一種高效低耗清潔型麥草生物製漿工藝的製作方法

2023-06-14 09:19:36 3

專利名稱：一種高效低耗清潔型麥草生物製漿工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及造紙工業進行麥草製漿實用的高效低耗清潔型生產工藝。
背景技術：
(一)國內外製漿造紙工業的現狀及發展趨勢造紙工業在現代經濟中發揮的作用已越來越大。在美國、日本、加拿大、芬蘭、瑞典等經濟發達國家，造紙工業已成為其國民經濟十大支柱製造業之一。
我國製漿工業中非木材漿佔總漿量的80％以上，草漿的生產，仍以鹼法(包括硫酸鹽法)為主。目前，我國造紙產業存在諸多問題，主要是汙染治理負擔重、高檔紙漿比重低、中高檔紙生產能力不足、企業規模小以及建設投資不足。傳統的化學試劑蒸煮法是將化學試劑配成一定濃度的溶液，然後把麥草浸泡其中並加熱蒸煮數小時，用以除去非纖維素而提取純淨纖維的過程。該方法不僅消耗大量化工原料和能源，而且損傷纖維產量和品質、嚴重汙染環境。
隨著生物技術的發展，人們應用微生物對麥草的製漿工藝進行了廣泛研究。研究表明，具有降解草本纖維原料中非纖維素物質能力的微生物廣泛存在於自然界，真菌中以鐮刀菌、根黴菌、麴黴以及一些擔子菌為主，細菌有鼓槌狀芽孢桿菌、澱粉芽孢桿菌、柯氏芽孢桿菌、假單孢桿菌、枯草芽孢桿菌、歐文氏芽孢桿菌等。但迄今為止，利用微生物降解草本纖維原料中50％以上非纖維素物質，即真正達到生物製漿實用水平的研究報導，除了中國農業科學院麻類研究所以外，幾乎未見國內外其他單位或個人發表過相關報導。
中國農業科學院麻類研究所專業從事麻類生物脫膠研究30多年，不僅篩選出一大批麻類脫膠菌種，而且研究形成了一系列麻類生物脫膠的發明專利和鑑定成果。近年來，該所在國家「863」計劃項目資助下，以原有發明專利保藏菌種T85-260為母體，通過現代生物技術手段育種獲得了一株工程菌株(本單位編號CXJZ95-198)。該菌株對薴麻、紅麻、亞麻、羅布麻等麻類作物以及龍鬚草、麥草、煙梗等草本植物纖維原料中的非纖維素物質具有很強的降解能力，先後形成了「一種高效節能清潔型紅麻韌皮生物製漿工藝」(專利申請號02108682.6)、「一種草本纖維工廠化脫膠或製漿用高效菌劑製備方法」(專利號ZL02108820.9)、「一種工廠化條件下龍鬚草/紅麻韌皮生物製漿工藝」(專利申請號03102808.X)等三項發明專利以及「高效清潔型紅麻韌皮脫膠技術」(農科果鑑 第032號)、「高效節能型龍鬚草生物製漿技術」(湘科鑑 第021號)、「亞麻快速生物脫膠技術」(農科果鑑 第024號)等三項鑑定成果。
採用生物技術降解草本纖維原料中果膠、半纖維素、木質素的方法，是造紙工業的發展趨勢。生物降解法不僅可以確保纖維產量和品質，而且可以降低生產成本、減輕環境汙染。
(二)擬解決的問題本項目的目的在於以微生物分泌的酶催化麥草中果膠、半纖維素、木質素等非纖維素物質降解的作用替代以燒鹼蒸煮為中心的化學反應，解決傳統製漿方法存在的消耗大量化工原料和能源、損傷纖維產量和品質、嚴重汙染環境等突出問題，為進一步構建草本纖維生物製漿工藝研究的技術創新平臺，推動我國製漿造紙行業的技術革命奠定堅實基礎。
本項目擬解決的關鍵性技術涉及以下2個方面、6個內容1、怎樣利用高效菌劑快速除去草料中50％以上的非纖維素物質(1)採用活菌發酵方式有利於降低生產成本。將「高效菌劑」活化以後直接接種到草料上進行發酵，既可以增強生物製劑對草料中非纖維素物質的.「攻擊性」(經過「非纖維素物質培養菌-菌分泌酶-酶降解非纖維素物質」的螺旋式生化反應，能「定向爆破」果膠、半纖維素及部分木質素等非纖維素物質分子結構，使之發生「塊狀崩潰」)，而且可以實現2個目標一是消耗部分非纖維素物質(減輕汙染)，二是減少進一步製備複合酶製劑的費用。
(2)高效菌劑活化應該儘可能實現時間短效率高的目標。採用活菌發酵方式降解草料中的非纖維素物質，當菌株的功能一定時，活菌數量越高發酵效果越好，這是毫無疑問的。那麼，在高效菌劑的活化過程中，應該儘可能滿足縮短微生物適應期、保證微生物快速生長所必需的工藝條件。由此可見，選擇合適的培養基配方、調節微生物生長所需要的溫度、供氧量、pH等因素就顯得格外重要了。
(3)活菌發酵周期要控制在8h以內需要保證工藝條件。活菌發酵周期長於8h，不利於工廠化生產管理。從理論上分析，假定每個細菌重量為10-12克、每公斤草料吸附1010個菌體(即10毫克菌體)經過4-6小時發酵，消耗200克以上的非纖維素物質是有可能的。在麥草活菌發酵過程中的分解速率能否達到這個水平，必須同時滿足微生物的生長繁殖需要的溫度、溼度、pH、營養等以及酶促反應需要的溫度、pH、金屬離子等活性劑。
(4)清除發酵草料附著的「塊狀崩潰」殘留物有利於減少後續工序的化工原料消耗。活菌發酵過程中，CXJZ95-198菌株分泌的各類酶可以「定向爆破」果膠、半纖維素及部分木質素等非纖維素物質分子結構，但這些物質並沒有被微生物全部消耗，尤其是「塊狀崩潰」殘留物附著在發酵草料上，它們可以通過洗滌清除。如果不清除，肯定會導致後續工序化工原料消耗的增加。
2、如何使經過發酵處理的草料變成質量優於常規化學方法生產的麥草漿(1)採用「稀鹼脫殼」可以彌補活菌發酵的不足。CXJZ95-198菌株分泌的各類酶可以高效降解果膠、半纖維素及部分木質素等非纖維素物質，但是，對於角質化程度很高的麥草表皮組織(擬稱之為「殼」)幾乎沒有作用。根據常規化學製漿原理，探索在鹼性條件下進行「脫殼」的工藝，作為麥草生物製漿工藝的補充應該是可行的。
(2)降低打漿強度有利於改善草漿品質。通過草本纖維原料化學製漿原理與生物製漿原理的比較研究發現，化學製漿方法需要用17.5％NaOH+4％HBF4處理才能抽提出來的甘露糖(纖維素與非纖維素連接的「橋梁」或「紐帶」)在生物製漿工藝中全部被微生物徹底消耗了。這就是說，經過活菌發酵處理的草料，其纖維的分散度特別好，因此，在打漿工序裡適度降低打漿強度對於改善草漿品質肯定有好處。

發明內容
本發明擬採用的技術方案涉及麥草生物製漿整個工藝，工藝過程包括高效菌劑活化、草料準備、配液接種、溼潤發酵、發酵草料的洗滌與脫水、稀鹼脫殼、打漿、篩漿、漂白、磨漿等工序。
(一)高效菌劑活化取真空包裝保存的CXJZ95-198高效菌劑，按500ml/噸草料的接種量接入盛有魔芋-豆餅培養基的通氣攪拌發酵罐中，在35℃±1℃、攪拌頻率200rpm～380rpm、通氣量301/m3·min～3001/m3·min、罐內壓力0.05mpa的條件下培養5～6hr，獲得活化菌懸液；魔芋-豆餅培養基的配方為過200目的魔芋粉和豆餅粉分別為0.5％和1.5％，酵母汁0.05％～0.10％。
(二)草料準備將麥草原料進行除雜.去渣、理齊後，剪切成3～5cm長的小段，以利於微生物的吸附、侵染。
(三)配液接種按草料對菌懸液為1∶2±0.2的比例加自來水到配液桶並用蒸汽調節水溫到34℃±1℃，再添加0.1％的農用複合肥，在添加活化菌懸液的同時攪拌混勻，然後將配好的菌懸液均勻噴灑到草料上，發酵容器裝料密度為100kg/m3±20kg/m3，草料含水率達到69％±1％、含菌量為1010cfu/kg，最後，瀝去餘液。
(四)溼潤發酵將接種後的草料置於溫度34℃±3℃、相對溼度85％±5％的條件下發酵7.0h±0.5h；發酵完成的標誌是草料軟化、表面呈蘭色，用手揉搓分散為單纖維。
(五)發酵草料的洗滌與脫水按草料乾重2～3倍的比例向裝有草料的容器裡注入80℃±5℃的溫水並循環衝洗草料15min～30min，然後，採用脫水機進行脫水，或者使用0.2mpa的氣壓擠出草料游離水，使發酵草料含水率為60％±5％，草料乾重得率為80％±2％。
(六)脫殼按草料乾重3.0％±0.3％的比例對脫水後的草料噴灑濃度為2％的NaOH溶液，使草料含水率達到210％～230％，在容器內蒸汽壓≤0.15mpa條件下，蒸煮2.0h±0.5h，或者在容器內蒸汽壓≥0.55mpa條件下，蒸煮1.5h±0.5h，最終使漿料殘鹼濃度在0.6g/l～2.0g/l之間，K值在10.5～13.8之間。
(七)噴漿或半漿噴漿工藝是在容器內蒸汽壓≥0.55mpa條件下脫殼完成後，直接利用容器內氣壓把漿料噴出；半漿工藝參數為打漿機下刀的砣重8.0kg～9.0kg，打漿時間40min±10min。
(八)篩漿粗篩孔徑為6mm，除渣率≤0.5％；細篩孔徑為2.2mm，除渣率≤5.0％。
(九)漂白漿料量800kg/槽，漂液用量10％～12％，白度69.2％～74.8％。
(十)磨漿時間35min，叩解度55以上。
四

本發明涉及的附圖為1-高效菌劑活化，2-草料準備，3-配液接種，4-溼潤發酵，5-發酵草料的洗滌與脫水，6-稀鹼脫殼，7-噴漿或半漿，8-篩漿，9-漂白，10-磨漿。
五具體實施例方式
(一)技術方案本發明擬採用的技術方案涉及麥草生物製漿整個工藝，工藝過程包括高效菌劑活化、草料準備、配液接種、溼潤發酵、發酵草料的洗滌與脫水、稀鹼脫殼、打漿、篩漿、漂白、磨漿等工序。
1.高效菌劑活化 取真空包裝保存的CXJZ95-198高效菌劑，按500ml/噸草料的接種量接入盛有魔芋-豆餅培養基的通氣攪拌發酵罐中，在35℃±1℃、攪拌頻率200rpm～380rpm、通氣量301/m3·min～3001/m3·min、罐內壓力0.05mpa的條件下培養5～6hr，獲得活化菌懸液；魔芋-豆餅培養基的配方為過200目的魔芋粉和豆餅粉分別為0.5％和1.5％，酵母汁0.05％～0.10％。
2.草料準備 將麥草原料進行除雜去渣、理齊後，剪切成3～5c m長的小段，以利於微生物的吸附、侵染。
3.配液接種 按草料對菌懸液為1∶2±0.2.的比例加自來水到配液桶並用蒸汽調節水溫到34℃±1℃，再添加0.1％的農用複合肥，在添加活化菌懸液的同時攪拌混勻，然後將配好的菌懸液均勻噴灑到草料上，發酵容器裝料密度為100kg/m3±20kg/m3，草料含水率達到69％±1％、含菌量為1010cfu/kg，最後，瀝去餘液。
4.溼潤發酵 將接種後的草料置於溫度34℃±3℃、相對溼度85％±5％的條件下發酵7.0h±0.5h；發酵完成的標誌是草料軟化、表面呈蘭色，用手揉搓分散為單纖維。
5.發酵草料的洗滌與脫水 按草料乾重2～3倍的比例向裝有草料的容器裡注入80℃±5℃的溫水並循環衝洗草料15min～30min，然後，採用脫水機進行脫水，或者使用0.2mpa的氣壓擠出草料游離水，使發酵草料含水率為60％±5％，草料乾重得率為80％±2％。
6.脫殼 按草料乾重3.0％±0.3％的比例對脫水後的草料噴灑濃度為2％的NaOH溶液，使草料含水率達到210％～230％，在容器內蒸汽壓≤0.15mpa條件下，蒸煮2.0h±0.5h，最終使漿料殘鹼濃度在0.6g/l～2.0g/l之間，K值在10.5～13.8之間。
7.打漿 半漿工藝參數為打漿機下刀的砣重8.0kg～9.0kg，打漿時間40min±10min。
8.篩漿 粗篩孔徑為6mm，除渣率≤0.5％；細篩孔徑為2.2mm，除渣率≤5.0％。
9.漂白 漿料量800kg/槽，漂液用量10％～12％，白度69.2％～74.8％。
10.磨漿 時間35min，叩解度55以上。
(二)實驗規模與地點本實施例處理麥草批量為1～5kg/次，重複4次。實驗地點中國農業科學院麻類研究所中試車間。
(三)實施效果1.該發明具有高產、優質、低耗、低汙染等特點。與常規化學製漿工藝比較，①燒鹼用量減少70％以上；②動力能耗節省20％以上；③細漿得率提高5個百分點；④工業綜合廢水水質單一，直接進入生物氧化處理且易於達標，汙水處理成本節省約60％。
2.經湖南省造紙產品質量監督檢驗授權站檢測，採用本發明技術方案生產的麥草紙漿的品質指標接近闊葉木漿品質，優於傳統化學方法製漿品質。定量47.4g/m2的紙張指標為緊度為0.48g/cm3、耐破指數為3.69kpa.m2/g、撕裂指數為3.16mN.m2/g、斷裂長為7.1km。
權利要求
1.一種高效低耗清潔型麥草生物製漿工藝，技術方案包括高效菌劑活化、原料準備、配液接種、溼潤發酵、發酵草料的洗滌與脫水、稀鹼脫殼、打漿、篩漿、漂白、磨漿等；其技術特徵在於「高效菌劑活化」是取真空包裝保存的CXJZ95-198高效菌劑，按500ml/噸草料的接種量接入盛有魔芋-豆餅培養基的通氣攪拌發酵罐中，在35℃±1℃、攪拌頻率200rpm～380rpm、通氣量30l/m3·min～300l/m3·min、罐內壓力0.05mpa的條件下培養5～6hr，獲得活化菌懸液；魔芋-豆餅培養基的配方為過200目的魔芋粉和豆餅粉分別為0.5％和1.5％，酵母汁0.05％～0.10％。
2.如權利要求1所述的一種高效低耗清潔型麥草生物製漿工藝，其技術特徵在於「配液接種」是按草料對菌懸液為1∶2±0.2的比例加自來水到配液桶並用蒸汽調節水溫到34℃±1℃，再添加0.1％的農用複合肥，在添加活化菌懸液的同時攪拌混勻，然後將配好的菌懸液均勻噴灑到草料上，發酵容器裝料密度為100kg/m3±20kg/m3，草料含水率達到69％±1％、含菌量為1010cfu/kg，最後，瀝去餘液。
3.如權利要求1所述的一種高效低耗清潔型麥草生物製漿工藝，其技術特徵在於「溼潤發酵」是將接種後的草料置於溫度34℃±3℃、相對溼度85％±5％的條件下發酵7.0h±0.5h；發酵完成的標誌是草料軟化、表面呈蘭色，用手揉搓分散為單纖維。
4.如權利要求1所述的一種高效低耗清潔型麥草生物製漿工藝，其技術特徵在於「發酵草料的洗滌與脫水」是按草料乾重2～3倍的比例向裝有草料的容器裡注入80℃±5℃的溫水並循環衝洗草料15min～30min，然後，採用脫水機進行脫水，或者使用0.2mpa的氣壓擠出草料游離水，使發酵草料含水率為60％±5％，草料乾重得率為80％±2％。
5.如權利要求1所述的一種高效低耗清潔型麥草生物製漿工藝，其技術特徵「稀鹼脫殼」按草料乾重3.0％±0.3％的比例對脫水後的草料噴灑濃度為2％的NaOH溶液，使草料含水率達到210％～230％，在容器內蒸汽壓≤0.15mpa條件下，蒸煮2.0h±0.5h，或者在容器內蒸汽壓≥0.55mpa條件下，蒸煮1.5h±0.5h，最終使漿料殘鹼濃度在0.6g/l～2.0g/l之間，K值在10.5～13.8之間。
6.如權利要求1所述的一種高效低耗清潔型麥草生物製漿工藝，其技術特徵在於「打漿」是打漿機下刀的砣重8.0kg～9.0kg，打漿時間40min±10min。
全文摘要
本發明涉及製漿造紙行業一種高效低耗清潔型生產工藝。其技術方案包括高效菌劑活化、草料準備、配液接種、溼潤發酵、發酵草料的洗滌與脫水、稀鹼脫殼、噴漿(或打漿)、篩漿、漂白、磨漿等。該發明具有優質、高產、低耗、節能、汙染輕等特點。採用本發明技術方案生產的麥草紙漿的品質接近闊葉木漿，明顯優於化學方法生產的麥草漿。與常規化學製漿工藝相比，本發明的優點是①燒鹼用量減少70％以上；②動力能耗節省30％以上；③細漿得率提高5個百分點；④工業綜合廢水中無機和有機汙染物總量分別為55kg/噸漿和320kg/噸漿，即從源頭減少汙染物排放量達70％和60％。
文檔編號D21C3/22GK1779068SQ20041004696
公開日2006年5月31日 申請日期2004年11月23日 優先權日2004年11月23日
發明者劉正初, 段盛文, 胡鎮修, 馮湘沅, 彭源德, 鄭科 申請人:中國農業科學院麻類研究所