有效控制膠粘物的酶制劑-去黏劑組合技術(shù)

該文研究了一種控制膠粘物的專(zhuān)利酶制劑和先進(jìn)去黏劑的組合新技術(shù)。該技術(shù)使膠粘劑的控制取得突破性的進(jìn)展：專(zhuān)利酶技術(shù)降低了膠粘物粒子的粒徑和數(shù)量，而去黏劑則穩(wěn)定了所有殘余膠粘劑，減少了膠粘物在后續(xù)工段的凝聚。工廠應(yīng)用驗(yàn)證了這種酶制劑和去黏劑的組合具有協(xié)同效應(yīng)，去除膠粘物的能力比酶制劑強(qiáng)，而穩(wěn)定膠粘物的能力比去黏劑好。研究結(jié)果表明，這種新技術(shù)已成為膠粘物控制的新水準(zhǔn)。

1 技術(shù)進(jìn)步、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和環(huán)境需求是影響回收纖維使用的三因素

過(guò)去的40年中，數(shù)種市場(chǎng)推力影響了造紙工業(yè)回收纖維的應(yīng)用方向。某公司業(yè)內(nèi)專(zhuān)家的調(diào)查表明，與膠粘物相關(guān)的紙張質(zhì)量問(wèn)題和紙機(jī)運(yùn)行性能問(wèn)題增多，這主要是由市場(chǎng)對(duì)高紙張質(zhì)量性能的需求造成的。為了在當(dāng)今市場(chǎng)立足，造紙生產(chǎn)者必須對(duì)紙張質(zhì)量這些前所未有的、持續(xù)增長(zhǎng)的期待不斷作出響應(yīng)。造紙生產(chǎn)者依靠程序化方法、機(jī)械方法和化學(xué)方法控制與膠粘物相關(guān)的各種問(wèn)題。另外，環(huán)境改善措施使得從前常用于膠粘物處理的各種化學(xué)技術(shù)的應(yīng)用受限。影響回收纖維使用的因素來(lái)自技術(shù)進(jìn)步、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和環(huán)境需求等3方面。

1.1 技術(shù)進(jìn)步

造紙的技術(shù)進(jìn)步以及消費(fèi)者技術(shù)革新使人們對(duì)紙張質(zhì)量提出了更高的要求。為了滿足這種需求，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)推動(dòng)化學(xué)品革新。正是這種革新，導(dǎo)致了具有較長(zhǎng)水滲透保持性能的優(yōu)良油墨黏合劑的發(fā)明。隨著這些油墨黏合劑的應(yīng)用而使它們進(jìn)入回收纖維中，帶來(lái)了更加頑固的紙張膠粘物沉積問(wèn)題。

1.2 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)

造紙行業(yè)歷經(jīng)了公司合并、紙張需求量縮減以及全球產(chǎn)能的重新整合，從而影響到回收纖維使用的格局。圖1描述了持續(xù)影響回收纖維市場(chǎng)的新興技術(shù)和市場(chǎng)因素。

圖1羅列的因素中，很多是造紙生產(chǎn)者面臨的挑戰(zhàn)。全球?qū)厥绽w維的需求影響了回收纖維的價(jià)格和質(zhì)量。造紙生產(chǎn)者不再需要供應(yīng)商供應(yīng)潔凈的、質(zhì)量如一的回收纖維。反之，造紙生產(chǎn)者考慮經(jīng)濟(jì)承受能力和可用性，接受質(zhì)量較低的、受到污染的回收纖維。同時(shí)，化學(xué)品的創(chuàng)新增加了膠粘物的黏性，而全球?qū)厥绽w維需求量的增加造成回收紙料中污染物增多。

圖1 持續(xù)影響回收纖維市場(chǎng)的新興技術(shù)和市場(chǎng)因素

1.3 環(huán)境需求

20世紀(jì)70～90年代，有關(guān)環(huán)境保護(hù)方面的強(qiáng)制性法規(guī)促使造紙生產(chǎn)者在造紙過(guò)程中慎用化學(xué)品添加劑。在20世紀(jì)70～80年代所用的一些烈性（strong）清潔劑已經(jīng)退出歷史舞臺(tái)，甚至20世紀(jì)90年代使用的一些不那么強(qiáng)烈的洗滌劑也由于水質(zhì)和大氣方面的環(huán)保法規(guī)而被禁止使用?，F(xiàn)在，數(shù)家造紙公司實(shí)施最低風(fēng)險(xiǎn)法，取消那些甚至只含有最微量的有害污染物的化學(xué)添加劑。正如質(zhì)量需求提升和全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)改變了膠粘物控制舞臺(tái)那樣，環(huán)境法規(guī)已經(jīng)改變了可用作膠粘物控制劑的潛在化學(xué)品添加劑種類(lèi)?，F(xiàn)在，對(duì)綠色產(chǎn)品的需求，導(dǎo)致人們創(chuàng)造性地使用天然替代物，如酶和農(nóng)業(yè)衍生產(chǎn)品。圖2顯示了因環(huán)境因素而受到關(guān)注的有關(guān)領(lǐng)域。

圖2 環(huán)境因素使有關(guān)領(lǐng)域受到關(guān)注

2 競(jìng)爭(zhēng)性市場(chǎng)推動(dòng)紙張質(zhì)量改善

造紙專(zhuān)家的一份調(diào)查報(bào)告分析了過(guò)去40年中膠粘物產(chǎn)生的主要原因，如圖3所示。

圖3 膠粘物問(wèn)題產(chǎn)生的主要原因

隨著造紙技術(shù)進(jìn)步、用戶技術(shù)發(fā)展以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)（如圖1所列），業(yè)內(nèi)最大的挑戰(zhàn)主要來(lái)自對(duì)紙張質(zhì)量的更高要求。這些變化是通過(guò)一系列的小步驟而產(chǎn)生的。盡管圖2所列因素不一定全面，但這些因素當(dāng)中許多是過(guò)去40年中紙質(zhì)提升的關(guān)鍵動(dòng)力。市場(chǎng)本質(zhì)為競(jìng)爭(zhēng)，正是一項(xiàng)革新推動(dòng)另一項(xiàng)革新，促使造紙行業(yè)發(fā)生經(jīng)濟(jì)巨變。紙張性能的改善，造成新紙種的“問(wèn)世”，如白度提高帶來(lái)了高級(jí)紙的“誕生”、柔軟度提高帶來(lái)生活用紙以及印刷性能變好產(chǎn)生了包裝紙。然而，這些新紙種也給回收纖維市場(chǎng)帶來(lái)了新問(wèn)題

對(duì)化學(xué)品性能的期望水平和實(shí)際膠粘物控制水平之間，總是存在著一段距離。然而，由于對(duì)改善紙張質(zhì)量性能的需求超出現(xiàn)有化學(xué)品技術(shù)可以提升的程度，這個(gè)距離越拉越大。

3 化學(xué)品控制策略

多年來(lái)，雖然化學(xué)品控制策略得到改善，但是對(duì)紙張質(zhì)量改善的需求超出了通過(guò)化學(xué)品來(lái)控制膠粘物相關(guān)問(wèn)題的能力。一旦污染物機(jī)械去除工藝得到優(yōu)化，造紙工作者就開(kāi)始依賴化學(xué)處理方法來(lái)控制沒(méi)有得到解決的膠粘物相關(guān)問(wèn)題。由于對(duì)紙張質(zhì)量要求提升，導(dǎo)致針對(duì)紙張質(zhì)量的客戶投訴以及與膠粘物相關(guān)的紙機(jī)運(yùn)行性能問(wèn)題急劇增多，而化學(xué)品控制膠粘物技術(shù)似乎遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于此?；瘜W(xué)品處理方法似乎只將膠粘物從紙機(jī)的一個(gè)區(qū)域轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)表面，或者最終以大的凝聚膠粘物轉(zhuǎn)移到紙張里面，還造成加工問(wèn)題，這使得造紙工作者倍感沮喪。

造成紙張質(zhì)量和化學(xué)品技術(shù)性能之間差距的原因之一為多數(shù)化學(xué)品處理策略都不能解決與膠粘物相關(guān)的根本問(wèn)題。為了有效解決膠粘物問(wèn)題，必須把膠粘物從工藝中排出去。為了更加全面了解膠粘物的化學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性，表1列出了膠粘物的主要種類(lèi)。

表1 膠粘物的主要種類(lèi)

為了幫助消除紙張質(zhì)量需求和化學(xué)品技術(shù)性能之間的差距，采用酶和去黏劑的混合物配制了一種新的產(chǎn)品，這種產(chǎn)品能夠處理較為廣譜的膠粘污染物。多數(shù)膠粘沉積物是表1所列不同種類(lèi)的膠粘物混合形成的凝聚物。酶-去黏劑混合物采用化學(xué)方式改變了膠粘凝聚物的本質(zhì)，通過(guò)減小醋酸酯和丙烯酸酯粒子的粒徑和黏性，同時(shí)也消除了其他膠粘凝聚物的黏性。酶-去黏劑混合物將2種先進(jìn)的膠粘物控制作用模式組合到了一個(gè)配方當(dāng)中，盡管這種產(chǎn)品沒(méi)有從工藝中完全去除膠粘物。

3.1 酶

酶是自然界產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，被活體生物用來(lái)提高特定化學(xué)反應(yīng)的速率。酶不會(huì)為單一反應(yīng)所消耗。事實(shí)上，酶可以在1 min之內(nèi)參與無(wú)數(shù)的反應(yīng)。然而，隨著時(shí)間變化，系統(tǒng)條件會(huì)破壞酶，如pH、溫度或者干擾化學(xué)品殘余物。這種產(chǎn)品中有多種酶，它們作為催化劑一起作用，協(xié)助水解含有醋酸酯和丙烯酸酯組分的膠粘物物質(zhì)的酯鏈。這種水解反應(yīng)改變了膠粘物的化學(xué)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了穩(wěn)定性變差且黏性降低的物質(zhì)?；瘜W(xué)性能被改變的膠粘復(fù)合物分解成了較小的顆粒。

3.2 去黏劑

20多年來(lái)，造紙工業(yè)采用去黏劑來(lái)控制膠粘物。去黏劑作用于膠粘污染物的表面。去黏劑的憎水部分附著在膠粘物的憎水表面。一旦附著以后，去黏劑的親水末端保留在水相，在膠粘物的周?chē)挥H水層。根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)、有效鍵接點(diǎn)以及相對(duì)分子質(zhì)量不同，所采用的去黏劑也有所不同。好的去黏劑產(chǎn)品在穩(wěn)定膠粘物方面的能力也強(qiáng)，可以防止凝聚。酶-去黏劑組合產(chǎn)品中的去黏劑是一種天然的聚合物，具有非常強(qiáng)的穩(wěn)定能力，這種去黏劑像酶一樣，也是天然產(chǎn)生的化合物。因此，酶-去黏劑組合物可視為環(huán)境友好產(chǎn)品或者綠色產(chǎn)品。

4 結(jié)果

酶基產(chǎn)品通過(guò)切斷與聚醋酸乙烯酯（PVAc）類(lèi)型膠粘物產(chǎn)生黏性的化學(xué)鍵，成功降低了許多工廠膠粘物粒子的粒徑和數(shù)量。雖然PVAc類(lèi)型的膠粘物占問(wèn)題膠粘物的絕大部分，多數(shù)膠粘凝聚物含有數(shù)種類(lèi)型的膠粘物成分。

將最好的去黏劑與最有效的膠粘物控制酶組合起來(lái)，具有改善其效能的潛質(zhì)。這些不同作用模式組合可能帶給我們所需要的協(xié)同效應(yīng)。酶可以協(xié)助降低膠粘污染物顆粒的粒徑，為去黏劑接觸較小的膠粘物提供條件。同時(shí)，當(dāng)污染物經(jīng)過(guò)酶處理以后，去黏劑通過(guò)協(xié)助穩(wěn)定這些污染物，可以提升酶的性能。實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的評(píng)價(jià)酶和去黏劑兼容性能的研究表明，2種活性成分各自有效，但是還需要進(jìn)行測(cè)試，以便確認(rèn)2種活性成分一起應(yīng)用的時(shí)候是否具有協(xié)同效應(yīng)。

第一代酶產(chǎn)品使用一系列酯酶基活性成分——這種成分攻擊PVAc等黏性物質(zhì)的酯鍵。進(jìn)一步的研究開(kāi)發(fā)工作帶來(lái)了第二代酶產(chǎn)品。第二代酶產(chǎn)品與膠粘物分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部最黏的化學(xué)鍵功能基的反應(yīng)傾向增加。下列測(cè)試了在舊瓦楞紙盒配料中有去黏劑成分和沒(méi)有去黏劑成分的情況下，比較了不同酶產(chǎn)品減少膠粘物顆粒粒徑分布的能力，見(jiàn)圖4。

圖4 第一代酶產(chǎn)品和第二代酶產(chǎn)品減少膠粘物顆粒粒徑分布能力的比較

酶-去黏劑組合物產(chǎn)品中除了酶以外，還含有去黏劑，這使組合物的性能比第二代酶產(chǎn)品好，見(jiàn)圖5。

圖5證明了酶可以在去黏劑存在的情況下發(fā)揮作用。

接著測(cè)試比較了單獨(dú)使用酶、單獨(dú)使用去黏劑以及使用酶-去黏劑混合物的脫黏性能，見(jiàn)圖6。

圖5 第二代酶產(chǎn)品和酶-去黏劑組合產(chǎn)品減少膠粘物顆粒粒徑分布能力的比較

圖6 使用酶、去黏劑和酶-去黏劑組合物減少膠粘物顆粒粒徑分布能力的比較

由圖6可見(jiàn)，酶-去黏劑組合物的脫黏性能比第二代酶產(chǎn)品和去黏劑產(chǎn)品都好。這證明了去黏劑可以在酶存在的情況下發(fā)揮作用。事實(shí)上，酶-去黏劑組合物的性能比去黏劑略好。

下一個(gè)研究比較了單獨(dú)使用去黏劑、單獨(dú)使用酶以及酶-去黏劑組合物防止凝聚的潛能，見(jiàn)圖7。

圖7 使用酶、去黏劑和酶-去黏劑組合物防止凝聚能力的比較

圖7證明了2種作用模式之間的協(xié)同效應(yīng)，因此極其重要。酶明顯作用于膠粘沉積物的醋酸酯和丙烯酸酯部分，同時(shí)去黏劑鈍化了其他憎水顆粒的表面，防止處理過(guò)程中進(jìn)一步發(fā)生凝聚。事實(shí)上，酶-去黏劑組合物的性能提升了一個(gè)層次。因此，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試足以保證工廠驗(yàn)證結(jié)果。接著在工廠試用以驗(yàn)證酶-去黏劑組合物的性能比單獨(dú)使用去黏劑或者單獨(dú)使用酶產(chǎn)品要好。以下2個(gè)工廠的評(píng)估結(jié)果清楚驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試結(jié)果。

4.1 工廠評(píng)估1號(hào)

該紙機(jī)使用50%的混合辦公廢紙生產(chǎn)漂白漿。狀況：該紙機(jī)使用工業(yè)上領(lǐng)先的去黏劑來(lái)控制紙張中的膠粘物。

評(píng)估結(jié)果：該紙機(jī)在一定的用量下，采用酶-去黏劑組合物替代工業(yè)上最好的去黏劑以后，效果極好。該紙機(jī)紙張中的膠粘物減少了57%。

4.2 工廠評(píng)估2號(hào)

該紙機(jī)使用75%分類(lèi)辦公廢紙生產(chǎn)漂白漿。狀況：為了降低化學(xué)品成本并提升產(chǎn)量，該紙機(jī)使用酶產(chǎn)品來(lái)降低間歇性溶劑清洗的頻次。

評(píng)估結(jié)果：該紙機(jī)在同樣處理成本下，采用酶-去黏劑組合物替代酶。該紙機(jī)的溶劑化學(xué)品用量降低54%。同時(shí)，他們因間歇性清洗頻次降低40%而受益。

5 結(jié)論

酶控制膠粘物技術(shù)的推出，標(biāo)志著一種可以確實(shí)解決與膠粘物相關(guān)的沉積物問(wèn)題的化學(xué)品技術(shù)的“誕生”。該技術(shù)通過(guò)斷開(kāi)存在于膠粘沉積物化學(xué)結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵鍵接，降低了膠粘物粒子的粒徑。

雖然回收纖維來(lái)源各異，但是多數(shù)回收纖維含有2種或者多種如表1所列的膠粘物。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和工廠評(píng)估都清楚證明酶和去黏劑作用模式是兼容的。通過(guò)膠粘物數(shù)量減少的測(cè)試結(jié)果表明，在去黏劑存在的情況下，酶作用及使用效果良好。通過(guò)膠粘物黏性測(cè)試表明，在酶存在的情況下，去黏劑的作用及使用效果也良好。最重要的是，在膠粘物凝聚測(cè)試中，酶-去黏劑組合產(chǎn)品凸現(xiàn)了協(xié)同效應(yīng)。因此，使用專(zhuān)利酶化學(xué)品來(lái)斷開(kāi)維持多數(shù)膠粘凝聚物的化學(xué)鍵，并使用最好的去黏劑穩(wěn)定其他所有膠粘物并降低下游凝聚物，二者的組合實(shí)現(xiàn)了膠粘物控制技術(shù)的突破。這種技術(shù)在消除用戶對(duì)紙張質(zhì)量改善需求和膠粘物化學(xué)品控制技術(shù)性能之間的距離方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

（李海明 編譯）