玛丽文化用品：制浆造纸基础学：植物纤维化学研究

　　发布: 2010-2-25 | 作者: 谢益民 | 来源: 《中华纸业》

　　植物纤维是地球大陆上最重要的可再生资源，而造纸工业是人类大规模利用植物纤维的重要产业。以植物纤维为原料的制浆造纸过程，无论是采用哪一种工艺，其本质是用化学、机械或兼用化学及机械的方法将纤维从植物组织中分离出来，再在浆、水混合的悬浮体中使纤维重新交织成均匀而致密的纸张。植物纤维来源十分广泛，不同植物中纤维的性质千差万别，制浆方法的不同也使得纸浆纤维的化学和物理性质产生很大的差异，这些差异最终反映在纸的物理强度、白度等性质上。我国由于缺乏木材资源，非木材原料始终是我国造纸原料的主要组成部分，而非木材原料来源比木材原料复杂得多，种类繁多的非木材原料造成我国造纸用纤维种类比其他国家复杂，制浆造纸工艺也较复杂，需要解决的问题也比较多，制浆造纸技术的进步对植物纤维化学研究成果的依存度比其他国家高。尤其在非木材纤维的研究方面，无论是研究课题的广度、科研人员的数量还是取得的科研成果的数量，是世界上任何一个国家都无法比拟的，至今为止，国际上曾经召开过五届非木材原料制浆造纸技术国际研讨会，都是在我国召开，可见我国在该领域的国际地位。总之，植物纤维化学的基础研究的进展对我国造纸工业的技术进步始终产生着极为重要的影响，成为众多技术革新的源泉，本文中分如下几个方面进行阐述。

　　1 植物纤维主成分的研究进展和发展方向

　　纤维素、木素和半纤维素的组成和化学结构的研究是开发利用造纸原料的基础，从上世纪五十年代至xx结束，以天津轻工业学院(含天津大学)、华南工学院、西北轻工业学院(含北京轻工业学院)、大连轻工业学院以及轻工部制浆造纸科学研究所等为主力，针对我国的造纸用植物纤维原料的特殊性，广泛开展了纤维素、木素和半纤维素的组成、化学结构及其对制浆漂白过程的影响做了大量的工作，有力地推动了非木材和速生材的制浆造纸技术在我国的迅速发展。但限于我国当时落后的仪器设备，对木素、纤维素和半纤维的结构和反应机理没有做很深入的研究，研究方法上也基本上是套用原苏联及其他发达国家的手段。

　　xx结束后，我国造纸界派出了许多优秀学者去日本、北美和北欧留学，有一部分在上世纪八十年代回国，他们回国后在木素的化学结构以及脱木素反应方面做出了杰出贡献，例如，留美学者冯建豪绘制出了{dy}张禾本科植物的木素结构图。自上世纪九十年代以来，一大批造纸研究者从发达国家学成归国，他们带来了植物纤维化学领域{dj0}的理念和研究手段，使我国在木素的生物合成、化学结构、降解机理和综合利用等方面的研究水平迅速赶上了发达国家的水平。在纤维素和半纤维素方面，有关它们的分离、结构和高值化利用等也取得高水平的科研成果。这些研究成果为解决造纸原料问题和环境保护问题发挥了重要的作用。由于木素、纤维素、半纤维素均属于复杂高分子，对于他们的形成过程、化学结构、生物降解性能等研究还有大量的工作要做，例如，如何将木素和纤维素生物合成的研究与林木转基因技术结合起来?用什么样的手段深入研究木素和半纤维素的结构，尤其是木素-碳水化合物复合体(LCC)结构?如何通过生物/化学处理对纸浆纤维中的三大主成分进行衍生化处理，使成纸在物理和化学性能方面有大幅度的改善?如何通过对制浆漂白废水中的难降解木素进行高级氧化，使废水的深度处理有系统的理论基础?

　　2 植物纤维化学制浆漂白技术进步的原动力

　　从建国初期到xx结束，我国的造纸工作者在实验设备吸收原苏联、北欧和北美成熟技术的基础上，根据当时我国造纸新原料(马尾松、芦苇、竹子和蔗渣等)的纤维化学特点，建立了合理的亚硫酸盐法、硫酸盐法以及烧碱-AQ法等实用的制浆技术，并自主开发出适合我国造纸原料H单段漂和CEH三段漂等技术，使得我国丰富的造纸原料得到了开发。随着广纸、岳纸、南纸等新型骨干企业的建立，大大降低了我国造纸原料对东北地区原始林的依赖。改革开放以后，我国的造纸工作者与日本、北美和北欧的同行开始了广泛的交流和合作，仿照这些国家的研究方法，在深入研究我国造纸原料三大主要成分的组成和化学结构的基础上，广泛开展了制浆化学和漂白化学的研究，并深入研究了主要造纸原料的脱木素反应动力学，取得了大量具有国际先进水平的成果，例如，华南工学院陈嘉翔教授针对草类原料含有大量阿魏酸和对香豆酸的特点，提出了低温快速蒸煮的技术。西北轻工业学院陈中豪教授针对稻麦草原料的化学组成，提出了一系列创新性漂白性技术，得到了广泛的应用。从上世纪末开始，詹怀宇教授等许多研究者在深入研究木素氧化酶和碳水化合物水解酶对木素和碳水化合物的催化反应的基础上，开发出了一系列基于酶处理的ECF和TCF漂白技术，已经被众多造纸厂所采用，产生了良好的经济效益和环境效益。

　　由于木素结构的复杂性和难降解性，再加上人们对木素和碳水化合物之间的连接缺乏清晰的认识，制浆技术和无(少)污染漂白技术的进一步发展，在很大程度上依赖人们对三大主成分的结构的研究。随着人们对脱木素反应的进一步了解，今后在如下领域中可望出现突破：(1)生物预处理的制浆技术，虽然传统意义上的生物制浆由于处理时间长而很难被广泛应用，然而，最近几年来生物预处理技术得到迅速发展，谢益民教授等采用在制浆前进行仿漆酶体系的预处理，发现可以显著提高纸浆的质量、节约能源和化学药品的消耗、提高纸浆得率。(2)生物辅助漂白技术，虽然在最近十年来人们在漆酶-介体催化辅助漂白以及纤维素酶(或半纤维素酶)的预处理漂白方面取得了一些进展，但是，效果尚不太理想，大规模推广应用尚有一定的难度。随着人们对选择性降解木素和LCC的酶的研究进展，酶辅助漂白的发展前景是非常广阔的。

　　3 植物纤维化学是发展林纸一体化的基础

　　由于我国森林覆盖率远低于发达国家，1949年建国的时候，我国的森林覆盖率是8.6%，到2007年才发展到18.21%。但其中人工林保存面积达到5326万公顷，居世界{dy}位。根据中国的实际和长远规划，我们的最终目标就是到本世纪中叶要达到并稳定在26%以上。其中大量的林纸一体化项目将是迅速提高森林覆盖率的主力军。纵观解放后造纸工业的发展历程，植物纤维化学的研究直接推动了适合我国的速生林木的大规模植树造林，我国的造纸工作者在马尾松、杨木、桉木等速生材的化学组成、脱木素历程以及制浆造纸适应性方面的研究从来没有停止过，为林业部门的人工造林提供了有力的指导，同时也保障了我国快速成长的造纸工业对木材的需求，尤其是马尾松的大规模种植部分弥补了我国长纤维原料的不足。近十年来，我国相当多的企业设立了林纸一体化项目，相应的基础研究也迅速开展起来，并得到国家大量科研经费支持。科研水平也发展到木素、纤维素的生物合成以及造纸植物的转基因技术。

　　今后造纸用速生材的开发主要依靠通过转基因技术来达到木素含量低、纤维素含量高、纤维形态好、抗逆性强的目的。以植物纤维化学为基础的发展领域主要有：(1)降低木素含量，在进一步阐明木素生物合成的化学途径、酶学机制以及相关基因组的基础上，一方面采用能抑制木素前驱物形成的反义cDNA，一方面导入能减少木素前驱物脱氢聚合的反义cDNA，从而开发出低木素含量的造纸用林木。(2)在进一步了解纤维素生物合成机理的基础上，克隆促进纤维素合成的基因，提高转基因植物的纤维素含量。

　　4 制浆造纸废水的深度处理需要植物纤维化学的理论指导

　　自从上世纪八十年代末以来，造纸厂对环境保护日益重视，随着废水排放标准的日益提高，废水处理已经成为我国造纸企业的生命线。我国造纸工业废水基本上参照了其他化工废水的常规处理方法，即一级物化处理加上一级生化处理，由于木素(尤其是氯化木素)、结晶纤维素以及部分抽出物成分较难降解，依照目前的二级处理技术很难使制浆中段废水和漂白废水xx达标排放，需要通过三级处理来进一步降低CODCr。虽然许多大型企业开始研发或启动三级处理，所采用的技术大多是使用传统的物化和生化法，尚缺乏一套对木素和结晶纤维素等物质能选择性高效降解(或絮凝)的理论体系来指导深度处理技术的发展。如果能够从植物纤维化学的角度建立这方面的理论体系，能大大加快制浆造纸深度处理技术的开发。

　　总之，虽然植物纤维化学是制浆造纸科学与技术领域中很基础的部分，核心为纤维素、半纤维素和木素等组分的含量、生物学来源、化学结构及反应机理，但是，该学科是许多工艺技术的源头，涉及到造纸原料的开发、制浆和漂白技术的发展以及造纸厂废水深度处理等问题。建国以来，我国大量的造纸工作者为该学科的发展做出了贡献，为发展具有中国特色的造纸工业体系奠定了基础。要使我国造纸工业走上可持续发展的道路，依然有很多问题需要去解决，植物纤维化学的研究是造纸工业技术创新的重要原动力。在人力、物力和财力上继续加大对植物纤维化学研究的支持，能在很大程度上带动我国造纸工业的持续、健康的发展。