生物制浆与生物漂白修改.ppt

一生物制浆概述 生物制浆是利用微生物所具有的分解木素的能力 来除去制浆原料或纸浆中的木素 使植物组织与纤维彼此分离制成纸浆的过程 目前 生物法制浆是指借助于微生物或微生物所产生的酶的作用 进行生物预处理 再与相应的制浆过程相结合而生产纸浆的过程 一生物制浆概述 对微生物的要求繁殖速度快 分解木素能力极强 尽可能少分解或不分解纤维素等 目前从自然界分离到的白腐菌菌株及经诱变处理选育得到的木素降解酶产生菌 其降解木素的能力还远没有达到生物制浆的要求 生物制浆的种类生物机械制浆 BMP 生物化学机械制浆 BCMP 麻类原料生物制浆生物制浆的优点减少制浆的能耗 提高纸质量 减少制浆对环境的污染 1 黄孢原毛平革菌预处理麦草生物制浆的研究 北京林业大学学报 2006年1月 麦草生物预处理 经湿热 125 灭菌30min后进行接种 将接种完毕的麦草放入恒温 28 生物培养箱中进行培养 二生物制浆研究情况 2 白腐菌预处理制蔗渣生物机械浆 实验方法 将蔗渣在120 下于蒸煮锅中处理45min 加水使水分提高到75 再将白腐菌培养基和营养液加到原料中并充分混合 采用固定床反应器培养 反应器在培养前用高压蒸汽消毒10min 接种了的原料在27 和60 的相对湿度下培养14天 无白腐菌预处理蔗渣和有白腐菌预处理蔗渣用盘磨机磨浆 测定能源消耗 制浆得率及性能等 李建军詹怀宇 生物技术 2001年3月第二期 3 不同白色腐朽真菌的火炬松木片生物机械浆的能源节省和物理特性变化 4 生物预处理化学浆 意义利用生物预处理的手段 在达到相同纸浆硬度的前提下 可以减少化学药品和能源的消耗 或者是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 由白腐菌变异株IZO 154进行生物预处理化学制浆的研究 以桦木为原料 以白腐菌变异株IZO 154进行预处理后 用KP法制浆 结果与不进行预处理的制浆结果相比较 发现 经过真菌预处理的材料浆的得率或脱木素程度提高 而化学品的用量大大减少 蒸煮热能降低 纸的机械性能得到很大改善 5 韧皮纤维生物脱胶制浆 造纸工业中 包括麻类在内的韧皮纤维生物法制浆是应用果胶酶或接种产果胶酶的微生物降解原料中的果胶质 使原料分散成纤维束或单纤维的过程 近年来 国内外对韧皮纤维脱胶的微生物种类及其酶学特征 影响脱胶的诸多因素以及酶解产物的动态变化开展了广泛的研究 1 直接法 浸渍法 将能产生使纤维彼此离解的酶的微生物直接接种于纤维原料中 在微生物生长繁殖的同时 分泌大量的酶 使与纤维黏结在一起的物质分解 溶出 从纤维彼此分离成浆 与浸渍法有关的微生物以曲霉 青霉 毛霉 根霉等为主体 还有其他菌如半知菌的葡萄孢霉 镰刀霉 细菌如芽孢杆菌等 2 间接法 酶浸渍法或酶法制浆 指将微生物维持在一定的环境条件下 使其产生大量的酶 再将酶浓缩 提取出来 加入到纤维原料的处理过程 三 对生物制浆的评价 1 纤维素 半纤维素含量变化2 木质素含量3 对能耗 化学品用量 纸张性能等的影响 生物制浆过程中生物处理过程与效果的评价方法李春呜赵建陈嘉川中国造纸学报 Vo1 21 No 1 2O06 四 生物制浆存在的问题 1木素的存在状况2生物制浆过程中存在的主要困难 1 木素生物降解的困难性 2 木素降解酶产生菌扩大培养的困难性 3 生物制浆过程中伴有纤维素的降解 1木素的存在状况 木素的含量与结构随原料种类不同而不同 原料细胞壁中 不同区域的木素含量与结构也不同 木素和半纤维素的混合物填充于微细纤维之间 木素与半纤维素之间存在化学连接 形成木素与碳水化合物复合体 LCC 2生物制浆过程中存在的主要困难 1 木素生物降解的困难性 木素是植物组织进化的产物 它使树干的化学和物理性能得以强化 以增强对恶劣环境的抵抗能力 因此对生物降解有较强的抵抗性 1 木素生物降解的困难性 木素难以被微生物利用 木素是多种酚类单体的聚合体 结构不均一 分布不均一 理化性质相对稳定 生物降解很困难 木素的生物降解包括氧化还原过程和水解过程 各种酶活力高低与酶作用环境适宜性的不同使木素生物降解较困难 自然界中具有木素降解能力的微生物较少 木素降解酶活力较低相对多糖降解酶产生菌而言 木素降解酶产生菌生长缓慢 扩大培养困难 另外 野生型菌株产生的木素降解酶酶活力低 产酶受诸多因素的限制 通常白腐菌对木片进行生物制浆预处理需要10天以上的时间 木素降解酶是复合酶系 受到多种调节因子的控制 制备天然木素困难 难以测定真正的木素生物降解活力 2 木素降解酶产生菌扩大培养的困难性 木素化学结构复杂 增加了了解木素生物降解机制的难度 自然界能降解木素的微生物不多 木素降解酶产生菌多为真菌担子菌纲 生长缓慢 扩大培养较困难 菌株对被分解介质的选择性较差 造成碳水化合物损失 白腐菌分泌木素降解酶对培养介质要求较苛刻 木素分解代谢产物不能成为白腐菌生长或产酶的有效碳源和能源 必须补加葡萄糖等容易利用的碳源 由于对木素生物降解的机制不十分了解 所以在利用基因工程手段对该菌进行改良与菌株筛选方面较欠缺 发酵工业规模远小于制浆工业 生物制浆的技术难度以及木素降解酶的应用前景 管斌孙艳玲谢来苏隆言泉詹怀宇 中国造纸学报 V01 17 No 2 2OO2 生物漂白 一生物漂白1生物漂白的定义与作用2利用白腐菌的生物漂白3利用木素降解酶的生物漂白二木聚糖酶的辅助漂白作用1原料和纸浆中的半纤维素2木聚糖酶在去除LCC过程中辅助作用的机制3木聚糖酶在生物漂白过程中的效能4生物漂白过程 1 定义最早是指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 达到提高纸浆白度的目的 现在是指利用白腐菌分泌的木素降解酶系 在木聚糖酶的协同作用下 分解纸浆中的残余木素 并使之溶出的过程 2 作用提高纸浆的可漂性 以纸浆kappa值 黏度和白度的变化作为衡量方法 降低漂白过程的用氯量 减轻漂白过程的污染程度 1生物漂白的定义与作用 2利用白腐菌的生物漂白 1 生物漂白利用的微生物主要有黄孢原毛平革菌 杂色木云芝菌 黄孢原毛平革菌突变株IZU 154等 日本林业和林产品研究所科技人员采用脱色试验改善阔叶木硫酸盐浆的漂白性能 发现 以PCrassaWD1694漂白阔叶木硫酸盐浆产生的溶解木素高 且漂白性能最好 用该菌株培育阔叶木硫酸盐浆10日和碱抽提后 阔叶木硫酸盐浆的卡伯值从16降至6 而白度从28增至54 该菌株在阔叶木硫酸盐浆生物漂白过程中 起主要作用的木素溶解酶是么锰过氧化物酶 2 白腐菌生物漂白的主要问题伴随纸浆可漂性提高 纸浆黏度降低 进而使纤维强度性能受到影响 这是纤维素酶作用的结果 处理时间太长 大大影响纸浆速度 难以满足工业化生产的要求 3利用木素降解酶的生物漂白 1 漆酶 介体系统 LMS 生物漂白 2 锰过氧化物酶 MnP 生物漂白 3 木素过氧化物酶 LiP 生物漂白 漆酶 介体系统 LMS 生物漂白 指漆酶在氧和介体的存在下进行脱木素和漂白的过程 漆酶的氧化还原电位较低 不能氧化还原电位较高的非酚型木素 需要低氧化还原电位的中介体 中介体化合物容易得失电子 起电子传递的作用 在漆酶的作用下 中介体的活性增加 能从分子氧获得电子 并传递给木素分子从而使木素氧化降解 1 漆酶 介体系统 LMS 生物漂白 典型的中介体木素降解酶在漂白过程中的应用关键是寻找高效 价廉 低毒的中介体 典型的中介体如下表所示 三 木聚糖酶的辅助漂白作用 1原料和纸浆中的半纤维素 1 原料中的LCC 2 纸浆中的半纤维素以及半纤维素的回吸在蒸煮后期 伴随药液浓度降低 溶出的半纤维素有一部分回吸到纤维素上 半纤维素回吸降低了纤维表面的通透性 对纸浆洗涤和漂白过程中的残余木素溶出起到了屏蔽作用 除此以外 部分回吸的半纤维素分子与残余木素分子形成化学键合的LCC 使残余木素更难去除 2木聚糖酶在去除LCC过程中辅助作用的机制 1 木聚糖酶分解 溶解回吸或沉积在纤维表面的木聚糖 酶处理对云杉ASAM浆碳水化合物溶出和kappa值的影响 半纤维素酶处理后 kappa值有少许下降 说明有一部分残余木素溶出 纤维通透性提高 但是纸浆的白度没有明显提高 因此认为 木聚糖酶处理不能直接起到大量去除残余木素的作用 木聚糖酶的主要作用是改善纸浆的可漂性 而不能完全取代纸浆的化学漂白处理 2 半纤维素酶分解LCC半纤维素酶在生物漂白过程中的另一作用是分解LCC分子中的半纤维素部分 使木素与半纤维素形成的复合物 LCC 被降解 分子聚合度降低 体积减小 有助于残余木素的溶出 3 木聚糖酶与其他类型酶的协同作用 木聚糖酶与聚半乳糖葡萄糖甘露糖酶的协同作用在用木聚糖酶处理后 再用聚半乳糖葡萄糖甘露糖酶处理 能提高聚半乳糖葡萄糖甘露糖的溶出率 木聚糖酶和木素降解酶的协同作用预先对回吸到纸浆表面的木聚糖用木聚糖酶处理 再用木素降解酶处理纸浆 能促进木素与LCC的分解 有利于残余木素的溶出 3木聚糖酶在生物漂白过程中的效能 1 降低漂白过程化学药品的消耗可以大大降低氯气等的消耗 2 降低漂白液中有害成分含量 5生物漂白过程 1 生物辅助漂白的具体操作过程 纸浆洗涤洗涤除去蒸煮时溶出的木素 半纤维素和降解的纤维素 提高纸浆洁净程度 为酶的使用提供有利环境 生物辅助漂白过程洗涤后 调节pH接近中性或偏酸性 温度40 60 内 加入酶液 在混合器中混合均匀 再打入酶