CN103757960A

CN103757960A - 一种角质酶在造纸工业中的应用

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Publication number: CN103757960A
Application number: CN201310749747.2A
Authority: CN
Inventors: 吴敬; 洪若宇; 宿玲恰
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2033-12-31
Also published as: CN103757960B

Abstract

本发明公开了一种角质酶在造纸工业中的应用，包括以下：采用角质酶控制二次胶黏物、脱墨或以聚丙烯酸酯为底物的模拟白水处理，属于造纸废水处理领域。角质酶为来源于Thermobifidafusca，氨基酸序列如Genbank编号AAZ54920.1或AAZ54921.1所示；或氨基酸序列与Thermobifidafusca的角质酶至少有90%同源性且具有角质酶活性的酶，将其添加到各种要处理的水体中，利用角质酶对设备中的二次胶黏物进行处理、脱墨、对循环白水进行处理，相对于原有方法以及脂肪酶法效果好、成本低，提高产品质量和生产效率，降低单位产品的能源消耗，具有广阔的应用前景。

Description

一种角质酶在造纸工业中的应用

技术领域

本发明设计一种角质酶在造纸工业中的应用，属于酶工程技术领域。

背景技术

据中国造纸协会统计,近10年中国对纸张的需求年增长率为8.77%,高于GDP的增长率。到2015年纸及纸板的消费总量约为8000万吨。资源、能源和环境保护依旧是造纸工业发展所面临的几个主要问题。

废纸回用具有节省原生纤维资源,减少环境污染,简化工艺流程,降低能耗等优点。废纸中含有的油墨是主要的杂质,特别是油墨的残存量,它左右着脱墨纸浆的质量,并决定纸浆的用途。脱墨,就是采用合理的方法破坏油墨粒子对纤维的黏附,将油墨从废纸中除去。油墨大致由色料、连接料、助剂组成。连接料是由少量天然树脂、合成树脂、纤维素、橡胶衍生物等溶于干性油或溶剂中制得。对颜料起保护作用，使其难以脱落,由于本身的黏性,在脱墨过程中很难将其包含的色料除去,从而对再生浆产生影响。普通的化学法需要大量使用碱性物质，水的直接排放会严重污染环境。角质酶能选择性作用于纤维表面，降解植物油基油墨。在机械力的作用下使油墨和纤维分离，不需要加入碱性物质，使得脱墨过程更加环保。

根据目前的造纸工业实际情况在造纸过程首先实行清洁生产，最有可能实现的应该是造纸机的白水回用。造纸白水的处理回用不仅可以节约用水，减少纤维和化学品的流失，节省资源和降低生产成本，而且对降低环境污染也具有十分重要的意义。但是当白水系统封闭后，进入系统的新鲜水量和排出的废水量都大大减少，使系统中的胶体、溶解物质和固体悬浮物含量增加，对纸机的运行和纸页的性质都会产生不利影响技术。随着白水封闭循环程度的提高和循环次数的不断增加，白水中的有害物质也会逐渐积累。在这些有害物质中，对造纸湿部化学影响最大、最难处理的是白水中的胶黏物(DCS）。

造纸工业上以胶黏物在浆料中存在的形式和行为为依据，可以划分为原生胶黏物和二次胶黏物。原生胶黏物是指废纸中原有的不溶于水的大胶黏物及其破碎而来的微胶黏物，颗粒较大以固体形式分散在浆水系统中的可用机械方法除去。二次胶黏物是指碎解和漂白时已溶解在浆料中形成稳定胶体状态的胶黏物，比原生胶黏物更难除去且不具有粘性，在实际生产过程中，更加难于控制和更严重的危害性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种角质酶在造纸工业中的应用，具体是通过角质酶控制二次胶黏物、脱墨以及白水处理。

所述的角质酶来自嗜热单孢菌Thermobifidafusca或氨基酸序列与得自Thermobifidafusca的角质酶至少有60%，特别是65%，更准确地说70%，或75%，或80%，或85%，或90%，或92%，或95%，或97%，或至少99%的同源性且具有角质酶活性的酶。

嗜热单孢菌Thermobifidafusca角质酶氨基酸序列如Genbank编号AAZ54920.1或AAZ54921.1所示。

所述角质酶的生产方法为在一定培养条件下，以生产角质酶的重组大肠杆菌（ChenS,TongX,WoodardRW,DuGC,WuJ,ChenJ,IdentificationandCharacterizationofBacterialCutinase,TheJournalofBiologicalChemistry,2008,283（28）25854-25862）发酵一定时间，经过12000rpm，离心10min，去除菌体，上清即为粗酶液。

所述的角质酶的酶活测定方法：在37℃下，采用连续分光光度法测定酶活力。反应总体积为1.5mL，包括30μL酶液和1470μL含50mmol/L硫磺脱氧胆酸钠和50mmol/L对硝基苯丁酸酯（pNPB）的Tris-HCl缓冲液（pH8.0），在波长405nm处，记录对硝基酚的生成速率。酶活的定义为：在37℃，每分钟将对硝基苯丁酸酯催化水解生成1μmol对硝基酚的酶量即为一个酶活力单位。

所述的脂肪酶购于济南天天香有限公司。

本发明公开的一种角质酶在造纸工业中的应用，包括以下步骤：

（1）控制二次胶黏物

（a)模拟白水的制备

取纸浆用蒸馏水在一定温度下搅拌下洗涤2～6小时，然后脱水浓缩，收集洗涤水；

（b)酶处理白水

向白水中加入占白水质量0.001-0.5%的角质酶或脂肪酶处理，角质酶活性＞100U/mL，脂肪酶活性＞100U/mL处理温度为20-60℃，处理时间为30-200min；

（c）将处理后的白水离心分离后得到二次胶黏物含量符合要求的白水；

（d）浊度差测定

取离心后的纸浆水样和白水测定浊度，然后使用硫酸调节pH为4后再进行浊度测定，计算pH调节前后的浊度差异，计算二次胶黏物的去除率，所述的二次胶黏物去除率计算公式为：

所述离心的转速为1000-3000r/min，离心时间为10-20min。

(2)角质酶脱墨

(a)碎浆

取浆料100～200g(绝干浆)，调节浆浓为10～20%，转数200～250r/min，时间20～30分钟。

(b)酶处理

控制温度为40～60℃，处理时间100-200min，加入酶量10-100U/g绝干浆。

(c)浆料洗涤脱水

用4～6L去离子水稀释生物酶处理后的废纸浆，然后用洗涤袋洗涤纸浆，最后将浆饼撕成小片，室温下风干。

(d)浮选

酶处理后的废纸浆用实验室浮选槽进行浮选，浮选条件:加热水调节浆料浓度至1%，加入脱墨剂0.2%（绝干浆），温度为45℃，浮选时间为60min。浮选后的浆料滤水后室温下风干。

(e)废纸浆物理性能分析

对于浮选后的浆样，用标准抄片器进行抄片，定量为60g/m²,采用白度仪测定仪测定手抄片白度.

(3)以聚丙烯酸酯为底物的模拟白水处理

(a)聚丙烯酸树脂溶液的配制：用10mL移液管移取10ml固含为50%的聚丙烯酸树脂溶液至500mL容量瓶中，定容，摇匀得浓度为1%的溶液，备用。再用10mL移液管移取浓度为1%的聚丙烯酸树脂溶液至50mL容量瓶中，定容，摇匀得浓度为0.1%的溶液，备用。

(b)取5～10mL浓度为0.1%的聚丙烯酸酯溶液于25mL具塞三角瓶中，加入2U/mL～20U/mL酶，放入30～50℃水浴摇床中，50～150rpm，反应1～2小时，结束时加入无水乙醇终止反应.

(c)浊度差测定

取反应结束后的水样和反应结束前的水样进行浊度测定，计算反应前后的浊度差异。

利用角质酶对设备中的二次胶黏物进行处理、脱墨、对循环白水进行处理，相对于原有方法以及脂肪酶法效果好、成本低，提高产品质量和生产效率，降低单位产品的能源消耗。同时，利用废纸回用具有节省原生纤维资源,减少环境污染,简化工艺流程,降低能耗等优点。利用角质酶对二次胶黏物处理，减少二次胶黏物带来的对设备的损坏以及提高设备效率；利用角质酶脱墨提高现有废纸的再利用率,加大二次纤维在造纸原料中的比重,减少化学品的用量，同时脱墨效率增加；利用角质酶对循环白水进行处理，减少水用量，提高循环水利用率，降低水污染。这些优势在环境保护日益受到重视的当今社会,显得尤为重要。

具体实施方式

实施例1：采用角质酶控制废纸浆生产过程中二次胶黏物

取200ml旧新闻纸DIP、OCC浆白水在不同角质酶添加量下进行处理，设置平行试验，进行数理统计。角质酶酶活400U/mL，添加量为DIP和OCC绝干浆重量的0.001～0.5%，温度20～60℃，时间30～200min。角质酶为嗜热单孢菌Thermobifidafusca角质酶，氨基酸序列如Genbank编号AAZ54920.1或AAZ54921.1所示。

对处理后的纸浆白水在3000r/min下离心10min去除细小纤维等组分；测试离心后白水的阳离子需求量和浊度，然后使用硫酸调节pH为4后再进行浊度测定，计算pH调节前后的浊度差异。酶用量为0.002%、0.1%、0.5%时测试结果如下，胶黏物去除率以浊度差变化计算。

结果如表1所示：

表1角质酶对DIP浆白水胶黏物的处理效果

结果如表2所示：

表2角质酶对OCC浆白水胶黏物的处理效果

结果，使用角质酶添加量为0.1%，处理温度为40度，处理时间为100min效果显著，结果最好，与其它平行组差异显，为本发明的优选实施方案。

实施例2：采用角质酶进行脱墨

角质酶脱墨：

1、碎浆：取浆料200g(绝干浆)，调节浆浓为10%，转数225r/min，时间20分钟。

2、酶处理：控制温度为40～60℃，处理时间100-200min，加入酶量10-100U/g绝干浆。

优选，在恒温水浴槽中，温度为50℃，处理时间120min，加入酶量40U/g绝干浆，隔10分钟手动揉搓。

3、浆料洗涤脱水：用5L去离子水稀释生物酶处理后的废纸浆，然后用洗涤袋洗涤纸浆，最后将浆饼撕成小片，室温下风干。

4、浮选:生物酶处理后的废纸浆用实验室浮选槽进行浮选，浮选条件:加热水调节浆料浓度至1%，加入脱墨剂0.1%（绝干浆），温度为45℃，浮选时间为60min。浮选后的浆料滤水后室温下风干。

5、废纸浆物理性能分析

化学法脱墨：

2、浮选:废纸浆用实验室浮选槽进行浮选，浮选条件:加热水调节浆料浓度至1%，加入脱墨剂0.2%（绝干浆），温度为45℃，浮选时间为60min。浮选后的浆料滤水后室温下风干。

3、废纸浆物理性能分析

结果如表3所示：

表3角质酶脱墨处理效果

实施例3：采用角质酶进行以聚丙烯酸酯为底物的模拟白水处理

1、聚丙烯酸树脂溶液的配制：用10ml移液管移取10ml固含为50%的聚丙烯酸树脂溶液至500ml容量瓶中，定容，摇匀得浓度为1%的溶液，备用。再用10ml移液管移取浓度为1%的聚丙烯酸树脂溶液至50ml容量瓶中，定容，摇匀得浓度为0.1%的溶液，备用。

2、取10ml浓度为0.1%的聚丙烯酸酯溶液与25ml具塞三角瓶中，加入一定量的角质酶或脂肪酶，放入30℃水浴摇床中，150rpm，反应2小时，结束时加入无水乙醇终止反应，利用浊度仪测定溶液的浊度变化。

3、依次改变酶的用量，记入最后的浊度值，进行比较。

结果如表4所示：

表4角质酶处理聚丙烯酸酯模拟白水效果

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims

1.一种角质酶在造纸工业中的应用，包括以下：采用角质酶控制二次胶黏物、脱墨或以聚丙烯酸酯为底物的模拟白水处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述角质酶为来源于Thermobifidafusca，氨基酸序列如Genbank编号AAZ54920.1或AAZ54921.1所示；或氨基酸序列与Thermobifidafusca的角质酶至少有90%同源性且具有角质酶活性的酶。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述采用角质酶控制二次胶黏物，包括以下步骤：模拟白水的制备，角质酶处理白水，将处理后的白水离心分离后得到二次胶黏物含量符合要求的白水；所述模拟白水制备方法为取纸浆用蒸馏水在40～60℃下搅拌下洗涤2-6h小时，然后脱水浓缩，收集洗涤水；所述角质酶处理白水工艺为：加入占白水质量百分比为0.001-0.5%的角质酶，角质酶活性>100U/ml，处理温度为20-60℃，处理时间为30-200min。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述采用角质酶脱墨，包括以下步骤：碎浆，酶处理，浆料洗涤脱水，浮选，抄片；所述碎浆的制备方法为：取绝干浆浆料100-200g，调节浆浓为10-20%，转数200-250r/min，时间20-30分钟；所述酶处理工艺为：控制温度为40～60℃，处理时间100-200min，加入酶量10-100U/g绝干浆。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用角质酶进行以聚丙烯酸酯为底物的模拟白水处理，包括以下步骤：聚丙烯酸树脂溶液的配制，角质酶降解聚丙烯酸酯，浊度差测定；所述丙烯酸树脂溶液的配制方法为：用10ml移液管移取10ml固含为50%的聚丙烯酸树脂溶液至500ml容量瓶中，定容，摇匀得浓度为1%的溶液，备用；再用10ml移液管移取浓度为1%的聚丙烯酸树脂溶液至50ml容量瓶中，定容，摇匀得浓度为0.1%的溶液，备用。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的角质酶降解聚丙烯酸酯工艺为取5～10ml浓度为0.1%的聚丙烯酸酯溶液于25ml具塞三角瓶中，加入2U/ml～20U/ml角质酶，放入30～50℃水浴摇床中，50～150rpm，反应1～2小时，结束时加入无水乙醇终止反应。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述角质酶处理白水工艺为：加入占白水质量百分比为0.1%的角质酶，角质酶活性400U/ml，处理温度为40℃，处理时间为100min。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述浮选条件为加热水调节浆料浓度至1～2%，加入占绝干浆0.2-0.4%质量百分比的脱墨剂，温度为40-50℃，浮选时间为60-120min。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述抄片条件定量为60g/m²。