生物精炼或可改变秸秆资源被边缘化命运
作者:赌博网  来源:澳门赌博网  时间:2019-04-13 04:31  点击:

  我国拥有丰富的农作物秸秆资源和利用农作物秸秆造纸的独特技术优势。然而,由于环保、成本等因素,多年来我国纸业所使用的农作物秸秆占整个行业原料比例逐年下降,明显存在被边缘化的发展趋势。在木材紧缺的情况下,怎样充分利用好这一巨大的资源成为行业当务之急。2012年,中国造纸学会连续举办了两次生物质精炼研讨会。会上,专家介绍了相关的技术、研究成果及方向,成为行业可持续发展的重要参考。

  利用生物质精炼技术,在解决环保问题前提下,可高值化综合利用农作物秸秆,生产纸浆、低聚木糖及生物油等产品,延长制浆造纸产业链,提高行业利润率

  中国制浆造纸研究院环保中心项目工程师徐明说,非木材制浆的黑液处理技术改进空间较大。据此,我们想通过生物质精炼技术开发新产品,并且解决清洁生产问题。

  根据推算,我国拥有9000多万吨到1亿吨左右的麦秸秆。除了还田和直接被烧掉之外,麦秸秆作为工业原料的比例低于20%,其中主要被用于制浆。

  目前,我国农村已明令禁止燃烧麦秸秆。所以,这需要我们继续努力研究,让大量的麦秸秆物尽其用。

  我们开始处理麦秸秆的方法是按照传统方法预提取半纤维素,而后再制浆。我们初步采用的是低碱低温预提取工艺。但因为麦秸秆的木质素是碱易溶的,所以在较温和的条件下木质素就被溶解出来了。这种工艺产生的预提取液含有半纤维素、木质素和纤维素,跟想象中的不太一样。于是,我们对它用酸析沉淀工艺除去木质素,然后对剩下的糖用内切酶酶解,在达到目标聚合度后再进行脱色处理,去做低聚木糖产品。

  低聚木糖是生产食品、保健品、药品的添加剂。低聚木糖主要含有木二糖、木三糖、木四糖、木五糖等成分。山东禹城的龙力集团有限公司用玉米芯做低聚木糖。产品是糖浆状的或者粉状的,被添加在葡萄酒或者其它食品中。据说龙力集团生产低聚木糖的规模挺大。根据纯度不同,龙力集团将低聚木糖的售价定为每吨3万元—10万元之间。这个产品进入食品领域可能还有一段路要走。但它已进行添加剂领域。

  在生产出低聚木糖后,我们采用低碱工艺用剩余物料生产纸浆。我们从初步得到的数据来看,低聚木糖质量、纸浆质量和黑液性能都比较好。但这条路怎么往下走我们也是在“摸着石头过河”,正在进行实验。

  我们现在对黑液气化很感兴趣。因为它热值比较高,木质素含量也必较高。广西大学和华南理工大学在这方面都有专家。我们也在跟他们积极沟通。据悉,2008年我国可收集利用的秸秆总量达到6.5亿吨。如果我国掌握了黑液气化技术,用秸秆生产二甲醚或者生产代替汽油的液体产品是挺让人向往的一件事情。

  华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室主任孙润仓认为,造纸工艺是多元、多学科的源头,既能把造纸做好,也能把生物质精炼做好。

  据江苏五洲(新大)纸业有限公司技术研发中心的周正培介绍,该公司在用麦草溶解浆生产低定量优质卫生纸及中、高档面巾纸、擦手纸、擦拭纸、产妇卫生纸等方面进行了探索。

  溶解浆又称特种浆或精制浆,是一种较纯净的优质化学浆,其甲种纤维素含量为90%—98%,半纤维素和木质素含量低。其主要用于生产纺织原料的粘胶纤维,也是生产玻璃纸、医药行业灭菌过滤纸、醋酸纤维、硝化纤维、酸甲基纤维素、微晶纤维素、纤维素醚等产品的主要原料。

  在轻工制造业中,棉花的替代品主要有合成纤维(涤纶)和粘胶纤维。粘胶纤维在质地上与棉花相近,在舒适性、透气性、环保等方面较涤纶有明显优势。所以粘胶纤维如何价低质优的产业化成为众多高校、企业研发的热门课题。生产粘胶纤维的主要原材料是棉绒浆和溶解浆。近年来,由于消费群体对棉花等原生物质需求量增大,造成棉绒浆紧缺。因此溶解浆成为粘胶纤维的惟一原料来源。

  造纸用化学浆和溶解浆的生产工艺相似。工厂对现有制浆工艺流程和造纸机的上浆、烘干、脱水等部位进行技术改造,并将电气传动全部改造为变频调速控制。改造后的圆网纸机运行速度由125 米/分钟提高至158米/分钟,产能提高27%左右,可制备麦秸秆溶解浆。工厂用秸秆溶解浆和机械木浆两种原料可生产低定量产妇卫生纸。

  现有普通化学浆生产线用来生产溶解浆,需要对蒸煮和洗、选、漂系统进行一系列的改造或新增一些必要的设备。

  为了获得高质量的溶解浆产品,该工艺对筛选要求相当高,一般需要对现有筛选系统进行优化扩容改造,从而达到提高浆料洗净度、减少化学品消耗、提高浆料品质、降低中段废水排放负荷的目的。

  漂白系统的优化改造需要根据各自不同的漂白流程进行有针对性的改造,以减少尘埃及金属离子对浆料品质的影响。

  工厂用溶解浆和机械木浆抄造的产妇卫生纸有8层,使用方便,及时更换可免除潮湿和侧漏,保持清新,减少皮肤病发生,有利于产妇产后恢复。

  天然纤维具有消臭抗菌性,吸、放湿性能在麻和丝绸之间,可以与棉、麻、蚕丝、莫代尔、涤纶、睛纶等纤维进行不同比例的混纺交织。目前该产品在国内市场处于起步阶段,市场缺口大。

  东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室的周衙欣、岳金权撰写了《玉米秸酸水解糖化残渣制浆应用研究》一文。

  文章指出,酸水解糖化残渣工艺可以用玉米秸生产纸浆。研究表明,玉米秸酸水解糖化残渣的热水抽出物含量为19.55%,1%NaOH抽出物含量则高达51.25%。该工艺不适于生产化学浆,而适合制备高得率浆,用于生产瓦楞原纸。

  用玉米秸秆可生产清洁燃料。在我国木质纤维资源缺乏的情况下,利用丰富的农业废弃物玉米秸秆经过预处理、纤维素酶水解及戊糖己糖同步酒精发酵技术制取燃料乙醇的工业化模式得到关注。当前造纸行业主要采用叶、穰和茎皮分离技术处理玉米秸秆,叶、穰用于加工饲料,而秸皮作为优质纤维用于生产有光纸、高强度瓦楞纸和包装纸板。这种制浆造纸企业与生产饲料企业合作的方式在现阶段能够产生显著的经济效益,也体现出玉米秸秆作为造纸原料有其良好的发展前景。

  纤维素是可以再生的、可降解的、环境友好型的天然有机物,可用来替代石油基化学品或材料;纳米纤维素悬浮液具有假塑性、触变性,利用其独特的流变特性可用于生产聚合物、生物材料、涂料、食品、化妆品、医药和造纸等领域

  中国制浆造纸研究院的胡云在《纳米纤维素的制备及研究》一文中指出,纤维素是自然界中分布最广、蕴含量最丰富的一种由8000至10000个葡萄糖基通过β-1、4-糖苷键连接而成的多糖。纤维素是植物细胞壁的主要成分。自然界中,棉花中的纤维素含量最高,达90%以上。此外,麻、稻秸秆、麦秸秆等也含有纤维素。纤维素是可以再生的、可降解的、环境友好型的天然有机物。人们用它可以生产替代石油基化学品的产品。

  进入上世纪90年代,尤其是最近10年,纳米纤维素的相关研究已成为纤维素科学研究领域的热点。通过深入研究,科研人员揭示出纳米纤维素在许多领域具有很大的应用潜力。

  植物纤维的长度一般在0.5mm—3 mm之间,宽度约为20—40 μm。科研人员通过机械的、化学的或其它方法将纤维素的任一维尺寸缩减至100nm以内,就能得到纳米纤维素。纳米纤维素这一术语易产生混淆,用不同的方法可以制备出不同形式的纳米纤维素。为便于区分和理解,研究人员通常将用物理机械的方法制备出的纳米纤维素称为微纤化纤维素或纳纤化纤维素,用酸水解或酶解的方法制备出的纳米纤维素称为纳米微晶纤维素或纳米纤维素晶体。

  纳米纤维素具有高纯度、高结晶度、高杨氏模量、高强度等特性,其在材料合成上展示出了极高的杨氏模量和物理强度等性能,加之其具有生物材料的轻质、可降解、生物相容及可再生等特性,使其在高性能复合材料中显示出很大的应用前景。纳米纤维素悬浮液还具有假塑性和触变性,利用其独特的流变特性可用于生产聚合物、生物材料、涂料、食品、化妆品、医药和造纸等领域。

  用物理机械的方法制备纳米纤维素方法通常有4种,高压均质化、微射流、超级研磨和冷冻粉碎。

  纳米纤维素作为一种蕴含量丰富、环境友好、性能独特的新型生物材料,越来越受到人们的关注。研究人员正在开展系统研究,也取得了许多成果。我们可以预见,纳米纤维素在未来具有良好的发展前景。

  据华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室主任孙润仓介绍,最近几年立项的“973计划”项目中的生物质能源研究项目有两个涉及秸秆资源,一个是中国科学院过程工程研究所的陈洪章研究员主持的“秸秆资源高值化利用关键过程的基础研究”,主要研究生物乙醇生产;还有一个是由中国科学院广州能源研究所承担的“草本能源植物培育及化学催化制备先进液体燃料的基础研究”,主要进行生物质气化液化和生物油生产研究。

  生物质能源包括生物乙醇和生物油两类。我国对生物油技术研究投入最多,进度也最快。可能是因为瑞典在当地制造生物质能源设备加工费比较高。所以,我国的能源研究所已经把气化设备卖到了瑞典。

  华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室主任孙润仓说,目前,国内有很多生物乙醇生产企业,最大年产量为30万吨。我看过3家企业。这3家企业如果只生产生物乙醇肯定没有利润。一是生物乙醇本身的经济效益不能与石油基产品媲美。二是预处理的技术路线存在问题。生产生物乙醇的关键问题在原料的前期预处理和酶的成本问题,也就是怎样廉价、高效地破除细胞壁的抗降解屏障。现在国内企业用的预处理技术都是国外普遍采用的技术,就是先采用蒸汽爆破法处理秸秆,然后再将蒸汽爆破的残渣进行酶水解,通过发酵水解单糖生产乙醇。

  孙润仓认为,蒸汽爆破工艺用木材生产生物乙醇这条路线今后可能行得通。但对于秸秆等非木材原料来说该工艺的生产成本太高。而采用低温稀碱处理工艺就可以把3大组分分离出来。我们可以将分离出来的半纤维素和木质素进行深度开发,做成高附加值产品,从而达到生物质精炼的目标。另外,在生物质炼制方面,如果单独做生物乙醇而不注重下游高附加值产品的开发,很难突破成本瓶颈。我国虽然建了不少的生产规模为10万吨/年、20万吨/年示范工厂,但由于各种原因都已停产,等着国家的补贴。

  2009年,安徽格义清洁能源技术有限公司想要投资2000万元生产生物质能源。当时孙润仓不赞成这种做法。因为生产生物乙醇赚不到钱,并且都是自己贷款,风险太大。但是这家企业仍然建起了一个生产规模为3000吨/年的工厂,主要利用玉米秸秆生产生物乙醇。当时,孙润仓建议这家企业不光要用纤维素生产生物乙醇,还要综合利用木质素和半纤维素,只有这样,企业才能获得利润。当时他们觉得半纤维素和木质素找不到出路,主要还是想用纤维素生产生物乙醇。此举的目的是想做示范工程。后来南京林业大学的张齐生院士接了这个项目。到2012年底,安徽格义每年能处理1万吨玉米秸秆,用于生产生物乙醇,并用分离法生产木质素、半纤维素和纤维素,然后再高值化利用这些被分离出来的物质。这样企业才真正取得了一定的经济效益。

  孙润仓说,安徽丰原集团有限公司采用酶处理和水解工艺,用半纤维素生产纯度超过90%以上的阿拉伯糖,取得不错的经济效益。阿拉伯糖今年的销路是最不好的,但每吨也卖到5万元。而在2011年以前,阿拉伯糖每吨卖到25万元。安徽丰原集团还用木糖生产木糖醇、糠醛和低聚木糖。

  孙润仓建议企业用稀碱处理秸秆。因为该工艺较成熟。该工艺完全可以把大部分木质素、半纤维素除去,然后用纤维素生产生物乙醇。

  中国农业大学的李里特教授的研究团队在进行半纤维素酶研究。他们成立了好几个市场化的公司。他们在甘肃建了一个造纸厂。他们用半纤维素酶处理小麦秸秆,然后用剩下的木质素和纤维素生产纸板。他们还用该工艺生产纤维素材料、溶解浆或者进行造纸。

  中国制浆造纸研究院高级工程师冯文英说,制浆造纸工业的综合利用与生物质精炼异曲同工。我们通过梳理行业内综合利用方面的成果,认为还有许多值得研究的地方。中国制浆造纸研究院近两年也开展了生物质精炼方面的研究工作。我们反对把生物质精炼和制浆造纸完全隔离开,而是要立足于造纸产品本身,着眼于现有的设备与现有工艺对接,在此基础上再探讨其它组分高值化利用的可行性。因此,中国制浆造纸研究院工作的出发点绝对不考虑牺牲纸浆、纸和纸板质量的其它利用方式或手段。目前,研究院主要研究麦草和杨木的半纤维素预提取和用废液生产微生物油脂。

  将麦秸秆磨成丝可提高后续处理的效果,如提高化学品和酶的可及度等。我们主要用半纤维素酶来降解半纤维素,然后进行制浆。通过这种工艺处理,纸浆质量和黑液性能都不错。另外,我们还研究低碱预提取结合酸稀、酶解工艺制备低聚木糖。

  所以总的来讲,不管是生物质精炼还是综合利用,首先要做到经济可行,而且还要做到保护环境和生态平衡。这样才能使造纸行业走得更远。

  中国林业科学研究院林产化学工业研究所副所长房桂干说,我国造纸工业植物纤维原料短缺。行业如果能够低成本、低价格收集到农作物秸秆,用于制浆造纸工业,并用备料剩余物生产生物质精炼产品,可以同时降低制浆和生物质精炼成本。行业应该注重对制浆备料过程中筛选出来的不合格的或不适于制浆的有机生物质预处理研究,然后实现高效转化和利用。

  值得一提的是,酶解是一种高效可行的方法。工厂对碱法制浆产生的木质素进行磺化,可以生产相关产品。

  美国工业化纤维素燃料乙醇项目的原材料都是农作物秸秆,而不是木材。所以基于这个情况,我们造纸工业可以用制浆备料剩余物和生产过程排放的有机废弃物进行生物质精炼产品开发。

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