木聚糖酶在速生杨制浆过程中的应用研究

【摘要】：本论文以速生杨为纤维原料,对速生杨树干和枝桠材进行了纤维形态观察和化学成分分析,并进行了比较。研究探讨了不同种木聚糖酶在速生杨酶促磨浆、酶促打浆、酶法改性和辅助漂白等制浆过程中的作用效果,优化了酶处理工艺条件,并对经过和未经过酶处理的纸浆纤维形貌、木素含量和结构的变化进行了分析。 实验结果显示:不同品种速生杨树干材的纤维长度、纤维粗度和长宽比均好于枝桠材。树干材的综纤维素含量均高于枝桠材,树干材的灰分、1% NaOH抽出物、苯醇抽出物和酸不溶木素均低于枝桠材。速生杨枝桠材的纤维特性指标符合制浆条件的要求,可作为造纸原料来开发利用。 在意大利黑杨枝桠材P-RC APMP磨浆过程中,二段磨浆前进行木聚糖酶预处理可以降低磨浆能耗3%~8%,降低后续打浆能耗5%~9%。酶预处理纸浆的白度提高1.0%ISO~2.3%ISO,纸浆的物理性能指标略有变化。三段磨浆前进行酶预处理可以降低磨浆能耗4%~8% ,降低后续打浆能耗5%~13% ,酶处理纸浆的白度提高0.9%ISO~1.2%ISO,纸浆物理强度指标略有提高。三段磨浆前酶预处理的酶促磨浆效果好于二段磨浆前酶预处理;木聚糖酶AU-PE89的酶处理效果好于木聚糖酶51024;木聚糖酶AU-PE89最佳用量为20IU·g-1和30IU·g-1。 在混合速生杨P-RC APMP磨浆过程中,三段磨浆前进行木聚糖酶AU-PE89预处理可以降低磨浆能耗6%~10%,降低后续打浆能耗4%~8%。酶预处理纸浆的白度提高1.7%ISO ~1.9%ISO,裂断长提高2%~18%,撕裂指数提高8%~11%,耐破度提高3%~27%,耐折度提高50%。木聚糖酶AU-PE89较适宜的用量为20IU·g-1和30IU·g-1。 在速生杨APMP浆和P-RC APMP浆的打浆过程中,木聚糖酶51024预处理APMP浆的打浆能耗下降10%~18%,纸浆白度提高2.2%ISO,裂断长提高10%,撕裂指数提高10%,耐破指数提高21%,耐折度提高50%。酶预处理P-RC APMP浆的打浆能耗降低10%~17%,白度提高1.9%ISO,裂断长提高9%,耐破指数提高12%,耐折度提高75%。 在意大利黑杨枝桠材P-RC APMP浆的打浆过程中,木聚糖酶51024预处理明显改善纸浆的打浆性能,打浆能耗降低22%~40%。酶处理纸浆的白度提高1.7%ISO,裂断长提高6%,撕裂指数提高7%,耐破指数提高4%,耐折度提高67%,返黄值降低。 用木聚糖酶AU-PE89对速生杨APMP浆进行预处理可明显改善纸浆的滤水性,经过和未经过打浆的纸浆打浆度分别降低3.0°SR~12.0°SR和0.5°SR~6°SR,酶处理纸浆的撕裂指数提高3%~16%,返黄值降低4%~15%,纸浆白度、裂断长和耐破指数略有变化。高用量下酶处理效果较好。酶处理纸浆的戊聚糖含量降低1.64%,纤维素含量和Klason木质素含量相对提高。 木聚糖酶AU-PE89可以改善速生杨APMP浆的滤水性能和留着性能,助留助滤作用明显。木聚糖酶AU-PE89最佳助滤条件为:pH值7.0,酶用量1.5IU·g-1,温度45℃,时间30min和浆浓0.5%。此处理条件下,速生杨APMP浆的打浆度下降4.5oSR,动态滤水时间t3缩短2.8s,Zeta电位(负值)降低0.6mv,细小组分留着率提高61.3%,AKD施胶效果略有上升。 木聚糖酶AU-PE89辅助漂白效果好于AU系列木聚糖酶。对于速生杨KP浆HP和DP短程序漂白,木聚糖酶AU-PE89预处理可以提高漂白浆的白度1.1%ISO~3.1%ISO,当混合速生杨KP浆漂白至相近白度时,节省漂白药剂用量14%~33%。 对于速生杨NaOH-AQ浆,增加木聚糖酶处理段的(OO)DXP和(OO)XDED两种ECF漂白程序可使速生杨NaOH-AQ浆漂白至85%ISO以上的白度,其中(OO)XDED漂白程序可使纸浆白度达到88.8%ISO。TCF漂白程序(OO)QXP可获得80%ISO以上的白度。 纤维质量分析仪分析结果表明,经过木聚糖酶处理的速生杨APMP浆和P-RC APMP浆的纤维长度增加,纤维宽度和细小纤维数量减小,纤维扭结指数增大,这有利于提高纸浆物理强度。 在扫描电镜下观察,未经过木聚糖酶处理的纸浆纤维比较挺硬,细小纤维较少,纤维分丝帚化程度较低。经过酶处理的纸浆纤维较柔软,纤维表面有较多凹陷,出现分丝帚化现象,木聚糖酶能够使纤维细胞壁变得疏松,使纤维柔软松散,易于磨浆和打浆。 原子力显微镜观察表明,木聚糖酶处理的速生杨纸浆纤维表面微细纤维纹理清晰,纤维表面较粗糙,凸凹程度增加,纤维表面部分木聚糖被木聚糖酶降解,更多微细纤维裸露,纤维更容易产生分丝帚化,这是木聚糖酶处理能降低磨浆和打浆能耗,提高纸浆白度和物理强度的原因。 X射线衍射表明,酶处理使纤维素结晶度有所提高。红外光谱显示,经过木聚糖酶处理的纸浆羟基增加,木聚糖含量有所降低,部分木素溶出,纸浆易于润胀,水化程度提高,纸浆白度增加。