侯慶喜，馬 靜，劉 葦，汪 洋，李 楊，劉莉暉，張金平（天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)造紙學(xué)院，天津 300457）

生物質(zhì)預(yù)處理對(duì)半纖維素提取及后續(xù)CTMP制漿的影響

侯慶喜，馬 靜，劉 葦，汪 洋，李 楊，劉莉暉，張金平
（天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)造紙學(xué)院，天津 300457）

在化學(xué)熱磨機(jī)械漿（CTMP）制漿前對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理，旨在保證漿料質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源的充分和高效利用.采用自水解、酸法、堿法不同預(yù)處理方式對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)改變預(yù)處理強(qiáng)度因子（溫度和時(shí)間的綜合變量），考察預(yù)抽提效果及CTMP成漿質(zhì)量.研究結(jié)果表明：隨著預(yù)處理?xiàng)l件的不斷增強(qiáng)，水解木片得率降低，半纖維素溶出量增加，水解后木片中綜纖維素、聚戊糖和酸溶木素的含量明顯下降，生物酶對(duì)麥草葡萄糖的轉(zhuǎn)化率提高.相比未經(jīng)過(guò)預(yù)處理的原料，預(yù)處理后的原料在制漿過(guò)程中壓力磨漿能耗和PFI打漿能耗分別降低，同時(shí)漿張抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)均提高.

水解；預(yù)處理；CTMP；半纖維素

化石能源短缺的現(xiàn)狀及化石燃料使用所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題使開發(fā)環(huán)境友好的可再生能源成為當(dāng)前能源領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一.生物質(zhì)以其儲(chǔ)量豐富、廉價(jià)易得、可再生、環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)成為理想的可再生能源［1-2］.“生物質(zhì)精煉”的概念來(lái)源于石油精煉，是指將木質(zhì)植物纖維加工分離成為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，分別進(jìn)行高效和高值化利用，主要用于生產(chǎn)清潔能源、高附加值化學(xué)品、生物質(zhì)復(fù)合材料等［3-5］.然而，如何高效水解纖維類復(fù)雜多糖仍制約著木質(zhì)纖維素生物質(zhì)精煉的發(fā)展［6-10］.

在傳統(tǒng)制漿前對(duì)植物纖維原料進(jìn)行預(yù)處理以提取其中的半纖維素，是植物纖維原料進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化的第一步［11-12］，也是目前制漿造紙工業(yè)與生物質(zhì)精煉相結(jié)合的方式之一.生物質(zhì)原料經(jīng)過(guò)預(yù)處理后主要分為兩大部分：預(yù)處理液和預(yù)抽提后生物質(zhì).其中，預(yù)處理液經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理可以使其中的半纖維素得到高值化轉(zhuǎn)化和利用，而預(yù)抽提后的生物質(zhì)可繼續(xù)用于制漿造紙，從而使生物質(zhì)資源得到高效利用.不同的預(yù)處理方法對(duì)纖維素、半纖維素和木素結(jié)構(gòu)造成的影響不同.目前，生物質(zhì)的預(yù)處理方法主要有機(jī)械法、酸法、堿法、有機(jī)溶劑法、生物法、離子液體全溶體系和熱水抽提法（也稱為自水解或水預(yù)水解）［11，13］.

化學(xué)熱磨機(jī)械漿（CTMP）作為高得率漿之一，是由機(jī)械法制漿技術(shù)發(fā)展而來(lái)，通過(guò)在熱磨機(jī)械漿（TMP）生產(chǎn)系統(tǒng)中增加一個(gè)化學(xué)預(yù)處理段，然后按照TMP的方式進(jìn)行生產(chǎn)的一種化學(xué)機(jī)械法制漿技術(shù).CTMP制漿流程主要有以下幾個(gè)步驟：木片—洗滌—汽蒸—擠壓—化學(xué)預(yù)浸漬—預(yù)熱—磨漿［14-15］.與熱磨機(jī)械漿相比，CTMP的纖維束較少、長(zhǎng)纖維組分較多，而且漿料的撕裂強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度均得到了明顯的改善；CTMP的可漂性比較好，漂白漿的白度較高；CTMP的制漿環(huán)境為堿性，這有利于磨漿時(shí)樹脂組分的分離，而且這些組分可以通過(guò)后續(xù)的洗滌進(jìn)行脫除.因此，將CTMP制漿技術(shù)與生物質(zhì)精煉相結(jié)合，可為制漿造紙工業(yè)提供新的活力.

本文以楊木木片為原料，采用自水解預(yù)處理方式，通過(guò)改變預(yù)處理強(qiáng)度，在CTMP制漿前對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理，研究不同的水解強(qiáng)度對(duì)水解液化學(xué)組分和水解后木片化學(xué)組分的影響.其次，對(duì)不同強(qiáng)度預(yù)處理后的木片進(jìn)行CTMP制漿，測(cè)定制漿過(guò)程中壓力磨漿能耗和漿料性能，以及漿料PFI打漿能耗和PFI打漿后漿料的纖維特性、漿張物理性能.以麥草為原料，分別采用酸法和堿法的方式對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理，考察預(yù)處理對(duì)生物酶促進(jìn)麥草水解后葡萄糖轉(zhuǎn)化率的影響.

1 材料與方法

1.1 原料與設(shè)備

楊木木片、麥草，取自山東某造紙企業(yè)；無(wú)水乙醇、95%，乙醇、濃硫酸，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鈉，分析純，天津市化學(xué)試劑一廠；過(guò)氧化氫，分析純，天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠；葡萄糖、木糖、乙酸、糠醛，色譜純，美國(guó)Sigma公司；超純水，實(shí)驗(yàn)室自制.

M/K蒸煮鍋，美國(guó)M/K Systems 公司；JS30 型螺旋擠壓疏解機(jī)，安丘文瑞機(jī)械制造有限公司；733型DF熱磨機(jī)，瑞典Vrena Mek 公司；2500-II 型高濃磨漿機(jī)，日本Kumagal Riki Kogyo 公司；P40110.E000 型PFI打漿機(jī)，澳大利亞Paper Testing Instruments GMBH 公司；TGL-20MS 型高速冷凍離心機(jī)，上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司；1200，Series高效液相色譜分析儀，美國(guó)Agilent Technologies 公司；UV-1600 型紫外分光光度測(cè)定儀，北京瑞利分析儀器有限公司；SBA-40C 型生物傳感分析儀，山東省科學(xué)院生物研究所；7407S 型標(biāo)準(zhǔn)紙頁(yè)成型器，英國(guó)Mavis Engineering 公司；912型纖維形態(tài)分析儀、SE 051 型標(biāo)準(zhǔn)厚度儀、SE 062 型紙張抗張強(qiáng)度測(cè)定儀、SEO 09型紙張撕裂度測(cè)定儀，瑞典Lorentzen & Wettre 公司.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 預(yù)汽蒸和螺旋擠壓

將洗凈后的楊木木片或麥草放在水桶中，加入90，℃左右的熱水，浸泡60，min，然后在螺旋擠壓機(jī)中進(jìn)行擠壓疏解，壓縮比為4∶1，最后將螺旋擠壓過(guò)后的原料放在通風(fēng)的地方，風(fēng)干（干度90%，左右）.

1.2.2 預(yù)處理

稱取絕干質(zhì)量為200，g擠壓后的木片，設(shè)定液比為1∶4，通過(guò)改變水解預(yù)處理最高溫度和時(shí)間得到不同強(qiáng)度的自水解條件.自水解預(yù)處理結(jié)束后，打開冷卻水閥，水解液經(jīng)熱交換器冷卻后排出并被收集，待其冷卻至25，℃，測(cè)量并記錄pH，用去離子水將水解后的木片洗滌至中性.原料中碳水化合物和木素含量測(cè)定參見NREL/TP-510-42618［16］.

稱取絕干質(zhì)量為50，g擠壓后的麥草，設(shè)定液比為1∶10，分別加入H2SO4、NaOH 兩種試劑在空氣浴蒸煮器中對(duì)麥草進(jìn)行預(yù)處理（預(yù)處理?xiàng)l件見2.4節(jié)）.蒸煮完畢后從蒸煮器中取出小罐，迅速放入冷水中冷卻，終止反應(yīng).

1.2.3 預(yù)浸漬、磨漿、消潛和篩選

將水解后的木片在擠壓疏解機(jī)中進(jìn)行二段擠壓，壓縮比為4∶1，所得木片風(fēng)干后裝入密封袋平衡水分.取220，g（以絕干計(jì)）二段擠壓后的水解木片（對(duì)照樣是取等量的一段擠壓后木片），裝入自封袋中，然后加入化學(xué)藥品在水浴鍋中反應(yīng).預(yù)浸漬的條件如下：木片（或木絲）濃度25%，NaOH用量為3.5%，H2O2用量為2%，（用量均以絕干木片計(jì)），溫度80，℃，處理25，min.采用DF熱磨機(jī)在一定蒸汽壓力下對(duì)擠壓后木片磨漿：通汽預(yù)熱時(shí)間3，min，磨漿濃度25%，，磨漿壓力0.3，MPa，熱磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間3，min.采用KRK高濃盤磨機(jī)在常壓下再對(duì)壓力磨后的漿料磨漿一次.常壓磨漿條件如下：漿濃15%，磨盤間隙0.80，mm.漿料消潛條件：漿濃4%，，水溫95，℃，時(shí)間40，min.對(duì)消潛后的漿料采用方型篩漿機(jī)（縫寬0.15，mm）進(jìn)行篩選，在布袋中離心脫水至漿濃約30%，.

麥草預(yù)浸漬的條件如下：麥草濃度20%，NaOH用量為3%，Na2SO3用量為4%，（用量均以絕干麥草計(jì)），溫度80，℃，處理30，min.麥草的磨漿、消潛和篩選條件均同楊木木片.

1.2.4 PFI打漿和抄片

取30，g（以絕干計(jì)）漿料，采用PFI打漿機(jī)打漿，打漿濃度10%，最終游離度為245，mL.采用標(biāo)準(zhǔn)紙頁(yè)成型器按照ISO 5269（2005）標(biāo)準(zhǔn)方法抄造定量為60，g/m2的手抄片，在風(fēng)干器中自然干燥.手抄片在標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕條件下放置4，h后進(jìn)行物理性能檢測(cè)［17］.

1.2.5 酶水解

取1，g底物（以絕干計(jì)）置于250，mL的三角瓶中，然后向三角瓶中加入25，mL乙酸鈉緩沖溶液，在底物濃度為2.0%、葡聚糖酶添加量為32，U/g（相對(duì)于底物）、纖維二糖酶添加量為64，U/g（相對(duì)于底物）、pH 4.5、55，℃、160，r/min的條件下進(jìn)行處理.每隔一段時(shí)間取0.5，mL試樣置于離心管中，將試樣煮沸5，min使其失活，采用生物傳感儀測(cè)定試樣中葡萄糖含量，計(jì)算生物酶對(duì)麥草葡萄糖的轉(zhuǎn)化率［18］.

2 結(jié)果與討論

2.1 影響自水解的因素

木質(zhì)纖維原料的預(yù)處理主要是破壞纖維素、木質(zhì)素和半纖維素的連接，降低纖維素的結(jié)晶度，提高水解效率和原料的利用率［19-20］.在預(yù)處理過(guò)程中，碳水化合物和木質(zhì)素之間的結(jié)合鍵發(fā)生斷裂，使得木質(zhì)素在后續(xù)堿溶液或有機(jī)溶劑中的溶解度增加，從而促進(jìn)蒸煮和漂白過(guò)程中木素的去除［19，21］；部分半纖維素溶出和降解，促使木質(zhì)素與半纖維素形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)遭到破壞，同時(shí)，纖維素內(nèi)部氫鍵發(fā)生斷裂，多種糖苷鍵變化，導(dǎo)致纖維素結(jié)晶度降低，原料的孔隙率提高，從而降低纖維素高度規(guī)則的結(jié)晶結(jié)構(gòu)對(duì)纖維素酶的阻礙作用［22-23］.

以楊木為研究對(duì)象，考察自水解預(yù)處理時(shí)的保溫時(shí)間、保溫溫度、液比、木片尺寸對(duì)自水解預(yù)抽提效果的影響.結(jié)果表明：對(duì)自水解預(yù)處理過(guò)程影響程度由大到小的因素依次為：保溫溫度、保溫時(shí)間、原料尺寸、液比.由于原料尺寸和液比對(duì)預(yù)處理效果影響很小，因此以下實(shí)驗(yàn)建立在強(qiáng)度因子（溫度和時(shí)間的綜合變量）概念下進(jìn)行相關(guān)討論.強(qiáng)度因子（lg，R0）首先由Overend等［24］提出，R0計(jì)算公式為

式中：T為水解溫度，℃；t為保溫時(shí)間，min.

自水解條件對(duì)水解液pH和水解木片得率的影響見表1.由表1可知：隨著保溫溫度的提高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，自水解后的水解木片得率降低，水解液（AHL）的pH 降低.

表1 自水解條件對(duì)水解液pH和水解木片得率的影響Tab. 1Effects of autohydrolysis on the pH of the AHL and the hydrolyzed chips yield

2.2 預(yù)處理對(duì)AHL和水解后木片中主要化學(xué)組分的影響

在自水解預(yù)處理過(guò)程中，木質(zhì)纖維的主要組分在熱水的作用下發(fā)生選擇性地分離，其中，半纖維素降解產(chǎn)物及酸溶木素主要存在于水解液中，而纖維素、木素以及剩余半纖維素主要存在于水解木片中.楊木自水解對(duì)AHL化學(xué)組分溶出量的影響如圖1所示. 由圖1可知：當(dāng)自水解強(qiáng)度較低時(shí)，各組分的溶出量增加不明顯，當(dāng)強(qiáng)度因子從2.65增加到3.54時(shí)，水解液中總木糖（包括木糖和低聚木糖）溶出量增加明顯，并成為溶解半纖維素和不揮發(fā)組分的主要貢獻(xiàn)者.在較高的自水解強(qiáng)度下，楊木AHL中溶出物質(zhì)主要來(lái)源于半纖維素.這是由于熱水預(yù)抽提破壞了半纖維素上的乙酰基、糠醛酸取代物，生成了乙酸等有機(jī)酸.乙酸等有機(jī)酸的形成有助于破壞纖維原料細(xì)胞壁上半纖維素和木質(zhì)素之間的醚鍵連接［25］，對(duì)低聚糖的形成和溶出起到了催化作用.隨著水解反應(yīng)的不斷進(jìn)行，所產(chǎn)生的有機(jī)酸可使反應(yīng)體系的pH降到4左右，從而引起半纖維素進(jìn)一步的水解和降解，最終從纖維原料中分離出來(lái).

圖1 楊木自水解對(duì)AHL化學(xué)組分溶出量的影響Fig. 1 Effect of autohydrolysis on the dissolution amount of the chemical components of poplar chips in the AHL

綜纖維素和酸不溶物是水解后木片中的主要組分，而酸溶木素和抽出物含量相對(duì)較少.隨強(qiáng)度因子的增加，水解后木片中的綜纖維素、聚戊糖和酸溶木素含量呈下降的趨勢(shì)（表2）.

表2 楊木自水解后木片的化學(xué)組分（相對(duì)于絕干原料計(jì)）Tab. 2 Chemical composition of the autohydrolyzed poplar chips（based on the oven-dry weight of the original wood）

2.3 預(yù)處理對(duì)楊木CTMP制漿能耗的影響

自水解對(duì)楊木CTMP磨漿能耗的影響如圖2所示.由圖2可知：當(dāng)自水解強(qiáng)度因子從2.07增加到3.07時(shí)，壓力磨漿能耗從1.70，kW·h/kg降低到1.32，kW·h/kg，相對(duì)于對(duì)照樣（1.82，kW·h/kg），降低幅度從7%，增加到27%，強(qiáng)度因子繼續(xù)增加對(duì)壓力磨漿能耗影響不大.為研究自水解預(yù)處理對(duì)漿張物理性能的影響，采用PFI磨對(duì)所得CTMP漿料進(jìn)行打漿，控制漿料最終游離度約為245，mL.當(dāng)自水解強(qiáng)度因子從2.07增加到3.47時(shí)，PFI打漿能耗從3.13，kW·h/kg降低到1.33，kW·h/kg，相對(duì)于對(duì)照樣（3.33，kW·h/kg），降低幅度從6%，增加到60%，.由于自水解預(yù)處理作用過(guò)程中半纖維素的脫除，使得堿與半纖維素和木素作用更加充分，進(jìn)一步增大了纖維的柔軟性，降低了壓力磨漿能耗.木材柔軟性增加，使得纖維P層和S1層更容易破除，纖維潤(rùn)脹程度加大，經(jīng)PFI磨至相同游離度所需的PFI打漿轉(zhuǎn)數(shù)減少，PFI打漿能耗大幅降低.

圖2 自水解對(duì)楊木CTMP磨漿能耗的影響Fig. 2Effect of autohydrolysis on refining energy consumption of the following poplar CTMP

dos Santos Muguet等［26］研究桉木TMP制漿前自水解預(yù)處理，結(jié)果表明：與空白樣相比，120，℃下處理23，h和96，h會(huì)得到較高的表面木素含量.這說(shuō)明自水解處理使得纖維分離點(diǎn)向胞間層轉(zhuǎn)移，其纖維分離機(jī)制和亞硫酸鹽預(yù)處理CTMP工藝及堿性過(guò)氧化氫預(yù)處理APMP工藝是相似的.木片經(jīng)23，h和96，h自水解預(yù)處理后，壓力磨漿5，min，與對(duì)照樣相比，漿料磨漿能耗分別降低47%，和73%，經(jīng)23，h預(yù)處理后漿料強(qiáng)度和對(duì)照樣相似，而經(jīng)96，h預(yù)處理后漿料強(qiáng)度明顯下降.

2.4 預(yù)處理對(duì)生物酶促進(jìn)麥草水解后葡萄糖轉(zhuǎn)化率的影響

隨著預(yù)處理強(qiáng)度增大，麥草中相對(duì)較多的半纖維素溶出，增大了酶與纖維的可及性，且預(yù)處理后溶出相對(duì)較多的木素，減少了酶與木素的無(wú)效吸附，提高了酶水解效率.

以麥草為研究對(duì)象，用H2SO4和NaOH 兩種試劑分別對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理.預(yù)處理?xiàng)l件如下：（1）1.5%，H2SO4（相對(duì)于絕干原料），150，℃，50，min；（2）10%，NaOH（相對(duì)于絕干原料），150，℃，50，min.預(yù)處理對(duì)麥草葡萄糖轉(zhuǎn)化率的影響如圖3所示.由圖3可知：不同預(yù)處理?xiàng)l件下底物的葡萄糖轉(zhuǎn)化率不同，隨生物酶水解時(shí)間的延長(zhǎng)，葡萄糖轉(zhuǎn)化率逐漸增加.預(yù)處理能夠去除麥草中大部分的木素和半纖維素，經(jīng)過(guò)預(yù)處理的底物相比對(duì)照樣，酶水解效果好；并且隨著酶水解時(shí)間的延長(zhǎng)，葡萄糖的轉(zhuǎn)化率接近100%，.對(duì)比酸法、堿法兩種不同的預(yù)處理方式可知，原料經(jīng)堿處理比酸處理更能在較短的時(shí)間使酶對(duì)葡萄糖達(dá)到較高的轉(zhuǎn)化率.

圖3 預(yù)處理對(duì)麥草葡萄糖轉(zhuǎn)化率的影響Fig. 3 Effect of acid hydrolysison glucose convertion of wheat straw

本實(shí)驗(yàn)結(jié)論與Silverstei等［27］研究結(jié)果一致，因?yàn)轭A(yù)處理會(huì)改變纖維的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致部分半纖維素溶出，從而使更多的纖維素暴露出來(lái)，生物酶與纖維素的接觸點(diǎn)增加，酶水解效率提高.在酶水解開始時(shí)，由于對(duì)照樣中大量的酶分子吸附在纖維表面或非結(jié)晶區(qū)，纖維內(nèi)部區(qū)域暴露，因此葡萄糖轉(zhuǎn)化率有所增長(zhǎng).而麥草經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，底物纖維素結(jié)晶度增加，所以葡萄糖轉(zhuǎn)化率增長(zhǎng)迅速，之后由于反應(yīng)基團(tuán)的減少和酶活性的減弱，葡萄糖轉(zhuǎn)化率的增長(zhǎng)趨勢(shì)迅速變緩.

2.5 楊木自水解對(duì)漿張強(qiáng)度性能的影響

抗張指數(shù)主要由纖維結(jié)合強(qiáng)度和纖維長(zhǎng)度以及自身強(qiáng)度決定，而纖維結(jié)合強(qiáng)度是主要影響因素.楊木自水解對(duì)PFI打漿后漿張強(qiáng)度性能的影響如圖4所示.由圖4可知：隨自水解強(qiáng)度增加，漿張抗張指數(shù)呈上升趨勢(shì).當(dāng)自水解強(qiáng)度因子從2.07增加到3.47時(shí)，漿張的抗張指數(shù)從13.9，N·m/g增加到19.5，N·m/g，相對(duì)于對(duì)照樣（13.5，N·m/g），增幅從3%，增加到44%，.這是因?yàn)殡S著自水解強(qiáng)度增強(qiáng)，細(xì)小纖維含量增加，能夠游離出更多的羥基，有利于纖維間的氫鍵結(jié)合，使纖維間的結(jié)合力增強(qiáng).

影響撕裂度的重要因素是纖維平均長(zhǎng)度.由圖4可知：隨自水解強(qiáng)度的增加，漿張撕裂指數(shù)先降低后增大，當(dāng)自水解強(qiáng)度因子為2.65時(shí)，出現(xiàn)最低值1.26，mN·m2/g，相對(duì)于對(duì)照樣（1.63，mN·m2/g）降低了23%；當(dāng)強(qiáng)度因子為3.47時(shí)，出現(xiàn)最大值2.38 mN·m2/g，相對(duì)于對(duì)照樣增加了46%，.這是因?yàn)樵谳^低的自水解強(qiáng)度下，磨至相同游離度所需的PFI打漿轉(zhuǎn)數(shù)相近，隨著強(qiáng)度因子的提高，木片的軟化程度增加，相同PFI轉(zhuǎn)數(shù)下對(duì)纖維的機(jī)械破壞作用增加，纖維平均長(zhǎng)度減小，細(xì)小纖維含量增加；當(dāng)自水解強(qiáng)度大于2.65時(shí)，由于漿料潤(rùn)脹程度增加，達(dá)到相同游離度所需的PFI打漿轉(zhuǎn)數(shù)明顯減少，PFI打漿對(duì)纖維的機(jī)械破壞作用較大程度降低，使得纖維平均長(zhǎng)度相對(duì)增大，細(xì)小纖維含量減少.

圖4 楊木自水解對(duì)PFI打漿后漿張強(qiáng)度性能的影響Fig. 4Effect of poplar autohydrolysis on the strength properties after PFI refining

纖維長(zhǎng)度的下降，細(xì)小纖維增多，這在一定范圍內(nèi)有利于強(qiáng)度的提高.但若對(duì)纖維的切斷作用過(guò)于嚴(yán)重，纖維長(zhǎng)度下降得過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致纖維自身強(qiáng)度下降，對(duì)漿的強(qiáng)度不利.有研究［28-29］表明熱水預(yù)處理麥草化機(jī)漿可以有效改善麥草化機(jī)漿的抗張指數(shù)和撕裂度，降低堿用量.由于經(jīng)過(guò)熱水預(yù)處理，木質(zhì)纖維原料中大量水溶性物質(zhì)和低分子糖類被去除，在化機(jī)漿的堿預(yù)浸漬段，NaOH可更有效地作用于木素類物質(zhì)，使得堿浸漬作用增強(qiáng).

2.6 預(yù)處理對(duì)楊木CTMP漿張光學(xué)性能的影響

楊木自水解對(duì)PFI打漿后漿張光學(xué)性能的影響如圖5所示.由圖5可知：當(dāng)強(qiáng)度因子為2.37時(shí)，漿張ISO白度為58.6%，相對(duì)于對(duì)照樣（63.3%，）漿張ISO白度降低了4.7%，.當(dāng)強(qiáng)度因子較高時(shí)，漿張白度明顯降低，當(dāng)強(qiáng)度因子為3.47時(shí)，紙漿的ISO白度達(dá)到最低值23.1%，.自水解溫度是影響漿張白度的主要因素.隨著自水解強(qiáng)度增加，漿張不透明度呈上升趨勢(shì).當(dāng)強(qiáng)度因子為3.47時(shí)，漿張不透明度為99.5%，相對(duì)于對(duì)照樣（90.6%，）增加了8.9%，.

Houtman等［30］對(duì)楊木TMP制漿前自水解預(yù)處理的研究結(jié)果也表明，隨著處理強(qiáng)度增大，漿料白度降低.水解溫度為135，℃，經(jīng)10，min和120，min預(yù)處理后，所得漿料ISO白度分別為53.6%，和38.4%，.這是由于自水解過(guò)程中酸性物質(zhì)的溶出降低了水解液pH，在酸性條件和高溫條件下會(huì)造成木素發(fā)生縮合反應(yīng)，而縮合后的木素難以溶出，因此增加了水解后木片中木素發(fā)色基團(tuán)的含量，降低了紙漿的白度.而漿片的不透明度與光吸收有關(guān)，由于水解強(qiáng)度的增強(qiáng)，紙漿發(fā)色基團(tuán)數(shù)量增加，紙漿吸光量明顯增大，不透明度隨之增加.

圖5 楊木自水解對(duì)PFI打漿后漿張光學(xué)性能的影響Fig. 5 Effect of poplar autohydrolysis on the optical properties after PFI refining

3 結(jié) 論

預(yù)處理技術(shù)是生物質(zhì)高值化利用的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過(guò)檢測(cè)預(yù)抽提效果及后續(xù)CTMP成漿質(zhì)量，可知楊木木片經(jīng)過(guò)預(yù)處理，并且隨著強(qiáng)度因子從1.76增加到3.54，水解木片得率從98.96%，降低到86.65%，半纖維素溶出量增加.制漿過(guò)程中壓力磨漿能耗和PFI打漿能耗均降低.漿料經(jīng)PFI打漿至相同游離度，與對(duì)照樣相比，隨著預(yù)處理強(qiáng)度增大，漿張抗張指數(shù)增加，撕裂指數(shù)先降低后增加，漿張白度降低，不透明度增加.此外，麥草經(jīng)堿法預(yù)處理比酸法預(yù)處理更能提高生物酶的酶水解效率，亦即在短時(shí)間內(nèi)可較高程度地實(shí)現(xiàn)麥草水解底物向葡萄糖的轉(zhuǎn)化.

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責(zé)任編輯：周建軍

Effects of Biomass Pretreatment on the Extraction of Hemicelluloses and the Pulp Quality of the Subsequent CTMP

HOU Qingxi，MA Jing，LIU Wei，WANG Yang，LI Yang，LIU Lihui，ZHANG Jinping
（Tianjin Key Laboratory of Pulp and Paper，College of Papermaking Science and Technology，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China）

Pretreatment of the raw material before CTMP（Chemi-thermomechanical Pulp）pulping was performed，in order to make full use of biomass resources and produce value-added products，without lowering the pulp quality.Different preextraction methods，such as autohydrolysis，acid and alkali pre-extractions，were used for the pretreatment to study the effects of pre-extraction with various severities on the pulp quality of the following CTMP（i.e.，the comprehensive variablesof the pretreatment temperature and time）.The results showed that，as the condition aggravated continually，the yield of the hydrolyzed chips decreased and the amount of the dissolved hemicelluloses increased.The contents of holocellulose，pentosan and acid soluble lignin in the hydrolyzed chips decreased dramatically with the increase of the pretreatment severity.The pretreatment shortened the enzymatic hydrolysis time and improved the conversion of glucose of wheat straw.Compared with the original wood chips，the hydrolyzed chips had not only a lower pressurized refining energy consumption but also a higher energy saving in PFI refining.In addition，the CTMP made of hydrolyzed chips had a higher tensile index and an enhanced tear index.

hydrolysis；pretreatment；CTMP；hemicelluloses

TS743+.9

A

1672-6510（2016）03-0036-07

10.13364/j.issn.1672-6510.20150060

2015-05-11；

2015-09-22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（31270630）

侯慶喜（1961—），男，天津人，教授，qingxihou@tust.edu.cn.

數(shù)字出版日期：2015-12-10；數(shù)字出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1355.N.20151210.1045.004.html.