CN109457532A - 一种麦草叶鞘制备生物机械浆的方法 - Google Patents

一种麦草叶鞘制备生物机械浆的方法 Download PDF

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    • D21C5/005—Treatment of cellulose-containing material with microorganisms or enzymes

Abstract

本发明提供一种麦草叶鞘制备生物机械浆的方法，包括：S1、将经预处理的麦草叶鞘切段进行温水与碱性复合酶作用处理；S2、向经步骤S1处理后的麦草叶鞘加热水进行饱和软化处理；S3、将经步骤S2软化处理后的麦草叶鞘进行磨浆处理制备生物机械浆。本发明首次提出以麦草叶鞘为原料，采用热水协同碱性复合生物酶工艺制备高得率原色生物机械浆，从而达到生产原色包装类纸和纸基材料的要求。本发明制备方法简单，绿色环保节能，符合国家资源节约、经济循环、节能减排的产业政策，能够产生良好的社会效益、经济效益和生态效益，因此具有良好的实际应用之价值和工业化应用之前景。

Description

一种麦草叶鞘制备生物机械浆的方法
技术领域
本发明属于造纸技术与新材料技术领域，尤其涉及一种麦草叶鞘制备生物机械浆的方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
2016年我国纸浆进口达2106万吨，废纸进口达2850万吨，造纸纤维原料的进口依赖程度接近50％，废纸的大量进口弥补了我国纤维原料的缺口，支撑了造纸业的发展。2017年4月中央发布了《关于禁止洋垃圾入境推进固体废物进口管理制度改革实施方案》，明确规定从今年底起我国将禁止进口未经分选的废纸。2018年废纸进口总额为2017年的33％，到2020年，我国禁止进口废纸。我国正面临着每年的缺少2600万吨左右的造纸原料。传统造纸行业资源短缺的问题将进一步突显。研究开发新的造纸原料迫在眉睫，为此研究者，在可循环可再生的草类原料中挖掘发现，寻找新的造纸原料。
在以往传统的造纸过程，麦草秸秆曾作为重要的造纸原料，而麦草秸秆中的麦草叶鞘往往要求在备料过程中尽可能去除，这是由于尽管麦草叶中虽然也含有较多的综纤维素和半纤维素，但非常不易打浆。具体的，由于麦草叶鞘中的纤维短，而杂细胞含量多，次生壁外层较厚，且与次生壁中层粘结较紧，故在打浆过程中很难除掉，因此造成纤维的吸水润涨和细纤维化都非常困难。如果在打浆中过分要求其细纤维化，必然造成纤维的过度切断，不仅影响成纸的强度，而且在抄纸时滤水困难。但是去除麦草叶鞘不仅造成了备料的成本增加，同时也极大降低了麦草原料的利用率。因此，亟需研发一种清洁、高效的以麦草叶鞘为原料的制浆工艺。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种麦草叶鞘制备生物机械浆的方法，本发明首次提出以麦草叶鞘为原料，采用热水协同碱性复合生物酶工艺制备高得率原色生物机械浆，从而达到生产原色包装类纸和纸基材料的要求。本发明制备方法简便、绿色清洁高效，具有良好的实际应用之价值和工业化应用之前景。
本发明的目的之一在于提供一种麦草叶鞘制备生物机械浆的方法。
本发明的目的之二在于提供上述方法制备得到的生物机械浆。
本发明的目的之三在于提供上述生物机械浆的应用。
为实现上述目的，本发明涉及以下技术方案：
本发明的第一个方面，提供一种麦草叶鞘制备生物机械浆的方法，所述方法包括：
S1、将经预处理的麦草叶鞘切段进行温水与碱性复合酶作用处理；
S2、向经步骤S1处理后的麦草叶鞘加热水进行饱和软化处理；
S3、将经步骤S2软化处理后的麦草叶鞘进行磨浆处理制备生物机械浆。
进一步的，所述步骤S1中，预处理步骤为物理筛选除尘；麦草叶鞘切成3-6cm小段；液比控制为1kg：4～8L；温度控制为45～60℃，处理时间控制在30-90min；碱性生物酶是为木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是：10-80IU/mL，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为(2～5)：(1～2)：1；加碱处理控制麦草叶鞘的pH值在7-10；
进一步的，所述步骤S2中，饱和软化处理过程中，pH控制为9-12，温度控制为80-100℃，液比控制为1kg:3～6L；采用上述方法进一步处理软化麦草叶鞘，溶出部分半纤维素、木素、果胶等物质；
进一步的，所述步骤S3中，对麦草叶鞘进行一段或多段磨浆处理，控制打浆度为25-55°SR；磨浆处理工艺具体为：进行高浓磨浆，采用一段或两段磨浆，磨浆间隙为0.1-0.6mm。
进一步的，所述步骤S3中，磨浆洗涤水采用多效蒸发器处理，回收热能用于步骤S1的热水预处理段；回收的固体残渣用于生物质发电。
本发明的第二个方面，提供上述方法制备得到的生物机械浆。
本发明的第三个方面，提供上述生物机械浆在生产原色包装纸和纸基材料中的应用。
进一步的，所述应用具体为：将麦草叶鞘生物机械浆经抄制成型，得瓦楞纸原纸和/或箱板纸非面层。
本发明的有益效果为：本发明以麦草叶鞘为原料，在整个生物机械浆的制备过程中，通过合理优化制备过程和步骤，仅仅采用了热水、微量碱和碱性生物复合酶，待磨浆完成时生物机械浆的pH值接近中性，且获得的生物机械浆得率较高(55～65％)，打破了以往麦草叶鞘不适合成浆的而在备料过程中除去的做法，极大了提高了麦草利用率，与传统的机械浆相比较，可节省磨浆能耗40％以上，且各项物理指标达到了生产包装纸和纸基材料的要求。
在本发明中，磨浆洗涤水采用多效蒸发器处理，回收固体残渣用于生物质发电，回收热能在用于热水预处理段，整个生产过程无需碱回收，从源头上避免了对环境的污染。本发明制备方法简单，绿色环保节能，符合国家资源节约、经济循环、节能减排的产业政策，能够产生良好的社会效益、经济效益和生态效益，因此具有良好的实际应用之价值和工业化应用之前景。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如前所述，在以往传统的造纸过程，麦草秸秆曾作为重要的造纸原料，而麦草秸秆中的麦草叶鞘往往要求在备料过程中尽可能去除，这是由于尽管麦草叶鞘中含有较多综纤维素和半纤维素等，但非常不易打浆。
有鉴于此，本发明的一种具体实施方式中，提供一种麦草叶鞘制备生物机械浆的方法，所述方法包括：
S1、将经预处理的麦草叶鞘切段进行温水与碱性复合酶作用处理；
S2、向经步骤S1处理后的麦草叶鞘加热水进行饱和软化处理；
S3、将经步骤S2软化处理后的麦草叶鞘进行磨浆处理制备生物机械浆。
本发明的又一具体实施方式中，所述步骤S1中，预处理步骤为物理筛选除尘；麦草叶鞘切成3-6cm小段；液比控制为1kg：4～8L；温度控制为45～60℃，处理时间控制在30-90min；碱性生物酶是为木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是：10-80IU/mL，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为(2～5)：(1～2)：1；加碱处理控制麦草叶鞘的pH值在7-10；
本发明的又一具体实施方式中，所述步骤S2中，饱和软化处理过程中，pH控制为9-12，温度控制为80-100℃；采用上述方法进一步处理软化麦草叶鞘，溶出部分半纤维素、木素、果胶等物质；
本发明的又一具体实施方式中，所述步骤S3中，对麦草叶鞘进行一段或多段磨浆处理，控制打浆度为25-55°SR；磨浆处理工艺具体为：使用KPF系列高浓盘磨机进行高浓磨浆，采用一段或两段磨浆，磨浆间隙为0.1-0.6mm。
本发明的又一具体实施方式中，所述步骤S3中，磨浆洗涤水采用多效蒸发器处理，回收热能用于步骤S1的热水预处理段；回收的固体残渣用于生物质发电。
本发明的又一具体实施方式中，提供上述方法制备得到的生物机械浆。
本发明的又一具体实施方式中，提供上述生物机械浆在生产原色包装纸和纸基材料中的应用。
以下通过实施例对本发明做进一步解释说明，但不构成对本发明的限制。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件进行。本发明中采用的生物酶来自山东隆科特酶制剂有限公司、诺维信生物酶制剂中国公司。各实施例中使用的麦草叶鞘鞘各成分及含量如下所示：综纤维素含量约为66.98％，半纤维素含量约为16.22％，酸不溶木素约为10.96％，酸溶木素约为2.22％，灰分约为11.96％，苯醇抽出物约为7.34％。
实施例1
一种麦草叶鞘制备生物机械浆的方法，该实施案例制备生物机械浆，并测试其制备成浆性能。
(1)把物理挑选除尘后的风干麦草叶鞘切成3cm长的备用原料。
(2)把备用原料放入常温处理器或反应釜中，按照1:5的液比对麦草叶鞘进行温水与碱性复合酶作用处理，在处理过程中，用NaOH调节pH值，使得麦草叶鞘含水的pH值为8，处理时间控制在90min，温度在50℃,碱性生物酶是为木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是：50IU/mL，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为3：1：1。
(3)待麦草叶鞘达到一定软化程度，取出麦草叶鞘，然后用pH值12，温度100℃的热水进一步处理软化麦草叶鞘，液比1:4，时间40min，溶出部分半纤维素、木素、果胶等物质。
(4)待麦草叶鞘热水饱和软化后，对麦草叶鞘进行一段或多段磨浆，使其打浆度在42°SR。
(5)把磨好的浆抄制成定量70g/m2瓦楞原纸，进行物理指标的测试，各项物理指标可满足一般瓦楞原纸的要求，指标如下。
把经过酶处理的麦草叶鞘与仅经过纤维素酶和果胶酶处理(酶活比例1:1，总用量是：50IU/mL)的麦草叶鞘，在其他工艺不变的情况下，作为对照样进行对比试验，获得的机械浆作为对比样。
表1一种麦草叶鞘制备生物机械浆的工艺
实施例2
一种麦草叶鞘制备生物机械浆的方法，该实施案例制备生物机械浆，并测试其制备成浆性能。
(1)把物理挑选除尘后的风干麦草叶鞘切成4cm长的备用原料。
(2)把备用原料放入常温处理器或反应釜中，按照1:4的液比对麦草叶鞘进行温水与碱性复合酶作用处理，在处理过程中，用NaOH调节pH值，使得麦草叶鞘含水的pH值在9，处理时间控制在70min，温度55℃，碱性生物酶是为木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是：40IU/mL，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为5：2：1。
(3)待麦草叶鞘达到一定软化程度，取出麦草叶鞘，然后用pH值12，温度90℃的热水进一步处理软化麦草叶鞘，液比1:5，时间60min，溶出部分半纤维素、木素、果胶等物质。
(4)待麦草叶鞘热饱和软化后，对麦草叶鞘进行一段或多段磨浆，使其打浆度为40°SR。
(5)把磨好的浆抄制成定量60g/m2瓦楞原纸，进行物理指标的测试，各项物理指标可满足一般瓦楞原纸的要求，指标如下。
把经过酶处理的麦草叶鞘与仅经过木聚糖酶和果胶酶处理(酶活比例5:1，总用量是：40IU/mL)的麦草叶鞘，在其他工艺不变的情况下，作为对照样进行对比试验，获得的机械浆作为对比样。
表2一种麦草叶鞘制备生物机械浆的工艺
实施例3
一种麦草叶鞘制备生物机械浆的方法，该实施案例制备生物机械浆，并测试其制备成浆性能。
(1)把物理挑选除尘后的风干麦草叶鞘切成5cm长的备用原料。
(2)把备用原料放入常温处理器或反应釜中，按照1:6的液比对麦草叶鞘进行温水与碱性复合酶作用处理，在处理过程中，用NaOH调节pH值，使得麦草叶鞘含水的pH值在8，处理时间控制在60min，温度50℃；碱性生物酶是为木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是：40IU/mL，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为2：1：1。
(3)待麦草叶鞘达到一定软化程度，取出麦草叶鞘，然后用pH值12，温度100℃的热水进一步处理软化麦草叶鞘，液比1:6，时间50min，溶出部分半纤维素、木素、果胶等物质。
(4)待麦草叶鞘热饱和软化后，对麦草叶鞘进行一段或多段磨浆，使其打浆度为38°SR。
(5)把磨好的浆抄制成定量80g/m2瓦楞原纸，进行物理指标的测试，各项物理指标可满足一般瓦楞原纸的要求，指标如下。
把经过酶处理的麦草叶鞘与复合酶(配比为1:1:1，总用量是：40IU/mL)的麦草叶鞘，在其他工艺不变的情况下，作为对照组进行对比试验，获得的机械浆作为对比样。
表3一种麦草叶鞘制备生物机械浆的工艺
实施例1
一种麦草叶鞘制备生物机械浆的方法，该实施案例制备生物机械浆，并测试其制备成浆性能。
(1)把物理挑选除尘后的风干麦草叶鞘切成3cm长的备用原料。用pH值12，温度100℃的热水处理软化麦草叶鞘，液比1:4，时间40min。
(2)把经软化的麦草叶鞘放入常温处理器或反应釜中，按照1:5的液比对麦草叶鞘进行温水与碱性复合酶作用处理，在处理过程中，用NaOH调节pH值，使得麦草叶鞘含水的pH值为8，处理时间控制在90min，温度在50℃，碱性生物酶是为木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是：50IU/mL，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为3：1：1。
(3)对麦草叶鞘进行一段或多段磨浆，使其打浆度在42°SR。
(4)把磨好的浆抄制成定量70g/m2瓦楞原纸，进行物理指标的测试，指标如下。
表4一种麦草叶鞘制备生物机械浆的工艺
应注意的是，以上实例仅用于说明本发明的技术方案而非对其进行限制。尽管参照所给出的实例对本发明进行了详细说明，但是本领域的普通技术人员可根据需要对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种麦草叶鞘制备生物机械浆的方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、将经预处理的麦草叶鞘切段进行温水与碱性复合酶作用处理；
S2、向经步骤S1处理后的麦草叶鞘加热水进行饱和软化处理；
S3、将经步骤S2软化处理后的麦草叶鞘进行磨浆处理制备生物机械浆。
2.如权利要求1所述的一种麦草叶鞘制备生物机械浆的方法，其特征在于，所述步骤S1中，预处理步骤为物理筛选除尘；麦草叶鞘切成3-6cm小段。
3.如权利要求1所述的一种麦草叶鞘制备生物机械浆的方法，其特征在于，所述步骤S1中，液比控制为1kg：4～8L。
4.如权利要求1所述的一种麦草叶鞘制备生物机械浆的方法，其特征在于，所述步骤S1中，温度控制为45～60℃，处理时间控制在30-90min；碱性复合酶的加入量控制为碱性生物酶是为木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是：10-80IU/mL，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为(2～5)：(1～2)：1；加碱处理控制麦草叶鞘的pH值在7-10。
5.如权利要求1所述的一种麦草叶鞘制备生物机械浆的方法，其特征在于，所述步骤S2中，饱和软化处理过程中，pH控制为8-12，温度控制为80-100℃。
6.如权利要求1所述的一种麦草叶鞘制备生物机械浆的方法，其特征在于，所述步骤S3中，对麦草叶鞘进行一段或多段磨浆处理，控制打浆度为25-55°SR；磨浆处理工艺具体为：进行高浓磨浆，采用一段或两段磨浆，磨浆间隙为0.1-0.6mm。
7.如权利要求1所述的一种麦草叶鞘制备生物机械浆的方法，其特征在于，所述步骤S3中，磨浆洗涤水采用多效蒸发器处理，回收热能用于步骤S1的热水预处理段；回收的固体残渣用于生物质发电。
8.权利要求1-7任一项所述方法制备得到的生物机械浆。
9.权利要求8所述生物机械浆在生产原色包装纸和纸基材料中的应用。
10.如权利要求9所述应用，其特征在于，所述应用具体为：将麦草叶鞘生物机械浆经抄制成型，得瓦楞纸原纸和/或箱板纸非面层。
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