纸浆生物漂白工艺的分析与研究

,纸浆生物漂白工艺的分析与研究,答辩人： 指导教师：,01,02,03,04,目录 CONTENT,第一章绪论,第二章原理,第三章实验流程,第四章数据分析,第一章 绪论,第三章试验流程,第二章原理,第四章数据分析,研究目的及意义,如今纸浆漂白大多采用化学漂白，然而传统漂白剂是氯气和次氯酸盐等含氯漂白剂，含氯漂白废水中含有大量的氯酚类、氯仿以及氯化二噁英等具有致毒、致癌的物质。这不仅会危害人类自身的健康，还会破坏环境。为了保护环境，人们研发了生物漂白，生物漂白是指利用能够降解木素的微生物，分解纸浆中的残余木素然后使其溶出，从而提高纸浆的白度。,第一章 绪论,第三章试验流程,第二章原理,第四章数据分析,国内现状,目前，国内在木聚糖酶的应用和应用基础性研究上做的工作比较多。主要工作包括木聚糖酶在废纸二次纤维回收中的应用，在废纸脱墨上的应用，在纤维改性上的应用，在硫酸盐纸浆及其它化学浆预漂中的应用，在原料预处理上的应用，在植物半纤维素酶水解制取木糖或木低糖聚糖中的应用，及纤维素酶一起在动物饲料中的应用。,第一章 绪论,第三章试验流程,第二章原理,第四章数据分析,国外现状,目前国外已经有一些国家开始使用木聚糖酶漂白纸浆，如欧洲、北美、南美、日本等，将生物酶作为纸浆工业漂白的预漂剂。木聚糖酶辅助漂白的工艺已经成为发达国家造纸工业中比较成熟的技术，在加拿大有超过10%的硫酸盐漂白浆采用了木聚糖酶漂白，由酶处理纸浆生产地产品得到了市场的认可。,第一章 绪论,第三章试验流程,第二章原理,第四章数据分析,本文研究内容,本论文以木聚糖酶漂白纸浆过程为研究对象，对木聚糖酶漂白的机理进行分析，建立漂白工艺流程，对木聚糖酶漂白工艺进行分析研究，主要研究内容如下： 1.分析木聚糖酶的漂白机理。 2.设定流程。 3.考察因素。,第三章试验流程,第四章数据分析,第二章原理,第一章绪论,纸浆生物漂白的原理,生物漂白主要是利用半纤维素酶部分酶解纤维细胞的半纤维素，可以使木素很容易与漂剂反应溶解出来，从而可以提高纸浆的白度，降低化学漂剂的用量。生物漂白实质上就是利用微生物或其分泌的酶来处理纸浆，达到脱除木素的目的，同时提高纸浆的白度，并且改善纸浆可漂性的过程。,第三章试验流程,第四章数据分析,第二章原理,第一章绪论,生物漂白三个方面的研究,1.微生物直接作用的纸浆的纸浆生物漂白； 2.木素降解酶参与的纸浆生物漂白； 3.半纤维素酶参与的纸浆的生物漂白。,第三章试验流程,第四章数据分析,第二章原理,第一章绪论,微生物作用的生物漂白,主要以白腐菌为主，白腐菌菌丝在生长过程中会分泌大量的胞外氧化酶，其中最主要的两类氧化酶为-LiP和-MnP，在分子氧和过氧化氢参与下，引发一系列自由基链反应，使木素结构中的苯环发生单电子氧化反应，从而形成阳离子基团，然后发生一系列自发反应使木素降解。木素的降解产物会继续被菌丝吸收，直至最后氧化为CO2和H2O。,第三章试验流程,第四章数据分析,第二章原理,第一章绪论,第三章试验流程,第四章数据分析,第二章原理,第一章绪论,木素降解酶参与的生物漂白,木素降解酶中研究的最为普遍包括三个酶系：漆酶，锰过氧化物酶，木素过氧化物酶。最常用的是漆酶。在漆酶的酶活性部位有4个Cu2+，在氧化还原反应中能起到协同传递电子的作用，将单质氧还原成O2-。,第三章试验流程,第四章数据分析,第二章原理,第一章绪论,纸浆生物漂白中最常用的半纤维素酶是木聚糖酶和聚甘露糖酶。木聚糖酶是指能够将半纤维素中的木聚糖专一降解为木糖和低聚木糖的酶，主要包括-1,4-内切木聚糖酶和-木糖苷酶。降解木聚糖的最主要的酶是内切-1,4-木聚糖酶，这种酶以内切的方式作用于木聚糖主链的内部-1,4-糖苷键，其水解产物是低聚木糖和少量木糖，可以应用于食品和饲料行业。,半纤维素酶参与的生物漂白,第三章试验流程,第四章数据分析,第二章原理,第一章绪论,第三章试验流程,第四章数据分析,第二章原理,第一章绪论,木聚糖酶的漂白机理,关于木聚糖酶的漂白机理，目前还没有得到明确的理论，但是普遍得到的理论为：（1）木聚糖酶破坏了木聚糖的链接键，使木素-碳水化合物的复合体发生断裂，有利于木素的脱除；（2）由于蒸煮碱液浓度得降低使得木聚糖的二次沉淀，木聚糖阻碍了化学试剂对残余木素的作用，木聚糖酶使木聚糖部分水解，使化学试剂更容易与残余木素反应，使纸浆的漂白更容易实现；（3）木聚糖酶能够降解纸浆中的少部分半纤维素，使得纤维细胞壁变得疏松，使木素更容易脱落；（4）木聚糖酶能够去除蒸煮中产生的己烯糖醛酸木聚糖衍生物，从而进一步改善纸浆的漂白特性。,第四章数据分析,第一章论述,第三章试验流程,第二章原理,试验内容,本试验是以废旧报纸为原料，研究三种木聚糖酶对纸浆生物漂白的影响，优化出酶的最佳反应温度和反应时间，以及最佳浆浓和酶用量，最后用白度测量仪测量纸浆的白度。,第四章数据分析,第一章论述,第三章试验流程,第二章原理,试验器材,报纸,网框,第四章数据分析,第一章论述,第三章试验流程,第二章原理,烧杯,压平机,第四章数据分析,第一章论述,第三章试验流程,第二章原理,木聚糖酶JKY/E-XYTR2,木聚糖酶MJT-G-10,木聚糖酶MJM80,第四章数据分析,第一章论述,第三章试验流程,第二章原理,试验器材,水浴锅 烘干箱 白度颜色测定仪 打浆机 电子秤 电煮锅 温度计,第四章数据分析,第一章论述,第三章试验流程,第二章原理,试验流程,纸浆的制备,使用酶处理,抄纸,烘干成纸,测量白度,第四章数据分析,第一章论述,第三章试验流程,第二章原理,纸浆的制备,选取废旧报纸，使用剪子剪成碎片，用烧杯称取3g绝干纸然后加入适量的温水，倒入打浆机中，打浆5min左右，再倒回烧杯。,第四章数据分析,第一章论述,第三章试验流程,第二章原理,木聚糖酶的处理,酶处理在烧杯中进行，将盛有纸浆的烧杯放入水浴锅中加热，反应过程中每隔10min用玻璃棒搅拌一次，以保证浆料与酶液均匀混合。 根据木聚糖酶的酶学性质，确定实验中酶处理条件为浆浓0.5%，1%，1.5%，2%，2.5%；酶用量（相对于绝干浆）5%，10%，15%，20%，25%；反应时间40min，45min，50min，55min，60min；反应温度40，45，50，55，60。,第四章数据分析,第一章论述,第三章试验流程,第二章原理,抄纸,在水浴锅反应到设定的时间后取出，将纸浆倒入网框中，用水冲洗使得酶液完全洗干净，然后将网框放入盛有水的盆中，使用铁勺辅助纸浆在网框上铺平。,第四章数据分析,第一章论述,第三章试验流程,第二章原理,漂白前,漂白后,第四章数据分析,第一章论述,第三章试验流程,第二章原理,试验分组,本实验采用正交试验设计的方法，选择四因素五水平的试验，共25组。在纸浆的生物漂白的实验中，浆浓、酶用量、反应时间和反应温度都会对纸浆的白度产生影响，因此选择L25(54)正交表。,第一章论述,第二章原理,第三章试验流程,第四章数据分析,木聚糖酶JKY/E-XYTR2的正交试验结果,第一章论述,第二章原理,第三章试验流程,第四章数据分析,木聚糖酶JKY/E-XYTR2的正交试验结果（续）,第一章论述,第二章原理,第三章试验流程,第四章数据分析,木聚糖酶JKY/E-XYTR2的正交试验结果（续）,第一章论述,第二章原理,第三章试验流程,第四章数据分析,由上表可知，使用木聚糖酶X1对纸浆进行漂白时，因素主次为DBAC，即反应温度酶用量浆浓反应时间；最优方案为：浆浓1%，酶用量5%，反应时间45min，反应温度50，此时的白度为59.11%。,第一章论述,第二章原理,第三章试验流程,第四章数据分析,浆浓对白度的影响,总体来说，纸浆的白度均是随着浆浓的增加，先升高后下降。浆浓较低时，酶的浓度也较低；浆浓过高时，不能完全和浆料混合，白度也会降低。,第一章论述,第二章原理,第三章试验流程,第四章数据分析,酶用量对白度的影响,纸浆的白度随酶用量的增加先升高后降低。 过量的酶会使长纤维的半纤维素水解，从纤维表面脱离，溶于纸浆，增加了漂白的难度。,第一章论述,第二章原理,第三章试验流程,第四章数据分析,反应时间对白度的影响,随着反应时间的延长，纸浆的白度先上升后下降。时间过短时，反应不彻底；时间过长，半纤维素会继续吸附到纸浆上，阻断了木聚糖酶与木素的接触，白度下降。,第一章论述,第二章原理,第三章试验流程,第四章数据分析,反应温度对白度的影响,纸浆的白度随反应温度的增加先上升后下降。温度过低时，酶的活性不足；温度过高时，木聚糖酶的蛋白质结构发生改变，使酶的活性降低，白度下降。,第一章论述,第二章原理,第三章试验流程,第四章数据分析,木聚糖酶MJT-G-10的正交试验结果,第一章论述,第二章原理,第三章试验流程,第四章数据分析,木聚糖酶MJT-G-10的正交试验结果（续）,第一章论述,第二章原理,第三章试验流程,第四章数据分析,木聚糖酶MJT-G-10的正交试验结果（续),第一章论述,第二章原理,第三章试验流程,第四章数据分析,由上表可知，使用木聚糖酶X2对纸浆进行漂白时，因素主次为DBAC，即反应温度酶用量浆浓反应时间；最优方案为：浆浓2%，酶用量5%，反应时间55min，反应温度45，此时的白度为59.82%。,第一章论述,第二章原理,第三章试验流程,第四章数据分析,浆浓对白度的影响,白度随浆浓的增加先升高后降低。纸浆的浓度较低时，木聚糖酶的浓度也较低，漂白效果较差；纸浆的浓度较高时，虽然木聚糖酶的浓度也较高，但仍无法和浆料完全混合，所以白度降低。,第一章论述,第二章原理,第三章试验流程,第四章数据分析,酶用量对白度的影响,随着酶用量的增加，纸浆的白度先升高后降低。酶用量过少时，漂白不彻底；酶用量过多时，使半纤维素水解，影响漂白效果。,第一章论述,第二章原理,第三章试验流程,第四章数据分析,反应时间对白度的影响,总体来说，随着反应时间的延长，纸浆的白度先上升后下降。时间过短时，反应不彻底，使得白度不高；反应时间过长，一方面影响效率，另一方面给了水解的半纤维素重新附着在纸浆表面的时间，增加了漂白的难度，使得白度降低。,第一章论述,第二章原理,第三章试验流程,第四章数据分析,总体来讲，随着反应温度的增加，纸浆的白度先升高后下降。温度较低时，酶的活性不足，不能完全与木素反应；当温度升高到一定程度时，再次增加温度，会破坏木聚糖酶蛋白结构，导致酶失活，使白度降低。,反应温度对白度的影响,第一章论述,第二章原理,第三章试验流程,第四章数据分析,木聚糖酶MJM80的正交试验结果,第一章论述,第二章原理,第三章试验流程,第四章数据分析,木聚糖酶MJM80的正交试验结果（续）,第一章论述,第二章原理,第三章试验流程,第四章数据分析,木聚糖酶MJM80的正交试验结果（续),第一章论述,第二章原理,第三章试验流程,第四章数据分析,由表可知，使用木聚糖酶X3对纸浆进行漂白时，因素主次为ADBC，即浆浓反应温度酶用量反应时间；最优方案为：浆浓2.5%，酶用量20%，反应时间50min，反应温度45，此时的白度为57.24%。,第一章论述,第二章原理,第三章试验流程,第四章数据分析,浆浓对白度的影响,总体来说，随着浆浓的增加，纸浆的白度先升高后降低。浆浓过低时，酶的浓度也过低，白度不高；浆浓增加到一定程度时，木聚糖酶浓度的增加不再能够完全与纸浆反应，所以白度下降。,第一章论述,第二章原理,第三章试验流程,第四章数据分析,酶用量对白度的影响,随着酶用量的增加，纸浆的白度先升高后降低。酶用量较低时，不能把纸浆中的木素完全脱除出来，影响漂白效果；酶用量过多时，木聚糖酶会使半纤维素水解，增加了漂白的难度。,第一章论述,第二章原理,第三章试验流程,第四章数据分析,反应