纖維素酶水解廢紙畢業(yè)論文

1、. . . . LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題 目 七種常見(jiàn)廢紙的生物質(zhì)含量測(cè)定與其酶解研究 學(xué)生 紀(jì)應(yīng)帥 學(xué) 號(hào) 10560111 專業(yè)班級(jí) 生物工程1班 指導(dǎo)教師 明俊 莊巖 學(xué) 院 生命科學(xué)與工程學(xué)院 答辯日期 第 頁(yè)12 / 17七種常見(jiàn)廢紙的生物質(zhì)含量測(cè)定與其酶解研究專業(yè)：生物工程 學(xué)號(hào)：10560111 ：紀(jì)應(yīng)帥 指導(dǎo)教師：明俊 莊巖 職稱：副教授 助教 摘要通過(guò)對(duì)七種常見(jiàn)廢紙的生物質(zhì)含量與其特性的研究，確定哪些因素對(duì)廢紙的酶水解率有較大影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：各類廢紙中中纖維素含量都很高，除稿紙外都達(dá)到50%以上，非常適合作為乙醇發(fā)

2、酵的潛在原料，半纖維素含量較低，在2.5%以下，各類廢紙結(jié)晶度基本一樣，波動(dòng)圍在9698%之間，所以半纖維素含量與結(jié)晶度對(duì)各類廢紙的酶水解差異影響不大；各類廢紙中木質(zhì)素含量相差很大，變化圍在1135%之間，各類廢紙的聚合度差異也較大，波動(dòng)圍在2.3-45.9，因此木質(zhì)素含量和聚合度對(duì)各類廢紙的酶水解差異有較大影響。關(guān)鍵詞：廢紙；生物質(zhì)含量測(cè)定；酶水解AbstractThrough the study on biomass content of seven kinds of common waste paper , and their characteristics, determine the

3、 factors of enzyme hydrolysis of waste paper.The experimental results show:The fiber content of waste paper is higher,more than 50%,its very suitable for potential feedstock of ethanol fermentation;Thehemicellulose content is low,under 2.5%,and All kinds of waste paper have the same degree of crysta

4、llinity,range between 96-98%,so the hemicellulose content and crystallinity are not the main factor of the enzyme hydrolysis of all kinds of waste paper.The difference in lignin content of all kinds of waste paper is big,range between 11-35%;Degree of polymerization between 2.3 and 45.9,fluctuation

5、is very big,So the lignin content and polymerization degree have effects on enzymatic hydrolysis of waste paper.Key words:Waste paper;Biomass content; Enzymatic hydrolysis目錄一、綜述1（一）城市生活垃圾的再利用1 （二）廢紙產(chǎn)生的資源浪費(fèi)和利用價(jià)值1 （三）廢紙用于發(fā)酵乙醇的研究背景1二、材料與方法3 （一）儀器、藥品31.電子儀器3 2.玻璃儀器43.藥品4（二）實(shí)驗(yàn)方案41.纖維素含量的測(cè)定42.半纖維素含量的測(cè)定5 3

6、.木質(zhì)素含量的測(cè)定54.碘吸附值和結(jié)晶度的測(cè)定55.纖維素聚合度的測(cè)定6（三）酶解研究61.濾紙酶活的測(cè)定62.未處理材料的酶解63.經(jīng)預(yù)處理材料的酶解6三、結(jié)果與分析6 （一）纖維素含量的測(cè)定結(jié)果6（二）半纖維素含量的測(cè)定結(jié)果7 （三）木質(zhì)素含量的測(cè)定結(jié)果8 （四）碘吸附值和結(jié)晶度8 （五）纖維素聚合度的測(cè)定結(jié)果9（六）酶解數(shù)據(jù)的分析94、 結(jié)果討論10 （一）纖維素含量10 （二）半纖維素含量與木質(zhì)素含量10 （三）結(jié)晶度與聚合度10 （四）酶解實(shí)驗(yàn)11 五、 結(jié)論11參考文獻(xiàn)12致13一、綜述（一）城市生活垃圾的再利用城市生活垃圾處理是目前困擾所有城市發(fā)展的一大世界性難題。從古代瑪雅人建

7、筑的露天垃圾場(chǎng)，利用垃圾積壓堆積發(fā)生自燃而消解垃圾，到今天科技含量更高的各種垃圾處理技術(shù)，人類在不斷尋求更理想、更環(huán)保的垃圾處理方法。目前世界上，垃圾處理方法無(wú)外乎是衛(wèi)生填埋、焚燒、堆肥等幾種。然而，無(wú)論是填埋、焚燒或是堆肥，還是以此衍生出的其他方法，都存在缺陷和不足。填埋是一種非常簡(jiǎn)單的技術(shù)，且大多數(shù)填埋場(chǎng)沒(méi)有層以上嚴(yán)密的防滲漏措施，垃圾滲出液會(huì)污染地下水與土壤，時(shí)間久了還會(huì)發(fā)生沼氣爆炸等事故；焚燒技術(shù)會(huì)產(chǎn)生比垃圾災(zāi)難更可怕的二惡英，這種毒氣會(huì)導(dǎo)致人和動(dòng)物患癌癥；堆肥技術(shù)缺點(diǎn)更加突出，無(wú)害化程度也很低1。根據(jù)世界銀行發(fā)表的中國(guó)環(huán)境報(bào)告測(cè)算，每年中國(guó)環(huán)境污染造成的損失高達(dá)億美元,占全國(guó)GDP的

8、8%,幾乎抵消了我國(guó)的年經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。城市生活垃圾中一般含有大量的纖維素，隨著人們生活水平的日益提高，它在垃圾中的比例也在不斷增大2。而且纖維素具有緊密的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使其具有很強(qiáng)的不可降解性，積累過(guò)多會(huì)導(dǎo)致環(huán)境負(fù)擔(dān)，所以就需要一種切實(shí)有效的方法去消除或利用它。目前我國(guó)城市垃圾年產(chǎn)量達(dá)到億噸以上，且有繼續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。我國(guó)年產(chǎn)億的城市垃圾中，被丟棄的“可再生資源”價(jià)值高達(dá)億元之多，但是這些資源沒(méi)有被很好的回收利用。據(jù)、等城市垃圾分類發(fā)現(xiàn)，在這些垃圾中55%73%是食物。而大多數(shù)城市生活垃圾其實(shí)可以作為一種潛在資源，只要合理的加以回收和利用，就可以變廢為寶，這樣既可以帶來(lái)豐富的資源，減輕我國(guó)的能源危機(jī)，又

9、可以減少污染，改善了環(huán)境衛(wèi)生。所以城市生活垃圾的再生利用在目前的環(huán)境保護(hù)和資源危機(jī)形態(tài)中顯得尤為重要，迫切需要一種科學(xué)合理的方法處理城市生活垃圾，為城市垃圾的再生利用和開(kāi)發(fā)新能源尋找出一條新的途徑。實(shí)踐證明，纖維廢棄物再生資源化有著良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，大大減輕對(duì)環(huán)境的污染，對(duì)大氣污染減少60%70%；生物耗氧量減少40%；污水中懸浮物減少25%；固體垃圾減少70%；節(jié)約用水50%，相應(yīng)地污水排放量亦減少；節(jié)約能源60%70%等3。（二）廢紙產(chǎn)生的資源浪費(fèi)和利用價(jià)值中國(guó)的森林覆蓋率為14%，而我國(guó)國(guó)民生活中所用的大多數(shù)紙仍然來(lái)源于國(guó)森林砍伐所制得的原生木漿。我國(guó)目前的廢紙回收率僅為20-3

10、0%，每年流失廢紙約600萬(wàn)噸，相當(dāng)于浪費(fèi)森林資源100萬(wàn)畝?；厥諒U紙不僅有利于節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境，而且有利于城市經(jīng)濟(jì)的良性循環(huán)。 廢紙的用途很多，回收利用的價(jià)值很高。利用廢紙最廣泛的途徑是制造再生紙，廢紙不僅可以用來(lái)制作再生包裝紙，還可以用來(lái)制造再生新聞紙；日本王子造紙公司成功研究出將廢紙溶于苯酚，進(jìn)而用于生產(chǎn)酚醛樹(shù)脂的新技術(shù)；在新加坡等地，人們利用廢舊報(bào)紙書(shū)刊制作地毯，坐墊，門簾，茶幾甚至躺床等家庭用具，不僅美觀，而且十分實(shí)用；前捷克斯洛伐克的科技人員，在溫度為80的條件下，采用五層廢紙和合成樹(shù)脂用于壓制膠合硬紙板，有著很高的抗壓強(qiáng)度；印度中央建筑研究院的科技人員，利用廢紙、棉紗頭、椰子纖

11、維和瀝青等為原料，模壓出新型建筑材料瀝青瓦楞板，這種材料不僅隔熱性能好，不透水，輕便，成本低，而且不易燃燒，耐腐蝕；瑞典倫道大學(xué)的專家將廢紙打成漿，再添加厭氧微生物后移入反應(yīng)爐用于生產(chǎn)甲烷；美國(guó)阿拉巴馬州的部分牧場(chǎng)，由于土壤板結(jié)，該州專家詹姆斯·愛(ài)德沃茲根據(jù)廢紙?jiān)谕寥乐胁粫?huì)很快變質(zhì)的特性，采用廢紙碎屑和雞糞改善牧場(chǎng)土質(zhì)；英國(guó)科技人員用廢紙培育平菇，獲得了很大的經(jīng)濟(jì)效益；用于廢紙屑比較衛(wèi)生，與鋸末和稻草相比有害物質(zhì)較少，水汽含量也很低，所以近年來(lái)美國(guó)和西歐國(guó)家已經(jīng)用廢紙代替了干草，鋸末作為牲畜欄的鋪墊物；部分廢紙還可以用來(lái)加工制作成牛羊飼料。多數(shù)紙類制品含有大量的纖維素，價(jià)格低廉, 在

12、造紙的過(guò)程中已經(jīng)脫去了大部分的木質(zhì)素和半纖維素, 具有較好的可水解性, 是用來(lái)發(fā)酵的優(yōu)良原料。但是并不是所有的紙類都適合用于發(fā)酵，這和廢紙中生物質(zhì)的特性有關(guān)。因此對(duì)紙類的適當(dāng)選擇能夠提高發(fā)酵的工作效率。（三）廢紙用于發(fā)酵乙醇的研究背景由于化石能源的枯竭和加重的環(huán)境問(wèn)題，有必要尋找替代能源。其中一個(gè)辦法是酒精燃料，目前獲得的途徑主要來(lái)自玉米和甘蔗發(fā)酵。目前為止，燃料乙醇發(fā)酵生產(chǎn)的主要成本花費(fèi)來(lái)自于培養(yǎng)基，作為人和動(dòng)物的消費(fèi)品玉米和糖的價(jià)格也越來(lái)越高。有一種相對(duì)廉價(jià)易得的替代目前培養(yǎng)基生產(chǎn)乙醇的材料就是是纖維素生物質(zhì)，原料如廢新聞紙，辦公用紙以與城市固體廢物4。城市生活垃圾中一般包括大量的廢棄紙制

13、品，隨著人們生活水平的日益提高，它在垃圾中的比例也在不斷增大。目前國(guó)外關(guān)于燃料乙醇的研究大多集中在農(nóng)業(yè)、林業(yè)等富含木質(zhì)纖維素的廢物, 而用廢紙作原料制取乙醇的研究很少。從20世紀(jì)90年代至今，有越來(lái)越多的國(guó)外學(xué)者對(duì)廢棄紙類中所含的生物質(zhì)進(jìn)行研究，尤其進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量明顯增多，檢測(cè)生物質(zhì)含量與特性的方法也向著多樣化發(fā)展，為發(fā)酵研究奠定了很好的基礎(chǔ)。2004年，科技大學(xué)和輕工業(yè)學(xué)院對(duì)纖維素酶水解纖維素類廢棄物進(jìn)行了研究并發(fā)表了相關(guān)文章，提出了對(duì)紙類廢棄物的利用。2007年，由栗薇，吳正舜等國(guó)學(xué)者對(duì)纖維素類廢棄物的水解做出了進(jìn)一步的研究5。如今，纖維素類廢棄物的酶解研究已經(jīng)擴(kuò)散到了林農(nóng)

14、業(yè)，糧食與飼料工業(yè)，合成纖維工業(yè)以與各類產(chǎn)品加工業(yè)，前景良好。纖維素的酶水解反應(yīng)條件溫和、易于控制、產(chǎn)物質(zhì)量高, 因而備受人們關(guān)注。利用纖維素酶的催化反應(yīng)代替高溫、高壓的化學(xué)反應(yīng)可節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本, 提高原料的利用率, 在凈化環(huán)境和開(kāi)辟新能源等方面具有重要的意義6-13。廢棄纖維素發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的技術(shù)主要包括預(yù)處理、水解、發(fā)酵三大步驟。而廢棄纖維素轉(zhuǎn)化為燃料乙醇的關(guān)鍵是尋找有效的途徑將纖維素和半纖維素水解為葡萄糖和木糖等可溶性發(fā)酵糖。目前，廢棄類纖維素水解的方法主要有化學(xué)酸水解和生物酶水解兩種途徑。稀酸水解是溶液中的氫離子和纖維素上的氧原子相結(jié)合,使其變得不穩(wěn)定,容易和水反應(yīng),纖維素長(zhǎng)鏈既

15、在該處斷裂,同時(shí)又放出氫離子,從而實(shí)現(xiàn)纖維素長(zhǎng)鏈的連續(xù)解聚，直到分解成為最小的單元葡萄糖14。濃硫酸水解工業(yè)化時(shí)間較早，工藝較成熟，糖的水解得率高，但濃硫酸水解時(shí)由于耗酸濃度大，需要回收加以重新利用。目前，硫酸回收或處理的方法主要有：鏈烷醇萃取、陰離子交換膜透析、石灰石中和、離子排斥色譜法、模擬移動(dòng)床連續(xù)分離酸液和糖液等。濃硫酸的回收利用不但可以避免對(duì)環(huán)境帶來(lái)的污染， 而且可以有效地降低生產(chǎn)成本。此外，還有部分學(xué)者對(duì)使用濃氫氟酸，乙酸，稀硝酸和稀磷酸水解的方法進(jìn)行了研究。酸水解中，稀酸水解所需時(shí)間短，酸用量少，一般不需對(duì)酸回收，但溫度較高，高溫下纖維素的水解往往伴有木糖、葡萄糖的降解，某些降解

16、產(chǎn)物對(duì)糖液的發(fā)酵有害；濃酸水解可在常溫、常壓下進(jìn)行，糖產(chǎn)率高，副產(chǎn)物少，然而，由于濃酸的腐蝕性強(qiáng)，采用濃酸水解必然對(duì)設(shè)備材質(zhì)要求很高，另一方面，從經(jīng)濟(jì)性考慮濃酸必須進(jìn)行回收，濃酸的分離和再濃縮增加了工藝的復(fù)雜程度。纖維素酶是降解纖維素生產(chǎn)葡萄糖的一組酶的總稱，它不是單成分酶，而是由多個(gè)起協(xié)同作用的酶所組成的多酶體系。包括葡聚糖切酶、葡聚糖外切酶和-葡萄糖苷酶。在纖維素水解過(guò)程中，首先由切型-葡聚糖酶在纖維素的無(wú)定形區(qū)進(jìn)行切割，產(chǎn)生新末端，生成較小的葡聚糖，然后再由外切型-葡聚糖酶作用于末端基釋放出纖維二糖和其他更小分子的低聚糖，最后由-葡萄糖苷酶將纖維二糖分解為葡萄糖。 酶水解反應(yīng)條件溫和，設(shè)

17、備簡(jiǎn)單，能耗低，污染小，因此纖維素酶解條件的研究得到廣泛的重視。從現(xiàn)有的研究水平看，酶水解是生化反應(yīng)，與酸水解相比，它可在常壓下進(jìn)行，可減少能量的消耗，并且由于酶具有較高的選擇性，可形成單一產(chǎn)物，產(chǎn)率較高。由于酶水解時(shí)基本上不必外加化學(xué)藥品，且副產(chǎn)物少，所以提純過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，也避免了污染。但是纖維素酶的成本高，生產(chǎn)過(guò)程中，酶用量大， 導(dǎo)致纖維素酒精的價(jià)格無(wú)法與糧食酒精相競(jìng)爭(zhēng)15-18。 酒精作為一種替代燃料應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)出現(xiàn)在近代特定的歷史時(shí)期。上世紀(jì)70年代接連發(fā)生了兩次石油危機(jī)，利用生物能源(包括利用植物纖維生產(chǎn)液體燃料酒精)的各種嘗試和研究在世界上形成了一個(gè)熱潮心。美國(guó)、加拿大、法國(guó)、澳

18、大利亞等國(guó)家的政府和私人都花了很大的投資來(lái)進(jìn)行這方面的研究。1979年，美國(guó)國(guó)會(huì)為減少對(duì)進(jìn)口原油的依賴，利用轉(zhuǎn)基因的玉米原料，制定了聯(lián)邦政府的“酒精發(fā)展計(jì)劃”，開(kāi)始倡導(dǎo)燃料酒精生產(chǎn)。1993年加州開(kāi)始實(shí)施“靈活燃油車輛計(jì)劃”，制定了用于輕型車的E85(85酒精+15汽油)的燃油規(guī)格。1999年7月，由于汽油增氧劑MTBE(甲基叔丁其醚)不能降解，污染環(huán)境與水資源，美國(guó)環(huán)保局與國(guó)會(huì)合作，將建立推行一個(gè)2000-2011年期間新的國(guó)家清潔替代燃料計(jì)劃，并在4年全面禁止使用，這對(duì)燃料酒精的發(fā)展起迸一步推進(jìn)作用。巴西有著豐富的甘蔗資源，是世界上最大的產(chǎn)糖和蔗糖出口國(guó)，酒精的生產(chǎn)成本最低。1976年為了

19、減少對(duì)石油的依賴，巴西制定了“生物能源計(jì)劃”用甘蔗汁直接生產(chǎn)酒精作汽車燃料。巴西的“酒精汽油計(jì)劃”對(duì)80年代中期世界燃料酒精的發(fā)展起了巨大的推動(dòng)作用?，F(xiàn)階段巴西的酒精年產(chǎn)量達(dá)1200萬(wàn)噸，實(shí)際產(chǎn)量隨糖價(jià)和石油價(jià)格在1000萬(wàn)噸上下浮動(dòng)，幾乎全部用來(lái)代替汽油，作為汽車的燃料。加拿大盛產(chǎn)木材，造紙工業(yè)發(fā)達(dá)，但由于木材碎片加工較難，能量消耗較大，酒精生產(chǎn)成本較大，所以利用本國(guó)資源，對(duì)玉米、小麥進(jìn)行綜合加工，得到燃料酒精。澳大利亞盛產(chǎn)小麥，對(duì)其進(jìn)行綜合利用和加工的辦法，制得酒精。中國(guó)也十分重視酒精燃料的研究與開(kāi)發(fā)，利用玉米、化糧和甘蔗生產(chǎn)酒精燃料等。國(guó)際上四大發(fā)酵酒精生產(chǎn)國(guó)是巴西、美國(guó)、中國(guó)、俄羅斯，

20、世界上幾大出口國(guó)是美國(guó)、巴西、歐盟、南非、沙特阿拉伯和加勒比海諸國(guó)。目前，全球生產(chǎn)酒精的原料中，谷物與淀粉類占33%，蔗糖與甜菜占60%，合成酒精占70%。但是，糧食是人類賴以生存的重要戰(zhàn)略資源，面對(duì)世界和我國(guó)人口的急劇膨脹和總體上的糧食短缺，用糧食生產(chǎn)乙醇的發(fā)展規(guī)模將受到限制。近年來(lái)，直接生物轉(zhuǎn)化植物纖維素特別是秸桿纖維素生成乙醇的工藝因其原料來(lái)源廣，不與人爭(zhēng)糧，不與人爭(zhēng)地而引起了人們的濃厚興趣，被認(rèn)為具有良好的發(fā)展前景，并引起了各國(guó)政府的關(guān)注。美國(guó)以纖維素制乙醇的技術(shù)開(kāi)發(fā)較早。美國(guó)能源部1999年提出計(jì)劃，到2015年把燃料乙醇的成本降低36%，并擬定了開(kāi)發(fā)方向：研發(fā)轉(zhuǎn)基因技術(shù)，使產(chǎn)纖維素

21、酶酵母的活性比現(xiàn)有水平提高10倍以上；完善同步糖化發(fā)酵法（SSF）和并行糖化共發(fā)酵法（SSCF，即糖化和五碳糖、六碳糖共發(fā)酵）的技術(shù)；選育纖維素直接發(fā)酵菌菌種，用以開(kāi)發(fā)直接發(fā)酵法（DMC）。1999年，美國(guó)可再生能源研究所和有關(guān)開(kāi)發(fā)企業(yè)的關(guān)鍵的發(fā)酵技術(shù)已達(dá)到相當(dāng)高的水平，但尚存在一些問(wèn)題。當(dāng)時(shí)，用玉米秸桿降解的糖化液中糖的濃度可達(dá)12%20%。發(fā)酵液中乙醇的濃度可達(dá)6%10%，其中用酵母對(duì)糖蜜發(fā)酵，間歇式工藝所產(chǎn)的乙醇的濃度為12%13%，而連續(xù)式工藝僅8%11%。美國(guó)政府曾規(guī)劃在20012003年期間利用稻殼、甘蔗渣、生活有機(jī)垃圾、林業(yè)廢物等以纖維素為主的生物質(zhì)為原料，建設(shè)6個(gè)年產(chǎn)50000

22、76000KL的燃料乙醇工廠。但以纖維素制乙醇的工業(yè)規(guī)模技術(shù)一直未達(dá)到成熟，而以玉米生產(chǎn)燃料乙醇的技術(shù)已充分成熟、原料充裕，增產(chǎn)較容易，故美國(guó)有關(guān)纖維素發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的工藝研發(fā)有所停頓。日本政府積極促進(jìn)秸桿纖維素制乙醇技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDC）委托，以日本酒精協(xié)會(huì)為主的各有關(guān)企業(yè)進(jìn)行為期5年的開(kāi)發(fā)，經(jīng)費(fèi)全部由政府補(bǔ)助，采取以企業(yè)為主，有關(guān)大學(xué)積極參與的方針，日本建立了較完善的與秸桿纖維素燃料乙醇相關(guān)的研發(fā)體系：日本酒精協(xié)會(huì)負(fù)責(zé)項(xiàng)目的綜合調(diào)整和工藝系統(tǒng)的最優(yōu)化研究；日揮公司負(fù)責(zé)前處理糖化和發(fā)酵技術(shù)開(kāi)發(fā)，其中有關(guān)發(fā)酵技術(shù)和纖維素酶育種委托大阪府大學(xué)、長(zhǎng)岡科技大學(xué)、京都

23、大學(xué)、神戶大學(xué)工學(xué)院、熊本大學(xué)工學(xué)院和鳥(niǎo)取大學(xué)等大學(xué)進(jìn)行專題研究；關(guān)西油漆公司進(jìn)行凝集性酵母滴蟲(chóng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)；NRI公司開(kāi)發(fā)乙醇膜脫水技術(shù)，由靜岡大學(xué)評(píng)價(jià)脫水膜的特性；由德國(guó)產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所進(jìn)行發(fā)酵液中乙醇的膜分離技術(shù)的開(kāi)發(fā)。綜上所述，由于燃料酒精的應(yīng)用可以帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效應(yīng)，所以世界各國(guó)對(duì)它已有了不同程度的研究和應(yīng)用。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)與工程技術(shù)的不斷發(fā)展，高產(chǎn)菌株的獲取越來(lái)越簡(jiǎn)單，發(fā)酵工藝也得到不斷改進(jìn)，這些都為燃料酒精的大規(guī)模生產(chǎn)提供了技術(shù)保證。隨著燃料酒精的研究領(lǐng)域和應(yīng)用圍不斷擴(kuò)展，燃料酒精在可再生燃料市場(chǎng)中將占主要地位19,20。紙中纖維素的含量很高，比稻殼，花生殼等材料的

24、含量更多，其數(shù)值達(dá)到50%以上，非常適合作為乙醇發(fā)酵的潛在原料。對(duì)于與廢紙中纖維素用于發(fā)酵乙醇的相關(guān)文獻(xiàn)20-23，其實(shí)驗(yàn)過(guò)程中酶解反應(yīng)的影響因素還有待進(jìn)一步探索，本實(shí)驗(yàn)對(duì)一些可能的影響因素進(jìn)行了初步的研究。二、材料與方法（一）儀器、藥品1.電子儀器表1主要儀器一覽表儀器名稱儀器型號(hào)生產(chǎn)廠家電爐SD-1202艾詩(shī)凱奇（中國(guó)）紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)UV9200瑞利分析儀器公司數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱GZX-9240 MBE博迅實(shí)業(yè)醫(yī)療設(shè)備500克裝高速中藥粉碎機(jī)QE-10A 武義縣屹立工具電子天平HX-501T慈溪市天東衡器廠電子分析天平AB104-N梅特勒-托利多儀器（）電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱GZX-GF-10

25、1躍進(jìn)醫(yī)療器械廠旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)NDJ-4精密科學(xué)儀器康氏振蕩器KS省金壇市醫(yī)療器械廠集熱式恒溫加熱磁力攪拌器DF-101T長(zhǎng)城科工貿(mào)2.玻璃儀器燒杯 50ml，500ml，250ml，1000ml離心管 50ml，10ml玻璃棒 玻璃比色皿 容量瓶 100ml，500ml，1000ml移液管 5ml，10ml，1ml酸式滴定管 褐色試劑瓶500ml 膠頭滴管 量筒100ml試管 15ml 比色管25ml 三角瓶 150ml，250ml3.藥品硝酸鈣，鹽酸，酚酞，氫氧化鈉DNS試劑（1g 3,5二硝基水酸 + 20ml 2mol/L 氫氧化鈉溶液 + 50ml水 + 30g酒石酸鉀鈉 定容至100

26、ml）葡萄糖，碘液，硫酸鈉，硫代硫酸鈉，淀粉，冰醋酸，濃硝酸，濃硫酸，重鉻酸鉀，碘化鉀，無(wú)水乙醇，乙醚，氯化鋇（二）實(shí)驗(yàn)方案1.纖維素含量的測(cè)定（1）準(zhǔn)確稱取七種廢紙粉末各0.10g分別置于七只試管中并貼好標(biāo)簽標(biāo)記。（2）使用移液管加入5ml醋酸和硝酸的混合液，搖勻后置于沸水浴中加熱并不斷用玻璃棒攪拌。（3）取出試管在室溫下冷卻后放入50ml離心管，5000rpm離心10min；棄去上清液，將沉淀用蒸餾水沖洗3次。（4）向沉淀中分別加入10mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的硫酸和0.1 mol/L的重鉻酸鉀溶液10mL，搖勻。（5）浸入沸水浴中10min，取出后倒入三角瓶中，用適量蒸餾水沖洗試管，一并倒入三

27、角瓶中。（6）待溶液在室溫下冷卻后加5mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)20% KI溶液和1mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的淀粉溶液。（7）用0.2 mol/L硫代硫酸鈉滴定(碘量法)，將單獨(dú)加入了10mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的硫酸和0.1 mol/L的重鉻酸鉀溶液10mL作為空白樣。纖維素含量按下式計(jì)算：式中：“24”為1mol C6H10O5相當(dāng)于硫代硫酸鈉的當(dāng)量數(shù)；K為硫代硫酸鈉濃度，mol /L； a為空白滴定所耗硫代硫酸鈉體積，m L；b為溶液所耗硫代硫酸鈉體積，m L；n為廢紙粉末質(zhì)量，g。2.半纖維素含量的測(cè)定（1）準(zhǔn)確稱取0.1g的廢紙粉末分別置于七個(gè)燒杯中并貼好標(biāo)簽標(biāo)記。（2）分別加入10mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%的硝酸

28、鈣溶液，置于電爐上加熱，小火煮沸5 min。（3）室溫冷卻后離心10000rpm，15min；將沉淀用熱水沖洗3次。（4）然后分別向沉淀中加10mL濃度為2mol/L的鹽酸，混勻后置沸水浴中。（5）在不時(shí)攪拌下沸騰45 min；冷卻后離心10000rpm,10min，將上清液移入100mL容量瓶中。（6）將沉淀沖洗，洗滌液并入容量瓶中。（7）向容量瓶中加1滴酚酞，用NaOH中和至顯玫瑰色，稀釋至刻度。（8）隨后將其過(guò)濾至燒杯中，棄去最初濾出的幾滴濾液。用DNS法測(cè)定溶液中的還原糖。（9）分別取2mL濾液加入不同比色管中并加入DNS試劑，做好標(biāo)記，于沸水浴中加熱5min，冷卻，加水稀釋至25mL

29、，并540nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度，并對(duì)照葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行分析。3.木質(zhì)素含量的測(cè)定（1）分別稱取0.10g的粉末放入已標(biāo)記好的對(duì)應(yīng)10ml離心管中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的醋酸10mL，搖勻后離心10000rpm,15min。（2）將沉淀再用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的醋酸5mL洗一次，然后加5mL乙醇和乙醚混合液(體積比11)。（3）浸泡3 min后棄去上清液，浸洗；將離心管中的沉淀在沸水浴中蒸干。（4）然后向沉淀中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)72 %的硫酸3mL，用玻棒攪勻后室溫下靜置16 h，使全部纖維素溶解。（5）然后向試管中加入10mL蒸餾水，用玻棒攪勻，置沸水浴中5 min，冷卻后加5mL蒸餾水和0.5mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)

30、10%的氯化鋇溶液，搖勻后離心。（6）沉淀用蒸餾水沖洗2次，再向沖洗過(guò)的木質(zhì)素沉淀中加10mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的硫酸和0.1mo l/L重鉻酸鉀溶液，將試管放入沸水浴中15min，并不時(shí)攪拌。（7）冷卻后將試管中所有物質(zhì)轉(zhuǎn)入燒杯中作滴定用，并用1520mL蒸餾水洗滌殘余部分。（8）然后向燒杯中加入5mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)20% KI溶液和1mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%淀粉液，用0.2mol/L硫代硫酸鈉滴定。（9）另外單獨(dú)滴定加入了10mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)10 %的硫酸和0.1 mol/L的重鉻酸鉀溶液10mL作為空白樣。木質(zhì)素含量按下式計(jì)算：式中：“48”為 1 mo l C11H12O4相當(dāng)于硫代硫酸鈉的當(dāng)量數(shù)；K為

31、硫代硫酸鈉濃度，mol/L；a為空白滴定所耗硫代硫酸鈉體積，m L；b為滴定溶液所耗硫代硫酸鈉體積，m L;n為干粉質(zhì)量，g。4.碘吸附值和結(jié)晶度的測(cè)定（1）取粉末約0.3 g (精確到0.1 mg )。（2）分別放入已標(biāo)記好的對(duì)應(yīng)磨口密封褐色玻璃瓶中，準(zhǔn)確加入50mL碘液(0.1 mol/L)，再準(zhǔn)確加入50mL飽和硫酸鈉溶液,混合均勻后置于震蕩器上搖動(dòng)。（3）放置30min后取出過(guò)濾，準(zhǔn)確取出濾液10mL。（4）用標(biāo)準(zhǔn)硫代硫酸鈉溶液（0.01molL)）滴定，以1淀粉溶液作指示劑。（5）以同樣操作進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn)。按下式計(jì)算碘吸附值和結(jié)晶度：式中：V空白為空白試驗(yàn)消耗的Na2S203溶液，m

32、L；V消耗為試樣消耗的Na2S203溶液，mL；C為Na2S203的溶液濃度，mo/L；m為試樣的干質(zhì)量，g。5.纖維素聚合度的測(cè)定根據(jù)所測(cè)粘度計(jì)算即可得出。粘度計(jì)操作方法： （1）首先將保護(hù)架右旋上儀器下端。 （2）準(zhǔn)備被測(cè)液體，選擇直徑大于等于70mm 的燒杯。 （3）按測(cè)量要求的精度，準(zhǔn)確控制被測(cè)液體的溫度 （4）估計(jì)被測(cè)液體黏度值的大致圍參考量程表選好轉(zhuǎn)子號(hào)，并將轉(zhuǎn)子左旋入連接螺桿.然后 旋轉(zhuǎn)升降鈕，使儀器慢慢地下降，逐漸浸入測(cè)量液體中，直至轉(zhuǎn)子液面標(biāo)志和液面平為止。按下指針鎖定桿，開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān)，放開(kāi)指針鎖定桿，使轉(zhuǎn)子在液體中旋轉(zhuǎn)，一般2030秒的運(yùn)轉(zhuǎn)，待指針趨于穩(wěn)定。按下指針鎖定桿，

33、使讀數(shù)固定下來(lái)，再關(guān)閉電機(jī)，使指針停在讀數(shù)窗圍，直接讀出數(shù)據(jù)。（三）酶解研究1.濾紙酶活的測(cè)定取5ml適當(dāng)稀釋酶液，用一次性注射器加入配制好的pH4.8 0.1mol/L乙酸-乙酸鈉緩沖液1ml。取濾紙片裁剪成1cm×6cm（50±0.5mg）濾紙條，稱量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后加入溶液中。在50水浴鍋中水浴1h，每隔1到2分鐘震蕩數(shù)次。水浴后加入3ml DNS顯色液，沸水浴10min。取出溶液放入離心管，2000rpm離心10min，取出，吸取上清液測(cè)定吸光度。濾紙酶活的計(jì)算根據(jù)下式代入數(shù)據(jù)即可：濾紙酶活性 FPUI/ml=C葡萄糖為葡萄糖濃度，通過(guò)上一步得到的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線公式代入吸

34、光度數(shù)值計(jì)算獲得。 2.未處理材料的酶解準(zhǔn)確稱取七種材料各4.0g，分裝于250ml三角瓶中，使用一次性注射器加入120ml緩沖液，并分別加入10mg酶粉，用兩層保鮮膜封口后用棉線扎緊。在50水浴震蕩培養(yǎng)箱中反應(yīng)50h。反應(yīng)期間每10h取各三角瓶中的上清液1ml，放入比色管，加入3ml新配的DNS試劑，沸水浴4-5min后冷卻定容，使用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在450nm波長(zhǎng)下進(jìn)行比色，記錄吸光度。實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次。 3.經(jīng)預(yù)處理材料的酶解準(zhǔn)確稱取七種材料各4.0g，分裝于250ml三角瓶中，加入10倍體積的2.0%，pH值11.5 H2O2溶液，室溫下浸泡12-14小時(shí)。過(guò)后用清水洗至洗出液呈中性，使

35、用一次性注射器加入120ml緩沖液，并分別加入10mg酶粉，用兩層保鮮膜封口后用棉線扎緊。在50水浴震蕩培養(yǎng)箱中反應(yīng)50h。反應(yīng)期間每10h取各三角瓶中的上清液1ml，放入比色管，加入3ml新配的DNS試劑，沸水浴4-5min后冷卻定容，使用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)在450nm波長(zhǎng)下進(jìn)行比色，記錄吸光度。實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次。三、結(jié)果與分析（一）纖維素含量的測(cè)定結(jié)果將各組實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)在柱形圖中進(jìn)行比較（圖1）。圖1.不同紙類纖維素含量的比較 圖1顯示：除稿紙的纖維素含量為48%外，其他紙類纖維素含量都達(dá)到50%以上。其中無(wú)碳復(fù)寫(xiě)紙的纖維素含量高達(dá)70%，衛(wèi)生紙和紙箱中纖維素含量約在60%左右，而海報(bào)、報(bào)紙和

36、A4紙中纖維素含量在50%左右。（二）半纖維素含量的測(cè)定結(jié)果 半纖維素含量的數(shù)據(jù)使用DNS比色法測(cè)得，首先做出葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線。如圖2所示。圖2.葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線 將實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的吸光度代入標(biāo)準(zhǔn)曲線公式，所得到的葡萄糖含量數(shù)值乘以系數(shù)0.9即可得到半纖維素含量數(shù)值。繪制柱形圖，如圖3所示。圖3.不同紙類半纖維素含量的比較 圖3表明，類廢紙的半纖維素含量都很低，都在2.5%以下。其中衛(wèi)生紙的半纖維素含量最高，為2.48%；而海報(bào)紙的半纖維素含量最低，為0.75%；其他各類廢紙的半纖維素含量約在1%2%之間。（三）木質(zhì)素含量的測(cè)定結(jié)果 將各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式，計(jì)算得出木質(zhì)素含量并進(jìn)行比較，如圖4所示。圖

37、4.不同紙類木質(zhì)素含量的比較 圖4表明，種廢紙的木質(zhì)素含量變化較大，變化圍11%-35%之間。其中報(bào)紙和紙箱的木質(zhì)素含量最高，為35%；無(wú)碳復(fù)寫(xiě)紙和A4紙的木質(zhì)素含量在20%-30%之間；海報(bào)紙、稿紙和衛(wèi)生紙的木質(zhì)素含量在20%以下。（四）碘吸附值和結(jié)晶度 根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)出的碘吸附值計(jì)算結(jié)晶度，所得結(jié)果的比較如圖5所示。圖5.不同紙類所含纖維素結(jié)晶度的比較 比較結(jié)果如圖5所示，七種紙類所含纖維素的結(jié)晶度非常相近，差別并不大。其中結(jié)晶度最大的紙為衛(wèi)生紙，結(jié)晶度平均值達(dá)到98.05%，最小的紙類為紙箱，平均值為96.50%。（五）纖維素聚合度的測(cè)定結(jié)果 使用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)得材料干粉溶液的粘度，通過(guò)公式計(jì)

38、算得到各種紙類的纖維素聚合度。數(shù)值比較如圖6所示。圖6.不同紙類纖維素聚合度的比較從圖6中表明：不同類型的紙，其纖維素聚合度數(shù)值相差很大，波動(dòng)圍2.345.85；海報(bào)紙、報(bào)紙、稿紙和A4紙的纖維素聚合度均小于10，衛(wèi)生紙（草漿）和紙箱的纖維素聚合度在1020之間，而無(wú)碳復(fù)寫(xiě)紙的聚合度最高，達(dá)到45.85。（六）酶解數(shù)據(jù)的分析 未經(jīng)過(guò)處理的廢紙酶解過(guò)程的數(shù)據(jù)折線圖如下（圖7）:圖7.七種材料酶解過(guò)程中各時(shí)間段的吸光度曲線（未處理） 如圖7所示，各類廢紙?jiān)?0h后酶解產(chǎn)物的產(chǎn)量達(dá)到最高，此后糖含量逐漸下降。產(chǎn)量最高的三種紙類從高到低依次是A4紙、海報(bào)紙和稿紙。產(chǎn)量較低的其他四種紙類為紙箱、無(wú)碳復(fù)寫(xiě)

39、紙、報(bào)紙和衛(wèi)生紙。 經(jīng)過(guò)處理的原料酶解過(guò)程的數(shù)據(jù)折線圖如下（圖8）:圖8.七種材料經(jīng)過(guò)預(yù)處理后酶解過(guò)程中各時(shí)間段的吸光度曲線如圖8所示，經(jīng)過(guò)脫木質(zhì)素處理后，酶解曲線同樣在10h后達(dá)到最高點(diǎn)，即產(chǎn)物產(chǎn)量達(dá)到最大。10h后曲線有所下降，最終趨于平緩。酶解產(chǎn)物的產(chǎn)量由高到低的排列依次是A4紙、海報(bào)紙、稿紙、紙箱、無(wú)碳復(fù)寫(xiě)紙、衛(wèi)生紙、報(bào)紙。四、結(jié)果討論（一）纖維素含量對(duì)廢紙酶水解率的影響紙類制品中所含的纖維素非常豐富，幾乎所含物質(zhì)的一半以上都是纖維素，被測(cè)的七種紙類的纖維素含量也幾乎都在50%以上，而稻殼，秸稈等材料中所含有的纖維素只達(dá)到3040%，所以廢紙非常適合做為燃料乙醇發(fā)酵的原料。（二）半纖維

40、素含量與木質(zhì)素含量對(duì)各類廢紙酶水解率的影響半纖維素在酶解過(guò)程中起到物理屏障的作用，保護(hù)纖維素使其不與酶進(jìn)行接觸，降低了酶作用的可與表面積。根據(jù)半纖維素的測(cè)定結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，各類廢紙的半纖維素含量很低，最高只達(dá)到2.48%，這表明半纖維素含量對(duì)廢紙的水解率影響很低；而且不同紙類所含的半纖維素差別并不大，所以也不會(huì)對(duì)各類廢紙的水解率差異造成太大影響。同時(shí)與酶解實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相對(duì)照，可斷定半纖維素含量并不是它的主要影響因素。在纖維素結(jié)構(gòu)中，木質(zhì)素起到了纖維素與半纖維素橋聯(lián)的作用，同樣限制了酶作用的可與表面積，所以木質(zhì)素含量越高，酶解效率越低。同時(shí)根據(jù)木質(zhì)素含量的測(cè)定結(jié)果可以看出，不同紙類的木質(zhì)素含量都很高

41、而且差別很大，這導(dǎo)致了廢紙的水解率和水解率差異受到了較大的影響。所以木質(zhì)素含量是影響纖維素水解的一個(gè)主要因素。（三）結(jié)晶度與聚合度對(duì)各類廢紙酶水解率的影響纖維素的結(jié)晶度越大，酶作用的可與表面積越小，酶解過(guò)程越不容易進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)4中發(fā)現(xiàn)，紙類制品的纖維素結(jié)晶度相差不大而且數(shù)值很高。所以有必要使用一些預(yù)處理方法降低其纖維素聚合度，使原料紙更容易水解。但各類廢紙間結(jié)晶度較小的差異導(dǎo)致了它們更小的水解率差異，所以這并不是影響纖維素酶解的主要因素。而通過(guò)各類廢紙聚合度的測(cè)定發(fā)現(xiàn)，不同紙類的纖維素聚合度數(shù)值相差很大。這與各類廢紙結(jié)晶度的情況正好相反，即造成了水解率差異的增大。同時(shí)由其他文獻(xiàn)所知，纖維素聚合

42、度越大酶作用的可與表面積越小，纖維素越不易被水解，反之同理。所以纖維素的聚合度是影響纖維素水解的又一個(gè)主要因素，而結(jié)晶度的大小對(duì)不同紙類酶解數(shù)據(jù)的差異影響不大。（四）酶水解實(shí)驗(yàn)通過(guò)以上結(jié)論，根據(jù)木質(zhì)素含量與纖維素聚合度的測(cè)定結(jié)果推測(cè)，最易水解的紙類依次是海報(bào)紙，A4紙和稿紙。但從未經(jīng)過(guò)預(yù)處理的酶解實(shí)驗(yàn)和經(jīng)過(guò)預(yù)處理的酶解實(shí)驗(yàn)可以看出，水解效率最高的是A4紙，其次是海報(bào)紙，與推測(cè)不符。同時(shí)衛(wèi)生紙效率幾乎為最低，從之前實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)推測(cè)來(lái)看也不合理。這說(shuō)明除了木質(zhì)素含量和纖維素的聚合度兩大因素以外還有其他的重要影響因素在影響纖維素的水解，這可能和這兩種紙所含的其他成分以與造紙工藝流程有關(guān)。由于紙中所含有

43、的木質(zhì)素對(duì)纖維素酶產(chǎn)生的毒性，使酶活力下降，產(chǎn)物產(chǎn)量無(wú)法繼續(xù)提高。溶液吸光度在10h后開(kāi)始下降的原因可能是由于溶液中所含微生物對(duì)其中的還原糖產(chǎn)生降解作用，分解了大量的還原糖后導(dǎo)致溶液的吸光度下降。這是由于木質(zhì)素的脫除，不再對(duì)纖維素酶的活性產(chǎn)生影響，使其保持了活性。由于木質(zhì)素脫除的并不完全，所以部分曲線仍然有下降趨勢(shì)，但與未處理材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比差別仍然很明顯。未經(jīng)過(guò)預(yù)處理的酶解實(shí)驗(yàn)和經(jīng)過(guò)預(yù)處理的酶解實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)比可知，使用 H2O2溶液處理后降低了木質(zhì)素的含量，但各類紙水解產(chǎn)物的產(chǎn)量基本沒(méi)有提高，產(chǎn)量達(dá)到最大的時(shí)間仍然是10h以后。但經(jīng)過(guò)處理的材料在10h以后產(chǎn)物量趨于平緩，說(shuō)明木質(zhì)素的減少降低

44、了對(duì)纖維素酶的毒性，并且減少了產(chǎn)物的降解。五、結(jié)論綜上所述，各類廢紙所含纖維素很高，適合用于酶水解后發(fā)酵乙醇。纖維素聚合度與木質(zhì)素含量對(duì)各類廢紙的酶水解差異有較大影響，而纖維素結(jié)晶度和半纖維素含量對(duì)各類廢紙的酶水解差異影響不大。40小時(shí)的酶解實(shí)驗(yàn)表明，各類廢紙?jiān)?0小時(shí)后酶解產(chǎn)物的產(chǎn)量達(dá)到最高，此后糖含量逐漸下降。產(chǎn)量最高的三種紙類從高到低依次是A4紙，海報(bào)紙和稿紙。產(chǎn)量較低的其他四種紙類為紙箱、無(wú)碳復(fù)寫(xiě)紙、報(bào)紙和衛(wèi)生紙。通過(guò)H2O2預(yù)處理脫除木質(zhì)素后同樣在10h后產(chǎn)物產(chǎn)量達(dá)到最大。10h后曲線有所下降，最終趨于平緩。酶解產(chǎn)物的產(chǎn)量最高的三種廢紙為A4紙，海報(bào)紙和稿紙。與未經(jīng)過(guò)預(yù)處理的酶解實(shí)驗(yàn)

45、相比，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后產(chǎn)物產(chǎn)量有所提高并能夠穩(wěn)定保存，纖維素酶也能夠持續(xù)對(duì)纖維素產(chǎn)生作用，削弱了木質(zhì)素對(duì)酶的毒性作用。參考文獻(xiàn)1凌慧珊.國(guó)外垃圾處理技術(shù)現(xiàn)狀掃描J.科技,2002;(7):1011.2堅(jiān).環(huán)境生物技術(shù)M.中國(guó)輕工業(yè).1999:244245.3魯杰,石淑蘭,汝男,等.纖維素酶水解纖維素類廢棄物的研究J.纖維素科學(xué)與技術(shù),2004;12(4):712.4Insu Park,Ilsup Kim,Kyunghee Kang,etc.Cellulose ethanol production from waste newsprint by simultaneoussac charificati

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