مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

تاثیر زایلاناز بر گرانروی و ویژگی‌های مقاومتی خمیرکاغذ باگاس در توالی رنگ‌بریECF

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی صنایع سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه صنعتی خاتم الانبیاء بهبهان، ایران
2 دانش‌آموخته مهندسی صنایع سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه صنعتی خاتم الانبیاء بهبهان، بهبهان، ایران
3 استادیار گروه جنگلداری و صنایع سلولزی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه صنعتی خاتم الانبیاء بهبهان، بهبهان، ایران
10.22034/ijwp.2024.2038168.1679
چکیده
بیان مساله و اهداف: تیمارهای آماده‎سازی خمیرکاغذ از منابع لیگنوسلولزی مختلف به روش­های متنوعی صورت می‎گیرد که در راستای انحلال و خارج­سازی مواد رنگی به‌ویژه لیگنین است. استفاده از این روش­های تیمار به صورت ترکیبی و یا انفرادی موجب آسیب به استحکام الیاف سلولزی مصرفی کاغذسازی می‎شود. تیمار رنگ­بری خمیرکاغذ که معمولاً بعد از خمیرسازی استفاده می‎شود، همواره با آسیب به ساختار خمیرکاغذ همراه است که در این راستا سعی می­شود از روش­های گزینش پذیر در رنگ­بری استفاده شود. تعیین گرانروی الیاف خمیرکاغذ معیاری برای ارزیابی عملکرد استحکام آن در محصولات کاغذسازی محسوب می­شود که از طریق اندازه­گیری غیرمستقیم درجه بسپارش زنجیره سلولز در الیاف، مقدار آسیب شیمیایی به الیاف را نشان می­دهد. در راستای استفاده از روش­های آماده‎سازی خمیرکاغذ با افت کم گرانروی، در این پژوهش تأثیر آنزیم زایلاناز بر حفظ گرانروی خمیرکاغذ سودا رنگ­بری نشده باگاس تهیه‌شده از صنایع کاغذ پارس در رنگ­بری ECF بررسی شد.
مواد و روشها: خمیرکاغذ رنگ­بری نشده باگاس با درصد خشکی 5 با استفاده از آنزیم زایلاناز، در سه سطح (2 و 5 و 10 U/g) و در مدت زمان 60 دقیقه، تحت اسیدیته 5/5 تیمار شد. رنگ­بری با مواد شیمیایی با توالیXE1DE2  در 10 درصد خشکی خمیرکاغذ و دمای 70 و 60 درجه سانتی‎گراد به ترتیب برای مراحل D و E، انجام شد. مقدار کلر فعال در تیمار دی‌اکسید کلر بر پایه عدد کاپای اولیه خمیرکاغذها 3 درصد در نظر گرفته شد. ویژگی­های خمیرکاغذ و کاغذ حاصل شامل بازده و گرانروی خمیرکاغذ، گراماژ، ضخامت، جرم حجمی، درجه روشنی، مقاومت به تاخوردگی و کشش اندازه­گیری شد.
نتایج: نتایج نشان داد با افزایش مصرف آنزیم و استفاده از مراحل بیشتر رنگ­بری شیمیایی راندمان خمیرکاغذ کاهش یافت البته در سطح U 2 زایلاناز، افت بازده نسبت به سطوح دیگر آنزیم کمتر بوده است. تیمار زایلاناز تا سطح U2، به حفظ گرانروی خمیرکاغذ کمک کرد اما مصرف سطوح 5 و 10 U موجب افت گرانروی خمیرکاغذهای نهایی ضمن تیمارهای شیمیایی تکمیلی رنگ­بری شد. همچنین، تیمار زایلاناز تا سطح U2 موجب افزایش درجه روشنی خمیرکاغذها طی فرآیندهای رنگ­بری با مواد شیمیایی شد؛ اما مصرف بیشتر تأثیری بر درجه روشنی کاغذ نهایی نداشت. بلکه موجب حفظ بیشتر مقاومت‌های کاغذ نهایی پس از رنگ­بری شد که در ارزیابی مقاومت به تاخوردگی و مقاومت کششی خود را نشان داد. در ضمن استفاده از تیمار زایلاناز از طریق تسهیل لیگنین­زدایی با حذف همی­سلولز زایلان موجب کاهش مصرف دی‌اکسید کلر برای دست­یابی به درجه روشنی بیش از 70 درصد شد که در رابطه با این عامل، مصرف بیشتر آنزیم به صورت نسبتاً خطی موجب کاهش مصرف دی‌اکسید کلر در مرحله رنگ­بری شد.
نتیجه­ گیری: تیمار ملایم آنزیمی زایلاناز با توجه به اثرات حذف همی سلولز زایلان می­تواند به نفوذ و واکنش­پذیری گزیش پذیر مواد شیمیایی با ترکیبات لیگنینی کمک کند که با توجه به کاهش مصرف مواد شیمیایی رنگ­بر، از نظر زیست محیطی قابل توجه می‌باشد. با این وجود، مصرف بیشتر زایلاناز نه‌تنها به‌طور پیوسته موجب افزایش درجه روشنی نمی‌شود، بلکه موجب آسیب به مقاومت‌های مکانیکی کاغذ می­شود. درمجموع استفاده از زایلاناز در سطح مصرف U2 برای رنگبری خمیرکاغذ قهوه‌ای سودای باگاس توصیه می­شود.
مواد و روش‌ها: خمیرکاغذ رنگ‌بری نشده باگاس با درصد خشکی 5 با استفاده از آنزیم زایلاناز، در سه سطح ( 2و 5 و 10 U/g) و در مدت زمان 60 دقیقه، تحت اسیدیته 5/5 تیمار شد. رنگ‌بری با مواد شیمیایی با توالیXE1DE2 در 10 درصد خشکی خمیرکاغذ و دمای 70 و 60 درجه سانتی‎گراد به‌ترتیب برای مراحل D و E، انجام شد. مقدار کلر فعال در تیمار دی اکسید کلر بر پایه عدد کاپای اولیه خمیرکاغذها 3 درصد در نظر گرفته شد. ویژگی‌های خمیرکاغذ و کاغذ حاصل شامل بازده و گرانروی خمیرکاغذ، گراماژ، ضخامت، جرم حجمی، درجه روشنی، مقاومت به تاخوردگی و کشش اندازه‌گیری شد.
نتایج: نتایج نشان داد با افزایش مصرف آنزیم و استفاده از مراحل بیشتر رنگ‌بری شیمیایی راندمان خمیرکاغذ کاهش یافت البته در سطحU 2 زایلاناز، افت بازده نسبت به سطوح دیگر آنزیم کمتر بوده است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Abd El-Sayed, E.S., El-Sakhawy, M. and El-Sakhawy, M.A.-M., 2020. Non-wood fibers as raw material for pulp and paper industry. Nordic Pulp & Paper Research Journal,35, pp. 215–230.
[2]  Azizi Mossello, A., Savari, A. and Rezayati Charani, P., 2019. The Effect of Protexin Enzyme for Bagasse Storage on Pulp and Paper Properties. Iranian Journal of Wood and Paper Industries, 10(3), pp. 457–468. (In Persian).
[3]  Santos, R.B., Jameel, H., Chang, H.-M. and Hart, P.W., 2013. Impact of Lignin and Carbohydrate Chemical Structures on Kraft Pulping Process and Biofuel Production. TAPPI Journal, 12, pp. 23–31.
[4]  Wang, X., Liu, Y., Pu, J., Qin, C., Yao, S., Wang, S. and Liang, C., 2024. A comparative study on the structure of lignin-carbohydrate complexes in alkali-soluble hemicellulose from bamboo (Bambusa chungii) fibers and parenchyma cells. Industrial Crops and Products Journal, 210;118061. DOI: 10.1016/j.indcrop.2024.118061
[5]  Roberts, J.C., 2007. The chemistry of paper. Royal Society of Chemistry.
[6]  Lan, X., Fu, S., Song, J., Leu, S., Shen, J., Kong, Y., Kang, S., Yuan, X. and Liu, H., 2024. Structural changes of hemicellulose during pulping process and its interaction with nanocellulose. International Journal of Biological Macromolecules, 255, 127772. DOI: 10.1016/J.IJBIOMAC.2023.127772.
[7]  Mboowa, D., 2024. A review of the traditional pulping methods and the recent improvements in the pulping processes. Biomass Conversion and Biorefinery, 14(1), pp. 1–12. DOI: 10.1007/s13399-020-01243-6.
[8]  Zhang, L., Yu, D., Chen, Y. and Wu, C., 2024. Effect of Urea/choline chloride treatment on removing hemicellulose during alkali extraction in the preparation of high-purity dissolving pulps. Industrial Crops and Products Journal, 222, 119709. DOI: 10.1016/J.INDCROP.2024.119709.
[9]  Cuebas‐Irizarry, M.F. and Grunden, A.M., 2024. Streptomyces spp. as biocatalyst sources in pulp and paper and textile industries: Biodegradation, bioconversion and valorization of waste. Microbial Biotechnology, 17(1), p. e14258. DOI: 10.1111/1751-7915.14258.
[11]         Moradian Gilan, K., hedjazi, sahab, Abdolkhani, A. and Sixta, H., 2019. Using of xylanase and cold caustic extraction to remove hemicellulose from bagasse bleached pulp for dissolving pulp production. Iranian Journal of Wood and Paper Industries, 10(1), pp. 1–9. (In Persian).
 [12]        Alifia, K.C.H., Setiadi, T., Boopathy, R., Risdianto, H., Irfan, M. and Hidayatullah, I.M., 2023. Bio-bleaching agents used for paper and pulp produced from the valorization of corncob, wheat straw, and bagasse. In: Chemical Substitutes from Agricultural and Industrial By-Products: Bioconversion, Bioprocessing, and Biorefining. DOI: 10.1002/9783527841141.ch8.
[13]         Dhiman, S.S., Garg, G., Mahajan, R., Garg, N. and Sharma, J., 2009. ‘Single lay out’and ‘mixed lay out’enzymatic processes for bio-bleaching of kraft pulp. Bioresource Technology, 100(20), pp. 4736–4741. DOI: 10.1016/j.biortech.2009.04.059
[14]         Walia, A., Guleria, S., Mehta, P., Chauhan, A. and Parkash, J., 2017. Microbial xylanases and their industrial application in pulp and paper biobleaching: a review. 3 Biotech, 7(11), pp. 1–12. DOI: 10.1007/s13205-016-0584-6.
[15]         Kaur, G., Kaur, P., Kaur, J., Singla, D. and Taggar, M.S., 2024. Xylanase, xylooligosaccharide and xylitol production from lignocellulosic biomass: Exploring biovalorization of xylan from a sustainable biorefinery perspective. Industrial Crops and Products Journal, 215, 118610.
[16]         Deshpande, R., Sundvall, L., Grundberg, H., Lawoko, M. and Henriksson, G., 2020. Lignin carbohydrate complex studies during kraft pulping for producing paper grade pulp from birch. TAPPI Journal, 19(9), pp. 447–460.
[17]         Moon, R.J., Martini, A., Nairn, J., Simonsen, J. and Youngblood, J., 2011. Cellulose nanomaterials review: Structure, properties and nanocomposites. Chemical Society Reviews, 40(7). DOI: 10.1039/c0cs00108b.
[18]         Beg, Q.K., Bhushan, B., Kapoor, M. and Hoondal, G.S., 2000. Enhanced production of a thermostable xylanase from Streptomyces sp. QG-11-3 and its application in biobleaching of eucalyptus kraft pulp. Enzyme and Microbial Technology, 27(7), pp. 459–466. DOI: 10.1016/S0141-0229(00)00231-3.
[19]         Matos, J.M.S., Evtuguin, D. V, de Sousa, A.P.M. and Carvalho, M.G.V.S., 2024. Xylanase treatment of eucalypt kraft pulps: effect of carryover. Applied Microbiology and Biotechnology, 108(1), p. 210. DOI: 10.1007/s00253-024-13027-3.
[20]         Gangwar, A.K., Prakash, N.T. and Prakash, R., 2014. Applicability of microbial xylanases in paper pulp bleaching: a review. BioResources, 9(2). pp. 3733-3753.
[21]         Van der Brught, T., Tolan, J. and Thibault, L., 2002. US kraft mills lead in xylanase implementation. In: 2002 TAPPI Fall Technical Conference and Trade Fair.
[22]         Schaubeder, J.B., Spirk, S., Fliri, L., Orzan, E., Biegler, V., Palasingh, C., Selinger, J., Bakhshi, A., Bauer, W., Hirn, U. and Nypelö, T., 2024. Role of intrinsic and extrinsic xylan in softwood kraft pulp fiber networks. Carbohydrate Polymers, 323, p.121371. DOI: 10.1016/j.carbpol.2023.121371.
[23]         Kulkarni, N. and Rao, M., 1996. Application of xylanase from alkaliphilic thermophilic Bacillus sp. NCIM 59 in biobleaching of bagasse pulp. Journal of Biotechnology, 51(2). DOI: 10.1016/0168-1656(96)01616-1.
[24]         Jeffries, T.W., Davis, M., Rosin, B. and Landucci, L.L., 1998. Mechanisms for kappa reduction and color removal by xylanases. Enzyme, 4, pp. 2–319.
[25]         Bajpai, P., Bajpai, P.K., Kondo, R., Bajpai, P., Bajpai, P.K. and Kondo, R., 1999. Pulp Bleaching with xylanases. Biotechnology for Environmental Protection in the Pulp and Paper Industry, Springer Berlin, Heidelberg, pp. 49–64. DOI: 10.1007/978-3-642-60136-1.
[26]         Matos, J.M.S., Evtuguin, D. V, de Sousa, A.P.M. and Carvalho, M.G.V.S., 2024. Xylanase treatment of eucalypt kraft pulps: effect of carryover. Applied Microbiology and Biotechnology, 108(1), p. 210. DOI: 10.1007/s00253-024-13027-3.
[27]         Roncero, M.B., Torres, A.L., Colom, J.F. and Vidal, T., 2004. The effect of xylanase on lignocellulosic components during the bleaching of wood pulps. Bioresource Technology, 96(1), pp. 21–30.  DOI: 10.1016/j.biortech.2004.03.003.
[28]         Roncero, M.B., Torres, A.L., Colom, J.F. and Vidal, T., 2003. TCF bleaching of wheat straw pulp using ozone and xylanase. Part A: Paper quality assessment. Bioresource Technology, 87(3), pp. 305–314. DOI: 10.1016/S0960-8524(02)00224-9.
[29]         Kuhad, R.C., Rapoport, A., Kumar, Vinod, Singh, D., Kumar, Vijay, Tiwari, S.K., Ahlawat, S., Singh, B., 2024. Biological pretreatment of lignocellulosic biomass: An environment-benign and sustainable approach for conversion of solid waste
into value-added products. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 54, 771–796. DOI: 10.1080/10643389.2023.2277670.
[30]         Madlala, A.M., Bissoon, S., Singh, S. and Christov, L., 2001. Xylanase-induced reduction of chlorine dioxide consumption during elemental chlorine-free bleaching of different pulp types. Biotechnology Letters, 23(5), pp. 345–351. DOI: 10.1023/A:1005693205016.
[31]         Paice, M.G., Bernier, R. and Jurasek, L., 1988. Viscosity‐enhancing bleaching of hardwood kraft pulp with xylanase from a cloned gene. Biotechnology and Bioengineering, 32(2). DOI: 10.1002/bit.260320214.
[32]         Vinod Kumar, N., Rani, M.E., Gunaseeli, R. and Kannan, N.D., 2018. Paper pulp modification and deinking efficiency of cellulase-xylanase complex from Escherichia coli SD5. International Journal of Biological Macromolecules 111. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2017.12.126.
[33]         Przybysz Buzała, K., Kalinowska, H., Borkowski, J. and Przybysz, P., 2018. Effect of xylanases on refining process and kraft pulp properties. Cellulose, 25(2), pp. 1319–1328. DOI: 10.1007/s10570-017-1609-y.