生物技術在制漿造紙中應用與研究進展
| 近年來, 新興的生物技術, 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, 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, 生產出許多有用的新有機物質; 可以通過酶促反應, 大大改善許多現(xiàn)有生產工藝的條件和效率。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的重要依據(jù)。 生物技術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注,更促進了生物技術在制漿造紙工業(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。 1 基因重組技術改良造紙原料 基因重組技術是將基因重新組合, 然后將基因轉化或轉移到細胞中進行復制和表達的技術,是改良生物性狀的有力手段?；蚋牧荚旒堅系哪康? 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) 技術控制木素合成的基團Pt4CL1, 令其處于“抑制狀態(tài)”,其結果取得了轉基因樹木。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, 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, 結果表明, 與未經真菌處理相比, 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, 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)經濟的生物技術應用于紙漿的漂白, 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構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應用于漂白硫酸鹽漿的工業(yè)化生產。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, 并結合無元素氯漂白順序DEopD結果節(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)?，F(xiàn)代大型脫墨生產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, 紙漿易產生" 堿性發(fā)黑"現(xiàn)象。隨著生物技術的發(fā)展, 酶用于廢紙脫墨技術的研究應運而生。 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、生物轉盤法等) 與厭氧處理。厭氧處理制漿廢水可產生甲烷, 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, 而在造紙的過程中,這些憎水性的物質會以多種形式在設備表面沉積。從而造成斷紙、停機和紙質下降等問題。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。生物法制漿工業(yè)化生產,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,生物技術在制漿造紙工業(yè)中將會發(fā)揮更重要的作用。 |
