Научная статья на тему 'Характеристики макулатурного волокна после ферментативного удаления крахмала'

Характеристики макулатурного волокна после ферментативного удаления крахмала Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
191
44
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МАКУЛАТУРА / КРАХМАЛ / α-АМИЛАЗА / ПРОЧНОСТЬ БУМАГИ / α-AMYLASE / WASTE PAPER / STARCH / PAPER STRENGTH

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Кулешов А. В., Смолин А. С., Новожилов Е. В., Кондаков А. В.

Установлено, что ферментативное удаление отработанного крахмального связующего из макулатурного волокна обработкой α-амилазой позволяет повысить прочностные и деформационные характеристики бумажного листа и эффективность действия катионного крахмала, вводимого в качестве связующего.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Characteristics of Waste Paper Fibers after Enzymatic Starch Removal

It is established that enzymatic removal of the worked-out starch adhesive of waste paper fibers by treatment with α-amylase allows to increase the strength and deformation characteristics of paper and efficiency of cationic starch actions injected as adhesive.

Текст научной работы на тему «Характеристики макулатурного волокна после ферментативного удаления крахмала»

УДК 676.038.2

А.В. Кулешов1, А. С. Смолин1, Е.В. Новожилов2, А.В. Кондаков2

:С.-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров

2Архангельский государственный технический университет

Кулешов Александр Васильевич родился в 1980 г. окончил в 2005 г. С.-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров, аспирант, ассистент кафедры технологии бумаги и картона СПбГТУРП. Имеет более 10 научных работ в области использования вторичного волокна. Тел.: (812) 786-86-25

Смолин Александр Семенович окончил в 1962 г. Ленинградскую лесотехническую академию, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии бумаги и картона С.-Петербургского государственного технологического университета растительных полимеров. Имеет более 130 научных трудов в области изучения процессов бумажно-картонного производства, химии бумаги, использования вторичного волокна.

Тел.: (812) 786-86-25

Новожилов Евгений Всеволодович родился в 1950 г., окончил в 1972 г. Архангельский лесотехнический институт, доктор технических наук, профессор кафедры биотехнологии Архангельского государственного технического университета, чл.-корреспондент РАЕН, лауреат премии им. М.В. Ломоносова. Имеет около 150 научных трудов в области технологии комплексной переработки сульфитных и сульфатных щелоков, ферментных технологий в химической переработке древесины, технологий очистки сточных вод. E-mail: biotech@agtu.ru

Кондаков Александр Васильевич родился в 1983 г., окончил в 2006 г. Архангельский государственный технический университет, аспирант кафедры биотехнологии АГТУ. Имеет 5 научных работ в области процессов биотехнологии в ЦБП. E-mail: biotech@agtu.ru

ХАРАКТЕРИСТИКИ МАКУЛАТУРНОГО ВОЛОКНА 8* Е ФЕРМЕНТАТИВНОГО УДАЛЕНИЯ КРАХМАЛА

Установлено, что ферментативное удаление отработанного крахмального связующего из макулатурного волокна обработкой а-амилазой позволяет повысить прочностные и деформационные характеристики бумажного листа и эффективность действия катионного крахмала, вводимого в качестве связующего.

Ключевые слова: макулатура, крахмал, а-амилаза, прочность бумаги.

Крупнотоннажным источником волокна для производства тароупа-ковочных видов бумаги и картона (в основном картона для плоских слоев

гофрокартона и бумаги для гофрирования) является макулатура марки МС-5Б. В технологии производства гофротары широко используются различные виды крахмалов: катионный крахмал в качестве флокулянта и связующего для повышения прочности; нативный крахмал для склейки слоев гофрокартона; окисленный крахмал для поверхностной проклейки и как связующее в составе мелованного покрытия [2, 6].

В принятой технологии подготовки бумажной массы из макулатуры данной марки не предусмотрены специальные операции для удаления отработанного крахмального связующего, поэтому крахмалопродукты в основном остаются в волокне, что приводит к их накоплению при повторных циклах использования. Процесс переработки такой макулатуры сопровождается существенными технологическими трудностями. Способность крахмала к набуханию в водной среде вызывает ухудшение обезвоживания макулатурной массы. Это проявляется в завышении степени помола водно-волокнистой суспензии по сравнению со степенью помола волокна. В литературе для описания этого явления применяют такие термины как «псевдопомол», «кажущаяся степень помола», «нетехнологическая степень помола». Из-за низкой водоотдачи массы при формовании бумажного полотна на сеточном столе увеличивается расход пара на сушку и уменьшается производительность бумагоделательных машин.

Многократный возврат макулатуры в производство приводит к необратимым изменениям в физико-химической и морфологической структурах вторичных волокон, что вызывает частичную потерю ими способности к набуханию и образованию межволоконных связей. Проблема восстановления бумагообразующих свойств вторичных волокон очень актуальна.

Вклад отработанного крахмала в прочностные характеристики продукции, вырабатываемой на основе макулатуры из гофротары, пока не совсем ясен. Крахмалопродукты из вторичных волокон могут быть удалены с помощью ферментативной обработки [5, 8, 9]. Было показано [5], что высокая степень извлечения старого крахмала из волокна достигается при действии а-амилазы на промытую макулатурную массу, о чем свидетельствует значительное уменьшение ее степени помола. Удаление отработанного крахмального связующего при ферментативной обработке привело к снижению показателей прочности бумаги на 6...8 %, поэтому утверждалось [6], что остаточный крахмал сохраняет свойства слабого упрочняющего агента. Однако более принятым является мнение [1, 5, 7], что содержащиеся в макулатурной массе различные виды крахмалов в очередном цикле переработки сырья оказывают отрицательное влияние на прочностные свойства бумажной продукции. Это объяснялось потерей крахмальным связующим клеящих свойств, по этой причине в очередном цикле переработки требуется добавление в качестве упрочняющего реагента катионного крахмала в количестве 6.20 кг/т волокна.

Свои проблемы создает та часть «старого» крахмала, которая в результате механического воздействия в процессах разволокнения, сортирования и размола переходит в оборотную воду. Накапливаясь в ней в виде кол-

лоидных частиц и агрегатов с другими компонентами макулатурной массы, фрагменты растворенного крахмала при повторной переработке приобретают отрицательный заряд, становясь источником анионных загрязнений («анионный мусор»). Наличие таких загрязнений приводит к увеличению катионной потребности бумажной массы и резкому снижению эффективности дорогостоящих химических вспомогательных веществ, проклеивающих реагентов, свежего катионного крахмала [3]. Было показано [9], что продукты деструкции крахмала являются нежелательными примесями оборотных вод, после их удаления путем сгущения массы прочностные показатели картона возросли на 15.16 %.

Цель данного исследования - выяснить, как удаление крахмала из вторичного волокна посредством обработки ферментом а-амилазой влияет на его бумагообразующие свойства.

Ферментативную обработку можно проводить до или после размола макулатурной массы. На стадии размола и рафинирования массы происходит набухание и фибриллирование волокон, что сопровождается интенсивным удалением крахмала с их поверхности. Об увеличении степени загрязненности оборотных вод в ходе размола макулатурной массы свидетельствует повышение показателя ХПК [5]. Прирост этого показателя становится особенно заметным при степени помола массы выше 30 °ШР. В данном исследовании была поставлена задача максимально полно извлечь отработанный крахмал из вторичного волокна, что достигается при сочетании размола и ферментативной обработки размолотой массы.

Макулатуру марки МС-5Б после роспуска размалывали на дисковой мельнице НДМ до степени помола 35 °ШР и делили на несколько частей: одну часть оставляли для сравнения (контрольный опыт); вторую часть массы при концентрации 3 % обрабатывали в течение 3 ч а-амилазой (Aquazyme 120L компании «Novozymes A/S», Дания) в количестве 5 кг/т абс. сухого волокна при температуре 50 °С; в третью часть размолотой массы и в размолотую после ферментативной обработки массу (четвертая часть) дополнительно добавляли катионный крахмал Perlcore B35 со степенью замещения 0,04 в количестве 10 кг/т волокна. Лабораторные отливки бумаги (масса 1 м2 - 100 г) изготовляли на листоотливном аппарате ЛА-4. Чтобы исключить влияние компонентов оборотной воды, для разбавления массы и приготовления отливок использовали только техническую воду. В отливках определяли прочностные и деформационные характеристики [4].

Ферментативная обработка а-амилазой ускоряет гидролиз и деполимеризацию крахмала, в результате чего продукты его деструкции в виде декстринов легко отделяются от волокон и переходят в раствор. Как видно из данных таблицы, удаление отработанного крахмального связующего из вторичного волокна позволяет значительно повысить прочностные и деформационные характеристики бумажного листа. Так, рост показателей прочности массы, прошедшей ферментативную обработку, по сравнению с образцами из исходной массы по разрывной длине и сопротивлению про-

давливанию составил 9 %, по сопротивлению раздиранию - 17 %, а рост сопротивления на излом при многократных перегибах достиг почти 60 %.

Добавление к размолотой массе катионного крахмала привело к значительному увеличению прочности отливок по всем показателям. Однако наиболее эффективно введение в качестве упрочняющей добавки свежего крахмала при высокой степени очистки вторичного волокна от старого крахмального связующего (см. таблицу).

Ранее было показано [3], что даже частичное удаление загрязнений при роспуске макулатуры в щелочной среде увеличивает эффективность действия катионного крахмала. Щелочную обработку применяют при облагораживании макулатурной массы в сочетании с отбелкой пероксидом водорода, потому что процесс отбелки также проводится в щелочной среде [1]. Такая обработка гофротары менее целесообразна, так как после нее необходимо дополнительное введение кислых химикатов для обеспечения нейтральной или слабокислой среды перед проклейкой бумажной массы, что неизбежно приведет к накоплению минеральных солей в оборотной воде.

Влияние ферментативной обработки бумажной массы из макулатуры МС-5Б и добавления катионного крахмала на показатели механической прочности

отливок бумаги

Показатель Значение показателя для массы

без добавок (контроль) с добавкой

амилазы крахмала амилазы + крахмала

Сопротивление разрыву, Н 84 91 101 109

Разрывная длина, м 5700 6200 6850 7400

Относительное удлинение 2,1 2,2 2,4 2,5

в момент разрушения, %

Сопротивление:

продавливанию, кПа 230 250 280 340

раздиранию, мН 700 820 950 1090

излому, ч.д.п.* 223 353 266 543

* ч.д.п. - число двойных перегибов.

Несомненным преимуществом обработки а-амилазой перед обработкой щелочью является то, что взаимодействие массы с ферментом может проводиться в нейтральной среде при низкой температуре (30...50 °С). Причем тенденция к значительному росту прочностных характеристик отливок сохраняется и при добавлении катионного крахмала. Если у исходной массы прирост сопротивления продавливанию составлял 22 %, то у массы, обработанной ферментом, этот показатель увеличивался на 36 %, а сопротивление излому - в 2 раза.

Механизм улучшения прочностных характеристик вторичного волокна при обработке а-амилазой можно объяснить следующим образом. В результате набухания крахмала в водной среде и его ферментативной деструкции происходит очистка поверхности волокна, что способствует более

тесному контакту волокон между собой и образованию более прочных межволоконных связей в листе бумаги. Кроме того, освобождаются для взаимодействия с добавляемым катионным крахмалом гидроксильные группы волокна, ранее блокированные деградированным крахмалом.

Таким образом, удаление отработанного крахмального связующего из вторичного волокна позволяет значительно повысить прочностные и деформационные характеристики бумажного листа, увеличить эффективность действия катионного крахмала, вводимого в качестве связующего. Тем не менее, это не позволяет в полной мере решить проблемы, связанные с наличием в поступающей на переработку макулатуре старого крахмала, так как в оборотной воде накапливаются продукты его деструкции, которые также необходимо удалять или разрушать, например, путем биологической обработки оборотной воды.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дулькин, Д.А. Современное состояние и перспективы использования вторичного волокна из макулатуры в мировой и отечественной индустрии бумаги [Текст] / Д.А. Дулькин, В.А. Спиридонов, В.И. Комаров. - Архангельск: Изд-во Ар-ханг. гос. техн. ун-та, 2007. - 1118 с.

2. Копыльцов, А.А. Опыт применения катионных крахмалов при производстве бумаги и картона из макулатуры [Текст] / А.А. Копыльцов // Технология переработки макулатуры: науч. тр. 6-й науч.-техн. конф. - Караваево - Правда, 2005. -С. 120-123.

3. Крылов, А.Ю. Снижение анионных загрязнений при производстве бумаги и картона [Текст] / А.Ю. Крылов, И.Н. Ковернинский // Современные достижения в производстве и использовании бумаги и картона для печати: тез. докл. науч. -практ. конф. - СПб., 2004. - С. 78-84.

4. Кулешов, А.В. Бумагообразующие свойства целлюлозных волокон при их неоднократном использовании [Текст] / А.В. Кулешов, А.С. Смолин // Научные основы инновационных технологий бумаги и картона: тр. 1-й Всеросс. науч.-техн. конф. - Полотняный Завод, 2008. - С. 59-65.

5. Лапин, В.В. Загрязнения в бумажной массе из 100 % макулатуры: влияние на степень помола и прочность бумаги и картона [Текст] / В.В. Лапин, А.И. Смоля-ков, Н.Д. Кудрина // Целлюлоза. Бумага. Картон. - 2001. - № 7-8. - С. 32-34.

6. Лапин, В.В. Проблема прочностных свойств бумаги для гофрирования и картона для плоских слоев из 70.100 % макулатуры: роль помола [Текст] / В.В. Лапин, А.И. Смоляков, Н.Д. Кудрина // Целлюлоза. Бумага. Картон. - 2002. -№ 9-10. - С. 32-34.

7. О применении катионного крахмала в производстве бумаги и картона из вторичного волокна [Текст] / А.М. Итиатуллин [и др.] // Теория и технология бумажно-картонной продукции из вторичного волокна: науч. тр. 5-й Междунар. науч-техн. конф. - Правда - Караваево, 2004. - С. 58-62.

8. Петерсон, Х.Х. Применение ферментов в технологии переработки макулатуры [Текст] / Х.Х. Петерсон // Современные научные основы и инновационные технологии бумажно-картонных материалов с использованием вторичного волокна из макулатуры: науч. тр. 7-й Междунар. науч.-техн. конф. - Караваево, 2006. -С. 31-34.

9. Проблема переработки макулатуры, содержащей катионные и анионные виды крахмалов [Текст] / Н.И. Яблочкин [и др.] // Технология переработки макулатуры: науч. тр. 6-й науч.-техн. конф. - Караваево - Правда, 2005. - С. 19-21.

Поступила 23.01.09

A.V. Kuleshov1, A.S. Smolin1, E.V. Novozhilov2, A.V. Kondakov2

1 Saint-Petersburg State Technological University of Plant Polymers

2 Arkhangelsk State Technical University

Characteristics of Waste Paper Fibers after Enzymatic Starch Removal

It is established that enzymatic removal of the worked-out starch adhesive of waste paper fibers by treatment with a-amylase allows to increase the strength and deformation characteristics of paper and efficiency of cationic starch actions injected as adhesive.

Keywords: waste paper, starch, a-amylase, paper strength.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.