CN107557351A - 一种处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶及其制备方法，其中处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶的制备方法包括：步骤S10，将海藻酸钠和聚丙烯酰胺溶于酸类溶液中；步骤S20，加入纳米粘土反应，得混合物；步骤S30，将混合液加入盐类溶液和醇类溶剂的混合溶液中形成微球；步骤S40，将微球进行第一次交联反应，洗涤；步骤S50，进行第二次交联反应，加入羧基的活化试剂；步骤S60，过滤微球，加入混合酶溶液，然后再次过滤，洗涤。本发明的固定化混合酶更灵活，更能适应环境的改变。同时，固定化混合酶的多相性使酶能够容易的恢复，并且可以多次重复使用，提高了酶的反应效率，降低了酶处理成本。

Description

一种处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶及其制备方法

技术领域

本发明涉及造纸用水处理技术领域，具体涉及一种处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶及其制备方法。

背景技术

造纸过程中的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，而且对于防止污染、节约能源等方面也具有十分重要的意义，完全符合国家循环经济和可持续发展的战略。随着造纸白水循环回用技术的不断发展，目前造纸用水量已经有了很大程度的减少。但随着白水封闭循环程度的提高和循环次数的不断增加，白水中有害物质也会逐渐积累。在这些有害物质中，对抄纸和造纸湿部化学影响最大、最难处理的是白水中的溶解物和胶体物质（DCS）。在过程水***中DCS过多的积累会降低纸机的运行效率，并且增加腐蚀、发泡、树脂、沉淀和结垢等问题。以机械浆为原料的纸厂白水中积累的DCS类物质主要来源于原材料中亲脂性抽出物和一些糖类物质，如脂肪酸、树脂酸、甘油酯类等。TMP、CTMP、BCTMP和磨石磨木浆等高得率制浆方法所带来的大量胶体状木素、半纤维素、树脂类物质，化学制浆、漂白等引入的蒸煮剂、漂白剂及蒸煮漂白副产物等以溶解的和胶体物质（DCS）的形式滞留在浆料***里，此类物质由于表面带有阴离子基团，将随着白水的封闭回用而不断的富集。而酸性多类溶解物质形成于碱性过氧化物漂白机械浆制浆漂白过程，是产生白水阳离子需求量的主要贡献者。典型的酸性多糖主要有果胶类和聚半乳糖醛酸（PGA）。降低这些物质传统的方法是增加阳离子聚合电解质中和，这个过程需要消耗大量化学品，处理成本较高，同时会增加造纸后续水处理难度。

随着制浆造纸工业污染控制和绿色环保意识的增长，使用微生物或者酶等绿色的处理方式处理技术越来越受到人们的重视，其可以提供经济可行、环境友好的过程水处理工艺。由于酶具有高效、反应条件温和环境友好等优点，近几年来被尝试用于造纸过程以解决生物制浆、树脂障碍、改善纤维性能、生物漂白、废水处理等问题。在造纸中用到的生物酶的种类主要有纤维素酶、半纤维素酶、淀粉酶、木聚糖酶、木素降解酶和脂肪酶等。新兴的生物酶技术在制浆造纸行业中开拓了新的领域，提高了生产效率，保护和改善了环境，实现了节能减排的目标。

然而，现有的商品游离酶在白水处理过程中酶活保持时间较短，酶效率较低，游离酶的应用不可重复性和酶处理成本较高等限制了酶在造纸白水处理中的实际应用。并且，与传统的多相的化学催化剂不同的是，游离酶溶解在水中形成均相***会给后续水循环带来困难，增加中段水的处理难度。对比游离酶，固定化酶更灵活，更能适应环境的改变。同时，固定化酶的多相性使酶能够容易的恢复，并且可以多次重复使用，提高了酶的反应效率，降低了酶处理成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是至少克服现有技术所存在的问题之一，提供一种处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶及其制备方法。

本发明还提供一种由上述方法制备而成的处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶。

为解决上述技术效果，本发明采用的技术方案是：

根据本发明第一方面实施例的一种处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶的制备方法，包括：

步骤S10，将海藻酸钠和聚丙烯酰胺溶于酸类溶液中；

步骤S20，加入纳米粘土反应，得混合物；

步骤S30，将混合液加入盐类溶液和醇类溶剂的混合溶液中形成微球；

步骤S40，将微球进行第一次交联反应，洗涤；

步骤S50，进行第二次交联反应，加入羧基的活化试剂；

步骤S60，过滤微球，加入混合酶溶液，然后再次过滤，洗涤。

进一步地，所述步骤S10中，所述酸类溶液为乙酸水溶液，所述海藻酸钠和所述聚丙烯酰胺在所述酸类溶液中溶解4.0-5.0h。

进一步地，所述步骤S20中，加入所述纳米粘土后反应1-5h。

进一步地，所述步骤S30中，所述醇类溶剂选自乙醇，甲醇，乙二醇中的一种或一种以上的混合物，所述盐类溶液为氯化钙水溶液。

进一步地，所述步骤S30包括：

步骤S31：用水洗涤所述微球，直至PH为中性。

进一步地，所述步骤S40包括：

步骤S41，将微球引入戊二醛溶液中搅拌20-24h；

步骤S42，用蒸馏水洗涤。

进一步地，所述步骤S42中，洗涤至洗涤液在紫外光280nm处的吸收值小于0.01。

进一步地，所述步骤S50中，用戊二醛溶液进行第二次交联反应，所述羧基的活化试剂为EDC。

进一步地，所述步骤S50中，进行第二次交联反应后，加入所述混合酶溶液一段时间后再加所述羧基的活化试剂。

根据本发明第二方面实施例的一种处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶，由上述实施例所述的处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶的制备方法制备而成。

本发明所达到的有益效果：

根据本发明实施例一种处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶的制备方法制备的处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶，通过海藻酸钠和聚丙烯酰胺包覆纳米黏土，再利用戊二醛对其进行交联改性后固定化混合酶。其中混合酶可根据处理的对象进行选择，例如可以是果胶酶，脂肪酶和木聚糖酶，三者协同配合，不仅仅将白水中胶体物质降解成小分子的半乳糖醛酸，降低树脂的沉积，还可以将纸浆中木质素降解，解决了白水回用的很多问题。另外，壳聚糖包覆纳米黏土载体这样不仅仅和游离的酶分子进行交联作用，并且有一定的包埋作用，并且EDC溶液的使用使固定化的酶分子更多，酶活更强，固化酶分子更加的稳定。相比游离酶，本发明的固定化混合酶更灵活，更能适应环境的改变。同时，固定化混合酶的多相性使酶能够容易的恢复，并且可以多次重复使用，提高了酶的反应效率，降低了酶处理成本。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

根据本发明第一方面实施例的一种处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶的制备方法，包括：

步骤S10，将海藻酸钠和聚丙烯酰胺溶于酸类溶液中；

步骤S20，加入纳米粘土反应，得混合物；

步骤S30，将混合液加入盐类溶液和醇类溶剂的混合溶液中形成微球；

步骤S40，将微球进行第一次交联反应，洗涤；

步骤S50，进行第二次交联反应，加入羧基的活化试剂；

步骤S60，过滤微球，加入混合酶溶液，然后再次过滤，洗涤。

具体地，纳米黏土加入到海藻酸钠和聚丙烯酰胺溶液中，海藻酸钠和聚丙烯酰胺包覆在纳米的黏土上。其中，大颗粒树脂起到了支架的作用，纳米黏土除了起到了支架的作用，在后期的固化中也起到了包埋酶分子的作用。混合酶溶液中的混合酶可以根据处理对象进行选择，例如，可以是果胶酶，脂肪酶和木聚糖酶的混合物，本发明实施例的混合酶通过海藻酸钠和聚丙烯酰胺包覆纳米黏土，再对其进行交联改性后固定化，相比游离酶，本发明的固定化混合酶更灵活，更能适应环境的改变。同时，固定化混合酶的多相性使酶能够容易的恢复，并且可以多次重复使用，提高了酶的反应效率，降低了酶处理成本。

在本发明的一些实施例中，所述步骤S10中，所述酸类溶液为乙酸水溶液，所述海藻酸钠和所述聚丙烯酰胺在所述酸类溶液中溶解4.0-5.0h。

在本发明的一些实施例中，所述步骤S20中，加入所述纳米粘土后反应1-5h。

在本发明的一些实施例中，所述步骤S30中，所述醇类溶剂选自乙醇，甲醇，乙二醇中的一种或一种以上的混合物，所述盐类溶液为氯化钙水溶液。

具体地，例如，所述盐类溶液和所述醇类溶剂的混合溶液可以选择0.2wt%氯化钙水溶液与无水乙醇的体积比为1-1.2混合液。更具体地，步骤S20所得的混合物呈滴状缓慢加入所述盐类溶液和所述醇类溶剂的混合溶液中。

在本发明的一些实施例中，所述步骤S30包括：

步骤S31：用水洗涤所述微球，直至PH为中性。

具体地，本发明中，若无特殊说明，使用的“水”包括蒸馏水，去离子水或自来水。PH为中性指PH=7。

在本发明的一些实施例中，所述步骤S40包括：

步骤S41，将微球引入戊二醛溶液中搅拌20-24h；

步骤S42，用蒸馏水洗涤。

在本发明的一些实施例中，所述步骤S42中，洗涤至洗涤液在紫外光280nm处的吸收值小于0.01。

具体地，所述步骤S41中所述戊二醛溶液的浓度为0.01-1.0wt%。本发明实施例中所用纳米粘土包括但不限于高岭石、蒙脱石、伊利石、锂皂土的一种或者一种以上的混合体。

在本发明的一些实施例中，所述步骤S50中，用戊二醛溶液进行第二次交联反应，所述羧基的活化试剂为EDC。

在本发明的一些实施例中，所述步骤S50中，进行第二次交联反应后，加入所述混合酶溶液一段时间后再加所述羧基的活化试剂。

具体地，第二次交联反应使用的是0.005wt%的戊二醛溶液，例如，具体过程可以包括：将湿润的微球（即包覆体颗粒）置于0.005%的戊二醛溶液中混合30分钟，经过1小时后，加入10ml 1%-5%（w/v）的EDC混合30分钟。之后将微球滤出，置于5ml的混合酶溶液中混合3个小时，混合酶溶液中果胶酶，脂肪酶和木聚糖酶的体积比为0.7:1:1。取出微球，用蒸馏水冲洗干净，得到固定化混合酶。本发明中EDC指EDC（1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐）。

根据本发明第二方面实施例的一种处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶，由上述实施例所述的处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶的制备方法制备而成。

综上所述，本发明实施例所得的处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶作用的最适温度为50℃，最适pH为8左右。本发明由壳海藻酸钠和聚丙烯酰胺包覆纳米黏土，再利用戊二醛对其进行交联改性后固定化混合酶溶液中的所述混合酶。固定化三酶中果胶酶，脂肪酶和木聚糖酶协同配合，具体混合酶的种类和比例可以根据白水中具体成分具体调整。不仅仅将白水中胶体物质降解成小分子的半乳糖醛酸，降低树脂的沉积，还可以将纸浆中木质素降解，解决了白水回用的很多问题。另外，壳聚糖包覆纳米黏土载体这样不仅仅和游离的酶分子进行交联作用，并且有一定的包埋作用，并且EDC溶液的使用使固定化的酶分子更多，酶活更强，固化酶分子更加的稳定。

通过测定，本发明实施例所述的处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶作用造纸白水的效果表明：APMP白水经过固定化三酶处理后，阳离子需求量从7.21meq/L 降低到1.9meq/L，树脂沉积物去除率可达到 73.1％。固化后三种酶处理白水的GC-MS成分分析表明：固化酶能有效的分解木素衍生物物质，不饱和脂肪酸和较高分子量的脂肪酸类物质。处理后白水中的苯胺、甘油、丙烷、苯甲酸、单糖等小分子物质含量增大。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，应该理解的是，本发明并不限于以下实施例。

实施例1

处理AMPM纸浆白水用包覆颗粒状载体固定化酶，以下也称固定化三种酶制备方法，包括如下步骤：

1）将2.0海藻酸钠和0.03聚丙烯酰胺溶于100mL 体积比为5.0%的醋酸溶液(v/v)。再将0.2g纳米黏土加入到得到的混合溶液中，反应 5h。

2）将40.0mL的无水乙醇加入到160.0mL 2.0mol/L的氯化钙溶液中。用直径为1.2mm的注射器吸取1）溶液，一滴一滴的注入乙醇和氢氧化钠的混合溶液中。将小球滤出，用清水冲洗，直至洗成pH为中性。

3）将一定量的2）制备微球置于1.0%的戊二醛溶液中搅拌24h，其中，微球：戊二醛=1:10(g/v)，固化后用蒸馏水清洗。洗涤至洗涤液在紫外光280nm处的吸收值小于0.01。

4）制备的湿润的微颗粒3g于10ml 0.005%的戊二醛溶液中混合30分钟，1小时后，加入10ml 1%（w/v）的EDC混合30分钟。

5）将微颗粒珠滤出，置于5ml 1%（v/v）的混合酶溶液中混合3个小时。取出微球，用蒸馏水冲洗干净。得固定化混合酶。

实施例2：

处理AMPM纸浆白水用包覆颗粒状载体固定化三种酶制备方法，包括如下步骤：

1）将2.0海藻酸钠和0.03聚丙烯酰胺溶于100mL 体积比为5.0%的醋酸溶液(v/v)。再将0.2g纳米黏土加入到得到的混合溶液中，反应 5h。

2）将40.0mL的无水乙醇加入到160.0mL 2.0mol/L的氯化钙溶液中。用直径为1.2mm的注射器吸取1）溶液，一滴一滴的注入乙醇和氢氧化钠的混合溶液中。将小球滤出，用清水冲洗，直至洗成pH为中性。

3）将一定量的2）制备微球置于1.0%的戊二醛溶液中搅拌24h，其中，微球：戊二醛=1:10(g/v)，固化后用蒸馏水清洗。

4）制备的湿润的微颗粒3g于10ml 0.005%的戊二醛溶液中混合30分钟，继续加入5ml 1%（v/v）的混合酶溶液置于摇床中，混合酶溶液使用果胶酶，脂肪酶和木聚糖酶三种酶的混合液，其中三者的的体积比为0.7:1:1。1小时后，加入10ml 1%（w/v）的EDC混合30分钟。

5）将微颗粒珠滤出，置于5ml 1%（v/v）的混合酶溶液中混合3个小时。取出微球，用蒸馏水冲洗干净。得固定化混合酶。

实施例3：

处理BCTMP纸浆白水用包覆颗粒状载体固定化三种酶制备方法，包括如下步骤：

1）将1.5海藻酸钠和0.02聚丙烯酰胺溶于100mL 体积比为5.0%的醋酸溶液(v/v)。再将0.2g纳米黏土加入到所述溶液中，反应 5h。

2）将40.0mL的无水乙醇加入到160.0mL 2.0mol/L的氯化钙溶液中。用直径为1.2mm的注射器吸取1）溶液，一滴一滴的注入乙醇和氢氧化钠的混合溶液中。将小球滤出，用清水冲洗，直至洗成pH为中性。

3）将一定量的2）制备微球置于1.0%的戊二醛溶液中搅拌24h，微球：戊二醛=1:10(g/v)，固化后用蒸馏水清洗。

4）制备的湿润的微颗粒3g于10ml 0.005%的戊二醛溶液中混合30分钟，继续加入5ml 1%（v/v）的混合酶溶液置于摇床中，混合酶溶液中酶的种类与实施例1相同，且三者的体积比为0.6:1:0.7。1小时后，加入10ml 1%（w/v）的EDC混合30分钟。

5）将微颗粒珠滤出，置于5ml 1%（v/v）的混合酶溶液中混合3个小时。取出微球，用蒸馏水冲洗干净。得固定化混合酶。

处理纸厂不同种类的白水APMP和BCTMP。APMP白水经过上述实施例所得到的得固定化混合酶，即固定化三酶处理后，阳离子需求量从7.21meq/L 降低到1.9meq/L，树脂沉积物去除率可达到 73.1％。BCTMP白水经过固定化三酶处理后，阳离子需求量从6.24meq/L降低到2.12meq/L，树脂沉积物去除率可达到 71.8％。固化后三种酶处理两种白水的GC-MS成分分析表明：固化酶能有效的分解木素衍生物物质，不饱和脂肪酸和较高分子量的脂肪酸类物质。处理后白水中的苯胺、甘油、丙烷、苯甲酸、单糖等小分子物质含量增大。处理结果如表1所示：

表1 处理前后白水性质变化

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶的制备方法，其特征在于，包括：

步骤S10，将海藻酸钠和聚丙烯酰胺溶于酸类溶液中；

步骤S20，加入纳米粘土反应，得混合物；

步骤S30，将混合液加入盐类溶液和醇类溶剂的混合溶液中形成微球；

步骤S40，将微球进行第一次交联反应，洗涤；

步骤S50，进行第二次交联反应，加入羧基的活化试剂；

步骤S60，过滤微球，加入混合酶溶液，然后再次过滤，洗涤。

2.根据权利要求1中所述的一种处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶的制备方法，其特征在于，所述步骤S10中，所述酸类溶液为乙酸水溶液，所述海藻酸钠和所述聚丙烯酰胺在所述酸类溶液中溶解4.0-5.0h。

3.根据权利要求1中所述的一种处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶的制备方法，其特征在于，所述步骤S20中，加入所述纳米粘土后反应1-5h。

4.根据权利要求1中所述的一种处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶的制备方法，其特征在于，所述步骤S30中，所述醇类溶剂选自乙醇，甲醇，乙二醇中的一种或一种以上的混合物，所述盐类溶液为氯化钙水溶液。

5.根据权利要求1或4中所述的一种处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶的制备方法，其特征在于，所述步骤S30包括：

步骤S31：用水洗涤所述微球，直至PH为中性。

6.根据权利要求1中所述的一种处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶的制备方法，其特征在于，所述步骤S40包括：

步骤S41，将微球引入戊二醛溶液中搅拌20-24h；

步骤S42，用蒸馏水洗涤。

7.根据权利要求6中所述的一种处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶的制备方法，其特征在于，所述步骤S42中，洗涤至洗涤液在紫外光280nm处的吸收值小于0.01。

8.根据权利要求1中所述的一种处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶的制备方法，其特征在于，所述步骤S50中，用戊二醛溶液进行第二次交联反应，所述羧基的活化试剂为EDC。

9.根据权利要求1中所述的一种处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶的制备方法，其特征在于，所述步骤S50中，进行第二次交联反应后，加入所述混合酶溶液一段时间后再加所述羧基的活化试剂。

10.一种处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述处理造纸白水用包埋颗粒固定化混合酶的制备方法制备而成。