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利酶制劑和先進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展：專利酶技術(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，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。

1 技術(shù)進步、市場競爭和環(huán)境需求是影響回收纖維使用的三因素

過去的40年中，數(shù)種市場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)專家的調(diào)查表明，與膠粘物相關(guān)的紙張質(zhì)量問題和紙機運行性能問題增多，這主要是由市場對高紙張質(zhì)量性能的需求造成的。為了在當今市場立足，造紙生產(chǎn)者必須對紙張質(zhì)量這些前所未有的、持續(xù)增長的期待不斷作出響應(yīng)。造紙生產(chǎn)者依靠程序化方法、機械方法和化學方法控制與膠粘物相關(guān)的各種問題。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技術(shù)的應(yīng)用受限。影響回收纖維使用的因素來自技術(shù)進步、市場競爭和環(huán)境需求等3方面。

1.1 技術(shù)進步

造紙的技術(shù)進步以及消費者技術(shù)革新使人們對紙張質(zhì)量提出了更高的要求。為了滿足這種需求，市場競爭推動化學品革新。正是這種革新，導(dǎo)致了具有較長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)用而使它們進入回收纖維中，帶來了更加頑固的紙張膠粘物沉積問題。

1.2 市場競爭

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)影響回收纖維市場的新興技術(shù)和市場因素。

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，化學品的創(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)影響回收纖維市場的新興技術(shù)和市場因素

1.3 環(huán)境需求

20世紀70～90年代，有關(guān)環(huán)境保護方面的強制性法規(guī)促使造紙生產(chǎn)者在造紙過程中慎用化學品添加劑。在20世紀70～80年代所用的一些烈性（strong）清潔劑已經(jīng)退出歷史舞臺，甚至20世紀90年代使用的一些不那么強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。現(xiàn)在，數(shù)家造紙公司實施最低風險法，取消那些甚至只含有最微量的有害污染物的化學添加劑。正如質(zhì)量需求提升和全球市場競爭改變了膠粘物控制舞臺那樣，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品添加劑種類?，F(xiàn)在，對綠色產(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 競爭性市場推動紙張質(zhì)量改善

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

圖3 膠粘物問題產(chǎn)生的主要原因

隨著造紙技術(shù)進步、用戶技術(shù)發(fā)展以及市場競爭（如圖1所列），業(yè)內(nèi)最大的挑戰(zhàn)主要來自對紙張質(zhì)量的更高要求。這些變化是通過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，但這些因素當中許多是過去40年中紙質(zhì)提升的關(guān)鍵動力。市場本質(zhì)為競爭，正是一項革新推動另一項革新，促使造紙行業(yè)發(fā)生經(jīng)濟巨變。紙張性能的改善，造成新紙種的“問世”，如白度提高帶來了高級紙的“誕生”、柔軟度提高帶來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帶來了新問題

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

3 化學品控制策略

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

造成紙張質(zhì)量和化學品技術(shù)性能之間差距的原因之一為多數(shù)化學品處理策略都不能解決與膠粘物相關(guān)的根本問題。為了有效解決膠粘物問題，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性質(zhì)的復(fù)雜性，表1列出了膠粘物的主要種類。

表1 膠粘物的主要種類

為了幫助消除紙張質(zhì)量需求和化學品技術(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所列不同種類的膠粘物混合形成的凝聚物。酶-去黏劑混合物采用化學方式改變了膠粘凝聚物的本質(zhì)，通過減小醋酸酯和丙烯酸酯粒子的粒徑和黏性，同時也消除了其他膠粘凝聚物的黏性。酶-去黏劑混合物將2種先進的膠粘物控制作用模式組合到了一個配方當中，盡管這種產(chǎn)品沒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)，被活體生物用來提高特定化學反應(yīng)的速率。酶不會為單一反應(yīng)所消耗。事實上，酶可以在1 min之內(nèi)參與無數(shù)的反應(yīng)。然而，隨著時間變化，系統(tǒng)條件會破壞酶，如pH、溫度或者干擾化學品殘余物。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結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了穩(wěn)定性變差且黏性降低的物質(zhì)。化學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，造紙工業(yè)采用去黏劑來控制膠粘物。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，在膠粘物的周圍包裹一親水層。根據(jù)化學結(jié)構(gòu)、有效鍵接點以及相對分子質(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，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)品通過切斷與聚醋酸乙烯酯（PVAc）類型膠粘物產(chǎn)生黏性的化學鍵，成功降低了許多工廠膠粘物粒子的粒徑和數(shù)量。雖然PVAc類型的膠粘物占問題膠粘物的絕大部分，多數(shù)膠粘凝聚物含有數(shù)種類型的膠粘物成分。

將最好的去黏劑與最有效的膠粘物控制酶組合起來，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，當污染物經(jīng)過酶處理以后，去黏劑通過協(xié)助穩(wěn)定這些污染物，可以提升酶的性能。實驗室進行的評價酶和去黏劑兼容性能的研究表明，2種活性成分各自有效，但是還需要進行測試，以便確認2種活性成分一起應(yīng)用的時候是否具有協(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。進一步的研究開發(fā)工作帶來了第二代酶產(chǎn)品。第二代酶產(chǎn)品與膠粘物分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部最黏的化學鍵功能基的反應(yīng)傾向增加。下列測試了在舊瓦楞紙盒配料中有去黏劑成分和沒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。

接著測試比較了單獨使用酶、單獨使用去黏劑以及使用酶-去黏劑混合物的脫黏性能，見圖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，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。事實上，酶-去黏劑組合物的性能比去黏劑略好。

下一個研究比較了單獨使用去黏劑、單獨使用酶以及酶-去黏劑組合物防止凝聚的潛能，見圖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，同時去黏劑鈍化了其他憎水顆粒的表面，防止處理過程中進一步發(fā)生凝聚。事實上，酶-去黏劑組合物的性能提升了一個層次。因此，實驗室測試足以保證工廠驗證結(jié)果。接著在工廠試用以驗證酶-去黏劑組合物的性能比單獨使用去黏劑或者單獨使用酶產(chǎn)品要好。以下2個工廠的評估結(jié)果清楚驗證了實驗室的測試結(jié)果。

4.1 工廠評估1號

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

評估結(jié)果：該紙機在一定的用量下，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。該紙機紙張中的膠粘物減少了57%。

4.2 工廠評估2號

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

評估結(jié)果：該紙機在同樣處理成本下，采用酶-去黏劑組合物替代酶。該紙機的溶劑化學品用量降低54%。同時，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，標志著一種可以確實解決與膠粘物相關(guān)的沉積物問題的化學品技術(shù)的“誕生”。該技術(shù)通過斷開存在于膠粘沉積物化學結(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。實驗室測試和工廠評估都清楚證明酶和去黏劑作用模式是兼容的。通過膠粘物數(shù)量減少的測試結(jié)果表明，在去黏劑存在的情況下，酶作用及使用效果良好。通過膠粘物黏性測試表明，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，使用專利酶化學品來斷開維持多數(shù)膠粘凝聚物的化學鍵，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)在消除用戶對紙張質(zhì)量改善需求和膠粘物化學品控制技術(shù)性能之間的距離方面具有顯著優(yōu)勢。

（李海明 編譯）