生物酶控制树脂技术在木片磨木浆车间的应用

李云泽

（南纸股份有限公司技术中心，福建 南平 353000）

0 前 言

在制浆造纸工业中，树脂障碍的控制问题一直是一个非常重要的课题。

在造纸原料——纸浆中，除了存在纤维素、半纤维素和木素外，还含有少量不溶于水而溶于中性有机溶剂（如乙醚、丙酮、苯醇等）的化合物。这些物质被称为有机溶剂抽出物，代表了植物中的树脂。树脂虽然在纸浆中含量较少，但在制浆造纸过程中，会以多种方式沉积在设备的表面上，从而产生一系列的树脂障碍问题，对制浆造纸及其产品质量有着很大的影响，会造成巨大的经济损失。因此，对于制浆造纸工作者来说，如何在生产过程中最大限度地消除树脂障碍带来的影响，是一个无法回避的课题。

1 纸浆中的树脂及其危害

树脂是树木生长的营养物质，广泛存在于木材中。对于制浆造纸工业来说，一般将木材尤其是针叶木的树脂习惯上分为四类：游离的脂肪酸、游离的树脂酸、甘油三酸脂和不皂化物。但是，不同树脂组分具有不同的沉积性能，也说明纸浆中树脂总量的多少不是树脂障碍发生的主要因素。许多研究表明，树脂中的甘油三酸脂是使树脂发生沉积的关键物质。甘油三酸脂（triglycerides，简称TG）属于极性分子。它与其他极性分子（如脂肪酸等）相比，更易与疏水性的金属表面形成范德华力，从而引起树脂的沉积。

纸浆中树脂的沉积对制浆造纸的影响主要有两个方面：一是树脂的沉积能够影响制浆造纸过程；二是树脂的沉积会导致产品质量下降。具体来说，主要有以下危害：

1.1 树脂对纸机的危害

在纸机网部，树脂沉积在成形网上，影响纸页的成形质量；树脂沉积在真空吸水箱上，降低吸水箱工作效率。

在纸机压榨部，树脂沉积在压榨辊、毛毯上，会降低毛毯吸水性，引起纸张孔洞，甚至断纸。

在纸机干燥部，会降低烘缸导热率，引起烘缸粘纸、断头。

所有这些影响的直接结果就是增加了设备清洗和维修时间，导致产量下降。

1.2 树脂沉积对纸张质量的影响

在抄纸过程中，树脂沉积物或将降低脱水效率及纸页的匀度和强度，或可形成树脂斑点和孔洞。

树脂的存在还会降低纤维间的结合力，从而降低纸浆的强度，最终影响产品的质量。

2 解决树脂问题的传统方法及其缺陷

2.1 木材陈化法

对木材进行陈化处理，以降低树脂含量，需要占用大量土地，造成资金积压，并降低磨木浆的白度、强度及得率。

2.2 工艺控制法

加强系统的停机清洗，定期排放白水，从而导致生产效率降低，并增加了水耗及污染。

2.3 滑石粉吸附法

容易造成生产设备的磨损，较难操作和计量。

2.4 明矾固定法

容易造成生产设备的磨损，也较难操作和计量。使用大量明矾固定树脂，缩小了pH适用范围，对设备有较大腐蚀性，还会降低浆料白度。

2.5 表面活性剂分散法

表面活性剂会给施胶带来潜在的不利影响，如产生泡沫，小块沉积物的脱落会造成纸病或断头，在白水封闭系统中还会导致树脂的积聚。某些表面活性剂或分散剂会有毒性或是难以降解，对环境保护相当不利。

3 生物酶控制树脂的机理

利用生物技术来解决制浆造纸过程中的树脂问题，是随着造纸工业的发展而提出的一项新的树脂控制技术。其方法之一就是利用生物酶处理纸浆中的树脂，从而达到控制树脂沉积的目的。

酶是一种高效能、高专一性、高度可变性的高分子有机催化剂。其中的脂肪酶（即甘油酯水解酶），是一种能够分解脂肪的酶。许多研究表明，树脂中的甘油三酸酯（TG）是制浆造纸过程中产生树脂障碍的有害组分之一，在纸浆中加入脂肪酶，可通过将TG水解成低黏性的脂肪酸和水溶性甘油，从而抑制树脂的沉积。

4 南纸TMP生产状况

历史上，福建南纸股份有限公司的原料主要依靠当地的马尾松。马尾松来自于周边地区，许多是割完树脂后的“割脂木”。马尾松树脂和有机抽出物含量高达3%(重量比)。南纸股份有限公司TMP车间于1998年3月试车，同年5月7日正式投产，设计能力为日产TMP200 t，其原料为马尾松。它是南纸股份有限公司拥有最新技术装备的5号纸机的供浆车间，约占其浆料配比的30%左右。由于原有纸机的运行车速低，树脂障碍的影响并不大。随着年产18 万t新闻纸的5号纸机的运行投产，在高车速下TMP中大量的树脂严重影响了5号纸机的正常运行，造成糊网、粘缸等现象及频繁的断头，致使纸机车速始终无法达到设计水平，同时纸机的清洗周期达到每天一次，严重影响了纸机的产量和新闻纸的质量。为减少树脂障碍，TMP车间曾一度提高陈化木的用量，减少新鲜材的用量，但结果是TMP浆的白度和裂断长都大大降低，严重影响了成纸的质量指标。面对难题，南纸股份公司开拓思路，从2000年3月开始，决定采用美国EDT公司的产品——生物酶，以解决树脂问题。

5 生物酶在南纸TMP车间的应用及添加生物酶的工艺流程

在南纸TMP车间的实际应用中，采用了生物酶与硫酸铝配合使用的方法。主要步骤如下：

（1）利用生物酶催化TG水解成甘油和脂肪酸；

（2）采用硫酸铝固定法将有害树脂水解产物脂肪酸“固定”在纤维表面上。在硫酸铝溶液中，铝的络离子化合物主要有5种形态：Al3+、[Al（OH）]2+、[Al8（OH）20]4+、[Al（OH）4]-、Al（OH）3，pH值不同。这5种形态的组成也不相同，在pH值为4.8时，溶解状态的水解组分[Al8（OH）20]4+浓度最高。 [Al8（OH）20]4+借助于氢键聚结脂肪酸，成为带正电性的聚合物。当系统中存在纸浆时，带正电性的脂肪酸聚合物会强烈地吸附在带负电性的纤维表面上，完成脂肪酸的“固定”，被纤维带走，而不会造成树脂沉积而形成树脂障碍。

6 生物酶的工艺流程

生物酶控制树脂的过程主要是在TMP车间的贮浆塔中完成的。生物酶和一定浓度的硫酸铝分别泵送至中浓塔，在这里二者与浆料充分混合后，由中浓泵泵送至贮浆塔，在贮浆塔中停留2h后，再经送浆泵送往造纸车间。具体工艺流程，见图1。

图1 南纸TMP车间生物酶控制树脂障碍工艺流程

7 生物酶控制技术的改进

随着生物酶的应用，树脂障碍得到了有效的控制，在此基础上，南纸TMP车间逐渐提高原料中新鲜材的比重，以获得更高的成浆质量，见图2。在此过程中，我们采用EDT公司提供的快速测定纸浆中TG含量的方法，对生物酶处理前、后的TMP浆料的TG含量进行了大量的跟踪测定，在数据指导下及时调整生物酶与硫酸铝用量，以保持树脂控制能力，保证浆料中的TG含量始终处于安全的浓度范围内。

图2 生物酶处理对TMP白度及新鲜材用量的影响

经过大量生产实践，我们定下了以下优化方案：

（1）将生物酶的用量由原来的250 mg/kg浆提高到350 mg/kg浆，使绝大多数的TG得以有效降解。

（2）硫酸铝的用量由4kg/t浆提高到10kg/t浆。

（3）在送浆稀释水中加入一定量的滑石粉以降低浆料的黏性。

工艺优化的结果是使原料中新鲜材的用量达到60%～80%，而TMP中的TG含量由处理前的0.7%（平均值）降至安全范围（0.2%以下）。

8 生物酶技术应用的成果

生物酶控制树脂障碍的技术在TMP车间的成功应用，使5号纸机的运行得到明显改善。在加酶后的几天里，纸机压榨、毛布、成型网和干网上树脂的沉积明显下降，纸机正常运行时间延长，断头次数减少，产量增加。在第一个月，纸机停机清洗的次数从试验前每周7～10次减少到每周一次。纸机车速从1 100 m/min提高到1 350 m/min。六个月后，纸机清洗的频率进一步延长到每10天一次。浆的白度从原来采用老化木材时的约52%ISO提高到（55%～57%）ISO，而且纸机车速提高到1 500 m/min。

9 结束语

自从50多年前南纸投产起，树脂障碍问题就一直困扰着南纸新闻纸的生产。直至引入生物酶之前曾使用过许多化学处理方案都没有获得令人满意的结果。生物酶技术的成功应用给我们带来了新的可能，并改变了原材料处理和未来木材供应方面的思路。到目前为止使用这一技术获得的成果是：

（1）基本上解决了树脂沉积问题。

（2）减少了纸页断头和纸机清洗次数。

（3）增加了纸机的正常运行时间和产量。

（4）改善了浆的白度和强度。

（5）延长毛布和网的使用寿命。

（6）减少木材存储，加快资金周转。

（7）改善操作环境。

总的说来，生物酶控制树脂非常成功，超出了预期。而且，它开辟了在其他工艺过程中应用生物酶的新的可能性，如改善漂白、脱墨、杀菌和水处理等，为制浆造纸新技术的开发提供了新的思路。

【1】秦梦华. 纸浆中的树脂及其障碍控制[M].北京：中国轻工业出版社：1998.

【2】陈守勤，林一亭，张玉德等. 用生物酶技术克服树脂障碍[J].国际造纸，2001（5）：

【3】林援朝. 现代造纸新技术与质量监督检验标准实用手册[M].北京：中科多媒体电子出版社，2003.

【4】沈一丁. 造纸化学品的制备和作用机理[M].北京：中国轻工业出版社，1999.

【5】安郁琴，刘忠. 制浆造纸助剂[M].北京：中国轻工业出版社，2003.

【6】刘俊华，张美云，罗清，等. 生物酶预处理对高得率纸浆纤维性能的影响[J].纸和造纸，2012（4）：