中国造纸学报 2008 增刊中国造纸学会第十三届学术年会论文集生物酶用于混合办公废纸脱墨的研究龙柱谢慧平龙玉峰(江南大学无锡 214122)摘要：本论文研究了纤维素酶、淀粉酶、纤维素酶淀粉酶用于混合办公废纸的脱墨工艺。结果表明：纤维素酶和淀粉酶对处理混合办公废纸都具有较好的脱墨效果，且随着酶用量的增加白度提高，尘埃度下降，当到达一定值时会有下降的趋势；纤维素酶在处理 MOW 的适宜脱墨工艺为：碎浆浆浓10，碎浆时间 45min ，碎浆温度50C，浮选时间 lO 15min ，浮选温度 40 50，浮选浆浓1，浮选时脱墨剂用量 0 1；少量淀粉酶的加入能够降低纤维素酶的用量，达到较好的脱墨效果。关键字：酶法脱墨混合办公废纸纤维素酶淀粉酶1 引言混合办公废纸 (M0w) 包括激光打印纸和静电复印纸等，被认为是较高质量的纤维来源噜1，随着办公现代化程度的提高，这类废纸的数量不断增加。与ONP 或 ONP 0MG 不同，这种纸浆除含有较高质量的化学纤维外，还含有来自印刷中的静电或激光油墨，此外较多的涂布胶黏剂、颜料、填料和有色杂质等使该废纸的回用面临严峻的挑战，同时在用其生产较高级的印刷纸和薄页纸时，也遇到了来自各方面的压力。静电复印墨粉是由碳黑颜料和熔点低、热敏性高、韧硬的热塑性聚合物(如甲基丙烯酸丁酯和苯乙烯的共聚体)混合而成。它们在室温下是非黏性的，但在70 120。C 时会熔化，在高温下能与纤维熔和在一起，熔和时这些热塑性的树脂连接料交联在一起形成印刷膜。这些交联体系结合非常紧密，常规化学脱墨法对降低油墨粒子尺寸效率不高，而酶脱墨法是解决这个问题的好办法。目前，用于脱墨研究的酶制剂有脂肪酶、酯酶、淀粉酶、半纤维素酶和木素降解酶，其中大多数使用纤维素酶。纤维素酶通过改变纤维表面或油墨粒子附近的连接键使油墨分离出来，然后将其用洗涤法或浮选法除去。纤维素酶不是单一的酶组分旧1，而是复合酶系， 包括 1，4一B D-葡聚糖纤维二糖酶 (EC32191；CBH)、内切一 1，4 一 B D 一葡聚糖酶 (EC3214；EG)和纤维二糖水解酶 (EC3 2 1 21：CB)。纤维素酶水解纤维素物质成为葡萄糖是CBH、EG和CB 三种组分协同作用的结果。内切酶随机地作用于纤维内部的无定形区，切断纤维素链。外切酶作用于纤维素链的非还原性末端基，逐步地游离出纤维二糖。内切酶单独存在时，不能分离结晶纤维素，外切酶单独存在时，破坏结晶的能力亦不强，但是，当这两种酶共存时，具有较好协同作用，对结晶纤维素有强烈的破坏作用。用淀粉酶作用于混合办公废纸，使其中的淀粉水解，从而有助于附着在纤维表面上的油墨粒子的脱除。影响酶法脱墨的因素有很多，包括废纸和油墨的特性、酶的类型和性质及酶法脱墨的86中国造纸学报 2008 增刊中国造纸学会第十三届学术年会论文集操作条件等。其中，因酶分子是生物分子，本身易受温度、pH 值及其它化学和物理因素的影响而发生活性的变化，因此必然影响脱墨效果。基于以上考虑，本文使用淀粉酶与纤维素酶协同脱墨处理混合办公废纸，通过实验讨论工艺条件对酶法脱墨效果的影响。2 实验21 实验原料实验用 MOW 选用办公用废静电复印纸和激光打印纸的混合废纸。使用前先将其撕成约15 毫米 15 毫米的纸片，用自封塑料袋密封22 实验药品纤维素酶 (酶活 15， 0001Ug)、淀粉酶 (酶活3 5 天用以平衡水分，备用。2，000IU g)，商品化学脱墨剂、NaOH、Na2Si03、 EDTA、H202。23 仪器设备ZQS。型水力碎浆机、 ZQSto 型浮选脱墨机、 DNS 型电热恒温水浴锅、 GBJ A 纤维标准解离器、 HB43 水分快速测定仪、甩干机、 ZQJl-B-II型纸样抄取器、 WS-SD s d 色度白度计、 hp psc21 10 扫描仪。24 实验步骤本实验采用浆浓 10高浓碎浆，根据造纸工厂实际情况和酶最适宜温度环境，选择酶处理温度为 50C-55C、浮选温度为 40。 C-50。实验具体操作如下：碎浆：称取绝干浆 2009 ，在碎浆机中加入 50C 热水 2L，将纸片逐渐加入高浓水力碎浆机，并逐步提高碎浆机转速，以免转子被纸片卡住，但同时也要避免纸料溅出碎浆机，加完纸片的同时，按实验设定用量加入酶，增大转速至20 Hz，按设定时间进行碎浆。浮选：加热水调节浆浓至1移入浮选槽，控制浮选温度40 50C，同时加入浮选剂，调节压强为0 5 千帕，气速0 62 升分，进行10 15 分钟浮选。洗涤浓缩：用自来水反复冲洗布袋中脱墨浆料，经甩干机脱水，测脱墨浆含水量。纤维解离：称取绝干浆，调成浆浓1 5，在转数5000r P m、常温下用纤维标准解离器解离。抄片：将脱墨浆打散后，稀释至0 4 0 5的浓度，按60 克米 2 定量抄纸片。25 脱墨效果测量本实验通过对脱墨浆抄片，测其白度、尘埃度，按照油墨脱除率即尘埃度下降判断脱墨效果，其中：白度增益 =白度脱墨浆一白度空白，( ISO)脱墨率 ()=(尘埃度空白一尘埃度脱墨浆)尘埃度舶， (毫米 2克 )纸浆物理性能测定方法参见最新国标。87中国造纸学报2008 增刊中国造纸学会第十三届学术年会论文集3 结果与讨论31 酶用量对MOW 脱墨效果的影响9290 r易 88孚 86釜 st 82002 0 025 0 03 0 035 004纤维素酶用量一 JJ0045 0 05 0 055剥矧10。 。 1。一002 0 025 0 03 0 035 004 0 045纤维素酶用量图 l 纤维素酶用量对自度增益的影响图2 纤维素酶用量对尘埃度的影响从图 l 和图 2 可以看出，纤维素酶用量达到003 (质量对绝干浆，下同)时达到最高白度和最低尘埃度，之后白度下降、尘埃度升高。这表明酶用量并非越大越好，而是有一个最佳值。纤维素酶的水解作用，首先发生于两个部位：一是纤维结构无规则区域，如纽结 (node) ，二是比表面积大的细小纤维组分。印刷过的纸页，有油墨处的纤维受力不同于无字迹的纤维，油墨边界处纤维的某些部位发生形变，成为类似于结状的结构(node likestructure)n ，这些部位是纤维素酶优先进攻的部位，这种进攻对脱墨是有利的。细小纤维组分存在于纤维表面和浆液中，去除纤维表面的细小纤维组分，能够使纤维表面变得干净和光滑，提高纸浆的滤水性能 (从倒出浆料的流动性，可以感觉到对照实验的流动性明显不如酶处理后的浆 )；去除浆液中的细小纤维组分，能够减小纤维的比表面积，防止油墨重新吸附于纤维上。因此，适当增加酶用量有助于脱墨，但酶用量过大时，多余的酶会进攻纤维，另外水解出细小纤维，增大纤维的比表面积，使细纤维化程度加大，分散到水中的油墨粒子将会重新吸附到纤维表面而难以除去，反而对脱墨不利。8886昌 84暮 82遗 80皿 7876一一。， O 01 0 015 0 02 0025 0 03淀粉酶用舒圈 3 淀粉酶用量对白度增益的影响引ll： !o0 o005 o Ol o 01 5 o02 o 025 0 03淀粉酶用垫圈 4 淀粉酶用量对尘埃度的影响图 3 和图 4 显示，淀粉酶用量也有其限度，用量为 0 01时为实验最佳用量，但淀粉的脱墨效果整体上不如纤维素酶。淀粉酶通过水解施胶剂中的淀粉，从而有助于使得附着一 88中国造纸学报2008 增刊中国造纸学会第十三届学术年会论文集在纤维表面上的油墨粒子脱除。观察实验过程中获得的浆料可以看出，淀粉酶处理后浆料的油墨不如纤维素酶的匀细，其原因是因为油墨与细小纤维没有完全脱离，因此，经过浮选洗涤后，抄出纸片中仍含有较多油墨粒子。32 酶处理时间对MOW 脱墨效果的影响选择纤维素酶最佳用量0 03和淀粉酶最佳用量001下进行处理时间对脱墨效果的影响实验，结果酶处理时间对脱墨效果也有很大的影响。图5 至图 8 可以得出，随着反应的进行，白度增高、尘埃度下降，在45 分钟时达到白度最高值和尘埃度最低值，且纤维素酶最低尘埃度达到了1 712 毫米 2克，脱墨率96 75，白度达92 15 IS0，之后白度下降、尘埃度增高。这是因为如果反应太短，则酶作用没有发挥到最大，油墨粒子不能完全与纤维脱离；而随着反应时间延长进行，则油墨颗粒在机械作用下破裂的越来越小，浮选时难以与纤维分离，加大了浮选的难度。20 25 30 35 40 45 50处理时间 min55 60 65图 5 纤维素酶处理时间对白度增益的影响茹瓣躲7820 30 40 50 60 70处理时间 min20辜 15退 m髫 soI芝 l昌魁鲜刽10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65处理时间 min圈 6 纤维素酶处理时间对尘埃度的影响20 30 40 50 60 70处理时间 min图 7 淀粉酶处理时间对白度增益的影响图8 淀粉酶处理时间对尘埃度的影响33 纤维素酶淀粉酶用量比对MOW 脱墨效果的影响最佳淀粉酶0 01用量，碎浆时间30 分钟改变纤维素酶用量，观察其对脱墨效果的影响。从图 9 和 10 可以分析出，在有淀粉酶的协同作用下，脱墨率随着纤维素酶用量降低而升高，在纤维素酶用量为001，脱墨效率达到最高，因为淀粉酶的加入提高了纤维素酶的可及度，使其作用效率提高。纤维素酶的生产成本远远高于淀粉酶，因此酶的协同作用有望更进一步降低生产成本。89巧蛇巧虬一s：虬帅o H 乎猫罂世中国造纸学报2008 增刊中国造纸学会第十三届学术年会论文集0 氇辩 5 0。 01 0e15 0髓瓴耱 S 覆嚣纤维索酶用量 96图 9 纤维索酶用量对白度增监的影响ls巡 10