造纸系统中的微生物控制

罗灵芝 王建华 邱振权 王 斌

(1. 华南理工大学，广东广州，510640;2. 浙江永泰纸业集团股份有限公司，浙江杭州，311421;3. 纳尔科(中国)环保技术服务有限公司，上海，200062)

为了解决纤维原料供需矛盾突出的问题，废纸浆使用量逐年增加。据中国造纸协会调查资料，2011年全国纸浆消耗总量为9044 万t，其中废纸浆消耗总量为5660 万t，占62%。与漂白化学浆相比，回收的废纸浆中含有较多的微生物及微生物生长所需的营养物质。在封闭的白水循环系统中，这些微生物大量滋生，容易造成一系列问题［1－3］，如形成腐浆引起断纸，腐蚀设备，降低助剂使用效果，产生纸张斑点、破孔，严重影响纸机运行性能和成纸质量等问题。为了解决这些问题，除对系统进行定期清洗外，合理地使用防腐杀菌剂是解决造纸系统中微生物污染的重要途径。但是，目前有关造纸用防腐杀菌剂的研究报道还较少，而纸机微生物控制又相当复杂，涉及微生物学、分析化学、制浆造纸工艺学等多个专业，是一门综合性的科学。因此，系统、准确地分析造纸过程中微生物的状况至关重要。

本文将从造纸系统中常见微生物种类和性质、微生物检测方法、造纸系统微生物繁殖状况、微生物控制需注意的问题等角度，探讨了如何做才能更好地对造纸流程中微生物污染问题进行预防和控制，并列举实例进行说明。

1 造纸系统中常见的微生物种类

微生物是分布最为广泛的生命形式，几乎分布到地球上的所有环境中。造纸系统为微生物生长提供了充分的食物，例如:纤维、淀粉等碳水化合物、硫酸铝、高分子聚合物、胶乳、水分等。造纸流程中的微生物主要包括细菌(Bacteria)、真菌(Fungi)以及藻类(Algae)。

1.1 细菌

1.1.1 好氧菌(Aerobic Bacteria)造纸系统中的绝大部分微生物都为好氧菌。常见的有假单胞菌属(Pseudomonas)、芽孢杆菌属(Bacillus)、丝状细菌(filamentous bacteria)、白硫菌属(Beggiatoa)等。假单胞菌属和芽孢杆菌属经常与纤维、碳水化合物及填料交杂在一起，产生黏泥。

1.1.2 厌氧菌(Anaerobic Bacteria)

厌氧菌生长在无氧环境中，多活跃在造纸流程中搅拌效果不好的区域，如浆槽死角、管道拐角，并且会因过程能效低而产生挥发性脂肪酸，产生味道。厌氧菌很容易腐蚀设备，如硫酸根还原菌(Sulfate－Reducing Bacteria)可将硫酸根还原成硫化氢，产生味道的同时会引起腐蝕［2］;梭菌属(Clostridium)通过产生有机酸也会对造纸设备产生腐蚀。

1.1.3 兼性菌(Facultative Aerobes)

兼性菌既可生长在有氧的环境也可生长在无氧的环境，如肠杆菌属 (Enterobacter)、大肠埃希氏菌(Escherichia coli)等。

上述大多数细菌在中性或微碱性条件下生长，特殊时候，一些细菌为了抵御恶劣的环境还会形成芽孢，这种芽孢是特定环境下形成的休眠体，可以对抗干燥、高温、化学药品等，当所处环境利于生长时，这些芽孢便会萌发生成细胞，是很难处理的一类微生物。

1.2 真菌

真菌喜欢生长在偏酸性环境中，在造纸系统中发现的真菌主要包括酵母菌和霉菌(常见的是曲霉和青霉)。酵母菌也能够引起黏泥沉积，但一般较细菌产生的黏泥量少。霉菌则会产生菌丝，形成菌丝体，与填料、纤维等物质交织构成污染。

1.3 藻类

藻类一般随清水进入造纸系统，通常生长在有阳光照射的区域，借助光合作用产生氧气，为细菌生长提供丰富的有机营养源。若造纸系统中发现大量藻类，则说明清水处理程度不够。

Blanco 等人对微生物生长的影响因素进行了归纳，如表1 所示［4］。

2 微生物检测方法

2.1 浮游微生物检测

已见报道的微生物检测方法主要有稀释平板计数法(Aerobic Plate Count，APC)、电阻抗法(Impedance method)、快速测试片法(Petrifilm)、三磷酸腺苷检测法(Adenosine Triphosphate，ATP 法)、流式细胞术(Flow Cytometry，FCM)、固相细胞计数法(Solid Phase Cytometry，SPC)、微菌落技术(Bacterial Microcolony)、放射测量法(Radiometric)和多聚酶链式反应法 (Polymerase Chain Reaction，PCR)等。其测定方法及原理如下。

表1 微生物生长的影响因素

(1)平板计数法为国家标准测定法，需要将待测样置于含有一定量培养液的平皿中，恒温培养48 h，然后进行人工计数。

(2)电阻抗法依据细菌在生长繁殖过程中会产生一系列的代谢物质，这些代谢物质会引起培养基中的电惰性物质(如碳水化合物、蛋白质、类脂)转化为电活性物质，从而导致液体培养基阻抗发生变化，通过测量培养基的阻抗变化，即可算出样品中的细菌量。

(3)快速测试片法以纸片、纸膜等作为培养基载体，可以针对检测的目标菌体的不同，在其中附着不同的显色物质，经过一定时间的培养后，在纸片、纸膜上形成相应的特征菌落，人工计数即可。

(4)三磷酸腺苷检测法的测定原理是基于虫光素酶只有在ATP 存在时才会催化虫荧光素产生荧光，并且在特定条件下其荧光强弱与ATP 浓度呈线性关系;而活菌体内都含有ATP，当细菌死亡后，ATP 也很快就会被分解掉，因此通过测定ATP 的浓度即可推算出活菌总数。

(5)流式细胞术利用流式细胞仪对处在快速、直线、流动状态中的单细胞或生物颗粒进行多参数、快速定量分析，同时对特定群体加以分选。

(6)固相细胞计数法是将流式细胞仪和荧光显微镜技术结合使用。

(7)微菌落技术是将待测标本定量接种于醋酸纤维素薄膜上，放于恒温箱中培养，染色后对标本区的微菌落作显微镜计数。

(8)放射测量法的检测基于细菌在其生长繁殖的过程中，利用培养基中加14C 标记的底物代谢，产生14CO2，通过测量14CO2的含量就可以确定细菌数。

(9)多聚酶链式反应则是一种分子生物学技术，可看作是生物体外的特殊DNA 复制。

平板计数法计数准确，广泛沿用至今，但耗时最长，操作较为繁琐。电阻抗法的检测时间和检测结果准确度与细菌数有关，当细菌数大于104cfu/mL 时，测量时间较短，检测结果较准确;而当细菌数小于102cfu/mL 时，检测准确度下降。流式细胞术的最大优点是检测范围广，最低检出限低，能够有效地区分死菌和活菌，并可以同时对其进行计数［5］，然而该方法使用的试剂价格较高，因此该方法在国内很少使用。固相细胞计数法不需要前增菌过程，并且可以检测的细菌种类也很广泛，但也存在检测费用高的问题。微菌落技术本身存在最低检出限局限于103cfu/mL 以上的问题。而放射测量法需要利用专门的仪器来测定放射性，且需用加标14C 底物作培养基，操作难度增加。

相比而言，快速测试片法以其实用、较经济等优点，越来越多地受到工厂和检测部门的青睐。对于细菌总数的检测来说，快速测试片法可将检测时间由国家标准的48 h 缩短至24 h，同时在测试片中加入了显色剂、增强了菌落的目视效果，而且避免了热琼脂法不适宜受损细菌恢复的缺陷。而ATP 荧光检测法虽然其检测试剂价格较贵，且发光反应会受到稀释浓度等因素影响，但由于其仪器简便，测定快捷，也常在工厂作为快速测试片法的辅助参考。Kiuru 等人就曾指出在造纸过程中也可采用ATP 法评估微生物活动［7］。

图1 纸机设备表面生物膜形成过程

2.2 生物膜检测

微生物在造纸过程中以两种形式存在，一种是浮游状态，一种是附着状态。浮游状态的微生物一般情况下不会对生产造成很大影响，但如果这些微生物附着到槽体管道或纸机其他设备上形成聚集体即生物膜，就会逐步引发生产问题，其形成过程可以分为五个阶段(见图1［8］)。

第一阶段:条件层。水系统中的有机物如聚糖类营养物质首先黏附到纸机设备表面，成为微生物繁殖的良好场所。第二阶段:细菌附着。异养细菌附着到条件层上。第三阶段:生物膜形成。附着到条件层表面的细菌在生长代谢过程中不断产生胞外多糖，保护内部细菌的同时，成为进一步吸引其他细菌附着的营养物。第四阶段:生物膜成熟。微生物大量繁殖，生物膜不断增厚。第五阶段:脱落。当生物膜厚度达到一定程度，生物膜内部的细胞由于缺少营养物质开始死亡，生物膜附着力开始下降，在一定的剪切力作用下，这些单个细胞或大的聚集体就逐步脱离纸机设备表面，进入到纸机水系统或纸张上，导致纸张产生斑点、孔洞等。

生物膜检测与浮游细菌有所不同，原因之一在于生物膜中包含的细菌种类往往较多，检测更难也更耗时。

凯米拉公司曾开发出Hedgehog 法对杀菌剂控制生物膜的优劣进行判定。该检测是将平板膜置于纸机系统中进行1 天～14 天充分的污染，然后对杀菌剂作用前后生物膜的活性进行检测，但耗时较长，不能对生产问题立刻进行决策。近年来，凯米拉又新开发出一种PiBa 法，可以对初始生物膜形成进行测定。

其他化学品公司也拥有各自的生物膜检测方法。如赫克力士公司使用Decutec 法通过光散射对生物膜厚度、生长速度和密度进行检测。纳尔科公司采用OxiPRO 法对纸机上的沉积和生物膜的生长情况进行检测。

事实上，对生物膜的生长进行检测并控制固然重要，但在浮游微生物还没有接触纸机表面之前就将其杀死才是解决问题的根本。

3 造纸系统中的微生物繁殖状况分析

在需要快速地解决工厂微生物污染问题时，通常采用显微镜定性分析和微生物快速测试片定量分析相结合的方法，适当配以一定的元素能谱检测。

以某涂布纸板厂的问题涂布纸板为例，其涂布纸板表面人眼迎着光线观察有零星的亚光斑点，排除涂料配方等问题后，怀疑为微生物污染。

首先，对涂布纸板表面进行显微镜观察，400X显微镜下能观测到大量的分叉真菌菌丝，这说明确实存在微生物污染。随后对正常区域纸板和问题区域纸板分别进行能谱分析，结果也证明了这点。因为所有的有机体都需要能量来源以供存活及生长，如碳(C)、氮(N)、磷(P)等。表2 为涂布纸板表面不同区域的C 含量。而从表2 可以看到，与正常区域的C 质量分数79.93%相比，问题区域涂布纸板的C质量分数为69.59%，下降了近10 个百分点，这说明确实有微生物活动。将显微镜下的涂布纸板表面微生物形态与目前已被发现的微生物形态作比较，大致可确认为霉菌，而且很有可能是青霉和地霉。

表2 涂布纸板表面不同区域的C 含量

选取培养霉菌的快速测试片对系统霉菌繁殖状况进行分析。取样点原则上为各个进入系统的源头，如原料、水流、辅料等。按照生产流程，可以选择:浆料卸料塔、纸机浆池、网下白水、填料、涂料、清水等。

由于该涂布纸板共4 层，亦即分为面层浆、衬层浆、芯层浆和底层浆;涂层为3 层，包括面涂、预涂和底涂;面层浆料由木浆和白纸边组成;衬层浆料为100%脱墨浆 (DIP);芯层浆料由混合办公废纸(MOW)和损纸组成;底层浆料为100%白纸边。因而取样点分别为:卸料塔出口的木浆、白纸边、DIP、MOW、损纸;纸机浆池的面浆、衬浆、芯浆、底浆;网下白水的面白水、衬白水、芯白水、底白水;辅料槽的喷淋淀粉、胶乳、表胶、碳酸钙;涂料槽的面涂料、预涂料、底涂料;清水。以霉菌测试片培养后，测定结果见图2。

图2 纸机系统中霉菌繁殖状况

从图2 中不难发现，MOW 和损纸中的霉菌数明显偏高，而由这两个原料组成的芯层浆料也因而霉菌数很高(另外，实验中还以细菌快速测试片对各取样点细菌数进行了分析，MOW 和损纸浆料中细菌数量级也均达到108cfu/mL 以上)。由此也得出了问题的源头所在。这说明，纸机原料中本身的微生物尤其是混合办公废纸和损纸浆中微生物没有控制好，后面虽然会经过烘缸高于100℃的高温，但是霉菌变成了休眠体－霉菌孢子存活了下来，在适宜的环境下，储存一段时间，孢子就会发芽生长，导致纸面亚光斑的出现。

另外，亚光斑主要出现在高定量纸板上这一现象也从另一角度上佐证了上述结论，因为在生产高定量纸板的时候，主要增加的是芯层浆料比例。

因此，加强源头混合办公废纸及损纸的管理、选择合适的防霉杀菌剂对这些废纸浆的微生物进行监控是解决该问题的重要途径。

4 微生物控制需注意的问题

(1)并非所有的泥状沉积和纸张表面斑点都源于微生物污染。需要结合实际生产工艺条件是否发生变化，如硫酸铝或CPAM 是否过量添加、系统pH 值是否波动幅度过大等，以及通过适当地改变杀菌剂用量配以一定的物理化学分析来进行判断。简单地讲，若加入杀菌剂或提高杀菌剂用量，沉积或斑点就消失，则说明微生物污染很有可能是导致这些问题的主要原因，否则需考虑其他因素。

(2)当系统内回用白水细菌数达到107cfu/mL 时，说明在系统内已产生了腐浆及黏着物［9］，需要考虑使用杀菌剂。在杀菌剂的选择上，除根据实际需要如系统霉菌含量过高要考虑使用防霉类杀菌剂外，一般优先选择广谱类杀菌剂，并且应用时还需考虑系统中加入的其他助剂种类、特点，考虑匹配性问题，某纸板厂就曾发生过施胶淀粉与防腐杀菌剂不适合引发结块导致施胶障碍的问题。杀菌剂原则上添加在微生物滋生的各个源头;而添加方式上，辅料配料等槽体中宜连续添加，而湿部造纸系统宜间歇添加。杀菌剂用量需适宜，用量过低起不到应有的效果，用量过高则会导致成本增加并且可能与过程中其他化学品相互作用［10］。

(3)高端纸制品造纸系统中好氧菌数不应超过104cfu/mL，低端纸制品造纸系统中也不应超过108cfu/mL。建议绝大多数纸厂白水中菌数量级控制在106cfu/mL 以下，冷却水中控制在104cfu/mL 以内［11］。另外，清水处理也很关键。尽管处理后的清水中好氧菌数比造纸系统中的低得多，但有报道指出，若清水处理不好，好氧菌数只达到102cfu/mL，也会给纸机带来微生物污染问题［12］。

(4)定期清洗纸机系统可明显减少微生物污染问题。

5 结 语

由于微生物生长的复杂性及造纸生产工艺的多样性，只有首先根据各类微生物适宜生长的环境、微生物形态等定性地对其进行判断，然后再根据现场工艺条件和微生物数量状况，制定相应的杀菌剂应用方案，才能较好地解决微生物污染问题。更前瞻性地来讲，对菌种及菌数进行简单检测后应用杀菌方案可以很快解决一时的污染问题，但做不到一劳永逸。由于造纸是一个动态的过程，在制定好基础的应用方案后，应借鉴助留剂的成功经验，考虑对杀菌剂实行在线连锁控制，实时监控微生物繁殖状况，做到防患于未然。

［1］ HUANG Qi－ran，YANG Wei－he，QIU Mei－jian，et al. Application of Polyhexam Ethylene Guanidine Hydrochloride in Paper Industry［J］.China Pulp ＆ Paper，2011，30(6):32.黄奇然，杨伟和，邱美坚，等. 聚六亚甲基盐酸胍在造纸工业中的应用［J］. 中国造纸，2011，30(6):32.

［2］ Blanco M A，Negro C，Gaspar I，et al. Slime problems in the paper and board industry［J］. Applied Microbiology and Biotechnology，1996，46(3):203.

［3］ ZHUO Wen－yu. The application of bactericide in papermaking［J］.Paper Science ＆ Technology，2011，30(4):64.卓文玉. 造纸杀菌剂的应用［J］. 造纸科学与技术，2011，30(4):64.

［4］ Blanco M A，Negro C，Gaspar I，et al. COST E1 Paper recycling:An introduction to problems and their solutions［M］. Luxembourg:Office of official publications of the European communities，1997.

［5］ Thusitha S G，Paul V A，Duncan A V，et al. A flow cytometry method for rapid detection and enumeration of total bacteria in milk［J］.Applied and Environmental Microbiology，2000，66(3):1228.

［6］ Melvin P，Weinstein S M，Barth Reller L. Comparative evaluation of oxoid signal and bactec radiometric blood culture systems for the detection of bacteremia and fungemia［J］. Journal of Clinical Microbiology，1988，26(5):962.

［7］ Kiuru J，Tukiainen P，Tsitko I，et al. Management of broke handling［C］//Proceedings of zellcheming annual meeting，Wiesbaden，Germany，2008.

［8］ Schenker A P，Singleton F L，Davis C K. Non biocidal programmes for biofilm control in papermachine circuits［C］. Proceedings of Eucepa symposium，chemistry in papermaking，Florence，Italy，1998.

［9］ TANG Jiang－tao，CHEN Jian，YANG Mei，et al. A new biocide for microbiological control in papermaking process［J］. Guangxi Journal of Light Industry，2008(3):28.唐江涛，陈 健，杨 梅，等. 新杀菌剂对造纸过程微生物的控制［J］. 广西轻工业，2008(3):28.

［10］ Casini G. A novel bromine oxidizing technology for microbiological control［J］. Paperi ja puu－paper and timber，2003，85(7):394.

［11］ Ludensky M. Control and monitoring of biofilms in industrial applications［J］. International Biodeterioration ＆ Biodegradation，2003，51(4)，255.

［12］ YANG Ren－dang，CHEN Ke－fu，CHEN Xue－zhi，et al. Biocides:Solve the Microbial Contaminant Problems in Papermaking Process［J］. China Pulp ＆ Paper. 2002，21(2):49.杨仁党，陈克复，陈学志，等. 应用杀菌剂解决造纸过程中的微生物污染［J］. 中国造纸，2002，21(2):49.