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提　要：本文報導了我國稻草生化制漿新技術(shù)的研究及中試投產(chǎn)成果。研究成果及中試顯示了用No.38工程菌酶處理的生化漿，其物理機械性能達到與優(yōu)質(zhì)闊葉木漿相媲美的程度，制漿排水的負載亦比常規(guī)堿法草漿低得多，排水污染防治措施有所落實。關(guān)鍵詞：稻草；生化法制漿；No.38工程菌；漂白漿作者簡介：錢鷺生，教授級高級工程師，中國造紙學會涂布加工紙專業(yè)委員會主任委員，中國造紙學會學術(shù)工作委員會委員，美國制漿造紙協(xié)會正會員?！　　∥覈姆悄静霓r(nóng)基原料(agro-based materials)，包括稻草、麥草、蔗渣、龍須草、竹子、蘆葦、玉米稈、高梁稈、韌皮纖維原料類等，迄今大部分沿用堿法制漿。其中稻草堿法漿的質(zhì)量，即使比起其他非木材纖維漿，存在著成紙脆硬，松厚度差，耐折、抗撕裂、耐破差等缺點；且濾水慢等不適于近代高速紙機的抄造，制漿黑液含硅量高等弊端。另外，稻草全草整體來分析，基稈含量低，其葉、穗、根加起來占總體比例高，含硅量也高，稻草的雜細胞含量高達40%～60%，這些都是對稻草成漿強度改善以及制漿堿回收不利的。如果能夠利用生物制漿方法，克服及改善稻草纖維漿存在的這些缺點和弊端，則其他非木材纖維原料應(yīng)用生物法制漿，就可稍加探索、引伸而解。另外，我國有較大的產(chǎn)稻區(qū)，資源豐富，極易收購，價格便宜，所以本生化法的首次研究對象，就選擇了稻草。1　No.38工程菌漂白生化稻草漿及精飼料(單細胞蛋白)生產(chǎn)1.1　　工藝流程(如圖1)圖1　漂白生化稻草漿及精飼料生產(chǎn)工藝流程1.2　生產(chǎn)工藝說明1.2.1　生化處理　　稻草經(jīng)常規(guī)除塵、除雜，切短成100～150mm后，進入生物處理罐(3m3)，菌種為No.38工程菌SSF等提取出來的多種強活性酶。酶處理條件：溫度60℃以下，pH值3.5，時間1～2h，料液比5%～15%，原料不需消毒。1.2.2　篩選雜細胞等　　草類原料經(jīng)過生化處理后呈半漿狀，經(jīng)水力碎漿機作用基本分散成粗漿。粗漿經(jīng)過振框篩時，一些在生化處理時未能完全去除的細小雜質(zhì)隨水通過篩網(wǎng)，而得到濃縮的漿料則從篩網(wǎng)上進入擠壓機擠干，過篩網(wǎng)的白水經(jīng)沉淀去除細小雜物后重回水力碎漿機使用。1.2.3　漂 白　　經(jīng)上述步驟獲得的粗漿需通過兩步進行漂白，第一，堿處理：粗漿經(jīng)堿煮，大量色素及其它雜質(zhì)被脫除，提高了白度(其未漂漿最高白度可達40%～42%ISO左右)，且完全分散成細漿，堿處理黑液進入堿回收裝置。第二，H1P1或P1P2二段漂：細漿經(jīng)兩段漂白、洗滌，即可抄成成品紙漿板。1.2.4〓酶及單細胞蛋白的生產(chǎn)　　上述生化處理產(chǎn)生的處理液(抽提液)進入發(fā)酶罐，投入補充工程菌菌種，經(jīng)培養(yǎng)分泌出新生酶，液體中除酶外大多數(shù)有機物被轉(zhuǎn)化為單細胞蛋白，此蛋白經(jīng)擠干、干燥即為成品。而工程菌產(chǎn)生的酶則溶于液體中，此液體重新進入生化處理罐使用。1.3　紙漿的性能　　為了改善生物處理后稻草漿的機械物理性能，減少漂白廢水AOX的排放量，經(jīng)酶處理后的紙漿，經(jīng)過螺旋壓榨機擠漿，進入堿煮系統(tǒng)。堿煮可以用Na2CO3來完成，以達堿回收工序時的“免苛化”。蒸煮用堿量以NaOH計，對酶處理后風干漿為6.5%～7.5%，液比隨生物處理漿的干度來調(diào)節(jié)，約為1/（3～4.5），常壓95℃煮30min。煮后未漂漿經(jīng)黑液提取后，以相當于有效氯(AC)6%的次氯酸鈉漂白(ECF漿)，或3.5%左右H2O2兩段漂白(TCF漿)，可以獲得80%ISO以上的漂白稻草生化漿。表1、表2分別列出了不同程度酶處理漂白稻草漿與未漂稻草漿的物理性能。表1　不同程度酶處理與同條件堿處理后的稻草漿物理性能測試項目漂白漿1漂白漿2漂白漿3漂白漿4漂白漿5漂白漿6未漂白漿7疏解轉(zhuǎn)數(shù) 轉(zhuǎn)打漿度 °SR松厚度 cm3/g抗張指數(shù) N·m/g(裂斷長) (m)脆性 %耐破指數(shù) kPa·m2/g撕裂指數(shù) mN·m2/g耐折度 次白度 %灰分 %得率 %30000531.374.19(7570)-6.15-42177.93.193130000601.2669.38(7080)24.44.293.6817279.71.0628.575000541.2963.47(6470)12.34.286.9711678.6--15000411.33　 (6860)04.77.530380.6--15000391.2671.54(7300)7.874.925.7627977.31.1128.975000381.2973.5(7500)05.5-400801.028.77100521.4969.58(7100)7.574.246.7635642.42-32注：表中測試數(shù)據(jù)均由國家輕工業(yè)局上海(及華東區(qū))紙漿、造紙測試站提供。表2　不同程度酶處理(未經(jīng)堿煮)稻草未漂漿物理性能及打漿性質(zhì)項 目酶處理未漂稻草漿1酶處理未漂稻草漿2打漿時間 min打漿度 °SR緊度 g/cm3環(huán)壓指數(shù) N·m/g抗張張數(shù) N·m/g(裂斷長) （m）挺度 mN·m耐破指數(shù) kPa·m2/g撕裂指數(shù) mN·m2/g漿得率 %35540.377.1113.13(1340)----45590.399.1117.15(1750)----60590.448.9318.42(1880)----75630.4510.221.56(2200)----90620.4811.321.85(22.30)-----440.504-25.87(2640)3.041.14-48-480.534-26.75(2730)3.021.26-48-500.551-27.83(2840)3.101.31-48-580.56212.530.09(3070)3.191.322.63481.4　使用No.38工程菌種處理得到的漂白生化稻草漿的成本、利潤1.4.1　生產(chǎn)成本(表3)表3　生產(chǎn)成本計算圖2　國外中試設(shè)備流程示意圖項目名稱數(shù) 量金額 元稻草堿（以NaOH計）次氯酸鈉H2O2其他藥品生物處理成本電標準煤上、下水處理費人工費低值易耗品維修費固定資產(chǎn)折舊貸款利息車間管理費以上合計4t260kg30kg30kg　 全過程300kWh200kg上水50m3　　　　　　　6002491201651502002108010015080705080502354工廠成本加稅：2354+（售價4700元×14.2%）=3021元1.4.2　副產(chǎn)品收入〓　單細胞蛋白粉80kg 240元　　鉀鹽液 100元　　以上兩者合計 340元1.4.3　合計每噸漿利潤　　4700元-3021元+340元=2019元　　說明：(1)以上成本計算以表1漂漿第6項產(chǎn)品質(zhì)量為基準，利潤未扣除企業(yè)所在地區(qū)具體規(guī)定的“兩金”在內(nèi)。(2)按表1第6項未漂漿質(zhì)量的稻草漿成本計算，則每噸未漂漿成本要扣除漂劑費285元，燒堿費(NaOH30kg)29元，水費(20m3)20元，電費80元，以及原料稻草費300元，漂白工序電耗100元，人工費15元，合計每噸未漂漿生產(chǎn)成本為1525元。(3)以上成本計算均以濕漿出廠為基礎(chǔ)，金額以人民幣計算。2　本方法制漿技術(shù)的特點2.1　除增加原料酶處理工序外，堿處理的用堿量少，每噸紙漿耗堿折成NaOH僅為230kg，白度80%以上的漂白稻草漿，漂白劑耗用相當于6%有效氯(H2O2代替次氯酸鈉，則H2O2用量為3%～4%)，總之蒸煮耗堿、漂白劑耗用量減少。既減少制漿液體排放污染，又可降低制漿成本。2.2　生產(chǎn)漂白漿的未漂漿色淺而亮，幾乎無棕黃小點，所以對制漿流程的篩選工程設(shè)備要求極低，此種未漂漿宜直接抄造米色紙種，或高級白紙夾芯層及色卡紙等。2.3.　硅干擾是傳統(tǒng)堿法稻草漿制造中堿回收的主要障礙，目前即使有些造紙發(fā)達的國家還在推廣稻麥草制漿中的黑液除硅技術(shù)，而本生化制漿，可以免除這種“除硅工序”的麻煩。我們通過生化處理可將纖維與雜細胞及硅化合物之間的連接切斷，輕而易舉地將這些雜小細胞除去。2.4　生物處理回收系統(tǒng)簡單，回收成本低廉(噸漿總成本200元)，并能較大幅度創(chuàng)利。生產(chǎn)1t漂白稻草漿同時獲單細胞蛋白約60～70kg，其蛋白含量達40%，氨基酸含量達35%。這些單細胞蛋白是由稻草中非纖維類的有機物轉(zhuǎn)化而來的，或者更直截地說，是由原來傳統(tǒng)堿法制漿中污染環(huán)境的“COD”轉(zhuǎn)化而來的，每噸蛋白粉售價3000元。2.5　本法生物處理的母液進入生物回收系統(tǒng)，處理的黑液進入常規(guī)堿回收或綜合利用系統(tǒng)，所以只要以上兩個回收系統(tǒng)的回收液“提取率”高，整個流程設(shè)計及其管理執(zhí)行上處處體現(xiàn)節(jié)水及用水封閉循環(huán)，制漿的水耗有望控制在噸漿50m3以內(nèi)。2.6　流程設(shè)備適應(yīng)性強　　本生化制漿法，若新建廠，可以采用目前現(xiàn)成而常規(guī)的干濕法備料設(shè)施、間歇或連續(xù)蒸煮器、堿處理塔、漂白塔、黑液提取流程及紙漿篩選機、擠壓機等，無需用專門為它設(shè)計新的制漿設(shè)備。若有現(xiàn)成的制漿流程，則稍加改造，如增加除雜細胞、除硅篩選的設(shè)備體系，原蒸煮器可用作酶處理設(shè)備并作容量平衡及堿煮容量平衡，酶回收則增加發(fā)酵罐粉干燥體系。沒有堿回收的工廠要增添小于堿法漿堿回收能量40%的堿回收系統(tǒng)設(shè)備，這樣改造后本法即可投產(chǎn)，酶處理池及蒸煮器的聯(lián)合中試流程設(shè)備參考見圖2(為三種國外懸而未決的專利方法設(shè)計)。3　討 論　　通過用No.38工程菌酶將稻草預(yù)處理結(jié)合堿煮，生化法制漿的研究，并通過每年8000t的中試型生產(chǎn)，認為：3.1　從顯微鏡觀察與低漂率得到80%ISO以上白度的漂白漿等來分析，No.38工程菌酶兼有無區(qū)分地破壞原料纖維組織，使稻草組織松散，以及攻擊胞間層脫除木質(zhì)素，分離纖維的能力。由于菌種及其產(chǎn)酶性質(zhì)的優(yōu)越，使產(chǎn)漿質(zhì)量與得率等可由用酶的力度任意調(diào)節(jié)，其后的Na2CO3蒸煮在常壓、相對低溫中進行，稻草纖維素結(jié)晶度比一般傳統(tǒng)加壓、高溫堿煮為高。又加上酶處理后，本工藝將稻草纖維組織中含有的40%～60%的雜細胞和硅化物高度分離，所以本生化漿獲得的漂白漿和未漂漿，其各項物理強度已進入可與優(yōu)質(zhì)闊葉木漿相媲美的水平(見表1)。改善了傳統(tǒng)化學稻草漿制成的成品發(fā)脆、成漿濾水性慢等弱點。3.2　本生化法反復制造的漂白稻草漿其灰分含量均在1%左右，酶處理后的母液含有稻草內(nèi)除部分木質(zhì)素及纖維素以外的多糖類等可降解和溶解物質(zhì)(傳統(tǒng)堿法這類物質(zhì)全部溶入蒸煮黑液)，一并流回酶回收系統(tǒng)。本法將這種母液提取出來，產(chǎn)生與漂漿幾乎同價的單細胞蛋白粉(高級飼料)，預(yù)計生產(chǎn)利潤率將高于傳統(tǒng)堿法漿生產(chǎn)。這樣就順利完成了酶的反復使用工藝，這是迄今為止，國內(nèi)外生物制漿工業(yè)化不能實現(xiàn)的環(huán)節(jié)，現(xiàn)在已被突破。3.3〓No.38工程菌的生化法制漿，其堿煮段黑液，由于上述原理，無需除硅，可以順利進入蒸發(fā)和燃燒工段運行。由于黑液中多糖類、硅化物、溶解性雜細胞均已去除，所以其含有成分以木素為主的黑液，我們曾經(jīng)將它測過蒸濃后的發(fā)熱量，發(fā)現(xiàn)與木漿的黑液結(jié)果相同。又本法堿煮的堿耗低，為傳統(tǒng)堿法的65%，因此預(yù)計堿回收的設(shè)計蒸發(fā)量相應(yīng)要加大，而投資大的燃燒爐容量可以比傳統(tǒng)的縮小1/3。如果說傳統(tǒng)堿法漂白稻草漿黑液的COD平均15%（150000ppm）左右，則本法制漿測得的黑液COD平均為3.5%（35000ppm）左右，這樣制漿的液體排放污染負載就減少了幾倍。我們的中試規(guī)模生產(chǎn)，由于投資額有限，采取了黑液加酸木素沉淀綜合利用的辦法，過濾的排放液再進入氧化塘，其工程現(xiàn)在施工中，預(yù)計可以達到COD0.045%（450ppm）的當?shù)毓I(yè)排放標準。這里順便提及如果酶處理后的煮漿半料，多糖含量低，配以新型的低壓蒸煮工藝，其黑液可以提取高級、高附加值的化工品，所以排放黑液進行綜合利用前途也是可喜的。3.4〓多年來No.38菌種通過篩選、“剪接”與“重組”，造就成新型的“超級工程菌”。(1)它具有完備的高活性的分解酶系統(tǒng)，能在短短2h內(nèi)迅速分解草類原料中纖維素以外的各種有機物；(2)本工程菌的抗雜菌能力強，投入生物處理的原料無需事先消毒防止菌酶中毒。(3)只要調(diào)節(jié)酶處理力度可以獲得某些物理指標不高而得率較高(約50%左右)的未漂稻草漿，用以生產(chǎn)各項物理強度指標不是全面要求的紙和紙板，如瓦楞紙、蜂窩板、紙模成型等產(chǎn)品，這種要求環(huán)壓強度和挺度較高，其他物理強度是次要的產(chǎn)品。　　總之，No.38工程菌的發(fā)現(xiàn)，篩選和改造，將其應(yīng)用于稻草制漿的應(yīng)用實驗和中試投產(chǎn)經(jīng)歷，我們在工藝上已經(jīng)具備一段生物處理生產(chǎn)未漂硬漿及生化法生產(chǎn)米色未漂軟漿和高白度漂白稻草漿投產(chǎn)技術(shù)。預(yù)見可以用其原理和實踐參數(shù)引伸到其他非木材纖維原料中去，例如：實驗證明，用No.38工程菌種的酶處理，結(jié)合堿蒸煮的方法，可以應(yīng)用到生產(chǎn)漂白麥草漿的領(lǐng)域中去，但堿煮段必須改常壓為蒸汽壓力達到0.12MPa左右。用No.38工程菌酶處理廣東香蕉樹的葉、桿原料，無需化學煮漿，酶處理一次成漿……。所以本文論證認為用優(yōu)越工程菌結(jié)合或不結(jié)合化學處理，只要酶處理力度調(diào)整適當，或結(jié)合化學處理的條件符合具體原料的現(xiàn)實要求，生物和生化制漿法引伸推廣到各類非木材纖維原料的可能性是存在的，發(fā)揮其優(yōu)越工藝性能也是可能的，擺在人們面前的只是稍加科學實驗就可以投入生產(chǎn)的技術(shù)前景。