生物技术在制浆造纸中应用与研究进展

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1、生物技术在制浆造纸中应用与研究进展近年来,新兴的生物技术,主要包括基因工程、生物工程、发酵工程和酶工程。利用生物技术,可以通过生物遗传基因的重组,开发出新的优良品种和新的物种；可以通过新陈代谢作用,生产出许多有用的新有机物质；可以通过酶促反应,大大改善许多现有生产工艺的条件和效率。由于造纸工业的基本原料是生物体(植物),化学制浆方法基本上是对生物体的化学反应过程,它的环境污染物又主要是从生物体降解的有机物,这是造纸工业可以充分运用生物技术的重要依据。生物技术在制浆造纸工艺上的应用在20世纪90年代发展较快。对环境保护及降低能耗的日

2、益关注,更促进了生物技术在制浆造纸工业上的应用。目前应用于制浆造纸工业的生物技术主要有基因重组改良造纸原料、生物制浆、生物漂白、废纸生物脱墨、废液生物处理、酶处理和改善浆料性能树脂生物控制等,有些研究成果已用于工业生产。1基因重组技术改良造纸原料基因重组技术是将基因重新组合,然后将基因转化或转移到细胞中进行复制和表达的技术,是改良生物性状的有力手段。基因改良造纸原料的目的:减少造纸原料中的木素含量,尽可能增加纤维素的含量,以提高造纸原料的利用率,缩短树木成材的年限。美国密歇根工业大学姜立泉实验室经过12年的努力,终于发现一种通过基

3、因改造的方法减少树木木素含量的方法:使用一种称之为反(antisense)技术控制木素合成的基团Pt4CL1,令其处于“抑制状态”,其结果取得了转基因树木。该基因杨树比对照杨树的木素含量降低了45%,而纤维素含量增加了15%,并发现该树木生长快,树高比对照树高出30%。另外,英国的Zencea公司、比利时的Elserive科学公司以及法国的生物细胞研究中心都成功的利用转基因工程研制出了更加适合制浆造纸的造纸原料。2生物制浆制浆厂利用化学法制浆提高生产规模,而且使原料的适应性大大提高。然而,近年来纯化学法制浆已暴露出的它的缺点:化学

4、药品消耗量大、能耗高、设备投资高,特别是制浆与漂白过程所排出的废水,具有极高的BOD、COD负荷,而且其中还含有剧毒性荷强致癌性物质,给环境造成严重的污染。随着人们对环保的要求的提高,传统的化学法制浆正在不断改进,生物制浆技术将得到迅速发展。生物法制浆是利用微生物(主要是白腐菌)或其制品(酶),对植物纤维原料预处理,以生物途径代替化学途径或部分化学途径,然后进行机械、化学机械或化学法处理,使植物纤维原料分离成纸浆。生物预处理可以显著地降低磨浆能耗,改善浆的性能。Setliff利用Ceriporiopsissubvemispora和

5、P.chrysosporium对杨木进行了预处理,结果表明,与未经真菌处理相比,在盘磨机磨至相同游离度的情况下,杨木可以降低20%的能耗,挪威云杉降低13%的能耗。Kashino利用IZU-154对阔叶木和针叶木生物机械浆进行了研究,发现粗磨的山毛榉机械浆经真菌处理7天以后,可使后续浆能量消耗降低1/3～1/2,且强度性能得到改善;经粗磨的云杉机械浆和红松浆采用真菌处理10～14天,磨浆能耗约降低1/3,强度性能也有所改善。生物方法预处理木片一般都采用白腐菌等,这些菌种可以产生木素过氧化物酶、二价过氧化酶和漆酶,预处理木片的主要影

6、响因素是菌种种类、酶用量、pH值、温度和浓度、原料材种等。3生物漂白生物酶促漂白技术,主要是利用半纤维素酶部分酶解纤维细胞中的半纤维素,使木素更容易与漂剂反应而溶出,从而提高漂后浆的白度,减少漂剂的用量。半纤维素酶有助于硫酸盐纸浆的漂白,可以实现经济的生物技术应用于纸浆的漂白,其基本原理是根据半纤维素酶(木聚糖酶和甘露糖酶)能引起纸浆中碳水化合物结构的改性而提高脱木素作用。这种酶能使纸浆中部分半纤维素解聚,促进漂白化学药品从纸浆中除去残留木素。1989年芬兰率先进行应用木聚糖酶预处理硫酸盐纸浆的工业化试验。目前,北欧和北美地区的许

7、多制浆造纸工厂将这一生物技术应用于漂白硫酸盐浆的工业化生产。智利制浆厂在蓝桉和亮蓝桉木硫酸盐制浆漂白过程中,采用商品木聚糖酶预处理未漂白的桉木硫酸盐纸浆,并结合无元素氯漂白顺序DEopD结果节省二氧化氯12%～40%,而对漂白浆强度没有影响,白度达到90%ISO。4废纸生物脱墨由于木材纤维原料的短缺,利用废纸资源作为造纸原料的需求日益增加。废纸的再生利用,关键是脱墨。传统的脱墨工艺分为洗涤法和浮选法两大类。洗涤法设备简单,投资小,但用水量大,环境污染负荷大,大多见于中小企业。现代大型脱墨生产线通常采用浮选法或浮选法为主洗涤法为辅的

8、工艺。这两种脱墨工艺都为化学法脱墨所用,而化学法脱墨化学药品消耗大,对环境污染严重,纸浆易产生“碱性发黑”现象。随着生物技术的发展,酶用于废纸脱墨技术的研究应运而生。生物酶新闻纸脱墨剂的脱墨机理目前尚不太清楚。大多研究者比较认可的是:可能是生物酶能