我國擁有豐富的農(nóng)作物秸稈資源和利用農(nóng)作物秸稈造紙的獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢。然而，由于環(huán)保、成本等因素，多年來我國紙業(yè)所使用的農(nóng)作物秸稈占整個(gè)行業(yè)原料比例逐年下降，明顯存在被邊緣化的發(fā)展趨勢。在木材緊缺的情況下，怎樣充分利用好這一巨大的資源成為行業(yè)當(dāng)務(wù)之急。2012年，中國造紙學(xué)會(huì)連續(xù)舉辦了兩次生物質(zhì)精煉研討會(huì)。會(huì)上，專家介紹了相關(guān)的技術(shù)、研究成果及方向，成為行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要參考。
農(nóng)作物秸稈應(yīng)用前景廣闊
利用生物質(zhì)精煉技術(shù)，在解決環(huán)保問題前提下，可高值化綜合利用農(nóng)作物秸稈，生產(chǎn)紙漿、低聚木糖及生物油等產(chǎn)品，延長制漿造紙產(chǎn)業(yè)鏈，提高行業(yè)利潤率
中國制漿造紙研究院環(huán)保中心項(xiàng)目工程師徐明說，非木材制漿的黑液處理技術(shù)改進(jìn)空間較大。據(jù)此，我們想通過生物質(zhì)精煉技術(shù)開發(fā)新產(chǎn)品，并且解決清潔生產(chǎn)問題。
根據(jù)推算，我國擁有9000多萬噸到1億噸左右的麥秸稈。除了還田和直接被燒掉之外，麥秸稈作為工業(yè)原料的比例低于20%，其中主要被用于制漿。
目前，我國農(nóng)村已明令禁止燃燒麥秸稈。所以，這需要我們繼續(xù)努力研究，讓大量的麥秸稈物盡其用。
我們開始處理麥秸稈的方法是按照傳統(tǒng)方法預(yù)提取半纖維素，而后再制漿。我們初步采用的是低堿低溫預(yù)提取工藝。但因?yàn)辂溄斩挼哪举|(zhì)素是堿易溶的，所以在較溫和的條件下木質(zhì)素就被溶解出來了。這種工藝產(chǎn)生的預(yù)提取液含有半纖維素、木質(zhì)素和纖維素，跟想象中的不太一樣。于是，我們對(duì)它用酸析沉淀工藝除去木質(zhì)素，然后對(duì)剩下的糖用內(nèi)切酶酶解，在達(dá)到目標(biāo)聚合度后再進(jìn)行脫色處理，去做低聚木糖產(chǎn)品。
低聚木糖是生產(chǎn)食品、保健品、藥品的添加劑。低聚木糖主要含有木二糖、木三糖、木四糖、木五糖等成分。山東禹城的龍力集團(tuán)有限公司用玉米芯做低聚木糖。產(chǎn)品是糖漿狀的或者粉狀的，被添加在葡萄酒或者其它食品中。據(jù)說龍力集團(tuán)生產(chǎn)低聚木糖的規(guī)模挺大。根據(jù)純度不同，龍力集團(tuán)將低聚木糖的售價(jià)定為每噸3萬元—10萬元之間。這個(gè)產(chǎn)品進(jìn)入食品領(lǐng)域可能還有一段路要走。但它已進(jìn)行添加劑領(lǐng)域。
在生產(chǎn)出低聚木糖后，我們采用低堿工藝用剩余物料生產(chǎn)紙漿。我們從初步得到的數(shù)據(jù)來看，低聚木糖質(zhì)量、紙漿質(zhì)量和黑液性能都比較好。但這條路怎么往下走我們也是在“摸著石頭過河”，正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
我們現(xiàn)在對(duì)黑液氣化很感興趣。因?yàn)樗鼰嶂当容^高，木質(zhì)素含量也必較高。廣西大學(xué)和華南理工大學(xué)在這方面都有專家。我們也在跟他們積極溝通。據(jù)悉，2008年我國可收集利用的秸稈總量達(dá)到6.5億噸。如果我國掌握了黑液氣化技術(shù)，用秸稈生產(chǎn)二甲醚或者生產(chǎn)代替汽油的液體產(chǎn)品是挺讓人向往的一件事情。
徐明表示，他有信心做好農(nóng)作物秸稈等非木材原料的綜合利用。
華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任孫潤倉認(rèn)為，造紙工藝是多元、多學(xué)科的源頭，既能把造紙做好，也能把生物質(zhì)精煉做好。
途徑一
用麥草溶解漿生產(chǎn)低定量高品質(zhì)生活紙
據(jù)江蘇五洲(新大)紙業(yè)有限公司技術(shù)研發(fā)中心的周正培介紹，該公司在用麥草溶解漿生產(chǎn)低定量優(yōu)質(zhì)衛(wèi)生紙及中、高檔面巾紙、擦手紙、擦拭紙、產(chǎn)婦衛(wèi)生紙等方面進(jìn)行了探索。
溶解漿又稱特種漿或精制漿，是一種較純凈的優(yōu)質(zhì)化學(xué)漿，其甲種纖維素含量為90%—98%，半纖維素和木質(zhì)素含量低。其主要用于生產(chǎn)紡織原料的粘膠纖維，也是生產(chǎn)玻璃紙、醫(yī)藥行業(yè)滅菌過濾紙、醋酸纖維、硝化纖維、酸甲基纖維素、微晶纖維素、纖維素醚等產(chǎn)品的主要原料。
在輕工制造業(yè)中，棉花的替代品主要有合成纖維(滌綸)和粘膠纖維。粘膠纖維在質(zhì)地上與棉花相近，在舒適性、透氣性、環(huán)保等方面較滌綸有明顯優(yōu)勢。所以粘膠纖維如何價(jià)低質(zhì)優(yōu)的產(chǎn)業(yè)化成為眾多高校、企業(yè)研發(fā)的熱門課題。生產(chǎn)粘膠纖維的主要原材料是棉絨漿和溶解漿。近年來，由于消費(fèi)群體對(duì)棉花等原生物質(zhì)需求量增大，造成棉絨漿緊缺。因此溶解漿成為粘膠纖維的惟一原料來源。
造紙用化學(xué)漿和溶解漿的生產(chǎn)工藝相似。工廠對(duì)現(xiàn)有制漿工藝流程和造紙機(jī)的上漿、烘干、脫水等部位進(jìn)行技術(shù)改造，并將電氣傳動(dòng)全部改造為變頻調(diào)速控制。改造后的圓網(wǎng)紙機(jī)運(yùn)行速度由125 米/分鐘提高至158米/分鐘，產(chǎn)能提高27%左右，可制備麥秸稈溶解漿。工廠用秸稈溶解漿和機(jī)械木漿兩種原料可生產(chǎn)低定量產(chǎn)婦衛(wèi)生紙。
現(xiàn)有普通化學(xué)漿生產(chǎn)線用來生產(chǎn)溶解漿，需要對(duì)蒸煮和洗、選、漂系統(tǒng)進(jìn)行一系列的改造或新增一些必要的設(shè)備。
該工藝需要軟化水系統(tǒng)，以供生產(chǎn)溶解漿時(shí)漂白末端洗漿與抄漿使用。
為了獲得高質(zhì)量的溶解漿產(chǎn)品，該工藝對(duì)篩選要求相當(dāng)高，一般需要對(duì)現(xiàn)有篩選系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化擴(kuò)容改造，從而達(dá)到提高漿料洗凈度、減少化學(xué)品消耗、提高漿料品質(zhì)、降低中段廢水排放負(fù)荷的目的。
漂白系統(tǒng)的優(yōu)化改造需要根據(jù)各自不同的漂白流程進(jìn)行有針對(duì)性的改造，以減少塵埃及金屬離子對(duì)漿料品質(zhì)的影響。
工廠用溶解漿和機(jī)械木漿抄造的產(chǎn)婦衛(wèi)生紙有8層，使用方便，及時(shí)更換可免除潮濕和側(cè)漏，保持清新，減少皮膚病發(fā)生，有利于產(chǎn)婦產(chǎn)后恢復(fù)。
天然纖維具有消臭抗菌性，吸、放濕性能在麻和絲綢之間，可以與棉、麻、蠶絲、莫代爾、滌綸、睛綸等纖維進(jìn)行不同比例的混紡交織。目前該產(chǎn)品在國內(nèi)市場處于起步階段，市場缺口大。
途徑二
酸水解糖化殘?jiān)に囉糜衩捉丈a(chǎn)紙漿
東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的周衙欣、岳金權(quán)撰寫了《玉米秸酸水解糖化殘?jiān)茲{應(yīng)用研究》一文。
文章指出，酸水解糖化殘?jiān)に嚳梢杂糜衩捉丈a(chǎn)紙漿。研究表明，玉米秸酸水解糖化殘?jiān)臒崴槌鑫锖繛?9.55%，1%NaOH抽出物含量則高達(dá)51.25%。該工藝不適于生產(chǎn)化學(xué)漿，而適合制備高得率漿，用于生產(chǎn)瓦楞原紙。
用玉米秸稈可生產(chǎn)清潔燃料。在我國木質(zhì)纖維資源缺乏的情況下，利用豐富的農(nóng)業(yè)廢棄物玉米秸稈經(jīng)過預(yù)處理、纖維素酶水解及戊糖己糖同步酒精發(fā)酵技術(shù)制取燃料乙醇的工業(yè)化模式得到關(guān)注。當(dāng)前造紙行業(yè)主要采用葉、穰和莖皮分離技術(shù)處理玉米秸稈，葉、穰用于加工飼料，而秸皮作為優(yōu)質(zhì)纖維用于生產(chǎn)有光紙、高強(qiáng)度瓦楞紙和包裝紙板。這種制漿造紙企業(yè)與生產(chǎn)飼料企業(yè)合作的方式在現(xiàn)階段能夠產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益，也體現(xiàn)出玉米秸稈作為造紙?jiān)嫌衅淞己玫陌l(fā)展前景。
途徑三
用秸稈生產(chǎn)納米纖維素大有可為
纖維素是可以再生的、可降解的、環(huán)境友好型的天然有機(jī)物，可用來替代石油基化學(xué)品或材料;納米纖維素懸浮液具有假塑性、觸變性，利用其獨(dú)特的流變特性可用于生產(chǎn)聚合物、生物材料、涂料、食品、化妝品、醫(yī)藥和造紙等領(lǐng)域
中國制漿造紙研究院的胡云在《納米纖維素的制備及研究》一文中指出，纖維素是自然界中分布最廣、蘊(yùn)含量最豐富的一種由8000至10000個(gè)葡萄糖基通過β-1、4-糖苷鍵連接而成的多糖。纖維素是植物細(xì)胞壁的主要成分。自然界中，棉花中的纖維素含量最高，達(dá)90%以上。此外，麻、稻秸稈、麥秸稈等也含有纖維素。纖維素是可以再生的、可降解的、環(huán)境友好型的天然有機(jī)物。人們用它可以生產(chǎn)替代石油基化學(xué)品的產(chǎn)品。
研究人員將纖維素的尺寸縮減至納米尺寸，即形成納米纖維素。
進(jìn)入上世紀(jì)90年代，尤其是最近10年，納米纖維素的相關(guān)研究已成為纖維素科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。通過深入研究，科研人員揭示出納米纖維素在許多領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。
植物纖維的長度一般在0.5mm—3 mm之間，寬度約為20—40 μm。科研人員通過機(jī)械的、化學(xué)的或其它方法將纖維素的任一維尺寸縮減至100nm以內(nèi)，就能得到納米纖維素。納米纖維素這一術(shù)語易產(chǎn)生混淆，用不同的方法可以制備出不同形式的納米纖維素。為便于區(qū)分和理解，研究人員通常將用物理機(jī)械的方法制備出的納米纖維素稱為微纖化纖維素或納纖化纖維素，用酸水解或酶解的方法制備出的納米纖維素稱為納米微晶纖維素或納米纖維素晶體。
納米纖維素具有高純度、高結(jié)晶度、高楊氏模量、高強(qiáng)度等特性，其在材料合成上展示出了極高的楊氏模量和物理強(qiáng)度等性能，加之其具有生物材料的輕質(zhì)、可降解、生物相容及可再生等特性，使其在高性能復(fù)合材料中顯示出很大的應(yīng)用前景。納米纖維素懸浮液還具有假塑性和觸變性，利用其獨(dú)特的流變特性可用于生產(chǎn)聚合物、生物材料、涂料、食品、化妝品、醫(yī)藥和造紙等領(lǐng)域。
用物理機(jī)械的方法制備納米纖維素方法通常有4種，高壓均質(zhì)化、微射流、超級(jí)研磨和冷凍粉碎。
納米纖維素作為一種蘊(yùn)含量豐富、環(huán)境友好、性能獨(dú)特的新型生物材料，越來越受到人們的關(guān)注。研究人員正在開展系統(tǒng)研究，也取得了許多成果。我們可以預(yù)見，納米纖維素在未來具有良好的發(fā)展前景。
國家戰(zhàn)略
進(jìn)行生物質(zhì)氣化液化和生物油生產(chǎn)研究
秸稈資源高值化利用列入“973計(jì)劃”
據(jù)華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任孫潤倉介紹，最近幾年立項(xiàng)的“973計(jì)劃”項(xiàng)目中的生物質(zhì)能源研究項(xiàng)目有兩個(gè)涉及秸稈資源，一個(gè)是中國科學(xué)院過程工程研究所的陳洪章研究員主持的“秸稈資源高值化利用關(guān)鍵過程的基礎(chǔ)研究”，主要研究生物乙醇生產(chǎn);還有一個(gè)是由中國科學(xué)院廣州能源研究所承擔(dān)的“草本能源植物培育及化學(xué)催化制備先進(jìn)液體燃料的基礎(chǔ)研究”，主要進(jìn)行生物質(zhì)氣化液化和生物油生產(chǎn)研究。
生物質(zhì)能源包括生物乙醇和生物油兩類。我國對(duì)生物油技術(shù)研究投入最多，進(jìn)度也最快。可能是因?yàn)槿鸬湓诋?dāng)?shù)刂圃焐镔|(zhì)能源設(shè)備加工費(fèi)比較高。所以，我國的能源研究所已經(jīng)把氣化設(shè)備賣到了瑞典。
問題
工藝不成熟，產(chǎn)品單一，造成生產(chǎn)成本高
一些生物乙醇企業(yè)生存艱難
華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任孫潤倉說，目前，國內(nèi)有很多生物乙醇生產(chǎn)企業(yè)，最大年產(chǎn)量為30萬噸。我看過3家企業(yè)。這3家企業(yè)如果只生產(chǎn)生物乙醇肯定沒有利潤。一是生物乙醇本身的經(jīng)濟(jì)效益不能與石油基產(chǎn)品媲美。二是預(yù)處理的技術(shù)路線存在問題。生產(chǎn)生物乙醇的關(guān)鍵問題在原料的前期預(yù)處理和酶的成本問題，也就是怎樣廉價(jià)、高效地破除細(xì)胞壁的抗降解屏障。現(xiàn)在國內(nèi)企業(yè)用的預(yù)處理技術(shù)都是國外普遍采用的技術(shù)，就是先采用蒸汽爆破法處理秸稈，然后再將蒸汽爆破的殘?jiān)M(jìn)行酶水解，通過發(fā)酵水解單糖生產(chǎn)乙醇。
孫潤倉認(rèn)為，蒸汽爆破工藝用木材生產(chǎn)生物乙醇這條路線今后可能行得通。但對(duì)于秸稈等非木材原料來說該工藝的生產(chǎn)成本太高。而采用低溫稀堿處理工藝就可以把3大組分分離出來。我們可以將分離出來的半纖維素和木質(zhì)素進(jìn)行深度開發(fā)，做成高附加值產(chǎn)品，從而達(dá)到生物質(zhì)精煉的目標(biāo)。另外，在生物質(zhì)煉制方面，如果單獨(dú)做生物乙醇而不注重下游高附加值產(chǎn)品的開發(fā)，很難突破成本瓶頸。我國雖然建了不少的生產(chǎn)規(guī)模為10萬噸/年、20萬噸/年示范工廠，但由于各種原因都已停產(chǎn)，等著國家的補(bǔ)貼。
2009年，安徽格義清潔能源技術(shù)有限公司想要投資2000萬元生產(chǎn)生物質(zhì)能源。當(dāng)時(shí)孫潤倉不贊成這種做法。因?yàn)樯a(chǎn)生物乙醇賺不到錢，并且都是自己貸款，風(fēng)險(xiǎn)太大。但是這家企業(yè)仍然建起了一個(gè)生產(chǎn)規(guī)模為3000噸/年的工廠，主要利用玉米秸稈生產(chǎn)生物乙醇。當(dāng)時(shí)，孫潤倉建議這家企業(yè)不光要用纖維素生產(chǎn)生物乙醇，還要綜合利用木質(zhì)素和半纖維素，只有這樣，企業(yè)才能獲得利潤。當(dāng)時(shí)他們覺得半纖維素和木質(zhì)素找不到出路，主要還是想用纖維素生產(chǎn)生物乙醇。此舉的目的是想做示范工程。后來南京林業(yè)大學(xué)的張齊生院士接了這個(gè)項(xiàng)目。到2012年底，安徽格義每年能處理1萬噸玉米秸稈，用于生產(chǎn)生物乙醇，并用分離法生產(chǎn)木質(zhì)素、半纖維素和纖維素，然后再高值化利用這些被分離出來的物質(zhì)。這樣企業(yè)才真正取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。
孫潤倉說，安徽豐原集團(tuán)有限公司采用酶處理和水解工藝，用半纖維素生產(chǎn)純度超過90%以上的阿拉伯糖，取得不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益。阿拉伯糖今年的銷路是最不好的，但每噸也賣到5萬元。而在2011年以前，阿拉伯糖每噸賣到25萬元。安徽豐原集團(tuán)還用木糖生產(chǎn)木糖醇、糠醛和低聚木糖。
孫潤倉建議企業(yè)用稀堿處理秸稈。因?yàn)樵摴に囕^成熟。該工藝完全可以把大部分木質(zhì)素、半纖維素除去，然后用纖維素生產(chǎn)生物乙醇。
中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的李里特教授的研究團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行半纖維素酶研究。他們成立了好幾個(gè)市場化的公司。他們在甘肅建了一個(gè)造紙廠。他們用半纖維素酶處理小麥秸稈，然后用剩下的木質(zhì)素和纖維素生產(chǎn)紙板。他們還用該工藝生產(chǎn)纖維素材料、溶解漿或者進(jìn)行造紙。
解決辦法
充分、綜合利用農(nóng)作物秸稈資源，提高經(jīng)濟(jì)效益
生物質(zhì)精煉與制漿造紙結(jié)合益處多
中國制漿造紙研究院高級(jí)工程師馮文英說，制漿造紙工業(yè)的綜合利用與生物質(zhì)精煉異曲同工。我們通過梳理行業(yè)內(nèi)綜合利用方面的成果，認(rèn)為還有許多值得研究的地方。中國制漿造紙研究院近兩年也開展了生物質(zhì)精煉方面的研究工作。我們反對(duì)把生物質(zhì)精煉和制漿造紙完全隔離開，而是要立足于造紙產(chǎn)品本身，著眼于現(xiàn)有的設(shè)備與現(xiàn)有工藝對(duì)接，在此基礎(chǔ)上再探討其它組分高值化利用的可行性。因此，中國制漿造紙研究院工作的出發(fā)點(diǎn)絕對(duì)不考慮犧牲紙漿、紙和紙板質(zhì)量的其它利用方式或手段。目前，研究院主要研究麥草和楊木的半纖維素預(yù)提取和用廢液生產(chǎn)微生物油脂。
將麥秸稈磨成絲可提高后續(xù)處理的效果，如提高化學(xué)品和酶的可及度等。我們主要用半纖維素酶來降解半纖維素，然后進(jìn)行制漿。通過這種工藝處理，紙漿質(zhì)量和黑液性能都不錯(cuò)。另外，我們還研究低堿預(yù)提取結(jié)合酸稀、酶解工藝制備低聚木糖。
所以總的來講，不管是生物質(zhì)精煉還是綜合利用，首先要做到經(jīng)濟(jì)可行，而且還要做到保護(hù)環(huán)境和生態(tài)平衡。這樣才能使造紙行業(yè)走得更遠(yuǎn)。
中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所副所長房桂干說，我國造紙工業(yè)植物纖維原料短缺。行業(yè)如果能夠低成本、低價(jià)格收集到農(nóng)作物秸稈，用于制漿造紙工業(yè)，并用備料剩余物生產(chǎn)生物質(zhì)精煉產(chǎn)品，可以同時(shí)降低制漿和生物質(zhì)精煉成本。行業(yè)應(yīng)該注重對(duì)制漿備料過程中篩選出來的不合格的或不適于制漿的有機(jī)生物質(zhì)預(yù)處理研究，然后實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)化和利用。
值得一提的是，酶解是一種高效可行的方法。工廠對(duì)堿法制漿產(chǎn)生的木質(zhì)素進(jìn)行磺化，可以生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品。
美國工業(yè)化纖維素燃料乙醇項(xiàng)目的原材料都是農(nóng)作物秸稈，而不是木材。所以基于這個(gè)情況，我們造紙工業(yè)可以用制漿備料剩余物和生產(chǎn)過程排放的有機(jī)廢棄物進(jìn)行生物質(zhì)精煉產(chǎn)品開發(fā)。
