《中國(guó)造紙》2018年度“誠(chéng)銘化工杯” 優(yōu)秀論文部分獲獎(jiǎng)作者田超博士專訪

一等獎(jiǎng)

題目：纖維素酶和聚木糖酶處理改善溶解漿性能的研究

作者：田超　石瑜　翟丙彥　喬軍　應(yīng)廣東

單位：山東太陽(yáng)紙業(yè)股份有限公司

中國(guó)制漿造紙研究院有限公司

非常感謝《中國(guó)造紙》2018年度優(yōu)秀論文評(píng)選專家對(duì)“纖維素酶和聚木糖酶處理改善溶解漿性能的研究”一文的認(rèn)可。這項(xiàng)研究開(kāi)始于師從倪永浩教授攻讀博士學(xué)位期間，是來(lái)源于國(guó)外溶解漿企業(yè)需求的課題，后續(xù)又在中國(guó)制漿造紙研究院有限公司進(jìn)行拓展研究，并向國(guó)內(nèi)企業(yè)推介。研究的著眼點(diǎn)在于通過(guò)酶處理達(dá)到纖維素純化和活化的目的，既可用于溶解漿的質(zhì)量提升，也可為“紙改漿”提供一條新的技術(shù)路徑。衷心希望這項(xiàng)研究和相關(guān)論文能夠?yàn)槿芙鉂{和再生纖維素纖維兩個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)提供點(diǎn)滴借鑒和支持。

近年來(lái)，隨著黏膠纖維等溶解漿下游行業(yè)的迅速發(fā)展，我國(guó)溶解漿消耗量快速增加。在溶解漿無(wú)法滿足需求的情況下，部分企業(yè)將造紙漿經(jīng)加工處理后改性為溶解漿（以下簡(jiǎn)稱紙改漿）。但受制于反應(yīng)性能不佳的問(wèn)題，大部分紙改漿只能部分替代溶解漿應(yīng)用于黏膠纖維的生產(chǎn)。因此，采用各種手段提高溶解漿反應(yīng)性能就十分重要，其中，通過(guò)酶處理使纖維素純化和活化，從而改善溶解漿的品質(zhì)，也可為紙改漿提供一條新的技術(shù)路徑。獲獎(jiǎng)?wù)撐牡难芯拷Y(jié)果表明，纖維素酶處理可以將紙改漿的Fock 反應(yīng)性能從13.50％提高到49.75%。

《造紙信息》：首先恭喜您撰寫(xiě)的文章獲得《中國(guó)造紙》2018年度“誠(chéng)銘化工杯”優(yōu)秀論文一等獎(jiǎng)！也非常感謝您接受我們的采訪！您的獲獎(jiǎng)文章《纖維素酶和聚木糖酶處理對(duì)改善溶解漿性能的影響》，這個(gè)課題在我們行業(yè)里也頗為新穎，請(qǐng)介紹一下，當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)這一科研課題時(shí)的研究背景是怎樣的？提出這一課題的主要目的是什么？

田超：關(guān)于這篇論文所涉及的課題的提出，要非常感謝我的博導(dǎo)倪永浩老師。這個(gè)課題最初源自倪永浩老師團(tuán)隊(duì)的一個(gè)企業(yè)合作項(xiàng)目，目的是改善溶解漿的反應(yīng)性能，我讀博期間在這個(gè)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上圍繞提升溶解漿質(zhì)量，主要是提升纖維素純度和反應(yīng)性能兩個(gè)方面，做了相對(duì)系統(tǒng)的擴(kuò)大研究，包括溶解漿反應(yīng)性能的表征方法、改善溶解漿反應(yīng)性能的方法和機(jī)理、冷/ 熱堿抽提提高纖維素純度等內(nèi)容。博士畢業(yè)后回到中國(guó)制漿造紙研究院有限公司繼續(xù)工作期間，又繼續(xù)沿著這個(gè)方向開(kāi)展了后續(xù)研究，包括如何結(jié)合冷/ 熱堿抽提和酶處理來(lái)實(shí)現(xiàn)紙改漿，以及紙改漿的廢液綜合利用、酶的選用等內(nèi)容，目的是讓這些研究更加貼近生產(chǎn)實(shí)際。這篇論文所介紹的主要是用酶處理來(lái)改善溶解漿反應(yīng)性能的部分，此外還有關(guān)于機(jī)械和物理處理方法的研究在其他論文中發(fā)表。當(dāng)然，從實(shí)際應(yīng)用角度來(lái)講，經(jīng)過(guò)研究比較之后，認(rèn)為酶處理可能是更為簡(jiǎn)便、高效的方法。

我倒沒(méi)有覺(jué)得這個(gè)課題如何高大上，在我看來(lái)它只是一個(gè)針對(duì)小眾漿種的具體問(wèn)題的應(yīng)用研究，目前沒(méi)有涉及太深入的機(jī)理研究。當(dāng)然這并不意味著我看低這項(xiàng)研究的意義，重大技術(shù)革新與點(diǎn)點(diǎn)滴滴的技術(shù)改進(jìn)對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展來(lái)說(shuō)都很重要，我很期望這項(xiàng)小而專的研究能夠在溶解漿生產(chǎn)中發(fā)揮一點(diǎn)兒作用。并且，這個(gè)課題雖然入口比較窄，但接下來(lái)可以做得很寬、很深入，影響面也可以擴(kuò)大，后面我會(huì)解釋原因。

《造紙信息》：在造紙行業(yè)里，改善溶解漿性能方面的實(shí)驗(yàn)課題涉及較少，請(qǐng)簡(jiǎn)單介紹一下實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容和研究心得。實(shí)驗(yàn)中提到的對(duì)闊葉木溶解漿性能的改善，可以使原有性能有多大幅度的提升？這一提升會(huì)對(duì)下游用戶的使用產(chǎn)生什么影響？

田超：如前面所提到的，可能是因?yàn)槿芙鉂{比較小眾，且其下游是紡織行業(yè)，完全脫離了我們熟知的造紙行業(yè)，很多關(guān)于溶解漿性能的深層要求并沒(méi)有像制漿和造紙這樣通暢、深入地反映出來(lái)，所以制漿造紙行業(yè)中相關(guān)研究相對(duì)較少。

這個(gè)課題的主要內(nèi)容還是比較容易理解的。首先，厘清了什么是溶解漿的反應(yīng)性能，及其主要影響因素。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在黏膠纖維生產(chǎn)中，反應(yīng)性能是特指與二硫化碳發(fā)生黃化反應(yīng)的能力，其主要決定因素是纖維素的可及度。提高溶解漿反應(yīng)性能的方法有很多，但每種方法在應(yīng)用時(shí)都存在一些難度，有可能引起溶解漿的多個(gè)指標(biāo)之間的聯(lián)動(dòng)反應(yīng)。例如，降低聚合度在提高反應(yīng)性能的同時(shí)，可能引起甲纖含量的顯著降低，而黏纖廠對(duì)聚合度也有下限要求，諸如此類，此外還要考慮經(jīng)濟(jì)上的可行性。

如果以Fock 測(cè)試來(lái)衡量的話，市場(chǎng)上的預(yù)水解硫酸鹽溶解漿的反應(yīng)性能普遍在50% 左右，酸法漿普遍在80% 以上。目前在研究中取得的最好效果是把闊葉木預(yù)水解硫酸鹽溶解漿的Fock 反應(yīng)性能從45% 提高至接近90%，也就是達(dá)到酸法漿的水平。當(dāng)然這并不具有典型的應(yīng)用意義，因?yàn)檫�需要考慮應(yīng)用場(chǎng)景和成本要求，但探索出了技術(shù)上的可能性。反應(yīng)性能改善對(duì)下游用戶——也就是黏纖生產(chǎn)的影響是，可以提高漿粕的溶解程度、提高原料利用率，減少有毒溶劑二硫化碳的使用量，提高成絲質(zhì)量和生產(chǎn)效率，優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。正因?yàn)槿绱�，雖然在溶解漿國(guó)標(biāo)中并沒(méi)有規(guī)定反應(yīng)性能的標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)際上在黏纖廠和溶解漿廠反應(yīng)性能都是必測(cè)、必報(bào)的核心指標(biāo)。

《造紙信息》：我們知道，由于國(guó)內(nèi)的溶解漿需求和供應(yīng)之間有比較大的缺口，在一些比較特殊的價(jià)格或者供求關(guān)系條件下，會(huì)催生紙改漿這樣的做法，據(jù)了解主要采用的是堿抽提的方法，這篇文章里也涉及到這方面的內(nèi)容。請(qǐng)您介紹一下，這類紙改漿與直接生產(chǎn)的溶解漿相比有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？這篇文章主要介紹的酶處理跟紙改漿有什么特定的關(guān)聯(lián)性？以堿抽提為基礎(chǔ)的紙改漿工藝是否有進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用的可能性，主要難點(diǎn)在哪里？

田超：首先要再提及一下紙改漿所基于的技術(shù)原理。在一些纖維素化學(xué)的權(quán)威著作中提到，高濃冷堿液抽提是從紙漿中去除五碳糖類半纖維素的最高效的方法，因?yàn)楦邼獾蜏貕A液可以使纖維素大幅潤(rùn)脹，短鏈糖類可以有效溶出，并且這個(gè)過(guò)程幾乎可以認(rèn)為是純物理過(guò)程，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)很少；對(duì)含有比較多六碳糖類半纖維素的紙漿，當(dāng)然就是指針葉木漿，則可能還需要熱堿抽提來(lái)去除這類半纖維素。而化學(xué)紙漿和溶解漿的主要差別就在于半纖維素含量，所以堿抽提就自然成為紙改漿的首選途徑�；�于這個(gè)原理，特別是在冷堿抽提條件下，短鏈糖類大量溶出，漿粕可以很容易達(dá)到比較高的甲纖含量，平均聚合度也會(huì)有所提高，但是同時(shí)，纖維素經(jīng)過(guò)強(qiáng)堿條件下的顯著潤(rùn)脹之后，第一會(huì)發(fā)生晶型的變化，至少會(huì)有一部分由I 型轉(zhuǎn)變?yōu)榉磻?yīng)性能更差的II 型纖維素，第二再次干燥時(shí)由于“雜質(zhì)”的流失會(huì)形成更加緊密的氫鍵結(jié)合，也就是常說(shuō)的角質(zhì)化。所以紙改漿的一個(gè)重要特點(diǎn)就是纖維素可以更純，但被顯著“鈍化”，反應(yīng)性能變差。因此，這篇文章里介紹了用酶處理來(lái)重新“活化”堿抽提之后的漿粕。

紙改漿目前處于一種存在但非主流的狀態(tài)。單從理論上來(lái)講，紙改漿為溶解漿生產(chǎn)提供了一種新的選擇，在溶解漿需求缺口明顯的情況下應(yīng)該是受歡迎的；對(duì)傳統(tǒng)的化學(xué)紙漿生產(chǎn)者來(lái)說(shuō)，也意味著可以通過(guò)紙改漿實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品線的延伸，而不必建設(shè)專門(mén)的溶解漿生產(chǎn)線。但是既然沒(méi)有大規(guī)模發(fā)展起來(lái)，說(shuō)明這個(gè)技術(shù)路線還存在一些問(wèn)題。我個(gè)人的看法是，還沒(méi)有解決技術(shù)手段和成本之間的平衡。高濃堿液抽提、酶處理，這些處理都需要增加成本，溶解漿和化學(xué)紙漿之間的差價(jià)能否覆蓋這些成本起著決定性作用，差價(jià)很高的時(shí)候堿液不回收都可以接受，但差價(jià)低的時(shí)候就不行，另外還有廢液處理的問(wèn)題，回收要有回收的方法、并且也存在經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題，不回收時(shí)廢液也要有相應(yīng)的去處。恰恰是這些附屬問(wèn)題沒(méi)有妥善地解決，成為紙改漿的發(fā)展障礙，由紙漿到溶解漿并沒(méi)有太大的技術(shù)難度。所以在紙改漿方向，目前我和同事們把重點(diǎn)放在了堿抽提廢液的回收利用方面，比如結(jié)合制漿生產(chǎn)直接回用堿抽提廢液是一條路線，把抽提廢液的堿和抽出物分離回用是另一條路線。

《造紙信息》：科研的終極目的就是應(yīng)用到實(shí)踐中轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。請(qǐng)介紹一下，酶處理改善溶解漿性能這一課題，目前是否已經(jīng)有實(shí)踐中的應(yīng)用。在成果轉(zhuǎn)化方面，這類課題整體處于什么階段？您負(fù)責(zé)的這項(xiàng)研究，處于什么階段？如果將成果轉(zhuǎn)化設(shè)定為目標(biāo)的話，還有多長(zhǎng)的路要走？

田超：是的，這個(gè)課題從形成之初到目前的研究目標(biāo)都是指向應(yīng)用�？梢哉f(shuō)，這個(gè)技術(shù)本身已經(jīng)比較成熟了，隨時(shí)可以投入生產(chǎn)應(yīng)用，只要根據(jù)溶解漿產(chǎn)品要求調(diào)整好酶的構(gòu)成和使用條件，在生產(chǎn)線上實(shí)施起來(lái)并不困難，不需要大的改造和硬件投入。據(jù)我所知，用酶處理來(lái)改善反應(yīng)性能的做法，國(guó)外的溶解漿企業(yè)已經(jīng)投入了實(shí)際應(yīng)用。我也在跟國(guó)內(nèi)一些溶解漿企業(yè)介紹這項(xiàng)技術(shù)，希望能夠盡快實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)推廣并不容易，不是技術(shù)的問(wèn)題，而是成本的原因。酶處理本身需要增加的成本并不高，在國(guó)外的時(shí)候做過(guò)測(cè)算，通常情況下在3 —— 4 美/t 漿，但是由于國(guó)外企業(yè)有明顯的原料成本優(yōu)勢(shì)，所以應(yīng)用相對(duì)容易，而國(guó)內(nèi)的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)壓力比較大，有難度是可以理解的。

《造紙信息》：酶處理改善溶解漿性能這一領(lǐng)域的研究，國(guó)外的研究現(xiàn)狀是什么？與國(guó)外相比，我們的研究是否有差距。

田超：坦率地說(shuō)，在研究這個(gè)層面，我們跟國(guó)外并沒(méi)有太大的差距，更多的是“差異”，比如創(chuàng)新理念上的差異。國(guó)外的企業(yè)比較看重技術(shù)上的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，即便產(chǎn)品質(zhì)量合格，也不斷追求質(zhì)量改進(jìn)，不斷提出新的創(chuàng)新需求。所以總給人一種感覺(jué)，國(guó)外的研究比我們領(lǐng)先一步，實(shí)際上還是需求導(dǎo)向的差異，要看研究是解決存量問(wèn)題還是引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展。

《造紙信息》：您對(duì)獲獎(jiǎng)?wù)撐恼n題中的現(xiàn)有成果是否滿意，還存在哪些不足之處？下一步的研究方向怎樣？

田超：說(shuō)實(shí)話我并不是很滿意，或者說(shuō)還有很多工作沒(méi)有完成。從幾個(gè)方面來(lái)說(shuō)：第一，由于對(duì)酶本身的特性研究還不夠，采取的是“拿來(lái)主義”，同樣都是內(nèi)切葡萄糖酶（或以內(nèi)切葡萄糖酶為主）、用量相當(dāng)，處理之后效果差異很大，說(shuō)明可能還要深入探究酶產(chǎn)品的差異，比如活化效果是否與產(chǎn)酶的菌種、內(nèi)切葡萄糖酶之外的其他組分相關(guān)等；第二，對(duì)機(jī)理的研究還不夠，例如聚合度、半纖維素含量、孔隙結(jié)構(gòu)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)這些表觀性能與反應(yīng)性能的定性關(guān)系是確定的，但各自的影響權(quán)重還未能完全掌握，這涉及到應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)該首先調(diào)控哪些參數(shù)、調(diào)控的限度；第三，目前的研究主要基于黏膠工藝，實(shí)際上纖維素的溶解方法正在不斷發(fā)展，纖維素的反應(yīng)性能和可及度本身就是一個(gè)更為寬泛的概念，目前的研究結(jié)論、效果在其他溶解漿體系中的效果如何，我和同事們已經(jīng)開(kāi)始了一些在NMMO-水溶解體系中的類似研究，還有很多工作要做。此外，纖維素作為一種天然高分子材料，將來(lái)作為基礎(chǔ)原料獲得更廣泛應(yīng)用的可能性正在增加。因此無(wú)論在黏膠工藝還是NMMO- 水溶解體系下的反應(yīng)性能、可及度研究，都會(huì)給將來(lái)更好、更廣泛地利用化學(xué)紙漿、溶解漿粕這些纖維素原料提供理論和技術(shù)參考，所以我覺(jué)得這個(gè)課題還是很有意義的，也就是我認(rèn)為這個(gè)課題可以更寬、更深入、影響面更大的原因，所以研究肯定會(huì)繼續(xù)進(jìn)行下去。

責(zé)任編輯：葛鴻燕

校對(duì)：葛鴻燕