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纖維素酶用于廢紙脫墨的研究進展
時間:2022-09-23
廢紙作為二次纖維資源用于造紙,已成為制漿造紙纖維原料的重要來源。傳統的化學脫墨不適于激光打印或復印用的辦公廢紙,還會引起新的環境污染。而生物酶法脫墨(enzymatic deinking)作為一種新的回收廢紙的脫墨方法,無論在實驗室還是工廠的試驗都證明是一種適應范圍廣、實用有效的脫墨方法。
1 纖維素酶的來源及組成
一般來說,內切纖維素酶隨機地水解磷酸膨脹纖維素,羧甲基纖維素和纖維素等無定形纖維素,釋放纖維寡糖,而纖維二糖水解酶(CBH)可以水解纖維二糖以及磷酸膨脹纖維素,微晶纖維素Avice和棉花等結晶度高的纖維素,從纖維素鏈的非還原端或還原端釋放纖維二糖。β-葡萄糖苷酶主要水解纖維二糖和纖維寡糖,產生葡萄糖。嚴格地講,β-葡萄糖苷酶不能算作纖維素酶,但它的作用可以減輕纖維二糖對纖維素酶的反饋抑 制作用。
2 酶法脫墨的機理
酶法廢紙脫墨是指利用生物酶代替化學藥品處理廢紙,使油墨從纖維上游離出來,然后用傳統的脫墨工藝分離出油墨。
近期,關于酶法廢紙脫墨的機理提出以下幾種可能:
⑴ 酶把固定油墨的纖維素纖維部分水解和降解,使它們彼此分離,油墨粒子在碎漿過程中得到分離;
⑵酶處理通過提高細纖維化或去除單根纖維表層使纖維間結合力降低,進而分離出油墨;
⑶酶的催化水解并不是主要的,重要的是纖維素酶可使纖維表面遭到一定程度的降解,從而在碎漿中將油墨分離出去;
纖維素酶從纖維表面剝離掉細小纖維使油墨粒子脫離分散到懸浮液中;
⑸酶的作用是間接的,通過去除微細纖維和細小組分來改善紙漿的濾水性能并促進洗滌或浮選;
纖維素酶和半纖維素酶分解除去已剝離下來油墨粒子上殘留纖維,增加油墨顆粒的疏水性,提高后續的浮選處理效果;
⑺機械作用使纖維表面或纖維上的纖維素分子鏈扭曲,從而增加酶的可及度和浸蝕性,因此機械作用對酶脫墨是非常重要和必要的。
3 纖維素酶的降解機理
一般認為是內切葡萄糖酶首先進攻纖維素的非結晶區,形成外切纖維素酶需要的新的游離末端,然后外切纖維素酶從多糖鏈的非還原端切下纖維二糖單位,β-葡萄糖苷酶再水解纖維二糖單位,形成葡萄糖。一般地說,協同作用與酶解底物的結晶度成正比,當酶組分的混合比例與霉菌發酵濾液中各組分比相近時,協同作用 大,不同菌源的內切與外切酶之間也具有協同作用。
目前,大多數有關纖維素生物降解的研究,重 都放在纖維素酶從纖維素分子鏈或水溶性纖維素衍生物中釋放還原糖或可溶性產物的過程上,因此希望纖維素酶的水解活性越高越好。而在制漿造紙工業中,卻不希望纖維素酶有較高的水解活性,因高的水解活性將造成紙漿纖維強度的快速下降。
4纖維素酶法脫墨的優點
酶法脫墨作為一種新的造紙生物技術,具有很多優點。首先酶法脫墨紙漿和化學脫墨紙漿相比具有很高的物理性能,如高白度和低殘存墨粉等。酶法脫墨比化學脫墨的費用低!酶法脫墨即可節省能耗,降低生產成本,又可大量減少化學藥品的使用,包括減少漂白需求,降低了漂白費用!酶法脫墨系統廢水的需氧量和毒性也較低。研究表明,酶法脫墨中產生的廢水的化學需氧量(COD)是化學脫墨廢水的一半,因此也降低了廢水處理負荷!同時酶法脫墨過程也使紙漿發生了改性,提高了濾水性能,更重要的是酶法脫墨巨大的社會效益,減輕了造紙廠對環境的污染,符合環境保護的要求。

生物酶酶法脫墨應用中還存在許多限制因素。酶的催化作用與環境溫度有密切的關系,從酶學觀點看,當酶濃度與底物濃度一定時,為酶所催化的反應速率有一個適∑的反應溫度范圍。因此,酶法脫墨時的溫度也只能在一定限度的溫度范圍內進行,應當與所用纖維素酶的 適作用溫度或亞適溫度相適應。由于目前所用的纖維素酶的 適溫度大多在45~56℃的范圍內,因此大多數研究者的脫墨溫度應選擇50℃或56℃。由于紙漿纖維是纖維素酶的作用底物,反應時間的延長顯然會對紙漿的強度起破壞作用。即要使脫墨完全,又要保持紙漿應有的強度性能,這就要求在一定的條件下,控制好酶處理反應的時間。


5 影響纖維素酶酶法脫墨的因素
影響纖維素酶對廢紙脫墨效果的因素有用值、漿濃、反應溫度、脫墨時間和加酶量等。
5.1 PH值的影響
PH值是酶催化反應的主要環境條件,酶反應速度 大的PH值是 適當的PH值。靜電復印紙和激光打印紙脫墨用的幾種酶的 佳PH值在5.0至7.5之間,且多數為5.5。若PH值過高可以用硫酸或者磷酸調節,不同的廢紙在選擇纖維素酶脫墨時 好是廢紙的PH值與酶 適應,以省去繁瑣的PH值調節。
5.2 漿濃的影響
紙漿濃度的改變不僅會影響酶對紙漿纖維的可及性,也會影響纖維間的摩擦程度,從而直接影響油墨的脫除。當酸的濃度一定時,在較低的底物濃度范圍內,酶反應的速度隨著底物濃度的增加而增加,但增加到一定的數值后,反應速度不再增加。隨著碎漿濃度的升高,纖維素酶與紙漿纖維接觸充分,纖維素酶可以和紙漿中的纖維發生作用,分解紙漿中的纖維,使粘附在紙漿纖維上的油墨與紙漿纖維發生分離,提高紙漿白度。同時,隨著碎漿濃度的提高,纖維間的摩擦加劇,油墨粒子細小化纖維也細小化導致毛細現象加劇,油墨粒子重新吸附在細小纖維中,又造成紙漿白度下降。
5.3 溫度的影響
酶是具有生物活性的蛋白質,只有在一定的溫度下才能發生催化生物化學反應,溫度對酶的作用有兩面性,它既可以加速酶的催化反應,也可以引起酶的失活。因此,正確控制反應溫度是保證有效脫墨的重要因素。根據紙的性質制定相應的溫度,低溫40 ~60℃,高溫80 ~90℃,適當提高溫度以促進油墨的分散。
5.4 加酶量的影響
脫墨量隨加酶量的增加而上升,但如果加酶量太高,脫墨率的增加幅度不大。相反,由于纖維素酶對纖維素的酶解作用而導致其裂斷長下降, 適當的酶加量要看原料的性質而定。
5.5 時間的影響
隨著反應時間的延長,脫墨率不斷增加,與酶加量的影響類似。反應時間在1h左右,延長時間脫墨率增加較少,反而裂斷長呈下降趨勢。對靜電復印紙油墨脫除率的影響,發現 佳反應時間為30min。
5.6 表面活性劑的影響
表面活性劑與酶應有 好的兼容性,使酶與表面活性劑之間存在一種協同作用。大多數用于辦公廢紙脫墨的表面活性劑是非離子型的。酶與表面活性劑的 佳用量比取決于廢紙的質量、碎漿用白水的質量和達到可接受的系統運行性。選擇合適的表面活性劑用量,以達到良好的系統運行性和有效的泡沫控制。當表面活性劑用量為0.05%時,脫墨漿的白度高,殘留油墨減少;但當表面活性劑超過這個用量后,白度逐漸下降,殘留油墨略有升高。可見,合適的表面活性劑用量有助于脫墨,它可以吸附在纖維的表面,降低表面張力,滲透到油墨和纖維之間,有利于油墨從纖維上分離。另外,表面活性劑的分散乳化作用,使油墨粒子易分散于水中,不易吸附在纖維表面。但當表面活性劑用量增 大時,油墨粒子的親水性增加,難以用浮選法除去,從而導致脫墨漿白度下降,殘留油墨量增加。
研究表明,纖維素酶對纖維與表面油墨粒子形成的鏈的可及度在酶法脫墨中有很重要的影響。
6 纖維素酶在廢紙脫墨中的應用前景
酶法脫墨作為一種新的造紙生物技術,具有很多優點。但生物酶酶法脫墨應用中還存在許多限制因素,酶的催化作用與環境溫度有密切的關系。因此,酶法脫墨時的溫度只能在一定限度的溫度范圍內進行,應當與所用纖維素酶的 適作用溫度或亞適溫度相適應。
我國是造紙工業大國,傳統造紙工業是耗能和環境污染大戶,而纖維素酶在廢紙脫墨方面的深入研究與逐步應用,不但能解決原料短缺、污染嚴重和能源緊張問題,而且會帶來良好的經濟效益,對造紙工業的發展、環境保護和清潔生產都具有重要的現實意義。因此,纖維素酶在造紙工業上的應用一定會有廣闊的發展前景!
酶法脫墨所使用的酶種主要是纖維素酶。纖維素酶是一種蛋白質,是利用微生物發酵而得到的,它的特性是能催化纖維素及其衍生物的水解反應
酶法廢紙脫墨是指利用生物酶代替化學藥品處理廢紙,使油墨從纖維上游離出來,然后用傳統的脫墨工藝分離出油墨。目前,大多數研究 點都放在纖維素酶從纖維素分子鏈或水溶性纖維素衍生物中釋放還原糖或可溶性產物的過程上,因此希望纖維素酶的水解活性越高越好。而在制漿造紙工業中,卻不希望纖維素酶有較高的水解活性,因高的水解活性將造成紙漿纖維強度的快速下降。
酶法脫墨紙漿與化學脫墨紙漿相比具有很高的物理性能,如高白度和低殘存墨粉等。可節省能耗,降低生產成本,又可大量減少化學藥品的使用,包括減少漂白需求,降低漂白費用,廢水的需氧量和毒性也較低。研究表明,酶法脫墨中產生的廢水的化學需氧量(COD)是化學脫墨廢水的一半,因此也降低了廢水處理負荷,同時酶法脫墨過程也使紙漿發生了改性,提高了濾水性能。
影響纖維素酶對廢紙脫墨效果的因素除PH值、漿濃、反應溫度、脫墨時間、加酶量外,還有表面活性劑的用量。當表面活性劑用量為0.05%時,脫墨漿的白度高,殘留油墨 少;但當表面活性劑超過這個用量后,白度逐漸下降,殘留油墨略有升高。
我國是造紙工業大國,傳統造紙工業是耗能和環境污染大戶,而纖維素酶在廢紙脫墨方面的深入研究與逐步應用,不但能解決原料短缺、污染嚴重和能源緊張問題,而且會帶來良好的經濟效益,對造紙工業的發展、環境保護和清潔生產都具有重要的現實意義。
文章出處:《造紙科學與技術》2007年第26卷第4期
原標題:纖維素酶用于廢紙脫墨的研究進展
作者:李學鳳 秦夢華
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