水稻秸秆好氧发酵行为及其生物机械制浆性能探讨.pdf

第 43 卷第 4 期2023 年 8 月林 产 化 学 与 工 业Chemistry and Industry of Forest ProductsVol.43 No.4Aug.2023 收稿日期:2022-06-17 基金项目:江苏现代农业产业关键技术创新项目(CX(19)2003);国家自然科学基金资助项目(31890771);泰山产业领军人才工程专项经费资助项目(tscy20200213)作者简介:周虎毅(1997),男,江苏沭阳人,硕士生,主要从事制浆造纸新技术及农林剩余物资源高值化利用研究;E-mail:zhouhuyi0504 通讯作者:沈葵忠,研究员,硕士生导师,研究领域为高得率制浆新技术及生物质高效利用;E-mail:kuizhong 。doi:10.3969/j.issn.0253-2417.2023.04.014水稻秸秆好氧发酵行为及其生物机械制浆性能探讨ZHOU Huyi周虎毅1,2,沈葵忠1,2,韩善明1,2,黄红英3,孙恩惠3,房桂干1,2(1.中国林业科学研究院 林产化学工业研究所;江苏省生物质能源与材料重点实验室;国家林业和草原局林产化学工程重点实验室;林木生物质低碳高效利用国家工程研究中心,江苏 南京210042;2.南京林业大学 林业资源高效加工利用协同创新中心,江苏 南京 210037;3.江苏省农业科学院 农业资源与环境研究所;农业农村部种养结合重点实验室;江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心,江苏 南京 210014)摘 要:对农业秸秆进行好氧发酵耦合机械解离可获取高性能纤维制纸浆模塑、纸和纸板产品,为秸秆离田高值化利用提供一条新途径。本研究采用复合菌剂(2 株土芽孢杆菌(Geobacillus sp)、1 株副土芽孢杆菌(Parageobacillus sp)和 4 株栖热菌(Thermus sp)对水稻秸秆进行堆垛发酵 30 d 后再进行机械解离,考察其生物机械浆的性能。研究结果显示:发酵过程呈现显著的阶段性:升温 1 天、高温发酵阶段 10 天,第 12 天进入降温腐熟阶段,其中高温发酵段最高温度达60.0 66.2。好氧发酵至第 8 天时,固体物料得率为 71.22%;与未发酵处理的纤维物料相比,发酵 8 天物料解离后纤维保水值达到 1.95,增加 18.56%;平均纤维长度为 0.639 mm,增加 2.73%;浆料抗张指数(8.51 N m/g)、撕裂指数(9.2 mNm2/g)和耐破指数(0.72 kPa m2/g)分别增加 15.15%、9.52%和 10.77%。水稻秸秆升温和高温发酵阶段主要物质损失来自半纤维素和纤维素,木质素降解较为缓慢,其中半纤维素和纤维素的快速降解为堆体快速升温和高温提供了主要的碳源和热量。综合考虑发酵得率及纤维浆料的强度性能,水稻秸秆的发酵时间宜控制在 8 天以内。关键词:物理性能;好氧发酵;造纸;化学成分中图分类号:TQ35 文献标志码:A 文章编号:0253-2417(2023)04-0099-08引文格式:周虎毅,沈葵忠,韩善明,等.水稻秸秆好氧发酵行为及其生物机械制浆性能探讨J.林产化学与工业,2023,43(4):99-106.Aerobic Fermentation Behavior and Bio-mechanical PulpingPerformance of Rice StrawZHOU Huyi1,2,SHEN Kuizhong1,2,HAN Shanming1,2,HUANG Hongying3,SUN Enhui3,FANG Guigan1,2(1.Institute of Chemical Industry of Forestry Products,CAF;Key Lab.of Biomass Energy and Material,Jiangsu Province;KeyLab.of Chemical Engineering of Forest Products,National Forestry and Grassland Administration;National EngineeringResearch Center of Low-Carbon Processing and Utilization of Forest Biomass,Nanjing 210042,China;2.JiangsuCo-Innovation Center of Efficient Processing and Utilization of Forest Resources,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China;3.Institute of Agricultural Resources and Environment,Jiangsu Academy of AgriculturalSciences;Key Laboratory of Crop and Livestock Integrated Farming,Ministry of Agriculture and Rural Affairs;Jiangsu Collaborative Innovation Center for Solid Organic Waste Resource Utilization,Nanjing 210014,China)Abstract:The high-performance fiber for pulp molding,paper and paperboard products could be obtained by aerobic fermentationcoupling with mechanical dissociation from agricultural straw,which would provide a new way for the high-value utilization ofstraw from the field.In this study,the properties of bio-mechanical pulp of rice straw were investigated by mechanicaldissociation after 30 days of stacking and fermentation with composited microbials(2 Geobacillus sp,1 Parageobacillus sp and 4Thermos sp).The results showed that the fermentation exhibited staged processes:1 day of warming,10 days of high temperature100 林 产 化 学 与 工 业第 43 卷fermentation stage,and 12 days of cooling and decomposition,where the highest temperature of the fermentation reached 60.0-66.2.After 8 days of aerobic fermentation,the yield of fermented materials was 71.22%.Compared with the non-fermentedfiber material,the water retention value(1.95)of the fiber after 8 days fermentation increased by 18.56%,the average fiberlength(0.639 mm)increased by 2.73%,and the tensile index(8.51 N m/g),tear index(9.2 mN m2/g)and break resistanceindex(0.72 kPa m2/g)increased by 15.15%,9.52%and 10.77%,respectively.The mass losses of straw material in theheating and the high-temperature fermentation stage mainly caused by hemicellulose and cellulose,and the degradation of ligninwas relatively low.The rapid degradation of hemicellulose and cellulose provided the main carbon source and heat for the rapidheating and high temperature of the compost pile.Considering the fermentation yield and strength properties of pulp fiber,thefermentation time of the straw should be controlled within 8 days.Key word:physical properties;aerobic fermentation;papermaking;chemical composition我国农作物秸秆年产量 9 亿吨左右,其中水稻秸秆的年产量约 2 亿吨,大部分未获得高附加值利用1-3。随着国家全面禁止固废进口政策的实施,2021 年起我国废纸已为零进口,这导致造纸行业纤维原料年供应缺口达 3 000 5 000 万吨4-5。采用机械法制浆、生物制浆等绿色制浆技术,是合理利用农业秸秆来制备高性能纤维的重要途径,不仅可以解决行业纤维供应缺口,还可大量消纳农业秸秆,消除农业白色面源污染问题6-7。利用生物菌剂和酶工程纯生物制浆或生物机械结合解离纤维成浆方法一直是科研人员关注的热点。有研究报道在实验室条件下利用白腐菌(Panus conchatus)处理水稻秸秆15 d,使木质素下降 60%左右,磨浆后能得到物理性能良好的纸浆8。中国农业科学院麻类研究所利用自选的 ZJ198 菌株(对木质素有选择性脱除作用)进行红麻皮发酵,可以在 96 h 内成浆9。生物制浆所用微生物菌株须具备繁殖迅速、分解木质素能力强并尽可能避免分解纤维素等特点10。目前从自然界分离得到的白腐菌株以及诱变处理选育得到的木质素降解酶产生菌,降解木质素能力还未达到生物制浆过程的要求11-12,存在处理周期长、木质素脱除效率仍有待提高、菌株生长后期需补充额外碳源等问题13。木质素是植物组织木质化进化的产物,赋予植物自身保护能力,抵御微生物对其的侵蚀作用14-15。从微生物对植物主要成分代谢难易程度来说,木质素较纤维素、半纤维素更难被生物降解16-17。木质素是高得率浆纤维的重要成分,与纤维素、半纤维素一样是纸浆纤维得率的构成项。利用主要降解碳水化合物的微生物菌株的代谢作用,迅速提高发酵体系的温度,在控制发酵强度(纤维素、半纤维素不致过度降解)下软化和松弛纤维细胞结构,可望降低后续解离能耗并改善纸浆强度性能18。链霉菌株可用于生物机械制浆预处理19。多种娄彻氏链霉菌、土芽孢杆菌、副土芽孢杆菌、栖热菌等对秸秆降解能力强并能迅速提高发酵体系温度,可短时间将发酵体系温度提高到50 以上19-20,并改善物料的加工性能21-22。本研究主要探讨采用复合菌剂(土芽孢杆菌、副土芽孢杆菌和栖热菌)对水稻秸秆进行高温发酵处理,以水稻秸秆原料中的半纤维素、纤维素等自身碳水化合物为碳源,通过菌株的快速增殖,实现水稻秸秆有机物质的降解和快速升温,为后续机械解离提供条件;探讨该复合菌剂处理水稻秸秆的高温发酵行为及其对后续机械解离纤维行为、纤维结合强度性能的影响,以期为高温发酵菌剂用于农作物秸秆生物机械制浆的可行性提供依据。1 实 验1.1 原料、试剂与仪器水稻秸秆,产地为江苏沭阳。尿素、硫酸等化学试剂购自国药集团化学试剂有限公司,分析纯。复合菌剂为江苏省农科院提供,由 2 株土芽孢杆菌(Geobacillus sp)JG-1-4 和 B,1 株副土芽孢杆菌(Parageobacillus sp)NY-44,4 株栖热菌(Thermus sp)80-4、80-31、80-61 和 E 构成,菌株浓度由稀释培养计数法测定,2 107cfu/mL。半自动抄片器(面积0.02 m2)、M454 撕裂度仪,英国 Messmer 公司;标准疏解器(转速 3 000 r/min),奥地利 PTI 公司;FQA-LD2 纤维质量分析仪,加拿大 OPTEST 公司;ZB-WLQ 全自动抗张试验机,杭州纸第 4 期周虎毅,等:水稻秸秆好氧发酵行为及其生物机械制浆性能探讨101 邦自动化技术有限公司;BT-10 耐破度仪,美国 TLS 公司;SX2-8-10N 马弗炉,上海一恒科技有限公司;Agilent 1260型高效液相色谱仪,美国安捷伦公司;ZQS7 PFI 打浆机,西北轻工业学院机械厂;H1850R台式高速冷冻离心机,湖南湘仪实验室仪器开发有限责任公司;T6 紫外分光光度计,北京普析通用仪器有限责任公司;TENSOR27 红外光谱仪,德国布鲁克公司。1.2 水稻秸秆的好氧发酵及机械解离1.2.1 好氧发酵 将 42 kg 绝干水稻秸秆切段、洗涤、预汽蒸、双螺杆挤压后,接种 420 mL 复合菌剂,添加 800 g 尿素调节碳氮比(C/N)约为 30 1,通过添加蒸馏水调节含水率约为 40%,室外堆垛发酵30 d,每日 900 和 1500 各记录一次水稻秸秆堆体温度与环境温度,分别于第 1 天、第 3 天、第 5 天、第8 天、第 10 天、第 13 天、第 16 天和第 30 天取样供后续检测分析,经双螺杆挤压后的物料记为第 0 天物料。1.2.2 机械解离制浆 取相当于 30.00 g(绝干量)水稻秸秆的发酵物料,用 PFI 打浆机,在浆浓 10%、打浆间隙 0.20 mm,打浆线压 33.3 N/cm,30 000 转的条件下进行机械解离。1.2.3 纤维纸页抄制 按照 Tappi T205 sp-06 标准抄制手抄纸页。纤维浆样 30 50 g 在标准疏解器转速3 000 r/min 下消潜5 min,加水配制成10 L 含纤维悬浮液,在标准抄片器上抄制成定量为100 g/m2的手抄片,经标准大气条件(温度 23、相对湿度 50%)通风干燥 24 h、调理 6 h 检测物理强度指标。1.3 分析与测试1.3.1 物料的化学成分分析 称取 2 3 g 物料在 105 烘干,炭化后,放入马弗炉 550 灼烧 8 h 后称质量,通过计算得到灰分含量。根据质量守恒定律,发酵过程水稻秸秆得率(固体物料得率)计算公式如式(1)所示23:y=S/St 100%(1)式中:y固体物料得率,%;S原料中的灰分,%;St第 t 天物料中的灰分,%。纤维素、半纤维素、木质素采用美国国家再生能源实验室(NREL)提出克拉森木质素测定的改进方法(NREL/TP-510-42618)进行分析24。三者脱除率计算公式见式(2):R=(1-w y/w0)100%(2)式中:R纤维素(半纤维素、木质素)脱除率,%;w0原料中纤维素(半纤维素、木质素)质量分数,%;w不同发酵时间水稻秸秆中纤维素(半纤维素、木质素)质量分数,%;y不同发酵时间固体物料得率,%。1.3.2 FT-IR 分析 对好氧发酵处理 0、3、8 和 30 d 的物料采用红外光谱仪进行分析,扫描波数为400 4 000 cm-1,分辨率为 4 cm-1,每个样本扫描 32 次。1.3.3 机械浆的性能测定 平均纤维长度:用纤维质量分析仪测量浆料纤维的平均纤维长度。游离度:按照 GB/T 126602008 测定。保水值:取相当于 0.25 g 左右绝干浆装于带有滤网的不锈钢离心管中,在温度(23 3),离心力为(3 000 50)g 的条件下离心30 min,取出后于烘箱中105 干燥至质量恒定,测定保水值。保水值(VWR)计算公式如式(3)所示:VWR=m1/m2-1(3)式中:m1离心后浆质量,g;m2干燥后浆质量,g。1.3.4 手抄片物理强度的检测 纸页的强度性能以100 g/m2定量手抄片的强度指数来表示:抗张指数根据 GB/T 129142008 测定;耐破指数和撕裂指数根据 GB/T 4552002 测定。2 结果与讨论2.1 水稻秸秆发酵过程的温度和得率变化2.1.1 温度变化 温度是影响生物预处理过程和微生物活性的重要因素,反映生物预处理系统的生物活力。按 1.2.1 节操作,水稻秸秆经双螺杆挤压后接种复合菌剂进行发酵,发酵堆体和环境的温度变化如图 1 所示。由图可知,与环境温度相比,在发酵过程中物料堆体第2 天的温度由第1 天的26.2 迅速102 林 产 化 学 与 工 业第 43 卷图 1 水稻秸秆发酵过程的温度和固体物料得率变化Fig.1 Temperature and yield of solid materialchanges during rice straw fermentation升至52.6,进入高温发酵阶段(第 2 天 第 11 天),堆体在50 以上保持了 10 天(其中温度 60.0 66.2 达7 天);第12 天堆体温度下降至50 以下,进入发酵的腐熟阶段(第 12 天 第 30 天)。在发酵的升温阶段(发酵第 1 天),微生物主要利用水稻秸秆中脂肪、蛋白质、单糖等小分子增殖自身,堆体迅速升温;高温发酵阶段,微生物分泌大量纤维素酶、半纤维素酶降解纤维素与半纤维素,为微生物生长提供充足的碳源,维持了堆体较高的温度25。2.1.2 发酵后固体物料得率 随着水稻秸秆发酵过程中微生物的代谢,水稻秸秆质量随之下降,其固体物料得率变化如图 1 所示。水稻秸秆堆垛发酵过程中,无渗出液,灰分含量不变,但随着发酵时间增加,水稻秸秆中易于被发酵菌剂利用的有机物质被降解,可根据灰分含量得到发酵后固体物料得率。由图 1 可知,水稻秸秆发酵后的固体物料得率随之降低,其中,发酵至第8 天,物料得率降低至 71.22%,第 10 天得率降至 66.67%,第 30 天得率降至 53.76%;物料得率变化的拐点发生在第 10 天至第 13 天之间,与前面发酵过程的温度变化规律一致,对应发酵由高温发酵阶段转为低温腐熟阶段。说明前 10 天高温发酵阶段水稻秸秆中的有机物发生快速降解,后期降解速率变缓。2.2 好氧发酵过程水稻秸秆化学成分变化及阶段性分析2.2.1 化学成分变化 水稻秸秆的化学成分由纤维素、半纤维素、木质素等构成,还含有少量的蛋白表 1 发酵过程中水稻秸秆的化学组分变化Table 1 Changes of chemical components of rice strawduring fermentation发酵时间/dfermentation time纤维素/%cellulose半纤维素/%hemicellulose木质素/%lignin灰分/%ash038.1222.7617.678.33138.0521.8917.718.51336.5719.0018.209.34535.7417.9220.2410.42832.9617.2221.7711.711028.2816.1122.0312.571327.2615.3222.6013.211624.3014.5122.8413.753023.7813.1923.8115.54质、淀粉、蜡质等有机物质及一定量灰分,其中水稻秸秆纤维细胞壁的 3 种结构组分(纤维素、半纤维素和木质素)为发酵过程复合菌剂利用的主要碳源。本研究采用 HPLC 法对发酵过程水稻秸秆中 3 种结构组分的降解溶出行为进行了分析,以便明确水稻秸秆发酵过程中结构化学组分的生物降解规律,结果见表 1。由表中数据可知,随着发酵时间的增加,纤维素和半纤维素含量逐渐下降、木质素含量逐渐增加,其中纤维素由发酵前(0 天)的 38.12%下降至第 30 天的23.78%,半纤维素由22.76%下降至13.19%,木质素则由 17.67%增加至 23.81%,灰分由8.33%增加至 15.54%。2.2.2 发酵过程的阶段性分析 根据固体物料得率换算出的发酵过程中水稻秸秆细胞壁中纤维素、半纤维素和木质素 3 种主要化学结构组分的脱除率如图 2 所示。从图 2 可以看出,水稻秸秆发酵过程中,发酵前 5 天,3 种化学组分首先降解溶出的是半纤维素,其次是纤维素;发酵至第 5 天,纤维素的损失率为 25.02%、半纤维素的损失率为 37.03%,第 5 天及第 5 天以后纤维素的损失率超过半纤维素;整个发酵过程中,木质素损失率远低于半纤维素和纤维素。发酵第 8 天,纤维素的损失率为 38.41%,半纤维素的损失率为 46.11%,木质素的损失率为 12.22%;发酵至第 30 天,纤维素损失率为 66.45%,半纤维素损失率为 68.84%,木质素损失率仅为 27.54%。这表明水稻秸秆发酵的升温阶段和高温初始阶段,复合菌剂主要以半纤维素为代谢碳源产生热量;高温发酵阶段的中后期,纤维素开始大量降解溶出,半纤维素继续降解溶出,两者的生物化学反应为发酵堆体维持高温提供了热量;发酵第 11 天以后,发酵温第 4 期周虎毅,等:水稻秸秆好氧发酵行为及其生物机械制浆性能探讨103 度下降,3 种主要化学组分的生物降解速率开始下降,生物降解产生的热量小于发酵堆体向环境损失的热量,不足以维持发酵堆体的较高温度,发酵堆体温度开始降低,发酵开始进入腐熟阶段26-27。对于利用秸秆制纸浆模塑、纸和纸板产品来说,得率的降低将增加纤维利用成本28-29。从发酵过程固体物料得率损失来看,应用高温发酵耦合机械解离工艺来制备纤维浆料,发酵时间应控制在适宜的范围内,以避免不必要的物质损失。2.2.3 好氧发酵过程红外光谱分析 好氧发酵过程中水稻秸秆的红外光谱分析结果见图 3。图 2 不同发酵时间水稻秸秆中各组分的损失率Fig.2 Removal rate of chemical components of ricestraw fibers at different fermentation stages 图 3 不同发酵时间水稻秸秆的红外光谱Fig.3 FT-IR spectra of rice straw withdifferent fermentation time由图 3 可知,3 400 cm-1处为羟基的伸缩振动吸收峰,随着好氧发酵天数的增加,水稻秸秆在此波数峰值逐渐减弱,这意味着水稻秸秆内醇类、酚类和有机酸的数目减少,表明含有这些基团的纤维素、半纤维素等大分子糖类及秸秆表面的蜡质发生降解。2 920 cm-1和 1 372 cm-1这两个吸收峰分别属于CH2和CH 的不对称和对称伸缩振动吸收峰,随着好氧发酵的进行,水稻秸秆在此处的吸收峰逐渐减弱,这是纤维素和半纤维素被微生物降解为小分子造成的。CO 的伸缩振动吸收峰在 1 045 cm-1处,醚键主要存在于纤维素和半纤维素中,随着好氧发酵的进行其吸收强度明显逐渐减弱,这表明纤维素和半纤维素发生了降解。苯环骨架的红外吸收峰体现在1 635、1 609 和515 cm-1,从图中可以看出,与原料相比,第 3 天和第 8 天物料的红外光谱并没有明显变化,但在发酵 30 天的物料的红外光谱图中,这些吸收峰强度减弱,这表明在发酵前期水稻秸秆中木质素结构没有发生太多变化,但在发酵后期,木质素有了一定程度降解,苯环发生了部分解链或被取代30-31。综上所述,经过好氧发酵,水稻秸秆的红外光谱吸收峰有明显变化,主要体现在纤维素和半纤维素的降解,木质素在后期发生了部分降解,这与水稻秸秆化学组成变化的结果一致。2.3 机械浆的性能测定2.3.1 纤维长度为评价不同发酵天数的水稻秸秆的制浆性能,采用 PFI 磨在相同机械解离强度(30 000转)下对发酵后水稻秸秆进行磨浆解离,制成可供纸浆模塑、纸和纸板产品使用的生物机械浆。PFI 磨是一种低解离强度磨浆设备,可以模拟生产线磨浆机的解离行为,但与生产设备比较,对纤维的切断作用弱、内分丝帚化能力强19。解离后浆料的平均纤维长度见图 4(a)。由图可见,相同机械解离强度下,不同发酵时间的水稻秸秆机械浆纤维平均长度随发酵时间的延长先小幅度增加,发酵 8 天的水稻秸秆机械浆平均纤维长度达到最大值(0.639 mm),相比原料增加了 2.73%,之后随着发酵时间的延长快速下降。经过适当好氧发酵后,在相同强度机械力下,纤维长度可以得到很好保留;但过长发酵时间,例如发酵 8 天以后,可能因为发酵菌剂对碳水化合物的代谢作用造成对纤维细胞壁的侵蚀,导致平均纤维长度下降。2.3.2 游离度 游离度是衡量浆料滤水性能的指标,与纤维化学组成、纤维形态、细小组分含量、纤维的柔软性等因素有关。浆料游离度的变化情况见图 4(b)。由图可知,游离度的变化趋势与平均纤维长度不同。随着发酵时间的增加,浆料游离度先下降而后几乎保持不变,说明水稻秸秆高温发酵开始阶段104 林 产 化 学 与 工 业第 43 卷有显著的促进纤维解离的作用,表现为相同磨浆转数条件下浆料游离度快速下降;发酵至后期腐熟阶段,虽然浆料的平均纤维长度快速下降,但随着纤维中半纤维素及纤维素等碳水化合物成分的溶出及憎水性的木质素含量增加,游离度不再降低,其中第 8 天游离度(CSF)为 285 mL。2.3.3 保水值 水稻秸秆纤维的保水性能可用保水值表示。保水值与物料的化学组分、纤维表面羟基含量及纤维的比表面积、孔隙率和分丝帚化程度等因素相关。发酵过程中物料的保水值见图 4(c)。由图可知,发酵开始阶段,水稻秸秆的保水值快速增加,发酵至第 8 天纤维物料的保水值达到最高值(1.6),随后开始下降,表明发酵高温阶段可增加纤维物料的软化润胀和保水性能。经过相同机械力解离后的纤维物料保水值与解离前的发酵物料保水值变化规律相同(图 4(c):呈现先增加后下降的规律,在第 8 天达到最大值(1.95),比未经发酵处理的物料增加 18.56%。经过 PFI 磨解离,纤维长度降低,比表面积增大,使得保水值比解离前增加。但随着发酵程度的增加,特别是发酵高温结束进入低温腐熟阶段,物料的保水性能不增反降,这可能与纤维物料的微观结构与化学组成有关。上述分析表明过长时间的发酵,并不利于物料持水能力的提高。由此可知,水稻秸秆发酵至第 8 天时,浆料纤维平均纤维长度、保水值达到最高,游离度最低。a.平均纤维长度 average fiber length;b.游离度 freeness;c.保水值 water retention value图 4 不同发酵时间水稻秸秆机械浆的纤维性质分析Fig.4 Fiber properties analysis of rice straw mechanical pulps with different fermentation time2.3.4 机械浆的强度性能 机械浆的强度性能用该浆料所抄制的纸页强度性能来表示(图 5)。a.抗张指数 tensile index;b.撕裂指数 tear index;c.耐破指数 burst index图 5 不同发酵时间水稻秸秆纤维制得纸页的强度性能Fig.5 Strength properties of rice straw fiber paper with different fermentation time由图可知,随着发酵天数的增加,浆料的强度性能先增加后降低,发酵第 8 天时浆料的抗张指数(8.51 N m/g)、撕裂指数(9.2 mN m2/g)和耐破指数(0.72 kPa m2/g)达到最大值,相对于未发酵纤维的抗张指数(7.39 Nm/g)提高 15.15%、撕裂指数(8.4 mNm2/g)提高 9.52%,耐破指数(0.65kPa m2/g)提高 10.77%;但发酵进行到第 8 天之后浆料的抗张指数、撕裂指数、耐破指数都有不同程度的下降,发酵 30 天时浆料较未发酵浆料,其抗张指数(6.11 Nm/g)下降 17.32%、撕裂指数(6.2mN m2/g)下降 26.19%、耐破指数(0.52 kPa m2/g)下降 20.00%。这可能是因为随着发酵处理程度的增加,伴随纤维素、半纤维素甚至木质素等组分的降解溶出,纤维本身强度发生不同程度的损伤,导致抄制所形成的纸页纤维间结合能力和强度性能随之降低。由此可以看出,发酵时间宜控制在 8 天以内,过第 4 期周虎毅,等:水稻秸秆好氧发酵行为及其生物机械制浆性能探讨105 长时间的发酵降解不仅导致得率、平均纤维长度、保水值等指标的降低,同时影响浆料的强度性能。3 结 论3.1 利用复合菌剂(2 株 Geobacillus sp、1 株 Parageobacillus sp 和4 株 Thermus sp)对经双螺杆挤压后的水稻秸秆进行发酵,结果表明:其发酵过程呈现明显的阶段性,可以大致划分为升温阶段、高温发酵阶段和低温腐熟阶段,其中升温阶段很短,只有 1 天,高温发酵阶段为 10 天,第 12 天开始进入降温腐熟阶段。高温发酵阶段最高温度可以达到 60.0 66.2。水稻秸秆发酵过程中固体物料得率在高温阶段迅速下降,其中第 8 天固体物料得率降至 71.22%,损失率为 28.78%。水稻秸秆升温和高温发酵阶段主要物质损失由大到小顺序为:半纤维素、纤维素和木质素。发酵第 8 天纤维素损失 38.41%、半纤维素损失 46.11%,木质素损失 12.21%;第 30 天纤维素损失 66.45%、半纤维素损失 68.84%、木质素损失 27.54%。水稻秸秆好氧发酵过程中,纤维素、半纤维素在发酵阶段前期降解较快,中后期降解趋慢;木质素在整个好氧发酵阶段降解较缓慢,降解速率低于碳水化合物。3.2 发酵 8 天的水稻秸秆经 PFI 磨打浆后,其纤维的保水值(1.95)和纸页强度(抗张指数 8.51 N m/g,撕裂指数 9.2 mN m2/g,耐破指数 0.72 kPa m2/g)达到最高值。与未经发酵处理的相比,发酵耦合机械处理使纤维保水值增加 18.56%,平均纤维长度增加 2.73%,抗张指数、撕裂指数和耐破指数分别增加15.15%、9.52%和10.77%。从生物机械制浆角度考虑,发酵时间应控制在8 天以内,过长的发酵时间不仅导致物料的得率下降,同时不利于纸页保持良好的强度性能。参考文献:1WEI Y Q,WU D,WEI D,et al.Improved lignocellulose-degrading performance during straw composting from diverse sources with actinomycetesinoculation by regulating the key enzyme activitiesJ.Bioresource Technology,2018,271:66-74.2HERMANS S M,BUCKLEY H L,CASE B S,et al.Using soil bacterial communities to predict physico-chemical variables and soil qualityJ/OL.Microbiome,2020,8:1-132022-06-07.https:doi.org/10.1186/s40168-020-00858-1.3CHEN X M,CHENG W T,LI S Z,et al.The“quality”and“quantity”of microbial species drive the degradation of cellulose during compostingJ/OL.Bioresource Technology,2021,320:1244252022-06-07.https:doi.org/10.1016/j.biortech.2020.124425.4中国包装编辑部.纸塑包装前景光明,受到行业青睐J.中国包装,2021,41(11):43-44.Editorial Board of China Packaging.Paper-plastic packaging has a bright future and is favored by the industryJ.China 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