酶在制漿造紙工業(yè)中應(yīng)用及其進(jìn)展

隨著酶技術(shù)的發(fā)展，酶在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。該文介紹了酶在日本制漿造紙工業(yè)中控制膠粘物、脫墨、改善紙張質(zhì)量和提高紙機(jī)運(yùn)行效率等方面的應(yīng)用及其進(jìn)展，其中包括應(yīng)用于以廢紙為原料的紙張生產(chǎn)中降低黏性、改善白度和塵埃度并已獲得良好效果的酶組合處理技術(shù)。

1 前言

很早以前人們就已開始研究酶在造紙領(lǐng)域的應(yīng)用。酶的應(yīng)用技術(shù)涉及到造紙的各方面，主要以機(jī)械漿和化學(xué)漿中的硫酸鹽紙漿為對象進(jìn)行了酶應(yīng)用的研究，同時(shí)研究了酶在廢紙為原料的紙種生產(chǎn)中清洗劑配方、脫墨劑以及膠粘物控制劑方面的應(yīng)用。因?yàn)槊妇哂谢|(zhì)特異性，只要很少的量就能專門作用于作為目標(biāo)的成分，因此如果酶能有效作用于纖維和夾雜物，就可以期待取得較好的效果。表1列出了酶在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用。

表1 酶在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用

2 酶在膠粘物控制及脫墨中的應(yīng)用

2.1 酶在膠粘物控制及脫墨中應(yīng)用的問題點(diǎn)

為了減少環(huán)境污染和節(jié)約資源，造紙行業(yè)最近幾年一直在推進(jìn)提高廢紙利用率，增加脫墨漿和損紙漿的配比以及提高造紙用水封閉循環(huán)的程度。此外，受信息數(shù)字化進(jìn)步等影響，越來越難獲得質(zhì)量好的廢紙，使用好含夾雜物較多廢紙的必要性正在提高。在此背景下，由于來自廢紙?jiān)系膴A雜物的增加，造紙生產(chǎn)中的微細(xì)纖維的量正日益增加。

如果要將廢紙中的膠粘物和油墨作為酶的處理目標(biāo)，由于處理目標(biāo)與纖維、微細(xì)纖維、灰分和淀粉黏附混合在一起，酶的作用效果將變差，在改質(zhì)方面很難顯示出充分的活性（圖1）。

圖1 廢紙中的膠粘物和油墨示意圖

2.2 酶在膠粘物控制、脫墨中應(yīng)用的概念

為了提高作用于膠粘物與油墨的酶的接觸效果，必須先同時(shí)使用多種作用不同的酶除去附著在膠粘物、油墨上的物質(zhì)。根據(jù)這一概念，進(jìn)行了PC7420和PC7421這2種酶制品的組合處理技術(shù)的研究。其中：PC7420由多種酶配制而成，具有剝離附著在膠粘物、油墨上的各種物質(zhì)的作用；PC7421是能很好地分解聚丙烯酸酯類和乙烯醋酸乙烯基類膠粘物、油墨酯鍵的酶。

通過使具有剝離作用的PC7420作用于附著在漿料中膠粘物上的微細(xì)纖維等物質(zhì)，將其除去，用具有分解酯作用的PC7421有效地與膠粘物、油墨作用（圖2）。同時(shí)，為了充分發(fā)揮PC7420的剝離作用，并使酶均勻地定著于膠粘物上，還需要剪切應(yīng)力。

圖2 PC7420/PC7421組合使用時(shí)的酶作用示意圖

2.3 采用PC7420/PC7421組合處理技術(shù)對膠粘物黏性的作用

試驗(yàn)方法：將標(biāo)簽粘紙（其中的粘接劑為丙烯酸異辛酯和丁基丙烯酸酯共聚物）離解混合，做成紙漿（攪拌紙漿，處理時(shí)間為1 h），在加熱到40℃的水中加入紙料和規(guī)定量的酶，將試驗(yàn)板（聚苯乙烯制）固定在攪拌翼上，使紙漿在攪拌下與試驗(yàn)板接觸10 min，將黏附的膠粘物染色，用目視和稱重方法確定膠粘物的黏附量（當(dāng)原料中的膠粘物較少，無法進(jìn)行質(zhì)量比較時(shí)，用從染色后的膠粘物抽提染料的溶劑吸光度進(jìn)行比較）；另外，以未用酶處理的紙漿膠粘物黏附量為空白，與酶處理紙漿的膠粘物黏附量進(jìn)行比較。表2為不同酶處理方案的酶用量，圖3為酶對廢紙漿膠粘物黏附量的影響。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：用PC7420單獨(dú)處理時(shí)膠粘物的黏附量與未處理紙漿相比，基本沒有變化；用PC7421單獨(dú)處理時(shí)，黏附量有所減少；PC7421和PC7420組合處理時(shí)，黏附量大幅度減少。

表2 試驗(yàn)中酶的用量

圖3 酶對廢紙漿膠粘物黏附量的影響

接著，進(jìn)行含夾雜物的廢紙漿的試驗(yàn)，用PC7420/PC7421組合處理板紙廠的紙漿，用與上述測試廢紙漿的膠粘物黏附量的同樣方法，測試含夾雜物廢紙漿的膠粘物黏附量。對黏附在測試板上的膠粘物進(jìn)行染色后，用顯微鏡觀察，情況如圖4所示，抽提染料的溶劑的吸光度測定結(jié)果如圖5所示。

從上述2種試驗(yàn)的結(jié)果來看，用PC7420/PC7421組合處理，黏附在測試板上的膠粘物量均減少，還有望降低含夾雜物較多的紙漿膠粘物的黏性。

圖4 試驗(yàn)板上附著的膠粘物顯微鏡照片

圖5 酶組合處理對含夾雜物廢紙漿膠粘物黏附量的影響

2.4 采用PC7420/PC7421組合處理技術(shù)的膠粘物在熱壓時(shí)的性質(zhì)變化

在降低紙張水分的烘干工序中，軟化或溶解的膠粘物在濕紙中產(chǎn)生凝聚和移動(dòng)，黏性增大的膠粘物在造紙器材上變得容易露出，引發(fā)各種障礙。針對酶處理后的膠粘物加熱時(shí)的性質(zhì)變化，用板紙廠的漿料，采用《紙漿中黏性膠粘物定量法（JIS P 8231 2006）》進(jìn)行確認(rèn)。在紙漿中添加規(guī)定濃度的酶，在溫度40℃條件下處理1 h后，過濾、回收含膠粘物的篩選殘?jiān)堅(jiān)M(jìn)行熱壓處理，測定熱壓處理后轉(zhuǎn)移到濾紙背面的膠粘物面積（表3）。

由表3可見，采用PC7420/PC7421組合處理方案的向?yàn)V紙轉(zhuǎn)移的膠粘物量在加熱時(shí)呈下降趨勢，可以期待在烘干工序能抑制膠粘物成分轉(zhuǎn)移并暴露在紙面上。

表3 采用PC7420/PC7421組合處理技術(shù)的膠粘物熱壓試驗(yàn)結(jié)果

2.5 采用PC7420/PC7421組合處理技術(shù)脫墨

為達(dá)到用氣浮法高效脫墨的目的，增加油墨疏水性，提高在氣泡上的附著效率非常重要。與膠粘物一樣，油墨上也附著了微細(xì)纖維和淀粉，降低了油墨的疏水性，成為氣浮效率降低的重要原因之一。PC7420/PC7421組合處理技術(shù)在脫墨過程中能除去油墨上的附著物，具有分解油墨的作用，有望提高油墨的疏水性。

依據(jù)日本TAPPI《紙和漿測試方法No 39（廢紙脫墨試驗(yàn)方法）》，開展了PC7420/PC7421組合處理技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。脫墨試驗(yàn)條件如表4所示，有效殘余油墨濃度（ERIC）等試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

由表5可見：即使PC7420單獨(dú)使用，也可以看到白度、塵埃數(shù)的改善；采用PC7420/PC7421組合處理時(shí)，白度進(jìn)一步提高，塵埃數(shù)進(jìn)一步減少。通過脫墨過程中酶的利用，可以期待在提高脫墨性的同時(shí)，還能降低膠粘物黏性，通過PC7420/PC7421組合處理，可以解決上述2方面的問題。

表4 脫墨試驗(yàn)條件

表5 脫墨試驗(yàn)結(jié)果

2.6 PC7420/PC7421組合處理技術(shù)在膠粘物控制和脫墨應(yīng)用中的總結(jié)

采用PC7420/PC7421組合處理技術(shù)的條件推薦如表6所示。

PC7420/PC7421組合處理技術(shù)降低了膠粘物的黏性，提高了廢紙的脫墨性（白度上升，塵埃數(shù)減少）。在組合處理技術(shù)中，具有剝離廢紙夾雜物作用的PC7420和具有分解廢紙漿中膠粘物和油墨作用的PC7421協(xié)同作用更容易提升處理效果。廢紙中的膠粘物和油墨的附著狀態(tài)因廢紙的不同而不同，根據(jù)需要通過控制2種酶的使用比例，以有效發(fā)揮酶的作用。另外，因由酶產(chǎn)生的作用與在膠粘物上吸附并通過離子性起分散效果為主要功能的凝聚劑的作用不同，與凝聚劑并用還能有望改善酶的作用，下一步將通過上機(jī)收集驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

表6 采用PC7420/PC7421組合處理技術(shù)的條件

3 酶在改善紙張質(zhì)量和提高紙機(jī)運(yùn)行效率中的應(yīng)用

3.1 兼顧提高脫水性和勻度

為了提高生產(chǎn)效率，使用了以聚丙烯酰胺為代表的聚合物類助濾助留劑，這些助濾助留劑通過產(chǎn)生適度的絮團(tuán)提高了濾水性、脫水性、干燥性和留著率，但因過度添加等情況，有時(shí)會(huì)發(fā)生纖維過度絮聚，脫水性變差，勻度惡化，甚至紙張強(qiáng)度降低，對紙機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和紙張質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

而采用酶處理劑EN8251處理紙漿，可分解對濾水性產(chǎn)生不利影響的膠體狀纖維素，而對勻度和紙的強(qiáng)度幾乎沒有影響。但是需要注意，如果酶添加量太多的話將會(huì)降低纖維強(qiáng)度。

圖6顯示了用EN8251處理紙漿的效果。試驗(yàn)條件如下：紙漿為瓦楞廢紙漿，紙漿稀釋至質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%，制成手抄片，抄紙pH＞7.0；酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.4%（以紙漿的質(zhì)量為基數(shù)計(jì)），溫度為40℃，作用時(shí)間為1 h。

由于EN8251沒有提高留著率的作用，使用后不會(huì)發(fā)生使用傳統(tǒng)聚合物類助留助濾劑的勻度下降等質(zhì)量和紙機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)惡化問題，甚至組合使用還具有提高濾水性的實(shí)用性，即利用聚合物和酶2種不同作用機(jī)理的濾水劑組合，能進(jìn)一步改善濾水性、留著率、勻度和紙張強(qiáng)度，今后將在紙機(jī)上收集驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

圖6 酶處理劑EN8251對濾水和勻度的影響

3.2 促進(jìn)打漿時(shí)的纖維帚化

眾所周知，通過事先用纖維素酶處理紙漿再進(jìn)行打漿，用同樣的打漿能耗能提高紙的強(qiáng)度。這是因?yàn)槔w維素酶使纖維表面部分地分解，促進(jìn)了打漿時(shí)的帚化。通過酶處理促進(jìn)打漿，可以降低打漿用電量，提高紙張強(qiáng)度。

此外，因增加了纖維帚化，抑制了對纖維的切斷損傷，在獲得同樣強(qiáng)度的情況下，可以使用相對較長的纖維，增加紙張的柔軟性。

用添加酶處理劑，改變打漿時(shí)間調(diào)制成紙漿，制成手抄片，作為柔軟性指標(biāo)，將測得的楊氏模量與內(nèi)部強(qiáng)度進(jìn)行對比。

圖7為添加酶處理劑EN8250打漿的紙張質(zhì)量。試驗(yàn)條件如下：紙漿為漂白硫酸闊葉木漿（LBKP），用納式打漿機(jī)（Niagara Beater）打漿并將紙漿稀釋至質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%，制成手抄片，抄紙pH＞7.0；酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為300×10-6（以紙漿的質(zhì)量為基數(shù)計(jì)），溫度為40℃，作用時(shí)間為1 h；以使用的未經(jīng)酶處理的紙漿的紙張楊氏模量為100的相對值。

用酶處理并降低打漿能耗調(diào)制的紙漿與未經(jīng)酶處理的紙漿相比，在相同強(qiáng)度時(shí)紙的楊氏模量較小，柔軟性更佳。

4 結(jié)束語

圖7 添加酶處理劑EN8250打漿的紙張質(zhì)量

本文介紹的酶及其特點(diǎn)見表7。

酶在制漿造紙中作用的發(fā)揮受到作用時(shí)間、溫度和pH等條件的限制，往往制約了酶的使用效果。今后在摸索酶系列作用的同時(shí)，將研發(fā)與聚合物的組合處理技術(shù)，進(jìn)一步提高酶的使用效果，以改善紙張質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高紙機(jī)運(yùn)行效率。

表7 酶及其特點(diǎn)