稻草酶預處理化機漿工藝條件研究

張志禮 呂文康 張福龍 龐志強 李鳳鳳

(齊魯工業大學制漿造紙科學與技術省部共建教育部重點實驗室，山東 濟南，250353)

酶預處理制備化機漿具有能耗低，環境壓力小，耗堿量低等優點。我國作為一個農業大國，稻草產量每年超過2億t，稻草產量高，生產周期短，發展稻草生物酶預處理化機漿對企業來說具有明顯的優勢[1-2］。因此，本實驗對稻草酶預處理化機漿工藝進行研究探討，為企業實際生產過程中提高紙漿質量，降低生產成本提供一定的理論依據。

1 實驗

1.1 原料

稻草:取自山東某造紙廠，經膨化處理，平衡水分備用。

生物酶:木聚糖酶、纖維素酶和果膠酶。

1.2 實驗

1.2.1 木聚糖酶預處理

溫度60℃，pH值9.0，時間120 min，漿濃10%。

1.2.2 化學處理

改變 NaOH、H2O2用量，EDTA用量 0.2%，Na2SiO3用量 2.0%，MgSO4用量 0.05%，漿濃10%，溫度70℃，時間90 min。

1.2.3 磨漿

采用日本KRK高濃磨漿機，濃度為20%～25%，主軸轉速3000 r/min。三段磨漿，磨漿間隙分別為0.50、0.30、0.15 mm。消潛:漿濃2.0%，溫度80℃，時間30 min。

1.2.4 打漿、抄片

采用日本PFI磨打漿處理，漿濃10%，打漿間隙0.18 mm，打漿壓力3.4 N/mm，打漿度 (34±3)OSR。采用凱塞快速抄片器抄造手抄片。

1.2.5 檢測

紙張物理強度等指標均參考相關國家標準進行檢測。

2 結果與討論

2.1 木聚糖酶預處理對稻草化機漿性能的影響

選取木聚糖酶對稻草進行預處理[3-5］，得出較佳的酶用量。實驗流程:酶預處理→洗滌→化學處理→三段磨漿→消潛→打漿→抄片→檢測。

酶用量對稻草化機漿性能的影響見表1。由表1可知，與未經酶預處理的漿相比，酶預處理后白度提高。當酶用量為30 IU/g時，白度提高1.2個百分點，但當酶用量為40 IU/g時白度有所降低，其原因可能是此時纖維表面產生更多的細小纖維，暴露出更多的發色基團。酶用量對不透明度影響不是很明顯，而對紙漿物理強度而言，當酶用量為30 IU/g時效果較佳，此時，裂斷長提高18.2%，撕裂指數提高19.1%。綜上，木聚糖酶的較佳用量為30 IU/g。

2.2 NaOH處理和低溫磺化處理對木聚糖酶預處理效果的影響

在酶預處理前進行化學預處理，促使稻草表面出現較多的微孔，利于酶液侵入到原料內部，提高酶的作用效率。常用的化學方法主要是NaOH處理及低溫磺化處理，其中低溫磺化主要考慮原料經膨化后部分半纖維素溶出，纖維結構柔軟，藥品易于滲透，且木素含有大量H型木素在堿的作用下能夠實現磺化改性。處理流程:膨化→NaOH處理 (或低溫磺化處理)→木聚糖酶預處理→磨漿→消潛→打漿→抄片→檢測。其中 NaOH用量分別為5.0%、6.0%、7.0%、8.0%;低溫磺化處理條件:①NaOH用量1.5%，Na2SO3用量3.5%;②NaOH用量 2.0%，Na2SO3用量5.0%;③NaOH用量2.5%，Na2SO3用量7.0%;④NaOH用量3.0%，Na2SO3用量9.0%。實驗結果見表2、表3和表4。

表1 酶用量對稻草化機漿性能影響

表2 NaOH處理對酶預處理效果的影響

表3 低溫磺化處理對酶預處理效果的影響

表4 NaOH處理和低溫磺化處理對纖維質量的影響

由表2可知，隨著NaOH用量的提高，紙漿的白度和不透明度逐漸降低，對光散射及光吸收系數影響不是很明顯，裂斷長隨NaOH用量的增加逐步提高，在NaOH用量為6%時，撕裂指數取得最大值。NaOH用量低時紙漿強度低，但當NaOH用量高時紙漿的白度降低，因此NaOH較佳的用量在6%左右。

由表3可知，隨著堿用量的增加，紙漿白度呈現下降趨勢，而裂斷長及撕裂指數呈增加趨勢。當NaOH用量為3.0%，Na2SO3為9.0%時，紙漿物理強度較好。由表3和表4可知，NaOH處理比低溫磺化處理利于提高紙漿的物理強度。因此，采用NaOH處理更利于提高木聚糖酶預處理的效果。

由表4可知，NaOH處理后細小纖維含量降低，纖維的彎曲指數和扭結指數略微提高，纖維的寬度有所降低。此外，NaOH處理后纖維平均長度增加，利于纖維間相互結合，提高紙漿強度。

2.3 木聚糖酶預處理位置的選取

在優化酶預處理和化學處理技術參數的基礎上，優化了酶預處理的位置。其中NaOH用量6.0%，酶用量30 IU/g漿。實驗流程和實驗結果見表5、表6和表7。

表5 木聚糖酶預處理位置的選取

酶預處理位置對紙漿的光學性能影響不是很大，比較1、2組實驗可知，在NaOH處理前應用木聚糖酶預處理效果較好，這是因為生物酶的分子質量較大，很難進入原料內部，化學預處理可以溶解部分低分子質量部分，提高酶的作用效率。分析3、4組實驗可以發現，在兩段磨漿后應用木聚糖酶預處理效果比一段前應用好，兩段磨漿后暴露出更多的細小纖維及微孔，利于酶液的浸入。但與1組實驗相比，4組實驗紙漿強度較低，因此酶預處理位于化學處理前對制漿意義較大。

表6 酶處理位置對預處理效果的影響

由表7可知，在化學處理前應用木聚糖酶預處理時纖維平均長度增加，這利于成紙時纖維交織點增多，提高紙漿強度。酶預處理后纖維柔軟，從而降低了磨漿過程中纖維的過度切斷，降低細小纖維含量。綜上，酶預處理位置位于NaOH處理前效果較好。

表7 酶處理位置對纖維質量的影響

2.4 與其他木質纖維素酶復配預處理對稻草化機漿性能的影響

多種木質纖維素酶的復配使用，有利于降低某種價格相對較高的酶的用量從而在取得相同效果的前提下降低生產成本。采用木聚糖酶、纖維素酶及果膠酶復配預處理，流程為:膨化→酶預處理→NaOH處理→磨漿→消潛→打漿→抄片→檢測。酶制劑組成和實驗結果見表8和表9。

表8 酶制劑組成

由表9可知，當控制木聚糖用量為20 IU/g漿時，白度、耐破指數、裂斷長隨纖維酶用量的增加先增加后減小，但對環壓指數來說呈現下降趨勢，當只有纖維素酶與木聚糖酶復配，纖維酶用量為10 IU/g時，撕裂指數取得最大值4.44 mN·m2/g，因此就木聚糖酶與纖維酶復配效果來說，較佳的比例為木聚糖∶纖維素酶=2∶1。果膠酶與木聚糖酶和纖維素酶復配使用利于提高紙漿白度，在果膠酶用量低于15 IU/g漿時，對耐破指數、裂斷長等有利;當果膠酶用量為20 IU/g漿時白度雖繼續提高，但紙漿強度呈現下降趨勢。因此木聚糖酶、纖維素酶和果膠酶復配使用較佳的用量分別是20 IU/g漿、10 IU/g漿、15 IU/g漿。

表9 其他木質纖維素酶復配對預處理效果的影響

3 結論

3.1 木聚糖酶較佳的用量為30 IU/g漿，此時相應紙漿的物理性能優良，紙漿抗張強度和撕裂強度較高。

3.2 與低溫磺化處理相比，NaOH處理更利于提高木聚糖酶的預處理效果。

3.3 化學處理前應用木聚糖酶預處理意義較大，此時經過木聚糖酶預處理后原料表面出現較多的微孔，便于藥液進入原料內部與木素等成分作用，提高藥品單位時間內的作用效率。

3.4 木聚糖酶、纖維素酶和果膠酶復配使用較佳的用量分別是20 IU/g漿、10 IU/g漿、15 IU/g漿。

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