绿色生物制造①
编者按 为实现我国“双碳”目标，需大力促进纺织、造纸、制药等重点行业的节能减排，而生物技术的应用，无疑会加快这些行业绿色转型的脚步。为此，本报推出“绿色生物制造”系列报道，聚焦生物技术如何助力传统产业走出高能耗、高污染之困。
如果将现在的纸张与过去进行对比，不难发现这些年来纸质变得越来越好，也越来越白。
然而，光鲜亮丽的纸张背后，却隐藏着造纸工业难以摆脱的高污染、高能耗的“原罪”。
与此同时，我国人多树少，木质原料纸浆极度短缺，造纸原料长期依靠进口原生纸浆和废纸。根据生态环境部和其他部委联合发布的公告要求，我国已于2020年底基本实现固体废物零进口，依靠进口废纸造纸已行不通。
近年来，在环保和成本的双重压力之下，秸秆等非木质原料，以生物酶辅助处理的高得率机械浆正在使造纸行业的原料结构发生微妙变化，为该产业尤其是包装纸产业带来一场变革。
纸张背后的行业之痛
造纸术是中国四大发明之一，中国造纸行业常年产销量均位居全球首位，约占全球总量的四分之一。
近年来，随着互联网技术的发展，电子阅读大行其道。但在短时间内，纸张在许多领域依然不可替代，比如教材、广告印刷、生活用纸等。
不论什么类型的纸张，都要从一根木质纤维做起。“造纸原料主要是用植物材料中的木质纤维。”南京林业大学教授戴红旗介绍说，为了获得木质纤维，需要先将植物原料削片或切短；经碱水高温蒸煮或机械研磨，分离出纤维得到纸浆；纸浆经机械磨浆，并以一定浓度在造纸机上脱水形成湿纸页，再通过压榨进一步脱水，烘干成纸。
人类为了获取制造纸浆的木质纤维，必须投入大量的水、电、碱等要素，同时会产生大量黑、臭、毒的废水，以至于许多造纸企业屡屡登上环保黑榜。
我国虽然地大物博，但森林资源十分匮乏，人均森林面积只有世界人均水平的1/7，为了减少国内木材资源消耗、减轻废水排放带来的环保压力，近年来我国大量进口国外木浆和废纸，以满足我国国民经济发展的需要。
“进口木浆可以直接用于造纸，生产白卡纸、生活用纸、特种纸等；而进口废纸主要用于生产纸板、包装纸和新闻纸等，比如电商快递行业大量使用的包装盒、瓦楞纸、牛皮纸等。”戴红旗说。
目前，我国造纸用浆进口比例高达40%。为了缓解造纸纤维原料不足，降低生产成本，造纸企业开始转向合理应用性价比高的非木质原料。
“制浆的原料分为木质和非木质两大类，除了林木以外，秸秆、竹子、芦苇、芒秆、棉秆都属于非木质原材料。”戴红旗告诉科技日报记者，过去受技术和工艺限制，非木质原料生产化学浆黑液提取率和碱回收率低，纸浆使用元素氯漂白，产生的废水不仅难处理，而且可吸附有机卤化物（AOX）含量极高，给生态环境造成巨大破坏，对人体健康也有威胁。
随着我国经济快速发展，生态环境保护及污染控制力度增强，1990年以后，几乎所有的非木材纤维制浆造纸企业都被关停。到目前为止，仅有四川等少数地区竹浆造纸企业还在运行。
非木质纤维制浆迎来新机遇
尽管非木质原料制浆生产已完全禁止，但非木质纤维利用技术的研究没有因此而止步。近年来，生物质精炼技术、高得率化学机械浆技术等成为热点，并受到业界的重视，让非木质浆重回造纸行业舞台。
“生物精炼可以将非木质纤维原料的各种组分分别资源化利用，特别是对半纤维素、木质素的高值化利用。”戴红旗告诉记者。
木质素大约占到非木质纤维原料组成的20%—40%，传统制浆就是脱除木质素，获得用作造纸原料的纸浆纤维。木质素是苯丙烷单元通过醚键、碳—碳键连接的具有三维网状结构的高分子聚合物，视植物纤维原料类型，木质素基本构成的芳香族单体有得失电子功能，能吸收紫外线，也是有应用潜力的储能材料。
过去，木质素的价值一直没有被很好开发与利用，制浆厂传统做法是把它通过燃烧回收热能利用。戴红旗介绍说，近年来，基于木质素酚羟基芳香族单体特殊功能，科研人员将木质素替代苯酚作为绿色胶黏剂、储能电解质/储能电极材料、抗紫外膜材料等。
另一个目前被看好的技术方向，是高得率化学机械浆技术。该技术不仅可以缓解我国造纸纤维原料短缺的瓶颈，而且具有在废水处理方面难度小、成本低等优点。
“这项技术抛弃了过去提取纤维素剩下半纤维素、木质素的思路，而是将木质纤维组分全利用，共同作为纸浆用于造纸。”戴红旗介绍说，高得率化学机械浆以机械方法为主，辅以少量生物酶、化学添加剂，这样一来，使制浆废水处理的工艺大大简化、成本降低，不仅可以大量替代进口商品木浆和废纸原料，而且将消除农作物秸秆焚烧所产生的巨大空气污染问题。
戴红旗透露，造纸行业已经实施了许多科研项目，并在个别企业进行试点，用麦草生物制浆做生活用纸、包装纸等。
生物酶或将促进造纸业绿色转型
实际上，在成本和环境的双重压力下，造纸业亦渴求能从污染大户转型为节能减排典范。
在使高污染、高耗能的造纸业“改邪归正”方面，生物酶制剂正在发挥着越来越大的作用。
戴红旗表示，生物酶具有专一、高效的特点。目前，生物酶应用在造纸行业的技术研究主要集中在磨浆、脱墨、漂白以及去除造纸过程胶黏物等方面。
比如，可以利用生物酶对浆料纤维的细胞壁进行改性处理，使纤维加速润涨、松软，促进磨浆的作用效果，降低磨浆能耗、提高成纸强度等。研究表明，生物酶可使磨得每吨纸浆的能耗降低41.4%。
此外，造纸工业大量回收利用废纸时，需要对其进行脱墨处理。
传统的脱墨方法是使用化学品，在适当的温度及机械作用下，将油墨粒子从纤维上分离下来，然后采用浮选、洗涤或两者相结合的方法将剥离下来的油墨粒子从纸浆中去除。生物酶法脱墨则是利用酶处理废纸，并辅助以浮选或洗涤，以及两者并用的工艺，从而除去油墨。
漂白也是造纸过程中的重要步骤。利用酶制剂，可起到“生物助漂”的效果，减少含氯漂白化学品用量，从而减少漂白废水中可吸附有机卤化物的排放量，降低环境污染。
然而，生物酶在造纸工业中的应用也并非一帆风顺。
戴红旗表示，关于生物酶技术的研发已经取得了一些成果，但是应用仍存在瓶颈。到目前为止，全世界还没有真正意义上的生物制浆厂。原因是，生物酶应用于复杂且大规模的制浆生产还存在一系列技术难题。
“此外，生物酶对原料进行预处理所消耗的时间较长，而厂家需要效率保证连续生产，所以更倾向于采用效率更高的物理或者化学预处理方式。”戴红旗说，某些酶制剂本身也存在成本较高、种类有限、受温度和酸碱性环境影响较大、效果不明显等问题。因此，现阶段生物酶技术的应用还是辅助性的，起不到主导作用。
同时，他对生物酶在造纸行业的应用前景表示乐观：“总体而言，生物酶专一性较强、效率较高，尤其对高污染、高能耗的造纸工业而言，环保效果明显，和化学品相比具有独特优势。随着技术进步，未来必将在造纸产业中占据主导地位。”
