打浆酶在漂白针叶木浆中节能、增强的应用研究

杨 露，於旺盛，芦 海

（金东纸业（江苏）股份有限公司，江苏 镇江 212132）

造纸工业是一个能源消耗型行业，对能源的需求十分巨大，造纸工业必须走绿色可持续道路，才能够获得长远发展与进步。在造纸过程中，打浆能耗约占造纸厂总电耗的15%～18%[1]，降低打浆能耗不仅节降成本，也能节能减排，打浆酶的应用可满足节能减排的要求[2-7]。早在1996年，Bhardwaj等人提出，利用生物酶处理浆料，可节降约15%的打浆能耗[8]。

本文主要研究打浆酶在漂白针叶木浆中的磨浆能耗节降情况、浆料纤维形态变化以及对成纸强度的影响。

1 实验

1.1 原料

针叶木浆及纤维素酶，金东纸业（江苏）股份有限公司提供。

1.2 仪器

PFI磨浆机，纤维质量分析仪（FQA），光学显微镜，恒温水浴槽，浆料疏解机，半自动手抄片机。

1.3 实验方法

将浆板置于自来水中浸泡4 h，用浆料疏解机进行标准疏解，再向浆料悬浮液中加入纤维素酶，添加量为绝干浆料的0.03%，然后在温度为50℃的恒温振荡水浴中处理120 min，酶处理后浆料置于100℃沸水中10 min，用以生物酶灭活，再浓缩至10%质量分数，收集浆料纤维用于PFI磨浆，将酶处理的浆料与未经酶处理的浆料用PFI磨至相同的游离度，在相同的游离度条件下，进行浆料磨浆及浆料物性分析。

1.4 分析方法

游离度、抗张强度、撕裂强度、耐破度和内聚力等指标，按照相关国家标准测试。

纤维长度、宽度等纤维形态参数采用纤维质量分析仪测定。

2 结果与讨论

2.1 磨浆游离度选择

浆料的品质对于造纸有着重要的意义，通过磨浆可以获得更好的浆料物性，有利于纸张品质的提升以及纸机的运转。在浆料磨至不同游离度的情况下，由于浆料的分丝帚化程度增加，以及浆料纤维长度的减短，浆料物性会出现不同的变化趋势，所以在造纸的过程中，浆料需要磨浆至适当的游离度，以获得所需要的指标。图1是在实验室模拟现场磨浆，将针叶木浆磨至不同游离度，测试其各项强度指标后绘制的磨浆曲线。

图1 针叶木浆磨浆曲线

从针叶木浆的磨浆曲线可以看出：随着磨浆游离度逐渐下降，也即磨浆程度加深，撕裂指数呈下降趋势，从646 mL游离度时的18.2 mN·m2/g降至最低10.0 mN·m2/g，在401 mL游离度到301 mL的游离度区间，撕裂指数基本维持在10 mN·m2/g附近，浆料的撕裂指数主要是由浆料的纤维长度决定，在磨浆程度加深的情况下，纤维长度会逐渐变短，所以浆料的撕裂强度会呈下降趋势；耐破指数呈上升趋势，从最低 1.12 kPa·m2/g逐步升至最高 6.74 kPa·m2/g，在 449 mL至301 mL游离度区间，提升幅度缓慢；内聚力呈上升趋势，在401 mL至301 mL的游离度区间，增加较缓，在2.09 kg·cm左右；抗张指数呈先快速上升再缓慢下降趋势，在352 mL游离度时达到最大值97.3 N·m/g，401 mL至301 mL游离度区间，抗张指数均在93 N·m/g以上；耐折度趋势与抗张指数一致，其最大值在401 mL游离度，耐折度达1 042次，在449 mL至352 mL游离度区间，耐折度均在1 000次以上。

综合实验评估的各强度指标来看，在401 mL至352 mL区间的游离度，浆料能够达到最佳的强度指标，因此，在实验评估酶处理针叶木浆控制磨浆游离度在350～400 mL之间，实际操作过程中的游离度控制为370 mL和400 mL，并在 370 mL和 400 mL 2种游离度的条件下，对比酶处理与未经酶处理的针叶木浆的物性差异。

2.2 打浆酶对磨浆转数的影响

打浆酶能够促进浆料的P层和S1脱落，有利于细胞壁的分层、压溃和细纤维化[9]，从而在打浆的过程中能够节降磨浆的能耗。打浆酶预处理针叶木浆后利用PFI磨浆机打浆，控制与未经酶处理的针叶木浆打浆游离度相同，其磨浆转数的结果如图2所示。

由图2可以看出，针叶木浆经过酶处理后，磨浆转数较未处理的下降，400 mL游离度时的磨浆转数从4 900 r降至4 800 r，370 mL游离度时的磨浆转数从5 300 r降至5 200 r，表明针叶木浆经过酶预处理后，能够节降磨浆的能耗。同时，从图2也可以看出，相同游离度的情况下，酶预处理较未预处理磨浆转数节降较少，可能是该酶对浆料的作用程度较轻，所以磨浆转数下降并不明显，酶对纤维的作用受酶的组成、类型以及处理条件的影响[10]。

图2 打浆酶辅助处理对磨浆转数的影响

2.3 打浆酶处理对纤维质量的影响

酶处理与未经酶处理针叶木浆，在磨浆至相同游离度后，利用FQA检测其纤维形态，结果如表1所示。

表1 打浆酶辅助处理磨浆后对纤维形态的影响

整体来看：针叶木浆在相同的游离度的条件下，采用酶处理后，纤维长度略有下降，400 mL游离度时的纤维长度从2.166 mm略降低至2.145 mm，370 mL游离度时的纤维长度从2.147 mm降至2.088 mm；纤维宽度基本相当，在25.6 μm左右；细小纤维的质量分数在高游离度时，酶处理的略高，从33.64%升至33.80%，在低游离度时，酶处理的略低，从34.30%降至32.76%，可能是由于纤维素酶优先作用于细小纤维，随着游离度下降，细小纤维含量降低，而未处理浆料，随着游离度下降，纤维分丝帚化增加，纤维的切断作用也增加而导致细小纤维含量上升；未处理的浆料扭结指数在游离度低时也就越小，酶处理的2种游离度条件下基本相当，表明酶可以促进纤维的舒展，减少扭结；从纤维长度的数据来看，虽相同游离度的条件下对比，酶处理后的浆料纤维长度较未处理的要略低，但相差不大，表明该打浆酶处理后能对浆料的作用程度较轻，也验证了在相同游离度的情况下，磨浆转数下降并未产生明显的变化。

针叶木浆经过酶处理后与未经酶处理的纤维显微照片如图3所示。

图3 纤维显微照片

由图3可见：400 mL游离度与370 mL的游离度相比，370 mL游离度时纤维的帚化程度略高于400 mL的游离度；同时经过酶处理后纤维的分丝帚化要略好于未经酶处理的纤维；表明加重打浆有利于纤维帚化，而且酶处理对纤维产生一定作用，更有利于磨浆。

2.4 打浆酶处理对浆料脱水性能的影响

酶处理与未经酶处理的针叶木浆在磨浆至相同游离度后，分别检测其在400 mL及370 mL游离度下的快速脱水的能力，其结果如图4所示。

图4 打浆酶处理对浆料脱水的影响

由图4可见：400 mL游离度时，快速脱水量分别为226 mL/10 s和225 mL/10 s；370 mL游离度时，快速脱水量分别为212 mL/10 s和214 mL/10 s，未经酶处理与酶处理的脱水能力相当。该脱水数据与纤维质量分析数据具有对应性，在相同游离度的情况下，未经酶处理与酶处理的纤维长度、细小纤维含量及纤维宽度基本相当。

2.5 打浆酶处理对浆料物理物性的影响

打浆酶预处理浆料后，抄造手抄片，评估强度变化情况，其结果如图5所示。

图5 打浆酶辅助处理对纤维强度的影响

从图5可以看出：针叶木浆在相同的游离度的情况下，采用酶处理后，内聚力和抗张指数均上升，400 mL和370 mL的游离度下，内聚力分别从2.29 kg·cm升至 2.63 kg·cm，以及 2.18 kg·cm 升至 2.43 kg·cm；抗张指数分别从 85.2 N·m/g上升至 87.1 N·m/g，以及86.0 N·m/g上升至87.4 N·m/g；而耐破强度及撕裂强度在高游离度（400 mL）时采用酶处理后均上升，耐破指数从 6.3 kPa·m2/g 上升至 6.42 kPa·m2/g，撕裂指数从 10.25 mN·m2/g提高至 10.35 mN·m2/g；在低游离度（370 mL）时采用酶处理后均下降，耐破指数从 6.39 kPa·m2/g 降至 6.26 kPa·m2/g，撕裂指数从 10.25 mN·m2/g降至 9.77 mN·m2/g；耐折度在高游离度（400 mL）时采用酶处理后下降，从1 270次降至1 218次，在耐折度在低游离度（370 mL）时采用酶处理后上升，从1 295次上升1 428次。对比图5的强度数据发现，除了耐折度在低游离度（370 mL）的条件下采用酶处理后达到最佳外，在高游离度（400 mL）的条件下采用酶处理后的纤维强度是最优的，优于高游离度（400 mL）及低游离度（370 mL）条件下未采用酶处理后的的纤维强度，这表明在适当提升酶处理的浆料磨浆游离度的情况下，对浆料的强度是有利的，可以避免酶处理对浆料造成的强度损失。

3 结论

（1）从针叶木浆的磨浆曲线来看，浆料在400 mL至350 mL的磨浆游离度时，能够达到最佳性能。

（2）打浆酶处理针叶木浆对于造纸打浆过程是有帮助的，可以有效地节降磨浆能耗。

（3）对比400 mL和370 mL的磨浆游离度下的针叶木浆物性，除耐折度在低游离度（370 mL）的条件下采用酶处理后达到最佳外，其余强度性能均是在高游离度（400 mL）时采用酶处理后达到最佳，优于未经酶处理的浆料。