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植物纖維化學研究-英特耐森

時間:2017-10-13 14:02??來源:IMT/英特耐森??作者:英特耐森小劉??點擊:

  植物纖維是地球大陸上重要的可再生資源,而造紙工業是人類大規模利用植物纖維的重要產業。以植物纖維為原料的制漿造紙過程,無論是采用哪一種工藝,其本質是用化學、機械或兼用化學及機械的方法將纖維從植物組織中分離出來,再在漿、水混合的懸浮體中使纖維重新交織成均勻而致密的紙張。植物纖維來源十分廣泛,不同植物中纖維的性質千差萬別,制漿方法的不同也使得紙漿纖維的化學和物理性質產生很大的差異,這些差異終反映在紙的物理強度、白度等性質上。我國由于缺乏木材資源,非木材原料始終是我國造紙原料的主要組成部分,而非木材原料來源比木材原料復雜得多,種類繁多的非木材原料造成我國造紙用纖維種類比其他國家復雜,制漿造紙工藝也較復雜,需要解決的問題也比較多,制漿造紙技術的進步對植物纖維化學研究成果的依存度比其他國家高。尤其在非木材纖維的研究方面,無論是研究課題的廣度、科研人員的數量還是取得的科研成果的數量,是世界上任何一個國家都無法比擬的,至今為止,國際上曾經召開過五屆非木材原料制漿造紙技術國際研討會,都是在我國召開,可見我國在該領域的國際地位??傊?,植物纖維化學的基礎研究的進展對我國造紙工業的技術進步始終產生著極為重要的影響,成為眾多技術革新的源泉,本文中分如下幾個方面進行闡述。

  1 植物纖維主成分的研究進展和發展方向

  纖維素、木素和半纖維素的組成和化學結構的研究是開發利用造紙原料的基礎,從上世紀五十年代至文革結束,以天津輕工業學院(含天津大學)、華南工學院、西北輕工業學院(含北京輕工業學院)、大連輕工業學院以及輕工部制漿造紙科學研究所等為主力,針對我國的造紙用植物纖維原料的特殊性,廣泛開展了纖維素、木素和半纖維素的組成、化學結構及其對制漿漂白過程的影響做了大量的工作,有力地推動了非木材和速生材的制漿造紙技術在我國的迅速發展。但限于我國當時落后的儀器設備,對木素、纖維素和半纖維的結構和反應機理沒有做很深入的研究,研究方法上也基本上是套用原蘇聯及其他發達國家的手段。

  文革結束后,我國造紙界派出了許多優秀學者去日本、北美和北歐留學,有一部分在上世紀八十年代回國,他們回國后在木素的化學結構以及脫木素反應方面做出了杰出貢獻,例如,留美學者馮建豪繪制出了第一張禾本科植物的木素結構圖。自上世紀九十年代以來,一大批造紙研究者從發達國家學成歸國,他們帶來了植物纖維化學領域頂級的理念和研究手段,使我國在木素的生物合成、化學結構、降解機理和綜合利用等方面的研究水平迅速趕上了發達國家的水平。在纖維素和半纖維素方面,有關它們的分離、結構和高值化利用等也取得高水平的科研成果。這些研究成果為解決造紙原料問題和環境保護問題發揮了重要的作用。由于木素、纖維素、半纖維素均屬于復雜高分子,對于他們的形成過程、化學結構、生物降解性能等研究還有大量的工作要做,例如,如何將木素和纖維素生物合成的研究與林木轉基因技術結合起來?用什么樣的手段深入研究木素和半纖維素的結構,尤其是木素-碳水化合物復合體(LCC)結構?如何通過生物/化學處理對紙漿纖維中的三大主成分進行衍生化處理,使成紙在物理和化學性能方面有大幅度的改善?如何通過對制漿漂白廢水中的難降解木素進行高級氧化,使廢水的深度處理有系統的理論基礎?

  2 植物纖維化學制漿漂白技術進步的原動力

  從建國初期到文革結束,我國的造紙工作者在實驗設備吸收原蘇聯、北歐和北美成熟技術的基礎上,根據當時我國造紙新原料(馬尾松、蘆葦、竹子和蔗渣等)的纖維化學特點,建立了合理的亞硫酸鹽法、硫酸鹽法以及燒堿-AQ法等實用的制漿技術,并自主開發出適合我國造紙原料H單段漂和CEH三段漂等技術,使得我國豐富的造紙原料得到了開發。隨著廣紙、岳紙、南紙等新型骨干企業的建立,大大降低了我國造紙原料對東北地區原始林的依賴。改革開放以后,我國的造紙工作者與日本、北美和北歐的同行開始了廣泛的交流和合作,仿照這些國家的研究方法,在深入研究我國造紙原料三大主要成分的組成和化學結構的基礎上,廣泛開展了制漿化學和漂白化學的研究,并深入研究了主要造紙原料的脫木素反應動力學,取得了大量具有國際先進水平的成果,例如,華南工學院陳嘉翔教授針對草類原料含有大量阿魏酸和對香豆酸的特點,提出了低溫快速蒸煮的技術。西北輕工業學院陳中豪教授針對稻麥草原料的化學組成,提出了一系列創新性漂白性技術,得到了廣泛的應用。從上世紀末開始,詹懷宇教授等許多研究者在深入研究木素氧化酶和碳水化合物水解酶對木素和碳水化合物的催化反應的基礎上,開發出了一系列基于酶處理的ECF和TCF漂白技術,已經被眾多造紙廠所采用,產生了良好的經濟效益和環境效益。

  由于木素結構的復雜性和難降解性,再加上人們對木素和碳水化合物之間的連接缺乏清晰的認識,制漿技術和無(少)污染漂白技術的進一步發展,在很大程度上依賴人們對三大主成分的結構的研究。隨著人們對脫木素反應的進一步了解,今后在如下領域中可望出現突破:(1)生物預處理的制漿技術,雖然傳統意義上的生物制漿由于處理時間長而很難被廣泛應用,然而,近幾年來生物預處理技術得到迅速發展,謝益民教授等采用在制漿前進行仿漆酶體系的預處理,發現可以顯著提高紙漿的質量、節約能源和化學藥品的消耗、提高紙漿得率。(2)生物輔助漂白技術,雖然在近十年來人們在漆酶-介體催化輔助漂白以及纖維素酶(或半纖維素酶)的預處理漂白方面取得了一些進展,但是,效果尚不太理想,大規模推廣應用尚有一定的難度。隨著人們對選擇性降解木素和LCC的酶的研究進展,酶輔助漂白的發展前景是非常廣闊的。

  3 植物纖維化學是發展林紙一體化的基礎

  由于我國森林覆蓋率遠低于發達國家,1949年建國的時候,我國的森林覆蓋率是8.6%,到2007年才發展到18.21%。但其中人工林保存面積達到5326萬公頃,居世界第一位。根據中國的實際和長遠規劃,我們的終目標就是到本世紀中葉要達到并穩定在26%以上。其中大量的林紙一體化項目將是迅速提高森林覆蓋率的主力軍??v觀解放后造紙工業的發展歷程,植物纖維化學的研究直接推動了適合我國的速生林木的大規模植樹造林,我國的造紙工作者在馬尾松、楊木、桉木等速生材的化學組成、脫木素歷程以及制漿造紙適應性方面的研究從來沒有停止過,為林業部門的人工造林提供了有力的指導,同時也保障了我國快速成長的造紙工業對木材的需求,尤其是馬尾松的大規模種植部分彌補了我國長纖維原料的不足。近十年來,我國相當多的企業設立了林紙一體化項目,相應的基礎研究也迅速開展起來,并得到國家大量科研經費支持??蒲兴揭舶l展到木素、纖維素的生物合成以及造紙植物的轉基因技術。

  今后造紙用速生材的開發主要依靠通過轉基因技術來達到木素含量低、纖維素含量高、纖維形態好、抗逆性強的目的。以植物纖維化學為基礎的發展領域主要有:(1)降低木素含量,在進一步闡明木素生物合成的化學途徑、酶學機制以及相關基因組的基礎上,一方面采用能抑制木素前驅物形成的反義cDNA,一方面導入能減少木素前驅物脫氫聚合的反義cDNA,從而開發出低木素含量的造紙用林木。(2)在進一步了解纖維素生物合成機理的基礎上,克隆促進纖維素合成的基因,提高轉基因植物的纖維素含量。

  4 制漿造紙廢水的深度處理需要植物纖維化學的理論指導

  自從上世紀八十年代末以來,造紙廠對環境保護日益重視,隨著廢水排放標準的日益提高,廢水處理已經成為我國造紙企業的生命線。我國造紙工業廢水基本上參照了其他化工廢水的常規處理方法,即一級物化處理加上一級生化處理,由于木素(尤其是氯化木素)、結晶纖維素以及部分抽出物成分較難降解,依照目前的二級處理技術很難使制漿中段廢水和漂白廢水完全達標排放,需要通過三級處理來進一步降低CODCr。雖然許多大型企業開始研發或啟動三級處理,所采用的技術大多是使用傳統的物化和生化法,尚缺乏一套對木素和結晶纖維素等物質能選擇性高效降解(或絮凝)的理論體系來指導深度處理技術的發展。如果能夠從植物纖維化學的角度建立這方面的理論體系,能大大加快制漿造紙深度處理技術的開發。

  總之,雖然植物纖維化學是制漿造紙科學與技術領域中很基礎的部分,核心為纖維素、半纖維素和木素等組分的含量、生物學來源、化學結構及反應機理,但是,該學科是許多工藝技術的源頭,涉及到造紙原料的開發、制漿和漂白技術的發展以及造紙廠廢水深度處理等問題。建國以來,我國大量的造紙工作者為該學科的發展做出了貢獻,為發展具有中國特色的造紙工業體系奠定了基礎。要使我國造紙工業走上可持續發展的道路,依然有很多問題需要去解決,植物纖維化學的研究是造紙工業技術創新的重要原動力。在人力、物力和財力上繼續加大對植物纖維化學研究的支持,能在很大程度上帶動我國造紙工業的持續、健康的發展。



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