3-生物制浆

FP-102169
50.2 56.7
51.4
HHB-64251-sp 56.2 58.9
55.0
5157-A-1
23.0 30.6
5.2
Gold-9-420-1
61.2 73.4
56.1
8
木糖
甘露糖
（木聚糖） （甘露聚糖）
77.7
61.0
61.0
77.6
63.0
81.5
52.0
Hale Waihona Puke 55.359.459.2
63
小结--影响生物机械制浆的因素
协同代谢基质
18.7
9
木素
20.9 3.6 12.9 16.9 8.3 12.8 18.3
损失，％
葡萄糖 木糖
甘露糖
（葡聚糖） （木聚糖） （甘露聚糖）
26.1
19.1
31.4
11.2
9.7
14.5
30.5
23.8
39.3
23.0
17.4
24.3
8.7
6.9
5.3
10.3
14.8
11.5
17.5
25.7
20.7
用 虫拟蜡菌 * C.subvermispora不同菌株（处理12周）腐朽后山杨木块中木素和 糖含量的损失
损失，％
合适
菌株
ME-485 L-14807-sp
质量 木素
28.4 61.5 24.4 57.2
葡萄糖 （葡聚糖）
2.5
6.8
木糖 （木聚糖）
45.4
36.9
甘露糖 （甘露聚糖
72.3
39.1
23.7 38.2 28.3 40.6
L-39292-sp
29.0 42.2
FP-105752-sp 19.6 33.9
CZ-3
21.3 31.8
L-6133-sp
30.1 34.1
11 FP-90331-sp
22.7 38.2
损失，％
葡萄糖 （葡聚糖）
20.3 14.7 12.4 18.8 22.4 7.1 14.0 26.2 14.1
由于漂白前生物处理浆的白度低，虽然可漂性提高， 但是漂白浆的白度一般来说接近或略低于对照浆。
56
美洲黑杨生物机械浆的性质变化
卢雪梅等，黄孢原毛平革菌对美洲黑杨的生物制浆研究 ,广东造纸，2000 57 （1）：1－4
美洲黑杨生物机械浆的强度性质
58
ME446(a）和LIP－14（b)在美洲黑杨木片中的生长情况
选择使木素含量降低 多而碳水化合物降解 少的菌株
用黄孢原毛平革菌不同菌株（处理12周）腐朽后山杨木 块中木素和糖含量的损失
损失，％
菌株 BKM-F-1767
质量
木素
葡萄糖 （葡聚糖）
61.0 80.7
49.9
5161 ME-8
53.6 54.4
53.0
FP-104297-sp 55.3 47.5
51.3
生物化学法制浆一直处于实验室研究之中：
主要问题：选择性降解木素的微生物不能工业化。 真菌需要有一定的耐温性。
19
生物预处理化学浆的作用
提高得率 减少化学药品消耗 减少蒸煮热能的消耗 改善机械强度
20
生物化学制浆主要程序
21
生物化学制浆方法分类
生物硫酸盐法制浆 生物亚硫酸盐法制浆 生物烧碱法制浆
2
生物制浆（Biopulping）
概念
借助于微生物或者微生物产生酶的作用，进行生物预处理，再与 相应的制浆过程相结合，称为生物法制浆。
机理
利用微生物所具有的分解木素的能力，来除去制浆原料或纸浆中 的木素，使植物组织与纤维彼此分离制成纸浆的过程。
目的
降低能耗、节约化学品。
3
生物制浆的种类及优点
L-15225-sp
25.4 58.8
2.9
FP-104027-T
26.4 65.9
2.2
40.4
66.3
44.6
66.8
L-39292-sp
25.6 63.7
2.1
FP-105752-sp 22.7 55.7
0.6
47.9
66.4
31.0
30.2
CZ-3
23.8 71.2
6.3
43.8
28.7
L-6133-sp
47
优势：
增加纸浆强度、降低能耗（30%），污染少，纸浆 后续可漂性好。
生物化学热磨机械浆（Bio-CTMP)：
年产纸浆50t准商业化的规模。大大降低制浆能耗， 提高了纸浆的强度性质，减少了环境污染。
48
Bio-MP生物预处理的主要方法
制浆前 运输和贮藏过程中 制浆过程中
49
制浆前进行预处理
真菌处理后
14
对照浆
真菌的生长模式
山杨木片表面的真菌菌丝
菌丝渗进木片是通过导管和纤维的细胞腔以及木材细胞纹孔和真 15 菌的侵蚀孔。
山杨木片生物处理前后细胞壁的比较
（a）生物处理后
16
（b）生物处理前
山杨木片（处理四周）上钙结晶在菌丝表面
17
18
18
1976年，Eriksson提出了生物制浆（biopulping)方法 ，取得发明专利。
46
生物机械法制浆
生物机械法制浆：
以微生物或酶途径代替或部分代替化学途径对木片进行预处 理，利用其所具有分解木素的能力，除去原料或纸浆中的木 素，然后进行机械或化学机械处理的制浆方法。
发展方向
利用白腐菌脱去部分木素再用机械法制浆，所得浆料与 CTMP浆相比，性质相仿，而磨浆电耗明显降低。
采用某种酶直接除去木素，该方向目前还处于起步阶段，原 因是难以获得高效的木素酶。
22
23
1. 生物硫酸盐法制浆
• E.globulus是澳大 利亚桉树，材质 较好，容易制浆 ，作为木材制浆 的参照样品。
24
1. 生物硫酸盐法制浆
25
1. 生物硫酸盐法制浆
26
白 腐 菌 处 理 火 炬 松
27
28 生物处理
29
松木片经C.subvermispora处理后的化学组成
对照
微生物/酶制剂
原料
生物预处理 蒸煮（软化和灭活） 磨浆
运输和贮藏过程中
抄片
缩短生产周期
但适合在木材运输、贮存中进行预处理的微生物/酶种 类较少。
50
制浆过程中预处理
杨木片 热水浸渍 挤压疏解机
一段常压磨
消潜
酶/菌液处理
PFI磨 仿二段磨浆
抄纸
物 检
漂白、抄纸
在磨浆过程中疏松了纤维和纤维之间的胞间层，纤维的分离仍类似于 相应的机械法制浆，只是在较低的能耗下，相应的分离更易于在各自 的位置发生。
质量损失 综纤维素 木素
----
72.5
25.1
抽提物 1.86
菌种处理 6.13
73.9
24.3
1.18
4星期
30
2. 生物亚硫酸盐法制浆
31
32
33 对照
34
35
36
37 生物降解30d
生物处理30d木片 经短时间蒸煮
生物处理30d木片 经长时间蒸煮
三、生物烧碱法制浆
经虫拟蜡菌C.subvermispora处理的麦草碱法制浆
62
小结--生物预处理对机械浆的影响
菌丝生长和生物预处理可使木片结构发生如下变化：
润张作用 对坚固管状细胞起到软化和松弛作用 菌丝生长的地方使细胞壁变薄。
磨浆变得容易：降低了磨浆能耗。 纸浆强度性能：增加了纤维的柔韧性，润张作用使得纤维
间的结合能力提高。 白度降低：白腐菌在生长中分泌的黑素可使纸浆白度降低。
对于生物机械浆来说，纤维的水合能力增强， 纤维变得更加柔软，纤维间结合力增强，成纸 的强度增加.
55
生物处理对纸浆白度的影响
一般来说，生物处理后纸浆白度下降：是由于真菌细 胞代谢产生的有色物质或木素降解产物的影响。
生物处理后机械浆的可漂性提高，表现在相同的漂剂 加入量下可比未漂浆提高更多的白度。
✓ 国际研究热点：筛选选择性极强地降解木质素的白 腐菌。
5
真菌的筛选
目的：选择性的降解木素的真菌
木材腐朽试验 PFI磨浆 降解木素的能力 评价能耗
Simons 染色 打浆后纤维的帚化程度
6
木材腐朽试验
木素和糖的含量 可通过 测量腐 朽后木片和残液 获得并比较
7
木材进行腐朽试验
测定腐朽前后木素 和糖的含量
24.4 70.7
3.4
38.4
29.3
10 FP-90331-sp
26.5 50.1
7.3
31.5
31.3
用 虫拟蜡菌 C.subvermispora不同菌株（处理12周）腐朽后火炬松木块中木素 和糖含量的损失
菌株
质量 木素
ME-485
22.8 31.0
L-14807-sp
22.5 37.0
L-15225-sp FP-104027-T
制浆造纸生物技术－
第二部分
1
化学制浆法的优、缺点
化学制浆法
优势：生产周期短, 制浆厂规模大，产量高，适应国民 经济的飞速发展。
缺点 化学药品消耗高、能耗高、设备投资大。 特别是制浆与漂白过程所排出的废水, 具有极高的 BOD、COD 负荷, 而且还含有毒性强和具有强致癌性 物质, 给环境造成严重污染。
降低电耗；或者相同电耗下能提高磨浆中的木片通过量、成纸的强度， 降低了树脂量。
51
填充床反应器
52
52
木片堆系统
加湿翻转
优点：花费少，增加了温度和水分控制
53
缺点：过程的控制水平低。
53
54
生物处理对纸浆机械强度的影响
白腐菌及其分泌的木素降解酶的预处理，使木 片中的木素部分以及木聚糖的分解，促进了木 片的软化和润涨，使纤维间结合力弱化，降低 机械制浆能耗.
42
漆酶预处理对麦草NaOH-AQ未漂浆性能的影响
43 43
小结
生物预处理化学浆可以减少树脂，提高漂白效率，改善纸 浆性质。经生物预处理过的木片可以缩短蒸煮时间或降低 化学品用量。
减少蒸煮时间意味着增加产量;减少制浆化学品用量可大大 减低废水负荷。
生物浆强度较高,可以加较多填料和减少打浆时间即节约能 量。
（a)
(b)
卢雪梅等，黄孢原毛平革菌对美洲黑杨的生物制浆研究 ,广东造纸，2000 （1）：1－4
59
60
小结—微生物降解木素的过程机理
开始，大量椭圆形的全泡显毛壳菌孢子存在于木材表 面，有部分发芽形成菌丝，随着菌丝的生长，营养菌 丝在木材外表面形成坚固的网状结构，并迅速扩展， 对进一步降解木素起到了重要作用，不仅可防止其他 有害因素（如脱水等）的干扰，还可使菌在木片各部 位形成生长优势，另外起到输送营养物质和水分的作 用。
61
在木片表面，大量菌丝附着在细胞壁上，菌丝分泌的酶对 细胞壁外层进行降解，许多碎片从细胞壁上脱落下来，使 得细胞壁变薄，有的地方形成孔洞。这些孔洞和天然纹孔 一起为菌丝进入细胞壁提供通道。菌丝进入细胞腔后对细 胞腔内的物质充分降解，形成新的粗壮菌丝。
通过X-射线可发现，菌对木材各组分木素的降解有很大选 择性，即优先利用细胞腔，再利用次生壁，最后为胞间层， 基本不利用细胞角隅。
种类
生物化学法制浆(BCMP) 生物机械法制浆（BMP) 麻类原料生物制浆
优点
✓ 生物法降解木素反应条件温和,产率高,副反应少,耗能少 (节约30%),对反应器耐压及耐腐蚀的要求低。
✓ 提高纸张质量、降低树脂数量、减少环境污染。
4
生物制浆微生物的特点
繁殖速率快 分解木素能力极强 尽可能少分解或不分解纤维素 对生长基质的漂白能力强
相同的游离度下 打浆转数比较
12
Simons 染色观察真菌处理后打浆效果
染色剂
滂胺天蓝6BX 1％水溶液＋ Potamine 快橙6RN水溶液 1:1
打浆后纤维 （载玻片上）
60℃加热 除去水分
显微镜下观 察拍照
帚化纤维细胞 壁染上橙色
未帚化纤维细胞 壁蓝色
13
Simons 染色观察真菌处理后打浆效果
27.4
60.2
71.7
67.9
用黄孢原毛平革菌不同菌株（处理12周）腐朽后火 炬松中木素和糖含量的损失
菌株
质量
BKM-F-1767
24.5
5161 ME-8
8.4
FP-104297-sp 22.7
FP-102169
19.7
HHB-64251-sp 11.9
5157-A-1
13.6
Gold-9-420-1
生物化学制浆法目前主要处于实验室阶段，微生物菌种的 筛选和优化是关键。----耐高温、高选择性的微生物。
44
44
二、 生物机械法制浆
45
机械浆
机械浆占总制浆量的25%以上。 化学盘磨机械浆（CMP）、化学热磨机械浆（CTMP） 不足：（与化学浆相比）
强度低，通常只能用木材纤维为原料 纸浆料中含有大量细小纤维、纤维束和纤维碎片 高能耗
木糖 （木聚糖）
0 33.2 27.2 33.8 31.1 27.0 31.0 34.0 30.0
甘露糖 （甘露聚糖
24.2 29.9 28.1 26.9 26.2 10.1 20.3 18.9 15.9
PFI磨浆试验真菌处理效果
PFI磨浆
游离度
结合纸浆其他性 能测定
相同的打浆转数 测定游离度
能耗
EA：为标准的有效碱（％ 绝干原料为基准）
38
原料经虫拟蜡菌C.subvermispora的不同菌株处理后在用碱量减少 的情况下碱法蒸煮浆的漂白数据
39
在C、E、H 三段漂中生物浆废液的COD负荷
40
40
利用菌株2处理对麦草 纤维素、半纤维素、木素和抽出物含量的影响
41
木聚糖酶An76预处理对麦草NaOH-AQ未漂浆性能的影响