制漿造紙生物質精煉技術綜述

楊潔

（江西省輕工業研究所, 江西 南昌 330029）

制漿造紙生物質精煉技術綜述

楊潔

（江西省輕工業研究所, 江西 南昌 330029）

生物質精煉是當今傳統工業的福音。生物質的精煉是通過運用蒸煮、燃燒、分離等手段改變物質的物理、化學性能，應用于工業生產，為企業的節能降耗、少污染、可持續發展服務。

生物質精煉 造紙工業 紙漿造紙 基礎技術

1 生物質精煉概念

生物質的概念：生物質（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物質，即一切有生命的可以生長的有機物質通稱為生物質。它包括植物、動物和微生物。

生物質精煉是通過運用蒸煮、燃燒、分離等手段對生物質原材料進行深層次的加工技術，從而改變生物質原材料的固有形態，慢慢向氣態、液態轉變。制漿造紙技術的第一道工序就是對造紙原料進行蒸煮，在蒸煮的過程中，會產生大量的廢水，就是黑液。黑液的成分會對生態環境造成破壞，生物質精煉技術就是為了對黑液進行轉化而存在的[1]。

2 生物質精煉的主要應用

生物質精煉技術在制漿造紙中的應用，就很好地將造紙技術轉型成為低耗能、低污染的綠色技術。隨著生產工業的不斷發展，人類對社會資源的不斷掠奪，導致生態環境遭到嚴重破壞，其中造紙生產則是主要污染源之一，而在當今信息技術高速發展，相關紙制品需求大量減少，造紙工業地位岌岌可危。面對這種形式，必須對制漿造紙技術進行合理性改革，生物質精煉技術是一種近幾年新出現的技術，它可以將傳統的制漿造紙企業轉型為生物精煉企業，生產內容的多元化，實現產業結構的多樣化，使造紙廠不再局限于對紙制品的制造，也逐漸生產一些生物質材料、化學能源等，從而告別生產結構的單一性，減少能源的消耗，降低高濃度廢水的排放[2]。

在傳統的制漿造紙過程中，利用木質纖維原料生產漿紙產品。主要生產方法分為化學法制漿、高得率制漿。然而，傳統的生產方式并未使半纖維素和木質素得到充分利用[3]。目前國內有很多家研究機構在生物質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展成熟的制漿造紙工業平臺上進行產業升級。

纖維素的應用：木質纖維素通過復合加工、液化改性、接枝交聯和高溫炭化處理可以制備高附加值的產品來替代部分石化產品。木質纖維素基高分子材料研究已經成為熱點。木質纖維素基高分子材料有：木質陶瓷、水凝膠材料、復合材料、酚醛樹脂、聚氨酯、環氧樹脂、炭纖維；木質素基高分子材料有：脲醛樹脂、環氧樹脂、聚氨酯、酚醛樹脂、木素基碳纖維、復合高分子材料。制漿造紙工業是最早利用天然纖維素的工業，也是唯一一個大規模采集、加工和利用生物質原料的工業。因此把傳統造紙廠轉化為能夠同時生產紙產品、高分子材料和多種化學品的復合型生物質精煉工廠是現代造紙工業的發展趨勢。

3 制漿造紙生物質精煉的基礎技術

3.1 木片抽提液的發酵技術

盡管通過色譜層析法可以在原材料中提取相應的糖類和乙醇，可是在提取技術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需求很大，所以利用木片抽取液的發酵技術，不僅可以批量的提取低濃度的乙醇，而且經過后期的簡單加工，還能生產無水乙醇[3]。

此外造紙污泥是制漿造紙生產過程中產生的固體殘渣。國外已有一些學者對造紙污泥發酵生產乙醇進行了研究與探索。Marques等[4-5]分別以不同公司的造紙污泥作為生物質原料轉化其中的纖維素成乙醇,轉化率均超過51%。

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

同步糖化發酵法（SSF法）是由Gauss在1976年提出的，在同一個反應容器中進行纖維素糖化和乙醇發酵。他們認為葡萄糖和纖維二糖的產物發生抑制作用，導致分步糖化發酵（SHF）所產生的葡萄糖產量低，而在SSF過程中消耗了葡萄糖和纖維二糖，提高了乙醇的產量[6]。

固定化細胞發酵具有能使發酵器內細胞濃度提高,細胞可連續使用,使最終發酵液乙醇濃度得以提高。目前研究最多的是酵母和運動發酵單孢菌的固定化。固定化細胞發酵的新動向是混合固定細胞發酵,如酵母與纖維二糖酶一起固定化,將纖維二糖基質轉化成乙醇。該法引人注目,被看作是生物質生產酒精的重要方法之一[7]。

（2）發酵法生產木糖醇。木糖醇是一種無致齲性的甜味劑,廣泛應用于食品、醫藥等領域;木糖醇在人體內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報道了多種酵母能夠利用D-木糖生產木糖醇以來,發酵法生產木糖醇的研究在國際上受到了廣泛重視。過往工業上一般采用加氫催化經過高度純化的木糖溶液生產木糖醇。該方法產率低、高污染。三相流化床中發酵生產木糖醇是可研究方向，還可以利用基因重組技術構建工程菌。

（3）發酵法產單細胞蛋白(SCP)。SCP蛋白質含量豐富,營養價值高。發酵法生產單細胞蛋白成本低廉,工藝簡單,是緩解目前蛋白飼料危機的捷徑,并且能對多種廢棄資源進行再利用[8]。

3.2 黑液分離技術

對黑液進行深加工，對黑液的成分進行稀釋、分離，從而減少黑液的危害性。

造紙蒸煮過程分離的木質素是橡膠、冶金、石油、染料、水泥、陶瓷開采等工業部門所用助劑的重要原料，可以加工成有經濟效益的化學品[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，廢液中的副產物如木質素、糠醛及多糖等都能得到有效回收利用。

木質生物質可以通過堿法制漿和生物質精煉的方式制漿。堿法制漿生產后的黑液經過分離技術得到木素；生物質精煉生產后的水解液發酵制乙醇，剩余液經過分離技術得到木素，木素經催化劑作用得到木素氧化降解產物，通過分離純化，得到高附加值的醛。醛有兩方面的作用：醛作為中間產物進一步轉化為高附加值產品；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品，須要進行催化降解，目前將木質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生裂解而生成小分子產物。

（2）生物法降解。木素可以被多種酶降解，如木素過氧化物酶、錳過氧化物酶以及漆酶等。這三種酶可以催化木質素結構中的苯環發生單電子氧化反應形成苯氧自由基，發生一系列非酶催化的自由基反應而降解[11]。

（3）氧化降解。用不同的氧化劑來處理木素得到小分子醛類，有硝基苯、銅、氧氣做氧化劑。利用一些過渡金屬、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、產率高和作用時間短等優點[12]。

4 結束語

基于造紙工業的高能耗、高污染，現代工業要平穩改造核心技術，生物質精煉在傳統造紙工藝改良，結合生物發酵技術等。為了低能耗、高效益，造紙業需結合周邊學科。木片抽提液的發酵技術可以生產乙醇，黑液通過分離木質素可以生產附加值高的化學品。

[1] 王春華.杭州市永佳紙業有限公司[J].湖北造紙,2014(1):42.

[2] 麻長發.制漿造紙生物質精煉技術研究進展[J].工業技術,2014(5):77.

[3] 叢高鵬,施英喬,李四輝,等.基于造紙工業平臺的林基生物質精煉研究進展[J].江蘇造紙,2014(1):26-33.

[4] MARQUES S,ALVES L,ROSEIRO J C, et al Conversion of recy-cled paper sludge to ethanolby SHF and SSF using Pichiastipitis[ J]. Biomass and Bioenergy, 2008, 32 (5): 400-406.

[5] YAMASHITA Y, KUROSUMI A, SASAKI C, et al, Ethanol pro-duction from paper sludge by immobilized Zymomonas mobilis[ J]. Biochemical Engineering Journal, 2008, 42(3): 314-319.

[6] 吳真,林鹿,龐春生,等. 生物質資源的分解及發酵利用[N].江西農業學報,2007,19(7):102-105.

[7] 王廷璞,曹麗娜,雷新有.利用微生物發酵生物質生產酒精工藝[J].甘肅科技,2006,22(10):42-45.

[8] 楊輝,鄭玲,梁海秋,等.龍眼核水解液發酵生產單細胞蛋白的研究[J].糧食飼料工業,2003, (7):33-34.

[9] MANSOUR O Y.AmerieanDyestuffReporter，1977，(12):56-60.

[10] 詹瑤,詹懷宇,羅小林,等. 制漿廢液中木素的氧化降解及小分子降解產物的高值化利用[J]. 造紙科學與技術,2009(2):55-60.

[11] 林鹿,何北海,孫潤倉,等.木質生物質轉化高附加值化學品[J].化學進展, 2007, 19(7 /8): 1206-1216.

[12] FERNANDO G,LAISSE C.A.M,NELSONM. L.F,et al. Kinetic Evaluation and Modeling of Lignin Catalytic Wet Oxidation to Se-lective Production of Aromatic Aldehydes[J]. American Chemi-cal Society, 2006, 45: 6627-6631.

作者介紹：

姓名：楊潔

工作單位：江西省輕工業研究所 南昌

主要研究方向：制漿造紙工藝、化學品研發、新能源開發等

聯系方式：13667003214

郵箱：yangjiey1122@126.com

三分之二企業認為中國化解產能過剩需三年以上

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國務院發展研究中心宏觀經濟部研究員張立群指出，中國經濟正在由工業化中期進入工業化后期，持續多年的低水平低成本產能擴張到了轉型換擋階段，一些不適應這種轉變的產業和企業面臨新的洗牌。

對于多年來屢次調整產能屢次過剩的“怪圈”，張立群認為，這與市場和成本條件變化有直接關系。隨著市場由供不應求到普遍供大于求，工資、土地、排污等價格明顯提高，中國更加注重單位GDP的“含金量”，提升發展的內生動力，提質、增效、減量成為必然選擇。

“化解過剩產能需要較長一段時間，”張立群預計，隨著適應新經濟要求的產業發展起來，中國將進入新一輪更高水平、更小代價、更可持續的增長，產能和市場需求也將通過調整達到動態平衡。