3-生物制浆

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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。
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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
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。
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
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
(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。
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
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
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
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.
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
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。
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
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。
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
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。
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
63
小结--影响生物机械制浆的因素
协同代谢基质
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
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
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
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
Hale Waihona Puke Baidu
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
55.3
59.4
59.2
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
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。
✓ 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
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。
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
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。
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.
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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。
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
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
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