生物发酵制浆技术 技术领域：
本发明涉及造纸制浆工艺，是利用发酵原理和现代生物科技，以禾类草本植物纤维为主体原料、以目前在线工业设备为基础，研究开发的一种新型无污染生物制浆新技术。
背景技术：
我国是最早发明造纸术的国家，也是世界上的造纸、用纸大国。造纸工业已成为我国国民经济的重要产业之一，但造纸工业仍沿用烧碱法、硫酸盐法、石灰法、亚硫酸盐法等化学制浆生产工艺，因排放大量黑液而成为我国有机水污染物最严重的工业企业(占总量的32.7％)。另外，目前被动的污染治理技术也存在着治理不彻底、设备投资高、运行费用大等问题。其污染问题已成为严重制约造纸业发展的瓶颈。因此，研究探索从根本上消除污染源和行之有效的制浆新技术、新工艺，已成为多年来中外专家学者努力研究和探索的目标。
利用现代生物技术研究和开发生物制浆造纸技术在国内外被普遍重视。瑞典林产业研究所采用紫外线照射无性生殖孢子，成功培育出了无纤维素酶变异株，并通过桦木片实验，使桦木原木素降解了21％~28.5％。国内的许多专家学者也在进行不懈努力和多方面的探索研究，胡爱祖等总结了“中国非木材纤维原料制浆造纸的经验及成就”(《中国造纸》1998年第10期)，余惠生等研讨的“白腐菌对稻草的生物降解规律及其在生物制浆上的潜在应用”(《中国造纸》1989年第1期)，张厚民等论述了“生物技术与造纸工业的关系”(《中国造纸》1994年第2期)。这些探索对生物制浆的研究和探索起到了很大的推动作用。
目前，造纸原料的分类方法非常多，从植物纤维原料的结构上来分，细胞壁的结构可分为胞间层、初生壁和次生壁；次生壁又可分为外层、中层和内层。
从细胞上分可分为非纤维细胞(杂细胞)和纤维细胞。非纤维细胞大多数属薄壁细胞，如禾类草本植物中的表皮细胞、硅细胞、石细胞、木栓细胞、筛管等。薄壁细胞薄而柔软、短小、胞腔大，多为圆形、椭圆形或多面形，在生产时因易吸收水溶液和药物而起作用，洗涤时大部分被剥皮托出而流失；再则这部分细胞交织力弱，机械强度差，造成纸张强度下降，所以从造纸地角度来看，原料中非纤维细胞愈少愈好。纤维细胞主要是韧皮型纤维细胞等这类细胞壁厚、胞腔窄，是造纸的主要原料，就质量而论凡纤维状细胞含量愈多质量愈好。
就禾类草本植物化学组成上来分，大致可分为三部分：
①纤维素：是构成植物纤维细胞的主要组分，是由大量葡萄糖失水构成的链状高分子化合物。它是造纸用的主要原料，也是制浆过程中应极力保留的部分，它包括粗纤维、长纤维、短纤维、细纤维和微纤维。麦草中约占47％，稻草中约占39％，荻苇中约占76％。
②半纤维素：是植物原料中低分子的多糖，在纤维细胞壁中与纤维素紧密结合，在水中的润胀度大，属非均一性多糖，也是造纸过程中可适当保留的部分。
③木素：是芳香族高分子化合物，也是这一类相似物质的总称，它存在于纤维和微纤维之间，其作用如同一种粘合剂将纤维和半纤维横向粘合成一体而成为植物的茎。草类原料中一般含20％左右，棉花和亚麻则不含木素；因木素有碍造纸，因此是制浆过程中应尽量脱除的部分，简单的说制浆的过程就是脱除木素、疏解纤维素的过程。
我国现有的制浆方法，归纳起来大致可分为三类：
①机械制浆：即用机械撕裂的原理破坏木素而不脱除木素的制浆方法，如马尾松磨木浆、蔗渣机械浆等。因未脱除木素，所以纸质发脆、发硬，只能生产低档纸，如高强度瓦楞纸、包装纸等，基本上没有污染。
②化学制浆：即用碱法或亚硫酸盐法等化学原理脱除木素的制浆方法，也就是用化学药品使纤维细胞之间粘结物质，即木素溶脱去一部分，使纤维互相分离而成浆；因其脱木素较为彻底，所以纸质优良，可以生产各种高档纸，但因为化学制浆的腐蚀性较强，严重地破坏了细纤维、微纤维等可用纤维，从而降低了制浆的得浆率，同时也对环境造成了严重的污染。
③半机械或半化学浆：即机械制浆和化学制浆相结合的制浆方法，其纸质优于机械浆，次于化学浆，但生产的大量废水和化学制浆一样会造成严重的环境污染，且处理费用相当昂贵。
目前，与本发明接近的专利是授权公告号：CN 1063505C，申请号：97101537.6，发明名称：生物脱木素—机械制浆技术，摘要：生物……，该专利的不足之处：①原草堆垛，自然培养，温差较大，发酵不匀，生产周期长，转换效率低；②未采用水循环系统，补给水量大，水资源浪费严重；③采用普通低压蒸汽灭菌，消毒效率低，杀菌不彻底；④因单宁、色素等未进行彻底处理，而留在浆里，从而使纸质发脆，颜色发暗；⑤所成纸浆只能用于普通或低档纸张的生产。
本发明是利用现代生物发酵技术，以禾类草本植物纤维为原料，采用微生物降解木素、保留纤维的生物发酵脱木素制浆方法，生产无污染的生物制浆。本发明的最大特点是不用有污染的化学药剂，不排放有污染的制浆黑液以实现无污染制浆的目的。
本发明的目的就是设计一种生物发酵制浆新技术，以解决造纸生产过程中造成的环境污染问题。
发酵就是通过微生物的培养，大量生产各种代谢产物的过程，发酵的种类很多，根据培养基的物理状态，可以分为固体发酵和液体发酵，根据所生成的产物可以分为抗生素发酵、维生素发酵、氨基酸发酵等；根据发酵过程对氧的需求情况可以分为厌氧发酵(如酒精发酵、乳酸发酵)、需氧发酵(如抗生素发酵、氨基酸发酵)和兼性发酵，即厌氧微生物、好氧微生物和兼性微生物，酵母菌就属于兼性微生物。
本发明生产工艺流程图(附图)标示如下：
原料→筛选→备料→洗涤→浸渍培植→O1发生器→消潜培植→O2发生器→过滤→机化粉碎→筛选→洗涤→加工→成品
下面结合工艺流程对工序进一步说明：
1、原料：为禾类草本植物原料，如稻草、麦草、芦苇、蔗渣、龙须草等；其组织结构疏松，纤维间聚合度较低，半纤维素含量较多，较适应生物制浆条件。
2、筛选：选择有利于生物发酵制浆长度的原料；
3、洗涤：净化原料，去除杂质
4、浸渍培植：用温水和生物酶进行混合后与备用筛选原料进行混合浸渍，使生物酶完全吸附在原料中
5、O1发生器：加入适量的温度和氧，使浸渍在原料中的生物酶迅速膨胀，发酵，促使其组织结构变化；
6、消潜培植：加入高分子表面活性剂和生物催化复合剂，使膨胀原料分解，使木质素、淀粉、果胶、脂肪等葡萄糖类和灰分从纤维中分离出来；
7、O2发生器：首先，在发生器内加入氧及温度、压力，促进微生物的进一步降解；其次，加入强氧化剂杀菌，强氧化剂既是消毒剂又是漂白剂，在杀死细菌的同时，获得一定白度的纸浆；
8、过滤：从发生器内排出的残液，通过过滤、吸附、净化，其残液做为培养基又回到消潜培植中，加入适当的辅料后可循环使用；
9、机化粉碎：采用机械法使浆类磨打疏解成有用浆；
10、筛选：将有用浆进行精选，其纤维进入洗涤加工程序，其粗渣做为原料重新回到浸渍培植阶段；
11、洗涤加工：纤维经过以上处理，再经过洗涤加工，增加其纯度和白度，以达到生产用纸浆的要求；
12、成品：把纯净的漂白纸浆抄制成成品纸或纸板，以检验其成纸性能。
本发明的目的归纳起来说是这样实现的：筛选备料、清洗原料、生物发酵、生物脱木素、消毒漂白、机械磨浆的过程。其筛选备料主要是将原料切成符合生物制浆的长度；清洗原料主要是进一步净化原料，去除其杂质；生物发酵采用的微生物为真菌类子囊菌纲酵母菌组，其作用是使纤维间的淀粉、脂肪、果胶、树脂等聚戊糖发生润胀和剥皮反应，其内部组织结构变松弛，分子间聚合度下降，为下一阶段工序生物脱木素做好前期准备；生物脱木素采用的微生物为真菌类担子菌纲霉菌组和裂殖菌纲放线菌组，它们以淀粉、脂肪、微纤维等为培养基，在高氧高压和催化复合剂、表面活性剂的作用下迅速膨胀，使纤维和木素组织结构分离而降解；消毒漂白主要以温度和强氧化剂为主。而强氧化剂能释放出新生态的氧而具有强氧化性，所以它既是消毒剂(杀死细菌)、又是漂白剂(漂白纸浆)，从而避免了纸浆过程中细菌的污染和黑液的产生；机械磨浆主要是采用纵向气流摩擦和横向机械摩擦的方法，使纤维疏散成浆。
本发明所能达到的效果是：用现有在线制浆造纸工业设备，做适当改进，利用禾类草本植物等普通的常规造纸原料，采用生物脱木素制浆技术，生产生物浆，从而避免了化学制浆所造成的环境污染问题和被动治污所带来的昂贵的设备投资和无穷无尽的费用，其意义将对造纸业的可持续发展产生深远影响。