（制浆造纸工程专业论文）生物酶对二次纤维的改性作用及机理研究.pdf

摘要 摘要 讨论了多个因素对造纸用酶活性的影响，优化了酶改性二次纤维的工艺条 件。用酶处理或酶处理结合打浆的不同方式对混合废纸浆及废报纸浆进行了改性 研究，比较了它们对二次纤维的改性效果，初步探索了酶改性的机理。 为提高酶的使用效率及控制酶改性二次纤维的效果，进行了酶处理废纸浆还 原糖的生成和工艺的优化研究，确定了酶处理优化工艺条件：温度5 5 6 0 ， 浆浓7 ，时间6 0 m i n 。 在适当酶用量下，试验所用的四种纤维素酶c e l l u s o f t 、n o v o z y m4 7 6 、 u n i f e c t8 0 以及n o v o z y m6 1 3 处理均能有效改善废纸浆的滤水性能，打浆度可 降低2 5o s r ，但纸浆强度都有一定的损失。兼顾酶处理后纸浆的强度性质及滤 水性能，四种纤维素酶的最佳用量均可选择为5 i u g 。半纤维素酶p u l p z y mh c 和u n i f e c t1 0 0 处理也可改善废纸浆的滤水性能，且在优化条件下，两种半纤维 素酶处理后的浆料，其抗张指数、撕裂指数、耐破指数都略有提高。p u l p z y m eh c 处理后的废纸浆，其白度也有轻微的提高。 用不同用量的n o v o z y m4 7 6 和p u l p z y m eh c 按一定配比处理浆料，结果表 明：在纤维素酶用量一定的情况下，低用量半纤维素酶对浆料的滤水性几乎没有 影响，但半纤维素酶用量大于0 6 a x u g 时，滤水性随半纤维素酶用量的增大有 轻微损失；在同等半纤维素酶用量下，浆料滤水性会随纤维素酶用量的增大而得 到提高；复合酶处理对废纸浆滤水性能的改善效果要优于单一半纤维素酶。复合 酶处理下纸浆的强度变化具有一定的规律：在纤维素酶用量一定的条件下，纸浆 的抗张及耐破指数均随半纤维素酶用量的增大而增大，当纤维素酶用量为l i u g 半纤维素酶用量达到0 4 a x u g 时，抗张指数和耐破指数均高于未经酶处理浆的 强度指数。但撕裂指数随半纤维素酶用量的增大而逐渐降低。同等半纤维素酶用 量下，增大纤维素酶用量会降低纸浆强度。 在酶处理一打浆组合方式中，复合酶处理一打浆组合方式处理后的浆料滤水 性最好，而半纤维素酶处理一打浆组合对强度改善作用效果最好。酶处理一打浆 组合方式对废纸浆的抗张及耐破强度的改善作用优于打浆一酶处理组合方式。对 于纸浆的撕裂指数，打浆一酶处理组合方式则优于酶处理一打浆。综合多种组合 方式对纸浆滤水性及强度性质的影响，半纤维素酶处理一打浆组合方式是最优选 择。 对酶处理前后废纸浆保水值和平均粘度的测定、红外光谱分析，以及扫描电 镜对纸页及纤维表面的观察和纤维长度分布的分析结果，较好的解释了不同酶处 华南理工大学工学硕士学位论文 理方式后纸浆滤水性能及强度性质的变化。 关键词：纤维素酶；半纤维素酶：二次纤维；滤水性能；强度性能 a b s t r a c t i n f l u e n c ef a c t o r so ft h e a c t i v i t y o f e n z y m e u s e di n p a p e r m a k i n s i n d u s t r yw e r ed i s c u s s e d ，t r e a t m e n tp r o c e d u r eo fr e c y c l e dp u l pw i t he n z y m e w a so p t i m i z e d m o d i f i c a t i o no fm i x e dw a s t ep a p e ra n do l dn e w s p a p e rw i t h e n z y m eo re n z y m ec o m b i n e dw i t hb e a t i n gw a ss t u d i e d ，t r e a t m e n te f f e c t so f d i f f e r e n tm o d i f i e dw a y sw e r ec o m p a r e d ，t h em e c h a n i s mo fm o d i f i c a t i o no f r e c y c l e dp u i pw a se l e m e n t a r yr e s e a r c h e d t h eg e n e r a t i o no fr e d u c i n g s u g a ra n d t h eo p t i m i z a t i o no ft r e a t m e n t p r o c e d u r ew e r es t u d i e d i no r d e rt o i m p r o v et h em o d i f i c a t i o ne f f e c t so f r e c y c l e dp u l pw i t he n z y m e o p t i m i z e dc o n d i t i o n sw e r e ：i n c u b a t i o nt i m e 6 0 m i n ，p u l pc o i l s i s t e n c y7 ，t e m p e r a t u r e5 5 6 0 f o u rk i n d so fc e i l u l a s e su s e di nt h es t u d yc o u i ds i g n i f i c a n t i yi m p r o v e p u l pd r a i n a b i l i t y ，b e a t i n sd e g r e e o ft r e a t e df i b e rd e c r e a s e d2 - 5 。s r c o m p a r e d w i t ht h ec o n t r o i ，b u t s t r e n g t hp r o p e r t y w a sd e t e r i o r a t e d c o n s i d e r i n gt h es t r e n g t hp r o p e r t ya n dd r a i n a b i l i t yo ft h er e c y c l e dp u l p ， t h eo p t i m a ld o s a g eo fc e l l u l a s e sc o u l db e5 i u g a tp r o p e re n z y m ec h a r g e t w ok i n d so fh e m i c e l i u l a s e sc o u l de f f e c t i v e l yi m p r o v ep u l pd r a i n a b i l i t y ， a n das l i g h ti m p r o v e m e n ti ns t r e n g t hi n d e x sw a so b s e r v e d t h eb r i g h t n e s s o fr e c y c l e dp u l pi n c r e a s e du n d e rt r e a t m e n to fh e m i c e l l u l a s ep u l p z y m eh c t h et r e a t m e n tr e s u l t sw i t h c o m p l e xe n z y m e o fc e l l u l a s ea n d h e m i c e l l u l a s es h o w e d ：f i x e dt h ed o s a g eo fc e l l u l a s e ，as m a l lq u a n t i t y o fh e m i c e l l u l a s eh a dn o ta d v e r s ee f f e c tt op u l pd r a i n a b i l i t y h o w e v e r ， w h e nt h ed o s a g ew a sm o r et h a n0 6 a x u g ，as li g h tl o s sc o u i db eo b s e r v e d ； a tt h es a m ed o s a g eo fh e m i c e l l u l a s e p u l pd r a i n a b i l i t yc o u l db ee n h a n c e d w i t ht h ei n c r e a s eo fc e l l u l a s ed o s a g e ：t h ed r a i n a b i i i t yo fp u l pt r e a t e d w i t hm i x e de n z y m e sw a sb e t t e rt h a np u i pt r e a t e dw i t hh e m i c e l l u l a s e t h e r u l eo fs t r e n g t hc h a n g ea f t e r m i x e de n z y m e st r e a t m e n tw a sa sf o l l o w s ： f i x e dt h ed o s a g eo fc e l l u l a s e ，t e n s i l ea n db u r s ti n d e xi n c r e a s e dw i t h t h ei n e r e a s eo fh e m i c e l l u l a g ed o s a g e a n dw e r eo b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h o s e o fc o n f r 0 1 o nt h ec o n t r a r y ，t e a ri n d e xd e c r e a s e d a tt h es a m ed o s a g eo f h e m i c e l l u l a s e f i b e r ss t r e n g t h d e t e r i o r a t e dw i t ht h ei n c r e a s eo f c e l l u l a s e sd o s a g e 【i i 华南理工大学工学硕士学位论文 i nt h et r e a t m e n to fe n z y m ec o m b i n e dw i t hb e a t i n g ，t h e d r a i n a b i l i t y o fp u i pt h r o u g hm i x e de n z y m et r e a t m e n t b e a t i n gc o m b i n a t i o nw a st h eb e s t a n dt h es t r e n g t hp r o p e r t i e so ft h et r e a t e d p u l pw e r e t h eb e s t t h r o u g h h e m i c e l l u l a s et r e a t m e n ta n db e a t i n g t h ei m p r o v e m e n to ft e n s i l ea n db u r s t i n d e xu n d e rt h et r e a t m e n to f e n z y m e b e a t i n g w a sb e t t e rt h a nt h a to f b e a t i n g e n z y m et r e a t m e n t ，b u t t h et e a ri n d e xa f t e rt h et r e a t m e n to f b e a t i n g e f l z y m ew a sb e t t e rt h a n t h a to fe n z y m e b e a t i n g a c c o r d i n gt ot h e r e s u l t so ft h em a n i f o i dt r e a t m e n t h e m i c e l l u l a s et r e a t m e n t b e a t i n g c o m b i h a t i o f fw a st h eb e s tc h o i c e t h er e s u l t so ft h em e a s u r e m e n to fw r v ，v i s c o s i t ya n dt h ea n a l y s i so f i n f r a r e ds p e c t r u mo fr e c y c l e df i b e r sa sw e l la st h ec h a n g eo ff i b e rl e n g t h d i s t r i b u t i o na n dt h eo b s e r v a t i o no fp u l ps h e e ta n df i b e rt h r o u g hs c a n n i n g e l e c t r o n i cm i c r o s c o p y ，g a v e m u c h h e i p t o e x p l a i n t h e c h a n g e o f p u l p d r a i n a b i l i t ya n ds t r e n g t hp r o p e r t i e sa f t e re n z y m e s t r e a t m e n t k e yw o r d s ：c e l l u l a s e ，h e m i c e l l u l a s e ，r e c y c l e d f i b e r s ，d r a i n a b i l i t y s t r e n g t hp r o p e r t i e s 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：商疋丧松 日期：三崛婶钼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密因 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：扇毡摩栏 导师签名篱攘宁 日期：卫废8 年g 月，3 日 日期：厶书年6 月j 5 日 第一章绪论 二次纤维一般定义为经过了生产过程并被回收以生产再生品的纤维原料。严 格来说，在纸机生产过程中，烘干部、整理部的断纸均可被认为是二次纤维，但 实际上，工厂内部回用的纸品并没有被作为二次纤维使用。在造纸界，废纸是二 次纤维的重要来源，也是我们研究的主要对象之一。 废纸是重要的可再生资源，废纸的回收利用是解决造纸工业面临的原料短 缺、能源紧张和污染严重等三大问题的有效途径。有关资料介绍，回收利用废纸 与采用原生资源相比，可节约用水5 0 ，节约能源6 0 到7 0 。如果利用木材 原料，需4 m 3 到5 m3 原木生产1 吨化学浆，而利用废纸原料，1 2 5 吨废纸就可生 产1 吨再生纸浆，不需蒸煮化学品或减少了化学药品用量，从而可减少大气污染 6 0 到7 0 ，生化耗氧量减少4 0 ，污水中悬浮物减少2 5 ，且回收利用废纸 可大大减少项目投资，降低运行成本，提高经济效益和竞争能力。 近十多年来，世界各国高度重视废纸资源的利用，废纸的回收率和利用率逐 年增长，处理废纸的技术不断改进和完善。! 9 9 5 年全世界的废纸利用量和利用 率分别为1 1 4 9 0 万吨和4 1 4 ，预计到2 0 0 5 年的废纸利用量和利用率将分别达 到1 8 7 8 0 万吨和4 8 1 。我国的废纸利用量也在迅速上升。2 0 0 2 年我国废纸浆 的用量是1 6 2 0 万吨，占造纸用浆总量的4 7 ，预计到2 0 0 5 年，废纸浆用量的 比重将超过5 0 。 废纸用于抄造各种纸和纸板已有许多年了，在回收及应用过程中仍然存在许 多急待解决的问题”1 。废纸循环使用时，纸浆纤维的性质与原浆纤维的性质有所 不同，因为它们已经过整个使用及造纸生产的全过程，纸浆纤维发生了一些不可 逆的变化，导致纤维强度、纤维润胀性能及纤维结合力下降，滤水性能恶化。另 外，废纸中夹杂的杂质给生产过程及产品质量均带来较多的麻烦”“1 。不断涌现 的新技术使这些问题有了解决的希望，除采用物理方法和化学方法对废纸进行改 性外，各国的科技工作者都试图利用生物技术解决这些问题。 1 1 二次纤维的性质变化及特点 1 1 1 二次纤维的分类 废纸的分类一般按其来源和纤维的种类来划分，但世界各国废纸的分类方法 和标准有较大的差异。美国将废纸分为三大类：纸浆代用品、可净化的废纸和普 华南理工大学工学硕士学位论文 通废纸。纸浆代用品指白纸与自纸的切边，这类废纸经打散成纤缭后不作进一步 处理即可作为成浆使用。可净化的废纸经脱除印刷油墨后即可成浆使用。普通废 纸包括| 日报纸、旧瓦榜箱和混合废纸等。另一更细的分类法是将陵纸分为5 1 种， 另列特殊等级7 种。与此同时，还颁布了一项废纸原料标准，使每个类别的废纸 均有明确的质i 嚣标准。目前豳内尚无废纸分类的统一标准，但根销我国废纸豹来 源和特点，通常可分为以下几类“1 ： a ：臼纸边 此类废纸碎浆后可作为生产般书写、印刷纸的漂白浆，或朋于抄造中、嵩 档卫生纸。 b ：旧书刊、旧杂志纸( o b p 、o m g ) 诧类废纸经脱墨处理狳去颜色、油墨瑶，可生产有竞缎、书弩纸、函敝纸、 卫生纸簿。也可生产箱纸板，或在新闻纸中掺用。 e ：l 器新褥纸( o n p ) 此类废纸可配抄新闻纸、涂布白板纸等，也可用于抄遗低档生活用纸和一般 文讫巽l 纸。 d ：旧瓦楞纸箱和纸板( o c c ) 这类褒纸可爱予爨掺草纸缓、茶缓叛、禧纸叛、瓦携簌纸等，其中敬键、本 浆废纸可用于嫩产挂丽纸板。 e ：纸袋纸凌纸靼孛皮纸废纸 此类废纸缀拆线挑选，不含杂物，可回抄代用纸袋纸( 即仿纸袋纸) 、再生 条纹包装纸，也可掺入末浆 謦籍纸扳挂嚣浆。 f ：混合办公废纸( m o w ) 随凑办公爨动化蛇不断发展，办公度纸的数量也越来越多。混合办公废纸主 要由白色帐簿( 包括激光打印纸) 、彩色帐薄及杂志组成，也含有少量的电传纸、 不于胶标签等。办公废纸通常为毫质量的化学术浆抄造，国度高，强度好，因此 利用价值高。艇印刷办公废纸使用的多是激光印刷油墨、紫外光圈油墨、苯胺印 刷油墨簿，这热油墨一睫能不同于传统油墨，其脱除相对困难”“。 1 。1 2 二次纤维品膜变化因素 影响二次纤维品质的因豢很多，除与纤维原料和制浆方法有关外，还与纸料 配眈、造纸过程、印刷加工方法、使用过程、颤及循环嗣用方法等有关。了解 二次纤维品质变化的因素，对于提高二次纤维的使用效率和产晶质量具有积极 的意义。 ( 1 ) 纤维原料及制浆方法 第苹绪论 a 化学浆废纸再生过程中性质的变化 对于经过打浆的化学浆，循环回用会引起裂断长、耐破度和耐折度的显著下 降，紧度和伸长率少量下降，而撕裂度、挺度、光散射系数、不透明度和透气度 增加。这些变化在第一次回用时最显著，循环使用超过4 次后，大部分物理性 质趋于稳定。多数研究者认为，引起这些变化的主要原因是：废纸在重复碎浆一 一脱水一一干燥等处理过程中，纤维素的部分游离羟基形成氢键结合，非结晶结 构转变为结晶结构，使纤维素的结晶度增加，产生不可逆的角质化“1 ，纤维 变得挺硬，可塑性降低，吸水后的润胀减少，保水值下降，因而导致纤维间的结 合强度降低。针叶木浆与阔叶木浆的主要不同是：随循环回用次数的增加，针叶 木浆的撕裂因子提高，而阔叶木浆的撕裂因子下降。此外，硫酸盐浆和亚硫酸盐 浆，打过浆和未打浆的化学浆，漂白浆和未漂浆，其回用过程性质的变化均有一 定的差别。 b 机械浆废纸再生过程中性质的变化+ 机械浆循环回用过程中性质的变化与化学浆不同。随着回用次数的增加，机 械浆的紧度、裂断长和耐破度提高，撕裂强度也略有增加，。而光散射系数下降。 机械浆在湿的状态下并非完全层离的，干燥时产生的角质化很少，而挺硬的机械 浆纤维经过连续的循环使用而逐步变平和柔韧，使得纤维间的结合改善，抄纸时 得到较薄和较紧密的纸页，因而紧度和强度提高，光散射系数下降。 ( 2 ) 化学环境 纸页抄造时的化学环境会影响干燥和回用后纸浆纤维的润胀，在酸性条件下 抄造的未漂化学浆回用后，其润胀性能和强度均比碱性条件下抄造的低。废纸中 的松香胶和硫酸铝会引起循环潜力( 纸浆强度等) 的进一步损失，这可能是由于 施了胶的纤维维持其疏水表面，在一定程度上阻碍了纤维问的结合。 ( 3 ) 打浆及湿压榨 化学浆打浆度越高，循环回用后纸浆质量变化越大。总的来说，经打浆的化 学浆循环回用后，润胀显著减少，纤维长度降低，细小纤维含量增加。对于中度 打浆的化学浆，重的湿压榨会引起纤维润胀的损失。对经湿压、未干燥与经湿压、 干燥的纤维，其润胀度均随湿纸页干度的提高而降低，但大多数影响是在干度大 于3 5 时才产生。 ( 4 ) 纸浆干燥及纸页压光 纸浆在抄纸前是否干燥过对废纸浆性质有一定的影响。从未干燥过的化学 浆，抄纸干燥过程中产生角质化，废纸回用时纤维结合强度会降低。对干燥过的 纸浆，由于干燥时已经角质化，抄纸时进一步干燥并不明显减少其已经较低的润 胀，废纸循环回用时其结合潜力损失甚小，而且干燥过的纤维通常是卷曲的，这 种卷曲会降低纸浆强度，循环回用时能去除部分卷曲，有利纤维间的结合。压光 3 ： 堂童堡三奎耋三兰堡圭耋丝丝奎 会引起化学浆保水值、长度和强度的损失。压光越重，由压光纸回用浆制的纸页 裂断长越低，撕裂强度和浆料滤水性也变差。现代趋势是避免采用硬压区压光。 ( 5 ) 印刷和加工 印刷主要影响废纸浆的光学性质。大于5 0um 的油墨粒子形成尘埃，小于 5 0um 的油墨粒子虽然肉眼看不到，但会降低白度，使浆变为灰色。制纸箱时用 的憎水材料( 如胶粘剂) 保留在纸箱碎解后的纤维悬浮液中并沉积在纤维表面， 因而降低了回用纤维的表面自由能，阻碍了纤维的结合。 ( 6 ) 使用及回用过程 纸品消费者和废纸收集者将不同类型的废纸混合在一起，会降低废纸的级 别，难以达到物尽其用的目的。使用过程中的物理损坏会降低纤维品质。废纸的 老化降解也是一个重要因素，存放的时间越长，其废纸浆的强度越低。废纸回用 包括机械、化学和热处理过程，这些过程对废纸浆性质均有重要的影响。机械作 用与纸浆浓度密切相关。浓度高于8 时，机械作用对纤维的卷曲和微压缩有重 要的影响，随着浆浓的提高，可得到更松厚、伸缩性更大的纸浆。氢氧化钠是废 纸制浆的重要化学品之一。n a o h 有助于油墨的脱除和重施胶纸张的离解，更有 助于纤维的润胀，使纤维更柔韧且结合更好。 1 1 3 二次纤维中的杂质 在制浆造纸过程中，杂质是所有造纸无用物的总称。随着二次纤维回收利用 率的增加及应用范围的扩大，废纸的成分越来越复杂，其杂质类型、含量也更多， 包括胶粘杂质、沙子、玻璃、油墨、涂料、塑料、腊状物等等。因此在废纸的回 收工序中，各种杂质的去除情况是影响废纸成浆质量的一个重要因素，同时也是 关系到二次纤维回收利用能否进一步发展的决定性因素。表1 1 列出了多种常 见杂质类型、来源及其对生产造成的不利影响。新技术和新设备的迅猛发展和应 用，使制浆造纸系统去除杂质的种类和能力不断提高，促进了二次纤维回收利用 的良性发展。 众所周知，油墨及胶粘物的去除一直是废纸制浆的重点及难点。办公自动化 程度的不断提高，使市场对办公用纸的数量及质量要求越来越高，混合办公废纸 ( 电脑纸、静电复印纸、激光打印纸、喷墨打印纸等) 的产生和回收数量逐年增 长。这些纸品的油墨特点是难脱离、难分散、难浮选，净化不彻底，对产品质量 将有不良影响，且标签、胶粘带和自封信封等压敏胶粘剂产品在混合办公废纸中 的含量逐年提高“2 、”1 。研究显示“，各种胶粘剂产品是胶粘杂质的主要来源。这 些物质混入纸浆中的各个工序都能发生沉淀严重影响到纸浆的净化过程，常常 使设计好的完整的杂质分离系统难以发挥其正常的功能和效率t 对纸机、加工设 4 第一章绪论 备和成纸的质量都会造成问题“。如堵塞网孔、玷污压榨和烘缸等，影响到纸 机的运转性能，增加纸机检修、清洗费用等，成纸的质量也因此下降，常常出现 洞眼、色斑、纸页外观欠佳等。因此，油墨及胶粘物质的控制问题需要设备厂商 和制浆造纸企业的共同努力、紧密合作解决。在浆厂、纸厂范围内，在经济允许、 保证成浆得率以及成纸质量的前提下，采用新型高效的脱墨剂及工艺“”1 ，增 加设备投资，尽可能的提高筛选、净化、浮选、洗涤等工序对油墨的去除效率， 结合分散控制、去粘钝化等方法最大限度地消除胶粘杂质带来的不利影响，从而 提高产品质量，促进二次纤维回收利用的进一步发展。 表l 一1 废纸中的常见杂质 t a b 1 1f a r o i l i a ri m p u r i t yi nw a s t ep a p e r 杂质类别来源 对生产造成的不利影响 热熔物粘结剂和涂料 聚苯乙烯泡沫用于包装的粘胶、胶带等 石蜡纸和纸板的压光和涂布 湿强树脂用树脂处理过的纸 橡胶，胶乳 沥青 塑料膜或胶片 ( 聚苯乙烯物等) 废纤维物质 胶带、标签纸等的 内衬、粘结料及涂布料 用沥青压光或 涂布的纸和纸板 纸和纸板表面压膜 或塑料贴片包装 植物和合成纤维等 油墨印刷、打印、复印等 加重净化系统负担，弄 脏生产设备，造成纸病 粘辊、粘网， 难以去除，导致断纸 难以分散，弄脏生产 设备，降低产品品质 制浆系统中难以 分散，造成产品污点 难以去除， 降低产品质量 滞留在制浆系统中， 粘网纸上产生黑点 降低制浆 效率，造成纸病 造成纸病 造成黑点， 降低纸品品质 降低生产效率， 砂石、玻璃、木片等使用及回收过程中带入 造成生产设备磨损 1 2 二次纤维的品质改善方法 添加新浆作为一种改善回用纸浆性能的方法，虽然在造纸厂己广泛应用，但 童童堡三奎兰三耋堡圭耋堡垒圣 是有关的研究报道却很少。刘桂南“8 1 等研究了添加新浆对回用纸浆性能的影响， 结果表明：无论是打过浆或者未打浆的针阔叶木硫酸盐浆，在其回用过程中添加 5 0 的新浆能显著提高纸页抗张强度与耐破强度。阔叶木浆的强度提高大于针叶 木浆，耐破强度的提高大于抗张强度。添加新浆有利于提高未打浆纤维的撕裂度， 但是降低打过浆纸浆的撕裂度。 废纸浆在上网以前，必先经过至少一段打浆，打浆能有效提高纸页成形后的 强度性质，但由于废纸浆纤维相对扁平、挺硬、柔韧性较差，因此打浆时其游离 度下降更快，于纸页成形及纸机运行性能不利。同时，打浆对二次纤维的多次回 用也有不利影响。 利用化学添加剂能提高废纸浆的强度性质。干强剂及湿强剂的加入能促进纤 维间氢键的结合，在纤维及细小纤维间产生很强的静电结合力，从而提升纸页成 形强度。氢氧化钠是废纸制浆的重要化学品之，用n a o h 处理能改善废纸浆的 强度性能。n a o h 有助于油墨的脱除和重施胶纸张的离解，更有助于纤维的润胀， 从而增加纤维的柔韧性及纤维表面的一致性。使纤维更柔韧且结合更好。但化学 品的加入有它的弊端，即其成本较高，易使湿部化学变得复杂，加重生产负荷， 且易引起一些环保问题。 近年来，氧一碱脱木素证明是改善旧箱板纸强度的种有效方法。脱除旧箱 板纸中的部分木素，对纤维具有一定的软化作用，并促进了纤维的润胀，纤维间 结合力得到增强。实践证明，此种方法对纤维的抗张及耐破强度提升效果尤其显 著3 。 对产品质量要求较高的工厂，加大生产设备的投入，如筛选及净化设备等， 能更好的去除废纸浆中的细小纤维和杂质，这样既可以提升纤维的强度，改善滤 水性能和光学性能，减少设备的清洗及纸病的产生，又提高了废纸浆的回用潜力。 用生物酶对二次纤维进行改性是近年来国际造纸界的一个研究热点，其中所 用的酶主要为纤维素酶及半纤维素酶。由于酶具有高效性、选择性及专一性的特 点，纤维素酶及半纤维素酶分别能降解纤维素及半纤维素，合理控制酶用量及反 应条件，可以使纤维得到部分降解，从而改变纤维的形态、结构及组成，使纤维 的性能得到改善。 【3 二次纤维的酶法改性 1 3 1 酶学基础 ( 1 ) 酶的来源及组成 纤维素酶和半纤维素酶来源于不同的微生物，而不同来源的酶其组成也有显 第章绪论 著的差异，酶解作用及方式也不大相同”。纤维素酶的生产菌主要有细菌，放 线菌和丝状真菌等，但对纤维素作用较强的菌株多是木霉属( t r i c h o d e 如a ) 、曲 霉属( a s p e r g i l l u s ) 、青霉属( p e n i e i l l i u m 、p e l l i e n l a l i a ) 属和枝顶孢霉属 ( a c r e m o n i u m ) 的菌株，特别是绿色木霉( t r i c h o d e r m av i r i d e ) 及其近缘菌株。由 里氏木霉( t r i c h o d e r m ar e e s e i ) 产生的纤维素酶目前应用最广，该酶系中通常含 有高活力的内切型及外切型b 一葡聚糖酶，但纤维二糖酶活力很低，而许多曲霉 属菌种如黑曲霉( a s p e r g i l l u s n i g e r ) 等能产生高活力的纤维二糖酶，酶解时常将 里氏木霉与黑曲霉产生的酶制剂按一定比例配合使用，能起到更好酶解效果”“。 通常产半纤维素酶的菌种，同时也会产生纤维素酶，两者相伴而生，导致半纤维 素酶的组成更复杂。 目前研究最多、应用最广的半纤维素酶主要是木聚糖酶”“2 “。不同来源的 木聚糖酶，其催化区氨基酸具有保守性，由此木聚糖酶被分成f 族和g 族两族。 细菌来源的木聚糖酶主要有荧光假单胞菌纤维亚种( 凡e u d o m o n a sf l u o r e s c e n s s u b s p c o l l u l o s a ) 、凝结纤维弧菌( c e l l v i b r i o 脚i x t u s ) 、解糖热纤菌 ( c a l d o e e l l u ms a c c a r o y t j c “腰) 丰口热纤梭菌( c l o s t r i d i u mt h e r m o c e l u m ) ， 来自真菌的木聚糖降解酶系主要有木素木霉( t r i e h o d e rm a h a r z i a n u m ) 和绿色 木霉( t r i c h o d e r m av i r i d e ) ”“。 半纤维素酶除木聚糖酶外，还包括其它聚糖酶，如甘露聚糖酶、半乳聚糖酶 等。甘露聚糖的水解需要内切1 ，4 一b d 一甘露聚糖酶( e c 3 2 1 7 8 ) 和b d 一甘露糖甙酶( e c 3 2 1 2 5 ) 协同完成，目前关于甘露聚糖酶和半乳聚糖酶的分子 生物学及生物降解机制的研究报道还比较少，主要集中于细菌。某些芽孢杆菌能 产生甘露聚糖酶、半乳聚糖酶和甘露糖甙酶。 纤维素酶和半纤维素酶都是多组分的复杂酶系”5 “2 “。纤维素酶组分包括 外切葡聚糖纤维二糖水解酶( 1 ，4 0 一d g l u c a nc e l l o b i o h y d r o l a s e 或 e x o b 一卜4 一d g l u c a n a s e ，e c 3 2 1 9 1 ，来自真菌的简称c e hi 和c e h i i ，来自 细菌的简称c e x ) 、内切葡聚糖酶( 1 ，4 一b d g l u c a n a s e ，e c 3 2 1 4 ，来自 真菌中的简称e g 【和e g i i ，来自细菌的简称c e n ) 以及0 一葡萄糖甙酶( b l ， 4 一g l u c o s i d a s e ，e c 3 2 1 2 l ，也被称为纤维二糖酶，c b ) 。而半纤维素酶由内 切l ，4 一b d 木聚糖酶( e c 3 2 1 8 ) 和外切b 一木糖甙酶( e c 3 2 1 3 7 ) 组 成。两种酶在水解纤维素及半纤维素时其各个组分都会独立发生水解反应并产生 协同作用。 随着生物技术的发展，人们对纤维素酶及半纤维素酶的结构也有了越来越清 晰的认识。两种酶都有两种结构域：一个是具有催化功能的催化域( c a t a l y t i c d o m a i n ，c d ) ，一个是结合功能的结合域( b i n d i n gd o m a i n ，b d ) ，两者由一个高度 糖基化的连接桥( 1 i n k e r ) 连接起来，成为一个折叠状的完整的活性体系”“” 华南理工大学工学硕士学位论文 ”1 。研究揭示木聚糖酶活性催化区与纤维素酶催化区基本无同源性，表明这两种 酶在进化上是源于不同的祖先基因。 ( 2 ) 酶的协同作用机制 纤维素和半纤维素分别是由葡萄糖和木糖、阿拉伯糖等单元通过l ，4 b 糖甙键连接而成的高分子化合物，在化学结构上它们是相似的，但具有不同的构 型。微生物要转化纤维素和木聚糖成可溶性产物( 葡萄糖和木糖) ，都要求两种 酶各组分的协同作用。目前，两种酶各组分对专一性底物协同作用机制研究的较 多，但对它们联合降解纤维的作用机理研究的较少。 a 半纤维素酶组分的协同作用机制 木聚糖的水解需要多种酶组分的协同作用”“”1 。首先，由内切1 ，4 一b d 一木聚糖酶随机断裂木聚糖骨架，产生木寡糖，降低了木聚糖的聚合度，然后 由外切0 一木糖甙酶将木寡糖和木二糖分解为木糖，侧链取代基的存在能阻抑 木聚糖酶的作用，因此需要有不同的糖甙酶水解木糖与侧链取代基之间的糖甙 键，如a l 一阿拉伯糖甙酶、a d 一葡萄糖醛酸酶、乙酰酯酶和阿魏酸酯酶。 研究揭示，这些特异性糖甙酶能以协同方式与内切木聚糖酶和0 一木糖甙酶一 起高效分解木聚糖。 b 纤维素酶组分的协同作用机制 对于纤维素酶组分协同作用方面的研究很多”“”3 “。通常认为纤维素酶的 三个功能组分协同作用导致了纤维素的溶解：e g 随机切断纤维素大分子；c b h 在纤维素大分子的非还原性末端基分解出纤维二糖；p 一葡萄糖甙酶降解纤维二 糖为葡萄糖“。示意图如下： 一e - 翌三 g t g 为了研究纤维素酶的各功能组分之间是否有协同作用，柱层析法和等电聚焦 法等高度分离技术在纤维素酶组分的分离中得到了广泛的应用。7 、”1 。m i c h i h i r o f u j i i m 等人通过离子交换层析法和等电聚焦法高度分离纯化产白t r i c h o d e r m a 第一章绪论 k o n i n g i i 的纤维素酶，分离方法如下： 阴离子交换层析法分离m e i c e l a s e 组分：一定量的酶溶解在0 0 1 m 的醋酸 缓冲溶液中( p h 5 0 ) ，然后用超滤膜( u k 一1 0 ，r o y o r o s h ik k ，t o k y o ，j a p a n ) 过滤以脱盐并浓缩酶溶液，浓缩后的酶溶液通过离子交换层析柱作进一步的分离 ( d e a e s e p h a d e x a 一5 0 柱，直径2 5 c m ，长8 0 c m ，预先用0 0 i m 醋酸溶液调 平衡) ，同样的醋酸缓冲溶液作洗液，n a c i ( 0 0 5 m ) 校正斜率。 等电聚焦法处理阴离子交换组分以作进一步分离：d e a e s e p h a d e x 组分进一 步经过薄层聚丙烯酰胺凝胶体电聚焦，凝胶体包含有5 0 p h 在4 o 一6 5 的两性 电解质和o 5 p h 在2 5 5 0 的p h a r m a l y t e 。聚焦时间2 h ，电压1 5 0 0 v ，胶体 中的目标成分在醋酸盐缓冲溶液( p h 5 0 ) 中被析出。 十二烷基磺酸钠一聚丙烯酰胺凝胶电泳 用1 0 聚丙烯酰胺在p h 8 8 以l a e m m l i 法对分离开的酶做十二烷基磺酸钠一 聚丙烯酰胺凝胶电泳( s d s p a g e ) 。 最后得到八种蛋白质，一种d 一葡萄糖甙酶，四种e g s 和三种c b h s 。 w o o de ta l ”发布了一种关于纤维素酶组分的高度纯化技术，并且发现c b h l 和c b h 2 以特定的方式溶解纤维素。单一的c b h l 或c b h 2 与e g 联合会出现一 定程度的协同反应，然而， c b h l 、c b h 2 与e g 三者联合作用于纤维素，更显 著的协同反应出现了，它们产生的还原糖量大于c b h l + e g 与c b h 2 + e g 的总 和。j w o o d w r e d 1 等人研究了从t r i c h o d e r m ak o n i n g i i 分离出来的c b h 分别与从 p p i n o p h i l “m 中分离出来的c b h l 和c b h 2 之间的协同作用，发现只有c b h 2 与 从n f c h d d e r r r t nk o n i n g i i 分离出来的c b h 有协同作用。他们推测c b h l 和c b h 2 可能是两种立体异构性酶，这两种酶在立体空间上分别攻击纤维素大分子的两个 不同的非还原性末端基。 同样，m i c h i h i r of u j i i 。引等人根据发表的一系列关于纤维素酶各组分协同作 用研究成果的文章，提出以下机理： ( 1 ) 协同作用通过每一种酶各自的反应联合而产生； ( 2 ) 酶反应通过有各自特定的反应动力学常数的反应方程式来表述； ( 3 ) 构成上述方程式的同时发生的不同反应产生的同时溶解，得出协同反 应值。 并由此提出了一个用于描述e g 与c b h s 联合作用的协同反应动力学模型。 根据分离酶组分的水解实验，实验结果与模型能很好的吻合，表明了产自 t r i c h d d p r m nk o n f n g i i 的纤维素酶，其e g 与c b h s 有协同作用，但c b h s 之间没 有。 反应动力学常常用来评价纤维素酶潜在的反应机理，由此建立的反应动力学 模型能被用来预计特定底物在一定条件下的糖化速率，并能模拟出酶反应过程中 华南理工大学工学硕士学位论文 某一时间段产生的还原糖量。虽然目前对纤维素酶反应的动力学研究很多，由于 不同的纤维素酶成分、底物结构的复杂性、产物的抑制性以及酶本身的稳定性， 动力学模型也不一样，但是完整的纤维素酶的作用机理仍不为人所知“。 1 3 2 二次纤维酶法改性的影响因素 影响酶改性的因素很多，如废纸的种类和组成，酶的种类及剂量等，下面 主要阐述酶改性工艺的操作条件，如温度、p h 值、压力、剪切力作用、酶的浓 度、抑制剂和激活剂等，这些条件直接影响着造纸用酶，特别是纤维素酶及半纤 维素酶的活性，从而对改性效果造成影响。 a 温度对酶活性的影响 小 图l l 酶促反应最适温度 酶作为一种特殊的催化剂，有其特定 的温度适用范围。一般来说，温度主要影响 酶的稳定程度，即酶的热变性“。酶促反应 在一定温度范围内，反应速度随着反应温度 的升高而加快；温度降低，则反应速度下降， 反应时间延长。但温度超过某一界限，蛋白 质会变性，即酶的活性降低甚至失活。另外， 温度也影响酶和抑制剂、激活剂或辅酶结 合，影响酶和底物分子中某些离解基团的结 合，还影响缓冲液的p h 值或某些气体的溶 解度等，从而对酶的活性造成影响。所以， 酶促反应有一个最适温度。酶的最适温度其 实不是酶的特征性物理常数，当温度提高时，除反应速度随之增加外，酶蛋白 变性而失去活力的速度也迅速增加，因此，最适温度实际上是这两种因素综合 影响的结果。酶促反应速度对温度作图( 如图1 1 ) ，一般呈不对称的“单面 山，形曲线。纤维素酶和半纤维素酶在处理木材纤维过程中，温度一般控制在 3 0 5 0 。c 之间，最佳温度可根据其它工艺条件具体制定。目前纤维素酶和半纤维 素酶制剂一般为溶液状，平时应保持较高酶浓度储存于冰箱中，并要注意避免 反复冰冻或融化，因为一经反复，酶容易变性而失活。 b p h 值对酶活性的影响 d h 值对酶反应速度的影响已成为常用的鉴别底物或活性分子、酶活性部位 解离基团的常用手段。p h 值的研究可提供大量的有关酶促反应机理的信息。 不适当的p h 值对酶活性的影响主要在于“：( 1 ) 使酶的空间结构破坏，引 起酶活性丧失；( 2 ) 影响酶活性部位催化基团的解离状态，底物不能分解为产物； 1 0 反成速度 叽n 呈； 珂 m 明 l p l 眦 o n 陀帅 m 卜 昨 h 伽 【! o 第一章绪论 相 对 坫 性 h p i t 图1 - 2p h 对酶活影响的钟罩形曲线 t a b 1 2c a m p a n u l a t ec u r v eo fe n z y m e a c t i v i t yu n d e rd i f f e r e n tp h ( 3 ) 影响酶活性基团的解离，使其不 能与底物结合：( 4 ) 影响底物的