CN113417163B - 一种以植物纤维为原料采用高温发酵和机械解离耦合作用制备高得率纤维浆料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以植物纤维为原料采用高温发酵和机械解离耦合作用制备高得率纤维浆料的方法，步骤如下：备料完成后，采用机械对植物纤维原料进行预处理以减小其尺寸，然后采用能够降解纤维素和半纤维素的微生物菌种对其进行高温生物发酵，接着进行对发酵物料的机械解离。视终端纤维制品对纤维浆料的物化性质的要求，在机械解离过程选择不加或加入少量漂白药液或碱液，最后制成用于制造无底托育秧盘、纸浆模塑制品或包装材料的纤维浆料。制造供纸浆模塑制品或包装材料用纤维浆料时，选择进行停留反应仓和进一步的机械解离工序。与传统植物纤维解离生物机械制浆或机械法制浆方法不同，该方法具有微生物发酵时间短、节能和节约化学品消耗的特点。

Description

一种以植物纤维为原料采用高温发酵和机械解离耦合作用制 备高得率纤维浆料的方法

技术领域

本发明属于循环农业领域、制浆造纸领域，涉及一种微生物发酵用于植物纤维解离的方法，特别是涉及一种微生物高温发酵与机械耦合或结合方法解离植物纤维原料，制成供无托秧盘、纸浆模塑制品及包装纸和纸板用纤维浆料。制备过程具有显著低能耗、低化学品用量和绿色低碳特征。

背景技术

我国农作物秸秆年产生量约9亿吨，大部分未获得深加工利用，绿色资源化利用还有很长路要走。肥料化、饲料化、基料化、能源化和工业原料化等离田利用是现代农业秸秆综合资源化利用的发展方向。但秸秆还田仍然是目前我国秸秆消耗的主要方式。秸秆不当或过量还田引起的病虫危害、土壤理化性能改变和耕期等问题，对粮食生产的负面影响已凸显。本发明拟开发一种制备秸秆育秧基质块和包装纸和纸板、纤维模塑制品用纤维解离成浆的新技术，将打通秸秆回田利用的重要环节，及制浆造纸和模塑制造纤维供应问题，不仅能大量消纳秸秆，减少以化石原料为基础的塑料秧盘和塑料包装材料的依赖，利于消除白色面源污染问题。

利用生物菌剂和酶工程纯生物制浆或生物机械结合解离纤维成浆短期内尚难实现工业生产上应用（Sabharwai H，et al，Holzforsichung，1995,49（6）：537-544；姚光浴等人，林产工业，1995,22（5）：1-3；刘洁等人，纸和造纸，2014,33（7）：59-62）。1987年美国威斯康星大学生物技术中心和国家林产品研究所发起成立生物制浆协会，对生物制浆进行了系统探讨，认为生物制浆利用的微生物菌株必须具备繁殖迅速、分解木质素能力强并尽可能分解或不分解纤维素等特点。余惠生等（广东造纸，1999，（5）:30-35）报道，在实验室条件下利用白腐菌（贝壳状革耳菌，Panusconchatus）处理稻草15天，使木质素下降60％左右，磨浆后能得到物理性能良好的纸浆。中国农业科学院麻类研究所利用自选的ZJ198菌株（对木质素有选择性脱除作用）进行红麻皮发酵，可以96 h内成浆。目前从自然界分离得到的白腐菌株以及诱变处理选育得到的木素降解酶产生菌，降解木质素能力还远没达到生物制浆过程的要求。1990年，Akhtar在实验室利用白腐菌降解杨木中的木质素，可节省25%~50％能耗，并大大提高强度。Kirk等人（Butter-Worth-Heinemann，Boston，MA，1990）利用白腐菌（Phaneroehaetechrysosporium）处理杨木木片制机械浆抗张指数增加40%~70%，撕裂和耐破指数增加1-2倍；Kashino等人（Tappi，1993,76（12）：167-171）将粗磨后山毛榉机械浆用菌株IZU一154处理7天，可使后续磨浆能耗降低1/3-1/2,处理云杉和红松机械浆10~14天，能耗降低1/3,强度性能改善。美国农业部FPI联合威斯康星大学、明尼苏达大学采用白腐菌（C. subvermispora）处理木材并完成50t规模热机械法制浆中试，显示了节能38%和减少树脂障碍的效果。陈洪章等人（化工冶金，1999，20（2）：205-209），汽爆麦草预处理后进行生物制浆，发现白腐菌可降解木质素同时降低纤维素，使生物处理时间缩短为5天，但汽爆需要较高能耗并且其高温条件对纤维素产生损伤，且纤维浆料强度性能并不理想。

然而，木质素是植物组织进化的产物，赋予植物自身保护能力，抵抗微生物对其产生的腐朽作用，从微生物对植物主要成分分解难易程度来看，木质素较纤维素、半纤维素更加难以分解。因此选择白腐菌等木质素降解菌对植物纤维生物体中的木质素进行降解的生物制浆一般都存在白腐菌生长缓慢、代谢产物无法为菌丝生长或产酶提供有效碳源和能量，不可避免存在周期长（通常10天或2周以上），难以满足工业化生产需要，且木质素降解过程中也不可避免存在造成半纤维素或纤维素等聚糖的降解的问题。

目前已工业化的所谓生物制浆技术，都属于生物法树脂控制、酶促打浆、酶助漂白等广义上的生物制浆范畴，例如利用真菌处理木片，通过降低木片中树脂含量抑制树脂障碍的产生；利用聚木糖水解酶处理化学浆，降低打浆能耗和改善强度；利用半纤维素酶处理化学浆，改善浆料漂白性能的等。

至今用真菌或酶制剂处理木片或其他植物纤维原料部分和全部脱除其中木质素使其制成纤维浆料的真正意义上的技术一直未能实现工业化，存在的核心问题有：①处理周期过长，通常两周以上，难以满足工业化生产需要；②耐碱性差。所使用菌剂（例如白腐菌）最适宜生长pH在酸性，难以与现有制浆方法中的碱化学品配合使用。基于生物制浆核心一直在于利用特定微生物或生物酶对植物纤维原料进行预处理，选择性降解并除去部分木质素，进而才能够制浆的基本认识，生物制浆的研究和发展主要集中在降解和脱木质素这一方向，主要包括以下几个方面内容：（1）专一性微生物菌株的筛选。主要选育那些对天然木质素化合物降解选择性高、对纤维素物质分解破坏少、抗杂菌污染强的菌株。已选用的菌株多数为担子菌类，少数为子囊苗或半知菌，也有几支放线菌，褐腐菌株和细菌菌株则极少使用。但即使经系统筛选，用于降解木质素的天然菌株或生物工程改良菌株，虽然有良好木质素降解选择性，但木质素的降解产物（有的甚至有生物毒性）难以成为菌丝后期生长或产酶提供有效碳源和能量，导致生长后期需要补充葡萄糖液等额外碳源。（2）基于对生物制浆的内在机理认识。一般认为是强过微生物生长是代谢过程中产生的能够分解木质素的酶系完成的。参与该反应过程的酶蛋白质至少包括①木质素过氧化物酶；②锰过氧化物酶：③漆酶等。有些报道认为，酶并不直接作用于木质素，而是通过其催化作用产生的小分子物质的作用，降低木质素的交联度和聚合度。从而使木质素可溶性大大提高。实际上，生物制浆的机理目前尚不完全清楚，工业规模化应用时存在微生物生长性状的可控性差，菌剂接种和生长的pH和温度等代谢程度难以把控，并难以与化学法或化学机械发制浆的碱性pH处理条件匹配。（3）关注生物制浆的工艺及相应生物反应器的开发等。生物制浆操作过程要相对简单，通常是在机械制浆或化学制浆前将制浆微生物菌株接种于造纸原料，保温处理2~4周。但如此长的生物菌剂处理周期，导致工业化规模化处理装置过于庞大，工程上实施难度较大。基于以上三个方面原因，导致真正意义上的生物制浆技术，至今仍停留于研究/中试或小规模试验阶段，未能实现工业规模生产。

既然通过白腐菌等选择降解木质素菌剂处理植物纤维达到脱木质素至一定程度进行生物化学法制浆和生物机械制浆存在难度，目前难以满足工业规模的生产需要，我们是否可以从另一思考方向来设计生物机械制浆路线呢，例如选择降解半纤维素和纤维素微生生物（非选择性降解木质素的微生物，例如白腐菌、褐腐菌类）来进行生物机械制浆呢。基于机械法制浆是一种保留木质素的制浆方法，进行生物机械制浆时，选用以半纤维素和纤维素为碳源的生物处理方法，然后结合机械处理将植物纤维解离成纸浆，这样做至少有3方面的益处：（1）基于纤维素和半纤维素更易被微生物降解利用，降解半纤维素和少量低分子纤维素的微生物，短时间可以将物料温度提高到60℃以上甚至更高，可以大大缩短微生物处理时间；（2）较高的温度有利于实现对纤维物料的软化和润胀；（3）部分半纤维素和纤维素的降解和溶出有利于为水润胀纤维物料提供孔隙通道。

目前缺乏一种以秸秆为原材料制备的、可供水稻秧苗生长用秸秆无塑托纤维育秧盘用纤维浆料的制造技术。可降解无托机插育秧盘规模化生产大多由聚乳酸等可降解材料原料制造，中国水稻研究所史鸿志（农业工程学报，2017，33（24）:27-34）对该种由聚乳酸材料制成的可降解无托机插秧盘（长宽高：58 cm×28 cm×2.8cm）的育秧性能进行了研究。伍德春等人（湖北农业科学，2018,67（3）：16-19）的“秸秆育秧盘在水稻上的应用效果”报道了秸秆育秧盘替代塑料育秧盘的育秧秧苗素质和水稻生育性状和产量分析，探讨了秸秆育秧盘替代传统基质和塑料秧盘显示了良好的应用效果。黄泽民等人（现代化农业，2020，（5）：35-36）的“水稻基质秧盘应用试验”报道了开展了几种秸秆基质秧盘（秸秆基质平盘、秸秆基质钵盘、常规毯式秧盘）的育秧效果分析，应用秸秆基质育秧时分别需要铺塑料布、基质钵盘装入塑料毯式秧盘，探讨了秸秆基质秧盘代替苗床土的实验。

赵立欣等人提出了发明专利“一种玉米秸秆降解酸化菌剂及其制作方法”（CN201710895956.6），利用其中的黑曲霉、木霉、草酸青霉、黄孢原毛平革菌等活性成分处理玉米秸秆，运行15天的纤维素降解率达到42.1%、半纤维素降解率46.7%和木质素降解率28.5%，用于替代物理和化学生物质预处理提高纤维素和半纤维素快速降解制取沼气。栾乔根的新型专利“一种秸秆生物质秧盘（ZL201420442723.2）”，提出了凹槽和凸楞、秸秆秧盘撕裂线和秧盘盘体下表面设置加强筋等设计，解决了发芽种子均匀分布和秧苗和盘体在机插时整体移苗问题。黄华杰提出的发明专利“一种全自动秸秆秧盘成型机”（CN201910203452.2），涉及全自动秸秆秧盘成型机的设计。

目前秸秆生物降解或无塑料底托秸秆育秧盘方面的研究和专利主要涉及秸秆的酸化制沼气、育秧盘的应用，秸秆生物秧盘的结构设计和秸秆秧盘成型机等，未见具有一定尺寸形稳性、强度性能、理化性能的完全替代塑料底托的秸秆育秧盘用纤维浆料工厂化制备工艺方法的报道。

免塑托纤维基质育秧盘将育秧基质土与塑料托盘融二为一，是替代传统育秧基质和育秧盘的新型产品，具有消除塑料盘白色污染、减少因取土带来的农田耕地破坏，同时因农作物秸秆中含有大量有机质、氮、磷、钾、钙、镁和其他微量元素，本身作为有机肥原料来源，有能力替代水稻秧苗生长所用散装基质等诸多优势。

无托育秧盘用纤维浆料解离技术有重要应用前景，避免现有传统塑料秧盘带来的风险和白色污染问题。按照2020年我国水稻种植面积3007.6万公顷、每公顷育秧盘900个计算，本项目技术的应用将减少使用塑料秧盘托近270亿个。该技术的应用将同时解决农业秸秆回田和避免水稻育秧取土、破坏农田土壤的重要问题，对我国水稻生产提质增效和绿色生产具有重要意义。另一方面，随着国家新版限塑令和造纸和模塑制品纤维原料年供应量短缺近3000万吨，本发明技术同时将为缓解造纸工业纤维原料供应矛盾和物流、餐饮等行业代塑包装提供绿色生物质包装原料。

如何在超低能耗和化学品用量下将农业秸秆类纤维的高效解离成满足无塑料底托育秧盘和包装纸和纸板制造的纤维一直是循环农业和造纸工业科研人员关注的热点和难点。

综上，前述实验室研究和专利用于制备生物处理和机械解离制高得率纤维浆料时，主要存在以下问题：1）无塑料底托秸秆纤维育秧盘纤维浆料制备方面的研究和专利较少，对秸秆微生物发酵周期控制、微生物发酵与机械解离耦合（组合）方式、机械解离程度控制等未见论述或报道，秸秆秧盘用纤维浆料制备沿用基质发酵或基质肥料等微生物处理方式，而忽略了机械解离在纤维浆料制备过程中的作用，导致解离纤维得率和理化性能无法满足无底托育秧盘制造的需要，同时因流程中无汽蒸等设计，不可避免导致虫卵、微生物等有害物在秸秆纤维再度回田时对育秧秧苗素质和水稻生长的损害；2）用于纸浆模塑制品或包装纸和纸板用纤维浆料制备（生物制浆）大多采用木质素降解菌对植物纤维原料进行预处理，存在木质素降解效率低、周期长、工业化应用困难问题。微生物处理周期一般10天甚至2周以上，并且木质素降解过程中难以完全避免纤维素和半纤维素的降解，解离后纤维强度等性能差，以及因微生物酸性pH处理条件无法与碱性化学处理匹配（耐碱性差）的缺点。

针对微生物处理效率低和机械解离耗能高的难点，在微生物处理前对植物纤维物料进行系列物理和机械预处理，包括原料高温灭菌和虫卵的灭杀、破碎和撕裂丝棒化，为后续生物和机械处理提供尺度均匀和理化性质一致的料片；针对微生物处理周期长难点，拟采用中温或高温微生物发酵菌处理植物纤维原料（发酵温度上限可达到50~60℃以上），提高生物处理效率，以缩短微生物发酵周期，适应工厂化应用需要。针对纤维解离质量差（强度弱）和秸秆育秧盘尺寸形稳性、理化性能（持水、持肥、孔隙透气性等）的调节控制，在微生物处理后设置机械解离工序，以实现纤维制品的质量可控。

本发明针对以上存在的问题拟提出一种新型的适于工业规模生产的纤维浆料制备工艺技术方法，所制备的不同尺度的纤维浆料可用于无底托育秧盘、纸浆模塑制品、包装用纸和纸板等产品的制造，实现对塑料的替代，避免因塑料制品的不可降解导致的生态环境问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种以植物纤维为原料采用高温发酵和机械解离耦合作用制备高得率纤维浆料的方法，该方法先用机械对植物纤维原料进行均一化处理（例如原料切断、破碎、尺寸的缩小），然后采用降解半纤维素和纤维素的微生物，进行生物发酵，接着进行对发酵物料的机械解离（机械解离步骤可重复，以达到终端产品需要的纤维尺度），即可制备得到性能优异的高得率纤维浆料。该高得率纤维浆料可用于制造无底托育秧盘、蛋托或手机内托等纸浆模塑制品、瓦楞原纸和箱板纸等包装材料，应用广泛。与传统植物纤维解离生物机械制浆或机械法制浆（包括纯机械法制浆和化学机械法制浆）方法不同，该方法具有微生物处理（发酵）时间短、节能和节约化学品消耗的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种以植物纤维为原料采用高温发酵和机械解离耦合作用制备高得率纤维浆料的方法，处理流程先后顺序为①备料处理、②机械预处理、③微生物发酵和④机械解离等四道工序（见图1），依据终端产品对纤维浆料理化性能要求的不同，选择进行⑤停留反应仓或⑥第二次机械解离等二道工序（见图2和图3）。得到的纤维浆料可用于制备无托纤维秧盘、电器产品或手机内托等纸浆模塑制品、瓦楞原纸和箱板纸等包装材料等。

所述植物纤维原料包括稻草、麦秸、玉米秸、蔗渣、芦苇、芒秆、荻草、麻杆等农业废弃物(秸秆类或草类)；也可以是木材、竹子或其剩余物（即林业三剩：采伐剩余物、造材剩余物和加工剩余物）等木质纤维类原料。所述的微生物菌种为半纤维素和纤维素降解菌，例如地芽孢杆菌、栖热菌等好氧或兼氧微生物，但不限于以上菌种。

所述步骤①备料处理。备料包括纤维原料的切断、洗料、汽蒸和水分的调节等多种步骤和形式。调节原料水分含量至质量分数50%~80%；原料尺寸控制为长20~50mm（秸秆或草类纤维原料），或长20~50mm、厚度2~4mm（木材、竹子等木质纤维原料）。洗料目的主要是为了除去料片中的沙石和铁屑。汽蒸温度为105℃，目的主要为了消杀植物纤维原料中农业危害充虫病虫卵阻断无托基质秧盘移栽大田造成秧苗病害，同时高温汽蒸可以软化原料提高后续微生物发酵效果和纤维解离质量、降低机械解离能耗。

所述步骤②机械预处理。采用单螺旋、双螺旋或双螺杆挤压机，或盘磨机等机械预处理设备，将物料尺寸降低至棒状或纤丝状，为后续微生物发酵提供更大的接触表面积，提高发酵效率。出预处理设备水分含量为质量分数60%~70%。

所述步骤③微生物发酵。采用发酵温度40~85℃的中温和高温发酵工艺，水分控制在质量60%~70%，微生物发酵菌采用能够降解半纤维素和纤维素的菌种（需要强调的是，非木质素降解菌），以利加快发酵速度、提高发酵温度，以利于提高后续解离质量、降低解离能耗。微生物发酵过程添加营养盐，营养盐中C:N为20~40:1；发酵时间24~144h。

所述步骤④机械解离。用单螺旋、双螺旋或双螺杆挤压机，或盘磨机等机械处理设备，将纤维物料解离成用于无托秧盘用纤维浆料，浆料纤维或纤维束尺寸为长度0.1~2mm，宽度10~500μm；用于纸浆模塑制品纤维长度0.1-3mm、宽度10~50μm（纤维束含量<1%）；用于瓦楞原纸或箱板纸0.1-2mm、宽度10~50μm (纤维束含量<0.2%)。生产供纸浆模塑制品和瓦楞原纸或箱板纸纤维浆料时，在机械解离段采用双螺旋挤压和盘磨结合方式进行机械解离。其中在生产供纸浆模塑制品用纤维浆料时，在双螺旋挤压机处理过程中分别加入过氧化氢漂白药液（2%~10%H₂O₂、1%~5%NaOH和辅助漂白药液0.1%~1.0%DTPA/EDTA和1.5%~5.0Na₂SiO₃；质量分数相对于绝干物料）；在生产瓦楞原纸或箱板纸用纤维浆料时，加入碱液（1%~5%NaOH、质量分数相对于绝干物料）。

所述步骤⑤停留反应仓和步骤⑥第二次机械解离的联合或单独步骤⑥第二次机械解离，视步骤④机械解离后纤维浆料的尺度大小和其他理化性质（产品的平整度、持水能力、孔隙率、强度等）是否达到纤维制品的要求进行选择。例如生产纸和纸板产量就需要对纤维束进行控制，就要选择⑤停留反应仓+⑥第二次机械解离步骤或单独步骤⑥第二次机械解离，以达到更好的纤维浆料质量控制并实现节能。停留反应仓停留纤维料片的停留时间为30~60min。

所述的自备料处理、微生物发酵到制成纤维浆料的整个过程，物料均在较高浓度进行各工序操作，控制纤维物料干度为质量分数20%~50%（相当于含水量为质量分数50%~80%）。

有益效果：

1）本发明属于微生物发酵耦合机械解离制纤维浆料工艺方法，具有可操作性强、实施简便易行。区别于化学法和化学机械法成浆工艺，在植物纤维解离成无托秧盘、纸浆模塑制品、包装纸和纸板产品用纤维浆料过程中，仅使用很少量的微生物营养盐，不使用任何其他化学品；解离能耗是化学法和化学机械法的1/4~1/2，具有节能绿色特征。

2）本发明所制取的纤维浆料得率为质量分数65%~95%（对绝干原料），其中麦草、稻草等草类原料得率为65%~90%，木材、竹子和木（竹）剩余物等木质纤维原料得率80%~95%，与化学法比较得率高1倍。

3）本发明所述微生物发酵属于中温和高温发酵工艺，区别于传统木质素降解菌发酵制取纤维浆料方法。用能够降解半纤维素和纤维素的微生物菌种，以植物纤维原料中易于为发酵菌剂利用的碳水化合物为碳源提供能量，能够短时间实现快速升温（无需额外提供热能），以利加快发酵速度和缩短发酵周期，较高的发酵温度同时利于提高后续解离质量、降低解离能耗。发酵周期由传统木质素降解菌发酵时间10天或2周以上，缩短至24~144h，发酵周期缩短至木质素降解菌的生物处理周期的1/7~1/3，大大降低了生物反应器的设备投资成本。

4）本发明所述方法具有绿色低碳和环境友好特征。整个工艺过程采用高浓工艺，浆料浓度为20%~50%（以纤维物料计），具有低能耗低污染负荷发生量特征。用于浆料制无托秧盘时降解产生的有机溶解物（包括N、P等成分）在秧盘吸附成型时吸附截留在基质秧盘中，作为育秧营养物而得到利用，无新污染产生。浆料用于制纸浆模塑制品或包装纸和纸板产量时，产生的剩余污水（5~10m³/t产品）经三级处理可以达到GB3544-2008排放标准（如果外排），且处理后水可依据工程设计重新用于生产过程(无外排废水时，即零排放)。

5）本发明所使用纤维原料来自农林废弃物资源，消纳了大量废弃纤维类剩余物，符合国家绿色生态产业发展方向。采用本发明所述工艺方法制成的纤维浆料制造无托秧盘、纸浆模塑制品或包装用纸和纸板材料等可生物降解产品，能够替代塑料制品和塑料包装材料，可避免因大量使用塑料和化石合成材料带来的白色污染。

附图说明

图1用于制备无底托育秧盘的纤维浆料制备流程图。

图2 用于制备纸浆模塑制品的纤维浆料制备流程图。

图3 用于制备包装类纸或纸板纤维等包装材料的纤维浆料制备流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作更进一步的说明。

一种以植物纤维为原料采用高温发酵和机械解离耦合作用制备高得率纤维浆料的方法，在于：

1、植物纤维原料包括稻草、麦秸、玉米秸、蔗渣、芦苇、芒秆、荻草、麻杆等农业废弃物，或木材、竹子或其剩余物（即林业三剩：采伐剩余物、造材剩余物和加工剩余物）等。所述的微生物菌种为半纤维素和纤维素降解菌，例如地芽孢杆菌、栖热菌等好氧或兼氧微生物，但不限于以上菌种。本发明工艺技术方法包括①备料处理、②机械预处理、③微生物发酵、④机械解离（见图1、图2），依据终端产品路线的不同对纤维浆料尺寸和相关理化性能的要求，还包括⑤停留反应仓步骤⑥第二次机械解离中的一个步骤或完整的两步骤（见图3）。

2、步骤①备料处理。备料包括纤维原料的切断、洗料、汽蒸和水分的调节等多种步骤和形式。调节原料水分含量至质量分数50%~80%；原料尺寸控制为长20~50mm（秸秆或草类纤维原料），或长20~50mm、厚度2~4mm（木材、竹子等木质纤维原料）。洗料目的主要是为了除去料片中的沙石和铁屑。汽蒸温度为105℃，目的主要为了消杀植物纤维原料中农业危害充虫病虫卵阻断无托基质秧盘移栽大田造成秧苗病害，同时高温汽蒸可以软化原料提高后续微生物发酵效果和纤维解离质量、降低机械解离能耗。

3、步骤②机械预处理，采用单螺旋、双螺旋或双螺杆挤压机，或盘磨机等机械预处理设备，将物料尺寸降低至棒状或纤丝状，为后续微生物发酵提供更大的接触表面积，提高发酵效率。出预处理设备水分含量为质量分数60%~70%。

4、步骤③微生物发酵。采用发酵温度30~90℃的中温和高温发酵工艺，水分控制在质量60%~70%；微生物发酵菌采用半纤维素和纤维素菌（需要强调的是，非木质素降解菌），以利加快发酵速度、提高发酵温度，以利于提高后续解离质量、降低解离能耗。发酵过程添加营养盐提供氮源，营养盐中C：N为15~40:1，微生物菌用量为0.25%~2.5%（对绝干物料）、发酵时间24~144h。

5、步骤④机械解离。用单螺旋、双螺旋或双螺杆挤压机，或盘磨机等机械处理设备，将纤维物料解离成用于无托秧盘用纤维浆料，浆料纤维或纤维束尺寸为长度0.1~2mm，宽度10~500μm；用于纸浆模塑制品纤维长度0.1-3mm、宽度10~50μm（纤维束含量<1%）；用于瓦楞原纸或箱板纸0.1-2mm、宽度10~50μm (纤维束含量<0.2%)。其中在生产供纸浆模塑制品纤维浆料，在双螺旋挤压机处理过程中分别加入过氧化氢漂白药液（2%~10%H₂O₂、1%~5%NaOH和辅助漂白药液0.1%~1.0%DTPA/EDTA和1.5%~5.0Na₂SiO₃，质量分数对绝干物料）；在生产瓦楞原纸或箱板纸纤维浆料时，加入碱液（1%~5%NaOH、质量分数对绝干物料）。

6、步骤⑤停留反应仓和⑥第二次机械解离步骤或单独步骤⑥第二次机械解离，依据终端产品对纤维浆料的物理化学性质选择进行联合串联处理或选择单独进行步骤⑥第二次机械解离。其中，⑤停留反应仓中物料浓度20%~50%（质量分数）、温度60~95℃、停留反应时间20~60min；⑥第二次机械解离中，采用高浓盘磨机，常压下解离浆料浓度20%~50%（质量分数）。视步骤④机械解离后纤维浆料的尺度大小和其他理化性质（产品的平整度、持水能力、孔隙率、强度等）是否达到纤维制品的要求进行选择。生产无托纤维机制秧盘无需进行步骤⑤停留反应仓和步骤⑥第二次机械解离处理；生产纸和纸板产量就需要对纤维束进行控制，就要选择⑤停留反应仓+⑥第二次机械解离步骤或单独步骤⑥第二次机械解离，以达到更好的纤维浆料质量控制并实现节能。

7、工艺方法中还涉及纤维浆料制备过程产生的污染物处理，本发明工艺方法具有绿色清洁特征：i）无托基质秧盘纤维浆料制备过程产生的污染物（主要是有机物降解酸，以及N、P、K等矿化营养物等）在秧盘吸附成型时吸附截留在基质秧盘中（见图1），作为育秧营养物携带于基质秧盘中而得到利用，并在秧苗生长过程中作为基质腐烂完全回归大田，无新增污染产生；ii）纸浆模塑制品用纤维浆料需要进行洗涤筛选然后成型（见图2），但因成型浓度高和浆料制备流程短，废水产生量少，经废水处理系统——废水三级处理：一级物理絮凝、二级生物化学处理（厌氧+好氧处理）和三级处理回用，吨产品达标（GB3544-2008）外排废水量为0~10m³；iii）包装纸和纸板产品用纤维浆料需进行洗涤筛选然后成形（见图2），成形系统的多余白水逆流循环用于纤维浆料制备系统，来自纤维浆料制备系产的废水送废水处理系统——废水三级处理：一级物理絮凝、二级生物化学处理（厌氧+好氧处理）和三级处理，吨产品达标（GB3544-2008）外排废水量为5~10m³。

8、本发明所制取的纤维浆料方法属于高得率制纤维浆料范畴。纤维浆料得率为质量分数65%~95%（对绝干原料），其中麦草、稻草等草类原料得率为65%~90%，木材、竹子和木（竹）剩余物等木质纤维原料得率80%~95%，具有资源利用率高特征。

实施例1

本实施例按照图1流程实施，植物纤维原料采用稻草秸秆（风干，水分含量质量分数15%），依序进行步骤一①备料处理、步骤二②机械预处理、步骤三③微生物发酵和步骤四④机械解离等4道工序处理。在步骤一“①备料处理”中，秸秆线采用切草浆机切碎至30~50mm，然后洗料和汽蒸，除去料片中沙石、铁屑和高温灭杀虫卵和灭菌，水分含量为质量分数70%~80%，处理后草片用螺旋输送至下道工序。在步骤二“②机械预处理”中，草片采用双螺旋挤压机（江苏金沃机械，型号TSPIФ60）进行破碎和撕裂丝化预处理，80%以上草片长度缩短至10~30mm，草片含水量控制在60%~70%。在步骤三“③微生物发酵”中，以尿素提供氮源，控制C:N比为25:1，菌剂用量为1%（对绝干物料），菌剂由3株地芽孢杆菌和4株栖热菌组成、菌剂浓度是2千万cfu/ml，物料上堆温度35℃、水分为质量分数65%，发酵温度40~65℃、发酵时间144h，发酵后得率81%。在步骤四“④机械解离”中，采用双螺旋挤压机（江苏金沃机械，型号TSPIФ60）和盘磨机（吉林机械，型号GNMФ300），联用将纤维解离为无托秧盘用浆料纤维，干度26%、纤维或纤维束长度0.5~2mm组分含量90%以上。

相同纤维解离程度下(加拿大标准游离度450 mL CSF)，机械预处理和机械解离总能耗为249kWh/t纤维浆料，纤维浆料得率为78.5%（相对于原料）、结合强度（抗张指数）23.95N.m/g。纤维浆料性能见表1。采用上面无底托秧盘用纤维浆料同样的工序（步骤一、步骤二和步骤四，不进行步骤三的“③微生物发酵”）进行了空白对照试验，解离总能耗为812kWh/t纤维浆料，纤维浆料得率为81.3%（相对于原料）、结合强度（抗张指数）9.65N.m/g。通过上面比较可以看出，采用本发明的微生物发酵结合机械解离的高得率制纤维浆料方法，可实现节能约226% 、结合强度提高3.6倍。

稻草秸秆基质秧盘成采用吸附翻转式成型机（型号JK-FZ），成型浓度1%，基质秧盘尺寸580×280×18，孔隙率、持水性均满足育秧和机械化插秧需要。

实施例2

本实施例按照图2流程实施。植物纤维原料采用桑枝（风干，水分含量质量分数12%），依序进行步骤一①备料处理、步骤二②机械预处理、步骤三③微生物发酵和步骤四④机械解离4道工序处理，在步骤四过程中加入H₂O₂漂白药液（药液用量：4%H₂O₂、2%NaOH、0.3%DTPA和1.5%NaSiO₃，质量分数相对于绝干物料）进行漂白（见图2）。在步骤一“①备料处理”中，将桑枝用削片机切碎至20~40mm，然后洗料和汽蒸，除去料片中沙石，水分含量为质量分数70%~80%，处理后料片用螺旋输送至下道工序。在步骤二“②机械预处理”中，桑枝条采用双螺旋挤压机（江苏金沃机械，型号TSPIФ60）进行破碎和撕裂丝化预处理，长度缩短至10~30mm，含水量控制在60%~70%。在步骤三“③微生物发酵”中，菌剂用量为2.0%（对绝干物料），以尿素提供氮源，控制C:N比为40:1，纤维素降解菌粉用量1%，物料上堆温度35℃、水分为质量分数65%，发酵温度40~65℃、发酵时间48h，发酵后得率89%。在步骤四“④机械解离”中，采用双螺旋挤压机（江苏金沃机械，型号TSPIФ60）对桑枝进行挤压处理（在双螺旋挤压过程中加入H₂O₂漂白药液），接着用盘磨机（吉林机械，型号GNMФ300），磨后浆料在⑤反应仓中停留45min完成漂白，接着进行洗涤筛选。

纤维浆料的纤维束含量<0.2%（Sommerville纤维束分析，0.2mm缝筛），能耗526kWh/t纤维浆料，漂白后得率84.2%、游离度229mLCSF，白度73.9%ISO、结合强度（抗张指数）29.30N.m/g。纤维浆料性能见表1。采用吸附翻转式成型机（型号JK-FZ），成型浓度1%，可以满足纸浆模塑制品需要，可用作各种电子产品内衬包装（例如手机包装内托、电器产品内衬等）。

空白对照试验结果表明（不进行③微生物发酵步骤），游离度225mL CSF的浆料磨解能耗为868kWh/t绝干物料、结合强度（抗张指数）14.6N.m/g，总能浆料磨解能耗节约39.4%，结合强度提高1倍。

实施例3

本实施例按照图3流程实施。植物纤维原料采用麦草（风干，水分含量质量分数12%），依序进行步骤一①备料处理、步骤二②机械预处理、步骤三③微生物发酵、步骤四④机械解离、步骤五⑤停留反应仓和步骤六⑥第二次机械解离等6道工序处理（见图3）。在步骤一“①备料处理”中，秸秆线采用切草浆机切碎至30~50mm，然后洗料和汽蒸，除去料片中沙石、铁屑等，水分含量为质量分数70%~80%，处理后草片用螺旋输送至下道工序。在步骤二“②机械预处理”中，草片采用双螺旋挤压机（江苏金沃机械，型号TSPIФ60）进行破碎和撕裂丝化预处理，80%以上草片长度缩短至10~30mm，草片含水量控制在60%~70%。在步骤三“③微生物发酵”中，以亚硫酸铵（以其中的氮元素计）为营养盐提供氮源，控制C:N比为30:1，菌剂用量为1%（对绝干物料），菌剂由3株地芽孢杆菌和4株栖热菌组成、菌剂浓度是2千万cfu/ml，物料上堆温度35℃、水分为质量分数65%，发酵温度60~65℃、发酵时间72h，发酵后得率86%。在步骤四“④机械解离”中进行第二道机械撕裂解离，解离过程中加入3%NaOH（质量分数相对于绝干物料），对纤维料片进行碱浸渍，控制游离度为500~700 mL。在步骤五 “⑤停留反应仓”在反应仓中停留30min完成浸渍软化。在步骤六“⑥第二次机械解离”中进行高浓盘磨解离，浆料浓度25%~35%（质量分数）、游离度为300~500 mL CSF，纤维束含量<0.2%（Sommerville纤维束分析，0.2mm缝筛）；洗涤筛选后浆料得率79.5%。

浆料动态成形器（法国Techpap，型号FDA）成形，成形浓度0.4%，用所制备浆料达到高强瓦楞原纸质量标准AA级指标（GB/T 13023-2008 瓦楞芯（原）纸）。高强瓦楞原纸质量指标见表1。

表1实施例1-实施例3中制得的产品的性能检测结果

实 施例	纤维原料	能耗/kWh	得率/%	紧度/mL CSF	松厚度/cm3.g-1	白度/ %ISO	抗张 指数/ N·m·g-1	耐破 指数/kPa.m2·g-1	环压 指数/ N·m·g-1	纤维制品
											实施例1	稻草	249	78.5	420	0.38	41.5	23.95	1.35	9.9	无托底育秧盘，定量220g，秧盘尺寸：580×280×18
实施例2	桑枝	526	84.2	229	0.48	73.9	29.30	1.87	--	纸浆模塑制品，理化性能由纸浆抄成60g/m2测试
											实施例3	麦草	475	79.6	290	0.53	43.6	40.79	2.36	7.5	抄纸成100g/m2低定量瓦楞原纸，产品质量达到GB/T 13023-2008 AA级标准

显然，上述所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种以植物纤维为原料采用高温发酵和机械解离耦合作用制备高得率纤维浆料的方法，其特征在于：包括以下步骤：

①备料处理：对植物纤维原料进行切断、洗料、汽蒸和水分调节处理，得到备用物料；

②机械预处理：利用机械设备对备用物料进行预处理，减小其尺寸，使其呈棒状或纤丝状，得到预处理物料；

③微生物发酵：采用能够降解纤维素和半纤维素的微生物菌种对预处理物料进行微生物发酵，得到发酵物料；所述微生物菌种包括地芽孢杆菌、栖热菌、纤维素降解菌粉中的至少一种；所述微生物发酵的温度为40~85℃，发酵的时间为24~144h；

④机械解离：向发酵物料中加入漂白药液或碱液，利用机械设备对发酵物料进行机械解离，机械解离处理后，所得的浆料在反应仓中进行停留以完成漂白反应或碱浸渍软化过程，最后经过洗涤筛选后得到纤维浆料；所述漂白药液由以下组分组成：2%~5%H₂O₂、1%~5%NaOH、0.1%~1.0%DTPA/EDTA和1.5%~5.0Na₂SiO₃，上述组分用量以发酵物料的绝干质量为基准，按质量分数计；所述反应仓内物料的温度为60~95℃，停留的时间为20~60min。

2.根据权利要求1所述的以植物纤维为原料采用高温发酵和机械解离耦合作用制备高得率纤维浆料的方法，其特征在于：所述④机械解离步骤中，所得纤维浆料中纤维束尺寸为长度0.1~2mm，宽度10~500μm；所述纤维浆料用于制备无底托纤维育秧盘。

3.根据权利要求1所述的以植物纤维为原料采用高温发酵和机械解离耦合作用制备高得率纤维浆料的方法，其特征在于：所述④机械解离步骤中，所得纤维浆料用于制备纸浆模塑制品，所述纤维浆料的长度为0.1-3mm、宽度为10~50μm。

4.根据权利要求3所述的以植物纤维为原料采用高温发酵和机械解离耦合作用制备高得率纤维浆料的方法，其特征在于：所述纸浆模塑制品为电器产品内衬或外卖快餐包装盒。

5.根据权利要求1所述的以植物纤维为原料采用高温发酵和机械解离耦合作用制备高得率纤维浆料的方法，其特征在于：所述④机械解离步骤中，向发酵物料中加入碱液，机械解离处理后，所得的浆料在反应仓中进行停留以完成碱浸渍软化过程，得到的物料进行第二次机械解离处理，最后经过洗涤筛选后，得到能够用于制备包装材料的纤维浆料；所得纤维浆料中纤维束尺寸为长度0.1-2mm、宽度10~50μm。

6.根据权利要求5所述的以植物纤维为原料采用高温发酵和机械解离耦合作用制备高得率纤维浆料的方法，其特征在于：所述碱液为1%~5%NaOH，上述组分用量以发酵物料的绝干质量为基准，按质量分数计；所述包装材料为瓦楞原纸或箱板纸。

7.根据权利要求1-6任一项所述的以植物纤维为原料采用高温发酵和机械解离耦合作用制备高得率纤维浆料的方法，其特征在于：所述①备料处理步骤中，所述植物纤维原料为农业废弃物或林业剩余物；所述农业废弃物为稻草、麦秸、玉米秸、蔗渣、芦苇、芒秆、荻草或麻杆；所述林业剩余物为木材、竹子或其剩余物；所述汽蒸的温度为103-108℃，时间为10-20min；备用物料中水分的质量分数为50%~80%。

8.根据权利要求1-6任一项所述的以植物纤维为原料采用高温发酵和机械解离耦合作用制备高得率纤维浆料的方法，其特征在于：②机械预处理步骤中，机械设备为单螺旋挤压机、双螺旋挤压机或盘磨机；得到的预处理物料中水分的质量分数为60%~70%。

9.根据权利要求1-6任一项所述的以植物纤维为原料采用高温发酵和机械解离耦合作用制备高得率纤维浆料的方法，其特征在于：③微生物发酵步骤中，微生物发酵过程添加营养盐，营养盐中C:N为20~40:1；微生物发酵过程中，体系中水分的质量分数为60%~70%。

10.根据权利要求1-6任一项所述的以植物纤维为原料采用高温发酵和机械解离耦合作用制备高得率纤维浆料的方法，其特征在于：④机械解离步骤中，机械设备为单螺旋挤压机、双螺旋挤压机或盘磨机。

Images