CC BY
24
УДК 544.77.032.16:664
М. А. Холмова, К. Ю. Терентьев, Я. В. Казаков, Е. В. Новожилов, О. А. Синицына, А. М. Рожкова, А. П. Синицын, А. Р. Ивлева
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СУЛЬФАТНОЙ ЛИСТВЕННОЙ БЕЛЕНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ,
ОБРАБОТАННОЙ ЭНДОГЛЮКАНАЗНЫМ ФЕРМЕНТНЫМ ПРЕПАРАТОМ P. verruculosum
Ключевые слова: целлюлоза, ферментативная обработка, размол, свойства бумаги.
Показано, что ферментативная обработка препаратом P.verruculosum, обогащенным гомологичной эндоглюканазой, перед размолом сульфатной лиственной беленой целлюлозы марки ЛС-1 позволяет сократить в 1,5 раза продолжительность размола целлюлозы с сохранением прочностных и улучшением деформационных характеристик бумаги.
Key words: cellulose, enzyme treatment, refining, paper properties.
It is shown that enzymatic treatment with P. verruculosum enzyme, enriched by homologous endoglucanase, before refining of hardwood bleached kraft pulp (LS-1) reduces the refining duration to 1,5 times. The method provides maintaining of strength and improving deformation characteristics ofpaper.
Актуальность
Сульфатная лиственная беленая целлюлоза используется при изготовлении различных видов бумаги. При сушке товарной целлюлозы происходящие с волокнами структурные изменения являются во многом необратимыми и вызывают ухудшение способности к набуханию, размолу и формованию.
Размол полуфабрикатов в производстве бумаги и картона является одним из самых энергоемких процессов. Снижение затрат энергии на размол с одновременным достижением требуемого уровня свойств может получено различными способами. Для бумажной промышленности предлагается применение предварительной ферментативной обработки целлюлозы препаратами целлюлаз.
Целесообразность проведения так называемого «биоразмола» целлюлозы с применением ферментов неоднократно обсуждалась [1-4]. Модификация целлюлазами преследует цель подготовить целлюлозные волокна к механическому воздействию таким образом, чтобы уменьшить затраты энергии на размол, сохранив при этом прочность индивидуальных волокон при минимальных потерях углеводной части. Эффект ферментативного воздействия на целлюлозу определяется прежде всего субстратной специфичностью, свойствами и видом целлюлаз, а также параметрами процесса и расходом ферментов. Основное воздействие на целлюлозные волокна при их направленной модификации для изготовления бумаги оказывает эндоглюканазная активность препаратов.
Ранее было показано ускорение процесса размола беленой сульфатной целлюлозы из эвкалипта после обработки промышленными препаратами целлюлаз [3]. При равном числе оборотов мельницы PFI у обработанных ферментами целлюлоз наблюдали небольшое снижение средней длины волокна, прочностные показатели бумажного листа не менялись. При
проверке для этой цели 5 промышленных препаратов целлюлаз также не было достигнуто улучшение показателей прочности при равной степени помола массы [2].
В этой связи актуальным является создание и апробация современных высокоэффективных ферментных препаратов целлюлаз для биокаталитической модификации сульфатной целлюлозы, предназначенной для производства бумаги.
Цель работы - определение влияния ферментативной обработки препаратом P.verruculosum, обогащенным гомологичной эндоглюканазой, на свойства товарной сульфатной лиственной беленой целлюлозы.
Методическая часть
Препарат целлюлазного комплекса получен с использованием в качестве продуцента рекомбинантного штамма PenicШum verruculosum Б1-Б02. Маркировка препарата Б1-Б02 #3.383Н, далее в тексте он обозначен как Б1-Бв2. Эндоглюканазная активность в этом комплексе является основной, присутствуют также авицелазная, ксиланазная и другие активности [5]. Препарат имеет высокую тополитическую активность и характеризуется способностью к модификации поверхности целлюлозного волокна [6,7]. Низкая гидролизующая способность препарата делает его пригодным для направленного изменения свойств целлюлозных волокон без существенной потери прочности волокна. При расчете дозировки препарата использовали активность по фильтровальной бумаге (АФБ [8]), которая составляла 108 единиц АФБ/г сухого препарата.
Ферментативную обработку целлюлозы проводили при рН 5,0, расход препарата варьировали от 0,002 до 0,020 АФБ/г целлюлозы (Образцы Ф1-Ф4). Целлюлозную массу при концентрации 6 %, соответствующей концентрации при размоле, выдерживали в термостате в течение 120 минут при температуре 50 °С при
периодическом перемешивании. После обработки ферментный препарат инактивировали при температуре 90°С в течение 15 минут. Контрольные образцы целлюлозы подвергали обработке в тех же условиях, но без добавления ферментного препарата (образцы К1 и К2).
Размол целлюлозы проводили в стандартных условиях в лабораторной мельнице Йокро при скорости вращения ротора 150 оборотов/мин. Продолжительность размола составляла 10 мин, для одной из контрольных проб - 15 мин (образец К2). После размола отбирали пробы для исследования структурно - морфологических характеристик на автоматическом анализаторе волокна L&W Fiber Tester. Для изучения бумагообразующих, деформационных и прочностных характеристик изготавливали лабораторные образцы бумаги массой 75 г/м2, которые испытывали стандартными методами [9].
Результаты и обсуждение
В работе использовали промышленную сульфатную лиственную беленую целлюлозу марки ЛС-1. Результаты исследований, отражающие влияние ферментативной обработки препаратом P. verruculosum, обогащенным гомологичной эндоглюканазой, перед размолом целлюлозы на ее структурно - размерные характеристики и бумагообразующие и деформационные свойства представлены в таблице 1.
Степень помола у образцов целлюлозы Ф1-Ф4, обработанных целлюлазой, при продолжительности размола 10 мин по сравнению с контрольным образцом К1 не изменилась и равнялась 20 ШР. Увеличение продолжительности размола целлюлозы до 15 мин (контрольный образец К2) привело к повышению степени помола всего на 1 ШР, до 21 ШР. Это подтверждает известный факт, что при размоле низкой интенсивности и, соответственно, невысокой степени помола данный показатель определения водоотдачи массы не отличается высокой чувствительностью к изменению дренажных свойств волокнистой массы.
Особенности воздействия препарата B1-EG2 на волокна беленой сульфатной лиственной целлюлозы проявились после размола и сказались на многих важных для производства бумаги характеристиках. При размоле образцов целлюлозы Ф1 - Ф4 наблюдалось укорочение волокон и увеличение доли мелких волокон, обусловленное ослаблением клеточной стенки в результате ферментативного воздействия. Предполагается [10], что специфичные, мягко действующие эндоглюканазы, действуя на поверхность волокон, атакуют открытые участки целлюлозы, находящиеся между микрофибриллами, и в первую очередь разрушают их отдельные структуры в виде изгибов и утолщений. Ферментативная модификация целлюлазами может привести к раскрытию и ограниченному удалению наружных слоев и уменьшению жесткости клеточных стенок,
увеличению гибкости целлюлозных волокон, делая их более способными к сжатию при прессовании [11]. Возможно также внешнее фибриллирование волокон под действием целлюлаз, которое при формовании листа бумаги обеспечивает образование дополнительных межволоконных связей.
Таблица 1 - Влияние ферментативной обработки препаратом Б1-ЕС2 на свойства сульфатной лиственной беленой целлюлозы
Расход препарата, АФБ/г
0 0,002 0,005 0,010 0,020 0
Образец
К1 Ф1 Ф2 Ф3 Ф4 К2
Продолжительность размола, мин
10 10 10 10 10 15
Степень помола, ШР
20 20 20 20 20 21
Структурно - размерные характеристики
волокон
средняя длина, мм
0,944 0,941 0,935 0,922 0,878 0,939
средняя ширина, мкм
22,1 22,1 22,1 22,2 22,4 22,3
с редний фактор формы, %
90,3 90,6 90,3 90,5 90,5 90,6
доля мелочи, %
3,2 3,2 3,2 3,4 3,9 3,2
Бумагообразующие свойства:
межволоконные силы связи, МПа
1,19 1,32 1,55 1,48 1,27 1,59
объемная масса, г/см3
0,724 0,728 0,756 0,750 0,741 0,742
нулевая разрывная длина, км
13,50 13,60 13,75 13,70 12,90 13,72
Стандартные характеристики прочности
индекс продавливания, кПа-м2/г
2,83 3,32 3,29 3,26 3,21 3,46
индекс прочности при растяжении, Н-м/г
(%)
74,7 91,3 103,3 97,3 92,7 96,7
Деформационные характеристики
жесткость при растяжении, кН/м
470 530 560 540 540 545
деформация разрушения, %
1,55 1,98 2,07 1,88 1,88 1,91
работа разрушения, мДж
60,8 101,0 112,1 94,5 94,0 99,3
Для изготовления бумаги высокого качества снижение прочности самих волокон при ферментативной обработке должно быть минимальным. Это во многом зависит от дозировки фермента. Обработка препаратом В1 - Бв2 с расходом 0,002 - 0,005 АФБ/г привела к незначительному воздействию на клеточную стенку волокон, средняя ширина волокон после размола сохраняется, но происходит небольшое снижение их средней длины (образцы Ф1 и Ф2). Наибольшие изменения структурно - размерных характеристик
размолотой целлюлозы имели место при максимальном расходе ферментного препарата 0,020 АФБ/г. По сравнению с контрольным образцом К1 средняя длина волокна у образца Ф4 снизилась на 7 %, содержание мелкой фракции в размолотой массе увеличилось на 26 %. Увеличение средней ширины волокна на 0,2 мм при высоком расходе ферментного препарата объясняется усилением набухания волокон вследствие частичной деструкции слоев Р и 81 клеточной стенки беленой сульфатной целлюлозы.
Как видно из результатов, представленных в таблице и на рисунке, ферментативная обработка улучшает бумагообразующие свойства целлюлозы. Это проявляется в увеличении межволоконных сил связи, характеризующих внешнюю фибрилляцию, и объемной массы образцов бумаги, характеризующей внутреннюю фибрилляцию целлюлозы.
Максимальный эффект наблюдается при расходе ферментного препарата 0,002 - 0,005 АФБ/г целлюлозы. Соответственно, с увеличением объемной массы лабораторных образцов целлюлозы наибольшего прироста достигают межволоконные силы связи, которые выше на 30 % по сравнению с образцом К1 (рис. 1).
Объемная масса, ricnJ
а
Объемная масса, г/см3 б
Рис. 1 - Влияние объемной массы на прочностные и деформационные свойства бумаги:
1 - сопротивление продавливанию;
2 - прочность при растяжении;
3 - межволоконные силы связи;
4 - жесткость при растяжении;
5 - деформация разрушения;
6 - работа разрушения при растяжении
Изменение при ферментативном воздействии структурно - размерных характеристик целлюлозы сопровождается повышением деформационных и прочностных свойств. Обработка препаратом B1-EG2 с расходом 0,002 - 0,010 АФБ/г целлюлозы по сравнению с контролем (образец К1) привела к улучшению бумагообразующих свойств и повышению прочности лабораторных образцов бумаги на 5... 10 %, жесткости при растяжении на 10...20 %, деформации разрушения на 20..33 %, работы разрушения на 55.85 %. Увеличение продолжительности размола исходной целлюлозы в 1,5 раза (образец К2) позволило достичь прочностных характеристик, сопоставимых с уровнем образцов Ф1 и Ф2. Однако, при этом деформационные характеристики этих образцов были выше, чем у образца К2, что предполагает изготовление более прочных бумажных материалов.
Таким образом, показано, что ферментативная обработка селективно действующим препаратом целлюлазы позволяет улучшить бумагообразующие свойства товарной беленой сульфатной лиственной целлюлозы за счет преодоления последствий ороговения, вызванных контракцией волокон в процессе высушивания.
Выводы
1. Улучшение бумагообразующих свойств волокон беленой сульфатной лиственной целлюлозы после обработки ферментным препаратом B1 - EG2 глюканазы P.verruculosum и размола связано с повышением объемной массы образцов и усилением связеобразования в бумажном листе.
2. Ферментативная обработка сульфатной лиственной беленой целлюлозы препаратом P.verruculosum с расходом 0,002 - 0,005 АФБ/г волокна позволяет сократить в 1,5 раза продолжительность размола с сохранением прочностных свойств и повышением деформационных характеристик, что указывает на получение бумажного листа с более высокой растяжимостью.
Работа выполнена на оборудовании ИТЦ «Современные технологии переработки
биоресурсов Севера» (Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова) при финансовой поддержке Минобрнауки России и Российского Фонда Фундаментальных
Исследований (Грант 14-04-98825).
Литература
1. Е.В. Новожилов, Применение ферментных технологий в целлюлозно-бумажной промышленности. ИПЦ САФУ, Архангельск, 2013. 364 с.
2. L. Cui, F. Meddeb-Mouelhi, F. Laframboise, M. Beauregard, Carbohydrate Polymers, 115, 193-199 (2015).
3. M. Lecourt, J. Sigoillot, M. Petit-Conil, Process Biochem, 45, 1274-1278 (2010).
4. О.С. Беляев, Я.В. Казаков, О.С. Михайлова, Вестник Казан. технол. унив., 23, 47- 50 (2014).
5. А.В. Чекушина, Г.С. Доценко, Е.Г. Кондратьева, А.П. Синицын, Биотехнология, 3, 69-80 (2013).
6. А.В. Гусаков, Н.Н. Попова, А.П. Синицын, А.Х. Берлин, А.П. Синельник, Прикладная биохимия и микробиология, 35, 2, 137-140 (1999).
7. И.А. Хадыко, Я.В. Казаков, Е.В. Новожилов, А.В. Канарский, Вестник Казан. технол. унив., 13, 277- 280 (2014).
8. T.K. Ghose, Pure Appl. Chem, 59, 257-268 (1987).
9. В.К. Дубовый, А.В. Гурьев, Я.В. Казаков, В.И. Комаров, Лабораторный практикум по технологии бумаги и картона. Изд-во Политехи. ун-та, СПб., 2006. 230 с.
10. I Реге, М. Бика-аЬо, I ВисИеГ, Ь. У^ап, Tappi J, 78, 6, 71-78 (1995).
11. Е.В. Новожилов, Д.Г. Чухчин, К.Ю. Терентьев, И.А. Хадыко, Химия растительного сырья, 2, 15-20 (2012).
© М. А. Холмова - канд. тех. наук, доцент кафедры технологии целлюлозно-бумажного производства, Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, [email protected]; К. Ю. Терентьев - ассистент кафедры биотехнологии и биотехнических систем Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, [email protected]; Я. В. Казаков - канд. тех. наук, доц., заведующий кафедрой технологии целлюлозно-бумажного производства, Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, [email protected]; Е. В. Новожилов - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой биотехнологии и биотехнических систем, Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, [email protected]; О. А. Синицына - к.х.н., старший научный сотрудник, химический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова. e-mail: [email protected]; А. М. Рожкова -к.х.н., старший научный сотрудник, институт биохимии им. А.Н. Баха РАН. e-mail: [email protected]; А. П. Синицын -д.х.н., профессор, зав. лабораторией, химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова; зав. лабораторией, институт биохимии им. А.Н. Баха РАН. e-mail: [email protected]; А. Р. Ивлева - аспирант кафедры Пищевая инженерия малых предприятий КНИТУ, [email protected].
© M А. Holmova, Ph.D. (Engineering) As.professor of Department Pulp and Paper TechnologyArkhangelsk, Russia, Northern (Arctic) Federal University. [email protected]; K Y. Terentyev - Assistant of the Department of Biotechnology and biotechnical systems Arkhangelsk, Russia, Northern (Arctic) Federal University, [email protected]; Y. V. Kazakov, Ph.D. (Engineering) Head of Department Pulp and Paper Technology Arkhangelsk, Russia, Northern (Arctic) Federal University, [email protected]; E. V. Novozhilov - D.Sc. (Engineering), Professor, Head of the Department of Biotechnology and biotechnical systems Arkhangelsk, Russia, Northern (Arctic) Federal University, [email protected]; O. A. Sinitsyna, Ph.D. (Chemistry), Senior researcher, Department of Chemistry, Moscow, Russia, Lomonosov Moscow State University, [email protected]; A. M. Rozhkova, Ph.D. (Chemistry), Senior researcher, Moscow, Russia, Bach Institute of Biochemistry, Russian Academy of Sciences, [email protected]; A. P. Sinitsyn, D.Sc. (Chemistry), Professor, Head of Laboratory, Department of Chemistry, Moscow, Russia, Lomonosov Moscow State University; Head of Laboratory,Moscow, Russia, Bach Institute of Biochemistry, Russian Academy of Sciences, [email protected]; A. R. Ivleva, Ph.D. Student, Department of food engineering in small enterprises, Kazan National Research Technological University, [email protected].
