《生物技术在制浆造纸中的应用》全套课件

生物技术在制浆造纸中的应用生物技术在制浆造纸中的应用课程性质和目的本课程为轻化工程专业本科学生开设的公开选修课。目的在于通过教与学，使学生正确理解生物技术在制浆造纸中的应用原理和一般方法，拓宽学生的知识面。生物技术在制浆造纸中的应用课程教学的基本要求教学环节：课堂讲授，学生自学，平时作业讲授学时：27学时考核方式：课程论文1篇总评成绩：平时成绩（学习态度、

3次作业、考勤等）占40%，课程论文占60%。生物技术在制浆造纸中的应用参考资料谢来苏编著，《制浆造纸的生物技术》，化学工业出版社，2003年6月；林鹿，詹怀宇编著，《制浆漂白生物技术》，中国轻工业出版社，2002年4月；杨汝德编著，《现代工业微生物学》，华南理工大学出版社，2001年2月；袁勤生编著，《应用酶学》，华东理工大学出版社，1994年8月。生物技术在制浆造纸中的应用目

录一、概述二、微生物学基础知识三、酶学基础知识四、木质纤维的生物降解五、生物改良树种和原料的生物处理六、生物技术在制浆中的应用七、生物技术在漂白中的应用八、生物技术在造纸中的应用九、生物技术在废纸回用中的应用十、生物技术在造纸废水处理中的应用生物技术在制浆造纸中的应用第一章 概述植物纤维生物技术生物技术在造纸工业中的应用生物技术在制浆造纸中的应用1.1 植物纤维（Plantfibre）◆植物纤维——广泛分布在种子植物中的一种厚壁组织。◆植物纤维的细胞细长，两端尖锐，具有较厚的次生壁，壁上常有单纹孔生物技术在制浆造纸中的应用纤维和纤维素有区别吗？生物技术在制浆造纸中的应用（1）植物纤维的存在部位存在部位植物名称用途韧皮纤维在茎杆韧皮部的纤维桑树、构树、青檀等制造特种纸的优良原料木材纤维在植物树干中的木质纤维松、杉、杨树、柳树等制浆造纸的原料叶纤维存在植物叶中的纤维剑麻、蕉麻等主要用制绳索，或作粗纺之用茎杆纤维存在植物茎中的纤维苎麻、大麻、亚麻和黄麻等制各种纺织品根纤维在根部的韧皮纤维马蔺等一般较少果壳纤维果壳中的纤维椰子壳纤维等制滤料、活性炭等种子纤维在种子表面的纤维棉、木棉、杨柳、攀枝花等制各种纺织品绒毛纤维花序上的绒毛香蒲等制特种纸、纺织品生物技术在制浆造纸中的应用（2）植物纤维的化学组成生物技术在制浆造纸中的应用（3）植物细胞壁的结构和组成细胞层相对厚度（%）微细纤维角度（°）P+ML<10凌乱S110～2050～70S270～9010～20S32～860～90细胞壁的亚显微结构图解S1-次生壁外层；S2-次生壁中层；S3-次生壁内层；

CW1-初生壁；ML-胞间层生物技术在制浆造纸中的应用细胞壁微细纤维结构模型生物技术在制浆造纸中的应用（3）植物纤维的利用概况生物技术在制浆造纸中的应用1.2 生物技术（Biotechnology）概念：利用微生物、动物、植物，对物料进行加工，以提供产品来为社会服务的技术。学科基础：细胞生物学、遗传学、微生物学、分子生物学最显著特点：在细胞和亚细胞的分子水平上直接操纵生命，改变生物的遗传形态，甚至定向地创造新的生命形式。生物技术在制浆造纸中的应用生物技术基因工程：通过生物遗传基因的重组，开发出新的优良品种和新的物种生物工程：通过生物代谢作用，生产出许多有用的新有机物质酶工程：通过酶促反应，大大改善许多现有生产工艺的条件和效率细胞工程：通过在细胞或细胞器水平上的操作，生产新型生物或特种细胞产品、产物生物技术在制浆造纸中的应用生物技术的应用领域人类健康——提高生命质量、延长人类寿命农业——改善农业生产、解决食品短缺能源和资源——解决能源危机、治理环境污染工业——制造工业原料、生产贵重金属生物技术在制浆造纸中的应用（1）重要依据造纸工业的基本原料是生物体(植物)：◆制浆造纸方法基本上是对生物体的化学反应过程◆制浆造纸的环境污染物主要是生物体降解的有机物1.3生物技术在造纸工业中的应用生物技术在制浆造纸中的应用（2）研究领域◆培植植物纤维原料◆原料贮存◆生物制浆◆生物酶促漂白◆废纸的酶促脱墨◆树脂障碍的生物控制◆腐浆的生物控制◆纸质材料在自然界的生物降解◆废水废渣的生物处理生物技术在制浆造纸工业中生物技术在制浆造纸中的应用（3）意义通过生物技术在木材制浆工业中的研究和应用，制浆工业迫切期望能：◆降低纤维原料和化学药品的消耗量◆提高纸浆得率◆改进产品质量◆节约能耗◆减轻或消除对环境的污染◆经济效益好的新的原料品种生物技术的应用必将为制浆造纸工业的发展发挥巨大的推动作用生物技术在制浆造纸中的应用第2章 微生物学基础知识微生物的概念微生物的特点微生物的种类影响微生物的因素2.4

微生物的展望生物技术在制浆造纸中的应用自然界中N、C、S等元素循环农业,以菌造肥,以菌催长,以菌防病,以菌治病工业,微生物应用于食品、皮革、纺织、石油、化工、冶金等医药工业利用微生物制造抗生素、维生素、辅酶、ATP等药物污水处理,利用微生物降解有机磷、氰化物等基因工程技术中提供多种工具酶和载体系统,创建有益的工程菌新品种微生物与人类的关系微生物有少数微生物能引起人类和动、植物的病害生物技术在制浆造纸中的应用2.1

微生物的概念微生物（Microorganism，简称microbe）是一些肉眼看不见或看不清的微小生物的总称。——包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生动物、显微藻类等在内的一大类生物群体生物技术在制浆造纸中的应用微生物小的直观感觉真核细胞型原核细胞型电镜微生物的相对大小肉眼光学显微镜可见范围病毒生物技术在制浆造纸中的应用微生物大小近似值细胞特征病毒0.01～0.25μm非细胞的细菌0.1～10μm原核生物真菌2μm～1m真核生物原生动物2～1000μm真核生物藻类1μm～m真核生物

微生物形态、大小和细胞类型生物技术在制浆造纸中的应用微生物的体积大小2μm0.5μm杆菌80个杆菌肩并肩总宽度=1根头发丝的宽度1500个杆菌首尾相连总长度=1粒芝麻的长度单位：µm(10-6

m)或nm(10-9m)必须用显微镜观察生物技术在制浆造纸中的应用各种“视野”下的细菌光镜暗视野荧光透射电镜超薄切片冷冻切片扫描电镜DNA蛋白质复合物生物技术在制浆造纸中的应用2.2

微生物的特点

个体最小，比表面积最大（比表面积=面积/体积)比表面积: 假设人=1;大肠杆菌(E.coli)=300,000;有利于物质交换和能量、信息的交换；微生物一系列属性均与此特点密切相关。生物技术在制浆造纸中的应用小体积大面积营养物质吸收面代谢废物的排泄面环境信息的交换面巨大巨大巨大微生物的生物学之最形态最简代谢能力最强食谱最杂繁殖最快数量最多分布最广种类最多变异最易个体最小生物技术在制浆造纸中的应用微生物的特点生物技术在制浆造纸中的应用形态最简微生物的特点生物技术在制浆造纸中的应用代谢能力最强微生物的特点体

积越小，代谢越强是本身重量2000倍糖。◆1kg酵母菌在12小时内，将几吨糖转化为酒精。◆1克闪绿蜂鸟每天消耗两倍于体重的粮食◆3克地鼠每天消耗与体重等重的粮食◆奶牛（500kg）在24h内合成0.5kg蛋白质◆微生物细胞在24h内合成自身重量30-40倍的细胞物质吸收多转化快人类利用微生物生产许多产品，就是因为它们的生◆大肠杆菌在1小时内分解的糖物化学转化能力特别强——“活的化工厂”。生物技术在制浆造纸中的应用微生物的特点食谱最杂从无机物到有机物；从无毒物到有毒物；从结构简单到结构复杂的物质，微生物都能利用和降解。生物技术在制浆造纸中的应用微生物的特点大多数细菌的繁殖速度都很快如：大肠杆菌在适宜的生长条件下：12.5-20分钟每小时经24小时经24小时繁殖1代分裂3代，由1个变成8个。分裂72代，重约4722吨可产生4.72×1021个后代。繁殖最快微生物因受营养、空间、代谢产物等条件限制，几何级数的繁殖速度只能维持数小时。生物技术在制浆造纸中的应用微生物代时及每日增殖率中的意义生产效率高，周期短微生物名称代时(分)温度日增殖率乳酸菌38252.7×1011大肠杆菌20374.7×1021根瘤菌110258.2×103枯草杆菌31307.2×1013光合细菌144301.0×103酿酒酵母120304.1×103念珠藻1380252.1硅藻1020202.64小球藻4202510.6在草工履业虫应用642264.92微生物种类繁多，至少有100万种以上

如：人体的肠道中始终寄居着100～400种微生物，为肠道正常菌丛，总数可达100万亿。数量最多生物技术在制浆造纸中的应用微生物的特点分布最广生物技术在制浆造纸中的应用微生物的特点分布广微生物在自然界的分布：无处不在，无孔不入正常环境极端环境陆地：高山、平原、沙漠空气：水域：河流、湖泊、生物体内外高空：12000m深海底：10000m2000米深的地层温泉分布种类最多生物技术在制浆造纸中的应用微生物的特点地球上的微生物：估计有100万种以上已发现的微生物：约有20万种

已开发利用的微生物：约1000种变异最易生物技术在制浆造纸中的应用微生物的特点青霉素的使用剂量：1940年1980年：2000年：10万元单位/次

输液80万单位/次输液800万-1000万单位/次青霉素生产菌的发酵水平1940年2000年每毫升20单位每毫升10万单位0.02μg/mL突变频率一般为10-5～10-10，但因繁殖快，数量多，与外界环境直接接触，因而在短时间内可出现大量变异的后代。青霉素对金黄色葡萄球菌最低抑制浓度。200μg/mL生物技术在制浆造纸中的应用2.3

微生物的种类原核生物按细胞类型分类：主要特征：无核膜、核仁、染色体，仅有裸露的DNA链形成的核区域e.g.细菌、放线菌、衣原体支原体、立克次氏体、蓝细菌；真核生物主要特征：有核膜，核仁，染色体；有细胞器e.g.真菌（霉菌、酵母菌等）、原生动物、单细胞藻类；非细胞生物主要特征：不具细胞结构，由核酸构成，只能在活细胞内复制e.g.病毒、类病毒、拟病毒等；生物技术在制浆造纸中的应用按门类分类：生物技术在制浆造纸中的应用1、真菌（Fungus）酵母菌蘑菇霉菌黄曲霉白腐菌生物技术在制浆造纸中的应用真菌是一种真核生物，具有真正的细胞核和完整的细胞器细胞既不含叶绿体，也没有质体，是典型异养生物种类多：约有150万种，只有约7万种为文献所记载。中国：8-10万种，已知8000种。典型的繁殖方式是产生各种类型的孢子霉菌的分生孢子生物技术在制浆造纸中的应用①食品与食品加工蘑菇、木耳、银耳、香菇、草菇、鸡丛、羊肚菌、口蘑、松口蘑、喉头菌等。酱、醋、面包、奶酪、蒸馒头、豆腐乳的制作（1）益处生物技术在制浆造纸中的应用②医药卫生中药：灵芝、茯苓、冬虫夏草、马勃、雷丸、猪苓。西药：青霉素（penicillin）、灰黄霉素、头孢霉素等。麦角菌素生物技术在制浆造纸中的应用③工业：酒精酶酒精制造：糖化酶淀粉单糖酒精糖化酶（根霉、毛霉）酒精酶（酵母菌）发酵工业：甘油、柠檬酸、乳酸、葡萄糖酸、延胡索酸。生物技术在制浆造纸中的应用④农业、园林：病虫草害的生物防治菟丝子炭疽病菌。白僵菌防治害虫幼虫。木霉菌、拟青霉、轮枝菌等对其它真菌病原的拮抗作用、防治作用。非致病菌、致病菌的弱菌系诱导植物对致病菌的诱导抗性。植物生长调节物质菌根菌：扩大了植物根的吸收面积。生物技术在制浆造纸中的应用⑤生态环境：物质的生物循环：有机物的降解；地球生态系中，分解者，“清洁工”。地衣：固氮生物技术在制浆造纸中的应用（2）害处①对植物的危害10,000多种真菌,70～80%的植物病害由真菌引起。产量损失，质量下降真菌毒素麦角中毒黄曲霉素的致癌作用生物技术在制浆造纸中的应用②人与动物的病害与毒害：病害皮肤病：手足癣，头癣，牛、羊、狗的山谷热等。肺部感染：原生动物肺炎囊菌。生物技术在制浆造纸中的应用毒害：毒菇许多真菌含有毒性物质，引起人和动物的中毒—致病、致死，如毒蘑菇80余种。腹鸣、呕吐、幻觉、狂笑、精神错乱等。生物技术在制浆造纸中的应用③木材、食品、饮料、衣物的腐烂变质产生毒素：100余种，如黄曲霉毒素，致癌。生物技术在制浆造纸中的应用2、细菌（Bacteria）细菌是原核生物界中具有细胞壁，细胞核无核膜包裹，存在裸露DNA的原始单细胞微生物生物技术在制浆造纸中的应用基本结构:细胞壁；

细胞膜；

细胞质；

核质体；特殊结构:荚膜；芽孢；鞭毛；（1）细菌的结构生物技术在制浆造纸中的应用（2）细菌的基本形态螺菌细菌大小的测量单位：微米（μm）球菌杆菌螺形菌生物技术在制浆造纸中的应用生物技术在制浆造纸中的应用二分裂方式（binary

fission）多数细菌繁殖一代所需时间约为20～30min。但少数细菌较长，如结核分枝杆菌为18～

20小时。（3）细菌个体的繁殖方式与速度生物技术在制浆造纸中的应用菌的分二分裂法繁殖

(Binary

fission)：细胞增大，DNA复制；横隔形成；细胞分成两个，DNA分别进入子细胞；细胞分离。生物技术在制浆造纸中的应用（3）细菌的危害◆在人类活动中，细菌是许多疾病的病原体，包括肺结核、淋病、炭疽病、梅毒、鼠疫、砂眼等疾病都是由细菌所引发。◆在植物中，细菌导致叶斑病、火疫病和萎蔫等。生物技术在制浆造纸中的应用（4）细菌的用途◆细菌通常与酵母菌及其他种类的真菌一起用于发酵食品◆生态系统中的分解者◆细菌降解多种有机化合物的能力也常被用来清除污染生物技术在制浆造纸中的应用3、放线菌(Actinomycetes)放线菌因菌落呈放线状而的得名，是一个原核生物类群。菌丝菌丝细胞的结构与细菌基本相同，形态比细菌复杂些，但仍属于单细胞生物技术在制浆造纸中的应用生物技术在制浆造纸中的应用分布：主要存在于含有有机质丰富的中性或偏碱性的土壤中，在空气、淡水海水等处也有一定的分布生活类型：多数腐生，少数寄生（1）放线菌的分布和生活类型生物技术在制浆造纸中的应用（2）放线菌个体的繁殖方式生物技术在制浆造纸中的应用放线菌的生活史生物技术在制浆造纸中的应用（3）放线菌的危害◆有的放线菌能引起人和动植物病害,如人类的皮肤病、肺病和足部感染等；◆有的放线菌能使水和食品变味,或破坏棉毛织品和纸张等。生物技术在制浆造纸中的应用（4）放线菌的用途◆生产抗生素的主要微生物全世界近万种抗生素约70％是放线菌的次生代谢产物。◆筛选到许多新的生化药物Eg.抗癌剂、酶抑制剂、抗寄生虫剂、免疫抑制剂和农用杀虫（杀菌）剂等。◆生产维生素和酶◆在甾体转化、石油脱蜡、烃类发酵、污水处理等方面也有应用◆具有极强的分解纤维素、石蜡、角蛋白、琼脂和橡胶等的能力生物技术在制浆造纸中的应用2.4

影响微生物的因素环境因子对微生物的影响主要有三种情况：有利于微生物进行正常代谢；不利微生物的正常代谢，微生物生长受到抑制或被迫改变其原有的一些特征；恶劣的环境可造成微生物死亡或发生遗传变异。生物技术在制浆造纸中的应用一、物理因素温度、水分、辐射、表面张力、液体渗透压二、化学因素pH、氧化还原电势、氧气影响微生物的重要因素生物技术在制浆造纸中的应用温度温度主要通过影响微生物细胞膜的流动性和生物大分子的活性来影响微生物的生命活动。温度高:1）细胞内酶反应速度加快，代谢和生长也相应加快；2）生物活性物质发生变性，细胞功能下降，甚至死亡。最适生长温度:某微生物群体生长繁殖速度最快的温度。温度低:1）微生物的代谢活动下降甚至停止；2）冰点以下的低温往往造成微生物的死亡。生物技术在制浆造纸中的应用生物技术在制浆造纸中的应用水分微生物一般在αw为0.60～0.99的条件下生长,αw过低时,微生物生长的迟缓期延长,比生长速率和总生长量减少。微生物不同，其生长的最适αw不同。水活度：在相同的温度、压力下，体系中溶液的水的蒸汽压与纯水的蒸汽压之比,即Aω=p/p0.微生物生长的水活度范围：Aω=0.63~0.99各种微生物生长的最低水活度值生物技术在制浆造纸中的应用水活度生物技术在制浆造纸中的应用辐射：是能量通过空间传递的一种物理现象。与微生物有关的辐射：电磁辐射：可见光、紫外光，电离辐射：χ、γ、β射线

。辐射生物技术在制浆造纸中的应用表面张力表面张力：液体表面的分子被它周围和液体内部的分子所吸引，在液体表面产生一种称为表明张力的力量，使液体具有尽可能缩小表面积的性质.降低表面张力：有机酸、醇、肥皂、甘油、多肽、蛋白质。增加表面张力：无机盐 液面形成菌膜生物技术在制浆造纸中的应用大多数微生物适合在等 的环境下生长，而有的菌如Staphylococcus

aureus则能在3mol/LNaCl的高溶液中生长。能在高盐环境（2.8-6.2/LNaCl）生长的微生物常被称为嗜盐微生物（Halophiles）。等 溶液——适宜微生物生长高 溶液——细胞发生质壁分离低 溶液——细胞吸水膨胀，直至破裂透压生物技术在制浆造纸中的应用pH: 各类微生物的最适生长pH值各不相同：细 菌：7.0~8.0 放线菌：7.5~8.5酵母菌：3.8~6.0

霉 菌：4.0~5.8在微生物的生长和代谢过程中，由于营养物质的利用和代谢产物的形成与积累，培养基的初始pH值会发生改变，为了维持培养基pH值的相对恒定，通常采用下列两种方式：内源调节：在培养基里加一些缓冲剂或不溶性的碳酸盐；调节培养基的碳氮比。外源调节：按实际需要不断向发酵液流加酸或碱液pH生物技术在制浆造纸中的应用氧化还原电势各种微生物对培养基的氧化还原电势的要求：好氧微生物：+0.3~+0.4V,(在>0.1V以上的环境中均能生长).厌氧微生物：只能在+0.1V以下生长兼性厌氧微生物：+0.1V以上呼吸、+0.1V以下发酵培养基是多氧化还原偶的复杂电化学系统，测出的Eh值仅代表其综合结果。对微生物影响最大的是：分子氧和分子氢的浓度培养基中常用的还原剂：巯基乙酸、抗坏血酸、硫化氢、半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫苏糖醇等。生物技术在制浆造纸中的应用氧气好氧性微生物根据对氧的需求与否，微生物可分好氧、厌氧微生物专性好氧性微生物(obligate

aerobes)兼性好氧性微生物(facultative

aerobes)微好氧性微生物(microaerophiles)耐氧性微生物(aerotolerant

anaerobes)厌氧性微生物专性厌氧性微生物(obligate

anaerobes)生物技术在制浆造纸中的应用2.5

微生物的展望微生物与人类面临的五大危机微生物与粮食微生物与资源微生物与能源微生物与环境保护微生物与医药生物技术在制浆造纸中的应用微生物与粮食提高土壤肥力,促进粮食增产防治粮食作物的病虫害防止粮食霉腐变质发酵生产单细胞蛋白和饲料蛋白生物技术在制浆造纸中的应用微生物与资源利用微生物的转化能力将无用的废物变为有用的原料生物技术在制浆造纸中的应用微生物与能源生物技术在制浆造纸中的应用微生物与环境保护生物技术在制浆造纸中的应用微生物与医药抗生素、维生素、激素疫苗和菌苗等生物技术在制浆造纸中的应用第3章 酶学的基础知识酶的概念酶的化学本质与组成酶的催化特性酶的活性影响酶作用效果的因素酶的分类和命名工业用酶制剂的来源酶的分离与提纯酶的应用酶制剂生物技术在制浆造纸中的应用酶的发现1773年，意大利科学家斯帕兰扎尼从实验中推断胃液中含有消化食物的物质。但是什么，当时不清楚1836年，德国科学家施旺（T.Schwann）从胃液中提取出了消化蛋白质的物质。解开胃的消化之谜1926年，美国科学家萨姆钠（J.B.Sumner）从刀豆种子中提取出脲酶的结晶，并通过化学实验证实脲酶是一种蛋白质20世纪80年代，美国科学家切赫和奥特曼进一步发现少数RNA也具有生物催化作用生物技术在制浆造纸中的应用3.1

酶(Enzymes)的概念定义：酶是生物细胞产生的、具有催化能力的生物催化剂酶是生物体内进行新陈代谢不可缺少的受多种因素调节控制的具有催化能力的生物催化剂生物学意义：能在体内十分温和的条件下高效率地起催化作用，并通过自我调节使生物体内各种物质处于不断的有序的代谢之中。生物技术在制浆造纸中的应用有关概念酶促反应：酶作为催化剂催化进行的化学反应底物（S）：酶所作用和催化的化合物产物（P）：反应经酶催化后生成的化合物表示方法S

→

PE生物技术在制浆造纸中的应用酶与底物结合的模型:(1)“锁钥”模型整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样。生物技术在制浆造纸中的应用(2)“诱导契合”模型酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状。生物技术在制浆造纸中的应用3.2

酶的化学本质与组成酶的化学本质：绝大多数酶的化学本质是蛋白质；少数酶是RNA或其复合体生物技术在制浆造纸中的应用单纯酶结合酶

= 酶蛋白

+ 辅助因子（全酶）决定催化反应的特异性（选择E催化的S）决定催化反应的类型（递电子、氢或一些基团）只含蛋白质，不含其它物质，其催化活性仅由蛋白质的结构决定全酶才有催化活性，如果两者分开则酶活力消失辅助因子辅酶

：与酶蛋白结合得比较松的小分子有机物辅基：与酶蛋白结合得紧密的小分子有机物金属激活剂

：金属离子作为辅助因子酶酶的组成：生物技术在制浆造纸中的应用3.3

酶的催化作用1、酶的催化机理S

+

E

ES酶的作用：◆E与S暂时结合形成酶-底物复合物（ES）◆ES再反应产生P，同时释放E◆E可与另外的S分子结合，再重复这个循环。E

+

PES的活化状态（过渡态）比无催化剂的该化学反应中反应物活化分子含有的能量低得多生物技术在制浆造纸中的应用酶具有一般催化剂的特性：只能进行热力学上允许进行的反应可以缩短化学反应到达平衡的时间，而不改变反应的平衡点通过降低活化能加快化学反应速度（酶催化作用的实质）2、酶的催化特性生物技术在制浆造纸中的应用（2）酶与一般催化剂不同的特性：◆高效性◆专一性◆多样性◆温和性◆活性可调节性◆易变性生物技术在制浆造纸中的应用3.4

酶的活性的部位1、酶的活性部位定义：是指酶分子中直接与底物结合并将底物转化为产物专一性催化作用生物技术在制浆造纸中的应用酶的活性部位所占含量较少，但决定酶的活力。生物技术在制浆造纸中的应用2、酶活力酶活力定义：是指酶催化某一化学反应的能力。表示：用在一定条件下所催化的某一化学反应的速度来表示。酶活力单位国际单位—IU1IU=在酶反应最适宜条件下，每分钟催化1μmol底物转化为产物所需的酶量生物技术在制浆造纸中的应用3、酶原（Zymogen）酶原——不具催化活性的酶的前体酶原的激活：酶原（无活性）激活剂

酶（有活性）激活的本质——去除抑制性的肽段，经变构形成或暴露酶的活性中心举例：消化酶、凝血酶、纤溶酶生理意义：◆保护酶的分泌器官、细胞本身不受蛋白酶的水解破环◆保证酶在其特定的部位与环境发挥其催化作用◆酶原还可以视为酶的贮存形式生物技术在制浆造纸中的应用3.5

影响酶作用效果的因素底物、温度、pH值、酶的激活剂或抑制剂、酶的浓度生物技术在制浆造纸中的应用（1）底物底物浓度的改变，对酶反应速度的影响比较复杂：◆当底物浓度较低时（底物浓度从0逐渐增高），反应速度与底物浓度的关系呈正比关系；◆随着底物浓度的增加，反应速度趋缓；◆如果再继续加大底物浓度，反应速度却不再上升，趋向一个极限。（此时酶

的活性中心被底物饱和）[S]vVmax生物技术在制浆造纸中的应用（2）pH1.最适pH表现出酶最大活力的pH值2.pH稳定性在一定的pH范围内酶是稳定的pH对酶作用的影响机制：环境过酸、过碱使酶变性失活；影响酶活性基团的解离；影响底物的解离。pHv最适pH动物酶多在pH=6.5-8.0之间；植物及微生物多在pH=4.5-6.5之间。生物技术在制浆造纸中的应用（3）温度两种不同影响：温度升高，反应速度加快； 原因是分子热运动温度升高，反应速度降低； 原因是热变性Tv最适温度注：（1）酶的活性随温度下降而降低，但低温一般不使酶破坏；（2）酶的最适温度不是酶的特征性常数，它与反应进行的时间有关。生物技术在制浆造纸中的应用（4）酶的激活剂或抑制剂激活剂——凡能够提高酶活性的小分子物质无机离子（Mg2+，Mn2+，Zn+，Ca2+，Na+，K+，Cl-）有机离子（Vc，EDTA，GSH等）抑制剂——凡能够降低或抑制酶活性的物质有机磷化合物，有机汞化合物，重金属、烷化剂、氰化物、CO、青霉素等生物技术在制浆造纸中的应用（5）酶的浓度当底物浓度远大于酶浓度时，则酶促反应速度与酶的浓度变化成正比。（即酶浓度越大，反应速度越快）生物技术在制浆造纸中的应用3.6

酶的分类与命名1、酶的分类1961年国际酶学委员会（Enzyme

Committee,EC）根据酶所催化的反应类型和机理，把酶分成6大类：氧化还原酶：催化底物的氧化或还原转移酶：催化化合物中某些基团的转移水解酶：催化水解反应裂解酶：催化一种化合物分裂为两种化合物，或由两种化合物合成一种化合物异构酶：催化底物分子内部的重排反应合成酶：催化有ATP参加的合成反应生物技术在制浆造纸中的应用例：乳酸脱氢酶

EC1.

1.

1.

27第1大类，氧化还原酶

第1亚类，氧化基团CHOH第1亚亚类，H受体为NAD+该酶在亚亚类中的流水编号编号

EC：n1.n2.n3.n4EC国际酶学委员会n1据反应性质分六大类n1=1——6n2n1下再分亚类n2=1——in3n2下再分亚亚类n3=1——in4在亚亚类中的排行n4=1——i生物技术在制浆造纸中的应用2、酶的命名系统名：底物名称：底物名称＋反应类型＋酶乳酸+

NAD+

丙酮酸+

NADH

+

H+乳酸：NAD+氧化还原酶惯用名：只取一个较重要底物名称和反应类型，有的加来源乳酸：NAD+氧化还原酶

乳酸脱氢酶对于催化水解反应的酶一般在酶的名称上省去反应类型：蛋白质水解酶

（胰、胃、木瓜）蛋白酶生物技术在制浆造纸中的应用3.7

工业用酶制剂的来源1、工业用酶制剂的数量及主要种类工业上常用的酶只有数十种，而目前大量生产的仅有十余种。蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶是目前工业应用的3大主要酶制剂：蛋白酶——去污剂、奶制品业、皮革业等；淀粉酶——烘焙、酿造、淀粉糖化和纺织业，脂肪酶——去污剂、食品和精细化工工业等。生物技术在制浆造纸中的应用2、动植物来源的酶植物和动物来源的酶一般是食品工业的重要用酶。植物来源的酶主要有：木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、无花果蛋白酶、麦芽淀粉水解酶、大豆脂肪氧合酶等。动物来源的酶主要有：猪胰蛋白酶和胃脂肪酶等。生物技术在制浆造纸中的应用3、微生物来源的酶微生物是酶制剂的重要来源：①微生物繁殖速度快细菌在合适的条件下20～30min就可以繁殖一代，其生长速度为农作物的500倍，为家畜的l000倍。②微生物种类繁多，酶的品种全如高温酶、中温酶和低温酶，耐高盐酶，耐酸、碱酶等③微生物培养方法简单微生物培养所用的原料大多为农副产品，来源丰富，易于大批量生产，经济有效。④利用微生物可以生产一些极端酶利用嗜极菌可生产极端酶。生物技术在制浆造纸中的应用一些嗜极菌极端酶的应用见下表生物技术在制浆造纸中的应用3.8

酶的分离与提纯工业上大多采用微生物发酵的方法来获得大量酶制剂。酶分离纯化的三个基本步骤：抽提，纯化，结晶或制剂。优点：不受气候、地理条件的限制；动、植物体内的酶大多可从微生物体内找到；微生物繁殖快，产酶量丰富；可以用廉价原料大量生产。酶的纯化鉴定：聚丙烯酰胺凝胶电泳法、等电聚焦电泳法等酶的保存：1、低温（-20℃以下）；2、高浓度较稳定；3、加入稳定剂；4、固定化；5、干燥。生物技术在制浆造纸中的应用3.9

酶的应用酶已在食品加工、轻工业、医学、分析检测、生物工程等行业得到广泛的应用：◆淀粉酶应用于食品、发酵、纺织、制药等工业；◆蛋白酶用于医药、制革等工业；◆脂肪酶用于使脂肪水解、羊毛脱脂等生物技术在制浆造纸中的应用生物技术在制浆造纸中的应用生物技术在制浆造纸中的应用3.10

酶制剂酶制剂——指从生物中提取的具有酶特性的一类物质生物技术在制浆造纸中的应用生物技术在制浆造纸中的应用中国酶制剂生产企业有百余家，其中年销售收入超亿元的企业有１０家左右:◆山东隆大生物工程有限公司◆武汉新华扬生物股份有限公司◆湖南鸿鹰祥生物工程股份有限公司◆湖南尤特尔生化有限公司◆青岛康地恩生物科技有限公司生物技术在制浆造纸中的应用中国酶制剂产业存在的问题：研发投入和研发创新能力不足中国酶制剂企业用于开发新产品、改进生产工艺的资金平均不到其产品销售额的4.5%，人员投入也严重不足。主要原因是国内酶制剂企业相对规模较小，全行业企业每年研发投入资金总量累计不足1亿元人民币。国外酶制剂企业研发投入一般占总销售额的10%以上。诺维信公司近３年的研发投入一直维持在销售总额的13%以上，2010年研发投入折合人民币为16.9亿元左右。研发投入的严重不足，导致中国酶制剂企业技术储备薄弱，发展面临巨大挑战。生产工艺及设备水平相对落后国内酶制剂生产大多采用较为传统的发酵、分离提取技术和制剂制备技术，造成资源严重浪费、产品纯度不高、产品质量偏低等问题。国外酶制剂生产过程中，广泛采用基因工程、蛋白质工程、人工合成、模拟和定向进化改造等技术。酶制剂产品结构不合理、应用深度不够中国酶制剂仍以传统酶制剂种类（糖化酶、淀粉酶、蛋白酶等）为主，缺少高端酶制剂产品，结构不合理。目前，国外酶制剂企业正在大力发展液剂型、颗粒型产品，重视固定化酶的发展。国际酶制剂的主流是附加值高的复合酶。复合酶的开发需以酶制剂生产和应用的综合技术为背景生物技术在制浆造纸中的应用作业1、生物技术在造纸工业中的应用范围及意义；2、微生物概念和特点；3、影响微生物的重要因素有哪些？4、酶的概念及其生物学意义5、酶的化学本质及组成，以及影响酶作用效果的因素第4章

木质纤维的生物降解概述生物降解降解植物纤维的微生物降解植物纤维的酶纤维素的生物降解半纤维素的生物降解木素的生物降解木素降解和纤维素、半纤维素降解的关系生物技术在制浆造纸中的应用4.1概述一、生物降解生物降解：在细菌、真菌、藻类等自然界存在的微生物作用下能发生化学、生物或物理作用而降解或酶解的过程。生物技术在制浆造纸中的应用生物降解材料包装胶带食品包装袋农用地膜可降解自由树脂的塑料油墨、颜料生物技术在制浆造纸中的应用生物降解机理:◆首先，高分子材料的表面被微生物粘附，微生物粘附表面的方式受高分子材料表面张力、表面结构、多孔性、温度和湿度等环境的影响。◆其次，微生物在高分子材料表面上所分泌的酶作用下，通过水解和氧化等反应将高分子断裂成低相对分子质量的碎片。◆然后，微生物吸收或消耗低相对分子质量的碎片（一般相对分子质量低于

500），经过代谢最终形成

CO2、H2O等无机物。生物技术在制浆造纸中的应用植物纤维原料腐朽方式白腐（White-rot）褐腐（Brown-rot）软腐（Soft-rot）分别降解植物纤维细胞壁中的一种或多种组分自然界中木质纤维降解，表现为木质腐朽木质腐朽：指由于木腐菌的侵入，逐渐改变木材的颜色和结构，使细胞壁收到破坏，物理、力学性质随之发生变化，最后变得松软易碎，呈筛孔状或粉末状等形态。生物技术在制浆造纸中的应用类型特征白腐木质纤维变白或变色；一般有斑点，某些菌种在木质纤维上形成白块；木质纤维仍保留原体积。褐腐随腐朽加深，细胞壁收缩和变蔫；木质纤维变色，变成褐色且变软；木质纤维迅速变脆。软腐只有湿材能发生；有黯淡的灰色到褐色；木质纤维变软，并出现微小裂痕。生物技术在制浆造纸中的应用参与木质纤维降解的微生物主要有真菌、细菌、放线菌，很多微生物都没有独立降解木质纤维的能力二、降解植物纤维的微生物生物技术在制浆造纸中的应用微生物形成的泡囊结构微生物对木质纤维降解的形态观察生物技术在制浆造纸中的应用（1）真菌通过孢子或菌丝感染木质纤维，然后以特异的酶进攻纤维细胞壁，造成木质纤维降解，表现为木质腐朽。类型降解物作用途径菌种能将木素彻底

氧化性降解为CO2和

H2O，也可降解碳水化合物黄孢原毛平革菌、杂色木白腐菌生长在细胞云芝、双帽弧菌、焦菌、腔，菌丝从射脉菌、灰腐质霉细胞腔内向外伸展而侵蚀细胞壁、胞间层褐腐菌优先作用碳水

化合物，对木素的降解有限茯苓、香干酪菌、洁丽香菇、革裥菌、粉孢革菌、松生拟层孔菌等对碳水化合物

的作用十分明显，对木素作用很少黑曲霉、纤维水解毛壳菌、软腐菌里氏木霉、镰孢、微紫青霉、炭团菌、炭角菌等在细胞次生壁形成空洞生物技术在制浆造纸中的应用（2）细菌细菌一般缓慢地降解纤维物料，发生在表面含水多的

组分。由于渗透能力差，一般和霉菌一起侵入纤维物料细

胞。细菌在植物纤维不同方式的腐朽中也起着一定的作用。作用途径：在薄壁细胞繁殖，进入相邻细胞和管胞降解物：能降解纤维素，降解木素能力较小，不能降解缩合型木素对木质纤维的降解模式：腐蚀、钻孔、中空化菌种：瘤胃菌、琥珀纤维细菌、白色瘤胃球菌、生黄瘤胃球菌生物技术在制浆造纸中的应用（3）放线菌部分菌丝状放线菌也积极降解木质纤维物料作用途径：在导管、纤维和薄壁细胞繁殖降解物：能降解碳水化合物、木素对木质纤维的降解效果：腐蚀，另外还能破坏薄壁细胞、石细胞菌种：链霉菌薄壁细胞石细胞放线菌生物技术在制浆造纸中的应用三、降解植物纤维的酶由于木材和其它植物纤维细胞壁的成分复杂性，降解其中的组分要求各种不同的酶。◆纤维素酶◆半纤维素酶◆木素降解酶◆果胶酶◆蛋白酶◆淀粉酶◆······生物技术在制浆造纸中的应用纤维素结构示意图纤维素是由葡萄糖苷通过β-l,4-糖苷键联接起来的链状高分子。4.2纤维素的生物降解生物技术在制浆造纸中的应用1、纤维素生物降解机制模式生物技术在制浆造纸中的应用生物技术在制浆造纸中的应用0周2周

4周

0周纤维在污泥中填埋降解前后的外观照片2周4周生物技术在制浆造纸中的应用软腐菌白腐菌好氧细菌瘤胃细菌黑曲霉黄孢原毛平革菌芽孢杆菌溶纤维丁酸弧菌镰孢杂色木云芝菌纤维弧菌白色瘤胃球菌粗糙脉孢菌嗜松青霉侧孢菌双孢小双孢菌荧光假单胞菌Fibrobactersuccinogenes里氏木霉褐腐菌瘤胃真菌厌氧细菌放线菌粉孢革菌Caecomyces

communis纤维水解醋弧菌链霉菌革裥菌Nedcallimastixfrontailis纤维梭菌耐热放线菌卧孔菌Piromyces

communis热纤梭菌黑耐放线菌瘤盖干酪菌2、降解纤维素的微生物生物技术在制浆造纸中的应用定义：是具有纤维素降解能力酶的总称。在降解纤维素时起生物催化作用，是多组分酶体系。3、纤维素酶生物技术在制浆造纸中的应用分为三大类：纤维素的彻底降解至少需要这3组纤维素酶的协同作用外切酶：可以水解纤维素结晶区,从纤维素链的还原端或非还原端开始持续水解，释放纤维二糖内切酶:主要作用于纤维素的非结晶区，随机水解纤维素链中的糖苷键，把纤维素长链切断，转化成为大量不同聚合度的纤维素短链，使得纤维素分子的聚合度降低，可供外切酶作用的纤维素链末端数

增加β-葡萄糖苷酶:主要水解纤维二糖和可溶性纤维寡糖，最终将纤维素转化为可利用的葡萄糖生物技术在制浆造纸中的应用纤维素酶的应用类别应用生物转换纤维素物料用生物转换成糖，以生产乙醇、其它溶剂、有机酸和单细胞蛋白纺织牛仔裤和其它纤维纺织品的生物碾压和生物抛光洗涤剂作为洗涤成分食品提高淀粉和蛋白质的提取率，水果和蔬菜的浸软和色料提取医药添加至消化酶家畜饲养饲料添加物和改进储存品质制浆造纸酶脱墨，提高纸浆悬浮液的游离度环境保护废水的处理与净化生物技术在制浆造纸中的应用半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体，这些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿伯糖、甘露糖和半乳糖等。4.3半纤维素的生物降解生物技术在制浆造纸中的应用生物技术在制浆造纸中的应用免疫技术标记的黄竹和麦草细胞壁半纤维素的CLSM扫描图片生物技术在制浆造纸中的应用半纤维素酶的应用类别应用生物转换酶降解聚糖可以发酵成木糖醇、乙醇、其它化学品和单细胞蛋白纺织沤亚麻食品提取咖啡和植物油、提高淀粉回收、生产谷类、生产浓缩食品、纯化果汁和酒、从木聚糖生产木寡糖饲料提高贮藏饲料的营养制浆造纸酶的预漂白、剥皮、磨浆以及生产溶解浆生物技术在制浆造纸中的应用酶细菌真菌酶细菌真菌β-1,4木聚糖酶短小芽孢杆菌枯草杆菌丙酮丁醇梭菌黑曲霉尖镰孢温特曲霉S酯酶Fibrobactersuccinogenes热纤梭菌黑曲霉

海藻曲霉里氏木霉食木聚糖链霉菌康宁木霉β-1,4木糖苷酶热纤梭菌短小芽孢杆菌黑曲霉罗耳伏革菌β-1,4甘露聚糖酶产气气杆菌枯草杆菌黑曲霉

里氏木霉Acetotibrio沃特曼青霉变铅青链霉菌拟青霉cellulolyticus里氏木霉α-阿拉伯糖苷酶浅绛红链霉菌枯草芽孢杆菌白色瘤胃球菌黑曲霉罗耳伏革菌里氏木霉β-1,4甘露糖苷酶枯草杆菌黑曲霉

泡盛曲霉硫色多孔菌α-葡糖苷酸酶里氏木霉二孢蘑菇糙皮侧耳α-半乳糖苷酶枯草杆菌

纤维单胞菌黑曲霉齐整小核菌溜曲霉1、降解半纤维素的微生物生物技术在制浆造纸中的应用半纤维素结构复杂，进行酶降解需要各种不同的酶，其中主要的两种半纤维素酶为：木聚糖酶（Xylanase）甘露聚糖酶（Mannase）2、半纤维素酶生物技术在制浆造纸中的应用生物技术在制浆造纸中的应用生物技术在制浆造纸中的应用木素——苯基丙烷结构单元通过醚键、碳-碳键联接而成的芳香族高分子化合物4.3木素的生物降解生物技术在制浆造纸中的应用生物技术在制浆造纸中的应用生物技术在制浆造纸中的应用菌丝的生长经由导管和细胞腔开始，通过细胞壁的纹孔向相邻纤维蔓延菌丝生长过程中分泌出木素降解酶，从细胞腔向细胞壁各层作用，逐渐扩展至胞间层酶的催化作用，木素结构中的苯环发生单电子氧化反应形成苯氧自由基，随后发生一系列非酶催化的自由基反应而降解木素的降解产物再被菌丝体吸收，进一步氧化成为二氧化碳和水伴随着细胞壁的结构松弛和部分碎解，以及烷基芳基醚包括甲氧基的脱除，侧链上Cα-Cβ，Cβ-Cγ键的断裂，直至苯环的裂解等等1、微生物降解木素的过程生物技术在制浆造纸中的应用菌丝生长对木素的降解过程生物技术在制浆造纸中的应用生物技术在制浆造纸中的应用2、降解木素的微生物生物技术在制浆造纸中的应用酶类催化反应酶的产生菌种木素过氧化氢酶（LiP）苯基丙烷侧链C-C键、醚键的断裂，芳香环开裂，酚类聚合物的解聚黄孢原毛平革菌链霉菌锰过氧化物酶（MnP）酚的氧化，C-C键、醚键的氧化裂解黄孢原毛平革菌以及某些白腐菌漆酶（Laccase）酚的氧化，C-C键、醚键的氧化裂解杂色木云芝菌，以及某些白腐菌和某些植物种类加双氧酶，芳基醇脱氢酶该酶与LiP的协同作用使芳环开环，苯基丙烷Cα乙醛被还原黄孢原毛平革菌射脉菌假单胞菌醌氧化还原酶醌的还原黄孢原毛平革菌白腐菌类3、木素降解酶生物技术在制浆造纸中的应用木素降解酶的应用类别应用食品和饲料生产蘑菇；改善木材与谷草的熟化性能以及用作动物的饲料化工对分离木素的改性以及生产有用的木素和化学品环保处理硫酸盐浆漂白废液和有机废液如PAHs、PCBs和二噁英生物传感器检定纤维糊精；用CDH测量各种浆的纤维表面制浆造纸生物制浆与生物漂白；纸浆纤维改性；木片脱木素以减少机械与化学制浆的能耗生物技术在制浆造纸中的应用4.5

木素降解和纤维素、半纤维素降解的关系木质纤维生物降解的两条不同降解途径：（1）多糖（纤维素/半纤维素）降解途径（2）木素降解途径是微生物的优良碳源和能源，又作为木素降解系统诱导物还可氧化产生内酯和H2O2，参与微生物基本的新陈代谢纤维素/半纤维素酶多糖酶单糖是木素降解的基础和启动步骤相互影响，相互联系生物技术在制浆造纸中的应用木质纤维代谢过程中木素降解和多糖（纤维素/半纤维素）降解的关系生物技术在制浆造纸中的应用第5章 生物改良树种和原料的生物处理生物改良树种原料的生物处理生物技术在制浆造纸中的应用5.1

生物改良树种1、目的既能速生丰产，又具有良好的制浆造纸性能的树种生物技术在制浆造纸中的应用2、主要表现用新的细胞培养或组织培养技术来缩短无性繁殖优良树种所需的时间;用基因工程来设计合乎制浆造纸需要的优质树种;通过菌根真菌、固氮菌和生物治虫剂的作用使树木的营养状况和生长状况获得改善;用遗传学来控制木材组分中的木素、纤维素的含量，使其易于制浆，从而降低化学药品的用量和能耗。生物技术在制浆造纸中的应用3、关键问题植物纤维原料和纸制品植物纤维原料质量决定于遗传、树龄以及环境培育；对造纸至关重要的是纤维结构特性。繁殖和再生周期树木再生周期较长，难以控制其繁殖人类和环境土壤、空气和水的污染生物技术在制浆造纸中的应用例-1（杨树）美国Michigan技术大学通过基因工程对杨树进行改性，使杨树中木素含量降低45%，而纤维素含量可达75%，这种改性后的杨木有利于制浆造纸。速生杨速生杨树均属黑杨派无性系，是从美洲黑杨和欧洲黑杨中选育出的优良品种。特点：繁殖容易，生长迅速，不污染环境，抗病虫、耐旱涝、适应性强等.生物技术在制浆造纸中的应用例-2（桉树）速生桉快速生长的经济林种。种类繁多，它适应性强具有速生丰产的特点，是世界四大速生树种之一。负面影响：抽水机抽肥机霸王树施毒机生物技术在制浆造纸中的应用例-3（转基因研究）棉花规模化转基因技术：转基因植株成活率由30-40%提高到90%以上，缓苗期由原来的60-70天缩短为10天左右转基因杨树：玉米基因ugt能控制植物生长素酶的合成，将该基因植入山杨、白杨和雪松中，含ugt玉米基因的

这些树种生长速度大大增加白桦树克隆研究：从最漂亮的花纹木质白桦树的茎中提取细胞和愈创组织，再培育克隆白桦树。试验证明，克隆的白桦树生长速度更快。转基因抗盐碱杨树：用转基因现代生物技术获得的新品种。不仅抗盐碱，而且速生，皮色青绿细腻，树型美观生物技术在制浆造纸中的应用例-4（降低植物木素含量和结构）将松柏醇脱氢酶基因（CAD，负责木素单体合成的最后一步反应）导入烟草和毛白杨中，使CAD酶活性明显降低。【作用：木素的含量及组成没有明显变化，但木素中醛类的含量却有些增加】制浆实验：利用3月龄的毛白杨进行碱法制浆试验表明，在不影响纤维素降解的情况下，卡伯值可降低22%。这也是首例用于制浆实验的转基因植物，表明利用此项技术在降低制浆用碱量方面具有良好的发展前景生物技术在制浆造纸中的应用5.2

原料的生物处理供造纸用的植物原料，其纤维素含量越高越好，而木素含量越低，则所消耗的化学药品就越少，制浆产生的废液污染负荷也就越小生物技术在制浆造纸中的应用原木的剥皮原料的生物处理除去木片中的树脂木材剥皮后仍会残留少量树皮,使纸浆尘埃点多,且增加制浆碱耗防止木片贮存过程中纤维损失木片贮存时间越长,纤维的氧化降解损失就越多,从而降低纸浆得率和强度性质造成树脂障碍生物技术在制浆造纸中的应用（一）原木的剥皮原因：由于木材剥皮后仍会残留少量树皮引起问题：使纸浆尘埃点多,且增加制浆碱耗,所以木材需要彻底剥皮。但过度的机械作用会使得原料损失,能耗增加。生物处理方法：采用果胶酶降解木材与树皮的形成层内的果胶质，使树皮与木材松脱，可以改进剥皮效果，降低剥皮能耗及原料损失，从而无形中也降低了废水中的污染物含量生物技术在制浆造纸中的应用e.g.先进行机械剥皮,然后将树皮没有剥干净的树木挑出放在一起,喷洒上酶液,再进行机械剥皮,结果如下：生物技术在制浆造纸中的应用（二）除去木片中的树脂原因：木材中含有树脂引起问题：造纸原料中的树脂易引起树脂障碍，造成纸机运行时频繁断纸以及纸病的出现，限制了纸机车速，大大影响了生产效率和成品质量生物处理方法：将菌液喷淋在木片上，降解树脂生物技术在制浆造纸中的应用e.g.将白腐菌液接种到松木片上，在室温下放置2-3天后，结果如下：生物技术在制浆造纸中的应用（三）防止木片贮存过程中纤维损失原因：木材中纤维的氧化降解引起问题：木片贮存时间越长，纤维的氧化降解损失就越多，从而降低纸浆得率和强度性质生物处理方法：先布撒堪茸菌或金色穴茸菌先除去一小部分木素，然后布撒乳酸菌，以减少纤维的损失。生物技术在制浆造纸中的应用第6章 生物技术在制浆中的应用纯生物制浆生物机械法制浆生物预处理化学法制浆生物制浆存在的问题生物技术在制浆造纸中的应用概念目前微生物降解木素的能力还远没有达到生物制浆的要求借助微生物及其产生酶的作用进行生物预处理，再与制浆相结合的生产纸浆的过程一般采用白腐菌生物制浆：利用微生物所具有分解木素的能力，来除去制浆原料或纸浆中木素，使植物组织与纤维彼此分离制成纸浆的过程。生物技术在制浆造纸中的应用6.1

纯生物制浆从源头上避免环境污染；降低能源消耗避免原料的长途运输;设备简单，建厂投资少;生产工艺容易掌握。菌种开发和扩大繁殖技术困难；酶价格昂贵；处理时间长。采用纯微生物降解制浆工艺，整个制浆过程不加任何酸、碱类化学物质优点 缺点目前国内外这一研究多停留在实验室规模的探索水平，短期内尚难在工业生产上应用生物技术在制浆造纸中的应用研究实例（1）——实验室小型纯生物制浆麦草、稻草、芦苇、甘蔗渣、棉杆和杨木等降解菌体液为0.1%～0.8%和0.5%～2%的辅助培养基；温度30～50℃，降解时间48h生物降解原料再蒸煮在温度125℃，气压0.125Mp条件下再蒸煮3h粗浆料上磨成浆简单灭菌用蒸汽简单灭菌生物技术在制浆造纸中的应用方法：蒸煮球容积为25m3，一次装入铡成长约3cm的麦草，再加入复合生物降解菌液。研究实例（2）——规模生产麦草纯生物浆生物技术在制浆造纸中的应用废液中含钠最多，其次为钾，再次为钙和硫；

有害重金属含量不高；

有机质和腐殖酸含量高；从残液中未检测出甲苯、苯、苯酚和甲醛等有害

有机化合物。将此生物浆造瓦楞纸以生产包装箱，品质超过国家C级标准结果如下：生物技术在制浆造纸中的应用6.2

生物机械法制浆生物机械制浆是以微生物代替化学药品对木片进行预处理，然后进行机械磨浆。盘磨机链式磨木机生物技术在制浆造纸中的应用方法木片在机械磨浆前用木素降解菌处理,使木片中的木素得到改性。生物机械制浆流程图（一）——填充床反应器生物技术在制浆造纸中的应用生物机械制浆流程图（二）——木片堆系统生物技术在制浆造纸中的应用效果使纸浆质量达到化学热磨机械浆的质量可以明显地降低磨浆能耗，提高纸浆强度性质，同时可降低污染负荷。生物技术在制浆造纸中的应用研究实例（1）——白腐菌预处理麦草生物制浆麦草生物预处理：经湿热(125℃)灭菌30min后进行接种，将接种完毕的麦草放入恒温(28℃)生物培养箱中进行培养。生物技术在制浆造纸中的应用生物技术在制浆造纸中的应用研究实例（2）——白腐菌预处理制蔗渣生物机械浆实验方法：将蔗渣在120℃下于蒸煮锅中处理45min，加水使水分提高到75%，再将白腐菌培养基和营养液加到原料中并充分混合。采用固定床反应器培养，反应器在培养前用高压蒸汽消毒10min。接种了的原料在27℃和60%的相对湿度下培养14天。生物技术在制浆造纸中的应用白腐菌预处理后原料生物技术在制浆造纸中的应用6.3

生物预处理化学法制浆目的——是通过生物方法预处理木片，以减少漂白化学药品的用量和减轻漂白废水污染负荷。实现途径①在达到相同纸浆硬度的前提下，减少蒸煮化学药品用量和能量消耗；②在化学药品用量不变的情况下，降低纸浆的硬度，以减少后续漂白的药品用量或无氯漂白的需要。生物技术在制浆造纸中的应用研究实例——白腐菌预处理对麦草NaOH-AQ制浆性能的影响麦草白腐菌预处理：将麦草放入培养瓶中，灭菌，接种（白腐菌），然后在温度为27～28℃、相对湿度70%左右的条件下处理半个月和一个月，然后取出麦草秆，将其表面菌丝清除干净，以备蒸煮用生物技术在制浆造纸中的应用蒸煮：经生物预处理和未预处理的麦草采用AP法在8×1L回转甘油浴蒸煮罐内进行蒸煮生物技术在制浆造纸中的应用6.4

生物制浆存在的问题1、木素的存在状况木素的含量与结构随原料种类不同而不同；原料细胞壁中，不同区域的木素含量与结构也不同；木素与半纤维素之间存在化学连接，形成木素与碳水化合物复合体（LCC）。蒸煮后期溶出的半纤维素可能回吸到纤维表面，阻碍残余木素溶出，并与残余木素形成LCC。生物技术在制浆造纸中的应用2、生物制浆过程中存在的主要困难（1）木素生物降解的困难性①木素是植物组织进化的产物②木素难以被微生物所利用③木素降解酶酶活力较低④木素降解酶是复合酶系，受到多种调节因子的控制（2）木素降解酶产生菌扩大培养的困难自然界中具有木素降解能力的微生物并不多，生长缓慢（3）生物制浆过程中伴有纤维素的降解木素降解酶产生菌在伴随自身生长繁殖过程中，需靠消耗多糖类物质来加以补充、供给生物技术在制浆造纸中的应用作

业1、纤维素酶的分类及其作用；2、微生物降解木素的过程。3、生物改良树种的目的、主要表现和拟解决的关键问题4、原料的生物处理主要有哪些内容5、什么是生物制浆，主要有哪几类，生物制浆存在何问题生物技术在制浆造纸中的应用第7章生物技术在漂白中的应用基本概念生物漂白木聚糖酶的辅助漂白作用生物技术在制浆造纸中的应用7.1基本概念生物漂白利用微生物或其分泌的酶，分解纸浆中的残余木素，使之降解溶出,达到提高纸浆白度的目的。主要作用：提高纸浆的可漂性，降低漂白过程的用氯量，减轻漂白过程的污染程度生物技术在制浆造纸中的应用纸浆生物漂白的酶主要分为两大类:半纤维素酶——包括木聚糖酶和聚甘露糖酶;木素降解酶——包括木素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶现在认为生物漂白是利用木素降解酶酶系，在木聚糖酶的协同作用下，分解纸浆中的残余木素，并使之溶出的过程生物技术在制浆造纸中的应用7.2

生物漂白一、利用白腐菌的生物漂白1、白腐菌菌种用培养能分解木素的白腐菌来代替传统漂白过程中的脱木素，实验室研究中白腐菌菌种有：（1）黄孢原毛平革菌处理条件：pH=4.6，温度39℃，时间72h处理效果：竹浆——kappa值由31.8降至10.6，降低66.7%麦草浆——kappa值由12.7降至7.0，降低38.6%桉木浆——kappa值降低54.2%针叶木浆——kappa值降低43.3%缺点：粘度明显降低生物技术在制浆造纸中（2）杂色木云芝菌处理样处理时间Kappa值白度漂白效果HWKP未漂浆5天由11.9降至7.9由33%ISO提高到48%ISO经DED漂白后白度达82%ISOSWKP未漂浆14天由30降至

8.5—经DED漂白白度达到61%ISO（不经处理只有

33%ISO）云芝的应用生物技术在制浆造纸中的应用（3）IZU-154处理样处理时间Kappa值白度漂白效果HWKP未漂浆5天由20.9降至8.5由23.7%ISO提高到52%ISO经FCED漂白后白度达88%ISOSWKP未漂浆5天由40降至21.7由23%ISO提高到27%ISO—12天由40降至6.9由23%ISO提高到52%ISO—生物技术在制浆造纸中的应用2、白腐菌纸浆漂白存在问题伴随纸浆可漂性提高，纤维强度降低由于白腐菌培养中存在纤维素酶，使得纸浆黏度降低。解决方法：补加一定葡萄糖，抑制白腐菌分泌纤维素酶的速率；选育纤维素酶缺陷型的白腐菌。白腐菌培养液处理未漂纸浆时间太长一般需要数天至十多天时间，大大影响制浆过程的速度，难以满足制浆造纸工业化生产要求。生物技术在制浆造纸中的应用二、利用木素降解酶的生物漂白利用微生物产生的酶来处理纸浆，达到漂白纸浆或改善制浆可漂性的过程称为酶法漂白。1、漆酶/介体系统（LMS）（1）LMS生物漂白的酶催化中介体漆酶/介体系统(laccase-mediator-system,LMS)指漆酶在中介体和氧气存在下进行脱木素或漂白过程。漆酶——含铜的酚氧化酶（漆酶只能还原酚型木素，不能氧化还原非酚型木素）中介体——容易得失电子，起电子传递体的作用氧气——作为氧化剂优点：LMS能氧化非酚型木素结构生物技术在制浆造纸中的应用LMS生物漂白过程中介体的化学反应漆酶在氧气作用下氧化中介体形成小分子自由基，并

扩散到纸浆中，然后与纸浆中的木素反应，发生电子转移，在使木素形成自由基，然后木素自由基发生一系列的非酶

反应，使木素发生降解反应。中介体是漆酶氧化非酚型木素结构的必要条件生物技术在制浆造纸中的应用几种典型的漆酶中介体及其性质漆酶的氧化电位较低（0.5-0.6V）漆酶在漂白过程的应用关键是寻找高效、低廉、低毒的中介体生物技术在制浆造纸中的应用云杉细胞壁胞间层KP蒸煮过程中脱木素的计算机模型生物技术在制浆造纸中的应用未漂KP浆纤维的次生壁被漆酶、ABTs以及Mn3+作用机制：次生壁中的微细纤维的孔径经KP蒸煮变大，但还不足以使漆酶和MnP通过微孔扩散到次生壁内部，只允许中介体ABTs和锰离子通过微孔扩散到次生壁内部进行生物漂白反应，起脱木素作用。生物技术在制浆造纸中的应用（2）LMS生物漂白中木素和碳水化合物的反应非酚型β-氧-4木素模型物LMS芳环断裂、β

-醚键断裂、

Cα-C

β断裂、Cα氧化e.g.桦木KP浆LMS脱木素率接近60%；紫丁香基结构比愈创木基结构易脱除，对羟苯基结构对LMS氧化是比较稳定的①LMS生物漂白对木素的影响生物技术在制浆造纸中的应用②LMS生物漂白对碳水化合物和己烯糖醛酸的影响漆酶/HBTs与木素的高反应性能以及与碳水化合物的低反应性能，它非常适用于生产高质量纸浆生物技术在制浆造纸中的应用（3）LMS脱木素的影响因素漆酶用量、中介体类型及其用量、生物漂白时间、氧分压、pH、温度LMS实验条件下未漂浆生物漂白的工艺条件生物技术在制浆造纸中的应用（4）漂白程序对脱木素效果的影响利用白腐菌贝壳状革耳菌产生的酶液，在NHA中介体和氧气存在的条件下，进行桉木KP浆生物漂白，结果如下：LEQP（5）LMS系统漂白处理的扩大工业生物化技试术在验制浆造纸中的应用未漂阔叶木纸浆工业化生物漂白试验的条件L-E-Q-P工业化漂白系统纸浆预处理过程Kappa值黏度白度未漂阔叶木氧漂10.787039.5/min生物技术在制浆造纸中的应用实验结果经LMS处理后kappa值、黏度和白度变化项目Kappa值黏度白度原浆10.787039.5经L处理后8.285634.2经L-E处理后6.075549.7工业化生物漂白试验的结果漂白程序酶用量(IU/t)中介体用量(kg/t)脱木素率(%)白度（%ISO）L-E-Q-P4×1071356.676.5生物技术在制浆造纸中的应用2、锰过氧化物酶（MnP）生物漂白（1）MnP处理对kappa值和白度的影响用杂色木云芝菌分泌的木素降解酶处理未漂阔叶木浆，结果如下：处理白度(%ISO)Kappa值漆酶