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1 纖維素酶的來源及組成
一般來說，內(nèi)切纖維素酶隨機(jī)地水解磷酸膨脹纖維素，羧甲基纖維素和纖維素等無定形纖維素，釋放纖維寡糖，而纖維二糖水解酶(CBH)可以水解纖維二糖以及磷酸膨脹纖維素，微晶纖維素Avice和棉花等結(jié)晶度高的纖維素，從纖維素鏈的非還原端或還原端釋放纖維二糖。β-葡萄糖苷酶主要水解纖維二糖和纖維寡糖，產(chǎn)生葡萄糖。嚴(yán)格地講，β-葡萄糖苷酶不能算作纖維素酶，但它的作用可以減輕纖維二糖對纖維素酶的反饋抑 制作用。
2 酶法脫墨的機(jī)理
酶法廢紙脫墨是指利用生物酶代替化學(xué)藥品處理廢紙，使油墨從纖維上游離出來，然后用傳統(tǒng)的脫墨工藝分離出油墨。
近期，關(guān)于酶法廢紙脫墨的機(jī)理提出以下幾種可能：
⑴ 酶把固定油墨的纖維素纖維部分水解和降解，使它們彼此分離，油墨粒子在碎漿過程中得到分離；
⑵酶處理通過提高細(xì)纖維化或去除單根纖維表層使纖維間結(jié)合力降低，進(jìn)而分離出油墨；
⑶酶的催化水解并不是主要的，重要的是纖維素酶可使纖維表面遭到一定程度的降解，從而在碎漿中將油墨分離出去；
⑷纖維素酶從纖維表面剝離掉細(xì)小纖維使油墨粒子脫離分散到懸浮液中；
⑸酶的作用是間接的，通過去除微細(xì)纖維和細(xì)小組分來改善紙漿的濾水性能并促進(jìn)洗滌或浮選；
⑹纖維素酶和半纖維素酶分解除去已剝離下來油墨粒子上殘留纖維，增加油墨顆粒的疏水性，提高后續(xù)的浮選處理效果；
⑺機(jī)械作用使纖維表面或纖維上的纖維素分子鏈扭曲，從而增加酶的可及度和浸蝕性，因此機(jī)械作用對酶脫墨是非常重要和必要的。
3 纖維素酶的降解機(jī)理
一般認(rèn)為是內(nèi)切葡萄糖酶首先進(jìn)攻纖維素的非結(jié)晶區(qū)，形成外切纖維素酶需要的新的游離末端，然后外切纖維素酶從多糖鏈的非還原端切下纖維二糖單位，β-葡萄糖苷酶再水解纖維二糖單位，形成葡萄糖。一般地說，協(xié)同作用與酶解底物的結(jié)晶度成正比，當(dāng)酶組分的混合比例與霉菌發(fā)酵濾液中各組分比相近時，協(xié)同作用 大，不同菌源的內(nèi)切與外切酶之間也具有協(xié)同作用。
目前，大多數(shù)有關(guān)纖維素生物降解的研究，重 都放在纖維素酶從纖維素分子鏈或水溶性纖維素衍生物中釋放還原糖或可溶性產(chǎn)物的過程上，因此希望纖維素酶的水解活性越高越好。而在制漿造紙工業(yè)中，卻不希望纖維素酶有較高的水解活性，因高的水解活性將造成紙漿纖維強(qiáng)度的快速下降。
4纖維素酶法脫墨的優(yōu)點(diǎn)
酶法脫墨作為一種新的造紙生物技術(shù)，具有很多優(yōu)點(diǎn)。首先酶法脫墨紙漿和化學(xué)脫墨紙漿相比具有很高的物理性能，如高白度和低殘存墨粉等。酶法脫墨比化學(xué)脫墨的費(fèi)用低!酶法脫墨即可節(jié)省能耗，降低生產(chǎn)成本，又可大量減少化學(xué)藥品的使用，包括減少漂白需求，降低了漂白費(fèi)用!酶法脫墨系統(tǒng)廢水的需氧量和毒性也較低。研究表明，酶法脫墨中產(chǎn)生的廢水的化學(xué)需氧量（COD）是化學(xué)脫墨廢水的一半，因此也降低了廢水處理負(fù)荷!同時酶法脫墨過程也使紙漿發(fā)生了改性，提高了濾水性能,更重要的是酶法脫墨巨大的社會效益，減輕了造紙廠對環(huán)境的污染，符合環(huán)境保護(hù)的要求。
生物酶酶法脫墨應(yīng)用中還存在許多限制因素。酶的催化作用與環(huán)境溫度有密切的關(guān)系，從酶學(xué)觀點(diǎn)看，當(dāng)酶濃度與底物濃度一定時，為酶所催化的反應(yīng)速率有一個適∑的反應(yīng)溫度范圍。因此，酶法脫墨時的溫度也只能在一定限度的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，應(yīng)當(dāng)與所用纖維素酶的 適作用溫度或亞適溫度相適應(yīng)。由于目前所用的纖維素酶的 適溫度大多在45~56℃的范圍內(nèi)，因此大多數(shù)研究者的脫墨溫度應(yīng)選擇50℃或56℃。由于紙漿纖維是纖維素酶的作用底物，反應(yīng)時間的延長顯然會對紙漿的強(qiáng)度起破壞作用。即要使脫墨完全，又要保持紙漿應(yīng)有的強(qiáng)度性能，這就要求在一定的條件下，控制好酶處理反應(yīng)的時間。
影響纖維素酶對廢紙脫墨效果的因素有用值、漿濃、反應(yīng)溫度、脫墨時間和加酶量等。
5.1 PH值的影響
PH值是酶催化反應(yīng)的主要環(huán)境條件，酶反應(yīng)速度 大的PH值是 適當(dāng)?shù)腜H值。靜電復(fù)印紙和激光打印紙脫墨用的幾種酶的 佳PH值在5.0至7.5之間，且多數(shù)為5.5。若PH值過高可以用硫酸或者磷酸調(diào)節(jié)，不同的廢紙?jiān)谶x擇纖維素酶脫墨時 好是廢紙的PH值與酶 適應(yīng)，以省去繁瑣的PH值調(diào)節(jié)。
5.2 漿濃的影響
紙漿濃度的改變不僅會影響酶對紙漿纖維的可及性，也會影響纖維間的摩擦程度，從而直接影響油墨的脫除。當(dāng)酸的濃度一定時，在較低的底物濃度范圍內(nèi)，酶反應(yīng)的速度隨著底物濃度的增加而增加，但增加到一定的數(shù)值后，反應(yīng)速度不再增加。隨著碎漿濃度的升高，纖維素酶與紙漿纖維接觸充分，纖維素酶可以和紙漿中的纖維發(fā)生作用，分解紙漿中的纖維，使粘附在紙漿纖維上的油墨與紙漿纖維發(fā)生分離，提高紙漿白度。同時，隨著碎漿濃度的提高，纖維間的摩擦加劇，油墨粒子細(xì)小化纖維也細(xì)小化導(dǎo)致毛細(xì)現(xiàn)象加劇，油墨粒子重新吸附在細(xì)小纖維中，又造成紙漿白度下降。
5.3 溫度的影響
酶是具有生物活性的蛋白質(zhì)，只有在一定的溫度下才能發(fā)生催化生物化學(xué)反應(yīng)，溫度對酶的作用有兩面性，它既可以加速酶的催化反應(yīng)，也可以引起酶的失活。因此，正確控制反應(yīng)溫度是保證有效脫墨的重要因素。根據(jù)紙的性質(zhì)制定相應(yīng)的溫度，低溫40 ~60℃,高溫80 ~90℃,適當(dāng)提高溫度以促進(jìn)油墨的分散。
5.4 加酶量的影響
脫墨量隨加酶量的增加而上升，但如果加酶量太高，脫墨率的增加幅度不大。相反，由于纖維素酶對纖維素的酶解作用而導(dǎo)致其裂斷長下降， 適當(dāng)?shù)拿讣恿恳丛系男再|(zhì)而定。
5.5 時間的影響
隨著反應(yīng)時間的延長，脫墨率不斷增加，與酶加量的影響類似。反應(yīng)時間在1h左右，延長時間脫墨率增加較少，反而裂斷長呈下降趨勢。對靜電復(fù)印紙油墨脫除率的影響，發(fā)現(xiàn) 佳反應(yīng)時間為30min。
5.6 表面活性劑的影響
表面活性劑與酶應(yīng)有 好的兼容性，使酶與表面活性劑之間存在一種協(xié)同作用。大多數(shù)用于辦公廢紙脫墨的表面活性劑是非離子型的。酶與表面活性劑的 佳用量比取決于廢紙的質(zhì)量、碎漿用白水的質(zhì)量和達(dá)到可接受的系統(tǒng)運(yùn)行性。選擇合適的表面活性劑用量，以達(dá)到良好的系統(tǒng)運(yùn)行性和有效的泡沫控制。當(dāng)表面活性劑用量為0.05%時，脫墨漿的白度高，殘留油墨減少；但當(dāng)表面活性劑超過這個用量后，白度逐漸下降，殘留油墨略有升高。可見，合適的表面活性劑用量有助于脫墨，它可以吸附在纖維的表面，降低表面張力，滲透到油墨和纖維之間，有利于油墨從纖維上分離。另外，表面活性劑的分散乳化作用，使油墨粒子易分散于水中，不易吸附在纖維表面。但當(dāng)表面活性劑用量增 大時，油墨粒子的親水性增加，難以用浮選法除去，從而導(dǎo)致脫墨漿白度下降，殘留油墨量增加。
研究表明，纖維素酶對纖維與表面油墨粒子形成的鏈的可及度在酶法脫墨中有很重要的影響。
6 纖維素酶在廢紙脫墨中的應(yīng)用前景
酶法脫墨作為一種新的造紙生物技術(shù)，具有很多優(yōu)點(diǎn)。但生物酶酶法脫墨應(yīng)用中還存在許多限制因素，酶的催化作用與環(huán)境溫度有密切的關(guān)系。因此，酶法脫墨時的溫度只能在一定限度的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，應(yīng)當(dāng)與所用纖維素酶的 適作用溫度或亞適溫度相適應(yīng)。
我國是造紙工業(yè)大國，傳統(tǒng)造紙工業(yè)是耗能和環(huán)境污染大戶，而纖維素酶在廢紙脫墨方面的深入研究與逐步應(yīng)用，不但能解決原料短缺、污染嚴(yán)重和能源緊張問題，而且會帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益，對造紙工業(yè)的發(fā)展、環(huán)境保護(hù)和清潔生產(chǎn)都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，纖維素酶在造紙工業(yè)上的應(yīng)用一定會有廣闊的發(fā)展前景!
酶法脫墨所使用的酶種主要是纖維素酶。纖維素酶是一種蛋白質(zhì)，是利用微生物發(fā)酵而得到的，它的特性是能催化纖維素及其衍生物的水解反應(yīng)
酶法廢紙脫墨是指利用生物酶代替化學(xué)藥品處理廢紙，使油墨從纖維上游離出來，然后用傳統(tǒng)的脫墨工藝分離出油墨。目前，大多數(shù)研究 點(diǎn)都放在纖維素酶從纖維素分子鏈或水溶性纖維素衍生物中釋放還原糖或可溶性產(chǎn)物的過程上，因此希望纖維素酶的水解活性越高越好。而在制漿造紙工業(yè)中，卻不希望纖維素酶有較高的水解活性，因高的水解活性將造成紙漿纖維強(qiáng)度的快速下降。
酶法脫墨紙漿與化學(xué)脫墨紙漿相比具有很高的物理性能，如高白度和低殘存墨粉等。可節(jié)省能耗，降低生產(chǎn)成本，又可大量減少化學(xué)藥品的使用，包括減少漂白需求，降低漂白費(fèi)用，廢水的需氧量和毒性也較低。研究表明，酶法脫墨中產(chǎn)生的廢水的化學(xué)需氧量(COD)是化學(xué)脫墨廢水的一半，因此也降低了廢水處理負(fù)荷，同時酶法脫墨過程也使紙漿發(fā)生了改性，提高了濾水性能。
影響纖維素酶對廢紙脫墨效果的因素除PH值、漿濃、反應(yīng)溫度、脫墨時間、加酶量外，還有表面活性劑的用量。當(dāng)表面活性劑用量為0.05%時，脫墨漿的白度高，殘留油墨 少；但當(dāng)表面活性劑超過這個用量后，白度逐漸下降，殘留油墨略有升高。
我國是造紙工業(yè)大國，傳統(tǒng)造紙工業(yè)是耗能和環(huán)境污染大戶，而纖維素酶在廢紙脫墨方面的深入研究與逐步應(yīng)用，不但能解決原料短缺、污染嚴(yán)重和能源緊張問題，而且會帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益，對造紙工業(yè)的發(fā)展、環(huán)境保護(hù)和清潔生產(chǎn)都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
文章出處:《造紙科學(xué)與技術(shù)》2007年第26卷第4期
原標(biāo)題：纖維素酶用于廢紙脫墨的研究進(jìn)展
作者：李學(xué)鳳 秦夢華
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