造紙工業(yè)的“酶”好未來

近年來隨著生物技術(shù)的發(fā)展，生物酶制劑的生產(chǎn)水平不斷提高，不僅促進(jìn)了酶制劑在生物制漿、生物漂白、廢紙生物脫墨、酶法紙漿改善性能及樹脂生物控制等方面的應(yīng)用，還體現(xiàn)出酶技術(shù)在減輕制漿造紙工業(yè)環(huán)境污染、改善紙漿性能等方面的潛力。

傳統(tǒng)工業(yè)化學(xué)品消耗嚴(yán)重

造紙工業(yè)中的制漿工段是通過機(jī)械或化學(xué)方法破壞植物細(xì)胞壁，去除木質(zhì)纖維素原料中纏繞著纖維素的木質(zhì)素及半纖維素等，使纖維素得到分離和利用。因此，造紙制漿工段需要消耗大量能量和化學(xué)品，同時可能對纖維素產(chǎn)生損害。

以木材纖維為原料的制漿造紙工業(yè)為例，為了溶解除去木質(zhì)素和半纖維素，釋放纖維素，利用化學(xué)法制漿時需要在木屑蒸煮制漿過程中大量使用氫氧化鈉、硫化鈉、亞硫酸鈉等化學(xué)品;使用廢紙為原料的制漿和脫墨過程，則主要使用氫氧化鈉、硅酸鈉和表面活性劑等;在制漿漂白工段則主要使用含氯化合物、過氧化氫、臭氧等氧化劑。

為了改善造紙工藝及紙漿性能，造紙過程還使用各種化學(xué)助劑、增強(qiáng)劑、漿紗助劑及涂布膠黏劑等化學(xué)品，使得制漿造紙工業(yè)成為化學(xué)品使用及排放的主要輕工業(yè)之一。

酶制劑助力綠色發(fā)展

隨著工業(yè)生物技術(shù)的不斷發(fā)展，新的酶分子逐步被挖掘，高效的酶制劑發(fā)酵生產(chǎn)及應(yīng)用水平的不斷提升，如何提高酶制劑在制漿造紙工業(yè)的應(yīng)用效率、降低生產(chǎn)成本成為科學(xué)家與工業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。

近十年來，通過生物科學(xué)家與制漿造紙工程人員的協(xié)同，酶制劑應(yīng)用于制漿造紙，并在生物制漿中減少能耗及有害物質(zhì)的使用等方面取得顯著性成果。

生物制漿是指通過產(chǎn)酶微生物或酶制劑對木質(zhì)纖維的預(yù)處理，破壞木質(zhì)素或半纖維素的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)其在機(jī)械或化學(xué)制漿過程中的脫落速度，有利于纖維素的分離，同時達(dá)到減少能量和堿的消耗，縮短制漿時間，改善制漿質(zhì)量的目的。

例如，白腐菌就已被廣泛應(yīng)用于生物制漿的研究。白腐菌含有豐富的漆酶，可以有效分解木質(zhì)纖維中的木質(zhì)素，更重要的是白腐菌作為擔(dān)子菌綱絲狀真菌，在木材等原材料混合培養(yǎng)預(yù)處理中能穿透木質(zhì)原材料釋放胞外酶，促進(jìn)木質(zhì)素分解。

隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，為了減少造紙工業(yè)中氯排放對環(huán)境的影響，開發(fā)無氯漂白工藝也是制漿造紙工業(yè)的重點(diǎn)，紙漿生物酶漂白是具有開發(fā)前景的無氯漂白途徑之一。木聚糖酶和漆酶就是造紙工業(yè)中應(yīng)用于生物漂白主要酶種。

另外，以木材或非木材的一年生草本纖維原料的制漿造紙工藝中存在一些脂溶性抽提物，這些物質(zhì)脫落后，不能溶于水被除去，若沉積于紙漿帶進(jìn)紙張中將形成“紙病”，若沉積于紙機(jī)上會引起機(jī)械故障，需要耗時進(jìn)行清理。

而利用變色菌、白腐菌等微生物對木屑進(jìn)行預(yù)處理，可以明顯達(dá)到樹脂控制的目的。與其相比較，酶制劑主要是通過作用紙漿達(dá)到除掉制漿的脂溶性抽提物的目的，利用酶制劑進(jìn)行樹脂控制具有作用時間短、專一性好等特點(diǎn)。

不僅如此，利用酶制劑進(jìn)行廢紙脫墨的應(yīng)用，還可以減少廢水排放、節(jié)約水和能源的耗費(fèi)。

另外，酶還對造紙纖維性能具有改善作用。在制漿工藝中有一個精煉工段，即制漿纖維素的疏解和整理，主要目的是提高纖維素的抄紙性和強(qiáng)度，截斷過長纖維提高抄紙的均一性，改善抄紙的吸收率、孔隙率和白度。傳統(tǒng)方法主要通過機(jī)械作用或化學(xué)物質(zhì)的作用達(dá)到要求的目標(biāo)，而利用微生物酶的作用進(jìn)行紙漿纖維的生物修飾有利于節(jié)省能源和減少化學(xué)試劑對纖維的破壞。

繼續(xù)推動生物技術(shù)的應(yīng)用

在造紙工業(yè)中化學(xué)制漿的粗漿洗滌、機(jī)械漿漂白、廢紙打漿及脫墨等工段中已經(jīng)有造紙酶工業(yè)規(guī)模使用的案例，主要包括纖維素酶、木聚糖酶、果膠酶、錳過氧化物酶和漆酶。

另外，一些商業(yè)化的纖維素酶，如fibercare、fiberzymlbr和celluclast1.5l也已在造紙工業(yè)中應(yīng)用。

此外，在具有商業(yè)開發(fā)潛力的細(xì)菌纖維素酶中，大部分生產(chǎn)的內(nèi)切葡聚糖酶主要水解非結(jié)晶纖維素，少數(shù)的芽胞桿菌和類芽胞桿菌產(chǎn)生的內(nèi)切葡聚糖酶可以水解微晶纖維素，坎皮納斯類芽胞桿菌生產(chǎn)的耐熱中性纖維素酶已被開發(fā)應(yīng)用于制漿修飾和打漿酶，取得了很好的效果。

可以說，酶在制漿造紙工業(yè)的高效應(yīng)用不僅可以提升生產(chǎn)效率，還可提高紙漿質(zhì)量、減少能耗和水耗。但是，酶制劑在造紙工業(yè)的應(yīng)用仍然存在成本高、穩(wěn)定性不足、不易混合、駐留時間不夠及成漿質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。

不過，隨著分子進(jìn)化及基因重組技術(shù)的提高，將有利于提升酶的穩(wěn)定性及生產(chǎn)水平。此外，生物科學(xué)家與造紙工程師的協(xié)同攻關(guān)也是推動生物技術(shù)在紙漿造紙專業(yè)應(yīng)用的另一關(guān)鍵。

(作者系華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院教授)