非木材原料成浆性能提升及综合生物炼制的基本问题研究

在发展林-浆-纸一体化的同时，非木材仍是我国造纸原料的重要组成部分，非木材纤维的质量直接影响造纸和二次纤维的回用，提升非木材纤维的性能有利于造纸工业的可持续发展。本项目通过研究非木材纤维原料的组成和结构随存放时间的变化规律，以及非木材纤维的预处理对纤维成浆的影响规律，寻找提升非木材纤维质量（抄造和印刷）的方法。首先采用不同的预处理方法（包括热水、稀酸或稀碱），抽提出溶出有机物和半纤维素，使纤维细胞表面结构发生变化，提高非木材纤维的成浆性能；然后研究不同预处理对制备纸浆的滤水性和抄造性能，油墨吸附性和印刷性能，以及纤维可回用性能的影响，获得提升纸浆的质量方法；同时研究黑液的燃烧热值和碱回收效率，抽提半纤维素转化为功能材料、预处理废液通过微生物发酵生物转化为丙酮等化工产品，为建立非木材纤维生产纤维和化工产品的综合生物炼制模式提供理论依据。

非木材是我国丰富的植物纤维原料，传统方法制造纸浆存在废液回收难的问题，将非木材植物纤维原料（农林废弃物）高值化利用是当前人们关注的主要问题。本研究项目提出综合生物炼制的概念。选用典型的非木材原料竹子、蔗渣和芦苇，以及南方特有的棕榈废弃物，并与阔叶木材（桉木）进行比较。.1）对原料的化学成分分析，纤维素，半纤维素的含量与阔叶木接近，因此研究中选用阔叶木桉木进行了相关比较。根据纤维原料特性不同，采用不同的预处理方法进行预处理，并进行后续制浆或者高值化产品的生物炼制研究。.2）对于桉木与蔗渣进行酸性和弱碱性的亚硫酸盐预处理，采用亚硫酸盐为预处理试剂，酸性条件预处理，更加有利于原料中的半纤维素去除，并大幅度提高纤维素的水解糖化。本研究的创新在于提出以路易斯酸¬--氯化铁/表面活性剂为预处理试剂，不仅处理效果好、毒性小，而且处理后的原料酶解效率高，采用合适的方法氯化铁可以回收再利用。并提出从草类原料转化为乙醇的生物炼制经济运行模式。.3）对竹子、蔗渣和芦苇进行热水和稀酸（稀醋酸）预处理后制备溶解浆比较，结果稀醋酸预处理比热水预处理需要的温度较低，后续制浆更好。在优化条件下，竹子制备溶解浆的效果更好。本研究的创新之处在于：利用竹子经稀醋酸预处理，硫酸盐法蒸煮以及D0ED1漂白后获得的溶解浆（-纤维素大于90%，白度90%ISO以上），最终溶解浆的得率达到 37%，高于文献报道值。一般制备溶解浆的得率在30%左右。.4）模拟纸浆多次回用，采用氢氧化钠溶液去除纸浆中不同含量的半纤维素，得到的纸浆中含有不同含量的半纤维素，然后抄纸，进行打印，测定纸张的打印性能，发现除去纸浆中少量的半纤维素，纸张的不透明度提高；纸张的油墨吸收和透印值变化不大，但是当纸浆中的半纤维素含量降低至5%时，纸张的油墨吸收和透印值明显降低。以前未有此方面的报道。.5）对于棕榈废弃物原料继续了亚硫酸盐预处理，结果发现利用中性或者弱碱性条件预处理，可以将棕榈废弃物纤维进行分级，厚壁细胞（纤维）可以制成纸浆，用于造纸，而薄壁细胞可以水解成葡萄糖，用于发酵产生乙醇。提出其综合生物炼制途径。.6）对于竹子、蔗渣和芦苇的预处理液，因为含有半纤维素降解的单糖，经酵母发酵产生乙醇，经梭菌发酵产生丁醇和丙酮；经木醋杆菌发酵可以产生细菌纤维素，具有较高附加值。对于预处理的分步脱毒处理，是提高后续各类发酵的关键。