酶在制漿造紙工業(yè)中應(yīng)用及其進(jìn)展

隨著酶技術(shù)的發(fā)展，酶在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。該文介紹了酶在日本制漿造紙工業(yè)中控制膠粘物、脫墨、改善紙張質(zhì)量和提高紙機(jī)運(yùn)行效率等方面的應(yīng)用及其進(jìn)展，其中包括應(yīng)用于以廢紙為原料的紙張生產(chǎn)中降低黏性、改善白度和塵埃度并已獲得良好效果的酶組合處理技術(shù)。

1 前言

很早以前人們就已開(kāi)始研究酶在造紙領(lǐng)域的應(yīng)用。酶的應(yīng)用技術(shù)涉及到造紙的各方面，主要以機(jī)械漿和化學(xué)漿中的硫酸鹽紙漿為對(duì)象進(jìn)行了酶應(yīng)用的研究，同時(shí)研究了酶在廢紙為原料的紙種生產(chǎn)中清洗劑配方、脫墨劑以及膠粘物控制劑方面的應(yīng)用。因?yàn)槊妇哂谢|(zhì)特異性，只要很少的量就能專(zhuān)門(mén)作用于作為目標(biāo)的成分，因此如果酶能有效作用于纖維和夾雜物，就可以期待取得較好的效果。表1列出了酶在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用。

表1 酶在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用

2 酶在膠粘物控制及脫墨中的應(yīng)用

2.1 酶在膠粘物控制及脫墨中應(yīng)用的問(wèn)題點(diǎn)

為了減少環(huán)境污染和節(jié)約資源，造紙行業(yè)最近幾年一直在推進(jìn)提高廢紙利用率，增加脫墨漿和損紙漿的配比以及提高造紙用水封閉循環(huán)的程度。此外，受信息數(shù)字化進(jìn)步等影響，越來(lái)越難獲得質(zhì)量好的廢紙，使用好含夾雜物較多廢紙的必要性正在提高。在此背景下，由于來(lái)自廢紙?jiān)系膴A雜物的增加，造紙生產(chǎn)中的微細(xì)纖維的量正日益增加。

如果要將廢紙中的膠粘物和油墨作為酶的處理目標(biāo)，由于處理目標(biāo)與纖維、微細(xì)纖維、灰分和淀粉黏附混合在一起，酶的作用效果將變差，在改質(zhì)方面很難顯示出充分的活性（圖1）。

圖1 廢紙中的膠粘物和油墨示意圖

2.2 酶在膠粘物控制、脫墨中應(yīng)用的概念

為了提高作用于膠粘物與油墨的酶的接觸效果，必須先同時(shí)使用多種作用不同的酶除去附著在膠粘物、油墨上的物質(zhì)。根據(jù)這一概念，進(jìn)行了PC7420和PC7421這2種酶制品的組合處理技術(shù)的研究。其中：PC7420由多種酶配制而成，具有剝離附著在膠粘物、油墨上的各種物質(zhì)的作用；PC7421是能很好地分解聚丙烯酸酯類(lèi)和乙烯醋酸乙烯基類(lèi)膠粘物、油墨酯鍵的酶。

通過(guò)使具有剝離作用的PC7420作用于附著在漿料中膠粘物上的微細(xì)纖維等物質(zhì)，將其除去，用具有分解酯作用的PC7421有效地與膠粘物、油墨作用（圖2）。同時(shí)，為了充分發(fā)揮PC7420的剝離作用，并使酶均勻地定著于膠粘物上，還需要剪切應(yīng)力。

圖2 PC7420/PC7421組合使用時(shí)的酶作用示意圖

2.3 采用PC7420/PC7421組合處理技術(shù)對(duì)膠粘物黏性的作用

試驗(yàn)方法：將標(biāo)簽粘紙（其中的粘接劑為丙烯酸異辛酯和丁基丙烯酸酯共聚物）離解混合，做成紙漿（攪拌紙漿，處理時(shí)間為1 h），在加熱到40℃的水中加入紙料和規(guī)定量的酶，將試驗(yàn)板（聚苯乙烯制）固定在攪拌翼上，使紙漿在攪拌下與試驗(yàn)板接觸10 min，將黏附的膠粘物染色，用目視和稱(chēng)重方法確定膠粘物的黏附量（當(dāng)原料中的膠粘物較少，無(wú)法進(jìn)行質(zhì)量比較時(shí)，用從染色后的膠粘物抽提染料的溶劑吸光度進(jìn)行比較）；另外，以未用酶處理的紙漿膠粘物黏附量為空白，與酶處理紙漿的膠粘物黏附量進(jìn)行比較。表2為不同酶處理方案的酶用量，圖3為酶對(duì)廢紙漿膠粘物黏附量的影響。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：用PC7420單獨(dú)處理時(shí)膠粘物的黏附量與未處理紙漿相比，基本沒(méi)有變化；用PC7421單獨(dú)處理時(shí)，黏附量有所減少；PC7421和PC7420組合處理時(shí)，黏附量大幅度減少。

表2 試驗(yàn)中酶的用量

圖3 酶對(duì)廢紙漿膠粘物黏附量的影響

接著，進(jìn)行含夾雜物的廢紙漿的試驗(yàn)，用PC7420/PC7421組合處理板紙廠的紙漿，用與上述測(cè)試廢紙漿的膠粘物黏附量的同樣方法，測(cè)試含夾雜物廢紙漿的膠粘物黏附量。對(duì)黏附在測(cè)試板上的膠粘物進(jìn)行染色后，用顯微鏡觀察，情況如圖4所示，抽提染料的溶劑的吸光度測(cè)定結(jié)果如圖5所示。

從上述2種試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，用PC7420/PC7421組合處理，黏附在測(cè)試板上的膠粘物量均減少，還有望降低含夾雜物較多的紙漿膠粘物的黏性。

圖4 試驗(yàn)板上附著的膠粘物顯微鏡照片

圖5 酶組合處理對(duì)含夾雜物廢紙漿膠粘物黏附量的影響

2.4 采用PC7420/PC7421組合處理技術(shù)的膠粘物在熱壓時(shí)的性質(zhì)變化

在降低紙張水分的烘干工序中，軟化或溶解的膠粘物在濕紙中產(chǎn)生凝聚和移動(dòng)，黏性增大的膠粘物在造紙器材上變得容易露出，引發(fā)各種障礙。針對(duì)酶處理后的膠粘物加熱時(shí)的性質(zhì)變化，用板紙廠的漿料，采用《紙漿中黏性膠粘物定量法（JIS P 8231 2006）》進(jìn)行確認(rèn)。在紙漿中添加規(guī)定濃度的酶，在溫度40℃條件下處理1 h后，過(guò)濾、回收含膠粘物的篩選殘?jiān)?duì)殘?jiān)M(jìn)行熱壓處理，測(cè)定熱壓處理后轉(zhuǎn)移到濾紙背面的膠粘物面積（表3）。

由表3可見(jiàn)，采用PC7420/PC7421組合處理方案的向?yàn)V紙轉(zhuǎn)移的膠粘物量在加熱時(shí)呈下降趨勢(shì)，可以期待在烘干工序能抑制膠粘物成分轉(zhuǎn)移并暴露在紙面上。

表3 采用PC7420/PC7421組合處理技術(shù)的膠粘物熱壓試驗(yàn)結(jié)果

2.5 采用PC7420/PC7421組合處理技術(shù)脫墨

為達(dá)到用氣浮法高效脫墨的目的，增加油墨疏水性，提高在氣泡上的附著效率非常重要。與膠粘物一樣，油墨上也附著了微細(xì)纖維和淀粉，降低了油墨的疏水性，成為氣浮效率降低的重要原因之一。PC7420/PC7421組合處理技術(shù)在脫墨過(guò)程中能除去油墨上的附著物，具有分解油墨的作用，有望提高油墨的疏水性。

依據(jù)日本TAPPI《紙和漿測(cè)試方法No 39（廢紙脫墨試驗(yàn)方法）》，開(kāi)展了PC7420/PC7421組合處理技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。脫墨試驗(yàn)條件如表4所示，有效殘余油墨濃度（ERIC）等試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

由表5可見(jiàn)：即使PC7420單獨(dú)使用，也可以看到白度、塵埃數(shù)的改善；采用PC7420/PC7421組合處理時(shí)，白度進(jìn)一步提高，塵埃數(shù)進(jìn)一步減少。通過(guò)脫墨過(guò)程中酶的利用，可以期待在提高脫墨性的同時(shí)，還能降低膠粘物黏性，通過(guò)PC7420/PC7421組合處理，可以解決上述2方面的問(wèn)題。

表4 脫墨試驗(yàn)條件

表5 脫墨試驗(yàn)結(jié)果

2.6 PC7420/PC7421組合處理技術(shù)在膠粘物控制和脫墨應(yīng)用中的總結(jié)

采用PC7420/PC7421組合處理技術(shù)的條件推薦如表6所示。

PC7420/PC7421組合處理技術(shù)降低了膠粘物的黏性，提高了廢紙的脫墨性（白度上升，塵埃數(shù)減少）。在組合處理技術(shù)中，具有剝離廢紙夾雜物作用的PC7420和具有分解廢紙漿中膠粘物和油墨作用的PC7421協(xié)同作用更容易提升處理效果。廢紙中的膠粘物和油墨的附著狀態(tài)因廢紙的不同而不同，根據(jù)需要通過(guò)控制2種酶的使用比例，以有效發(fā)揮酶的作用。另外，因由酶產(chǎn)生的作用與在膠粘物上吸附并通過(guò)離子性起分散效果為主要功能的凝聚劑的作用不同，與凝聚劑并用還能有望改善酶的作用，下一步將通過(guò)上機(jī)收集驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

表6 采用PC7420/PC7421組合處理技術(shù)的條件

3 酶在改善紙張質(zhì)量和提高紙機(jī)運(yùn)行效率中的應(yīng)用

3.1 兼顧提高脫水性和勻度

為了提高生產(chǎn)效率，使用了以聚丙烯酰胺為代表的聚合物類(lèi)助濾助留劑，這些助濾助留劑通過(guò)產(chǎn)生適度的絮團(tuán)提高了濾水性、脫水性、干燥性和留著率，但因過(guò)度添加等情況，有時(shí)會(huì)發(fā)生纖維過(guò)度絮聚，脫水性變差，勻度惡化，甚至紙張強(qiáng)度降低，對(duì)紙機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和紙張質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

而采用酶處理劑EN8251處理紙漿，可分解對(duì)濾水性產(chǎn)生不利影響的膠體狀纖維素，而對(duì)勻度和紙的強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。但是需要注意，如果酶添加量太多的話將會(huì)降低纖維強(qiáng)度。

圖6顯示了用EN8251處理紙漿的效果。試驗(yàn)條件如下：紙漿為瓦楞廢紙漿，紙漿稀釋至質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%，制成手抄片，抄紙pH＞7.0；酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.4%（以紙漿的質(zhì)量為基數(shù)計(jì)），溫度為40℃，作用時(shí)間為1 h。

由于EN8251沒(méi)有提高留著率的作用，使用后不會(huì)發(fā)生使用傳統(tǒng)聚合物類(lèi)助留助濾劑的勻度下降等質(zhì)量和紙機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)惡化問(wèn)題，甚至組合使用還具有提高濾水性的實(shí)用性，即利用聚合物和酶2種不同作用機(jī)理的濾水劑組合，能進(jìn)一步改善濾水性、留著率、勻度和紙張強(qiáng)度，今后將在紙機(jī)上收集驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

圖6 酶處理劑EN8251對(duì)濾水和勻度的影響

3.2 促進(jìn)打漿時(shí)的纖維帚化

眾所周知，通過(guò)事先用纖維素酶處理紙漿再進(jìn)行打漿，用同樣的打漿能耗能提高紙的強(qiáng)度。這是因?yàn)槔w維素酶使纖維表面部分地分解，促進(jìn)了打漿時(shí)的帚化。通過(guò)酶處理促進(jìn)打漿，可以降低打漿用電量，提高紙張強(qiáng)度。

此外，因增加了纖維帚化，抑制了對(duì)纖維的切斷損傷，在獲得同樣強(qiáng)度的情況下，可以使用相對(duì)較長(zhǎng)的纖維，增加紙張的柔軟性。

用添加酶處理劑，改變打漿時(shí)間調(diào)制成紙漿，制成手抄片，作為柔軟性指標(biāo)，將測(cè)得的楊氏模量與內(nèi)部強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比。

圖7為添加酶處理劑EN8250打漿的紙張質(zhì)量。試驗(yàn)條件如下：紙漿為漂白硫酸闊葉木漿（LBKP），用納式打漿機(jī)（Niagara Beater）打漿并將紙漿稀釋至質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%，制成手抄片，抄紙pH＞7.0；酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為300×10-6（以紙漿的質(zhì)量為基數(shù)計(jì)），溫度為40℃，作用時(shí)間為1 h；以使用的未經(jīng)酶處理的紙漿的紙張楊氏模量為100的相對(duì)值。

用酶處理并降低打漿能耗調(diào)制的紙漿與未經(jīng)酶處理的紙漿相比，在相同強(qiáng)度時(shí)紙的楊氏模量較小，柔軟性更佳。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖7 添加酶處理劑EN8250打漿的紙張質(zhì)量

本文介紹的酶及其特點(diǎn)見(jiàn)表7。

酶在制漿造紙中作用的發(fā)揮受到作用時(shí)間、溫度和pH等條件的限制，往往制約了酶的使用效果。今后在摸索酶系列作用的同時(shí)，將研發(fā)與聚合物的組合處理技術(shù)，進(jìn)一步提高酶的使用效果，以改善紙張質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高紙機(jī)運(yùn)行效率。

表7 酶及其特點(diǎn)