CN113846504B - 一种生物酶处理芦苇制备原色生物机械浆及副产物全利用的方法 - Google Patents

一种生物酶处理芦苇制备原色生物机械浆及副产物全利用的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种生物酶处理芦苇制备原色生物机械浆及副产物全利用的方法，属于造纸技术与新材料技术领域。本发明以芦苇为原料，通过合理优化制备技术和步骤，仅采用了温水、水蒸气、微量NaOH和生物酶，待磨浆完成时生物机械浆的pH值接近中性，获得的生物机械浆得率较高，极大了提高了芦苇的利用率，且与传统的化学机械浆相比较，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。磨浆洗涤水采用MVR浓缩回收，可收集到20％左右的固体废弃物，制备成生物质燃料颗粒，回收热量。实现了芦苇的资源化利用，符合国家资源节约、经济循环、节能减排的产业政策，能够产生良好的经济社会效益和生态效益。

Description

一种生物酶处理芦苇制备原色生物机械浆及副产物全利用的 方法
技术领域
本发明属于造纸技术与新材料技术领域，具体涉及一种生物酶处理芦苇制备原色生物机械浆及副产物全利用的方法。
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。
造纸工业既是消费品产业，也是重要的基础原材料产业，涉及工农业、文教生活、国防和航空等众多领域。我国是一个森林资源相对匮乏的国家，砍伐我国的森林用于制浆造纸工业是不可能的，只能间伐部分人工速生林或者木材加工剩余物用于制浆造纸，这些产量约为1000万吨，对于每年产量在1.1亿吨的中国造纸行业来说，是远远不够的。因此，使用回收的国内外废纸作为原料制浆造纸很大程度上弥补了我国造纸原料的不足。
芦苇曾是我国重要的非木材造纸原料之一，但是由于芦苇中含一定量的硅元素，因此在传统的化学法制浆过程中容易出现结垢现象，从而导致芦苇碱回收困难且成本高，因此在2000年左右芦苇逐渐退出造纸原料序列。因此，研发基于芦苇的绿色、高效制浆工艺，实现对资源的综合利用无疑具有重要价值。
发明内容
针对以上所述问题，本发明提供一种生物酶处理芦苇制备原色生物机械浆及副产物全利用的方法。本发明首次提出以芦苇为原料，采用生物酶处理芦苇制备高强度原色生物机械浆的方法，从而满足生产原色包装纸和纸基材料要求，并对其副产物进行回收制备生物质燃料颗粒，进一步燃烧回收热能，因此并不存在废液和固体废弃物的排放，从而实现芦苇的绿色综合全利用。
本发明采用以下技术方案：
本发明第一个方面，提供一种生物酶处理芦苇制备原色生物机械浆及副产物全利用的方法，包括以下步骤：
S1、把经预处理的芦苇切成小段，进行温水清洗处理后脱水，收集预处理中去除的芦苇花穗和叶子；
S2、将经步骤S1处理后的芦苇加碱调pH后对其进行热蒸汽处理；
S3、经将步骤S2处理的芦苇进行螺旋挤压或分丝处理，调pH至中性后加入复合生物酶进行酶解软化处理；
S4、将步骤S3处理后的芦苇进行一段或多段磨浆；
S5、对磨浆后浆料进行高浓洗涤，得生物机械浆；所得生物机械浆经纤维疏解器疏解、混合均匀，即得芦苇原色生物机械浆；收集高浓洗涤废水；
S6、将高浓洗涤废水采用MVR蒸发器处理蒸发浓缩，得到固形物含量为60-70％的浓缩液，将所述浓缩液与步骤S1中经预处理去除的芦苇花穗和叶子混合压制成生物质颗粒燃料，可输送至锅炉进行燃烧回收热量。
本发明第二个方面，提供以上所述方法制备得到的机械浆和/或生物质颗粒燃料。
本发明第三个方面，提供上述机械浆在制备原色包装纸、纸基材料中的应用和/或生物质颗粒燃料在作为燃料中的应用。
上述一个或多个技术方案的有益效果：
上述技术方案以芦苇为原料，通过合理优化制备技术和步骤，仅采用了温水、水蒸气、微量NaOH和生物酶，待磨浆完成时生物机械浆的pH值接近中性，获得的生物机械浆得率较高(75～85％)，极大了提高了芦苇的利用率，且与传统的化学机械浆相比较，可节省磨浆能耗40％以上，且各项物理指标达到了生产原色包装纸和纸基材料的要求。
磨浆洗涤水采用MVR浓缩回收，得到固形物含量约为65％的浓缩液，并将其与经预处理去除的芦苇花穗和叶子混合压制成生物质颗粒燃料，回收热量。实现了芦苇的资源化利用，符合国家资源节约、经济循环、节能减排的产业政策，能够产生良好的经济社会效益和生态效益。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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、操作和/或它们的组合。
本发明一个具体实施方式中，提供一种生物酶处理芦苇制备原色生物机械浆及副产物全利用的方法，包括以下步骤：
S1、把经预处理的芦苇切成小段，进行温水清洗处理后脱水；收集预处理中除去的芦苇花穗和叶子；
S2、将步骤S1脱水后的芦苇加碱调pH后进行热蒸汽处理；
S3、经将步骤S2处理的芦苇进行螺旋挤压或分丝处理，调pH至中性后加入复合生物酶进行酶解软化处理；
S4、将步骤S3处理后的芦苇进行一段或多段磨浆；
S5、将步骤S4磨浆后浆料进行高浓洗涤，得生物机械浆；所得生物机械浆经纤维疏解器疏解、混合均匀，即得芦苇原色生物机械浆；收集高浓洗涤废水；
S6、将步骤S5收集高浓洗涤废水采用MVR蒸发器处理蒸发浓缩，得到固形物含量为60-70％的浓缩液，将所述浓缩液与步骤S1中经预处理去除的芦苇花穗和叶子混合压制成生物质颗粒燃料，所述生物质颗粒燃料可输送至锅炉进行燃烧回收热量。
本发明的一些实施例中，所述步骤S1中，预处理包括：通过物理方式去除芦苇的芦苇花穗和大部分叶子(去除占总体质量分数为70-80％的叶子)；
同时，芦苇切成小段控制为3-6cm小段，水温控制为50-80℃，清洗时间控制为5-10分钟，然后脱水。
本发明的一些实施例中，所述步骤S2中，所述碱具体为氢氧化钠，pH控制为11-12。本发明中，添加少量NaOH调节pH，从而使得芦苇秸秆溶出少部分的纤维素、半纤维素等。
本发明的一些实施例中，所述热蒸汽处理具体方法包括：采用90-105℃的热蒸汽处理15-20分钟；通过控制热蒸汽温度和时间，从而有利于芦苇原料的吸水软化，为下一步螺旋挤压或分丝处理奠定基础。
本发明的一些实施例中，为了实现对芦苇达到均匀良好的挤压分丝效果，同时有利于后续步骤的完成，因此在步骤S3中，控制搓丝压缩比为1:1～4。
所述复合生物酶为如下任意一组：
(a)木聚糖酶和脂肪酶；
(b)纤维素酶和脂肪酶；
(c)纤维素酶和木聚糖酶。
复合酶总用量20-40U/g，复配比例(酶活)为1:3-3:1；处理温度45-60℃，pH 6.0-8.0，液比控制在1:3.5-5；复合酶处理时间在20-80min。
进一步的，复合酶处理过程中进行均匀间隔式搅拌；从而使芦苇与复合生物酶充分作用，用于进一步软化芦苇原料；
本发明的一些实施例中，所述步骤(4)中，磨浆处理工艺具体为：进行高浓磨浆，主轴转速2500-3500r/min(优选为3000r/min)，采用一段或两段磨浆，磨浆间隙为0.1-0.5mm；
本发明的一些实施例中，所述步骤(5)中，将高浓洗涤废水采用MVR蒸发器处理蒸发，得到固形物含量为65％左右的浓缩液，将所述浓缩液与步骤S1中经预处理去除的芦苇花穗和叶子混合压制成生物质颗粒燃料，可输送至锅炉进行燃烧回收热量。
本发明的一些实施例中，提供以上所述方法制备得到的机械浆和/或生物质颗粒燃料。
本发明的一些实施例中，提供上述机械浆在制备原色包装纸、纸基材料中的应用和/或生物质颗粒燃料在作为燃料中的应用。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。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。
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。
实施例1
一种生物酶处理芦苇制备原色生物机械浆及副产物全利用的方法，包括：
1、将除去芦苇花穗和质量分数为80％的叶子的芦苇切成3-6cm小段；加70℃水进行清洗10分钟，然后脱水；
2、向步骤1中脱水洗涤的芦苇段加氢氧化钠调pH值至12左右，随后通100℃的热蒸汽处理15分钟；
3、向经步骤2处理后的芦苇进行分丝处理，搓丝压缩比控制为1:3，调节pH值约中性；
4、向经步骤3的芦苇原料加入复合生物酶进行处理，两种生物酶(木聚糖酶和脂肪酶)总用量30U/g(1g料液中加入30U生物酶)，复配比例(酶活)为2:1，复合酶处理的条件为液比1:4(g/mL)；处理温度50℃，pH 7.0，处理时间在50min。
5、向经步骤4的软化芦苇原料进行高浓磨浆，主轴转速3000r/min，采用两段磨浆，磨浆间隙为0.2mm。
6、对步骤5获得的生物机械浆进行高浓洗涤，对洗涤水中的固形物进行浓缩回收，得到固形物含量为65％左右的浓缩液，浓缩液与备料时去除的芦苇叶、芦苇花穗混合压制成生物质颗粒燃料，到锅炉进行燃烧回收热量。
设置对照组，其区别仅在于：对照组步骤4中不使用复合生物酶对经步骤3的芦苇原料进行处理，仅通过加水调节液比1:4。
表1一种生物酶处理芦苇制备原色生物机械浆及副产物全利用的方法成浆物理性能指标比较一览表(木聚糖酶：脂肪酶＝2:1)
Figure GDA0003341971540000061
Figure GDA0003341971540000071
实施例2
一种生物酶处理芦苇制备原色生物机械浆及副产物全利用的方法，包括：
1、将除去芦苇花穗和质量分数为80％的叶子的芦苇切成3-6cm小段；加70℃水进行清洗10分钟，然后脱水；
2、向步骤1中脱水洗涤的芦苇段加氢氧化钠调节pH值至12左右，随后通100℃的热蒸汽处理15分钟；
3、向经步骤2处理后的芦苇进行分丝处理，搓丝压缩比控制为1:2，调节pH值约中性；
4、向经步骤3的芦苇原料加入复合生物酶进行处理，两种生物酶(木聚糖酶：纤维素酶)总用量40U/g(1g料液中加入40U生物酶)，复配比例(酶活)为3:1，复合酶处理的条件为液比1:4(g/mL)；处理温度55℃，pH 7.0，处理时间在50min。
5、向经步骤4的软化芦苇原料进行高浓磨浆，主轴转速3000r/min，采用两段磨浆，磨浆间隙为0.3mm；
6、对步骤5获得的生物机械浆进行高浓洗涤，对洗涤水中的固形物进行浓缩回收，得到固形物含量为65％左右的浓缩液，浓缩液与备料时去除的芦苇叶、芦苇花穗混合压制成生物质颗粒燃料，到锅炉进行燃烧回收热量。
设置对照组，其区别仅在于：对照组步骤4中不使用复合生物酶对经步骤3的芦苇进行处理，仅通过加水调节液比1:4。
表2一种生物酶处理芦苇制备原色生物机械浆及副产物全利用的方法成浆物理性能指标比较一览表(木聚糖酶：纤维素酶＝3:1)
Figure GDA0003341971540000081
实施例3
一种生物酶处理芦苇制备原色生物机械浆及副产物全利用的方法，包括：
1、将除去芦苇花穗和质量分数为80％的叶子的芦苇切成3-6cm小段；加70℃水进行清洗10分钟，然后脱水；
2、向步骤1中脱水洗涤的芦苇段加氢氧化钠调节pH值至12左右，随后通95℃的热蒸汽处理20分钟；
3、向经步骤2处理后的芦苇进行分丝处理，搓丝压缩比控制为1:3，调节pH值约中性；
4、向经步骤3的芦苇原料加入复合生物酶进行处理，两种生物酶(脂肪酶：纤维素酶＝1:1)总用量40U/g(1g料液中加入40U生物酶)，复配比例(酶活)为1:1，复合酶处理的条件为液比1:5(g/mL)；处理温度50℃，pH 7.0，处理时间在60min。
5、向经步骤4的软化芦苇原料进行高浓磨浆，主轴转速3000r/min，采用两段磨浆，磨浆间隙为0.3mm；
6、对步骤5获得的生物机械浆进行高浓洗涤，对洗涤水中的固形物进行浓缩回收，得到固形物含量为65％左右的浓缩液，浓缩液与备料时去除的芦苇叶、芦苇花穗混合压制成生物质颗粒燃料，到锅炉进行燃烧回收热量。
设置对照组，其区别仅在于：对照组步骤4中不使用复合生物酶对经步骤3的芦苇进行处理，仅通过加水调节液比1:5。
表3一种生物酶处理芦苇制备原色生物机械浆及副产物全利用的方法成浆物理性能指标比较一览表(脂肪酶：纤维素酶＝1:1)
Figure GDA0003341971540000091
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种生物酶处理芦苇制备原色生物机械浆及副产物全利用的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、把经预处理的芦苇切成小段，进行温水清洗处理后脱水，收集预处理中去除的芦苇花穗和叶子；
S2、将经步骤S1处理后的芦苇加碱调pH后对其进行热蒸汽处理；
S3、经将步骤S2处理的芦苇进行螺旋挤压或分丝处理，调pH至中性后加入复合生物酶进行酶解软化处理；
S4、将步骤S3处理后的芦苇进行一段或多段磨浆；
S5、对磨浆后浆料进行高浓洗涤，得生物机械浆；所得生物机械浆经纤维疏解器疏解、混合均匀，即得芦苇原色生物机械浆；收集高浓洗涤废水；
S6、将高浓洗涤废水蒸发浓缩，得到固形物含量为60-70%的浓缩液，将所述浓缩液与步骤S1中经预处理去除的芦苇花穗和叶子混合压制成生物质颗粒燃料；
所述步骤S1中，预处理包括：去除芦苇的芦苇花穗和占总体质量分数为70-80%的叶子；切成小段控制为3-6 cm小段，水温控制为50-80℃，清洗5-10分钟，然后脱水；
所述复合生物酶为如下任意一组：
（a）木聚糖酶和脂肪酶；
（b）纤维素酶和脂肪酶；
（c）纤维素酶和木聚糖酶；
所述步骤S6中，将高浓洗涤废水采用MVR蒸发器处理蒸发浓缩，得到固形物含量为60-70%的浓缩液，将所述浓缩液与步骤S1中经预处理去除的芦苇花穗和叶子混合压制成生物质颗粒燃料；
所述步骤S3中，复合酶总用量20-40 U/g，复配比例为1:3-3:1；酶解处理温度45-60℃，pH 6.0-8.0，液比控制在1:3.5-5；复合酶处理时间控制为20-80min；
所述复合酶处理过程中进行均匀间隔式搅拌。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述碱为氢氧化钠，pH控制为11-12；
所述热蒸汽处理具体为：采用90-105℃的热蒸汽处理15-20分钟。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，搓丝压缩比控制为1:1~4。
4.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2500-3500 r/min，采用一段或两段磨浆，磨浆间隙为0.1-0.5 mm。
5.权利要求1-4任一项所述方法制备得到的机械浆和/或生物质颗粒燃料。
6.权利要求5所述机械浆在制备纸基材料中的应用和/或生物质颗粒燃料在作为燃料中的应用。
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