提　要：本文报导了我国稻草生化制浆新技术的研究及中试投产成果。研究成果及中试显示了用No.38工程菌酶处理的生化浆，其物理机械性能达到与优质阔叶木浆相媲美的程度，制浆排水的负载亦比常规碱法草浆低得多，排水污染防治措施有所落实。关键词：稻草；生化法制浆；No.38工程菌；漂白浆作者简介：钱鹭生，教授级高级工程师，中国造纸学会涂布加工纸专业委员会主任委员，中国造纸学会学术工作委员会委员，美国制浆造纸协会正会员。　　　我国的非木材农基原料(agro-based materials)，包括稻草、麦草、蔗渣、龙须草、竹子、芦苇、玉米秆、高梁秆、韧皮纤维原料类等，迄今大部分沿用碱法制浆。其中稻草碱法浆的质量，即使比起其他非木材纤维浆，存在着成纸脆硬，松厚度差，耐折、抗撕裂、耐破差等缺点；且滤水慢等不适于近代高速纸机的抄造，制浆黑液含硅量高等弊端。另外，稻草全草整体来分析，基秆含量低，其叶、穗、根加起来占总体比例高，含硅量也高，稻草的杂细胞含量高达40%～60%，这些都是对稻草成浆强度改善以及制浆碱回收不利的。如果能够利用生物制浆方法，克服及改善稻草纤维浆存在的这些缺点和弊端，则其他非木材纤维原料应用生物法制浆，就可稍加探索、引伸而解。另外，我国有较大的产稻区，资源丰富，极易收购，价格便宜，所以本生化法的首次研究对象，就选择了稻草。1　No.38工程菌漂白生化稻草浆及精饲料(单细胞蛋白)生产1.1　　工艺流程(如图1)图1　漂白生化稻草浆及精饲料生产工艺流程1.2　生产工艺说明1.2.1　生化处理　　稻草经常规除尘、除杂，切短成100～150mm后，进入生物处理罐(3m3)，菌种为No.38工程菌SSF等提取出来的多种强活性酶。酶处理条件：温度60℃以下，pH值3.5，时间1～2h，料液比5%～15%，原料不需消毒。1.2.2　筛选杂细胞等　　草类原料经过生化处理后呈半浆状，经水力碎浆机作用基本分散成粗浆。粗浆经过振框筛时，一些在生化处理时未能完全去除的细小杂质随水通过筛网，而得到浓缩的浆料则从筛网上进入挤压机挤干，过筛网的白水经沉淀去除细小杂物后重回水力碎浆机使用。1.2.3　漂 白　　经上述步骤获得的粗浆需通过两步进行漂白，第一，碱处理：粗浆经碱煮，大量色素及其它杂质被脱除，提高了白度(其未漂浆最高白度可达40%～42%ISO左右)，且完全分散成细浆，碱处理黑液进入碱回收装置。第二，H1P1或P1P2二段漂：细浆经两段漂白、洗涤，即可抄成成品纸浆板。1.2.4〓酶及单细胞蛋白的生产　　上述生化处理产生的处理液(抽提液)进入发酶罐，投入补充工程菌菌种，经培养分泌出新生酶，液体中除酶外大多数有机物被转化为单细胞蛋白，此蛋白经挤干、干燥即为成品。而工程菌产生的酶则溶于液体中，此液体重新进入生化处理罐使用。1.3　纸浆的性能　　为了改善生物处理后稻草浆的机械物理性能，减少漂白废水AOX的排放量，经酶处理后的纸浆，经过螺旋压榨机挤浆，进入碱煮系统。碱煮可以用Na2CO3来完成，以达碱回收工序时的“免苛化”。蒸煮用碱量以NaOH计，对酶处理后风干浆为6.5%～7.5%，液比随生物处理浆的干度来调节，约为1/（3～4.5），常压95℃煮30min。煮后未漂浆经黑液提取后，以相当于有效氯(AC)6%的次氯酸钠漂白(ECF浆)，或3.5%左右H2O2两段漂白(TCF浆)，可以获得80%ISO以上的漂白稻草生化浆。表1、表2分别列出了不同程度酶处理漂白稻草浆与未漂稻草浆的物理性能。表1　不同程度酶处理与同条件碱处理后的稻草浆物理性能测试项目漂白浆1漂白浆2漂白浆3漂白浆4漂白浆5漂白浆6未漂白浆7疏解转数 转打浆度 °SR松厚度 cm3/g抗张指数 N·m/g(裂断长) (m)脆性 %耐破指数 kPa·m2/g撕裂指数 mN·m2/g耐折度 次白度 %灰分 %得率 %30000531.374.19(7570)-6.15-42177.93.193130000601.2669.38(7080)24.44.293.6817279.71.0628.575000541.2963.47(6470)12.34.286.9711678.6--15000411.33　 (6860)04.77.530380.6--15000391.2671.54(7300)7.874.925.7627977.31.1128.975000381.2973.5(7500)05.5-400801.028.77100521.4969.58(7100)7.574.246.7635642.42-32注：表中测试数据均由国家轻工业局上海(及华东区)纸浆、造纸测试站提供。表2　不同程度酶处理(未经碱煮)稻草未漂浆物理性能及打浆性质项 目酶处理未漂稻草浆1酶处理未漂稻草浆2打浆时间 min打浆度 °SR紧度 g/cm3环压指数 N·m/g抗张张数 N·m/g(裂断长) （m）挺度 mN·m耐破指数 kPa·m2/g撕裂指数 mN·m2/g浆得率 %35540.377.1113.13(1340)----45590.399.1117.15(1750)----60590.448.9318.42(1880)----75630.4510.221.56(2200)----90620.4811.321.85(22.30)-----440.504-25.87(2640)3.041.14-48-480.534-26.75(2730)3.021.26-48-500.551-27.83(2840)3.101.31-48-580.56212.530.09(3070)3.191.322.63481.4　使用No.38工程菌种处理得到的漂白生化稻草浆的成本、利润1.4.1　生产成本(表3)表3　生产成本计算图2　国外中试设备流程示意图项目名称数 量金额 元稻草碱（以NaOH计）次氯酸钠H2O2其他药品生物处理成本电标准煤上、下水处理费人工费低值易耗品维修费固定资产折旧贷款利息车间管理费以上合计4t260kg30kg30kg　 全过程300kWh200kg上水50m3　　　　　　　6002491201651502002108010015080705080502354工厂成本加税：2354+（售价4700元×14.2%）=3021元1.4.2　副产品收入〓　单细胞蛋白粉80kg 240元　　钾盐液 100元　　以上两者合计 340元1.4.3　合计每吨浆利润　　4700元-3021元+340元=2019元　　说明：(1)以上成本计算以表1漂浆第6项产品质量为基准，利润未扣除企业所在地区具体规定的“两金”在内。(2)按表1第6项未漂浆质量的稻草浆成本计算，则每吨未漂浆成本要扣除漂剂费285元，烧碱费(NaOH30kg)29元，水费(20m3)20元，电费80元，以及原料稻草费300元，漂白工序电耗100元，人工费15元，合计每吨未漂浆生产成本为1525元。(3)以上成本计算均以湿浆出厂为基础，金额以人民币计算。2　本方法制浆技术的特点2.1　除增加原料酶处理工序外，碱处理的用碱量少，每吨纸浆耗碱折成NaOH仅为230kg，白度80%以上的漂白稻草浆，漂白剂耗用相当于6%有效氯(H2O2代替次氯酸钠，则H2O2用量为3%～4%)，总之蒸煮耗碱、漂白剂耗用量减少。既减少制浆液体排放污染，又可降低制浆成本。2.2　生产漂白浆的未漂浆色浅而亮，几乎无棕黄小点，所以对制浆流程的筛选工程设备要求极低，此种未漂浆宜直接抄造米色纸种，或高级白纸夹芯层及色卡纸等。2.3.　硅干扰是传统碱法稻草浆制造中碱回收的主要障碍，目前即使有些造纸发达的国家还在推广稻麦草制浆中的黑液除硅技术，而本生化制浆，可以免除这种“除硅工序”的麻烦。我们通过生化处理可将纤维与杂细胞及硅化合物之间的连接切断，轻而易举地将这些杂小细胞除去。2.4　生物处理回收系统简单，回收成本低廉(吨浆总成本200元)，并能较大幅度创利。生产1t漂白稻草浆同时获单细胞蛋白约60～70kg，其蛋白含量达40%，氨基酸含量达35%。这些单细胞蛋白是由稻草中非纤维类的有机物转化而来的，或者更直截地说，是由原来传统碱法制浆中污染环境的“COD”转化而来的，每吨蛋白粉售价3000元。2.5　本法生物处理的母液进入生物回收系统，处理的黑液进入常规碱回收或综合利用系统，所以只要以上两个回收系统的回收液“提取率”高，整个流程设计及其管理执行上处处体现节水及用水封闭循环，制浆的水耗有望控制在吨浆50m3以内。2.6　流程设备适应性强　　本生化制浆法，若新建厂，可以采用目前现成而常规的干湿法备料设施、间歇或连续蒸煮器、碱处理塔、漂白塔、黑液提取流程及纸浆筛选机、挤压机等，无需用专门为它设计新的制浆设备。若有现成的制浆流程，则稍加改造，如增加除杂细胞、除硅筛选的设备体系，原蒸煮器可用作酶处理设备并作容量平衡及碱煮容量平衡，酶回收则增加发酵罐粉干燥体系。没有碱回收的工厂要增添小于碱法浆碱回收能量40%的碱回收系统设备，这样改造后本法即可投产，酶处理池及蒸煮器的联合中试流程设备参考见图2(为三种国外悬而未决的专利方法设计)。3　讨 论　　通过用No.38工程菌酶将稻草预处理结合碱煮，生化法制浆的研究，并通过每年8000t的中试型生产，认为：3.1　从显微镜观察与低漂率得到80%ISO以上白度的漂白浆等来分析，No.38工程菌酶兼有无区分地破坏原料纤维组织，使稻草组织松散，以及攻击胞间层脱除木质素，分离纤维的能力。由于菌种及其产酶性质的优越，使产浆质量与得率等可由用酶的力度任意调节，其后的Na2CO3蒸煮在常压、相对低温中进行，稻草纤维素结晶度比一般传统加压、高温碱煮为高。又加上酶处理后，本工艺将稻草纤维组织中含有的40%～60%的杂细胞和硅化物高度分离，所以本生化浆获得的漂白浆和未漂浆，其各项物理强度已进入可与优质阔叶木浆相媲美的水平(见表1)。改善了传统化学稻草浆制成的成品发脆、成浆滤水性慢等弱点。3.2　本生化法反复制造的漂白稻草浆其灰分含量均在1%左右，酶处理后的母液含有稻草内除部分木质素及纤维素以外的多糖类等可降解和溶解物质(传统碱法这类物质全部溶入蒸煮黑液)，一并流回酶回收系统。本法将这种母液提取出来，产生与漂浆几乎同价的单细胞蛋白粉(高级饲料)，预计生产利润率将高于传统碱法浆生产。这样就顺利完成了酶的反复使用工艺，这是迄今为止，国内外生物制浆工业化不能实现的环节，现在已被突破。3.3〓No.38工程菌的生化法制浆，其碱煮段黑液，由于上述原理，无需除硅，可以顺利进入蒸发和燃烧工段运行。由于黑液中多糖类、硅化物、溶解性杂细胞均已去除，所以其含有成分以木素为主的黑液，我们曾经将它测过蒸浓后的发热量，发现与木浆的黑液结果相同。又本法碱煮的碱耗低，为传统碱法的65%，因此预计碱回收的设计蒸发量相应要加大，而投资大的燃烧炉容量可以比传统的缩小1/3。如果说传统碱法漂白稻草浆黑液的COD平均15%（150000ppm）左右，则本法制浆测得的黑液COD平均为3.5%（35000ppm）左右，这样制浆的液体排放污染负载就减少了几倍。我们的中试规模生产，由于投资额有限，采取了黑液加酸木素沉淀综合利用的办法，过滤的排放液再进入氧化塘，其工程现在施工中，预计可以达到COD0.045%（450ppm）的当地工业排放标准。这里顺便提及如果酶处理后的煮浆半料，多糖含量低，配以新型的低压蒸煮工艺，其黑液可以提取高级、高附加值的化工品，所以排放黑液进行综合利用前途也是可喜的。3.4〓多年来No.38菌种通过筛选、“剪接”与“重组”，造就成新型的“超级工程菌”。(1)它具有完备的高活性的分解酶系统，能在短短2h内迅速分解草类原料中纤维素以外的各种有机物；(2)本工程菌的抗杂菌能力强，投入生物处理的原料无需事先消毒防止菌酶中毒。(3)只要调节酶处理力度可以获得某些物理指标不高而得率较高(约50%左右)的未漂稻草浆，用以生产各项物理强度指标不是全面要求的纸和纸板，如瓦楞纸、蜂窝板、纸模成型等产品，这种要求环压强度和挺度较高，其他物理强度是次要的产品。　　总之，No.38工程菌的发现，筛选和改造，将其应用于稻草制浆的应用实验和中试投产经历，我们在工艺上已经具备一段生物处理生产未漂硬浆及生化法生产米色未漂软浆和高白度漂白稻草浆投产技术。预见可以用其原理和实践参数引伸到其他非木材纤维原料中去，例如：实验证明，用No.38工程菌种的酶处理，结合碱蒸煮的方法，可以应用到生产漂白麦草浆的领域中去，但碱煮段必须改常压为蒸汽压力达到0.12MPa左右。用No.38工程菌酶处理广东香蕉树的叶、杆原料，无需化学煮浆，酶处理一次成浆……。所以本文论证认为用优越工程菌结合或不结合化学处理，只要酶处理力度调整适当，或结合化学处理的条件符合具体原料的现实要求，生物和生化制浆法引伸推广到各类非木材纤维原料的可能性是存在的，发挥其优越工艺性能也是可能的，摆在人们面前的只是稍加科学实验就可以投入生产的技术前景。