CN117166276A - 一种三元低共熔溶剂辅助生物酶处理红麻制备生物机械浆的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三元低共熔溶剂辅助生物酶处理红麻制备生物机械浆的方法，包括如下步骤：将红麻秆截为小段后，与低共熔溶剂混合，在100‑150℃，反应30‑60min，降温后、固液分离，得预处理的红麻秆；将预处理的红麻秆清洗至中性后，与复合酶混合，并在40‑60℃酶处理30‑120min，将酶处理后的红麻秆进行磨浆处理，将浆料进行洗涤、筛选，得到生物机械浆；所述复合酶为木聚糖酶和脂肪酶的复合酶，或为纤维素酶和木聚糖酶的复合酶。采用低共熔溶剂进行预处理，可以有效提高生物酶的处理效率。
Description
技术领域
本发明属于造纸技术领域，具体涉及一种三元低共熔溶剂辅助生物酶处理红麻制备生物机械浆的方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
我国森林资源相对匮乏，难以满足制浆造纸行业的需求，非木材原料在制浆造纸行业中占据重要地位，而与木材原料相比，非木材原料具有成纸强度低，黑液难以处理等问题，因此选择合适的非木材纤维原料来解决纸张强度和环保问题成为了非木材制浆的重要方向。
红麻是一种一年生草本纤维作物，纤维素含量高，木素含量较低，是一种较好的制浆原料，可以为制浆造纸行业提高原料的可选性。但由于红麻密度具有从基部到梢部密度逐渐增大，吸水性不一等、纤维细胞壁薄等特性，传统的化学法制浆过程中存在蒸煮不均匀、能耗高、黑液不易回收、得率低等问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种三元低共熔溶剂辅助生物酶处理红麻制备生物机械浆的方法，采用低共熔溶剂进行预处理，可以有效提高生物酶的处理效率。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供一种三元低共熔溶剂辅助生物酶处理红麻制备生物机械浆的方法，包括如下步骤：
将红麻秆截为小段后，与低共熔溶剂混合，在100-150℃，反应30-60min，降温后，固液分离，得预处理的红麻秆；
将预处理的红麻秆清洗至中性后，与复合酶混合，并在40-60℃酶解处理30-120min，将酶处理后的红麻秆进行磨浆处理，将浆料进行洗涤，得到生物机械浆；
所述复合酶为木聚糖酶和脂肪酶的复合酶，或为纤维素酶和木聚糖酶的复合酶。
木聚糖酶可以降解植物细胞壁中的木聚糖，将其分解为较小的木糖分子，使得纤维素暴露出来，脂肪酶可以去除原料中的脂肪，纤维性能得到提升。纤维素酶可以促进纤维的分丝帚化，提高纤维的成纸性能。
木聚糖酶和脂肪酶的协同作用可以提高浆料的分散性，有利于纤维的分散和纸张品质的提高。纤维素酶和木聚糖酶的作用可以降低制浆能耗及化学品的用量，而且能够改善纸张的物理性能。
研究发现，红麻秆结构疏松，木素含量低，更有利于生物制浆。利用生物酶进行制浆，取代高温高碱的化学反应，可以减少化工原料的使用，降低对水体的污染，减少能耗，符合造纸行业发展的方向。
有效的预处理可以打破木质纤维素内部稳定结构，提高酶对原料的可及度，改善浆料性能。低共熔溶剂法是一种绿色的预处理方法，具有低挥发性、不易燃、可重复回收利用等优点，利用低共熔溶剂对红麻进行预处理，可以提高纤维的润涨程度，增强酶的可及度。
在一些实施例中，木聚糖酶和脂肪酶的质量比为1-3:1-3。
在一些实施例中，纤维素酶和木聚糖酶的质量比为1-3:1-3。
优选的，所述红麻秆与复合酶溶液的固液比为1:4-6。固液比是指红麻秆干重与复合酶溶液的质量之比。
优选的，复合酶的总用量为20-50U/g。
进一步优选的，采用复合酶对红麻秆进行处理过程中，对红麻秆间歇揉搓搅拌，使得复合酶与红麻秆进行充分接触，增加反应位点。
更进一步优选的，采用复合酶对红麻秆进行处理时，将红麻秆置于密封袋中进行处理。
优选的，采用复合酶对红麻秆进行处理时，体系的pH值为5-9。
在一些实施例中，所述低共熔溶剂为氯化胆碱、乙二醇和对羟基苯磺酸一水合物的混合物，低共熔溶剂可以通过破坏木质素-糖水化合物复合体之间的化学键使纤维素、半纤维素和木质素解离，使一种或两种成分溶出。氯化胆碱、乙二醇和对羟基苯磺酸一水合物的质量比为8～13:1～4:0.1～0.3。
在一些实施例中，还包括将所得的生物机械浆进行打浆、疏解、抄纸后得到纸张。
优选的，所述磨浆采用两段处理，磨浆间隙为0.1-0.5mm。
上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：
本发明以红麻为原料，采用低共熔溶剂和生物酶处理，制备生物机械浆，从而改善纸张的物理性能，如撕裂指数、抗张指数和环压指数等，满足生产纸基材料的要求。低共熔溶剂可以回收利用，减少化学品用量，从而实现对红麻秆的绿色利用。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例的三元低共熔溶剂辅助生物酶处理红麻制备生物机械浆的流程图；
图2为本发明实施例的红麻秆在低共熔溶剂与酶处理前后的SEM图像，其中，a为红麻秆纤维原料SEM图，b为低共熔溶剂处理红麻秆获得的纤维SEM图，c为生物酶处理红麻秆获得的纤维SEM图；
图3为DES辅助生物酶预处理后纸张的物理性能。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明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。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
1、将氯化胆碱、乙二醇和对羟基苯磺酸一水合物按照一定的质量比，在80℃下加热搅拌，形成澄清透明液体，得低共熔溶剂；
2、将红麻脱皮切成2-3cm的小段，并按照质量比1:10于步骤1中所得的低共熔溶剂进行混合，在120℃下反应40min，随后用温水进行稀释，进行清洗至中性，然后脱水；
3、将经步骤2的红麻原料放入密封袋子中，并加入复合酶进行生物酶预处理，两种酶(木聚糖酶和脂肪酶)的总用量为30U/g，复配比例为2:1，液比1:6，生物酶预处理的温度为50℃，pH值为5.5，处理时间为60min；
4、向经步骤3的红麻进行两段高浓磨浆，第一段磨浆间隙为0.5mm，第二段磨浆间隙为0.2mm，得到红麻生物机械粗浆；
5、对步骤4得到的红麻生物机械粗浆进行高浓洗涤，并经筛浆机进行筛选得到细浆；
6、对经步骤5得到的浆料使用PFI磨浆机进行打浆，打浆度在40±2°SR，然后经疏解后抄造成纸。测定纸张的环压指数为10.26N·m/g，撕裂指数为1.47mN·m2/g，抗张指数为29.80N·m/g。
实施例2
1、将氯化胆碱、乙二醇和对羟基苯磺酸一水合物按照一定的质量比，在80℃下加热搅拌，形成澄清透明液体，得低共熔溶剂。
2、将红麻脱皮切成2-3cm的小段，并按照质量比1:10于步骤1中所得的低共熔溶剂进行混合，在120℃下反应1h，随后用温水进行稀释，进行清洗至中性，然后脱水。
3、将经步骤2的红麻原料放入密封袋子中，并加入复合酶进行处理生物酶预处理，两种酶(纤维素酶和木聚糖酶)的总用量为40U/g，复配比例为1:3，液比1:6，生物酶预处理的温度为55℃，pH值为5.5，处理时间为60min。
4、向经步骤3的红麻进行两段高浓磨浆，第一段磨浆间隙为0.5mm，第二段磨浆间隙为0.2mm，红麻生物机械粗浆。
5、对步骤4得到的红麻生物机械粗浆进行高浓洗涤，并经筛浆机进行筛选得到细浆，计算得率。
6、对经步骤5得到的浆料使用PFI磨浆机进行打浆，打浆度在40±2°SR，然后经疏解后抄造成纸。测定纸张的环压指数为11.47N·m/g，撕裂指数为1.33mN·m2/g，抗张指数为34.01N·m/g。
对比例1
本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤2中不再加入低共熔溶剂对红麻原料进行处理，仅加入去离子水使其质量比为1:10，无法抄造成纸。
对比例2
本对比例与实施例2基本相同，不同之处在于：步骤2中不再加入低共熔溶剂对红麻原料进行处理，仅加入去离子水使其质量比仍为1:10，无法抄造成纸。
对比例3
本对比例与实施例1，2基本相同，不同之处在于：对照组的步骤3中不再加入复合酶对红麻原料进行处理，仅加入去离子水使其液比为1:6。
表1实施例和对比例制备的生物机械浆物理性能指标比较表
注：对比例1与对比例2因无法成浆，故无性能指标测试数值。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种三元低共熔溶剂辅助生物酶处理红麻制备生物机械浆的方法，其特征在于：包括如下步骤：
将红麻秆截为小段后，与低共熔溶剂混合，在100-150℃，反应30-60min，降温后、固液分离，得预处理的红麻秆；
将预处理的红麻秆清洗至中性后，与复合酶混合，并在40-60℃酶处理30-120min，将酶处理后的红麻秆进行磨浆处理，将浆料进行洗涤、筛分，得到生物机械浆；
所述复合酶为木聚糖酶和脂肪酶的复合酶，或为纤维素酶和木聚糖酶的复合酶。
2.根据权利要求1所述的三元低共熔溶剂辅助生物酶处理红麻制备生物机械浆的方法，其特征在于：木聚糖酶和脂肪酶的质量比为1-3:1-3。
3.根据权利要求1所述的三元低共熔溶剂辅助生物酶处理红麻制备生物机械浆的方法，其特征在于：纤维素酶和木聚糖酶的质量比为1-3:1-3。
4.根据权利要求2或3所述的三元低共熔溶剂辅助生物酶处理红麻制备生物机械浆的方法，其特征在于：所述复合酶的液比为1:4-6。
5.根据权利要求4所述的三元低共熔溶剂辅助生物酶处理红麻制备生物机械浆的方法，其特征在于：复合酶的总用量为20-50U/g。
6.根据权利要求5所述的三元低共熔溶剂辅助生物酶处理红麻制备生物机械浆的方法，其特征在于：采用复合酶对红麻秆进行处理过程中，对红麻秆间歇揉搓搅拌。
7.根据权利要求5所述的三元低共熔溶剂辅助生物酶处理红麻制备生物机械浆的方法，其特征在于：采用复合酶对红麻秆进行处理时，体系的pH值为5-9。
8.根据权利要求1所述的三元低共熔溶剂辅助生物酶处理红麻制备生物机械浆的方法，其特征在于：所述低共熔溶剂为氯化胆碱、乙二醇和对羟基苯磺酸一水合物的混合物，氯化胆碱、乙二醇和对羟基苯磺酸一水合物的质量比为8～13:1～4:0.1～0.3。
9.根据权利要求1所述的三元低共熔溶剂辅助生物酶处理红麻制备生物机械浆的方法，其特征在于：制成纸张的方法包括以下步骤：将酶解后的红麻秆进行磨浆处理，将浆料进行洗涤，得到生物机械浆，将所得的生物机械浆进行打浆、疏解、抄纸后得到纸张。
10.根据权利要求9所述的三元低共熔溶剂辅助生物酶处理红麻制备生物机械浆的方法，其特征在于：所述磨浆采用两段处理，磨浆间隙为0.1-0.5mm。
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