【专题】非木材生物制浆技术进展

1、概述

生物技术与制浆造纸工业的结合，使制浆造纸工业在很多方面取得了令人满意的效果，生物技术在制浆、漂白、纸浆品质提升、废水处理等方面的应用前景早已得到关注。其中，生物制浆是利用微生物或其产生的酶对制浆原料进行预处理后，再与相应的机械法、化学法及有机溶剂法相结合而制浆的过程，因其在环境方面和能源节省等方面的独特优势，代表着未来清洁制浆技术发展的方向，也是非木材制浆造纸可持续发展的重要出路。

通常，生物制浆技术分为两种，即生物菌法和生物酶法。生物菌法的优点是运行成本低，缺点是发酵时间长，需要数十个小时，而且发酵过程若控制不好，会导致纤维素的生物降解。之前由于没有合适的配套设备，而使得这种低成本的制浆方法没有得到应用。

生物酶法系由生物菌法派生而来，优点是它克服了生物菌法发酵时间长（由数十个小时缩短为数十分钟）以及温度和pH值波动对纤维素聚合度的破坏性影响，但缺点是需要在系统中连续添加生物酶制剂，生产成本较高。

用木聚糖酶预处理的麦草碱法制浆表明，酶预处理可以提高脱木素效率，降低碱耗，增加纸浆的白度和强度性能。

2、新型生物反应器

生物处理设备主要有以下两种形式：立式升流生物连续反应塔和卧式转鼓生物连续反应锅。

2.1 立式升流生物连续反应塔

立式生物连续反应塔系利用造纸原料比重小于水的原理设计而成，该生物反应塔又分两种形式：底部进料顶部出料的A型和顶部进料出料的B型。

升流式生物反应塔的主要功能特点：

（1）反应或预浸功能：本设备能将料片均匀地浸泡在一定液比的液体中，从而可以很好地实现原料与化学药品的（预）化学反应功能或原料的生物反应功能。

（2）原料的洗涤除砂功能：由于料片的比重比液体的比重低，所以料片在塔体内借助浮力上升的过程中，可以将料片中的砂粒尘土等重质杂质留在塔体底部的集砂罐内，然后排出设备外，实现料片的洗涤除砂功能。

（3）脱水（浓缩）功能：由于浮力作用，在塔体顶部位于液位以上的料片会受到下层料片浮力的挤压，从而产生挤压脱水作用。该浮力的挤压可以使出料干度达到25%，以满足后道工序对料片干度的要求。

（4）化学或生物反应后料片的洗涤功能：如有必要，可在设备的顶部设置喷淋水，对反应后的料片进行洗涤。

（5）原料的贮存功能：设备的容积可以设计的很大，况且由于浮力产生的挤压作用，单位容积料片的密度要高于在干料仓中的密度，所以该设备完全可以代替各种型式的干料仓，而且不会产生各种干料仓所普遍存在的原料的易搭桥现象。

（6）原料的垂直提升功能：制浆过程中往往要将原料利用专门的设备提升至相当的高度。该设备可以根据工艺要求，将设备的高度设计成任何工艺要求的高度，从而代替其它的料片提升设备，以简化流程，降低能耗。

（7）反应条件调节功能：设置有内循环系统和冷却系统的设备，还具有自行调节过程反应条件的功能。

该设备可应用于各种草类、蔗渣、芦苇、竹材、各种（分丝）木片的化学浆、半化学浆、化机浆、机械浆的各种生物预处理或化学预处理过程。

2.2 卧式转鼓生物连续反应锅

卧式转鼓生物连续反应锅由进料螺旋、旋转锅体、出料螺旋等组成，料仓和生物反应液在进料螺旋处混合并被推入旋转的锅体，在旋转的锅体内继续混合并不断向前移动，反应完成后通过出料螺旋排出锅体。

该生物反应器系由连续卧式蒸煮锅改造而成，优点是生物反应过程更均匀，反应效率也更高，缺点是设备造价高、占地面积大，而且功能单一，前后均需设置洗涤脱水设备，故此种生物反应器一般只能应用在一些在水中上浮性能不好的原料的生物反应过程中，如竹丝、棉短绒等。

3、生物预处理制浆的优势

无数次的实验室实验以及工业化大生产实验均已证明，经过生物菌或生物酶处理后的各种植物原料，用于生产机械浆时，可以明显提高纤维长度及纤维间结合力，还可显著降低磨浆能耗；用于生产化机浆或半化学浆时，除取得机械浆的良好效果外，还可以降低化学处理工段化学药品的消耗量，降低幅度可达50%，并可降低化学处理工段的处理温度、改善成浆白度、提高成浆得率等一系列优点；用于化学浆时，可以减少用碱量50%，降低蒸煮温度至少5℃，提高成浆白度5度，提高成浆得率5%。因此，我国造纸工业在纤维资源短缺和环保日趋严格的双重压力下，生物制浆技术是今后制浆技术发展的重要方向。

4、展望

我国是世界上第一大纸张生产国和消费国。但造纸工业资源消耗大，环境污染严重，具体表现是制浆造纸业的工业总产值占全国工业总产值不到1%，但工业废水排放量占工业废水总排放量的约六分之一，化学需氧量COD更是占了整个工业的30%以上。因此，开发清洁生产工艺、降低制浆成本、提高产品品质、实现产业升级已经势在必行。将生物技术应用于造纸工业，对提高资源利用率和产品品质、促进污染治理和节能减排都具有重要意义。

生物技术改造传统生产工艺可以用于造纸工业的全过程，如木片预处理、生物制浆、酶促磨（精）浆、生物漂白、酶法脱墨、酶法树脂控制、酶法胶粘物处理等。尤其是生物制浆的突破更具有现实意义。可以相信，随着科学技术的不断进步，制约生物制浆产业化的障碍会逐步克服，生物技术在造纸工业的应用一定会有广阔的发展前景。