摘  要：本文给出了一种综合应用生物工程技术和化工技术，制备精制棉的新的技术途径（简称：生化复合处理技术），论文研究了微生物对棉纤维的脱脂作用和效果，之后再利用温和的化工技术（蒸煮工艺：温度为100℃，压力为常压，时间5小时，氢氧化钠碱液浓度1%）继续进行脱脂处理，可以得到质量较佳的精制棉（又称脱脂棉），其α-纤维素含量96.7～99.3%，聚合度714～2093，吸湿度149.6～191.8ｇ，该技术可以显著降低能耗、物耗和减少环境污染。
关键词:微生物，棉纤维，脱脂，复合处理，精制棉

1、引言
    鉴于国内外还没有相关文献报道精制棉的“生化复合处理技术”，而与之相对近似的技术是纺织行业的纺织品生物酶精炼脱脂技术，该法是利用生物酶分解原纤维中杂质的方法。该技术与传统碱煮练技术比综合成本降低，废水产生量及COD减少。同时由于大多数酶呈现绝对或几乎绝对专一性，只催化一种底物反应，因此酶精练技术处理方法得到的脱脂棉存在脱杂不彻底，生产周期较长的缺点。微生物细胞中有个器官叫溶酶体，它的内部有许多种类的酶，不同的酶具有不同的功能，不同的微生物所包含的酶有明显的差别。我们提出用微生物来处理棉纤维的杂质，就是选用相对合适的微生物，利用微生物的代谢作用，通过其中的酶对底物进行催化转化，进而降解、分解掉部分棉纤维中的各种杂质，余下的杂质利用温和的、简化的化工技术进一步处理，然后得到纯度较高的脱脂棉。从技术上比较生化复合处理与生物酶精练工艺都具有节能、降耗和环境友好、清洁生产的技术特点。我们发明的用微生物处理加化工技术处理棉纤维，从而得到精制棉的技术在生物处理阶段与纺织品的酶精练工艺有一定的相似性，我们采用的是细菌类微生物，它对底物的适用范围是很广泛的，这一点与生物酶区别较大，因此在处理棉纤维的杂质上细菌类微生物比生物酶有更大的优势。我们通过查新，没有发现国内外有利用微生物处理加化工技术处理（简称：生化复合处理技术）棉纤维得精制棉的相关文献报道。
2、原理部分
    本技术对棉纤维的脱脂原理是首先利用微生物在新陈代谢的过程中对有机物的降解、分解作用，处理掉部分棉纤维的杂质，余下的杂质再继续用温和的化工技术进行处理，因此该技术有两个阶段，一是生物技术处理阶段，二是化工技术处理阶段。
2.1  生物技术处理阶段的原理
2.1.1  棉纤维的微观结构及杂质组成
     据相关文献介绍，棉纤维有较为特殊的微观结构，是一种中间空心的管状物，每一根棉纤维由外到内均由角质膜、初生壁、次生壁、纤维腔四部分组成，绝大多数杂质都包含在角质膜和初生壁中，而 95%以上的纤维素包含在次生壁内。棉花的杂质是其生长过程中的伴生物，一般分为两大类，一类是多糖类及衍生物；另一类为非糖类物质。从上面的介绍可看出棉纤维的一些特点：一是大多数的杂质都在棉纤维的外表面；二是大多数的有效成分α-纤维素在里层；三是大多数的杂质都是有机物。
2.1.2  微生物的代谢作用
    微生物在生存繁衍的过程中需要营养物质来维持其新陈代谢作用，这些营养物质几乎都是有机物，棉纤维的各种杂质对微生物来说正好是它们的营养物质，因此筛选合适的微生物是首先要做的工作。
2.1.3  微生物对棉纤维的脱脂除杂原理
    生物处理试验原理：将棉纤维与微生物混合均匀，利用微生物的新陈代谢作用，降解、分解部分棉纤维中的各种杂质，特别是对稳定性较好的果胶质能进行很好的降解、分解，该过程实质上属于生物发酵，经过了这一步的微生物处理后，棉纤维中的杂质被除去部分，从而达到对棉纤维的“脱脂”目的，这种生物脱脂的作用和化学脱脂的效果是一样的，但生物脱脂过程几乎无“三废”产生，我们将这一步的产物称为“发酵棉”，此时发酵棉已具有脱脂棉的部分特性。
2.2  化工技术处理阶段的原理
2.2.1   化工技术处理
“发酵棉”中还剩余有一些杂质未被微生物处理掉，将之继续用温和的化工技术进一步处理，去掉杂质，得到质量较好的精制棉。
2.2.2   老技术简介
   我们将该行业目前通用的传统化工技术称为“老技术”， 它的脱脂原理是利用约3.5%的烧碱溶液在高温（150℃左右）、高压（4.5㎏/㎝2以上）下与棉花一起蒸煮，经过约5小时的作用，棉花中的杂质几乎都被除去并进入到碱液中，再经漂白、干燥得到脱脂棉。
3、实验部分
3.1  生物技术处理阶段
   称取0.15克微生物，放入20毫升水中，24小时后用水稀释到3000毫升，生物脱脂液配制完毕。称取3000克棉短绒，与生物脱脂液充分混合，然后将棉短绒脱水、疏松，放置在容器中自然存放，要求条件，温度保持在15℃以上，相对湿度不低于75%，注意通风，在这样的条件下，微生物开始降解、分解处理棉短绒中的杂质。如此继续维持上述条件72小时，在此期间微生物对棉短绒中的杂质进行了较充分的处理，到此已经得到有较好脱脂效果的棉短绒，我们将之命名为“发酵棉”，为了验证微生物的脱脂效果，取样测试“发酵棉”的吸湿度，分析方法按照GB/T9107-1999中的规定执行，测试数据列入表1中。
3.2  化工技术处理阶段
   将发酵棉用次氯酸钠漂白，然后进行水洗，脱水后将之放入在1%浓度的氢氧化钠溶液中，刚好淹没即可，常压下加热沸腾，维持5小时，之后排除废液（此废液的分析结果见表3），用80℃的水洗涤一次，排水后再次漂白、驱氯，接下来用水洗涤一次，最后脱水、烘干，得到精制棉。取样测试精制棉的主要质量指标，分析方法按照GB/T9107-1999中的规定执行，测试数据列入表2中。
4、结果与讨论
4.1  生物技术处理阶段：吸湿度是精制棉的主要指标之一，我们以此作为依据，判断微生物对棉纤维的脱脂效果，发酵棉的相关吸湿度分析数据列入下表1。

表1：发酵棉的吸湿度数据

4.1.1  表中数据说明：
4.1.1.1  吸湿度的分析方法按照GB/T9107-1999执行。
4.1.1.2  1#样品的生物技术处理时间是72小时（3天）。
4.1.1.3  之后每隔24小时（1天）取一个样，进行吸湿度分析。
4.1.1.4  19#样品是最后一个样，时间是第21天。
4.1.1.5  所用的棉短绒的质量等级是Ⅱ类1级
4.1.1.6  试验是在4、5月份的常温、自然状态条件下进行。
4.1.1.7  表中的数值是分析双结果的平均值。
4.1.2  结果讨论
4.1.2.1  从表1的数值看，棉短绒经过生物技术处理后得到的发酵棉，已经具有精制棉的特性，其吸湿度数值较大，说明生物技术处理有除去其杂质的作用，有了不错的脱脂效果。
4.1.2.2  12#的吸湿度数值是86.2，明显很低，试验中没有理由来说明产生这个异常的原因，我们省略这一结果，不纳入本讨论（但它经过碱煮后吸湿度完全合格，见表2数据）。
4.1.2.3  其余18个样品的吸湿度最高是14#样128.3g，最低是7#样107.8g，两者比国家标准的最低值相差 11.7g和32.2g。
4.1.2.4  从结果数据看，吸湿度与生物技术处理的时间长短没有显现规律性的变化，只要经过大约三天的处理，就有比较好的脱脂作用。这些实验同时还说明仅利用生物技术处理棉短绒，不容易达到非常好地除去杂质的目的，因此结合后面的化工处理技术，才能较好地除去棉短绒中的杂质。
4.2  化工技术处理阶段：此阶段我们分析精制棉的α-纤维素、聚合度、吸湿度这三个主要特性作为判断指标，其分析结果如下表2。

表2：发酵棉经碱煮后得到的精制棉三个主要指标数据

4.2.1  表中数据说明：
4.2.1.1  三个主要指标的分析方法按照GB/T9107-1999执行。
4.2.1.2  表中的样品编号和生物技术处理时间与表1完全一致，取发酵棉进行碱煮时，每个样品的重量都是120克。
4.2.1.3  8#样品的吸湿度分析结果意外丢失。
4.2.2  结果讨论
4.2.2.1  5#、10#样在碱煮时采用的是与“3.2条”完全不同的工艺，属于异常结果，不在这里参与讨论。
4.2.2.2  从分析结果看，发酵棉经过碱煮，最后得到的精制棉的主要质量指标符合国标要求，说明碱煮后能够进一步很好地除去其余下的杂质。
4.2.2.2  从分析结果看，经不同生物技术处理时间的发酵棉，在碱煮工艺一样的情况下，得到的精制棉的主要质量指标，没有显现规律性的变化，这从另外一个角度说明，要想有针对性地得到某组符合标准要求的精制棉，还需要在工艺上进一步优化。
4.3  碱煮废水的污染物分析结果
表3：碱煮废水的污染物分析指标。

4.3.1  碱煮时使用新配制的1%浓度碱液。
4.4  附带说明：
4.4.1  上述研究主要是验证了本技术的创新思路和技术原理，以及在这种新技术的指导下能够制备质量较好的精制棉。
4.4.2  上述研究试验的出发点是从工业化应用的角度进行的，而且研究依据的工艺参数固定不变，没有研究各工艺参数变化对精制棉指标变化的影响规律，因此今后这方面还有大量的工作要做。
4.4.3  由于新技术的技术原理与传统技术有明显区别，理论性的问题同样很多，需要今后进行大量的研究，这里不再探讨。
4.4.4  作为一种节能减排、清洁生产的精制棉生产新技术，我们希望通过自己的研究，起到抛砖引玉的效果，能够得到同行们的帮助与指导。
5、结论
    通过我们的研究，证明了复合运用生物技术与化工技术，可以得到质量指标较好的精制棉，生产过程的技术条件温和，其能源消耗、氢氧化钠的消耗都大幅度减少，达到了节能、减排、降耗的目的，相应的生产成本也得到了明显下降，因此该技术在工业化应用方面有良好价值，我们认为通过更深入的研究、改进，有可能改善该行业令人头疼的环保问题，在零排放和资源化利用方面给人很大的想象空间。
6、致谢
    本文作者向负责实验室技术工作的卢连相先生深表感谢，向参与试验操作工作的曾应辉、周正群表示感谢，向为作者提供理论帮助的四川大学张永奎教授、四川化工职业技术学院黄勇博士表示感谢。

参考文献：
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[3]  李钦﹒药用植物学﹒中国医药科技出版社，2006.3
[4]  З.А.罗果纹著，中国科学院应用化学研究所纤维素化学译校小组译﹒纤维素及其伴生物化学﹒科学出版社，1958.
[5]  李之工编译﹒纤维素物理化学﹒1965.
[6]  上海化学纤维工业公司﹒棉浆泊生产技术教材﹒1981.
[7]  厉宝琯，白文英，王继勋﹒硝化纤维素化学工艺学﹒国防工业出版社，1982.

                                                              四川泸州华中化工厂   白建华