CN106087508A - 一种超声波辅助生物酶脱除木质素的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物降解技术领域，特别是涉及一种超声波辅助生物酶脱除木质素的方法及其装置。本发明的方法为：将芦苇或竹柳等木质纤维原料除杂后，用水浸泡，磨成丝状纤维；将水和生物酶脱木素助剂混合均匀，加入丝状纤维；通入空气，升温,开动超声波发生器,进行等温等压反应；在物料中加入双氧水，进行反应，浆白度≥75％ISO时，终止反应；上述方法使用的装置包括桶体、进料口、安全阀、电机、联轴器、进气口、进水口、出浆口、支部，桶体内有机械搓磨搅拌装置，桶体外部还包括用连接装置联接的超声波发生器和超声波换能器。本发明提供的脱除木质素的方法和装置，处理周期短、处理能力与效率高。

Description

一种超声波辅助生物酶脱除木质素的方法及其装置

技术领域

本发明涉及生物降解技术领域，特别是涉及一种超声波辅助生物酶脱除木质素的方法及其装置。

背景技术

木质纤维生物质大量存在于自然界，是地球上最丰富、最廉价，且符合可持续发展要求的可再生资源。然而，木质纤维素原料的高效经济转化一直是国内外学者致力于解决的难题。这主要是由于秸秆、竹柳等木质纤维素原料结构异常复杂，木质素和半纤维素形成牢固的结合层，包裹在纤维素的外面，任一种组分的降解都必然受到其他组分的制约。其中半纤维素较易于水解，可通过适当的方法降解成可发酵糖类物质。但是木质素是一种非常难以被生物降解的物质，它的存在不仅对纤维素酶等生物催化剂具有毒害作用，而且对纤维素酶和半纤维素酶降解天然纤维素原料中的碳水化合物具有空间阻碍作用，致使许多纤维素分解菌不能侵袭完整的天然纤维素原料。因此，秸秆等木质纤维素原料的预处理成为必需和关键的环节。

目前，对木质纤维素原料的预处理方法的研究主要有物理法预处理如（蒸汽爆破、机械粉碎、微波、辐射等)，化学预处理(酸、碱、氧化、有机溶剂、超临界萃取等)，生物预处理(直接生物处理和生物酶处理等)。但是大量研究表明，由于秸秆等木质纤维素原料自身结构的复杂和不均一性，仅仅依靠单一技术难以实现其高效清洁转化。因此，近些年出现了不同预处理方法的组合处理技术。申请号为200810020226.2的中国发明专利公开了一种木质纤维素的联合预处理方法及其系统，但是该方法仍然是化学预处理法的组合，预处理过程中需要使用酸碱，存在较大的环境污染问题，增加了后续处理难度。目前常用的生物预处理法具有作用条件温和、专一性强、有利于环保和成本较低等优点，但是目前也存在直接生物法处理时间长、纤维素和半纤维素损失严重、酶活性低等问题。

发明内容

为了解决现有工艺存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种处理周期短、处理能力与效率高的脱除木质素的方法；

本发明的另一目的在于提供一种上述方法所使用的装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种超声波辅助生物酶脱除木质素的方法,采用以下步骤:

（1）将植物秸秆或木质纤维材料除杂后，用水浸泡，磨成丝状纤维；其中所述植物秸秆或木质纤维材料水分含量为15-20%；

（2）在超声波制浆机中将水和生物酶脱木素助剂在桶体内混合均匀，加入步骤（1）中所述的丝状纤维，开动机械搓磨搅拌装置,得混合均匀物料；其中植物秸秆或木质纤维材料：生物酶脱木素助剂：水的质量比为1：0.018-0.025：6-6.5；

（3）在步骤（2）在超声波制浆机中混合均匀物料中通入蒸汽，升温至40-50℃，再通入压缩空气，当压力达到0.3-0.35MPa时，开动超声波发生器，开始计时，控制空气通入量和蒸汽量，进行等温等压反应1.5-2.5小时；其中超声波发生器的功率为9kw；

（4）步骤（3）反应后，在超声波制浆机中通入蒸汽继续升温至50-60℃，加入双氧水，继续通入压缩空气保持压力达到0.3-0.35MPa，维持超声波发生器的功率为9kw继续进行反应，浆白度≥75％ISO时，终止反应；

（5）泄压、放料。

优选地，步骤（1）所述的植物秸秆为芦苇,木质纤维材料为竹柳。

优选地，步骤（2）所述的生物酶脱木素助剂由以下重量份的组分组成：二氧化钛10-15％、漆酶30-40％、木聚糖酶10-15％、半纤维素酶5-10％、二氧化硫脲10-20％、香兰素1-3％、丁香酚0.5-1％、吐温80 1-10％、余量为赋形剂；其中所述的漆酶活性单位为6万u/g、木聚糖酶10万u/g、半纤维素酶10万u/g。

优选地，所述的赋形剂为硫酸镁、硫酸铜或轻质碳酸钙中的一种或两种。

优选地，步骤（1）所述的用水浸泡的时间为2-3小时；步骤（4）所述的双氧水的质量分数为27.5wt%，双氧水的加入量为芦苇或竹柳等木质纤维原料质量的14.0-28.5%。

一种超声波辅助生物酶脱除木质素的装置，所述装置为超声波制浆机，包括桶体,桶体上部安装进料口、安全阀、进气口、进水口和电机,电机下部安装联轴器,联轴器下部安装的螺旋转子刀和固定在桶体内底部的定子组成机械搓磨搅拌装置,螺旋转子刀伸入定子内部,定子的内壁装有鄂板,桶体的外壁安装超声波换能器，超声波换能器用导线连接装置联接超声波发生器，桶体底部安装出浆口和支架。

所述超声波换能器的个数≥2，均匀排列在超声波制浆机的桶体外表面。

所述的超声波换能器由若干个超声波振子组成。

所述超声波振子的个数为30，超声波振子的频率为28K，功率为100W，超声波振子采用并联排列。

所述超声波制浆机桶体为立式圆柱状，桶体的上端和下端均有圆形封头。

该发明是基于生物酶脱除木素，软化降解纤维的原理设计的，生物酶助剂复合有表面活性剂，酶的催化活化剂，起到强化渗透软化作用，加速生物酶的脱木素漂白纸浆的效能。该发明主要脱除木素，漂白纸浆的生物酶以漆酶为主，辅以其它酶协同作用。漆酶用来漂白纸浆脱除木素的作用已被广泛研究过，然而漆酶单独存在时修复生物能力受到限制因为它只是专一作用于木质素中的酚类化合物并排斥其它的化合物。据查1-羟基苯并三唑（HBT）、2，2-二硝基二苯二硫（ABTS），紫脲酸（VLA）这些试剂可以使漆酶的作用对象扩大到木质素中的非酚醛单位，然而这些试剂都很贵，而且含有亚基，比如（N-(OH)一，这些亚基会产生有害化合物，会造成二次污染。该发明将超声波介体与生物催化降解木素过程结合起来降解大分子木质素，提高酶降解木质素的效率，作为环境友好型产品，应用于制浆造纸具有很大的市场前景。该发明提出的超声波介体生物酶降解脱除木素助剂，在应用制浆过程中加温到50-60℃，酶的活性最大，制浆时间缩短，满足快速制浆的要求。该发明在制浆过程中，要在设备中通入空气，保持氧压0.3MPa-0.35MPa，起到增氧作用，提高制浆效率。

有益效果

1、采用本发明生物酶脱除木质素的制浆工艺生产过程只需要3-4小时，比传统制浆工艺缩短1-3小时，加快制浆速度，本发明一次性可制成白度达75％ISO以上的白浆，实现了生物脱木素制浆提取纤维的工业化大生产的目的。

2、本发明技术方案充分考虑二次污染问题，仅采用环境友好型助剂，漂白纸浆整个生产过程在全封闭环境中进行，不用高温蒸煮，不加强碱，不产生黑液，无污染，省去黑液处理设备可节约大量生产用水，整个脱木素制浆提取纤维过程不添加任何造成环境二次污染的化学品，完全满足生物降解过程。

3、本发明用于生物酶脱除木质素方法的装置内置有机械搓磨搅拌装置，可以使内置浆料搅拌均匀，翻浆彻底，桶体外部的超声波换能器可以增加生物酶作用细胞壁的渗透速度，在超声作用下振动的气泡，使其界面层周围会产生液体的圆周运动，从而提高生物反应的速度。该超声波换能器与机械搓磨搅拌装置联合使用，加快了生物酶脱除木质素的速率，一次性即可脱除木质素，节约能源、降低生产成本。

附图说明

图1为本发明用于生物酶脱除木质素方法的装置结构示意图；

图2为图1的机械搓磨搅拌装置放大结构示意图；

图3为图1的俯视图；

标注部件：1、支架，2、传动轴底部支撑座，3、额板式定子，4、筒体下部观察孔，5、人孔，6、制浆机筒体，7、螺旋转子，8、制浆机封头，9、10、进料口和安全阀口，11、联轴器，12、电机，13、14、螺旋轴密封法兰和密封垫，15、16、进气口和进水口，17、18、出料口和排气阀，19、超声波换能器，20、超声波发生器，21、超声波振子，22、导线连接装置，23、鄂板，24、机械搓磨搅拌装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

需要说明的是，以下实施例均以竹柳作为制浆原料，但是，本发明的生物酶脱除木质素的方法及其装置所适用的制浆原料同样适用于芦苇、竹子、蔗渣、龙须草、桉木、速生杨中的一种或一种以上。

实施例1

一种超声波辅助生物酶脱除木质素的方法，所用的纤维原料选用竹柳，所用的脱木素装置超声波制浆机，所用的生物酶脱木素助剂，由以下重量份的组分组成:

二氧化钛：10％，

漆酶：40％，

木聚糖酶：10％，

半纤维素酶：5％，

二氧化硫脲：20％，

香兰素：1％，

丁香酚：0.5％，

吐温80：10％，

余量为赋形剂轻质碳酸钙；其中所述的漆酶活性单们为6万u/g，

木聚糖酶10万u/g，半纤维素酶10万u/g。

具体操作步骤为：

（1）将2吨含水量为15wt%的竹柳经皮带输送入切片破碎除尘机中进行切料、除杂、除去尘土后，用水浸泡2小时,用热磨机磨成丝状；

（2）在超声波制浆机中将12吨水和36千克生物酶脱木素助剂混合均匀，加入步骤（1）中磨成丝状的竹柳，开动机械搓磨搅拌装置,得混合均匀物料；

（3）步骤（2）在超声波制浆机中混合均匀物料中通入压缩空气，通入蒸汽升温至40℃，当压力达到0.3MPa，开动超声波发生器，功率为9kw，开始计时，维持0.3MPa，40℃进行等温等压反应2.5小时，停止通入压缩空气；

（4）步骤（3）在超声波制浆机中反应后通入蒸汽升温至50℃，一次加入质量分数为27.5%的双氧水280千克，继续通入压缩空气保持压力达到0.3-0.35MPa维持超声波发生器的功率为9kw，进行反应，当料浆的白度≥75％ISO时，反应终止；

（5）泄压、放料，得合格纸浆。

实施例2

一种超声波辅助生物酶脱除木质素的方法，所用的纤维原料选用芦苇，所用的脱木素装置超声波制浆机，所用的生物酶脱木素助剂，由以下重量份的组分组成:

二氧化钛：15％，

漆酶：30％，

木聚糖酶：15％，

半纤维素酶：10％，

二氧化硫脲：10％，

香兰素：3％，

丁香酚：1％，

吐温80：1％，

余量为赋形剂硫酸镁；其中所述的漆酶活性单们为6万u/g，木聚糖酶10万u/g，半纤维素酶10万u/g。

具体操作步骤为：

（1）将2吨含水量为15wt%的芦苇经皮带输送入切草粉碎除尘机中进行切料、除杂、除去尘土后，用水浸泡3小时,用热磨机磨成丝状；

（2）在超声波制浆机中将13吨水和40千克生物酶脱木素助剂混合均匀，加入步骤（1）中磨成丝状的竹柳，开动机械搓磨搅拌装置,得混合均匀物料；

（3）步骤（2）在超声波制浆机中混合均匀物料中通入压缩空气，通入蒸汽升温至50℃，当压力达到0.35MPa，开动超声波发生器，功率为9KW，开始计时，维持0.35MPa，50℃进行等温等压反应1.5小时,停止通入压缩空气；

（4）步骤（3）在超声波制浆机中反应后通入蒸汽升温至60℃，一次加入质量分数为27.5%的双氧水570千克，继续通入压缩空气保持压力达到0.3-0.35MPa维持超声波发生器的功率为9kw，进行反应，当料浆的白度≥75％ISO时，反应终止；

（5）泄压、放料，得合格纸浆。

实施例3

一种超声波辅助生物酶脱除木质素的方法，所用的纤维原料选用竹子，所用的脱木素装置超声波制浆机，所用的生物酶脱木素助剂，由以下重量份的组分组成:

二氧化钛：12％，

漆酶：35％，

木聚糖酶：12％，

半纤维素酶：8％，

二氧化硫脲：15％，

香兰素：2％，

丁香酚：0.8％，

吐温80：6％，

余量为赋形剂硫酸铜；其中所述的漆酶活性单们为6万u/g

木聚糖酶10万u/g，半纤维素酶10万u/g。

具体操作步骤为：

（1）将2吨含水量为15wt%的竹子经皮带输送入切草粉碎除尘机中进行切料、除杂、除去尘土后，用水浸泡2.5小时,用热磨机磨成丝状；

（2）在超声波制浆机中将12.5吨水和38千克生物酶脱木素助剂混合均匀，加入步骤（1）中磨成丝状的竹柳，开动机械搓磨搅拌装置,得混合均匀物料；

（3）步骤（2）在超声波制浆机中混合均匀物料中通入压缩空气，通入蒸汽升温至45℃，当压力达到0.33MPa，开动超声波发生器，功率为9kw，开始计时，维持0.33MPa，45℃进行等温等压反应2小时,停止通入压缩空气；

（4）步骤（3）在超声波制浆机中反应后通入蒸汽升温至55℃，一次加入质量分数为27.5%的双氧水350千克，继续通入压缩空气保持压力达到0.3-0.35MPa维持超声波发生器的功率为9kw，进行反应，当料浆的白度≥75％ISO时，反应终止；

（5）终止反应，泄压、放料，得合格纸浆。

对比例

一种常规蒸球制纸浆方法，所用的助剂由以下质量的组分组成：

常规蒸球制纸浆方法的操作步骤为：

（1）将含水量为15wt%的竹柳2吨除杂后，备用。

（2）在蒸球蒸煮器中加入14吨水，1.6kg蒽醌，360kg烧碱，步骤（1）所述的竹柳，混合均匀；

（3）开动电机装置，升温至145℃，当压力达到0.7MPa，开始计时，维持0.7MPa，145℃进行等温等压反应，当料浆的白度≥30％ISO时，反应终止；

（4）泄压、放料；

（5）浆料放出后挤出黑液，并洗涤，需要大量清水。

（6）洗好浆料加入3吨次氯酸钙进行漂白，漂白时间5-6小时。

（7）漂白完成后洗涤浆料得合格纸浆。

本发明的竹柳生物酶脱木素漂白制浆工艺和传统蒸球制浆工艺，从工艺条件到制得的纸浆性能等方面进行了一下对比，见表1。

表1：使用本发明工艺所制成的竹柳纸浆与常规蒸球制纸浆性能对比表

上表中的湿重为每立方厘米纸浆的重量。

一种应用于上述超声波辅助生物酶脱除木质素方法的装置，该装置为超声波制浆机,其结构如图1所示，包括桶体6,桶体上部安装进料口9、安全阀19、进气口15、进水口16和电机12,电机下部安装联轴器11,联轴器11下部安装的螺旋转子刀7和固定在桶体内底部的定子3组成机械搓磨搅拌装置24,螺旋转子刀7伸入定子3内部,定子3的内壁装有鄂板23,桶体的外壁安装超声波换能器19，超声波换能器19用导线连接装置22联接超声波发生器20，桶体底部安装出浆口17和支架1。

所述的螺旋转子刀7能够内部循环翻浆和具有搓磨功能,开动电机,浆料从机械搓磨搅拌装置上部进入，从机械搓磨搅拌装置下部甩出，使浆料得到循环搓磨粉碎，翻浆彻底，得到的浆料搅拌均匀。

所述超声波换能器19的个数为3个，均匀排列在超声波制浆机的桶体6外表面。

所述的超声波换能器19由30个超声波振子组成。所述超声波振子21的频率为28K，功率为300W，超声波振子21采用并联排列。

所述超声波发生器20为9kw。

所述桶体6为立式圆柱状，桶体的上端和下端均有圆形封头。

Claims (10)

1.一种超声波辅助生物酶脱除木质素的方法,其特征在于,采用以下步骤:

（1）将植物秸秆或木质纤维材料除杂后，用水浸泡，磨成丝状纤维；其中所述植物秸秆或木质纤维材料水分含量为15-20%；

（2）在超声波制浆机中将水和生物酶脱木素助剂混合均匀，加入步骤（1）中所述的丝状纤维，搅拌均匀,得混合均匀物料；其中植物秸秆或木质纤维材料：生物酶脱木素助剂：水的质量比为1：0.018-0.025：6-6.5；

（3）在步骤（2）在超声波制浆机中混合均匀物料中通入蒸汽，升温至40-50℃，再通入压缩空气，当压力达到0.3-0.35MPa时，使用功率为9kw的超声波进行处理，开始计时，控制空气通入量和蒸汽量，进行等温等压反应1.5-2.5小时；

（4）步骤（3）反应后，在超声波制浆机中通入蒸汽继续升温至50-60℃，加入双氧水，继续通入压缩空气,使压力达0.3-0.35MPa，维持超声波功率为9kw继续进行反应，浆白度≥75％ISO时，终止反应；

（5）泄压、放料。

2.根据权利要求1所述的一种生物酶脱除木质素方法，其特征在于，步骤（1）所述的植物秸秆为芦苇,木质纤维材料为竹柳。

3.根据权利要求1所述的一种生物酶脱除木质素方法，其特征在于，步骤（2）所述的生物酶脱木素助剂由以下重量份的组分组成：二氧化钛10-15％、漆酶30-40％、木聚糖酶10-15％、半纤维素酶5-10％、二氧化硫脲10-20％、香兰素1-3％、丁香酚0.5-1％、吐温80 1-10％、余量为赋形剂；其中所述的漆酶活性单位为6万u/g、木聚糖酶10万u/g、半纤维素酶10万u/g。

4.根据权利要求3所述的一种生物酶脱除木质素方法，其特征在于，所述的赋形剂为硫酸镁、硫酸铜或轻质碳酸钙中的一种或两种。

5.根据权利要求1所述的一种生物酶脱除木质素的方法，其特征在于，步骤（1）所述的用水浸泡的时间为2-3小时；步骤（4）所述的双氧水的质量分数为27.5wt%，双氧水的加入量为芦苇或竹柳等木质纤维原料质量的14.0-28.5%。

6.一种实现权利要求1-5任一项所述方法的装置，所述装置为超声波制浆机，一种超声波辅助生物酶脱除木质素的装置，其特征在于，所述装置为超声波制浆机，包括桶体（6）,桶体上部安装进料口（9）、安全阀（19）、进气口（15）、进水口（16）和电机（12）,电机下部安装联轴器（11）,联轴器（11）下部安装的螺旋转子刀（7）和固定在桶体内底部的定子(3)组成机械搓磨搅拌装置（24）,螺旋转子刀（7）伸入定子(3)内部,定子(3)的内壁装有鄂板（23）,桶体的外壁安装超声波换能器（19），超声波换能器（19）用导线连接装置（22）联接超声波发生器（20），桶体底部安装出浆口（17）和支架（1）。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述超声波换能器（19）的个数≥2，均匀排列在超声波制浆机的桶体（6）外表面。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的超声波换能器（19）由若干个超声波振子（21）组成。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述超声波振子（21）的个数为30个，超声波振子（21）的频率为28K，功率为300W，超声波振子（21）采用并联排列。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述桶体（6）为立式圆柱状，桶体的上端和下端均有圆形封头。