CC BY
35
Химия растительного сырья. 2000. №2. С. 23-27.
УДК 634.0.86:577.158
ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРМЕНТОВ В ОТБЕЛКЕ ЖЕСТКОЙ ХВОЙНОЙ СУЛЬФАТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
© Г.П. Александрова1, С.А. Медведева1*, А.П. Синицын2
1 Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского СО РАН, ул. Фаворского, 1а, 664033,
Иркутск (Россия), e-mail: [email protected]
2Московский Государственный университет, Москва (Россия)
Исследован процесс бесхлорной отбелки хвойной сульфатной целлюлозы по пероксидной схеме, включающей ферментативную ступень. Целью работы был подбор ферментных препаратов ксиланазного типа и определение условий ферментативной обработки. Объектом исследования служила хвойная целлюлоза с высоким содержанием остаточного лигнина. Изучено изменение жесткости и белизны сульфатной целлюлозы в зависимости от расхода препарата и продолжительности ферментативной обработки. Включение ферментативной ступени в пероксидную схему отбелки позволило получить хвойную сульфатцеллюлозную массу с белизной на 7% выше по сравнению с контролем.
Введение
Одно из направлений создания экологически безопасных способов получения целлюлозы связано с применением биотехнологий, в частности, разрабатываются способы отбелки целлюлозы с использованием ферментативной ступени [1]. Теоретические исследования наглядно свидетельствуют о возможности и эффективности использования и оксидазных, и гемицеллюлазных ферментов на стадии отбелки [2, 3]. Гемицеллюлазы относятся к группе более доступных ферментов, так как могут быть получены с использованием имеющегося стандартного оборудования [4]. Поскольку производство ксиланаз осуществимо в промышленном масштабе, использование их в технологии отбелки имеет реальные экономические перспективы. Обработка сульфатцеллюлозных масс гемицеллюлазными ферментами приводит к облегчению их белимости на дальнейших стадиях отбелки и в конечном итоге к увеличению белизны.
Хвойные сульфатные целлюлозы, в том числе целлюлозы высокого выхода, с повышенным содержанием остаточного лигнина отбеливаются значительно труднее лиственных [5]. На целлюлозно-бумажных предприятиях сибирского региона производят в основном хвойную сульфатную целлюлозу в соответствии с имеющейся сырьевой базой. Целлюлозы высокого выхода обладают повышенной прочностью и ценятся как армирующие добавки при производстве широкого ассортимента современных видов бумаги [6]. При этом определяющими характеристиками для них являются белизна и отсутствие хлорсодержащих примесей. Поэтому весьма важной является разработка схем отбелки целлюлоз с высокой жесткостью без использования молекулярного хлора. Подобные схемы, как правило, включают дополнительную ступень делигнификации, в качестве которой можно использовать ферментативную деструкцию гемицеллюлоз с последующей щелочной экстракцией остаточного лигнина.
* Автор, с которым следует вести переписку.
Цель нашего исследования состоит в изучении и оптимизации параметров процесса ферментативной ступени отбелки хвойной сульфатной целлюлозы высокой жесткости.
Экспериментальная часть
В работе использовали промышленную хвойную сульфатную целлюлозу Братского ЛПК с исходной жесткостью 36,0 ед. Каппа и белизной 23,0%. Содержание остаточного лигнина в целлюлозе определяли перманганатным методом (число Каппа) [7]. Отливки целлюлозы для измерения белизны готовили согласно ГОСТ 7690-76. Белизну образцов измеряли на приборе «8ресо1 2У».
В работе использовали экспериментальные ксиланазные препараты грибного происхождения. Содержание белка в ферментных препаратах определяли по методу Лоури. Активность ксиланазы в препаратах определяли по содержанию редуцирующих веществ (РВ), образующихся при гидролизе ксилана [8]. Целлюлазную активность определяли по содержанию редуцирующих веществ, образующихся при гидролизе фильтровальной бумаги [8]. Количество РВ определяли по методу Шомоди-Нельсона [8].
К навеске целлюлозы массой 3 г (в расчете на абсолютно сухую целлюлозу) приливали раствор фермента в 0,1 М ацетатном буфере (рН = 5,4). Количество фермента варьировали в интервале 10-50 ед. ксиланазной активности (Е) на 1 г целлюлозы. Ферментативную обработку целлюлозы с концентрацией массы 10% проводили в течение 1-3 ч при 40 °С. Затем образец обрабатывали в течение 0,5 ч 0,5% раствором №ОН при 70 °С.
Схема отбелки Ф - Щ - р - П, где Ф - ферментная обработка, Щ - щелочение, Р - хелатирование, П -пероксидная ступень. Хелатирование целлюлозы проводили 0,2 % раствором трилона Б в кислой среде при 80 °С в течение часа. Отбелку пероксидом водорода проводили при температуре 80 °С и концентрации массы 10% в течение 2 ч. Расход Н2О2 3%, №ОН 3%, №28Ю3 3% от массы целлюлозы.
Обсуждение результатов
Объектом исследования служила сульфатная целлюлоза с высокой исходной жесткостью 36,0 ед. Каппа, содержание остаточного лигнина в которой составляет 5,4%. Этот лигнин удаляется из целлюлозы значительно труднее, чем его основная масса, поскольку оказывается экранированным переосажденным на поверхность целлюлозы ксиланом. Для удаления этого ксилана и ксилана в составе оставшихся в целлюлозе гемицеллюлоз требуется смена реагентов. Мы использовали ферментные препараты ксиланазного типа, которые способны мягко разрушить полимерную молекулу ксилана до мономерных и олигомерных единиц, хорошо растворимых в воде, и тем самым обеспечить доступ к лигнину последующим отбеливающим реагентам.
Промышленных препаратов ксиланаз в нашей стране пока не существует. Мы исследовали экспериментальные препараты, полученные из разных продуцентов, с превалирующим содержанием ксиланаз, отличающиеся качественным и количественным составом ферментов (табл. 1).
Таблица 1. Характеристики использованных ферментов
Фермент Белок, % Ксиланазная активность, Е/г Целлюлазная активность, Е/г
7-2 - 7400 -
1 38,0 3080 147,0
7 5,0 442 4,0
130-2 11,6 310 0,2
Были изучены основные факторы энзиматического воздействия этих препаратов на сульфатцеллюлозную массу: расход фермента, продолжительность обработки и специфическая активность. Для оценки действия меняющихся условий проведения ферментативного процесса на сульфатцеллюлозную массу мы определяли изменение содержания остаточного лигнина в массе и ее белизну.
Обработка образцов целлюлозы ферментными препаратами в количестве 1 0 Е на 1 г целлюлозы по ксиланазной активности и последующее щелочение приводят к повышению белизны на 2,5-6,0% и снижению жесткости на 3,0-6,5 ед. Каппа по сравнению с исходным образцом (табл. 2).
Прирост белизны и снижение жесткости в значительной мере зависят от расхода ферментного препарата. Так, при увеличении расхода ферментов в интервале от 10 до 50 Е на 1 г целлюлозы белизна образцов увеличивается на 3,5-4,0% при снижении жесткости на 2-4 ед. Каппа (табл. 2). Оптимальным расходом фермента является 30-40 Е на 1 г целлюлозы, дальнейшее его увеличение дает небольшие изменения по снижению содержания остаточного лигнина. Влияние продолжительности ферментной обработки на белизну и жесткость проявляется в меньшей степени, чем влияние расхода фермента, отмеченное при анализе таблицы 2: при обработке целлюлозы ферментом 1 или 130-2 длительностью от 1 до 3 ч прирост белизны составляет 1,5- 2,0%, а снижение жесткости 1 ед. Каппа (табл. 3).
Ферментные препараты (1 и 7-2), имеющие высокую ксиланазную активность (3080 и 7400 Е/г), при равном расходе по ксиланазе более эффективны, очевидно, вследствие различия сопутствующих активностей, которые предстоит дополнительно изучить. Их вклад в увеличение белизны и снижение жесткости сульфатцеллюлозной массы после щелочения составляет 5-10% и 6,5-10 ед. Каппа, соответственно увеличиваясь при увеличении расхода фермента (табл. 2).
Таблица 2. Влияние активности и расхода ферментных препаратов при различной продолжительности обработки на изменение жесткости и белизны хвойной сульфатной целлюлозы
Время, Характеристики Расход фермента, Е/г целлюлозы
ч целлюлозы 0 10 20 30 40 50
Фермент 7-2
2 Жесткость, ед. Каппа 36,0 29,5 28,2 27,1 26,9 26,0
Белизна, % 23,0 29,0 30,0 30,0 31,5 33,0
Фермент 1
2 Жесткость, ед. Каппа 36,0 29,2 28,1 27,6 27,2 27,1
Белизна, % 23,0 28,0 29,0 29,5 30,0 32,0
Фермент 7
2 Жесткость, ед. Каппа 36,0 33,0 32,1 32,0 31,8 31,0
Белизна, % 23,0 25,5 26,0 27,0 28,0 29,0
Фермент 130-2
1 Жесткость, ед. Каппа 36,0 33,5 32,0 - 32,0 -
Белизна, % 23,0 28,0 29,0 - 28,5 -
2 Жесткость, ед. Каппа 36,0 33,0 29,6 29,0 30,0 28,8
Белизна, % 23,0 29,0 30,0 31,0 32,0 32,0
3 Жесткость, ед. Каппа 36,0 32,0 32,0 - 31,0 -
Белизна, % 23,0 30,0 31,0 - 29,0 -
Таблица 3. Влияние продолжительности ферментативной обработки при различном расходе на изменение жесткости и белизны хвойной сульфатной целлюлозы
Время, ч Расход, Е/г Схема Ф - Щ Схема Ф - Щ - р - П
Жесткость, ед. Каппа Белизна, % Жесткость, ед. Каппа Белизна, %
Фермент 1
0 0 36,0 23,0 14,0 53,0
1 20 28,2 29,0 12,2 58,0
2 20 27,8 29,5 12,0 59,0
3 20 27,0 30,5 11,3 60,5
Фермент 130-2
0 0 36,0 23,0 14,0 53,0
1 10 33,5 28,0 - 55,0
2 10 33,0 29,0 - 56,0
3 10 32,0 30,0 - 57,0
1 20 32,0 29,0 12,9 56,0
2 20 33,0 30,0 12,4 57,0
3 20 32,0 31,0 12,1 58,0
1 40 32,0 28,5 - 57,0
2 40 32,0 29,0 - 57,5
3 40 31,0 29,0 - 58,0
Наиболее эффективен при использовании ферментный препарат 7-2 с активностью 7400 Е/г, позволяющий при максимальной нагрузке 50 Е/г и времени ферментативной обработки 2 ч увеличить белизну образца после щелочения на 10% и снизить жесткость на 10 ед. Каппа. Эффективность ферментного препарата с активностью 442 Е/г значительно ниже: снижение жесткости и прирост белизны в аналогичных условиях не превышает 3-5 ед. Каппа и 2,5-6,0%.
Исходя из рассмотренных данных, мы можем констатировать, что исследованные нами ферментные препараты, гидролизуя ксилан в жесткой целлюлозе с содержанием остаточного лигнина 5,4%, так же как и в целлюлозах средней жесткости [9], облегчают последующую щелочную деструкцию и растворение остаточного лигнина.
Для выявления результативности ферментативной ступени была выбрана в качестве стандартной [10] пероксидная схема отбелки. Отбелку проводили по схеме Ф - Щ - Р - П с использованием комплексообразователя, для оценки эффективности ферментативной обработки параллельно проводили пероксидную отбелку без биообработки. С целью изучения влияния ферментативной обработки на белимость целлюлозной массы мы варьировали продолжительность ее гидролиза исследуемыми ферментными препаратами. Из результатов, представленных в таблице 3, для среднего расхода препаратов 1 и 1 30-2, выбранными на основании предыдущего эксперимента, очевидно, что предварительная ферментативная обработка позволяет значительно повысить эффективность пероксидной отбелки. Наши данные подтверждают, что, как и для лиственных сульфатных целлюлоз, предобработанных ферментами [11], белизна после пероксидной ступени значительно выше, чем в контроле.
Как и в предыдущем эксперименте, наибольшее влияние на прирост белизны и снижение жесткости целлюлозы оказывает количество ферментного препарата: при увеличении расхода фермента от 1 0 до 20 Е/г целлюлозы наблюдается увеличение белизны на 3,5% и снижение жесткости целлюлозы на 1-3 ед.
Каппа. Увеличение продолжительности ферментативной обработки на 1-2 ч позволяет повысить белизну на 1-1,5%. Пероксидная отбелка по предложенной схеме с включением ферментативной ступени позволила получить хвойную сульфатцеллюлозную массу белизной 60,0% и жесткостью 11,3 ед. Каппа, при этом вклад биологической ступени составляет 7% белизны и 2,7 ед. Каппа.
Выводы
Показана возможность использования отечественных ферментных препаратов ксиланазного типа для гидролиза гемицеллюлоз в хвойной сульфатцеллюлозной массе повышенной жесткости. Они оказывают положительный эффект на снижение жесткости и повышение белизны целлюлозы.
Оптимальный расход ферментов составляет 30-40 Е/г, время обработки не превышает 3 ч.
Список литературы
1. Joyce T.W. Applications of Biotechnology in the Manufacture of Paper // Int. Tech. Conf. PapFor 92. St. Petersburg. 1992. P. 269-277.
2. Viikari L., Kantelinen A., Sundquist J., Linko M. Xylanases in bleaching: From an idea to the industry // FEMS Microbiology Reviews. 1994. №13. P. 335-350.
3. Katagiri N., Tsutsumi Y., Nishida T. Biobleaching of softwood kraft pulp by white-rot fungi and its related enzymes // Proceedings of 9th Intern.Symp. on Wood and Pulping Chem., Montreal, Poster pres. 1997. P. F5-1-F5-4.
4. Виестурс У., Лейте М. Некоторые новые биотехнологии и аппаратура для их осуществления // Прикл. биохимия и микробиология. 1997. Т. 33. №3. C. 243-256.
5. Nelson S., Wong K.K.Y., Saddler J.N., and Beatson R.P. The use of xylanase for peroxide bleaching of kraft pulps derived
from different softwood species // Intl. Pulp Bleaching Conf.-Posters. 1994. P. 51-55.
6. Шпаков Ф.В., Неволин В.Ф., Кряжев А.М. Основные направления совершенствования технологии производства беленых полуфабрикатов в России на пороге ХХ1 века // Четв. Междунар. науч.-техн. конф. PapFor-96. СПб., 1996. С. 74-79.
7. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М: 1991. 319 с.
8. Методы экспериментальной микологии / Под ред. В.И. Билай. Киев, 1982. 550 с.
9. Aleksandrova G.P., Medvedeva S.A., Stupina E.S., Petrenev V.A., Sergeeva I.V., Sinitsyn A.P., Okunev O.N. Biobleaching
of industrial softwood kraft pulps by novel xylanase enzymes. // 10th International Symposium on Wood Pulp Chemistry, Yokohama, Japan, 1999. Vol. 2. P. 34-37.
10. Viikari L., Suurnaki A., Buchert J. Mannanases and xylanases in bleaching of softwood kraft pulps // The 8-th International Symposium on Wood and Pulping Chemistry. 1995. Vol. 1. P. 255-262.
11. Aleksandrova G.P., Medvedeva S.A., Sinitsyn A.P. The variation of structural components composition under the enzyme treatment in hardwood kraft pulp bleaching proccess // 12th International Symposium on Wood Chemistry and Cellulose Technology, Iaci, Romania, 1999. P. 43-47.
Поступило в редакцию 31 июля 2000 года
