木質(zhì)素生物降解機(jī)理及其在清潔高效制漿過程中的作用

【摘要】： 楊樹是我國速生工業(yè)用材林的重要樹種,在長江流域及以北地區(qū)廣泛種植。以楊木為主要原料的大型制漿生產(chǎn)線先后建成投產(chǎn),主要采用的制漿技術(shù)包括BCTMP、APMP和P-RC APMP等。由于P-RC APMP制漿技術(shù)具有工藝流程緊湊,原料適性廣,有效協(xié)調(diào)了松厚度與強(qiáng)度之間的關(guān)系等優(yōu)點(diǎn),近年來在我國速生闊葉材林漿紙一體化工程建設(shè)中,選用的廠家較多。白腐菌能夠降解植物纖維中的木質(zhì)素,人們試圖將白腐菌此種特性引入制漿造紙過程,多年來,進(jìn)行了較多的探索和努力,取得了令人興奮的成果,但目前還未見產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的報(bào)道,實(shí)驗(yàn)室研究工作仍然處于方興未艾的局面,著力解決產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā)的前期瓶頸問題。本論文選用4株高效白腐菌株(Pycnoporus cinnabarinus,Pycnoporus sanguimeus,Tranetes versicolor和Phanerochaete chryscoporium)對楊木木片進(jìn)行預(yù)處理,將白腐菌處理和P-RC APMP制漿相結(jié)合,試圖在降低化學(xué)品消耗,降低磨漿能耗,提高紙漿的質(zhì)量,改善廢水污染特征等方面有所進(jìn)步。同時(shí)在此基礎(chǔ)上,揭示白腐菌用于預(yù)處理?xiàng)钅径纳浦茲{性能的機(jī)理,為生物化機(jī)漿的技術(shù)開發(fā)提供理論依據(jù)。 以降解木質(zhì)素效率為考核目標(biāo),優(yōu)化了所選用的4株白腐菌預(yù)處理?xiàng)钅灸酒倪m宜條件,結(jié)果表明,適宜溫度為29oC,適宜的培養(yǎng)基pH值為3.5。同時(shí)還發(fā)現(xiàn),在外加碳源充足時(shí)白腐菌幾乎不降解纖維素和半纖維素,而是選擇性的降解木質(zhì)素。有效改善了這4株白腐菌對木質(zhì)素降解的選擇性。在同樣的預(yù)處理?xiàng)l件下,比較4株白腐菌的作用效果,旨在篩選合適的菌株。研究表明,Ph.c生長速度快,環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),木質(zhì)素的降解效率高且具有良好的選擇性,為縮短處理時(shí)間提供了條件;T.v損失纖維素和半纖維素較少而降解的木質(zhì)素較多,降解木質(zhì)素的選擇性比Py.s和Py.c高。木質(zhì)素降解的選擇性Ph.cT.vPy.sPy.c。 利用電子顯微鏡觀察了白腐菌在楊木木片上生長和對楊木降解的過程。在白腐菌處理過程中,白腐菌在木片表面迅速生長,覆蓋木片表面。通過導(dǎo)管進(jìn)入木片內(nèi)部,并通過紋孔進(jìn)入周圍的細(xì)胞。利用SEM/EDXA測定了處理過程中楊木各部分木質(zhì)素濃度的變化。開始兩周胞間層和細(xì)胞角木質(zhì)素濃度下降較快,細(xì)胞壁S2層由于纖維素的阻礙,木質(zhì)素濃度下降較慢。隨處理時(shí)間的延長,胞間層木質(zhì)素濃度下降速度基本保持不變,細(xì)胞角木質(zhì)素濃度下降逐漸減慢,而細(xì)胞壁S2層木質(zhì)素由于纖維素和半纖維素的降解量的增加而降解逐漸加快。培養(yǎng)基的加入不但可以保護(hù)纖維素和半纖維素,而且間接保護(hù)了細(xì)胞壁木質(zhì)素,這對于生物機(jī)械法制漿有重要意義。 為了闡明白腐菌降解楊木木質(zhì)素的機(jī)理,利用氣相色譜/質(zhì)譜、核磁共振等手段測定了白腐菌處理?xiàng)钅镜漠a(chǎn)物和處理后木質(zhì)素中各基團(tuán)含量。白腐菌降解木質(zhì)素主要通過Cα-Cβ氧化斷裂,其次為β-O-4鍵斷裂。同時(shí)白腐菌還對木質(zhì)素進(jìn)行脫甲氧基作用。 為了考核白腐菌預(yù)處理對楊木木片在制漿性能方面的作用,將白腐菌處理后楊木木片和對照樣采用兩個(gè)不同用藥量工藝進(jìn)行P-RC APMP制漿,結(jié)果表明:白腐菌處理可以大量降低磨漿能耗,磨漿至350CSF時(shí),工藝1條件下,Ph.c處理降低能耗30%以上,T.v處理降低11%,工藝2條件下,Ph.c處理和T.v處理都降低能耗14.37%。 白腐菌預(yù)處理后制P-RC APMP漿可以提高漿的強(qiáng)度,在低用藥量下,白腐菌處理對撕裂強(qiáng)度改善作用更明顯,在高用藥量下,白腐菌處理對耐破強(qiáng)度改善作用更明顯。白腐菌處理改善了木片的可漂性。由于白腐菌處理產(chǎn)生的有機(jī)物在后續(xù)磨漿漂白過程中消耗掉部分藥品,在低用藥量下,白腐菌處理后制P-RC APMP漿白度比對照低,但在高用藥量下相差不大,T.v處理樣P-RC APMP漿的白度比對照樣更高。 由于白腐菌處理使木片中含有大量的菌絲、有機(jī)酸和酶等,而且白腐菌處理降解了部分木質(zhì)素,也使藥液更容易滲透,有較多的木質(zhì)素溶出進(jìn)入廢水,使廢水的污染負(fù)荷比對照樣高得多,同時(shí)可生化性也高。 白腐菌預(yù)處理降解了部分木質(zhì)素,白腐菌產(chǎn)生的酶和菌絲等也在制漿過程中進(jìn)入廢水,白腐菌預(yù)處理P-RC APMP制漿廢水污染負(fù)荷比對照樣高,但可生化性好,而且廢水中物質(zhì)容易被微生物降解,所以廢水處理去除率比對照樣高,出水水質(zhì)比對照樣好。 【學(xué)位授予單位】：中國林業(yè)科學(xué)研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號】：TS743.3

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