专利名称：制造非木材纤维浆料的方法
技术领域：
本发明涉及一种制造非木材纤维浆料的方法；特别涉及一种以木聚醣酶对非木木材纤维材料进行一酵素处理，以制造非木材纤维浆料的方法。
背景技术：
在造纸工业中，主要使用木质纤维材料来提供纸张浆料，而木质纤维材料依其植物特性一般概分为木材类及非木材类二种，木材纤维材料如松树、杨木、尤加利树等多年生植物，非木材纤维材料则如稻杆、麦杆、蔗渣、棉杆、亚麻等一年生的常见农作物。其中，非木材纤维材料由于其纤维长度普遍较短且杂质含量多，因此在造纸工业中，通常使用木材纤维材料作为制浆原料。然而，木材纤维材料通常取自有价且生长缓慢的多年生植物，成本较高且栽植不易；相较之下，非木材纤维材料则多属农耕植物中不具经济价值的部分(如稻杆、麦杆、蔗渣、棉杆等)，不仅取得容易、生长时间短，更不需为造纸的目的而另外栽植，亦不会破坏自然生态。此外，造纸程序主要包含将木质纤维材料制成纸张浆料和藉由纸张抄造再将纸张浆料制成纸张的两个步骤。目前，纸张浆料的制备方法主要包含化学制浆法、半化学制浆法及机械制浆法等。其中，与化学或半化学制浆法相比，机械制浆法由于具有建设费用低、 成浆得率高、对环境污染少等优点，因此逐渐受到重视；但另一方面，机械制浆法主要系利用机械作用力撕裂纤维素纤维并进一步制浆，故在磨浆阶段的能量消耗较高是其主要缺点。因此，目前已有结合较温和的化学处理或结合酵素处理的改良式机械制浆法提出。举例言之，美国专利申请案公开第20050241785号中，揭示一种针叶木的机械制浆方法，其在磨浆之前添加果胶分解酵素先预处理原料，以降低磨浆动力损耗；中国专利申请案公开第 101130936号中，揭示一种降低机械浆精磨段的能量消耗的方法，其在精磨段的磨浆程序之前，以水解酶对经粗磨后的浆料进行酵素处理，以降低精磨段磨浆动力。由上可知，目前造纸工业主要皆着重于透过机械制浆法并使用木材纤维材料作为制浆原料，以提供纸张浆料。本发明则提供一种采用非木材纤维材料的机械制浆方法，除能避免使用大量化学药剂而污染生态环境之外，更将原本不具经济价值的非木材纤维材料转为有价的再生资源，以减少天然资源的消耗并降低造纸成本。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种制造非木材纤维浆料的方法，包含提供一非木材纤维材料；对该非木材纤维材料进行一水解处理；在该水解处理之前或之后，以一木聚醣酶对该非木材纤维材料进行一酵素处理； 以及在该水解处理与该酵素处理之后，对该非木材纤维材料进行一精制处理，以制得该非木材纤维浆料。
为让本发明的上述目的、技术特征及优点能更明显易懂，下文以部分具体实施态样进行详细说明。
图1为本发明的方法所制得的浆料的游离度与酵素剂量的关系图。
具体实施例方式以下将具体地描述根据本发明的部分具体实施态样；但是，在不背离本发明的精神下，本发明还可以多种不同形式的态样来实践，不应将本发明保护范围解释为限于说明书所陈述者。本发明提供一种非木材纤维浆料的制造方法，其使用不具经济价值的非木材纤维材料(如稻杆、麦杆等)取代木材纤维材料作为造纸材料，且透过在磨浆处理之前进行一水解处理，并在水解步骤之前或之后进一步利用木聚醣酶破坏非木材纤维材料中的木聚醣结构(盖纤维材料中的纤维通常经木聚糖所包覆或与之交错存在)，以提高纤维离解效能，进而降低后续磨浆动力的消耗并提高纤维得率与纸张物性。具体言之，本发明的制造非木材纤维浆料的方法包含提供一非木材纤维材料； 对该非木材纤维材料进行一水解处理；在该水解处理之前或之后，以一木聚醣酶对该非木材纤维材料进行一酵素处理；以及在该水解处理与该酵素处理之后，对该非木材纤维材料进行一精制处理，以制得该非木材纤维浆料。可用于本发明方法中的非木材纤维材料例如取自常见农作物中不具经济价值的部分，可选自以下群组稻杆、麦杆、蔗渣、棉杆、亚麻、及其组合。在本发明的方法中，非木材纤维材料在进行水解处理或酵素处理之前，较佳先进行如散浆及平筛处理等前置处理，以初步去除杂质并保留所需的粗纤维材料。以使用稻杆作为非木材纤维材料为例，可先将稻杆裁切成约2公分至约15公分的大小，较佳约3公分至约6公分的大小后，放入一散浆机中，随后加入清水，进行散浆处理历时约10分钟至约20分钟；随后，将所得的混料进行一平筛处理，一般而言，平筛处理可透过一包含一双层筛具的平筛机来进行，其中上层筛具通常具有较大筛孔(如可采用孔洞大小约0. 4毫米至约0. 6毫米的筛板)，下层筛具则具有较小筛孔(如可采用约250目至约350目之筛网)。将所得的混料通过该双层筛具，即可在上层筛板与下层筛网间获得所欲的稻杆粗纤维材料，至此完成非木材纤维材料的前置处理。当然，本发明的方法亦可采用任何现有方法，并视所取用的非木材纤维材料的种类，进行初步去除杂质的前置处理，并不限于上述方式。经初步去除杂质后的非木材纤维材料，随后进行水解处理及酵素处理。经发现，不论在水解处理之前或之后进行酵素处理，均能提供所欲的水解及酵素作用，此可由后附实施例可知。因此，根据本发明的方法，水解处理及酵素处理的先后顺序并无特殊限制，可视实际制程需要作调整。在不受理论限制下，咸信水解处理可降低非木材纤维材料中杂质(如半纤维)的含量，从而提高纤维离解程度。常用的水解处理方法包含例如酸水解法、水水解法、蒸气水解法等。酸水解法以无机酸或有机酸作为水解媒介来处理材料，以采用硫酸作为水解剂为例，一般将纤维材料置在浓度为约0. 3重量％至约0. 5重量％、温度约100°C至约125°C的硫酸水溶液中来进行水解。水解法及蒸气水解法则单以水对纤维材料进行预水解的方法， 通常将纤维材料置于温度为约140°C至约180°C的蒸气环境中，历时约10分钟至约180分钟来进行水解。在本发明的部分实施态样中，在一蒸气处理槽中，导入约165°C至约175°C 的高温饱和蒸气以进行水解处理，处理时间为约55分钟至约65分钟。除上述水解法以外， 所属本领域的技术人员，基于本说明书的教导，亦可视需要采用其他现有水解法来进行水解处理。在本发明的方法中，酵素处理的温度端视所用的酵素本身的最适作用温度而定， 且酵素添加量及处理时间根据实际制程条件而调整，不应限定在一特定范围。一般而言，考量木聚糖酶的最适作用温度，酵素处理步骤在约35°C至约95°C的温度下进行，处理时间约 5分钟至约120分钟，酵素浓度约0. 1活性单位/克至约600活性单位/克(木聚糖酶的活性单位量测方法将在下文中说明)。在本发明的部分实施态样中，在约45°C至约55°C的温度下，以浓度分别约为20、40、60、80、100及200活性单位/克的木聚醣酶水溶液酵素处理非木材纤维，历时约阳分钟至约65分钟。另外，在使用木聚糖酶的酵素处理之前、期间或之后，可视需要以一其他酶，例如纤维素酶、半纤维素酶、细胞壁酶、酯酶等，进行额外的酵素处理。木聚醣酶(xylanase)是醣水解酵素中分解半纤维素的主要酵素，其应用范围非常广泛，例如食品、动物饲料、纺织或造纸等。在本发明的方法中，即使用木聚糖酶破坏非木材纤维材料中的木聚糖结构，以提高纤维离解效能。可用于本发明方法的木聚糖酶种类并无特殊限制，例如可选自以下群组木霉属、马杜拉放线菌属、曲霉属、短柄霉、芽孢杆菌属、纤维单孢菌属、毛壳菌属、钦氏菌属、梭状芽孢杆菌属、丝状杆菌属、腐质菌属、尼克立玛斯提(Neocallimastix)属、诺卡氏菌属、瘤胃球菌属、裂褶菌属、链霉菌属、热单孢属、嗜热真菌属、及其组合。其中，相较于一般木聚醣酶，厌气性真菌由于通常生长于生存竞争压力高的瘤胃(如反刍动物与单胃草食性动物的消化道)中，故演化成可产生具高活性者(可参见 Anthony et al. 1994. Anaerobic fungi in herbivorous animals. Mycol. Res. 98 129-152，该文献内容在此处以供参考)，其同时具有高活性、高专一性及耐热性等优点。因此，本发明的方法中，较佳使用来自厌气性真菌(anaerobic fungi，又称为瘤胃真菌(rumen fungi))的木聚醣酶来进行酵素处理，如尼克立玛斯提属的木聚醣酶，且在本发明的部分实施态样中使用尼克立玛斯提方托历斯(Neocallimastix frontalis)的木聚醣酶。此外，根据本发明的方法，木聚醣酶的来源亦无特殊限制，可自天然木聚醣酶单离取得，或经由人工合成方法(例如基因工程或胜肽合成仪)获得，或可为进一步经修饰(相关内容可参见台湾专利申请案公开第200720435号，该文献内容在此处以供参考)而提升活性、专一性及/ 或稳定性者。根据本发明的方法，在水解处理及酵素处理之后，对非木材纤维材料进行一精制处理，以完成非木材纤维浆料的制备。所述精制处理实质上将经去除杂质且木聚糖结构经木聚糖酶破坏的非木材纤维材料进行一机械磨浆处理，以将非木材纤维材料解纤并转化成粗纸浆。除下文实施例所揭示的方式之外，该机械磨浆处理亦可透过任何现有的机械磨浆装置或方法来达成，如木片盘磨机械制浆(RMP)、热机械制浆(TMP)等(此可参考Handbook forPulp & Paper Technologies, Smook, (1992)，该文献内容在此处以供参考)；且视所需的浆料条件(如游离度大小)，该精制处理可包含一或多次磨浆程序，且每次磨浆程序之间较佳先以筛网滤除水分及杂质后，始进行下一次磨浆程序，在本发明的部分实施态样中，进行二至四次磨浆程序，较佳进行三次磨浆程序且每次磨浆程序完成后，先以一约325目的筛网滤除浆料水分后，始进行下一次磨浆程序。本发明方法所制得的非木材纤维浆料可视需要脱除水分以便于保存及运送，如运送至下游抄纸厂进行纸张抄造。本发明的方法透过制程的安排，能将原本不具经济价值的非木纤维材料，如稻杆、 麦杆、蔗渣、棉杆等，转为有价的再生资源，作为机械制浆的原料，能减少天然资源的消耗并降低造纸成本，机械制浆的方式亦能避免使用大量化学药剂而污染生态环境。兹以下列具体实施态样以进一步例示说明本发明，其中，所采用的量测装置及方法分别如下(A)加拿大标准游离度(CSF)的量测方法测量方式使用ISO 5267-2标准测试方法测量，其中秤取3公克重(绝对干重) 的待测样品，加水配制至1000毫升后，以加拿大标准游离度测量器量测浆料的CSF值。(B)酵素活性的量测方法测量方式取90微升的3重量％的木聚醣(斯卑尔脱小麦木聚醣，溶解在PH值为8. 0的25毫莫耳浓度三羟甲基胺基甲烷(tris (hydroxymethyDaminomethane)溶液) 作为酵素反应基质，将该酵素反应基质与10微升特定浓度的木聚醣酶配方均勻混合，并在 60°C下，使混合物反应5分钟。随后，加入125微升的二硝基水杨酸试剂终止反应，并升温至98°C且维持5分钟，进行呈色反应。最后，以540奈米的波长测定吸光值并计算还原糖的量，即测得配方中的木聚醣酶的活性。其中，1活性单位(U)定义为该酵素量每分钟每毫升可水解出1微莫耳的还原糖(详细方法可参见Georis等人的kquence，overproduction and purification of the family 1lendo-β -1,4-xylanase encoded by the xyll gene of Streptomyces sp. S38, Gene Vol. 237, pages 123-133)。(C)细浆得率的量测方法测量方式秤取100公克磨浆完成后所得的浆料，以一平筛机筛分该浆料以获得细浆。其中，平筛机包含一上层筛板(筛孔约0. 1毫米)及一下层筛网(筛孔为约325目)， 能通过上层筛板且未通过下层筛网的浆料即称为「细浆」。细浆得率即代表通过上层筛板且未通过下层筛网的浆料的重量％。(D)纸张物性的量测方法测量方式本发明说明书中所提及的纸张相关物性系透过以下标准量测方法所量测基重ISO 536 :1995 (Paper and board-Determination of grammage)。断裂长IS0 1924-2 :1994 (Paper and board-Determination of tensileproperties-Part 2 Constant rate of elongation method)。斯裂指数(km)Tappi T414 om-98(Internal tearing resistance of paper(Elmendorf-type method))。破裂指数IS0 2758 :2001 (Paper-Determination of bursting strength)实施例1 :浆料制备方法(a)取适量稻杆，并裁切成平均约3公分至约5公分的长度，放入散浆机后加入常温清水，进行散浆处理约15分钟后，以一具有一双层筛具(上层为孔洞0. 5毫米的筛板，下层为325目之筛网)的平筛机过筛处理，以取得上层(即通过上层筛板但未通过下层筛网) 稻杆粗纤维材料；(b)将所得的稻杆粗纤维材料置于一蒸气处理槽中进行蒸气水解处理，其中饱和蒸气温度约170°C，处理时间约60分钟。将经蒸气水解处理后的稻杆粗纤维材料在约105°C 的温度下烘干2小时以去除水分；(c)秤取1000公克的经蒸气水解处理的稻杆粗纤维材料并配置成8重量％的稻杆粗纤维浆料，随后添加一选定量的木聚糖酶酵素(尼克立玛斯提方托历斯之XynllB’ )，并在约50°C之温度下反应约1小时后脱水备用；以及(d)将经酵素处理后的稻杆粗纤维材料以日本KRK公司的磨浆机进行三次机械磨浆处理，其中每次机械磨浆处理完成后，先以一 325目的筛网浙除浆料水分后，始进行下一次的磨浆程序，最后将磨浆完成的浆料脱水备用。实施例2 酵素剂量的影响依实施例1的方式制备浆料1至4及比较浆料5，其中步骤(C)中所添加的酵素量使得其在浆料中的浓度分别为10、20、40、80及0活性单位/公克。以量测方法(A)量测浆料1至4及比较浆料5的游离度并纪录如图1所示。图1为本发明的方法所制得的浆料的游离度与酵素剂量的关系图。由1图1可知， 根据本发明的方法同时使用水解处理及酵素处理的浆料(浆料1至4)的游离度，明显低于未使用酵素处理者(比较浆料幻，其中，游离度越低代表所得浆料中纤维的解纤效果越好； 且随着酵素浓度的增加，游离度亦大致呈逐渐下降的趋势(由620毫升降至575毫升)，但是，当酵素浓度增加至一定程度后，则无此对应关系，显见酵素浓度应视制程条件作合宜的搭配。实施例3 酵素处理对浆料得率的影响性以量测方法(C)及⑶分别量测前述浆料1至3及比较浆料5的细浆得率，结果记录在表1中。表 权利要求
1.一种制造非木材纤维浆料的方法，其特征在于，包含 提供一非木材纤维材料；对所述非木材纤维材料进行一水解处理；在所述水解处理之前或之后，以一木聚醣酶对所述非木材纤维材料进行一酵素处理；以及在所述水解处理与所述酵素处理之后，对所述非木木材纤维材料进行一精制处理，以制得所述非木材纤维浆料。
2.根据权利要求1所述的制造非木材纤维浆料的方法，其特征在于，所述非木材纤维材料可选自以下群组稻杆、麦杆、蔗渣、棉杆、亚麻、及其组合。
3.根据权利要求1所述的制造非木材纤维浆料的方法，其特征在于，所述水解处理是藉由以下方式实施以140°C至180°C的蒸气处理所述非木材纤维材料，历时10分钟至180 分钟。
4.根据权利要求1所述的制造非木材纤维浆料的方法，其特征在于，所述木聚醣酶选自以下群组木霉属、马杜拉放线菌属、曲霉属、短柄霉、芽孢杆菌属、纤维单孢菌属、毛壳菌属、钦氏菌属、梭状芽孢杆菌属、丝状杆菌属、腐质菌属、尼克立玛斯提属、诺卡氏菌属、瘤胃球菌属、裂褶菌属、链霉菌属、热单孢属、嗜热真菌属或其组合。
5.根据权利要求4所述的制造非木材纤维浆料的方法，其特征在于，所述木聚醣酶选自尼克立玛斯提属。
6.根据权利要求5所述的制造非木材纤维浆料的方法，其特征在于，所述木聚醣酶选自尼克立玛斯提方托历斯。
7.根据权利要求1所述的制造非木材纤维浆料的方法，其特征在于，所述精制处理是一机械磨浆处理，包含以一磨浆机磨浆经所述酵素处理的非木材纤维材料。
全文摘要
本发明提供了一种制造非木材纤维浆料的方法，其包含提供一非木材纤维材料；对该非木材纤维材料进行一水解处理；在该水解处理之前或之后，以一木聚醣酶对该非木木材纤维材料进行一酵素处理；以及在该水解处理与该酵素处理之后，对该非木材纤维材料进行一精制处理，以制得该非木材纤维浆料。
文档编号D21C3/22GK102400405SQ20101028532
公开日2012年4月4日 申请日期2010年9月15日 优先权日2010年9月15日
发明者何寿川, 谢俊辉, 赖宣妤, 黄雅惠 申请人:永丰馀造纸股份有限公司