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制浆造纸课程论文

制浆造纸生物质精炼新技术

姓名：韦永宁
学号:1204330111
班级：林产化工121
指导老师：胡华宇

制浆造纸生物质精炼新技术

摘 要：制浆造纸会产生大量的高浓度废水，对生态环境造成了严重的破坏，随着互联网科技的发展，人们对纸制品的需求越来越少，造纸厂要想在资源紧张、纸制品需求量减少的两大危机下顺利发展，必须对高耗能、高污染的造纸技术进行改良。生物质精炼技术在制浆造纸中的应用，就很好的将造纸技术转型成为低耗能、低污染的绿色技术。因此生物质精炼(Biorefinery)作为一个重要的理念近来引起了人们的关注。本文综述了生物质精炼与制浆造纸工业相结合的有关研究与展望。
　 关键词：制浆造纸；生物质；精炼 
生物质精炼是一种可环境友好地将木质纤维素原料转化为高附加值、多元化的生物质产品和能源，是综合多种生物转化技术和设备，将木质纤维素转化为燃料、电力和各种化学品的一种技术。目前，国内外对生物质的研究和应用主要体现在能源作物、燃料乙醇、生物柴油、生物质能、沼气、生物质材料等几个方面。是通过运用蒸煮、燃烧、分离等手段对生物质原材料进行深层次的加工技术，从而改变生物质原材料的固有形态，慢慢向气态、液态转变。制浆造纸技术的第一道工序就是对造纸原料进行蒸煮，在蒸煮的过程中，会产生大量的废水，也就黑液，黑液的成分会对生态环境造成破坏，生物质精炼技术就是为了对黑液进行转化而存在的。 
　　当前，木材蒸煮前的提取技术以预水解提取为主，采用低浓度碱液或者酸液提取工艺；蒸煮后黑液转化技术包括黑液分离技术、黑液气化联合发电技术和黑液气化联合化学合成技术。 
　　1 制浆造纸生物质精炼的基础技术 
　　1.1 木片抽提液的发酵技术 
　　虽然通过色谱层析法可以在木材等原材料中提取各种糖类和乙醇，但是这种提取的技术难度比较高，生产成本比较高，不能被广泛的使用，而且所提取出来的物质，研究意义比较低。所以说，目前木片抽提液的手段大部分都用在对乙醇的发酵上，市场对乙醇的需求还是比较大的，利用木片抽取液的发酵技术，不仅可以批量的提取低浓度的乙醇，而且经过后期的简单加工，还能生产无水乙醇。 
　　在进行木片抽提液的发酵技术时，需要用到某些乙醇酶微生物，但是这些微生物并不能直接作用于乙醇，而是会先对六碳糖产生反应，而乙醇发酵的先决条件是五碳糖的抽取。根据实验发现，有一种发酵单细胞可以对各种糖类都产生发酵作用，这就解决了普通淀粉酶无法作用于五碳糖的缺陷。新发现的发酵菌可以对葡萄糖和木糖同时发酵，提高了发酵的效率和质量。 
　　1.2 黑液分离技术 
　　上面我们曾经说过，黑液是在纸浆造纸的蒸煮过程中产生的高浓度废水，其本身具有很大的污染性，因此对黑液进行分离就显得尤为重要。黑液分离技术简单点说就是对黑液进行深加工，对黑液的成分进行稀释、分离的技术，从而减少黑液的危害性。目前最常用的黑液分离技术是酸沉淀提取法，这种方法的技术原理主要是消除黑液排除的有毒气体，对黑液的本体结构成分没有太大的改变。因此，这种方法还存在着相当大的局限性，分离之后的黑液COD的数值并没有得到相应的降低，没有从源头上解决污水排放的问题。研究人员在这一方面还在继续的进行探索，不断对新的分离技术进行试验，目前已得到了初步的进展。 
2.基于生物质精炼模式的制浆造纸
随着生物技术的发展，生物酶的应用在造纸工作中越来越广泛。制浆造纸工业中所用生物酶主要包括纤维素酶、木聚糖酶、漆酶。纤维素酶为多酶体系,一般包括三种主要纤维素酶:内切1,4-葡萄糖酶(EG)、外切1,4-葡萄糖酶(CBH)及β-1,4-葡萄糖苷酶(纤维二糖酶,CB),它们协同作用才能有效降解纤维素。植物纤维中半纤维素的主要成分是木聚糖。一般在预处理时作用于木聚糖主链的酶有两种: β-1,4-木聚糖酶和β-木糖苷酶，木聚糖酶的分子量及作用环境受来源影响较大，在高得率原料预处理过程中，可根据其来源和预处理原料的类型而选择合适的木聚糖酶，以提高木聚糖酶渗透及预处理效果。漆酶是一种含铜多酚木素氧化酶，无介体存在时氧化酚性木素结构单元，在有介体和氧气时，具有更强的催化氧化能力能够氧化木素结构中的非酚型木素结构单元。漆酶可改善高得率浆的物理性能、降低打浆能耗等，在这两方面，漆酶的效果要优于前两者。这几种酶的协同作用可以节约磨浆能耗、提高纸张质量、减少化学品的用量等优点。

3.造纸工业与生物质精炼相结合
造纸工业生物质精炼工艺流程 制浆厂转化为生物质精炼工厂主要有四种类型：①使用传统制浆厂的制浆系统首先对原料进行脱木质素，然后纸浆进行水解和发酵，生产乙醇等生物质燃料和化学品；②在制浆前先从原料中抽提出半纤维素，抽提液经进一步分离和水解为易于生物发酵的糖类物质，再转化成乙醇，或者生产其它各种化学品，抽提后的原料进入传统的制浆漂白生产系统；③对木质纤维素生物质进行分级利用，通过预抽提分离出半纤维素物质，水解发酵生产乙醇、乙酸和其它化学品，然后对抽提后木片进行用制浆方法分离出木质素，分离出的木质素生产表面活性剂等化学品，脱除木质素后的纸浆纤维进行水解和发酵，生产乙醇等燃料和化学品；④将现有浆厂的黑液、树皮和污泥等生物质进行气化，生产高附加值的燃料和化学品；⑤回收松节油、皂化物等副产物。
3.1半纤维素的提取和有效利用 目前的化学法制浆过程中，原料中约50%的半纤维素在蒸煮过程中溶解于黑液中，没有充分发挥半纤维素作为生物质资源的潜在价值。因此，可以考虑在备料和制浆工段之间采用条件比较温和的预提取方法分离出原料中部分半纤维素，用于制备燃料乙醇、乙酸、糠醛、木糖醇等化学品，提高浆厂的经济效益，并降低碱炉的负荷。这是目前制浆造纸生物质精炼研究最多的领域，其示意简图如图
浆纸化学纤维
制浆
抽提半纤维
木片

生物精炼

乙醇 乙酸 生物塑料

在传统的蒸煮之前对原料进行抽提，然后将抽提液中的木素、有机酸、糠醛等物质分离开来，再将半纤维素通过酸水解或酶水解转化为单糖，然后发酵制酒精。 加拿大联合开发了预水解硫酸盐溶解浆-生物酒精的复合型生物质精炼模式。将一家造纸厂现有的阔叶木硫酸盐浆生产线改建为预水解硫酸盐溶解浆系统，同时结合生物质提取和利用系统，构建综合利用纤维素、半纤维素、木素以及提取物的模式除了在制浆之前提取半纤维素以及生产溶解浆之外，同时进行半纤维素的分离和加工利用，开发的产品有乙醇、乳酸、糠醛、木糖、木糖醇等。 山东某制浆造纸企业已建成一条利用溶解浆生产的预水解液生产糠醛、木糖和木糖醇的生产线，投资约3000万元，年产1万吨结晶木糖醇和4000吨液体木糖醇，产品有木糖醇及其相关衍生物。
3.2提高黑液中木质素的回收利用 
木质素被称为木材中的黄金，木质素及其衍生物的用途十分广泛，从制浆废液中分离出来的粗木素经过提纯改性后, 可在建筑、农林、石油工业、冶金工业、燃料工业及高分子材料上广泛应用。例如: 可用于生产混凝土减水剂、油田化学品、粘合剂、分散剂、沥青乳化剂活性炭、炭纤维、染料、香精、饲料添加剂、农药缓释剂、植物促进剂、酚醛树脂添加剂等，而且木质素的新产品还在不断开发，其应用前景十分广阔。 
目前木质纤维原料经过蒸煮，其中木质素进入黑液中后，主要是和黑液中混合的其他有机物一起在碱回收系统中通过燃烧回收其热能，这是目前制浆厂最成熟应用最广泛的制浆废液处理方法。但是木质素的热值只有标准煤的2/3左右，目前煤的市场价格约为800元/吨标煤，即木质素按现在燃烧法利用的价值只有600元/吨左右，而从黑液中提取出来的粗木质素的目前市场价格达4000元/吨以上。因此，从蒸煮废液中提取木质素并对其合理利用是制浆造纸生物质精炼的重要内容。 
从制浆黑液中分离木质素的工业化方法主要有：酸析、膜分离和烟道气析木素。其中酸析木素技术工艺简单、投资少，但酸析废水处理和利用技术不成熟，操作环境不太好，是目前国内提取木质素工业化应用的传统和最广泛的方法，省内有几条生产线在运行。膜分离方法还不太成熟，有待进一步完善。
3.3黑液气化 黑液气化是制浆造纸生物质精炼的重要组成部分，其研究开始于20世纪80年代中期[，黑液气化可分为3个阶段。第1阶段是蒸发黑液中的水分以形成固形物。第2阶段是通过高温裂解，使可挥发、易分解的物质转变为混合气体(CH4等)；随着分解时间延长，Na2CO3和Na2SO4等无机物也会分解，并放出CO2、CO、SO2等气体；最终形成的残渣为焦炭。第3阶段是气化阶段，焦炭与气化剂(CO2或H2O)反应生成合成气，主要成分为CO、H2。 黑液气化与传统黑液碱回收处理方式相比，最大的优点是挖掘了黑液中有机物质的潜在价值，实现了资源的充分利用。所生成的合成气主要成分是CO和H2，可以代替化石能源，用于动力锅炉和石灰窑，可以用于发电，或者生产液态燃料，如费托合成原油等。
结语
目前，人类面临着全球环境污染、资源短缺、能源危机等一系列问题。石油、煤和天然 气等能源的开采已不能满足人类日益增长的物质需求。 所以生物质精炼的提出和发展， 为解决这一系列问题提供了一种根本性的新方法全球生物质精炼的研究和发展，给制浆造纸工业带来了巨大的挑战， 同时也提供了很好的发展机遇。 因为生物质精炼的原料可以是各种农作物秸秆，如玉米秸 秆、麦草秸秆、棉杆等，也可以是丰富的林木资源。我国每年仅农作物用秸秆产量就达到7 亿吨，相当于 3.5 亿吨煤炭资源。 利用各种处理原料的制浆方法对原料进行预处理，可以提高酶水解木质纤维素原料的效率，进一步提高乙醇转化率和转化效率。 制浆造纸工业目前面临着能耗高、污染严重等问题而利用生物质精炼的方法对原料或浆料进行预处理，在磨解过程中就可以起到降低能耗，漂白过程中减少漂液的用量、提高纸浆质量等作用。采用既环保又可持续的生物质精炼的方法已经成为全世界的关注的热点，制浆造纸技术又为这一方法提供了一套成熟有效的方法，因而生物质的方法将在造纸工业中得到广泛的应用。
参考文献
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