制漿造紙生物質(zhì)精煉技術(shù)綜述

楊潔

（江西省輕工業(yè)研究所, 江西 南昌 330029）

制漿造紙生物質(zhì)精煉技術(shù)綜述

楊潔

（江西省輕工業(yè)研究所, 江西 南昌 330029）

生物質(zhì)精煉是當(dāng)今傳統(tǒng)工業(yè)的福音。生物質(zhì)的精煉是通過(guò)運(yùn)用蒸煮、燃燒、分離等手段改變物質(zhì)的物理、化學(xué)性能，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，為企業(yè)的節(jié)能降耗、少污染、可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。

生物質(zhì)精煉 造紙工業(yè) 紙漿造紙 基礎(chǔ)技術(shù)

1 生物質(zhì)精煉概念

生物質(zhì)的概念：生物質(zhì)（biomass）是指一切直接或間接利用綠色植物光合作用形成的有機(jī)物質(zhì)，即一切有生命的可以生長(zhǎng)的有機(jī)物質(zhì)通稱(chēng)為生物質(zhì)。它包括植物、動(dòng)物和微生物。

生物質(zhì)精煉是通過(guò)運(yùn)用蒸煮、燃燒、分離等手段對(duì)生物質(zhì)原材料進(jìn)行深層次的加工技術(shù)，從而改變生物質(zhì)原材料的固有形態(tài)，慢慢向氣態(tài)、液態(tài)轉(zhuǎn)變。制漿造紙技術(shù)的第一道工序就是對(duì)造紙?jiān)线M(jìn)行蒸煮，在蒸煮的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的廢水，就是黑液。黑液的成分會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞，生物質(zhì)精煉技術(shù)就是為了對(duì)黑液進(jìn)行轉(zhuǎn)化而存在的[1]。

2 生物質(zhì)精煉的主要應(yīng)用

生物質(zhì)精煉技術(shù)在制漿造紙中的應(yīng)用，就很好地將造紙技術(shù)轉(zhuǎn)型成為低耗能、低污染的綠色技術(shù)。隨著生產(chǎn)工業(yè)的不斷發(fā)展，人類(lèi)對(duì)社會(huì)資源的不斷掠奪，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，其中造紙生產(chǎn)則是主要污染源之一，而在當(dāng)今信息技術(shù)高速發(fā)展，相關(guān)紙制品需求大量減少，造紙工業(yè)地位岌岌可危。面對(duì)這種形式，必須對(duì)制漿造紙技術(shù)進(jìn)行合理性改革，生物質(zhì)精煉技術(shù)是一種近幾年新出現(xiàn)的技術(shù)，它可以將傳統(tǒng)的制漿造紙企業(yè)轉(zhuǎn)型為生物精煉企業(yè)，生產(chǎn)內(nèi)容的多元化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的多樣化，使造紙廠不再局限于對(duì)紙制品的制造，也逐漸生產(chǎn)一些生物質(zhì)材料、化學(xué)能源等，從而告別生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的單一性，減少能源的消耗，降低高濃度廢水的排放[2]。

在傳統(tǒng)的制漿造紙過(guò)程中，利用木質(zhì)纖維原料生產(chǎn)漿紙產(chǎn)品。主要生產(chǎn)方法分為化學(xué)法制漿、高得率制漿。然而，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式并未使半纖維素和木質(zhì)素得到充分利用[3]。目前國(guó)內(nèi)有很多家研究機(jī)構(gòu)在生物質(zhì)資源利用方面做了大量的研究工作，最可行的方法就是在發(fā)展成熟的制漿造紙工業(yè)平臺(tái)上進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

纖維素的應(yīng)用：木質(zhì)纖維素通過(guò)復(fù)合加工、液化改性、接枝交聯(lián)和高溫炭化處理可以制備高附加值的產(chǎn)品來(lái)替代部分石化產(chǎn)品。木質(zhì)纖維素基高分子材料研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)。木質(zhì)纖維素基高分子材料有：木質(zhì)陶瓷、水凝膠材料、復(fù)合材料、酚醛樹(shù)脂、聚氨酯、環(huán)氧樹(shù)脂、炭纖維；木質(zhì)素基高分子材料有：脲醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯、酚醛樹(shù)脂、木素基碳纖維、復(fù)合高分子材料。制漿造紙工業(yè)是最早利用天然纖維素的工業(yè)，也是唯一一個(gè)大規(guī)模采集、加工和利用生物質(zhì)原料的工業(yè)。因此把傳統(tǒng)造紙廠轉(zhuǎn)化為能夠同時(shí)生產(chǎn)紙產(chǎn)品、高分子材料和多種化學(xué)品的復(fù)合型生物質(zhì)精煉工廠是現(xiàn)代造紙工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

3 制漿造紙生物質(zhì)精煉的基礎(chǔ)技術(shù)

3.1 木片抽提液的發(fā)酵技術(shù)

盡管通過(guò)色譜層析法可以在原材料中提取相應(yīng)的糖類(lèi)和乙醇，可是在提取技術(shù)上和成本消耗上都有一定難度，研究意義不大。由于低溶度乙醇的市場(chǎng)需求很大，所以利用木片抽取液的發(fā)酵技術(shù)，不僅可以批量的提取低濃度的乙醇，而且經(jīng)過(guò)后期的簡(jiǎn)單加工，還能生產(chǎn)無(wú)水乙醇[3]。

此外造紙污泥是制漿造紙生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的固體殘?jiān)?。?guó)外已有一些學(xué)者對(duì)造紙污泥發(fā)酵生產(chǎn)乙醇進(jìn)行了研究與探索。Marques等[4-5]分別以不同公司的造紙污泥作為生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化其中的纖維素成乙醇,轉(zhuǎn)化率均超過(guò)51%。

（1）發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇。乙醇的發(fā)酵方法有直接發(fā)酵法、間接發(fā)酵法、混合菌種發(fā)酵法,非等溫同時(shí)糖化發(fā)酵法(NSSF法)、同步糖化發(fā)酵法和固定化細(xì)胞發(fā)酵。目前主要采用同步糖化發(fā)酵法和固定化細(xì)胞發(fā)酵這兩種方式。

同步糖化發(fā)酵法（SSF法）是由Gauss在1976年提出的，在同一個(gè)反應(yīng)容器中進(jìn)行纖維素糖化和乙醇發(fā)酵。他們認(rèn)為葡萄糖和纖維二糖的產(chǎn)物發(fā)生抑制作用，導(dǎo)致分步糖化發(fā)酵（SHF）所產(chǎn)生的葡萄糖產(chǎn)量低，而在SSF過(guò)程中消耗了葡萄糖和纖維二糖，提高了乙醇的產(chǎn)量[6]。

固定化細(xì)胞發(fā)酵具有能使發(fā)酵器內(nèi)細(xì)胞濃度提高,細(xì)胞可連續(xù)使用,使最終發(fā)酵液乙醇濃度得以提高。目前研究最多的是酵母和運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單孢菌的固定化。固定化細(xì)胞發(fā)酵的新動(dòng)向是混合固定細(xì)胞發(fā)酵,如酵母與纖維二糖酶一起固定化,將纖維二糖基質(zhì)轉(zhuǎn)化成乙醇。該法引人注目,被看作是生物質(zhì)生產(chǎn)酒精的重要方法之一[7]。

（2）發(fā)酵法生產(chǎn)木糖醇。木糖醇是一種無(wú)致齲性的甜味劑,廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域;木糖醇在人體內(nèi)代謝不需胰島素參與,因此特別適合糖尿病患者食用。1966年Onishi和Suzuki報(bào)道了多種酵母能夠利用D-木糖生產(chǎn)木糖醇以來(lái),發(fā)酵法生產(chǎn)木糖醇的研究在國(guó)際上受到了廣泛重視。過(guò)往工業(yè)上一般采用加氫催化經(jīng)過(guò)高度純化的木糖溶液生產(chǎn)木糖醇。該方法產(chǎn)率低、高污染。三相流化床中發(fā)酵生產(chǎn)木糖醇是可研究方向，還可以利用基因重組技術(shù)構(gòu)建工程菌。

（3）發(fā)酵法產(chǎn)單細(xì)胞蛋白(SCP)。SCP蛋白質(zhì)含量豐富,營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高。發(fā)酵法生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白成本低廉,工藝簡(jiǎn)單,是緩解目前蛋白飼料危機(jī)的捷徑,并且能對(duì)多種廢棄資源進(jìn)行再利用[8]。

3.2 黑液分離技術(shù)

對(duì)黑液進(jìn)行深加工，對(duì)黑液的成分進(jìn)行稀釋、分離，從而減少黑液的危害性。

造紙蒸煮過(guò)程分離的木質(zhì)素是橡膠、冶金、石油、染料、水泥、陶瓷開(kāi)采等工業(yè)部門(mén)所用助劑的重要原料，可以加工成有經(jīng)濟(jì)效益的化學(xué)品[9]。黑液分離可以得到黑液木素、黑液纖維素和半纖維素。乙醇法制漿是溶劑法制漿，其乙醇-水溶液在高溫高壓下抽提纖維原料，廢液中的副產(chǎn)物如木質(zhì)素、糠醛及多糖等都能得到有效回收利用。

木質(zhì)生物質(zhì)可以通過(guò)堿法制漿和生物質(zhì)精煉的方式制漿。堿法制漿生產(chǎn)后的黑液經(jīng)過(guò)分離技術(shù)得到木素；生物質(zhì)精煉生產(chǎn)后的水解液發(fā)酵制乙醇，剩余液經(jīng)過(guò)分離技術(shù)得到木素，木素經(jīng)催化劑作用得到木素氧化降解產(chǎn)物，通過(guò)分離純化，得到高附加值的醛。醛有兩方面的作用：醛作為中間產(chǎn)物進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品；醛可以直接被利用，如催化漆酶脫木素。

從木素中獲取高附加值的產(chǎn)品，須要進(jìn)行催化降解，目前將木質(zhì)素降解的方法有如下幾種[10]：

（1）熱裂解。黑液熱裂解主要指在高溫下使木素發(fā)生裂解而生成小分子產(chǎn)物。

（2）生物法降解。木素可以被多種酶降解，如木素過(guò)氧化物酶、錳過(guò)氧化物酶以及漆酶等。這三種酶可以催化木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中的苯環(huán)發(fā)生單電子氧化反應(yīng)形成苯氧自由基，發(fā)生一系列非酶催化的自由基反應(yīng)而降解[11]。

（3）氧化降解。用不同的氧化劑來(lái)處理木素得到小分子醛類(lèi)，有硝基苯、銅、氧氣做氧化劑。利用一些過(guò)渡金屬、貴金屬等作為催化劑,以氧氣為氧化劑的催化濕空氣氧化法(CWAO)是目前最常用的氧化降解木素的方法。其具有條件溫和、選擇性好、產(chǎn)率高和作用時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)[12]。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于造紙工業(yè)的高能耗、高污染，現(xiàn)代工業(yè)要平穩(wěn)改造核心技術(shù)，生物質(zhì)精煉在傳統(tǒng)造紙工藝改良，結(jié)合生物發(fā)酵技術(shù)等。為了低能耗、高效益，造紙業(yè)需結(jié)合周邊學(xué)科。木片抽提液的發(fā)酵技術(shù)可以生產(chǎn)乙醇，黑液通過(guò)分離木質(zhì)素可以生產(chǎn)附加值高的化學(xué)品。

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作者介紹：

姓名：楊潔

工作單位：江西省輕工業(yè)研究所 南昌

主要研究方向：制漿造紙工藝、化學(xué)品研發(fā)、新能源開(kāi)發(fā)等

聯(lián)系方式：13667003214

郵箱：yangjiey1122@126.com

三分之二企業(yè)認(rèn)為中國(guó)化解產(chǎn)能過(guò)剩需三年以上

產(chǎn)能過(guò)剩是中國(guó)工業(yè)發(fā)展中的“痼疾”，化解現(xiàn)有過(guò)剩產(chǎn)能尚需多少時(shí)日?中國(guó)國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心對(duì)3 545家企業(yè)的調(diào)查顯示，67.7%的企業(yè)認(rèn)為，要消化目前的過(guò)剩產(chǎn)能，需要“3年以上”的時(shí)間，其中認(rèn)為需要“5年及以上”的企業(yè)占到22.7%。

國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心宏觀經(jīng)濟(jì)部研究員張立群指出，中國(guó)經(jīng)濟(jì)正在由工業(yè)化中期進(jìn)入工業(yè)化后期，持續(xù)多年的低水平低成本產(chǎn)能擴(kuò)張到了轉(zhuǎn)型換擋階段，一些不適應(yīng)這種轉(zhuǎn)變的產(chǎn)業(yè)和企業(yè)面臨新的洗牌。

對(duì)于多年來(lái)屢次調(diào)整產(chǎn)能屢次過(guò)剩的“怪圈”，張立群認(rèn)為，這與市場(chǎng)和成本條件變化有直接關(guān)系。隨著市場(chǎng)由供不應(yīng)求到普遍供大于求，工資、土地、排污等價(jià)格明顯提高，中國(guó)更加注重單位GDP的“含金量”，提升發(fā)展的內(nèi)生動(dòng)力，提質(zhì)、增效、減量成為必然選擇。

“化解過(guò)剩產(chǎn)能需要較長(zhǎng)一段時(shí)間，”張立群預(yù)計(jì)，隨著適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)要求的產(chǎn)業(yè)發(fā)展起來(lái)，中國(guó)將進(jìn)入新一輪更高水平、更小代價(jià)、更可持續(xù)的增長(zhǎng)，產(chǎn)能和市場(chǎng)需求也將通過(guò)調(diào)整達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。