CN101130936A - 一种降低机械浆精磨段磨浆能耗的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过酶处理降低精磨段磨浆能耗的方法。是采用以下步骤：将粗磨后的浆料中加入水解酶，调pH值为5.0～8，温度25～60℃，浆浓6～15％，反应时间30～90min，然后输送到磨浆机进行精磨浆；所述的水解酶为木聚糖酶、漆酶和白腐菌粗酶液的一种或两种。本发明的有益效果为：通过酶液对原料的降解与修饰作用，软化了纤维原料，破坏纤维细胞壁木素和半纤维素的粘结，使纤维易于机械分离，从而降低磨浆能耗，成浆的物理性能也得到了相应的改善。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种降低机械浆精磨段磨浆能耗的生产方法，特别涉及一种通过酶处理降低精磨段磨浆能耗的方法。
(二)背景技术
制浆造纸是资金、能源和技术密集型行业。应用的浆料主要包括化学浆和机械浆，目前资源与环境问题迫使机械浆的生产得到迅速增长。与化学法制浆相比，机械法制浆建设费用低、成浆得率高、污染少，且机械浆具有较高的不透明度、光散射系数、松厚度和良好的适印性等优点，这些优点使机械浆成为低定量涂布纸、超级压光纸、新闻纸等纸种抄造必不可少的浆种。但目前机械制浆技术磨浆工段的能量消耗很大，如TMP(热磨机械浆)的磨浆能耗为1800～2300kW·h/t浆，RMP(木片盘磨机械浆)的磨浆能耗为1600～2200kW·h/t浆，且成浆的物理强度低，白度稳定性差，这些缺点限制了机械浆生产的进一步发展。现有的磨浆理论认为，第一段磨浆为纤维彼此离解、分离成单根纤维的粗磨过程，此段磨浆能耗相对较少，而此段较高的磨浆温度使木素塑化涂覆于纤维表面影响后续处理，改性此部分木素可改善第二段精磨的磨浆性能；第二段磨浆为单根纤维的分丝帚化、提高结合强度的精磨过程，此段磨浆能耗相对较高。
(三)发明内容
本发明为降低机械浆的磨浆能耗，提供了一种新的降低精磨段磨浆能耗的方法。本技术通过酶液对原料的降解与修饰作用，软化了纤维原料，破坏纤维细胞壁木素和半纤维素的粘结，使纤维易于机械分离，从而降低磨浆能耗，成浆的物理性能也得到了相应的改善。
本发明是通过以下措施来实现的：
本发明涉及一种降低机械浆精磨段磨浆能耗的方法，采用以下步骤：
将粗磨后的浆料中加入水解酶，调pH值为5.0～8，温度25～60℃，浆浓6～15％，反应时间30～90min，然后输送到磨浆机进行精磨浆；所述的水解酶为木聚糖酶、漆酶和白腐菌粗酶液的一种或两种。
上述本发明的方法中，采用木聚糖酶处理的条件为木聚糖酶用量5～50IU/g浆，温度30～60℃，时间30～90min，浆浓8～15％，pH值为6～8。
木聚糖是由β-D-1，4木糖苷键连接起来并带有多种取代基的多聚五碳糖。而木聚糖酶则是降解该物质的最主要酶之一。木聚糖酶可将木聚糖降解成低聚糖和木糖，是一种复合酶系。木聚糖酶主要包括三类：内切β-1，4-木聚糖酶，优先在不同位点上作用于木聚糖和长链木寡糖，从β-1，4-木聚糖主链的内部切割木糖苷链，从而使木聚糖降解为木寡糖，其水解产物主要为木二糖与木二糖以上的寡聚木糖，也有少量的木糖和阿拉伯糖；外切β-1，4-木聚糖酶，作用于木聚糖和木寡糖的非还原端，产物为木糖；β-木糖苷酶，该酶通过切割木寡糖末端而释放木糖残基。狭义的木聚糖酶仅限于内切β-1，4-木聚糖酶。在木聚糖降解过程中，各种木聚糖酶起着互相重叠但又各不相同的作用。
上述本发明的方法中，采用漆酶处理的条件为漆酶用量5～40IU/g浆，温度25～60℃，时间30～90min，浆浓5～15％，pH值为5.0～7.5。
漆酶是单电子氧化还原酶，具有广泛的底物专一性，可氧化的底物包括酚类及其衍生物、芳胺及其衍生物、芳香羧酸及其衍生物等，在小分子的介体物质存在下，漆酶可氧化的底物范围还将进一步扩大，即氧化非酶底物。漆酶催化底物机制表现在底物自由基的形成和漆酶分子中四个铜离子的相互协同作用。首先底物结合于酶活性中心一型铜原子位点，通过Cys-His途径将电子传递给三核位点，该位点又把电子传递给氧分子，使其还原成水。底物的一电子氧化与氧的四电子还原相偶联。
上述本发明的方法中，采用白腐菌粗酶液处理的条件为酶液用量2～10ml/kg浆，温度25～50℃，时间30～90min，浆浓6～15％，pH值为5.0～7.0。
上述本发明的方法，白腐菌粗酶液含有木素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶的木素氧化酶。白腐菌能有效降解木素，木素降解是通过其分泌的胞外酶的作用实现的。经简单分离的白腐菌粗酶液含有大量的的木素氧化酶，因而白腐菌粗酶液可实现对木素的降解修饰，改善纤维性能。
上述本发明的方法中，采用采用木聚糖酶和漆酶处理的条件为木聚糖酶用量5～50IU/g浆，漆酶用量5～40IU/g浆，温度30～60℃，时间30～90min，浆浓8～15％，pH值为6～7.5。
下面以杨木为例，分别采用木聚糖酶、漆酶、白腐菌粗酶液，以及木聚糖酶和漆酶的混合酶处理生产机械浆，对本发明的生产方法与常规工艺进行性能对比。
研究用杨木为三倍体毛白杨，树龄5年，胸径20.2cm，木材基本密度0.422g/cm3，手工削片，木片规格为25mm×20mm×3～5mm，木片合格率在95％以上，其主要化学成分见表1。
表1三倍体毛白杨化学组成(％)
| 抽出物 | 综纤维素 | 酸不溶木素 | 酸溶木素 | 聚戊糖 | |||
| 冷水 | 热水 | 1％NaOH | 苯醇 | ||||
| 2.33 | 3.94 | 18.69 | 3.84 | 81.42 | 20.00 | 1.96 | 25.31 |
1.木聚糖酶处理
采用三倍体毛白杨木片制取碱性过氧化氢机械浆(APMP)，常规APMP的生产流程为：冷水浸泡(48h以上)→热水预浸渍(温度95～100℃，时间20min)→一段挤压疏解→一段化学预处理→二段挤压疏解→二段化学处理→粗磨浆→精磨浆→消潜。采用本发明的方法为在粗磨浆后进行木聚糖酶处理，酶处理后进行精磨浆，具体生产流程为：冷水浸泡(48h以上)→热水预浸渍(温度95～100℃，时间20min)→一段挤压疏解→一段化学预处理→二段挤压疏解→二段化学处理→粗磨浆→木聚糖酶处理→精磨浆→消潜。
APMP化学处理在15L电热蒸煮锅中进行，木片与药液混合后，置于蒸煮锅中在预定温度下至预定时间，处理条件如下(一段/二段)：NaOH用量3.3％/3.0％，H2O2用量3.3％/3.0％，Na2SiO3用量1.0％/2.0％，MgSO4用量0.2％/0.3％，EDTA用量0.2％/0.3％，时间50min/60min，温度75℃/70℃，液比1∶4。
采用用JS10型螺旋挤压疏解机进行挤压疏解，设备结构压缩比为4∶1；消潜条件为浆浓2.0％、温度80℃处理30min。
探讨不同木聚糖酶用量对APMP制浆性能的影响，结果如表2所示。
表2不同木聚糖酶用量对APMP制浆性能的影响
| 生产流程 | 常规APMP | 本发明的APMP流程 | |||
| 木聚糖酶用量/IU/g浆精磨浆能耗/kW·h/t浆打浆度/OSR松厚度/cm3·g-1纤维束含量/％白度/％ISO耐破指数/KPa·m2·g-1裂断长/km撕裂指数/mN·m2·g-1 | 097245.62.145.378.22.134.365.21 | 1087846.02.135.178.52.194.425.25 | 2082645.52.104.778.72.254.515.29 | 3078746.22.084.278.92.294.595.31 | 4073046.02.053.679.22.364.655.41 |
注：木聚糖酶处理的其他条件为温度50℃，时间60min，浆浓8％，pH值为6～8。
从表2可以看出，与常规APMP流程相比，由于木聚糖酶对木聚糖的降解，浆料结构变得疏散，纤维在磨浆机的剪切力的作用下更易分丝帚化，采用木聚糖酶处理可以明显降低精磨浆的能耗，随着木聚糖酶用量的增大，精磨浆能耗逐渐降低，木聚糖酶用量为40IU/g浆时，精磨浆能耗可降低24.9％，木聚糖酶对磨浆性能的改善也减少了成浆的纤维束含量，减轻了筛浆设备的处理量。采用木聚糖酶处理的生产流程也可提高成浆的白度；由于木聚糖酶对纤维的软化，磨浆对纤维的损伤减小，纤维的切断减少，成浆的物理强度性能也得到改善，随着木聚糖酶用量的增大，耐破指数、裂断长和撕裂指数也逐渐提高。
2.漆酶处理
漆酶为木素氧化酶，漆酶可降解修饰纤维中的粘结性的木素，改善木素的性能，利于磨浆。本部分探讨采用漆酶处理对三倍体毛白杨的APMP的精磨浆工段的改善，常规APMP制浆生产同“木聚糖酶处理”部分，采用本发明的方法为在粗磨浆后进行漆酶处理，酶处理后进行精磨浆，具体生产流程为：冷水浸泡(48h以上)→热水预浸渍(温度95～100℃，时间20min)→一段挤压疏解→一段化学预处理→二段挤压疏解→二段化学处理→粗磨浆→漆酶处理→精磨浆→消潜。
SCMP磺化处理在15L电热蒸煮锅中进行，处理条件为：Na2SO3用量18％，NaOH用量2％(相对于绝干原料计)，最高温度140℃，液比1∶4，升温时间60min，保温时间30min。
探讨了不同漆酶用量对APMP制浆性能的影响，结果如表3所示。
表3不同漆酶用量对APMP制浆性能的影响
| 生产流程 | 常规APMP | 本发明的APMP流程 | |||
| 漆酶用量/IU/g浆精磨浆能耗/kW·h/t浆打浆度/OSR松厚度/cm3·g-1纤维束含量/％白度/％ISO耐破指数/KPa·m2·g-1裂断长/km撕裂指数/mN·m2·g-1 | 097245.62.145.378.22.134.365.21 | 885246.12.125.078.72.184.435.23 | 1681345.52.104.778.92.244.525.29 | 2476246.32.094.179.12.284.625.33 | 3271246.12.073.479.62.354.695.42 |
注：漆酶处理的其他条件为温度40℃，时间60min，浆浓5％，pH值为5.0～7.5。
从表3可以看出，与常规APMP流程相比，由于漆酶对木素的降解修饰，软化了纤维的刚性结构，浆料变得柔软，纤维在磨浆机的剪切力的作用下更易分丝帚化，减轻了纤维的切断左右，采用漆酶处理也可以明显降低精磨浆的能耗，随着漆酶用量的增大，精磨浆能耗逐渐降低，漆酶用量为32IU/g浆时，精磨浆能耗可降低26.7％，漆酶对木素也减少了成浆的纤维束含量。由于漆酶对木素发色基团的降解改性，采用漆酶处理的生产流程也可提高成浆的白度；漆酶处理成浆的物理强度性能也得到改善，随着漆酶用量的增大，耐破指数、裂断长和撕裂指数也逐渐提高。
3.白腐菌粗酶液处理
白腐菌粗酶液含有各种木素氧化酶，通过氧化酶对木素结构的降解修饰改善浆料的磨浆性能。本部分探讨白腐菌粗酶液对三倍体毛白杨磺化化学机械浆(SCMP)精磨浆性能的改善。常规SCMP生产流程为：磺化处理→粗磨浆→精磨浆→消潜。采用本发明的方法为在粗磨浆后进行白腐菌粗酶液处理，酶处理后进行精磨浆，具体生产流程为磺化处理→粗磨浆→白腐菌粗酶液处理→精磨浆→消潜。
探讨了不同白腐菌粗酶液用量对SCMP制浆性能的影响，结果如表4所示。
表4不同白腐菌粗酶液用量对SCMP制浆性能的影响
| 生产流程 | 常规SCMP | 本发明的SCMP流程 | |||
| 粗酶液用量/ml/kg浆精磨浆能耗/kW·h/t浆打浆度/OSR松厚度/cm3·g-1纤维束含量/％白度/％ISO耐破指数/KPa·m2·g-1裂断长/km撕裂指数/mN·m2·g-1 | 093645.12.054.655.22.324.455.33 | 2.085246.02.024.155.52.374.495.36 | 4.081345.62.003.755.92.424.545.39 | 6.076246.01.983.356.32.484.585.43 | 8.068346.21.972.856.72.554.635.48 |
注：白腐菌粗酶液处理的其他条件为温度40℃，时间60min，浆浓6％，pH值为5.0～7.0。
从表4可以看出，与常规SCMP流程相比，由于白腐菌粗酶液对木素的降解修饰，采用白腐菌粗酶液处理也可以明显降低精磨浆的能耗，随着酶液用量的增大，精磨浆能耗逐渐降低，漆酶用量为8ml/kg浆时，精磨浆能耗可降低27.0％，磨浆性能的改善也减少了成浆的纤维束含量。由于木素氧化酶对木素发色基团的降解改性，采用粗酶液处理的生产流程也可提高成浆的白度；本发明流程成浆的物理强度性能也得到改善。
4.木聚糖酶和漆酶共同处理
木聚糖酶处理条件和漆酶处理的条件接近，两种酶对磨浆性能改善的机理也有差别，两种共同作用可产生协同作用，本部分探讨木聚糖酶和漆酶共同处理对三倍体毛白杨磺化化学机械浆(SCMP)精磨浆性能的改善。常规SCMP生产流程为：磺化处理→粗磨浆→精磨浆→消潜。采用本发明的方法为在粗磨浆后进行木聚糖酶和漆酶共同处理，酶处理后进行精磨浆，具体生产流程为磺化处理→粗磨浆→木聚糖酶和漆酶共同处理→精磨浆→消潜。
探讨了不同用量酶液组成对SCMP制浆性能的影响，结果如表5所示。
表5不同白腐菌粗酶液用量对SCMP制浆性能的影响
| 生产流程 | 常规SCMP | 本发明的SCMP流程 | |||
| 木聚糖酶用量/IU/g浆漆酶用量/IU/g浆精磨浆能耗/kW·h/t浆打浆度/OSR | 0093645.1 | 101672145.2 | 102466545.3 | 20872545.1 | 201667145.4 |
| 松厚度/cm3·g-1纤维束含量/％白度/％ISO耐破指数/KPa·m2·g-1裂断长/km撕裂指数/mN·m2·g-1 | 2.054.655.22.324.455.33 | 2.062.357.12.494.535.36 | 2.081.957.32.514.595.39 | 2.042.256.82.514.585.38 | 2.061.557.52.584.625.42 |
注：酶处理段其他条件为温度45℃，时间60min，浆浓6％，pH值为6～7.5。
从表5可以看出，与常规SCMP流程相比，木聚糖酶和漆酶共同处理也可以明显降低精磨浆的能耗，磨浆性能的改善也减少了成浆的纤维束含量。采用本生产流程也可提高成浆的白度，成浆的物理强度性能也得到改善。
本发明的有益效果为：通过酶液对原料的降解与修饰作用，软化了纤维原料，破坏纤维细胞壁木素和半纤维素的粘结，使纤维易于机械分离，从而降低磨浆能耗，成浆的物理性能也得到了相应的改善。
(四)附图说明
附图1为本发明的生产流程示意图。
(五)具体实施方式
实施例1
常规马尾松热磨机械浆(TMP)的精磨段磨浆能耗为1350kW·h/t浆，精磨后纸浆的打浆度为50.20SR，纤维束含量为6.3％，松厚度2.73cm3·g-1，白度45.7％ISO，耐破指数1.26KPa·m2·g-1、裂断长3.21km，撕裂指数2.45mN·m2·g-1。
采用本方法制取马尾松TMP，在粗磨浆工段后进行漆酶处理，处理条件为漆酶用量32IU/g浆，温度40℃，时间60min，浆浓5％，pH值为5.0～7.5，处理结束后将浆料浓缩为浆浓25％，之后进行精磨浆，精磨段磨浆能耗为999kW·h/t浆，磨浆能耗降低了26.0％，精磨后的精磨后纸浆的打浆度为50.80SR，纤维束含量为5.0％，降低了1.3％，松厚度2.65cm3·g-1，白度47.1％ISO，耐破指数1.34KPa·m2·g-1、裂断长3.47km，撕裂指数2.53mN·m2·g-1，成浆的白度和强度性能指标都有所提高。
实施例2
常规桉木漂白化学热磨机械浆(BCTMP)的精磨段磨浆能耗为1230kW·h/t浆，精磨后纸浆的打浆度为50.20SR，纤维束含量为6.1％，松厚度2.35cm3·g-1，白度78.1％ISO，耐破指数2.56KPa·m2·g-1、裂断长4.54km，撕裂指数5.45mN·m2·g-1。生产新闻纸桉木BCTMP的配比为45％，脱墨浆的配比为55％。
采用本方法制取桉木CTMP，在粗磨浆工段后进行木聚糖酶处理，处理条件为木聚糖酶用量40IU/g浆，温度50℃，时间60min，浆浓8％，pH值为6～8，处理结束后将浆料浓缩为浆浓25％，之后进行精磨浆，精磨段磨浆能耗为929kW·h/t浆，磨浆能耗降低了24.5％，精磨后的精磨后纸浆的打浆度为50.70SR，纤维束含量为4.9％，降低了1.2％，松厚度2.30cm3·g-1，白度79.4％ISO，耐破指数2.63KPa·m2·g-1、裂断长4.67km，撕裂指数5.56mN·m2·g-1，成浆的白度和强度性能指标都有所提高。采用本方法制取的桉木BCTMP配抄生产新闻纸，在保证产品质量要求的前提下配比可降低到41％，脱墨浆的配比增大到59％，吨纸生产成本降低人民币110元。
实施例3
常规杨木碱性过氧化氢机械浆(APMP)的精磨段磨浆能耗为960kW·h/t浆，精磨后纸浆的打浆度为48.50SR，纤维束含量为5.2％，松厚度2.23cm3·g-1，白度77.3％ISO，耐破指数2.35KPa·m2·g-1、裂断长4.31km，撕裂指数5.33mN·m2·g-1。生产低定量涂布纸杨木APMP的配比为80％，漂白硫酸盐浆的配比为20％。
采用本方法制取杨木APMP，在粗磨浆工段后进行白腐菌粗酶液处理，处理条件为酶液用量6ml/kg浆，温度40℃，时间60min，浆浓6％，pH值为5.0～7.0，处理结束后将浆料浓缩为浆浓25％，之后进行精磨浆，精磨段磨浆能耗为706kW·h/t浆，磨浆能耗降低了26.5％，精磨后的精磨后纸浆的打浆度为49.10SR，纤维束含量为4.1％，降低了1.1％，松厚度2.09cm3·g-1，白度79.2％ISO，耐破指数2.49KPa·m2·g-1、裂断长4.52km，撕裂指数5.52mN·m2·g-1，成浆的白度和强度性能指标都有所提高。采用本方法制取的杨木APMP配抄生产，在保证产品质量要求的前提下配比可提高到84％，降低硫酸盐浆配比到16％，吨纸生产成本降低人民币140元。
实施例4：
常规桉木漂白化学热磨机械浆(BCTMP)的精磨段磨浆能耗为1230kW·h/t浆，精磨后纸浆的打浆度为50.20SR，纤维束含量为6.1％，松厚度2.35cm3·g-1，白度78.1％ISO，耐破指数2.56KPa·m2·g-1、裂断长4.54km，撕裂指数5.45mN·m2·g-1。
采用本方法制取桉木CTMP，在粗磨浆工段后进行木聚糖酶和漆酶共同处理，处理条件为木聚糖酶用量20IU/g浆，漆酶用量16IU/g浆，温度45℃，时间60min，浆浓6％，pH值为6～7.5，处理结束后将浆料浓缩为浆浓25％，之后进行精磨浆，精磨段磨浆能耗为886kW·h/t浆，磨浆能耗降低了28.0％，精磨后的精磨后纸浆的打浆度为50.50SR，纤维束含量为4.6％，降低了1.5％，松厚度2.32cm3·g-1，白度79.6％ISO，耐破指数2.67KPa·m2·g-1、裂断长4.69km，撕裂指数5.58mN·m2·g-1，成浆的白度和强度性能指标都有所提高。
Claims (6)
1.一种降低机械浆精磨段磨浆能耗的方法，其特征在于采用以下步骤：
将粗磨后的浆料中加入水解酶，调pH值为5.0～8，温度25～60℃，浆浓6～15％，反应时间30～90min，然后输送到磨浆机进行精磨浆；所述的水解酶为木聚糖酶、漆酶和白腐菌粗酶液的一种或两种。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：采用木聚糖酶处理的条件为木聚糖酶用量5～50IU/g浆，温度30～60℃，时间30～90min，浆浓8～15％，pH值为6～8。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：采用漆酶处理的条件为漆酶用量5～40IU/g浆，温度25～60℃，时间30～90min，浆浓5～15％，pH值为5.0～7.5。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：采用白腐菌粗酶液处理的条件为酶液用量2～10ml/kg浆，温度25～50℃，时间30～90min，浆浓6～15％，pH值为5.0～7.0。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：采用采用木聚糖酶和漆酶处理的条件为木聚糖酶用量5～50IU/g浆，漆酶用量5～40IU/g浆，温度30～60℃，时间30～90min，浆浓5～15％，pH值为6～7.5。
6.根据权力要求4所述的生产方法，其特征在于：白腐菌粗酶液为主要含有木素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶等木素氧化酶的溶液。
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