酶预处理马尾松TMP粗浆对磨浆性能影响的研究

摘要

用生物酶处理机械浆，目的是要选择性的使木素降解或者改性，而不会牺牲或者降解原料的碳水化合物，尤其是纤维素。自上世纪70年代以来，筛选和分离出适合于生物制浆的菌株的试验，在全球很多的实验室得到实现。用纯菌株预处理木片，可以在2～4周的培养期内，降解掉原料中的部分木素，从而使后续磨浆过程中的能耗显著降低(20～50％)，手抄纸的强度性能也得到较大的提高。
　　 机械作用以及生物酶反应对纤维细胞壁的改性机理还不是很清楚，目前也不确定细胞壁中化学组分的降解与能耗降低之间的确切关系。然而我们可以通过分析酶预处理后的处理液，磨浆能耗以及检测磨浆前后的纤维性能、纸浆强度等，来反映酶预处理对磨浆性能的影响。
　　 本论文通过对马尾松TMP粗浆进行生物酶预处理，然后进行机械磨浆，从而对酶预处理弓尾松TMP粗浆的效果进行表征，并分析酶预处理对磨浆性能的影响。试验中通过测定所用生物酶的酶活，以及对不同酶预处理前后纸浆的打浆度、预处理液中还原糖的成分与释放量、浆料的保水值、浆料的粘度、磨浆能耗和成纸的物理性能的研究，并利用纤维质量分析仪(FQA)、扫描电子显微镜(SEM)和高效液相色谱(HPLC)等分析技术对酶预处理前后的纸浆的纤维性能进行了分析，从而探讨生物酶预处理对磨浆能耗、成纸性能以及纸浆纤维性质的影响。
　　 在纤维素酶预处理马尾松TMP粗浆的试验中，单一的纤维素酶(CBHⅠ、CBHⅡ和EGⅠ)以及复合纤维素酶预处理对TMP粗浆水解效率的影响，显示了预处理较低的酶水解水平以及预处理时浆料溶解的差异。在酶用量为1mg/g绝干浆时，两种纤维二糖水解酶(CBHⅠ和CBHⅡ)对浆料的水解率只有0.3％，EG Ⅰ酶和复合纤维素酶对浆料的水解水平相对较高(1～2.5％)，尤其是复合纤维素酶，且随着酶用量的增加，其水解的效率得到较明显的提高。
　　 改变底物浆料的游离度(150～600mLCSF)以及浆料尺寸(+40、+100和+200)，再用CBHⅠ酶和EGⅠ酶分别预处理浆料。试验显示，浆料不同的游离度不能显著的影响CBHⅠ酶对浆料的水解效率；对于EGⅠ酶预处理，随着游离度从600mLCSF降到150mLCSF，其释放的还原糖量会增加20％。浆料的粗糙度也没有显著地影响CBHⅠ酶预处理时还原糖的释放量，而EGⅠ酶处理200目的浆料时，还原糖的释放量比处理40目和100目浆料时多80％，表现了这两种纤维素酶不同的反应模式，且EGⅠ酶处理纤维质底物相比于CBHⅠ酶有更佳的水解能力和更好的亲和力。
　　 TMP粗浆二次磨浆的能耗受到酶预处理的影响。当用CBHⅠ酶单独处理时，能耗可以降低22％，作用是较显著的；当单独用EGⅠ酶处理，以及CBHⅠ酶加木聚糖酶补充，其节能效果较低(5～10％)；用单一的木聚糖酶处理浆料，打浆度达到需要的50～60°SR，以及酶用量在12.5IU/g时，其能耗节约在20％以上；用混合酶(包括聚阿拉伯糖水解酶、纤维素酶、半纤维素酶和木聚糖酶)处理浆料，处理条件为50℃，pH=5及反应时间th，在1～4IU用量下，能耗节约35％以上。
　　 CBHI酶处理后的浆料，其纤维具有很好的结合力，其手抄纸也比EGⅠ酶、复合纤维素酶处理样以及控制样具有更高的抗张性能。EGⅠ酶和复合纤维素酶的处理效果没有反映在促进其强度指标上，然而其光散射系数和不透明度都有了改善，这也说明EGⅠ酶和复合纤维素酶产生了主要的细小纤维，这些细小纤维也起到了填料的作用，且增强了其光散射的趋势。
　　 然而，酶预处理后再经过二次磨浆的浆料，随着磨浆能耗的改变，手抄纸的性能也会发生变化。在能耗为5MJ/kg时，CBHⅠ酶预处理后纸张的抗张强度比复合纤维素酶预处理的要高20％；另一方面，对于光散射较理想的材料，EGⅠ酶和复合纤维素酶的处理效果要好于CBHⅠ酶。另外，木聚糖处理的浆料，其手抄纸的抗张强度可以提高10％，且纸张白度提高6.4％。混合酶预处理在用量2IU/g及磨浆1500r后，其纸张抗张强度比空白样提高了14％，当用β-葡聚糖酶预处理时，对纸张的强度性能的影响则相对较差。
　　 β-葡聚糖酶处理和混合酶处理一样，可以增加浆料的打浆度和纤维的润胀性能，但又不是那么显著，然而在磨浆之后这种影响会变得比较明显。β-葡聚糖酶处理的浆料在PFI磨浆1500r及酶用量为4IU/g时，其打浆度和保水值分别提高40％和16.4％。在相同的磨浆转数下，打浆度和保水值的变化趋势相似，且与打浆度的变化相比较，保水值的增加幅度较小，这很可能与纤维内部的细纤维化以及酶渗透到纤维细胞壁内部受到限制有关；另一方面，打浆度较大幅度的增加和纤维外部的细纤维化有关。