从生物质资源中提取纤维素纳米晶的中试生产线及其工艺

摘要

本发明公开了一种从生物质资源中提取纤维素纳米晶的中试生产线及其工艺。包括纯化系统、酸解系统和后处理系统；所述纯化系统包括依次相连的碱储罐、碱浸反应釜、真空抽滤机、纯化产品储罐；所述酸解系统包括依次相连的硫酸储罐、酸解反应釜；所述后处理系统依次包括管式离心机、洗涤釜、超声分散器、产品储罐。本发明可适用于不同原材料、不同水解方法对反应器的不同需求。本发明纤维素纳米晶中试生产线设计简洁有效，试验效果良好，布局合理，具有良好的市场前景和推广应用价值。

说明书

技术领域

本发明具体涉及一种从生物质资源中提取纤维素纳米晶的中试生产线及其生产工艺。

背景技术

将一项研究从实验室的成果实现工业化生产，是一项巨大又复杂的过程。这不仅仅是纯粹的将实验室中所运用的原料、步骤、装备等的照搬和扩大。一般实验室所采用的放大方式为逐级放大法，该法的步骤主要有：设备的选型、工艺条件的优化、反应容器的增大。设备选型即选用不同结构和样式的反应器，对同一反应工艺进行研究。对设备的选型确定以后，就要在已经选定的试验设备中进行工艺条件的优化工作，这时主要任务是对各工艺条件的考察，并从中筛选出最佳工艺条件。反应容器的增大着重点在于对反应容器的尺寸大小的选择，主要是考察它们对物料转化率以及反应选择性的影响。中试放大生产是在小实验达到预期效果后为了实现工业化而进行的模拟工业化的研究方案。中试生产要根据工业化所要达到的程度来确定其规模大小，并在实验室研究的基础上解决工业中可能遇到的所有可能出现的问题。

中试试验是为了使科研成果顺应市场与产业化要求，减少转化风险，提高转化率，而进行的批量放大试生产。这个过程的目的在于验证、改进，完善实验室成果或理论成果，消除各种不确定性因素，获得产品有关工艺、设备相关技术可靠性数据、参数及中间产品质量可控的检验标准，使之与其他相关技术相匹配，与生产实际相符合，与社会需求相一致，从而使新技术顺应到生产中，将新产品成功推向市场。中试试验是科技成果向生产力转化的必要环节，成果产业化的成败主要取决于中试的成败，因此，中试试验很重要。但是中试试验在我国并未得到足够的重视，“中试空白”现象比较严重。而对于安全和生产技术要求比较高的民爆行业来说更应该建立一条中试试验线，这对民爆行业的发展和安全大生产有着极其重要的作用和意义。

纤维素是地球上分布最广的生物高分子，广泛存在于自然界各种生物质资源中，如各种植物、动物以及细菌纤维素等。提取自天然纤维素的纤维素纳米晶，是一种具有高度结晶性和刚性的棒状生物质纳米粒子，因其独特的棒状纳米形貌，兼具高结晶度、高弹性模量、高比强度、来源广泛、制备工艺相对简单、可生物降解、生物相容性良好及可再生等特性，被广泛应用于高性能复合材料的增强填料。另一方面，具有棒状形貌的纤维素纳米晶具有特殊液晶向列性，可以广泛应用于各种功能材料，如光学可调控材料、生物医用材料、纳米涂料、阻隔抑菌包装材料等。据报道，日本造纸协会最近开发出利用纤维素纳米晶用于表面涂层，具有气体阻隔性的新型纸杯产品。纤维素纳米晶以其众多优势，在材料、化学、能源等众多领域中显现出巨大的应用潜力，为了进一步拓展其工业应用，连续化规模生产就显得极为重要。目前，纤维素纳米晶在实验室小试中的制备已日趋成熟，而如何实现工业化生产则未见报道。因此，建立一条连续中试化生产工艺线，实现从各种天然纤维素资源中提取纤维素纳米晶并投入工厂化规模生产是开发新材料、提高废弃生物质资源利用率的必然要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种从生物质资源中提取纤维素纳米晶的中试生产线及其工艺。

为达到上述目的，采用技术方案如下：

从生物质资源中提取纤维素纳米晶的中试生产线，包括纯化系统、酸解系统和后处理系统；

所述纯化系统包括依次相连的碱储罐、碱浸反应釜、真空抽滤机、纯化产品储罐；

所述酸解系统包括依次相连的硫酸储罐、酸解反应釜；

所述后处理系统依次包括管式离心机、洗涤釜、超声分散器、产品储罐；

所述碱储罐通过第一管路与碱浸反应釜相连，所述碱浸反应釜通过第二管路与真空抽滤机相连，所述真空抽滤机通过第一传送带与纯化产品储罐相连；

所述硫酸储罐通过第三管路与酸解反应釜相连，所述纯化产品储罐通过第二传送带与酸解反应釜相连；

所述酸解反应釜通过第四管路与管式离心机相连，所述管式离心机通过第三传送带与洗涤釜相连，所述洗涤釜通过第五管路与管式离心机形成循环回路相连，所述管式离心机通过第六管路和超声分散器相连，所述超声分散器通过第七管路与产品储罐相连。

按上述方案，所述第一管路设置有第一安全阀和第一流量计，所述第二管路设置有第一卸料阀，所述真空抽滤机出液口设置有第一pH检测装置。

按上述方案，所述第三管路设置有第二安全阀和第二流量计。

按上述方案，所述第四、第五管路分别设置有第二卸料阀、第三安全阀，所述第六管路设置有第三卸料阀和第二pH检测装置。

按上述方案，所述酸解反应釜还拥有用于酸水解加热的加热系统。

按上述方案，所述酸解反应釜为夹套反应釜。

按上述方案，所述中试生产线设置在可移动平台上。

利用上述从生物质资源中提取纤维素纳米晶的中试生产线的生产工艺，包括以下步骤：

1)按照现有某种纤维素纳米晶的提取方法，按重量份计，分别称取棉短绒、氢氧化钠、浓硫酸、水，留作备用；

2)将步骤1中的水、氢氧化钠注入碱储罐，搅拌，配制成一定质量浓度的碱液；将1中棉短绒和上述一定质量分数的氢氧化钠通过进料口加入碱浸反应釜，开启碱浸反应釜搅拌电机进行搅拌，碱浸10-20h；

3)打开碱浸反应釜卸料阀，将步骤2中碱浸泡后的产物通入真空抽滤机，抽滤、洗涤至接近中性即得纯化产物；

4)将步骤1中的水、浓硫酸注入硫酸储罐，搅拌，配制成一定质量浓度的硫酸溶液；将步骤3中的纯化产物和上述配制好的硫酸溶液通过进料口加入酸解反应釜开启搅拌和加热，40～50℃下酸解反应40min～60min，加入冰水终止反应；

5)开启酸解反应釜卸料阀，将步骤4中酸解后的产物经管式离心机离心，将下层固体沉淀通入洗涤反应釜，洗涤15～20min，将洗涤后的产品通过循环回路返回所述管式离心机离心；重复洗涤、离心三次后，离心下层固体产物加入少量水稀释，检测pH值接近中性后通入超声分散器分散均匀即得产品CNC悬浮液；

6)将CNC悬浮液冷冻干燥即得CNC粉末。

本发明的有益效果在于：

本发明纤维素纳米晶中试生产线使用夹套反应釜，通过改变换热介质，可以实现加热过程和冷却过程之间的有效切换，使中试生产线得以简化。

本发明纤维素纳米晶中试生产线安装设置在可移动平台上，方便移动，可在不同场景条件下进行模拟实验。

本发明可适用于不同原材料、不同水解方法对反应器的不同需求。

本发明纤维素纳米晶中试生产线设计简洁有效，试验效果良好，布局合理，具有良好的市场前景和推广应用价值。

附图说明

图1为本发明纤维素纳米晶中试生产线工艺流程图；

图2为本发明纤维素纳米晶中试生产线装置示意图；

图3为实施例1中提取纤维素纳米晶TEM图；

图4为实施例1中提取纤维素纳米晶XRD图；

图5为实施例2中提取纤维素纳米晶TEM图；

图6为实施例2中提取纤维素纳米晶XRD图；

其中：1、碱储罐；2、纯化搅拌电机；3、第一搅拌轴；4、碱浸反应釜；5、第一卸料阀；6、第一安全阀；7、第一流量计；8、真空抽滤机；9、第一pH检测装置；10、纯化产品储罐；11、硫酸储罐；12、酸解釜搅拌电机；13、第一截止阀；14、第二截止阀；15、第二安全阀；16、第二流量计；17、第二搅拌轴；18、酸解反应釜；19、第二卸料阀；20、第二pH检测装置；21、管式离心机；22、洗涤釜搅拌电机；23、第三搅拌轴；24、洗涤釜；25、第三安全阀；26、第三卸料阀；27、超声分散器；28、产物储罐。

具体实施方式

以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。

本发明从生物质资源中提取纤维素纳米晶的中试生产线参照附图2所示。

从生物质资源中提取纤维素纳米晶的中试生产线，包括纯化系统、酸解系统和后处理系统；

纯化系统包括依次相连的碱储罐1、碱浸反应釜4、真空抽滤机8、纯化产品储罐10；所述碱储罐1通过第一管路与碱浸反应釜4相连，所述碱浸反应釜4通过第二管路与真空抽滤机相连8，所述真空抽滤机8通过第一传送带与纯化产品储罐10相连；碱浸反应釜4设置有纯化搅拌电机2和第一搅拌轴3。所述第一管路设置有第一安全阀6和第一流量计7，所述第二管路设置有第一卸料阀5，所述真空抽滤机出液口设置有第一pH检测装置9。

酸解系统包括依次相连的硫酸储罐11、酸解反应釜18；所述硫酸储罐通过第三管路与酸解反应釜相连，所述纯化产品储罐通过第二传送带与酸解反应釜相连；所述第三管路设置有第二安全阀15和第二流量计16。所述酸解反应釜夹套冷热物流进水管上分别设置有第一截止阀13和第二截止阀14。所述酸解反应釜还设置有酸解釜搅拌电机12和第二搅拌轴17。

后处理系统依次包括管式离心机21、洗涤釜24、超声分散器27、产品储罐28；所述酸解反应釜通过第四管路与管式离心机相连，所述管式离心机通过第三传送带与洗涤釜相连，所述洗涤釜通过第五管路与管式离心机形成循环回路相连，所述管式离心机通过第六管路和超声分散器相连，所述超声分散器通过第七管路与产品储罐相连。所述第四、第五管路分别设置有第二卸料阀19、第三安全阀25，所述第六管路设置有第三卸料阀26和第二pH检测装置20。所述洗涤釜搅拌还设置有洗涤釜搅拌电机22和第三搅拌轴23。

利用上述中试生产线硫酸酸解纤维素纳米晶工艺如下：

实施例1

(1)按照现有某种纤维素纳米晶的提取方法，按重量份计，分别称取棉短绒、氢氧化钠、浓硫酸、水，留作备用；

(2)将(1)中的水、氢氧化钠注入碱储罐，搅拌，配制成2％质量浓度的碱液；关闭第一卸料阀，分别称取上述(1)中棉短绒和氢氧化钠溶液1份、20份，通过进料口加入碱浸反应釜，开启碱浸搅拌电机进行搅拌，在搅拌的同时，碱浸12h；

(3)打开第一卸料阀，将(2)中碱浸泡后的产物通入真空抽滤机，抽滤、洗涤至接近中性即得纯化产物；

(4)将(1)中的水、硫酸注入硫酸储罐，搅拌，配制成65％质量浓度的硫酸溶液；分别称取上述(3)中纯化产物和硫酸溶液1份、20份，通过进料口加入酸解反应釜开启酸解搅拌电机进行搅拌，并往反应釜夹套中通入一定温度的加热介质，45℃酸解反应45min，加入大量冰水终止反应。

(5)开启第二卸料阀，将(4)中酸解后的产物经离心机离心；从进料口通入洗涤反应釜，洗涤15～20min，开启第三卸料阀，将洗涤后的产品通入离心机离心；重复离心、洗涤三次后，离心下层固体产物加入少量水稀释，检测pH值接近中性后通入超声分散器分散均匀即得产品CNC悬浮液。

(6)将(5)中悬浮液冷冻干燥即得硫酸水解法CNC粉末。

上述试验所产生的硫酸废液加入碳酸钠中和后，利用多效蒸发器将其蒸干为固体废物硫酸钠粗品。

从附图3和4可知，本实施例生产线以及生产工艺从棉短绒中提取得到的纤维素纳米晶具有棒状形貌，长径比为10～30，并具有高结晶度。

实施例2

(1)按照现有某种纤维素纳米晶的提取方法，按重量份计，分别取海鞘粉末、氢氧化钾、浓硫酸、水，留作备用；

(2)将(1)中的水、氢氧化钾注入碱储罐，搅拌，配制成5％质量浓度的碱液；称取上述(1)中海鞘粉末1份，氢氧化钾溶液30份通过进料口加入碱浸反应釜，开启碱浸搅拌电机进行搅拌，在搅拌的同时，碱浸40h；

(3)打开第一出料阀，将(2)中碱浸泡后的产物通入真空抽滤机，抽滤、洗涤至中性并配置为300份的悬浮液；加入5份冰醋酸和10份次氯酸钠溶液，重复三次至悬浮液被漂白为白色，加入蒸馏水多次抽滤、洗涤至接近中性得到纯化产物。

(4)将(1)中的水、硫酸注入硫酸储罐，搅拌，配制成55％质量浓度的硫酸溶液；分别称取上述(3)中纯化产物4份，硫酸溶液300份通过进料口加入酸解反应釜开启酸解搅拌电机进行搅拌，并往反应釜夹套中通入一定温度的加热介质，50℃下酸解反应120min，加入大量冰水终止反应。

(5)开启第二出料阀，将(4)中酸解后的产物经离心机离心；从进料口通入洗涤反应釜，洗涤15～20min，开启第三出料阀，将洗涤后的产品通入离心机离心；重复离心、洗涤三次后，离心下层固体产物加入少量水稀释，检测pH值接近中性后通入超声分散器分散均匀即得产品海鞘CNC悬浮液。

(6)将(5)中悬浮液冷冻干燥即得海鞘纤维素纳米晶粉末。

上述试验所产生的硫酸废液加入碳酸钠中和后，利用多效蒸发器将其蒸干为固体废物硫酸钠粗品。

从附图5和6可知，本实施例生产线以及生产工艺从海鞘中提取得到的纤维素纳米晶具有棒状形貌，长径比为60～70，并具有高结晶度。