CN106520621B - 一种生物超声波生产添加剂用纤维素的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物超声波生产添加剂用纤维素的方法，可有效解决节能减排，省水，降低生产成本且提高物质的使用率问题，方法是，将褐腐菌、鲁氏不动杆菌、荧光假单胞菌和Wickerhamomyces anomalus复合在一起，加水制成菌群密度为6×107个/mL以上的复合菌液；将纤维原料切制成长度为3‑5cm，先用水润胀，然后汽蒸疏解，脱水；将汽蒸疏解后的纤维原料置入复合菌液中降解，捞出，沥水，蒸汽杀菌，置入化学液中，疏解成纤维束，超声波处理成单根纤维，在温水中浸泡，烘干、灭菌；研磨成纤维素。本发明方法先进，科学，易操作，从根本上解决了生物制纤维素污染难题，节能减排，省水，降低生产成本，且能提高物质的使用率，经济和社会效益巨大。
Description
技术领域
本发明涉及纤维素，特别是一种生物超声波生产添加剂用纤维素的方法。
背景技术
纤维素是多糖化合物，是人类最宝贵的天然可再生资源。纤维素化学与工业始于多年前，是高分子化学诞生及发展时期的主要研究对象，纤维素的主要生理作用是吸附大量水分，增加粪便量，促进肠蠕动，加快粪便的排泄，使致癌物质在肠道内的停留时间缩短，对肠道的不良刺激减少，从而可以预防肠癌发生。现有技术中制备纤维素，多通过化学方法，化学方法生产中产生的废液污染化境，破坏土地，污染空气，而且耗能高，耗电及用水量大。不符合国家节能减排政策，物质不能达到有效循环再利用。化学制剂无法从废液中分离出来，有机物与化学制剂混合在一起，有机物也无法得到再利用，造成大量损失。
生物制浆是从制浆源头减少环境污染，节约能耗的一项生物技术。传统上它包括生物化学制浆和生物机械制浆两方面，生物机械制浆是指在机械磨浆前用微生物或酶代替化学药品对原料进行预处理，除了减少废水污染外，还可以降低磨浆能耗，提高设备生产能力，而且可以减少树脂问题，显著提高纸浆的强度性能。因此，可在制浆之前采用筛选和试验出的微生物来预处理原料，使其对原料木质素进行降解和改性。预处理原料的主要影响因素是菌种种类、酶用量、pH值、温度、浓度和原料材种等。在一般化学反应条件下，有机物大分子在高温下裂化产生自由基，而在酶的催化作用下，只需要在常温和中性条件即可使木素大分子结构单元氧化脱氢产生进一步裂解或聚合反应所需的自由基，使自由基反应得以顺利进行。经过生物预处理之后所制得的浆料与对照样浆料相比，在相同纸浆卡伯值下，可以节省化学药品的用量或减少蒸煮时间；或在相同制浆条件下，能降低纸浆的卡伯值，节约下一步漂白工序的化学药品用量；同时，都能使抄造纸张的物理性能得到提高。木质素在真菌或细菌的作用过程是生物降解木质素的过程，是在常温、常压和近中性值条件下进行的，降解的最终产物是二氧化碳和水。白腐菌等菌种一般都能产生三类木素酶，即木素过氧化物酶、二价锰过氧化物酶和漆酶，这些酶都能对木素进行催化降解。有报道确定漆酶（Laccase）和木素过氧化物酶（Lip）单独存在都不能很好地降解木素，而两种酶同时存在时，木素却能得到很好的降解，表明两种酶具有协同作用。白腐菌等菌种降解木素有三个特点：（1）能彻底降解木素生成CO2和水，而细菌至多将20%的木素碳转化为CO2；（2）木素降解主要是氧化反应，产物中不出现木素单体；（3）木素降解本身不提供菌体生长所需的碳源和能源，需要另外提供。
采用超声波处理纸浆纤维主要是通过超声波的“空化效应”和“自由基活化作用”。超声空化过程中形成的气泡里不仅含有液体本身产生的蒸汽，而且含有溶解于液体的气体。声空化对纤维素有两种作用：一是空化泡破裂产生的高强微射流形成的高速液体流撞击纤维细胞壁，使纤维表面受到机械撞击和微剪切力，使纤维表面变得起毛、粗糙，暴露出更多的亲水基团，发生细纤维化并起到了轻微打浆的作用；另一是空化泡崩溃产生的高压或高压释放产生的冲击波或脉动空泡界面上的剪切应力或机械运动产生的交变压力变化作用于纤维表面时，必在纤维的原始缺陷处产生应力、应变集中，使纤维细胞壁的初生壁及次生壁外层出现裂纹、细胞壁发生变形和位移及脱除、有更多的次生壁中层暴露出来，纤维表面因而变得粗糙，增加了纤维间的摩擦阻力。其结果是导致纤维素的形态结构、超分子结构、聚合度及其分布发生变化。继续增加超声波作用时间，纤维发生疲劳裂纹的亚临界扩展，导致微晶位错，比表面积增加，结晶度下降，无定形区增大，导致部分纤维断裂，从而纤维平均长度下降。同时在超声波作用下，漂液对纤维素的润胀作用大大加强，缩短药液渗透时间，可断开纤维素分子链间的氢键，打开微孔结构，大大增加纤维素的内表面积，提高其对漂液的可及度和化学反应活性。超声波处理对提高纤维素的保水值有显著效果，纤维润胀程度相对加大，润胀后纤维变得相当柔软可塑，外表面积增大，内部组织结构松弛，分子间内聚力下降，有利于细纤维化的进行。而未去掉初生壁的纤维显得光滑、挺硬、不易吸水润胀。
现有从植物原料中制备纤维素，多通过化学方法。但是化学方法生产中产生的废液污染化境，破坏土地，污染空气，而且能耗高，电耗及用水量也大。不符合国家节能减排政策，并且物质不能达到有效循环再利用，废液中的有机物与化学药品混合在一起，有机物无法得到再利用，造成大量损失。重要设备依靠进口，投资费用和易损配件维修费用高。但存在木质素降解不完全，污染严重，废水产生量为18～19 m3每吨浆，废水COD为1300～1500。固体废弃物产生量为300～400kg/吨浆。
因此，有必要开发生物制纤维素技术，从根本上解决上述污染难题，节能减排，省水，降低生产成本且提高物质的使用率。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种生物超声波生产添加剂用纤维素的方法，可有效解决节能减排，省水，降低生产成本且提高物质的使用率问题。
本发明解决的技术方案是，包括以下步骤：
（1）、制备复合菌液：将褐腐菌、鲁氏不动杆菌、荧光假单胞菌和Wickerhamomycesanomalus以质量比（1～2）︰（1～3）︰（1～3）︰（2～3）复合在一起，加水制成菌群密度为6×107个/mL以上的复合菌液；
（2）、水选润胀汽蒸纤维原料：所述的纤维原料为木材或草本植物，将纤维原料切制成长度为3-5cm，先用水润胀，然后汽蒸原料，进行疏解，汽蒸时间为10-30min，将汽蒸疏解后的纤维原料进行脱水；
（3）、生物降解：将汽蒸疏解后的纤维原料置入复合菌液中，对原料进行降解，汽蒸疏解后的纤维原料与复合菌液的重量比为1︰6-8，在30-40℃下降解30-42h；
（4）、蒸汽杀菌：将纤维原料从复合菌液中捞出，沥水，用蒸汽杀菌，杀菌时间10-30min；
（5）、制纤维束：将蒸汽杀菌后的纤维原料置入化学液中，疏解成纤维束；
所述的化学液是由重量百分比计的：KOH 2.0～4.0%、H2O2 2.0～6.0%、Na2SiO31.5～4.0%、DTPA （二乙基三胺五乙酸）0.1～0.5%和余量为水制成；
（6）、制浆：将步骤（5）疏解成的纤维束进行超声波处理成单根纤维，超声波处理时间30-60min，功率为100-300kw，频率为15-30khz，制成单根纤维质量浓度为10%的纸浆；
（7）、纸浆筛选净化：将纸浆进行洗涤，筛选、过滤，滤出纸浆中未成单根纤维的纤维束，再次超声波处理成单根纤维；
（8）、将筛选过滤出的纸浆在温水中浸泡，其中温水的温度为80℃，浸泡时间为30mins，然后烘干3h、灭菌30mins；
（9）研磨：将烘干、灭菌后的单根纤维研磨成纤维素。
本发明方法先进，科学，易操作，从根本上解决了生物制纤维素污染难题，节能减排，省水，降低生产成本，且能提高物质的使用率，经济和社会效益巨大。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作详细说明。
实施例1
由图1所示，本发明方法在具体实施中，包括以下步骤：
（1）、菌液的复配；
将多个菌种按照下述质量比配置成复合菌群水溶液，即为菌液；各菌种的配比是：褐腐菌：鲁氏不动杆菌：荧光假单胞菌：Wickerhamomyces anomalus为（1～2）:（1～3）: （1-3）：（2～3）；
（2）、水洗润胀及汽蒸木片或草本原料；
木片或草本原料经过水洗润胀后进入汽蒸仓里，在汽蒸仓里进行软化处理10～20mins，木片或草本原料软化后进入斜螺旋脱水机进行脱水；
（3）、生物降解；
将疏解后的原料输送到配置好的复合菌液仓里，让复合细菌群开始对原料的木质素进行降解，疏解后的原料与复合菌液的质量比为1：6～8；复合菌液的细菌密度为6×107个/mL以上；生物降解温度保持在35～40℃，时间为30～42小时；
（4）、蒸汽杀菌；
将上述生物降解后的原料从复合菌液中捞出、沥水，并经过运输存储仓，在运输存储仓里通入水蒸汽灭菌；原料经过运输存储仓的时间为10～30分钟，即常压水蒸汽灭菌时间；
（5）、进入双螺旋挤压疏解机，使木片或草本原料成纤维束；
木片或草本原料进入双螺旋挤压疏解机，把木片或草本原料疏解成纤维束；
（6）、进入超声波反应仓处理，使纤维束变成单根纤维；
纤维束经60mins左右的水平运输保温带后进入超声波反应仓内进行超声波处理，使纤维束变成单根纤维，纤维束在反应仓内经超声波反应使纸浆的性能得到了大幅度的提高，该超声波反应仓内的反应条件是反应时间为30～60min，反应功率为100～300kw，反应频率为15～30kHz，纸浆质量浓度10%；
（7）、纸浆筛选净化；
超声波反应处理完后，纸浆被排放到洗浆机里进行洗涤，洗涤后进行筛选、过滤经过纸浆料中的纤维束，再次反应使其制成单根纤维；
（8）、灭菌将上述制得的纤维在温水中浸泡，然后烘干、灭菌；
经粗磨和细磨后的纤维，受机械摩擦，大部分打弯、扭曲变形，经温水中浸泡消除磨浆造成的纤维挠曲，其中温水的温度为80℃，浸泡时间为30mins，使之舒展，然后烘干3h、灭菌30mins；
（9）、研磨将灭菌后的纤维研磨成纤维素，作为添加剂；
将灭菌后的纤维经稀碱法除去残余木质素，再次灭菌，并研磨成纤维素，作为添加剂。
其中，所述的复合菌液的菌群密度为6×107个/ml以上；切好的木片长度为3～4cm，切好的草本原料长度为4～5cm；所述的汽蒸时间为10～30mins。
所述的原料为木材和草类原料等，木材如柳木、榆木、杨木等，草类原料如麦秆、玉米秸、红薯秧、高梁杆、花生秧、稻草等；
所述的生物降解温度保持在35～40℃，时间为44～48小时，疏解后的原料与复合菌液的质量比为1︰6～8。
所述的蒸汽灭菌为常压水蒸汽灭菌10～30分钟。
所述分别注入于双螺旋挤压疏解机中的化学药品用量为，KOH 2.0～4.0%，H2O22.0～6.0%，Na2SiO3 1.5～4.0%，DTPA 0.1～0.5%。
所述的超声波反应仓的反应时间为30～60min，反应功率为100～300kw，反应频率为15～30kHz。
实施例2
本发明在具体实施中，所述的复合菌液是由：将褐腐菌、鲁氏不动杆菌、荧光假单胞菌和Wickerhamomyces anomalus以质量比（1.2～1.8）︰（1.5～2.5）︰（1.5～2.5）︰（2.2～2.8）复合在一起，加水制成菌群密度为6×107个/mL以上的复合菌液；
所述的化学液是由重量百分比计的：KOH 2.5-3.5%、H2O2 3-5%、Na2SiO3 1.8-3.5%、DTPA （二乙基三胺五乙酸）0.2～0.4%和余量为水制成。
实施例3
本发明在具体实施中，所述的复合菌液是由：将褐腐菌、鲁氏不动杆菌、荧光假单胞菌和Wickerhamomyces anomalus以质量比1.5︰2︰2︰2.5复合在一起，加水制成菌群密度为6×107个/mL以上的复合菌液；
所述的化学液是由重量百分比计的：KOH 3.0%、H2O2 4.0%、Na2SiO3 3.0%、DTPA（二乙基三胺五乙酸）0.3%和余量为水制成。
本发明产品实地测试，其纤维素的聚合度为400～600cp；纤维素的表观比容为6～8cm3/g；纤维素的平均粒度为150～200µm，与现有技术相比，本发明由于对原料采用生物预处理，使其进一步软化，因而显著提高后序段的挤压撕裂效果及制得纤维的纯度和得率，使得该技术能在实际生产中大规模地推广应用。由于用两个超声波反应仓替代了传统的2个反应仓和取消了高浓盘磨机。因此，该制纤维技术不仅简化了工艺流程，节省了投资；而且提高了经济效益和设备的生产能力及降低了生产成本。不污染环境废液直接转化成有机肥料，达到零排放，零污染。生物方法对纤维能起到保护作用，与传统的化学方法相比，本方法能够将全纤维和半纤维都回收，回收率达100%，对纤维在常压下进行降解，节能30%以上，减排、低碳，真正做到了节能、环保，经济和社会效益巨大。
Claims (3)
1.一种生物超声波生产添加剂用纤维素的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）、制备复合菌液：将褐腐菌、鲁氏不动杆菌、荧光假单胞菌和Wickerhamomycesanomalus以质量比（1～2）︰（1～3）︰（1～3）︰（2～3）复合在一起，加水制成菌群密度为6×107个/mL以上的复合菌液；
（2）、水洗润胀汽蒸纤维原料：所述的纤维原料为木材或草本植物，将纤维原料切制成长度为3-5cm，先用水润胀，然后汽蒸原料，进行疏解，汽蒸时间为10-30min，将汽蒸疏解后的纤维原料进行脱水；
（3）、生物降解：将汽蒸疏解后的纤维原料置入复合菌液中，对原料进行降解，汽蒸疏解后的纤维原料与复合菌液的重量比为1︰（6-8），在30-40℃下降解30-42h；
（4）、蒸汽杀菌：将纤维原料从复合菌液中捞出，沥水，用蒸汽杀菌，杀菌时间10-30min；
（5）、制纤维束：将蒸汽杀菌后的纤维原料置入化学液中，疏解成纤维束；
所述的化学液是由重量百分比计的：KOH 2.0～4.0%、H2O2 2.0～6.0%、Na2SiO3 1.5～4.0%、DTPA 0.1～0.5%和余量为水制成；
（6）、制浆：将步骤（5）疏解成的纤维束进行超声波处理成单根纤维，超声波处理时间30-60min，功率为100-300kw，频率为15-30khz，使纸浆的质量浓度为10%；
（7）、纸浆筛选净化：将纸浆进行洗涤，筛选、过滤，滤出纸浆中未成单根纤维的纤维束，再次超声波处理成单根纤维；
（8）、将筛选过滤出的纸浆在温水中浸泡，其中温水的温度为80℃，浸泡时间为30mins，然后烘干3h、灭菌30mins；
（9）研磨：将烘干、灭菌后的单根纤维研磨成纤维素。
2.一种生物超声波生产添加剂用纤维素的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）、菌液的复配；
将多个菌种按照下述质量比配置成复合菌群水溶液，即为菌液；各菌种的配比是：褐腐菌：鲁氏不动杆菌：荧光假单胞菌：Wickerhamomyces anomalus为（1～2）:（1～3）: （1-3）：（2～3）；
（2）、水洗润胀及汽蒸木片或草本原料；
木片或草本原料经过水洗润胀后进入汽蒸仓里，在汽蒸仓里进行软化处理10～20mins，木片或草本原料软化后进入斜螺旋脱水机进行脱水；
（3）、生物降解；
将疏解后的原料输送到配置好的复合菌液仓里，让复合细菌群开始对原料的木质素进行降解，疏解后的原料与复合菌液的质量比为1：（6～8）；复合菌液的细菌密度为6×107个/mL以上；生物降解温度保持在35～40℃，时间为30～42小时；
（4）、蒸汽杀菌；
将上述生物降解后的原料从复合菌液中捞出、沥水，并经过运输存储仓，在运输存储仓里通入水蒸气灭菌；原料经过运输存储仓的时间为10～30分钟，即常压水蒸气灭菌时间；
（5）、制纤维束：将蒸汽杀菌后的纤维原料进入双螺旋挤压疏解机，注入化学液，使木片或草本原料疏解成纤维束；
所述的化学液是由重量百分比计的：KOH 2.0～4.0%、H2O2 2.0～6.0%、Na2SiO3 1.5～4.0%、DTPA 0.1～0.5%和余量为水制成；
（6）、进入超声波反应仓处理，使纤维束变成单根纤维；
纤维束经60mins左右的水平运输保温带后进入超声波反应仓内进行超声波处理，使纤维束变成单根纤维，该超声波反应仓内的反应条件是反应时间为30～60min，反应功率为100～300kw，反应频率为15～30kHz，纸浆质量浓度10%；
（7）、纸浆筛选净化；
超声波反应处理完后，纸浆被排放到洗浆机里进行洗涤，洗涤后进行筛选、过滤经过纸浆料中的纤维束，再次超声波处理使其制成单根纤维；
（8）、灭菌将上述制得的纤维在温水中浸泡，然后烘干、灭菌；
经粗磨和细磨后的纤维，受机械摩擦，大部分打弯、扭曲变形，经温水中浸泡消除磨浆造成的纤维挠曲，其中温水的温度为80℃，浸泡时间为30mins，使之舒展，然后烘干3h、灭菌30mins；
（9）、将灭菌后的纤维经稀碱法除去残余木质素，再次灭菌，并研磨成纤维素，作为添加剂。
3.根据权利要求1所述的生物超声波生产添加剂用纤维素的方法，其特征在于，所述的复合菌液的菌群密度为6×107个/mL以上；切好的木材长度为3～4cm，切好的草本原料长度为4～5cm。
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