CN109629318B - 一种麦草叶制备生物机械浆的方法 - Google Patents

一种麦草叶制备生物机械浆的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种麦草叶制备生物机械浆的方法，包括：S1、将经预处理的麦草叶切段加水进行热水处理；S2、向经步骤S1处理后的混合物中加碱，调整溶液pH为10‑14，使麦草叶中溶出少部分的半纤维素、木素和果胶等物质，在麦草叶饱水软化的同时，在处理结束的时候控制麦草的pH值为7‑9；S3、向经步骤S2处理后的麦草中加入碱性生物酶进行酶解处理；S4、将经步骤S3酶解处理后的麦草叶进行磨浆处理制备生物机械浆。本发明首次提出以麦草叶为原料，采用热水协同碱性复合生物酶工艺制备高得率原色生物机械浆，从而达到生产原色包装类纸和纸基材料的要求。制备方法简便、绿色清洁，具有良好的实际应用之价值和工业化应用之前景。

Description

一种麦草叶制备生物机械浆的方法
技术领域
本发明属于造纸技术与新材料技术领域，尤其涉及一种麦草叶制备生物机械浆的方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
2016年我国纸浆进口达2106万吨，废纸进口达2850万吨，造纸纤维原料的进口依赖程度接近50％，废纸的大量进口弥补了我国纤维原料的缺口，支撑了造纸业的发展。2017年4月中央发布了《关于禁止洋垃圾入境推进固体废物进口管理制度改革实施方案》，明确规定从今年底起我国将禁止进口未经分选的废纸。2018年废纸进口总额为2017年的33％，到2020年，我国禁止进口废纸。我国正面临着每年的缺少2600万吨左右的造纸原料。传统造纸行业资源短缺的问题将进一步突显。研究开发新的造纸原料迫在眉睫，为此研究者，在可循环可再生的草类原料中挖掘发现，寻找新的造纸原料。
在以往传统的造纸过程，麦草秸秆曾作为重要的造纸原料，而麦草秸秆中的麦草叶往往要求在备料过程中尽可能去除，这是由于尽管麦草叶中半纤维素含量较多，但不易打浆。具体的，由于麦草叶中的纤维短，而杂细胞含量多，次生壁外层较厚，且与次生壁中层粘结较紧，故在打浆过程中很难除掉，因此造成纤维的吸水润涨和细纤维化都非常困难。如果在打浆中过分要求其细纤维化，必然造成纤维的过度切断，不仅影响成纸的强度，而且在抄纸时滤水困难。但是去除麦草叶不仅造成了备料的成本增加，同时也极大降低了麦草原料的利用率。因此，亟需研发一种清洁、高效的以麦草叶为原料的制浆工艺。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种麦草叶制备生物机械浆的方法，本发明首次提出以麦草叶为原料，采用热水协同碱性复合生物酶工艺制备高得率原色生物机械浆，从而达到生产原色包装类纸和纸基材料的要求。本发明制备方法简便、绿色清洁无污染，具有良好的实际应用之价值和工业化应用之前景。
本发明的目的之一在于提供一种麦草叶制备生物机械浆的方法。
本发明的目的之二在于提供上述方法制备得到的生物机械浆。
本发明的目的之三在于提供上述生物机械浆的应用。
为实现上述目的，本发明涉及以下技术方案：
本发明的第一个方面，提供一种麦草叶制备生物机械浆的方法，所述方法包括：
S1、将经预处理的麦草叶切段加水进行热水处理；
S2、向经步骤S1处理后的混合物中加碱，调整溶液pH为10-14，使麦草叶中溶出少部分的半纤维素、木素和果胶等物质，在麦草叶饱水软化的同时，在处理结束的时候控制麦草的pH值为7-9；
S3、向经步骤S2处理后的麦草叶中加入碱性生物酶进行酶解处理；
S4、将经步骤S3酶解处理后的麦草叶进行磨浆处理制备生物机械浆。
进一步的，所述步骤S1中，预处理方式为物理筛选除尘；麦草叶切成3-8cm小段；液比控制为1kg：4～8L；温度控制为80-100℃，处理时间控制为15～60min；
进一步的，所述步骤S3中，酶解处理条件具体为：温度控制40～60℃，碱性生物酶是为木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是：10-80IU/mL，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为(2～3)：(1～2)：1；液比控制在1kg：3-8L；同时进行间隔式混合搅拌处理；从而使麦草叶与生物酶充分作用，用于进一步软化麦草叶纤维原料；
进一步的，所述步骤S4中，磨浆处理工艺具体为：进行高浓磨浆，采用一段或两段磨浆，磨浆间隙为0.1-0.6mm。
进一步的，所述步骤S4中，磨浆洗涤水采用多效蒸发器处理，回收热能用于步骤S1的热水预处理段；回收的固体残渣用于生物质发电。
本发明的第二个方面，提供上述方法制备得到的生物机械浆。
本发明的第三个方面，提供上述生物机械浆在生产原色包装纸和纸基材料中的应用。
进一步的，所述应用具体为：将麦草叶生物机械浆经疏解、抄制成型，得瓦楞纸原纸和/或箱板纸非面层。
本发明的有益效果为：本发明以麦草叶为原料，在整个生物机械浆的制备过程中，通过合理优化制备过程和步骤，仅仅采用了热水、微量碱和碱性生物酶，待磨浆完成时生物机械浆的pH值接近中性，且获得的生物机械浆得率较高(60～76％)，打破了以往麦草叶不适合成浆的而在备料过程中除去的做法，极大了提高了麦草利用率，与传统的机械浆相比较，可节省磨浆能耗40％以上，且各项物理指标达到了生产包装纸和纸基材料的要求。
在本发明中，磨浆洗涤水采用多效蒸发器处理，回收固体残渣用于生物质发电，回收热能在用于热水预处理段，整个生产过程无需碱回收，从源头上避免了对环境的污染。本发明制备方法简单，绿色环保节能，符合国家资源节约、经济循环、节能减排的产业政策，能够产生良好的社会效益、经济效益和生态效益，因此具有良好的实际应用之价值和工业化应用之前景。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如前所述，在以往传统的造纸过程，麦草秸秆曾作为重要的造纸原料，而麦草秸秆中的麦草叶往往要求在备料过程中尽可能去除，这是由于尽管麦草叶中半纤维素含量较多，但非常不易打浆。
有鉴于此，本发明的一种具体实施方式中，提供一种麦草叶制备生物机械浆的方法，所述方法包括：
S1、将经预处理的麦草叶切段加水进行热水处理；
S2、向经步骤S1处理后的混合物中加碱，调整溶液pH为10-14，使麦草叶中溶出少部分的半纤维素、木素和果胶等物质，在麦草叶饱水软化的同时，在处理结束的时候控制麦草的pH值为7-9；
S3、向经步骤S2处理后的麦草叶中加入碱性生物酶进行酶解处理；
S4、将经步骤S3酶解处理后的麦草叶进行磨浆处理制备生物机械浆。
本发明的又一具体实施方式中，所述步骤S1中，预处理方式为物理筛选除尘；麦草叶切成3-8cm小段；液比控制为1kg：4～8L；温度控制为80-100℃，处理时间控制为15～60min；本发明将麦草叶切段，同时通过控制液比、蒸煮温度和时间先行蒸煮一段时间，能够有利于麦草叶达到饱水软化程度；
本发明的又一具体实施方式中，所述碱为NaOH或KOH；
本发明的又一具体实施方式中，所述步骤S3中，酶解处理条件具体为：温度控制40～60℃，碱性生物酶是为木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是：10-80IU/mL，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为(2～3)：(1～2)：1；液比控制在1kg：3-8L；同时进行搅拌处理，转速为120～150rpm；从而使麦草叶与生物酶充分作用，用于进一步软化麦草叶纤维原料；
本发明的又一具体实施方式中，所述步骤S4中，磨浆处理工艺具体为：使用KPF系列高浓盘磨机进行高浓磨浆，采用一段或两段磨浆，磨浆间隙为0.1-0.6mm；
本发明的又一具体实施方式中，所述步骤S4中，磨浆洗涤水采用多效蒸发器处理，回收热能用于步骤S1的热水预处理段；回收的固体残渣用于生物质发电。
本发明的又一具体实施方式中，提供上述方法制备得到的生物机械浆。
本发明的又一具体实施方式中，提供上述生物机械浆在生产原色包装纸和纸基材料中的应用。
本发明的又一具体实施方式中，所述应用具体为：将麦草叶生物机械浆经疏解、抄制成型，得瓦楞纸原纸和/或箱板纸非面层。
以下通过实施例对本发明做进一步解释说明，但不构成对本发明的限制。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件进行。本发明中采用的生物酶来自山东隆科特酶制剂有限公司、诺维信生物酶制剂中国公司。各实施例中使用的麦草叶的主要成分及含量如下：综纤维素含量约为63.35％，半纤维素含量约为14.33％，酸不溶木素约为6.11％，酸溶木素约为2.85％，苯醇抽出物约为9.81％，灰分约为9.99％。
实施例1
一种麦草叶制备生物机械浆的工艺，该实施案例制备生物机械浆，并测试其制备成浆性能。
(1)把物理挑选除尘后的麦草叶切成4cm的小段原料，放入常温处理器或反应釜中，按照1：4的液比对麦草叶进行热水处理，温度在100℃，处理时间30min。
(2)对反应釜或处理器中的热水和麦草叶混合物中加入微量的NaOH，调节热水的pH值在14，使麦草中溶出少部分的半纤维素、木素和果胶等物质，在麦草叶饱水软化的同时，在处理结束的时候麦草叶含水的pH值达到8。
(3)把饱水软化的麦草叶与碱性生物酶在生物处理器或生物反应器中处理60min，温度控制在55℃，液比控制在1:5，不断搅拌混合麦草叶，使麦草叶与生物酶充分作用，进一步软化麦草叶的纤维。碱性生物酶是为木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是：50IU/mL，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为2：1：1。
(4)把生物处理后的麦草叶用磨浆机进行磨浆，使纸浆打浆度达到40°SR。
(5)把磨浆好的麦草叶生物机械浆在经纤维疏解器疏解使其均匀混合，然后在纸页成型器上抄制成型60g/m2的原色瓦楞原纸。然后测定其物理强度。各项物理指标均达到了生产原色瓦楞原纸包装纸的要求。
把经过酶处理的麦草叶鞘与仅经过纤维素酶和果胶酶处理(酶活比例1:1，总用量是：40IU/mL)的麦草叶鞘在其他工艺不变的情况下，作为对照样进行对比试验，获得的机械浆作为对比样。
表1一种麦草叶制备生物机械浆的工艺
Figure BDA0001931055940000051
实施例2
一种麦草叶制备生物机械浆的工艺，该实施案例制备生物机械浆，并测试其制备成浆性能。
(1)把物理挑选除尘后的麦草叶切成3cm的小段原料放入常温处理器或反应釜中，按照1:5的液比对麦草叶进行热水处理，温度在100℃，处理时间40min。
(2)对反应釜或处理器中的热水和麦草叶混合物中加入微量的NaOH，调节热水的pH值在13，使麦草中溶出少部分的半纤维素、木素和果胶等物质，在麦草叶饱水软化的同时，在处理结束的时候麦草叶含水的pH值达到8。
(3)把饱水软化的麦草叶与碱性生物酶在生物处理器或生物反应器中处理50min,温度控制在50℃，液比控制在1:6，不断搅拌混合麦草叶，使麦草叶与生物酶充分作用，进一步软化麦草叶的纤维。碱性生物酶是为木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是：50IU/mL，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为12：8：5。
(4)把生物处理后的麦草叶用磨浆机进行磨浆，使纸浆打浆度达到38°SR。
(5)把磨浆好的麦草叶生物机械浆在经纤维疏解器疏解使其均匀混合，然后在纸页成型器上抄制成型70g/m2的原色瓦楞原纸。然后测定其物理强度。各项物理指标均达到了生产原色瓦楞原纸包装纸的要求。
把经过酶处理的麦草叶鞘与仅经过木聚糖酶和果胶酶处理(酶活比例12:5，总用量是：50IU/mL)的麦草叶鞘，在其他工艺不变的情况下，作为对照样进行对比试验，获得的机械浆作为对比样。
表2一种麦草叶制备生物机械浆的工艺
Figure BDA0001931055940000061
实施例3
一种麦草叶制备生物机械浆的工艺，该实施案例制备生物机械浆，并测试其制备成浆性能。
(1)把物理挑选除尘后的麦草叶切成5cm的小段原料，放入常温处理器或反应釜中，按照1:4的液比对麦草叶进行热水处理，温度在95℃，处理时间60min。
(2)对反应釜或处理器中的热水和麦草叶混合物中加入微量的KOH，调节热水的pH值在14，使麦草中溶出少部分的半纤维素、木素和果胶等物质，在麦草叶饱水软化的同时，在处理结束的时候麦草叶含水的pH值达到8。
(3)把饱水软化的麦草叶与碱性生物酶在生物处理器或生物反应器中处理70min,温度控制在55℃，液比控制在1:5，不断搅拌混合麦草叶，使麦草叶与生物酶充分作用，进一步软化麦草叶的纤维。碱性生物酶是为木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是：50IU/mL，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为12：8：5。
(4)把生物处理后的麦草叶用磨浆机进行磨浆，使纸浆打浆度达到42°SR。
(5)把磨浆好的麦草叶生物机械浆在经纤维疏解器疏解使其均匀混合，然后在纸页成型器上抄制成型60g/m2的原色瓦楞原纸。然后测定其物理强度。各项物理指标均达到了生产原色瓦楞原纸包装纸的要求。
把经过酶处理的麦草叶鞘与复合酶(配比为1:1:1，总用量是：50IU/mL)的麦草叶鞘，在其他工艺不变的情况下，作为对照组进行对比试验，获得的机械浆作为对比样。
表3一种麦草叶制备生物机械浆的工艺
Figure BDA0001931055940000071
实验例4
(1)把物理挑选除尘后的麦草叶切成4cm的小段原料，放入常温处理器或反应釜中，按照1：4的液比对麦草叶进行热水处理，同时加入微量NaOH，调节热水的pH值在14，温度在100℃，处理时间30min，在处理结束的时候麦草叶含水的pH值达到8。
(2)把饱水软化的麦草叶与碱性生物酶在生物处理器或生物反应器中处理60min,温度控制在55℃，液比控制在1:4，不断搅拌混合麦草叶，使麦草叶与生物酶充分作用，进一步软化麦草叶的纤维。碱性生物酶是为木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是：50IU/mL，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为2：1：1。
(3)把生物处理后的麦草叶用磨浆机进行磨浆，使纸浆打浆度达到40°SR。
(4)把磨浆好的麦草叶生物机械浆在经纤维疏解器疏解使其均匀混合，然后在纸页成型器上抄制成型60g/m2的原色瓦楞原纸。然后测定其物理强度。各项物理指标均达到了生产原色瓦楞原纸包装纸的要求。
表4一种麦草叶制备生物机械浆的工艺
Figure BDA0001931055940000081
应注意的是，以上实例仅用于说明本发明的技术方案而非对其进行限制。尽管参照所给出的实例对本发明进行了详细说明，但是本领域的普通技术人员可根据需要对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种麦草叶制备生物机械浆的方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、将经预处理的麦草叶切段加水进行热水处理；
S2、向经步骤S1处理后的混合物中加碱，调整溶液pH为10-14，使麦草叶中溶出少部分的半纤维素、木素和果胶物质，在麦草叶饱水软化的同时，在处理结束的时候控制麦草的pH值为7-9；
S3、向经步骤S2处理后的麦草叶中加入碱性生物酶进行酶解处理；
S4、将经步骤S3酶解处理后的麦草叶进行磨浆处理制备生物机械浆；
所述步骤S3中，酶解处理条件具体为：温度控制40～60℃，碱性生物酶是为木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是：10-80IU/mL，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为(2～3)：(1～2)：1；液比控制在1kg：3-8L。
2.如权利要求1所述的一种麦草叶制备生物机械浆的方法，其特征在于，所述步骤S1中，预处理方式为物理筛选除尘；麦草叶切成3-8cm小段。
3.如权利要求1所述的一种麦草叶制备生物机械浆的方法，其特征在于，所述步骤S1中，液比控制为1kg：4～8L。
4.如权利要求1所述的一种麦草叶制备生物机械浆的方法，其特征在于，所述步骤S1中，温度控制为80-100℃，处理时间控制为15～60min。
5.如权利要求1所述的一种麦草叶制备生物机械浆的方法，其特征在于，所述步骤S3中，液比控制在1kg：3-8L，同时进行混合搅拌处理。
6.如权利要求1所述的一种麦草叶制备生物机械浆的方法，其特征在于，所述步骤S4中，磨浆处理工艺具体为：进行高浓磨浆，采用一段或两段磨浆，磨浆间隙为0.1-0.6mm。
7.如权利要求1所述的一种麦草叶制备生物机械浆的方法，其特征在于，所述步骤S4中，磨浆洗涤水采用多效蒸发器处理，回收热能用于步骤S1的热水预处理段；回收的固体残渣用于生物质发电。
8.权利要求1-7任一项所述方法制备得到的生物机械浆。
9.权利要求8所述生物机械浆在生产纸基材料中的应用。
10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，所述纸基材料为原色包装纸。
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