打漿酶在漂白針葉木漿中節能、增強的應用研究

楊 露，於旺盛，蘆 海

（金東紙業（江蘇）股份有限公司，江蘇 鎮江 212132）

造紙工業是一個能源消耗型行業，對能源的需求十分巨大，造紙工業必須走綠色可持續道路，才能夠獲得長遠發展與進步。在造紙過程中，打漿能耗約占造紙廠總電耗的15%～18%[1]，降低打漿能耗不僅節降成本，也能節能減排，打漿酶的應用可滿足節能減排的要求[2-7]。早在1996年，Bhardwaj等人提出，利用生物酶處理漿料，可節降約15%的打漿能耗[8]。

本文主要研究打漿酶在漂白針葉木漿中的磨漿能耗節降情況、漿料纖維形態變化以及對成紙強度的影響。

1 實驗

1.1 原料

針葉木漿及纖維素酶，金東紙業（江蘇）股份有限公司提供。

1.2 儀器

PFI磨漿機，纖維質量分析儀（FQA），光學顯微鏡，恒溫水浴槽，漿料疏解機，半自動手抄片機。

1.3 實驗方法

將漿板置于自來水中浸泡4 h，用漿料疏解機進行標準疏解，再向漿料懸浮液中加入纖維素酶，添加量為絕干漿料的0.03%，然后在溫度為50℃的恒溫振蕩水浴中處理120 min，酶處理后漿料置于100℃沸水中10 min，用以生物酶滅活，再濃縮至10%質量分數，收集漿料纖維用于PFI磨漿，將酶處理的漿料與未經酶處理的漿料用PFI磨至相同的游離度，在相同的游離度條件下，進行漿料磨漿及漿料物性分析。

1.4 分析方法

游離度、抗張強度、撕裂強度、耐破度和內聚力等指標，按照相關國家標準測試。

纖維長度、寬度等纖維形態參數采用纖維質量分析儀測定。

2 結果與討論

2.1 磨漿游離度選擇

漿料的品質對于造紙有著重要的意義，通過磨漿可以獲得更好的漿料物性，有利于紙張品質的提升以及紙機的運轉。在漿料磨至不同游離度的情況下，由于漿料的分絲帚化程度增加，以及漿料纖維長度的減短，漿料物性會出現不同的變化趨勢，所以在造紙的過程中，漿料需要磨漿至適當的游離度，以獲得所需要的指標。圖1是在實驗室模擬現場磨漿，將針葉木漿磨至不同游離度，測試其各項強度指標后繪制的磨漿曲線。

圖1 針葉木漿磨漿曲線

從針葉木漿的磨漿曲線可以看出：隨著磨漿游離度逐漸下降，也即磨漿程度加深，撕裂指數呈下降趨勢，從646 mL游離度時的18.2 mN·m2/g降至最低10.0 mN·m2/g，在401 mL游離度到301 mL的游離度區間，撕裂指數基本維持在10 mN·m2/g附近，漿料的撕裂指數主要是由漿料的纖維長度決定，在磨漿程度加深的情況下，纖維長度會逐漸變短，所以漿料的撕裂強度會呈下降趨勢；耐破指數呈上升趨勢，從最低 1.12 kPa·m2/g逐步升至最高 6.74 kPa·m2/g，在 449 mL至301 mL游離度區間，提升幅度緩慢；內聚力呈上升趨勢，在401 mL至301 mL的游離度區間，增加較緩，在2.09 kg·cm左右；抗張指數呈先快速上升再緩慢下降趨勢，在352 mL游離度時達到最大值97.3 N·m/g，401 mL至301 mL游離度區間，抗張指數均在93 N·m/g以上；耐折度趨勢與抗張指數一致，其最大值在401 mL游離度，耐折度達1 042次，在449 mL至352 mL游離度區間，耐折度均在1 000次以上。

綜合實驗評估的各強度指標來看，在401 mL至352 mL區間的游離度，漿料能夠達到最佳的強度指標，因此，在實驗評估酶處理針葉木漿控制磨漿游離度在350～400 mL之間，實際操作過程中的游離度控制為370 mL和400 mL，并在 370 mL和 400 mL 2種游離度的條件下，對比酶處理與未經酶處理的針葉木漿的物性差異。

2.2 打漿酶對磨漿轉數的影響

打漿酶能夠促進漿料的P層和S1脫落，有利于細胞壁的分層、壓潰和細纖維化[9]，從而在打漿的過程中能夠節降磨漿的能耗。打漿酶預處理針葉木漿后利用PFI磨漿機打漿，控制與未經酶處理的針葉木漿打漿游離度相同，其磨漿轉數的結果如圖2所示。

由圖2可以看出，針葉木漿經過酶處理后，磨漿轉數較未處理的下降，400 mL游離度時的磨漿轉數從4 900 r降至4 800 r，370 mL游離度時的磨漿轉數從5 300 r降至5 200 r，表明針葉木漿經過酶預處理后，能夠節降磨漿的能耗。同時，從圖2也可以看出，相同游離度的情況下，酶預處理較未預處理磨漿轉數節降較少，可能是該酶對漿料的作用程度較輕，所以磨漿轉數下降并不明顯，酶對纖維的作用受酶的組成、類型以及處理條件的影響[10]。

圖2 打漿酶輔助處理對磨漿轉數的影響

2.3 打漿酶處理對纖維質量的影響

酶處理與未經酶處理針葉木漿，在磨漿至相同游離度后，利用FQA檢測其纖維形態，結果如表1所示。

表1 打漿酶輔助處理磨漿后對纖維形態的影響

整體來看：針葉木漿在相同的游離度的條件下，采用酶處理后，纖維長度略有下降，400 mL游離度時的纖維長度從2.166 mm略降低至2.145 mm，370 mL游離度時的纖維長度從2.147 mm降至2.088 mm；纖維寬度基本相當，在25.6 μm左右；細小纖維的質量分數在高游離度時，酶處理的略高，從33.64%升至33.80%，在低游離度時，酶處理的略低，從34.30%降至32.76%，可能是由于纖維素酶優先作用于細小纖維，隨著游離度下降，細小纖維含量降低，而未處理漿料，隨著游離度下降，纖維分絲帚化增加，纖維的切斷作用也增加而導致細小纖維含量上升；未處理的漿料扭結指數在游離度低時也就越小，酶處理的2種游離度條件下基本相當，表明酶可以促進纖維的舒展，減少扭結；從纖維長度的數據來看，雖相同游離度的條件下對比，酶處理后的漿料纖維長度較未處理的要略低，但相差不大，表明該打漿酶處理后能對漿料的作用程度較輕，也驗證了在相同游離度的情況下，磨漿轉數下降并未產生明顯的變化。

針葉木漿經過酶處理后與未經酶處理的纖維顯微照片如圖3所示。

圖3 纖維顯微照片

由圖3可見：400 mL游離度與370 mL的游離度相比，370 mL游離度時纖維的帚化程度略高于400 mL的游離度；同時經過酶處理后纖維的分絲帚化要略好于未經酶處理的纖維；表明加重打漿有利于纖維帚化，而且酶處理對纖維產生一定作用，更有利于磨漿。

2.4 打漿酶處理對漿料脫水性能的影響

酶處理與未經酶處理的針葉木漿在磨漿至相同游離度后，分別檢測其在400 mL及370 mL游離度下的快速脫水的能力，其結果如圖4所示。

圖4 打漿酶處理對漿料脫水的影響

由圖4可見：400 mL游離度時，快速脫水量分別為226 mL/10 s和225 mL/10 s；370 mL游離度時，快速脫水量分別為212 mL/10 s和214 mL/10 s，未經酶處理與酶處理的脫水能力相當。該脫水數據與纖維質量分析數據具有對應性，在相同游離度的情況下，未經酶處理與酶處理的纖維長度、細小纖維含量及纖維寬度基本相當。

2.5 打漿酶處理對漿料物理物性的影響

打漿酶預處理漿料后，抄造手抄片，評估強度變化情況，其結果如圖5所示。

圖5 打漿酶輔助處理對纖維強度的影響

從圖5可以看出：針葉木漿在相同的游離度的情況下，采用酶處理后，內聚力和抗張指數均上升，400 mL和370 mL的游離度下，內聚力分別從2.29 kg·cm升至 2.63 kg·cm，以及 2.18 kg·cm 升至 2.43 kg·cm；抗張指數分別從 85.2 N·m/g上升至 87.1 N·m/g，以及86.0 N·m/g上升至87.4 N·m/g；而耐破強度及撕裂強度在高游離度（400 mL）時采用酶處理后均上升，耐破指數從 6.3 kPa·m2/g 上升至 6.42 kPa·m2/g，撕裂指數從 10.25 mN·m2/g提高至 10.35 mN·m2/g；在低游離度（370 mL）時采用酶處理后均下降，耐破指數從 6.39 kPa·m2/g 降至 6.26 kPa·m2/g，撕裂指數從 10.25 mN·m2/g降至 9.77 mN·m2/g；耐折度在高游離度（400 mL）時采用酶處理后下降，從1 270次降至1 218次，在耐折度在低游離度（370 mL）時采用酶處理后上升，從1 295次上升1 428次。對比圖5的強度數據發現，除了耐折度在低游離度（370 mL）的條件下采用酶處理后達到最佳外，在高游離度（400 mL）的條件下采用酶處理后的纖維強度是最優的，優于高游離度（400 mL）及低游離度（370 mL）條件下未采用酶處理后的的纖維強度，這表明在適當提升酶處理的漿料磨漿游離度的情況下，對漿料的強度是有利的，可以避免酶處理對漿料造成的強度損失。

3 結論

（1）從針葉木漿的磨漿曲線來看，漿料在400 mL至350 mL的磨漿游離度時，能夠達到最佳性能。

（2）打漿酶處理針葉木漿對于造紙打漿過程是有幫助的，可以有效地節降磨漿能耗。

（3）對比400 mL和370 mL的磨漿游離度下的針葉木漿物性，除耐折度在低游離度（370 mL）的條件下采用酶處理后達到最佳外，其余強度性能均是在高游離度（400 mL）時采用酶處理后達到最佳，優于未經酶處理的漿料。