一种高效低耗清洁型麦草生物制浆工艺的制作方法

专利名称：一种高效低耗清洁型麦草生物制浆工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及造纸工业进行麦草制浆实用的高效低耗清洁型生产工艺。
背景技术：
(一)国内外制浆造纸工业的现状及发展趋势造纸工业在现代经济中发挥的作用已越来越大。在美国、日本、加拿大、芬兰、瑞典等经济发达国家，造纸工业已成为其国民经济十大支柱制造业之一。
我国制浆工业中非木材浆占总浆量的80％以上，草浆的生产，仍以碱法(包括硫酸盐法)为主。目前，我国造纸产业存在诸多问题，主要是污染治理负担重、高档纸浆比重低、中高档纸生产能力不足、企业规模小以及建设投资不足。传统的化学试剂蒸煮法是将化学试剂配成一定浓度的溶液，然后把麦草浸泡其中并加热蒸煮数小时，用以除去非纤维素而提取纯净纤维的过程。该方法不仅消耗大量化工原料和能源，而且损伤纤维产量和品质、严重污染环境。
随着生物技术的发展，人们应用微生物对麦草的制浆工艺进行了广泛研究。研究表明，具有降解草本纤维原料中非纤维素物质能力的微生物广泛存在于自然界，真菌中以镰刀菌、根霉菌、曲霉以及一些担子菌为主，细菌有鼓槌状芽孢杆菌、淀粉芽孢杆菌、柯氏芽孢杆菌、假单孢杆菌、枯草芽孢杆菌、欧文氏芽孢杆菌等。但迄今为止，利用微生物降解草本纤维原料中50％以上非纤维素物质，即真正达到生物制浆实用水平的研究报道，除了中国农业科学院麻类研究所以外，几乎未见国内外其他单位或个人发表过相关报道。
中国农业科学院麻类研究所专业从事麻类生物脱胶研究30多年，不仅筛选出一大批麻类脱胶菌种，而且研究形成了一系列麻类生物脱胶的发明专利和鉴定成果。近年来，该所在国家“863”计划项目资助下，以原有发明专利保藏菌种T85-260为母体，通过现代生物技术手段育种获得了一株工程菌株(本单位编号CXJZ95-198)。该菌株对苎麻、红麻、亚麻、罗布麻等麻类作物以及龙须草、麦草、烟梗等草本植物纤维原料中的非纤维素物质具有很强的降解能力，先后形成了“一种高效节能清洁型红麻韧皮生物制浆工艺”(专利申请号02108682.6)、“一种草本纤维工厂化脱胶或制浆用高效菌剂制备方法”(专利号ZL02108820.9)、“一种工厂化条件下龙须草/红麻韧皮生物制浆工艺”(专利申请号03102808.X)等三项发明专利以及“高效清洁型红麻韧皮脱胶技术”(农科果鉴 第032号)、“高效节能型龙须草生物制浆技术”(湘科鉴 第021号)、“亚麻快速生物脱胶技术”(农科果鉴 第024号)等三项鉴定成果。
采用生物技术降解草本纤维原料中果胶、半纤维素、木质素的方法，是造纸工业的发展趋势。生物降解法不仅可以确保纤维产量和品质，而且可以降低生产成本、减轻环境污染。
(二)拟解决的问题本项目的目的在于以微生物分泌的酶催化麦草中果胶、半纤维素、木质素等非纤维素物质降解的作用替代以烧碱蒸煮为中心的化学反应，解决传统制浆方法存在的消耗大量化工原料和能源、损伤纤维产量和品质、严重污染环境等突出问题，为进一步构建草本纤维生物制浆工艺研究的技术创新平台，推动我国制浆造纸行业的技术革命奠定坚实基础。
本项目拟解决的关键性技术涉及以下2个方面、6个内容1、怎样利用高效菌剂快速除去草料中50％以上的非纤维素物质(1)采用活菌发酵方式有利于降低生产成本。将“高效菌剂”活化以后直接接种到草料上进行发酵，既可以增强生物制剂对草料中非纤维素物质的.“攻击性”(经过“非纤维素物质培养菌-菌分泌酶-酶降解非纤维素物质”的螺旋式生化反应，能“定向爆破”果胶、半纤维素及部分木质素等非纤维素物质分子结构，使之发生“块状崩溃”)，而且可以实现2个目标一是消耗部分非纤维素物质(减轻污染)，二是减少进一步制备复合酶制剂的费用。
(2)高效菌剂活化应该尽可能实现时间短效率高的目标。采用活菌发酵方式降解草料中的非纤维素物质，当菌株的功能一定时，活菌数量越高发酵效果越好，这是毫无疑问的。那么，在高效菌剂的活化过程中，应该尽可能满足缩短微生物适应期、保证微生物快速生长所必需的工艺条件。由此可见，选择合适的培养基配方、调节微生物生长所需要的温度、供氧量、pH等因素就显得格外重要了。
(3)活菌发酵周期要控制在8h以内需要保证工艺条件。活菌发酵周期长于8h，不利于工厂化生产管理。从理论上分析，假定每个细菌重量为10-12克、每公斤草料吸附1010个菌体(即10毫克菌体)经过4-6小时发酵，消耗200克以上的非纤维素物质是有可能的。在麦草活菌发酵过程中的分解速率能否达到这个水平，必须同时满足微生物的生长繁殖需要的温度、湿度、pH、营养等以及酶促反应需要的温度、pH、金属离子等活性剂。
(4)清除发酵草料附着的“块状崩溃”残留物有利于减少后续工序的化工原料消耗。活菌发酵过程中，CXJZ95-198菌株分泌的各类酶可以“定向爆破”果胶、半纤维素及部分木质素等非纤维素物质分子结构，但这些物质并没有被微生物全部消耗，尤其是“块状崩溃”残留物附着在发酵草料上，它们可以通过洗涤清除。如果不清除，肯定会导致后续工序化工原料消耗的增加。
2、如何使经过发酵处理的草料变成质量优于常规化学方法生产的麦草浆(1)采用“稀碱脱壳”可以弥补活菌发酵的不足。CXJZ95-198菌株分泌的各类酶可以高效降解果胶、半纤维素及部分木质素等非纤维素物质，但是，对于角质化程度很高的麦草表皮组织(拟称之为“壳”)几乎没有作用。根据常规化学制浆原理，探索在碱性条件下进行“脱壳”的工艺，作为麦草生物制浆工艺的补充应该是可行的。
(2)降低打浆强度有利于改善草浆品质。通过草本纤维原料化学制浆原理与生物制浆原理的比较研究发现，化学制浆方法需要用17.5％NaOH+4％HBF4处理才能抽提出来的甘露糖(纤维素与非纤维素连接的“桥梁”或“纽带”)在生物制浆工艺中全部被微生物彻底消耗了。这就是说，经过活菌发酵处理的草料，其纤维的分散度特别好，因此，在打浆工序里适度降低打浆强度对于改善草浆品质肯定有好处。

发明内容
本发明拟采用的技术方案涉及麦草生物制浆整个工艺，工艺过程包括高效菌剂活化、草料准备、配液接种、湿润发酵、发酵草料的洗涤与脱水、稀碱脱壳、打浆、筛浆、漂白、磨浆等工序。
(一)高效菌剂活化取真空包装保存的CXJZ95-198高效菌剂，按500ml/吨草料的接种量接入盛有魔芋-豆饼培养基的通气搅拌发酵罐中，在35℃±1℃、搅拌频率200rpm～380rpm、通气量301/m3·min～3001/m3·min、罐内压力0.05mpa的条件下培养5～6hr，获得活化菌悬液；魔芋-豆饼培养基的配方为过200目的魔芋粉和豆饼粉分别为0.5％和1.5％，酵母汁0.05％～0.10％。
(二)草料准备将麦草原料进行除杂.去渣、理齐后，剪切成3～5cm长的小段，以利于微生物的吸附、侵染。
(三)配液接种按草料对菌悬液为1∶2±0.2的比例加自来水到配液桶并用蒸汽调节水温到34℃±1℃，再添加0.1％的农用复合肥，在添加活化菌悬液的同时搅拌混匀，然后将配好的菌悬液均匀喷洒到草料上，发酵容器装料密度为100kg/m3±20kg/m3，草料含水率达到69％±1％、含菌量为1010cfu/kg，最后，沥去余液。
(四)湿润发酵将接种后的草料置于温度34℃±3℃、相对湿度85％±5％的条件下发酵7.0h±0.5h；发酵完成的标志是草料软化、表面呈兰色，用手揉搓分散为单纤维。
(五)发酵草料的洗涤与脱水按草料干重2～3倍的比例向装有草料的容器里注入80℃±5℃的温水并循环冲洗草料15min～30min，然后，采用脱水机进行脱水，或者使用0.2mpa的气压挤出草料游离水，使发酵草料含水率为60％±5％，草料干重得率为80％±2％。
(六)脱壳按草料干重3.0％±0.3％的比例对脱水后的草料喷洒浓度为2％的NaOH溶液，使草料含水率达到210％～230％，在容器内蒸汽压≤0.15mpa条件下，蒸煮2.0h±0.5h，或者在容器内蒸汽压≥0.55mpa条件下，蒸煮1.5h±0.5h，最终使浆料残碱浓度在0.6g/l～2.0g/l之间，K值在10.5～13.8之间。
(七)喷浆或半浆喷浆工艺是在容器内蒸汽压≥0.55mpa条件下脱壳完成后，直接利用容器内气压把浆料喷出；半浆工艺参数为打浆机下刀的砣重8.0kg～9.0kg，打浆时间40min±10min。
(八)筛浆粗筛孔径为6mm，除渣率≤0.5％；细筛孔径为2.2mm，除渣率≤5.0％。
(九)漂白浆料量800kg/槽，漂液用量10％～12％，白度69.2％～74.8％。
(十)磨浆时间35min，叩解度55以上。
四

本发明涉及的附图为1-高效菌剂活化，2-草料准备，3-配液接种，4-湿润发酵，5-发酵草料的洗涤与脱水，6-稀碱脱壳，7-喷浆或半浆，8-筛浆，9-漂白，10-磨浆。
五具体实施例方式
(一)技术方案本发明拟采用的技术方案涉及麦草生物制浆整个工艺，工艺过程包括高效菌剂活化、草料准备、配液接种、湿润发酵、发酵草料的洗涤与脱水、稀碱脱壳、打浆、筛浆、漂白、磨浆等工序。
1.高效菌剂活化 取真空包装保存的CXJZ95-198高效菌剂，按500ml/吨草料的接种量接入盛有魔芋-豆饼培养基的通气搅拌发酵罐中，在35℃±1℃、搅拌频率200rpm～380rpm、通气量301/m3·min～3001/m3·min、罐内压力0.05mpa的条件下培养5～6hr，获得活化菌悬液；魔芋-豆饼培养基的配方为过200目的魔芋粉和豆饼粉分别为0.5％和1.5％，酵母汁0.05％～0.10％。
2.草料准备 将麦草原料进行除杂去渣、理齐后，剪切成3～5c m长的小段，以利于微生物的吸附、侵染。
3.配液接种 按草料对菌悬液为1∶2±0.2.的比例加自来水到配液桶并用蒸汽调节水温到34℃±1℃，再添加0.1％的农用复合肥，在添加活化菌悬液的同时搅拌混匀，然后将配好的菌悬液均匀喷洒到草料上，发酵容器装料密度为100kg/m3±20kg/m3，草料含水率达到69％±1％、含菌量为1010cfu/kg，最后，沥去余液。
4.湿润发酵 将接种后的草料置于温度34℃±3℃、相对湿度85％±5％的条件下发酵7.0h±0.5h；发酵完成的标志是草料软化、表面呈兰色，用手揉搓分散为单纤维。
5.发酵草料的洗涤与脱水 按草料干重2～3倍的比例向装有草料的容器里注入80℃±5℃的温水并循环冲洗草料15min～30min，然后，采用脱水机进行脱水，或者使用0.2mpa的气压挤出草料游离水，使发酵草料含水率为60％±5％，草料干重得率为80％±2％。
6.脱壳 按草料干重3.0％±0.3％的比例对脱水后的草料喷洒浓度为2％的NaOH溶液，使草料含水率达到210％～230％，在容器内蒸汽压≤0.15mpa条件下，蒸煮2.0h±0.5h，最终使浆料残碱浓度在0.6g/l～2.0g/l之间，K值在10.5～13.8之间。
7.打浆 半浆工艺参数为打浆机下刀的砣重8.0kg～9.0kg，打浆时间40min±10min。
8.筛浆 粗筛孔径为6mm，除渣率≤0.5％；细筛孔径为2.2mm，除渣率≤5.0％。
9.漂白 浆料量800kg/槽，漂液用量10％～12％，白度69.2％～74.8％。
10.磨浆 时间35min，叩解度55以上。
(二)实验规模与地点本实施例处理麦草批量为1～5kg/次，重复4次。实验地点中国农业科学院麻类研究所中试车间。
(三)实施效果1.该发明具有高产、优质、低耗、低污染等特点。与常规化学制浆工艺比较，①烧碱用量减少70％以上；②动力能耗节省20％以上；③细浆得率提高5个百分点；④工业综合废水水质单一，直接进入生物氧化处理且易于达标，污水处理成本节省约60％。
2.经湖南省造纸产品质量监督检验授权站检测，采用本发明技术方案生产的麦草纸浆的品质指标接近阔叶木浆品质，优于传统化学方法制浆品质。定量47.4g/m2的纸张指标为紧度为0.48g/cm3、耐破指数为3.69kpa.m2/g、撕裂指数为3.16mN.m2/g、断裂长为7.1km。
权利要求
1.一种高效低耗清洁型麦草生物制浆工艺，技术方案包括高效菌剂活化、原料准备、配液接种、湿润发酵、发酵草料的洗涤与脱水、稀碱脱壳、打浆、筛浆、漂白、磨浆等；其技术特征在于“高效菌剂活化”是取真空包装保存的CXJZ95-198高效菌剂，按500ml/吨草料的接种量接入盛有魔芋-豆饼培养基的通气搅拌发酵罐中，在35℃±1℃、搅拌频率200rpm～380rpm、通气量30l/m3·min～300l/m3·min、罐内压力0.05mpa的条件下培养5～6hr，获得活化菌悬液；魔芋-豆饼培养基的配方为过200目的魔芋粉和豆饼粉分别为0.5％和1.5％，酵母汁0.05％～0.10％。
2.如权利要求1所述的一种高效低耗清洁型麦草生物制浆工艺，其技术特征在于“配液接种”是按草料对菌悬液为1∶2±0.2的比例加自来水到配液桶并用蒸汽调节水温到34℃±1℃，再添加0.1％的农用复合肥，在添加活化菌悬液的同时搅拌混匀，然后将配好的菌悬液均匀喷洒到草料上，发酵容器装料密度为100kg/m3±20kg/m3，草料含水率达到69％±1％、含菌量为1010cfu/kg，最后，沥去余液。
3.如权利要求1所述的一种高效低耗清洁型麦草生物制浆工艺，其技术特征在于“湿润发酵”是将接种后的草料置于温度34℃±3℃、相对湿度85％±5％的条件下发酵7.0h±0.5h；发酵完成的标志是草料软化、表面呈兰色，用手揉搓分散为单纤维。
4.如权利要求1所述的一种高效低耗清洁型麦草生物制浆工艺，其技术特征在于“发酵草料的洗涤与脱水”是按草料干重2～3倍的比例向装有草料的容器里注入80℃±5℃的温水并循环冲洗草料15min～30min，然后，采用脱水机进行脱水，或者使用0.2mpa的气压挤出草料游离水，使发酵草料含水率为60％±5％，草料干重得率为80％±2％。
5.如权利要求1所述的一种高效低耗清洁型麦草生物制浆工艺，其技术特征“稀碱脱壳”按草料干重3.0％±0.3％的比例对脱水后的草料喷洒浓度为2％的NaOH溶液，使草料含水率达到210％～230％，在容器内蒸汽压≤0.15mpa条件下，蒸煮2.0h±0.5h，或者在容器内蒸汽压≥0.55mpa条件下，蒸煮1.5h±0.5h，最终使浆料残碱浓度在0.6g/l～2.0g/l之间，K值在10.5～13.8之间。
6.如权利要求1所述的一种高效低耗清洁型麦草生物制浆工艺，其技术特征在于“打浆”是打浆机下刀的砣重8.0kg～9.0kg，打浆时间40min±10min。
全文摘要
本发明涉及制浆造纸行业一种高效低耗清洁型生产工艺。其技术方案包括高效菌剂活化、草料准备、配液接种、湿润发酵、发酵草料的洗涤与脱水、稀碱脱壳、喷浆(或打浆)、筛浆、漂白、磨浆等。该发明具有优质、高产、低耗、节能、污染轻等特点。采用本发明技术方案生产的麦草纸浆的品质接近阔叶木浆，明显优于化学方法生产的麦草浆。与常规化学制浆工艺相比，本发明的优点是①烧碱用量减少70％以上；②动力能耗节省30％以上；③细浆得率提高5个百分点；④工业综合废水中无机和有机污染物总量分别为55kg/吨浆和320kg/吨浆，即从源头减少污染物排放量达70％和60％。
文档编号D21C3/22GK1779068SQ20041004696
公开日2006年5月31日 申请日期2004年11月23日 优先权日2004年11月23日
发明者刘正初, 段盛文, 胡镇修, 冯湘沅, 彭源德, 郑科 申请人:中国农业科学院麻类研究所