生物酶在造纸中的应用
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生物酶在造纸中的应用
制浆造纸工业是国民经济的重要支柱产业之一，但也是森林、能源、化学品等资源消耗和环境污染的大户。全球的造纸工业每年要砍伐数亿立方米的林木，而其中约半数变为废弃物又被排回了周围的大气和水流中，给人类生存的生态环境造成了巨大威胁和危害。减少能源和化学品消耗、提高纸浆得率、污水生物处理等都是克服上述困难的根本途径。而生物技术恰恰在这些方面都是可以大有作为的。
1、前言
近年来生物技术在纸浆造纸工业中取得了突飞猛进的发展，在制浆造纸工业中使用的生物酶主要有：纤维素酶、半纤维素酶、木聚糖酶、淀粉酶、脂肪酶等。这些酶在制浆、漂白、脱墨、树脂控制、改善纤维性能等方面发挥着重大的作用。
2、生物酶的应用
2.1 生物制浆
经过生物酶降解的原料，结合化学、机械制浆再进一步分离出纤维原料的过程叫生物制浆。不同的原料会用到不同的生物酶。如韧皮纤维会有果胶质，可选用果胶酶分解果胶质，释放出纤维素。而草浆和木浆均含有较多的木素，可以通过木素降解与化学制浆、机械制浆相结合的方式来制浆。生物制浆的基本生产工艺：木片→酶处理→化学或机械制浆生物化学浆和生物机械浆具有能耗低、环境压力轻、耗碱量大幅下降、强度性能好。
2.2 生物漂白
用于纸浆漂白的酶主要有半纤维素酶和木素降解酶，半纤维素酶包括木聚糖酶和聚露糖酶。木素降解酶主要有木素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶。生物漂白的目的主要是少用化学漂白剂来改善纸浆的性能和减少漂白的污染。聚木糖酶用于纸浆的漂白预处理能够提高纸浆的白度、降低漂剂用量和漂白段废水的污染负荷，对浆的粘度和成纸强度无不利影响。对于那些大量使用二氧化氯和双氧水的漂白工艺而言，能够显着降低生产成本。但是，从其助漂机理中我们可以看出，聚木糖酶在纸浆漂白中的作用只是助漂，而不能完全取代化学漂剂，也无法从根本上消除漂白污水的产生，还需要进一步开发能够直接降解浆中残余木素的酶。聚木糖酶辅助漂白的发展趋势是培育出具有高温和碱性环境下稳定且显示生物活性的酶，因为硫酸盐浆在蒸煮后的温度高达 95℃，pH 值为 12- 13 或更高，而且这种条件在脱木素的整个过程中基本不变。因而，为了能使酶在蒸煮或是氧脱木素并洗涤后直接加入到浆中而不需要降低浆的温度和 pH 值，这就需要木聚糖酶具有耐高温和碱性的能力，耐高温耐碱的聚木糖酶是很有应用前景的生物制剂。木素过氧化物酶预处理能增加残余木素中的紫丁香基结构单元、对羟苯基、甲氧基、酚羟基以及小分子质量木素的降解溶出，增强木素的反应活性，为双氧水漂白提供了有利条件，可强化漂剂与木素酚型结构单元和紫丁香基结构单元的反应，使得发色基团、助色基团减少，木素溶出量增加，溶出木素分子质量明显增大，纸浆白度提高，结晶度增加。木素过氧化物酶在过氧化氢存在且浓度为 0.1mol／L 左右的条件下才能氧化和降解木
素，但H202浓度的轻微变化又往往使酶失活，因此，建立一个适宜的催化环境是木素过氧化物酶漂白中十分重要的问题。
纸浆的漂白工段是造纸工业主要污染源之一，特别是采用氯漂所产生废水含有的有机氯化物具有剧毒、致癌突变的作用，生物漂白具有广阔的前景。
2.3 酶促打浆
酶主要是通过对纤维素改性的方式降低打浆能耗的。目前，国内外研究使用的酶主要有：果胶酶、木聚糖酶、漆酶、纤维素酶、锰过氧化物酶、甘露聚糖酶、乙酰木聚糖酯酶、阿拉伯糖水解酶等。
纤维素酶优先作用于纤维素的无定形区，而结晶区则对纤维素酶不太敏感。用纤维素酶、半纤维素酶和木聚糖酶对打浆前的纸浆进行预处理，可降低打浆能耗、减少纸机蒸汽消耗量、改善成纸性能。目前，纯酶的价格较高，寻找合适助剂来提高酶的使用效率才可能达到降能耗的目的。如何使酶处理在既能改善浆料性能，又不影响纸机正常运行和成纸性能的条件下，达到降低打浆能耗的目的仍然是今后研究的重点。
2.4 酶法脱墨
传统的化学脱墨不适用于激光打印或复印的办公废纸，还会引起新的环境污染。而生物酶法脱墨或生物脱墨作为一种新的回收废纸的脱墨方法，无论在实验室还是工厂规模的试验都已证明是一种适应范围广、实用有效的脱墨方法。目前用于废纸脱墨的酶制剂主要有纤维素酶、半纤维素酶、脂肪酶、酯酶、果胶酶、淀粉酶和木素降解酶，其中大多数使用纤维素
酶和半纤维素酶。酶法脱墨是采用酶进攻油墨或纤维表面，其中脂肪酶和酯酶能够降解植物油基油墨，果胶酶、淀粉酶、半纤维素酶、纤维素酶和木素降解酶能够改变纤维表面或油墨离子附近的连接键，从而使油墨分离，经洗涤或浮选法脱除。回收纸浆的滤水性能比初次纸浆差，酶法脱墨的又一长处是可以提高回收纸浆的滤水能力。与化学脱墨法相比，酶法脱墨后的纸浆具有很好的物理性能、高白度、高自由度和低残留墨等优点。
3、改善纤维性能
酶处理不但可以改善纸浆性能,如降低能耗、提高化学浆打浆性能、改善机械浆的滤水性能及磨浆效果,还可以改善纤维成纸性能。在一定的密度下,纤维素酶处理硫酸盐浆能提高成纸的抗张指数。纤维素酶还能提高薄页纸的柔软性,使纤维表面和整体的柔性上升。用纤维素酶和半纤维素酶处理纸浆,还可改善纤维压缩性,使纸页微孔性下降,密度和透明度升高。
目前,采用酶法改善二次纤维滤水性能的研究已取得较大的进展,在废纸浆中,细小纤维及填料的高含量被认为是造成其滤水困难的主要原因。酶通过对废纸浆中细小纤维选择性的水解得以提高废纸浆的滤水性能。stockG等人认为,在外切酶、内切酶以及半纤维素酶这些维素酶组分之中,对改善二次纤维滤水性能起到至关重要的作用的是内切酶,这种酶对于处理含有机械浆的二次纤维具有一定的针对性,而对于含有大量化学浆的纸浆处理效果似乎不明显。研究者还发现,内切酶与外切酶羁绊纤维素酶的协同作用对提高处理效果有较大帮助。山东轻工业学院的研究人
员〔洲曾研究了黑曲霉An一76纯酶对漂白麦草浆的改性效果,通过对内切木聚糖酶以及内切纤维素酶的比较,发现内切纤维素酶在对提高麦草浆的裂断长和改善滤水性能等方面效果明显,而内切木聚糖酶有利于降低纸浆的脆性,尤其是在与纤维素酶混合使用时效果更为明显。
2.4用生物酶解决树脂障碍
树脂的存在一直是困扰新闻纸生产厂家的一大难题,尤其是以马尾松为主要原料的新闻纸厂。原料中的树脂在造纸时容易引起树脂障碍,造成纸机运行时频繁断纸以及纸病的出现,使纸机车速受到限制,大大影响了生产效率和成品质量。树脂一般是由极性的脂肪酸、树脂酸和非极性的甘油三醋、不皂化物等构成,其主要有害成分是甘油三醋。马尾松的树脂含量较高,大约为2.0%一3.0%。树脂在浆料中的物理状态主要是附在纤维或薄壁细胞外表面以斑点形式存在的表面树脂、存在于纤维和薄壁细胞内部的内部树脂以及以胶体状态游离分布在纸浆中呈小颗粒状的胶状树脂。表面树脂和胶状树脂在抄纸过程中容易沉积在成形网、毛毯、压榨辊和烘缸表面,造成树脂障碍。国外对于用生物法控制树脂的研究已比较成熟,例如采用饰场。stolnanilife~真菌控制树脂,不产生木素降解酶和纤维素酶,对树脂的去除具有一定的针对性。另外,在纸机槽中加人250一500111合/L的甘油三醋水解酶,可使大部分甘油三酉旨水解，近年来,国内对生物酶法控制树脂的机理与实践研究工作也做得比较多。福建南平造纸厂陈秀霞等人通过对生物酶控制有害树脂的机理的深人分析,并在车间进行试验研究出,在较高的温度、一定的作用时间(2h左右)以及一定量的硫酸铝用量下,采用E盯公司的生物酶控制树脂能产生较显着的
效果,而且操作简单易行。研究者还指出,硫酸铝的用量对树脂控制效果
非常重要,是整个树脂控制过程的关键。王金昌等人通过生产试验也发现,用生物酶控制马尾松机械浆中的有害树脂十分有效,生物酶用量在2oo一250岁t就可以将有害树脂控制在0.巧%以下,从而使纸机湿部树脂沉积
量减少,提高了生产效率和成品质量。
2.5废水处理
我国工业废水排放量依然呈现逐年增长的势头,尤其是造纸厂废水的大量排放,给生态环境造成巨大的污染。生物技术在造纸废水处理方面的应用效果比较显着,利用微生物进行好氧(主要是曝气池、活性污泥、生
物转盘、生物滤池等)及厌氧生化处理制浆造纸企业排放的有机废水,可
以使废水脱色、脱臭、解毒以及有效降低废水的生物及化学耗氧量(主要是BoD)，而且经济可行,是目前广泛采用的一种比较成熟的生物技术。
随着生物技术研究的深人,如今对于造纸废液的好氧生物处理技术已在常规活性污泥法的基础上发展出深井曝气法、SBR、好氧硫化床、HCR
等新的工艺方法,并已在生产中得到应用。据资料显示〔洲,近年来,升流厌氧污泥床反应器系统(UASB)也逐渐在世界造纸企业得到推广,技术原理与射流曝气深井法类似的HCR高效接触反应器,其生物量可达到传统活性污泥法的8一10倍,具有高度进水负荷冲击耐受能力,对污泥具有良好的沉积性能。另外,兰Pat担es公司推出的最为先进的有机工业废水处理
装置厌氧反应器。
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