专利名称：一种“酶化转化+膨化”的草类纤维制浆造纸方法
技术领域：
本发明涉及制浆造纸技术，具体涉及草类纤维的制浆造纸技术，特别涉及一种生物科学、生命科学和机械制造相结合的制浆造纸方法。
背景技术：
传统的造纸草浆生产方法采用碱法化学制浆，该方法产生的草浆黑液，其治理是环保工作的重点，对草浆黑液的处理技术已成为世界公认的难题，公认的治理麦草浆黑液的最佳途径是碱回收，但由于麦草浆存在滤水性能差、黑液粘度大、含硅量高等不利因素，是碱回收技术难度最大的一个浆种。特别是对于小型，甚至中型，企业来说，由于治理环境污染投资大、运行费用高，以麦草为原料造纸，要生产盈利而又避免污染几乎不可能。近年来有6000-7000家小造纸厂因不能解决制浆废水污染而关闭，大量麦草等可用资源被废弃；由于经济利益驱动，仍然还有不少废水处理不达标的中、小纸厂没有关闭；一些花费巨额资金修建起来的治污工程由于运行费用高，仍然偷偷排放污水。目前全国约有30％以上的碱法化学浆产生的草浆黑液基本上未经任何处理，直接外排，约占总污染物发生量的80-90％。排放的黑色废液含有大量的污染物，对水体污染最为严重。对于中国碱法化学制浆的污染防治技术，专家林乔元先生在《中国造纸》2006年第25卷第5期的文章“中国造纸工业非木材制浆污染防治的评价与展望”一文中有全面的介绍和深入的分析。
针对草浆黑液的污染治理，国内开展了大量的科技攻关工作，也建设了不少改进传统黑液治理方法的工程项目，主要有三大类1、改变和改进蒸煮方法2、改变黑液综合利用途径3、黑液与中段水混合处理各种防治污染新技术的经济效益和环保效益都远没有达到预期效果。造成占全国工业COD排放总量半数以上的造纸行业的排污总量没有得到有效控制，国家为为治理造纸污染累计花费了数百亿，但造纸污染形成的生态灾难和群体癌症病亡目前还是不断由媒体报道。
为改变传统造纸方法的弊端，多年来不少发明者申报了造纸专利技术，但形成工业生产规模的还没有。如专利申请1(气体混爆制浆工艺、申请日1999.12.24)物料在0.3→1.2MPa饱和蒸气压下处理10-40分钟→在爆破制浆器加压到1.6-2.4MPa压力→爆喷专利申请2(物理法爆破制浆工艺、申请日2001.06.14)
原料→2-4％石灰乳液拌合→放入爆破罐→温度180-230℃、压力1.5-2MPa→保温保压3-18分→爆喷申请1、2的不足之处原料处理简单，木素与纤维素分离效果不好，罐或爆破制浆器体积受到安全方面的限制，单罐生产能力低，生产不连续，难以满足规模生产要求。
专利申请3(一种工厂化条件下龙须草/红麻韧皮生物制浆工艺、申请日2003.01.17)原菌种配液→原料接种→湿润发酵→洗涤轧干→蒸煮脱壳→喷浆筛浆→沉渣漂白→磨浆制板等专利申请4(一种造纸生物制浆工艺、申请日2004.04.12)生物活性剂培养→喷淋原料→蒸球内加活性培养剂混合30分钟→加1.5-2％氨水→蒸煮3小时→盘磨→漂洗→用MF微孔过虑器回收活性剂。
专利5(一种生化溶剂制浆工艺、申请日2005.02.07)原料→粉碎除杂→常温常压的生化溶剂中浸泡2-2.5小时→挤压回收溶剂→盘磨→漂洗→成品浆申请3、4、5都是原料经生化技术处理后进行机械磨浆。专利申请5是最简单的工艺技术，但由于在常温常压下侵泡原料时间短，生化反应不充分，将影响草浆质量；专利4也是生化反应不充分，虽然增加了蒸煮，同样影响草浆质量。专利3生化反应时间相对充分，已进行了中试，不足之处是解决草浆污染不彻底，所用的酶菌在接种培养中，需要长时间，大空间，高投资，造成酶菌成本高，由于菌种价位高，给推广应用带来了困难。该专利方法在生化后仍要加NaOH进行蒸煮和处理这部分污染。
总之，这些专利技术在同时满足纸浆质量、污染治理和工业化规模生产方面等有所欠缺。
发明内容
本发明的目的，在于将通过“酶化转化”的生物技术，加之“机械膨化”的制造工艺相结合，提供一种“酶化转化+膨化”的草类纤维制浆造纸方法。
本发明的技术方案如下。
一种“酶化转化+膨化”的草类纤维制浆造纸方法，包括草类纤维原料的碾压破碎、除杂、剪切、捏合浸润、发酵转化、膨化、打浆、抄造步骤。将备好的草纤维原料与H2O2水溶液A，A也可以是有机溶剂如草酸、丙酮或甲醇，纤维素酶B，诱导促融剂C在捏合机中捏合浸润30-40分钟，其中草纤维的原料绝干量与H2O2水溶液的重量比为100∶19±1，H2O2水溶液的浓度为15±3％，原料与纤维素酶B的绝干量之比为100∶0.4±0.1，原料与诱导促融剂C的绝干量之比为100∶0.7±0.3；浸润后的原料送入储槽中密闭发酵24小时，发酵温度控制在45-55℃；发酵后的原料经膨化机膨化后，获得粗浆产品。
所述的纤维素酶B可以是内切酶或外切酶。
所述的诱导促融剂C可以是聚乙烯二醇或聚乙二醇。
在制造过程中，经过碾压破坏原料外部表皮，形成裂缝和众多微裂纹，以扩大植物纤维和生化制剂的接触面，并经除杂后剪切成2-3厘米的短节或碎片。
发酵后的原料经膨化机膨化后获得粗浆产品，在膨化机出口内部的原料温度范围是120-200℃，压力范围是1.2-2.6MPa。改变膨化机出口内部的横切面积和出口内部的通道长度，或利用膨化机自身的加热或冷却功能，可以调节膨化机出口内部的原料压力和温度。
依靠现有常规打浆、疏解设备和常规造纸设备，膨化后的粗浆产品可生产草纸、板纸和瓦楞纸，也可处理加工成为其它纸产品。
本发明与现有技术相比具有的优点和积极效果本发明的“酶化转化+膨化”的草类纤维制浆造纸方法与现有碱法化学制浆技术相比，具有以下优点1、制浆过程中添加的H2O2和生物制品经膨化机膨化后，转化为碳水化合物和水，粗浆不用蒸煮，生产过程完全不排放污水，简化了制浆工艺流程，减少生产设备和辅助设备，大量节约制浆和环保用水，节约能耗、节约原材料的消耗，运行工人减少，节省运行费用，节省大量环保投资和社会环境治理费用，可以大幅增加盈利；2、采用独特的“酶化转化+膨化”制浆方法，使植物纤维细胞破壁充分，使木素、半纤维素容易被复合酶分解和降解，转化形成短纤维保留下来得以利用，新方法麦草粗浆得率达到90％左右，比采用化学制浆方法的浆料得率提高20％40％，比采用半化学制浆方法的浆料得率提高10％_25％。
3、特定的中国国情决定广大农村必定要使用资源丰富、成本低廉的草类纤维，制浆造纸成为了最实际甚至也是唯一的选择。广大农村小纸厂，处于近距离草类纤维原料地的包围之中，农民就地工作，有原料分散储存、运输和劳动力价格便宜等优势，小纸厂制浆不造纸，生产粗浆后卖给大厂，既不排放污水，又有长期稳定的利润回报，特别适合农村分散办厂，适于当地农村农民就业和脱贫致富，可以让几千家关闭的小纸厂起死回生，也容易成为地方的利税大户和就业主力，能促进农村经济发展。
4、解决大纸厂生产成本高的问题。大纸厂距离草浆原料地相对较远，远距离运输、大量储存原料不经济，污水处理成本高。我国纸浆缺口很大，费用高。2004年进口草类纤维浆1100万吨占全国纸浆消耗量的24.7％，新方法可减少进口纸浆。大纸厂无论自己生产还是购买小厂的粗浆，都可以大幅节约成本，增加利润。可集中更多的人财物力处理造纸生产的其它污水。实现有效资源的充分利用，有十分重要的综合经济效益、社会效益。
5、新方法适用于大、中、小各种生产规模的造纸厂，可用于对现有草类纤维制浆的大、中型纸厂进行技术改造，由于新方法节约造纸用水和治理用水，减少水污染，特别是在缺水的西北、华北、华东地区，有重要的生态效益。
附图是本发明的工艺流程示意图。
具体实施例方式
参照附图，本发明的制备方法以下述具体步骤来实现1、碾压破皮采用在料场摊铺草料，除去一些明显的大块杂物，用碾压设备如轻型压路机、拖拉机等设备，对草料进行碾压、翻动、再碾压，通过挤压撕裂破坏草料的表皮结构，在植物纤维表面形成更多的裂纹或微裂缝，扩大植物纤维与生化制剂的接触面，以便H2O2水溶液A、纤维素酶B和诱导促融剂C充分浸润渗入到植物表皮内部，进行生化反应转化木素。
2、除杂通过平板震荡筛除去泥沙等杂物。
3、剪切用切草机将草料剪切成2-3厘米的短节碎片。
4、捏合浸润将备好的草料送到捏合机中，运转捏合机，先喷淋H2O2水溶液A，也可以是草酸、丙酮或甲醇等有机溶剂水溶液，搅拌均匀后分散撒入纤维素酶B、再搅拌均匀后分散撒入诱导促融剂C，直到草料在捏合机中共捏合浸润30-40分钟，其中草料绝干量与H2O2水溶液的重量比为100∶19±1，H2O2水溶液的浓度为15±3％；草料与纤维素酶B的绝干量比为100∶0.4±0.1；草料与诱导促融剂C的绝干量比为100∶0.7±0.3；。捏合机强迫挤压H2O2水溶液A、纤维素酶制品B、诱导促融剂C与草料各短节碎片充分均匀接触浸润，并从各短节碎片的表面裂缝和微裂纹中渗入表皮内部发生反应。在H2O2水溶液A、纤维素酶和诱导促融剂C共同作用下，使草料得到软化和润胀，有利于膨化时纤维内部细纤维化和部分降解。
5、发酵转化将捏合浸润后的草料装进储槽内密闭发酵24小时，发酵的温度控制在45℃到55℃。纤维素酶的外援条件和草料植物细胞内生成和积累的各种酶的催化作用下植物中的解链因子被激活，使复杂的木质素链内或链间的氢键被打开，将联结组成木质素大分子的甲氧基、羟基、丁香基等杂细胞从木质素的苯丙基结构中脱除，让其得以改变基因进行转化，在促融因子的诱导作用下，将脱变为小分子的羟基等杂细胞转化、融合形成可以利用的短纤维。
6、膨化发酵后的草料进入膨化机，在高剪切力、高压、高温的作用下，草料的物理特性发生变化，草料细胞壁内各层问一些木素熔化和高温水解，氢键断裂而吸水，纤维素部分降解、细化，高温可使各种有害因子和酶失活。选用或调整膨化机，使膨化机工作时形成出口内部的草料温度范围可在120-200℃，压力范围可在1.2-2.6MPa。不同植物纤维原料理想的工作参数有所差别，需要优化确定。当草料在膨化机的螺杆挤压下从膨化机出口挤出的瞬间，从高温高压进入常温常压状态，压力和温度突然降低致使草料在高温高压下储存的能量突然释放，物料中水分急剧汽化蒸发，在强大压力差作用下，瞬间蒸汽从物料中扩散出来，产生张力使物料的体积迅速膨胀，原来相互连接紧密的纤维结构被破坏分离，膨化前植物纤维细胞排列整齐，细胞结构完整；膨化后细胞被破坏游离，变为非结晶纤维素，细胞间距拉大，梗状物减少，提高纤维柔软性，细胞壁撕裂变为絮状纤维，总表面积增大。经膨化后，获得粗浆。
改变膨化机出口内部的横切面积大小和出口通道的长度，或利用膨化机自身的加热或冷却功能，可以调节膨化机出口内部原料的压力和温度，使不同草料获得较理想的膨化压力和膨化温度。
8、打浆依靠现有常规打浆和疏解设备，粗浆转变为合格的生产纸浆。小纸厂如果不具备打浆和抄造的条件，可将膨化后的粗浆产品直接销售或挤干烘干销售给大纸厂。
9、抄造依靠现有常规的造纸设备，可生产草纸、草板纸和瓦楞纸，也可处理加工成为其它纸产品。
以下通过实施例来进一步说明本发明的制浆造纸方法的具体实施方式
。应该理解的是，该实例仅作为一种植物纤维的实施方案提供，不限于本发明的范围。
实施例1草料为麦草，将麦草在场院摊开，麦草厚度大致均匀，用拖拉机碾压、翻动、再碾压后，用平板震荡筛除去尘土等杂物，再用切草机将麦草剪切成2-3厘米长的短节，取样测试麦草水份、纤维素、半纤维素和木素的含量。并称重草料100公斤，装入容积为1000升的捏合机内，开动捏合机，先喷淋H2O2水溶液A，也可以是草酸、丙酮或甲醇等有机溶剂水溶液，搅拌均匀后，再分散纤维素酶B搅拌均匀后，再分散撒入诱导促融剂C，直到草料在捏合机中共捏合浸润30-40分钟，其中草料绝干量与H2O2水溶液的重量比为100∶19±1，H2O2水溶液的浓度为15±3％，草料与纤维素酶的绝干量重量比为100∶0.4±0.1，草料与诱导促融剂的绝干量重量比100∶0.7±0.3。将浸润好的草料装入储槽中发酵，密闭保温，温度控制在45℃-55℃下静态反应12小时后，将草料翻动一遍继续密闭保温、在45℃-55℃下继续反应12小时后结束，此时草料完成酶化转化的过程。再将酶化转化后的草料送入膨化机中进行膨化，要求控制膨化机出口内部的草料压力范围为1.3-1.5Mpa、温度范围为130-150℃。
经数十次试验结果测试证实，“酶化转化+膨化”不仅使木素与纤维素分离，而且使木素受到一定程度的降解和转化，使粗浆的三大组分含量有比较大的变化，木素和半纤维素减少，纤维素增加。三大组分含量符合半化学浆标准。
测试结果见表1[表1]如下
将膨化后的粗浆放入常规的打浆机中打浆，并将符合工艺叩解度要求的草浆经磨浆、抄片。经测试纸张的物理性能见表2表2
本发明制备的麦草浆粗浆得率≥90％，符合箱板纸和高强度瓦楞纸标准。
本发明的方法在生产过程中无需蒸煮，不排放污水，所生产的纸浆可以就地生产草纸、板纸和瓦楞纸。发明的最终目的是实现草类纤维自然资源充分利用、低投资、低成本、少用水、不污染环境、高效益、使被关闭破产的近万家小纸厂起死回生，增加数十万农民工的就业机会，给社会带来可观的生态效益，经济效益和社会效益。同时从一个侧面解决中国造纸行业纤维原料供应短缺、环境保护不力和关键生产技术进步缓慢的三大问题，为造纸行业提供巨大的发展空间；在水资源紧缺的中国，从行业角度局部解决靠牺牲生态和环境用水来维持发展的用水需求，为建设节水型社会做出贡献。
权利要求
1.一种“酶化转化+膨化”的草类纤维制浆造纸方法，包括草类纤维原料的碾压破碎、除杂、剪切、捏合浸润、发酵转化、膨化、打浆、抄造步骤，其特征在于将备好的草纤维原料与H2O2水溶液A，A也可以是有机溶剂如草酸、丙酮或甲醇，纤维素酶B，诱导促融剂C在捏合机中捏合浸润30-40分钟，其中草纤维的原料绝干量与H2O2水溶液的重量比为100∶19±1，H2O2水溶液的浓度为15±3％，原料与纤维素酶B的绝干量之比为100∶0.4±0.1，原料与诱导促融剂C的绝干量之比为100∶0.7±0.3；浸润后的原料送入储槽中密闭发酵24小时，发酵温度控制在45-55℃；发酵后的原料经膨化机膨化后，获得粗浆产品。
2.如权利1要求所述的“酶化转化+膨化”的草类纤维制浆造纸方法，其特征在于所述的纤维素酶B可以是内切酶或外切酶。
3.如权利1要求所述的“酶化转化+膨化”的草类纤维制浆造纸方法，其特征在于所述的诱导促融剂C可以是聚乙烯二醇或聚乙二醇。
4.如权利1要求所述的“酶化转化+膨化”的草类纤维制浆造纸方法，其特征在于制造过程中，经过碾压破坏原料外部表皮，形成裂缝和众多微裂纹，以扩大植物纤维和生化制剂的接触面，并经除杂后剪切成2-3厘米的短节或碎片。
5.如权利1要求所述的一种“酶化转化+膨化”的草类纤维制浆造纸方法，其特征在于发酵后的原料经膨化机膨化后获得粗浆产品，在膨化机出口内部的原料温度范围是120-200℃，压力范围是1.2-2.6MPa。
6.如权利1要求所述的一种“酶化转化+膨化”的草类纤维制浆造纸方法，其特征在于改变膨化机出口内部的横切面积和出口内部的通道长度，或利用膨化机自身的加热或冷却功能，可以调节膨化机出口内部的原料压力和温度。
7.如权利1要求所述的一种“酶化转化+膨化”的草类纤维制浆造纸方法，其特征在于依靠现有常规打浆、疏解设备和常规造纸设备，膨化后的粗浆产品可生产草纸、板纸和瓦楞纸，也可处理加工成为其它纸产品。
全文摘要
本发明涉及一种“酶化转化+膨化”的草类纤维制浆造纸方法。它将生物科学、生命科学和机械制造有机结合，实现了造纸方法免蒸煮和不排放污水的突破。“酶化转化+膨化”的草类纤维制浆造纸方法，其要点是将经碾压破碎、除杂并切割成短节的草类纤维原料送入捏合机中，加入H
文档编号D21H21/06GK1924187SQ200610152
公开日2007年3月7日 申请日期2006年9月28日 优先权日2006年9月28日
发明者汤兴然, 汤军, 鹿守明 申请人:汤兴然