造纸过程中的微生物污染及控制

!""# 年第 $ 期!""!年第 " 期 随着再生纤维的大量回用%纸机白水&零’排放的要求以及对纸机湿部化学品的 重视(纸浆流体中含有丰富的碳源%氮源及矿物质(加上适宜的温度(为微生物的生长 创造了理想的滋生环境) 造纸过程中常见的微生物种类有细菌%真菌和酵母菌(因而 造纸厂生产用水必须经过沉淀和净化(控制水体中的微生物的数量(否则对生产操作 和终端产品质量有很大的影响* 关键词+微生物污染 控制 杀菌剂 监测工具 前言 随着再生纤维的大量回用,纸机白水&零’ 排放的要求以及对纸机湿部化学品的重视(纸 浆流体中含有丰富的碳源% 氮源及矿物质(加 上适宜的温度(为微生物的生长创造了理想的 滋生环境* 造纸过程中常见的微生物种类有细 菌%真菌和酵母菌(因而造纸厂生产用水必须 经过沉淀和净化( 控制水体中的微生物的数 量(否则对生产操作和终端产品质量有很大的 影响* ! 造纸过程中微生物的产生及危害 造纸过程中常见的微生物种类有细菌%真 菌和酵母菌-见表 ".*从表中可以看出(各种微 生物生长的共性是要有充足的碳源,氮源和矿 物质(其次是适宜的温度(最好为室温* 区别在 于各种微生物在不同的 #$ 值下生长( 污染产 物各异(而且对氧的需求也不一样* 因此(对于 碱性造纸( 微生物的种类以细菌种属为主/而 对于酸性造纸(则以真菌和酵母菌为主(这样 在选择杀菌剂时就必须分别对待* 浆料中的微生物以两种方式存在(一种是 浮游的(一种是固着的* 生物膜是由固着的各 种微生物相互作用形成的(主要是利用其周边 环境中的营养物质以及代谢产物生长和繁殖 %"&* 克瑞克勒仕和马歇尔曾指出’ 对于微生物来 说(附着于物体表面是其竞争的优势之一 %)&* 因 为避免了被液体冲走( 从而使微生物接触多种 营养成分的机率随着流体的流动变化而增加 了*在生物膜中( 存在着不同的氧浓度梯度*这 个变化的氧浓度梯度能满足不同种类的微生 物氧需求* 除了纸机上沉积物问之外( 微生 物作用也能造成纸料,浆料和化学添加剂的腐 败*例如( 未涂布纸( 有时在复印时发出很难闻 的气味* 这个问题起源于浆槽中纤维的防腐方 法不恰当( 厌氧细菌大量生长* 这些厌氧细菌 产生大量挥发性脂肪酸( 例如丙酸,丁酸等* 浆 造纸过程中的微生物污染及控制 杨征 陈夫山 !天津科技大学 天津 !""#$$" 摘 要 0收稿日期+!""*#!#)+ !!!!!!!!!! ! !!!!!!!!! ! ! 综 述 , !""# 年第 $ 期!""!年第 " 期 槽中的厌氧细菌在生长的同时也产生有害及 爆炸性气体 #$%& 如氢气和硫化氢等%因而这类微 生物污染可造成严重伤亡事故& 同时由生物膜 产生的酸性产物导致浆料酸碱性波动%同时腐 蚀生物膜下面的固体表面%使固体表面出现疤 痕和凹凸不平& 当微生物多聚体基质沉积在纸机或管壁 时% 它就会捕获各种有机物和无机物颗粒%甚 至也钩连纤维& 这些微生物污染源能降低纸浆 物理性能%可使各种添加剂失效& 当这些沉积 物松脱而混于纸浆中时%将引起纸病%如洞眼’ 色斑’针眼等%严重时会持续在纸机上造成脏 料断纸& 国外有研究表明这些类似于沥青的沉 淀物大部分是由微生物引起的 #’%%此外微生物 对纸机性能的负面影响还有 #()!%(堵塞毛毯%降 低毛毯的使用寿命)增加纸张表面的针孔*主 要是由酵母引起+)产生脏的浆料等& ! 造成造纸系统污染的原因 随着再生纤维的大量回用’纸机白水,零- 排放的要求以及对纸机湿部化学品的重视%纸 浆流体中含有丰富的碳源’ 氮源及矿物质%加 上适宜的温度%为微生物的生长创造了理想的 滋生环境& !"# 造纸用水 造纸用水是导致浆料微生物污染的重要 因素& 造纸用水大多取自江河或湖泊%其中含 有一定量的钙’镁’钠’铁’锰等金属元素%以及 大量的有机物和细菌等杂质& 因而进入生产系 统的水必须经净化和处理才能使用& 尽管处理 后的清水中好氧菌的数量比造纸系统中的数 量要低得多 % 后者中好氧菌数量通常在 *+,-./012以上#3%%但如果水中还有一定数量的 好氧菌**+4-./012 左右+%也会给纸机带来微 生物污染问题& !"! 造纸用原!辅材料 造纸用原’辅材料同样是引起造纸过程微 生物污染的主要原因& 纤维素与半纤维素是天 然植物成分%为微生物的繁殖提供丰富的营养 物质)而有关的添加剂如淀粉’松香胶’羧甲基 纤维素’滑石粉’碳酸钙’钛白粉’酸碱性染料 等在制造’运输和贮存过程中也极易受微生物 污染& !"$ 生产流程中的管道和设备 生产流程中的管道和设备也是造成微生 物污染的一个原因& 因为在管道和设备上总存 在流动的死角%适宜细菌的生长%加上许多工 厂很少完全采取全封闭式流程%使空气及空气 中霉菌容易进入管线%也会导致浆料流体的微 生物污染& !%& 添加剂 常用化学添加剂包括淀粉’白土’蛋白质’ 二氧化钛’碳酸钙’施胶剂和消泡剂等& 在制造’ 表 # 纸机运转过程中常见微生物的种类和性质 繁殖温度0# 培养基 繁殖 56值 空气需要性 主要产物 代表菌类 真菌 7($8+ 植物性食品’淀粉质 酸性强 需氧性 酸类 曲霉’毛霉’木霉菌 细菌 7($8+ 动物性食品’蛋白质 碱性强 需氧性一般%厌氧性好 胺’氨’酸’-97气体 杆状’球状’假单胞菌 酵母菌 7($8+ 植物性食品’糖质 酸性强 需’厌氧性好 醇’-97气体 酵母菌 : !""# 年第 $ 期!""!年第 " 期 运输和贮藏过程中#这些原材料都可能被微生物 污染% 一般来说#当纸厂收到这些添加剂加以稀 释或配制后#纸厂或纸厂的特殊化学品供应商应 负责其防腐工作% $%&%" 淀粉 淀粉是微生物的理想营养源之一% 微生物 以其酶类将淀粉转化成糖类# 以利用于其生长 需求%淀粉溶于水后很容易水解成葡萄糖&这为 细菌的生长提供了营养& 这些葡萄糖在一段时 间后代谢成大量的低分子脂肪酸’酪酸’乳酸’ 丙酸和乙酸& 这些易挥发组分是造成生产车间 和大型碱回收车间周围产生气味的原因% $%&%$ 蛋白质 蛋白质常与其它黏合剂(如淀粉等)一起 用做涂料% 微生物能很容易地把这些蛋白质大 分子降解成氨基酸类物质# 并以其作为营养源 生长繁殖% 当微生物污染发生时# 蛋白质溶液 的黏度大幅度下降# 但常常只伴随着微小 ’( 值降低% 卢迪和梅曾报道在最初的 ’( 值降低 后不久# 蛋白质便开始沉淀 # 同时溶液发出恶 臭并变色% $%&%) 合成黏合剂 苯乙烯#丁二烯’ 醋酸乙烯和丙烯类化合 物是常用的合成黏合剂& 它们常与淀粉和蛋白 质联合使用% 在乳胶制剂中的分散剂和稳定成 分常常被微生物所分解% 因为分解不伴随 ’( 值和黏度的变化# 这类微生物分解作用更难检 测% 但是# 涂料与原纸的黏合能力变差# 色料吸 附能力降低以及超级压光效果不良可以作为判 断微生物降解的指标% $%&%& 染料 如果微生物污染了染料# 染料测定仪器将 不能正常工作% 一旦生物膜类形成# 将造成供 给管线堵塞和调色染料的不均匀供给% 虽然微 生物对造纸染料的降解似乎并不是一个突出 问题# 但是# 在生产有色纸时所用的偶氮染料 却极容易被微生物所污染降解% $%&%* 填料 白土’沉淀型和研磨型碳酸钙’二氧化钛 等常被用做造纸中的填料或者涂料中的成分% 一般来说# 碳酸钙和白土在火车和罐运汽车运 输至纸厂途中应该已做过恰当的防腐处理% 但 实际上其防腐处理常常不当或被忽略% 与淀粉 和蛋白质所不同的是# 这些原材料本身不是微 生物的最佳营养# 但其中含有对其功能十分关 键的分散剂% 如果这些分散剂被微生物降解# 填料的黏度随之而改变# 并且填料中将产生微 粒子# 进而发生微凝聚作用形成微团# 使涂布 表面产生细微的刮痕% ! 防止造纸过程中浆料微生物污染的对 策 !"# 清水处理 造纸用水量大&水不仅作为纸浆纤维的载 体&而且还用于锅炉’冲洗设备等许多地方% 因 而造纸厂生产用水必须经过沉淀和净化&控制 水体中的微生物的数量&否则对生产操作和终 端产品质量有很大的影响% 造纸用水有许多处理方法% 除应用有机杀 菌剂外#还有氯气’二氧化氯’次氯酸盐和活性溴 等方法%这些方法的运用选择及效果取决于清水 特性#包括+ ’(值’有机物含量’微生物群体及含 量#以及与氧化性杀菌剂的作用时间%表明# 如果净化后的清水中好氧细菌数量达到 *$ *,,-./012# 就会给纸机带来严重的微生物污染 问题% 如果净化处理不当# 清水中的许多微生物 便进入造纸过程用水%这些微生物包括许多种类 的丝状细菌#蠕虫’藻类# 轮虫和原生动物等% 它 们不能用常用的培养基经过 &34 培养方法 来检测% 事实上#只要用相差显微镜来检验纸机 上生物膜沉积物5",6#就能很快判断纸厂用清水的 质量%如果以上所提到的任何一种微生物出现在 沉积物样品中#纸厂用清水的净化处理方法将必 须改进% 对于碱性和中性造纸来说# 清水质量更 为关键% 这是因为在中性到微碱性范围内# 丝状 细菌能大量繁殖% 研究表明# 在从中性和碱性抄 纸系统中采得的沉积物样品中# 3*7以上发现丝 ", !""# 年第 $ 期!""!年第 " 期 状细菌是其主要微生物污染成分% !"# 纸机表面 如果运用恰当的控制沉积物# 微生物 群体在纸机上的生长将大大减少% 常用的沉积 物控制方案有$ 保持纸机和贮槽表面清洁#无沉 积纸浆& 造纸用清水和添加剂的杀菌防腐处 理& 施用杀菌剂减少微生物在纸机上的生长& 以及停机煮洗去除形成的沉积物% 这些措施将 有助于避免由于菌泥脱落和产品质量剧降所 造成临时停机损失% 在常用方案中# 抗微生物 化学品被加到纸机用水中以杀灭和抑制微生 物% 通过减少微生物的总数量随之减少附着性 微生物数量# 纸机表面将大大减少生物膜形 成%近年来# 出于环境保护和安全原因# 许多纸 厂正在努力减少所运用的杀菌剂种类# 强调用 ’绿色(控制方案% 这个趋势导致了探索运用无 毒化合物防止微生物附着纸机表面的方法% 使 用不含卤素的氧化剂#过醋酸) 能较好地控制 腐浆)因为它将分解为二氧化碳和水)是一种 安全和对环境有益的卤素替代品%""&% !"! 添加剂 控制添加剂中的微生物生长可获得多种 经济效益% 其既能使添加剂发挥最佳效益)又 能减少或消除纸机运行中的相关的问题)提高 纸机运转率% 预防添加剂中微生物生长包括如 下措施) 要求其制造商运用恰当的防腐剂)保 持所有贮槽清洁)表面光洁无暇&用处理净化 过的清水配制添加剂&运用有机防腐杀菌剂% !"$ 杀菌剂 抗菌剂通常指的是杀菌剂和污泥控制剂) 早在 "’ 世纪就已应用于制浆造纸工业% 早期 的杀菌剂中通常会不加选择地添加许多活性 组分)几乎不考虑工人的健康和安全以及对环 境的影响% 自从 () 世纪 !* 年代以后)杀菌剂 供应商们为了提供安全的产品进行了不懈的 努力% 在 (* 世纪 ’* 年代)北美各制浆造纸厂 纷纷要求使用安全*高效*对环境无害的产品% 选择杀菌剂必须考虑其效果*组分*毒性及应 用条件% 在实验室环境或含微生物种类较少的 工艺环境中使用特效* 窄谱的杀菌剂是可行 的% 因为其中的微生物可被分类后进行隔离控 制% 但是在复杂的制浆造纸系统中对存在的所 有类型的微生物进行分类* 隔离是不可能的% 因此使用广谱杀菌剂是比较实际的% $ 微生物污染的监测工具%&#’ 各种不同的纸厂)它们对生物杀虫剂和分 散剂的需求是不同的%"+&%今天)没有单一的生物 杀虫剂或分散剂能在各种情况下都能很好地 控制微生物沉积) 而且在添加剂和涂料中)使 用不同的化学品)它们的控制效率也将变得不 同)由于这些原因)最高效的微生物控制方案 也因厂而异% 检验微生物沉积控制方案最简单的方法 是提高监测细菌和真菌的数量)尽管结果需要 (,$,-小时的培养期)它们将提供有用的信息% 一种快速测定微生物污染的方法是对三磷酸 腺苷水平的测量)三磷酸腺苷是存在于所有活 性细胞中的一种物质)可以通过破坏细胞并测 量三磷酸腺苷单独发出的光来确定其水平% 高 的三磷酸腺苷值显示了高的微生物活性% 另外一种监测微生物杀虫剂存在的工具 是 ./012345) 用于测量在一段时间之后由细 菌发出的光的减少量% 这种减少量正比于被杀 死的细菌的量) 数据可转化为相对毒性单位 +/6789:;6 .<=:> ?@:9A,) 相对毒性单位值越大) 生物杀虫剂活性+毒性,越高% B8@CA 和 D696EF<;6 开发的圆盘光学腐败 监测仪 %",&+GH9:>87 I%0-.?@ A>0B C A%B’9D EFFGHIJIK !L#),%9%7/-4 +@M@@ %(; :%94,%00 1@)@* N-36-0O4J P N%4-4 639 %( Q(.’9;-47-B0-(%(9? PB! B93%7,H ),%9%7/-4 %(; :%94,%00H R;4@H S-36-0O4H T3,( +-00?UV3(4 Q(7@HW5EXYEZZ[\ !W#]3^_3..3O* ]@V@* N%7.’9-%0 )%>4’ ‘%.%0 RaB034-3( %. )399>&%.’; :’;->O :-00* A>0B %(; A%B’9 )%(%;% Z[Yb\JIK5GEYEZGZ\ !b# V.9%(&’9 5T3,%((’44’( :* R-;4% M@ N-3;’.’9-39%.-3(@ A937’’;-(&4 36 .,’ b., Q(.@ V?OB@ *N’90-(* EZIG !K# <9’4,’9 ] ‘* ),9-4.’(4’( ) :@ A’9639! O%(7’ 36 A%B’9 :%7,-(’ +’. ‘’0.4@ ! * c%BB-* EZKK*WGYL\JEEK !X# d%9e>5T’%(.? 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