CN113265898B - 一种利用木聚糖酶与果胶酶进行小麦秸秆制浆的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物技术领域，涉及一种利用木聚糖酶与果胶酶进行小麦秸秆制浆的方法，包括：对小麦秸秆进行润胀处理；将润胀处理后的小麦秸秆在碱性溶液中进行处理，然后调节pH至中性；在中性条件下，采用木聚糖酶与果胶酶的混合液对上述碱性溶液处理后的浆料进行酶处理、磨浆，即得。本发明的制浆方式以农业废弃物——小麦秸秆作为主要原料，对于生物质资源的循环利用有重要意义，利用木聚糖酶与果胶酶联合处理，减少了化学试剂的用量，降低了制浆能耗；同时，取消了原料的蒸煮过程，在常温常压的条件下就能得到目标打浆度。

Description

一种利用木聚糖酶与果胶酶进行小麦秸秆制浆的方法
技术领域
本发明属于生物技术领域，是一种利用生物酶在常温常压下进行小麦秸秆制浆的制浆方式。
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。
造纸工业面临着能源紧张、环境压力大、造纸原料匮乏等世界性难题，亟需改革转型。现代以来，造纸原料以木材为主，但是，我国的木材资源日渐短缺，近些年木材资源越来越依赖于进口，因此，要加快寻找其他造纸材料来代替木材，以避免不受控制的森林砍伐及随之而来的生态问题。以非木材纤维原料进行制浆的污染相对于木材纤维原料来说污染严重，非木材纤维原料制浆得到的废液一般是采用碱法回收处理，对于废液中一些可以进行重复利用的物质进行回收利用。但是，“先污染再治理”终归不是一种很好的解决方式，不管是处理成本，还是人力物力，对于小规模的造纸厂来说都是巨大的压力，因此，需要从根源上解决问题，从制浆工艺开始改进，尽可能地减少废液污染，这不管是对于环境保护还是人类发展，都具有重要意义。
机械制浆以及化学制浆是制浆造纸行业中被普遍采用的两种制浆方式，两者往往结合使用。机械制浆的能耗较高，因此，人们一直需求能够有效降低能耗的制浆方法。此外，由于化学制浆过程中化学试剂的添加，导致自然界很多有毒物质的排放，这些有毒物质对于动物及人类的危害极大。
生物酶制剂具有反应条件温和、反应效率高的优势，在制浆造纸行业中还可以达到节约资源、降低制浆能耗的目的。此外，生物制浆过程中酶的添加会在一定程度上增加纸浆的亮度，改善纸浆的强度性能。总之，利用酶制剂对制浆原料进行处理，反应过程简单可控，温度和pH值的变化不会对纤维素聚合度产生太大的影响，生产成本较高，总体来说，投入生产的可能性更大。
发明内容
针对化学机械制浆存在的环境污染与高能耗问题，本发明根据实际情况建立了一种在常温常压条件下进行制浆的方式，该制浆方式的优势在于：降低了化学试剂的添加量，从而减少了有害物质的排放；同时酶的添加使得制浆能耗降低。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种利用木聚糖酶与果胶酶进行小麦秸秆制浆的方法，包括：
对小麦秸秆进行润胀处理；
将润胀处理后的小麦秸秆在碱性溶液中进行处理，然后调节pH至中性；
在中性条件下，采用木聚糖酶与果胶酶的混合液对上述碱性溶液处理后的浆料进行酶处理、磨浆，即得。
研发发现：在常温常压以及中性条件下，采用润胀、KOH处理以及酶处理的结合工艺进行制浆，对于减少制浆污染，降低制浆能耗有着一定的应用价值。
本发明的第二个方面，提供了任一上述的方法制备的纸浆。
本发明的第三个方面，提供了木聚糖酶与果胶酶的混合物在小麦秸秆制浆中的应用。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的制浆方式以农业废弃物——小麦秸秆作为主要原料，对于生物质资源的循环利用有重要意义，利用木聚糖酶与果胶酶联合处理，减少了化学试剂的用量，降低了制浆能耗；同时，取消了原料的蒸煮过程，在常温常压的条件下就能得到目标打浆度。
(2)本申请的操作方法简单、成本低、具有普适性，易于规模化生产。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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。
术语解释
本发明中“转数”是指：磨浆过程的总转数。
一种利用木聚糖酶与果胶酶进行小麦秸秆制浆的方法，包括以下步骤：
(1)将自然风干后的小麦秸秆与水按照1:8的比例放置于水浴锅下进行2h的润胀处理；
(2)添加1.5％的氢氧化钾(KOH)溶液进行处理，放置1h后利用磷酸溶液调节pH至中性；
(3)中性条件下，在适当的温度下添加木聚糖酶与果胶酶的混合液，添加量分别为10U/g绝干浆，反应30min；
(4)利用磨浆机对处理好的样品进行研磨处理，转数设定为3000r。
以上仅仅是初步确定的工艺路程，工艺流程中的参数可以适当调整。
在一些实施例中，所述润胀处理中，小麦秸秆与水的体积比为1：6～10，优选为1：8。
润胀是制浆的重要过程。润胀过程中，小麦秸秆中的纤维素以及半纤维素中所含有的羟基与水分子产生作用，水分子进入纤维素的非结晶区，并与吸附的水分子形成氢键，这是由于无定形区相对不规则，易于吸附水分子的特征导致的。润胀时纤维素分子链间的间距变大，纤维素的比容与比表面积增加，纤维直径膨大，纤维变形，有利于后续制浆。
在一些实施例中，润胀处理的时间为1～3h，优选为2h。
在一些实施例中，碱性溶液为氢氧化钾溶液，优选的，氢氧化钾溶液的摩尔浓度为1.5％。KOH在水中电离，生成了K+和OH-，OH-在较高的温度下，作用于木质素分子酚型结构，使得其中的ct-芳香醚键(X-烷基键)断裂，还能使非酚型结构中的P-芳香醚键和甲基芳基醚键断裂，从而使木质素分子变小，并在较小的木质素分子中引进亲水基团，使木质素溶解到浆液中，从而脱离纤维。
在一些实施例中，在碱性溶液中的处理时间为0.8～1.2h，优选为1h。
在一些实施例中，所述木聚糖酶与果胶酶的混合液中，酶的总用量为10U/g绝干浆，木聚糖酶与果胶酶的比例为1：1～2。
在一些实施例中，所述酶处理的时间为20～40min，优选为30min。
在一些实施例中，磨浆的转数为2500～3000r，优选为2500r或2850r。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1：
(1)将自然风干后的小麦秸秆与水按照1:7的比例放置于水浴锅下进行2h的润胀处理；
(2)添加2.0％的氢氧化钾(KOH)溶液进行处理，放置1h后利用磷酸溶液调节pH至中性；
(3)中性条件下，在80℃下添加木聚糖酶与果胶酶的混合液，其中，木聚糖酶与果胶酶的添加比例皆为1:1，添加量都为10U/g绝干浆，反应30min；
(4)利用磨浆机对处理好的样品进行研磨处理，转数设定为2500r。
经过上述步骤处理测得的纸浆打浆度为44.33°SR。
实施例2：
(1)将自然风干后的小麦秸秆与水按照1:7.56的比例放置于水浴锅下进行2h的润胀处理；
(2)添加1.75％的氢氧化钾(KOH)溶液进行处理，放置1h后利用磷酸溶液调节pH至中性；
(3)中性条件下，在80℃下添加木聚糖酶与果胶酶的混合液，其中，木聚糖酶与果胶酶的添加比例皆为1:1，添加量都为10U/g绝干浆，反应30min；
(4)利用磨浆机对处理好的样品进行研磨处理，转数设定为2850r。
经过上述步骤处理测得的纸浆打浆度为43°SR。
实施例3：
与实施例1相比，在其他因素不变的情况下，调整转数，测试其与打浆度的关系，结果表明：当转数达到2000-3000r时，就可以达到40-45°SR，这与工厂的正常需求相同。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (12)

1.一种利用木聚糖酶与果胶酶进行小麦秸秆制浆的方法，其特征在于，包括：
对小麦秸秆进行润胀处理，所述润胀处理中，小麦秸秆与水的体积比为1：6~10；
将润胀处理后的小麦秸秆在碱性溶液中进行处理，然后调节pH至中性，所述碱性溶液为氢氧化钾溶液；
在中性条件下，采用木聚糖酶与果胶酶的混合液对上述碱性溶液处理后的浆料进行酶处理、磨浆，即得；
所述木聚糖酶与果胶酶的混合液中，酶的总用量为10 U/g绝干浆，木聚糖酶与果胶酶的比例为1：1~2。
2.如权利要求1所述的利用木聚糖酶与果胶酶进行小麦秸秆制浆的方法，其特征在于，所述润胀处理中，小麦秸秆与水的体积比为1：8。
3.如权利要求1所述的利用木聚糖酶与果胶酶进行小麦秸秆制浆的方法，其特征在于，润胀处理的时间为1~3h。
4.如权利要求3所述的利用木聚糖酶与果胶酶进行小麦秸秆制浆的方法，其特征在于，所述润胀处理的时间为2h。
5.如权利要求1所述的利用木聚糖酶与果胶酶进行小麦秸秆制浆的方法，其特征在于，所述氢氧化钾溶液的摩尔浓度为1.5%。
6.如权利要求1所述的利用木聚糖酶与果胶酶进行小麦秸秆制浆的方法，其特征在于，在碱性溶液中的处理时间为0.8~1.2h。
7.如权利要求6所述的利用木聚糖酶与果胶酶进行小麦秸秆制浆的方法，其特征在于，所述在碱性溶液中的处理时间为1h。
8.如权利要求1所述的利用木聚糖酶与果胶酶进行小麦秸秆制浆的方法，其特征在于，所述酶处理的时间为20~40min。
9.如权利要求8所述的利用木聚糖酶与果胶酶进行小麦秸秆制浆的方法，其特征在于，所述酶处理的时间为30min。
10.如权利要求1所述的利用木聚糖酶与果胶酶进行小麦秸秆制浆的方法，其特征在于，磨浆的转数为2500~3000 r。
11.如权利要求10所述的利用木聚糖酶与果胶酶进行小麦秸秆制浆的方法，其特征在于，所述磨浆的转数为2500 r或2850 r。
12.权利要求1-11任一项所述的方法制备的纸浆。
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