一种热蒸汽协同生物酶处理麦草制备原色生物机械浆及副产物全利用的方法
阅读说明：本技术 一种热蒸汽协同生物酶处理麦草制备原色生物机械浆及副产物全利用的方法 (Method for preparing primary-color biomechanical pulp by treating wheat straws with hot steam and biological enzyme and fully utilizing byproducts ) 是由 田中建 吉兴香 王东兴 韩文佳 马浩 邵学军 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种热蒸汽协同生物酶处理麦草制备原色生物机械浆及副产物的方法,属于造纸技术与废弃物综合利用技术领域。本发明提出以全麦草为原料,采用热水协同碱性生物酶处理全麦草制备高强度原色生物机械浆的方法,从而满足生产原色箱板纸和纸基材料要求,并对其副产物进行回收制备生物质复合肥,使得固废变废为宝,实现了麦草的高值化全利用。本发明制备方法简单、绿色清洁高效,具有良好的实际应用价值和广阔的应用前景。(The invention relates to a method for preparing primary-color bio-mechanical pulp and byproducts by treating wheat straws with hot steam and bio-enzyme, belonging to the technical field of papermaking technology and comprehensive utilization of wastes. The invention provides a method for preparing high-strength primary-color bio-mechanical pulp by using whole wheat straws as raw materials and treating the whole wheat straws by hot water in cooperation with alkaline bio-enzyme, thereby meeting the requirements of producing primary-color cardboard paper and paper-based materials, recycling byproducts thereof to prepare a biomass compound fertilizer, changing solid wastes into valuables, and realizing high-valued full utilization of the wheat straws. The preparation method is simple, green, clean and efficient, and has good practical application value and wide application prospect.)
技术领域
本发明属于造纸技术与废弃物综合利用技术领域，具体涉及一种热蒸汽协同生物酶处理麦草制备原色生物机械浆及副产物的方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
在传统的制浆造纸中，麦草作为禾草类代表是一种重要的造纸原料，但是由于麦草叶和叶鞘等不易打浆，因此在备料过程中通常仅保留麦草秸秆，而麦草叶和麦草叶鞘则要求尽可能去除，但是去除麦草叶和麦草叶鞘等不仅造成了备料的成本增加，同时也极大降低了麦草原料的利用率。为此，申请人提出一种热水协同碱性生物酶处理麦草制备本色生物机械浆的制备工艺，以全麦草为原料，采用热水协同碱性生物酶处理全麦草制备高强度本色生物机械浆的方法 (见CN 109706771A)。然而，在制浆过程中产生的副产物问题没有得到很好解决，不利于农业秸秆的综合高值化利用。
发明内容
针对背景技术，本发明提出一种热蒸汽协同生物酶处理麦草制备原色生物机械浆及副产物的方法。本发明提出以全麦草为原料，采用热水协同碱性生物酶处理全麦草制备高强度原色生物机械浆的方法，从而满足生产原色包装纸和纸基材料要求，并对其副产物进行回收制备生物质复合肥，使得固废变废为宝，实现了麦草的高值化全利用。本发明制备方法简单、绿色清洁高效，具有良好的实际应用价值和广阔的应用前景。
具体技术方案如下：
在本发明的第一个方面，提供一种热蒸汽处理协同生物酶处理的生物机械浆及副产物全利用的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)以获取小麦粮食后的废弃物麦草为原料，按照1:3-1:6的液比与麦草进行混合，添加微量KOH，使得麦草含水的pH值为10-14，然后通入热水蒸汽，热水蒸汽处理过程持续在15-60min，蒸汽温度100-120℃；收集碱液废水，并将不能进行加工使用的腐烂叶和秸秆进行收集；
(2)热蒸汽处理结束后，将麦草进行挤压分丝；收集挤压段废水；
(3)将分丝后的麦草与碱性生物复合酶进行作用，处理温度为40-60℃，处理时间为30-90min；收集酶处理阶段产生的废水；
(4)将生物处理后的麦草进行磨浆，收集磨浆洗涤水；
将碱液废水、挤压段废水、酶处理阶段产生的废水、磨浆洗涤水采用多效蒸发器处理蒸发浓缩得残渣，回收热能用于步骤(1)的热水蒸汽预处理段；将所述残渣与步骤(1)中不能进行加工使用的腐烂叶和秸秆混合调酸制肥。
在本发明的第二个方面，提供采用上述方法制备得到的生物机械浆和/或肥料。
在本发明的第三个方面，提供所述生物机械浆在制备箱板纸中的应用和/ 或肥料在促进作物生长中的应用。
上述一个或多个技术方案的有益效果：
上述技术方案利用小麦草废弃物为原料，采用生物技术和机械方法，在保证造纸废水循环利用，不增加废水排放、不造成环境污染的情况下，研制出了优良的生物机械浆制备方法，在很大程度上解决造纸纤维原料短缺的问题。同时，农业剩余物得到高附加值利用，可与“三农”问题有效对接，从源头上杜绝农作物废弃物的焚烧，实现经济和社会效益双丰收。
针对传统制浆造纸过程中，麦草中的麦叶除去、只利用麦草秸秆的实际情况，针对全麦废弃物(麦草秸秆、麦叶和叶鞘)，首次提出了小麦收割废弃物的全利用技术，提出了热蒸汽饱和软化、原色生物机械浆的新概念；首次提出了热蒸汽协同碱性复合生物酶制备高强度原色生物机械浆的新工艺新技术，该技术较传统的机械浆相比较，可节省磨浆能耗40％以上，各项物理指标达到了生产包装纸和纸基材料的要求。尤其是在箱板纸包装材料具有较为广泛的应用。
利用农作物小麦的废弃物作为制浆原料，采用常压热蒸汽水汽处理麦草，同时加微量碱调节麦草含水的pH值在10-14，待麦草中溶出部分半纤维素、木素、果胶等物质后，麦草热蒸汽饱和软化后，进行螺旋挤压处理，使麦草物理分丝，然后进行生物酶处理，生物酶处理后，纤维进一步软化，然后对麦草进行磨浆，达到生产原色包装类纸和纸基材料的要求。尤其是在箱板纸和包装瓦楞纸上具有较为广泛的应用。
上述技术方案中，各阶段产生废水采用多效蒸发器处理，回收到固体残渣的同时，对其用微量磷酸进行调节pH值，然后造粒做成生物质复合肥，该肥料含有适量的K、P元素和大量的易降解、颗粒小的秸秆组分(如半纤维素等)，整个生产过程绿色环保，实现了麦草的高值化全利用。需要说明的是，与传统的基于化学浆(化学浆需要高温高碱，一般温度在160℃以上，20％左右的用碱量)副产物制备肥料不同，本申请技术方案由于采用低温少碱方式，加之其中利用的秸秆本身就是天然钾肥的好材料，因此本申请技术方案在肥料制备上天然具有“先天优势”，同时，经优化筛选工艺条件，本申请制备得到的生物质复合肥料还具有肥效高、贮藏稳定性好等优势。
综上，上述技术方案制备方法简单，节能环保，符合国家资源节约、经济循环、节能减排的产业政策，能够产生良好的社会效益、经济效益和生态效益，因此具有良好的实际应用之价值和工业化应用之前景。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。
本发明中，液比是指原料的蒸煮液比，液比：蒸煮绝干原料重量与蒸煮总液量体积之比。
在本发明的第一个典型的实施方式中，提供一种热蒸汽处理协同生物酶处理的生物机械浆及副产物全利用的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)以获取小麦粮食后的废弃物麦草为原料，按照1:3-1:6的液比与麦草进行混合，添加微量KOH，使得麦草含水的pH值为10-14，然后通入热水蒸汽，热水蒸汽处理过程持续在15-60min，蒸汽温度100-120℃；收集碱液废水，并将不能进行加工使用的腐烂叶和秸秆进行收集；
(2)热蒸汽处理结束后，将麦草进行挤压分丝；收集挤压段废水；
(3)将分丝后的麦草与碱性生物复合酶进行作用，处理温度为40-60℃，处理时间为30-90min；收集酶处理阶段产生的废水；
(4)将生物处理后的麦草进行磨浆，收集磨浆洗涤水；
将碱液废水、挤压段废水、酶处理阶段产生的废水、磨浆洗涤水采用多效蒸发器处理蒸发浓缩得残渣，回收热能用于步骤(1)的热水蒸汽预处理段；将残渣与步骤(1)中不能进行加工使用的腐烂叶和秸秆混合调酸制肥。
步骤(1)中，将废弃物麦草切成3-6cm长的备用原料，风干。
步骤(1)中，所述的液比为1:3-1:6(g/mL)，经过大量的实验验证与分析，采用该液比的溶液在一定时间后形成特定pH的麦草溶液，从而使得制备得到的生物机械浆的pH呈中性。
步骤(1)中，采用热蒸汽对麦草进行特定的处理，使得麦草的纤维更加柔软，经过试验验证，相比于采用其他方法，能够制备耐折强度较好的箱板纸。
步骤(1)中，添加KOH，调节麦草含水的pH值为10-14，添加KOH的目的是：一方面可以使麦草溶出少部分的半纤维素、木素和果胶等物质，另一方面，辅助热蒸汽尽快的将麦草软化，为下一步螺旋挤压做基础；同时更为重要的是，由于钾是植物必须的大量元素，因此此处使用钾碱处理使得后续制得的肥料中富含钾元素。
步骤(1)中，热蒸汽处理温度为100-120℃，时间为15-60min。经过试验验证，温度过低的话，不能有效将全麦草废弃物吸水软化，影响后续的分丝效果。
步骤(2)中，采用螺旋挤压机进行挤压分丝，工艺条件是：螺旋挤压机的压缩比控制在1：(3-6)。
饱水软化后的麦草在螺旋挤压机中受到剪切、拉伸、扭转和压制等各种力的综合作用，进一步使得麦草中的半纤维素溶出，纤维受到一定程度的损伤，螺旋挤压显著改善了麦草的生物酶的渗透性能，使得生物酶的作用效果更好，用量降低。经过试验验证，将压缩比控制在1：(3-6)，对纤维长度的降低影响较小，长纤维组分变化较小。
步骤(3)中，液比控制在1：3-8(g/mL)。
针对挤压之后的特定麦草废弃物原料，选择的碱性生物复合酶为木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是：10-80IU/mL，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为(0～6)：(0～4)：(0～1.5)，各酶均不取0；进一步优选为(5～6)：(2～3)：1；优选的，酶总用量为10～50IU/mL。申请人进一步研究意外发现，通过优化生物复合酶的酶活比例，在保证成浆高性能的同时，还能通过与后续各废水添加量的配合从而有效提高肥料的肥效和贮藏稳定性。
步骤(4)中，根据生产需要确定磨浆次数，磨浆的打浆度控制在25-50°SR。
磨浆工艺条件：使用KPF高浓盘磨机进行高浓磨浆，主轴转速3000～4000 r/min，采用一段或两段磨浆，磨浆间隙为0.15-0.5mm。
其中，碱液废水、挤压段废水、酶处理阶段产生的废水、磨浆洗涤水的质量比为5～12:1～5:1～5:5～15；
残渣与步骤(1)中不能进行加工使用的腐烂叶和秸秆的质量比为4～7:1～2。
调酸制肥具体工艺为：向其中加入磷酸调节pH至7，干燥、粉碎、造粒即得。通过采用磷酸处理，在中和碱性的同时也引入磷等营养元素，更加经济环保。
在本发明的第二个典型的实施方式中，提供采用上述方法制备得到的生物机械浆和/或肥料。该生物机械浆中的纤维交错均匀，纤维柔软，纤维长度较长并且比较均一。经过后续实验验证，该种生物机械浆制备的纸基材料耐破指数、撕裂指数和环压指数均较高。同时，本发明制得的肥料为生物质复合肥，经试验验证，其具有较好的肥效和贮藏稳定性。
在本发明的第三个典型的实施方式中，提供所述的生物机械浆在制备箱板纸中的应用和/或肥料在促进作物生长中的应用。箱板纸主要是与瓦楞纸芯粘合后制成瓦楞纸箱，用来包装家用电器、日用百货、针棉织物、文化用品、中西成药的外包装等。本发明采用上述生物机械浆制备得到的箱板纸耐破指数、撕裂指数和环压指数均较高，并且耐折性好。本发明制备的肥料为生物质复合肥，能够有效促进玉米、小麦等作物的生长。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1：一种热蒸汽处理协同生物酶处理的生物机械浆及副产物全利用的制备方法，该实施例制备麦草原色生物机械浆；同时制备生物质复合肥。
(1)把物理挑选除尘后的风干麦草切成5cm长的备用原料，放入麦草处理器或反应釜中，按照1:5(g/mL)的液比对麦草进行混合，对混合物中加入微量的碱KOH，调节麦草含水的pH值在14；将不能进行加工使用的腐烂叶和秸秆进行收集；
(2)通入热水蒸汽，温度110℃，时间20min，使麦草中溶出少部分的半纤维素、木素和果胶等物质，使麦草热饱和水软化，处理结束的时候软化麦草含水的pH值在8，收集碱液废水；
(3)把热蒸汽饱水软化的麦草在螺旋挤压机上进行挤压，调整挤压机的压力，使麦草达到均匀良好的分丝效果。麦草的饱和软化分丝较好，进行一次挤压；螺旋挤压机的压缩比控制在1:4，收集挤压段废水；
(4)软化分丝后的麦草与碱性生物酶在生物处理器或生物反应器中处理50min,温度控制在50℃，液比控制在1:6(g/mL)，不断搅拌混合麦草，使麦草与生物酶充分作用，进一步软化麦草纤维。
碱性生物复合酶为木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是60IU/mL(1ml料液采用60IU生物酶)，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为5：3：1；收集酶处理阶段产生的废水；
(5)把生物处理后的麦草用磨浆机进行两段磨浆，使纸浆打浆度达到 42°SR。
所述磨浆的工艺参数为：使用KPF高浓盘磨机进行高浓磨浆，主轴转速 3000r/min，磨浆间隙为0.25mm；收集磨浆洗涤水；
(6)把磨浆好的麦草生物机械浆在经纤维疏解器疏解使其均匀混合，然后在纸页成型器上抄制成型120g/m2的箱板纸。各项物理指标均达到了生产原色箱板纸和纸基材料的要求。
将碱液废水、挤压段废水、酶处理阶段产生的废水、磨浆洗涤水按10:1:5:15 的质量比混合后进行蒸发浓缩，采用多效蒸发器处理蒸发浓缩得残渣，回收热能用于步骤(1)的热水蒸汽预处理段；将残渣与步骤(1)中不能进行加工使用的腐烂叶和秸秆按照4:1混合加入磷酸调节pH至7，干燥、粉碎、造粒制生物质有机肥。
实施例2：一种热蒸汽处理协同生物酶处理的生物机械浆及副产物全利用的制备方法，该实施例制备麦草原色生物机械浆；同时制备生物质复合肥。
(1)把物理挑选除尘后的风干麦草切成4cm长的备用原料，放入麦草处理器或反应釜中，按照1:4(g/mL)的液比对麦草进行混合，对混合物中加入微量的碱KOH，调节麦草含水的pH值在14；将不能进行加工使用的腐烂叶和秸秆进行收集。
(2)通入热水蒸汽，温度100℃，时间30min，使麦草中溶出少部分的半纤维素、木素和果胶等物质，使麦草热饱和水软化，处理结束的时候软化麦草含水的pH值在9，收集碱液废水。
(3)把热饱水软化的麦草在螺旋挤压机上进行挤压，调整挤压机的压力，使麦草达到均匀良好的分丝效果。麦草的饱和软化分丝较好，进行一次挤压；螺旋挤压机的压缩比控制在1:3，收集挤压段废水；
(4)软化搓丝后的麦草与碱性生物酶在生物处理器或生物反应器中处理 60min,温度控制在55℃，液比控制在1:5(g/mL)，不断搅拌混合麦草，使麦草与生物复合酶充分作用，进一步软化麦草纤维。
碱性生物复合酶为木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是60IU/mL，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为4：3：1.5；收集酶处理阶段产生的废水；
(5)把生物处理后的麦草用磨浆机进行磨浆，使纸浆打浆度达到45°SR。
磨浆的工艺参数为：使用KPF高浓盘磨机进行高浓磨浆，主轴转速3000 r/min，采用两段磨浆，磨浆间隙为0.2mm；收集磨浆洗涤水；
(6)把磨浆好的麦草生物机械浆在经纤维疏解器疏解使其均匀混合，然后在纸页成型器上抄制成型80g/m2的原色箱板纸。各项物理指标均达到了生产原色包装纸和纸基材料的要求。
将碱液废水、挤压段废水、酶处理阶段产生的废水、磨浆洗涤水按12:2:2:13 的质量比混合后进行蒸发浓缩，采用多效蒸发器处理蒸发浓缩得残渣，回收热能用于步骤(1)的热水蒸汽预处理段；将残渣与步骤(1)中不能进行加工使用的腐烂叶和秸秆按照5:2混合加入磷酸调节pH至7，干燥、粉碎、造粒制生物质有机肥。
实施例3：一种热蒸汽协同生物酶处理麦草制备原色生物机械浆的方法，该实施例制备麦草原色生物机械浆，同时制备生物质复合肥。
(1)把物理挑选除尘后的风干麦草切成6cm长的备用原料，放入麦草处理器或反应釜中，按照1:6(g/mL)的液比对麦草进行混合，对混合物中加入微量的碱KOH，调节麦草含水的pH值在13，将不能进行加工使用的腐烂叶和秸秆进行收集；
(2)通入热水蒸汽，温度110℃，时间20min，使麦草中溶出少部分的半纤维素、木素和果胶等物质，使麦草热饱和水软化，处理结束的时候软化麦草含水的pH值在8，收集碱液废水；
(3)把热饱水软化的麦草在螺旋挤压机上进行挤压，调整挤压机的压力，使麦草达到均匀良好的分丝效果。麦草的饱和软化分丝较好，进行一次挤压；螺旋挤压机的压缩比控制在1:4；收集挤压段废水；
(4)软化分丝后的麦草与碱性生物酶在生物处理器或生物反应器中处理 90min,温度控制在50℃，液比控制在1:5(g/mL)，不断搅拌混合麦草，使麦草与生物酶充分作用，进一步软化麦草纤维。
碱性生物复合酶为木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是50IU/mL，木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶的酶活比例为6：3：1，收集酶处理阶段产生的废水；
(5)把生物处理后的麦草用磨浆机进行磨浆，使纸浆打浆度达到38°SR。
磨浆的工艺参数为：使用KPF高浓盘磨机进行高浓磨浆，主轴转速3000 r/min，采用一段磨浆，磨浆间隙为0.15mm；收集磨浆洗涤水；
(6)把磨浆好的麦草生物机械浆在经纤维疏解器疏解使其均匀混合，然后在纸页成型器上抄制成型60g/m2的原色箱板纸。各项物理指标均达到了生产原色包装纸和纸基材料的要求。
将碱液废水、挤压段废水、酶处理阶段产生的废水、磨浆洗涤水按6:1:3:7 的质量比混合后进行蒸发浓缩，增发浓缩采用多效蒸发器处理蒸发浓缩得残渣，回收热能用于步骤(1)的热水蒸汽预处理段；将残渣与步骤(1)中不能进行加工使用的腐烂叶和秸秆按照5:1混合加入磷酸调节pH至7，干燥、粉碎、造粒制生物质有机肥。
实验例1：方法同实施例1，区别点在于将TSP360搓丝机上进行搓丝后的生物酶调整为使用木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是 60IU/mL，酶活比例为3：2：1.5。
实验例2：方法同实施例1，区别点在于将TSP360搓丝机上进行搓丝后的生物酶调整为使用木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶三种酶的复配酶，总用量是 60IU/mL，酶活比例为4：4：1。
实验例3：方法同实施例1，区别点在于将碱液废水、挤压段废水、酶处理阶段产生的废水、磨浆洗涤水的质量比控制为10:1:10:10。
实验例4：方法同实施例1，区别点在于将碱液废水、挤压段废水、酶处理阶段产生的废水、磨浆洗涤水的质量比控制为15:1:4:20。
实验例5：方法同实施例1，区别点在于将残渣与步骤(1)中不能进行加工使用的腐烂叶和秸秆的质量比控制为1:1。
实验例6：方法同实施例1，区别点在于将残渣与步骤(1)中不能进行加工使用的腐烂叶和秸秆的质量比控制为8:1。
效果验证：
1、表1为实施例1、实验例1和2制备生物机械浆的成浆物理性能比较，可以看到，各组成浆物理性能均较佳，达到了生产原色包装纸和纸基材料的要求。实验例3-6成浆物理性能同实施例1。
表1一种麦草热蒸汽协同生物酶处理制备生物机械浆的成浆物理性能指标比较一览表
2、实施例1、实验例1-6制备生物质复合肥肥效检测
(1)玉米盆栽试验
将实施例1、实验例1-6制备生物质复合肥施用于盆栽玉米进行试验，在玉米苗期施用生物质复合肥(3g/kg土)，结果如表2所示，表明与不施肥对照组CK相比，实施例1和实验例1-6均使得玉米生物量显著增加，其中以实施例1效果最佳。
表2
(2)小麦盆栽试验
将实施例1、实验例1-6制备生物质复合肥施用于盆栽小麦进行试验，在小麦苗期施用生物质复合肥(5g/kg土)，结果如表3所示，表明与不施肥对照组CK相比，实施例1和实验例1-6均使得小麦生物量增加，其中以实施例1 效果最佳。
表3
实例
生物量(g/盆)
增加(％)
CK
8.35
-
实施例1
10.14
21.4
实验例1
9.68
16.0
实验例2
9.41
12.7
实验例3
9.96
19.3
实验例4
9.25
10.8
实验例5
9.06
8.5
实验例6
9.93
18.9
3、实施例1、实验例1-6制备生物质复合肥贮藏稳定性检测
一直以来，结块问题影响复合肥外观质量，给复合肥运输和施用带来不便，因此本申请对制备的生物质复合肥的贮藏稳定性(防结块性能)采用压块法进行试验，按温度50℃，压力147N，15天的条件控制，在圆环内装入50g复合肥样品，对圆柱状复合肥压块测定剪切力数据，试验结果见表4。可以看到，本申请制备的生物质复合肥贮藏稳定性远高于实验例1-6。
表4
实例
剪切力(N)
防结块率(％)
实施例1
34.53
54.5
实验例1
46.54
38.7
实验例2
47.56
37.4
实验例3
53.25
29.9
实验例4
42.15
44.5
实验例5
52.57
30.8
实验例6
55.86
26.4
注：防结块率＝(空白剪切力-样品剪切力)/空白剪切力×100％，空白剪切力为75.92N。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。