造紙業(yè)中酶制劑的運(yùn)用與進(jìn)展研究論文

　　酶是自然界動(dòng)植物、部分有機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生的一類大型蛋白質(zhì)，具有專一、高效和多樣性的特點(diǎn)，可降解部分特定的高分子，作為生物催化劑加快反應(yīng)速度。20年來(lái)，酶制劑在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用有了很大的發(fā)展，尤其在生物制漿中減少蒸煮化學(xué)品的用量、生物漂白過(guò)程中減少漂劑的用量、生物酶促打漿節(jié)能減排技術(shù)、酶法廢紙脫墨性能的改善、紙漿的酶法改性、制漿造紙廢液生物處理、利用生物酶改進(jìn)紙漿的濾水性、紙漿中樹脂控制、用生物手段控制腐漿等諸多方面。

1酶制劑在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用

　　1.1酶在生物制漿方面的應(yīng)用

　　生物制漿主要包括化學(xué)法制漿和機(jī)械法制漿。生物化學(xué)法制漿是指通過(guò)生物方法對(duì)木片進(jìn)行預(yù)處理，以減輕木片成漿的蒸解度，減少蒸煮化學(xué)藥品的用量，降低堿回收強(qiáng)度、減少漂白化學(xué)藥品用量，以及降低漂白廢液的污染負(fù)荷等。當(dāng)今，生物化學(xué)制漿的研究已發(fā)展到中試和工業(yè)化規(guī)模，而且預(yù)處理方法從菌的預(yù)處理轉(zhuǎn)向采用酶進(jìn)行預(yù)處理，這是因?yàn)榫蝗缙洚a(chǎn)生的酶穩(wěn)定和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性好。經(jīng)過(guò)酶制劑處理的植物纖維原料，再經(jīng)過(guò)化學(xué)法處理和蒸煮后，纖維的質(zhì)量有一定的改善和提高。白延坤等〔3〕研究光葉褚白皮機(jī)械生物法制漿的結(jié)果表明，和對(duì)照漿相比，纖維素的脫除率略高，果膠脫除率略低、木素脫除率較高、戊聚糖得到保留更多，而且成漿周期明顯縮短。陳嘉川等首先用聚木糖酶預(yù)處理麥草，在相同的工藝條件下對(duì)常規(guī)化學(xué)法制漿和酶法化學(xué)制漿進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)得出:聚木糖酶的預(yù)處理明顯提高麥草的脫木素程度，紙漿的卡伯值降低兩個(gè)單位，蒸煮的用堿量減少，紙漿得率有所提高。與常規(guī)的化學(xué)法制麥草漿相比，酶制劑處理的化學(xué)麥草漿的物理強(qiáng)度和光學(xué)性能都有明顯改善。因此，聚木糖酶預(yù)處理可以改善原料的制漿性能、減少能耗。

　　當(dāng)今，生物法機(jī)械漿是國(guó)內(nèi)外制漿造紙科研人員研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。生物法機(jī)械漿是在磨漿前用微生物菌如白腐菌對(duì)木片進(jìn)行預(yù)處理，或者用酶制劑對(duì)木片進(jìn)行預(yù)處理，以降低樹脂的含量，節(jié)約磨漿能耗，減輕環(huán)境污染，改善紙漿的成紙強(qiáng)度。現(xiàn)己表明，對(duì)預(yù)處理后的木片進(jìn)行磨漿可節(jié)省10%一30%的動(dòng)力，而且紙漿的強(qiáng)度有所提高。在機(jī)械磨漿前用真菌或酶處理?xiàng)钅酒c未經(jīng)生物預(yù)處理的機(jī)械法制漿相比，電能節(jié)約20%一40%，耐破指數(shù)由o.92kPam飛上升到2.05kpa.m飛，撕裂指數(shù)由2.03IllN耐g上升到4.53mN耐g、抗張指數(shù)由29.5N耐g上升為52.8N而g〔6一7〕。經(jīng)過(guò)生物酶預(yù)處理的火炬松木片機(jī)械漿和未經(jīng)處理的相比，除了抗張指數(shù)略微降低外，其他成紙的物理指標(biāo)與楊木相似。實(shí)驗(yàn)研究還表明，預(yù)處理的最適宜條件是木片處理時(shí)要有充足的菌或酶、處理時(shí)間和適合的處理?xiàng)l件。上述的生物制漿法雖然針對(duì)木材原料進(jìn)行研究，但對(duì)其他造紙?jiān)系纳锓C(jī)械漿制備也同樣有效。

　　1.2生物酶制劑在生物漂白技術(shù)方面的應(yīng)用

　　生物漂白是利用微生物菌或酶制劑與紙漿中的某些成分作用，然后進(jìn)行脫木素或使其有利于脫木素，從而改善紙漿可漂性，提高紙漿白度的過(guò)程。生物漂白可節(jié)省化學(xué)漂劑，改善紙漿性能，減少漂白污染。

　　目前，用于紙漿漂白的酶制劑主要有兩大類:半纖維素酶和木素降解酶。半纖維素酶是指聚木糖酶和聚甘露糖酶;木素降解酶主要包括漆酶、過(guò)氧化物酶和錳過(guò)氧化物酶。20世紀(jì)80年代，制漿造紙工作者對(duì)聚木糖酶輔助漂白進(jìn)行了廣泛而深入的研究，并取得大量的研究成果:無(wú)論是闊葉木漿、針葉木漿、竹漿、草漿，還是硫酸鹽漿、其他化學(xué)漿和化學(xué)機(jī)械漿，無(wú)論是與傳統(tǒng)的有氯漂白，還是與先進(jìn)的無(wú)氯漂白相結(jié)合，聚木糖酶的助漂作用都能促進(jìn)漿中殘余木素的降解，進(jìn)一步提高木素的脫除程度、漂后紙漿的白度和穩(wěn)定性，同時(shí)減少后續(xù)漂白段漂劑的用量，從而減輕紙漿漂白對(duì)環(huán)境的污染。

　　對(duì)于聚木糖酶漂白機(jī)理探索和研究，國(guó)內(nèi)外制漿造紙工作者進(jìn)行了大量的探索和實(shí)驗(yàn)，目前尚未得到明確的理論。但普遍認(rèn)為的助漂理論有以下幾點(diǎn):第一，聚木糖酶破壞了聚木糖的連接鍵，使LCC鍵斷裂，漂白化學(xué)試劑到達(dá)紙漿纖維的可及度提高，利于木素的脫除;第二，蒸煮后期蒸煮堿液濃度降低引起聚木糖的二次沉淀，這些聚木糖阻礙了漂白化學(xué)試劑對(duì)紙漿中殘余木素的作用，而聚木糖酶能使這些聚木糖水解或部分水解，使漂白化學(xué)試劑更易脫去殘余木素，紙漿的漂白得以實(shí)現(xiàn);第三，聚木糖酶還會(huì)降解紙漿中的一少部分半纖維素，使纖維細(xì)胞壁變得疏松，木素更容易脫除;第四，聚木糖酶能去除蒸煮中產(chǎn)生的己烯糖醛酸聚木糖衍生物[8]，進(jìn)一步改善紙漿的漂白性能。

　　用于生物漂白的聚木糖酶，要求有很強(qiáng)的耐堿耐高溫性，可利用蛋白質(zhì)工程和基因工程方法和手段獲取耐堿耐熱性能優(yōu)良的聚木糖酶，這是目前制漿造紙酶制劑研究的熱點(diǎn)，相信將來(lái)重組酶會(huì)更有效地應(yīng)用于漂白工藝中去。漆酶能氧化非酚型的木素模型化合物〔9]，因而吸引了眾多專家學(xué)者研究其對(duì)紙漿的助漂白作用。漆酶介體系統(tǒng)(laccase一mediator一system，LMS)在一定條件下對(duì)紙漿進(jìn)行適當(dāng)時(shí)間的處理，能使紙漿卡伯值大幅下降。錳過(guò)氧化物酶漂白需要在添加劑存在的`情況下才能實(shí)現(xiàn)助漂性能，雖然其助漂效果良好，但因?yàn)槊柑砑觿┑膬r(jià)格昂貴，較難實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。表1是多種酶在紙漿漂白中的應(yīng)用情況。

　　1.3酶制劑在酶促打漿和節(jié)能減排方面的應(yīng)用

　　酶促打漿的概念是用高活性的纖維素酶以及半纖維素酶在打漿前對(duì)紙漿進(jìn)行預(yù)處理，目的使纖維表面松弛和活化，進(jìn)而促進(jìn)纖維的吸水潤(rùn)脹，提高細(xì)纖維化和微細(xì)纖維化的程度。在后面的磨漿機(jī)械作用下，纖維被切斷或分絲帚化，單根纖維的比表面積和多根纖維分子之間的鍵合力增強(qiáng)，抄成的紙張各項(xiàng)物理指標(biāo)有所提高匯‘創(chuàng)，同時(shí)打漿能耗降低。

　　酶促打漿，是把酶制劑以溶液的形式添加到漿料中去，組成漿料和酶的非均相體系。在酶制劑處理初期，纖維表面的半纖維素部分被酶分解，纖維表面吸水潤(rùn)脹的程度明顯提高，同時(shí)纖維表面的滲透性增強(qiáng)，因而酶分子更容易滲透并擴(kuò)散到纖維的內(nèi)部，微細(xì)纖維間的半纖維素被酶制劑降解，它們相互間的作用力減弱。然后，生物酶開始進(jìn)攻纖維素的P層，51層的結(jié)構(gòu)有所松弛，細(xì)小纖維間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，由于半纖維素酶制劑能破壞木素一碳水化合物復(fù)合體(LCC)之間的連接鍵，生物酶制劑進(jìn)入次生壁的通道被打開，纖維素酶作用于纖維表面產(chǎn)生一定的剝離反應(yīng)，把51層和P層去除，把S:層更好地裸露出來(lái)但使其不受損傷，并加快了細(xì)纖維化，保持紙漿強(qiáng)度性能良好的情況下，改善打漿性能，節(jié)約打漿能耗。