文/智桥科技
生物技术的发展为造纸工业降低能耗、清洁生产开辟了新的天地，是今后制浆造纸工业一个新的重大研究开发领域。本文简要介绍用于造纸工业的生物酶以及这些生物酶在造纸工业各个方面的应用、作用机理及发展前景。1.造纸工业用酶的种类：造纸工业用酶包括纤维素酶（Cellulase)、半纤维素酶（Hemicellulase)、木素降解酶（Ligninase）、淀粉酶(Amylase)、脂肪酶（Lipase）、果胶酶(Pectinase)、漆酶(Laccase)，其中应用较多较重要的酶为纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、漆酶。
2.酶在造纸工业中的应用1)木素的生物降解用于木素降解的酶，主要有漆酶、木素酶（木素过氧化物酶，锰过氧化物酶）。漆酶是一类含铜的胞外氧化酶，漆酶可以让木素生物降解。木素降解酶分为木素过氧化物酶(Liganinperoxidase,Lips,EC,1.11.1.7)和锰过氧化物酶（Manganese-dependentperoxidase,MnPs.EC.1.11.1.7)，它们能催化木素的降解。造纸原料，特别是木材经过木素生物降解可以去除原料中的大部分木素。木素降解酶典型的模式有：①木素过氧化物酶＋锰过氧化物酶；②锰过氧化物酶＋漆酶型；③木素过氧化物酶＋漆酶型及其他酶型。基本机理为；原料的木素经过酶的降解成低分子质量木素，增加了木素的溶出和被抽提的能力，从而实现木素与纤维素、半纤维素的分离。但这种降解过程比较费时，需要与化学或机械制浆的过程结合才能满足现代化生产的需求。
2)生物制浆经过木素生物降解的原料，结合化学、机械制浆和其他生物酶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。韧皮纤维有果胶质，可选用果胶酶分解果胶质，释放出纤维素。用于分解果胶质的果胶酶主要有果胶解聚酶和果胶酯酶两大类。含有较多的木素的纸浆，可以通过木素降解酶与化学制浆、机械制浆相结合的方式来制浆。生物硫酸盐制浆和生物亚硫酸盐制浆就是将造纸原料先进行生物处理再进行硫酸盐制浆和亚硫酸盐制浆的方法，是生物法与传统的硫酸盐制浆和亚硫酸盐制浆和方法的结合。生物机械制浆也是如此。生物制浆的基本生产工艺：木片→酶或菌处理30天→化学或机械制浆。生物化学浆和生物机械浆与传统的制浆比较，能耗低，环境压力轻，耗碱量大幅下降，据报道可以降40%，制浆得率提高，残碱降低，强度性能好，已有一些工厂开始工业化生产。3）纸浆的生物漂白生物漂白就是利用微生物或其产生的酶与纸浆中的某些成分作用，改善和提高纸浆白度的过程。纸浆生物漂白用酶主要有两类：半纤维素酶和木素降解酶。半纤维素酶包括聚木糖酶和聚甘露糖酶；木素降解酶主要有木素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶。也有直接用白腐菌（whiterotfungus）漂白纸浆的。生物漂白的目的主要是不用或少用化学漂白剂来改善纸浆的性能和减少漂白的污染。大量的研究结果表明，不管是阔叶木浆还是针叶木浆，是硫酸盐浆还是亚硫酸盐浆，不论是与传统的CED或D/CEDED漂白流程配合，还是与一些含氧漂白剂如臭氧、过氧化氢、过氧酸配合，利用半纤维素酶预处理助漂都能改善纸浆的可漂性，减少后续漂白剂的用量。另外还可以增加漂白纸浆的产量，降低漂白废水中的AOX的含量。半纤维素酶对纸浆的辅助漂白应用很成功，但半纤维素酶不能直接降解浆中的残余木素，而微生物（白腐菌）可以直接与浆中的残余木素作用而达到脱木素和漂白纸浆的效果。木素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶能直接氧化和降解纸浆中的残余木素，降低纸浆卡伯值，提高白度而用于纸浆的生物漂白。纸浆的生物漂白已从实验室发展到工业化生产，在很多国家已有造纸厂使用生物漂白替代化学漂白工艺。不同的原料有不同的工艺过程：(1)松木生物硫酸盐制浆：松木→酶处理（聚甘露糖酶和聚木糖酶~nkat/g)→DoED漂白或QPPP漂白；桉木生物亚硫酸盐制浆：桉木→聚木糖酶处理OD1EoD2P漂白；(2)草类纸浆的半纤维素酶漂白：麦草→酶处理（聚木糖酶3~6IU/g浆，pH值.5~5.5，50℃min，浆质量分数为8%)→次氯酸盐漂白；芦苇→酶处理（聚木精酶0.2mL/kg浆，pH值6~7，浆质量分数为10%，50℃90min)→XAPDTNPA漂白。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、致突变的作用，因此借鉴国外成功的经验在我国大力发展生物漂白工艺具有广阔的前景。4）废纸的生物脱墨废纸的再生利用已成为解决造纸行业原料短缺的重要途径。废纸再生的关键是必须有效地去除各类印刷在纸上的油墨，用化学方法脱墨白度低、滤水性差、适应性差、化学药品使用量大、环境负荷大。而生物脱墨可以解决上述的一系列问题，不同的废纸可选用不同生物酶，可以用一种酶，也可以用几种酶。对废旧新闻纸，可选用纤维素酶脱墨，也可用纤维素酶和聚木糖酶脱墨；其作用机理为剪切纤维素表面的细小纤维，改变纤维分子的侧链结构，剥离表面油墨。所用的酶有酸性酶、中性酶和碱性酶。一般的工艺过程为：碎浆→酶脱墨→酶失活→浮选。酶脱墨的工艺参数为：pH值5.0，酶用量1.0IU/g（绝干浆),50℃×30min,酶失活℃×50min，不同的研究人员工艺略有不同。与化学脱墨法相比，废报纸酶脱墨疏解时间短、耗能少、脱墨浆易于漂白、纸浆白度高。现在发行的报纸有许多版面是彩色胶印的，特别是广告版面。这些彩色胶印报纸的油墨中含有大量的颜料填充剂、干燥剂等成分，印刷密度高，用常规的化学法脱墨难以达到理想的脱墨效果和成浆质量，并对环境造成较为严重的污染，而用纤维素酶和淀粉酶的混合酶液对形色印刷废报纸进行脱墨处理，得到理想的脱墨效果。其脱墨工艺流程为：ONP(彩色胶印废报纸）→碎浆→酶处理（30min50℃，浆质量分数为6%，pH值为7.5)→浮选。也有直接用白腐菌直接脱墨的。对混合办公废纸，特别是非接触印刷的办公废纸，包括静电复印纸和激光打印纸、照相打印纸，常用淀粉作为表面施胶剂或湿部添加剂。因此，单用纤维素酶或半纤维素酶，不能取得很好的脱墨效果，这时考虑纤维素酶与淀粉酶混合，可以取得较好的脱墨效果。有关这方面的报道比较多，一般工艺过程为：碎浆→酶处理→浮选→洗涤。不同的办公废纸工艺会略有调整。实验结果表明，淀粉酶辅助脱墨可使脱墨率提高25％一30%，可省去第二段浮选，因而提高纤维回收率，用水量减少，节省设备投资，减少污泥及处理费用。随着环境保护和印刷质量要求的提高，植物油基印刷油易迅速发展，与矿物油基油墨相比，植物油基油墨可降解和再生，符合环境要求，用这类油墨印刷的废纸，可以用脂肪酶来脱墨，可以取得很好的脱墨效果。一般工艺流程为：碎浆→脂肪酶处理（0.1一5.0U/g绝干浆）→浮选。浆质量分数一般为7.5%，在合适的pH值和温度下酶处理，再行浮选。废纸酶脱墨是20世纪90年代发展起来的一种新型脱墨方法，与化学脱墨法相比具有明显优势：降能耗、减污染、脱墨浆的物理强度好、白度高、尘埃度低、油墨残留少、滤水性好。经实验室和工业化生产证实，是一种对环境无污染、效果好、经济可行的脱墨方法。5）造纸废水的生物处理自然界中有大量的微生物依靠有机物生存，它们能将有机物转化为对环境无害的无机物和简单的有机物。制浆造纸污染物主要是有机物，是木质纤维氧化降解产物，可作为微生物的碳源、氮源和潜在能源。利用微生物降解和转化有机物的能力，人为地创造适合于微生物生存、繁殖的条件和环境，使特定种类的微生物大量繁殖，提高其降解和转化有机物的效率，从而达到适应处理大容量制浆造纸废水的能力，是生物技术处理废水的主要内容。当然还可利用一些特异性植物如水生植物、陆生植物对废水进行处理，但植物处理的效率相对较低，占地面积大，所以，微生物是废水处理的主要种类。纸浆造纸废水的生物处理，就是利用环境存在的好氧生物和厌氧生物处理废水的过程，相应地分为好氧生物处理和厌氧生物处理。两种方法废水生物处理的过程中，会用到许多细菌、真菌、藻类、原生物等微生物和许多生物酶类。生物处理废水的方法还有氧化塘法、表面曝气法、生物转盘法、厌氧消化法等。3.造纸工业生物技术应用的发展前景与传统的生产工艺技术相比，生物技术具有：1）不用和少用化学药品，简便、安全，如废纸脱墨过程中无须加入烧碱、硅酸钠、双氧水、螯合剂等化学药品。2）工艺简单，许多生物技术在造纸工业中应用，不需改动和添置设备，甚至可以简化设备。3）降低成本，提高性能，改善生产条件，经生物酶脱墨的纸浆，滤水性好，泡沫少，有利纸张抄造，而且抗张强度、断裂长均有提高，白度增加。4）能耗低，纸浆得率高，用生物制浆，可大幅度降低能耗，提高纸浆得率。5）对环境友好，生物酶本身无污染；另外化学品的少用也减轻了企业对废水处理的负荷。我国是造纸工业大国，传统造纸工业是耗能和环境污染大户，而生物酶在造纸工业方面的深入研究与逐步应用，不但能解决原料短缺、污染严重和能源紧张问题，而且会带来良好的经济效益，对造纸工业的发展和环境保护都具有重要的现实意义，实现造纸工业的清洁生产。因此，生物酶在造纸工业上的应用技术一定会有广阔的发展前景。
赞赏
