（制浆造纸工程专业论文）微生物酶对机械法制浆磨浆能耗的影响.pdf

山东轻t 监学院硕上学饿论文 摘要 随着环保意识的增强和环境法规的实施，生物制浆技术和生物处理技术逐渐 在割浆造纸行韭得到了迅速研究和发震。经过生物处理的纸浆毖未处理的浆料， 制浆能耗降低，纸张物理性能好，对环境污染少，后续可漂性好。因此生物制浆 技术圈盏受到霆蠹辨专家学者的重视，逐渐成为解决能源消耗，提高纸张质量， 减少环境污染的有效途径之一。为此国内外科研人员对造纸工业充分利用生物技 术降低制浆能源消耗等进行了广泛、深入地研究，并取得了一定的成果。微生物 酶在生物裁浆工艺技术中，发挥着重要的作用，对麓耗麴减少、纸浆性麓酶改善， 产生了很好的效果。 本论文对盎瘸菌靼其慧生物酶生物处理杨机械浆料进行了研究和探索。主要 进行了利用白腐菌在适宜的温度和时间条件下进行培养、优化和接种：温度为2 8 3 0 ，黠闻为4 5 天，进行爨腐蓥酶固体扩大培养或者转接；在溢度2 8 - - - , 3 0 ， 时间l o 天左右，在水浴振荡器墨进行翻腐菌的粗酶液的液体培养。粗酶液中含有 白腐菌产生的漆酶、术素过氧化物酶和锰过氧化物酶等生物酶。利用白腐菌或白 腐菌产粗酶液，及工效生产酶商品酶一纤维素酶( 绿色本霉产纤维素酶) 、半纤维 素酶( a u - p e 8 9 木聚糖酶) 分别制定处理条件来生物处理杨木机械浆降低磨浆能 耗、改善纤维性糍戳及提高浆料后续可漂牲进零亍了研究。采震扫撼电镜、纤维分 析仪等仪器对于生物处理的杨术机械浆纤维改性或变化的作用机理和理论进行研 究和讨论；生物爨械法溯浆已有较多的研究，但生物处理大都敖在蘑浆翦对纤维原 料( 术片、稻麦草等) 进行预处理。本论文中，杨木机械浆生物处理过程是在第一段 磨浆翻第二段瘩浆之闽，便于微生物酶能进入纸浆的纤维细胞壁中，直接嗣纤维 原料进行接触降解或反应，微生物酶在诧能够怒很好的作用。 结果表明，采用适宜的生物处理条件进行处理纸浆，能够明显降低磨浆和打 浆麓耗，纸浆打浆度比对照浆料骧显提离5 氅r 1 5 r ；还麓显著改善纸浆的耐 破指数、撕裂指数和裂断长等强度性能，特别是耐破指数最好效果能提高1 0 0 左 砉；纸浆靛光学性能瞧得到魏化，塞度指摇随生物处理条静麓不同嚣不同，垒魔 菌及其粗酶液处理白度明显下降1 i s o 3 i s o 左右，商晶酶处理条件，白度都明 显提高1 i s o - 7 i s o 左右。此外，采用适宣的生物处理条件对纸浆进行处理能够 明显提高纸浆的后续过氧化氢可漂性，浆料最终白度性麓提高1 i s o 6 i s o 左 右，撅裂指数、耐破指数和裂断长等强度性能也继续增加。酶处理对于纸浆耐破 指数的提高贡献较大，能够使纸浆耐破指数提高5 0 潋上。生耪是腐蘑处理中戳 b y b f i 兰t 腐菌和p c - 5 白腐菌为较佳的白腐菌。各种粗酶液中以s d u 4 粗酶液和浩丽香 菇糕酶液处理效采较佳。纤维素酶彝禾聚糖酶分别是戳溢度6 0 。c 、酶麓量2 0i u g 摘要 为最优处理条件，而混合酶液( 纤维素酶和木聚糖酶) 是以温度4 5 c 、酶用量2 0i u g 为最优处理条件。 关键词：酶；杨木；漂白；制浆；白腐菌 i i 山东轻工业学院硕十学俄论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n t e n s i f i e dc o n s c i o u s n e s so fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n dt h ei m p l e m e n to f t h ee n v i r o n m e n tp r o t e c t i o nl a w , b i o - p u l p i n ga n db i o - t r e a t m e n tt e c h n o l o g yh a v eb e e n g r a d u a l l ys t u d i e da n dd e v e l o p e di nt h ep u l pa n dp a p e ri n d u s t r y a n dt h eb i o t r e a t e dp u l p h a dl o w e r p u l p i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n , b e t t e rp a p e rp h y s i c a l p r o p e r t i e s ，l e s s e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n db e t t e rs u b s e q u e n tp u l pb l e a c h a b i l i t yt h a nt h eu n t r e a t e d p u l p t h e r e f o r e ，b i o - p u l p i n gt e c h n o l o g yh a sb e e ni n c r e a s i n g l yp a i dm o r ea t t e n t i o nb y m o r ea n dm o r ee x p e r t sa n dp r o f e s s o r si nc h i n aa n do v e r s e a s , a n di sg r a d u a l l yb e c o m i n g aw a yt or e d u c ep u l p i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n , i m p r o v et h ep u l pq u a l i t i e sa n dr e d u c e e n v i r o n m e n t a li m p a c t s + m a n yr e s e a r c h e r sh a v em a d ea l le x t e n s i v ea n dd e e ps t u d i e s0 1 1 u t i l i z i n gb i o * t e c h n o l o g yt or e d u c ep u l p i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h e yh a v eg o t e e l t a i na c h i e v e m e n t s i th a sb e e nf o u n dt h a tm i c r o b ea n de n z y m e ，f o rb i o - p u l p i n g t e c h n o l o g i e s ，h a ds i g n i f i c a n t e f f e c t i v e n e s si nr e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na n d i m p r o v i n gp u l pp r o p e r t i e s 。 i nt h i st h e s i s , w h i t e - r o tf u n g ia n do t h e re n z y m e st r e a t e da s p e nm e c h a n i c a lp u l p sw e r e s t u d i e d i tu t i l i z e dw h i t e - r o tf u n g it oi s o l a t e ，o p t i m i z ea n di n o c u l a t ei nt h ef e a s i b l e t e m p e r a t u r ea n dt i m ec o n d i t i o n ：t e m p e r a t u r e2 8 - - - 3 0 4 c ，t i m e4 - - 5d a y s ，s o l i de n l a r g e d i s o l a t i n go rg r a f t i n gw h i t e - r o tf u n g i ；t e m p e r a t u r e2 8 3 0 ，t i m e1 0d a y s ，i s o l a t i n g c r u d ee n z y m es o l u t i o nf r o mw h i t e - r o tf u n g ii nac o n s t a n tt e m p e r a t u r es h a k e rw a t e rb a t h 。t h e c r u d ee n z y m es o l u t i o nf r o mw h i t e - r o tf u n g ic o n t a i n e dm a n g a n e s ep e r o x i d a s e - m n p ， l i g n i np e r o x i d a s e - l i p ，l a c c a s ea n ds oo n w h i t e - r o tf u n g i ，w h i t e - r o tf u n g ii s o l a t i n g c r u d ee n z y m es o l u t i o n sa n dc o m m e r c i a l e n z y m e si n c l u d i n g c e l l u l o s e e n z y m e ( t r i c h o d e r m av i r i d ec e l l u l a s e ) a n dh e m i c e l l u l a s e ( a u p e 8 9x y l a n a s e ) w e r eu s e dt o t r e a tt r i p l o i da s p e nm e c h a n i c a lp u l pf o rr e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na n di m p r o v i n g p u l pp r o p e r t i e sa n ds u b s e q u e n tp u l pb l e a c h a b i l i t y w i t l ls c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n df i b e rq u a l i t ya n a l y s i s 疆q a ) ，t h em e c h a n i s ma n dt h e o r yo fa s p e n m e c h a n i c a lp u l pf i b e r sm o d i f i c a t i o no rc h a n g e sd u r i n gb i o t r e a t m e n tw e r er e s e a r c h e d a n dd i s c u s s e d t h e r ew e r em a n yr e s e a r c h e s0 nb i o - m e c h a n i c a lp u l p i n g ，b u tm o s to ft h e b i o - t r e a t m e n t sw e r eu s e dt op r e t r e a t e dt h ef i b e r so rp u l p s ( w o o dc h i p sa n dr i c e w h e a t s t r a w ) b e f o r et h er e f i n i n gs t a g e 。i nt h i sp a p e r , b i o - t r e a t m e n t so fa s p e nm e c h a n i c a l p 落pw e r ec a r r i e do u tb e t w e e nt h ef i r s ta n dt h es e c o n dr e f i n i n gs t a g e ，w h i c hc a l lm a k e m i c r o b ea n de n z y m ec o m ei n t oc e l lw a l lo ff i b e r se a s i l ya n dr e a c tw i t hf i b e r sd i r e c t l y a n di n d i r e c t l yt og i v et h er e s u l t a n t 则pb e t t e rp r o p e r t i e s 。 l a b s t r a c t t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ea p p r o p r i a t eb i o - t r e a t m e n t sc a nr e m a r k l yr e d u c er e f i n i n g e n e r g yc o n s u m p t i o n t h eb e a t i n gd e g r e eo ft r e a t e dp u l pc a nb ei m p r o v e d5o s r 15 o s rh i g h e rt h a nt h a to ft h eu n t r e a t e dp u l p a d d i t i o n a l l y , t h eb i o - t r e a t m e n tc a ni m p r o v e p u l ps t r e n g t hp r o p e r t i e ss u c ha sb r e a k i n gl e n g t h ，b u r s ti n d e xa n dt e a ri n d e x ，e s p e c i a l l y t h e b u r s ti n d e xw a si m p r o v e db ya b o u t10 0 p u l po p t i c a lp r o p e r t i e sh a db e e n i m p r o v e d ，a n dt h eb r i g h t n e s sd e p e n d e d o nt h e s p e c i f i ct r e a t m e n tc o n d i t i o n s ，t h e b r i g h t n e s sw a sr e m a r k l yr e d u c e d1 i s 0 - 3 i s 0o rs o 、析t hw h i t e r o tf u n g it r e a t m e n t o rw h i t e r o tf u n g ii s o l a t i n gc r u d ee n z y m es o l u t i o nt r e a t m e n t h o w e v e r ，t h eo t h e r c o m m e r c i a le n z y m e so b v i o u s l yi m p r o v e dt h eb r i g h t n e s s1 i s o 7 i s 0o rs o f u r t h e r m o r e ，t h ea p p r o p r i a t eb i o - t r e a t m e n t sa l s oc a nr e m a r k l yi m p r o v ep u l ps u b s e q u e n t p e r o x i d eb l e a c h a b i l i t y t h er e s u l t a n tb r i g h t n e s sc a nb ei n c r e a s e d1 i s 0 , - 6 i s 0o rs o a sw e l la si m p r o v e dp u l ps t r e n g t hp r o p e r t i e s t h ee n z y m et r e a t m e n th a dm u c h c o n t r i b u t i o n st ob u r s ti n d e xi m p r o v e m e n t ，a n dt h eb u r s ti n d e xc a nb ei m p r o v e db y5 0 i tw a sf o u n dt h a tb y b fa n dl e n t i n u sl e p i d e u sw h i t e r o tf u n g ih a db e t t e rt r e a t m e n t e f f e c t i v n e s st h a no t h e rw h i t e - r o tf u n g i i ta l s ow a sf o u n dt h a ts d u - 4a n dl e n t i n u s l e p i d e u si s o l a t e dc r u d ee n z y m es o l u t i o n sh a db e t t e rt r e a t m e n te f f e c t i v n e s st h a no t h e r o n e s t h eb e s tr e s u l t so fc e l l u l a s ea n dx y l a n a s et r e a t m e n tw e r eg o t t e na tt e m p e r a t u r e 6 0 a n de n z y m ed o s a g e2 0i u g w h i l et h eb e s tr e s u l t so fm i xe n z y m et r e a t m e n tc a m e o u ta tt e m p e r a t u r e4 5 。ca n de n z y m ed o s a g e2 0i u 憾 k e y w o r d ：w h i t e r o tf u n g i ；e n z y m e ；r e f i n i n g ；a s p e n ；b e a t i n g ；b l e a c h i n g i v 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或 成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利，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，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名! 盘盗查 导师签名： 日期迎基年月旦日 日期：迎冱年二月厶三日 山东辍工业学院硕士学位论文 第l 章绪论 本章首先介绍了论文的研究背景，介绍了生物技术在我国造纸工业中的发展 情况及现状，阐述了微生物及其酶在制浆工艺中豹应焉发展，并结合实际情况探 讨了本论文的研究目的及研究意义。 1 1 研究背景 纸和纸板是人类文化与信息的载体，也是工业、农业、科学、生活等方面的重 要材料，是自然界易于再生的绿色材料产品l l 】。制浆造纸工业在全球工业制造业中 一直占据着重要地位，纸和纸板的生产消费水平已成为衡量一个国家经济发展水 平和社会进步的重要标志翻。 中囡造纸术的发明与传播对促进人类文明的发展做出了巨大的贡献。造纸工 业是一个与国民经济和社会主义文明建设息息相关的重要产业部门。当今世界各 国已将纸及纸板的生产和消费水平，作为衡量一个国家现代化水平和文明程度的 重要标志之一1 3 j 。我国是铡浆造纸工业大国，制浆造纸工业的发展促进了国民经济 发展和社会进步。但是，我国造纸工业的发展却面临着资源、环境、能耗、技术 等多方面问题的严峻挑战。从造纸植物纤维资源来看，众所周知，我国是树木种 类繁多的国家，健我国又是个贫林国，我因的森林覆盖率很低。在一个不短的时 期内，我国的林区普遍遭受到严重的破坏，原始森林面积迅速减少，纸厂用材林 资源曩益桔竭吲。从墨境像护的角度看，造纸工业对环境的污染主要来鸯于蒸煮和 漂白废水，含有大量的有毒物质。环境保护己成为世界制浆造纸工业今后发展的 主题，制浆造纸工业必须不断改进技术，朝羞降低污染、消除污染熊方向发震。 从能源消耗来看，制浆造纸工业是消耗能爨很大的行业之一，工艺生产过程不仅 需要大量的动力，而且还需要大量的不同参数的热能。节约能源已成为影响造纸 工业发展的一个重要因素。从工艺技术看，随着科学的发震，国际上造纸生产技 术和生物技术迅猛发展，推动了造纸工业向技术化和绿色化的发展，对我国的造 纸工监是个巨大的挑战和机遇。丽对市场、法律、筑源和环保的各方面压力和要 求，需要提高和开发制浆造纸技术，来提高纸浆的质量和性能，降低能源和资源 消耗，减少对自然环境的污染。 随着生物科学的发展，生物技术在制浆造纸工业得到了越来越广泛的应用，已 成为众人研究的焦点领域1 5 】。生物技术应用于原料制浆可减少能源消耗，降低纸浆 硬度，改善纸浆的性能。生物技术应用于纸浆漂自可提高纸浆的可漂性，减少化 学药品用量，减少废水对环境的污染。生物技术在制浆造纸工业的应用，很大程 第1 章绪论 度上解决了部分传统造纸过程中出现的一系列技术，污染，能耗等等问题，研究 的热点和重点要求转向生物技术的领域。 1 1 1 生物技术的研究 近3 0 年，生物技术更多的用以提高植物纤维原料的产量和质量，改进制浆造 纸工艺过程，提高产品质量，减少对环境的破坏，节省能源，根据以往的研究成 果，生物技术在造纸工业的运用，主要有以下几方面的应用。 采用生物技术培植植物纤维原料，因为植物纤维原料除了用于制浆造纸外， 还有很多其他方面的用途。为了提高土地的林、草覆盖率，避免过度砍伐，在2 l 世纪，必须采用生物技术使单位面积的植物增加对太阳能的吸收，以生产更多的 木材和非木材、更多的食物、燃料和纤维，使造林、种草和农业残渣的利用，成 为具有社会效益、经济效益、环境保护意义的主要产业。 生物技术用于木材、非木材植物纤维原料的贮存，不但可以防霉，还可以降 低木素和树脂的含量。 由于环保、市场和立法的需要，要求开发更多新技术，以改造制浆造纸工业 的制浆、漂白和废水处理来降低其对环境的污染，可以应用微生物和酶去取代或 补充传统的化学药品。但是，由于纤维细胞的吸收性低、空隙度和孔径小，限制 了酶对纤维材料的作用。植物纤维细胞壁的各种组分的分子结构，如纤维素、半 纤维素和木素等组合成木质纤维复合体，也限制了微生物和酶对木材和它的纤维 组分的作用，使生物技术在制浆造纸工艺的应用，很难达到经济地产业化。因此， 就需要进一步对底物的分子结构、酶活机理和纤维细胞壁的各种物质特殊的降解 方法进行研究；还需要更多的了解木材和其他植物纤维原料的组成，开发更有效 的降解木材和其组分的微生物及其酶降解与改性技术。 生物法制化学浆还没有工业化，但利用微生物或其制品( 酶) ，对植物纤维原 料预处理，然后进行机械或化学机械处理的生物机械制浆( b m p 、b c m p ) ，可以 提高浆的性能，降低能耗，减轻污染，在2 l 世纪将得到相应的发展。 生物酶促漂白技术，主要利用半纤维素酶部分酶解纤维细胞中的半纤维素， 使木素更容易与漂白剂反应而溶出，从而提高漂后浆的白度，减少漂剂用量，此 技术现在正在逐步推广。 二次纤维的生物酶促脱墨及改性，主要利用复合纤维素酶部分酶解纤维细胞 表面与油墨连结的微细纤维，使油墨更容易从纤维脱落而在浮选和洗涤时除去， 目前用于非接触性印刷的高档办公废纸较为有效，对新闻纸废纸的脱墨在经济上 尚需考虑。 树脂障碍的生物控制，主要利用脂肪酶代替传统的方法，有很好的应用前景。 制浆造纸过程腐浆和黏液的生物控制，要真正实现用生物技术代替传统的灭 2 山农轻工业学院硕士学位论文 菌裁，还有穰多工作要徽。 利用纸质材料在自然界中的降解特性，用纸质材料代替次性塑料，可有效 地防治鑫色污染。 制浆造纸过程中废水废渣的生物处理及利用：( a ) 制浆造纸厂排水的最终处 理必须靠生物方法； 酸洼蒸煮废液的酒精发酵和培植肇缨胞蛋是，应该得到 重新煎视；( c ) 制浆造纸厂纤维性废渣的生物处理及利用，有一定前景；( d ) 漂 岛废水中有机氯的生物处理，是近3 0 年来特别受到重视的婀题。【6 】 1 1 2 节能技术的发展 改革开放以来，孛毽糍源工业发展缀快，缝源爨给率多年来始终保持在9 0 以 上，基本满足了国民经济和社会发展的需要。在中国的一次能源消费中，煤炭消 费占6 9 3 ，石油消费占2 0 8 ，天然气消费占2 8 ，水电、核电和其它可再生 能源消费占7 1 。在我国能源工业中，煤炭工监快速发展，电力工业实现跨越式 发展。当前，快速发展的中国能源面临六大挑战。是资源约束日益加剧。我国 麓源瓷源总量虽然眈较丰富，毽入均占有量较低。二是结构性矛蘑比较突爨。默 煤为主的能源消费结构和比较粗放的经济增长方式，带来了许多环境和社会问题。 三是节能降耗任务艰巨。我重尚处在工鼗化、城镶纯船快发展麓赁史除段，提高 能源效率，减少能源消耗，是一项长期而艰巨的任务。四是科技水平相对落后， 能源科技皇主创耨往重道远。五是安全状况未根本好转。六是农村裁源 嗣题突爨。 农村生活用能商品化程度偏低，西部地区农民用能水平较低，全国尚有1 0 0 0 多万 无电人口。1 7 】 中国麓源的发展战略是，黄实现蕤源酶科学发展与帮谐发展，坚持节约优先、 立足国内、多元发展、保护环境、加强国际互利合作，努力构筑稳定、经济、清 洁、安全翡麓源供应薅系，缢麓源鲍可持续发震支持我雪经济社会酉持续发震。翻 我国地大物博、资源丰富，但因人口众多，资源相对紧缺，能源资源的人均占 有量羼世界第8 0 经，还不到世界入均水平静一半。我晷又是一个能源生产和消费 的大阑，其生产量和消费量均居世界第3 位。能源紧缺制约了国民经济的发展， 以煤为主的能源结构造成了环境的污染，能源利用效率的低下和运输的紧张。嗣 时，我国有着匾大酌节能潜力。我国主要耀麓产晶的单位产品能耗比发达国家高 3 0 - 8 0 ，加权平均后高4 0 左右。我图的产值能耗是世界上最高的国家之一， 大约为美国戆7 。4 倍，西本的1 2 ，8 倍，世界平均蘧的毒，3 藉。匿诧，提高麓源利用 的经济效益，降低产值能耗的节能潜力更大。 逡纸工韭不仅是技术密集、投资密集的部门，嚣显是轻工韭孛斡耗能大声。摆 有关资料介绍，在造纸工业较发达的国家中，芬兰造纸工业能源消耗量占整个工 业部f l 能源消耗量的6 4 ，瑞典占4 2 ，美国占1 0 5 ，蹬本占5 。 第1 章绪论 我国1 9 8 5 年纸和纸板产量为9 1 1 2 万t ，综合能耗1 6 4 0 万t 标准煤全国总能 耗为7 6 1 2 6 万t 标准煤，占全国能源总消耗量的2 1 5 ，占整个工业生产能源总消 耗量的3 2 2 ，占轻工业系统能源总消耗的1 6 1 5 。每吨纸和纸板的综合能耗为 1 8 0t 标准煤。 国外每吨纸产品综合能耗为1 1 5 7 一- 1 2 8 0t 标准煤，比我国的单位产品低 2 8 9 - - - 3 5 7 。但是应该看到，国外能耗的1 2t 左右标准煤是指制浆造纸过程消 耗的总能量，实际他们需要外购的能量仅为0 6 - - - 0 8t 标准煤。相当大数量的能源 是靠燃烧蒸煮废液、树皮及其他废料而获得。在7 0 年代美国造纸工业的能源自给 率已达到4 7 1 ，北欧各国更先进，芬兰为5 4 ，瑞典高达6 2 。 我国的情况与先进国家比较，发展很不平衡。只有少数造纸企业能源自给率达 到2 0 - 3 0 ，而为数众多的中小型造纸企业对制浆废液和其他“伴生能源几乎 尚未利用。这不仅是对能源的极大浪费，而且对环境造成非常严重的污染。这种 情况不仅表明我国节能工作亟待改进，而且表明我国造纸工业的节能大有潜力。 美国造纸工业在1 9 7 6 - - - 1 9 8 0 年间，投资1 7 6 2 0 万美元，节能7 2 6 8 1 0 1 5 j ，相 当于1 7 4 万t 原油。以每桶油2 0 美元计，每桶油重1 3 6 4k g ，则1 7 4 万t 原油合 2 5 5 1 3 万美元，不仅回收了投资，而且还有经济效益。我国造纸工业在1 9 7 9 年至 1 9 8 2 年期间安装双盘磨2 3 1 台，罗茨真空泵1 0 4 7 台，总投资1 0 0 0 万元，年节电 1 6 亿k w h 。 经过造纸行业的努力，我国吨纸和纸板的综合能耗由1 9 8 0 年的1 8 8t 标准煤 到1 9 9 0 年下降到1 5 5t 标准煤。原国家计委、原国家经贸委、原国家科委公布的 “中国节能技术政策大纲 ，要求到2 0 0 0 年，使吨纸和纸板综合能耗再进一步下 降到1 3 5t 标准煤。大纲建议：( 1 ) 制浆推广连续蒸煮，间歇蒸煮冷喷放；造纸机 采用新型脱水器材、强力压榨、全化纤湿毯、全封闭式汽罩、干网、袋式通风； 制浆、造纸工艺过程及管理系统计算机控制等技术。( 2 ) 年产万吨以上的硫酸盐 法及烧碱法制浆造纸厂，应积极回收碱和热能。木浆厂碱回收率达到9 0 以上； 竹、苇、芒秆、甘蔗浆厂等力争达到8 0 以上；麦草浆力争达到7 5 以上。( 3 ) 推广纸机白水封闭循环利用技术，充分利用纸浆和造纸废汽及纤维原料净化、筛 选后的废弃物。( 4 ) 调整原料结构、扩大废纸回收利用，废纸利用率提高到3 0 以上。( 5 ) 限制年产万吨规模以下碱法浆小型厂的建设。【8 】 1 2 生物制浆应用 生物制浆( b i o p u l p i n g ) 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。生物制浆多 利用的微生物菌株必须具备繁殖速率快、分解木素能力强、尽可能少分解或不分 4 山东轻工业学院硕士学位论文 解纤维素等特点。目前从自然界分离得到的白腐菌菌株以及诱变处理选育得到木 素降解酶产生菌，降解木素能力还远没有达到生物制浆过程的要求。因此，借助 于微生物或者微生物产生的酶的作用，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，目前称之为生物法制浆。近年研究的生物法制浆主要有 生物机械制浆( b m p ) 、生物化学机械制浆( b c m p ) 以及麻类原料生物制浆等。 生物制浆可减少电能消耗、提高纸质量和减少制浆对环境的影响。咿j 1 2 1 生物机械法制浆 以生物途径代替或部分代替化学途径进行制浆自七十年代开始就受到广泛的 青睐。瑞典造纸研究所( s t f i ) 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，发现经预处理后的木片磨浆能耗可以显著降低。为了降低对纤维 的损伤，变异选育出没有纤维素酶活性的变异菌株。随后，1 9 8 7 年在美国林产品实验 室与一些大学联合，并得到政府和美国许多造纸大企业的支持开展了这方面的工 作。筛选了大量的白腐菌，选出具有强降解木素能力，对纤维损害最小和生长迅速的 菌株，试验结果可节能3 0 ，成纸的强度包括抗张强度、撕裂强度均比未生物处理的 高。其后又进行4t 中试乃至4 0t 大规模试验，均获得成功，结果无论在节能还是纸 页强度性能上都达到实验室水平。最近，s c o t t 对规模为每天6 0 0t 的生物预处理热 磨机械浆的工厂进行可行性经济分析，从工程以及经济角度来看最终结论均是可行 的。 i o - i i 】 与此同时，在美国政府和w e a v e r 工业公司等造纸企业的支持下。生物制浆财 团组建，由美国农业部林产研究所( f p i ) 联合威斯康星大学、明尼苏达大学等研究 机构，开展长期深入的研究工作。他们选出了一株能快速生长并能选择性地从木 材中除去木素的白腐菌( c e r i p o r i o p s i ss u b v e r m i s p o r a ) 把它接种到蒸汽简单灭菌的木 片上，用强制通风的办法控制温、湿度，培养2 周后，用于热机法制浆。己完成 了5 0 吨规模的实验。结果显示，不仅可以节省能量消耗3 8 、提高设备生产能力， 而且可以减少树脂，明显改善成纸的强度性能( 裂断指数提高2 2 ，撕裂指数提高 3 5 ，抗张指数提高9 见图表1 ) 。经济分析显示，日产6 0 0 吨t m p 浆的工厂约需 投资6 0 0 万美元。按每吨浆节省1 0 美元计算二年十个月就可收回投资。由于t m p 浆的质量提高，还可减少因需增强而配用的硫酸盐浆的用量，进一步降低成本，增 加效益。f 1 2 】 为了迸一步简化工艺，他们还选出了一株更具侵染性、富产无性孢子的白腐 菌( p h l e b i o p s i sg i g a n t e a ) ，用它直接接种新伐的木段，让它在运输和贮藏过程中自然 生长和发挥作用。这一接种处理成功地抑制了有害杂菌，防止了木材变色( 蓝染) 。 可使木材的树脂比未接种木段降低6 1 ，并有利于脱除树皮。木段处理增加了细胞 壁的多孑l 性，使机械制浆的能耗降低9 - - 2 7 。经过预处理木材造出的纸张裂断、 5 第1 章绪论 撕裂和抗张强度性能均优于对照组。 1 3 1 近年来，m a s o o da k h t a r 和g a r ym s c o t t 等人在“生物机械浆：一个工厂范围的评 价”一文中提出，生物机械浆能至少节约3 0 的电能损耗，并明显改善成纸的强度性 质，降低树脂含量。在全世界，机械浆占总浆量的2 5 ，在原料紧缺的将来，它的比重 有可能上升，因为机械浆的得率高，这将是增加资源利用率的一种方法。然而，与化学 浆相比，机械浆的电能耗费大，成纸强度低。为了增加纸浆强度性质，常常添加硫酸盐 浆，但这样使得其成本增大，这些缺点限制了机械浆在很多纸类中的使用，而生物机 械浆能改善这些问题。尽管在生物制浆方面已取得了上述成绩，但要应用于实际生 产，差距还是很大的。我们应认真总结经验，不断解决研究中面临的问题，加大人力物 力的投资，争取早日将生物制浆投入产业化生产，将制浆造纸工业这一环境污染大 户改造成资源充分利用、清洁生产的可持续发展支柱产业。 1 3 - 1 7 】 表1 生物机械法制浆一得率，成纸性质和能耗【1 2 】 注：r m p - 一木片磨木浆。采用盘磨处理木片而制得。木片未经任何处理；采用全泡显毛 壳菌预处理木片，再制得砌岬；真菌预处理节能百分数，以未经处理的木片磨木浆为基准 求得。 1 2 2 生物化学法制浆 生物化学制浆已经研究几十年了，原来都期望原料经微生物处理后能直接变 成纸浆。但是，迄今为止，这个过程的时间还太长，不能满足连续生产的要求。 目前，很多研究者已转向生物预处理的化学制浆。这样做的目的是利用生物预处 理的手段，在达到相同纸浆硬度时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。看来后者更具 有吸引力。 生物化学制浆，一般都用白腐担子菌( w h i t e r o tb a s i d i o m y c e t ef u n g i ) 作预处 理，其菌种种类举例如下。( 1 ) 这是用得最多的白腐担子菌( p h a n e r o c h a e t e c h r y s o s p o r i u m ) 。它能产生多种被称为木素酶的胞外酶，这些酶的活性依赖于过氧 化氢，故称为木素过氧化氢酶( l i p s ) ，它们是含血红素的糖基化蛋白质 6 山东辍t 业学院硕士学位论文 0 - 1 2 0 2 d e p e n d e n tg l y c o s y l a t e dh e m ep r o t e i n s ) 。木素酶仅在该真菌的次生代谢过程中 和氨源限制条件下产生。为了弄清该种真菌中木素酶基团的表达、调控和组成， 以及大量生产这些有用的酶，可以采震分子克隆技术分离木素酶c d n a ( 环状脱氧 核糖核酸) 和基因( g e n e ) ，这种菌在强烈脱木素时会伎纤维素受到一定损失。这种菌 还能产生漆酶( l a c c a s e ) 。为了提高这种菌株产木素酶的糍力，中科院广州化学所对 野生型优良降解木素菌株p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u mb k m f 1 7 6 7 进行了紫外诱 变，并成功地筛选出一株稳定高产本素酶的变异菌株g x a 0 4 0 5 与亲株相比，该变 异株能产生较高的木素酶酶活，并采用了乙酸盐缓冲系统，得到了酶活最高达 1 9 6 u l 的水平。添加藜芦醇能进一步提高产木素酶的能力。( 2 ) g 经发现并分离得 到自腐担子菌( t r a m e t e sv e r s i c o l o r ) 产生的1 6 种木素过氧化物酶( 1 i g n i np e r o x i d a s e 简写为l i p s ) 和5 种二价锰过氧化物酶( m a n g a n e s e ( i ) p e r o x i d a s e 简写为m n p s ) ，也 会产生漆酶。这些酶都是本素改性的胞井酶( e x t r a c e l l u l a rl i g n i n - m o d i f t i n g e n z y m e s ) ，对它们的特性也进行了研究。这种菌在强烈脱木素时，纤维素会受到一 些损失，也可以爝予漂自。( 3 ) 自腐菝( p h l e b i ar a d i a t e ) 麓产生所有三类木素改性的腿 外酶，即木素过氧化物酶( l i p s ) ，二价锰过氧化物酶( m n p s ) 和漆酶( l a c c a s e ) 。因此， 它的木素降解效率是很高的。( 4 ) 自腐担子菌( p l e u r o t u se r y n g i i ) 特别适合于麦草脱木 素的。它在脱木素( 5 0 左右) 的同时，还麓脱去部分聚木糖，但是不会使纤维素受 到损失。( 5 ) 白腐担子菌( c o r i o l u sv e r s i c o l o r ) 能产生几种过氧化物酶和漆酶。( 6 ) 臼腐 担子菌( p y c n o p o r u sc i n n a b a r i n u s ) l 约脱木素熊力穰强，但纤维素也受到损失。( 7 ) 自腐 担子菌( f o m e sf o m e n t a r i u s ) 的脱木素能力也很强，但纤维素也受到损失。 综上所述，生物预处理都是国这些菌产生的酶对本素进行催化降解的，预处 理的条件就要根据不同的菌种而不同，主要的影响因素是：菌种种类与酶用量，p h ， 温度与处理时的浓度等。l l 列 1 3 生物漂白 生物漂白( b i o b l e a c h i n g ) 最军是指利用降解木素的微生物( 主要是自腐菌) ， 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。但是利用白 腐菌直接处理未漂纸浆，脱木素的速度太慢，丽显还会产生纤维素降解的现象。 随着研究的深入，现今认为生物漂白是利用白腐菌分泌的木索降解酶酶系，在木 聚糖酶的协同作熊下，分解纸浆中的残余本素，荠使之降解溶出的过程。现在， 生物漂白的主要作用是提高纸浆的可漂性( 以纸浆k a p p a 值、黏度和白度的变化作 为衡量的方法) ，降低漂翻过程的用氯量，从而减轻漂自过程的污染程度。 1 3 1 半纤维素酶助漂 制浆过程中，漂自往往是最昂贵的操傣乏一。丽且，常用的分子氯法漂自会产 7 第1 章绪论 生少量极毒的二恶英等致癌物，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2 0 ，又明显减少对环境的污染，因而得到了较广泛的应 用。 加拿大国家研究会生命科学研究所和i o g e n 公司合作利用蛋白质工程技术，用 赭色高温单袍菌( t h e m z o n z o n o s p o m f u c s a ) 木聚糖酶n 末端的一段氨基酸置换瑞氏 木霉了( t r e e s e i ) 木聚糖酶的相应片段，结合其它措施，成功地使重组酶的最适温 度和p h 分别提高了1 3 和0 9 个单位。使用c b h i 的启动子使重组酶在瑞氏木霉 中得到高效表达。i o g e n 公司己经以b i o b r i t e t m h b 6 0 c 的商品名注册这一重组的耐 热木聚糖酶，并投入生产。为进一步扩大木聚糖酶用途打下了良好基础。 在开发新的漂白技术中，酶技术也获得了发展。在硫酸盐浆漂白中，第一家 采用酶处理方法工艺化应用的造纸厂于1 9 8 9 年在芬兰投入运行，这是一种间接促 进漂白作用的酶处理方法。其作用机理是利用木糖酶( 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，部分木 聚糖与部分木质素存在着化学键的联接，即存在着木素木聚糖复合体( l c c ) ，以 这种形式存在的木素难以漂白，而木糖酶使这些复合体中的木聚糖部分降解，使 木聚糖与木素的联接断裂，从而有利于后阶段漂白药剂对木素进行漂白作用。在 硫酸盐浆漂白中，经过木糖酶处理后，可降低1 5 - - - - 2 5