生物技术在造纸工业上的应用

常永杰 刘娜

（山东轻工业学院 制浆造纸科学与技术教育部重点实验室，山东 济南 250353）

近年来，我国造纸工业获得了迅猛的发展，然而，我们不应忽视其发展过程中存在的一些问题，例如环境污染严重，治理成本高；能源消耗过大等，寻找新的环境友好型制浆造纸工艺技术迫在眉睫。近年来，迅速发展起来的具有环境友好性特点的生物技术对克服这些问题具有潜在的能力，生物技术与传统制浆造纸工艺的结合已经被人们广泛研究，并部分获得了工业应用。目前，生物技术在制浆造纸上的应用主要集中在改良树木品种、生物制浆、生物漂白、生物废纸脱墨、废水生物处理、树脂障碍控制等。

1 生物技术应用于造纸原料

木材是较为理想的造纸原料，然而我国森林资源较为贫乏，利用生物技术培育种植更适于制浆造纸的树木新品种有助于以速生丰产林为目标的林纸一体化的实施，同时也是增加木材产量的有效途径。

1.1 基因重组技术改良树木品种[1-2]

基因重组技术是将基因重新组合，再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。通过这些手段，可以获得具有更短的生长周期，更低的木素含量且以易于降解溶出的木素结构为主；高的纤维素含量及纤维较长；在树木生长过程中对病虫害和恶劣环境具有较强的耐受力等特点的新型树种。英国Zencea公司与日本Nippon纸业公司合作研究，利用基因重组技术控制树木生长过程中木素生物合成系统。Zencea公司已分离出一种能抑制树木中木素生长的肉桂醇脱氢酶基因抑制物，将这种特殊基因酶植入到他们开发的速生型杨树和桉树优良品种，培育出新一代的制浆造纸用材。这种新品木材在蒸煮过程中木素易于溶出，可节省化学品用量和能耗，减少对纤维的破坏降解，利于纸浆得率和质量的提高，节约纤维原料，并降低漂白化学品用量，减轻废水污染负荷和降低处理废水费用等。

1.2 无性繁殖[2-3]

无性繁殖又叫营养繁殖，是利用植物的营养器官（根、茎、叶）培育成独立植株的繁殖方法。其能保持母本的优良遗传特性，缩短植物的生长周期，采用新的细胞培养或组织培养技术来缩短无性繁殖优良品种所需的时间。德国、瑞典的云杉，新西兰、澳大利亚的辐射松，采用无性繁殖苗木造纸已进入推广应用阶段。菲律宾的加勒比松、南亚松采用微繁殖（主要是胚胎组培）也获得了成功。

2 生物制浆

生物制浆是利用木素降解菌具有降解木素的能力，在制浆前用这些菌类预处理木片或其他纤维原料，降解或部分降解木素，然后进行传统化学法、机械法等处理，最终使植物纤维原料分离成纸浆的过程。

自然界参与降解木质素的微生物种类有真菌、放线菌和细菌，而真菌是最重要的一类。因腐朽木材成白色而得名的属于担子菌亚门的白腐菌是能够降解木材主要成分的微生物之一，是生物制浆的首选微生物。这类菌种可以产生木素降解酶（如木素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶）。然而，单独利用白腐菌处理植物纤维原料的生物制浆方法存在处理周期过长、培养条件苛刻、菌种扩大培养困难等缺点。目前，生物制浆主要集中于制浆前对植物纤维原料的预处理，再结合传统的化学法或机械法等制浆以达到降低能耗、降低化学品用量、降低设备投资成本及后续漂白段的化学品用量、减轻环境污染负荷等目的。

生物制浆包括纯生物制浆、生物化学制浆和生物机械制浆以及韧皮纤维原料的生物制浆。纯生物制浆效果良好，然而由于酶比较昂贵，利用酶工程的纯生物制浆实施起来有一定难度，同时，生物制浆一般应用与处理木片，而酶对木片的可接触性不如菌类；生物化学制浆在减少蒸煮化学品用量和能耗、提高纸浆质量，或者在化学药品用量不变的情况下，降低打浆能耗，减少后续漂白化学药品用量和减轻漂白废水污染负荷等方面都取得了良好的效果；生物机械制浆在降低能耗和提高成纸强度等方面效果明显，对推进高得率法制浆的普及具有重要意义；韧皮纤维原料纤维素含量高，木素含量低，是优良的造纸原料但其果胶质含量高，因此，其生物制浆侧重于果胶酶的应用。生物法一旦实现工业化，可以实现无污染制浆，具有良好的发展前景。

3 生物漂白及应用

生物漂白最早是指利用降解木素的微生物（主要是白腐菌），分解纸浆中的残余木素，使之降解溶出，达到提高纸浆白度的目的，然而，利用白腐菌直接处理未漂浆，脱木素速度慢，还会产生纤维素降解现象，同时其代谢过程会产生一些有色代谢物质。目前，生物漂白的主要作用是提高纸浆的可漂性，降低漂白过程的用氯量，从而减轻漂白过程的污染程度[4]。

目前，生物漂白主要利用半纤维素酶（聚木糖酶和聚甘露糖酶）和木素降解酶（木素过氧化物酶，锰过氧化物酶和漆酶）。

3.1 聚木糖酶助漂

聚木糖酶是生物漂白中应用最多的酶，其降解部分半纤维素，导致纤维细胞壁结构改变，部分出现疏松，加大残余木素的暴露，使漂白药液与残余木素能够更充分的接触，利于残余木素的脱除；部分木聚糖回吸到纤维上，阻碍了漂白药液对残余木素的作用，木聚糖酶降解这部分木聚糖，提高漂液对残余木素的可及度；作用于木素—碳水化合物复合物（LCC）的连接，使其断裂，产生更易去除的较小的残余木素；除去蒸煮后期产生的乙烯糖醛酸木聚糖（含发色基团较多，而半纤维素的支链乙烯糖醛酸是纸浆易返黄的一个原因）。因此，在化学漂白之前，用木聚糖酶预处理浆料，会减少化学药品的用量，减轻环境污染负荷。

3.2 漆酶/介体体系漂白

单独的漆酶氧化还原电势较低，仅能氧化低还原电位的酚型木素，但漆酶/介体系统能氧化还原电位较高的非酚型木素；同时，漆酶能选择性催化木素降解，不损伤或较小损伤碳水化合物，反应仅需要氧气，是“绿色友好型”木素降解酶，但与其共存的介体使用较多的通常都是合成的，不仅有毒而且价格昂贵。因此，研发高效廉价、应用面广的介体是漆酶有效应用于纸浆漂白的基础。

3.3 木素降解菌的应用

某些具有木素降解能力的菌类，如白腐菌等也可应用于纸浆漂白，然而由于其培养条件较苛刻，且菌类代谢活动会产生一些有颜色的代谢产物，致使白度下降，同时，其直接用于纸浆漂白的效率也不高，因此，生物漂白更侧重于应用木素降解菌分泌的高效木素降解酶来降解纸浆中的残余木素。半纤维素酶只是助漂而不能真正做到无化学品的使用，与其相比，木素降解酶更具潜力，致力于分泌高效廉价且选择性好（专一性降解木素，无碳水化合物降解活性或活性较低）的木素降解酶的菌种选育对真正实现清洁生产意义重大。

4 生物脱墨

传统的脱墨工艺是在化学药品的作用下辅以适当机械作用，使油墨从纤维上分离，然后再用洗涤或浮选或者两者相结合的方法将油墨粒子从纸浆中除去。碱法脱墨是目前全世界普遍使用的传统工艺，其脱墨技术比较成熟[5]。然而，随着油墨粒子成分的复杂多样化及印刷方式的变更，脱墨变得异常困难，特别是对于混合办公废纸（激光打印纸、静电复印纸）的非接触性印刷；同时，传统化学脱墨法也带来了环境污染。

生物脱墨是用酶制剂代替化学药品作用于废纸浆，辅以机械作用，促进油墨与纤维的分离。用于脱墨的酶有纤维素酶、半纤维素酶、木素降解酶、脂肪酶、酯酶等。脂肪酶和酯酶水解油基油墨载体，目前，主要集中于纤维素酶、半纤维素酶的应用[4]。

Jeffries等[6]发现，静电复印纸和激光打印纸的酶法脱墨的油墨去除率明显高于传统脱墨法，同时，白度和绿水性能都有所改善。Prasad发现，碱性纤维素酶能对办公废纸进行有效的脱墨，同时，可以获得较高的白度和良好的滤水性能及物理性能。

5 废水处理中的生物技术

制浆造纸工业废水排放量大，废水中COD、BOD含量大，是造纸工业污染环境的主要源头之一。目前，处理造纸废水的方法主要有物理法、化学法、生物法和物理化学法，其中，作为造纸废水二级处理的生物法的应用最为广泛。

废水的生物处理技术是利用微生物的新陈代谢作用，使废水中的有毒污染物降解并转化为无害稳定物质的过程。根据微生物种类和供氧情况分为：好氧生物处理、厌氧生物处理及厌氧-好氧组合处理。

5.1 好氧生物处理

即在有氧条件下，利用好氧微生物的作用来降解污染物。有活性污泥法和生物膜法两种，活性污泥法技术比较成熟，是应用最为广泛的废水生物处理技术，但其存在污泥易膨胀的缺点，目前，已经出现了克服污泥膨胀的效果更加出众的改进活性污泥法[序批式活性污泥法（SSR）、HCR废水处理技术、循环式活性污泥法][7]。生物膜法是一大类生物处理方法的总称，共同的特点是微生物附着在介质滤料表面上，形成生物膜，污水同生物膜接触后，溶解的有机物被微生物吸附转化为H2O、CO2、NH3和微生物细胞物质，污水得到净化，所需氧气一般直接来自大气，其处理效果和活性污泥法差不多，然而产生的污泥膨胀和剩余污泥量少，同时，占地少[8]。

5.2 厌氧生物处理

指利用兼性厌氧菌和专性厌氧菌在无氧或缺氧的条件下降解有机污染物的过程，制浆造纸废水降解的厌氧细菌分为产酸细菌和甲烷细菌，此法能耗低、污泥产率低、对营养盐的需求也低，生成的甲烷气还可作为新能源[9]。

5.3 厌氧-好氧生物处理

即将厌氧处理和好氧处理结合起来（厌氧处理后再进行好氧处理），共同作用于废水污染物的过程。德国Wepa造纸厂用厌氧加好氧的方法处理DIP污水，其厌氧反应器采用IC厌氧反应塔，处理量为4 000 m3/d，进水COD为4 000 mg/L，出水COD为200 mg/L，COD去除率为94.6%[10]。施英乔等[12]采用厌氧(UASB) -好氧(SBR)组合技术对高浓度的APMP制浆废水进行了试验研究。结果发现采用UASB-SBR组合技术可使APMP废水的COD去除率达到90.3%。

5.4 造纸废水处理中的真菌

利用特种微生物净化处理造纸废水是一个很有意义的方向，目前，研究较多的是白腐菌，李雪芝等[11]利用8株不同的白腐菌处理造纸废水，优选出一株可直接应用于造纸废水处理的白腐菌菌株LO2并优化其处理工艺，能降低废水COD含量（降低84%以上）和废水的色度（降低93%以上），并可降低废水的pH值，显示出了良好的工业化应用前景。

6 树脂障碍的生物法控制

树脂障碍已成为造纸工业日益突出的问题之一，生物技术在解决树脂问题方面的研究近年来成为了热门的课题，利用生物技术处理树脂问题主要集中在利用酶（脂肪酶）和真菌控制树脂障碍。

脂肪酶处理纸浆，通过纸浆的制浆造纸中产生树脂障碍的有害组分之一——甘油三酸酯的水解达到控制树脂沉积的目的。真菌中的具有降解树脂能力的蓝变菌作用于木片能有效地除去树脂，其适用于制浆前的木片预处理，同时，用其处理白水，能降低白水中树脂的含量，有效抑制树脂沉积物的产生[12]。Irie等在1990年提出利用脂肪酶减少磨木浆中树脂障碍的产生。随后，使用脂肪酶控制树脂障碍问题这一技术首次在日本许多磨木浆厂获得实际应用并得到相应推广。

7 结束语

生物技术以其独特的优势和强劲的发展获得了人们的青睐，生物技术虽然在制浆造纸工业例如生物制浆、生物漂白、生物脱墨、树脂障碍控制、纤维改性等诸多方面都有涉及，都是人们研究的热点，然而离工业化的大范围推广还很远。要加大生物技术在制浆造纸工业各方面作用机理的深度研究，为工业化生产提供理论支点，生物技术对于解决造纸工业面临的诸如原料短缺、环境污染、能耗过高的潜力巨大，生物技术与造纸工业的结合将会越来越紧密。

[1]姚光裕.用基因重组技术改良造纸用材品种[J].纸和造纸,2001(2):11-12.

[2]姚光裕.生物技术在造纸用材基地林中的应用[J].中华纸业,1999(3):38-39.

[3]姚光裕.生物技术在木材制浆工业中的应用前景[J].林业科技通讯,1999(12).

[4]谢来苏.制浆造纸的生物技术[M].北京: 化学工业出版社,2003.

[5]艾红英.废纸脱墨在造纸工业中的发展[J].湖北造纸,2007(1):14-15.

[6]JEFFERES T W,KLUNGNESS J H,SYKES M S,et al.Comparison of enzyme enhanced with conventional deinking of xerographic and laser printed paper[J].Tappi J,1994,77 (4): 173-179.

[7]伍健东.纸浆造纸废水的生物处理技术[J].造纸科学与技术,2002,21(1):34-36.

[8]楚广诣.制浆造纸废水生物处理的研究进展[J].西南造纸,2006,35(5):16-17.

[9]武书彬,梁文芷.光合细菌处理尾叶桉CMP制浆废水的初步研究[J].纤维素科学与技术,1995,3(2): 41

[10]崔延龄.福建南纸赴欧考察制浆造纸污水处理[J].中国造纸,2001,20(3): 58

[11]李雪芝,赵建,阎飞,等.白腐菌处理草浆造纸废水研究[J].中国造纸学报,2005,31(12):23-26

[12]王旭,詹怀宇.树脂障碍生物控制技术发展.中国造纸[J].2001(6).