CN106400560B - 一种酶解法制造纸浆的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种酶解法制造纸浆的工艺，包括以下步骤：(1)以草本植物和/或禾本植物的秸秆为原料，切段，去杂质并清洗；(2)洗净的草本植物和/或禾本植物的秸秆段送入揉丝机中切碎得到碎料；(3)将所述碎料加入水混合后送入制浆机中，加热升温并加入碱和裂解酶进行酶解制浆；(4)加入过氧化氢酶反应10~30分钟，去除植物细胞的过氧化氢，对浆料进行漂白处理；(5)调节浆料pH值至6‑7，出浆。该工艺以草本植物和/或禾本植物的秸秆为原料，先后经过裂解酶和过氧化氢酶酶解后制得纸浆，制浆过程用时短，成浆率高，且无黑液排放。
Description
技术领域
本发明涉及一种酶解法制造纸浆的工艺。
背景技术
在现有技术中，造纸工业是世界上六大污染工业之一。我国造纸行业年排放废水量达40亿吨，占全国工业废水排放量的1/6。在用植物材料进行化学制浆与化学漂白的过程中，含有大量木质素、半纤维素和有害物质的废液被倾倒入江河湖泊中，造成严重的环境污染和生态破坏。在现有的造纸技术中，制浆和漂白工序是前述污染物产生的主要工序，由于机械制浆工艺中磨木浆的能耗大而成品纸质量不如用化学或半化学的方法处理纸浆的成品纸质量，使得目前的造纸厂仍普遍采用化学或半化学的方法制浆，即采用强碱蒸煮将原材料，诸如木材、麦杆、稻草、甘蔗渣、芦苇、麻杆、棉花杆等纤维植物分离出纤维，以获得纸浆纤维。
现有的制浆技术中存在以下的缺点：
(1)腐蚀设备：上述方法要消耗大量的酸、碱、盐，且要在高温高压下长时间处理，蒸球等生产设备容易被腐蚀。
污染环境：在生产过程中会产生大量的碱性废水(黑液)，如果直接排放到大自然中，会造成对水源的污染、土壤板结等严重的环境污染。
能耗大：由于使用强酸强碱处理制浆原料阶段以及在漂白阶段后都需用大量的水反复洗涤，所以既耗电又耗水。
生产成本高：黑液需回收处理，不仅回收设备投资大，而且治污设备的运行费用高昂，因而造成生产成本的提高。
利用率低：采用现有技术处理的原材料的利用率为40～45％。
制浆时间长，通常需要6~8小时。
目前我国纸浆年消耗量在7000多万吨，纸浆基本需要从国外进口，纸浆市场供不应求。而草浆成本低于木浆，如果充分利用草本植物和/或禾本植物制浆，那将会缓解我国木浆的进口压力。但是，目前以草为原材料，多采用传统化学制浆技术，生产排污十分严重，而且化学原料破坏了草的纤维，不但出浆率低，而且降低了草浆与成品纸的质量，因而目前的草浆只能生产箱板纸、瓦楞纸、瓦面纸、草纸、低档书写纸、祭祀用纸等低档产品，难以满足我国市场需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种环保、低成本、高效的酶解法制造纸浆的工艺，该工艺以草本植物和/或禾本植物的秸秆为原料，先后经过裂解酶和过氧化氢酶酶解后制得纸浆，制浆过程用时短，成浆率高，且无黑液排放。
本发明的目的是通过以下技术措施来实现的：一种酶解法制造纸浆的工艺，包括以下步骤：
(1) 以草本植物和/或禾本植物的秸秆为原料，切段，去杂质并清洗；
(2) 洗净的草本植物和/或禾本植物的秸秆段送入揉丝机中切碎得到碎料；
(3) 将所述碎料加入水混合后送入制浆机中，，加热升温并加入碱和裂解酶进行酶解制浆；
(4) 加入过氧化氢酶反应10~30分钟，去除植物细胞的过氧化氢，对浆料进行漂白处理；
(5) 调节浆料pH值至6-7，出浆。
本发明还包括磨浆步骤，即从制浆机出来的浆料采用高浓磨浆机磨浆乳化，可以获得更加细腻纸浆。
本发明还包括纸浆成品制作步骤，即采用浆板机将纸浆制成板、颗粒或浆糊状，方便储存和运输。
本发明所述草本/禾本植物的秸秆包括芦苇、竹子、小麦、玉米、油菜、棉花、甘蔗、水稻、高粱等农作物秸秆。
本发明所述的裂解酶的添加量为原料干重的0.1~1%。
本发明所述过氧化氢酶的添加量为原料干重的2~12%。
本发明步骤(3)中，碎料和水的比例为1﹕4~6。
本发明所述步骤(3)中，将碎料和水构成的物料加热至40~110℃，裂解酶与物料反应时间30~60分钟。
本发明步骤(4)中，如果纸浆中有很多气泡，可在纸浆中加入消泡剂去除气泡。所述的消泡剂的添加量只需能够去除气泡即可。在步骤(4)中可以加入pH调整剂，增进抗氧化作用，防止浆料酸败；与重金属离子络合，具有阻止氧化或褪变反应、稳定颜色、降低浊度、增强胶凝特性。所述调整剂的添加量为原料干重0.1~2%。
目前，机械制浆和化学制浆工艺均需要进行蒸煮、挤浆、洗浆、漂白等工序，而每道工序会使用相应的设备，不仅设备庞大，生产线投资成本高，而且在制浆中需要分步进行，操作较为繁琐。本发明人设计了一种一体化制浆机，更方便于本发明方法的实施。具体地，该制浆机包括制浆罐、助剂管、加热装置和至少一个搅拌器；所述制浆罐包括罐体和罐盖，所述罐盖上设置进料口，所述罐体底部设置出料口，所述搅拌器包括搅拌桨和驱动装置，所述搅拌桨沿竖向方向安装在罐体内，其两端分别安装在罐盖和罐体底部的轴承上，所述搅拌桨的搅拌轴上端部穿出罐盖与位于罐盖上的驱动装置连接，所述加热装置设置在罐体内，所述助剂管设置在罐体内，其进药端自罐体上部伸出至罐体外与助剂供给装置连接。在使用本发明提供的制浆机进行制浆时，原料和水构成的混合物料可从进料口放入制浆罐内，加热装置将物料加热至预设温度，并且启动搅拌桨进行搅拌，制浆过程中根据反应次序自助剂管中加入碱、裂解酶和过氧化氢酶以及调整剂等助剂。
所述搅拌桨的搅拌轴为中空管，该中空管上端口用于与蒸汽源连接，其下段管体的管壁上设置数个蒸汽孔，在制浆原料需要加热时往所述中空管道中通入蒸汽进行加热升温，从而构成本发明的加热装置，这样的设计不仅结构简单，使制浆罐的结构更为简单，而且可以使用蒸汽这一清洁能源，降低能耗。
作为本发明的一个实施例，所述搅拌桨的桨叶分布在搅拌轴中下段，并占搅拌轴2/3的高度。
本发明所述搅拌器为两套，两套搅拌器的搅拌桨的搅拌轴中轴线之间的距离为罐体直径的二分之一；单个搅拌桨的桨叶宽度约占整个罐体的六分之一。
本发明所述搅拌桨为螺旋带式搅拌桨，其桨叶螺旋角为52°，有利于物料与各种助剂充分混合。
本发明所述助剂管的进药端设有数个接口，用于与不同助剂供给装置连接。
进一步地，所述制浆机还包括清洗装置，该清洗装置包括环形进水管和设置在环形进水管上的数个喷头构成，所有进水管设置在罐体顶部其进水端穿出罐体外与供水装置连接，所述喷头沿环形进水管周长方向均匀分布，在出浆后喷水将罐壁上的浆料冲洗下来，既清洁了制浆机，又避免浆料浪费。
进一步地，所述制浆机还包括备用加热装置，用于在搅拌轴供应蒸汽不足以在短时间内升至预设温度时，启用该备用加热装置，增加蒸汽量，达到快速加温的目的。所述备用加热装置由至少4根与外部蒸汽源连接的蒸汽管构成，所述的蒸汽管轴向设置在罐体内壁上并沿罐体周长方向均匀分布，所述蒸汽管的下段管体设置蒸汽孔。
本发明所述罐体中部侧壁上设有套管，该套管的前端部位于罐体内并向罐体中心线延伸，所述套管内放置温度监测单元，用于制浆时监测物料的温度。所述温度监测装置为温度计或温度传感器。
进一步地，所述制浆罐的罐体上还设置排汽口。
所述罐体的侧壁为双层结构，夹层中设有保温棉。
本发明还包括自动控制装置，用于控制药剂供给装置、搅拌装置等。
本发明与现有技术相比具有以下有益的效果：
(1) 本发明以草本植物和/或禾本植物的秸秆为原料，由裂解酶和少量的碱共同作用，使植物纤维蓬松软化，获得纤维。整个工艺用时短，成浆率高，而在生产过程中没有黑液产生，避免对环境的污染。
(2) 本发明制成的浆料无需反复用水冲洗，整个制浆过程用水量只是传统工艺的10%。
(3) 本发明使用的化学助剂用量非常少，只为传统工艺的0.5%，植物纤维没有受到破坏，浆料中纤维长，制成的纸张耐折性强。
(4) 本发明制得的纸浆不含农药残留物，不含重金属，制成的制品废弃后在自然界中90天左右就能完全降解。
(5) 所得纸浆制造的纸亮度在80度以上。
(6) 所得纸浆原料易于保存，可在常温和通风的情况下长时间保存，不会发生霉变，保存时间可长达1年。
(7) 所得纸浆原料特别适用于制作除币种纸、特殊用纸以外的纸制品，如办公纸、包装用纸，餐盒、食品包装纸、纸袋等。
(8) 本发明采用草本植物和/或禾本植物的秸秆为原料，用水量少，制浆成本低，只为传统化学制浆成本的60%。
(9) 本发明采用专用的制浆机，集自动加剂、加热和制浆于一体，在一个设备当中可以完成物料和助剂的混合、加热升温和制浆等工作，投资成本低。
(10) 本发明提供的制浆机主要由制浆罐、加热装置和搅拌装置构成，制浆罐设有助剂管，可根据制浆工序要求自该助剂管中加入相应制浆助剂。加热装置对制浆罐中的原料进行加热升温，而搅拌装置则一方面使物料和助剂混合均匀，另一方面在加热升温时翻动物料使之受热均匀。
(11) 本发明的搅拌装置的搅拌轴为与蒸汽源连通的中空管，其下段管体上设置数个蒸汽孔，在进行制浆时可向物料中通入蒸汽进行升温，该搅拌轴构成本发明的加热装置，使制浆机结构更为简单紧凑。
(12) 本发明还设置清洗装置，在出浆后喷水将罐壁上的浆料冲洗下来，既清洁了制浆机，又避免浆料浪费。
(13) 本发明还设置备用加热装置，用于在搅拌轴供应蒸汽不足以在短时间内升至预设温度时，启用该备用加热装置，增加蒸汽量，达到快速加温的目的。该备用加热装置由至少4根蒸汽管构成，使用蒸汽进行加热，不仅结构简单，而且使用清洁能源，降低能耗。
(14) 本发明设置两套搅拌器，两套搅拌器的搅拌轴中轴线之间的距离为罐体直径的二分之一，而单各搅拌桨的桨叶宽度约占整个罐体的六分之一，这样更有利于物料的翻动，使物料混合更为均匀。
(15) 本发明的制浆罐的侧壁为双层结构，夹层中设有保温棉，加强了保温性能。
附图说明
图1是本发明制浆机的剖面图；
图2是本发明制浆机底面简图。
具体实施方式
如图1和2所示的制浆机是本发明下述实施例用到的制浆机，其包括制浆罐1、助剂管2、加热装置和两套搅拌器。制浆罐1包括罐体和罐盖，罐盖上设置进料口4，进料口4处设置单向盖。罐体的侧壁为双层结构，夹层中设有保温棉，罐体底部设置四个支撑脚14以及两个轴承15，其中部设置出料口6，出料口6处设置自动控制阀门。两套搅拌器均包括搅拌桨3和驱动装置。每套搅拌器的驱动装置由电机11和减速机12构成。各套搅拌器的搅拌桨3沿竖向方向安装在罐体内，其两端分别安装在罐盖和罐体底部的轴承15上，搅拌桨3的搅拌轴31上端部穿出罐盖与设置罐盖上的减速机12连接搅拌桨3的搅拌轴31为中空管，该中空管上端口与位于减速机上方的进汽接口13连通，用于与蒸汽源连通。该中空管的下段管段的管壁上设置数个蒸汽孔33，在制浆原料需要加热时往所述中空管中通入蒸汽进行加热升温，则搅拌轴构成本实施例的加热装置。在本实施例中两套搅拌器的搅拌轴31的中心线之间的距离为罐体直径的二分之一；单轴桨叶32宽度约占整个罐体的六分之一。每个搅拌桨3的桨叶32分布在搅拌轴31中下段，并占搅拌轴2/3的高度。搅拌桨3为螺旋带式搅拌桨，其桨叶32螺旋角为52°，有利于物料与各种助剂充分混合。助剂管2设置在罐体内，其进药端自罐体上部伸出至罐体外与助剂供给装置连接。助剂管2的进药端设有数个接口，用于与不同助剂供给装置连接。
本实施例还设置清洗装置，该清洗装置包括环形进水管10和设置在环形进水管上的数个喷头9构成，环形进水管10设置在罐体顶部其进水端穿出罐体外与供水装置连接，所有喷头9沿环形进水管10的周长方向均匀分布，在出浆后喷水将罐壁上的浆料冲洗下来，既清洁了制浆机，又避免浆料浪费。
本实施例还设置备用加热装置，用于在搅拌轴供应蒸汽不足以在短时间内升至预设温度时，启用该备用加热装置，增加蒸汽量，达到快速加温的目的。该备用加热装置由至少4根蒸汽管7构成，蒸汽管7轴向安装在罐体内壁上且沿罐体周长方向均匀分布，蒸汽管7的下段管体设置蒸汽孔8。
本实施例的制浆罐的罐体中部侧壁上设有套管5，该套管5的前端部位于罐体内并向罐体中心线延伸，其内部放置温度监测单元(图中未示出)，制浆时用于监测物料的温度。温度监测装置为温度计或温度传感器。
本实施例中制浆罐1的罐体上可以设置排汽口(图中未示出)，可在需要时排出罐内多余蒸汽。
在使用本发明提供的制浆机进行制浆时，原料和水构成的混合物料可从进料口4放入制浆罐1内，往搅拌轴通入蒸汽将物料加热至预设温度，并且启动搅拌桨3进行搅拌，制浆过程中根据反应次序自助剂管中加入碱、裂解酶和过氧化氢酶以及调整剂等助剂。制浆结束后，打开出料口，将浆料排出。
实施例一
(1) 以小麦秆为原料，切段，长0.5-1cm，除尘、去沙，去杂质并清洗；
(2) 洗净的小麦秆段送入揉丝机中切碎得到麦草碎料；
(3) 小麦秆碎料中按小麦秆：水=1:5的比例加入水混合，然后送入制浆机中，按每吨小麦秆计算添加30千克氢氧化钠和1千克裂解酶，加热至80℃，保温制浆60分钟，制浆过程中制浆的搅拌器以每分钟13-30转的转速进行搅拌；
(4) 按每吨小麦秆计算添加20千克过氧化氢酶，反应15分钟，去除植物细胞的过氧化氢；
(5) 用盐酸调节浆水pH值至6-7，出浆，出浆率95%，白度80以上；
(6) 从制浆机出来的浆料经过高浓磨浆机磨浆乳化，获得更加细腻的纸浆；
(7) 采用浆板机将纸浆制成板、颗粒或浆糊状成品，方便储存和运输。
实施例二
(1) 以芦苇为原料，切段，长0.5-1cm，除尘、去沙，去杂质并清洗；
(2) 洗净的芦苇段送入揉丝机中切碎得到芦苇碎料；
(3) 芦苇碎料中按芦苇:水=1:5的比例加入水混合，然后送入制浆机中，，按每吨芦苇计算添加50千克氢氧化钠和10千克裂解酶，加热至80℃，保温制浆60分钟，制浆过程中制浆的搅拌器以每分钟13-30转的转速进行搅拌；
(4) 按每吨芦苇计算添加50千克过氧化氢酶，反应15分钟，去除植物细胞的过氧化氢；
(5) 用盐酸调节浆水pH值至6-7，出浆，出浆率95%，白度80以上；
(6) 从制浆机出来的浆料经过高浓磨浆机磨浆乳化，获得更加细腻的纸浆；
(7) 采用浆板机将纸浆制成板、颗粒或浆糊状成品，方便储存和运输。
实施例三
(1) 以高粱杆为原料，切段，长0.5-1cm，除尘、去沙，去杂质并清洗；
(2) 洗净的高粱杆段送入揉丝机中切碎得到秸秆碎料；
(3) 将高粱杆碎料中送入制浆机中，按高粱杆:水=1: 6的比例加入水，按每吨高粱杆计算添加30千克氢氧化钠和9千克裂解酶，加热至70℃，保温制浆55分钟，制浆过程中制浆的搅拌器以每分钟13-30转的转速进行搅拌；
(4) 按每吨高粱杆计算添加50千克过氧化氢酶，反应15分钟，去除植物细胞的过氧化氢；
(5) 用盐酸调节浆水pH值至6-7，出浆，出浆率95%，白度80以上；
(6) 从制浆机出来的浆料经过高浓磨浆机磨浆乳化，获得更加细腻的纸浆；
(7) 采用浆板机将纸浆制成板、颗粒或浆糊状成品，方便储存和运输。
实施例四
(1) 以竹子为原料，加工切段，长0.5-1cm，除尘、去沙，去杂质并清洗；
(2) 洗净的竹子段送入揉丝机中切碎得到竹子碎料；
(3) 竹子碎料中按竹子:水=1: 5的比例加入水混合，然后送入制浆机中，按每吨竹子计算添加50千克氢氧化钠和20千克裂解酶，加热至110℃，保温制浆60分钟，制浆过程中制浆的搅拌器以每分钟13-30转的转速进行搅拌；
(4) 按每吨竹子计算添加60千克过氧化氢酶，反应30分钟，去除植物细胞的过氧化氢；
(5) 用盐酸调节纸浆pH值至6-7，出浆，出浆率95%，白度80以上；
(6) 从制浆机出来的纸浆用高浓磨浆机磨浆乳化，获得更加细腻的纸浆；
(7) 采用浆板机将纸浆制成板、颗粒或浆糊状成品，方便储存和运输。
实施例五
(1) 以玉米秆为原料，切段，长0.5-1cm，除尘、去沙，去杂质并清洗；
(2) 洗净的秸秆段送入揉丝机中切碎得到秸秆碎料；
(3) 玉米秆碎料中按玉米秆:水=1: 5的比例加入水混合，然后送入制浆机中，按每吨玉米秆计算添加40千克氢氧化钠和10千克裂解酶，加热至98℃，保温制浆60分钟，制浆过程中制浆的搅拌器以每分钟13-30转的转速进行搅拌；
(4) 按每吨玉米秆计算添加50千克过氧化氢酶，反应20分钟，去除植物细胞的过氧化氢；
(5) 用盐酸调节纸浆pH值至6-7，出浆，出浆率95%，白度80以上；
(6) 从制浆机出来的纸浆用高浓磨浆机磨浆乳化，获得更加细腻的纸浆；
(7) 采用浆板机将纸浆制成板、颗粒或浆糊状成品，方便储存和运输。
本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。本发明的上述实施例都只能认为是对本发明的说明而不是限制，凡是依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种酶解法制造纸浆的工艺，其特征是，包括以下步骤：
(1) 以草本植物和/或禾本植物的秸秆为原料，切段，去杂质并清洗；
(2) 洗净的草本植物和/或禾本植物的秸秆段送入揉丝机中切碎得到碎料；
(3) 将所述碎料加入水混合后送入一体化制浆机中，加热升温并加入碱和裂解酶进行酶解制浆；
(4) 加入过氧化氢酶反应10~30分钟，去除植物细胞的过氧化氢，对浆料进行漂白处理；
(5) 调节浆料pH值至6-7，出浆；
所述的一体化制浆机包括制浆罐（1）、助剂管（2）、加热装置和两套搅拌器；制浆罐（1）包括罐体和罐盖，罐盖上设置进料口（4），进料口（4）处设置单向盖；罐体的侧壁为双层结构，夹层中设有保温棉，罐体底部设置四个支撑脚（14）以及两个轴承（15），其中部设置出料口（6），出料口（6）处设置自动控制阀门；两套搅拌器均包括搅拌桨（3）和驱动装置；每套搅拌器的驱动装置由电机（11）和减速机（12）构成；各套搅拌器的搅拌桨（3）沿竖向方向安装在罐体内，其两端分别安装在罐盖和罐体底部的轴承（15）上，搅拌桨（3）的搅拌轴（31）上端部穿出罐盖与设置罐盖上的减速机（12）连接；搅拌桨（3）的搅拌轴（31）为中空管，该中空管上端口与位于减速机上方的进汽接口（13）连通，用于与蒸汽源连通；该中空管的下段管段的管壁上设置数个蒸汽孔（33），在制浆原料需要加热时往搅拌轴（31）中通入蒸汽进行加热升温，搅拌轴（31）构成加热装置。
2.根据权利要求1酶解法制造纸浆的工艺，其特征是，所述草本/禾本植物的秸秆包括芦苇、竹子、小麦、玉米、油菜、棉花、甘蔗、水稻或高粱的秸秆。
3.根据权利要求1酶解法制造纸浆的工艺，其特征是，还包括磨浆步骤，即从制浆机出来的浆料采用高浓磨浆机磨浆乳化，获得更加细腻的纸浆。
4.根据权利要求3酶解法制造纸浆的工艺，其特征是，还包括纸浆成品制作步骤，即采用浆板机将纸浆制成板、颗粒或浆糊状。
5.根据权利要求1或2或3或4酶解法制造纸浆的工艺，其特征是，所述的裂解酶的添加量为原料干重的0.1~1%。
6.根据权利要求5酶解法制造纸浆的工艺，其特征是，所述过氧化氢酶的添加量为原料干重的2~12%。
7.根据权利要求6酶解法制造纸浆的工艺，其特征是，所述步骤(3)中，碎料和水的比例为1﹕4~6。
8.根据权利要求6酶解法制造纸浆的工艺，其特征是，所述步骤(3)中，将碎料和水构成的物料加热至40~110℃，裂解酶与物料反应时间30~60分钟。
9.根据权利要求6酶解法制造纸浆的工艺，其特征是，所述步骤(4)中，浆料中加入消泡剂去除气泡。
10.根据权利要求6酶解法制造纸浆的工艺，其特征是，所述步骤(4)中，浆料中加入pH调整剂，所述pH调整剂的添加量为原料干重0.1~2%。
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