嚴(yán)輝,張森,陳佩東,郭盛,江曙,郝國(guó)強(qiáng),段金廒*
(1.南京中醫(yī)藥大學(xué) 江蘇省中藥資源產(chǎn)業(yè)化過程協(xié)同創(chuàng)新中心/國(guó)家中醫(yī)藥管理局中藥資源循環(huán)利用重點(diǎn)研究室/國(guó)家中藥材產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系鹽城綜合試驗(yàn)站,江蘇 南京 210023;2.江蘇華天天旺木塑科技有限公司,江蘇 南京 211804)
·專題·
基于木塑產(chǎn)品開發(fā)的中藥固體廢棄物資源化利用研究△
嚴(yán)輝1,張森1,陳佩東1,郭盛1,江曙1,郝國(guó)強(qiáng)2,段金廒1*
(1.南京中醫(yī)藥大學(xué) 江蘇省中藥資源產(chǎn)業(yè)化過程協(xié)同創(chuàng)新中心/國(guó)家中醫(yī)藥管理局中藥資源循環(huán)利用重點(diǎn)研究室/國(guó)家中藥材產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系鹽城綜合試驗(yàn)站,江蘇 南京 210023;2.江蘇華天天旺木塑科技有限公司,江蘇 南京 211804)
本研究根據(jù)中藥材固體廢棄物產(chǎn)生的理化特點(diǎn),提出將中藥固體廢棄物開發(fā)成木塑產(chǎn)品的研究思路。從中藥廢棄物物質(zhì)多樣的角度展望了其在抑菌性木塑產(chǎn)品研發(fā)方面的應(yīng)用前景,并以黃蜀葵廢棄物為例,探討了中藥固體廢棄物作為木塑原料應(yīng)用的策略,從而為進(jìn)一步拓寬中藥材固體廢棄物的綜合利用提供有效的參考依據(jù)。
中藥固體廢棄物;木塑復(fù)合材料;抑菌成分;資源化利用
據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)每年中藥材生產(chǎn)及深加工過程中產(chǎn)生的非藥用部位及藥渣等固體廢棄物生物量達(dá)數(shù)千萬(wàn)噸[1]。由于中藥固體廢棄物來(lái)源多樣、性質(zhì)各異,目前最主要用途集中在生產(chǎn)有機(jī)肥料、菌物基質(zhì),或者作為生物質(zhì)燃料。此外,多數(shù)固體廢棄物作為垃圾填埋或焚燒,除占用大量土地資源外,處置過程中還會(huì)對(duì)大氣及地下水源造成一定程度的污染[2]。因此,如何有效利用、減少對(duì)環(huán)境的污染成為迫在眉睫且急需解決的關(guān)鍵問題。
木塑復(fù)合材料(wood-plastic composite,WPC)是利用各種廢棄的植物纖維與回收再生塑料通過復(fù)合、共混、改性工藝技術(shù)而制造的一種新興的環(huán)境友好復(fù)合材料[3]。其既具有木質(zhì)纖維材料的高強(qiáng)度和高彈性,又具有塑料的高韌性和耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)[4],更具有綠色環(huán)保、可循環(huán)利用的優(yōu)勢(shì)。WPC生產(chǎn)過程中不使用含有甲醛、苯等有害物質(zhì)的膠水作為黏合劑;同時(shí),還可像廢鋼的回收冶煉一樣重復(fù)使用,符合國(guó)家建設(shè)綠色節(jié)能型經(jīng)濟(jì)和可循環(huán)經(jīng)濟(jì)的基本要求,具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景[5]。
中藥固體廢棄物一般具有和傳統(tǒng)木塑原料(如楊木等)類似的植物纖維,只要經(jīng)過干燥、粉碎等簡(jiǎn)單工藝,多數(shù)都可作為優(yōu)良而低價(jià)的木塑產(chǎn)品原料,具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用潛力和前景。因木塑產(chǎn)品常應(yīng)用于室外,長(zhǎng)期存在于潮濕環(huán)境,容易被細(xì)菌、霉菌及木腐真菌侵染。而中藥固體廢棄物成分復(fù)雜多樣,其中部分品種尚富含天然抑菌物質(zhì),因此,從中藥廢棄物中開發(fā)木塑產(chǎn)品,尤其是具有防霉抑菌等功能的木塑產(chǎn)品,對(duì)循環(huán)利用巨量的中藥固體廢棄物、保護(hù)環(huán)境具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文對(duì)以中藥固體廢棄物為原料開發(fā)木塑產(chǎn)品的策略進(jìn)行探討,以期為進(jìn)一步拓寬中藥固體廢棄物的資源化利用提供支撐。
木塑復(fù)合材料目前主要是采用木材加工剩余物、森林撫育剩余物、廢舊木材、農(nóng)作物秸稈等木質(zhì)纖維材料和廢舊熱塑性塑料為主要原料,通過擠出、壓制等成型方式形成的復(fù)合材料。目前WPC被廣泛用于建筑領(lǐng)域的門窗、頂板、模板、地板、屋面板、隔板等[6]。
我國(guó)對(duì)木塑材料的研究自20世紀(jì)80年代開始,雖起步較晚,但發(fā)展較快,現(xiàn)已成為木塑產(chǎn)品的第一生產(chǎn)大國(guó)。近年來(lái),有學(xué)者嘗試將蘆葦?shù)炔牧蠎?yīng)用作為木塑原料,以擴(kuò)大其應(yīng)用范圍[7]。從國(guó)內(nèi)木塑行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,木塑復(fù)合材料未來(lái)的發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)原料多樣化、設(shè)備工藝專業(yè)化、產(chǎn)品高檔化,選擇量大、廉價(jià)、功能性原料,將是提升木塑產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的有效途徑[8]。
木塑復(fù)合材料的擠出工藝有模壓成型工藝、注射成型工藝和擠出成型工藝這3種制備工藝[9]。
模壓成型工藝:熱壓成型是塑料加工業(yè)中簡(jiǎn)單、普遍之加工方法,主要是利用加熱加工模具后,注入試料,以壓力將模型固定于加熱板,控制試料之熔融溫度及時(shí)間,以達(dá)融化后硬化、冷卻,再予以取出模型成品即可。
注射成型工藝:將固態(tài)的塑膠按照一定的熔點(diǎn)融化,通過注射機(jī)器的壓力,用一定的速度注入模具內(nèi),模具通過水道冷卻將塑膠固化而得到與設(shè)計(jì)模腔一樣的產(chǎn)品。
優(yōu)化擠出工藝:目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛。本課題組前期研究就是基于擠出成型工藝進(jìn)行樣品制備,使原料受熱塑化,邊被螺桿向前推送,連續(xù)通過機(jī)頭而制成各種截面制品或半制品的一種加工方法。并向其中添加潤(rùn)滑劑和抗氧化劑,添加的潤(rùn)滑劑有內(nèi)潤(rùn)滑劑(EBS)和外潤(rùn)滑劑(硬脂酸),內(nèi)潤(rùn)滑劑的作用是使植物纖維與塑料的摩擦速度和物料與機(jī)器的摩擦速度相等;否則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品撕裂,因?yàn)樗俣炔灰恢聲?huì)導(dǎo)致不同密度的物體分布不均勻。
中藥固體廢棄物是指在中藥材及中藥飲片生產(chǎn)過程、中藥提取物制備過程或中藥配方顆粒生產(chǎn)過程,以及以消耗中藥及天然藥用生物資源為特征的資源性產(chǎn)品制造過程中產(chǎn)生的未被開發(fā)利用的中藥資源生物體廢棄組織器官、未被利用的可利用物質(zhì)以及中藥廢渣等[2]。不同來(lái)源固體廢棄物其性質(zhì)、特點(diǎn)、產(chǎn)生時(shí)間、生物量等各不相同[10-12],其適宜于制備木塑材料的理化特性差異較大。
藥用植物在田間管理中存在大量未被有效利用的組織器官。如:柑橘屬(CitrusL.)多種藥用植物在生長(zhǎng)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的落花、落果等;忍冬屬(LoniceraL.)植物、五味子屬(SchisandraMichx.)植物,連翹Forsythiasuspensa(Thunb.)Vahl等藤本或木本藥用植物規(guī)范化栽培生產(chǎn)過程中需在冬春兩季采取疏枝、打頂?shù)裙芾泶胧┊a(chǎn)生大量的廢棄枝條等。其中,多年生木本類藥材修剪下的廢棄部位纖維素、木質(zhì)素含量較高,且其容重可達(dá)0.55~0.9 g·cm-3,如忍冬莖為0.67 g·cm-3,較適宜作為木塑原料。見表1。
采收過程中產(chǎn)生的固體廢棄物是指在采收藥材過程中廢棄的傳統(tǒng)“非藥用部位”。例如:菊ChrysanthemummorifoliumRamat.在采摘花蕾或開放的頭狀花序時(shí)其株高可達(dá)60~100 cm左右,廢棄的植株生物產(chǎn)量約是花序產(chǎn)量的5~6倍。這其中因連作障礙而不能連作的花類藥材如菊花、黃蜀葵花,每年其根、莖等廢棄生物量較大。前期檢測(cè)結(jié)果顯示,多數(shù)草本類藥材廢棄部位的容重在0.3~0.7 g·cm-3,如菊莖稈為0.59 g·cm-3,丹參莖為0.57 g·cm-3,決明莖稈為0.42 g·cm-3。因此,該類材料在制備木塑原料時(shí)尚需采用改性的方法使其容重接近于PE粒子,以保證產(chǎn)品質(zhì)量。見表2。
藥材產(chǎn)地加工及飲片生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的廢棄物,主要是凈制過程中產(chǎn)生的根頭、尾梢、栓皮、果核等“下腳料”及破碎組織、碎屑粉渣等廢棄物,這其中尤以樹皮類藥材剩余的木質(zhì)部、種子類藥材的皮殼等較適宜作為木塑原料應(yīng)用。見表3。
中成藥制藥、中藥配方顆粒提取等中藥制藥過程中經(jīng)提取后剩余大量的固體廢棄物,這其中中成藥提取往往采用多味中藥投料進(jìn)行提取,其來(lái)源更為復(fù)雜,性質(zhì)差異大;中藥配方顆粒提取一般單味藥投料,來(lái)源單一,性質(zhì)穩(wěn)定,更適宜進(jìn)行開發(fā)。中藥制藥過程中產(chǎn)生的固體廢棄物在產(chǎn)生時(shí)間上主要由生產(chǎn)計(jì)劃決定,不受生長(zhǎng)季節(jié)限制,其廢棄資源量更為穩(wěn)定、可控。此外,部分中藥提取后形成的藥渣,由于受高溫蒸煮導(dǎo)致物理結(jié)構(gòu)改變,其容重增加,如丹參配方顆粒藥渣容重為0.75 g·cm-3,為較適宜的木塑原料。
表1 田間管理過程中產(chǎn)生的中藥固體廢棄物
表2 采收過程中產(chǎn)生的中藥固體廢棄物
表3 產(chǎn)地加工及飲片生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的中藥固體廢棄物
當(dāng)前市場(chǎng)上木塑產(chǎn)品多添加銀離子制劑作為防腐劑,生產(chǎn)成本較高。天然抑菌物質(zhì)普遍存在于植物中,隨著研究不斷深入,越來(lái)越多抗菌、抑菌活性成分被發(fā)現(xiàn)。目前已報(bào)道具有抑菌活性的天然植物約5000余種[13]。大量文獻(xiàn)報(bào)道,中藥除了具有抗病原微生物的作用,對(duì)其他類型的微生物也有抑制作用。如果利用中藥廢棄物能有效抑菌的性能,將其應(yīng)用于木塑產(chǎn)品,作為木塑的原料,既可減少木材的砍伐,解決中藥廢棄物的利用與處置問題,還能減少化學(xué)防腐劑的應(yīng)用,降低成本,這對(duì)實(shí)現(xiàn)中藥固體廢棄物的資源化利用具有十分重要的意義。
目前,從有抑菌活性的植物中分離的抑菌物質(zhì)主要有生物堿、有機(jī)酸、揮發(fā)油、多酚、皂苷、萜類、黃酮、多糖等[13]。受其原料(木粉、竹粉等)影響,木塑產(chǎn)品易受侵染的菌類主要有曲霉屬、腐霉屬、木霉屬、綠木霉屬等[14]。目前國(guó)內(nèi)外從事天然植物資源抑菌研究的文獻(xiàn)多數(shù)集中在對(duì)細(xì)菌的抑菌能力研究,如王航等[15]研究表明苦參有效抑菌成分主要為生物堿、黃酮類物質(zhì)和酚類物質(zhì)。馮俊濤等[16]曾對(duì)苦豆子等西北地區(qū)的187種植物進(jìn)行了殺菌活性初步篩選,結(jié)果表明苦豆子丙酮提取物對(duì)多種植物病原菌有較高的抑菌活性。有關(guān)銀杏活性成分的研究認(rèn)為,銀杏外種皮中的銀杏酚酸類物質(zhì)具有較好的抑菌活性,銀杏種仁中的銀杏蛋白、酚酸等具有抑菌活性[17-18]。對(duì)霉菌、真菌抑制作用考察的報(bào)道較少,因此在做抑菌性能考察時(shí),應(yīng)注意選擇相應(yīng)的菌種進(jìn)行微生物實(shí)驗(yàn)[19]。
本課題組前期選取了黃蜀葵Abelmoschusmanihot(L.)Medic.根莖廢棄物,采用擠出成型的方法進(jìn)行了工藝研究,并對(duì)樣品的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了檢測(cè),為以木塑產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)中藥固體廢棄物資源化利用提供依據(jù)[20]。
將黃蜀葵莖桿加工成細(xì)度60~80目、水分含量5%的黃蜀葵莖桿粉末,然后按照黃蜀葵粉末添加適量馬來(lái)酸酐接枝,與廢舊塑料粒子以1∶1的比例進(jìn)行混料,充分?jǐn)嚢柚辆鶆颉嚢柽^后,將按照不同比例的物料加入到單螺桿擠出機(jī)中,同時(shí)向其中加入潤(rùn)滑劑(硬脂酸),混料的溫度為150~160 ℃,再經(jīng)過造粒、擠出、成型、砂光和壓花等步驟,制得木塑產(chǎn)品。
將制成的樣品,依據(jù)中華人民共和國(guó)木塑材料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[21]進(jìn)行性能檢測(cè),結(jié)果見表4。
檢測(cè)結(jié)果顯示,由黃蜀葵莖桿粉末制得的木塑材料其外觀正常,無(wú)開裂、鼓泡、虧料痕跡、非工藝性凹凸不平、邊角缺損,握釘力符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求,表明黃蜀葵莖桿可作為適宜的木塑原料。
對(duì)中藥固體廢棄物的處置和利用,應(yīng)充分考慮其來(lái)源廣泛、性質(zhì)多樣、生物儲(chǔ)量巨大的特點(diǎn),以處置成本低廉、加工方法成熟、處置量大為考察重點(diǎn)。以制備木塑產(chǎn)品為抓手,借助其相對(duì)簡(jiǎn)單的處理和加工方法,可實(shí)現(xiàn)對(duì)中藥固體廢棄物的大量處置,尤其是利用其天然抑菌成分豐富多樣的特點(diǎn),未來(lái)可形成具有一定技術(shù)成果和成本優(yōu)勢(shì)的系列新型功能型木塑產(chǎn)品(見圖1)。
表4 木塑樣品檢查項(xiàng)目(n=3)
圖1 以中藥固體廢棄物為原料的木塑產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化策略
但由于中藥固體廢棄物的性質(zhì)差異較大,如要擴(kuò)大其應(yīng)用,結(jié)合其實(shí)踐需求,必須要在原料粉碎、改性、制粒等物理轉(zhuǎn)化方面加大研究進(jìn)度。主要包括:1)改變結(jié)構(gòu)增加容重;2)增加原料在塑料中的相容性和分散性而獲得適塑性;3)通過對(duì)性質(zhì)各異的原料進(jìn)行質(zhì)量控制;4)適宜于中藥固體廢棄物物料特性的木塑材料生產(chǎn)設(shè)備改進(jìn)。
中藥固體廢棄物經(jīng)物理轉(zhuǎn)化生產(chǎn)木塑產(chǎn)品,對(duì)于減少農(nóng)村農(nóng)業(yè)廢棄物面源污染、減輕制藥企業(yè)廢棄物排放處理壓力、提高中藥廢棄物的資源化利用能力等方面均具有重要意義和廣闊的發(fā)展前景。但中藥固體廢棄物的物理轉(zhuǎn)化利用研究仍處于起步階段,有關(guān)中藥固體廢棄物的物料特性相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)缺失,其物理轉(zhuǎn)化規(guī)律尚缺乏系統(tǒng)研究,適宜于中藥固體廢棄物理化特性的物理轉(zhuǎn)化工藝及現(xiàn)代化加工設(shè)備匱乏,作為其原料的不同類型中藥固體廢棄物在收儲(chǔ)、加工、管理等方面的配套政策措施尚不完備。但是,伴隨著國(guó)家關(guān)于固體廢棄物處置標(biāo)準(zhǔn)的正式實(shí)施,尤其是新時(shí)期對(duì)環(huán)境保護(hù)問題的日益重視,在政府、社會(huì)、科研機(jī)構(gòu)及中藥產(chǎn)業(yè)界共同努力下,木塑產(chǎn)品開發(fā)將會(huì)為實(shí)現(xiàn)中藥固體廢棄物的資源化開辟一條有效的路徑。
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ResearchonResourceUtilizationofChineseMedicinalMaterialsSolidWasteBasedonFunctionalWood-plasticProducts
YANHui1,ZHANGSen1,CHENPeidong1,GUOSheng1,JIANGShu1,HAOGuoqiang2,DUANJin’ao1*
(1.JiangsuCollaborativeInnovationCenterofChineseMedicinalResourcesIndustrialization,StateAdministrationofTraditionalChineseMedicineKeyLaboratoryofChineseMedicinalResourcesRecyclingUtilization,NationalandYanchengComprehensiveTestStationofChinaAgricultureResearchSystem,NanjingUniversityofChineseMedicine,Nanjing210023,China;2.JiangsuHuaTianTianWangWoodPlasticTechnologyCo.,Ltd.,Nanjing211804,China)
According to the physical and chemical characteristics of solid waste of Chinese herbal medicine,this paper puts forward the research idea of developing Chinese herbal solid waste into wood-plastic composite.From the point of view of the material diversity of traditional Chinese medicine,the prospect of its application in the research and development of antibacterial wood-plastic products is prospected,and taking waste ofAbelmoschusmanihotas an example,the application strategy of solid waste of traditional Chinese medicine as wood-plastic material is discussed,which provides an effective reference for further broadening the comprehensive utilization of the Solid Waste.
Solid waste of Chinese medicinal materials;wood-plastic composite;antimicrobial substance;resource utilization
10.13313/j.issn.1673-4890.2017.12.004
江蘇高校中藥資源產(chǎn)業(yè)化過程協(xié)同創(chuàng)新中心建設(shè)專項(xiàng)(ZDXM-3-24);公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201407002);江蘇省高校中藥學(xué)優(yōu)勢(shì)學(xué)科Ⅱ期建設(shè)項(xiàng)目(2014-ysxk);現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-21)
*
段金廒,教授,博士生導(dǎo)師,中國(guó)自然資源學(xué)會(huì)中藥及天然藥物資源研究專業(yè)委員會(huì)主任委員,中國(guó)中藥協(xié)會(huì)中藥資源循環(huán)利用專業(yè)委員會(huì)主任委員,研究方向:中藥資源化學(xué)與資源循環(huán)利用;Tel:(025)85811291,E-mail:dja@njucm.edu.cn
2017-12-10)