CN100516355C - 由微生物产品发酵过程的纤维残渣制备纸浆的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种农作物废弃物，经过微生物发酵生产各种发酵产品后的纤维残渣，用来生产纸浆的工艺技术方法，其方法经综合利用微生物发酵和机械加工的几道工序，能使纸浆的生产比直接利用农作物废弃物更为经济。该方法包括：纤维残渣来源于农作物废弃物经粉碎、酸(包括有机酸和无机酸)或碱水解、酶解，微生物发酵、蒸馏、固液分离、磨浆、筛浆、挤浆等工序。农作物废弃物包括玉米秸秆、麦草、稻草、芦苇、龙须草、甘蔗渣、竹子、林木加工废弃物等。本发明的生产过程无污染，用水少，成本只为化学制浆的35%，可以用来制作食品包装纸、医药包装纸等。
Description
技术领域
本发明属于生物制造领域，涉及一种纸浆制造工艺，特别是微生物发酵生产产品和纸浆过程相结合的生产技术，更具体的说，涉及农作物纤维废弃物经微生物发酵生产各种发酵产品后的纤维残渣用来生产纸浆的方法。
背景技术
农作物纤维废弃物是极为丰富的可再生资源，一般含有40％～50％的纤维素、25％～35％的半纤维素、15％-20％的木质素，另外还有少量的可溶性糖、蛋白质、脂肪以及其他无机矿物组分，利用这类资源作为工业原料，一直受到人们的关注。
随着地球石油资源的逐步枯竭和大气的温室效应增加，乙醇替代部分石油用于运输用燃料得到全世界的重视。农作物纤维废弃物主要包括各种农业残余物如秸秆、壳、皮凳和尚待开发的草本植物如茅草、龙须草等，这些物质主要由纤维素、半纤维素及木质素组成。本发明涉及的农作物废弃物已将半纤维素水解成为戊糖(木糖、***糖)或低聚戊糖(木聚糖、***聚糖)，并通过戊糖发酵菌种发酵成为乙醇和其他发酵产品，易于水解的非定型纤维素水解成为葡萄糖，也发酵成为乙醇和其他产品，而最后有难以分解的纤维素残渣。
另一方面，目前世界年人均用纸51.8公斤，中国年人均用纸32公斤，居世界第二位。中国2004年产纸4300万吨，年消耗纸5100万吨，需大量进口纸张。
现在普遍应用的造纸生产工艺主要是“碱法”、“亚硫酸盐法”，用大量化学原料来提取麦草、稻草、芦苇、甘蔗渣、竹子、木材造纸浆。木素是植物中粘结纤维素的物质，只有分解掉木素使纤维散开团絮化才能造纸浆。由此产生了大量化学原料残留物，反应物，这些污染物被排放到江河里成了污水河，这些污水中含有大量悬浮物，COD、BOD，酸碱等有毒物质污染了我们的生存环境，既使花很大成本治理也依然使污染越来越严重，尤其现有草浆生产工艺有70％的原料变成化学污染物排放到了自然环境中。
农作物废弃物经过微生物发酵后的纤维素残渣，显然以上非纤维素的杂质大大减少。如果充分利用这些原料一方面可以进一步降低燃料乙醇的生产成本；另一方面可取代木材原料的进口，纸张的进口，从而可节省大量外汇；另外还可以增加农村农民收入，降低环境的污染。
关于国内外造纸业技术革新，已发展了一种生物技术造纸技术，例如，申请号为01107892.8，公开号为CN1310258A，发明名称为“生物预处理制备化学机械草浆的工艺”；申请号021125521.7，公开号CN1267605C，发明名称为“生物发酵法制纸浆工艺”，其特点均是微生物只是作为一种类似于化学处理的生物发酵预处理方法，不仅不生产发酵产品，还会增加处理成本、产生大量高COD、BOD有机废水。本发明专利直接利用发酵过程的纤维残渣，预处理成本和废水问题已经在上一个发酵产品的生产工序中解决。
发明内容
本发明的前期工作是农作物纤维废弃物的微生物发酵。经过乙醇、乳酸等产品的的整个发酵过程的微生物发酵利用，木质素和半纤维素等物质被微生物降解和利用，未利用的纤维残渣纤维素含量比较高，成份也比较单一，除纤维素外主要就是木质素，是一种良好的纸浆原料。纤维残渣经过机械磨浆，筛浆，挤浆和制浆等生产工艺过程实现无污染、低耗能、低成本优质的各种纸浆生产。
本发明提供一种生物技术与化学、机械加工结合的纸浆生产工艺技术。传统造纸浆是应用化学法生产工艺，产生大量污水，严重污染环境，而且制纸浆过程中需消耗大量水、煤、电等；上世纪底发展的生物技术制浆工艺主要是涉及微生物和酶的预处理；本发明耦合和乙醇发酵生产过程，生产工艺无污染、节约水、材料损耗小、能耗低、成本为现用的化学法制浆成本的35％，可以利用玉米秸秆、麦草、稻草、芦苇、甘蔗渣、竹子、木材等为最初的原料，一方面生产各种发酵产品，另一方面产出纸浆品质优良，可用来制作食品包装纸、医药包装纸等日常用纸。
具体实施方式
本发明主要技术问题是采用以下具体技术措施来实现的。
实施例1
本发明的原料为农作物废弃物发酵生产乙醇后的纤维残渣。在前期的生产过程中，应用了各种纤维乙醇发酵过程中的农作物废弃物预处理技术和微生物发酵技术，即原料经过粉碎、汽爆或酸(碱)水解、氧化等预处理过程，易水解的半纤维素主要成为木塘等戊糖，易水解的非定型纤维素被纤维素酶酶解成为葡萄糖，这些木糖和葡萄糖等五碳、六碳糖类被啤酒酵母、毕赤酵母、运动单胞菌和嗜热梭菌等经固态或液态发酵工艺发酵成为乙醇，再经过蒸馏、固液分离等过程得到纤维残渣。经过以上发酵生产过程后，该纤维残渣的纤维束成为单根纤维或松散的小纤维团。
以上处理过程的汽爆，指通过蒸汽***(steam explosion)，使用FOODY(美国专利4,461,648，1985年授权公布)的工艺条件和后人优化的其他条件，1.2-1.7Mpa，。农作物废弃物经过汽爆，半纤维素和木质素被部分降解，纤维素纤维更加疏松。
以上处理过程的酸(碱)处理包括浓无机酸或稀无机酸、浓有机酸或稀有机酸、浓碱或稀碱处理过程，目的是分解半纤维素并改变纤维素酶对纤维素水解的易感性。浓酸处理条件有大于40％酸，100℃-120℃，3小时以上等；稀酸处理条件有1％左右酸，95℃-160℃，4小时以上等。浓碱处理条件有10％左右碱，100℃-120℃，3小时以上等；稀碱处理条件有95℃-160℃，4小时以上。浓有机酸处理浓度为大于30％，110℃以上，时间为3小时以上等，稀有机酸浓度为1％左右，处理温度为110℃以上，处理时间4小时以上等等。在有机酸中可挥发性有机酸为最佳酸，处理时间和处理温度同上，但在温度110℃以上时该酸可进行回收反复利用，这样既经济又环保。
以上处理过程的酶解过程包括纤维素酶的使用。由于纤维素酶的使用成本为农作物废弃物原料的五十倍以上，通常将易于降解的非定型纤维素部分被水解成为葡萄糖。
以上处理过程的微生物发酵包括利用戊糖发酵的啤酒酵母发酵生产乙醇、利用毕赤酵母发酵生产乙醇、利用耐热梭菌同步发酵生产乙醇。
以上处理过程的乙醇蒸馏过程，未降解的纤维素纤维进一步疏松为单根纤维或松散的小纤维团。
然后，本发明通过磨浆工序，是将疏解后，成为单根纤维或松散的小纤维团的浆料用挤浆机把浆料挤干，浆料通过高浓磨浆机磨浆，使纤维团和单根纤维裂开，成为团絮状纤维。筛浆工序，是将磨浆后成粗细混杂的纤维，加水用泵抽入高压旋翼筛，通过纸浆高压旋翼筛，将90％的细纸浆筛出来，而剩余10％粗纸浆送回到磨浆工序重磨。由此生产出优质生态纸浆。
实施例2
本发明的原料为农作物废弃物发酵生产乳酸后的纤维残渣。在前期的生产过程中，应用了和乙醇发酵生产过程类似的预处理，但使用了乳酸发酵菌种发酵乳酸。后期处理工艺同上类似。
实施例3
本发明的原料为农作物废弃物发酵生产丙酮丁醇后的纤维残渣。在前期的生产过程中，应用了和乙醇发酵生产过程类似的预处理，但使用了丙酮丁醇发酵菌种发酵丙酮丁醇。后期处理工艺同上类似。
实施例4
本发明的原料为农作物废弃物发酵生产纤维素酶后的纤维残渣。在前期的生产过程中，应用了粉碎、汽爆等简单处理工艺，使用里氏木霉、绿色木霉、康氏木霉、斜卧青霉、大肠杆菌基因工程菌的纤维素酶发酵菌种发酵生产纤维素酶。后期处理工艺同上类似。
实施例5
本发明的原料为农作物废弃物发酵生产氨基酸后的纤维残渣。在前期的生产过程中，应用了和乙醇发酵生产过程类似的预处理，但使用了氨基酸发酵菌种发酵生产氨基酸。后期处理工艺同上类似。
实施例6
本发明的原料为农作物废弃物发酵生产发酵饲料后的纤维残渣。在前期的生产过程中，应用了和纤维素酶生产过程类似的预处理，但使用了富含蛋白质的热带假丝酵母、白地霉等可用于饲料的单一发酵菌种或混合发酵菌种发酵生产蛋白饲料。后期处理工艺同上类似。
实施例6
本发明的原料为农作物废弃物发酵生产生态肥料后的纤维残渣。在前期的生产过程中，应用了和纤维素酶生产过程类似的预处理，但使用了解磷巨大芽孢杆菌菌液、冻胶芽孢杆菌菌液、褐色球形固氮菌菌液等单一发酵菌种或混合发酵菌种发酵生产生态肥料。后期处理工艺同上类似。
Claims (5)
1.一种由微生物产品发酵过程的纤维残渣制备纸浆的方法，该纤维残渣来源于从农作物废弃物利用微生物发酵法生产，该农作物废弃物包括玉米秸秆、麦草、稻草、芦苇、龙须草、甘蔗渣、竹子、林木加工废弃物，该发酵产品包括乙醇、乳酸、丙酮丁醇、纤维素酶、氨基酸、发酵饲料、生态肥料，其特征在于，纸浆生产工艺由磨浆、筛浆、挤浆工序和适当化学处理过程构成.所述的适当化学处理过程包括生产不同类型的纸张需添加的化学助剂。
2.根据权利要求1所述的纸浆生产的方法，其特征在于，纸浆生产原料为农作物废弃物经过微生物发酵生产发酵产品后的纤维残渣，即农作物废弃物经过粉碎、汽爆、酸或碱水解、酶解，乙醇发酵、蒸馏、固液分离工序处理。
3.根据权利要求1所述的纸浆生产的方法，其特征在于，该纤维农作物废弃物在乙醇发酵生产中其易于分解的淀粉、游离糖份、易于分解的非定型纤维素、半纤维素等物质被微生物利用。
4.根据权利要求1所述的纸浆生产的方法，其特征在于，磨浆工序，是将疏解后，成为单根纤维或松散的小纤维团的浆料用挤浆机把浆料挤干，浆料通过高浓磨浆机磨浆，使纤维团和单根纤维裂开，成为团絮状纤维。
5.根据权利要求1所述的纸浆生产的方法，其特征在于，筛浆工序，是将磨浆后成粗细混杂的纤维，加水用泵抽入高压旋翼筛，通过纸浆高压旋翼筛，将90％的细纸浆筛出来，而剩余10％粗纸浆送回到磨浆工序重磨。
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