CN101608411B - 利用氧化还原电位水和生物酶的制纸浆工艺 - Google Patents

Abstract

一种利用氧化还原电位水和生物酶的制纸浆工艺，是采用添加有少量生物酶的氧化还原电位水对制浆原料进行催解，再进行磨浆以制取浆料。其中的氧化还原电位水为酸性氧化电位水和碱性还原电位水中的任何一种，生物酶由木质素酶与酵母组成。本发明可以将木素彻底分解还原成水和二氧化碳气体，降解过程中不产生有机化合物，浆料不需要洗涤就可以进入下面的工序，不产生污水，生产用水经过简单的沉淀处理就可以循环利用，彻底杜绝了污染，达到了绿色环保的目标。

Description

利用氧化还原电位水和生物酶的制纸浆工艺

技术领域

本发明涉及一种制纸浆工艺，具体是涉及一种利用氧化还原电位水和生物酶对制浆原料进行催解以制取浆料的工艺方法。

背景技术

化学法制浆周期短、生产规模大、原料适应性强，适合于现代化生产。因此，目前的造纸生产方式大部分是以化学法为主。其中又以碱法制浆和含氯漂白最为常见，即在加热、加压下用烧碱蒸煮造纸原料，使原料中的木质素、多糖、果胶、蛋白质等复杂成份溶解在烧碱溶液中，与纤维素分离而得到纸浆纤维；采用氯气、次氯酸盐、二氧化氯等进行漂白得到漂白纸浆。化学法制浆的明显缺点是药品消耗及能耗高，在制浆和漂白过程中会产生大量的造纸黑液和含氯废水，废水具有极高的COD和BOD负荷，整个生产过程不仅耗水量大，而且污染十分严重。因此，消除污染、减少水耗一直是造纸行业亟待解决的首要问题。

微生物能有效地将植物纤维原料中三大成分转化成CO₂、H₂O和腐植质，过程具有环境友好性，而且可降低能耗和化学品用量，因此，将生物技术作用于制浆造纸过程，以生物途径代替化学途径或部分化学途径进行制浆，不产生有机化合物，有利于克服化学法存在的缺点，受到了广泛的青睐。

瑞典造纸研究所(STFI)率先开展了这方面的工作，并取得了一定进展。他们利用白腐菌对木片进行预处理，发现预处理后的木片进行磨浆时，能大幅度降低能耗。20世纪90年代末，日本神户制钢所应用白腐菌在常温常压下分解木材，成功生产出了优质纸浆。生物制浆方法是对传统制浆工艺的极大挑战，然而，由于生物制浆的周期太长，约需要30天，加上白腐菌的筛选困难，该技术目前还难以实现工业化生产。

1986年，芬兰的维凯丽发现利用木聚糖酶处理纸浆，可以提高纸浆的可漂性，减少氯气、二氧化氯等含氯化学药品的用量，有利于发展无氯漂白。但是由于木聚糖酶不能直接氧化木素，只能通过水解聚木糖素来提高纸浆的漂白性能，对于木素的脱除是有限的。

国际上有许多关于纸浆脱木素处理研究的报道。EP408,803、DE3,636,208、WO92/20857等专利均报道了利用漆酶与含氯漂白剂漂白纸浆，以减少化学药品用量的方法。但是以上方法所产生的废水中仍然含有有机氯化合物。美国专利US5,545,544公开了一种利用白腐菌对纸浆尤其是化学纸浆进行漂白的方法，但是其处理纸浆需要较长的时间，使用的菌种量也比较大，效果并不明显。中国专利00130853x公开了一种利用生物技术对纸浆进行全无氯漂白的方法，先利用一种能够降解木素的微生物白腐菌对纸浆进行漂白预处理，再使用过氧化氢进行漂白，优点是纸浆的白度得以提高，处理时间也大为缩短。

以上技术均是采用生物方法对纸浆特别是化学纸浆进行漂白处理，目的是减少化学漂白剂的用量。但由于所使用的菌、酶并非直接作用于纸浆中的残余木素，只是通过水解半纤维素而增加木素的溶出，提高化学漂剂的可及性，后续漂白仍需要使用较多的化学漂白剂，无法从根本上消除纸浆漂白废水污染的产生，没有从根本上解决问题。

近年来有许多关于生物预处理化学制浆方面的研究报道，包括生物预处理后进行硫酸盐或亚硫酸盐蒸煮。研究表明：生物预处理可以缩短蒸煮时间，有利于低卡伯值化学浆的生产，同时也对后续亚硫酸盐蒸煮变得十分有利。与未经生物预处理比较，生物预处理化学制浆的卡伯值可以下降21～48％，且纸浆得率变化不大。研究还表明：在化学制浆以前先进行生物预处理，可以在化学药品用量不变的情况下降低纸浆的硬度，或在相同的硬度下降低化学药品的用量和能源的消耗。

2003101149354专利申请公开了一种生物制浆工艺，是用聚木糖酶对棉纤维进行预处理得到浆料，再用碱-过氧化氢溶液常温常压下进行漂白，但该工艺方法使用的材料仅限于棉纤维，生产的局限性很大，应用价值有限。

021255717专利公开了一种生物发酵制浆工艺，是使用放线菌对造纸原料进行发酵，并利用发酵放热使原料升温，控制温度在70～80℃发酵15天左右后得到纸浆。该方法是一种完全的生物制浆方法，但缺点是生产周期长，生产过程中还是会产生大量的发酵废水。

2007100621399专利申请则提供了一种通过复合生物催解剂对制浆原料进行生物催解，以彻底分解木素制取浆料的生物催解法制纸浆工艺，该方法是将粉碎的制浆原料加入到新鲜饱和臭氧水中，再加入由白腐菌、纤维素酶、果胶酶等组成的复合生物催解剂，混合均匀后，充分浸泡渗透，将催解液加入蒸球中升温至80～120℃，生物催解0.5～2h后得到纸浆浆料。该方法在臭氧水氛围下，采用复合生物催解剂对制浆原料进行生物催解，将木素彻底分解还原成水和二氧化碳气体，降解过程中不产生有机化合物，浆料不需要洗涤就可以进入后续工序，不产生污水，杜绝了污染，达到了绿色环保的目标。

功能水又名电解水，是将普通自来水经过净化处理后，添加一定量(0.1％以下)的NaCl(或者添加KCl或盐酸)，利用电解原理(氧化还原反应)，在设有离子交换膜的电解槽中通电进行电解，其中阳极侧以析氯反应和析氧反应为主，阴极侧以析氢反应为主，溶液中则以氯的水解和次氯酸的解离为主。从阳极侧流出的水含有H⁺，带正电位，偏酸性，称为酸性氧化电位水(electrolized strongacid water)；从阴极侧流出的水含有OH^-，带有负电位，偏碱性，称为碱性还原电位水(electrolized strong alkaline water)，又称碱性离子水。以上两种水统称为氧化还原电位水，都具有较高的氧化还原电位。

目前，氧化还原电位水特别是酸性氧化电位水已经在漂白、杀菌等领域得到了越来越广泛的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用氧化还原电位水和生物酶的制纸浆工艺，以彻底分解木素制取浆料。

本发明的制纸浆工艺是采用添加有少量生物酶的氧化还原电位水对制浆原料进行催解，再进行磨浆以制取浆料。

本发明的具体制浆工艺是：按照每10t氧化还原电位水中添加50～100g生物酶的用量，将生物酶溶解到氧化还原电位水中，再按照1∶4～5的料液重量比加入粉碎的制浆原料，充分浸泡渗透，用磨浆机磨浆得到浆料。

本发明所使用的氧化还原电位水包括电解阳极产生的酸性氧化电位水和电解阴极产生的碱性还原电位水，使用其中的任何一种电位水与生物酶配合，都可以实现对制浆原料的生物催解。其中，电解阳极产生的酸性氧化电位水的pH值为1.8～2.1，氧化还原电位为800mV～1200mV，电解阴极产生的碱性还原电位水的pH值为9～13，氧化还原电位为-600mV～-800mV。

所述的生物酶由木质素酶与酵母组成，其重量百分含量组成为：

木质素酶      20～50％

酵母          50～80％。

其中的木质素酶是由木素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶和纤维二糖脱氢酶中的一种或几种混合组成的。

本发明中，在制浆原料中加入溶有生物酶的氧化还原电位水后，应对制浆原料进行充分的浸泡，以保证生物酶能充分渗透到制浆原料的内部，将木素彻底降解。在浸泡过程中，虽然有时需要对制浆原料进行适度的加温处理，但是一般是不需要进行加温处理的。

本发明的制纸浆工艺对于制浆原料也没有特殊的要求，一般的草类制浆原料如麦草、稻草、玉米秸杆、高粱杆、棉杆、芦苇、龙须草、羊胡草等以及各种木质原料如松木、杨木、桦木、桑枝条等均能使用。只是根据制浆原料的不同，应适当调整氧化还原电位水的pH值和氧化还原电位，并适当改变生物酶的种类、配比和用量，以达到各种制浆原料的最佳生物催解效果即可。

破解木素提取纤维素是造纸制浆的关键技术。传统的化学制浆工艺中，在利用化学反应打开木素的同时，也产生出了大量的有机化合物。将这些有机化合物从造纸浆料中洗涤除去，会产生大量的洗涤污水，不仅造成了严重的环境污染，且污水处理难度大、费用高。本发明采用氧化还原电位水与生物酶共同对制浆原料进行催解，将木素彻底分解还原成水和二氧化碳气体，降解过程中不产生有机化合物，浆料不需要洗涤就可以进入下面的工序，不产生污水，生产用水经过简单的沉淀处理就可以循环利用，彻底杜绝了污染，达到了绿色环保的目标。

本发明的制纸浆工艺生产周期短，工艺简单，便于推广，同时适应于大中小型企业实施。

本发明的生物催解法制浆工艺能耗小，生产成本低。以制备草浆为例，可比化学法制浆节水90％，省电30％，节煤60％，节省原材料30％，而出浆率却由化学法的40％提高到60％以上，总体生产成本约降低了30％。

具体实施方式

实施例1

采用武汉丽辉高新技术有限公司生产的LHD 48-A型电离水机制备氧化还原电位水，取用由阴极产生的pH值为12.5，氧化还原电位为-800mV的碱性还原电位水备用。

取漆酶20g、纤维二糖脱氧酶20g、酵母60g加入到10t上述碱性还原电位水中，混合搅拌均匀，制成含有生物酶的碱性还原电位水。

取2.5t麦草，全部切断到长度为2～5cm，加入上述10t溶解有生物酶的碱性还原电位水中，待充分渗透后，输送至SM磨浆机中进行磨浆，获取浆料，然后再在KRK高浓盘磨机上用0.1mm的磨盘间隙磨浆3次，磨后的打浆度分别为25⁰SR、35⁰SR、45⁰SR，然后用0.3mm的筛板筛浆，除去浆渣，获得良浆的打浆度为46⁰SR，粗浆得率65％。

实施例2

采用武汉丽辉高新技术有限公司生产的LHD 48-A型电离水机制备氧化还原电位水，取用由阳极产生的pH值为2.0，氧化还原电位为1200mV的酸性氧化电位水备用。

取木素过氧化物酶20g、酵母30g加入到9t上述碱性还原电位水中，混合搅拌均匀，制成含有生物酶的酸性氧化电位水。

取2t玉米秸秆，全部切断到长度为2～5cm，加入上述9t溶解有生物酶的酸性氧化电位水中，混和均匀，加温至100℃气蒸1h，输送至SM磨浆机中磨取浆料，然后再在KRK高浓盘磨机上用0.1mm的磨盘间隙磨浆3次，用0.3mm的筛板筛浆，除去浆渣获得良浆，打浆度为50⁰SR，粗浆得率60％。

实施例3

采用武汉丽辉高新技术有限公司生产的LHD 48-A型电离水机制备氧化还原电位水，取用由阴极产生的pH值为11，氧化还原电位为-650mV的碱性还原电位水备用。

取漆酶20g、酵母60g加入到10t上述碱性还原电位水中，混合搅拌均匀，制成含有生物酶的碱性还原电位水。

取2t棉杆，全部切断到长度为2～5cm，加入上述10t溶解有生物酶的碱性还原电位水中，浸泡1h后，输送至SM磨浆机中进行磨浆，获取打浆度为13⁰SR的浆料，然后再在KRK高浓盘磨机上用0.1mm的磨盘间隙磨浆3次，获得良浆的打浆度为56⁰SR，粗浆得率68％。

实施例4

采用武汉丽辉高新技术有限公司生产的LHD 48-A型电离水机制备氧化还原电位水，取用由阴极产生的pH值为10.5，氧化还原电位为-600mV的碱性还原电位水备用。

取漆酶15g、锰过氧化物酶15g、酵母30g加入到9t上述碱性还原电位水中，混合搅拌均匀，制成含有生物酶的碱性还原电位水。

取2t龙须草，全部切断到长度为2～5cm，加入上述9t溶解有生物酶的碱性还原电位水中，充分渗透后，输送至SM磨浆机中进行磨浆，然后再在KRK高浓盘磨机上用0.1mm的磨盘间隙磨浆2次，获得良浆的打浆度为52⁰SR，粗浆得率68％。

实施例5

采用武汉丽辉高新技术有限公司生产的LHD 48-A型电离水机制备氧化还原电位水，取用由阴极产生的pH值为12，氧化还原电位为-750mV的碱性还原电位水备用。

取木素过氧化物酶15g、纤维二糖脱氧酶15g、酵母50g加入到10t上述碱性还原电位水中，混合搅拌均匀，制成含有生物酶的碱性还原电位水。

取2t桑枝条，全部切断到长度为2～5cm，加入上述10t溶解有生物酶的碱性还原电位水中，浸泡1h后，输送至SM磨浆机中进行磨浆，获取浆料，然后再在KRK高浓盘磨机上用0.1mm的磨盘间隙磨浆3次，获得良浆的打浆度为52⁰SR，粗浆得率70％。

Claims (5)

1.利用氧化还原电位水和生物酶的制纸浆工艺，其特征是按照每10t氧化还原电位水中添加50～100g生物酶的用量，将生物酶溶解到氧化还原电位水中，按照1∶4～5的料液重量比向添加有生物酶的氧化还原电位水中加入粉碎的制浆原料，充分浸泡渗透，对制浆原料进行催解，再用磨浆机磨浆得到浆料，

其中，所述的生物酶是由木质素酶与酵母组成的，其重量百分含量组成为：

木质素酶    20～50％

酵母        50～80％。

2.根据权利要求1所述的利用氧化还原电位水和生物酶的制纸浆工艺，其特征是所述的氧化还原电位水是电解阳极产生的酸性氧化电位水和电解阴极产生的碱性还原电位水中的任何一种电位水。

3.根据权利要求1所述的利用氧化还原电位水和生物酶的制纸浆工艺，其特征是其中的木质素酶由木素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶和纤维二糖脱氢酶中的一种或几种混合组成。

4.根据权利要求2所述的利用氧化还原电位水和生物酶的制纸浆工艺，其特征是电解阳极产生的酸性氧化电位水的pH值为1.8～2.1，氧化还原电位为800mV～1200mV。

5.根据权利要求2所述的利用氧化还原电位水和生物酶的制纸浆工艺，其特征是电解阴极产生的碱性还原电位水的pH值为9～13，氧化还原电位为-600mV～-800mV。