随着分离现象，所以固体间的混合不能达到完全的均匀，只能达到总体的均匀而不能达到局部的均匀性。7287（一）固体混合的机理固体粒子在混合器内混合时，会发生对流、剪切、扩散等三种不同运动形式，形成三种不同的混合：7387ｌ．对流混合固体粒子在设备内发生较大的位置移动，形成固体粒子的循环流。如图1-25（a）所示。固体粒子在回转圆筒内随壁上，超过休止角后，纷纷下落至筒壁的下部，形成循环流，使固体粒子得以混合。74872．剪切混合粒子间的相互滑动和撞击所产生的剪切作用，搅拌叶片端部与粒子间的压缩和拉伸，既使粒子粉碎，又使粒子混合，如图1-25（b）所示的剪切面就是粒子间相互滑动和撞击所产生的。75873．由于粒子间的粒子形状、充填状态或流动速度不同，会导致相邻粒子间相互交换位置，产生局部混合作用。把这种混合作用称为扩散混合。7687在不同类型的混合器内，虽然三种混合机理在实际上是同时发生的，但所表现的上述三种混合的程度不相同。如图1-25（a）中，是一回转圆简混合器，是以对流混合为主，而图1-25（b）是一带搅拌器的混合器，以强制对流混合和剪切混合为主。7787（二）混合设备混合设备有两种，一种是不能转动的固定型混合机；一种是可以转动的回旋型混合机。1．回旋型混合机有水平圆筒型、倾斜圆筒型、V型、双锥形、立方体形等。如图1-26。78877987（1）水平圆筒型混合机与倾斜圆筒型混合机。水平圆筒型混合机过去使用较多，仅靠扩散作用混合，故混合速度较低。由于其剪切作用混合也较低，为提高其混合性能有时加入些球体以加强粉碎混合作用，但又会引起细粉末的