CN109577060B - 一种热水协同碱性生物酶处理麦草制备本色生物机械浆的方法 - Google Patents

一种热水协同碱性生物酶处理麦草制备本色生物机械浆的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种热水协同碱性生物酶处理麦草制备本色生物机械浆的方法,包括:S1、将经预处理的麦草切段加水进行热水处理并调节溶液至碱性;S2、向经步骤S1处理后的麦草进行搓丝处理;S3、向经步骤S2处理后的麦草中加入碱性生物酶进行酶解处理;S4、将经步骤S3酶解处理后的麦草进行磨浆处理制备本色生物机械浆。本发明首次提出以全麦草为原料,采用热水协同生物酶处理全麦草制备高强度本色生物机械浆的方法,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。

Description

一种热水协同碱性生物酶处理麦草制备本色生物机械浆的 方法
技术领域
本发明属于造纸技术与新材料技术领域,尤其涉及一种热水协同碱性生物酶处理麦草制备本色生物机械浆的方法。
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。
造纸工业是重要的基础原材料产业,在国民经济中占有十分重要地位。与社会发展和社会文明息息相关,纸及纸板的消费水平是衡量一个国家现代化和文明程度的重要标志之一。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。尽快解决造纸原料紧缺问题迫在眉睫。
在以往传统的造纸过程中,麦草作为禾草类代表是一种重要的造纸原料,但是由于麦草叶和叶鞘等不易打浆,因此在备料过程中通常仅保留麦草秸秆,而麦草叶和麦草叶鞘则要求尽可能去除,但是去除麦草叶和麦草叶鞘等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、高效的以全麦草为原料的制浆工艺。
发明内容
针对现有技术中的不足,本发明提供一种热水协同碱性生物酶处理麦草制备本色生物机械浆的方法,本发明首次提出以全麦草为原料,采用热水协同碱性生物酶处理全麦草制备高强度本色生物机械浆的方法,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热水协同碱性生物酶处理麦草制备本色生物机械浆的方法。
本发明的目的之二在于提供上述方法制备得到的本色生物机械浆。
本发明的目的之三在于提供上述本色生物机械浆的应用。
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,提供一种热水协同碱性生物酶处理麦草制备本色生物机械浆的方法,所述方法包括:
S1、将经预处理的麦草切段加水进行热水处理并调节溶液至碱性;
S2、向经步骤S1处理后的麦草进行搓丝处理;
S3、向经步骤S2处理后的麦草中加入碱性生物酶进行酶解处理;
S4、将经步骤S3酶解处理后的麦草进行磨浆处理制备生物机械浆。
进一步的,所述步骤S1中,预处理方式为物理筛选除尘;麦草切成3-6cm小段;液比控制为1kg:4~8L;温度控制为70-100℃,处理时间控制为15~60min;
进一步的,所述步骤S2中,搓丝压缩比控制为1:1-3,从而使麦草达到均匀良好的分丝效果;
进一步的,所述步骤S3中,酶解处理条件具体为:温度控制40~60℃,所述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(3~6):(2~4):(1~1.5);液比控制在1kg:3-8L;酶解处理时间为30-90min;
同时进行间隔式搅拌处理;从而使麦草与生物酶充分作用,用于进一步软化麦草纤维原料;
进一步的,所述步骤S4中,磨浆处理工艺具体为:进行高浓磨浆,主轴转速3000r/min,采用一段或两段磨浆,磨浆间隙为0.15-0.5mm;
进一步的,所述步骤S4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:将麦草生物机械浆经疏解、抄制成型,得瓦楞纸原纸和/或箱板纸的非面层。
本发明的有益效果为:本发明以全麦草为原料,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(60~85%),打破了以往通常仅使用麦草秸秆制浆的做法,极大了提高了麦草利用率,且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,回收固体残渣用于锅炉发电,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中,麦草作为禾草类代表是一种重要的造纸原料,但是由于麦草叶和叶鞘等不易打浆,因此在备料过程中通常仅保留麦草秸秆,而麦草叶和麦草叶鞘则要求尽可能去除,但是去除麦草叶和麦草叶鞘等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。根据研究发现,不同麦草部位其原料结构、化学组成和纤维形态及含量并不相同,麦叶和叶鞘的灰分、碱抽出物和戊聚糖含量都高于秸秆部位,纤维素含量略低于秸秆部位;在化学结构方面,秸秆部位的纤维较长,而且茎基部比茎中部要长,麦叶和叶鞘的纤维细胞比秸秆部位短且粗。这使利用全麦草制浆十分困难。
有鉴于此,本发明的一种具体实施方式中,提供一种热水协同碱性生物酶处理麦草制备本色生物机械浆的方法,所述方法包括:
S1、将经预处理的麦草切段加水进行热水处理并调节溶液至碱性;
S2、向经步骤S1处理后的麦草进行搓丝处理;
S3、向经步骤S2处理后的麦草中加入碱性生物酶进行酶解处理;
S4、将经步骤S3酶解处理后的麦草进行磨浆处理制备本色生物机械浆。
本发明的又一具体实施方式中,所述步骤S1中,预处理方式为物理筛选除尘;麦草切成3-6cm小段;液比控制为1kg:4~8L;温度控制为70-100℃,处理时间控制为15~60min;加碱(NaOH或KOH),调节热水pH为10-14;使麦草中溶出少部分的半纤维素、木素和果胶等物质,在麦草热水饱和软化的同时,在处理结束的时候麦草的pH值达到7-9;
本发明的又一具体实施方式中,所述步骤S2中,搓丝压缩比控制为1:1-3,从而使麦草达到均匀良好的分丝效果;有利于后续进行酶解和磨浆处理,同时降低能耗;本发明前两步骤中,使用热水联合搓丝处理,对麦草纤维损伤较小,增大原料比表面积,使得后续酶解处理过程中,生物酶更容易进入细胞壁内部和胞间层,作用于木素、纤维素、半纤维素之间的化学连接,以及未溶出的果胶等大分子物质,从而进一步促进酶促磨浆作用。
本发明的又一具体实施方式中,所述步骤S3中,酶解处理条件具体为:温度控制40~60℃,所述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(3~6):(2~4):(1~1.5);液比控制在1kg:3-8L;酶解处理时间为30-90min;采用上述各种生物酶协同作用,能够改善浆料的纤维特性和磨浆能耗。
同时进行间隔式搅拌处理;从而使麦草与生物酶充分作用,用于进一步软化麦草纤维原料;
本发明的又一具体实施方式中,所述步骤S4中,磨浆处理工艺具体为:使用KPF高浓盘磨机进行高浓磨浆,主轴转速3000r/min,采用一段或两段磨浆,磨浆间隙为0.15-0.5mm;利用磨浆过程中产生的热量和高温,使生物酶失活防止影响后续纸浆的强度;
本发明的又一具体实施方式中,所述步骤S4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本色生物机械浆。采用本发明制备方法得到的生物机械浆纤维交错均匀。
本发明的又一具体实施方式中,提供上述本色生物机械浆在生产原色包装纸和纸基材料中的应用。
本发明的又一具体实施方式中,所述应用具体为:将本色生物机械浆经疏解、抄制成型,得瓦楞纸原纸和/或箱板纸的非面层。其耐破指数、撕裂指数和环压指数均较高。
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。本发明中采用的碱性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。
实施例1
一种麦草制备生物本色生物机械浆的工艺,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切成5cm长的备用原料,放入麦草处理器或反应釜中,按照1:5的液比对麦草进行热水处理,温度在90℃,处理时间控制在20min。
(2)对反应釜或处理器中的热水和麦草混合物中加入微量的NaOH,调节热水的pH值14,使麦草中溶出少部分的半纤维素、木素和果胶等物质,在麦草热水饱和软化的同时,在处理结束的时候麦草含水的pH值达到9。
(3)把热水饱和软化的麦草在TSP360搓丝机上进行搓丝,调整搓丝机的压力,搓丝压缩比控制为1:2;使麦草达到均匀良好的分丝效果。
(4)软化分丝后的麦草与碱性生物酶在生物处理器或生物反应器中处理50min,温度控制在50℃,液比控制在1:4,间隔搅拌混合麦草,使麦草与生物酶充分作用,进一步软化麦草纤维。所述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80IU/mL(1ml料液采用80IU生物酶),木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为4:3:1。
(5)把生物处理后的麦草用磨浆机进行磨浆,使纸浆打浆度达到40°SR。
(6)把磨浆好的麦草生物机械浆在经纤维疏解器疏解使其均匀混合,然后在纸页成型器上抄制成型70g/m2的本色瓦楞原纸。然后测定其物理强度。各项物理指标均达到了生产本色包装纸和纸基材料的要求。
把TSP360搓丝机上进行搓丝后的碱性生物酶调整为使用纤维素酶和果胶酶两种酶的复配酶,总用量是80IU/mL(1ml料液采用80IU生物酶),纤维素酶和果胶酶的酶活比例为3:1。其他工艺不变,作为对照组进行对比试验,获得的机械浆作为对比样。
表1一种麦草制备本色生物机械浆的成浆物理性能指标比较一览表
实施例2
一种麦草制备生物本色生物机械浆的工艺,该实施案例制备本色生物机械浆生产本色瓦楞纸,并测试其成浆性能。
(1)把物理挑选除尘后的风干麦草切成5cm长的备用原料,放入麦草处理器或反应釜中,按照1:4的液比对麦草进行热水处理,温度在100℃,处理时间控制在25min。
(2)对反应釜或处理器中的热水和麦草混合物中加入微量的碱KOH,调节热水的pH值在13,使麦草中溶出少部分的半纤维素、木素和果胶等物质,在麦草热水饱和软化的同时,在处理结束的时候麦草含水的pH值达到8。
(3)把热水饱和软化的麦草在TSP360搓丝机上进行搓丝,调整搓丝机的压力,搓丝压缩比控制为1:3;使麦草达到均匀良好的分丝效果。
(4)软化分丝后的麦草与碱性生物酶在生物处理器或生物反应器中处理40min,温度控制在55℃,液比控制在1:5,间隔搅拌混合麦草,使麦草与生物酶充分作用,进一步软化麦草纤维。所述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60IU/mL(1ml料液采用60IU生物酶),木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为3:2:1。
(5)把生物处理后的麦草用磨浆机进行磨浆,使纸浆打浆度达到42°SR。
(6)把磨浆好的麦草生物机械浆在经纤维疏解器疏解使其均匀混合,然后在纸页成型器上抄制成型80g/m2的本色瓦楞原纸。然后测定其物理强度。各项物理指标达到了生产本色瓦楞原纸、箱板纸底层等包装纸和纸基材料的要求。
把TSP360搓丝机上进行搓丝后的生物酶处理阶段调整为使用木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶两种酶的复配酶,总用量是60IU/mL(1ml料液采用60IU生物酶),木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为1:1:1,其他工艺不变作为空白样进行对比试验,获得的机械浆作为对比样。
表2一种麦草制备本色生物机械浆的成浆物理性能指标比较一览表
实施例3
一种麦草制备生物本色生物机械浆的工艺,该实施案例用本色生物机械浆制备瓦楞原纸,并测试其成浆性能。
(1)把物理挑选除尘后的风干麦草切成5cm长的备用原料,放入常温处理器或反应釜中,按照1:6的液比对麦草进行热水处理,温度在100℃,处理时间控制在30min。
(2)对反应釜或处理器中的热水和麦草混合物中加入微量的NaOH,调节热水的pH值在13,使麦草中溶出少部分的半纤维素、木素和果胶等物质,在麦草热水饱和软化的同时,在处理结束的时候麦草含水的pH值达到8。
(3)把热水饱和软化的麦草在TSP360搓丝机上进行搓丝,调整搓丝机的压力,搓丝压缩比控制为1:2;使麦草达到均匀良好的分丝效果。
(4)软化分丝后的麦草与碱性生物酶在生物处理器或生物反应器中处理60min,温度控制在50℃,液比控制在1:4,间隔搅拌混合麦草,使麦草与生物酶充分作用,进一步软化麦草纤维。所述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70IU/mL(1ml料液采用70IU生物酶),木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为4:2:1。
(5)把生物处理后的麦草用磨浆机进行磨浆,使纸浆打浆度达到41°SR。
(6)把磨浆好的麦草生物机械浆在经纤维疏解器疏解使其均匀混合,然后在纸页成型器上抄制成型50g/m2的本色箱板纸的底层纸。然后测定其物理强度。各项物理指标达到了生产本色包装纸和纸基材料的要求。
把TSP360搓丝机上进行搓丝处理段去掉,其他工艺不变作为对照组进行对比试验,获得的机械浆作为对比样。
表3一种麦草制备本色生物机械浆的成浆物理性能指标比较一览表
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 (11)

1.一种热水协同碱性生物酶处理麦草制备本色生物机械浆的方法,其特征在于,所述方法包括:
S1、将经预处理的麦草切段加水进行热水处理并调节溶液至碱性;
S2、向经步骤S1处理后的麦草进行搓丝处理;
S3、向经步骤S2处理后的麦草中加入碱性生物酶进行酶解处理;
S4、将经步骤S3酶解处理后的麦草进行磨浆处理制备本色生物机械浆;
所述步骤S3中,酶解处理条件具体为:温度控制40~60℃,所述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(3~6):(2~4):(1~1.5);液比控制在1kg:3-8L;酶解处理时间为30-90min。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S1中,预处理方式为物理筛选除尘;麦草切成3-6cm小段;液比控制为1kg:4~8L;温度控制为70-100℃,处理时间控制为15~60min;加碱,调节热水pH为10-14;处理结束的时候麦草的pH值为7-9。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,所述碱为NaOH或KOH。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S2中,搓丝压缩比控制为1:1-3。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S3中,酶解处理过程中进行间隔式搅拌处理。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S4中,磨浆处理工艺具体为:进行高浓磨浆,主轴转速3000r/min,采用一段或两段磨浆,磨浆间隙为0.15-0.5mm。
7.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S4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本色生物机械浆。
9.权利要求8所述本色生物机械浆在生产纸基材料中的应用。
10.如权利要求9所述的应用,其特征在于,纸基材料为原色包装纸。
11.如权利要求9所述应用,其特征在于,所述应用具体方法为:将本色生物机械浆经疏解、抄制成型,得瓦楞纸原纸和/或箱板纸非面层。
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