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吉兴香:让造纸科技成果走出“深闺”

时间:2022-02-14 来源:科学中国人

摘  要:
挑战棘手难题,为造纸工业带来了新气象

关键词: 造纸科技 

  造纸工业既是消费品产业,也是重要的基础原材料产业,涉及生活、文教、工农业、国防和航空航天等诸多领域。一方面传统漂白过程大多采用含氯漂剂,导致漂白过程中产生氯代酚类有毒物质,造成漂白废水生化处理难、周期长且工艺复杂等问题;另一方面传统的纸产品附加值相对较低,所以研发系列高附加值的纸和纸基材料,助力传统产业转型升级迫在眉睫。

  齐鲁工业大学生物基材料与绿色造纸国家重点实验室的吉兴香教授团队与山东晨鸣纸业集团股份有限公司、山东太阳纸业股份有限公司、山东华泰纸业股份有限公司、山东恒联投资集团有限公司在科技部、国家自然科学基金委、山东省科技厅项目的资助下,采用绿色化学和生物化学法,研发了高性能木材化学浆绿色制备与高值利用关键技术,解决了传统含氯漂白的共性技术难题,并将其应用到高性能纸基材料的制备中,形成了具有自主知识产权的关键技术体系,在合作的大型企业首先进行了推广应用。因经济和社会效益显著,2021年,相关科研项目“高性能木材化学浆绿色制备与高值利用关键技术及产业化”获得2020年度国家科学技术进步奖二等奖。
 
  上关国计下接民生
  ——“绿色”二字重千钧
 
  “白加黑”“5+2”连轴转已成为吉兴香的工作常态,在生物基材料与绿色造纸省部共建国家重点实验室里总能看到她忙碌的身影,多次承担国家级项目重大攻关任务,上关国计下接民生,这让她不敢怠慢。
 
  作为生物基材料与绿色造纸国家重点实验室常务副主任、制浆造纸科学与技术教育部重点实验室主任,吉兴香长期致力于“制浆造纸生物漂白新技术”“制浆造纸绿色化学与生物技术”“农林废弃物的高值化利用”等方面的研究,从理论到技术再到产业化,均取得了不俗成绩,此次获奖项目取得的成果更是包含众多突破传统的创新。
 
  在项目中,吉兴香带领团队系统阐释了生物-化学协同漂白与纯化纤维的作用机制,提出了木素增效溶出新理论,创新了无元素氯漂白(ECF)技术,构建了含O3漂白的年产100万吨超大规模短流程漂白技术体系,大幅度减少了ClO2的用量,大大改善了漂白废水的可生化性能,并制备出了高性能纸浆纤维,实现了木材化学浆漂白过程的绿色环保和节能减排;其次还创新了纸基材料绿色制备新技术,研发了纸浆的梯度打浆技术和自添加技术,进一步提升了传统纸和纸基材料的品质,实现了传统纸产品的升级;另外,又创新了纸浆的纯化精制技术和纤维修饰技术,并研发出了转移印花纸、纸基透明膜材料等系列新产品,实现了纸浆纤维的高附加值利用。
 
  在几十年积累的基础上,吉兴香带领团队通过挑战棘手难题,为造纸工业带来了新气象。
 
  “项目名字虽长,但说到底,核心只有‘绿色’俩字。”吉兴香点出了项目的核心竞争力。在传统的纸浆生产工艺中,纸浆的漂白通常都是通过次氯酸钠与酸发生反应,而且漂白过程需要一个半到两个小时,这通常被称作“含氯漂白”。
 
  多年攻关,吉兴香率团队最终破解了这一难题。“含氯漂白因为含有一定的毒性,因此生产过程对周围环境有潜在的危害,而且漂白时间长,对纸浆的品质也会有不良影响。”吉兴香说,“在我们的技术中,利用臭氧通过氧化作用漂白,不仅无毒,更实现了瞬间漂白,基本实现了‘零污染’。”
 
  在纸浆生产中,最终成为纸浆成分的是木材中的纤维,分离出的木质素则是让废水变黑的主要物质。在吉兴香看来,将黑液中的木质素分离出来,这样纸浆生产中产生的废液就变清了。事实上,通过攻关,他们不仅实现了废液变清,分离出的木质素还可作为木材加工的胶黏剂、颜料的分散剂、水泥的减水剂等,这样既解决了废水处理的难题,还拓宽了制浆造纸的产业链,产生了新的经济效益。
 
  从2015年开始,吉兴香团队的科研成果开始走出实验室,在晨鸣纸业落了地,在那里,有一条年产量100万吨的木纸浆生产线。其特殊之处在于全程几乎无污染,而且生产的优质纸浆也都用于高端用纸。“从实验室走进生产线,其实还有许多问题需要解决,直到2017年,整套技术体系才逐步完善。”吉兴香说,如今这条生产线已经成为该企业技术含量最高的一条生产线。
 
  坚持“学科领校”
  ——优势学科的新跨越
 
  吉兴香坦言,所做科研能有突飞猛进的进展,离不开学校造纸工程学科及实验平台的发展壮大,更离不开来自学校、企业、校友的鼎力支持。
 
  近年来,校(院)、国家重点实验室高度重视重大科研成果的培育工作,积极拓展新思路,面向国际科技前沿和国家重大需求,强化与企业的协同合作和学科交叉融合,重视国家、省部重大项目的实施,深入解读国家及山东省科技奖励工作政策和规定,注重高质量科研成果的梳理凝练,多方面采取激励政策,有效助推了科技奖励组织申报工作的顺利开展。该项国家奖的获得标志着国家重点实验室的科技创新能力和水平持续提升。
 
  吉兴香介绍,齐鲁工业大学制浆造纸工程学科是学校的传统优势学科,自建校以来就开始设立该学科相关的专业,尤其改革开放之后,制浆造纸工程学科在科学研究、人才培养、社会服务等方面得到了长足发展。
 
  依托制浆造纸工程学科,学校建成多个国家级、省部级重点科研平台。1995年,由原山东省第一轻工业厅主导,齐鲁工业大学与山东轻工科研院所、晨鸣集团、华泰集团等联合共建,组成了山东省轻工行业最早的产学研合作联盟。2006年,经山东省科技厅批准,齐鲁工业大学制浆造纸科学与技术实验室成为山东省重点实验室。2007年,该实验室成为省部(教育部)共建重点实验室。2009年,经山东省发改委批准,由山东轻工业学院牵头,山东大学、山东省造纸院、晨鸣集团、华泰集团、太阳纸业、泉林纸业等8家单位共同组建山东省制浆造纸工程实验室。
 
  2010年,制浆造纸科学与技术实验室正式获批成为教育部重点实验室。2013年,依托制浆造纸工程学科和教育部重点实验室,由齐鲁工业大学牵头,联合山东大学、华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室、山东省造纸设计研究院、晨鸣集团、华泰集团、太阳纸业、龙力集团、青岛明月海藻集团等组建的轻工生物基产品清洁生产与炼制协同创新中心,成为山东省首批立项建设的省级协同创新中心。2016年,齐鲁工业大学的制浆造纸与印刷包装重点实验室成为首批认定的中国轻工业重点实验室。同年,生物基材料与绿色造纸实验室列入省部(科技部)会商,正式筹建省部共建国家重点实验室。2018年,生物基材料与绿色造纸实验室正式获批为省部共建国家重点实验室。
 
  依托国家级、省部级各重点科研平台,围绕制浆造纸科学与技术实验室,在基础研究、应用基础研究、技术创新3个层面上,齐鲁工业大学制浆造纸工程学科实现了多项重要突破,取得了一大批原创性成果,为我国制浆造纸工业的发展作出了重要贡献。
 
  在“速生阔叶材制浆造纸过程酶催化关键技术及应用”项目中,以现代生物技术为主要手段,改革创新传统制浆造纸技术,在降低磨浆能耗、消除有毒污染物、稳定纸浆白度、提升纸浆品质、改善抄造性能和研发高档纸基新材料等方面,学科实现了国产木材资源的高效高值利用。成果自2005年起先后在世界造纸十强企业晨鸣纸业集团和国内龙头企业太阳纸业股份有限公司等20余家骨干企业推广应用,用生物酶催化技术生产出了优质木浆,并用于高级纸基材料的生产,实现了速生阔叶材的高效高附加值利用,并产生了重大的经济效益和社会效益。项目获2015年度国家技术发明奖二等奖。
 
  获得2011年度国家科技进步奖二等奖的项目“造纸纤维组分的选择性酶解技术及其应用”首次提出了废新闻纸漆酶—介质脱墨理论和树脂在浆水体系中的双层结构模型,解决了制浆造纸工业中生物酶的选择性降解关键技术体系。该技术在造纸企业的应用有力地促进了我国造纸工业技术水平的提高和企业节能减排目标的实现。
 
  “废纸生产低定量高级彩印新闻纸”项目其创新之处在于:采用85%以上的脱墨浆,通过先进制浆造纸技术的系统集成以及现代生物技术的应用,解决了废纸浆纤维品质差、阴离子垃圾干扰严重、低定量新闻纸透印等方面的技术障碍,形成了系统工程技术,并成功实施了产业化。
 
  在成果接连不断填补我国造纸业相关空白的情况下,制浆造纸工程学科还肩负着应用型工科人才培养的重任,为山东轻工造纸行业源源不断地输送着新生力量,山东省规模以上轻工企业中,半数以上的技术和管理骨干毕业于齐鲁工业大学,百余位知名企业家相继涌现,创造了山东卫视、《齐鲁晚报》等新闻媒体所称道的“老总现象”,引起社会广泛关注。
 
  以晨鸣集团为例。从20世纪80年代的县级小纸厂,到成为目前国内龙头、全球50强造纸企业,每一次技术革新和产业升级都凝聚着齐鲁工业大学校友的智慧和汗水,涌现出了董事长陈洪国、原副董事长尹同远、现副董事长胡长青等杰出校友。除了晨鸣集团,在华泰集团等大型骨干造纸企业,齐鲁工业大学毕业生相似的成长轨迹一再上演。华泰纸业股份有限公司董事长李晓亮、总工程师张凤山等一大批齐鲁工业大学校友们早已成为企业的骨干。这些杰出校友成了联系企业与母校的重要桥梁。
 
  齐鲁工业大学制浆造纸工程学科坚持“学科领校”战略,立足山东,服务行业,形成了以制浆造纸工程专业为代表的具有较大比较优势的学科专业群。通过积极开展产学研合作,近年来,与各级政府、企业、行业协会合作搭建产学研合作平台、基地、联盟等50余个,还建有校外实习基地50多个。
 
  新时代,新使命,新跨越。在新时代大背景下,齐鲁工业大学制浆造纸工程学科将秉承优良的办学传统,发挥科教融合、产教融合优势,继续营造更加浓郁的育人环境,以人才培养质量为根本,以学科建设为引领,开放办学,优化完善“工程师的摇篮,企业家的沃土”的各个培养环节,为行业和社会培养更多更好的创新创业人才,为推动行业进步和经济社会发展继续作出更大贡献。
 
  创新能力的竞争
  ——在一根秸秆中做“新文章”
 
  吉兴香也是齐鲁工业大学制浆造纸工程学科培养的优秀人才中的杰出代表。
 
  1999年7月毕业于山东轻工业学院(现齐鲁工业大学),2003年9月—2006年6月在山东轻工业学院制浆造纸工程专业攻读硕士研究生;2006年7月至今在齐鲁工业大学留校任职,从讲师、副教授做到了教授。
 
  先后主持和参与国家自然科学基金、国家重点研发计划等10项国家级项目;主持和参与山东省重大科技专项、山东省自然科学基金、山东省科技发展计划等8项省部级项目。发表学术论文70余篇,其中SCI论文50余篇,授权发明专利46项。获国家科技进步奖二等奖1项、国家技术发明二等奖1项,高等学校科学研究优秀成果奖科学技术进步奖一等奖1项和山东省技术发明奖一等奖1项,国家专利优秀奖2项、山东省专利一等奖2项等。入选第三批国家“万人计划”科技创新领军人才、首批山东省泰山学者青年专家、山东省有突出贡献的中青年专家、中国蔡伦青年奖获得者。获山东省先进工作者、山东省三八红旗手、山东省教育系统优秀共产党员等荣誉称号。吉兴香在科研、教学方面均作出了突出贡献。
 
  作为一名科教工作者,吉兴香时刻关注着国家的各项方针政策。
 
  “关键核心技术被‘卡脖子’,正是当下中国遭遇的发展瓶颈之一。”吉兴香认为,大国间的竞争,越来越体现在创新能力的竞争上。谁抓住核心技术,谁就能拥有未来。然而在某些产业方面的“卡脖子”问题,严重制约了国家的发展。“而我们正瞄准这些问题,凝心聚力,攻坚克难。”吉兴香说。
 
  吉兴香深知加强基础研究,提升原创力对国家重点实验室的重要意义。她承担着一项项重量级科研项目,并在原创理论和“卡脖子”技术上多有斩获。
 
  “绿水青山就是金山银山”这一理念历久弥新,越来越彰显出其强大的生命力,也成为吉兴香科研上的坚守。一根被遗弃的秸秆可以做成什么“宝贝”?从垃圾中如何淘出“金子”来?在生物基材料与绿色造纸省部共建国家重点实验室里,她带领团队找到了答案。
 
  吉兴香主持的国家重点研发计划“废纸替代清洁生产工艺及固废源头减量集成技术”实现了不少突破。在国内,他们率先提出用农业秸秆生物机械浆替代进口的技术和方案,解决农林废弃物替代进口废纸面临的重大科学问题与技术瓶颈,按照“科学问题—关键技术—工程示范”全链条设计、全过程跟踪协同、一体化组织实施的总思路,通过废弃植物纤维原料结构解译、研发原料预处理、专用酶制剂制备、高剪切磨制、纤维表面修饰与干湿增强、固废源头减量全过程控制等原创技术,彻底突破废弃植物纤维原料生物机械法制浆产业化技术瓶颈,建立废弃植物纤维原料替代废纸产业化集成技术和装备体系,实现废弃植物纤维原料资源化绿色利用,为农业秸秆的高值化利用开辟了新途径,为农民增加了一块稳定的收入。
 
  从“率先提出”到“彻底突破”,从“开辟了新途径”到“增加了新收入”,一位资深教授的科研功底与家国情怀深藏于每个大项目从诞生到落地的全过程。
 
  另外,上述项目还为解决秸秆直接还田带来的重茬问题、秸秆焚烧问题提供了一条可行的途径。
 
  据悉,该项目完成后,可形成原创性产业化集成技术体系,建成年产20万吨和30万吨麦草生物化机浆示范线各1条,年新增产值15亿元,年新增利税2.5亿元,达到制浆废水零排放和固废物资源化利用的绿色造纸目标。
 
  对吉兴香来说,在“核心技术买不来,自主创新赢未来”的号召下,深耕关键核心技术和应用基础理论课题永远是她工作的重心。
 
  在生物基材料与绿色造纸省部共建国家重点实验室的展厅里,吉兴香的研究成果被摆在显要位置:
 
  她主持了国家自然科学项目“针阔混合化学浆漂白过程中木素增效溶出机制”“杨木纤维组织的微爆处理及其对木素的增效溶出机制”,山东省自然基金项目“速生杨和马尾松硫酸盐浆混合氧脱木素过程中木素增效溶出机制”,山东省科技发展计划“农作物秸秆组分分离与转化利用关键技术研究”和“针阔混合硫酸盐法化学浆生物漂白技术的研究”等多项课题的研究工作。她创新了纸浆的生物漂白新技术,在减少漂白废水排放、生物酶促打浆节能降耗方面作出了突出贡献。
 
  “成绩是团队的,我只是尽自己的微薄之力。”作为带头人,吉兴香保持着谦虚低调的作风,永远将自己放到团队之后。熟悉她的同事说,这就是吉教授的风格。
 
  成果推向产业化
  ——将企业的难题放心上
 
  在经济增长进入新常态的当下,加快科技成果转移转化,让科技这个最活跃的生产力走向经济主战场施展拳脚,既是应时之举,又是长远抉择。作为一所应用型大学的教授,吉兴香将“产业成功作为检验技术创新的标准”奉为圭臬,将一项项成果推向产业化的蓝海。但她并不满足于成果的落地,而是将服务的触角继续延伸,与企业一道攻坚克难,最终实现“成果变产品,见效益,成产业”。吉兴香认为,在实验室中成功研发的科技资源、科技成果必须走出“深闺”,为高质量发展提供动力。
 
  吉兴香并不是整日里“泡实验室”的专家。她喜欢到基层一线去,到企业车间去,到问题现场去,在攻坚克难中找到破解之策,这是她的科研法宝。
 
  无论是课堂教学,还是科研工作,吉兴香都非常认真、专注、严谨,将学生、企业的每个难题都放到心里,寻求解决方法;而走进企业的吉兴香,关注的重点又变成了如何进行科技成果转化和推广,如何致力于产学研融合,如何对接新旧动能转换。
 
  科学技术是第一生产力,但如何将科学技术转化为第一生产力?吉兴香探出了新路。她利用化学和生物法相结合的技术,对传统制浆造纸漂白工艺进行了优化和提升,助力造纸行业这一传统产业转型升级,完成新旧动能转换。
 
  吉兴香与企业合作攻关实际生产中的技术难题,或采用技术转让等形式帮助企业完成技术更新升级,有5项发明专利(“一种速生杨的氢氧化钠蒽醌浆生物化学法ECF漂白工艺”“一种针阔混合氢氧化钠蒽醌化学浆全无氯漂白的工艺”“一种硫酸盐法蒸煮的针阔混合浆的漂白工艺”“一种速生杨的生物化学法TCF漂白硫酸盐浆制备纸基材料的方法”“一种速生杨的生物化学法ECF漂白KP浆制备纸基材料的方法”)分别转让给全国500强企业山东晨鸣纸业集团股份有限公司和山东太阳纸业股份有限公司。
 
  这些技术在企业的推广应用,显著提高了纸浆的漂白效果,大大降低了制浆造纸漂白过程漂白废水中有毒物质含量和排放量,为制浆造纸企业提高生产效率、增加经济效益和节能减排降低污染作出了突出贡献。
 
  2013—2016年,山东晨鸣集团利用这些专利技术生产化学浆290万吨,新增销售额130.5亿元,获得利润15.95亿元,产生了众多经济效益和社会效益。
 
  吉兴香在成果转化方面的长期探索,与国家战略是共振共鸣的。从国家层面来看,国家把科技创新放在创新驱动发展的核心位置,大量激励成果转化、创新创业的改革举措密集出台,激发了全社会的创新活力。同时,我国产业升级需求迫切,对技术创新成果应用的需求变得迫切起来。
 
  从山东全省层面来看,3年前,山东省济青烟国家科技成果转移转化示范区获得科技部批复,科研人员迎来了史无前例的成果转化政策环境。而吉兴香所在的齐鲁工业大学也出台了促进科技成果转化实施办法。这是科技成果转化最好的时代,吉兴香就在成果转化方面屡屡取得突破,与其教学、科研成就相互呼应,她赢得了“多面手”的称号。
 
  培养青年人才
  ——科教“全链条”上的耕耘者
 
  十年树木,百年树人。在吉兴香心目中,作为一名大学教授,“甘做沃土,培养青年才俊”是分内之事。她的言传身教,影响了一批又一批学生。在教育领域中深耕,同行们说,吉兴香是一名科教“全链条”上的耕耘者。
 
  吉兴香的研究生郭玉倩深受她的影响,她说:“吉老师无论多忙,心里都想着学生,不仅关心学生的实验进展和论文撰写情况,还关心学生的生活和思想情况,让每个学生心里都暖暖的。”
 
  一句“暖暖的”,道出了吉兴香在学生心里的分量。但她认为,好的导师,不仅要关心学生眼前的学习,更要关心他们的长远发展;不仅要关注他们做事,更要教会他们做人。
 
  作为山东省泰山学者青年专家团队负责人,吉兴香非常注重团队建设和人才梯队培养。近年来,她带领的团队获批主持或参与国家级和省级各类科研项目10余项,团队成员科研能力和水平得到了极大提升。团队先后培养青创团队负责人2人、省优青2人。“学为人师,行为世范。”学生常把老师作为自己学业和行为的榜样。作为研究生导师,吉兴香除在科研方面给学生做表率之外,还非常注重学生实践与创新能力的培养。2020年,她指导的“农业秸秆的生物制浆绿色清洁技术研发及产业化”团队在山东省大学生“挑战杯”竞赛中获金奖。
 
  “师者的党性修养,直接关系到党的路线方针政策在高校的贯彻执行,关系到人才培养、科学研究、社会服务三大职能的落地。”吉兴香非常注重党性和德行修养,她经常说:“将理想信念教育融入课堂教学中,帮助学生建立正确的人生观和价值观,与国家发展命运与共,才无愧师者使命。”
 
  精准对接国家限塑令,目前,吉兴香课题组在紧密与企业合作的同时,正在积极开展3项研发任务:
 
  ——投身于食品级包装纸基材料替代塑料包装材料关键技术研发。利用生物或绿色无毒疏水剂、疏油剂、阻隔功能层或阻隔助剂并成功应用到食品级纸基材料,替代目前的塑料制品,达到与塑料相当的防水、防油和阻隔效果,实现用纸基材料替代食品塑料包装材料。
 
  ——致力于高强度包装纸基材料替代塑料包装袋、塑料模塑关键技术研发。利用生物或化学增强剂及生物纸基材料制备新技术,使得纸基材料强度显著增强,达到新制备的纸基材料制成的包装纸袋、纸质模塑可代替目前大规模使用的塑料包装袋和塑料模塑,如超市购物袋、工业塑料包装模塑及餐盒等食品包装模塑。
 
  ——潜心于生物基农业用降解地膜材料的研发,重点解决生物基农业降解地膜强度偏低、机械化易破损、价格偏高的技术问题,拟采用高强度纸浆纤维、淀粉材料、海藻酸钠、二元醇、二元酸等生物合成基础材料等制备出高强度、低成本的优质生物可降解地膜。
 
  对于研发工程的未来,吉兴香和团队充满了信心。
 
  人才兴,产业兴。新时代下,高技能人才已然成为助推产业高质量发展的重要“引擎”。齐鲁工业大学一直致力于与其他高校与企业合作进行人才的联合培养工作。吉兴香作为学校代表经常会参与到相关的圆梦计划中。“校企合作办学,定向培养,圆了学子们的大学梦,同时解决了他们毕业后的就业难题。”吉兴香说。她希望通过人才的联合培养,能促进行业、企业参与职业教育人才培养的全过程,通过深化产教融合、校企合作,推进工学结合、知行合一的有效途径,为造纸行业培养大批优秀的应用型人才,为造纸产业的跨越式发展注入源源不断的“活水”。
 
  对造纸工业人才培养的未来,吉兴香同样充满信心。
关键词:造纸科技 
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