本文介紹了生物酶在人造板行業(yè)的應(yīng)用研究, 通過引進(jìn)生物酶技術(shù)應(yīng)用于中密度板生產(chǎn), 充分利用現(xiàn)有生產(chǎn)線及當(dāng)?shù)厮济┧伞㈣駱涞绕渌熑~木作原料, 創(chuàng)新生物酶+尿醛樹脂混合使用生產(chǎn)模式, 降低尿醛樹脂使用量, 減少甲醛釋放量, 從而降低能耗及生產(chǎn)成本, 為我國工業(yè)化生產(chǎn)節(jié)能環(huán)保的中密度板作出示范。

現(xiàn)代生物技術(shù)直接涉及人類生存和生活的各個(gè)方面, 隨著生物技術(shù)研究的研究進(jìn)展, 生物技術(shù)正以巨大的活力改變著傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和人們的生活及環(huán)境, 迅速向經(jīng)濟(jì)和社會(huì)各領(lǐng)域滲透和擴(kuò)散, 推動(dòng)著社會(huì)生產(chǎn)力的飛速發(fā)展和人們生活的改善, 并成為國與國之間競爭的主要手段之一。與林業(yè)資源培育和加工利用密切相關(guān)的現(xiàn)代生物技術(shù), 主要包括基因工程、細(xì)胞工程、發(fā)酵工程、蛋白質(zhì)工程和酶工程等方面。20世紀(jì)未, 隨著計(jì)算生物學(xué)、化學(xué)生物學(xué)與合成生物學(xué)的興起, 發(fā)展了系統(tǒng)生物學(xué)的生物技術(shù), 即系統(tǒng)生物技術(shù), 包括生物信息技術(shù)、納米生物技術(shù)與合成生物技術(shù)等。而酶在優(yōu)化原材料使用、替代部分化學(xué)品、環(huán)境友好等方面性能突出。近幾年, 我國已有企業(yè)嘗試?yán)妹傅纳飳W(xué)特性研究應(yīng)用于以木質(zhì)纖維為底料的中密度板生產(chǎn)并取得了良好的效果, 給人造板行業(yè)帶來了新的生機(jī)和活力。

中密度板工業(yè)是重要的原材料產(chǎn)業(yè), 與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民生活息息相關(guān)。纖維板生產(chǎn)過程中的膠黏工藝通常采用脲醛樹脂作為膠粘劑的熱壓工藝制作方法。這種工藝生產(chǎn)纖維板的特點(diǎn)是技術(shù)成熟、質(zhì)量穩(wěn)定、性能可靠、成本低廉, 但游離甲醛的釋放量較大, 危害人們的身體健康, 不符合低碳環(huán)保、綠色發(fā)展的時(shí)代要求。要保證既環(huán)保又符合產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的纖維板生產(chǎn), 目前通常采取降低纖維板產(chǎn)品中游離甲醛的含量即降低所用膠黏劑摩爾比的方法來實(shí)現(xiàn)。但是, 降低摩爾比的同時(shí)也會(huì)削弱板材的力學(xué)強(qiáng)度。因此, 研究膠接性能優(yōu)良、力學(xué)強(qiáng)度穩(wěn)定、環(huán)保型低甲醛釋放膠粘劑技術(shù)是解決低碳生產(chǎn)環(huán)保型纖維板的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。生物酶是一種無毒、對(duì)環(huán)境友好的生物催化劑, 隨著人們對(duì)環(huán)境生存質(zhì)量要求的不斷提高, 應(yīng)用酶工程生物技術(shù)開發(fā)無甲醛、環(huán)境友好的人造板已成為未來人造板發(fā)展的必然趨勢之一。

1 生物酶的特性和作用機(jī)理

1.1 生物酶的結(jié)構(gòu)和特性

生物酶是具有特殊催化功能的蛋白質(zhì), 酶分子由氨基酸長鏈組成。其中一部分鏈成螺旋狀, 一部分成折疊的薄片結(jié)構(gòu), 這兩部分由不折疊的氨基酸鏈連接起來, 而使整個(gè)酶分子成為特定的三維結(jié)構(gòu)。生物酶具有高效性、專一性, 一種酶只能催化一類物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng), 催化效率是一般無機(jī)催化劑的10⁷～10¹³倍, 同時(shí)具備低反應(yīng)條件, 可在常溫、常壓下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。

1.2 生物酶的作用機(jī)理

酶蛋白與其他蛋白質(zhì)的不同之處在于酶都具有活性中心。酶通過其活性中心, 通常是其氨基酸側(cè)鏈基團(tuán)先與底物形成一個(gè)中間復(fù)合物, 隨后再分解成產(chǎn)物, 并放出酶。當(dāng)?shù)孜锝Y(jié)合到酶的和性部位時(shí), 底物會(huì)誘導(dǎo)酶蛋白構(gòu)象變化, 導(dǎo)致催化基因的正確定位與底物結(jié)合到酶的和性部位上去, 在活性部位, 底物被多重的、弱的作用力結(jié)合 (靜電相互作用、氫鍵、范德華鍵、疏水相互作用) , 在某些情況下被可逆的共價(jià)鍵結(jié)合, 酶結(jié)合底物分子, 首先將它轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡態(tài), 然后生成產(chǎn)物, 釋放到溶液中。這時(shí)游離的酶與另一分子的底物結(jié)合, 開始它的又一次循環(huán)。

2 生物酶在人造板領(lǐng)域的應(yīng)用研究

2.1 生物酶在國外人造板工業(yè)的應(yīng)用研究

丹麥諾維信公司是全球生物酶制劑較大的研發(fā)生產(chǎn)商, 致力于生物酶的開放利用。早在20世紀(jì)90年代便開始人造板生物酶處理應(yīng)用研發(fā), 當(dāng)時(shí)研發(fā)的重點(diǎn)在于發(fā)展完全環(huán)保方案, 即使用生物酶完全代替膠。這個(gè)方案需要對(duì)工廠工藝做較大的改變, 其中需要專用于生物酶與纖維反應(yīng)的容器, 來使生物酶發(fā)揮較大的作用, 但這個(gè)方案未能實(shí)現(xiàn), 因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)如果工廠沒有進(jìn)行大的工藝改動(dòng), 不具備條件進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用試驗(yàn)。此后, 也研發(fā)了一種更直接的、可以在當(dāng)前中密度板工藝添加的生物酶處理方案, 當(dāng)時(shí)只是小試, 未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn), 但這些嘗試為下一步工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ), 提供了發(fā)展思路。

2.2 生物酶在我國人造板行業(yè)的應(yīng)用研究

云南省普洱市衛(wèi)國林業(yè)局研發(fā)團(tuán)隊(duì)立足實(shí)際, 充分利用現(xiàn)有生產(chǎn)線及當(dāng)?shù)刎S富的林業(yè)資源, 專門研發(fā)了一種直接可以在現(xiàn)有中密度板生產(chǎn)線上添加生物酶的工藝技術(shù)方案, 創(chuàng)新生物酶+尿醛樹脂混合使用生產(chǎn)模式, 引進(jìn)丹麥諾維信公司的生物酶制劑添加到現(xiàn)有生產(chǎn)線熱磨漿料中處理思茅松、桉樹纖維, 將生物技術(shù)運(yùn)用于木質(zhì)纖維預(yù)處理, 首次將生物酶制劑作為酶促劑相加入到高速紊流纖維漿料混合里, 利用酶的活性激活木素, 并利用此活性木素的粘接性壓制以思茅松、桉樹等木素纖維為主要原料的中密度板, 實(shí)現(xiàn)了降低尿醛樹脂使用量, 減少甲醛釋放量, 從而降低了能耗及生產(chǎn)成本, 并改善了熱固化后的形態(tài), 同時(shí)賦予板材更好的韌性, 為生物酶應(yīng)用于以思茅松、桉樹等木素纖維為主要原料工業(yè)化生產(chǎn)中密度板奠定基礎(chǔ)。

3 生物酶在中密度板行業(yè)的工業(yè)化應(yīng)用

云南省普洱市衛(wèi)國林業(yè)局人造板廠在現(xiàn)有生產(chǎn)線上, 將生物酶應(yīng)用于以思茅松、桉樹等木素纖維為主要原料的中密度板工業(yè)化生產(chǎn), 對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行適應(yīng)性技術(shù)改造, 建成5萬立方米/年應(yīng)用生物酶生產(chǎn)中密度板生產(chǎn)線一條, 全面改進(jìn)進(jìn)料控制系統(tǒng)、霧化施膠系統(tǒng), 添加生物酶系統(tǒng)并集成整合, 全新設(shè)計(jì)控制程序軟件。

3.1 生物酶應(yīng)用于中密度板行業(yè)工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)路線

依據(jù)生物酶的特性和作用機(jī)理, 工業(yè)化生產(chǎn)采用木材纖維原料表面活化法, 即利用在生物酶作用下木材纖維原料固有木素的反應(yīng)活性, 使纖維原料木素自由基發(fā)生共價(jià)聚合反應(yīng)而膠粘在一起, 再通過熱壓定型而制備中密度板的技術(shù)。

在實(shí)際生產(chǎn)規(guī)模中, 驗(yàn)證生物酶應(yīng)用的概念、正面效果及可能產(chǎn)生的生物酶過敏源, 對(duì)生物酶用量、生物酶配方在不同膠用量的情況下進(jìn)行評(píng)估, 確認(rèn)降膠量的潛力。在不降低板材強(qiáng)度及工藝控制的情況下, 重點(diǎn)評(píng)估了降膠量的潛力, 通過更進(jìn)一步的用量優(yōu)化及配方調(diào)整, 經(jīng)濟(jì)價(jià)值也得到了體現(xiàn), 并且操作容易控制, 生物酶應(yīng)用方案與設(shè)備持續(xù)優(yōu)化, 如圖1。

3.2 生物酶應(yīng)用中密度板行業(yè)工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)方案

采用熱磨機(jī)械法將木片分解成纖維, 得到溫度140～165℃、含水率50%～60%、流速20～24m/s的6.67～8.00噸/小時(shí)的纖維漿料流。在纖維漿料流中, 加入生物酶劑, 尿醛樹脂膠粘劑、防水劑與纖維混合, 借助進(jìn)口溫度120～190℃, 出口溫度60～63℃的熱風(fēng)將纖維漿料流送入閃急式管道干燥機(jī), 經(jīng)過3～5s的閃干, 得到含水率6.5%～13.5%的纖維 (纖維在PH5.2～6.5下, 對(duì)纖維漿料流酶促化處理40～50s) 。干纖維經(jīng)過成型、預(yù)壓后成為纖維板坯, 纖維板坯被送入熱壓機(jī)后壓制成板材, 板材經(jīng)過砂光、鋸邊得到中密度板成品。產(chǎn)品規(guī)格:幅面1220×2440mm, 厚度11～25mm (計(jì)算厚度為15mm) , 密度0.70～0.80g/cm³ (計(jì)算密度為0.75g/cm³) 。

原料比例:思茅松50%、雜木30%、桉樹20%的生物酶配方、液體石蠟、霧化膠粘劑, 利用噴漿管、熱磨機(jī)樣品成型機(jī)、熱壓機(jī)、砂光機(jī)及鋸邊機(jī)干燥機(jī)檢測生物酶配方與生物酶用量以及分析評(píng)估生物酶用量, 如圖2。

4 生物酶在中密度板行業(yè)工業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)特點(diǎn)

4.1 工藝創(chuàng)新

在噴漿管加入生物酶 (加入次序生物酶、膠、液化石蠟) , 只需在原有生產(chǎn)線上增加自動(dòng)加酶系統(tǒng), 具有投資少、施加均勻、施加量精準(zhǔn)、工藝控制簡單、操作方便、易于推廣等特點(diǎn)。

4.2 優(yōu)化了熱壓參數(shù)

4.3 能耗降低

基于生產(chǎn)線改造前中密度板平均耗用E1級(jí)尿醛樹脂膠185.73kg/m³, 在加入0.290～0.561‰ (按一噸絕干纖維) 的耐高溫生物酶, 減少施膠量20%的條件下, 減少膠耗37.146kg/m³, 節(jié)約能耗37.146kg標(biāo)準(zhǔn)煤/m³, 降低生產(chǎn)成本59.11元/m³。通過溫室氣體排放計(jì)算, 通過單獨(dú)生物酶代替20%尿素甲醛膠, 較少降低了CO₂排放25kg/m³。

4.4 軟件開發(fā)

在國內(nèi)率先開發(fā)出生物酶應(yīng)用于中密度板生產(chǎn)的進(jìn)料、霧化施膠、添加生物酶集成系統(tǒng)控制軟件。

5 應(yīng)用前景

中國是纖維板消費(fèi)大國, 消費(fèi)量居全球。隨著中密度板產(chǎn)量的增長和社會(huì)的進(jìn)步, 人們對(duì)環(huán)境的關(guān)注度日益增強(qiáng)。中密度板生產(chǎn)企業(yè)必須將生產(chǎn)效益、節(jié)能環(huán)保等要素考慮在內(nèi), 否則企業(yè)的發(fā)展將被遏制。中密度板作為林業(yè)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分, 降低中密度板游離甲醛的釋放, 生產(chǎn)環(huán)保型的中密度板對(duì)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、推進(jìn)節(jié)能減排、構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)、促進(jìn)人與自然和諧發(fā)展意義重大。云南省普洱市衛(wèi)國林業(yè)局人造板廠轉(zhuǎn)變發(fā)展方式, 走科技創(chuàng)新發(fā)展之路, 在國內(nèi)率先將生物酶應(yīng)用于中密度板工業(yè)化生產(chǎn), 探索出的生物酶添加工藝、熱壓參數(shù)、生物酶用量均為國內(nèi)首創(chuàng), 在工業(yè)化應(yīng)用中處于國內(nèi)水平, 完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán), 生物酶工業(yè)化應(yīng)用后經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益十分顯著。

中密度板生產(chǎn)是綜合利用和高效利用木材資源的重要途徑之一, 在保護(hù)天然林資源、可持續(xù)利用森林資源、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、緩解木材供需矛盾等方面具有重要地位, 有力的拉動(dòng)了人工速生豐產(chǎn)用材林基地建設(shè)以及林產(chǎn)工業(yè)的發(fā)展。據(jù)測算lm³中密度板可替代3m³原木使用。隨著木質(zhì)原料結(jié)構(gòu)的變化、環(huán)保要求的提高以及生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步, 木材加工業(yè)對(duì)膠粘劑的品種和質(zhì)量提出了更高的要求。因此, 開發(fā)節(jié)能、環(huán)保、安全的中密度板生產(chǎn)技術(shù)必將會(huì)得到快速發(fā)展, 生物酶技術(shù)在人造板工業(yè)必將具有廣闊的發(fā)展前景。