专利名称:一种酶活化制备碱溶纤维素方法
技术领域：
本发明属于生化技术领域：
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背景技术：
在天然纤维材料中，纤维素分子在分子内和分子间形成大量氢键，从而使分子彼此紧密结合在一起成为半刚性的、高度不溶不熔的微纤结构。必须进行预处理和改性才能得到反应性能好、溶解性能好的活化纤维素。对纤维素进行适当的预处理是充分利用纤维素资源的重要的环节。目前人们采用的预处理方法包括物理、化学以及综合性方法等，其目的是改变纤维素的聚集态结构，如结晶度下降、微晶尺寸减小、微孔增加、聚合度下降，氢键断裂，提高纤维素对化学试剂和酶试剂的可及度和反应性。
生物技术作为预处理开始是将酶应用于纸浆工业的制浆工艺。研究表明，由于纤维素酶对纤维素链的部分降解，导致纸浆粘度降低。也有研究指出，用纤维素酶处理虽然使纤维素聚合度降低，但是在不影响使用的情况下，能提高纤维素的反应能力。
化学预处理采用酸、碱、次氯酸钠、臭氧等试剂进行预处理，降解和润涨纤维素。近来又有超临界和亚临界液体进行预处理。
物理预处理广泛采用的物理预处理方法首选机械粉碎。底物通过粉碎，纤维素的结晶度可下降60％。由于提高了纤维素酶的可及性，使酶解产率有显著提高。研磨时间、机械以及环境湿度的变化都会影响再结晶。机械粉碎的缺点是耗能大、成本高。其次蒸汽爆破也是一种有效无污染的预处理方法，蒸汽爆破除水和底物外可以不添加其它预处理物质；进行蒸汽爆破应调节合适的压力、温度和处理时间。最近高压蒸汽爆破预处理有爆破与非爆破两种情况。高能辐射也是提高纤维素的活性。当底物被r射线照射后，纤维链断裂，纤维强度下降。若辐射垂直作用与纤维素原纤维取向，则仅影响分子内氢键；且不影响纤维素超分子结构。
综上所述，纤维素预处理的方法很多，除了单独使用外还可以综合交叉使用。与传统的化学试剂处理、机械处理和辐射处理技术相比，酶处理具有处理时间短、减少化学药品用量、无污染、能耗低等优点，是很有前途的活化新技术。
有关文献报道，碱液可以溶解纤维素，但只限于低分子量的纤维素。到80年代，有关文献报道经适当的铜氨溶液处理后的纤维素，可以溶于碱溶液。但有应用价值的研究主要为日本Asahi公司的突破。自八十年代以来，其与Kanazawa大学合作通过对不同纤维素的蒸汽闪爆处理和原理探寻，以及对纤维素溶解条件的选择与溶解过程的机理分析，最终制备了碱溶纤维素。俄罗斯在这方面也逐渐接近日本，此外加拿大与欧洲一些国家合作正在积极研究。
纤维素酶降解制备碱溶纤维素无法达到完全溶解，一般可达60％以上，也有人通过研究专门的预处理催化剂与纤维素酶的底物专一性以提高转化率，由于酶催化基本不损失原料，故其产率并不比其它制备方法低，并且由于其环境友好性，近年来引起研究人员的兴趣。
纤维素在溶剂中溶解，所得的溶液不是真的纤维素溶液，而是由纤维素和存在于液体中的组分形成的一种产物。在纤维素化学工业实践上也是如此，粘胶法、铜氨法以及N-甲基-吗啉-N-氧化物(NMMO)法。由于NMMO法的环保性，目前再生纤维素的制备工艺正在由粘胶法向NMMO法转变。
纤维素-NaOH-H2O体系制备再生纤维素技术具有更大的潜在发展前景，因为NMMO价格要较NaOH溶液高，而且存在回收利用问题，致使投资额增大。而NaOH水溶液技术投资相较低，是替代传统粘胶纤维和铜氨纤维的最佳方法。
纤维素-NaOH-H2O体系制备再生纤维素技术的关键就是通过经济、无污染且有效的处理活化技术得到活化纤维素，选择最佳的溶剂体系、浓度及溶解温度等关键参数。
本发明的目的是利用含有纤维素酶活或葡聚糖内切酶活的生物酶活化天然纤维素(纸浆、棉纤维素)制备碱溶纤维素。大大简化了工艺流程，处理条件温和，减少了能量消耗和环境污染，降低了生产成本。
发明内容
本发明是这样实现的用含有纤维素酶活或葡聚糖内切酶活的生物酶在一定处理条件下活化纤维素，提高纤维素的活性和反应性能。生物酶是指外切葡聚糖酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶、纤维素酶、葡聚糖内切酶和其它任何含有纤维素酶活或葡聚糖内切酶活的酶，最好为木聚糖酶、纤维素酶和葡聚糖内切酶，可以是一种酶单独使用也可以两种或多种酶混合使用。生物酶的用量为0.01-500活力单位/克底物，最好为0.1-30活力单位/克底物。酶处理浴温度为10-100℃，最好为30-75℃。酶处理时间为0.1-600分钟，最好为20-180分钟。酶处理浴的pH值在2-12范围内，最好为4-10。酶处理浴可以加入表面活性剂，以提高处理浴液对纤维素的润湿和渗透能力，提高处理的均匀性。本发明采用一种或几种表面活性刑，它们可以是聚氧乙烯烷基醚类，例如吐温(Tween)60、65、80(即聚氧乙烯山梨糖醇酐单硬脂酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐三硬脂酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐单油酸酯)；曲拉通X-100(Triton X-100)(即辛基苯氧基聚氧乙烯乙醇)；曲拉通X-10(Triton X-10)(即十八碳烷基苯氧基聚氧乙烯乙醇)；润湿剂JFC(润湿剂EA)(即异丁基苯氧基聚氧乙烯乙醇)；也可以是聚氧乙烯酯类Span 20、40、60、80(即山梨糖醇酐单月桂酸酯、山梨糖醇酐单棕榈酸酯、山梨糖醇酐单硬脂酸酯)。其中以非离子表面活性剂最好，阳离子表面活性剂次之，阴离子表面活性剂只能使用极少量。表面活性剂的用量为0.01-10％，最好为0.1-5.0％。酶处理制备的活化纤维素，其粘均聚合度为100～600。
本发明的具体实施是1.碱溶将纤维素溶于氢氧化钠水溶液，再经1000目的滤网过滤，脱泡后制得纤维素稀碱溶液。氢氧化钠水溶液浓度为3-13％，纤维素在溶液的浓度为1-10％。
2.聚合度的测定按照国际标准ISO/TC6-5351/1测定纤维素粘度，利用表示特性粘度与聚合度关系的方程式计算粘均聚合度。
DP0.905＝0.75[η]CuEn(cm3g-1)3.用纤维素酶活或葡聚糖内切酶活的生物酶在一定处理条件下活化纤维素。结束时，煮沸15分钟左右以使酶失活。可制备完全溶解(高于95％)稀碱溶液的活化纤维素，其粘均聚合度为150～600。生物酶是指外切葡聚糖酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶、纤维素酶、葡聚糖内切酶和含有纤维素酶活或葡聚糖内切酶活的酶，最好为木聚糖酶、纤维素酶和葡聚糖内切酶。生物酶的用量为0.01-500活力单位/克底物，最好为0.1-30活力单位/克底物。酶处理温度为10-100℃，最好为30-75℃，处理时间为0.1-600，最好为20-180分钟。酶处理浴的pH值在2-12范围内，最好为4-10。酶处理浴可以加入表面活性剂及中性盐(NaCl)，以提高处理浴液对纤维素的润湿和渗透能力，提高处理的均匀性。本发明采用一种或几种表面活性剂及中性盐(NaCl)，它们可以是聚氧乙烯烷基醚类，例如吐温(Tween)60、65、80(即聚氧乙烯山梨糖醇酐单硬脂酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐三硬脂酸酯、聚氧乙烯山梨糖醇酐单油酸酯)；曲拉通X-100(Triton X-100)(即辛基苯氧基聚氧乙烯乙醇)；曲拉通X-10(TritonX-10)(即十八碳烷基苯氧基聚氧乙烯乙醇)；润湿剂JFC(润湿剂EA)(即异丁基苯氧基聚氧乙烯乙醇)；也可以是聚氧乙烯酯类Span 20、40、60、80(即山梨糖醇酐单月桂酸酯、山梨糖醇酐单棕榈酸酯、山梨糖醇酐单硬脂酸酯)，也可以是阴离子表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠)。其中以非离子表面活性剂最好。表面活性剂及中性盐的用量为0.01-10％，最好为0.1-5.0％。
本发明的优点简化了工艺流程，提高生产效率；由于生物酶的催化分解作用和它本身优良的环境相容性，废水的毒性大大降低，减少了污水处理的负担；由于生物酶处理的条件温和，所以减少了能源消耗。
实施例1.用木聚糖酶在1活力单位/克底物，pH为3，在25℃处理天然纤维素600分钟，酶处理浴加入表面活性剂吐温(Tween)60、65、80，用量为0.01％，得到聚合度为560的活化纤维素，在3％的氢氧化钠水溶液中溶解，可以得到4％的纤维素稀碱溶液。
2.用葡聚糖内切酶在0.01活力单位/克底物，pH为4，在95℃处理天然纤维素600分钟，酶处理浴加入中性盐(NaCl)，用量为0.1％，得到聚合度为550的活化纤维素，在11％的氢氧化钠水溶液中溶解，可以得到6％的纤维素稀碱溶液。
3.用甘露聚糖酶在450活力单位/克底物，pH为11，在25℃处理天然纤维素1分钟，酶处理浴加入表面活性剂十二烷基苯磺酸钠，用量为0.1％，得到聚合度为570的活化纤维素，在8％的氢氧化钠水溶液中溶解，可以得到7％的纤维素稀碱溶液。
4.用外切葡聚糖酶在500活力单位/克底物，pH为12，在95℃处理天然纤维素1分钟，得到聚合度为500的活化纤维素，在9％的氢氧化钠水溶液中溶解，可以得到10％的纤维素稀碱溶液。
5.用纤维素酶在500活力单位/克底物，pH为3，在95℃处理天然纤维素1分钟，得到聚合度为500的活化纤维素，在8％的氢氧化钠水溶液中溶解，可以得到9％的纤维素稀碱溶液。
6.用葡聚糖内切酶在500活力单位/克底物，pH为3，在15℃处理天然纤维素600分钟，得到聚合度为150的活化纤维素，可以在3.5％的氢氧化钠水溶液中溶解，可以得到10％的纤维素稀碱溶液。
7.用纤维素酶在500活力单位/克底物，pH为3，在95℃处理天然纤维素600分钟，得到聚合度为120的活化纤维素，在12％的氢氧化钠水溶液中溶解，可以得到10％的纤维素稀碱溶液。
权利要求
1.一种用生物酶活化天然纤维素(纸浆、棉纤维素)制备碱溶纤维素的方法，其特征在于用含有纤维素酶活或葡聚糖内切酶活的生物酶在一定处理条件下活化纤维素，提高纤维素的活性和反应性能。生物酶是指外切葡聚糖酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶、纤维素酶、葡聚糖内切酶和其它任何含有纤维素酶活或葡聚糖内切酶活的酶，最好为木聚糖酶、纤维素酶和葡聚糖内切酶，可以是一种酶单独使用也可以两种或多种酶混合使用。
2.根据权利要求
1所述用生物酶活化天然纤维素(纸浆、棉纤维素)制备碱溶纤维素的方法中，其特征在于生物酶的用量为0.01-500活力单位/克底物。
3.根据权利要求
1所述用生物酶活化天然纤维素(纸浆、棉纤维素)制备碱溶纤维素的方法中，其特征在于酶处理浴温度为10-100℃。
4.根据权利要求
1所述用生物酶活化天然纤维素(纸浆、棉纤维素)制备碱溶纤维素的方法中，其特征在于酶处理时间为0.1-600分钟。
5.根据权利要求
1所述用生物酶活化天然纤维素(纸浆、棉纤维素)制备碱溶纤维素的方法中，其特征在于酶处理浴的pH值在2-12范围内。
6.根据权利要求
1所述用生物酶活化天然纤维素(纸浆、棉纤维素)制备碱溶纤维素的方法中，其特征在于在酶处理浴中加入一种或几种表面活性剂及中性盐，它们可以是聚氧乙烯烷基醚类，可以是聚氧乙烯酯类，也可以是阴离子表面活性剂。表面活性剂及中性盐的用量为0.01-10％。
7.根据权利要求
1所述用生物酶活化天然纤维素(纸浆、棉纤维素)制备碱溶纤维素的方法中，其特征在于酶处理制备的活化纤维素，其粘均聚合度为100～600。
专利摘要
一种生物酶活化天然纤维素(纸浆、棉纤维素)的工艺，用于制备碱溶纤维素，以制得纤维素稀碱溶液。其特征是将生物酶配成溶液，在一定的温度条件和合适的pH值下，处理活化天然纤维素(纸浆、棉纤维素)，活化后的纤维素的溶解性变好，可完全溶于(高于95％)稀碱溶液。由于酶催化的产率不比其它制备方法低，而且纤维素稀碱溶液的经济，并且其环境友好性，是潜在替代传统制备纤维素溶液的最佳方法。
文档编号C12S3/00GKCN1563093SQ200410033642
公开日2005年1月12日 申请日期2004年4月14日
发明者曹郁, 谭惠民 申请人:北京理工大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan