Ферментативное обессмоливание целлюлозы и механической массы

На правах рукописи

Емельянова Марина Викторовна

ФЕРМЕНТАТИВНОЕ ОБЕССМОЛИВАНИЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ И МЕХАНИЧЕСКОЙ МАССЫ

05.21.03 – Технология и оборудование химической

переработки биомассы дерева; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Архангельск - 2007

Работа выполнена на кафедре биотехнологии Архангельского государственного технического университета

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Новожилов Е.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Канарский А.В.

кандидат химических наук,

доцент Майер Л.В.

Ведущая организация: ОАО «ЦНИИБ»

Защита диссертации состоится 24 мая 2007 г. в 10 00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.008.02 в Архангельском государственном техническом университете по адресу: 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Архангельского государственного технического университета.

Автореферат разослан апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

канд. хим. наук, доцент Т.Э. Скребец

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

К одной из развивающихся сфер применения ферментов в целлюлозно-бумажной промышленности относится борьба со смоляными затруднениями, возникающими при производстве целлюлозы и бумаги. Смоляные затруднения при варке и отбелке целлюлозы и в производстве бумаги возникают из-за присутствия липофильных компонентов смолы древесины, которые в процессе ее переработки в целлюлозу, бумагу и картон претерпевают различные физико-химические изменения и образуют липкие отложения на рабочих поверхностях оборудования, снижая его производительность. Существующие способы борьбы с вредными отложениями: выдерживание древесины, оптимизация технологических факторов, качественная промывка целлюлозы, регулирование рН и температуры, использование талька и диспергаторов не решают в полной мере проблемы смоляных затруднений.

Ферментативная обработка - это новый и перспективный подход к решению проблемы вредной смолы в целлюлозно-бумажном производстве. Для обессмоливания и снижения смоляных затруднений в производстве механических масс в Японии, Китае и Северной Америке успешно используется фермент липаза, действие которого направлено на разрушение эфиров жирных кислот (жиров) – основного компонента смоляных отложений вредной смолы. Компанией «Новозаймс» (Дания) предложен препарат липазы под торговой маркой Resinase A2X®. При наличии в научной литературе информации о деструкции смолы сульфитной и сульфатной целлюлозы под действием этого препарата, сведения о промышленном использовании липазы для обработки различных видов технической целлюлозы отсутствуют.

Новый процесс ферментативного контроля содержания смолы относится к разряду высококлассных технологий и представляет большой интерес для ЦБП России.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является оценка эффективности применения липазы для обессмоливания различных волокнистых полуфабрикатов.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• изучить обессмоливание липазой механической массы и целлюлозы;
• исследовать основные закономерности каталитического действия липазы в присутствии целлюлозы;
• оценить характер взаимодействия липазы с химикатами, добавляемыми для стабилизации и фиксации смолы в производстве беленой целлюлозы;
• провести сравнение различных методов, характеризующих действие липазы на эмульгированную смолу и смолу, содержащуюся в целлюлозных материалах;
• разработать технологию ферментативной обработки технической целлюлозы липазой.

Научная новизна

Установлено, что гидрофобные свойства целлюлозы обусловлены в значительной мере присутствием в ней компонентов смолы, главным образом жиров. Показано, что при ферментативном обессмоливании волокнистых полуфабрикатов основным фактором, определяющим эффективность действия липазы, является доступность смолы. Раскрытие структуры волокна сульфатной целлюлозы при действии ксиланазы способствует последующей деструкции смолы липазой. Обоснована оптимальная последовательность стадий подготовки сульфатной лиственной целлюлозы к отбелке: обработка ксиланазой, липазой и щелочная обработка.

Установлено, что при обработке сульфатной лиственной целлюлозы снижение активности липазы происходит в большей степени, чем при взаимодействии с хвойной cульфитной целлюлозой, что связано с неспецифической сорбцией фермента на целлюлозные волокна. Показано, что поверхностно-активные вещества (ПАВ), применяемые в производстве сульфатной целлюлозы для снижения смоляных затруднений, инактивируют липазу. Установлено эмульгирующее действие на смолу гликозидов растительного происхождения (сапонинов) без снижения активности липазы.

Практическая ценность

Внедрение стадии обработки липазой в схему подготовки сульфатной лиственной целлюлозы к отбелке позволит снизить содержание смолы в небеленой массе в 1,5…2 раза. Рекомендовано использование липазы для обессмоливания лиственной ХТММ.

Предложен способ оценки эффективности действия различных ПАВ с использованием криоскопического метода. В качестве альтернативы производственным ПАВ рекомендованы гликозиды растительного происхождения.

Автором выносятся на защиту следующие основные положения диссертационной работы:

• результаты обработки липазой лиственной ХТММ;
• результаты оценки активности липазы в присутствии сульфитной и сульфатной целлюлозы;
• результаты определения гидрофобных свойств целлюлозы по сорбции паров гексана;
• данные о стабилизирующем действии на смолу производственных образцов ПАВ и сапонинов и их совместимости с липазой;
• технологическая схема подготовки лиственной сульфатной целлюлозы к отбелке с включением стадии обработки липазой.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на международной научно-технической конференции, посвященной 75–летию АЛТИ-АГТУ «Современная наука и образование в решении проблем экономики Европейского Севера» (Архангельск, 2004 г.); II всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов (Екатеринбург, 2006г.); всероссийской научной конференции «Химия и технология растительных веществ» (Сыктывкар, 2006г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях Архангельского ГТУ (2005-2007гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя: введение; аналитический обзор; методическую часть; экспериментальную часть, включающую 6 разделов; общие выводы и список использованных источников. Содержание работы изложено на 118 страницах, включая 32 рисунка и 29 таблиц, библиография содержит 190 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В обзоре литературы приведены данные о содержании и составе смолистых веществ целлюлозы, полученной сульфатным и сульфитным способами. Рассмотрен состав вредной смолы и показана роль жиров, как наиболее липкого компонента смолы целлюлозы. Описаны существующие методы определения вредной смолы и оценки ее состояния. Изложены способы предотвращения смоляных затруднений. Показана эффективность исполь-зования липазы на примере зарубежных заводов по производству механической массы из высокосмолистой древесины сосны. Приведены данные, что использование липазы Resinasе А2Х значительно снижает проявление вредной смолистости за счет удаления жиров. Представлены основные сведения по механизму действия липаз и направлениям их использования.

Наибольшие смоляные затруднения возникают в производстве хвойной сульфитной и лиственной сульфатной целлюлозы. Отмечено отсутствие сведений о промышленном использовании липазы для обработки технических видов целлюлозы и сделан вывод о необходимости проведения исследований в данном направлении. На основе анализа литературных данных сформулированы цель и задачи работы.

В методической части представлены характеристики объектов, материалов и методик исследования. В работе использовались образцы небеленой лиственной сульфатной и сульфитной целлюлоз, полученных по режимам Архангельского и Котласского ЦБК, химико-механической массы (ХММ) Сокольского ЦБК и химико-термомеханической массы (ХТММ) Сясьского ЦБК; диспергаторы и фиксаторы марок Bimex и Infinity; органические биоразлагаемые продукты (компания ООО «Микроклеточная технология», г. Москва); липаза Resinase A2X® (”Novozymes”, Дания) и ксиланазы: Pulpzyme НС (”Novozymes”, Дания), Ecopulp TX 200C (OY BANMARK AB, Финляндия). Обработку целлюлозы ферментами и отбелку массы проводили по технологическим режимам предприятий. Анализ целлюлозы проводился в соответствии со стандартными методиками ГОСТ.

Действие липазы на смолу, выделенную из древесины и целлюлозы, определяли микроскопическим методом с использованием программно-аппаратного комплекса, состоящего из видеокамеры, микроскопа, компьютера и соответствующего программного обеспечения. Активность липазы в модельной системе проверяли титриметрическим методом по отношению к трибутирину- триглицериду масляной кислоты. Оценку стабильности смоляной эмульсии в присутствии различных видов ПАВ проводили криоскопическим методом с использованием установки, разработанной на кафедре биотехнологии АГТУ. Гидрофобность целлюлозы определяли по сорбции паров гексана.

Экспериментальная часть состоит из 6 разделов.

1. Действие липазы Resinase A2X на смолу, выделенную из древесины и целлюлозы

Экстракцией этанолом были выделены образцы смолы древесины хвойных и лиственных пород, небеленой сульфитной хвойной и сульфатной лиственной целлюлозы. Ход ферментативной реакции гидролиза жиров под действием липазы оценивали, используя визуальный микроскопический анализ. Деструкцию смолы под действием липазы наблюдали в специально изготовленной термостатируемой ячейке при 40оС, фиксируя ход процесса непрерывно в течение 20…30 мин.

Быстрое уменьшение объема и растворение смоляных частиц свидетельствовало об эффективном действии липазы на смолу, выделенную как из древесины, так и из целлюлозы. Липаза способна разрушать смолу, оставшуюся в целлюлозе, в большей степени смолу сульфитной, в меньшей –сульфатной целлюлозы.

a) начало реакции			б) 8 мин реакции
Рисунок 1 - Действие липазы Resinase A2X на смолу, выделенную из хвойной сульфитной целлюлозы

Судя по составу смолы, действие липазы в случае с сульфитной целлюлозой связано с гидролизом жиров. При сульфатной варке жиры разрушаются в значительно большей степени и наблюдаемые изменения смолы под действием липазы связаны с частичной деструкцией наиболее устойчивых в условиях щелочной варки этерифицированных компонентов смолы: стериновых эфиров и восков. Было отмечено, что после обработки липазой, при внешне незначительной степени деструкции, смола сульфатной целлюлозы легко распадалась на отдельные фрагменты, что свидетельствовало о снижении ее липкости. Полученные результаты создают предпосылки для дальнейшего изучения использования липазы для обессмоливания технической целлюлозы.

2. Использование липазы для обессмоливания волокнистых полуфабрикатов высокого выхода

Было проверено действие липазы Resinase A2X на хвойную ХММ Сокольского ЦБК и осиновую ХТММ Сясьского ЦБК. Обработку механических масс липазой проводили в условиях: рН 7.0, температура 60С, концентрация массы 8%, время обработки 2 ч.

Обработка липазой хвойной ХММ не привела к снижению суммарного содержания экстрактивных веществ, что может быть объяснено невысоким содержанием жиров в древесине ели и пихты (табл.1), а также тем, что продукты гидролитического действия липазы при выделении растворителем остаются в составе экстрактивных веществ.

Предварительная обработка липазой осиновой ХТММ с последующей отбелкой Н2О2 обеспечивает уменьшение содержания смолы в беленой массе на 14…35 % и может быть рекомендована для снижения смоляных затруднений при производстве лиственной ХТММ.

Таблица 1 – Эффективность обессмоливания механических масс липазой

Вид механической массы	Расход липазы, кг/т	Показатели массы после отбелки Н2О2
		Экстрактивные вещества, %	Белизна, %
Хвойная Исходная ХММ ХММ, обработанная липазой ХММ, обработанная липазой Лиственная Исходная ХТММ ХТММ, обработанная липазой ХТММ, обработанная липазой	- 0,3 0,6 - 0,3 0,6	0,86 0,87 0,88 0,88 0,76 0,57	65,4 65,0 64,3 73,9 74,1 73,5

Часть смолы в процессе получения волокнистых полуфабрикатов переходит в раствор и присутствует в эмульгированном состоянии. Ранее было установлено, что обработка нейтрально-сульфитным щелоком (НСЩ) приводит к увеличению выхода небеленой сульфатной целлюлозы за счет сорбции гемицеллюлоз и лигнина. Однако при этом наблюдались затруднения при промывке массы, что было связано с осаждением компонентов смолы на волокна целлюлозы. Осаждение смолы НСЩ на небеленую сульфитную целлюлозу оказалось значительно ниже, чем на сульфатную целлюлозу, что указывает на их различную сорбционную способность (рис.2).

	Проведенные экспери-менты показали, что пос-ле предварительной об-работки НСЩ липазой содержание переосаж-денных компонентов смолы в сульфатной цел-люлозе уменьшилось в 2 раза(рис.2). Это является доказательством того, что именно наличие жиров в составе смолы придает ей высокую липкость и способность к осаждению.
Рисунок 2 – Осаждение смолы НСЩ на целлюлозу

Таким образом, липаза эффективно действует на жиры, содержащиеся в малоизмененной смоле полуфабрикатов высокого выхода и в смоле, находящейся в эмульгированной форме в отработанных щелоках и фильтратах. Однако при обработке липазой фракции мелкого волокна, характеризующегося высоким содержанием внутриклеточной смолы –17,2%, степень обессмоливания составила всего 5%. На основе полученных результатов можно сделать вывод, что важную роль играет не только состав смолы, но и ее доступность для действия липазы.

3. Изучение активности действия липазы в присутствии целлюлозы

Каталитическую активность липазы определяли титриметрическим мето-дом, основанным на титровании образующейся в процессе гидролиза трибути-рина масляной кислоты щелочью. Условия определения активности: кон-центрация эмульсии трибутирина 1…2%, концентрация препарата липазы в растворе 0,0002%, продолжительность реакции 10 минут, рН 7, температура 30оС. Снижение остаточной активности липазы в фильтрате после взаимодействия с целлюлозой на 82…98% свидетельствует об осаждении липазы на целлюлозных волокнах (табл. 2).

Таблица 2 – Остаточная активность липазы в процессе ферментативной

обработки целлюлозы

Вид целлюлозы	Расход липазы, KLU/г целлюлозы	Остаточная активность липазы, %
сульфитная хвойная	2,4	18
сульфатная лиственная	2,4	20
	48	2

Несомненно, что сорбция фермента на этерифицированных компонентах смолы, расположенных в волокне, является необходимым условием формирования фермент-субстратного комплекса для каталитического действия липазы. Однако при использовании предварительно проэкстрагированной сульфатной лиственной беленой целлюлозы также происходило значительное снижение активности фермента в растворе. Причиной этого являлась неспецифическая сорбция липазы на волокно, сопровождавшаяся конформационными изменениями ее молекулы и блокированием активных центров фермента.

При добавке сульфитной целлюлозы снижение активности липазы незначительное - всего на 6%, в то время как в присутствии сульфатной целлюлозы активность липазы по отношению к трибутирину уменьшалась в 2…3 раза. Это проявилось и при определении активности липазы, иммоби-лизованной на образцах сульфатной небеленой целлюлозы и целлюлозы после стадий отбелки, которые имели различное содержание лигнина и смолы. Липаза как фермент, имеющий гидрофобный субстратный центр, подобно эмуль-гированной смоле, на целлюлозе после кислой обработки осаждается в большей степени, чем на целлюлозе после щелочной обработки (рис.3).

Таким образом, сорбция на сульфатном волокне вызывает изменения, приводящие к частичной инактивации фермента. Учитывая развитую

	микрокапиллярную структуру сульфат-ной целлюлозы, снижение актив-ности липазы мо-жет быть отчасти связано с потерей мобильности сор-бированного фер-мента в результате более глубокого проникновения в волокно.
Рисунок 3 – Активность липазы, иммобилизованной на сульфатной лиственной целлюлозе после варки и различных ступеней отбелки