紙漿污泥纖維素酶水解的研究-

1、作者簡介:呂健,男,在讀博士研究生,主要從事制漿化學(xué)與生物能源方面的研究。*基金項目:國家973計劃(2007CB210201資助項目。紙漿污泥纖維素酶水解的研究*呂 健 詹懷宇 付時雨(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室,廣東廣州510640摘 要:紙漿污泥是制漿造紙工業(yè)主要的固體廢棄物。由于紙漿污泥中含有至少約40%的纖維素,在污泥處理之前對其中的纖維素進行酶水解,并將葡萄糖轉(zhuǎn)化為生物能源,將極具吸引力。本文詳細(xì)研究了紙漿污泥纖維素酶水解的影響因素,發(fā)現(xiàn)紙漿污泥酶水解系統(tǒng)會促進細(xì)菌微生物的生長,消耗生成的葡萄糖,少量的氯胺-T 可以消除細(xì)菌的負(fù)面影響;調(diào)節(jié)系統(tǒng)初始的p H 值到約5.3

2、并穩(wěn)定之,反應(yīng)過程的p H 值變化都在纖維素酶適宜的范圍內(nèi)。應(yīng)根據(jù)纖維長度來確定酶水解的溫度,避免盲目升溫到50 反應(yīng)而帶來的不必要的能量消耗。系統(tǒng)中加入陽離子聚丙烯酰胺量達(dá)500m g /L 時可以提高酶水解效率約40%。關(guān)鍵詞:紙漿污泥;纖維素;纖維素酶;酶水解;陽離子聚丙烯酰胺中圖分類號:X793 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-4571(201006 0142 04纖維素乙醇是當(dāng)前生物能源發(fā)展的主要方向1,它是以自然界大量存在的纖維素為原料,通過糖化、發(fā)酵的過程得到的2。國內(nèi)外大量的研究工作集中在木質(zhì)纖維素3,如木材4,5、禾本植物6和農(nóng)業(yè)剩余物7的纖維素乙醇轉(zhuǎn)化。紙漿污泥是制漿造

3、紙工業(yè)的主要固體廢棄物,含有約40%60%的纖維素資源8。隨著制漿造紙工業(yè)產(chǎn)能的不斷增加,固體廢棄物的處理負(fù)荷也隨之加重。充分利用和轉(zhuǎn)化紙漿污泥中的纖維素資源,可以在增加企業(yè)收益的同時減少固體廢棄物的排放。紙漿污泥的酶水解便是一種極具吸引力的方法。作為纖維素酶水解的原料,紙漿污泥具有其他木質(zhì)纖維資源所沒有的優(yōu)勢,比如價格優(yōu)勢,更疏松的木質(zhì)結(jié)構(gòu)等9。紙漿污泥通過纖維素酶水解發(fā)酵乙醇,將會拓寬生物質(zhì)乙醇的原料來源,同時,減小紙漿污泥排放對環(huán)境造成的壓力。本文以紙漿污泥為原料,重點研究了紙漿污泥轉(zhuǎn)化纖維素乙醇的第一步 纖維素酶水解糖化過程中的主要影響因素,旨在為其工業(yè)化應(yīng)用提供指導(dǎo)作用。1 實驗1.

4、1 實驗藥品、原料及儀器紙漿污泥,分別取自紙巾紙工廠和漂白硫酸鹽漿工廠。復(fù)合纖維素酶C ellic Ctec ,來自諾維信公司(Novozy m e,測得酶活為66FP U /mL 。D-葡萄糖檢測試劑包,購于M egazy m e(愛爾蘭公司。離散式全自動化學(xué)分析儀(DA3500:美國O.I .Ana l y tica l 公司生產(chǎn)。總有機碳測定儀TOC -VCS H,日本島津公司生產(chǎn)。B I OFLO 3000生物反應(yīng)器,購自N e w B r uns w ick Scientific 公司。陽離子聚丙烯酰胺,取自Eka 化學(xué)品公司,為低分子量、中等電荷量產(chǎn)品。氯胺T ,購自S i g m

5、 a 公司。1.2 紙漿污泥的酶水解紙漿污泥以分散于容積為2.5L 的B I O FLO 3000生物反應(yīng)器中,調(diào)節(jié)系統(tǒng)p H 為5.2左右。加入一定濃度的纖維素酶Cellic C tec ,在反應(yīng)溫度下進行酶水解反應(yīng),同時反應(yīng)器的攪拌速率保持在200245r /m i n 。在不同的反應(yīng)時間,取水解液經(jīng)離心過濾后,檢測其中的葡萄糖和總有機碳TOC 含量。1.3 葡萄糖的檢測根據(jù)M egazy me D -葡萄糖檢測試劑包提供的說明,檢測前使用1g /L 濃度的標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液做01000m g /L 范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)曲線。將0.1mL 濃度范圍為Paper Sc ience &Techno

6、 l o gy 2010Vo.l 29No .601000m g/L的未知濃度溶液與3mL的試劑包中的GOPOD反應(yīng)試劑混合,在50 下顯色20m in后測定其吸光度,從而計算出未知溶液中的葡萄糖含量。將D-葡萄糖檢測試劑包與DA3500全自動化學(xué)分析儀結(jié)合,可以提高葡萄糖檢測的速度。顯色溫度使用37 ,顯色時間20m i n,經(jīng)檢驗,顯色反應(yīng)同樣接近完成,溶液在1h之內(nèi)吸光度幾乎無變化。1.4 總有機碳(TOC的檢測溶液中的總有機碳含量TOC,使用日本島津公司生產(chǎn)的總有機碳測定儀TOC-VCS H測定。水解液經(jīng)離心過濾后,稀釋一定的倍數(shù),使其總有機碳含量的范圍在01000m g/L內(nèi)。根據(jù)標(biāo)

7、準(zhǔn)溶液,測定在01000m g/L范圍總碳含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線,使用該標(biāo)準(zhǔn)曲線,分別測定水解液中的總碳含量和無機碳含量,兩者之差即為溶液中的總有機碳含量。2 結(jié)果與討論2.1 紙漿污泥酶水解過程細(xì)菌的影響紙漿污泥是制漿造紙工廠的廢棄物,在其收集和處理過程中引入了大量的營養(yǎng)物質(zhì),為細(xì)菌的滋生提供了良好的環(huán)境。這些細(xì)菌通過消耗酶解生成的葡萄糖來生存,并不斷滋生繁衍,降低酶水解的效率。因此,紙漿污泥在酶水解過程中,細(xì)菌的影響不容忽視。為了研究細(xì)菌對紙漿污泥酶水解的影響,我們在紙漿污泥酶水解過程中,觀察水解液中葡萄糖和總有機碳(TOC的生成,如圖1所示。紙漿污泥沒有經(jīng)過任何滅菌處理,其濃度為20g/L,初始

8、p H值調(diào)節(jié)為5.2,纖維素酶用量2g/L,反應(yīng)溫度50 ,攪拌速度200r/m i n。紙漿污泥取自某漂白硫酸鹽針葉木漿廠,污泥中的葡聚糖含量為41%。圖1 紙漿污泥酶水解過程中葡萄糖和TO C的生成(纖維素酶用量為2g/L由圖1可以看到,紙漿污泥酶水解生成的葡萄糖的濃度先上升后降低,從反應(yīng)初始階段開始上升,到36h達(dá)到最大值約4000m g/L,進而下降到96h 的2700m g/L左右。但水解液中總有機碳的生成量是一直上升的,由此可以證明,紙漿污泥酶水解系統(tǒng)中細(xì)菌微生物會消耗葡萄糖,對酶水解效率產(chǎn)生負(fù)面影響。在反應(yīng)的初始階段,纖維素酶對紙漿污泥纖維的酶水解速率較大,同時系統(tǒng)中的細(xì)菌微生物

9、數(shù)量較少,此時葡萄糖的生成速率大于細(xì)菌對其的消耗速率,反應(yīng)系統(tǒng)中的葡萄糖濃度是上升的。但是,隨著反應(yīng)的進行,葡萄糖的生成速率是不斷下降的,而細(xì)菌含量是不斷增加,葡萄糖的消耗速率是逐漸增加的。當(dāng)反應(yīng)進行到一定程度時,葡萄糖的消耗速率超過生成速率時,系統(tǒng)中的葡萄糖濃度隨即開始下降。為了避免細(xì)菌的影響,在紙漿污泥的酶水解系統(tǒng)中引入了氯胺T,一種工業(yè)廢水常用的殺菌劑,對細(xì)菌、病毒、真菌和芽胞均有殺滅作用。其作用原理是氯胺T溶液產(chǎn)生次氯酸放出氯氣,有緩慢而持久的殺菌作用,可以溶解壞死組織。實驗證明,僅僅20m g/L用量的氯胺T即可避免細(xì)菌的影響,其作用效果如圖2所示。有氯胺T存在的紙漿污泥酶水解系統(tǒng)中

10、,大部分細(xì)菌被殺滅,整個酶水解過程中葡萄糖的生成量都是不斷增加的,不會出現(xiàn)上述葡萄 糖被細(xì)菌消耗造成系統(tǒng)中濃度下降的現(xiàn)象。圖2 氯胺T在紙漿污泥酶水解過程中的殺菌作用(實心原點和實心三角分別表示纖維素酶用量1g/L和2g/L,虛線和實線分別表示未加氯胺T和加入20mg/L氯胺T2.2 紙漿污泥酶水解過程p H值的變化在實驗室中,為了保證酶水解反應(yīng)在恒定的p H 值環(huán)境下進行,常常使用緩沖溶液作為反應(yīng)的溶劑。!造紙科學(xué)與技術(shù) 2010年第29卷第6期但是,在工業(yè)生產(chǎn)中使用緩沖溶液將大大提高生產(chǎn)成本,不利于實際應(yīng)用。工業(yè)中常常通過酸堿實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的p H 值,因此研究反應(yīng)過程中pH 值的變化規(guī)律

11、非常重要。模擬工業(yè)生產(chǎn),在BI OFLO 3000生物反應(yīng)器進行紙漿污泥的酶水解實驗。由于紙漿污泥中含有較多的灰分,主要是填料等無機物質(zhì),這會使系統(tǒng)中的初始pH 值呈堿性,因此需要在反應(yīng)前調(diào)節(jié)p H 值在適于反應(yīng)的范圍內(nèi)。系統(tǒng)中紙漿污泥的濃度為50g /L ,通過稀酸調(diào)節(jié)系統(tǒng)的pH 值到5.3,并恒定,然后加入纖維素酶C ellic Ctec 1g /L ,在200r/m i n 的攪拌速度下反應(yīng)。反應(yīng)過程中系統(tǒng)內(nèi)p H 值的變化如圖3 所示。圖3 紙漿污泥酶水解過程p H 值的變化一般來說,纖維素酶在50 具有最大的酶活。我們在實驗中使用兩種不同的紙漿污泥在不同溫度下進行酶水解,其結(jié)果如圖4

12、所示。兩種紙漿污泥中纖維的長度明顯不同,污泥1中纖維的平均長度約為0.97mm,而污泥2中纖維的平均長度約為2.0mm 。在圖4(a中,污泥1的水解過程中,葡萄糖的生成速率是隨溫度升高而提高的;而在圖4(b中,污泥2的水解過程中,葡萄糖的生成速率在初始隨溫度升高有少量提高,但隨后便開始降低,整個速率實際是隨溫度升高而降低的。這是由于不同長度纖維在酶水解過程中,其速率對溫度的依賴關(guān)系不同,這在之前的研究中已經(jīng)進行了詳細(xì)地論證10。因此,對紙漿污泥的酶水解,盲目升溫到50 進行酶水解是完全沒有必要的,應(yīng)根據(jù)其中纖維的長度來選擇合適的反應(yīng)溫度,對長纖維紙漿污泥,較適宜的酶水解溫度為30 。污泥1,取

13、自紙巾紙工廠,其中葡聚糖含量為58 %2,取自漂白硫酸鹽針葉木漿工廠,其中葡聚糖含量為41%圖4 紙漿污泥酶水解過程中葡萄糖的生成速率2.4 陽離子聚丙烯酰胺提高水解效率在之前的研究中11,證明了陽離子聚丙烯酰胺在纖維酶水解和淀粉酶水解系統(tǒng)中都有增效作用。在紙漿污泥的酶水解中,也引入陽離子聚丙烯酰胺,研究其對酶水解效率的影響。反應(yīng)在BI OFLO 3000生物反應(yīng)器中進行,紙漿污泥取自漂白硫酸鹽針葉木漿工廠,葡聚糖含量為41%。紙漿污泥的濃度為50g /L,反應(yīng)溫度為50 ,系統(tǒng)的pH 值保持在4.75.0之間,攪拌速度為200r/m i n ,纖維素酶用量為1g /L 。在酶水解之前,加入2

14、0m g /L 的氯胺T 抑Paper Sc ience &Techno l o gy 2010Vo.l 29No .6制系統(tǒng)中的細(xì)菌生長。改變陽離子聚丙烯酰胺的用量,系統(tǒng)生成的葡萄糖量如圖5所示。 圖5 陽離子聚丙烯酰胺對紙漿污泥酶水解的影響如期望的情況一樣,陽離子聚丙烯酰胺對紙漿污泥的酶水解有促進作用。當(dāng)陽離子聚丙烯酰胺的用量達(dá)到500mg /L 時,紙漿污泥酶水解96h ,效率可提高約40%,水解生成的葡萄糖含量約為12000m g /L ,相當(dāng)于紙漿污泥中葡聚糖的轉(zhuǎn)化率達(dá)到約60%。繼續(xù)加大陽離子聚丙烯酰胺的用量到1000m g /L,水解效率反而下降,這可能是由于溶液黏度的增

15、加而減少了纖維素酶與底物的碰撞幾率。3 結(jié)論本文研究了紙漿污泥酶水解過程的影響因素,為其工業(yè)化應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。紙漿污泥原料中帶入的細(xì)菌微生物,會對酶水解造成負(fù)面影響。少量氯胺T 可以有效地抑制系統(tǒng)中細(xì)菌的增長,并保持纖維素酶的活性。對于灰分含量較大的紙漿污泥,在酶水解之前只需要調(diào)節(jié)初始的pH 值到約5.3并穩(wěn)定,反應(yīng)過程的pH 值變化都在纖維素酶適宜的范圍內(nèi)。紙漿污泥酶水解的溫度,應(yīng)根據(jù)纖維長度來確定,應(yīng)避免盲目升溫到50 反應(yīng)而帶來的不必要的能量消耗。陽離子聚丙烯酰胺可以增加紙漿污泥酶水解的效率,系統(tǒng)中加入陽離子聚丙烯酰胺量達(dá)500m g /L 時,可以提高酶水解效率約40%。參考文獻(xiàn)1T

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23、 i n dustry .Because there is a t least 40%cell u l o se in paper sludge ,it is attractive to convert the ce llulose to biofuel t h rough enzy m atic hydrolysis before the sludge disposa.l In this study ,the facto rs affecting enzym atic hydro l y sis of paper sludge w ere discussed .Itw as f o und

24、that t h e enzy m atic hydr o lysis syste m w ou l d boost the gro w th of bacteria organ is m s ,(下轉(zhuǎn)第149頁5 結(jié)論以新鄉(xiāng)某造紙集團造紙過程水溶解氧氣浮池出水為原水進行了造紙過程水深度回用處理技術(shù)試驗,探討了溫度、曝氣方式和空床停留時間對生物強化活性炭濾池除污效能的影響,得出了以下結(jié)論:(1紙過程水溫度為35 時,濁度、UV280吸光度的下降率達(dá)到最大,但水溫在3035 之間時,濁度和UV280吸光度的下降率的差值不到2%。由于造紙過程水產(chǎn)生量極大,可考慮不用對造紙過程水的水溫進行處理,這樣

25、既可大大降低處理成本,同時去除效果又有保證。(2空床接觸時間的延長(12m in延長到24m i n對造紙過程水中懸浮和膠體物質(zhì)以及溶解性有機物的去除能力的提高態(tài)勢非常明顯,特別是從12m i n到18m in;但從24m i n到48m i n這一時間段,去除能力提高的態(tài)勢非常緩慢,這一過程時間相差24m in,但濁度和UV280吸光度的下降率的差值僅為9.7%和6.9%。因此從造紙過程水要求處理能力方面來講,空床接觸時間選為24m i n比較合適。這樣既可保證處理能力要求同時去除效果又有保證。(3氣方式對金屬離子的去除基本上沒有影響,但曝氣與不曝氣,則對濁度和UV280吸光度的下降率有著很

26、大的影響,這就意味著曝氣可明顯提高造紙過程水中懸浮物、膠體物質(zhì)、溶解性有機物的去除效果。參考文獻(xiàn)1 唐國民.新聞紙過程水混凝-超濾處理技術(shù)及膜污染機理的初步研究D.廣州:華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005:9-18 2 任芝軍,馬軍,曹曉春.生物活性炭強化過濾工藝影響因素的研究J.現(xiàn)代化工,2006,(21:201-203Study on the Opti m izati on of Para m eters for B i ologi calA ctivated Carbon F ilter i n Paper maki ng ProcessW ater T reat m entTang Guo m i n1 F ei Yanchao2(1.Che m i ca l Eng i neering D epart m ent of T a izhou Instit u te o f Science&T echno l ogy,T a izhou225300,Ji ang s hu,Ch i na;2.X inx iang Ba i hui Env iron