تاثیر آنزیم استراز بر کاهش مواد استخراجی عامل ایجاد قیر در خمیر کاغذ شیمیایی- مکانیکی (CMP) رنگبری شده و رنگبری نشده

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ

2 دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری

3 دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

4 دانشگاه گلستان

چکیده

سابقه و هدف: یکی از مشکلات متداول در فرآیند کاغذسازی، وجود ترکیبات و فرآورده‌های جانبی ناخواسته از قبیل قیر، مواد چسبناک و آلودگی‌های خارجی در کاغذ می‌باشد، که هر یک از این مواد ممکن است از منابع مختلفی به‌وجود آیند. وجود مواد آبگریز مانند موم‌ها، چربی‌ها، اسیدهای چرب، اسیدهای رزینی، هیدرو کربن ها و ... در چوب به‌عنوان ماده‌ اولیه برای خمیرسازی عامل چنین مشکلاتی می‌باشد. قیر واژه‌ای است که در ضمن فرآیند کاغذسازی به‌وجود می‌آید و می‌تواند مشکلات قابل توجهی را به همراه داشته باشد. عمده‌ترین تاثیرات مخرب قیرها شامل مسدود شدن نمد آبگیری و چسبیدن به توری یا سیلندرهای خشک کن است که در نهایت موجب توقف‌های مکرر در ماشین کاغذ و یا لکه‌های چسبناک در محصول نهایی ‌شود. امروزه نیز برخی از مواد برای رفع این مشکلات در مقیاس صنعتی مورد استفاده قرار گرفته است.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش، ابتدا خمیر CMP رنگبری نشده و رنگبری شده توسط سه حلال تولوئن، اتانول و دی کلرو متان استخراج شده و ترکیبات استخراجی موجود در آن به لحاظ کمی و کیفیاندازه گیری شد. در مرحله بعد این خمیر توسط 2/0 واحد آنزیم استراز به ازاء هر گرم خمیر در محیط آبی (H2O) و 8 درصد خشکی و دمای 50 درجه سانتی‌گراد به مدت 45 دقیقه همراه با عمل هم‌زدن مکانیکی تیمار شد. تیمار آنزیمی برای هر یک از خمیرهای رنگبری‌شده و رنگبری‌نشده به‌صورت جداگانه انجام شد و سپس تاثیرات ایجاد شده در خمیرها با استفاده از کروماتوگرافی گازی/ طیف سنجی جرمی (GC/MS)، مورد بررسی قرار گرفتند.
یافته‌ها: به‌طور کلی نتایج این تحقیق نشان داد که در تیمار استفاده شده با حلال اتانول، فرآیند رنگ‌بری سبب افزایش مقدار آلکان‌ها، مشتقات 1و2 بنزن دی‌کربوکسیلیک اسید، الکل‌ها، ترکیبات سیلیس‌دار و به مقدار جزئی آلدهیدها شده و همچنین کاهش استر اسیدهای چرب، مشتقات فنولی و کتون‌ها را در پی داشته است. روند فوق در حضور آنزیم نیز وجود دارد، با این استثنا که کتون‌ها مشاهده نشده‌اند و ترکیبات سیلیسیم‌دار و اسیدهای چرب افزایش داشته‌اند. افزایش ترکیبات سیلیس‌دار به‌خاطر سه ترکیب حاصل از آنزیم است. در تیمار استفاده‌شده با حلال دی‌کلرومتان، رنگبری موجب افزایش آلکان‌ها، کتون‌ها و ترکیبات سیلیس‌دار و کاهش اسیدهای چرب، استر اسیدهای چرب، مشتقات 1و2 بنزن دی‌کربوکسیلیک اسید، آلکن‌ها، آلدهیدها و مشتقات فنولی شده است. روند فوق برای حضور آنزیم نیز وجود دارد به استثنای آلدهیدها، الکل‌ها، مشتقات فنولی، کتون‌ها و آمیدها که در هیچ کدام از دو خمیر مشاهده نشده-اند که نشان از تخریب آنها دارد. در تیمار استفاده‌شده با حلال تولوئن، اثر رنگبری به صورت افزایش هالوآلکان‌ها، استر اسیدهای چرب، مشتقات 1و2 بنزن دی‌کربوکسیلیک اسید و آلدهیدها و کاهش مقدار آلکان‌ها و مشتقات فنولی مشاهده شده است. در اثر استفاده از آنزیم در این حلال و در خمیر رنگبری‌نشده، مقادیر بیشتری از مشتقات 1و2 بنزن دی‌کربوکسیلیک اسید، آلدهید و الکل وجود دارد.
نتیجه‌گیری: با‌توجه به نتایج به‌دست آمده از تاثیرتیمار آنزیمی بر خمیر CMP به کمک ستگاه GC/MS، می‌توان اذعان داشت که آنزیم استراز عملکرد قابل توجهی در تغییر ترکیبات شیمیایی استخراج شده با حلال‌های مورد استفاده داشته است.
عمده ترکیبات فرار قیر در غیاب آنزیم و با حلال اتانول و تولوئن، مشتقات 1و2 بنزن دی‌کربوکسیلیک اسید هستند. در حضور آنزیم و در حلال اتانول نیز این ترکیبات عمده بودند. در حضور آنزیم و در حلال تولوئن، آلدهیدها بیشترین درصد نسبی را دارا هستند. آلکان‌ها، در خمیر رنگ‌بری‌شده و در حلال‌ دی‌کلرومتان شاخص بودند. نتایج نشان داد در تیمار استفاده شده با حلال اتانول، فرآیند رنگ‌بری سبب افزایش مقدار آلکان‌ها، مشتقات 1و2 بنزن دی‌کربوکسیلیک اسید، الکل‌ها، ترکیبات سیلیس‌دار و به مقدار جزئی آلدهیدها شده و همچنین کاهش استر اسیدهای چرب، مشتقات فنولی و کتون‌ها را در پی داشته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Effect of esterase enzyme on reduction of pitch producer extractives in unbleached and bleached chemical- mechanical pulp (CMP)

نویسندگان [English]

  • Mohammad Hadi Aryaie Monfared 1
  • hossein Resalati 2
  • Aliasghar Tatari 3
1 Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Faculty of Wood and Paper Engineering
چکیده [English]

Background and objectives:
One of the common problems in the papermaking process is compounds and unwanted by-products such as pitch, sticky and foreign pollution in paper that each of these materials may come from various sources. The wood as raw material for pulping is an agent of these problems; because wood have contained hydrophobic materials such as wax, lipids, fatty acids, resin acids, hydrocarbons and etc. Pitch is the term that produce in the papermaking process and leads to considerably problems. The main destructive impacts of pitch, including blocking and hang lace to felt dewatering or drying cylinders occurs that creates holes in the paper. Nowadays, some of the material to removal these problems on an industrial scale is used.
Material and methods: In this study, after obtaining extractive compounds from bleached and unbleached CMP pulp, pulp were treated by 0.2 units, equivalent of 0.001 g of esterase enzyme in the water condition (H2O) and consistency of 8% at 50 0C for 45 min with mechanical mixing. Enzyme treatment for the unbleached and bleached pulp was done as separation stage; therefore, the effect of enzyme treatments in pulps using gas chromatography-mass spectrometry (GC/MS) was studied.
Results: Generally, results of this study showed that treatment use with ethanol solvent, bleaching process leads to increasing the amount alkanes, 1 and 2 benzene di-carboxylic acid derivatives, alcohols, silica compounds and minor amounts of aldehydes and as well as lower the esters fatty acids, phenolic and ketones derivatives. There is also a trend in the presence of the enzyme except that ketones were not in pulp and fatty acids increased. Increase of silica compounds is due to three combinations of enzymes. In treatment with use of di-chloromethane solvent, bleaching process leads to increase of alkanes, ketones and silica compounds and reducing the fatty acids, esters of fatty acids, 1 and 2 benzene di-carboxylic acid derivatives, alkenes, aldehydes and phenolic derivatives. There is also a trend for the enzymes with the exception of aldehydes, alcohols, phenolic derivatives, ketones and amides not observed in any of the two pulp that of their destruction. In treatment with use of toluene solvent, the impact of bleaching as increasing of halo-alkanes, esters of fatty acids, 1 and 2 benzene di-carboxylic acid derivatives and aldehydes and reducing of alkanes and phenolic derivatives not observed. The use of enzymes in this solvent and in the unbleached pulp, high amounts of 1 and 2 benzene di-carboxylic acid derivatives, aldehydes and alcohols was presence in pulp.
Conclusion: According to the results obtained from GC/MS, it can be said that esterase enzyme has good performance relatively compared to solvents. As previously mentioned the deposition of extractives in pulp and paper equipment leads to reduce the run-ability of the papermaking machine, causing a tear in the paper and eventually disability of operations and is involved in major economic losses. Triglycerides wood, especially in the factories that used softwoods as raw material, play an important role in in the formation of pitch deposits. Therefore, the use of enzyme systems could have a key role in controlling of pitch.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Esterase enzyme
  • Chemical-mechanical pulp
  • Pitch
  • Mass spectrometry
  • Gas chromatography
1. Bajpai, P. 2013, Biorefinery in the pulp and paper technology. Elsevier academic press. ISBN: 978-0-
12-409508-3.
2. Bartle, K.N., and Myers, P. 2002. History of gas chromatography. Trends in analytical chemistry.
21(9-10): 547-557.
3. Burman, S., Breslow, E., Chait, B.T., and Chaudhary, T. 1988. Application of high performance liquid
chromatography in neurophysin disulfide assignment. Journal of chromatography. 443: 258-298.
4. Demuner, B.J., Junior, N.P., and Antunes, A.M.S. 2011. Technology prospecting on enzymes for the
pulp and paper industry. Journal of technology management and innovation. 6(3): 148-158.
5. Farrell, R.L., Hata, K., and Wall, M.B. 1997. Solving pitch problems in pulp and paper processes by
the use of enzymes or fungi. Advances in biochemical engineering/biotechnology. 57: 197-212.
6. Freire, C., Silvestre, A., Pascoal Neto, C., and Evtuguin, D. 2006. Effect of oxygen, ozone and
hydrogen peroxide bleaching stages on the contents and composition of extractives of Eucalyptus
globulus kraft pulps. Bioresource Technology. 97(3): 420-428.
7. Gutiérrez, A., and del Río, J.C. 2005. Chemical characterization of pitch deposits produced in the
manufacturing of high-quality paper pulps from hemp fibers. Bioresource Technology. 96(13): 1445-
1450.
8. Gutiérrez, A., del Río, J.C., and Martínez, A.T. 2009. Microbial and enzymatic control of pitch in the
pulp and paper industry. Application of microbial and biotechnology. 82: 1005-1018.
9. Hemmasi, A.H. 2005. Applications of biotechnology in pulp and paper industry. Journal of
agricultural sciences (Islamic Azad University). 11(1): 105-119. (In Persian)
10. Hosseini Hashemi, KH., Parsapajouh, D., Khademi Eslam, H., Mirshokraie, A., and Hemmasi, A.H.,
2006. Identification of chemical compounds within north of Iran’s walnut heart wood extractives by
GC/MS method. Journal of agricultural sciences (Islamic Azad University). 12(4): 939-947. (In
Persian)
11. Hubbe, M.A., Rojas, O.J., and Venditti, R.A. 2006. Control of tacky deposits on paper machines – A
review. Nordic Pulp and Paper Research Journal. 21: 154- 171.
12. Jegannathan, K.R., and Nielsen, P.H. 2012. Environmental assessment of enzyme uses in industrial
production–a literature Review. Journal of cleaner production. DOI: 10.1016/ j. jclepro.11.005.
13. Kamali zadeh, A. 1988. Gas Chromatography Principles, university publication center, first edition,
Tehran. 285p. (translated in Persian)
14. Kilulya, K.F., Msagati, T.A.M., Mamba, B.B., Ngila, J.C., and Bush, T. 2011. Imidazolium ionic
liquids as dissolving solvents for chemical grade cellulose in the determination of fatty acids using gas
chromatography mass spectrometry. BioResources. 6: 3272-3288.
15. Kumar, S.A., Sharma, S.K., and Ankush, G. 2012. Fiber modification with enzymes for improving
refining and drainage. IPPTA J. 24: 161-165.
16. Leisola, M., Jokela, J., Pastinen. O., and Turunen, O. 2009. Industrial use of enzymes. Journal of
physiology and maintenance. 2: 161-185.
17. Li, G., and Liu, W. 2011. Adsorption of pitch and stickies on magnesium aluminum hydroxides
treated at different temperatures. BioResources. 6(2): 1972-1987.
18. Marques, G., Molina, S., D. Babot, E., Lund, H., C.del Rio, J., and Gutiérrez, A. 2011. Exploring the
potential of fungal manganese-containing lipoxygenase for pitch control and pulp delignification.
Bioresource Technology. 102: 1338-1343.
19. Martínez-Iñigo, M.J., Immerzeel, P., Gutierrez, A., Carlos del Río, J., Alvarez, R.S. 1999.
Biodegradability of extractives in sapwood and heartwood from scots pine by sapstain and white rot
fungi. Holzforschung. 53: 247-252.
20. McNair, Harold M., Miller, James M. 2009. Basic Gas Chromatography. 2nd Edition, Wiley
publication, 256p.
21. Matisova´, E., and Domotorova, M. 2003. Fast gas chromatography and its use in trace analysis.
Journal of chromatography A. 1000(1-2): 199-221.
22. Murray, G., Stack, K., McLean, D.S., Shen, W., Garnier, G. 2009. Dynamics of colloidal pitch
adsorption at the solid–liquid interface by surface plasmon resonance. Colloids and Surfaces. 341(1-
3): 127-133.
23. Pavia, D., Lampman, G., Kriz, G., and Vyvyan, J. 2008. Introduction to spectroscopy, 4e. Brooks
Cole publication. 745p.
24. Rahmati, H., Abdolkhani, A., and Hamzeh, Y. 2010. Characterization and removal of resins from
mixed tropical hardwoods kraft pulp. Iranian Journal of Wood and Paper Industries. 1(1): 45-56. (In
Persian)
25. Su, Y.C., Ho, C.L., Hsu, K.P., and Chang, H.M. 2011. Screening of ophiostoma species for removal
of eucalyptus extractives. Journal of wood chemistry and technology. 31: 282–297.
26. Thakur, V.V., Jain, R.K., and Mathur, M. 2012. Studies on xylanase and laccase enzymatic
prebleaching to reduce chlorine-based chemicals during CEH and ECF bleaching. BioResources. 7(2):
2220-2235.
27. Tolan, J.S., and Collins, J. 2004. Use of xylanase in the production of bleached, unrefined pulp at
marathon pulp Inc. Pulp and Paper Canada. 105(7): 167-169.
28. Vercoe, D., Stack, K., Blackman, A., and Richardson, D. 2003. Interactions of pitch components at A
molecular level. Pulp and Paper Science and Technology: Pulping, Bleaching and Pitch Control. 127-
133.
29. Woolridge, E.M. 2014. Mixed enzyme systems for delignification of lignocellulosic biomass. Journal
of catalysts. 4: 1-35. DOI: 10.3390/catal4010001.
30. Wu, W., Wang, Z., Jin, Y., Matsumoto, Y., and Zhai, H. 2014. Isolation of cellulolytic enzyme lignin
from rice straw enhanced by LiCl/DMSO dissolution and regeneration. BioResources. 9(3): 4382-
4391.
31. Xu, S., Xiong, C., Tan, W., and Zhang, Y. 2015. Microstructural, thermal, and tensile characterization
of banana pseudo-stem fibers obtained with mechanical, chemical, and enzyme extraction.
BioResources. 10(2): 3724-3735.
32. Yasmeen, Q., Asgher, M., Sheikh, M.A., and Nawaz, H. 2013. Optimization of ligninolytic enzymes
production through response surface methodology. BioResources. 8(1): 944-968.
33. Zhang, Z., Yue, J., Zhou, X., Jing, Y., Jiang, D., and Zhang, Q. 2014. Photo-fermentative biohydrogen
production from agricultural residue enzymatic hydrolyzate and the enzyme reuse.
BioResources. 9(2): 2299-2310.