本文介紹了生物酶在人造板行業的應用研究, 通過引進生物酶技術應用于中密度板生產, 充分利用現有生產線及當地思茅松、桉樹等其他闊葉木作原料, 創新生物酶+尿醛樹脂混合使用生產模式, 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成本, 為我國工業化生產節能環保的中密度板作出示范。

現代生物技術直接涉及人類生存和生活的各個方面, 隨著生物技術研究的研究進展, 生物技術正以巨大的活力改變著傳統的生產方式、產業結構和人們的生活及環境, 迅速向經濟和社會各領域滲透和擴散, 推動著社會生產力的飛速發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。與林業資源培育和加工利用密切相關的現代生物技術, 主要包括基因工程、細胞工程、發酵工程、蛋白質工程和酶工程等方面。20世紀未, 隨著計算生物學、化學生物學與合成生物學的興起, 發展了系統生物學的生物技術, 即系統生物技術, 包括生物信息技術、納米生物技術與合成生物技術等。而酶在優化原材料使用、替代部分化學品、環境友好等方面性能突出。近幾年, 我國已有企業嘗試利用酶的生物學特性研究應用于以木質纖維為底料的中密度板生產并取得了良好的效果, 給人造板行業帶來了新的生機和活力。

中密度板工業是重要的原材料產業, 與經濟社會發展和人民生活息息相關。纖維板生產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。這種工藝生產纖維板的特點是技術成熟、質量穩定、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, 不符合低碳環保、綠色發展的時代要求。要保證既環保又符合產品質量標準的纖維板生產, 目前通常采取降低纖維板產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現。但是, 降低摩爾比的同時也會削弱板材的力學強度。因此, 研究膠接性能優良、力學強度穩定、環保型低甲醛釋放膠粘劑技術是解決低碳生產環保型纖維板的一個重要環節。生物酶是一種無毒、對環境友好的生物催化劑, 隨著人們對環境生存質量要求的不斷提高, 應用酶工程生物技術開發無甲醛、環境友好的人造板已成為未來人造板發展的必然趨勢之一。

1 生物酶的特性和作用機理

1.1 生物酶的結構和特性

生物酶是具有特殊催化功能的蛋白質, 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構, 這兩部分由不折疊的氨基酸鏈連接起來, 而使整個酶分子成為特定的三維結構。生物酶具有高效性、專一性, 一種酶只能催化一類物質的化學反應, 催化效率是一般無機催化劑的10⁷～10¹³倍, 同時具備低反應條件, 可在常溫、常壓下進行化學反應。

1.2 生物酶的作用機理

酶蛋白與其他蛋白質的不同之處在于酶都具有活性中心。酶通過其活性中心, 通常是其氨基酸側鏈基團先與底物形成一個中間復合物, 隨后再分解成產物, 并放出酶。當底物結合到酶的和性部位時, 底物會誘導酶蛋白構象變化, 導致催化基因的正確定位與底物結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鍵結合, 酶結合底物分子, 首先將它轉變為過渡態, 然后生成產物, 釋放到溶液中。這時游離的酶與另一分子的底物結合, 開始它的又一次循環。

2 生物酶在人造板領域的應用研究

2.1 生物酶在國外人造板工業的應用研究

丹麥諾維信公司是全球生物酶制劑較大的研發生產商, 致力于生物酶的開放利用。早在20世紀90年代便開始人造板生物酶處理應用研發, 當時研發的重點在于發展完全環保方案, 即使用生物酶完全代替膠。這個方案需要對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的容器, 來使生物酶發揮較大的作用, 但這個方案未能實現, 因為在當時如果工廠沒有進行大的工藝改動, 不具備條件進行工業化應用試驗。此后, 也研發了一種更直接的、可以在當前中密度板工藝添加的生物酶處理方案, 當時只是小試, 未能實現工業化生產, 但這些嘗試為下一步工業化應用奠定了基礎, 提供了發展思路。

2.2 生物酶在我國人造板行業的應用研究

云南省普洱市衛國林業局研發團隊立足實際, 充分利用現有生產線及當地豐富的林業資源, 專門研發了一種直接可以在現有中密度板生產線上添加生物酶的工藝技術方案, 創新生物酶+尿醛樹脂混合使用生產模式, 引進丹麥諾維信公司的生物酶制劑添加到現有生產線熱磨漿料中處理思茅松、桉樹纖維, 將生物技術運用于木質纖維預處理, 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, 實現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成本, 并改善了熱固化后的形態, 同時賦予板材更好的韌性, 為生物酶應用于以思茅松、桉樹等木素纖維為主要原料工業化生產中密度板奠定基礎。

3 生物酶在中密度板行業的工業化應用

云南省普洱市衛國林業局人造板廠在現有生產線上, 將生物酶應用于以思茅松、桉樹等木素纖維為主要原料的中密度板工業化生產, 對生產線進行適應性技術改造, 建成5萬立方米/年應用生物酶生產中密度板生產線一條, 全面改進進料控制系統、霧化施膠系統, 添加生物酶系統并集成整合, 全新設計控制程序軟件。

3.1 生物酶應用于中密度板行業工業化生產的技術路線

依據生物酶的特性和作用機理, 工業化生產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活性, 使纖維原料木素自由基發生共價聚合反應而膠粘在一起, 再通過熱壓定型而制備中密度板的技術。

在實際生產規模中, 驗證生物酶應用的概念、正面效果及可能產生的生物酶過敏源, 對生物酶用量、生物酶配方在不同膠用量的情況下進行評估, 確認降膠量的潛力。在不降低板材強度及工藝控制的情況下, 重點評估了降膠量的潛力, 通過更進一步的用量優化及配方調整, 經濟價值也得到了體現, 并且操作容易控制, 生物酶應用方案與設備持續優化, 如圖1。

3.2 生物酶應用中密度板行業工業化生產的技術方案

采用熱磨機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, 借助進口溫度120～190℃, 出口溫度60～63℃的熱風將纖維漿料流送入閃急式管道干燥機, 經過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, 對纖維漿料流酶促化處理40～50s) 。干纖維經過成型、預壓后成為纖維板坯, 纖維板坯被送入熱壓機后壓制成板材, 板材經過砂光、鋸邊得到中密度板成品。產品規格:幅面1220×2440mm, 厚度11～25mm (計算厚度為15mm) , 密度0.70～0.80g/cm³ (計算密度為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、熱磨機樣品成型機、熱壓機、砂光機及鋸邊機干燥機檢測生物酶配方與生物酶用量以及分析評估生物酶用量, 如圖2。

4 生物酶在中密度板行業工業化應用的技術特點

4.1 工藝創新

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

4.2 優化了熱壓參數

4.3 能耗降低

基于生產線改造前中密度板平均耗用E1級尿醛樹脂膠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, 節約能耗37.146kg標準煤/m³, 降低生產成本59.11元/m³。通過溫室氣體排放計算, 通過單獨生物酶代替20%尿素甲醛膠, 較少降低了CO₂排放25kg/m³。

4.4 軟件開發

在國內率先開發出生物酶應用于中密度板生產的進料、霧化施膠、添加生物酶集成系統控制軟件。

5 應用前景

中國是纖維板消費大國, 消費量居全球。隨著中密度板產量的增長和社會的進步, 人們對環境的關注度日益增強。中密度板生產企業必須將生產效益、節能環保等要素考慮在內, 否則企業的發展將被遏制。中密度板作為林業產業的重要組成部分, 降低中密度板游離甲醛的釋放, 生產環保型的中密度板對發展低碳經濟、推進節能減排、構建資源節約型和環境友好型社會、促進人與自然和諧發展意義重大。云南省普洱市衛國林業局人造板廠轉變發展方式, 走科技創新發展之路, 在國內率先將生物酶應用于中密度板工業化生產, 探索出的生物酶添加工藝、熱壓參數、生物酶用量均為國內首創, 在工業化應用中處于國內水平, 完全擁有自主知識產權, 生物酶工業化應用后經濟效益、生態效益十分顯著。

中密度板生產是綜合利用和高效利用木材資源的重要途徑之一, 在保護天然林資源、可持續利用森林資源、發展循環經濟、緩解木材供需矛盾等方面具有重要地位, 有力的拉動了人工速生豐產用材林基地建設以及林產工業的發展。據測算lm³中密度板可替代3m³原木使用。隨著木質原料結構的變化、環保要求的提高以及生產技術進步, 木材加工業對膠粘劑的品種和質量提出了更高的要求。因此, 開發節能、環保、安全的中密度板生產技術必將會得到快速發展, 生物酶技術在人造板工業必將具有廣闊的發展前景。