生物技術(shù)在制漿造紙中應(yīng)用與研究進(jìn)展
| 近年來, 新興的生物技術(shù), 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(shù), 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(chǎn)出許多有用的新有機(jī)物質(zhì); 可以通過酶促反應(yīng), 大大改善許多現(xiàn)有生產(chǎn)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(xué)制漿方法基本上是對生物體的化學(xué)反應(yīng)過程, 它的環(huán)境污染物又主要是從生物體降解的有機(jī)物, 這是造紙工業(yè)可以充分運(yùn)用生物技術(shù)的重要依據(jù)。 生物技術(shù)在制漿造紙工藝上的應(yīng)用在20 世紀(jì)90 年代發(fā)展較快。對環(huán)境保護(hù)及降低能耗的日益關(guān)注,更促進(jìn)了生物技術(shù)在制漿造紙工業(yè)上的應(yīng)用。目前應(yīng)用于制漿造紙工業(yè)的生物技術(shù)主要有基因重組改良造紙?jiān)?、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(chǎn)。 1 基因重組技術(shù)改良造紙?jiān)?BR> 基因重組技術(shù)是將基因重新組合, 然后將基因轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移到細(xì)胞中進(jìn)行復(fù)制和表達(dá)的技術(shù),是改良生物性狀的有力手段?；蚋牧荚旒?jiān)系哪康? 減少造紙?jiān)现械哪舅睾? 盡可能增加纖維素的含量,以提高造紙?jiān)系睦寐?縮短樹木成材的年限。美國密歇根工業(yè)大學(xué)姜立泉實(shí)驗(yàn)室經(jīng)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(shù)控制木素合成的基團(tuán)Pt4CL1, 令其處于“抑制狀態(tài)”,其結(jié)果取得了轉(zhuǎn)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(shí)的Elserive科學(xué)公司以及法國的生物細(xì)胞研究中心都成功的利用轉(zhuǎn)基因工程研制出了更加適合制漿造紙的造紙?jiān)稀?BR> 2 生物制漿 制漿廠利用化學(xué)法制漿提高生產(chǎn)規(guī)模, 而且使原料的適應(yīng)性大大提高。然而, 近年來純化學(xué)法制漿已暴露出的它的缺點(diǎn):化學(xué)藥品消耗量大、能耗高、設(shè)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(fù)荷,而且其中還含有劇毒性荷強(qiáng)致癌性物質(zhì), 給環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。隨著人們對環(huán)保的要求的提高,傳統(tǒng)的化學(xué)法制漿正在不斷改進(jìn),生物制漿技術(shù)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(yù)處理, 以生物途徑代替化學(xué)途徑或部分化學(xué)途徑, 然后進(jìn)行機(jī)械、化學(xué)機(jī)械或化學(xué)法處理, 使植物纖維原料分離成紙漿。 生物預(yù)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(jìn)行了預(yù)處理, 結(jié)果表明, 與未經(jīng)真菌處理相比, 在盤磨機(jī)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(jī)械漿進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)粗磨的山毛櫸機(jī)械漿經(jīng)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(qiáng)度性能得到改善;經(jīng)粗磨的云杉機(jī)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(qiáng)度性能也有所改善。 生物方法預(yù)處理木片一般都采用白腐菌等, 這些菌種可以產(chǎn)生木素過氧化物酶、二價(jià)過氧化酶和漆酶,預(yù)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(shù), 主要是利用半纖維素酶部分酶解纖維細(xì)胞中的半纖維素, 使木素更容易與漂劑反應(yīng)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(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的生物技術(shù)應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jìn)漂白化學(xué)藥品從紙漿中除去殘留木素。 1989 年芬蘭率先進(jìn)行應(yīng)用木聚糖酶預(yù)處理硫酸鹽紙漿的工業(yè)化試驗(yàn)。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(shù)應(yīng)用于漂白硫酸鹽漿的工業(yè)化生產(chǎn)。智利制漿廠在藍(lán)桉和亮藍(lán)桉木硫酸鹽制漿漂白過程中,采用商品木聚糖酶預(yù)處理未漂白的桉木硫酸鹽紙漿, 并結(jié)合無元素氯漂白順序DEopD結(jié)果節(jié)省二氧化氯12%～40% ,而對漂白漿強(qiáng)度沒有影響, 白度達(dá)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?jiān)系男枨笕找嬖黾?。廢紙的再生利用,關(guān)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(shè)備簡單, 投資小, 但用水量大, 環(huán)境污染負(fù)荷大,大多見于中小企業(yè)?，F(xiàn)代大型脫墨生產(chǎn)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(xué)法脫墨所用,而化學(xué)法脫墨化學(xué)藥品消耗大, 對環(huán)境污染嚴(yán)重, 紙漿易產(chǎn)生" 堿性發(fā)黑"現(xiàn)象。隨著生物技術(shù)的發(fā)展, 酶用于廢紙脫墨技術(shù)的研究應(yīng)運(yùn)而生。 生物酶新聞紙脫墨劑的脫墨機(jī)理目前尚不太清楚。大多研究者比較認(rèn)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(dòng), 在適度的機(jī)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(fù)合酶制劑, 生物酶脫墨具有以下優(yōu)點(diǎn):( 1) 能適應(yīng)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(xué)藥品的用量;( 4)脫墨廢水負(fù)荷遠(yuǎn)低于化學(xué)脫墨, 有利于環(huán)境保護(hù)。 Putz等人對膠印新聞紙的酶法脫墨和化學(xué)脫墨進(jìn)行了比較, 發(fā)現(xiàn)酶法脫墨可以節(jié)約大量化學(xué)藥品, 降低廢水的COD含量。國內(nèi)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(yīng)用生物技術(shù)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(jī)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(zhuǎn)盤法等) 與厭氧處理。厭氧處理制漿廢水可產(chǎn)生甲烷, 回收能量。 當(dāng)前主要研究用酶破壞氯漂白廢水中的氯化有機(jī)物, 盡可能降低有機(jī)氯化物的含量,同時(shí)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(shí)間為6～12h, 其AOX 去除率、COD去除率及脫色率分別達(dá)到80%、40%和87%。瑞典一硫酸鹽制漿工廠結(jié)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(dá)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)行改性。但是,經(jīng)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(jìn)行改性, 以提高紙漿強(qiáng)度已廣為關(guān)注。 據(jù)國外報(bào)道, 用漆酶介體體系來改善未漂硫酸鹽漿的性能, 結(jié)果發(fā)現(xiàn),紙漿的濕強(qiáng)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(qiáng)度及增干強(qiáng)度效果明顯。GatenhplmP[9]等發(fā)現(xiàn),漆酶與纖維表面的酸基進(jìn)行接枝作用可以改善紙漿強(qiáng)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(chǎn)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(jī)溶劑的憎水性物質(zhì), 而在造紙的過程中,這些憎水性的物質(zhì)會(huì)以多種形式在設(shè)備表面沉積。從而造成斷紙、停機(jī)和紙質(zhì)下降等問題。文獻(xiàn)[10]報(bào)道可利用纖維素酶進(jìn)行處理。 由于真菌Ophiostoma piliferum 不產(chǎn)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(xiàn)報(bào)道,向紙機(jī)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(diǎn), 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(yán)重喪失。酶有一個(gè)最適宜的pH, 偏離了這個(gè)pH 值,酶活性也會(huì)大大降低。據(jù)報(bào)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(shí)踐中取得良好的效果。 8 結(jié)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(jī)理還不太清楚,以致酶法脫墨的進(jìn)一步研究與工業(yè)應(yīng)用受到了限制: 對酶的作用機(jī)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(jìn)一步研究出耐高溫的微生物, 以更好地應(yīng)用于生產(chǎn)。生物法制漿工業(yè)化生產(chǎn),還需解決縮短生物預(yù)處理周期等問題。徹底解決蒸煮黑液問題( 難點(diǎn)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(yán)峻挑戰(zhàn)。在全球的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中,生物技術(shù)在制漿造紙工業(yè)中將會(huì)發(fā)揮更重要的作用。 |
