生物技術(shù)在造紙工業(yè)上的應(yīng)用

常永杰 劉娜

（山東輕工業(yè)學(xué)院 制漿造紙科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250353）

近年來，我國(guó)造紙工業(yè)獲得了迅猛的發(fā)展，然而，我們不應(yīng)忽視其發(fā)展過程中存在的一些問題，例如環(huán)境污染嚴(yán)重，治理成本高；能源消耗過大等，尋找新的環(huán)境友好型制漿造紙工藝技術(shù)迫在眉睫。近年來，迅速發(fā)展起來的具有環(huán)境友好性特點(diǎn)的生物技術(shù)對(duì)克服這些問題具有潛在的能力，生物技術(shù)與傳統(tǒng)制漿造紙工藝的結(jié)合已經(jīng)被人們廣泛研究，并部分獲得了工業(yè)應(yīng)用。目前，生物技術(shù)在制漿造紙上的應(yīng)用主要集中在改良樹木品種、生物制漿、生物漂白、生物廢紙脫墨、廢水生物處理、樹脂障礙控制等。

1 生物技術(shù)應(yīng)用于造紙?jiān)?/h2>

木材是較為理想的造紙?jiān)?，然而我?guó)森林資源較為貧乏，利用生物技術(shù)培育種植更適于制漿造紙的樹木新品種有助于以速生豐產(chǎn)林為目標(biāo)的林紙一體化的實(shí)施，同時(shí)也是增加木材產(chǎn)量的有效途徑。

1.1 基因重組技術(shù)改良樹木品種[1-2]

基因重組技術(shù)是將基因重新組合，再將基因轉(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。通過這些手段，可以獲得具有更短的生長(zhǎng)周期，更低的木素含量且以易于降解溶出的木素結(jié)構(gòu)為主；高的纖維素含量及纖維較長(zhǎng)；在樹木生長(zhǎng)過程中對(duì)病蟲害和惡劣環(huán)境具有較強(qiáng)的耐受力等特點(diǎn)的新型樹種。英國(guó)Zencea公司與日本Nippon紙業(yè)公司合作研究，利用基因重組技術(shù)控制樹木生長(zhǎng)過程中木素生物合成系統(tǒng)。Zencea公司已分離出一種能抑制樹木中木素生長(zhǎng)的肉桂醇脫氫酶基因抑制物，將這種特殊基因酶植入到他們開發(fā)的速生型楊樹和桉樹優(yōu)良品種，培育出新一代的制漿造紙用材。這種新品木材在蒸煮過程中木素易于溶出，可節(jié)省化學(xué)品用量和能耗，減少對(duì)纖維的破壞降解，利于紙漿得率和質(zhì)量的提高，節(jié)約纖維原料，并降低漂白化學(xué)品用量，減輕廢水污染負(fù)荷和降低處理廢水費(fèi)用等。

1.2 無性繁殖[2-3]

無性繁殖又叫營(yíng)養(yǎng)繁殖，是利用植物的營(yíng)養(yǎng)器官（根、莖、葉）培育成獨(dú)立植株的繁殖方法。其能保持母本的優(yōu)良遺傳特性，縮短植物的生長(zhǎng)周期，采用新的細(xì)胞培養(yǎng)或組織培養(yǎng)技術(shù)來縮短無性繁殖優(yōu)良品種所需的時(shí)間。德國(guó)、瑞典的云杉，新西蘭、澳大利亞的輻射松，采用無性繁殖苗木造紙已進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。菲律賓的加勒比松、南亞松采用微繁殖（主要是胚胎組培）也獲得了成功。

2 生物制漿

生物制漿是利用木素降解菌具有降解木素的能力，在制漿前用這些菌類預(yù)處理木片或其他纖維原料，降解或部分降解木素，然后進(jìn)行傳統(tǒng)化學(xué)法、機(jī)械法等處理，最終使植物纖維原料分離成紙漿的過程。

自然界參與降解木質(zhì)素的微生物種類有真菌、放線菌和細(xì)菌，而真菌是最重要的一類。因腐朽木材成白色而得名的屬于擔(dān)子菌亞門的白腐菌是能夠降解木材主要成分的微生物之一，是生物制漿的首選微生物。這類菌種可以產(chǎn)生木素降解酶（如木素過氧化物酶、錳過氧化物酶和漆酶）。然而，單獨(dú)利用白腐菌處理植物纖維原料的生物制漿方法存在處理周期過長(zhǎng)、培養(yǎng)條件苛刻、菌種擴(kuò)大培養(yǎng)困難等缺點(diǎn)。目前，生物制漿主要集中于制漿前對(duì)植物纖維原料的預(yù)處理，再結(jié)合傳統(tǒng)的化學(xué)法或機(jī)械法等制漿以達(dá)到降低能耗、降低化學(xué)品用量、降低設(shè)備投資成本及后續(xù)漂白段的化學(xué)品用量、減輕環(huán)境污染負(fù)荷等目的。

生物制漿包括純生物制漿、生物化學(xué)制漿和生物機(jī)械制漿以及韌皮纖維原料的生物制漿。純生物制漿效果良好，然而由于酶比較昂貴，利用酶工程的純生物制漿實(shí)施起來有一定難度，同時(shí)，生物制漿一般應(yīng)用與處理木片，而酶對(duì)木片的可接觸性不如菌類；生物化學(xué)制漿在減少蒸煮化學(xué)品用量和能耗、提高紙漿質(zhì)量，或者在化學(xué)藥品用量不變的情況下，降低打漿能耗，減少后續(xù)漂白化學(xué)藥品用量和減輕漂白廢水污染負(fù)荷等方面都取得了良好的效果；生物機(jī)械制漿在降低能耗和提高成紙強(qiáng)度等方面效果明顯，對(duì)推進(jìn)高得率法制漿的普及具有重要意義；韌皮纖維原料纖維素含量高，木素含量低，是優(yōu)良的造紙?jiān)系涔z質(zhì)含量高，因此，其生物制漿側(cè)重于果膠酶的應(yīng)用。生物法一旦實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，可以實(shí)現(xiàn)無污染制漿，具有良好的發(fā)展前景。

3 生物漂白及應(yīng)用

生物漂白最早是指利用降解木素的微生物（主要是白腐菌），分解紙漿中的殘余木素，使之降解溶出，達(dá)到提高紙漿白度的目的，然而，利用白腐菌直接處理未漂漿，脫木素速度慢，還會(huì)產(chǎn)生纖維素降解現(xiàn)象，同時(shí)其代謝過程會(huì)產(chǎn)生一些有色代謝物質(zhì)。目前，生物漂白的主要作用是提高紙漿的可漂性，降低漂白過程的用氯量，從而減輕漂白過程的污染程度[4]。

目前，生物漂白主要利用半纖維素酶（聚木糖酶和聚甘露糖酶）和木素降解酶（木素過氧化物酶，錳過氧化物酶和漆酶）。

3.1 聚木糖酶助漂

聚木糖酶是生物漂白中應(yīng)用最多的酶，其降解部分半纖維素，導(dǎo)致纖維細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)改變，部分出現(xiàn)疏松，加大殘余木素的暴露，使漂白藥液與殘余木素能夠更充分的接觸，利于殘余木素的脫除；部分木聚糖回吸到纖維上，阻礙了漂白藥液對(duì)殘余木素的作用，木聚糖酶降解這部分木聚糖，提高漂液對(duì)殘余木素的可及度；作用于木素—碳水化合物復(fù)合物（LCC）的連接，使其斷裂，產(chǎn)生更易去除的較小的殘余木素；除去蒸煮后期產(chǎn)生的乙烯糖醛酸木聚糖（含發(fā)色基團(tuán)較多，而半纖維素的支鏈乙烯糖醛酸是紙漿易返黃的一個(gè)原因）。因此，在化學(xué)漂白之前，用木聚糖酶預(yù)處理漿料，會(huì)減少化學(xué)藥品的用量，減輕環(huán)境污染負(fù)荷。

3.2 漆酶/介體體系漂白

單獨(dú)的漆酶氧化還原電勢(shì)較低，僅能氧化低還原電位的酚型木素，但漆酶/介體系統(tǒng)能氧化還原電位較高的非酚型木素；同時(shí)，漆酶能選擇性催化木素降解，不損傷或較小損傷碳水化合物，反應(yīng)僅需要氧氣，是“綠色友好型”木素降解酶，但與其共存的介體使用較多的通常都是合成的，不僅有毒而且價(jià)格昂貴。因此，研發(fā)高效廉價(jià)、應(yīng)用面廣的介體是漆酶有效應(yīng)用于紙漿漂白的基礎(chǔ)。

3.3 木素降解菌的應(yīng)用

某些具有木素降解能力的菌類，如白腐菌等也可應(yīng)用于紙漿漂白，然而由于其培養(yǎng)條件較苛刻，且菌類代謝活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一些有顏色的代謝產(chǎn)物，致使白度下降，同時(shí)，其直接用于紙漿漂白的效率也不高，因此，生物漂白更側(cè)重于應(yīng)用木素降解菌分泌的高效木素降解酶來降解紙漿中的殘余木素。半纖維素酶只是助漂而不能真正做到無化學(xué)品的使用，與其相比，木素降解酶更具潛力，致力于分泌高效廉價(jià)且選擇性好（專一性降解木素，無碳水化合物降解活性或活性較低）的木素降解酶的菌種選育對(duì)真正實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)意義重大。

4 生物脫墨

傳統(tǒng)的脫墨工藝是在化學(xué)藥品的作用下輔以適當(dāng)機(jī)械作用，使油墨從纖維上分離，然后再用洗滌或浮選或者兩者相結(jié)合的方法將油墨粒子從紙漿中除去。堿法脫墨是目前全世界普遍使用的傳統(tǒng)工藝，其脫墨技術(shù)比較成熟[5]。然而，隨著油墨粒子成分的復(fù)雜多樣化及印刷方式的變更，脫墨變得異常困難，特別是對(duì)于混合辦公廢紙（激光打印紙、靜電復(fù)印紙）的非接觸性印刷；同時(shí)，傳統(tǒng)化學(xué)脫墨法也帶來了環(huán)境污染。

生物脫墨是用酶制劑代替化學(xué)藥品作用于廢紙漿，輔以機(jī)械作用，促進(jìn)油墨與纖維的分離。用于脫墨的酶有纖維素酶、半纖維素酶、木素降解酶、脂肪酶、酯酶等。脂肪酶和酯酶水解油基油墨載體，目前，主要集中于纖維素酶、半纖維素酶的應(yīng)用[4]。

Jeffries等[6]發(fā)現(xiàn)，靜電復(fù)印紙和激光打印紙的酶法脫墨的油墨去除率明顯高于傳統(tǒng)脫墨法，同時(shí)，白度和綠水性能都有所改善。Prasad發(fā)現(xiàn)，堿性纖維素酶能對(duì)辦公廢紙進(jìn)行有效的脫墨，同時(shí)，可以獲得較高的白度和良好的濾水性能及物理性能。

5 廢水處理中的生物技術(shù)

制漿造紙工業(yè)廢水排放量大，廢水中COD、BOD含量大，是造紙工業(yè)污染環(huán)境的主要源頭之一。目前，處理造紙廢水的方法主要有物理法、化學(xué)法、生物法和物理化學(xué)法，其中，作為造紙廢水二級(jí)處理的生物法的應(yīng)用最為廣泛。

廢水的生物處理技術(shù)是利用微生物的新陳代謝作用，使廢水中的有毒污染物降解并轉(zhuǎn)化為無害穩(wěn)定物質(zhì)的過程。根據(jù)微生物種類和供氧情況分為：好氧生物處理、厭氧生物處理及厭氧-好氧組合處理。

5.1 好氧生物處理

即在有氧條件下，利用好氧微生物的作用來降解污染物。有活性污泥法和生物膜法兩種，活性污泥法技術(shù)比較成熟，是應(yīng)用最為廣泛的廢水生物處理技術(shù)，但其存在污泥易膨脹的缺點(diǎn)，目前，已經(jīng)出現(xiàn)了克服污泥膨脹的效果更加出眾的改進(jìn)活性污泥法[序批式活性污泥法（SSR）、HCR廢水處理技術(shù)、循環(huán)式活性污泥法][7]。生物膜法是一大類生物處理方法的總稱，共同的特點(diǎn)是微生物附著在介質(zhì)濾料表面上，形成生物膜，污水同生物膜接觸后，溶解的有機(jī)物被微生物吸附轉(zhuǎn)化為H2O、CO2、NH3和微生物細(xì)胞物質(zhì)，污水得到凈化，所需氧氣一般直接來自大氣，其處理效果和活性污泥法差不多，然而產(chǎn)生的污泥膨脹和剩余污泥量少，同時(shí)，占地少[8]。

5.2 厭氧生物處理

指利用兼性厭氧菌和專性厭氧菌在無氧或缺氧的條件下降解有機(jī)污染物的過程，制漿造紙廢水降解的厭氧細(xì)菌分為產(chǎn)酸細(xì)菌和甲烷細(xì)菌，此法能耗低、污泥產(chǎn)率低、對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的需求也低，生成的甲烷氣還可作為新能源[9]。

5.3 厭氧-好氧生物處理

即將厭氧處理和好氧處理結(jié)合起來（厭氧處理后再進(jìn)行好氧處理），共同作用于廢水污染物的過程。德國(guó)Wepa造紙廠用厭氧加好氧的方法處理DIP污水，其厭氧反應(yīng)器采用IC厭氧反應(yīng)塔，處理量為4 000 m3/d，進(jìn)水COD為4 000 mg/L，出水COD為200 mg/L，COD去除率為94.6%[10]。施英喬等[12]采用厭氧(UASB) -好氧(SBR)組合技術(shù)對(duì)高濃度的APMP制漿廢水進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用UASB-SBR組合技術(shù)可使APMP廢水的COD去除率達(dá)到90.3%。

5.4 造紙廢水處理中的真菌

利用特種微生物凈化處理造紙廢水是一個(gè)很有意義的方向，目前，研究較多的是白腐菌，李雪芝等[11]利用8株不同的白腐菌處理造紙廢水，優(yōu)選出一株可直接應(yīng)用于造紙廢水處理的白腐菌菌株LO2并優(yōu)化其處理工藝，能降低廢水COD含量（降低84%以上）和廢水的色度（降低93%以上），并可降低廢水的pH值，顯示出了良好的工業(yè)化應(yīng)用前景。

6 樹脂障礙的生物法控制

樹脂障礙已成為造紙工業(yè)日益突出的問題之一，生物技術(shù)在解決樹脂問題方面的研究近年來成為了熱門的課題，利用生物技術(shù)處理樹脂問題主要集中在利用酶（脂肪酶）和真菌控制樹脂障礙。

脂肪酶處理紙漿，通過紙漿的制漿造紙中產(chǎn)生樹脂障礙的有害組分之一——甘油三酸酯的水解達(dá)到控制樹脂沉積的目的。真菌中的具有降解樹脂能力的藍(lán)變菌作用于木片能有效地除去樹脂，其適用于制漿前的木片預(yù)處理，同時(shí)，用其處理白水，能降低白水中樹脂的含量，有效抑制樹脂沉積物的產(chǎn)生[12]。Irie等在1990年提出利用脂肪酶減少磨木漿中樹脂障礙的產(chǎn)生。隨后，使用脂肪酶控制樹脂障礙問題這一技術(shù)首次在日本許多磨木漿廠獲得實(shí)際應(yīng)用并得到相應(yīng)推廣。

7 結(jié)束語

生物技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和強(qiáng)勁的發(fā)展獲得了人們的青睞，生物技術(shù)雖然在制漿造紙工業(yè)例如生物制漿、生物漂白、生物脫墨、樹脂障礙控制、纖維改性等諸多方面都有涉及，都是人們研究的熱點(diǎn)，然而離工業(yè)化的大范圍推廣還很遠(yuǎn)。要加大生物技術(shù)在制漿造紙工業(yè)各方面作用機(jī)理的深度研究，為工業(yè)化生產(chǎn)提供理論支點(diǎn)，生物技術(shù)對(duì)于解決造紙工業(yè)面臨的諸如原料短缺、環(huán)境污染、能耗過高的潛力巨大，生物技術(shù)與造紙工業(yè)的結(jié)合將會(huì)越來越緊密。

[1]姚光裕.用基因重組技術(shù)改良造紙用材品種[J].紙和造紙,2001(2):11-12.

[2]姚光裕.生物技術(shù)在造紙用材基地林中的應(yīng)用[J].中華紙業(yè),1999(3):38-39.

[3]姚光裕.生物技術(shù)在木材制漿工業(yè)中的應(yīng)用前景[J].林業(yè)科技通訊,1999(12).

[4]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.

[5]艾紅英.廢紙脫墨在造紙工業(yè)中的發(fā)展[J].湖北造紙,2007(1):14-15.

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[7]伍健東.紙漿造紙廢水的生物處理技術(shù)[J].造紙科學(xué)與技術(shù),2002,21(1):34-36.

[8]楚廣詣.制漿造紙廢水生物處理的研究進(jìn)展[J].西南造紙,2006,35(5):16-17.

[9]武書彬,梁文芷.光合細(xì)菌處理尾葉桉CMP制漿廢水的初步研究[J].纖維素科學(xué)與技術(shù),1995,3(2): 41

[10]崔延齡.福建南紙赴歐考察制漿造紙污水處理[J].中國(guó)造紙,2001,20(3): 58

[11]李雪芝,趙建,閻飛,等.白腐菌處理草漿造紙廢水研究[J].中國(guó)造紙學(xué)報(bào),2005,31(12):23-26

[12]王旭,詹懷宇.樹脂障礙生物控制技術(shù)發(fā)展.中國(guó)造紙[J].2001(6).