P-RC APMP酶促打漿的研究

劉 俊 胡惠仁 王斌斌

(1．天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457;2．天津科技大學(xué)工業(yè)微生物教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457)

P-RC APMP酶促打漿的研究

劉 俊1胡惠仁1王斌斌2

(1．天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457;2．天津科技大學(xué)工業(yè)微生物教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457)

采用不同生物酶 (Nov 476、Nov 342、Nov 863、Nov 500L及Nov 51003)處理P-RC APMP，并對(duì)酶處理過的P-RC APMP進(jìn)行PFI磨打漿，以篩選出適合于P-RC APMP酶促打漿的生物酶，并對(duì)該酶的酶促打漿工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，Nov 476較適用于P-RC APMP的酶促打漿;P-RC APMP酶促打漿的較優(yōu)處理?xiàng)l件為：Nov 476處理溫度55℃，pH值6．5，Nov 476處理時(shí)間1．5 h，用量30 U/g，漿濃3%，打漿時(shí)間90 s;優(yōu)化條件下對(duì)P-RC APMP進(jìn)行Nov 476處理并PFI磨打漿，相同打漿條件下，Nov 476處理過的漿料打漿度比對(duì)照漿料提高9°SR;相同打漿度下，Nov 476處理后的漿料能耗降低，且對(duì)成紙強(qiáng)度性能沒有顯著的負(fù)面影響。

P-RC APMP;纖維素酶;酶促打漿;節(jié)約能耗

在造紙工業(yè)中使用以P-RC APMP為代表的化學(xué)機(jī)械漿能夠賦予紙張高松厚度、高不透明度和良好的形穩(wěn)性和適印性能等［1-2］。然而，由于P-RC APMP在制漿過程中保留了原料中的大部分木素，紙漿纖維粗糙挺硬，而且在制漿過程對(duì)纖維造成了一定的損傷。為了更好地利用P-RC APMP，必須在使用前對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)哪ソ猓{能耗大概占從木材到成紙生產(chǎn)總電耗的15% ～18%［3-4］，且磨漿過程中大部分的能量轉(zhuǎn)化為熱量，只有少數(shù)用于纖維的分絲帚化，磨漿時(shí)間越長(zhǎng)，通過熱能損耗的能量越多。因而，開發(fā)一種既能保持P-RC APMP紙漿優(yōu)點(diǎn)，又能根據(jù)需要對(duì)紙漿纖維進(jìn)行改性，同時(shí)還能減少磨漿能耗的工藝，成為制漿造紙工業(yè)的重要目標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用各種真菌處理漿料在降低打漿能耗上取得了良好的效果，但其處理周期較長(zhǎng)，且真菌產(chǎn)生的一些菌絲類物質(zhì)對(duì)最終紙漿的白度有不利影響［2］。而酶促打漿在一定條件下使用生物酶預(yù)處理漿料，可促進(jìn)纖維的吸水潤(rùn)脹和細(xì)纖維化程度，使打漿性能得到改善，起到降低打漿能耗的作用。本研究首先從幾種生物酶中篩選出一種適用于P-RC APMP酶促打漿的生物酶，并對(duì)其酶促打漿工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，在優(yōu)化條件下考察酶促打漿節(jié)約能耗的潛力。

1實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

漿料：楊木P-RC APMP，取自山東太陽紙業(yè)有限公司。實(shí)驗(yàn)用酶由諾維信公司提供。性質(zhì)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用酶性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

稱取30 g(絕干)楊木P-RC APMP放入燒杯中，加入適量蒸餾水配成濃度為3%的漿料，啟動(dòng)攪拌器分散漿料。把分散好的漿料裝入塑料袋中，密封好后置于恒溫水浴鍋中預(yù)熱15 min，然后加入適量酶液，在恒溫水浴鍋中反應(yīng)60 min，并每隔10～15 min定時(shí)揉搓塑料袋使反應(yīng)均勻。反應(yīng)結(jié)束后，立即用真空泵抽濾，并用清水沖洗漿料，洗凈酶液以終止酶反應(yīng)。進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn)時(shí)，除不加酶外，其他處理方式完全一致。使用PFI磨對(duì)酶及空白處理后的漿料進(jìn)行打漿，間隙為0，轉(zhuǎn)速1380 r/min，漿濃10%，絕干漿30 g，室溫。

1.3 分析與檢測(cè)

按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定漿料打漿度和保水值。用纖維質(zhì)量分析儀 (FQA)測(cè)定纖維的二重質(zhì)均長(zhǎng)度、細(xì)小纖維含量和纖維形態(tài)參數(shù)等纖維特性指數(shù)。手抄片的抄造及成紙物理性能按照相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物酶的篩選

2.1.1 不同生物酶對(duì)P-RC APMP打漿性能的影響

在溫度50℃，pH值8．5(漿料本身pH值)，漿濃3%，處理時(shí)間2 h的條件下，對(duì)各種生物酶的酶促打漿進(jìn)行酶用量的單因素實(shí)驗(yàn)，并在各自較優(yōu)用量條件下 (Nov 476用量30 U/g，Nov 342用量20 U/g，Nov 500L用量30 U/g，Nov 863用量10 U/g，Nov 51003用量20 U/g)測(cè)定酶處理后漿料的初始打漿度(打漿前的打漿度)，及經(jīng)PFI磨打漿后漿料的打漿度和保水值，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同生物酶處理對(duì)P-RC APMP打漿性能的影響

從圖1可以看出，經(jīng)Nov 476處理后漿料的初始打漿度稍有下降，但打漿后漿料的打漿度明顯比空白漿樣打漿后的打漿度高，而且保水值也最高;相同打漿條件下打漿效率提高最明顯。Nov 476主要組分是內(nèi)切-β-葡聚糖酶 (EGs)，EGs主要隨機(jī)作用于纖維素?zé)o定形區(qū)，酶解作用使?jié){中的纖維表面產(chǎn)生某種程度的活化和松弛，促進(jìn)纖維的吸水潤(rùn)脹和細(xì)纖維化程度，表現(xiàn)為漿料打漿度和保水值上升。

2.1.2 不同生物酶對(duì)P-RC APMP纖維形態(tài)的影響

纖維形態(tài)是植物纖維原料的基本特征之一。由于纖維的抄造與成紙?zhí)匦栽诤艽蟪潭壬先Q于纖維的各種形態(tài)參數(shù)，而生物酶處理會(huì)直接影響纖維的各種形態(tài)參數(shù)，所以在制漿造紙過程中，對(duì)纖維形態(tài)參數(shù)及其變化的測(cè)量是非常重要的，通過纖維質(zhì)量分析儀對(duì)實(shí)驗(yàn)中的漿料進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。

表2 不同生物酶處理對(duì)P-RC APMP纖維形態(tài)的影響

纖維扭結(jié)是指纖維細(xì)胞壁受損產(chǎn)生的突然轉(zhuǎn)折，適當(dāng)?shù)呐そY(jié)可以避免纖維被過多切斷［6］。纖維形態(tài)參數(shù)間接反映了纖維的卷曲程度，該數(shù)值越小則纖維卷曲程度越大。經(jīng)生物酶處理后，纖維被部分水解使纖維長(zhǎng)度降低，而短纖維比長(zhǎng)纖維卷曲相對(duì)較少，且在承受相同應(yīng)力下短纖維發(fā)生扭結(jié)的程度也比長(zhǎng)纖維小。由表2可知，5種生物酶處理都使纖維二重質(zhì)均長(zhǎng)度降低。與空白漿樣相比，Nov 476處理后漿料的形態(tài)參數(shù)和細(xì)小組分含量增加，扭結(jié)指數(shù)降低。由于Nov 476的主要組分是EGs，EGs主要隨機(jī)作用于纖維素?zé)o定形區(qū)，使纖維素聚合度迅速降低，纖維長(zhǎng)度降低，且酶解作用使?jié){料中的纖維表面剝皮，分離出一部分細(xì)小組分。更有可能是介于纖維和細(xì)小組分之間的組分由于酶解作用被分裂成細(xì)小組分，從而使?jié){中細(xì)小組分含量增加［7］。

2.1.3 不同生物酶對(duì)P-RC APMP成紙性能的影響

生物酶處理以及PFI磨打漿會(huì)直接影響漿料的各種纖維形態(tài)參數(shù)，從而直接影響成紙的各種物理性能。實(shí)驗(yàn)對(duì)各種生物酶處理后的漿料進(jìn)行抄片，并對(duì)一些強(qiáng)度性能和光學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，除了經(jīng)Nov 476和Nov 342處理后，成紙強(qiáng)度有一定下降外，Nov 500L、Nov 863、Nov 51003處理均能在一定程度上提高成紙的耐破指數(shù)、抗張指數(shù)和抗張能量吸收指數(shù)。其中，Nov 863處理能夠顯著降低P-RC APMP白水中聚半乳糖醛酸造成的陽離子需求量，有效減少DCS組分［8］。各種生物酶處理后對(duì)成紙光學(xué)性能都有一定負(fù)面影響，尤其Nov 51003處理后成紙白度下降較多，但Nov 51003處理后可以明顯提高成紙抗張指數(shù)等強(qiáng)度性能［9］。

表3 不同生物酶處理對(duì)成紙性能的影響

表4 不同生物酶處理對(duì)成紙光學(xué)性能的影響

綜合考慮，雖然Nov 476處理后對(duì)強(qiáng)度有一定負(fù)面影響，但各指標(biāo)下降程度不明顯，且Nov 476酶促打漿效果比較明顯，故選Nov 476作為P-RC APMP酶促打漿用酶，并進(jìn)一步對(duì)Nov 476酶促打漿條件進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 Nov 476酶促打漿處理?xiàng)l件優(yōu)化

2.2.1 PFI磨打漿時(shí)間對(duì)P-RC APMP磨漿性能的影響

PFI磨打漿時(shí)間對(duì)經(jīng)Nov 476處理后P-RC APMP打漿度和保水值的影響見圖2。由圖2可知，隨著PFI磨磨漿時(shí)間的增加，經(jīng)Nov 476處理并PFI磨打漿后P-RC APMP的打漿度和保水值與相同條件下空白漿樣的差距逐漸增加，并在90 s左右達(dá)到最大。繼續(xù)增加PFI磨打漿時(shí)間，Nov 476處理的效果被較為劇烈的機(jī)械作用所掩蓋。所以Nov 476處理后，較適宜的PFI磨打漿時(shí)間為90 s。

圖2 PFI磨打漿時(shí)間對(duì)P-RC APMP打漿性能的影響

2.2.2 Nov 476用量對(duì)P-RC APMP打漿性能的影響

Nov 476用量對(duì)P-RC APMP打漿性能的影響見圖3。由圖3可知，隨著Nov 476用量的增加，P-RC APMP打漿度和保水值逐漸上升;Nov 476用量超過30 U/g后，P-RC APMP打漿度變化不再明顯，但保水值增加尚未平緩。Nov 476用量為30 U/g時(shí)，P-RC APMP打漿度比空白漿樣高5°SR左右?？紤]到生物酶的成本，Nov 476的用量以30 U/g為宜。

圖3 Nov 476用量對(duì)P-RC APMP打漿性能的影響

2.2.3 酶處理溫度對(duì)P-RC APMP打漿性能的影響

溫度對(duì)酶的作用有雙重影響：①與一般化學(xué)反應(yīng)一樣，隨溫度升高，酶的活化分子數(shù)增加，有利于催化反應(yīng)進(jìn)行;②酶是蛋白質(zhì)，隨溫度升高，酶會(huì)逐漸變性、失活。酶促反應(yīng)的最適溫度是這兩種影響相互作用的結(jié)果［10］。Nov 476處理溫度對(duì)P-RC APMP打漿性能的影響見圖4。由圖4可知，隨著Nov 476處理溫度的升高，P-RC APMP打漿度和保水值成增加趨勢(shì)，并在55℃左右打漿度達(dá)到最高 (40°SR)，再繼續(xù)升高Nov 476處理溫度，打漿度開始下降，而保水值變化也開始趨于平緩。這可解釋為在較低溫度范圍內(nèi)，隨溫度的升高，增加了酶促反應(yīng)的活化能，加速了反應(yīng)速率。在較高溫度范圍內(nèi)，隨溫度升高，使蛋白質(zhì)逐漸變性，酶活力逐漸降低，從而降低了酶促反應(yīng)速率，表現(xiàn)為漿料打漿度下降。溫度為55℃時(shí)酶的活性最高，酶促打漿效果較明顯，因此，55℃為酶促打漿的較適溫度。

圖4 Nov 476處理溫度對(duì)P-RC APMP打漿性能的影響

2.2.4 酶處理時(shí)間對(duì)P-RC APMP打漿性能的影響

Nov 476處理時(shí)間對(duì)P-RC APMP打漿性能的影響見圖5。從圖5可以看出，P-RC APMP的打漿度隨Nov 476處理時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢(shì)，并在1．5 h左右達(dá)到最大，為43．5°SR。而保水值的變化從Nov 476處理時(shí)間1．0 h后迅速上升，也在1．5 h左右達(dá)到最大值;再延長(zhǎng)Nov 476處理時(shí)間，保水值變化不明顯。而初始打漿度隨Nov 476處理時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著Nov 476處理時(shí)間的延長(zhǎng)，酶解作用使得纖維和細(xì)小組分表面水化程度逐漸下降，同時(shí)有少部分細(xì)小組分被酶解除去，表現(xiàn)為漿料初始打漿度逐漸下降。隨著Nov 476處理時(shí)間的延長(zhǎng)，酶解作用進(jìn)一步深入，產(chǎn)生的“剝皮”作用使纖維表面逐漸分離出細(xì)纖維，再經(jīng)過機(jī)械的打漿作用后纖維帚化現(xiàn)象增加，而且機(jī)械的打漿作用又產(chǎn)生更多的細(xì)小組分，表現(xiàn)為打漿度上升，保水值上升。但是由于P-RC APMP漿料中木素含量較高，木素的存在阻礙了酶解反應(yīng)的進(jìn)一步深入，所以當(dāng)時(shí)間超過1．5 h后，保水值基本不再變化，而打漿度也隨著初始打漿度的下降呈一定的下降趨勢(shì)。因此，酶處理時(shí)間宜為1．5 h。

圖5 Nov 476處理時(shí)間對(duì)P-RC APMP打漿性能的影響

2.2.5 酶處理pH值對(duì)P-RC APMP打漿性能的影響

Nov 476處理的pH值對(duì)漿料打漿度和保水值的影響見圖6。由圖6可知，在其他處理?xiàng)l件一定時(shí)，隨著Nov 476處理pH值的增加，漿料打漿度也逐漸增加，增加到最大值后又隨pH值的升高而降低。初始打漿度變化不明顯，保水值變化趨勢(shì)與打漿度的變化趨勢(shì)基本一致，但變化更加顯著。打漿度和保水值均在Nov 476處理pH值為6．5左右達(dá)到最大值，分別為40°SR和130%。這可能是由于系統(tǒng)pH值變化，使酶分子和底物分子的解離狀態(tài)發(fā)生變化，從而使酶蛋白表面雙電層以及底物對(duì)其吸附量發(fā)生變化，最終影響到酶活力和催化效率［11］。因此，酶促反應(yīng)時(shí)較適pH值為6．5左右。

圖6 Nov 476處理pH值對(duì)P-RC APMP打漿性能的影響

2.3 優(yōu)化條件下的Nov 476處理效果

2.3.1 優(yōu)化條件下Nov 476處理對(duì)P-RC APMP打漿性能的影響

在Nov 476處理溫度55℃，時(shí)間1．5 h，漿濃3%，pH值6．5，Nov 476用量30 U/g，PFI磨打漿時(shí)間90 s的優(yōu)化條件下，Nov 476處理對(duì)P-RC APMP打漿性能的影響見表4。表4中Nov 476處理漿1與空白漿樣的打漿時(shí)間相同，控制Nov 476處理漿2的打漿后打漿度與空白漿樣的相同。與空白漿樣相比，Nov 476處理漿1的初始打漿度由27°SR降低到25°SR，打漿度由34°SR提高到43°SR，初始打漿度稍有下降，但打漿度增加了9°SR。在與空白漿樣打漿度相同下，Nov 476處理漿2的打漿時(shí)間由90 s減少至70 s，打漿時(shí)間的減少間接反映了打漿能耗的降低。由此可以得出，在優(yōu)化條件下，Nov 476有顯著的促進(jìn)打漿作用，相同打漿度條件下可以有效降低打漿能耗，或在同等打漿能耗下提高打漿效率。

表4 優(yōu)化條件下Nov 476處理對(duì)P-RC APMP打漿性能的影響

2.3.2 優(yōu)化條件下Nov 476處理對(duì)P-RC APMP纖維形態(tài)的影響

優(yōu)化條件下Nov 476處理對(duì)P-RC APMP纖維形態(tài)的影響見表5。由表5可知，經(jīng)Nov 476處理后纖維的二重質(zhì)均長(zhǎng)度和平均扭結(jié)指數(shù)降低，形態(tài)參數(shù)和細(xì)小組分含量增加。Nov 476處理后纖維平均長(zhǎng)度降低，因此在打漿中承受相同應(yīng)力條件下，纖維卷曲和扭結(jié)程度均減少，表現(xiàn)為形態(tài)參數(shù)增加和扭結(jié)指數(shù)下降。但是，Nov 476在水解纖維素的同時(shí)會(huì)使介于纖維和細(xì)小組分之間的組分被分裂成細(xì)小組分，從而使?jié){中細(xì)小組分含量增加。

表5 優(yōu)化條件下Nov 476處理對(duì)P-RC APMP纖維形態(tài)的影響

2.3.3 優(yōu)化條件下Nov 476處理對(duì)P-RC APMP成紙性能的影響

表6 優(yōu)化條件下Nov 476處理對(duì)P-RC APMP成紙性能的影響

表6示出了優(yōu)化條件下Nov 476處理對(duì)成紙強(qiáng)度性能的影響。從表6可以知，Nov 476處理后漿料的成紙強(qiáng)度性能較空白漿樣的都有不同程度的降低。由于Nov 476的水解作用降低了纖維長(zhǎng)度，同時(shí)產(chǎn)生了較多細(xì)小組分，而纖維長(zhǎng)度的降低直接影響了成紙的撕裂指數(shù)，這可從Nov 476處理漿1的打漿度最高、但強(qiáng)度較低得到驗(yàn)證。因此，Nov 476處理在一定程度上會(huì)影響成紙強(qiáng)度性能，通過進(jìn)一步研究，在改善打漿性能節(jié)約能耗的同時(shí)減少對(duì)成紙強(qiáng)度的影響。

3結(jié)論

3.1 實(shí)驗(yàn)使用的5種生物酶中，Nov 476(纖維素內(nèi)切酶)較適用于P-RC APMP的酶促打漿，在相同打漿條件下可以明顯提高打漿度，降低打漿能耗;經(jīng)Nov 476酶促打漿后，P-RC APMP纖維長(zhǎng)度有所降低，漿料中細(xì)小組分含量明顯增多，成紙強(qiáng)度有所下降。

3.2 Nov 476對(duì)P-RC APMP進(jìn)行酶促打漿的優(yōu)化條件為：打漿時(shí)間90 s，Nov 476用量30 U/g，溫度55℃;漿濃3%，時(shí)間1．5 h，pH值6．5。

3.3 在優(yōu)化條件下對(duì)P-RC APMP進(jìn)行Nov 476處理，可顯著改善打漿性能，降低打漿能耗。在相同打漿條件下，P-RC APMP的打漿度較空白漿樣提高9°SR;打漿到相同打漿度下，雖然各種強(qiáng)度指標(biāo)稍有下降，但打漿能耗降低。

［1］ 龍 柱，李建華，王 保，等．速生楊樹齡及品種對(duì)APMP制漿的影響［J］．中國(guó)造紙，2005，24(1)：10．

［2］ Singh Rashmi，Bhardwaj Nishi K．Enzymatic refining of pulps：An overview［J］．APPTA Journal，2010，22(2)：109．

［3］ 趙玉林，陳中豪，王福君．纖維素酶在造紙工業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］．紙和造紙，2002，3(2)：64．

［4］ Bhardwaj N K，Partima Bajpai，Pramod K Bajpai．Use of enzymes in modification of fibers for improved beatability［J］．Biotechnology，1996，51(1)：18．

［5］ Pratima Bajpai，Shree P Mishra，Mishra OMP，et al．Use of enzymes for reduction in refining energy-Laboratory studies［J］．Tappi Journal，2006，5(11)：25．

［6］ 穆永生，陳嘉川，楊桂花，等．酶促打漿在BCTMP漿中的研究［J］．山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，23(1)：1．

［7］ 謝來蘇．制漿造紙的生物技術(shù)［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003．

［8］ Michelle Ricard，Ian reid，Jose-Antonio Orccotoma．Pectinase reduces the cationic demand of peroxide-bleached TMP：A paper machine trial［C］//PAPTAC 90thannual meeting，Canada，Quebec，2004．

［9］ Ken K Y Wong，John D Richardson，Shawn D Mansfield．Enzymatic treatment of mechanical pulp fibers for improving papermaking properties［J］．Biotechnology，2000，16(6)：1025．

［10］ 張正健，胡惠仁，徐建峰，等．漂白硫酸鹽思茅松漿酶促打漿的研究［J］．中國(guó)造紙學(xué)報(bào)，2009，24(1)：35．

［11］ 張楚富．生物化學(xué)原理［M］．北京：高等教育出版社，2003．

(責(zé)任編輯：陳麗卿)

Study on Enzymatic Beating of P-RC APMP

LIU Jun1，*HU Hui-ren1WANG Bin-bin2
(1．Tianjin Key lab of pulping and papermaking Engineering，Tianjin University of Science＆ Technology，Tianjin，300457;2．Key Laboratory of Industrial Microbiology，Ministry of Education，College of Biotechnology，Tianjin University of Science＆ Technology，Tianjin，300457)
(*E-mail：hawk-sky115142@163．com)

In this study，different enzymes were used to pre-treat P-RC APMP pulp before refining in order to find out the enzymes which can be used for enzymatic beating of P-RC APMP．The enzymes treatment conditions(including the treatment temperature，time，pH，pulp concentration and refining conditions)were optimized and the feasibility of enzymatic beating of high yield pulp was evaluated．Results showed that the enzyme cellulase with the symbol of Novozyme 476 is suitable for the enzymatic beating of P-RC APMP，and the optimal conditions are：55℃，pH value 6．5，enzyme treatment time 1．5 h，pulp consistency 3%，PFI mill refining time 90 s．At this condition，the beating degree increases by 9°SR when the refining conditions are the same as the control sample，and energy consumption can be saved by about 22．2%compared with the same beating degree．There is no negative impact caused by enzyme treatment on the paper strength．

P-RC APMP;cellulase;enzymatic beating;energy saving

Q55

A

0254-508X(2011)03-0001-05

劉 俊先生，在讀碩士研究生;主要研究方向：造紙助劑與濕部化學(xué)，生物技術(shù)在造紙工業(yè)中的運(yùn)用。

2010-11-16(修改稿)

本課題得到中國(guó)-加拿大政府間國(guó)際科技合作項(xiàng)目 (2008DFA91290)和國(guó)家科技部科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目 (2006BAD32B04)的資助。