木聚糖酶在速生杨制浆过程中的应用研究

论文摘要

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%ISO2.3%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%ISO1.2%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%ISO1.9%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°SR12.0°SR和0.5°SR6°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%ISO3.1%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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 前言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 我国植物纤维原料结构现状
• 1.1.2 我国造纸工业面临的环保压力
• 1.1.3 节能降耗技术的迫切性
• 1.2 速生杨制浆造纸性能
• 1.2.1 制浆技术的研究进展
• 1.2.2 三倍体毛白杨制浆造纸性能
• 1.2.3 窄冠型系列杨树制浆造纸性能
• 1.2.4 枝桠材在造纸方面的应用
• 1.3 纸浆清洁漂白技术的应用
• 1.3.1 氧脱木素
• 1.3.2 二氧化氯漂白
• 1.3.3 过氧化氢漂白
• 1.4 生物技术在制浆中的应用
• 1.4.1 生物制浆
• 1.4.2 生物漂白
• 1.4.3 废纸酶法脱墨
• 1.4.4 生物处理制浆工业废水
• 1.4.5 纸浆酶法改性
• 1.4.6 树脂障碍控制
• 1.5 木聚糖酶的应用技术
• 1.5.1 木聚糖酶的生化特性
• 1.5.2 木聚糖酶的催化机制和特性
• 1.5.3 木聚糖酶在纸浆漂白中的应用
• 1.5.4 木聚糖酶辅助漂白机理
• 1.5.5 木聚糖酶的影响因素
• 1.6 本论文的研究目的、意义及主要研究内容
• 1.6.1 研究目的和意义
• 1.6.2 本论文的主要研究内容
• 第二章 速生杨纤维特性观察和化学成分分析
• 2.1 实验
• 2.1.1 设备
• 2.1.2 原料
• 2.1.3 化学药品
• 2.1.4 生物结构样品制备
• 2.1.5 切片
• 2.1.6 用于生物结构观察的制片
• 2.1.7 用于纤维形态观察的制片
• 2.1.8 显微镜观察
• 2.1.9 纤维质量参数的样品制备
• 2.1.10 纤维质量参数的测定
• 2.1.11 化学成分分析样品制备
• 2.1.12 分析测试
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 速生杨树干和枝桠材的生物结构和纤维形态
• 2.2.2 速生杨树干和枝桠材的纤维形态
• 2.2.3 速生杨树干和枝桠材的化学成分
• 2.3 本章小结
• 第三章 木聚糖酶预处理对速生杨高得率浆磨浆的作用
• 3.1 实验
• 3.1.1 原料
• 3.1.2 制浆工艺流程（实验室）
• 3.1.3 木片预处理
• 3.1.4 挤压疏解
• 3.1.5 化学预处理
• 3.1.6 磨浆
• 3.1.7 磨浆后处理
• 3.1.8 酶预处理
• 3.1.9 打浆
• 3.1.10 抄片
• 3.1.11 纸浆性能指标检测
• 3.1.12 纤维特性的分析
• 3.1.13 环境扫描电镜观察
• 3.1.14 原子力显微镜观察
• 3.1.15 X 射线衍射分析
• 3.1.16 红外光谱分析
• 3.1.17 磨浆能耗计算
• 3.1.18 木聚糖酶酶活测定
• 3.1.19 酶制剂特性确定
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 磨浆过程中木聚糖酶预处理对欧美杨和美洲黑杨APMP 浆性能的影响
• 3.2.2 木聚糖酶预处理对意大利黑杨枝桠材P-RC APMP 浆磨浆能耗和纸浆性能的影响
• 3.2.3 酶预处理对混合速生杨P-RC APMP 浆磨浆能耗和纸浆性能的影响
• 3.2.4 纤维特性分析
• 3.2.5 扫描电镜分析
• 3.2.6 原子力显微镜分析
• 3.2.7 X 射线衍射分析
• 3.2.8 速生杨酶处理浆的红外光谱分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 木聚糖酶预处理对速生杨高得率浆打浆的作用
• 4.1 实验
• 4.1.1 原料
• 4.1.2 P-RC APMP 制浆工艺流程（实验室）
• 4.1.3 木片预处理
• 4.1.4 挤压疏解
• 4.1.5 化学预处理
• 4.1.6 磨浆
• 4.1.7 消潜处理
• 4.1.8 酶预处理
• 4.1.9 打浆
• 4.1.10 抄片
• 4.1.11 纸浆性能指标检测
• 4.1.12 纤维特性分析
• 4.1.13 环境扫描电镜观察
• 4.1.14 原子力显微镜观察
• 4.1.15 X 射线衍射分析
• 4.1.16 木聚糖酶酶活测定
• 4.1.17 酶制剂特性确定
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 酶预处理对速生杨APMP 浆打浆性能的影响
• 4.2.2 酶预处理对混合速生杨P-RC APMP 浆打浆性能的影响
• 4.2.3 酶预处理对意杨枝桠材 P-RC APMP 浆打浆性能的影响
• 4.2.4 酶预处理对速生杨 BCTMP 浆打浆性能的影响
• 4.2.5 纤维特性分析
• 4.2.6 扫描电镜分析
• 4.2.7 原子力显微镜分析
• 4.2.8 X 射线衍射分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 速生杨高得率浆的木聚糖酶法改性
• 5.1 实验
• 5.1.1 原料
• 5.1.2 酶处理
• 5.1.3 打浆
• 5.1.4 抄片
• 5.1.5 纸浆性能指标检测
• 5.1.6 动态滤水时间测定
• 5.1.7 浆料pH 值的测定
• 5.1.8 浆料Zeta 电位的测定
• 5.1.9 细小纤维含量的测定
• 5.1.10 细小组分留着率的测定
• 5.1.11 AKD 中性施胶
• 5.1.12 纤维特性的分析
• 5.1.13 环境扫描电镜观察
• 5.1.14 木聚糖酶酶活测定
• 5.1.15 酶制剂特性确定
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 酶处理对速生杨APMP 浆光学性能和物理性能的影响
• 5.2.2 木聚糖酶处理对APMP 浆的助滤性能的影响
• 5.2.3 木聚糖酶处理对速生杨APMP 浆的助留性能的影响
• 5.2.4 纤维特性分析
• 5.2.5 扫描电镜分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 速生杨化学浆漂白中的生物处理
• 6.1 实验
• 6.1.1 原料
• 6.1.2 浆料pH 值的测定
• 6.1.3 酶预处理
• 6.1.4 漂白方法
• 6.1.5 抄片
• 6.1.6 纸浆性能指标检测
• 6.1.7 环境扫描电镜观察
• 6.1.8 红外光谱分析
• 6.1.9 紫外光谱分析
• 6.1.10 木聚糖酶活的测定
• 6.1.11 酶制剂特性确定
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 速生杨硫酸盐制浆工艺条件优化
• 6.2.2 木聚糖酶预处理对速生杨KP 浆DP 和HP 漂白结果的影响
• 6.2.3 木聚糖酶预处理对速生杨木Soda-AQ 浆TCF 漂白的影响
• 6.2.4 扫描电镜分析
• 6.2.5 速生杨酶处理浆的红外光谱分析
• 6.2.6 速生杨酶处理化学浆的紫外光谱木素含量分析
• 6.3 本章小结
• 结论与展望
• 结论
• 创新
• 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢