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生物酶在制浆造纸过程中的应用及研究进展

发表时间：2021/9/6 来源：《中国科技信息》2021年9月下作者：陈波

[导读] 本文针对生物酶在制浆造纸过程中的应用及研究进展进行详细的探究，了解生物技术对于制浆造纸的重要性，进一步从生物制浆、生物漂白、酶促打浆、酶法脱墨以及废水处理等方面分析生物酶在制浆造纸中的具体应用，并对制浆造纸过程中生物酶的改性研究进展展开了分析，以此来推动制浆造纸业的有序发展。

广西广业贵糖糖业集团有限公司身份证号码：4525021973071****4 陈波

摘要：本文针对生物酶在制浆造纸过程中的应用及研究进展进行详细的探究，了解生物技术对于制浆造纸的重要性，进一步从生物制浆、生物漂白、酶促打浆、酶法脱墨以及废水处理等方面分析生物酶在制浆造纸中的具体应用，并对制浆造纸过程中生物酶的改性研究进展展开了分析，以此来推动制浆造纸业的有序发展。
关键词：生物酶；制浆造纸；应用；研究进展
        前言：制浆造纸行业可以说是我国国民经济发展中尤为重要的支柱性产业，但同时也是导致森林资源、能源以及化学品等资源消费及环境污染的关键性因素。但是近几年来，生物技术的逐渐创新与完善，其在制浆造纸行业中的应用已经取得了较为广泛的应用和快速的发展。一般在制浆造纸过程中所使用的生物酶包括：纤维素酶、木聚糖酶、脂肪酶以及淀粉酶等。这些酶无论是在制浆、漂白方面，还是在脱墨、数值控制以及改善纤维性方面都发挥着极为重要的作用。因此，对生物酶在制浆造纸过程中的应用及研究进展进行分析是非常必要的。
        1、生物技术对于制浆造纸的重要性
        制浆造纸工业在生产过程中是以植物纤维作为原料的，例如：木材与非木材。这些原料中含有丰富的纤维素、半纤维素、树脂以及果胶等有机、无机抽出物以及矿物质等等，所以在进行制浆造纸时往往需要利用物理或者化学手段来去除或者是保留木素等废纤维素，导致生物技术与制浆造纸工艺之间产生千丝万缕的联系。实际上生物技术在制浆造纸中的应用可以追溯到公元105年，但是直到20世纪60年代，制浆造纸才逐渐进入工业化时代，加上生物工程、基因工程以及酶工程技术的不断发展与完善，生物酶的工业化发展给制浆造纸行业的发展带来了巨大的机遇，并且逐渐渗透到制浆造纸的各个流程当中，在很大程度上促进了造纸工业的快速发展。
        2、生物酶在制浆造纸过程中的应用
        2.1生物制浆
        所谓生物制浆其实就是利用生物酶将原料进行降解，并进一步结合机械及化学手段进行制浆进一步将纤维原料分离出来，这一过程被称之为生物制浆。一般来说原料不同所使用的生物酶也不尽相同。例如：韧皮纤维中含有大量的果胶质，所以需要选择果胶酶来对果胶质进行分解，从而释放出纤维素；草浆与木浆中含有丰富了木素，因此需要选择木素降解与化学制浆、机械制浆相结合的手段来完成制浆工作[1]。由此可知，生物制浆的基本工艺流程为：木片——酶处理——化学或者机械制浆，一般化学制浆或者生物制浆的优势在于能耗较低、耗碱量小、环境压力轻以及轻度性能较好等。
        2.2生物漂白
        半纤维素酶与木素降解酶主要被应用于制浆漂白当中，其中半纤维素酶又包括木聚糖酶和聚露糖酶。生物漂白的目的就是尽可能少用化学漂白剂来改善制浆的性能，从而减少漂白剂带来的污染。通常来说，聚木糖酶在制浆漂白预处理当中能够有效地提升制浆的白度并降低漂白剂的用量与废水的污染，同时对于浆的黏度与纸张的强度也不会产生不利影响。与使用二氧化氢或者双氧水进行漂白的工艺来说，可以明显减少生产成本。但是就其机理层面而言，聚木糖酶在漂白工序中仅起到助漂的作用，并不能直接取代化学漂剂。聚木糖酶辅助漂白的发展实际上是培养耐高温和碱性环境下稳定并且能够显示生物活性的一种酶，主要原因是硫酸盐将在经过蒸煮后其温度能够达到95℃，其PH值达到甚至超过13，在这样的条件下，脱木素是基本不会发生任何变化的，所以为了能够促使酶在蒸煮或洗涤后能够直接将入到浆中且不需要降低浆的温度与PH值，就需要利用聚木糖酶的耐高温性与碱性能力，所以说聚木糖酶是一种前景广阔的生物制剂。
        2.3酶促打浆
        酶的作用就是借助纤维素改性方式来实现降低打浆能耗的目标。现阶段，在制浆造纸过程中所广泛使用的生物酶主要有：果胶酶、纤维素酶、聚木糖酶、甘露聚糖酶、漆酶以及阿拉伯糖水解酶等。

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以纤维素酶为例，其在制浆造纸中的应用往往是优先作用于纤维素无定形区的，反而结晶区对于纤维素酶并不是十分敏感。而选择使用纤维素酶、半纤维素酶以及聚木糖酶等展开打浆前的预处理工作，能够有效地降低能耗、减少蒸汽消耗，实现改善成纸性能的目标[2]。
        目前，纯酶的价格略微偏高，所以必须要寻找合适的辅助剂才能够很好的提高酶的使用效率，并实现降低能耗的目标。但是如果在制浆造纸过程中正确的使用酶处理，可以既不改变浆料的性能，还能够保证纸机的正常运行是目前的一大研究重点。
        2.4酶法脱墨
        传统的化学脱墨手法已经无法满足激光打印或者复印的办公废纸了，甚至极有可能会引起对环境的污染。而利用生物酶法进行脱墨技术逐渐成熟，并经过了实验室与工厂的试验，是一种使用有效且适用范围较广的脱墨方法。当前在废纸脱墨中经常使用的酶制剂主要包括：纤维素酶、半纤维素酶、酯酶、淀粉酶、果胶酶以及木素降解酶等。而其中使用最多的则是半纤维素酶和纤维素酶[3]。
酶法脱墨是以酶进攻油墨或者纤维表面的方式为主，脂肪酶与酯酶可以有效的降解植物油基油墨，而淀粉酶、木素降解酶、果胶酶、纤维素酶和半纤维素酶则能够直接改变纤维表面积油墨离子附件的链接键，促使油墨分离，通过洗涤脱除油墨。这样的脱墨方法与化学脱墨相比，制浆的物理性能、白度及自由度都非常高。
        3、生物酶在制浆造纸过程中的研究进展
        3.1纤维素酶改性作用
        在研究生物酶在制浆造纸中的应用时，发现，纤维素在降解的过程中既会受到纤维素本身结构带来的影响，同时也会因纤维素酶吸附以及产物抑制效应的影响。由此可知，纤维素降解过程是一个相对复杂的多相反应体系，例如：在低剂量下选择商品纤维素酶制剂L作用于废纸浆，会在一定程度上增加纸浆的游离度，并且不会造成机械性能损失。而纤维素酶改性不仅可以有效地改善纸浆的滤水性能，还可以提高纸浆的成纸性能。在利用纤维素酶进行纸浆处理时，纸浆的滤水性会得到显著的提升，原因是纸浆中的纤维间的连接变得更加紧密，以至于纤维素酶难以渗透其中将纤维素分子进行降解，在纸浆强度得以保持的前提下，纸浆的滤水性能可以得到明显的改善。此外，在酶的作用下，纤维的性能也会发生一定的改变，因为纤维素酶会对纤维表面造成一定的腐蚀、剥皮或者细纤维化等影响，导致纸张的性能发生变化。经过研究发现，复合纤维素酶可以有效地改善纸张的平滑度，并提高纸张的印刷性能。
        3.2木素降解酶改性应用
        漆酶可以说是制浆造纸工艺当中使用广泛的酶之一，所以漆酶的应用主要集中在高于木素含量的纸张改性方面。首先，漆酶可以很好地改善高得率制浆的物理性能，因为经过研究发现，漆酶改性制浆不仅与自身的性质息息相关，同时也与纸浆中的木素含量有着极大的联系。换而言之，纸浆中的木素含量越高，漆酶对纸浆性能所能带来的改变就越显著，所以可以充分利用漆酶这一特性来提高纤维之间的结合性能[4]。其次，漆酶在作用时往往需要氧气参与，并且还会伴有介体参与循环氧化作用。当漆酶存在于小分子介体物质中时，其氧化的范围会高于漆酶单独存在时的反应范围，并且在研究中还发现，小分子介体物质范围的增加会提高漆酶的应用范围，也间接表明漆酶的应用前景十分广泛。
        结论：
        总之，生物技术已经涉及到制浆造纸的整个过程当中，更是生物化学、微生物学以及生态学在制浆造纸行业中的新型边缘学科，而随着我国生物技术的不断的创新与强化，制浆造纸工业则会慢慢成为可持续发展的标杆行业。
参考文献：
[1]吴明，冯启明，马海茼，等.漆酶在制浆造纸中的应用研究进展[J].中国造纸学报，2019,034(002):66-71.
[2]赵雨轩.生物酶在处理造纸废水的工艺研究[J].造纸科学与技术，2020,v.39;No.234(04):42-45.
[3]贺龙伟.生物酶制剂在果蔬加工中的应用进展[J].农村科学实验，2019,No.590(06):103+105.
[4]孟婷婷，马乐凡，李洪兵.生物酶控制纸浆树脂障碍的研究进展[J].生物工程学报，2019,v.35;No.242(02):61-70.