CN102174504A - 处理造纸白水用颗粒状载体固定化脂肪酶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种处理造纸白水用颗粒状载体固定化脂肪酶及其制备方法。该方法将壳聚糖粉末溶解在乙酸水溶液中，使壳聚糖完全溶解，并加入PVA水溶液混合均匀，然后成滴加入到NaOH水溶液与无水乙醇的混合液中，反应凝固成颗粒，将所得壳聚糖颗粒加入至质量浓度为0.0025-0.05％的戊二醛水溶液中，置于摇床中交联反应，用去离子水洗至中性，加入脂肪酶。本发明利用PVA改进壳聚糖颗粒表面的结构，进而利用PVA改性壳聚糖颗粒固定化脂肪酶，利用这种固定化脂肪酶既可增强造纸白水树脂沉积物的去除效果，还可大幅度降低工厂处理白水的成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于处理造纸白水的固定化生物酶，具体地说，是涉及一种处理造纸白水用颗粒状载体固定化脂肪酶及其制备方法。
背景技术
我国造纸工业是一个正在经历着从传统工业向现代化工业转型的重要产业。但同时，造纸工业对国家能源消耗和环境污染越来越严重。2006年，我国造纸工业对排放废水总量约占工业总排放量的16％，COD排放量约占总排放量的33％。造纸工业的高耗水量和高污染问题已对我国能源安全和生态安全起到一种全局性的影响作用。随着未来相当一段长时间内，造纸工业的快速发展对能源的消耗量会越来越大，发展新的造纸工业水循环利用技术和能源利用新技术已到刻不容缓的关头。
对于以木材为原料的制浆造纸厂，特别在我国南方以马尾松为主要原料生产新闻纸的纸厂来说，树脂障碍问题一直是一大难题。在制浆造纸过程中，纸浆中的树脂会以多种方式沉积在制浆造纸设备表面产生一系列树脂障碍问题，这些问题所产生的危害作用主要有两个方面：一是树脂沉积能够导致产品质量的下降；二是树脂的沉积能够影响制浆造纸过程，使产品的产量降低。由于传统的化学控制法、机械控制法和工艺控制法不能有效地防止树脂沉积问题以及频繁出现于纸机各部的断头，从而造成了许多计划外的停机和清洗，这也成为进一步提高车速的瓶颈。另外，随着现代化纸厂用水封闭循环的日趋完善，造纸用材种类的扩展以及碱性抄纸技术的应用等因素的影响，树脂障碍问题将成为造纸工业中日益突出的问题之一。
许多研究表明，白水中的甘油三酸酯是制浆造纸过程中产生树脂障碍的主要有害组分。由于甘油三酸酯是非极性组分，在白水循环回用过程中很容易依靠范德华力粘附在一些憎水性的设备表面上，从而形成大量的树脂沉积物。利用生物技术控制纸厂中的树脂障碍问题是近年来研究的热门课题，国内外都已经开展了这方面的研究。此种方法主要是利用脂肪酶将树脂中的酯类物质水解成低粘性的脂肪酸和醇类，从而达到控制树脂沉积的目的。
虽然脂肪酶对白水中的树脂沉积物具有很好的催化分解作用，但目前的研究者都只是将生物酶一次性的加入到白水中，很少考虑到脂肪酶的回收利用，这样必然会造成脂肪酶的浪费，提高了工厂处理白水的成本。现有技术更没有考虑，采取措施改变固定化颗粒表面结构，促进脂肪酶的固定效果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种强化脂肪酶固定化效果，并能持续改进造纸白水中的树脂沉积物作用的处理造纸白水用颗粒状载体固定化脂肪酶及其制备方法。
为实现本发明的目的，所采用的技术方案是：
一种处理造纸白水用颗粒状载体固定化脂肪酶的制备方法，包括如下步骤：
(1)将壳聚糖粉末溶解在乙酸水溶液中，加热至40-60℃使壳聚糖完全溶解，并加入PVA水溶液混合均匀，然后成滴加入到NaOH水溶液与无水乙醇的混合液中，反应凝固成颗粒，在NaOH与无水乙醇的混合液中浸泡2-6h，抽滤，用蒸馏水充分洗涤至pH值为中性；所述壳聚糖与乙酸的质量体积比为1g∶1-5ml；壳聚糖与PVA的质量比为100∶1-5；NaOH水溶液中NaOH浓度为1-4mol/L；NaOH水溶液与无水乙醇的体积比为4-8∶1；
(2)将步骤(1)所得壳聚糖颗粒加入至质量浓度为0.0025-0.05％的戊二醛水溶液中，室温下置于摇床中交联反应10-60min后，用去离子水洗至中性，加入脂肪酶，壳聚糖颗粒与脂肪酶的质量体积比为1g∶1-4ml；置于摇床中振荡1-4h后，倾倒出剩余的脂肪酶液，加入质量浓度为0.5-2％的EDC水溶液，室温下置于摇床中活化反应30-90min后，用去离子水洗至中性，加入脂肪酶，壳聚糖颗粒与脂肪酶的质量体积比为1g∶1-4ml；置于摇床中振荡1-4h，用去离子水洗去残留酶液，冷藏备用。
为进一步实现本发明目的，所述PVA水溶液的质量浓度优选为1-5％。
所述戊二醛纯度优选为分析纯。
所述NaOH水溶液与无水乙醇的混合液的体积比优选为4-6∶1。
一种处理造纸白水用颗粒状载体固定化单酶，由上述方法制备。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
壳聚糖是一种从虾蟹等甲壳类动物的外壳中提取出来的高分子化合物，是地球上除纤维素之外发现的最丰富的高分子聚合物，但利用壳聚糖固定化脂肪酶处理造纸白水还从未见报道，尤其是利用PVA改进壳聚糖表面颗粒的结构尚未见报道。本发明针对目前传统白水处理技术的不足，利用廉价易得的壳聚糖固定化脂肪酶，在增强造纸白水树脂沉积物去除效果的同时，还可大幅度降低工厂处理白水的成本。造纸白水经过固定化脂肪酶处理后，胶体颗粒的平均粒径从552μm降低到276μm，白水浊度从101NTU下降到80.8NTU，树脂沉积物去除率可达到66.8％。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的固定化脂肪酶的回用性能图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明方法作进一步的详细说明。需要特别说明的是，本发明的保护范围应当包括但不限于本实施例所公开的技术内容。
实施例1
(1)首先称取5g壳聚糖粉末溶解在100mL 5％的乙酸溶液中，加热至40℃使壳聚糖完全溶解，并加入5mL 1％PVA水溶液混合均匀，然后成滴加入到1mol/L NaOH水溶液与无水乙醇(体积比4∶1)组成的混合液中，反应凝固成颗粒，PVA的加入使得壳聚糖颗粒表面呈现多孔状结构，有利于生物酶的固定。在NaOH与无水乙醇的混合液中浸泡2h，抽滤，用蒸馏水充分洗涤至pH值为中性；
(2)将步骤(1)所得5g壳聚糖颗粒加入至质量浓度为0.0025％的戊二醛水溶液中，室温下置于摇床中交联反应10min后，用去离子水洗至中性，加入5ml脂肪酶液；置于摇床中振荡1h后，倾倒出剩余的脂肪酶液，加入质量浓度为0.5％的EDC水溶液，室温下置于摇床中活化反应30min后，用去离子水洗至中性，加入5ml脂肪酶液；置于摇床中振荡1h，用去离子水洗去残留酶液，冷藏备用。
实施例2
(1)首先称取5g壳聚糖粉末溶解在100mL 10％的乙酸溶液中，加热至50℃使壳聚糖完全溶解，并加入5mL 2％PVA水溶液混合均匀，然后成滴加入到2mol/L NaOH水溶液与无水乙醇(体积比6∶1)组成的混合液中，反应凝固成颗粒，在NaOH与无水乙醇的混合液中浸泡4h，抽滤，用蒸馏水充分洗涤至pH值为中性；
(2)将步骤(1)所得5g壳聚糖颗粒加入至质量浓度为0.005％的戊二醛水溶液中，室温下置于摇床中交联反应30min后，用去离子水洗至中性，加入10ml脂肪酶液；置于摇床中振荡2h后，倾倒出剩余的脂肪酶液，加入质量浓度为1％的EDC水溶液，室温下置于摇床中活化反应60min后，用去离子水洗至中性，加入10ml脂肪酶液；置于摇床中振荡2h，用去离子水洗去残留酶液，冷藏备用。
实施例3
(1)首先称取5g壳聚糖粉末溶解在100mL 25％的乙酸溶液中，加热至60℃使壳聚糖完全溶解，并加入5mL 5％PVA水溶液混合均匀，然后成滴加入到4mol/L NaOH水溶液与无水乙醇(体积比8∶1)组成的混合液中，反应凝固成颗粒，在NaOH与无水乙醇的混合液中浸泡6h，抽滤，用蒸馏水充分洗涤至pH值为中性；
(2)将步骤(1)所得5g壳聚糖颗粒加入至质量浓度为0.05％的戊二醛水溶液中，室温下置于摇床中交联反应60min后，用去离子水洗至中性，加入20ml脂肪酶液；置于摇床中振荡4h后，倾倒出剩余的脂肪酶液，加入质量浓度为2％的EDC水溶液，室温下置于摇床中活化反应90min后，用去离子水洗至中性，加入20ml脂肪酶液；置于摇床中振荡4h，用去离子水洗去残留酶液，冷藏备用。
性能测试
1、对造纸白水中树脂沉积物的处理效果
对于以木材为原料的制浆造纸厂，特别在我国南方以马尾松为主要原料生产新闻纸的纸厂来说，树脂障碍问题一直是一大难题。许多研究表明，白水中的甘油三酸酯是制浆造纸过程中产生树脂障碍的主要有害组分。由于甘油三酸酯是非极性组分，在白水循环回用过程中很容易依靠范德华力粘附在一些憎水性的设备表面上，从而形成大量的树脂沉积物。
利用实施例1制备的固定化脂肪酶处理白水树脂沉积物，造纸白水为以马尾松为主要原料生产新闻纸产生的造纸白水，结果如表1所示。可以看出，白水经过固定化脂肪酶处理后，胶体颗粒的平均粒径从552μm降低到276μm，白水浊度从101NTU下降到80.8NTU，树脂沉积物去除率可达到66.8％。可见，固定化脂肪酶对于白水树脂沉积物具有很好的去除效果，这主要是因为固定化脂肪酶可使白水中的树脂类物质的酯键发生裂解作用，使其降解为小分子的脂肪酸等物质。另外，固定化脂肪酶的改性壳聚糖颗粒载体本身也具有很强的吸附性能，尤其是经过PVA处理后，壳聚糖颗粒载体表面呈现多孔状结构，有利于脂肪酶的固定，并对白水中的树脂沉积物的吸附有一定的增强作用。
表1固定化脂肪酶处理白水的效果
2、稳定性测试
为说明本发明固定化生物酶的回用性能，测定本发明的固定化酶的操作稳定性。
对实施例1制备的固定化脂肪酶，对以马尾松为主要原料生产新闻纸产生的造纸白水连续进行8批次的操作，并算出每次使用后的相对活力，结果如图1所示。可以看出，固定化脂肪酶的相对活力随反应次数的增加而逐渐降低，但在连续使用5次后固定化酶活力仍保持较高水平，保持在70％左右；当连续使用8次后，固定化酶还能保持59％的活力。这说明固定化脂肪酶具有较好的操作稳定性，为在实际生产过程中的重复利用提供了前提。
Claims (5)
1.一种处理造纸白水用颗粒状载体固定化脂肪酶的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将壳聚糖粉末溶解在乙酸水溶液中，加热至40-60℃使壳聚糖完全溶解，并加入PVA水溶液混合均匀，然后成滴加入到NaOH水溶液与无水乙醇的混合液中，反应凝固成颗粒，在NaOH与无水乙醇的混合液中浸泡2-6h，抽滤，用蒸馏水充分洗涤至pH值为中性；所述壳聚糖与乙酸的质量体积比为1g∶1-5ml；壳聚糖与PVA的质量比为100∶1-5；NaOH水溶液中NaOH浓度为1-4mol/L；NaOH水溶液与无水乙醇的体积比为4-8∶1；
(2)将步骤(1)所得壳聚糖颗粒加入至质量浓度为0.0025-0.05％的戊二醛水溶液中，室温下置于摇床中交联反应10-60min后，用去离子水洗至中性，加入脂肪酶，壳聚糖颗粒与脂肪酶的质量体积比为1g∶1-4ml；置于摇床中振荡1-4h后，倾倒出剩余的脂肪酶液，加入质量浓度为0.5-2％的EDC水溶液，室温下置于摇床中活化反应30-90min后，用去离子水洗至中性，加入脂肪酶，壳聚糖颗粒与脂肪酶的质量体积比为1g∶1-4ml；置于摇床中振荡1-4h，用去离子水洗去残留酶液，冷藏备用。
2.根据权利要求1所述的处理造纸白水用颗粒状载体固定化脂肪酶的制备方法，其特征在于：所述PVA水溶液的质量浓度为1-5％。
3.根据权利要求1所述的处理造纸白水用颗粒状载体固定化脂肪酶的制备方法，其特征在于：所述戊二醛纯度为分析纯。
4.根据权利要求1所述的处理造纸白水用颗粒状载体固定化脂肪酶的制备方法，其特征在于：所述NaOH水溶液与无水乙醇的混合液的体积比为4-6∶1。
5.一种处理造纸白水用颗粒状载体固定化脂肪酶，其特征在于由权利要求1所述方法制备。
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