[发明专利]一种预抽提蔗渣易溶半纤维素的制浆方法及其产品

说明书

技术领域

本发明属于生物质精炼和制浆造纸科学领域，具体涉及一种预抽提蔗渣易溶半纤维素的制浆方法及其产品。

背景技术

蔗渣是糖厂的副产品，以前大部分糖厂都将蔗渣作为燃料直接烧掉，后来人们发现蔗渣含有丰富的纤维，是优质的造纸原料，于是人们纷纷利用蔗渣制浆造纸。据统计，每生产1吨蔗糖将产生0.6吨绝干除髓蔗渣。2011/2012年榨季，我国蔗糖的产量为1050万吨，可提供630万吨绝干除髓蔗渣，但仅有50％的蔗渣用于造纸，其它大部分蔗渣还是被作为燃料烧掉。

国外主要利用木材制浆造纸，中国是一个森林缺乏的国家，造纸行业每年从国外进口大量的木片和木浆，随着地球温室效应的越来越严重，全球性的自然灾害也越来越多，因此世界范围内保护森林的呼声也越来越高，利用非木材原料制浆造纸对于保护地球，减少温室效应具有非常积极的意义。

蔗渣的主要化学组成是纤维素、半纤维素和木质素，还含有少量的有机抽出物和无机物。纤维素是由葡萄糖单元通过1-4β苷键连接的线性高分子化合物，蔗渣纤维素含量在45％左右，其聚合度因外皮纤维和内部纤维而不同，外皮纤维聚合度超过一般阔叶木(如桉木)，但低于针叶木；内皮纤维聚合度和麦草相近。半纤维素是带有支链的不均一聚糖，蔗渣半纤维素主链主要是木糖单元通过1-4β苷键连接，支链含有乙酰基、4-O-甲基葡萄糖醛酸基和阿拉伯糖基，半纤维素不含结晶区，其聚合度在50～300之间，聚合度较低的半纤维素能溶解在浓度高的碱溶液中，支链很容易断裂并消耗蒸煮用碱。半纤维素主要分布在纤维细胞壁上，一般和木质素通过化学键连接。蔗渣的半纤维素含量在25～30％。木质素是一种三维网状结构的物质，其主要的组成单元是苯丙烷结构单元，木素主要分布在纤维细胞之间，将纤维紧紧地粘在一起，纤维细胞壁特别是初生壁还含有木质素，蔗渣木质素含量在20％左右。

蔗渣传统的碱法制浆是采用氢氧化钠或氢氧化钠和硫化钠在添加或不加蒽醌的条件下与蔗渣在高温高压下进行反应，蔗渣中的木质素在碱性条件下，碎解成能溶解在碱溶液中的小分子木素，破坏了纤维细胞的胞间层，从而使紧密相连的纤维分离成单根纤维成为纸浆，而木素则溶解在蒸煮黑液中。蒸煮后的蔗渣通过分离黑液得到纸浆，黑液再经过蒸发浓缩送碱回收炉燃烧，有机物转化成热能发电，无机物生成碳酸钠，碳酸钠再经过苛化生成氢氧化钠，重新回到蒸煮阶段。

在蒸煮初期，相当量的半纤维素会溶解在碱性蒸煮液中，在达到最高蒸煮温度之前，黑液中半纤维素的浓度达到最大，随后，半纤维素在高温下发生降解，生成异变糖酸，消耗蒸煮用碱。少量纤维素会在高温碱性条件下，发生剥皮反应，将纤维素末端醛基逐个剥离下来，导致纤维素的降解，同时在高温碱性条件下，纤维素还会发生碱性水解，也会导致纤维素的聚合度降低，当纤维素聚合度很低时，纤维素也可以溶解在黑液中，和溶解的半纤维素一样，溶解的纤维素在高温下，会进一步降解成为异变糖酸，消耗蒸煮用碱。

如上所述，半纤维素溶解在黑液中会增加碱的消耗，另外黑液中的半纤维素会增加黑液的粘度，增加洗浆的负荷和用水量，黑液粘度增加不利于黑液的蒸发，容易导致蒸发器结垢，影响蒸发效率。由于半纤维素属于碳水化合物，其燃烧热值只有木素的一半，黑液中半纤维素含量高，会降低碱回收炉的热效率和生产能力。蔗渣含有丰富的半纤维素，其半纤维素组成主要是聚木糖。聚木糖可以水解成木糖，木糖经过发酵或其它化学处理可以制备乙醇、丁醇、1,2,4-丁三醇、乳酸、糠醛、木糖醇等生物燃料和化学品，其中乙醇、丁醇可以替代部分汽车燃油，1,2,4-丁三醇可以用作火箭的固体推进剂，乳酸和糠醛是重要的基础化工原料，乳酸聚合后的聚乳酸(PLA)可以代替塑料，有广泛的应用前景，木糖醇可以作为糖尿病人的替代糖。半纤维素还能直接以聚合物形态用作纸浆添加剂、制备水凝胶或热塑性的木聚糖衍生物等用途。基于以上原因，国内外很多科研工作者就提出在制浆前预抽提半纤维素的想法。

美国专利申请US20110214826A1提出从木质纤维原料中预抽提半纤维素然后再制浆的方法，该方法分3个步骤，首先是预抽提木质纤维原料中的半纤维素，要求预抽提的水溶液必须含有能够部分中和从木质纤维原料中释放的酸性物质，以便在预抽提结束时抽提液pH在4.5～11的范围；第二步是抽提后的原料再经过制浆，使木质纤维原料分离成纸浆；最后一步是将抽提的半纤维素重新吸附到第二步的纸浆中。由于该方法是采用木片为原料，需要较高的温度，半纤维素在抽提的同时，还伴随着大量木素的溶出，对半纤维素的分离和应用都产生不良影响，另外最后的半纤维素吸附过程效率较低，大量半纤维素还是进入到黑液系统，没有得到高值化利用。