CN1587503A - 物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术。是通过碾压、梳撕、高压膨化等物理破析手段先破坏草秸纤维细胞组织结构间的木素的粘结力，再利用真菌微生物降解植物木素，实现植物纤维被分解脱离和软化纤维组织的目的。具体是通过切草清洗、碾压、梳撕、高压膨化、浸渍菌种、降解发酵、磨浆、过筛、蒸煮、挤干的几道加工工艺程序来实现草浆的制作。上述草浆原料包括稻草秸、麦草秸、芦苇秸等非木质植物。本发明的生产工艺过程不用任何化学品剂，无污染，节约水，耗材低、低能耗，成本降低50％以上，所生产的草浆品质优良，无任何化学毒素，可用来制作食品包装纸或香烟丝填加料。具有十分高的经济效益和社会效益。是绿色环保和生态平衡的高科学技术，填补了全世界在草浆制作史上的空白。

Description

物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术

技术领域

本发明涉及一种制造纸浆的工艺，特别是涉及物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术。

背景技术

纸是我国四大发明之一，是中华民族引以为自豪的古代灿烂文化，纸是推广和传播文化与知识信息的工具，与每个人的生活息息相关。据有关部门统计，2002年我国纸和纸板的生产量为3780万吨，消费量为4332万吨，占世界第二位。人均纸的用量达每人每年30多公斤，目前世界每年人均纸的用量达51.8公斤。预测到2010年我国纸和纸板每年消费量将达到7000～8000万吨，居世界首位。

我国草多木少，是个草浆造纸大国，草浆占造纸总量34.98％，制做草浆的原料主要有稻草秸、麦草秸、芦苇、棉花秸等非木材植物。

传统的制作草浆的工艺主要是采用化学的“碱法”和“亚硫酸盐法”，利用这些化学剂来腐蚀草秸中的木素，所以生产工艺过程中产生很多超标排放的污水，污水中含有大量悬浮物、COD、BOD、色素(黑液)、酸碱等有毒害物质，要处理好制造纸浆排放的污水，达到国家规定的排放标准，其成本很高，按市场价格造纸厂则要亏损，因此很多造纸厂对制造草浆的污水仅做简单处理便排放出去，国内很多河流湖泊的污染大都是流域地区造纸厂排污造成的。据统计2003年中国造纸行业污水排放量达35.3亿立方米，占全国污水排放总量18.2％，COD排放量为287.7万吨，占全国COD排放的40.8％，对人类的生存环境和健康带来极大的威胁。国家环保局曾长年连续的向各个造纸厂发出警告，但终因经济等各种原因而屡禁不止。因此导致不得不将很多中小规模纸厂关闭禁止生产。草浆不能生产则要大量进口木浆，木浆的价格是草浆价格的2倍，造纸成本也随之提高。用化学方法制作草浆工艺不仅造成严重污染，还是个高耗能的产业，我国目前每生产1吨草浆(干浆)平均耗煤1.55～1.7吨，耗电700～800度，耗水100～140吨，在我国煤、电、水等基础能源日趋紧张的情况下，传统的制作草浆工艺造成巨大耗能的弊端尤为突出，因此尽管随之国民经济的发展我国对纸张的市场需求越来越庞大，给造纸行业带来十分看好的商机，但由于传统化学制造草浆工艺已不能满足绿色环保和社会可持续发展的要求，社会的发展要求造纸行业必须用无污染、低能耗，高品质的全新造纸技术来代替传统的造纸工艺。

由此可见，上述有关传统制造草浆的工艺技术问题亟待解决。

为了解决上述草浆的制作工艺问题，国内外学者专家与相关造纸厂商无不费尽心思谋求解决办法，自20世纪80年代开始，国内外学者曾先后提出相关应用微生物降解方法制作纸浆的想法，不少科研单位和大专院校的专家们投入较大精力研究寻找能够降解植物木素的生物菌种，都认为利用真菌中属于担子菌纲的白腐菌来降解木材是方向，因为白腐菌是自然界中唯一具有独立降解木材细胞壁木素成分的微生物，但白腐菌有好多种，不同的菌种对不同的植物木素的降解能力不同，而且白腐菌在对植物木素降解的同时也要降解一部分纤维素，这给生物降解带来了一定负面影响，白腐菌在生长过程中分泌的木素降解酶产生菌生长缓慢，扩大培养困难，对培养繁殖的介质要求较为苛刻，这就给工业化生产带来了一系列的障碍，所以从事这方面研究的学者们都停留在寻求可以实现快速繁殖且对培养介质要求比较宽松的菌株上。目前世界上还没有人在这种基本条件还没解决的前提下就盲目的开始做产业化生产的试验。因此谁也不可能从真正意义上寻求出实用可行的生物降解植物纸浆生产工艺来。

另外，植物木素的大分子结构十分复杂，生物特性稳定，它是植物组织进化的产物，木素在植物纤维素和半纤维素组织细胞中起粘结作用，具有增强植物秸棵强度的功能，起保护植物纤维细胞作用，因此木素要比纤维素和半纤维素更难降解。

鉴于上述现有制作草浆工艺所存在的难题，本发明人在总结多年从事生物降解工作实践经验基础上，经多年反复试验，反复在寻找各种现象的根源，反复逐一进行化解试验过程中所出现的各种现象和问题，终于实践出一套可行的物理破析与生物降解相结合的草浆制作工艺技术：要实现生物降解的目的，首先要通过基因转化和杂交等办法，培育出一种繁殖生长快的而且只产生木素降解酶而不产生纤维素酶的具有单向降解功能的变异菌株(MSHM)，但我们必须科学的、实事求是的明白：再好的菌种对植物木素的降解能力都是有限的，不可能100％的将木素全部降解了，这就要求我们采取其它手段来辅助微生物对草秸的降解，为生物真菌提供更便于向植物木素进攻的条件：首先通过碾压、梳撕、高压膨化等手段实现物理破析草秸的分子结构。利用这种工艺，就能实现全世界同业者梦寐以求的无污染、低能耗、低成本、高品质的制造草纸浆的目的。这是中华民族继蔡伦之后对造纸行业的又一伟大贡献。

发明内容

本发明的目的是提供一种物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术。传统制作草浆是应用化学处理生产工艺，产生大量污水，严重污染环境，全部净化处理需要昂贵的费用，提高纸浆造价，而且还要耗费大量的水、煤、电等国家紧缺的能源。本发明的生产工艺过程不用任何化学品剂，无污染，节约水，耗材低，低能耗，成本降低50％以上，所生产的草浆品质优良，无任何化学毒素，可用来制作食品包装纸或香烟丝填加料。具有十分高的经济效益和社会效益。是绿色环保和生态平衡的高科学技术，填补了全世界在草浆制作史上的空白。

本发明的目的及解决其主要技术问题是采用以下技术措施来实现的。

依据本发明提出的物理破析与生物降解相结合的草浆工艺技术，是通过碾压、梳撕、高压膨化等物理破析手段先破坏草秸纤维细胞组织结构间的木素的粘结力，再利用真菌微生物降解植物木素，实现植物纤维被分解脱离和软化纤维组织的目的。具体是通过切草清洗、碾压、梳撕、高压膨化、浸渍菌种、降解发酵、磨浆、过筛、蒸煮、挤干的几道加工工艺程序来实现草浆的制作。上述草浆原料包括稻草秸、麦草秸、芦苇秸、棉花秸等非木材植物。

本发明的目的及解决其主要技术问题还可以采用以下技术措施进一步实现。

前述的物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术，其中所述的切草清洗工序是用切草机将草切成统一的标准长度，可根据草秸的硬度在50～100mm范围内选定标准加工长度。再将切好的草放进清洗池内清洗，池内有搅拌机在不停的搅动，将草秸所带有的泥土全部洗净，清洗过程也可以在清洗设备中完成。

前述的物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术，其中所述的碾压工序，是将上道工序清洗干净的草进入碾压机重力碾压一次～二次，要将草秸碾扁，碾裂成碎条状，尤其要将草秸的节结全部碾碎，使草秸的生物结构遭到破坏。碾压过程最好带水碾压。

前述的物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术，其中所述的梳撕工序，是将上道工序被碾过的碎草条进入梳撕机中，将这些碎草条梳撕成粗纤维状草丝，这就使草的组织结构遭到第二次破坏。梳撕过程最好带水梳撕。

前述的物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术，其中所述的高压膨化工序，是将上道工序被梳撕成粗纤维状的草丝与水一起进入一个高压仓内，将高压仓内的水压提高到12MPa，稳压15分钟，瞬间卸压，使草丝因巨大的压力变化而被膨化。突然卸压使草的很多纤维细胞组织之间被撕裂开，这就使草的组织结构遭到第三次破坏。高压膨化也可以采用蒸汽气压方法来实现。

前述的物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术，其中所述的浸渍菌种工序，是将上道工序经过高压而被膨化了的草丝浸渍上具有很强降解木素单向功能的经基因转化培育出的变异菌株的真菌菌种，将带有菌种的培养液用喷雾方法(管道喷雾)均匀的喷洒在草丝上，使菌种均匀的附着在草丝的纤维表面。或设立菌种液池，将草丝倒入菌种池内，用搅拌机搅拌30分钟捞出来。

前述的物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术，其中所述的降解发酵工序，是将上道工序浸渍上菌种的草丝均匀的铺放到适合细菌生长快速繁殖的环境条件的发酵床上，发酵床是传送带式的，缓慢移动的，传送带是用尼龙线编织的多孔网床，具有良好的通风透气性，网床上铺的草丝厚度最好在10～15cm厚。要光线良好但不要有紫外线照射。草丝温度控制在有利于细菌生长的范围内，每天要对发酵床上的草丝均匀的喷雾带有新的菌株的培养液，加快细菌繁殖和分泌木素降解酶。经15～25天发酵，即可实现生物对木素的降解过程。本工序也可以采用将木丝装入网袋内，每天翻倒网袋或将网袋吊挂起来的办法实现发酵过程，还可以在固定的发酵床上，用机械和人工每天翻倒草丝来实现发酵过程，但不管用什么方法，都要保证发酵木丝上的菌株繁旺，木丝间保持温度、通风良好、氧源充良、阳光充足、湿度适宜。

前述的物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术，其中所述的磨浆工序，是将上道工序被生物菌降解后的草丝用高浓度磨浆机加工成草浆，使草浆纤维各项指标达到所要制作纸张的要求标准。

前述的物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术，其中所述的过筛工序，是将上道工序磨好的纸浆用自洗式振动筛筛选一遍，将粗碴除掉。制作包装纸时可省去本工序。

前述的物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术，其中所述的蒸煮工序，是将上道工序磨好的草浆放进蒸釜中，高温蒸汽蒸煮20～30分钟，工作压力要保持在2MPa以上。

前述的物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术，其中所述挤干工序，是将被蒸煮草浆用挤浆机挤干，排除水分，形成干草浆，其含水量达35％左右即可出厂。

本发明与现有各种化学制草浆工艺方法相比较，具有十分明显的优越性，本发明的生产工艺过程不用任何化学品剂，无污染，节约水，耗材低，低能耗，成本降低50％以上，所生产的草浆品质优良，无任何化学毒素，可用来制作食品包装纸或香烟丝填加料。具有十分高的经济效益和社会效益。是绿色环保和生态平衡的高科学技术，填补了全世界在草浆制作史上的空白。

综上所述，本发明的物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术，具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品的加工中从未有过相同或类似的加工工艺技术发表和应用过，其不论在加工工艺过程和加工技术上都是对传统草浆加工工艺和加工技术的一场革命，且具有环保和实用的效果，确实具有显著的技术进步并使草浆制作工艺技术产生一个质的跨越。诚为一新颖、先进、实用的新发明。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容给予实施，以下以本发明的最佳实施例详细说明如后。

具体实施方式

以下对依据本发明提出的物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术其具体实施方式、要求、特征及其功效、详细说明如后。

本发明物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术，其主要生产工序是：切草清洗、碾压、梳撕、高压膨化、浸渍菌种、降解发酵、磨浆、过筛、蒸煮、挤干十道工序。按此工序依序操作即可保证制作出合格的草浆。

上述的切草清洗工序是用切草机将草切成统一的标准长度，可根据草秸的硬度在50～100mm范围内选定标准加工长度，草秸硬的切短一些，草秸软的切长一些。再将切好的草放进清洗池内清洗，池内设有搅拌机在不停的搅动，搅拌三十分钟左右，就可将草秸所带有的泥土全部洗净，清洗过程也可以在特制的清洗设备中完成。清洗池下要设个集泥坑，定时将泥土排除。清洗好的草秸，可用带有突钉的传送带将其输送到一下个工序。

上述的碾压工序，是将上道工序清洗干净的草进入碾压机重力碾压一次～二次，要将草秸碾扁，碾裂成碎条状，尤其要将草秸的节结全部碾碎，使草秸的生物结构遭到破坏。碾压过程最好带水碾压。注意要调整正好上下两个碾辊子的间隙和碾压重力，撑握好度，不能碾的过重，使草变成碎沫。

上述的梳撕工序，是将上道工序被碾过的碎草条进入梳撕机中，将这些碎草条梳撕成粗纤维状草丝，这就使草的组织结构遭到第二次破坏。梳撕过程最好带水梳撕。梳撕机的接料口最好直接对接碾压机的下料处，避免工序间再设传送装置，梳撕机中间搅筒上的梳刀排列应是螺旋推进线，机体斜放，入料口端高，出料口端低。这样被梳撕的草丝可顺势流出并进入下道工序。

上述的高压膨化工序，是将上道工序被梳撕成粗纤维状的草丝与水一起进入一个高压仓内，用泵将高压仓内的水压提高到12MPa，稳压15分钟，这会使水的分子压渗入草丝的纤维细胞组织中，瞬间卸压，使草丝因巨大的压力变化而被膨化。突然卸压使草的很多纤维细胞组织之间被撕裂开，这就使草的组织结构遭到第三次破坏。膨化使植物表面的生物蜡膜被破坏掉，还能使一部分草的色素脱落，起到漂白作用。高压膨化也可以采用蒸汽气压方法来实现。但汽压没有水压安全，而水压没有汽压效果好。

上述的浸渍菌种工序，是将上道工序经过高压而被膨化了的草丝浸渍上具有很强降解木素单向功能的经基因转化培育出的变异菌株的真菌菌种，将带有菌种的培养液用喷雾方法(管道喷雾)均匀的喷洒在草丝上，使菌种均匀的附着在草丝的纤维表面。或设立菌种液池，将草丝倒入菌种池内，用搅拌机搅拌30分钟捞出来。

上述的降解发酵工序，是将上道工序浸渍上菌种的草丝均匀的铺放到适合细菌生长快速繁殖的环境条件的发酵床上，发酵床是传送带式的，缓慢向前移动，传送带是用尼龙线编织的网床，每张网床长3～4米，网床具有良好的通风透气性，可以用鼓风机向网床下吹风送氧。网床上铺的草丝厚度最好在10～15cm厚。以能透气通风为标准。发酵区要光线良好但不要有紫外线照射。草丝温度控制在有利于细菌生长的范围内，每天要对发酵床上的草丝均匀的喷雾带有新的菌株的培养液，不断补充新的菌株加快细菌繁殖和分泌木素降解酶。根据不同的草的特性和菌种投放量，经15～25天发酵，即可实现生物对木素的降解过程。本工序也可以采用将木丝装入网袋内，每天翻倒网袋或将网袋吊挂起来的办法实现发酵过程，还可以在固定的发酵床上，用机械和人工每天翻倒草丝来实现发酵过程，但不管用什么方法，都要保证发酵木丝上的菌株繁旺，木丝间保持温度、通风良好、氧源充良、阳光充足、湿度适宜。

上述的磨浆工序，是将上道工序被生物菌降解后的草丝用高浓度磨浆机加工成草浆，根据不同的草质和草浆用途不同，可一次磨浆，也可分成两次磨浆，第一次粗磨，第二次细磨，使草浆纤维各项指标达到所要制作纸张的要求标准。这里要注意的是：磨浆机磨盘的间隙要认真调整，要先做试验再确定。

上述的过筛工序，是将上道工序磨好的纸浆用自洗式振动筛筛选一遍，将粗碴除掉。当草浆是用来制作包装纸时可省去道本工序。

上述的蒸煮工序，是将上道工序磨好的草浆放进蒸釜中，高温蒸汽蒸煮20～30分钟，可杀死草浆中各种细菌，并同时使草浆中的残余木素被进一步分解拨离，使草浆中木素含量低于8％。经过高压膨化，生物降解和高温蒸煮之后的草浆，其白度可达到70％左右，因为上述三个工序都对草浆具有漂白功能。

上述挤干工序，是将被蒸煮草浆用挤浆机挤干，排除水分，形成干草浆，其含水量达35％左右即可出厂。

本发明提出的物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术，是通过碾压、梳撕、高压膨化等手段先破坏草秸纤维细胞组织结构间的木素的粘结力，再利用真菌微生物降解植物木素，实现植物纤维被分解脱离和软化纤维组织的目的。具体是通过切草清洗、碾压、梳撕、高压膨化、浸渍菌种、降解发酵、磨浆、过筛、蒸煮、挤干的几道加工工艺程序来实现草浆的制作。

上述如此加工工艺程序构成的本发明物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术，对现今同行业的技术人员来说均具有许多可取之处，而确实具有技术进步性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改，等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1、一种物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术，其特征是通过碾压、梳撕、高压膨化等物理破析手段先破坏草秸纤维细胞组织结构间的木素的粘结力，再利用真菌微生物降解植物木素，实现植物纤维被分解脱离和软化纤维组织的目的。具体是通过切草清洗、碾压、梳撕、高压膨化、浸渍菌种、降解发酵、磨浆、过筛、蒸煮、挤干的几道加工工艺程序来实现草浆的制作。上述草浆原料包括稻草秸、麦草秸、芦苇秸、棉花秸等非木材植物。

2、根据权利要求1所述的物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术，其特征在于其中所述的碾压工序，是将上道工序清洗干净的草进入碾压机重力碾压一次～二次，要将草秸碾扁，碾裂成碎条状，尤其要将草秸的节结全部碾碎，使草秸的生物结构遭到破坏。碾压过程最好带水碾压。

3、根据权利要求1所述的物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术，其特征在于其中所述的梳撕工序，是将上道工序被碾过的碎草条进入梳撕机中，将这些碎草条梳撕成粗纤维状草丝，这就使草的组织结构遭到第二次破坏。梳撕过程最好带水梳撕。

4、根据权利要求1所述的物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术，其特征在于其中所述的高压膨化工序，是将上道工序被梳撕成粗纤维状的草丝与水一起进入一个高压仓内，将高压仓内的水压提高到12MPa，稳压15分钟，瞬间卸压，使草丝因巨大的压力变化而被膨化。突然卸压使草的很多纤维细胞组织之间被撕裂开，这就使草的组织结构遭到第三次破坏。高压膨化也可以采用蒸汽气压方法来实现。

5、根据权利要求1所述的物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术，其特征在于其中所述的浸渍菌种工序，是将上道工序经过高压而被膨化了的草丝浸渍上具有很强降解木素单向功能的经基因转化培育出的变异菌株的真菌菌种，将带有菌种的培养液用喷雾方法(管道喷雾)均匀的喷洒在草丝上，使菌种均匀的附着在草丝的纤维表面。或设立菌种液池，将草丝倒入菌种池内，用搅拌机搅拌30分钟捞出来。

6、根据权利要求1所述的物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术，其特征在于其中所述的降解发酵工序，是将上道工序浸渍上菌种的草丝均匀的铺放到适合细菌生长快速繁殖的环境条件的发酵床上，发酵床是传送带式的缓慢移动的，传送带是用尼龙网线纺织的多孔网床，具有良好的通风透气性，网床上铺的草丝厚度最好在10～15cm厚。要光线良好但不要有紫外线照射。草丝温度控制在有利于细菌生长的范围内，每天要对发酵床上的草丝均匀的喷雾带有新的菌株的培养液，加快细菌繁殖和分泌木素降解酶。不同的草经15～25天发酵，即可实现生物对木素的降解过程。本工序也可以采用将木丝装入网袋内，每天翻倒网袋或将网袋吊挂起来的办法实现发酵过程，还可以在固定的发酵床上，用机械和人工每天翻倒草丝来实现发酵过程，但不管用什么方法，都要保证发酵木丝上的菌株繁旺，木丝间保持温度、通风良好、氧源充良、阳光充足、湿度适宜。

7、根据权利要求1所述的物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术，其特征在于其中所述的磨浆工序，是将上道工序被生物菌降解后的草丝用高浓度磨浆机加工成草浆，使草浆纤维各项指标达到所要制作纸张的要求标准。

8、根据权利要求1所述的物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术，其特征在于其中所述的过筛工序，是将上道工序磨好的纸浆用自洗式振动筛筛选一遍，将粗碴除掉。制作包装纸时可省去本工序。

9、根据权利要求1所述的物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术，其特征在于其中所述的蒸煮工序，是将上道工序磨好筛好的草浆放进蒸釜中，高温蒸汽蒸煮20～30分钟，工作压力要保持在2MPa以上。

10、根据权利要求1所述的物理破析与生物降解相结合的草浆生产工艺技术，其特征在于其中所述挤干工序，是将被蒸煮好的草浆用挤浆机挤干，排除水分，形成干草浆，其含水量达35％左右即可出厂。