酶在制浆造纸工业中应用及其进展

随着酶技术的发展，酶在制浆造纸工业中的应用越来越广泛。该文介绍了酶在日本制浆造纸工业中控制胶粘物、脱墨、改善纸张质量和提高纸机运行效率等方面的应用及其进展，其中包括应用于以废纸为原料的纸张生产中降低黏性、改善白度和尘埃度并已获得良好效果的酶组合处理技术。

1 前言

很早以前人们就已开始研究酶在造纸领域的应用。酶的应用技术涉及到造纸的各方面，主要以机械浆和化学浆中的硫酸盐纸浆为对象进行了酶应用的研究，同时研究了酶在废纸为原料的纸种生产中清洗剂配方、脱墨剂以及胶粘物控制剂方面的应用。因为酶具有基质特异性，只要很少的量就能专门作用于作为目标的成分，因此如果酶能有效作用于纤维和夹杂物，就可以期待取得较好的效果。表1列出了酶在制浆造纸工业中的应用。

表1 酶在制浆造纸工业中的应用

2 酶在胶粘物控制及脱墨中的应用

2.1 酶在胶粘物控制及脱墨中应用的问题点

为了减少环境污染和节约资源，造纸行业最近几年一直在推进提高废纸利用率，增加脱墨浆和损纸浆的配比以及提高造纸用水封闭循环的程度。此外，受信息数字化进步等影响，越来越难获得质量好的废纸，使用好含夹杂物较多废纸的必要性正在提高。在此背景下，由于来自废纸原料的夹杂物的增加，造纸生产中的微细纤维的量正日益增加。

如果要将废纸中的胶粘物和油墨作为酶的处理目标，由于处理目标与纤维、微细纤维、灰分和淀粉黏附混合在一起，酶的作用效果将变差，在改质方面很难显示出充分的活性（图1）。

图1 废纸中的胶粘物和油墨示意图

2.2 酶在胶粘物控制、脱墨中应用的概念

为了提高作用于胶粘物与油墨的酶的接触效果，必须先同时使用多种作用不同的酶除去附着在胶粘物、油墨上的物质。根据这一概念，进行了PC7420和PC7421这2种酶制品的组合处理技术的研究。其中：PC7420由多种酶配制而成，具有剥离附着在胶粘物、油墨上的各种物质的作用；PC7421是能很好地分解聚丙烯酸酯类和乙烯醋酸乙烯基类胶粘物、油墨酯键的酶。

通过使具有剥离作用的PC7420作用于附着在浆料中胶粘物上的微细纤维等物质，将其除去，用具有分解酯作用的PC7421有效地与胶粘物、油墨作用（图2）。同时，为了充分发挥PC7420的剥离作用，并使酶均匀地定着于胶粘物上，还需要剪切应力。

图2 PC7420/PC7421组合使用时的酶作用示意图

2.3 采用PC7420/PC7421组合处理技术对胶粘物黏性的作用

试验方法：将标签粘纸（其中的粘接剂为丙烯酸异辛酯和丁基丙烯酸酯共聚物）离解混合，做成纸浆（搅拌纸浆，处理时间为1 h），在加热到40℃的水中加入纸料和规定量的酶，将试验板（聚苯乙烯制）固定在搅拌翼上，使纸浆在搅拌下与试验板接触10 min，将黏附的胶粘物染色，用目视和称重方法确定胶粘物的黏附量（当原料中的胶粘物较少，无法进行质量比较时，用从染色后的胶粘物抽提染料的溶剂吸光度进行比较）；另外，以未用酶处理的纸浆胶粘物黏附量为空白，与酶处理纸浆的胶粘物黏附量进行比较。表2为不同酶处理方案的酶用量，图3为酶对废纸浆胶粘物黏附量的影响。

试验结果显示：用PC7420单独处理时胶粘物的黏附量与未处理纸浆相比，基本没有变化；用PC7421单独处理时，黏附量有所减少；PC7421和PC7420组合处理时，黏附量大幅度减少。

表2 试验中酶的用量

图3 酶对废纸浆胶粘物黏附量的影响

接着，进行含夹杂物的废纸浆的试验，用PC7420/PC7421组合处理板纸厂的纸浆，用与上述测试废纸浆的胶粘物黏附量的同样方法，测试含夹杂物废纸浆的胶粘物黏附量。对黏附在测试板上的胶粘物进行染色后，用显微镜观察，情况如图4所示，抽提染料的溶剂的吸光度测定结果如图5所示。

从上述2种试验的结果来看，用PC7420/PC7421组合处理，黏附在测试板上的胶粘物量均减少，还有望降低含夹杂物较多的纸浆胶粘物的黏性。

图4 试验板上附着的胶粘物显微镜照片

图5 酶组合处理对含夹杂物废纸浆胶粘物黏附量的影响

2.4 采用PC7420/PC7421组合处理技术的胶粘物在热压时的性质变化

在降低纸张水分的烘干工序中，软化或溶解的胶粘物在湿纸中产生凝聚和移动，黏性增大的胶粘物在造纸器材上变得容易露出，引发各种障碍。针对酶处理后的胶粘物加热时的性质变化，用板纸厂的浆料，采用《纸浆中黏性胶粘物定量法（JIS P 8231 2006）》进行确认。在纸浆中添加规定浓度的酶，在温度40℃条件下处理1 h后，过滤、回收含胶粘物的筛选残渣。对残渣进行热压处理，测定热压处理后转移到滤纸背面的胶粘物面积（表3）。

由表3可见，采用PC7420/PC7421组合处理方案的向滤纸转移的胶粘物量在加热时呈下降趋势，可以期待在烘干工序能抑制胶粘物成分转移并暴露在纸面上。

表3 采用PC7420/PC7421组合处理技术的胶粘物热压试验结果

2.5 采用PC7420/PC7421组合处理技术脱墨

为达到用气浮法高效脱墨的目的，增加油墨疏水性，提高在气泡上的附着效率非常重要。与胶粘物一样，油墨上也附着了微细纤维和淀粉，降低了油墨的疏水性，成为气浮效率降低的重要原因之一。PC7420/PC7421组合处理技术在脱墨过程中能除去油墨上的附着物，具有分解油墨的作用，有望提高油墨的疏水性。

依据日本TAPPI《纸和浆测试方法No 39（废纸脱墨试验方法）》，开展了PC7420/PC7421组合处理技术的实验室试验。脱墨试验条件如表4所示，有效残余油墨浓度（ERIC）等试验结果如表5所示。

由表5可见：即使PC7420单独使用，也可以看到白度、尘埃数的改善；采用PC7420/PC7421组合处理时，白度进一步提高，尘埃数进一步减少。通过脱墨过程中酶的利用，可以期待在提高脱墨性的同时，还能降低胶粘物黏性，通过PC7420/PC7421组合处理，可以解决上述2方面的问题。

表4 脱墨试验条件

表5 脱墨试验结果

2.6 PC7420/PC7421组合处理技术在胶粘物控制和脱墨应用中的总结

采用PC7420/PC7421组合处理技术的条件推荐如表6所示。

PC7420/PC7421组合处理技术降低了胶粘物的黏性，提高了废纸的脱墨性（白度上升，尘埃数减少）。在组合处理技术中，具有剥离废纸夹杂物作用的PC7420和具有分解废纸浆中胶粘物和油墨作用的PC7421协同作用更容易提升处理效果。废纸中的胶粘物和油墨的附着状态因废纸的不同而不同，根据需要通过控制2种酶的使用比例，以有效发挥酶的作用。另外，因由酶产生的作用与在胶粘物上吸附并通过离子性起分散效果为主要功能的凝聚剂的作用不同，与凝聚剂并用还能有望改善酶的作用，下一步将通过上机收集验证数据。

表6 采用PC7420/PC7421组合处理技术的条件

3 酶在改善纸张质量和提高纸机运行效率中的应用

3.1 兼顾提高脱水性和匀度

为了提高生产效率，使用了以聚丙烯酰胺为代表的聚合物类助滤助留剂，这些助滤助留剂通过产生适度的絮团提高了滤水性、脱水性、干燥性和留着率，但因过度添加等情况，有时会发生纤维过度絮聚，脱水性变差，匀度恶化，甚至纸张强度降低，对纸机运转和纸张质量产生不利影响。

而采用酶处理剂EN8251处理纸浆，可分解对滤水性产生不利影响的胶体状纤维素，而对匀度和纸的强度几乎没有影响。但是需要注意，如果酶添加量太多的话将会降低纤维强度。

图6显示了用EN8251处理纸浆的效果。试验条件如下：纸浆为瓦楞废纸浆，纸浆稀释至质量分数0.8%，制成手抄片，抄纸pH＞7.0；酶质量分数为2.4%（以纸浆的质量为基数计），温度为40℃，作用时间为1 h。

由于EN8251没有提高留着率的作用，使用后不会发生使用传统聚合物类助留助滤剂的匀度下降等质量和纸机运转恶化问题，甚至组合使用还具有提高滤水性的实用性，即利用聚合物和酶2种不同作用机理的滤水剂组合，能进一步改善滤水性、留着率、匀度和纸张强度，今后将在纸机上收集验证数据。

图6 酶处理剂EN8251对滤水和匀度的影响

3.2 促进打浆时的纤维帚化

众所周知，通过事先用纤维素酶处理纸浆再进行打浆，用同样的打浆能耗能提高纸的强度。这是因为纤维素酶使纤维表面部分地分解，促进了打浆时的帚化。通过酶处理促进打浆，可以降低打浆用电量，提高纸张强度。

此外，因增加了纤维帚化，抑制了对纤维的切断损伤，在获得同样强度的情况下，可以使用相对较长的纤维，增加纸张的柔软性。

用添加酶处理剂，改变打浆时间调制成纸浆，制成手抄片，作为柔软性指标，将测得的杨氏模量与内部强度进行对比。

图7为添加酶处理剂EN8250打浆的纸张质量。试验条件如下：纸浆为漂白硫酸阔叶木浆（LBKP），用纳式打浆机（Niagara Beater）打浆并将纸浆稀释至质量分数0.8%，制成手抄片，抄纸pH＞7.0；酶质量分数为300×10-6（以纸浆的质量为基数计），温度为40℃，作用时间为1 h；以使用的未经酶处理的纸浆的纸张杨氏模量为100的相对值。

用酶处理并降低打浆能耗调制的纸浆与未经酶处理的纸浆相比，在相同强度时纸的杨氏模量较小，柔软性更佳。

4 结束语

图7 添加酶处理剂EN8250打浆的纸张质量

本文介绍的酶及其特点见表7。

酶在制浆造纸中作用的发挥受到作用时间、温度和pH等条件的限制，往往制约了酶的使用效果。今后在摸索酶系列作用的同时，将研发与聚合物的组合处理技术，进一步提高酶的使用效果，以改善纸张质量，降低生产成本，提高纸机运行效率。

表7 酶及其特点