CN109667181A - 一种农作物秸秆生物制浆方法 - Google Patents

一种农作物秸秆生物制浆方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种农作物秸秆生物制浆方法，该方法包括：(1)、将备料处理后的秸秆原料与酶溶液进行生物酶预处理和固液分离后，得到预处理秸秆；(2)、将步骤(1)中所得预处理秸秆在碱液中进行蒸煮处理后固液分离，并通过筛分将未蒸解物和固体杂质去除，得到第一浆料和黑液；(3)、将步骤(2)所得第一浆料通过真空洗浆机进行逆流洗涤和除渣，并提取出浆料中的黑液，得到第二浆料和浆渣。本公开提供的方法成本低，浆料得率高。

Description

一种农作物秸秆生物制浆方法
技术领域
本公开涉及造纸技术领域，具体地，涉及一种农作物秸秆生物制浆方法。
背景技术
我国具有丰富的秸秆原料，全国农作物秸秆理论资源量10.4亿吨，可收集农作物秸秆约9亿吨。从数量上看，非木材纤维(包括秸秆、芦苇等)资源相对丰富。现今以农作物秸秆为主要原料造纸工艺的蒸煮过程就是用化学药品溶出和脱除木素的过程，传统的化学法制浆，化学品用量大、成本高、能耗大，而且得浆率较低。
发明内容
本公开的目的是提供一种农作物秸秆生物制浆方法，本公开提供的方法成本低，浆料得率高。
为了实现上述目的，本公开提供一种农作物秸秆生物制浆方法，该方法包括：
(1)、将备料处理后的秸秆原料与酶溶液进行生物酶预处理和固液分离后，得到预处理秸秆；其中，所述生物酶预处理的条件包括：温度为40-60℃，pH值为7-10，时间为10-120hr，以绝干计的秸秆与酶溶液的重量比为1000：(1-5)；所述酶溶液中含有β-葡萄糖苷酶、半纤维素酶、木聚糖酶和漆酶，且酶溶液中β-葡萄糖苷酶酶活力为500-2000U/mL，半纤维素酶酶活力为100-400U/mL，木聚糖酶酶活力为1000-3000U/mL，漆酶酶活力为50-200U/mL；
(2)、将步骤(1)中所得预处理秸秆在碱液中进行蒸煮处理后固液分离，并通过筛分将未蒸解物和固体杂质去除，得到第一浆料和黑液；其中，所述蒸煮处理的条件包括：温度为100-200℃，压力为0.4-5MPa，时间为2-80hr；碱液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液，蒸煮过程中总水量、碱液中的碱与以绝干计的预处理秸秆的重量比为(10-500)：(1-15)：100；
(3)、将步骤(2)所得第一浆料通过真空洗浆机进行逆流洗涤和除渣，并提取出浆料中的黑液，得到第二浆料和浆渣；其中，以绝干计，浆渣占预处理秸秆的重量比为2-9％。
可选的，所述方法还包括步骤(4)：将步骤(2)和(3)所得黑液进行过滤回收浆料后，用于制备步骤(2)中的碱液。
可选的，所述方法还包括步骤(5)：将步骤(3)所得浆渣进行疏解和二次筛选，回收浆渣中的纤维。
可选的，步骤(1)中所述备料处理包括：将秸秆原料依次进行粉碎、除尘、水洗和固液分离。
可选的，步骤(1)中，所述生物酶预处理的条件包括：温度为45-55℃，pH值为7-9，时间为20-80hr，以绝干计的秸秆与酶溶液的重量比为1000：(1-3)。
可选的，步骤(1)中，所述酶溶液中β-葡萄糖苷酶酶活力为600-1500U/mL，半纤维素酶酶活力为150-350U/mL，木聚糖酶酶活力为1500-2500U/mL，漆酶酶活力为60-180U/mL。
可选的，步骤(2)中，所述蒸煮处理的条件包括：温度为140-160℃，压力为0.5-1.0MPa，时间为1-5hr。
可选的，步骤(2)中，蒸煮过程中的总水量、碱液中的碱与以绝干计的预处理秸秆的重量比为(150-350)：(3-10)：100。
可选的，步骤(3)中，以绝干计，浆渣占预处理秸秆的重量比为2-8％。
可选的，所述秸秆原料选自玉米秸秆、稻草秸秆、棉杆和麦草中的一种或多种。
本公开发明人意外地发现，通过采用含有适当酶活力的β-葡萄糖苷酶酶、半纤维素酶、木聚糖酶、漆酶的酶溶液对秸秆原料预先进行生物酶预处理可以降低蒸煮用碱量、提高浆料得率的同时和保持浆料硬度。本公开方法还可以生产用于生产有机肥原料的黑液。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
本公开中，绝干是指将含秸秆的物料在100℃干燥10小时后的重量。
本公开提供一种农作物秸秆生物制浆方法，该方法包括：
(1)、将备料处理后的秸秆原料与酶溶液进行生物酶预处理和固液分离后，得到预处理秸秆；其中，所述生物酶预处理的条件包括：温度为40-60℃，pH值为7-10，时间为10-120hr，以绝干计的秸秆与酶溶液的重量比为1000：(1-5)；所述酶溶液中含有β-葡萄糖苷酶、半纤维素酶、木聚糖酶和漆酶，且酶溶液中β-葡萄糖苷酶酶活力为500-2000U/mL，半纤维素酶酶活力为100-400U/mL，木聚糖酶酶活力为1000-3000U/mL，漆酶酶活力为50-200U/mL；
(2)、将步骤(1)中所得预处理秸秆在碱液中进行蒸煮处理后固液分离，并通过筛分将为蒸解物和固体杂质去除，得到第一浆料和黑液；其中，所述蒸煮处理的条件包括：温度为100-200℃，压力为0.4-5MPa，时间为2-80hr；碱液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液，蒸煮过程中总水量、碱液中的碱与以绝干计的预处理秸秆的重量比为(10-500)：(1-15)：100，优选为(200-400)：(1-15)：(100)；
(3)、将步骤(2)所得第一浆料通过真空洗浆机进行逆流洗涤和除渣器除渣，并提取出浆料中的黑液，得到第二浆料和浆渣；其中，以绝干计，浆渣占预处理秸秆的重量比为2-9％，优选为2-8％，进一步优选为3-7％。
根据本公开，步骤(2)和(3)所得黑液中含有大量有机质，有机质主要为水溶性腐殖酸，包括黄腐酸钾、黑腐酸和棕腐酸等，可以在浓缩后作为生产有机肥的原料。步骤(3)将第一浆料通过真空洗浆机进行逆流洗涤和除渣器除渣，得到第二浆料和浆渣，并提取出浆料中的黑液，可以提高浆料的纯度和质量。所述方法还可以包括步骤(4)：将步骤(2)和(3)黑液进行过滤回收浆料后，用于制备步骤(2)中的碱液。
根据本公开，步骤(2)将蒸煮处理后所得蒸煮液通过螺旋挤浆机进行固液分离，然后浓缩部分通过除节器将未蒸解物和砂石等固体杂质分离，进而提高第二浆料的质量。同时，步骤(3)中所分离出的浆渣中也夹带一些长纤维，因此，所述方法还可以包括步骤(5)：将步骤(3)所得浆渣进行疏解和二次筛选，回收浆渣中的纤维，进一步提高提高了第二浆料的得率。
本公开中，步骤(1)中备料处理是本领域技术人员所熟知的，例如可以包括：将秸秆原料依次进行粉碎、除尘、水洗和固液分离，粉碎可以在切草机中进行，粉碎后的秸秆以15-30mm为宜，除尘可以在羊角除尘器中进行，水洗可以在水力洗草机中进行，水洗过程中可以加入生物酶，以使生物酶与秸秆原料充分混合，脱水可以在单螺旋挤压机中进行。
本公开发明人意外发现，采用特殊配比和酶活力的酶溶液对秸秆进行预处理，可以有效对秸秆中木质素、纤维素和半纤维素之间的胶层进行分解，达到纤维离解的效果，有助于后续蒸煮过程中降低碱液用量的同时保持浆料的硬度和提高浆料得率。步骤(1)中，所述生物酶预处理的条件优选包括：温度为45-55℃，pH值为7-9，进一步优选为7.5-8.5，时间为20-80hr，以绝干计的秸秆与酶溶液的重量比为1000：(1-3)，进一步优选为1000：(1.5-2.5)。所述酶溶液中β-葡萄糖苷酶酶活力优选为600-1500U/mL，半纤维素酶酶活力优选为150-350U/mL，木聚糖酶酶活力优选为1500-2500U/mL，漆酶酶活力优选为60-180U/mL。
根据本公开，蒸煮处理用于在步骤(1)的基础上进一步分解秸秆中木质素，步骤(2)中，所述蒸煮处理的条件优选包括：温度为140-160℃，压力为0.5-1.0MPa，时间为1-5hr，优选为1-3hr。蒸煮过程中的总水量、碱与以绝干计的预处理秸秆的重量比为(150-350)：(3-10)：100，进一步优选为(200-300)：(4-8)：100。
本公开中，秸秆原料是本领域技术人员所熟知的，例如可以为选自玉米秸秆、稻草秸秆、棉杆和麦草中的一种或多种，但不限于此。
下面将通过实施例来进一步说明本公开，但是本公开并不因此而受到任何限制。
本公开实施例中浆料硬度采用高锰酸钾法进行测定，酶购自诺维信(中国)生物技术有限公司。β-葡萄糖苷酶(β-Glucosidase Novozyme)CAS No.9001-22-3，半纤维素酶(Hemicellulase)CAS No.9025-56-3，木聚糖酶(1,4-b-Xylanase)CAS No.9025-57-4，漆酶(Laccase)CAS No.80498-15-3。
第二浆料得浆率为以绝干计的第二浆料占预处理草片的重量比。
实施例1
将麦草输送至切草机中切削成15-30mm长的草片，然后经羊角除尘器进行除尘，用皮带输送机输送至水力洗草机进行洗涤，洗涤循环水中加入生物酶作为酶溶液，控制酶溶液中β-葡萄糖苷酶酶活力为1200U/mL，半纤维素酶酶活力为250U/mL，木聚糖酶酶活力为2000U/mL，漆酶酶活力为120U/mL。
经脱水后得到含生物酶的处理后草片，将混合生物酶的草片经皮带输送机输送至生物酶预处理仓进行生物酶预处理，生物酶预处理的温度为45℃，pH值为7.5，时间为48hr，以绝干计的秸秆与酶溶液的重量比为1000：3。
将生物酶预处理后所得草片采用单螺旋挤浆机挤出酶溶液进行循环使用，控制预处理草片绝干含量为30％。
经过计量的预处理草片进入螺旋喂料器中与热碱液混合，在此形成料塞后进入蒸煮T型管，然后进入蒸煮管内进行蒸煮。蒸煮用的碱液在T型管中加入，蒸汽直接通入蒸煮管中。蒸煮过程中的总水量、碱液中的碱与以绝干计的预处理草片的重量比为300：8：100，蒸煮的温度为150℃，压力为0.5MPa，时间为2hr。蒸煮所用的碱液为氢氧化钾水溶液。
蒸煮完成后浆料经中间管进入卸料器，然后通过排放阀均匀地喷入喷放锅中，浆料自喷放锅底部经输送螺旋输送进单螺旋挤浆机，挤出黑液，再进入缓冲浆槽，使浆料浓度均匀并稳定。均匀稳定好的浆料用泵送到压力除节机，用来除去蒸煮后粗浆中较大的未蒸解物与节子等，同时也可除去混入原料中较大的金属块和砂石等重杂物，由此得到第一浆料。
第一浆料加水稀释后送入储浆池，然后泵入三台串联鼓式真空洗浆机，历经交替的稀释、扩散、浓缩、置换、逆流洗涤等过程而达到洗涤浆料的效果。通过串联真空洗浆机的洗涤尽可能的把纸浆中的黑液分离出来，分离出黑液的浆料通过筛选系统，分离出浆渣后得到第二浆料。以绝干计，浆渣占预处理草片的重量比为4％。第二浆料硬度、得浆率和耗水量见表1。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于生物酶预处理条件为：温度为40℃，pH值为7，时间为10hr。第二浆料硬度、得浆率和耗水量见表1。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于生物酶预处理条件为：温度为60℃，pH值为10，时间为120hr。第二浆料硬度、得浆率和耗水量见表1。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：酶溶液中β-葡萄糖苷酶酶活力为500U/mL，半纤维素酶酶活力为100U/mL，木聚糖酶酶活力为1000U/mL，漆酶酶活力为50U/mL。第二浆料硬度、得浆率和耗水量见表1。
实施例5
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：酶溶液中β-葡萄糖苷酶酶活力为2000U/mL，半纤维素酶酶活力为400U/mL，木聚糖酶酶活力为3000U/mL，漆酶酶活力为200U/mL。第二浆料硬度、得浆率和耗水量见表1。
实施例6
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：蒸煮处理温度为100℃，压力为0.4MPa，时间为2hr。第二浆料硬度、得浆率和耗水量见表1。
实施例7
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：蒸煮处理温度为200℃，压力为5MPa，时间为80hr。第二浆料硬度、得浆率和耗水量见表1。
对比例1
本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于：将β-葡萄糖苷酶替换为同等酶活力的半纤维素酶，即控制半纤维素酶酶活力为1450U/mL，木聚糖酶酶活力为2000U/mL，漆酶酶活力为120U/mL。第二浆料硬度、得浆率和耗水量见表1。
对比例2
本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于：将漆酶替换为同等酶活力的半纤维素酶，即控制β-葡萄糖苷酶酶活力为1200U/mL，半纤维素酶酶活力为370U/mL，木聚糖酶酶活力为2000U/mL。第二浆料硬度、得浆率和耗水量见表1。
对比例3
本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于：将半纤维素酶替换为同等酶活力的β-葡萄糖苷酶，即控制β-葡萄糖苷酶酶活力为1450U/mL，木聚糖酶酶活力为2000U/mL，漆酶酶活力为120U/mL。第二浆料硬度、得浆率和耗水量见表1。
对比例4
本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于：将木聚糖酶替换为同等酶活力的漆酶，即控制β-葡萄糖苷酶酶活力为1200U/mL，半纤维素酶酶活力为250U/mL，漆酶酶活力为2120U/mL。第二浆料硬度、得浆率和耗水量见表1。
对比例5
本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于：酶溶液中仅包括漆酶，漆酶酶活力为3570U/mL。第二浆料硬度、得浆率和耗水量见表1。
对比例6
本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于：酶溶液中仅包括β-葡萄糖苷酶，β-葡萄糖苷酶酶活力为3570U/mL。第二浆料硬度、得浆率和耗水量见表1。
对比例7
本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于：酶溶液中仅包括半纤维素酶，半纤维素酶酶活力为3570U/mL。第二浆料硬度、得浆率和耗水量见表1。
对比例8
本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于：酶溶液中仅包括木聚糖酶，木聚糖酶活力为3570U/mL。第二浆料硬度、得浆率和耗水量见表1。
对比例9
本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于：酶溶液中仅包括纤维素酶和β-葡萄糖苷酶，浓度各自为1785U/mL。第二浆料硬度、得浆率和耗水量见表1。
对比例10
与实施例1基本相同，不同之处在于将β-葡萄糖苷酶替换为等活性浓度的β-葡聚糖苷酶。第二浆料硬度、得浆率和耗水量见表1。
对比例11
与实施例1基本相同，不同之处在于不进行生物酶预处理，而直接在碱液中进行蒸煮处理，控制蒸煮处理的条件使第二浆料硬度与实施例1基本相同，第二浆料硬度、得浆率和耗水量见表1。
对比例12
与实施例1基本相同，不同之处在于不进行蒸煮处理，而只进行生物酶预处理，并控制生物酶预处理的条件使第二浆料硬度与实施例1基本相同，第二浆料硬度、得浆率和耗水量见表1。
对比例13
与实施例1基本相同，不同之处在于控制生物酶预处理的pH值为5。
从表1可以看出，实施例1-7采用本公开的方法可以获得15-20之间的低浆料硬度，且得浆率均在30％以上，而对比例1-10不采用本公开的复合酶进行生物酶预处理，浆料硬度增加且得浆率降低。对比例11和对比例12采用单一的蒸煮处理或生物酶预处理，得浆率大幅度下降。对比例13降低生物酶预处理的pH值，得浆率降低，浆料硬度增加。
以上详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。
表1
项目 浆料硬度 得浆率，％ 耗水量，m<sup>3</sup>/t
实施例1 17.2 39.8 18
实施例2 19.6 42.4 18
实施例3 16.1 34.9 18
实施例4 19.2 41.6 18
实施例5 15.4 35.3 18
实施例6 18.4 41.3 18
实施例7 16.2 36.8 18
对比例1 21.4 32.6 18
对比例2 22.6 31.6 18
对比例3 24.2 29.7 18
对比例4 22.5 21.6 18
对比例5 45.9 23.7 18
对比例6 32.5 22.3 18
对比例7 37.1 20.5 18
对比例8 29.8 20.8 18
对比例9 25.1 35.6 18
对比例10 22.8 33.7 18
对比例11 17.1 34.6 17
对比例12 17.4 9.5 15
对比例13 21.1 32.4 18

Claims (10)

1.一种农作物秸秆生物制浆方法，该方法包括：
(1)、将备料处理后的秸秆原料与酶溶液进行生物酶预处理和固液分离后，得到预处理秸秆；其中，所述生物酶预处理的条件包括：温度为40-60℃，pH值为7-10，时间为10-120hr，以绝干计的秸秆与酶溶液的重量比为1000：(1-5)；所述酶溶液中含有β-葡萄糖苷酶、半纤维素酶、木聚糖酶和漆酶，且酶溶液中β-葡萄糖苷酶酶活力为500-2000U/mL，半纤维素酶酶活力为100-400U/mL，木聚糖酶酶活力为1000-3000U/mL，漆酶酶活力为50-200U/mL；
(2)、将步骤(1)中所得预处理秸秆在碱液中进行蒸煮处理后固液分离，并通过筛分将未蒸解物和固体杂质去除，得到第一浆料和黑液；其中，所述蒸煮处理的条件包括：温度为100-200℃，压力为0.4-5MPa，时间为2-80hr；碱液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液，蒸煮过程中总水量、碱液中的碱与以绝干计的预处理秸秆的重量比为(10-500)：(1-15)：100；
(3)、将步骤(2)所得第一浆料通过真空洗浆机进行逆流洗涤和除渣，并提取出浆料中的黑液，得到第二浆料和浆渣；其中，以绝干计，浆渣占预处理秸秆的重量比为2-9％。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括步骤(4)：将步骤(2)和(3)所得黑液进行过滤回收浆料后，用于制备步骤(2)中的碱液。
3.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括步骤(5)：将步骤(3)所得浆渣进行疏解和二次筛选，回收浆渣中的纤维。
4.根据权利要求1所述的方法，步骤(1)中所述备料处理包括：将秸秆原料依次进行粉碎、除尘、水洗和固液分离。
5.根据权利要求1所述的方法，步骤(1)中，所述生物酶预处理的条件包括：温度为45-55℃，pH值为7-9，时间为20-80hr，以绝干计的秸秆与酶溶液的重量比为1000：(1-3)。
6.根据权利要求1所述的方法，步骤(1)中，所述酶溶液中β-葡萄糖苷酶酶活力为600-1500U/mL，半纤维素酶酶活力为150-350U/mL，木聚糖酶酶活力为1500-2500U/mL，漆酶酶活力为60-180U/mL。
7.根据权利要求1所述的方法，步骤(2)中，所述蒸煮处理的条件包括：温度为140-160℃，压力为0.5-1.0MPa，时间为1-5hr。
8.根据权利要求1所述的方法，步骤(2)中，蒸煮过程中的总水量、碱液中的碱与以绝干计的预处理秸秆的重量比为(150-350)：(3-10)：100。
9.根据权利要求1所述的方法，步骤(3)中，以绝干计，浆渣占预处理秸秆的重量比为2-8％。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述秸秆原料选自玉米秸秆、稻草秸秆、棉杆和麦草中的一种或多种。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114182555A (zh) * 2021-12-16 2022-03-15 齐鲁工业大学 一种采用复合酶制剂预处理的秸秆制浆方法及其在制备纸吸管中的应用
CN117430826A (zh) * 2023-08-19 2024-01-23 蚌埠星河秸秆生物科技有限公司 秸秆制糖联产黄腐酸钾及黄腐酸的方法

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