بازنگری تحقیق خمیرسازی بیوشیمایی و بیومکانیکی
عملیات قارچی روی تراشه های چوب قبل از خمیرسازی مکانیکی موجب ذخیره انرژی برق و بهبود خواص استحکام کاغذ و کاهش محتوای pitchآن می شود عملیات قارچی برروی گیاهانی غیر جوبی مفید است و pitch آن را کاهش می دهد و از سولفیت، ارگانوسولو و تجزیه تولید خمیر کاغذ استفاده می گردد. نتایج مقدماتی با خمیر کاغذ یبوکر افت امیدوار کننده است ولی یک ارزیابی عمیق لازم می باشد نتایج آزمایشات تراشه چوب اخیراً در آزمایشگاه محصولات جنگلی در مقایسه با موارد بدست آمده توسط بیوراکتورهای مقیاس آزمایشگاه جالب بودند اقتصاد فرآیند جالب هستند و فرآیند با خمیر کاغذ موجود و کارخانجات مربوط با مقدار تغییرات انطباق دارد.
صنعت خمیر کاغذ از روش های خمیرسازی شیمیایی با ترکیبی از اینها برای تولید خمیرهای دارای ویژگی های مطلوب استفاده می کنند خمیرسازی مکانیکی شامل استفاده از نیروی مکانیکی برای جداکردن الیاف چوب است. فرآیندهای مکانیکی تولید بالا می باشند( تا 95%) و کاغذ دارای قابلیت چاپ عالی می باشد. این فرآیندها براساس روش مصرف انرژی الکتریکی هستند و کاغذ دارای استحکام کمتر محتوای pitch بالاتر و سرعت برگشت رنگ بالا( زردشدن کاغذ) در مقایسه با فرآیندهای شیمیایی می باشدخمیرسازی شیمیایی شامل استفاده از مواد شیمیایی برای تجزیه لیگنین دیواره های سلول جوب و انتشار الیاف پرسلولز است.
فرآیندهای خمیرسازی شیمایی خمیرهای دارای استحکام بالاتر را تولید می نماید ولی این فرآیندها تولید کمی دارند40 تا 50 % و خیلی پرهزینه می باشند. بیوپایپ کردن عملیات برروی مواد لیگنوسلولزی با قارچ های تجزیه کننده لیگنین قبل از خمیرسازی دارای پتانسیل برای غلبه کردن بر بعضی از مشکلات همراه با روشهای خمیرسازی شیمیایی و مکانیکی می باشد متن زیر به شرح و تحقیق خمیرسازی بیوشیمایی و بیومکانیکی و یافته های اصلی می پردازد.
خمیرسازی بیومکانیکی چوب:
پس زمینه استفاده از قارچهای پوسیدگی(مفید) برای لیگنین زدایی بیولوژیکی چوب شاید توسط لاوسون و استیل از شرکت خمیر و کاغذ ویرجینیای غربی در نظر گرفته شود. این محققان یک بررسی مقالات را منتشر کردند که درباره تجزیه قارچی لیگنین می باشد در دهه 1970 اریکسون از آزمایشگاه محصولات جنگلی سوئد یک بررسی جامع را انجام داد که نشان داد که عملیات قارچی می تواند منجر به صرفه جوئیهای انرژی و بهبودهای استحکام برای خمیرسازی مکانیکی شود. آن تحقیق ها یک سری مقالات رامنتشر کرد که به تجزیه قارچی درباره لیگنین اشاره دارد.
اگر چه این تحقیق با مشکلات محدودی مواجه بود ولی آگاهیهای با ارزشی را فراهم کرد عمل آوری خمیر مکانیکی درشت با آنزیم هایی از قبیل سلولازها و همی سلولازها قبل از تصفیه نیز منجر به صرفه جویی های انرژی الکتریکی و بهبود خواص استحکام کاغذ شده است. جزئیات می تواند در مقالات متعددی یافت شود مقالات ذکر شده در این بازنگری نشان می دهد که عملیات قارچی برروی تراشه های چوب برای خمیرسازی مکانیکی می تواند فواید گوناگونی داشته باشد یک ارزیابی جامع خمیر سازی در 1987 در آزمایشگاه محصولات جنگلی تحت نظر کنسرسیوم بیوپایپ انجام گرفت.کنسرسیوم شامل FPL دانشگاه های میسنوتاوویکانکین به 22 شرکت خمیر و کاغذ خاتمه می یابد.
هدف کلی عبارت از ارزیابی جامع فن اقتصادی پیش عملیات قارچی را خمیرسازی مکانیکی برای صرفه جویی انرژی و یا بهبود استحکام کاغذ بود. تحقیق کنسرسیوم توسط تیم های تحقیقاتی مختلفی انجام گرفت. در این مقاله ما برروی تحقیق انجام شده توسط تیم های مهندسی و خمیر و کاغذ کار کردیم و یافته های اصلی در بخش های بعدی شرح داده می شوند.
“انتخاب قارچهای تجزیه کننده لیگنین”
جداکردن قارچ های پوسیدگی بدنبال روشهای انتخاب قارچ هایی صورت گرفت که لیگنین را ترجیحاً تجزیه کرد. یکی از مناسبترین روش ها یک ارزیابی پوسیدگی با استفاده از بلوک های چوب د ر محفظه های خاصی است. این قارچ ها با توانایی انتخاب تجزیه لیگنین برای خمیر سازی بیومکانیکی مناسب بودند اخیراً یک روش سریعتر و آسانتر با استفاده از رنگ آمیزی توسعه یافت که راندمان عملیات قارچی را در طی خمیر سازی بیومکانیکی توسط رنگ کردن انتخابی برای الیاف در خمیرهای درشت پیش بینی می کند. این روش اکنون برای کمک به بهینه کردن فرآیند بیوپایپ و انتخاب گونه های جدید بکار می رود. پس از جداکردن بیش از 400 نمونه این کار انجام گرفت.
بهترین قارچ هایی که تا این تاریخ یافت می شوند عبارت اند از هستند.* ارزیابی قارچ های انتخابی برای خمیرسازی مکانیکی قارچ های سفید غربال شدند همانطوریکه برای توانایی آنها جهت کاهش نیاز به انرژی الکتریکی و بهبود خواص استحکام کاغذ در طی خمیرسازی مکانیکی پالایش کننده ارزیابی شدند. فرآیند شامل تراشه های جوب با قارچ ها در بیوراکتورها در یک مقیاس رطوبت و دمای مناسب است که با خمیرسازی مکانیکی کنترل و تراشه های قارچ در یک تصفیه کننده اتمسفری تهیه کاغذ و بررسی کاغذ از لحاظ خواص فیزیکی دنبال می شود .
” صرفه جوئی های انرژی و خواص فیزیکی”
قارچهای آزمایش مقادیر زیادی از انرژی الکتریکی و استحکام کاغذ بهبود یافته را ذخیره کرد. متاسفانه موثرترین قارچ ها برروی کاج نسبتاً غیر موثر است. با این حال کشف کردیم که یکسری انواع قارچ غیر متداول برروی هر دو گونه چوب موثر بود. پس
از بخاردادن دمای تراشه های نزدیک به C 100 حداقل در سطح می باشد.
Inculumm” ” : در هر فرآیند میکروبی صنعتی اینوکولوم اهمیت مهمی دارد و در آزمایشات قبلی تراشه های چوب بصورت اینوکولوم استفاده می شوند در بررسیهای اخیر ما یک اینوکولوم مایع از سابورمسیلپورا را بر روی تراشه های کاج ارزیابی کردیم از آنجائیکه این قارج هاگ ها را تولید نمی کنند و ریسه استفاده شد که احتمالاً خیلی زیاد است. یک کاهش قابل توجه توسط افزودن لیکور ذرت بدست آمده که یک محصول فرعی صنعت آسیاب کردن تر ذرت است . اضافه کردن لیکور ذرت استریل نشده 0.5% مقدار اینوکولوم به کمتر از 5g/ton (براساس وزن خشک چوب) از چوب کاهش داده می شود بدون آنکه راندمان بیوپالپ کردن قارچ قربانی شود( جدول I ) لیکور ذرت نسبتاً ارزان است.
این مقدار از اینوکولوم احتمالاَ در داخل یک محدوده جذاب خوب می باشد. از آنجائیکه لیکور ذرت بطور وسیعی در آمریکا تولید می شود شرکتهای خمیر و کاغذ باید بتوانند یک تولید منظم از نزدیکترین محل و حداقل سازی هزینه های حمل و نقل بدست آورند اجزای لیکور ذرت که مسئول تاثیر سودمند هستند معلوم نمی باشند. یک مقاله درباره استفاده از لیکور ذرت در بیوپایپ کردن صادر شده است.
بررسی های سفیدکردن: عملیات قارچی بطور چشمگیری روشن کردن خمیرهای مکانیکی حاصل را کاهش دادند. ولی بررسیها نشان داد که خمیرها می توانند به آسانی با هیدروسولفید سدیم یا پراکسید هیدورژن قلیایی سفید شوند خمیر بیوشیمایی تا حدود 60 % درخشندگی Elrepho با پراکسید هیدورژن 3% سفید شد و هیدروسولفیت سدیم 7% بکار رفت که یک درخشندگی مناسب برای روزنامه است مقادیر درخشندگی که به 80% برسد با یک توالی نیمه کردن دومرحله ای همراه است . بنابراین قابلیت سفید کردن خمیرهای بیومکانیکی یک مسئله بنظر نمی رسد.
تحلیل های افلوئنت ها: نمونه های فاضلاب از اولین عبورهای تراشه های کاج از لحاظ مسمومیت میکروتوکس تقاضای اکسیژن بیوشیمیایی (BOD) و تقاضای اکسیژن شیمیایی بررسی گردیدند عملیات قارچی اساساً مسمومیت را کاهش داد و مقادیر BOD افزایش یا کاهش یافت که بستگی به شرایط آزمایش دارد ولی تا حدی مقادیر COD در مقایسه با مقادیر برای افلوئنت های کنترل مقایسه گردید. مقادیر COD افزایش یافته ممکن است ناشی از انتشار محصولات مرتبط با لیگنین از عمل قارچی می باشد.
بررسی های میکروسکوپی : برای حصول آگاهی به مکانیزم بیوپالپ کردن ما الگوهای رشد قارچی کرسیسوسپوریم و ساب ورمسیپورا در تراشه های چوب در سطح میکروسوپی را بررسی کردیم و در سطوح تراشه و در سراسر دیوارهای سلول رشد کردند. که در تراشه ها از طریق لومن های آوندهای چوب و سلول های الیاف و هچنین از طریق پونکتواسیونها سلول طبیعی و سوراخ های قارچی صورت گرفت. فرسایش و جداسازی دیوار بطور آشکار مشهود بود همانطور که ورم کردن و آرایش ساختار دیوار سلول چوب را تعمیم داد. جالب اینکه بعضی از قارچ شامل ساب ورمسیپورا کریستالهای اکسالات کلسیم فراوانی را برروی رسوبات منیزیم در نواحی موضعی برروی دیوارهای سلول چوب تولید کرد.
رسوب کلسیم و منیزیم درچوب پس از یک نهفتی نسبتاً کوتاه با ساب ور مسیپورا رخ داد. مشاهدات ما پیشنهاد کرد که پایه فیزیکی برای کارآیی ببوپالپ کردن عملیات قارچی احتمالاً شامل یک نرم کردن و ورم کردن دیوارهای سلول و همچنین جداسازی در نواحی موضعی می باشد. بررسی های بعدی نشان داد که الیاف بیوپالپ شده پرزدارشدن را در مقایسه با الیاف خمیر مکانیکی افزایش داده است. و اینکه در اندازها خرده چوب تاثیر بسیار کمی برروی راندمان بیوپالپ کردن قارچ دارد.
“کاهش picth “: pitch به مخلوطی از مواد هیدروفوبی گفته می شود که باعث مشکلاتی در تولید خمیر کاغذ می شود که شامل توقف ماشین آلات کاغذسازی و سوراخ هایی کاغذ سازی است. واکنش خرده های چوب با فارچ های مختلف در کاهش مقادیر چشمگیر pitch مناسب بوده است. از بررسیهای آزمایشگاهی نشان داده ایم که بهترین قارچ بیوپالپ کردن می تواند تا 30% از عصاره ها در مقایسه با کنترل حذف نماید.
” خمیرکردن یومکانیکی گیاهان غیر چوبی “: حفظ جنگلها و افزایش آگاهی محیطی بر روی کشف منابع کشاورزی برای کاغذسازی تمرکز کرده اند بویژه کشورهای در حال توسعه از چنین منابعی برای کاغذسازی در یک مقیاس تجاری استفاده می کنند. با این حال در آمریکا کاربرد آنها تقریباً ناچیز است و اگر چه حدود 330 میلیون تن از بیوجرم گونه های کشاورزی گوناگون موجود است. فرایندهای خمیرسازی شیمیایی استاندارد نوعاً برای خمیرسازی از الیاف کشاورزی استفاده می شوند این فرآیندها انرژی بر هستند و مستلزم سرمایه گذاری زیاد است.
و به آلودگی آب و هوا کمک می کند بررسی هایی در همکاری با دانشگاه بخش جنگل بانی ویسکانسین نشان داده اند که عملیات قارچی کنف قبل از خمیرسازی مکانیکی حداقل 30% از انرژی برق بکاررفته در طی تصفیه را استفاده کرد و خواص استحکام کاغذ بهبود یافته( جدول II ) بیوپالپ کردن باگاس نتایج امیدوارکننده ای را نشان داده اند. این یافته ها پیشنهاد می نمایند که فنآوری بیوپالپ کردن دارای پتانسیل برای کاغذسازی از گیاهان غیرچوبی می باشد.
“خمیرسازی بیوشیمیایی “: درخمیرسازی شیمیایی هدف خذف لیگنین از چوب و باقی گذاشتن سلولز و همی سلولز می باشد. ولی فرآیندهای شیمیایی بطور کامل انتخابی نمی باشد و تمایل دارند که پلی ساکاریدها را تا اندازه ای تجزیه می نمایند. عملیات قارچی بر روی خرده چوبها برای حذف لیگنین واصلاح لیگنین انجام می شود. این تغییرات ممکن است حذف لیگنین را در فرآیند خمیرسازی بعدی آسانتر نماید.
همانوطور که قبلاً ذکر گردید عملیات قارچی باعث نرم و متورم کردن سلولهای چوب می شود و این احتمال وجود دارد که این تغییرات بوجود آمده و اصلاح حذف لیگنین منجر به نفوذ شیمیایی بهبود یافته در طی عملیات خمیر سازی شود که می تواند منجر به قابلیت سفیدشدن خمیرهای با کاپای کمتر و کاهش زمان و دمای پختن و کاهش نیازهای شیمیایی خمیرسازی و کاهش بار پس آب باطله گردد.
” خمیرسازی بیوسولفیت” : فرآیندهای خمیرسازی سولفیت شامل موارد متعددی است که در باز base بکار رفته برای مواد شیمیایی خمیرسازی و همچنین PH لیکور خمیرسازی تفاوت دارند. خمیرسازی سولفیت بستگی به لیکور بر پایه کلسیم با اسیدیته بالا(PH1-2) دارد. در نیم قرن اخیر بازهای محلو لتری از سدیم، منیزیم، و آمونیوم مورد استفاده قرار گرفته اند. استفاده از این بازها دامنه تغییرات PH احتمالی را به شرایط اسیدی کمتر توسعه داده است طوری که خمیرسازی سولفیت اکنون در PH 3 تا 5 انجام می شود و خمیرسازی نیمه شیمیایی وسولفیت خنثی(NSSC) در 7-9PH انجام می گیرد. در آمریکا 14 کارخانه روش سولفیت درحال کار می باشند.
مقررات اخیر (EPA) کاهش فاحش در تخلیه های آب و هوا را پیشنهاد می کند و فنآوری های جدید برای تامین این مقرارت لازم هستند. بررسی های اخیر پیشنهاد می نمایند که فنآوری بیوپالپ کردن می تواند به این مقررات کمک نماید و نتایج به شرح زیر خلاصه می شوند.
” خمیرسازی با منیزیم( سولریت)”در یک بررسی خمیرسازی سولفیت بر پایه منیزیم فیشبر نشان داد که عملیات 2 هفته ای با ساب ور میسپور را از چوب منجر به کاهش کاپا به میزان تقریباص 30% با هر دو چوب می شود. عملیا ت قارچی طولانی تر منجر به کاهش کاپای بیشتر گردید. این نویسندگان گزارش کردند که یک کاهش در زمان پخت و پز با عملیات قارچی وجود دارد.
“خمیرکردن سولفیت بر پایه کلسیم و سدیم” : نتایج حاصله از کاج وساب ورمسیپورا مشابه با نتایج فیشبر بودند. اسکات مقدار shive های کمتری را در نمونه های خمیر بعمل آمده در مقایسه با کنترل مشاهده کردند که نشاندهنده یک خمیر سازی کاملتر با عملیات قارچی می باشد . فلورانت های حاصل از نمونه های تحت عملیات قارچی کاهش در سمی بودن را نشان داده اند و هیچ افزایشی در مقادیر BOD,COD وجود نداشت. این نتایج، پتانسیل فنآوری بیوپالپ کردن را برای خمیرسازی سولفیت نشان می دهند.
” خمیرسازی بیوکرافت “: بررسی ها نشان داده اند که عملیات قارچی برای افزایش تولید استحکام خمیر و برای کاهش عدد کاپا و زمان پخت و پز در طی خمیرسازی کرافت موثر است. بررسی های اخیر نشان داده اند که عملیات قارچی می تواند مقدار لیکور خمیرسازی و زمان پختن را کاهش دهند و این امر باعث بهبود خواص استحکام کاغذ با افزایش درخشندگی می گردد.
با اینحال یک ارزیابی عمیق لازم است و تمام بررسی های تا این تاریخ باید بصورت مقدماتی در نظر گرفته شوند.
” عملیات قارچی برای خمیرسازی اورگانوسلو” : فنآوری ها در حال حاضر در حال توسعه هستند که تاثیر محیطی خمیرسازی کرافت را نشان می دهند. مشکل انتشار ترکیبات گوگرد فرار و افلوئنت های سفیدکردن متقاضی اکسیژن شیمیایی بالا هنوز باید برطرف شود. علاوه بر راندمان لیگنین زدایی این سیستم های حلال آلی متعدد، شرایط اسیدی می تواند منجر به تجزیه کربوهیدرات شود. در نتیجه خمیرهای دارای کیفیت کاغذسازی کم بدست می آیند. بنابراین لیگنین زدایی انتخابی بدون کاهش کوبوهیدرات لازم است. با استفاده از قارچ های تجزیه کننده لیگنین انتخابی در لیگنین زدایی سرعت ها ذکر شده اند که حتی در کاهش های وزن خمیر(کم) در خمیرسازی اورگانوسولو مشاهده می شوند.
از طرف دیگر همان مقادیر لیگنین باقیمانده می تواند در زمانهای واکنش کوتاهتر با کمک نمونه های عمل آوری شده با قارچ بدست آید و بنابراین صرفه جوئیهای انرژی در فرآیند Organosolr را موجب می شود.
عملیات قارچی برای تجزیه محصول خمیر( پالپ): تجزیه خمیر اکنون یک خمیر با تولید کم (32%-30) را با مقدار سلولز زیاد و همی سلولز1-10%) ) ولیگنین کم را تولید می نماید خمیر تجزیه کننده توسط روشهای سولفیت اسید و پری هیدورلیز – کرافت تولید می شود کاربردهای نهایی خمیر تجزیه کننده شامل سلوفان، استرهای سلولز و اترهای سلولز مشتقات گرافت و مشتقات سلولز با اتصالات عرضی می باشد. سفیدکردن خمیرهای کرافت- پری هیدرولیز و سولفیت توسط حذف لیگنین باقیمانده برای افزایش درخشندگی نهایی بدست می آید. اگر چه مواد شیمیایی سفیدکننده انتخابی ومقرون به صرفه هستند آنها باعث مشکلات زیست محیطی می شوند.