本文介紹了生物酶在人造板行業(yè)的應(yīng)用研究, 通過(guò)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┧?、桉樹等其他闊葉木作原料, 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(guó)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(guó)與國(guó)之間競(jìng)爭(zhēng)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(guó)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(lái)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(guò)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(lái)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(wú)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(wú)甲醛、環(huán)境友好的人造板已成為未來(lái)人造板發(fā)展的必然趨勢(shì)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(zhǎng)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(lái), 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(wú)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(guò)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^(guò)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(guó)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(lái)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(méi)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(guó)人造板行業(yè)的應(yīng)用研究

云南省普洱市衛(wèi)國(guó)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(guó)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(wàn)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(guò)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(guò)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(guò)更進(jìn)一步的用量?jī)?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(guò)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(guò)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(guò)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(cè)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(jiǎn)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(guò)溫室氣體排放計(jì)算, 通過(guò)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(guó)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(guó)是纖維板消費(fèi)大國(guó), 消費(fèi)量居全球。隨著中密度板產(chǎn)量的增長(zhǎng)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(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)首創(chuàng), 在工業(yè)化應(yīng)用中處于國(guó)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(cè)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。