生物技术在制浆造纸工业的应用与研究进展

生物技术在制浆造纸工业的应用与研究进展

朱海芝

齐峰新材料股份有限公司山东淄博255000

摘要：近年来随着生物技术研究的进步，其在造纸工业中的应用变得越来越广泛，尤其是在原料日益短缺、能源供应紧张、环境污染严重的今天，生物技术逐渐显示出在制浆造纸方面应用的优越性，成为推动造纸工业实现可持续发展的动力之一。生物技术在制浆造纸工业中的应用涉及到制浆、造纸、漂白、脱墨、废水处理等很多方面，本文就生物技术在制浆造纸领域中的应用及研究进展做一综述。

关键词：生物技术；生物制聚；生物漂白

引言

随着工业生产的不断发展，不可再生资源逐渐面临枯竭，人类对大自然的无节制索取，导致生态环境遭到严重破坏，一系列环境问题由此产生。制浆造纸工业同样面临这些问题，阻碍了其可持续发展，所以必须对制浆造纸技术进行合理性改革。生物技术的使用，可以使传统的制浆造纸企业减少能源消耗、降低废水排放，主要应用方式有造纸原料生物处理、生物制浆、生物漂白、生物酶废纸脱墨、制浆造纸废水生物处理等。

1生物造纸原料

近年发现一些细菌能产生纤维素，为了把这种微生物来源的纤维素与植物纤维素区别，把这种纤维素称为“微生物纤维素”或“细菌纤维素”。与植物来源的纤维素相比，细菌纤维素最突出的优点：一是纤维素极纯而不含半纤维素、木素和其他细胞壁成分，提纯过程简单；二是具有优越的物理性能和机械性能；三是由于其内部有很多“孔道”，又有良好的透水、透气性能。具有很强的亲水性。四是细菌纤维素的弹性模数为一般纤维的数倍至10倍以上，抗拉强度高。用细菌纤维素作为造纸原料，因其极高的纤维素纯度，免去了一般植物纤维脱木素的制浆过程。细菌纤维素添加到纸浆中，可提高强度和耐用性，并解决了废纸回收再利用后纸纤维强度下降的问题。造纸原料问题是全世界造纸产业面临的共同难题，利用微生物开发造纸新材料在我国还是空白，将其广泛应用于造纸工业将会是非常有意义的工作。

2生物制浆

生物法制浆就是利用微生物及其产生的酶来降解木素，脱除制浆原料中的木素并对纸浆进行漂白，它包括生物化学制浆和生物机械制浆。近年来，生物法制浆的研究对象从木材扩展到麦草、芦苇、蔗渣、红麻等非木材原料，利用降解木素酶选择性的降解木素来生产纸浆可提高制浆得率，降低纤维原料用量，节约能耗，减轻污染负荷。能降解木素的微生物主要是白腐真菌（WhiteRotFungus），属于担子菌（Basidiom-ycetes），在自然界存在约2~3万种。根据真菌降解木素时木材的变化，将其分为白腐真菌、褐腐真菌和软腐真菌。白腐菌是研究木素降解的首选微生物。它们通过分泌漆酶、木素过氧化物酶、锰过氧化物酶、纤维素酶和半纤维素酶等降解植物的生物质。白腐真菌能在木素细胞腔内产生胞外酶，这种酶具有很强的酶促降解木素大分子的能力。

3生物漂白

生物漂白是指将微生物或其分泌的酶应用到漂白中，在不影响浆纸质量的情况下提高浆的白度并改善环境污染程度的一种方法。纸浆生物漂白用酶主要有两类：半纤维素酶和木素降解酶。半纤维素酶包括聚木糖酶和聚甘露糖酶。

半纤维素酶参与纸浆漂白，其基本原理是根据半纤维素酶（聚木糖酶和聚甘露糖酶）能引起纸浆中碳水化合物结构的改性，从而起到脱木素的作用。使纸浆中部分半纤维素解聚，促进漂白化学药品从纸浆中除去残余木素。近年来的应用研究表明，利用半纤维素酶预处理能够提高纸浆的可漂性，减少其他化学药品的用量，不仅可以较大程度减少漂白废水中COD、BOD负荷及AOX的含量，而且有助于实现全无氯漂白。木素降解酶漂白主要是应用锰过氧化物酶、木素过氧化物酶和漆酶处理纸浆后再用过氧化氢漂白，纸浆的白度在一定程度上得到提高。木素过氧化物酶处理纸浆，增强漂剂与木素酚型结构单元和紫丁香基结构单元的反应，使发色基团、助色基团减少，木素溶出量增加，纸浆白度增加。漆酶处理硫酸盐浆时，纸浆中木素酚羟基增加，纸浆可漂性增强。就纸浆的不同类型，锰过氧化物酶的不同来源以及漂白工艺条件等进行了大量的研究，纸浆白度得到了显著的提高。其中利用锰过氧化物酶PolyporusciliatusON094-1对桉木浆进行漂白，白度提高11.2％ISO，经14d后白度提高达21.1％ISO。

4生物脱墨

传统的脱墨方法是使用一些化学品，在一定的温度及适当的机械作用下，将油墨粒子从纤维上分离下来，然后采用浮选或洗涤或浮选与洗涤相结合的方法将剥离下来的油墨粒子从纸浆中除去。与常规脱墨方法相比，酶法脱墨具有游离度高、滤水性能好、物理性能优异、高白度以及低残余油墨量等优点，而且还可以通过改变酶的组成、用量、处理时间、pH值和添加一些助剂来控制油墨粒子的大小分布和形状，从而有效地除去大粒径的、扁平的和刚硬油墨。

目前，用于脱墨研究的酶有脂肪酶、脂酶、果胶酶、淀粉酶、半纤维素酶、纤维素酶和木素降解酶，其中大多数使用纤维素酶和半纤维素酶。由于废纸来源的广泛性和复杂性，单靠一种酶进行脱墨研究并不能取得很好的效果，如今较先进的方法是研究高效复合酶制剂，其效果要明显优于单一酶制剂。生物酶法脱墨是利用酶处理废纸，并辅助以浮选和/或洗涤工艺，从而除去油墨的技术。与传统的化学法脱墨相比，生物酶法脱墨能够更好地提高脱墨浆的质量，减小油墨粒子进入到纤维内部的现象，有利于纸浆白度的提高，同时降低废水的污染负荷。

5制浆造纸废水生物处理

废水的生物处理技术是利用微生物的新陈代谢功能，使废水中的有机污染物被降解并转化为无害稳定的物质。根据微生物的特性，废水生物处理技术可分为好氧生物处理、厌氧生物处理、生物酶法以及光合细菌法等。

好氧生物处理技术是利用好氧微生物在适宜的溶解氧浓度条件下降解废水中的有机物分子，降低废水污染负荷的方法，生物流化床、活性污泥处理法、生物膜层析等生物处理方法都可归人好氧生物处理技术的范畴。

厌氧处理技术是在无氧气参与的水环境中，通过厌氧微生物降解废水的有机物大分子，使之转变为有机物小分子，以利于好氧微生物进一步降解的废水处理方法；厌氧微生物对环境的适应性差，因此厌氧生物处理对操作环境要求高，但处理高浓度废水更具有优势。

生物酶法处理造纸废水的机理为，生物酶和废水中有机物反应生成自由基，自由基稳定性差，通过化学聚合反应生成高分子化合物沉淀，通过物理沉降的方式将其去除。由于生物酶具有专一性，应用于造纸废水处理具有有机物降解效率高、反应条件温和、抗冲击负荷能力强、废水处理设施简单以及对温度、浓度和有毒物质适应范围广，可以重复使用等优点。

光合细菌法处理造纸废水，对废水环境适应性好，不受水中溶解氧的影响，利用光能即可进行有效的生物降解反应。具有髙效去除废水中的有机污染物、对废水处理设施要求不高、操作运行简单、处理成本低等优点，而且光合细菌降解有机物的产物对人畜无毒性，是富含维生素的蛋白饲料。

结束语

生物技术已渗透于制浆造纸工业的全过程，是微生物学，生物化学，生态学等应用于制浆造纸工业的新型边缘学科。鉴于制浆造纸工业的特点，将生物技术应用于实际生产中，既节省能源又绿色环保，具有广阔的应用前景。在污染负荷较大的制浆造纸工业中应用生物技术，能够显著地提高行业的环境友好性，对行业可持续发展的意义重大。

参考文献

[1]秦全贵,杨征月.生物技术在制浆造纸工业中的应用前景[J].广西轻工业.2017(01).

[2]陆寿鹏.生物技术在制浆造纸工业中大有作为[J].纸和造纸.2014(02).