生物技術(shù)在制漿造紙中的應用與研究進展
近年來, 新興的生物技術(shù), 主要包括基因工程、生物工程、發(fā)酵工程和酶工程。利用生物技術(shù), 可以通過生物遺傳基因的重組, 開發(fā)出新的優(yōu)良品種和新的物種; 可以通過新陳代謝作用, 生產(chǎn)出許多有用的新有機物質(zhì); 可以通過酶促反應, 大大改善許多現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的條件和效率。由于造紙工業(yè)的基本原料是生物體(植物) , 化學制漿方法基本上是對生物體的化學反應過程, 它的環(huán)境污染物又主要是從生物體降解的有機物, 這是造紙工業(yè)可以充分運用生物技術(shù)的重要依據(jù)。
生物技術(shù)在制漿造紙工藝上的應用在20 世紀90 年代發(fā)展較快。對環(huán)境保護及降低能耗的日益關(guān)注, 更促進了生物技術(shù)在制漿造紙工業(yè)上的應用。目前應用于制漿造紙工業(yè)的生物技術(shù)主要有基因重組改良造紙原料、生物制漿、生物漂白、廢紙生物脫墨、廢液生物處理、酶處理和改善漿料性能樹脂生物控制等, 有些研究成果已用于工業(yè)生產(chǎn)。
1 基因重組技術(shù)改良造紙原料
基因重組技術(shù)是將基因重新組合, 然后將基因轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移到細胞中進行復制和表達的技術(shù), 是改良生物性狀的有力手段。基因改良造紙原料的目的: 減少造紙原料中的木素含量, 盡可能增加纖維素的含量,以提高造紙原料的利用率, 縮短樹木成材的年限。美國密歇根工業(yè)大學姜立泉實驗室經(jīng)過12 年的努力,終于發(fā)現(xiàn)一種通過基因改造的方法減少樹木木素含量的方法: 使用一種稱之為反義( antisense) 技術(shù)控制木素合成的基團Pt4CL1, 令其處于“抑制狀態(tài)”, 其結(jié)果取得了轉(zhuǎn)基因樹木。該基因楊樹比對照楊樹的木素含量降低了45%, 而纖維素含量增加了15%, 并發(fā)現(xiàn)該樹木生長快, 樹高比對照樹高出30% 。另外, 英國的Zencea 公司、比利時的Elserive 科學公司以及法國的生物細胞研究中心都成功的利用轉(zhuǎn)基因工程研制出了更加適合制漿造紙的造紙原料。
2 生物制漿
制漿廠利用化學法制漿提高生產(chǎn)規(guī)模, 而且使原料的適應性大大提高。然而, 近年來純化學法制漿已暴露出的它的缺點: 化學藥品消耗量大、能耗高、設備投資高, 特別是制漿與漂白過程所排出的廢水, 具有極高的BOD、COD 負荷, 而且其中還含有劇毒性荷強致癌性物質(zhì), 給環(huán)境造成嚴重的污染。隨著人們對環(huán)保的要求的提高, 傳統(tǒng)的化學法制漿正在不斷改進,生物制漿技術(shù)將得到迅速發(fā)展。 生物法制漿是利用微生物( 主要是白腐菌) 或其制品( 酶) , 對植物纖維原料預處理, 以生物途徑代替化學途徑或部分化學途徑, 然后進行機械、化學機械或化學法處理, 使植物纖維原料分離成紙漿。
生物預處理可以顯著地降低磨漿能耗, 改善漿的性能。Setliff利用Ceriporiopsis subvemispora 和P.chrysosporium 對楊木進行了預處理, 結(jié)果表明, 與未經(jīng)真菌處理相比, 在盤磨機磨至相同游離度的情況下, 楊木可以降低20%的能耗, 挪威云杉降低13%的能耗。Kashino利用IZU- 154 對闊葉木和針葉木生物機械漿進行了研究, 發(fā)現(xiàn)粗磨的山毛櫸機械漿經(jīng)真菌處理7 天以后, 可使后續(xù)漿能量消耗降低1/3～1/2, 且強度性能得到改善; 經(jīng)粗磨的云杉機械漿和紅松漿采用真菌處理10～14 天, 磨漿能耗約降低1/3,強度性能也有所改善。
生物方法預處理木片一般都采用白腐菌等, 這些菌種可以產(chǎn)生木素過氧化物酶、二價過氧化酶和漆酶, 預處理木片的主要影響因素是菌種種類、酶用量、pH 值、溫度和濃度、原料材種等。
3 生物漂白
生物酶促漂白技術(shù), 主要是利用半纖維素酶部分酶解纖維細胞中的半纖維素, 使木素更容易與漂劑反應而溶出, 從而提高漂后漿的白度, 減少漂劑的用量。半纖維素酶有助于硫酸鹽紙漿的漂白, 可以實現(xiàn)經(jīng)濟的生物技術(shù)應用于紙漿的漂白, 其基本原理是根據(jù)半纖維素酶( 木聚糖酶和甘露糖酶) 能引起紙漿中碳水化合物結(jié)構(gòu)的改性而提高脫木素作用。這種酶能使紙漿中部分半纖維素解聚, 促進漂白化學藥品從紙漿中除去殘留木素。
1989 年芬蘭率先進行應用木聚糖酶預處理硫酸鹽紙漿的工業(yè)化試驗。目前, 北歐和北美地區(qū)的許多制漿造紙工廠將這一生物技術(shù)應用于漂白硫酸鹽漿的工業(yè)化生產(chǎn)。智利制漿廠在藍桉和亮藍桉木硫酸鹽制漿漂白過程中, 采用商品木聚糖酶預處理未漂白的桉木硫酸鹽紙漿, 并結(jié)合無元素氯漂白順序DEopD結(jié)果節(jié)省二氧化氯12%～40% , 而對漂白漿強度沒有影響, 白度達到90%ISO。
4 廢紙生物脫墨
由于木材纖維原料的短缺, 利用廢紙資源作為造紙原料的需求日益增加。廢紙的再生利用, 關(guān)鍵是脫墨。傳統(tǒng)的脫墨工藝分為洗滌法和浮選法兩大類。洗滌法設備簡單, 投資小, 但用水量大, 環(huán)境污染負荷大, 大多見于中小企業(yè)。現(xiàn)代大型脫墨生產(chǎn)線通常采用浮選法或浮選法為主洗滌法為輔的工藝。這兩種脫墨工藝都為化學法脫墨所用, 而化學法脫墨化學藥品消耗大, 對環(huán)境污染嚴重, 紙漿易產(chǎn)生" 堿性發(fā)黑"現(xiàn)象。隨著生物技術(shù)的發(fā)展, 酶用于廢紙脫墨技術(shù)的研究應運而生。
生物酶新聞紙脫墨劑的脫墨機理目前尚不太清楚。大多研究者比較認可的是: 可能是生物酶能選擇性地優(yōu)先作用于纖維之間的交界面。使油墨與纖維之間的連接松動, 在適度的機械作用下, 把油墨從纖維表面脫離下來。生物酶脫墨劑是一種高效復合酶制劑, 生物酶脫墨具有以下優(yōu)點:( 1) 能適應任何油墨,油墨與纖維分離徹底, 脫墨漿白度高, 塵埃少;( 2) 纖維得率高;( 3) 可降低氫氧化鈉、硅酸鈉、雙氧水等化學藥品的用量;( 4) 脫墨廢水負荷遠低于化學脫墨, 有利于環(huán)境保護。
Putz等人對膠印新聞紙的酶法脫墨和化學脫墨進行了比較, 發(fā)現(xiàn)酶法脫墨可以節(jié)約大量化學藥品, 降低廢水的COD 含量。國內(nèi)對廢新聞紙脫墨的研究還表明, 酶法脫墨漿具有更高的白度和相似的物理性能。
5 生物處理制漿工業(yè)廢水
應用生物技術(shù)處理制漿工業(yè)廢水, 可以是廢水脫色、脫臭、解毒以及除去廢水中有機物BOD, 效果很明顯。生物處理制漿工業(yè)廢水有好氧處理( 如曝氣法、活性污泥法、生物轉(zhuǎn)盤法等) 與厭氧處理。厭氧處理制漿廢水可產(chǎn)生甲烷, 回收能量。
當前主要研究用酶破壞氯漂白廢水中的氯化有機物, 盡可能降低有機氯化物的含量, 同時有更高的色度去除率。Messner等人將白腐菌P.chrysosporiumBKM/F- 1767 固定在滴濾器的多孔泡沫載體上( MYCOPOR工藝) , 停留時間為6～12h, 其AOX 去除率、COD 去除率及脫色率分別達到80%、40%和87%。瑞典一硫酸鹽制漿工廠結(jié)合超濾采用厭氧- 好氧生物方法處理紙漿漂白廢水, 可降低BOD95% 、AOX80%, 并且脫色率達到50%。另外, 美國、加拿大和日本采用白腐菌對硫酸鹽紙漿漂白廢水進行脫色, 也取得了很明顯的效果。
6 酶處理改善漿料的性能
近年來, 廣大研究者致力于利用酶改善纖維性能、提高紙漿的濾水性能和紙漿強度的研究。傳統(tǒng)方法是利用纖維素酶和半纖維素酶來對纖維進行改性。但是, 經(jīng)過改性后的紙漿的濾水性能有所下降。最近,利用木素降解酶中的漆酶對纖維進行改性, 以提高紙漿強度已廣為關(guān)注。
據(jù)國外報道, 用漆酶介體體系來改善未漂硫酸鹽漿的性能, 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 紙漿的濕強度有顯著地提高。湯鎮(zhèn)江[8]等用漆酶處理磨石磨木漿, 發(fā)現(xiàn)紙張強度及增干強度效果明顯。GatenhplmP[9]等發(fā)現(xiàn), 漆酶與纖維表面的酸基進行接枝作用可以改善紙漿強度和潤脹性能。
7 樹脂生物控制
樹脂障礙一直是困擾新聞紙生產(chǎn)的一大難題。植物纖維原料中的樹脂成分是一些溶于中性有機溶劑的憎水性物質(zhì), 而在造紙的過程中, 這些憎水性的物質(zhì)會以多種形式在設備表面沉積。從而造成斷紙、停機和紙質(zhì)下降等問題。文獻[10]報道可利用纖維素酶進行處理。
由于真菌Ophiostoma piliferum 不產(chǎn)生木素降解酶和纖維素酶, 可以專一去除紙漿中的樹脂。文獻報道, 向紙機槽中加入250～500mg/L 甘油三脂水解酶( 由Aspergillus oryzae 分離出來) 發(fā)現(xiàn)大部分甘油三脂水解( pH 值4～7, 40～60℃) , 致使樹脂障礙減少。
與傳統(tǒng)的樹脂障礙控制法相比, 生物控制法具有效果好、成本低的優(yōu)點, 但對環(huán)境的要求苛刻。比如,脂肪酶的活性受溫度和pH 的影響很大。一般情況下酶不耐高溫, 溫度超過70℃其活性將嚴重喪失。酶有一個最適宜的pH, 偏離了這個pH 值, 酶活性也會大大降低。據(jù)報道, 日本Jujo 公司和丹麥Novo Nordisk生物有限公司聯(lián)合開發(fā)了一種耐熱脂肪酶, 該酶甚至在80℃以上仍有效, 而且在實踐中取得良好的效果。
8 結(jié)語
目前, 酶生物漂白、酶法脫墨、微生物法控制樹脂障礙在一些工廠已形成規(guī)模, 但由于酶法脫墨的機理還不太清楚, 以致酶法脫墨的進一步研究與工業(yè)應用受到了限制: 對酶的作用機理仍需要繼續(xù)研究, 使酶法脫墨更具可行性。對于微生物控制樹脂障礙, 研究者需要進一步研究出耐高溫的微生物, 以更好地應用于生產(chǎn)。生物法制漿工業(yè)化生產(chǎn), 還需解決縮短生物預處理周期等問題。徹底解決蒸煮黑液問題( 難點是木素的有效生物降解) 仍是制漿廢水無法通過生物方法直接解決的難題, 特別是以草類為主要原料且無堿回收裝置的造紙企業(yè), 目前正面臨著生存的嚴峻挑戰(zhàn)。在全球的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中, 生物技術(shù)在制漿造紙工業(yè)中將會發(fā)揮更重要的作用。
[此信息未經(jīng)證實，僅供參考]
生物技術(shù)在制漿造紙工藝上的應用在20 世紀90 年代發(fā)展較快。對環(huán)境保護及降低能耗的日益關(guān)注, 更促進了生物技術(shù)在制漿造紙工業(yè)上的應用。目前應用于制漿造紙工業(yè)的生物技術(shù)主要有基因重組改良造紙原料、生物制漿、生物漂白、廢紙生物脫墨、廢液生物處理、酶處理和改善漿料性能樹脂生物控制等, 有些研究成果已用于工業(yè)生產(chǎn)。
1 基因重組技術(shù)改良造紙原料
基因重組技術(shù)是將基因重新組合, 然后將基因轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移到細胞中進行復制和表達的技術(shù), 是改良生物性狀的有力手段。基因改良造紙原料的目的: 減少造紙原料中的木素含量, 盡可能增加纖維素的含量,以提高造紙原料的利用率, 縮短樹木成材的年限。美國密歇根工業(yè)大學姜立泉實驗室經(jīng)過12 年的努力,終于發(fā)現(xiàn)一種通過基因改造的方法減少樹木木素含量的方法: 使用一種稱之為反義( antisense) 技術(shù)控制木素合成的基團Pt4CL1, 令其處于“抑制狀態(tài)”, 其結(jié)果取得了轉(zhuǎn)基因樹木。該基因楊樹比對照楊樹的木素含量降低了45%, 而纖維素含量增加了15%, 并發(fā)現(xiàn)該樹木生長快, 樹高比對照樹高出30% 。另外, 英國的Zencea 公司、比利時的Elserive 科學公司以及法國的生物細胞研究中心都成功的利用轉(zhuǎn)基因工程研制出了更加適合制漿造紙的造紙原料。
2 生物制漿
制漿廠利用化學法制漿提高生產(chǎn)規(guī)模, 而且使原料的適應性大大提高。然而, 近年來純化學法制漿已暴露出的它的缺點: 化學藥品消耗量大、能耗高、設備投資高, 特別是制漿與漂白過程所排出的廢水, 具有極高的BOD、COD 負荷, 而且其中還含有劇毒性荷強致癌性物質(zhì), 給環(huán)境造成嚴重的污染。隨著人們對環(huán)保的要求的提高, 傳統(tǒng)的化學法制漿正在不斷改進,生物制漿技術(shù)將得到迅速發(fā)展。 生物法制漿是利用微生物( 主要是白腐菌) 或其制品( 酶) , 對植物纖維原料預處理, 以生物途徑代替化學途徑或部分化學途徑, 然后進行機械、化學機械或化學法處理, 使植物纖維原料分離成紙漿。
生物預處理可以顯著地降低磨漿能耗, 改善漿的性能。Setliff利用Ceriporiopsis subvemispora 和P.chrysosporium 對楊木進行了預處理, 結(jié)果表明, 與未經(jīng)真菌處理相比, 在盤磨機磨至相同游離度的情況下, 楊木可以降低20%的能耗, 挪威云杉降低13%的能耗。Kashino利用IZU- 154 對闊葉木和針葉木生物機械漿進行了研究, 發(fā)現(xiàn)粗磨的山毛櫸機械漿經(jīng)真菌處理7 天以后, 可使后續(xù)漿能量消耗降低1/3～1/2, 且強度性能得到改善; 經(jīng)粗磨的云杉機械漿和紅松漿采用真菌處理10～14 天, 磨漿能耗約降低1/3,強度性能也有所改善。
生物方法預處理木片一般都采用白腐菌等, 這些菌種可以產(chǎn)生木素過氧化物酶、二價過氧化酶和漆酶, 預處理木片的主要影響因素是菌種種類、酶用量、pH 值、溫度和濃度、原料材種等。
3 生物漂白
生物酶促漂白技術(shù), 主要是利用半纖維素酶部分酶解纖維細胞中的半纖維素, 使木素更容易與漂劑反應而溶出, 從而提高漂后漿的白度, 減少漂劑的用量。半纖維素酶有助于硫酸鹽紙漿的漂白, 可以實現(xiàn)經(jīng)濟的生物技術(shù)應用于紙漿的漂白, 其基本原理是根據(jù)半纖維素酶( 木聚糖酶和甘露糖酶) 能引起紙漿中碳水化合物結(jié)構(gòu)的改性而提高脫木素作用。這種酶能使紙漿中部分半纖維素解聚, 促進漂白化學藥品從紙漿中除去殘留木素。
1989 年芬蘭率先進行應用木聚糖酶預處理硫酸鹽紙漿的工業(yè)化試驗。目前, 北歐和北美地區(qū)的許多制漿造紙工廠將這一生物技術(shù)應用于漂白硫酸鹽漿的工業(yè)化生產(chǎn)。智利制漿廠在藍桉和亮藍桉木硫酸鹽制漿漂白過程中, 采用商品木聚糖酶預處理未漂白的桉木硫酸鹽紙漿, 并結(jié)合無元素氯漂白順序DEopD結(jié)果節(jié)省二氧化氯12%～40% , 而對漂白漿強度沒有影響, 白度達到90%ISO。
4 廢紙生物脫墨
由于木材纖維原料的短缺, 利用廢紙資源作為造紙原料的需求日益增加。廢紙的再生利用, 關(guān)鍵是脫墨。傳統(tǒng)的脫墨工藝分為洗滌法和浮選法兩大類。洗滌法設備簡單, 投資小, 但用水量大, 環(huán)境污染負荷大, 大多見于中小企業(yè)。現(xiàn)代大型脫墨生產(chǎn)線通常采用浮選法或浮選法為主洗滌法為輔的工藝。這兩種脫墨工藝都為化學法脫墨所用, 而化學法脫墨化學藥品消耗大, 對環(huán)境污染嚴重, 紙漿易產(chǎn)生" 堿性發(fā)黑"現(xiàn)象。隨著生物技術(shù)的發(fā)展, 酶用于廢紙脫墨技術(shù)的研究應運而生。
生物酶新聞紙脫墨劑的脫墨機理目前尚不太清楚。大多研究者比較認可的是: 可能是生物酶能選擇性地優(yōu)先作用于纖維之間的交界面。使油墨與纖維之間的連接松動, 在適度的機械作用下, 把油墨從纖維表面脫離下來。生物酶脫墨劑是一種高效復合酶制劑, 生物酶脫墨具有以下優(yōu)點:( 1) 能適應任何油墨,油墨與纖維分離徹底, 脫墨漿白度高, 塵埃少;( 2) 纖維得率高;( 3) 可降低氫氧化鈉、硅酸鈉、雙氧水等化學藥品的用量;( 4) 脫墨廢水負荷遠低于化學脫墨, 有利于環(huán)境保護。
Putz等人對膠印新聞紙的酶法脫墨和化學脫墨進行了比較, 發(fā)現(xiàn)酶法脫墨可以節(jié)約大量化學藥品, 降低廢水的COD 含量。國內(nèi)對廢新聞紙脫墨的研究還表明, 酶法脫墨漿具有更高的白度和相似的物理性能。
5 生物處理制漿工業(yè)廢水
應用生物技術(shù)處理制漿工業(yè)廢水, 可以是廢水脫色、脫臭、解毒以及除去廢水中有機物BOD, 效果很明顯。生物處理制漿工業(yè)廢水有好氧處理( 如曝氣法、活性污泥法、生物轉(zhuǎn)盤法等) 與厭氧處理。厭氧處理制漿廢水可產(chǎn)生甲烷, 回收能量。
當前主要研究用酶破壞氯漂白廢水中的氯化有機物, 盡可能降低有機氯化物的含量, 同時有更高的色度去除率。Messner等人將白腐菌P.chrysosporiumBKM/F- 1767 固定在滴濾器的多孔泡沫載體上( MYCOPOR工藝) , 停留時間為6～12h, 其AOX 去除率、COD 去除率及脫色率分別達到80%、40%和87%。瑞典一硫酸鹽制漿工廠結(jié)合超濾采用厭氧- 好氧生物方法處理紙漿漂白廢水, 可降低BOD95% 、AOX80%, 并且脫色率達到50%。另外, 美國、加拿大和日本采用白腐菌對硫酸鹽紙漿漂白廢水進行脫色, 也取得了很明顯的效果。
6 酶處理改善漿料的性能
近年來, 廣大研究者致力于利用酶改善纖維性能、提高紙漿的濾水性能和紙漿強度的研究。傳統(tǒng)方法是利用纖維素酶和半纖維素酶來對纖維進行改性。但是, 經(jīng)過改性后的紙漿的濾水性能有所下降。最近,利用木素降解酶中的漆酶對纖維進行改性, 以提高紙漿強度已廣為關(guān)注。
據(jù)國外報道, 用漆酶介體體系來改善未漂硫酸鹽漿的性能, 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 紙漿的濕強度有顯著地提高。湯鎮(zhèn)江[8]等用漆酶處理磨石磨木漿, 發(fā)現(xiàn)紙張強度及增干強度效果明顯。GatenhplmP[9]等發(fā)現(xiàn), 漆酶與纖維表面的酸基進行接枝作用可以改善紙漿強度和潤脹性能。
7 樹脂生物控制
樹脂障礙一直是困擾新聞紙生產(chǎn)的一大難題。植物纖維原料中的樹脂成分是一些溶于中性有機溶劑的憎水性物質(zhì), 而在造紙的過程中, 這些憎水性的物質(zhì)會以多種形式在設備表面沉積。從而造成斷紙、停機和紙質(zhì)下降等問題。文獻[10]報道可利用纖維素酶進行處理。
由于真菌Ophiostoma piliferum 不產(chǎn)生木素降解酶和纖維素酶, 可以專一去除紙漿中的樹脂。文獻報道, 向紙機槽中加入250～500mg/L 甘油三脂水解酶( 由Aspergillus oryzae 分離出來) 發(fā)現(xiàn)大部分甘油三脂水解( pH 值4～7, 40～60℃) , 致使樹脂障礙減少。
與傳統(tǒng)的樹脂障礙控制法相比, 生物控制法具有效果好、成本低的優(yōu)點, 但對環(huán)境的要求苛刻。比如,脂肪酶的活性受溫度和pH 的影響很大。一般情況下酶不耐高溫, 溫度超過70℃其活性將嚴重喪失。酶有一個最適宜的pH, 偏離了這個pH 值, 酶活性也會大大降低。據(jù)報道, 日本Jujo 公司和丹麥Novo Nordisk生物有限公司聯(lián)合開發(fā)了一種耐熱脂肪酶, 該酶甚至在80℃以上仍有效, 而且在實踐中取得良好的效果。
8 結(jié)語
目前, 酶生物漂白、酶法脫墨、微生物法控制樹脂障礙在一些工廠已形成規(guī)模, 但由于酶法脫墨的機理還不太清楚, 以致酶法脫墨的進一步研究與工業(yè)應用受到了限制: 對酶的作用機理仍需要繼續(xù)研究, 使酶法脫墨更具可行性。對于微生物控制樹脂障礙, 研究者需要進一步研究出耐高溫的微生物, 以更好地應用于生產(chǎn)。生物法制漿工業(yè)化生產(chǎn), 還需解決縮短生物預處理周期等問題。徹底解決蒸煮黑液問題( 難點是木素的有效生物降解) 仍是制漿廢水無法通過生物方法直接解決的難題, 特別是以草類為主要原料且無堿回收裝置的造紙企業(yè), 目前正面臨著生存的嚴峻挑戰(zhàn)。在全球的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中, 生物技術(shù)在制漿造紙工業(yè)中將會發(fā)揮更重要的作用。
[此信息未經(jīng)證實，僅供參考]
文章版權(quán)歸西部工控xbgk所有，未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載。
服務咨詢