一種高效低耗清潔型麥草生物制漿工藝的制作方法

專利名稱：一種高效低耗清潔型麥草生物制漿工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及造紙工業(yè)進(jìn)行麥草制漿實(shí)用的高效低耗清潔型生產(chǎn)工藝。
背景技術(shù)：
(一)國(guó)內(nèi)外制漿造紙工業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)造紙工業(yè)在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮的作用已越來(lái)越大。在美國(guó)、日本、加拿大、芬蘭、瑞典等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家，造紙工業(yè)已成為其國(guó)民經(jīng)濟(jì)十大支柱制造業(yè)之一。
我國(guó)制漿工業(yè)中非木材漿占總漿量的80％以上，草漿的生產(chǎn)，仍以堿法(包括硫酸鹽法)為主。目前，我國(guó)造紙產(chǎn)業(yè)存在諸多問題，主要是污染治理負(fù)擔(dān)重、高檔紙漿比重低、中高檔紙生產(chǎn)能力不足、企業(yè)規(guī)模小以及建設(shè)投資不足。傳統(tǒng)的化學(xué)試劑蒸煮法是將化學(xué)試劑配成一定濃度的溶液，然后把麥草浸泡其中并加熱蒸煮數(shù)小時(shí)，用以除去非纖維素而提取純凈纖維的過程。該方法不僅消耗大量化工原料和能源，而且損傷纖維產(chǎn)量和品質(zhì)、嚴(yán)重污染環(huán)境。
隨著生物技術(shù)的發(fā)展，人們應(yīng)用微生物對(duì)麥草的制漿工藝進(jìn)行了廣泛研究。研究表明，具有降解草本纖維原料中非纖維素物質(zhì)能力的微生物廣泛存在于自然界，真菌中以鐮刀菌、根霉菌、曲霉以及一些擔(dān)子菌為主，細(xì)菌有鼓槌狀芽孢桿菌、淀粉芽孢桿菌、柯氏芽孢桿菌、假單孢桿菌、枯草芽孢桿菌、歐文氏芽孢桿菌等。但迄今為止，利用微生物降解草本纖維原料中50％以上非纖維素物質(zhì)，即真正達(dá)到生物制漿實(shí)用水平的研究報(bào)道，除了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所以外，幾乎未見國(guó)內(nèi)外其他單位或個(gè)人發(fā)表過相關(guān)報(bào)道。
中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所專業(yè)從事麻類生物脫膠研究30多年，不僅篩選出一大批麻類脫膠菌種，而且研究形成了一系列麻類生物脫膠的發(fā)明專利和鑒定成果。近年來(lái)，該所在國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目資助下，以原有發(fā)明專利保藏菌種T85-260為母體，通過現(xiàn)代生物技術(shù)手段育種獲得了一株工程菌株(本單位編號(hào)CXJZ95-198)。該菌株對(duì)苧麻、紅麻、亞麻、羅布麻等麻類作物以及龍須草、麥草、煙梗等草本植物纖維原料中的非纖維素物質(zhì)具有很強(qiáng)的降解能力，先后形成了“一種高效節(jié)能清潔型紅麻韌皮生物制漿工藝”(專利申請(qǐng)?zhí)?2108682.6)、“一種草本纖維工廠化脫膠或制漿用高效菌劑制備方法”(專利號(hào)ZL02108820.9)、“一種工廠化條件下龍須草/紅麻韌皮生物制漿工藝”(專利申請(qǐng)?zhí)?3102808.X)等三項(xiàng)發(fā)明專利以及“高效清潔型紅麻韌皮脫膠技術(shù)”(農(nóng)科果鑒 第032號(hào))、“高效節(jié)能型龍須草生物制漿技術(shù)”(湘科鑒 第021號(hào))、“亞麻快速生物脫膠技術(shù)”(農(nóng)科果鑒 第024號(hào))等三項(xiàng)鑒定成果。
采用生物技術(shù)降解草本纖維原料中果膠、半纖維素、木質(zhì)素的方法，是造紙工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。生物降解法不僅可以確保纖維產(chǎn)量和品質(zhì)，而且可以降低生產(chǎn)成本、減輕環(huán)境污染。
(二)擬解決的問題本項(xiàng)目的目的在于以微生物分泌的酶催化麥草中果膠、半纖維素、木質(zhì)素等非纖維素物質(zhì)降解的作用替代以燒堿蒸煮為中心的化學(xué)反應(yīng)，解決傳統(tǒng)制漿方法存在的消耗大量化工原料和能源、損傷纖維產(chǎn)量和品質(zhì)、嚴(yán)重污染環(huán)境等突出問題，為進(jìn)一步構(gòu)建草本纖維生物制漿工藝研究的技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)，推動(dòng)我國(guó)制漿造紙行業(yè)的技術(shù)革命奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
本項(xiàng)目擬解決的關(guān)鍵性技術(shù)涉及以下2個(gè)方面、6個(gè)內(nèi)容1、怎樣利用高效菌劑快速除去草料中50％以上的非纖維素物質(zhì)(1)采用活菌發(fā)酵方式有利于降低生產(chǎn)成本。將“高效菌劑”活化以后直接接種到草料上進(jìn)行發(fā)酵，既可以增強(qiáng)生物制劑對(duì)草料中非纖維素物質(zhì)的.“攻擊性”(經(jīng)過“非纖維素物質(zhì)培養(yǎng)菌-菌分泌酶-酶降解非纖維素物質(zhì)”的螺旋式生化反應(yīng)，能“定向爆破”果膠、半纖維素及部分木質(zhì)素等非纖維素物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)，使之發(fā)生“塊狀崩潰”)，而且可以實(shí)現(xiàn)2個(gè)目標(biāo)一是消耗部分非纖維素物質(zhì)(減輕污染)，二是減少進(jìn)一步制備復(fù)合酶制劑的費(fèi)用。
(2)高效菌劑活化應(yīng)該盡可能實(shí)現(xiàn)時(shí)間短效率高的目標(biāo)。采用活菌發(fā)酵方式降解草料中的非纖維素物質(zhì)，當(dāng)菌株的功能一定時(shí)，活菌數(shù)量越高發(fā)酵效果越好，這是毫無(wú)疑問的。那么，在高效菌劑的活化過程中，應(yīng)該盡可能滿足縮短微生物適應(yīng)期、保證微生物快速生長(zhǎng)所必需的工藝條件。由此可見，選擇合適的培養(yǎng)基配方、調(diào)節(jié)微生物生長(zhǎng)所需要的溫度、供氧量、pH等因素就顯得格外重要了。
(3)活菌發(fā)酵周期要控制在8h以內(nèi)需要保證工藝條件?；罹l(fā)酵周期長(zhǎng)于8h，不利于工廠化生產(chǎn)管理。從理論上分析，假定每個(gè)細(xì)菌重量為10-12克、每公斤草料吸附1010個(gè)菌體(即10毫克菌體)經(jīng)過4-6小時(shí)發(fā)酵，消耗200克以上的非纖維素物質(zhì)是有可能的。在麥草活菌發(fā)酵過程中的分解速率能否達(dá)到這個(gè)水平，必須同時(shí)滿足微生物的生長(zhǎng)繁殖需要的溫度、濕度、pH、營(yíng)養(yǎng)等以及酶促反應(yīng)需要的溫度、pH、金屬離子等活性劑。
(4)清除發(fā)酵草料附著的“塊狀崩潰”殘留物有利于減少后續(xù)工序的化工原料消耗?；罹l(fā)酵過程中，CXJZ95-198菌株分泌的各類酶可以“定向爆破”果膠、半纖維素及部分木質(zhì)素等非纖維素物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)，但這些物質(zhì)并沒有被微生物全部消耗，尤其是“塊狀崩潰”殘留物附著在發(fā)酵草料上，它們可以通過洗滌清除。如果不清除，肯定會(huì)導(dǎo)致后續(xù)工序化工原料消耗的增加。
2、如何使經(jīng)過發(fā)酵處理的草料變成質(zhì)量?jī)?yōu)于常規(guī)化學(xué)方法生產(chǎn)的麥草漿(1)采用“稀堿脫殼”可以彌補(bǔ)活菌發(fā)酵的不足。CXJZ95-198菌株分泌的各類酶可以高效降解果膠、半纖維素及部分木質(zhì)素等非纖維素物質(zhì)，但是，對(duì)于角質(zhì)化程度很高的麥草表皮組織(擬稱之為“殼”)幾乎沒有作用。根據(jù)常規(guī)化學(xué)制漿原理，探索在堿性條件下進(jìn)行“脫殼”的工藝，作為麥草生物制漿工藝的補(bǔ)充應(yīng)該是可行的。
(2)降低打漿強(qiáng)度有利于改善草漿品質(zhì)。通過草本纖維原料化學(xué)制漿原理與生物制漿原理的比較研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)制漿方法需要用17.5％NaOH+4％HBF4處理才能抽提出來(lái)的甘露糖(纖維素與非纖維素連接的“橋梁”或“紐帶”)在生物制漿工藝中全部被微生物徹底消耗了。這就是說(shuō)，經(jīng)過活菌發(fā)酵處理的草料，其纖維的分散度特別好，因此，在打漿工序里適度降低打漿強(qiáng)度對(duì)于改善草漿品質(zhì)肯定有好處。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明擬采用的技術(shù)方案涉及麥草生物制漿整個(gè)工藝，工藝過程包括高效菌劑活化、草料準(zhǔn)備、配液接種、濕潤(rùn)發(fā)酵、發(fā)酵草料的洗滌與脫水、稀堿脫殼、打漿、篩漿、漂白、磨漿等工序。
(一)高效菌劑活化取真空包裝保存的CXJZ95-198高效菌劑，按500ml/噸草料的接種量接入盛有魔芋-豆餅培養(yǎng)基的通氣攪拌發(fā)酵罐中，在35℃±1℃、攪拌頻率200rpm～380rpm、通氣量301/m3·min～3001/m3·min、罐內(nèi)壓力0.05mpa的條件下培養(yǎng)5～6hr，獲得活化菌懸液；魔芋-豆餅培養(yǎng)基的配方為過200目的魔芋粉和豆餅粉分別為0.5％和1.5％，酵母汁0.05％～0.10％。
(二)草料準(zhǔn)備將麥草原料進(jìn)行除雜.去渣、理齊后，剪切成3～5cm長(zhǎng)的小段，以利于微生物的吸附、侵染。
(三)配液接種按草料對(duì)菌懸液為1∶2±0.2的比例加自來(lái)水到配液桶并用蒸汽調(diào)節(jié)水溫到34℃±1℃，再添加0.1％的農(nóng)用復(fù)合肥，在添加活化菌懸液的同時(shí)攪拌混勻，然后將配好的菌懸液均勻噴灑到草料上，發(fā)酵容器裝料密度為100kg/m3±20kg/m3，草料含水率達(dá)到69％±1％、含菌量為1010cfu/kg，最后，瀝去余液。
(四)濕潤(rùn)發(fā)酵將接種后的草料置于溫度34℃±3℃、相對(duì)濕度85％±5％的條件下發(fā)酵7.0h±0.5h；發(fā)酵完成的標(biāo)志是草料軟化、表面呈蘭色，用手揉搓分散為單纖維。
(五)發(fā)酵草料的洗滌與脫水按草料干重2～3倍的比例向裝有草料的容器里注入80℃±5℃的溫水并循環(huán)沖洗草料15min～30min，然后，采用脫水機(jī)進(jìn)行脫水，或者使用0.2mpa的氣壓擠出草料游離水，使發(fā)酵草料含水率為60％±5％，草料干重得率為80％±2％。
(六)脫殼按草料干重3.0％±0.3％的比例對(duì)脫水后的草料噴灑濃度為2％的NaOH溶液，使草料含水率達(dá)到210％～230％，在容器內(nèi)蒸汽壓≤0.15mpa條件下，蒸煮2.0h±0.5h，或者在容器內(nèi)蒸汽壓≥0.55mpa條件下，蒸煮1.5h±0.5h，最終使?jié){料殘堿濃度在0.6g/l～2.0g/l之間，K值在10.5～13.8之間。
(七)噴漿或半漿噴漿工藝是在容器內(nèi)蒸汽壓≥0.55mpa條件下脫殼完成后，直接利用容器內(nèi)氣壓把漿料噴出；半漿工藝參數(shù)為打漿機(jī)下刀的砣重8.0kg～9.0kg，打漿時(shí)間40min±10min。
(八)篩漿粗篩孔徑為6mm，除渣率≤0.5％；細(xì)篩孔徑為2.2mm，除渣率≤5.0％。
(九)漂白漿料量800kg/槽，漂液用量10％～12％，白度69.2％～74.8％。
(十)磨漿時(shí)間35min，叩解度55以上。
四

本發(fā)明涉及的附圖為1-高效菌劑活化，2-草料準(zhǔn)備，3-配液接種，4-濕潤(rùn)發(fā)酵，5-發(fā)酵草料的洗滌與脫水，6-稀堿脫殼，7-噴漿或半漿，8-篩漿，9-漂白，10-磨漿。
五具體實(shí)施例方式
(一)技術(shù)方案本發(fā)明擬采用的技術(shù)方案涉及麥草生物制漿整個(gè)工藝，工藝過程包括高效菌劑活化、草料準(zhǔn)備、配液接種、濕潤(rùn)發(fā)酵、發(fā)酵草料的洗滌與脫水、稀堿脫殼、打漿、篩漿、漂白、磨漿等工序。
1.高效菌劑活化 取真空包裝保存的CXJZ95-198高效菌劑，按500ml/噸草料的接種量接入盛有魔芋-豆餅培養(yǎng)基的通氣攪拌發(fā)酵罐中，在35℃±1℃、攪拌頻率200rpm～380rpm、通氣量301/m3·min～3001/m3·min、罐內(nèi)壓力0.05mpa的條件下培養(yǎng)5～6hr，獲得活化菌懸液；魔芋-豆餅培養(yǎng)基的配方為過200目的魔芋粉和豆餅粉分別為0.5％和1.5％，酵母汁0.05％～0.10％。
2.草料準(zhǔn)備 將麥草原料進(jìn)行除雜去渣、理齊后，剪切成3～5c m長(zhǎng)的小段，以利于微生物的吸附、侵染。
3.配液接種 按草料對(duì)菌懸液為1∶2±0.2.的比例加自來(lái)水到配液桶并用蒸汽調(diào)節(jié)水溫到34℃±1℃，再添加0.1％的農(nóng)用復(fù)合肥，在添加活化菌懸液的同時(shí)攪拌混勻，然后將配好的菌懸液均勻噴灑到草料上，發(fā)酵容器裝料密度為100kg/m3±20kg/m3，草料含水率達(dá)到69％±1％、含菌量為1010cfu/kg，最后，瀝去余液。
4.濕潤(rùn)發(fā)酵 將接種后的草料置于溫度34℃±3℃、相對(duì)濕度85％±5％的條件下發(fā)酵7.0h±0.5h；發(fā)酵完成的標(biāo)志是草料軟化、表面呈蘭色，用手揉搓分散為單纖維。
5.發(fā)酵草料的洗滌與脫水 按草料干重2～3倍的比例向裝有草料的容器里注入80℃±5℃的溫水并循環(huán)沖洗草料15min～30min，然后，采用脫水機(jī)進(jìn)行脫水，或者使用0.2mpa的氣壓擠出草料游離水，使發(fā)酵草料含水率為60％±5％，草料干重得率為80％±2％。
6.脫殼 按草料干重3.0％±0.3％的比例對(duì)脫水后的草料噴灑濃度為2％的NaOH溶液，使草料含水率達(dá)到210％～230％，在容器內(nèi)蒸汽壓≤0.15mpa條件下，蒸煮2.0h±0.5h，最終使?jié){料殘堿濃度在0.6g/l～2.0g/l之間，K值在10.5～13.8之間。
7.打漿 半漿工藝參數(shù)為打漿機(jī)下刀的砣重8.0kg～9.0kg，打漿時(shí)間40min±10min。
8.篩漿 粗篩孔徑為6mm，除渣率≤0.5％；細(xì)篩孔徑為2.2mm，除渣率≤5.0％。
9.漂白 漿料量800kg/槽，漂液用量10％～12％，白度69.2％～74.8％。
10.磨漿 時(shí)間35min，叩解度55以上。
(二)實(shí)驗(yàn)規(guī)模與地點(diǎn)本實(shí)施例處理麥草批量為1～5kg/次，重復(fù)4次。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所中試車間。
(三)實(shí)施效果1.該發(fā)明具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、低污染等特點(diǎn)。與常規(guī)化學(xué)制漿工藝比較，①燒堿用量減少70％以上；②動(dòng)力能耗節(jié)省20％以上；③細(xì)漿得率提高5個(gè)百分點(diǎn)；④工業(yè)綜合廢水水質(zhì)單一，直接進(jìn)入生物氧化處理且易于達(dá)標(biāo)，污水處理成本節(jié)省約60％。
2.經(jīng)湖南省造紙產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)授權(quán)站檢測(cè)，采用本發(fā)明技術(shù)方案生產(chǎn)的麥草紙漿的品質(zhì)指標(biāo)接近闊葉木漿品質(zhì)，優(yōu)于傳統(tǒng)化學(xué)方法制漿品質(zhì)。定量47.4g/m2的紙張指標(biāo)為緊度為0.48g/cm3、耐破指數(shù)為3.69kpa.m2/g、撕裂指數(shù)為3.16mN.m2/g、斷裂長(zhǎng)為7.1km。
權(quán)利要求
1.一種高效低耗清潔型麥草生物制漿工藝，技術(shù)方案包括高效菌劑活化、原料準(zhǔn)備、配液接種、濕潤(rùn)發(fā)酵、發(fā)酵草料的洗滌與脫水、稀堿脫殼、打漿、篩漿、漂白、磨漿等；其技術(shù)特征在于“高效菌劑活化”是取真空包裝保存的CXJZ95-198高效菌劑，按500ml/噸草料的接種量接入盛有魔芋-豆餅培養(yǎng)基的通氣攪拌發(fā)酵罐中，在35℃±1℃、攪拌頻率200rpm～380rpm、通氣量30l/m3·min～300l/m3·min、罐內(nèi)壓力0.05mpa的條件下培養(yǎng)5～6hr，獲得活化菌懸液；魔芋-豆餅培養(yǎng)基的配方為過200目的魔芋粉和豆餅粉分別為0.5％和1.5％，酵母汁0.05％～0.10％。
2.如權(quán)利要求1所述的一種高效低耗清潔型麥草生物制漿工藝，其技術(shù)特征在于“配液接種”是按草料對(duì)菌懸液為1∶2±0.2的比例加自來(lái)水到配液桶并用蒸汽調(diào)節(jié)水溫到34℃±1℃，再添加0.1％的農(nóng)用復(fù)合肥，在添加活化菌懸液的同時(shí)攪拌混勻，然后將配好的菌懸液均勻噴灑到草料上，發(fā)酵容器裝料密度為100kg/m3±20kg/m3，草料含水率達(dá)到69％±1％、含菌量為1010cfu/kg，最后，瀝去余液。
3.如權(quán)利要求1所述的一種高效低耗清潔型麥草生物制漿工藝，其技術(shù)特征在于“濕潤(rùn)發(fā)酵”是將接種后的草料置于溫度34℃±3℃、相對(duì)濕度85％±5％的條件下發(fā)酵7.0h±0.5h；發(fā)酵完成的標(biāo)志是草料軟化、表面呈蘭色，用手揉搓分散為單纖維。
4.如權(quán)利要求1所述的一種高效低耗清潔型麥草生物制漿工藝，其技術(shù)特征在于“發(fā)酵草料的洗滌與脫水”是按草料干重2～3倍的比例向裝有草料的容器里注入80℃±5℃的溫水并循環(huán)沖洗草料15min～30min，然后，采用脫水機(jī)進(jìn)行脫水，或者使用0.2mpa的氣壓擠出草料游離水，使發(fā)酵草料含水率為60％±5％，草料干重得率為80％±2％。
5.如權(quán)利要求1所述的一種高效低耗清潔型麥草生物制漿工藝，其技術(shù)特征“稀堿脫殼”按草料干重3.0％±0.3％的比例對(duì)脫水后的草料噴灑濃度為2％的NaOH溶液，使草料含水率達(dá)到210％～230％，在容器內(nèi)蒸汽壓≤0.15mpa條件下，蒸煮2.0h±0.5h，或者在容器內(nèi)蒸汽壓≥0.55mpa條件下，蒸煮1.5h±0.5h，最終使?jié){料殘堿濃度在0.6g/l～2.0g/l之間，K值在10.5～13.8之間。
6.如權(quán)利要求1所述的一種高效低耗清潔型麥草生物制漿工藝，其技術(shù)特征在于“打漿”是打漿機(jī)下刀的砣重8.0kg～9.0kg，打漿時(shí)間40min±10min。
全文摘要
本發(fā)明涉及制漿造紙行業(yè)一種高效低耗清潔型生產(chǎn)工藝。其技術(shù)方案包括高效菌劑活化、草料準(zhǔn)備、配液接種、濕潤(rùn)發(fā)酵、發(fā)酵草料的洗滌與脫水、稀堿脫殼、噴漿(或打漿)、篩漿、漂白、磨漿等。該發(fā)明具有優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗、節(jié)能、污染輕等特點(diǎn)。采用本發(fā)明技術(shù)方案生產(chǎn)的麥草紙漿的品質(zhì)接近闊葉木漿，明顯優(yōu)于化學(xué)方法生產(chǎn)的麥草漿。與常規(guī)化學(xué)制漿工藝相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是①燒堿用量減少70％以上；②動(dòng)力能耗節(jié)省30％以上；③細(xì)漿得率提高5個(gè)百分點(diǎn)；④工業(yè)綜合廢水中無(wú)機(jī)和有機(jī)污染物總量分別為55kg/噸漿和320kg/噸漿，即從源頭減少污染物排放量達(dá)70％和60％。
文檔編號(hào)D21C3/22GK1779068SQ20041004696
公開日2006年5月31日 申請(qǐng)日期2004年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月23日
發(fā)明者劉正初, 段盛文, 胡鎮(zhèn)修, 馮湘沅, 彭源德, 鄭科 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所