CN111364271A - 一种玉米秸秆全杆利用制备生物机械浆的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种玉米秸秆全杆利用制备生物机械浆的方法，包括如下步骤：（1）备料；（2）热处理；（3）生物酶处理，步骤(2)中经热处理后的玉米秸秆原料取出，加入生物酶，进行生物处理；（4）机械挤压及揉搓；（5）机械磨浆，步骤（4）中的原料取出，进行两段或多段机械磨浆处理得玉米秸秆生物机械浆，磨浆浓度15‑30%，盘磨间隙0.1‑1.0 mm，成浆打浆度20‑55 SR。本发明利用资源丰富的玉米秸秆全杆为原料，结合生物处理技术制备生物机械浆，显著提升了玉米秸秆的资源利用率，又有效缓解了我国造纸工业纤维资源短缺的困境，同时生产工艺流程简单，无化学污染，可操作性强，易于大生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种玉米秸秆全杆利用制备生物机械浆的方法，属于造纸技术与新材料领域。
背景技术
造纸工业是国民经济的重要基础原材料行业，据统计，2018年中国纸及纸板生产量为 10435 万吨（居世界第一位），消耗纸浆9387 万吨，其中木浆 3303 万吨，废纸浆5474 万吨。我国森林覆盖率低，木材纤维资源匮乏，国产废纸品质较差，长期以来造纸生产用木浆及废纸大量依赖进口，严重制约着造纸行业的健康良性发展。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》，文件规定到2020年，我国全面禁止进口废纸，届时造纸行业的原料短缺问题将更加突出。开发新型造纸原料，缓解我国造纸工业原料短缺问题，势在必行。
玉米秸秆是农作物玉米的茎秆，主要由叶、茎和髓组成，广泛种植于世界各地。中国是玉米种植大国，据统计，每年产生的玉米秸秆超过2.2亿吨，然而绝大部分玉米秸秆被弃之于地或直接焚烧，既造成了资源浪费，又产生了环境污染。若能够充分利用玉米秸秆为原料生产纸浆，则既可以实现玉米秸秆的高附加值利用，改善焚烧产生的环境问题，又能够有效的缓解我国造纸工业纤维原料短缺的困境。文献1（李士，玉米秸秆制浆，中国造纸，2011（30）：65-66）、文献2（陈洪雷，王岱，玉米秸秆在制浆造纸工业中的应用研究，华东纸业，2009（40）：15-18）、中国专利200310124000.4等报道了利用玉米秸皮为原料，采用传统化学法经蒸煮、漂白制备化学浆的工艺。然而上述报道的玉米秸秆制浆工艺尚有诸多问题需解决，如仅利用玉米秸皮为原料，需要进行复杂且低效的皮髓叶分离工序，资源利用率低；蒸煮得率低，化学品用量高，废液难处理等问题。中国专利申请CN201811414874.6公开了一种利用玉米秸秆全杆制备化学机械浆的方法，提高了玉米秸秆的综合利用率，然而其化学预处理过程中使用较多的碱液，存在化学品回收困难，废水COD负荷高，易产生环境污染等问题。生物制浆是利用酶或微生物对植物纤维原料进行预处理，降解或软化原料中的木素及半纤维素，再通过机械磨浆处理解离成浆的制浆方法。生物制浆技术有助于减轻制浆过程所产生的化学污染，降低磨浆能耗，具有良好的应用前景。中国专利201510739676.7公开了一种玉米秸秆生物制浆的方法，其利用发酵液对玉米秸秆进行发酵处理，而后高温蒸煮，离心分离再磨浆后得到浆料。但该工艺繁杂，化学品添加较多，成本偏高。由于上述存在的系列问题，目前玉米秸秆在制浆造纸领域中一直没有得到实际大规模应用。
发明内容
本发明的目的在于提出一种玉米秸秆全杆利用制备生物机械浆的方法，可实现玉米秸秆的清洁高效利用，为造纸及相关行业提供新材料。
本发明采用的技术方案是：一种玉米秸秆全杆利用制备生物机械浆的方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）备料
将风干的包含叶、皮、髓的玉米秸秆切成1-5 cm的长度，洗涤、除尘，备用；
（2）热处理
将备用原料放入汽蒸仓或反应釜中，进行蒸汽加热或热水浸泡处理，处理温度60-125℃，处理时间, 20-90 min；
（3）生物酶处理
步骤 (2) 中经热处理后的玉米秸秆原料取出，加入生物酶，进行生物处理；
（4）机械挤压及揉搓
将步骤 (3) 中经生物酶处理后的原料取出，进行机械挤压及揉搓处理，使玉米秸秆原料进一步破碎和松动，以利于后续机械磨浆；
（5）机械磨浆
步骤 （4）中的原料取出，进行两段或多段机械磨浆处理得玉米秸秆生物机械浆，其中，磨浆浓度15-30%，盘磨间隙0.1-1.0 mm，成浆打浆度20-55 SR。
本发明所述步骤（3）中的生物酶为中性复合酶，总用量为100-400 IU/mL。
本发明所述步骤（3）中的中性复合酶由中性果胶酶、中性木聚糖酶、中性纤维素酶三种酶复配而成，其中，中性果胶酶、中性木聚糖酶、中性纤维素酶的酶活比例为 (1-2.5):(3-5): (4-7)。
本发明所述步骤 (3) 中生物处理的工艺条件为：温度20-60 ℃，pH 6.0–8.0, 处理时间45-120 min。
根据本发明制得的玉米秸秆生物机械浆料，可用于配抄生产瓦楞原纸、包装纸板、纸塑模具、生活用纸等。
本发明具有如下优点：
（1）利用资源丰富的玉米秸秆为原料制备生物机械浆，既可实现玉米秸秆的高附加值利用，变废为宝，又可有效缓解我国造纸工业纤维资源短缺的困境，降低木材资源消耗，保护生态环境。
（2）对玉米秸秆全杆进行利用制备生物机械浆，包括玉米秸杆的叶、皮、髓部分，克服了传统方法中仅利用玉米秸皮为原料生产纸浆的弊端，提高了资源利用率及生产可操作性，便于实际生产。
（3）采用生物酶处理玉米秸秆原料，不使用化学药品，无化学污染，环境效益好，且能够显著降低机械磨浆能耗。
（4）本发明制得的玉米秸秆生物机械浆料，纸浆得率高，浆料性能好，可用于配抄生产瓦楞原纸、包装纸板、纸塑模具、生活用纸等。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，应该理解的是，这些实施例仅用于例证的目的，绝不限制本发明的保护范围。
实施例1
将风干的包含叶、皮、髓的玉米秸秆切成2-4 cm长度，洗涤、除尘，备用。将备料后的玉米秸秆原料放入汽蒸仓中，在温度120 ℃的条件下，汽蒸处理20 min。取出汽蒸后的原料，加入由中性果胶酶、中性木聚糖酶、中性纤维素酶三种酶复配而成的中性复合酶进行生物处理；生物酶处理工艺条件为：酶活总用量150 IU/mL，中性果胶酶、中性木聚糖酶、中性纤维素酶的酶活比例为1:3:4，处理温度60 ℃，pH 6.0–8.0, 处理时间120 min。取出经生物酶处理后的原料，过滤脱水后，进行机械挤压及揉搓处理，使玉米秸秆原料进一步破碎和松动，以利于后续机械磨浆。将机械挤压揉搓处理后的原料浓度调整至25%，采用高浓磨浆机进行两段磨浆处理，第一段控制盘磨间隙为0.6-0.8 mm，第二段控制盘磨间隙为0.25-0.3mm，控制磨后的浆料打浆度在40-45 SR。
本实施例所得的浆料经过洗涤、筛选、净化、打浆处理后，可用于配抄瓦楞原纸、纸塑模具等。
实施例2
将风干的包含叶、皮、髓的玉米秸秆切成1-3 cm长度，洗涤、除尘，备用。将备料后的玉米秸秆原料放入汽蒸仓中，在温度110 ℃的条件下，汽蒸处理30 min。取出汽蒸后的原料，加入由中性果胶酶、中性木聚糖酶、中性纤维素酶三种酶复配而成的中性复合酶进行生物处理；生物酶处理工艺条件为：酶活总用量200 IU/mL，中性果胶酶、中性木聚糖酶、中性纤维素酶的酶活比例为1:4:6，处理温度60 ℃，pH 6.0–8.0, 处理时间90 min。取出经生物酶处理后的原料，过滤脱水后，进行机械挤压及揉搓处理，使玉米秸秆原料进一步破碎和松动，以利于后续机械磨浆。将机械挤压揉搓处理后的原料浓度调整至20%，采用高浓磨浆机进行两段磨浆处理，第一段控制盘磨间隙为0.8-1.0 mm，第二段控制盘磨间隙为0.3-0.4mm，控制磨后的浆料打浆度在30-36 SR。
本实施例所得的浆料经过洗涤、筛选、净化、打浆处理后，可用于配抄瓦楞原纸、包装纸板等。
实施例3
将风干的包含叶、皮、髓的玉米秸秆切成2-4 cm长度，洗涤、除尘，备用。将备料后的玉米秸秆原料放入反应釜中，在温度90 ℃的条件下，水浴加热处理45 min。在水浴热处理后的原料中加入由中性果胶酶、中性木聚糖酶、中性纤维素酶三种酶复配而成的中性复合酶进行生物处理；生物酶处理工艺条件为：酶活总用量280 IU/mL，中性果胶酶、中性木聚糖酶、中性纤维素酶的酶活比例为2:3:5，处理温度50 ℃，pH 6.0–8.0, 处理时间60 min。取出经生物酶处理后的原料，过滤脱水后，进行机械挤压及揉搓处理，使玉米秸秆原料进一步破碎和松动，以利于后续机械磨浆。将机械挤压揉搓处理后的原料浓度调整至18%，采用高浓磨浆机进行两段磨浆处理，第一段控制盘磨间隙为0.6-0.7 mm，第二段控制盘磨间隙为0.2-0.3 mm，控制磨后的浆料打浆度在38-42 SR。
本实施例所得的浆料经过洗涤、筛选、净化、打浆处理后，可用于配抄包装纸板、纸塑模具等。
实施例4
将风干的包含叶、皮、髓的玉米秸秆切成3-5 cm长度，洗涤、除尘，备用。将备料后的玉米秸秆原料放入反应釜中，在温度60 ℃的条件下，水浴加热处理60 min。在水浴热处理后的原料中加入由中性果胶酶、中性木聚糖酶、中性纤维素酶三种酶复配而成的中性复合酶进行生物处理；生物酶处理工艺条件为：酶活总用量350 IU/mL，中性果胶酶、中性木聚糖酶、中性纤维素酶的酶活比例为1.5:4:7，处理温度45 ℃，pH 6.0–8.0, 处理时间90 min。取出经生物酶处理后的原料，过滤脱水后，进行机械挤压及揉搓处理，使玉米秸秆原料进一步破碎和松动，以利于后续机械磨浆。将机械挤压揉搓处理后的原料浓度调整至28%，采用高浓磨浆机进行三段磨浆处理，第一段控制盘磨间隙为0.8-1.0mm，第二段控制盘磨间隙为0.5-0.6 mm，第三段控制盘磨间隙为0.3-0.4 mm，控制磨后的浆料打浆度在35-40 SR。
本实施例所得的浆料经过洗涤、筛选、净化、打浆处理后，可用于配抄纸塑模具、本色生活用纸等。
Claims (5)
1.一种玉米秸秆全杆利用制备生物机械浆的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）备料
将风干的包含叶、皮、髓的玉米秸秆全杆切成1-5 cm的长度，洗涤、除尘，备用；
（2）热处理
将备用原料放入汽蒸仓或反应釜中，进行蒸汽加热或热水浸泡处理，处理温度60-125℃，处理时间20-90 min；
（3）生物酶处理
步骤 (2) 中经热处理后的玉米秸秆原料取出，加入生物酶，进行生物处理；
（4）机械挤压及揉搓
将步骤 (3) 中经生物酶处理后的原料取出，进行机械挤压及揉搓处理，使玉米秸秆原料进一步破碎和松动，以利于后续机械磨浆；
（5）机械磨浆
步骤 （4）中的原料取出，进行两段或多段机械磨浆处理得玉米秸秆生物机械浆，其中，磨浆浓度15-30%，盘磨间隙0.1-1.0 mm，成浆打浆度20-55 SR。
2.根据权利要求1所述的一种玉米秸秆全杆利用制备生物机械浆的方法，其特征在于：所述步骤（3）中的生物酶为中性复合酶，总用量为100-400 IU/mL。
3.根据权利要求2所述的一种玉米秸秆全杆利用制备生物机械浆的方法，其特征在于：所述步骤（3）中的中性复合酶由中性果胶酶、中性木聚糖酶、中性纤维素酶三种酶复配而成，其中，中性果胶酶、中性木聚糖酶、中性纤维素酶的酶活比例为 (1-2.5): (3-5): (4-7)。
4.根据权利要求1所述的一种玉米秸秆全杆利用制备生物机械浆的方法，其特征在于：所述步骤 (3) 中生物处理的工艺条件为：温度20-60 ℃，pH 6.0–8.0, 处理时间45-120min。
5.根据权利要求1所述的一种玉米秸秆全杆利用制备生物机械浆的方法，其特征在于：制得的玉米秸秆生物机械浆料，用于配抄生产瓦楞原纸、包装纸板、纸塑模具、生活用纸。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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