Меню

Материал подготовлен Содиковым Исмоилом, инженером инновационно-технологического центра "Современные технологии переработки биоресурсов Севера".  

Если вы нашли неточности в переводе, свяжитесь, пожалуйста, с Исмоилом. Вы можете написать Исмоилу, какие темы в области ЦБП вам интересны, и мы о них напишем. С Исмоилом можно связаться по телеграмму. 

Если у вас есть интересные материалы и наработки, которыми вы хотели бы поделиться с коллегами, мы с радостью их опубликуем. Также мы ищем редакторов направлений Целлюлоза, Лайнеры, Другие картоны (специальные виды картонов). Если бы вы хотели писать и редактировать статьи на технические темы, свяжитесь с Ириной Летягиной.  

Самый очевидный способ увеличить маржу и объем производства — это повышение эффективности. Однако традиционные методы оптимизации имеют свои ограничения и в ряде случаев становятся нежизнеспособными из-за требований экологического законодательства.

Для большинства бумажных фабрик механическая оптимизация оборудования достигла своего предела. Повышение эффективности возможно лишь до определенной степени, если фундаментальные процессы и производственные мощности остаются неизменными. Более того, механические улучшения требуют значительных капитальных затрат (CAPEX), что зачастую приводит к замкнутому кругу: незначительные краткосрочные выгоды тормозят будущий рост.

Химические методы оптимизации, такие как использование вспомогательных средств для обезвоживания и удержания, добавок для повышения прочности или смягчителей, также имеют ограниченную эффективность. 

Энзимы: поиск решений в природе

В условиях необходимости повышения рентабельности и устойчивого развития многие бумажные комбинаты обращаются к биотехнологиям.

Энзимы — это белки, встречающиеся в природе, которые ускоряют химические реакции, выступая в роли катализаторов. Они играют важную роль в метаболических процессах живых организмов, таких как дыхание и пищеварение. В промышленности энзимы использовались веками в различных технологических процессах. Благодаря своей высокой специфичности они минимизируют побочные реакции, требуют меньше повторных обработок и очистки, а также снижают уровень загрязнения и выбросов. Это делает энзимы рентабельной, биоразлагаемой и экологически чистой альтернативой синтетическим процессам.

Каждый вид энзима представляет собой уникальную цепочку аминокислот, специально адаптированную для выполнения одной каталитической функции в отношении определенного субстрата. Этот процесс напоминает механизм "ключ-замок": энзим взаимодействует только с молекулами субстрата, имеющими подходящую геометрическую форму. В ходе реакции субстрат связывается с активным центром энзима, превращается в продукт реакции и высвобождается, а сам энзим остается неизменным и продолжает работать с новыми молекулами субстрата.

Скорость энзимных реакций в миллионы раз выше, чем у химических или металлических катализаторов, а для достижения желаемого эффекта требуется лишь небольшое количество энзимов.

Современные технологии позволяют создавать устойчивые энзимы, адаптированные под нужды различных отраслей: бытовая химия, пищевая промышленность, сельское хозяйство, производство биотоплива и текстиля. Логично, что этот природный метод повышения эффективности может найти широкое применение и в целлюлозно-бумажной промышленности, которая сама по себе тесно связана с природными процессами.

Энзимный подход к оптимизации бумажных фабрик

Использование энзимов в целлюлозно-бумажной промышленности — не новая концепция. Они давно признаны перспективным инструментом для снижения затрат на химические реагенты и энергопотребление, а также для повышения качества продукции. Сегодня улучшения в производственной эффективности с помощью энзимов активно применяются в промышленном масштабе, в то время как исследования продолжаются с целью замены традиционных технологических процессов более устойчивыми и эффективными решениями.

Исторически в бумажном производстве тестировались и использовались многокомпонентные энзимные «коктейли», однако их эффективность была неоднозначной. Эти технологии применялись еще до того, как были разработаны точные методы производства однокомпонентных энзимных продуктов. В некоторых случаях такие энзимные смеси давали положительный эффект, но у них был ряд недостатков.

Целлюлоза является основным компонентом бумажных волокон. Цель модификации волокна с помощью целлюлолитических энзимов (целлюлаз) — улучшение его свойств при сохранении выхода волокна. В природе целлюлазы синтезируются грибами, простейшими и некоторыми бактериями, помогая расщеплять растительные остатки. В промышленности они используются для превращения целлюлозы в простые сахара (процесс сахаризации), который является ключевым этапом при производстве биотоплива. В целлюлозно-бумажной отрасли целлюлазы могут быть применены для модификации волокна.

Однако использование многокомпонентных энзимных смесей для обработки целлюлозы в бумажном производстве может привести к нежелательным эффектам. Это особенно актуально для малоочищенных энзимов, которые не адаптированы под специфические потребности отрасли. Оптимальным решением является применение стандартизированных, высококачественных продуктов на основе целлюлаз.

Эффективная модификация волокна с помощью энзимов требует применения специально отобранных молекул, которые добавляют ценность материалу, не разрушая его структуру. Многокомпонентные энзимные смеси сложнее контролировать: они могут одновременно улучшать и ухудшать свойства волокон. Кроме того, при их использовании трудно гарантировать, что остаточные энзимы не попадут в конечный продукт.

Современная биотехнология позволяет применять более точечный, прицельный подход, используя однокомпонентные энзимные продукты. Такие решения обеспечивают контролируемую модификацию волокон и других компонентов бумажного производства с минимальными рисками негативных последствий.

Целевая энзимная обработка может принести пользу на всех этапах целлюлозно-бумажного процесса, включая улучшение процессов отмывки красок (deinking), усиление отбеливания, контроль отложений и модификацию крахмала. Однако наибольшие преимущества с точки зрения повышения выхода продукции и увеличения прочности бумаги и картона достигаются при использовании энзимов для модификации волокна.

Основой этого процесса являются эндоглюканазы — тип целлюлаз, которые воздействуют на бумажные волокна, способствуя образованию тонких фибрилл и повышению межволоконного связывания. Это улучшает перерабатываемость волокна и его укрепляющий потенциал, что в итоге повышает прочность и структурную целостность бумаги и картона.

В результате улучшается качество конечного продукта, а производители бумаги могут получить ряд выгод:

• снижение затрат на волокно,

• уменьшение энергопотребления при переработке и сушке,

• сокращение использования химических укрепляющих добавок,

• повышение качества продукции при соблюдении принципов устойчивого развития.

Этот процесс уже широко применяется в производстве тиссью и бумажных полотенец и все чаще используется в сегментах печати и упаковки.

Внедрение решения plug-and-play

В исследовании компании Novozymes, одного из мировых лидеров в области биоинноваций, моно-компонентный целлюлазный продукт был протестирован в полномасштабной реализации в сегменте бумаги для печати и письма.

 Эксперты отрасли провели анализ, чтобы определить точку применения в производстве, которая обеспечила бы наибольшую потенциальную выгоду. Затем испытание было реализовано с минимальным вмешательством и риском для работы предприятия.
   

Процесс оказался крайне простым, не потребовал изменений в текущих операциях фабрики и не потребовал капитальных затрат. Все, что было необходимо — сам ферментный продукт и насосы для его дозирования в точке применения.
 

Эксперты по применению ферментов сопровождали процесс и контролировали условия для достижения оптимальных результатов.

Экономическая и экологическая устойчивость для бумажных фабрик

Исследование в сегменте печати и письма убедительно продемонстрировало преимущества энзимной модификации волокон для целлюлозно-бумажной промышленности. Фабрика получила значительную отдачу от инвестиций за счет экономии волокна, увеличения производительности, улучшения рафинирования и высвобождения ресурсов для разработки новых продуктов.

Бумажная фабрика сообщила об увеличении разрывной прочности на 16% и увеличении внутренней связи на 17%. В результате решение привело к почти мгновенной краткосрочной экономии, сократив затраты энергии на рафинирование на 50%.

Для европейской бумажной фабрики, перерабатывающей 200 000 тонн в год (TPY) отбеленной целлюлозы с 80% древесины лиственных пород и 20% хвойных, это снижение энергозатрат составляет 20 киловатт-часов на тонну (кВт·ч/т) и 45 кВт·ч/т соответственно, что в сумме дает экономию 5 000 мегаватт-часов (МВт·ч) в год. При средней стоимости электроэнергии в Европейском Союзе в 2021 году (0,1445 €/кВт·ч) это эквивалентно экономии 3,5 €/т или 720 000 €/год. Это сопоставимо с сокращением импорта природного газа на сумму около 130 000 долларов США в год².

Фабрика также отметила, что за счет сокращения энергопотребления моно-компонентная энзимная модификация волокон значительно уменьшила её экологическое воздействие. Немедленный эффект заключается в возможности максимально эффективно использоватькаждое срубленное дерево, получая больше продукции из меньшего количества сырья. Снижение энергозатрат на размол и пар привело к годовому сокращению выбросов парниковых газов на 1 100 тонн CO₂³ — эквивалентно выводу 470 автомобилей из эксплуатации.

Расширение применения ферментов на другие стадии целлюлозно-бумажного производства может еще больше приблизить фабрики к экологическим целям, заменяя или исключая различные химикаты на этапах варки, отбеливания и подготовки массы. Кроме того, использование ферментов в процессах обезвоживания может позволить фабрикам применять больше вторичного сырья и меньше первичного волокна, улучшая дегидратацию массы.

Максимальная эффективность фабрики и каждого дерева

По мере того, как растущий спрос, увеличение затрат и ужесточение экологических норм делают поддержание даже минимальной рентабельности практически невозможным, производители бумаги вынуждены искать альтернативы, выходящие за рамки традиционных механических и химических методов оптимизации, эффективность которых снижается.

С минимальными операционными изменениями и без дополнительных капитальных вложений (CAPEX) бумажные фабрики могут использовать ферменты для снижения эксплуатационных расходов за счет значительной экономии энергии на стадии размола. Они уменьшают затраты на сырье, максимизируя потенциал бумагоделательной массы из имеющейся древесины и целлюлозы. Также ферменты могут снизить или полностью устранить расходы на упрочняющие агенты и другие химические продукты, используемые в процессе производства бумаги.

С экологической точки зрения более эффективное использование существующих волокон снижает нагрузку на леса и уменьшает объем древесины или волокна, необходимый для производства каждой тонны продукции. Кроме того, усиление прочностных характеристик волокон с помощью ферментов позволяет снизить массу конечного продукта без ущерба для прочности. Это означает, что, помимо сокращения выбросов CO₂ самой фабрикой, ферменты способствуют снижению выбросов в транспортном секторе, что особенно важно в условиях стремительного роста электронной коммерции. А уменьшение потребности в химикатах приближает фабрики к достижению их целей в области устойчивого развития — без дополнительных инвестиций в экологические инициативы.

Различные отрасли — от сельского хозяйства, животноводства и биотоплива до бытовой химии, текстиля, хлебопечения, пивоварения, брожения и фармацевтики — уже используют ферменты для повышения ценности продукции, снижения затрат и минимизации воздействия на окружающую среду. В условиях, когда спрос превышает предложение, ферменты представляют собой проверенный инструмент, позволяющий целлюлозно-бумажным производителям удовлетворять потребности рынка экономически эффективно, устойчиво и конкурентоспособно.