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生物技术在竹木制浆造纸的应用

 论文栏目:造纸科技论文     更新时间:2019/12/2 11:28:19   

摘要:随着民众环保意识的不断加强和竹木制浆造纸技术的不断发展,生物技术已经成功应用在脱墨、制浆和漂白过程中。生物技术在竹木制浆造纸领域的应用不仅可以创造经济价值,还能够带来一定的社会效益,尤其在降低能源消耗和环境保护方面发挥着重要作用。介绍了生物技术在竹木制浆造纸中的应用现状,详细论述了生物技术在改良造纸原料、提高磨浆效率、提升漂白效果、扩大油墨脱除范围等方面的应用,并且探讨了竹木制浆造纸废水生物处理的可行性。

关键词:木材;竹木制浆;造纸;生物技术;环境保护;生物工程

传统的化学制浆造纸过程会产生大量的污水和有毒废弃物,对环境危害较大。生物技术在造纸过程中的成功应用,如借助基因重组技术改良造纸原料提高纤维素降低木质素含量、用酶解技术对木浆进行预处理提高打桨效率降低能耗、用生物酶提高漂白效率、废水生物处理技术等,不但可以提高生物质资源的利用率,同时可以减少毒害物质的排放。通过探讨生物技术在竹木制浆造纸中的应用现状、应用效果以及废水处理可行性,为竹木制浆造纸企业提供参考。

1生物技术在竹木制浆造纸中的应用现状

生物技术在竹木制浆造纸过程中的应用虽然起步较晚,但已取得显著成效。20世纪80年代末至80年代初期,技术人员提出将生物技术应用在竹木制浆造纸过程中,但是由于当时生物技术的局限性以及其它条件尚未成熟,相关研究只是局限在实验室阶段,未能进行工业化生产。20世纪90年代末期,我国逐渐加强环境保护措施,同时生物技术在快速发展,一些关键问题取得了较大的突破。此时,生物技术在制浆造纸过程中应用的条件逐渐成熟。目前已经应用在竹木制浆造纸过程中的生物技术有:基因重组改良造纸原料技术、生物制浆技术和生物漂白技术等。生物技术在实际应用中的重点环节在于有效避免“基因突变”的过程中内外因素对遗传物质的影响,这在基因重组改良造纸原料的过程中是变量因素。“基因突变”会对生物技术改良造纸原料效果产生较大的影响。按照现行的生物技术措施来分析,只要突破基因重组的环境因素限制,能够让生物技术实现自由组合与交叉互换基因,对于生物工程技术的应用就能够形成比较理想的技术保障环境。因此,目前从事生物技术研究的团队对于“培养基”的研究基本上都能够最大化地接近真实生产环境,此技术在实践应用上已经比较成熟。

2生物技术在竹木制浆造纸中的应用分析

2.1基因重组技术改良造纸原料

基因重组技术是生物技术的一个重要分支,它是将基因重新组合,然后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效手段。造纸原料的利用率直接影响纸浆的产量,采用基因改良技术来提高造纸原料的利用率,其主要途径是提升木竹等生物原料中纤维素的含量,同时降低木质素含量。这样不仅可以提高纸浆原材料的利用率,降低化学试剂的用量以及毒害物质的排放量,同时也能够提升废纸二次利用的次数,提高纸质资源循环再利用的效率。在前人研究的基础上,英国Zencea公司、比利时Elserive科学公司以及法国的生物细胞研究中心都成功的利用转基因工程研制出了更适合制浆造纸的生物质原料,但是由于技术壁垒,这些技术还没有在国内得到有效应用。

2.2生物技术有效提高磨浆效率

由于常用的硫酸盐制浆法能耗高,20世纪90年代,美国研究人员着力研发一种低能耗的制浆技术,研究发现:利用木聚糖酶对针叶木浆进行预处理后能够显著提升磨浆效率,降低能耗。我国造纸企业借助这种生物技术有效提升了磨浆效率。然而该技术最大的一个制约因素是其只能对原木纸浆进行预处理。我国主要用于造纸的树种多为速生丰产林,与之前这项技术中广泛应用的花旗松、芬兰松、辐射松等材性不同,基于此,国内很多造纸生产企业已经逐步弱化了此项技术的使用。经过科研攻关,国内的造纸企业已经逐步掌握了利用纤维素酶、半纤维素酶对未漂白硫酸盐针叶材木浆进行预处理的相关技术。研究发现利用纤维素酶、半纤维素酶对未漂白硫酸盐针叶材木浆进行预处理,可以软化纤维细胞壁,在提升制浆得率的同时,有效降低磨浆过程中的能耗。

2.3生物技术有助提升漂白效果

前文提到的生物酶促漂白技术是生物技术在制浆漂白过程中的一种应用方式。生物技术在漂白过程中的应用,主要是从硫酸盐制浆步骤入手,采用木聚糖酶对未漂白纸浆进行预处理,不会影响漂白浆的强度,而且白度也能够达到90%。纤维素酶和半纤维素酶能够有效去除木材中的木聚糖,也能够有效降低制浆造纸过程对于环境的污染,但仍需在压滤环节进行环保无污染处理,这样才能切实降低漂白工序对环境的危害。侯红漫等2003年就开启了生物技术在制浆造纸工业中应用的相关研究,并与国内的几大造纸企业进行了联合研究,经过十多年的发展,在基因改良造纸原料上取得了较大的突破。其研究成果表明,在磨浆过程中,添加半纤维素酶,能够让酶解纤维细胞中的半纤维素加速与漂白剂的反应,从而使得木素更容易溶出,达到全面提升漂白后纸浆白度的目的。纸制品的用途不一样,其漂白效果也存在着一定的差异,因此生物技术在漂白过程中的应用也存在着不同标准。

2.4生物技术扩大油墨脱除范围

研究发现,在脱墨环节应用生物技术,可以降低废弃物和废水的排放。数据分析表明,按重量百分比计,所述脂肪酸包括油酸30%~40%、亚油酸5%~10%、硬脂酸9%~15%、棕榈酸25%~35%、豆蔻酸4.5%~10%和月桂酸4.8%~8.5%,这能够最大程度地把紫外光固化油墨、苯胶印刷油墨等较难以清除的油墨借助生物技术完成脱离。广西农业大学微生物技术应用研究所与相关纸制品生产企业联合研究发现,生物技术在脱墨过程中的应用,能够全面降低固化油墨对纸浆所产生的影响,这也在一定程度上提升了纸浆的漂白效果。目前用于脱墨工艺的生物技术成本已经降低,能够降低企业的生产成本,为企业在脱墨环节中应用生物技术奠定了一定的基础。

3竹木制浆造纸废水生物处理

生物技术在废水处理过程中的应用方式主要以生物方式和微生物方式两种最为常见,生物方式是指利用生物降解有效地将废水中的有害物质分解为无害物质;微生物方式是指利用微生物菌群来降解废水中的有害物质。无论是生物方式还是微生物方式,都直接提升了SS的去除率,与传统造纸技术的废水处理措施相比较,COD和SS的去除率都能够超过95%以上,BOD的去除率也能够达到80%,这样降低了造纸废水对地下水源和土壤的污染。在“二沉池”中添加“活性污泥”之后,能够借助生物技术对这些废弃物进行预处理,降低治理成本,同时处理后成分经过加工之后还可以用于其它方面。目前该项技术由于程序复杂,仅在小规模使用。有文献报道,日本早稻田大学微生物技术研究所和美国密歇根大学姜立泉实验室都掌握了这项基因改良技术,但是其技术只能对特定的树种起到较为明显的效果,而对我国造纸常用的速生材效果并不明显。

4结语

生物技术在竹木制浆造纸过程中的应用,极大地缓解了传统造纸技术废弃物的排放所造成的环境压力,同时全面提升了纸浆的纤维含量和品质,是现阶段造纸行业向资源集约化发展的一个方向。近年来,国外相关研究机构在基因重组技术改良造纸原料,采用生物技术提高磨浆效率,提升漂白效果以及扩大油墨脱除范围等方面,均取得了较大进展,但是国外相关生物技术基本处于实验室研究阶段,亟待开展工厂化试验,且适用范围较小,这不适用于我国速生材和竹材等主要的造纸原料。建议国内的研究人员加强相关研究,切实提高生物技术在我国竹木制浆造纸领域的应用水平。

参考文献

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作者:雷海涛 单位:江西科技学院

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