探讨生物酶在中密度板行业的应用研究

本文介绍了生物酶在人造板行业的应用研究, 通过引进生物酶技术应用于中密度板生产, 充分利用现有生产线及当地思茅松、桉树等其他阔叶木作原料, 创新生物酶+尿醛树脂混合使用生产模式, 降低尿醛树脂使用量, 减少甲醛释放量, 从而降低能耗及生产成本, 为我国工业化生产节能环保的中密度板作出示范。

现代生物技术直接涉及人类生存和生活的各个方面, 随着生物技术研究的研究进展, 生物技术正以巨大的活力改变着传统的生产方式、产业结构和人们的生活及环境, 迅速向经济和社会各领域渗透和扩散, 推动着社会生产力的飞速发展和人们生活的改善, 并成为国与国之间竞争的主要手段之一。与林业资源培育和加工利用密切相关的现代生物技术, 主要包括基因工程、细胞工程、发酵工程、蛋白质工程和酶工程等方面。20世纪未, 随着计算生物学、化学生物学与合成生物学的兴起, 发展了系统生物学的生物技术, 即系统生物技术, 包括生物信息技术、纳米生物技术与合成生物技术等。而酶在优化原材料使用、替代部分化学品、环境友好等方面性能突出。近几年, 我国已有企业尝试利用酶的生物学特性研究应用于以木质纤维为底料的中密度板生产并取得了良好的效果, 给人造板行业带来了新的生机和活力。

中密度板工业是重要的原材料产业, 与经济社会发展和人民生活息息相关。纤维板生产过程中的胶黏工艺通常采用脲醛树脂作为胶粘剂的热压工艺制作方法。这种工艺生产纤维板的特点是技术成熟、质量稳定、性能可靠、成本低廉, 但游离甲醛的释放量较大, 危害人们的身体健康, 不符合低碳环保、绿色发展的时代要求。要保证既环保又符合产品质量标准的纤维板生产, 目前通常采取降低纤维板产品中游离甲醛的含量即降低所用胶黏剂摩尔比的方法来实现。但是, 降低摩尔比的同时也会削弱板材的力学强度。因此, 研究胶接性能优良、力学强度稳定、环保型低甲醛释放胶粘剂技术是解决低碳生产环保型纤维板的一个重要环节。生物酶是一种无毒、对环境友好的生物催化剂, 随着人们对环境生存质量要求的不断提高, 应用酶工程生物技术开发无甲醛、环境友好的人造板已成为未来人造板发展的必然趋势之一。

1 生物酶的特性和作用机理

1.1 生物酶的结构和特性

生物酶是具有特殊催化功能的蛋白质, 酶分子由氨基酸长链组成。其中一部分链成螺旋状, 一部分成折叠的薄片结构, 这两部分由不折叠的氨基酸链连接起来, 而使整个酶分子成为特定的三维结构。生物酶具有高效性、专一性, 一种酶只能催化一类物质的化学反应, 催化效率是一般无机催化剂的10⁷～10¹³倍, 同时具备低反应条件, 可在常温、常压下进行化学反应。

1.2 生物酶的作用机理

酶蛋白与其他蛋白质的不同之处在于酶都具有活性中心。酶通过其活性中心, 通常是其氨基酸侧链基团先与底物形成一个中间复合物, 随后再分解成产物, 并放出酶。当底物结合到酶的和性部位时, 底物会诱导酶蛋白构象变化, 导致催化基因的正确定位与底物结合到酶的和性部位上去, 在活性部位, 底物被多重的、弱的作用力结合 (静电相互作用、氢键、范德华键、疏水相互作用) , 在某些情况下被可逆的共价键结合, 酶结合底物分子, 首先将它转变为过渡态, 然后生成产物, 释放到溶液中。这时游离的酶与另一分子的底物结合, 开始它的又一次循环。

2 生物酶在人造板领域的应用研究

2.1 生物酶在国外人造板工业的应用研究

丹麦诺维信公司是全球生物酶制剂较大的研发生产商, 致力于生物酶的开放利用。早在20世纪90年代便开始人造板生物酶处理应用研发, 当时研发的重点在于发展完全环保方案, 即使用生物酶完全代替胶。这个方案需要对工厂工艺做较大的改变, 其中需要专用于生物酶与纤维反应的容器, 来使生物酶发挥较大的作用, 但这个方案未能实现, 因为在当时如果工厂没有进行大的工艺改动, 不具备条件进行工业化应用试验。此后, 也研发了一种更直接的、可以在当前中密度板工艺添加的生物酶处理方案, 当时只是小试, 未能实现工业化生产, 但这些尝试为下一步工业化应用奠定了基础, 提供了发展思路。

2.2 生物酶在我国人造板行业的应用研究

云南省普洱市卫国林业局研发团队立足实际, 充分利用现有生产线及当地丰富的林业资源, 专门研发了一种直接可以在现有中密度板生产线上添加生物酶的工艺技术方案, 创新生物酶+尿醛树脂混合使用生产模式, 引进丹麦诺维信公司的生物酶制剂添加到现有生产线热磨浆料中处理思茅松、桉树纤维, 将生物技术运用于木质纤维预处理, 首次将生物酶制剂作为酶促剂相加入到高速紊流纤维浆料混合里, 利用酶的活性激活木素, 并利用此活性木素的粘接性压制以思茅松、桉树等木素纤维为主要原料的中密度板, 实现了降低尿醛树脂使用量, 减少甲醛释放量, 从而降低了能耗及生产成本, 并改善了热固化后的形态, 同时赋予板材更好的韧性, 为生物酶应用于以思茅松、桉树等木素纤维为主要原料工业化生产中密度板奠定基础。

3 生物酶在中密度板行业的工业化应用

云南省普洱市卫国林业局人造板厂在现有生产线上, 将生物酶应用于以思茅松、桉树等木素纤维为主要原料的中密度板工业化生产, 对生产线进行适应性技术改造, 建成5万立方米/年应用生物酶生产中密度板生产线一条, 全面改进进料控制系统、雾化施胶系统, 添加生物酶系统并集成整合, 全新设计控制程序软件。

3.1 生物酶应用于中密度板行业工业化生产的技术路线

依据生物酶的特性和作用机理, 工业化生产采用木材纤维原料表面活化法, 即利用在生物酶作用下木材纤维原料固有木素的反应活性, 使纤维原料木素自由基发生共价聚合反应而胶粘在一起, 再通过热压定型而制备中密度板的技术。

在实际生产规模中, 验证生物酶应用的概念、正面效果及可能产生的生物酶过敏源, 对生物酶用量、生物酶配方在不同胶用量的情况下进行评估, 确认降胶量的潜力。在不降低板材强度及工艺控制的情况下, 重点评估了降胶量的潜力, 通过更进一步的用量优化及配方调整, 经济价值也得到了体现, 并且操作容易控制, 生物酶应用方案与设备持续优化, 如图1。

3.2 生物酶应用中密度板行业工业化生产的技术方案

采用热磨机械法将木片分解成纤维, 得到温度140～165℃、含水率50%～60%、流速20～24m/s的6.67～8.00吨/小时的纤维浆料流。在纤维浆料流中, 加入生物酶剂, 尿醛树脂胶粘剂、防水剂与纤维混合, 借助进口温度120～190℃, 出口温度60～63℃的热风将纤维浆料流送入闪急式管道干燥机, 经过3～5s的闪干, 得到含水率6.5%～13.5%的纤维 (纤维在PH5.2～6.5下, 对纤维浆料流酶促化处理40～50s) 。干纤维经过成型、预压后成为纤维板坯, 纤维板坯被送入热压机后压制成板材, 板材经过砂光、锯边得到中密度板成品。产品规格:幅面1220×2440mm, 厚度11～25mm (计算厚度为15mm) , 密度0.70～0.80g/cm³ (计算密度为0.75g/cm³) 。

原料比例:思茅松50%、杂木30%、桉树20%的生物酶配方、液体石蜡、雾化胶粘剂, 利用喷浆管、热磨机样品成型机、热压机、砂光机及锯边机干燥机检测生物酶配方与生物酶用量以及分析评估生物酶用量, 如图2。

4 生物酶在中密度板行业工业化应用的技术特点

4.1 工艺创新

在喷浆管加入生物酶 (加入次序生物酶、胶、液化石蜡) , 只需在原有生产线上增加自动加酶系统, 具有投资少、施加均匀、施加量精准、工艺控制简单、操作方便、易于推广等特点。

4.2 优化了热压参数

4.3 能耗降低

基于生产线改造前中密度板平均耗用E1级尿醛树脂胶185.73kg/m³, 在加入0.290～0.561‰ (按一吨绝干纤维) 的耐高温生物酶, 减少施胶量20%的条件下, 减少胶耗37.146kg/m³, 节约能耗37.146kg标准煤/m³, 降低生产成本59.11元/m³。通过温室气体排放计算, 通过单独生物酶代替20%尿素甲醛胶, 较少降低了CO₂排放25kg/m³。

4.4 软件开发

在国内率先开发出生物酶应用于中密度板生产的进料、雾化施胶、添加生物酶集成系统控制软件。

5 应用前景

中国是纤维板消费大国, 消费量居全球。随着中密度板产量的增长和社会的进步, 人们对环境的关注度日益增强。中密度板生产企业必须将生产效益、节能环保等要素考虑在内, 否则企业的发展将被遏制。中密度板作为林业产业的重要组成部分, 降低中密度板游离甲醛的释放, 生产环保型的中密度板对发展低碳经济、推进节能减排、构建资源节约型和环境友好型社会、促进人与自然和谐发展意义重大。云南省普洱市卫国林业局人造板厂转变发展方式, 走科技创新发展之路, 在国内率先将生物酶应用于中密度板工业化生产, 探索出的生物酶添加工艺、热压参数、生物酶用量均为国内首创, 在工业化应用中处于国内水平, 完全拥有自主知识产权, 生物酶工业化应用后经济效益、生态效益十分显著。

中密度板生产是综合利用和高效利用木材资源的重要途径之一, 在保护天然林资源、可持续利用森林资源、发展循环经济、缓解木材供需矛盾等方面具有重要地位, 有力的拉动了人工速生丰产用材林基地建设以及林产工业的发展。据测算lm³中密度板可替代3m³原木使用。随着木质原料结构的变化、环保要求的提高以及生产技术进步, 木材加工业对胶粘剂的品种和质量提出了更高的要求。因此, 开发节能、环保、安全的中密度板生产技术必将会得到快速发展, 生物酶技术在人造板工业必将具有广阔的发展前景。