專利名稱:一種酶活化制備堿溶纖維素方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生化技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
在天然纖維材料中，纖維素分子在分子內(nèi)和分子間形成大量氫鍵，從而使分子彼此緊密結(jié)合在一起成為半剛性的、高度不溶不熔的微纖結(jié)構(gòu)。必須進(jìn)行預(yù)處理和改性才能得到反應(yīng)性能好、溶解性能好的活化纖維素。對(duì)纖維素進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理是充分利用纖維素資源的重要的環(huán)節(jié)。目前人們采用的預(yù)處理方法包括物理、化學(xué)以及綜合性方法等，其目的是改變纖維素的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，如結(jié)晶度下降、微晶尺寸減小、微孔增加、聚合度下降，氫鍵斷裂，提高纖維素對(duì)化學(xué)試劑和酶試劑的可及度和反應(yīng)性。
生物技術(shù)作為預(yù)處理開(kāi)始是將酶應(yīng)用于紙漿工業(yè)的制漿工藝。研究表明，由于纖維素酶對(duì)纖維素鏈的部分降解，導(dǎo)致紙漿粘度降低。也有研究指出，用纖維素酶處理雖然使纖維素聚合度降低，但是在不影響使用的情況下，能提高纖維素的反應(yīng)能力。
化學(xué)預(yù)處理采用酸、堿、次氯酸鈉、臭氧等試劑進(jìn)行預(yù)處理，降解和潤(rùn)漲纖維素。近來(lái)又有超臨界和亞臨界液體進(jìn)行預(yù)處理。
物理預(yù)處理廣泛采用的物理預(yù)處理方法首選機(jī)械粉碎。底物通過(guò)粉碎，纖維素的結(jié)晶度可下降60％。由于提高了纖維素酶的可及性，使酶解產(chǎn)率有顯著提高。研磨時(shí)間、機(jī)械以及環(huán)境濕度的變化都會(huì)影響再結(jié)晶。機(jī)械粉碎的缺點(diǎn)是耗能大、成本高。其次蒸汽爆破也是一種有效無(wú)污染的預(yù)處理方法，蒸汽爆破除水和底物外可以不添加其它預(yù)處理物質(zhì)；進(jìn)行蒸汽爆破應(yīng)調(diào)節(jié)合適的壓力、溫度和處理時(shí)間。最近高壓蒸汽爆破預(yù)處理有爆破與非爆破兩種情況。高能輻射也是提高纖維素的活性。當(dāng)?shù)孜锉籸射線照射后，纖維鏈斷裂，纖維強(qiáng)度下降。若輻射垂直作用與纖維素原纖維取向，則僅影響分子內(nèi)氫鍵；且不影響纖維素超分子結(jié)構(gòu)。
綜上所述，纖維素預(yù)處理的方法很多，除了單獨(dú)使用外還可以綜合交叉使用。與傳統(tǒng)的化學(xué)試劑處理、機(jī)械處理和輻射處理技術(shù)相比，酶處理具有處理時(shí)間短、減少化學(xué)藥品用量、無(wú)污染、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，是很有前途的活化新技術(shù)。
有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，堿液可以溶解纖維素，但只限于低分子量的纖維素。到80年代，有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道經(jīng)適當(dāng)?shù)你~氨溶液處理后的纖維素，可以溶于堿溶液。但有應(yīng)用價(jià)值的研究主要為日本Asahi公司的突破。自八十年代以來(lái)，其與Kanazawa大學(xué)合作通過(guò)對(duì)不同纖維素的蒸汽閃爆處理和原理探尋，以及對(duì)纖維素溶解條件的選擇與溶解過(guò)程的機(jī)理分析，最終制備了堿溶纖維素。俄羅斯在這方面也逐漸接近日本，此外加拿大與歐洲一些國(guó)家合作正在積極研究。
纖維素酶降解制備堿溶纖維素?zé)o法達(dá)到完全溶解，一般可達(dá)60％以上，也有人通過(guò)研究專門的預(yù)處理催化劑與纖維素酶的底物專一性以提高轉(zhuǎn)化率，由于酶催化基本不損失原料，故其產(chǎn)率并不比其它制備方法低，并且由于其環(huán)境友好性，近年來(lái)引起研究人員的興趣。
纖維素在溶劑中溶解，所得的溶液不是真的纖維素溶液，而是由纖維素和存在于液體中的組分形成的一種產(chǎn)物。在纖維素化學(xué)工業(yè)實(shí)踐上也是如此，粘膠法、銅氨法以及N-甲基-嗎啉-N-氧化物(NMMO)法。由于NMMO法的環(huán)保性，目前再生纖維素的制備工藝正在由粘膠法向NMMO法轉(zhuǎn)變。
纖維素-NaOH-H2O體系制備再生纖維素技術(shù)具有更大的潛在發(fā)展前景，因?yàn)镹MMO價(jià)格要較NaOH溶液高，而且存在回收利用問(wèn)題，致使投資額增大。而NaOH水溶液技術(shù)投資相較低，是替代傳統(tǒng)粘膠纖維和銅氨纖維的最佳方法。
纖維素-NaOH-H2O體系制備再生纖維素技術(shù)的關(guān)鍵就是通過(guò)經(jīng)濟(jì)、無(wú)污染且有效的處理活化技術(shù)得到活化纖維素，選擇最佳的溶劑體系、濃度及溶解溫度等關(guān)鍵參數(shù)。
本發(fā)明的目的是利用含有纖維素酶活或葡聚糖內(nèi)切酶活的生物酶活化天然纖維素(紙漿、棉纖維素)制備堿溶纖維素。大大簡(jiǎn)化了工藝流程，處理?xiàng)l件溫和，減少了能量消耗和環(huán)境污染，降低了生產(chǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的用含有纖維素酶活或葡聚糖內(nèi)切酶活的生物酶在一定處理?xiàng)l件下活化纖維素，提高纖維素的活性和反應(yīng)性能。生物酶是指外切葡聚糖酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶、纖維素酶、葡聚糖內(nèi)切酶和其它任何含有纖維素酶活或葡聚糖內(nèi)切酶活的酶，最好為木聚糖酶、纖維素酶和葡聚糖內(nèi)切酶，可以是一種酶單獨(dú)使用也可以兩種或多種酶混合使用。生物酶的用量為0.01-500活力單位/克底物，最好為0.1-30活力單位/克底物。酶處理浴溫度為10-100℃，最好為30-75℃。酶處理時(shí)間為0.1-600分鐘，最好為20-180分鐘。酶處理浴的pH值在2-12范圍內(nèi)，最好為4-10。酶處理浴可以加入表面活性劑，以提高處理浴液對(duì)纖維素的潤(rùn)濕和滲透能力，提高處理的均勻性。本發(fā)明采用一種或幾種表面活性刑，它們可以是聚氧乙烯烷基醚類，例如吐溫(Tween)60、65、80(即聚氧乙烯山梨糖醇酐單硬脂酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐三硬脂酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐單油酸酯)；曲拉通X-100(Triton X-100)(即辛基苯氧基聚氧乙烯乙醇)；曲拉通X-10(Triton X-10)(即十八碳烷基苯氧基聚氧乙烯乙醇)；潤(rùn)濕劑JFC(潤(rùn)濕劑EA)(即異丁基苯氧基聚氧乙烯乙醇)；也可以是聚氧乙烯酯類Span 20、40、60、80(即山梨糖醇酐單月桂酸酯、山梨糖醇酐單棕櫚酸酯、山梨糖醇酐單硬脂酸酯)。其中以非離子表面活性劑最好，陽(yáng)離子表面活性劑次之，陰離子表面活性劑只能使用極少量。表面活性劑的用量為0.01-10％，最好為0.1-5.0％。酶處理制備的活化纖維素，其粘均聚合度為100～600。
本發(fā)明的具體實(shí)施是1.堿溶將纖維素溶于氫氧化鈉水溶液，再經(jīng)1000目的濾網(wǎng)過(guò)濾，脫泡后制得纖維素稀堿溶液。氫氧化鈉水溶液濃度為3-13％，纖維素在溶液的濃度為1-10％。
2.聚合度的測(cè)定按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/TC6-5351/1測(cè)定纖維素粘度，利用表示特性粘度與聚合度關(guān)系的方程式計(jì)算粘均聚合度。
DP0.905＝0.75[η]CuEn(cm3g-1)3.用纖維素酶活或葡聚糖內(nèi)切酶活的生物酶在一定處理?xiàng)l件下活化纖維素。結(jié)束時(shí)，煮沸15分鐘左右以使酶失活。可制備完全溶解(高于95％)稀堿溶液的活化纖維素，其粘均聚合度為150～600。生物酶是指外切葡聚糖酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶、纖維素酶、葡聚糖內(nèi)切酶和含有纖維素酶活或葡聚糖內(nèi)切酶活的酶，最好為木聚糖酶、纖維素酶和葡聚糖內(nèi)切酶。生物酶的用量為0.01-500活力單位/克底物，最好為0.1-30活力單位/克底物。酶處理溫度為10-100℃，最好為30-75℃，處理時(shí)間為0.1-600，最好為20-180分鐘。酶處理浴的pH值在2-12范圍內(nèi)，最好為4-10。酶處理浴可以加入表面活性劑及中性鹽(NaCl)，以提高處理浴液對(duì)纖維素的潤(rùn)濕和滲透能力，提高處理的均勻性。本發(fā)明采用一種或幾種表面活性劑及中性鹽(NaCl)，它們可以是聚氧乙烯烷基醚類，例如吐溫(Tween)60、65、80(即聚氧乙烯山梨糖醇酐單硬脂酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐三硬脂酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐單油酸酯)；曲拉通X-100(Triton X-100)(即辛基苯氧基聚氧乙烯乙醇)；曲拉通X-10(TritonX-10)(即十八碳烷基苯氧基聚氧乙烯乙醇)；潤(rùn)濕劑JFC(潤(rùn)濕劑EA)(即異丁基苯氧基聚氧乙烯乙醇)；也可以是聚氧乙烯酯類Span 20、40、60、80(即山梨糖醇酐單月桂酸酯、山梨糖醇酐單棕櫚酸酯、山梨糖醇酐單硬脂酸酯)，也可以是陰離子表面活性劑(十二烷基苯磺酸鈉)。其中以非離子表面活性劑最好。表面活性劑及中性鹽的用量為0.01-10％，最好為0.1-5.0％。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)化了工藝流程，提高生產(chǎn)效率；由于生物酶的催化分解作用和它本身優(yōu)良的環(huán)境相容性，廢水的毒性大大降低，減少了污水處理的負(fù)擔(dān)；由于生物酶處理的條件溫和，所以減少了能源消耗。
實(shí)施例1.用木聚糖酶在1活力單位/克底物，pH為3，在25℃處理天然纖維素600分鐘，酶處理浴加入表面活性劑吐溫(Tween)60、65、80，用量為0.01％，得到聚合度為560的活化纖維素，在3％的氫氧化鈉水溶液中溶解，可以得到4％的纖維素稀堿溶液。
2.用葡聚糖內(nèi)切酶在0.01活力單位/克底物，pH為4，在95℃處理天然纖維素600分鐘，酶處理浴加入中性鹽(NaCl)，用量為0.1％，得到聚合度為550的活化纖維素，在11％的氫氧化鈉水溶液中溶解，可以得到6％的纖維素稀堿溶液。
3.用甘露聚糖酶在450活力單位/克底物，pH為11，在25℃處理天然纖維素1分鐘，酶處理浴加入表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉，用量為0.1％，得到聚合度為570的活化纖維素，在8％的氫氧化鈉水溶液中溶解，可以得到7％的纖維素稀堿溶液。
4.用外切葡聚糖酶在500活力單位/克底物，pH為12，在95℃處理天然纖維素1分鐘，得到聚合度為500的活化纖維素，在9％的氫氧化鈉水溶液中溶解，可以得到10％的纖維素稀堿溶液。
5.用纖維素酶在500活力單位/克底物，pH為3，在95℃處理天然纖維素1分鐘，得到聚合度為500的活化纖維素，在8％的氫氧化鈉水溶液中溶解，可以得到9％的纖維素稀堿溶液。
6.用葡聚糖內(nèi)切酶在500活力單位/克底物，pH為3，在15℃處理天然纖維素600分鐘，得到聚合度為150的活化纖維素，可以在3.5％的氫氧化鈉水溶液中溶解，可以得到10％的纖維素稀堿溶液。
7.用纖維素酶在500活力單位/克底物，pH為3，在95℃處理天然纖維素600分鐘，得到聚合度為120的活化纖維素，在12％的氫氧化鈉水溶液中溶解，可以得到10％的纖維素稀堿溶液。
權(quán)利要求
1.一種用生物酶活化天然纖維素(紙漿、棉纖維素)制備堿溶纖維素的方法，其特征在于用含有纖維素酶活或葡聚糖內(nèi)切酶活的生物酶在一定處理?xiàng)l件下活化纖維素，提高纖維素的活性和反應(yīng)性能。生物酶是指外切葡聚糖酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶、纖維素酶、葡聚糖內(nèi)切酶和其它任何含有纖維素酶活或葡聚糖內(nèi)切酶活的酶，最好為木聚糖酶、纖維素酶和葡聚糖內(nèi)切酶，可以是一種酶單獨(dú)使用也可以兩種或多種酶混合使用。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述用生物酶活化天然纖維素(紙漿、棉纖維素)制備堿溶纖維素的方法中，其特征在于生物酶的用量為0.01-500活力單位/克底物。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述用生物酶活化天然纖維素(紙漿、棉纖維素)制備堿溶纖維素的方法中，其特征在于酶處理浴溫度為10-100℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述用生物酶活化天然纖維素(紙漿、棉纖維素)制備堿溶纖維素的方法中，其特征在于酶處理時(shí)間為0.1-600分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述用生物酶活化天然纖維素(紙漿、棉纖維素)制備堿溶纖維素的方法中，其特征在于酶處理浴的pH值在2-12范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述用生物酶活化天然纖維素(紙漿、棉纖維素)制備堿溶纖維素的方法中，其特征在于在酶處理浴中加入一種或幾種表面活性劑及中性鹽，它們可以是聚氧乙烯烷基醚類，可以是聚氧乙烯酯類，也可以是陰離子表面活性劑。表面活性劑及中性鹽的用量為0.01-10％。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1所述用生物酶活化天然纖維素(紙漿、棉纖維素)制備堿溶纖維素的方法中，其特征在于酶處理制備的活化纖維素，其粘均聚合度為100～600。
專利摘要
一種生物酶活化天然纖維素(紙漿、棉纖維素)的工藝，用于制備堿溶纖維素，以制得纖維素稀堿溶液。其特征是將生物酶配成溶液，在一定的溫度條件和合適的pH值下，處理活化天然纖維素(紙漿、棉纖維素)，活化后的纖維素的溶解性變好，可完全溶于(高于95％)稀堿溶液。由于酶催化的產(chǎn)率不比其它制備方法低，而且纖維素稀堿溶液的經(jīng)濟(jì)，并且其環(huán)境友好性，是潛在替代傳統(tǒng)制備纖維素溶液的最佳方法。
文檔編號(hào)C12S3/00GKCN1563093SQ200410033642
公開(kāi)日2005年1月12日 申請(qǐng)日期2004年4月14日
發(fā)明者曹郁, 譚惠民 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan