混合杨木APMP浆酶促磨浆工艺及其过程机制的研究

摘要

碱性过氧化氢机械浆(APMP)工艺是随着木材节约和高效利用、清洁生产工艺的持续推进而出现的一种高得率制浆技术,具有简单方便、药品消耗少、环保污染负荷低等诸多优点。但是也存在明显不足:一是磨浆能耗高;二是成纸强度低;三是白度稳定性差。特别是在磨浆能耗方面,由于化学预处理阶段的条件比较温和,纤维细胞壁的P层和S1层保留较好,因此在机械磨浆阶段将纤维搓开分离需要很高的能量,这在很大程度上阻碍了APMP制浆工艺的发展。
　　 本课题利用木聚糖酶、复合纤维素酶、纤维素酶对第一段磨后的杨木APMP浆进行处理,然后再进行第二段磨浆,目的是考察不同类型的酶在降低磨浆能耗方面的作用以及对纸浆物理性能指标的影响。通过响应面分析法,优化木聚糖酶/纤维素酶协同作用于杨木APMP浆降低磨浆能耗的最佳工艺。借助扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)等多种表面分析方法的综合利用,对酶处理前后纤维表面的物理形貌以及化学组成进行分析,对能够降低磨浆能耗的酶促磨浆机制做了初步研究。研究结果表明:
　　 木聚糖酶、复合纤维素酶、纤维素酶均能有效降低一段磨后杨木APMP浆在第二磨浆阶段的磨浆能耗,三种酶降低磨浆能耗的最佳工艺条件分别是:木聚糖酶用量20 IU·g-1,pH值6.8,温度55℃,时间1.5 h;复合纤维素酶用量2.0 IU·g-1,pH值6.0,温度50℃,时间1 h;纤维素酶用量0.6 IU·g-1,pH值5.0,温度55℃,时间1 h。通过EXCEL软件对磨浆能耗曲线拟合相似线性方程并粗略估算,当磨浆至游离度为250 mL时,在各自的最佳反应工艺条件下,三种酶分别能够降低磨浆能耗17.86％、20.55％、18.82％。
　　 酶促磨浆处理能明显改善杨木APMP浆的保水值,有助于提高成纸的不透明度和光散射系数,对纸浆的物理强度则无明显降低。在酶处理之后加上一段H2O2(模拟工厂的过氧化氢漂白塔)漂白,结果发现木聚糖酶、复合纤维素酶、,纤维素酶都能使杨木APMP浆料的白度上升,并且对纸浆返黄有一定的抑制作用。
　　 采用响应面分析法中的Box-Behnken模式,对木聚糖酶/纤维素酶协同作用于一段磨后杨木APMP浆来降低第二段磨浆能耗的工艺条件进行优化。用Design-Expert软件分别建立游离度和保水值与木聚糖酶用量、纤维素酶用量、pH值及温度之间关系的回归模型,得出回归方程如下:游离度/mL=211+10×A-10×B-13.75×C-37.08×D+15×A×B-10×A×C+15×A×D-3.75×B×C+1.25×B×D+7.5×C×D+41.58×A2+41.58×B2+29.71×C2+40.96×D2;保水值/％=189.32-1.183×A+1.6×B+0.6×C+4.25×D+1.45×A×B-1.875×AxC-1.825×A×D=0.925×B×C-0.825×B×D+0.25×C×D-5.285×A2-3.735×B2-5.035×C2-5.035×D2,其中A为pH值,B为纤维素酶用量,C为温度,D为木聚糖酶用量。
　　 木聚糖酶/纤维素酶协同作用降低一段磨后杨木APMP浆在第二段磨浆能耗的最佳工艺条件为:pH值5.7,纤维素酶用量0.5IU·g-1,温度51℃,木聚糖酶用量15 IU·g-1。在上述条件下,游离度可达205 mL,保水值可达190.5％。
　　 根据一系列已知组成浓度的单糖脱水衍生物(糠醛和羟甲基糠醛)标准混合液的多波长紫外光谱和所对应的组成浓度之间的数学关系,利用化学计量学软件SIMCA-P,选择偏最小二乘法(PLS)进行多变量的回归,建立单糖含量测定模型。将酶处理后杨木APMP浆酶解液的紫外光谱信息输入校正模型,可以分别预测木聚糖酶解液和纤维素酶解液中的木糖含量和葡萄糖含量。实验结果发现,随着酶用量的增加,木糖溶出量和葡萄糖溶出量都呈现不断上升的趋势;当酶用量继续增加时,这两种单糖溶出量增加的趋势逐渐趋于缓和。
　　 分别采用木聚糖酶、复合纤维素酶、纤维素酶对一段磨后的杨木APMP浆进行处理,然后进行PFI磨浆4000转(模拟工厂第二段磨浆),采用扫描电子显微镜(SEM)观察纤维表面形态变化。研究结果发现,经过PFI磨浆之后,纤维表面均出现分丝帚化的现象,但是经过酶处理的杨木APMP浆的纤维分丝帚化现象更加明显。这说明酶处理使纤维达到某种程度的活化和松弛,结构变得疏松,有助于促进磨浆过程中纤维的吸水润胀和细纤维化程度。
　　 采用X射线光电子能谱(XPS)对酶处理前后浆料纤维表面主要化学元素组成进行测定,计算得出C/O值。计算结果表明,与未经过酶处理的浆样相比(O/C值0.451),经过木聚糖酶处理和纤维素酶处理的浆样表面的O/C值均有一定程度的增加,分别为0.476和0.466;C1峰面积均出现了不同程度的下降,分别由25.76％下降到3.52％和15.37％;C2的峰面积明显上升,分别由64.45％上升到86.14％和71.68％。以上数据表明,经过酶处理之后,纤维表面的木素含量减少,碳水化合物含量增加,这意味着纤维表面暴露出了更多的亲水性基团,从而使纤维更容易吸水润胀,结构变得疏松,有助于纤维之间的分离并使纤维细纤维化,最终获得较好的磨浆效果,减少磨浆能耗。
　　 利用纤维质量分析仪(FQA)对酶处理前后经过PFI磨浆3000转的杨木APMP浆纤维质量性能进行分析,结果表明:随着酶用量的增加,纤维的平均长度和平均扭结指数逐渐降低,平均宽度和细小纤维含量都逐渐增加。这表明在酶的作用下纤维被降解,使纤维在磨浆过程中易于断裂和细纤维化。