茭白秸稈生物機(jī)械制漿工藝試驗(yàn)

茭白是浙江省種植面積最大的水生蔬菜之一，近幾年浙江省茭白種植面積2.67萬hm2左右，占全國茭白種植面積45%以上，平均每公頃產(chǎn)量為3萬kg，年產(chǎn)量約80萬t，按5元/kg的價格，直接經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)4億元，茭白生產(chǎn)產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。茭白在全省11個地市均有種植，縉云縣種植面積最大，達(dá)0.44萬hm2，占全國8%，產(chǎn)值4.5億元，帶動全產(chǎn)鏈產(chǎn)值15億元，從業(yè)人員超3.5萬人，已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、將綠水青山轉(zhuǎn)化為金山銀山的通道產(chǎn)業(yè)，在農(nóng)村產(chǎn)業(yè)興旺、農(nóng)民增收致富、實(shí)現(xiàn)共同富裕中發(fā)揮了顯著作用[3-4]。

茭白生物量大，采收后秸稈廢棄物多，茭白平均一個生長周期每公頃產(chǎn)生新鮮秸稈超過4.5萬kg[5]，現(xiàn)大量秸稈廢棄在田間或者溝渠中，其將造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，嚴(yán)重制約茭白產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，如何對茭白秸稈進(jìn)行收集并進(jìn)行資源化利用已成為當(dāng)前茭白產(chǎn)業(yè)亟需解決的問題。

目前茭白秸稈資源化利用途徑主要包括生產(chǎn)有機(jī)肥料、食用菌栽培基料、青貯飼料、制作工藝品以及園林覆蓋等[6-9]，這些處理方式都有成功的示范案例，但是由于生產(chǎn)的產(chǎn)品附加值低、缺乏經(jīng)濟(jì)效益，并沒有真正實(shí)際推廣應(yīng)用。紙漿是現(xiàn)代社會的重要基礎(chǔ)物資，在包裝行業(yè)應(yīng)用廣泛[10]，而茭白秸稈富含自然纖維，是制漿造紙的很好原料，以往傳統(tǒng)的化學(xué)制漿工藝，流程復(fù)雜、能耗高、用水量大、污染嚴(yán)重，本研究采用新型生物機(jī)械制漿工藝，對茭白秸稈進(jìn)行切碎、發(fā)酵、汽蒸、研磨等處理，簡化處理流程，以期提高其經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用茭白秸稈取自杭州市臨平區(qū)塘棲鎮(zhèn)姚氏家庭農(nóng)場茭白基地的新鮮茭白秸稈，見圖 1，經(jīng)測定，茭白秸稈水率為67.6%。秸稈預(yù)處理劑為復(fù)合菌種，主要成分為黑曲霉、酵母、枯草芽孢以及代謝纖維酶、蛋白酶等，購自濰坊益昊生物科技有限公司。

1.2儀器設(shè)備

YN725-2型-實(shí)驗(yàn)室加熱板，江蘇鹽能電熱裝備有限公司；YC350型-高濃盤磨機(jī)，長沙正達(dá)輕科紙業(yè)設(shè)備有限公司；HY-602型-臺秤，華鷹衡器有限公司；BSA2202S型-電子天平，賽多利斯科學(xué)儀器廠；YDJ-100型-紙漿打漿度測定儀，杭州輕通博科自動化技術(shù)有限公司；WZL-300型-臥式電腦拉力儀，杭州輕通博科自動化技術(shù)有限公司；ASM-32N-2F型-快速凱塞紙頁成型器，中國紙漿造紙研究院有限公司；GDH-4型-高精度紙張厚度測定儀，杭州輕通博科自動化技術(shù)有限公司；PN-CT300F型-壓縮強(qiáng)度測定儀，杭州品享科技有限公司。

1.3方法

1.3.1工藝流程

茭白秸稈→切斷→浸泡→脫水→分絲→發(fā)酵→蒸煮→磨漿。

切斷：將風(fēng)干后的茭白秸稈，用切碎機(jī)切成3～5 cm小段長度作為備用原料；

浸泡：將切斷后的茭白秸稈放入常規(guī)處理器中，加入2%濃度的NaOH濃液，浸漬10 h；

分絲：利用磋磨分絲機(jī)，采用擠壓與剪切原理將浸泡脫水后的茭白秸稈加工成一定長度的絲絨狀纖維，磨盤間隙控制在0.8～1.0 mm；

發(fā)酵：加入0.02%的生物菌劑，常規(guī)溫度下，發(fā)酵反應(yīng)7 d；

蒸煮：將反應(yīng)后的原料放入常規(guī)處理器中，在加熱板上加熱，在溫度100℃條件下，蒸煮2 h；

磨漿：利用高濃磨漿機(jī)，依靠高速旋轉(zhuǎn)的離心力，經(jīng)粗、精磨區(qū)迅速將茭白漿料分離成纖維并細(xì)纖維化，磨盤間隙控制在0.2～0.3 mm。

1.3.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)安排在中國造紙研究院衢州分院內(nèi)進(jìn)行。每次試驗(yàn)取茭白秸稈1 kg原料，切成長度3～5 cm的小段。試驗(yàn)設(shè)置3個處理，處理1不添加生物菌劑；處理2添加生物菌劑；處理3添加生物菌劑，并進(jìn)行汽蒸加熱處理。處理2和處理3各加入0.02%的生物菌劑，與茭白秸稈充分拌勻，在37℃條件下發(fā)酵7 d。處理3經(jīng)過7 d發(fā)酵后再進(jìn)行100℃條件下汽蒸2 h，3組試驗(yàn)都進(jìn)行浸泡處理，即用2%濃度的NaOH浸泡2 h。通過稱重烘干法計(jì)算茭白秸稈紙漿的得率，最后，采用磨漿機(jī)將紙漿打漿至打漿度35.5°SR，進(jìn)行抄片試驗(yàn)，并對抗張、耐折、環(huán)壓、撕裂等物理性能參數(shù)檢測[11]。

2結(jié)果與分析

2.1試驗(yàn)結(jié)果

如圖2-3所示，完成紙漿抄片后，對3種處理工藝下的紙張抗張指數(shù)、環(huán)壓指數(shù)、耐破指數(shù)、撕裂指數(shù)等性能參數(shù)進(jìn)行了測量，每種工藝進(jìn)行5次試驗(yàn)，取平均值作為最終測試結(jié)果，結(jié)果如表1所示。

處理1耐破指數(shù)、撕裂指數(shù)、抗張指數(shù)、環(huán)壓指數(shù)分別為1.12 kPa？m2/g、1.65 mN？m2/g、8.65 N？m/g、5.46 N？m/g；處理2抗張指數(shù)、環(huán)壓指數(shù)、耐破指數(shù)、撕裂指數(shù)分別為11.84 N？m/g、6.76 N？m/g、1.68 kPa？m2/g和2.31 mN？m2/g；處理3抗張指數(shù)、環(huán)壓指數(shù)、耐破指數(shù)、撕裂指數(shù)分別為23.85 N？m/g、11.11 N？m/g、1.82 kPa？m2/g和2.81 mN？m2/g。由此可以看出，處理2和處理1相比，各項(xiàng)性能指標(biāo)都有所增加，但是增加的幅度不大，說明生物發(fā)酵過程有利于茭白秸稈木素脫除，纖維變得松軟，但是作用效果不明顯；處理3與處理2和處理1相比，各項(xiàng)性能指標(biāo)都提高，特別是抗張指數(shù)和環(huán)壓指數(shù)增加比較明顯，說明經(jīng)過高溫汽蒸，容易使得茭白秸稈纖維變得軟化，木素脫離程度較好，即纖維更加柔軟，所生產(chǎn)出的紙漿性能也越好；3種處理工藝下的茭白秸稈紙漿得率分別為68.35%、67.31%以及66.51%，秸稈的雜細(xì)胞含量是影響紙漿得率的主要原因。

2.2效益分析

參照瓦楞紙國家標(biāo)準(zhǔn)GB13023-1991，成紙漿抗張指數(shù)不小于36.75 N？m/g，環(huán)壓指數(shù)不小于5.50 N？m/g，即可達(dá)到B級瓦楞紙的性能要求；按照上述試驗(yàn)處理3的工藝生產(chǎn)茭白秸稈機(jī)械漿與國產(chǎn)廢紙漿的配抄比例高于6：4時，成紙物理性能可滿足生產(chǎn)B級及以上的瓦楞紙的使用要求。

隨著中國禁止進(jìn)口廢紙，中國面臨缺少大量的造紙?jiān)希斐蓢鴥?nèi)廢紙價格猛漲，而茭白秸稈可作為一種新型的造紙?jiān)希凑丈鲜鲈囼?yàn)結(jié)果，預(yù)計(jì)茭白生物機(jī)械漿銷售價格為1 200～1 800元/t，明顯高于茭白秸稈作為有機(jī)肥料、食用菌栽培基料、青貯飼料等農(nóng)用產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益，在解決環(huán)境污染問題的同時，可為茭農(nóng)帶來更高的收入。

3結(jié)論與討論

本研究利用茭白秸稈作為原料進(jìn)行了生物機(jī)械制漿試驗(yàn)，測試了茭白紙漿主要性能參數(shù)指標(biāo)，對比不加生物菌劑、添加生物菌劑以及添加生物菌劑和高溫蒸煮3種不同處理工藝對產(chǎn)生的紙漿性能影響。結(jié)果顯示，添加生物菌劑進(jìn)行發(fā)酵有利于茭白秸稈木素脫除，纖維變得松軟，但是作用效果不明，高溫蒸煮容易使得茭白秸稈纖維變得軟化，木素脫離程度較好，即纖維更加柔軟，所生產(chǎn)出的紙漿性能也越好，通過處理3生產(chǎn)工藝制得的茭白紙漿可與廢紙紙漿摻配作為瓦楞紙?jiān)鲜褂茫哂休^高的經(jīng)濟(jì)效益。該研究結(jié)果可為茭白秸稈的資源利用提供參考。

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基金項(xiàng)目：浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目（No.2020C26001）。

[浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)裝備研究所鄭航，薛向磊，葉云翔，俞國紅（通訊作者）]