制浆造纸生物新技术

本书着重介绍了几种用于制浆造纸的新的生物技术，包括酶促磨浆、酶促消潜、生物帚化和湿部生物调控。酶促磨浆技术是利用生物酶对纤维的有限降解和软化作用，实现纤维细胞壁的潜态层离，使纤维在磨浆时易于分离，从而降低磨浆能耗，避免纤维的过度损伤。酶促消潜技术是在纸浆消潜过程中用酶制剂对纸浆进行软化修饰，强化纤维潜态消除，使卷曲纤维伸展，从而解决高得率制浆过程中纤维潜态难消除的问题，改善纤维品质。生物帚化技术是通过生物手段实现或促进纤维的帚化。实验表明，生物酶处理可以起到机械帚化的作用，实现生物帚化，使纤维变得柔软、松弛，增加了纤维的比表面积，有利于纤维的交织结合。湿部生物调控是通过添加生物酶改善湿部化学环境，提高纸浆的滤水性能和抄造性能。

目录
前言
章 绪论 1
1.1 基因重组技术改良纤维原料 1
1.2 生物制浆 1
1.3 生物漂自 2
1.3.1 半纤维素酶助漂 3
1.3.2 微生物漂白 4
1.3.3 木素酶漂白 4
1.4 酶法脱墨 5
1.5 酶促打浆 7
1.6 废水处理 7
1.7 纸浆攻性 8
1.8 树脂障碍控制 9
参考文献 10
第2章 酶促磨浆 11
2.1 纤维素酶的酶促磨浆 11
2.1.1 纤维素酶处理对纸浆磨浆性能的影响 12
2.1.2 纤维素酶处理对纸浆光学性能的影响 13
2.1.3 纤维素酶处理对纸浆强度性能的影响 14
2.1.4 纤维素酶处理对漂白浆光学性能的影响 15
2.1.5 纤维素酶处理对漂白浆强度性能的影响 16
2.1.6 小结 17
2.2 木聚糖酶的酶促磨浆 17
2.2.1 木聚糖酶处理对纸浆磨浆性能的影响 19
2.2.2 木聚糖酶处理对纸浆光学性能的影响 20
2.2.3 木聚糖酶处理对纸浆强度性能的影响 21
2.2.4 木聚糖酶处理对漂白浆光学性能的影响 21
2.2.5 木聚糖酶处理对漂白浆强度性能的影响 22
2.2.6 小结 23
2.3 纤维素酶和木聚糖酶协同酶促磨浆 23
2.3.1 棍合酶处理对纸浆磨靠性能的影响 24
2.3.2 棍合酶处理对纸浆光学性能的影响 25
2.3.3 棍合酶处理对纸浆强度性能的影响 26
2.3.4 棍合酶处理对漂自浆光学性能的影响 27
2.3.5 温合酶处理对漂白浆强度性能的影晌 28
2.3.6 小结 29
2.4 酶促磨浆应用实例 30
2.4.1 工艺流程 30
2.4.2 酶促磨浆杨木配TMP生产工艺 31
2.5 酶促磨浆作用机制初步探讨 32
2.5.1 酶处理对纸浆纤维形态的影响 34
2.5.2 酶处理对纤维质量的影响 36
2.5.3 原子力显微镜分析 37
2.5.4 X射线衍射分析 42
2.5.5 红外光谱分析 44
2.5.6 小结 49
参考文献 50
第3章 酶促消潜 52
3.1 酶促消潜的影响因素 52
3.1.1 酶活测定 54
3.1.2 儿种酶对杨木APMP潜态的影响 55
3.1.3 杨木APMP纤维素酶的酶促消潜 55
3.1.4 杨木APMP碱性木聚糖酶的酶促消潜 59
3.1.5 小结 62
3.2 纤维素酶酶促消潜对纸浆性能的影响 63
3.2.1 酶用量的影响 63
3.2.2 温度的影响 64
3.2.3 缸柴浓度的影响 64
3.2.4 时间的影响 65
3.2.5 pH的影响 66
3.2.6 小结 66
3.3 碱性木聚糖酶酶促消潜对纸浆性能的影响 66
3.3.1 常规消潜对APMP物理性能的影响 67
3.3.2 碱性木聚糖酶消潜对AP阳物理性能的影响 67
3.3.3 小结 72
3.4 酶促消潜机制的初步探讨 73
3.4.1 纤维素酶的酶促消潜对纸浆保水值的影响 74
3.4.2 木聚糖酶的酶促消潜对纸浆保水值的影响 75
3.4.3 扫描电镜分析 77
3.4.4 X射线衍射分析 80
3.4.5 小结 82
参考文献 82
第4章 生物帚化 83
4.1 APMP的生物帚化 83
4.1.1 酶处理时间对纸浆成纸强度性能的影响 87
4.1.2 酶处理pH对纸浆成纸强度性能的影响 87
4.1.3 酶处理温度对纸浆成纸强度性能的影响 88
4.1.4 酶处理对纸浆成纸强度性能的影响 89
4.1.5 酶处理对纸浆成纸光学性能的影响 90
4.1.6 纤维特性分析 90
4.1.7 扫描电镜分析 91
4.1.8 小结 92
4.2 P-RCAPMP的生物帚化 92
4.2.1 不同打浆能耗下的生物帚化效果 93
4.2.2 相同打浆能耗下的生物帚化效果 94
4.2.3 光学性能的影响 95
4.2.4 纤维特性分析 97
4.2.5 扫描电镜分析 97
4.2.6 小结 98
4.3 BCTMP的生物帚化 99
4.3.1 酶处理时间的影响 99
4.3.2 酶处理pH的影响 99
4.3.3 酶处理温度的影响 100
4.3.4 酶用量与打浆能耗的关系 101
4.3.5 相同打浆能耗下酶处理对纸浆成纸强度的影响 105
4.3.6 酶处理对纸浆成纸光学性能的影响 105
4.3.7 纤维特性分析 106
4.3.8 扫描电镜分析 107
4.3.9 小结 108
4.4 生物帚化生产试验 108
4.4.1 面巾纸和餐巾纸生物帚化的生产试验 108
4.4.2 小结 116
参考文献 116
第5章 湿部生物调控 117
5.1 纤维素酶湿部调控 117
5.1.1 纤维素酶的助滤作用 120
5.1.2 纤维素酶的助留作用 126
5.1.3 纤维素酶的增强作用 129
5.1.4 纤维素酶处理对纤维特性的影响 130
5.1.5 X射线衍射分析 133
5.1.6 环境扫描电镜分析 133
5.1.7 小结 134
5.2 木聚糖酶湿部调控 135
5.2.1 木聚糖酶的助滤作用 135
5.2.2 木聚糖酶的助留作用 141
5.2.3 木聚糖酶的增强作用 143
5.2.4 木聚糖酶处理对纤维特性的影响 144
5.2.5 X射线衍射分析 146
5.2.6 环境扫描电镜分析 146
5.2.7 小结 146
5.3 果胶酶湿部调控 148
5.3.1 果脏酶的助滤作用 148
5.3.2 果胶酶的助留作用 153
5.3.3 果肢酶的增强作用 155
5.3.4 果脏酶处理对纤维特性的影响 156
5.3.5 X射线衍射分析 157
5.3.6 环境扫描电镜分析 158
5.3.7 小结 159
5.4 复合纤维素酶湿部调控 159
5.4.1 复合纤维素酶的助滤作用 160
5.4.2 复合纤维素酶的助留作用 164
5.4.3 复合纤维素酶的增强作用 167
5.4.4 复合纤维素酶处理对纤维特性的影响 167
5.4.5 X射线衍射分析 169
5.4.6 环境扫描电镜分析 169
5.4.7 小结 169
参考文献 171

    章 绪论
    生物技术在制浆造纸工业中的应用涉及原料、制浆、漂白、废纸脱墨及废水处理等方面。本章对生物技术在制浆造纸工业中各方面的应用进行简要阐述。
    早在古代，生物技术就已经被运用到造纸技术中。古代纸张是将树皮、植网和秸秤等进行自然发酵后经机械处理和抄造而成的。自然发酵就是利用生物技术来处理纸浆，通过微生物的作用除去植物纤维原料中纤维之间存在的带结物，而使纤维在保持完整的状态下更容易分散(谢来苏，2003)。
    随着生物技术的不断发展，制浆造纸技术和生物技术相结合运用到造纸工业中越来越受到行业的重视，在造纸中的应用也越来越广泛〈李志健等，2001)。造纸行业存在着原料短缺、能源紧张、污染严重等诸多现实问题，造纸技术与生物技术的进一步结合可以在一定程度上缓解制约造纸行业发展的一些问题。生物技术显然已经成为推动造纸工业实现可持续发展的动力之一(伍安国等，200日。经过深人研究，目前生物技术已经可以广泛应用于原料生产、制浆造纸过程和废水处理等生产的各个阶段，酶法制浆、酶促漂白、酶法脱墨、酶法改性等技术也都有了不同程度的发展.
    1.1 基因重组技术改良纤维原料
    基因重组技术也称为脱氧核糖核酸(DNA)重组技术，是指将基因重新组合，然后将组合基因转化或转移到细胞中进行复制和表达，是改良生物性状的有力手段。针对造纸工业对用材特性的需求，可通过基因改良降低造纸原料中木素的含量，增加纤维素的含量，从而提高造纸原料的利用率，缩短树木成材的年限。美国密歇根工业太学使用反义(antisense)技术控制术素合成的基因Pt4CL1，令其处于抑制状态，取得的转基因杨树的木素含量降低了45%、纤维素含量增加了15%，且具有生长速率快的优势，比对照树种高30%。另外，英国Zencea公司、比利时Elsenve科学公司以及法国生物细胞研究中心都成功利用转基因工程研制出了更加适合制浆造纸工业的纤维原料。
    1.2 生物制浆
    生物制浆是利用微生物或其酶制剂，对植物纤维原料进行预处理，以生物途径代替化学途径或部分化学途径，然后进行机械、化学机械或化学法处理，使植物纤维原料分离成纸浆〈黄峰等，1997)。以生物途径代替或部分代替化学途径制浆造纸自20世纪70年代初就受到广泛关注，尤其是生物机械制浆的研究(毛丹摘等，2002)。瑞典造纸研究所率先开展这方面的工作，利用能降解木素的白腐菌对木片进行预处理，木片的磨浆能耗显著降低。为降低对纤维的损伤，选育出没有纤维素酶活性的变异菌株。美国林产品实验室联合威斯康星大学等研究机构筛选了大量白腐菌，选育出具有强降解木素能力、对纤维损害小且生长迅速的Ceriporiopsis subvermispora，菌株，把它接种到经蒸气简单灭菌的木片上，培养2周后进行热磨机械法(thermomechanical pulping， TMP)制浆。结果显示，生物制浆可节省能耗38%，提高设备生产能力，减少树脂障碍问题，改善成纸的强度性能。
    一些学者从经济、工程和环境的角度对生物机械制浆进行了分析论证，为其进入工业化实施阶段提供了保障(檀俊利等，2000)0Swaney等从降低能耗和对环境友好的角度论述了生物制浆商业化的可行性，从50t的半商业性生产规模的试验结果来看，机械浆的生产成本显著降低，纸浆的质量也可以得到提高。生物预处理多为真菌处理，磨浆能耗的降低程度与真菌的种类、培养条件和纤维原料种类等因素有关，因而强降解术素能力、对纤维损害小和生长迅速菌株的培养受到关注(涂启梁等，2006)。Setliff利用Ceriporiopsis subvermispora和Plchrysosporium对杨木和挪威云杉进行预处理，杨木可以降低20%的能耗、挪威云杉降低13%的能耗。采用真菌C.subvermispora处理，火炬松木片生物机械浆的撕裂指数增加47%~60%、耐破指数增加33%~46%;采用Dikchomitus squalens和P.chrysosponum处理杨木木片，可使成浆的抗张指数增加40%~72%、撕裂指数和耐破指数增加1~2倍。Terhi分离的真菌Physisporinus rivulosusT24li应用于挪威云杉生物机械制浆表明，较宽的适宜温度和良好的脱术素选择性使其优于广泛研究的Ceriporiopsis subvermispora。
    生物化学制浆期望原料经过微生物处理后能直接成浆，但处理周期过长，不能满足连续生产的要求。相应可行的思路是生物预处理的化学制浆，利用生物预处理的手段，达到相同纸浆硬度时减少化学药品和能源的消耗，或在化学药品不减少的情况下降低纸浆的硬度，以适应无氯漂白的需要(陈嘉川等，2017)。
    1.3 生物漂白
    生物漂白很早利用降解木素的微生物分解纸浆中的残余木素，使之降解溶出，达到提高纸浆自度的目的。但自腐菌直接处理未漂纸浆的脱木素速率太慢，而且对纤维素也有降解作用。随着研究的深入，以酶制剂为基础的生物漂白逐渐得到认可，且木聚糖酶预漂白技术在生产中得到了广泛应用(王再等，2000)。生物漂白的主要作用是提高纸浆的可漂性，降低漂白过程的化学药剂用量，减轻漂白过程的污染程度(杨桂花，2009)。
    1.3.1 半纤维素酶助漂
    在制浆过程中漂白往往是昂贵的操作之一，而且分子氯法漂白会产生少量毒的二昭英等致癌物，对人类健康造成巨大威胁。木聚糖酶用于漂白既可使化学漂白成本减少20%，又可明显减少对环境的污染，因而得到了较广泛的应用。
    在硫酸盐浆漂白中，家采用酶处理方法工艺化应用的造纸厂于1989年在芬兰投入运行.硫酸盐浆漂白是一种间接促进漂白作用的酶处理方法，其作用机制是利用木聚糖酶(一种能降解木聚糖的半纤维素酶〉从纸浆中除去半纤维素，特别是木聚糖组分。在未漂硫酸盐浆中，部分术聚糖与部分木素存在着化学键的连接，即存在着木素-木聚糖复合体(LCC)，以这种形式存在的木素难以漂白，而木聚糖酶使这些复合体中的木聚糖部分降解，使木聚糖与木素的连接断裂，从而有利于后续阶段漂自药剂对木素进行漂自作用。在硫酸盐浆漂白中，经过术聚糖酶处理后，可降低15%~25%氯的消耗量，因此这种促进漂白作用的明显效果是减少了有机氯化舍物的排放量。另外，对于无元素氯(ECF)和全无氯CTCF)漂白，采用酶处理也具有很好的促进漂白作用。这种方法能降低可吸附的有机卤化合物CAOX)含量约20%，木聚糖酶处理技术适用于各种漂白工艺以及不同木素含量的针叶木或阔叶木硫酸盐纸浆。该方法的投资费用很好低，因为酶处理可以在生产过程中的储存浆池或中间浆池内进行，使用术聚糖酶的费用可从节约漂白化学品用量中获得平衡。另外，由于减少了AOX形成量和降低了环境污染负荷的排放，更具工业化应用的现实意义。工业化的促进漂白作用的酶应用于实际生产的成本为2~5美元/t纸浆。
    木聚糖酶具有促进漂白的作用，可应用于木材纤维原料以外的原料。对麦草碱法浆漂白的研究发现，由于草浆原料比木材原料含有更多的Lα，并且碱法草浆中戊聚糖的含量高达22%，所以木聚糖酶应用于碱法草浆的漂白潜力很大。在可比的自度和漂自得率的情况下，经过木聚糖酶处理后再对纸浆进行氯化-碱处理-次氯酸盐漂白(CEH)三段漂白，可降低氯耗40%。酶的改良也得到了广泛认识，以提高酶处理的温度和pH，适应造纸工业生产工艺条件。加拿大国家科学院生命科学研究所和Iogen公司合作，利用蛋白质工程技术，用描色高温单胞菌(Thernzonzo TWS porafucsa)木聚糖酶N端的一段氨基酸置换瑞氏木霉(Trichoderma reesei)术聚糖酶的相应片段，使重组酶的较适宜温度和pH分别提高了13"(;和0.90使用CBHI的启动子使重组酶在瑞民木霉中得到高效表达。
    1.3.2 微生物漂白
    微生物(如自腐菌)具有降解或选择性降解木素的能力，因此很初人们希望通过微生物的处理，除去纸浆中的残余木素，达到漂白效果，或减少化学药剂的用量，减轻有毒有机物对环境造成的污染。试验表明，当菌处理与CED化学漂白程序相结合时，可以取得与传统的CEDED五段漂白同样的效果，显著减少了有效氯的用量和减轻了漂白废水有机氯的污染。
    降解木质纤维素材料的微生物主要是真菌及某些细菌，真菌通过抱子或菌丝感染木材，菌丝分泌特异酶进攻木材纤维细胞壁，造成木材腐朽。基于木材腐朽类型把木素降解真菌分为白腐菌、褐腐菌和软腐菌。白腐菌和褐腐菌属于担子菌纲(Basidiomycetes)，软腐菌属于子囊菌纲(Ascomycetes)或半知菌纲(Fungiimperficti)。
    具有木素降解能力的微生物主要是放线菌。放线菌以分支菌丝生长，与丝状真菌相似，可以穿透不榕底物，如木质纤维素。Antai等用两株链霉菌处理硬木、软木和草类原料。链霉菌在降解木素的同时也大量降解碳水化合物，为其生长提供碳源。与真菌不同，链霉菌是在初级代谢阶段，通过脱甲基、芳环断裂和侧链氧化降解术素。其他细菌，如假单胞杆菌属(Pseudomonas sp.)、不动杆菌属(Acinetobacter sp.)、芽抱杆菌属(Bacillus sp.)和梭菌属(Clostridium sp.)等也能降解术素。诺卡氏菌属(Nocardia sp.)和黄单胞菌属CXanthomonas sp.)等可以降解木素相关物。细菌以榕解木素作用为主，但使木素降解为C仇的能力远低于白腐菌。
    1.3.3 木章酶漂白
    目前用于纸浆漂白研究的木素酶主要是木素过氧化物酶、锺过氧化物酶和潘酶。
    (1)木素过氧化物酶。Tien、Kirk、Glenn在1983年分别独立报道，在白腐菌的培养液中发现有可以降解木素的酶，即木素过氧化物酶。1987年，Farrell发表报道，从白腐菌诱变株培养得到的术素过氧化物酶可以选择性降解木素，可以将纸浆漂自到较浅的颜色。
    (2)锺过氧化物酶。1993年.Paice等抢先发售利用含依赖锺过氧化物酶的培养液和纯化的依赖过氧化物酶漂白阔叶木硫酸盐纸浆，发现该酶具有脱除甲基和降解木素的效果。1994年，Kondo等用依赖锺过氧化物酶处理阔叶木硫酸盐纸浆，取得很好的脱木素效果;1995年又利用部分提纯的依艘锺过氧化物酶进行漂白处理，可提高未漂硫酸盐浆自度约15%ISO。
    (3)漆酶。1883年.Yoshida研究东方家具时发现一种可以催化漆的固化过程的蛋白质，这种蛋白质于1894年由Bertrand命名为漆酶。1987~1992年，Call等发表了多篇关于利用漆酶进行纸浆漂白的报道。1992年，Bourbonnais和Paice报道了用潦酶漂白硫酸盐纸浆，发现在介体ABTS的存在下纸浆有明显的脱甲氧基和脱木素效果。1994年，Call和Mucke报道了一个漆酶-介体系统，该系统能成功地处理各种不同的浆种，包括阔叶术、针叶木或一年生植物的硫酸盐浆、亚硫酸盐浆和溶剂浆，使纸浆的白度大大提高。1996年，Bourbonnais和Paice用漆酶-ABTS系统在10%浆浓度下处理硫酸盐浆和亚硫酸盐浆，处理后再经碱抽提，浆的卡伯值分别下降了25%~40%和50%，也证明了漆酶-介体技术是很有发展潜力的生物漂白工艺。