CN100513680C - 一种生物催解法制纸浆工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物催解法制纸浆工艺，是利用由白腐菌、纤维素酶、果胶酶、酵母和水混合组成的复合生物催解剂对经臭氧水润湿后的制浆原料进行生物催解，以制取浆料。本发明的生物催解法制纸浆工艺只需要2h左右即可将制浆原料催解为造纸浆料，降解过程中不产生有机化合物，不需要洗涤浆料，不产生污水，彻底杜绝了污染。而且工艺简单，生产周期短，能耗小，便于推广。

Description

一种生物催解法制纸浆工艺

技术领域

本发明涉及一种制纸浆工艺，特别是涉及一种生物制浆工艺。具体地，本发明是利用一种复合生物催解剂对制浆原料进行生物催解以制取浆料的。

背景技术

化学法制浆周期短、生产规模大、原料适应性强，适于现代化生产。因此，目前的造纸生产方式大部分还是以化学法为主。其中又以碱法制浆和含氯漂白最为常见，即在加热、加压下用烧碱蒸煮造纸原料，使原料中的木质素、多糖、果胶、蛋白质等复杂成份溶解在烧碱液中，与纤维素分离而得到纸浆纤维；采用氯气、次氯酸盐、二氧化氯等进行漂白得到漂白纸浆。化学法制浆的明显缺点是药品消耗及能耗高，在制浆和漂白过程中会产生大量的造纸黑液和含氯废水，废水具有极高的COD和BOD负荷，整个生产过程不仅耗水量大，而且污染十分严重。因此，消除污染、减少水耗一直是造纸行业亟待解决的首要问题。

200610042014、200610044632号专利申请分别公开了禾本科植物和木质类原料的冷浸机械制浆工艺，上述专利申请是将禾本科植物或粉碎成丝的木质类原料加入由亚硫酸钠、氢氧化钠、冷浸助剂等组成的浸泡药液中冷浸泡1～4小时，经洗涤挤浆后，用过氧化氢碱液漂白得到纸浆。上述方法仅仅是用冷浸机械粉碎制浆代替了蒸煮工艺，产生的造纸黑液可以循环使用一定时间，并没有从根本上消除化学制剂的影响，还是属于化学法制浆。

由于微生物能有效地将植物纤维原料中三大成分转化成CO₂、H₂O和腐植质，过程具有环境友好性，而且可降低能耗和化学品用量，因此，将生物技术作用于制浆造纸过程，以生物途径代替化学途径或部分化学途径进行制浆，不产生有机化合物，有利于克服化学法存在的缺点，受到了广泛的青睐。

瑞典造纸研究所(STFI)率先开展了这方面的工作，利用白腐菌对木片进行预处理，发现预处理后的木片进行磨浆能大幅度降低能耗。20世纪90年代末，日本神户制钢所应用白腐菌在常温常压下分解木材，成功生产出了优质纸浆。生物制浆方法是对传统制浆工艺的极大挑战，然而，由于生物制浆的周期太长，约需要30天，加上白腐菌的筛选困难，该技术目前还难以实现工业化生产。

1986年，芬兰的维凯丽发现利用木聚糖酶处理纸浆，可以提高纸浆的可漂性，减少氯气、二氧化氯等含氯化学药品的用量，有利于发展无氯漂白。但是由于木聚糖酶不能直接氧化木素，只能通过水解聚木糖素来提高纸浆的漂白性能，对于木素的脱除是有限的。

国际上也有不少进行纸浆脱木素处理研究的报道。EP408,803、DE3,636,208、WO92/20857等专利均报道了利用漆酶与含氯漂白剂漂白纸浆，以减少化学药品用量的方法。但是以上方法所产生的废水中仍然含有有机氯化合物。

美国专利US5,545,544公开了一种利用白腐菌对纸浆尤其是化学纸浆进行漂白的方法，但是其处理纸浆需要较长的时间，使用的菌种量也比较大，效果并不明显。

中国专利00130853x公开了一种利用生物技术对纸浆进行全无氯漂白的方法，先利用一种能够降解木素的微生物白腐菌对纸浆进行漂白预处理，再使用过氧化氢进行漂白，优点是纸浆的白度得以提高，处理时间也大为缩短。

然而，以上技术均是采用生物方法对纸浆特别是化学纸浆进行漂白处理，目的是减少化学漂白剂的用量。但由于所使用的菌、酶并非直接作用于纸浆中的残余木素，只是通过水解半纤维素而增加木素的溶出，以提高化学漂剂的可及性，后续漂白仍需要使用较多的化学漂白剂，无法从根本上消除纸浆漂白废水污染的产生，没有从根本上解决问题。

近年来有许多关于生物预处理化学制浆方面的研究报道，包括生物预处理后进行硫酸盐或亚硫酸盐蒸煮。研究结果表明：生物预处理可以缩短蒸煮时间，有利于低卡伯值化学浆的生产，同时也对后续亚硫酸盐蒸煮变得十分有利。与未经生物预处理比较，生物预处理化学制浆的卡伯值可以下降21～48％，且纸浆得率变化不大。研究还表明：在化学制浆以前先进行生物预处理，可以在化学药品用量不变的情况下降低纸浆的硬度，或在相同的硬度下降低化学药品的用量和能源的消耗。

200310114935.4专利申请公开了一种生物制浆工艺，是用聚木糖酶对棉纤维进行预处理得到浆料，再用碱—过氧化氢溶液常温常压下进行漂白，但该工艺方法使用的材料仅限于棉纤维，生产的局限性很大，应用价值有限。

01107892.8专利公开了生物预处理制备化学机械草浆的工艺，是将草料原料经蒸煮灭菌后，用木质纤维降解微生物如木云芝、灵芝等进行微生物预处理，再通过亚硫酸钠—氢氧化钠溶液化学预浸和机械磨解后，无氯漂白得到纸浆。优点是生物处理的周期较短，但工艺其本质仅仅是对草料作了微生物预处理，而不是用微生物彻底制出纸浆，工艺中仍然存在用烧碱进行化学预浸的步骤，只是一种生物—化学制浆方法。

02125571.7专利公开了一种生物发酵制浆工艺，是使用放线菌对造纸原料进行发酵，并利用发酵放热使原料升温，控制温度在70～80℃发酵15天左右后，得到纸浆。该方法是一种完全的生物制浆方法，但缺点是生产周期长，生产过程中还是会产生大量的发酵废水。

发明内容

本发明的目的是提供一种生物催解法制纸浆工艺，通过复合生物催解剂对制浆原料进行生物催解，以彻底分解木素制取浆料。

本发明的生物催解法制纸浆工艺是将制浆原料用臭氧水润湿后，加入复合生物催解剂进行生物催解以制取浆料。

具体的制浆工艺是：将粉碎的制浆原料加入到相当于其2～3倍重量的臭氧水中，再按照每100重量份数制浆原料中加入0.02～0.05重量份数复合生物催解剂的用量加入复合生物催解剂，混合均匀后，充分浸泡渗透，升温至80～120℃，生物催解0.5～2h后得到浆料。

其中，所述的复合生物催解剂是由下述重量份数的原料混合组成的：

白腐菌             1～2

纤维素酶           1～2

果胶酶             1～2

酵母               2～5

水                 5～10。

本发明使用的臭氧水是现配现用的新鲜饱和臭氧水，通过臭氧发生器将臭氧直接通入水中达到饱和后制成。

本发明中，在制浆原料中加入臭氧水和复合生物催解剂后，应将得到的催解液浸泡1h以上，以保证复合生物催解剂能充分渗透到制浆原料的内部，将木素彻底降解。由于将催解液升温到催解温度的时间也需要1h左右，因此，本发明可以将浸泡和升温两个步骤合在一起进行，在将催解液加入蒸球中升温的过程中，即可实现浸泡的目的，从而不必专门浸泡，节省了时间。

白腐菌是属于担子菌亚纲非褶菌目的真菌，因腐朽木材呈白色而得名，能够降解木材主要成分纤维素、木质素和半纤维素。白腐菌对木质素的脱除分解率极高，而对纸浆纤维中的纤维素分解极少，因此纸浆得率高达60％。然而，过长的降解周期使得白腐菌制浆失去了工业化生产的意义，制约了白腐菌制浆技术的发展。本发明利用白腐菌与其他各种生物酶进行复配，筛选出了一种全新的复合生物催解剂，该生物催解剂大大提高了白腐菌的生物催解能力，将分解木素的时间缩短到2h以内，使得利用白腐菌制浆成为了可能。

本发明还筛选了诸如黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosproium)、射脉菌(Phlebiaradiate)、侧耳菌(Pleurotus)、平菇(Pleurotus ostreatus)、云芝(Trametes versicolor)、胶质干朽菌(Merulius tremellosus)、采绒革盖菌(Coriolus versicolor)等多种白腐菌制备复合生物催解剂进行试验，结果显示均能达到预期的效果，说明本发明的复合生物催解剂对于白腐菌的种属没有特别的筛选需求。

本发明的制纸浆工艺对于制浆原料也没有特殊的要求，一般的草类制浆原料如麦草、稻草、秸杆、高粱杆、芦苇、龙须草、羊胡草等以及各种木质原料如松木、杨木、桦木等均能使用。只是根据制浆原料的不同，适当调整复合生物催解剂的配比和用量，并改变生物催解的时间和温度，以达到各种制浆原料的最佳生物催解效果即可。

破解木素以提取纤维素是造纸制浆的关键技术。传统的化学制浆工艺中，在利用化学反应打开木素的同时，也产生出了大量的有机化合物。将这些有机化合物从造纸浆料中洗涤除去，会产生大量的洗涤污水，不仅造成了严重的环境污染，且污水处理难度大、费用高。本发明在臭氧水氛围下，采用复合生物催解剂对制浆原料进行生物催解，将木素彻底分解还原成水和二氧化碳气体，降解过程中不产生有机化合物，浆料不需要洗涤就可以进入下面的工序，不产生污水，生产用水经过简单的沉淀处理就可以循环利用，彻底杜绝了污染，达到了绿色环保的目标。

本发明的生物催解法制浆工艺只需要2h左右即可将制浆原料催解为造纸浆料，生产周期短，工艺简单，便于推广，同时适应于大中小型企业实施。

本发明的生物催解法制浆工艺能耗小，生产成本低。以制备草浆为例，可比化学法制浆节水90％，省电50～60％，节煤50～60％，节省原材料30％，而出浆率却由化学法的40％提高到60％以上，总体生产成本约降低了40％。

具体实施方式

实施例1

将100g白腐菌、100g纤维素酶、100g果胶酶和200g酵母加入到500mL水中，混合搅拌均匀，制成复合生物催解剂备用。

取2t羊胡草，全部切断到长度为2～5cm，加入5t刚刚用臭氧发生器通入臭氧气体制备出的新鲜臭氧水，再加入上述制备的复合生物催解剂，搅拌均匀后，加入蒸球中，边升温边浸泡物料，约1h后，将催解液升温至100℃，在此温度下催解反应1h后，出料，浆料经分丝磨浆后除去水分，得到1.1t干浆。

实施例2

将200g白腐菌、120g纤维素酶、200g果胶酶和400g酵母加入到800mL水中，混合搅拌均匀，制成复合生物催解剂备用。

取2t杨木，切成2cm厚的木片，加入4t新鲜臭氧水中，再加入上述制备的复合生物催解剂，搅拌均匀后，加入蒸球中，边升温边浸泡物料，约1h后，将催解液升温至120℃，在此温度下催解反应1.5h后，出料，浆料经分丝磨浆后除去水分，得到1.4t干浆。

实施例3

将120g白腐菌、150g纤维素酶、120g果胶酶和250g酵母加入到1000mL水中，混合搅拌均匀，制成复合生物催解剂备用。

将2t切成2～5cm长度的芦苇加入到6t新鲜臭氧水中，再加入上述制备的复合生物催解剂，搅拌均匀后，加入蒸球中，边升温边浸泡物料，约1h后，将催解液升温至110℃，在此温度下催解反应0.5h后，出料，浆料经分丝磨浆后除去水分，得到1.25t干浆。

实施例4

将150g白腐菌、180g纤维素酶、150g果胶酶和350g酵母加入到600mL水中，混合搅拌均匀，制成复合生物催解剂备用。

取2t全部切断成2～5cm的麦草加入5t新鲜臭氧水中，再加入上述制备的复合生物催解剂，搅拌均匀后，加入蒸球中，边升温边浸泡物料，约1h后，将催解液升温至90℃，在此温度下催解反应1.5h后，出料，浆料经分丝磨浆后除去水分，得到1.15t干浆。

实施例5

将180g白腐菌、120g纤维素酶、180g果胶酶和300g酵母加入到800mL水中，混合搅拌均匀，制成复合生物催解剂备用。

取2t松木，切成2cm厚的木片，加入4t新鲜臭氧水中，再加入上述制备的复合生物催解剂，搅拌均匀后，加入蒸球中，边升温边浸泡物料，约1h后，将催解液升温至120℃，在此温度下催解反应1h后，出料，浆料经分丝磨浆后除去水分，得到1.5t干浆。

实施例6

将150g白腐菌、200g纤维素酶、150g果胶酶和450g酵母加入到600mL水中，混合搅拌均匀，制成复合生物催解剂备用。

取2t高粱杆，切断为2～5cm，加入5t新鲜臭氧水和上述制备的复合生物催解剂，搅拌均匀后，加入蒸球中，边升温边浸泡物料，约1h后，将催解液升温至120℃，在此温度下催解反应1.5h后，出料，浆料经分丝磨浆后除去水分，得到0.95t干浆。

Claims (2)

1、一种生物催解法制纸浆工艺，是将粉碎的制浆原料加入到相当于其2～3倍重量的臭氧水中，再按照每100重量份数制浆原料中加入0.02～0.05重量份数复合生物催解剂的用量加入复合生物催解剂，混合均匀后，充分浸泡渗透，升温至80～120℃，生物催解0.5～2h后得到浆料，其中，所述的复合生物催解剂由下述重量份数的原料混合组成：

白腐菌                1～2

纤维素酶              1～2

果胶酶                1～2

酵母                  2～5

水                    5～10。

2、根据权利要求1所述的生物催解法制纸浆工艺，其特征是所述的臭氧水为现场吸收配制的饱和臭氧水。