植物纖維預處理與降解方法

　　植物纖維預處理與降解方法【1】

　　摘要：指出了植物纖維含有大量纖維素,是世界上最大的可再生資源,但目前大部分作為廢棄物處理造成了資源浪費。

　　探討了植物纖維結構特點、植物纖維的預處理方法和降解的主要手段等,提出了預處理方法和降解方法的合理選擇是有效地資源化利用植物纖維的關鍵。

　　關鍵詞：植物纖維;預處理;降解

　　1引言

　　隨著社會的進步與發展,對石油的需求量大增,使得能源需求矛盾激化,石油的價格激增,而且由于化石能源的不可再生性,迫切需要開發新的能源來替代。

　　作為生物質能的重要組成部分,植物纖維由于其所擁有的可再生性、來源廣泛、價格低廉的特點,使其開發利用成為化石能源的理想替代品原料。

　　植物纖維中的纖維素等成分是當今世界上最豐富的可再生高聚物,是植物通過光合作用而合成得到的,廣泛存在于大自然中,每年植物經光合作用產生的物質達上千億噸,其中蘊含的能量相當于全世界能源消耗總量的10~20倍,遠超每年的石油產量,但目前的利用率還不到3%[1]。

　　當前植物纖維的利用的主要瓶頸在于植物纖維的預處理技術和降解工藝的優化。

　　2植物纖維的特性

　　植物纖維是構成天然植物的重要組成部分,植物纖維中蘊含的能量屬于生物質能,是一種可再生能源,同時也是唯一一種可再生的碳源。

　　纖維素工業主要的纖維素原料是棉花、木材、禾草類植物和韌皮類植物等[2]。

　　(1)植物纖維是由細胞壁包裹著的空心腔體。

　　植物纖維是由細胞壁組成,細胞壁上的主要化學成分就是纖維素。

　　植物細胞之間有紋孔對,紋孔是植物把水分、養料以及通過葉綠素進行光合作用后的產物不間斷地輸送到需要的部位的通道[3]。

　　可以認為一根成熟植物纖維就是一個由細胞壁包裹著由其上的紋孔對與其它纖維連同的空心腔體。

　　(2)植物纖維的主要成分之間互相纏結在一起。

　　根據纖維素化學的觀點可知,植物纖維的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素[3]。

　　由于纖維素、半纖維素和木質素都存在大量氫鍵,使植物纖維中的纖維素被木質素和半木質素以及果膠等牢固的粘接在一起,木質素和半木質素將纖維素包覆在其編織的復雜網絡中,溶劑不能順利的浸入到植物纖維內部,與纖維素、半纖維素和木質素的有效接觸面積有限。

　　(3)植物纖維的主要成分的反應活性不一。

　　纖維素是由葡萄糖單元通過β-1,4糖苷鍵連接而成的線性高分子化合物。

　　纖維素分子上含有大量的苷羥基和仲醇羥基,這為纖維素的降解提供了可能;纖維素分子內和纖維素分子之間都存在氫鍵結合,纖維素分子鏈中有一部分是以結晶形式存在的,是纖維素Ⅰ型,結晶的存在增加了纖維素降解的難度[4]。

　　半纖維素是植物纖維中除了纖維素和果膠之外的全部碳水化合物,是在植物細胞壁中與纖維素共生、可溶于堿溶液,在酸性溶劑中的溶解度遠大于纖維素的那部分多糖[5]。

　　半纖維素具有親水性能,容易潤脹,可賦予纖維彈性。

　　木質素是有苯丙烷類結構單元組成的復雜化合物,具有使細胞相連的作用,主要存在于木質化植物的細胞中,具有使細胞相連的作用,在植物組織中具有增強細胞壁及黏合纖維的作用,強化植物組織,在酸性溶劑中難以水解較易溶于堿液的相對分子質量較高的物質。

　　其化學結構中共有3種基本結構,即愈創木基結構、紫丁香基結構和對羥苯基結構[6]。

　　3植物纖維的分解

　　通過以上分析可知,細胞壁的存在嚴重制約了植物纖維的降解效率,因此,為了提高植物纖維的降解效率,有效利用植物纖維,就需要對植物纖維進行預處理。

　　植物纖維的分解主要可以分為預處理和降解兩個過程。

　　3.1植物纖維預處理方法

　　植物纖維的預處理主要作用就是對細胞壁包覆結構的破壞,同時降低纖維素、半纖維素以及木質素之間的結合力,增加其與降解過程中的化學試劑或者微生物以及酶的接觸面積,從而達到增大其降解效率的目的。

　　根據不同的預處理手段,可以將預處理方法分為化學法、物理法和生物法。

　　3.1.1化學法

　　(1)臭氧法。

　　臭氧法是利用臭氧將植物纖維原料中的木質素和半纖維素氧化分解成小分子。

　　小分子產物有利于生物降解中的微生物繁殖,處理剩余產物相對較純,便于利用;不過臭氧的能耗較高,需防止泄露。

　　(2)酸處理。

　　酸處理就是將纖維素原料用稀酸在106~110℃條件下處理幾個小時,處理后半纖維素水解成單糖進入水溶液,木質素量不變,纖維素聚合度下降。

　　由于半纖維素的主要組成是木糖,因此稀酸處理所得產物主要含有木糖。

　　(3)堿處理。

　　堿處理是指用熱的或者冷的堿液(NaOH或液氨)對纖維素原料的處理。

　　通過對植物纖維的特點分析可知,堿處理可以有效降低植物纖維中的半纖維素和木質素,并部分降解纖維素。

　　化學法能較為明顯地提高植物纖維的反應活性,提高降解效率;但由于其處理過程中使用化學試劑,對設備防腐要求較高,并且脫除了植物纖維中的一部分組成,不利于材料的充分利用,酸堿的加入使其預處理產物的進一步降解方法受到了限制,只適合于化學法降解。

　　3.1.2物理法

　　物理預處理法包括機械粉碎、微波、超聲波、高能輻射、汽爆等方法。

　　機械粉碎是指通過機械方法(如球磨、振動磨等)將植物纖維原料進行粉碎處理。

　　通過機械能使植物纖維發生斷裂,并使纖維素與木質素之間的結合變弱,乃至分離。

　　超聲波、高能輻射等方法是通過超聲波或者高能射線輻射對植物纖維進行處理,使纖維素分子中的氫鍵得到破壞,有效降低纖維素的結晶度,同時使纖維素、半纖維素以及木質素之間的結合力下降,變成松散的結構。

　　微波法、汽爆法等是指在微波或者高溫高壓的條件下使植物纖維細胞壁內的水分汽化[7],并與細胞壁內的空氣形成高壓沖出細胞壁上的紋孔對,由于紋孔對的微細,來不及瞬間完全釋放,造成細胞壁的爆裂,使纖維素、半纖維素以及木質素之間的連結變得疏松,降低纖維素的結晶度。

　　物理處理方法處理過程中不會造成原料損失,通常不用添加其他化學試劑,對環境沒有污染,處理后產物能適用于各種降解方法;但物理處理方法也存在能耗高、設備費用高等缺點。

　　3.1.3生物法

　　生物法是通過白腐菌等微生物對植物纖維進行預處理,經過處理后,通常植物纖維中的木質素得到有效降解,同時纖維素和半纖維素也得到不同程度的降解[8]。

　　纖維素酶水解工藝中幾個關鍵的問題包括酶的解吸附、不同酶的協同作用、酶的產物抑制的消除、高產纖維素酶的菌種選育和高活力與熱穩定性酶的生產及酶水解工藝,這些都是未來的研究重點。

　　生物處理法具有能耗低、條件溫和等優點;但由于微生物的作用周期長,造成生產周期長,不利于實現工業化生產。

　　3.2植物纖維的降解方法

　　植物纖維降解的方法主要有生物降解、化學降解等。

　　3.2.1生物降解

　　植物纖維的生物降解主要是微生物在酶的作用下的降解[7]。

　　產物可用作燃料以替代傳統燃料,植物纖維的生物降解主要包括微生物種類和相應酶的篩選。

　　植物纖維中纖維素的生物降解大部分都是微生物作用的結果,主要降解途徑為基于水解酶的作用,大多為內葡聚糖酶或外葡聚糖酶或類似的酶,主要有外切酶、內切酶和β-糖苷酶,有些酶可能也會裂解成不同種類的多聚碳氫化合物。

　　降解纖維素的主要參與者是纖維素酶類型的水解酶復合物。

　　這些酶主要由真菌形成。

　　半纖維素的降解酶的種類主要有木聚糖酶、甘露聚糖酶、阿拉伯聚糖酶、阿拉伯半乳糖酶和木葡聚糖酶等多種酶,參與木質素降解有關的酶主要有木植物過氧化物酶、錳過氧化物酶和漆酶等。

　　生物法即酶水解由于其降解過程中不產生任何污染物,具有綠色環保的特點,被認為是很有前景的降解工藝。

　　生物法水解中催化水解纖維素生成葡萄糖需要多種水解酶。

　　酶解糖化工藝中酶的消耗量大,而纖維素酶的合成需要不溶性纖維素誘導,生產周期長,生產效率低。

　　3.2.2化學降解

　　植物纖維化學降解是指植物纖維在化學溶劑、催化劑等的存在下在一定溫度、壓力下降解為液態材料的降解方法,植物纖維的降解主要分為高壓降解和常壓降解兩種。

　　(1)植物纖維高壓降解技術是指在溶劑的存在下,反應條件為:溫度200~400℃、壓力為5~25 MPa的條件下降解2min至數小時的工藝[9]。

　　其中包括超臨界降解,超臨界降解技術是用超臨界流體(苯酚、水、酒精等)降解植物纖維,使其降解成低分子化合物的工藝。

　　高壓降解具有反應迅速,反應容易控制等優點;但對設備要求較高,而且能耗高,限制了其工業應用。

　　(2)植物纖維常壓降解是在降解劑(通常包括溶劑和催化劑)中,在常壓條件下使植物纖維降低分子量,使之與降解劑反應轉化為分子量分布廣泛的液態混合物的過程。

　　常壓降解具有反應條件溫和、設備簡單的特點。

　　影響植物纖維常壓降解效率的因素包括反應條件(溫度、時間)、降解劑的選擇(種類以及用量)[10~15]。

　　目前各種實驗常用的降解溶劑主要有苯酚、環碳酸鹽和多元醇等,但各自存在不同的問題,如環碳酸鹽具有成本高、回收困難等缺點,苯酚具有毒氣大、回收困難等缺點。

　　相對而言多元醇是較為可靠的降解溶劑。

　　常壓降解過程通常使用的催化劑是強酸,對生產設備的腐蝕性較高,增加了生產成本。

　　4結語

　　目前世界各國對植物纖維的降解做了大量研究,其降解機理已經研究得較為成熟。

　　通過分析植物纖維的特點,根據需要以及用途采用合適的降解方法,并相對應的選擇適合的預處理方法,有助于改變當前植物纖維低利用率的現狀,有利于提高植物纖維的高附加值利用。

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　　植物纖維發泡緩沖材料的應用【2】

　　摘要： 石油資源緊張、環境保護要求越來越高，植物纖維緩沖包裝材料受到了越來越多的重視。

　　本文概述了植物纖維緩沖包裝材料與EPS類發泡緩沖包裝材料比較原料的資源優勢、綠色環保優勢，制作理論基礎研究，制品的性能特點以及國內外目前的開發利用現狀。

　　關鍵詞： 植物纖維;環境保護;發泡緩沖材料

　　0引言

　　目前，在日常家用電器、精密儀器、電子計算機、電子元器件等包裝材料中大量使用的是聚苯乙烯(EPS)、聚氨酯(PU)類發泡緩沖包裝材料，它是一種高分子化學合成材料，主要來源于石油，并且其包裝廢棄物，不能自然降解和完全回收，因此資源浪費現象非常普遍。

　　根據“蒙特利爾議定書”規定，要求全面禁止采用氟利昂生產EPS，但是很多國家沒有落實[1]。

　　隨著能源短缺問題、環境問題的加劇，這些不能自然降解和回收利用的EPS類緩沖包裝材料的應用將受到越來越大的限制，開發環保、可降解的綠色的植物纖維發泡緩沖材料成為近年來的研究熱點。

　　綠色的植物纖維發泡緩沖材料是指使用可回收利用、可降解的植物纖維、黏合劑和發泡劑為原材料制成緩沖性能較好的發泡紙制品[2]。

　　1植物纖維發泡緩沖材料可行性制備基礎工藝

　　植物纖維是天然高分子材料，含有多個羥基，纖維素分子間具有極強的氫鍵作用。

　　這些羥基不僅締合成分子內氫鍵，而且締合成分子間氫鍵，增強了纖維素分子鏈的線型完整性和剛性，但僅靠植物纖維本身的強度和韌度不足以抵抗外界的壓力以及沖擊，而造成包裝變形。

　　為保證植物纖維發泡緩沖材料具有良好的強度和緩沖作用，需要添加增強劑、發泡劑等其它化學物質以提高其強度，以達到工業應用的目的。

　　目前的發泡工藝有以下兩種[3]：

　　①蒸氣發泡法。

　　通過水蒸氣向外散發時的疏散作用發泡，形成顆粒型發泡植物纖維紙漿的制作工藝，這種方法制作發泡制品不污染環境是最佳的綠色發泡方法，但抄造的設備和成本較使用化學發泡劑發泡的高，希望通過實驗研究降低蒸氣發泡法的成本。

　　②化學發泡法。

　　化學發泡劑添加至植物纖維紙漿中，加熱至一定的溫度，發泡劑熱分解產生氣體而發泡。

　　發泡劑分為有機發泡劑和無機發泡劑。

　　2環境保護及資源開發

　　植物纖維的化學結構是1，4-β-D-呋喃式失水聚葡萄糖，因此由植物纖維制備的緩沖包裝材料具有很好的生物降解性、環境保護性。

　　它主要來源于木材及植物秸稈等可再生的有機資源，每年地球上植物纖維的產量大約1500億噸，來源十分廣泛[4]。

　　3開發利用現狀

　　植物纖維發泡緩沖材料，最早使用的是瓦楞紙襯墊、隔板以及廢紙條等。

　　這些纖維制品緩沖性能并不理想，與EPS發泡塑料比較優勢不大。

　　但是，因為能源問題、環保問題，EPS泡沫塑料制品被淘汰和禁止勢在必行。

　　目前，可替代EPS泡沫塑料的替代品有以下幾類。

　　3.1 植物纖維發泡緩沖材料

　　目前常用的原料有：農作物秸稈纖維，廢紙纖維、棉纖維、麻纖維等。

　　這種材料在低應力條件下，具有比聚苯乙烯泡沫塑料更好的緩沖性能，而且可降解、原料價廉易得。

　　3.2 二次纖維和淀粉為原料制成的包裝緩沖材料

　　把回收的廢紙纖維粉碎成細末狀，再加入一定的量的淀粉混合均勻，然后用蒸汽發泡的方法使其形成多孔的小球。

　　用這種小球作包裝緩沖填料，能承受的沖撞優于苯乙烯而且價錢便宜。

　　3.3 木材纖維熱壓發泡緩沖包裝材料

　　利用聚合物發泡技術與人造板工藝技術相結合，采用碳酸氫鈉為發泡劑，采用中密度纖維板廠的人造纖維板粉碎后，加入黏膠、發泡劑等，在160℃左右熱壓發泡。

　　植物纖維發泡緩沖材料防靜電、防腐蝕性能優于EPS發泡材料，抗震性能則優于紙漿模塑產品，與木材纖維熱壓發泡緩沖包裝材料的抗震緩沖性能基本相當，但不需要熱塑成型，降低了制品的制作難度。

　　4結論

　　目前，由于石油資源日趨緊張、環境保護問題日益突出，聚苯乙烯(EPS)、聚氨酯(PU)類發泡緩沖包裝材料勢必會被植物纖維發泡緩沖包裝材料所代替。

　　植物纖維發泡緩沖包裝材料采用非化學發泡劑法發泡對環境友好，在保障使用效果的前提下也會取代化學發泡法，相信經過不懈的研究植物纖維發泡緩沖包裝材料的成本及緩沖性能會達到滿意的效果。

　　參考文獻：

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　　[4]李新平，索曉紅.纖維素纖維發泡緩沖包裝材料概述[J].包裝工程，2007，28(4)：182-184.

　　[5]駱光林，郭彥峰，徐筱.綠色緩沖包裝材料的現狀及發展[J].中國環保產業.

　　植物纖維全降解地膜的田間實驗【3】

　　【摘 要】通過地膜在田間的應用實驗，本文研究和分析了植物纖維全降解地膜和塑料地膜在定量、抗張強度、溫度、濕度等表征指標的變化規律，運用收集的田間實驗數據客觀地進行植物纖維全降解地膜和塑料地膜的性能比對，闡述了植物纖維全降解地膜的應用，以期對保護環境起到重要作用。

　　【關鍵詞】植物纖維全降解地膜;田間試驗;定量;抗張強度;溫度;濕度

　　1 塑料地膜的使用情況

　　農用地膜覆蓋技術是20世紀80年代引入我國的一項高產栽培技術。

　　由于地膜在使用過程中具有保溫、保濕、保土、保肥、防蟲、防寒等顯著優點，加上我國處于季風地帶，80%以上的耕地存在干旱、低洼或鹽堿等障礙因素，使得地膜的需求量日益增長，使用量一直位居世界第一。

　　目前，我國農田中應用最廣泛的地膜多數為超薄型塑料地膜，超薄型塑料地膜在使用周期過后會形成大量的地膜碎片，使土壤清理變得十分困難，加之塑料是單體聚乙烯或其他合成聚合物，本身具有分子量大、性能穩定、在土壤中難以分解的特性，這樣年復一年地使用，塑料地膜的殘留將嚴重降低土壤的通透性、阻礙水分和養分的運移，對農作物根系的生長有很大影響，給耕作、播種和作物的生長帶來困難，將影響我國農業的可持續發展。

　　而更令人擔憂的是，除了對農業的影響之外，土壤中裹含著大量的塑料殘膜也會對環境、水土造成危害，產生更加深遠的影響，也就是我們所說是“白色污染”。

　　2 植物纖維全降解紙地膜使用的意義

　　解決塑料地膜殘膜造成的“白色污染”成了近年來研究的熱點，解決辦法總結起來有2條：一是把地里的塑料膜都揀出來，將其進行回收;二是使用無污染可降解的地膜，讓它源于自然再回歸自然。

　　事實證明，被廣泛使用的超薄型塑料地膜在回收時很容易被扯破，進而碎成指甲蓋大小，很難撿拾。

　　即使是使用厚一些的便于撿拾回收的塑料地膜，但我國這么大的使用量，不僅單位成本較高、回收工作強度極大，而且做起來也很不容易。

　　植物纖維全降解地膜是以二次植物纖維作為原料，采用多元結合的制漿、造紙工藝加工生產的農用紙地膜，所用的原料是天然纖維素材料，纖維素是由葡萄糖基構成的鏈狀化合物，具有很好的生物相容性和生物活性，無毒且易于生物降解，可通過自然界微生物、酶降解，最終形成CO2和H2O回歸自然，因此屬綠色環保產品，采用二次植物纖維為原料能有效地降低紙地膜的成本，有利于推廣應用。

　　3 實驗材料

　　3.1 實驗所用的材料

　　(1)本色植物纖維全降解地膜：定量40g/m2，厚度0.05mm，遼寧省輕工科學研究院生產。

　　(2)黑色植物纖維全降解地膜：定量40g/m2 ，厚度0.05mm，遼寧省輕工科學研究院生產。

　　(3)塑料地膜：定量25g/m2，厚度0.008mm，吉林省白山市喜豐塑料股份有限公司生產。

　　3.2 實驗地點

　　遼寧省阜新縣中科院生態研究所863節水實驗基地中心實驗田。

　　3.3 實驗條件

　　4月中下旬開始，在自然氣候條件下，仿效實際地膜鋪設和播種深度。

　　4 植物纖維全降解地膜和塑料地膜表征指標的數據分析

　　4.1 定量的變化

　　4.2 抗張強度的變化

　　4.3 溫濕度的變化

　　溫濕度是能為農業生產提供物質和能量的主要氣候條件，適宜的溫度、濕度能使酶的活性和催化能力達到最強，這就是種子萌發的最理想條件，能改變植物根系的生長、呼吸作用與養分的吸收。

　　在自然環境不具備這一溫濕度條件時，地膜就能起到這樣的作用。

　　實驗方法：在地表面覆膜，測定膜下20cm處的溫濕度，采用日本ISUZU溫濕度記錄儀，測定圖表如圖1、圖2(圖1、圖2為隨機的同一天24h的溫濕度走向)。

　　5 結論

　　綜上所述，植物纖維全降解地膜在鋪設、作物出苗過程中，無論是在溫濕度的保持，還是在鋪設工作上，都同塑料地膜有著同樣的作用;而在降解方面，植物纖維全降解地膜在地下70d內能全部降解結束，回歸自然，這無論是對環境還是人類生存安全都有深遠的意義，將會解決“白色污染”問題，有利于保護環境、保持生態平衡和推進可持續發展。

　　參考文獻

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　　[3]中央電視臺《農田里的“白色污染”》《焦點訪談》2013年5月8日.

 

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