一种用于废纸脱墨的生物酶制剂、制备方法及脱墨工艺与流程

1.本发明属于废纸脱墨技术领域，具体涉及一种用于废纸脱墨的生物酶制剂、其制备方法以及应用所述复合生物酶制剂的脱墨工艺。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.制浆造纸行业是传统用水大户，同时也是造成我国水污染的重要污染源，由于污染严重，造纸污水一直饱受诟病。将废纸回收利用是目前解决造纸工业原料短缺、能源紧张和污染严重的有效应对策略，在以废纸为原料的生产中，首选需要除去废纸中的油墨、树脂等，这种处理的过程称为废纸脱墨。目前脱墨工艺主要包括以下三个步骤：(1)疏解分离纤维；(2)使油墨从纤维上脱离；(3)把脱除后的油墨粒子从浆料中除去。其中，再生后的纸张为了满足使用需求，脱墨的过程尤为重要。现代大型脱墨生产线通常采用浮选法或浮选法为主洗涤法为辅的工艺。这两种脱墨工艺都为化学法脱墨，需要消耗一定的化学药品，对环境容易造成污染，同时会使二次纤维性能下降，纸浆易产生碱性发黑现象。
4.为了改善造纸行业对环境的影响，生物技术在造纸业的应用逐渐增多，涵盖备料、制浆、纤维性能改善、树脂障碍控制、漂白、二次纤维脱墨、废水处理及污泥生物堆肥等。相比传统的化学处理方式，酶法处理不需要大量的化学试剂，能够显著减少污水产生量，并且酶解处理后的纤维性能优于化学试剂处理方法，具有开发意义。在废纸脱墨工艺中，采用生物酶脱墨能够很好的改善废纸纤维的吸水润胀能力、提高再生纸张的强度、降低打印能耗；常用的生物酶包括纤维素酶、脂肪酶、漆酶及混合酶等。但是酶处理剂的成本相比化学试剂更高，采用游离酶进行脱模处理具有稳定性差、产物分离困难及无法反复利用的缺点。固定化酶可以实现酶产品的稳定性提高及循环利用，降低酶处理工艺的成本、克服游离酶不稳定的技术缺陷。
5.目前，固定化酶的手段包括采用物理或化学结合的方式将酶固定在无机或有机材料的固定相上，以实现酶产品的回收利用。本领域常见的固定化载体包括有机聚合物和无机材料，其中，有机聚合物材料如壳聚糖、树脂材料，无机材料包括多孔玻璃、硅胶及活性炭等。无机载体材料具有良好的机械强度，来源更广泛，且成本更低，但缺点在于，结构不易调控，键合酶的能力差，导致固定化酶容易脱附、失活，采用有机聚合物进行修饰可以进行互补从而发挥两者优良的特性，


技术实现要素：

6.针对上述技术背景，发明人目的在于，提供一种适用于废纸脱墨工艺的固定化酶产品。发明人联想到，固定化酶在制备过程中需要加入交联剂对酶和载体进行连接，这种化学结合方式会破坏一部分酶的活性位点，导致酶活力下降。固定化酶产品与废纸浆在分离
过程中必不可少又会产生一部分损失。为了改善废纸脱墨的酶催化效率，本发明提供了一种复合生物酶制剂，以壳聚糖改性的磁性纳米粒子作为载体，负载脱墨的复合酶。
7.本发明第一方面，提供一种用于废纸脱墨的复合生物酶制剂，所述复合生物酶制剂包括复合酶及载体，所述载体为壳聚糖修饰的磁性纳米粒子，所述复合酶选自脂肪酶、纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、漆酶中一种或几种的组合。
8.第一方面所述的复合生物酶制剂中，所述磁性纳米粒子附着于壳聚糖表面，复合酶则通过基团吸附作用镶嵌在壳聚糖交联形成的网状结构中。
9.本发明针对复合酶的选择中发现，纤维素酶对本发明构建的载体具有更好的亲和性，采用纤维素酶与其他酶复合构建的生物酶制剂，酶活力损失更小。
10.本发明第二方面，提供第一方面所述用于废纸脱墨的复合生物酶制剂的制备方法，所述制备方法的特征在于，采用聚乙烯亚胺对壳聚糖进行表面改性，向改性后的壳聚糖体系中加入磁性纳米粒子结合得到壳聚糖改性的磁性纳米粒子。
11.现有研究显示，固化酶相比游离酶会出现一定的酶活力下降，这可能是由于酶在固定化过程中出现了一定损失，酶通过交联反应与载体连接的过程势必会占用一部分酶活性位点，载体也对酶与底物的接触造成了一部分空间位阻。本发明设计通过改善酶的固定化方法，减少交联剂的使用，同时配合活性金属基团促进酶的催化效率。因此，本发明提供的制备方法中，并未采用戊二醛等传统交联剂，而是通过增加氨基配位基团实现酶与载体的吸附作用。经验证，该制备方法得到的复合生物酶制剂具有良好的稳定性，多次重复使用后，酶活力并没有出现明显的下降，并且依靠载体中磁性纳米粒子的作用可以通过外加磁场方便的进行回收。
12.本发明第三方面，提供一种组合物，所述组合物至少包括第一方面所述用于废纸脱墨的复合生物酶制剂，还包括表面活性剂。
13.现有技术中脱墨工艺中通常采用表面活性剂对废纸进行预处理，通过表面活性剂对纤维及表面油墨实现润胀作用，从而提高酶处理的催化效率。在针对脱墨工艺的研究中，采用阴离子或非离子型的表面活性剂与第一方面所述复合酶生物制剂联合应用具有更好的纸张处理效果。
14.本发明第四方面，提供一种废纸脱墨的方法，所述方法包括应用第一方面所述复合生物酶制剂或第三方面所述组合物处理待脱墨的纸浆。
附图说明
15.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
16.图1为实施例1中所述复合生物酶扫描电镜照片。
具体实施方式
17.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
18.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根
据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
19.正如背景技术所介绍的，固定化酶往往面临酶活力降低、分离不彻底等缺陷。本发明目的在于提供一种方便快速回收的、具有更加稳定酶活的脱膜剂。
20.本发明第一方面，提供一种用于废纸脱墨的复合生物酶制剂，所述复合生物酶制剂包括复合酶及载体，所述载体为壳聚糖修饰的磁性纳米粒子，所述复合酶选自脂肪酶、纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、漆酶中一种或几种的组合。
21.第一方面所述的技术方案中，所述磁性纳米粒子为铁元素的金属氧化物，进一步的，为znfe2o4纳米粒子、磁性fe3o4纳米粒子、nife2o4磁性纳米粒子、纳米fe2o3纳米粒子、纳米fe3s4纳米粒子中的一种。
22.本发明提供的一种实施方式中，所述磁性纳米粒子为磁性fe3o4，具体的实施方式中，所述磁性fe3o4纳米粒子并不局限于某种特定的制备方法，本领域公知的共沉淀法、水热合成等方法制备而成的磁性fe3o4纳米粒子均能够满足所述复合酶制剂催化脱墨的效果。本发明中所述复合生物酶制剂采用磁性fe3o4纳米粒子与壳聚糖结合，使得所述复合酶制剂能够通过外加磁场从而进行方便的回收。
23.在进一步优选的实施方式中，所述磁性fe3o4纳米粒子表面采用油酸处理：将磁性fe3o4纳米粒子置于油酸/无水乙醇溶液中进行处理，处理完成后通过水、无水乙醇交替清洗。
24.第一方面优选的方案中，所述复合酶中至少含有纤维素酶，为纤维素酶与其他酶的组合形式，所述组合形式的实例包括纤维素酶与漆酶的组合、脂肪酶与纤维素酶的组合或纤维素酶与果胶酶的组合。
25.进一步的，所述纤维素酶选自葡聚糖内切酶、葡聚糖外切酶或纤维二糖酶、β
‑
葡萄糖苷酶。
26.进一步的，所述半纤维素酶选自木聚糖酶、β
‑
葡聚糖酶、半乳聚糖酶或木聚糖酶。
27.进一步的，所述果胶酶选自原果胶酶、多聚半乳糖醛酸酶或裂解酶。
28.本发明第二方面，提供第一方面所述用于废纸脱墨的复合生物酶制剂的制备方法，所述制备方法的特征在于，采用聚乙烯亚胺对壳聚糖进行表面改性，向改性后的壳聚糖体系中加入磁性纳米粒子结合得到壳聚糖改性的磁性纳米粒子。
29.优选的，所述制备方法具体步骤如下：向壳聚糖的酸性溶液中加入聚乙烯亚胺，在隔绝氧气的条件下加热对壳聚糖表面进行改性；反应结束后加入磁性fe3o4后孵育一段时间得到所述壳聚糖改性的磁性纳米粒子；将所述磁性纳米粒子加入复合酶的缓冲溶液中孵育得到所述复合生物酶制剂。
30.进一步的，所述壳聚糖的酸性溶液配置方式如下：采用10％的乙酸溶液溶解壳聚糖，壳聚糖与乙酸溶液的比例为3～10g：150～400ml。
31.上述壳聚糖的酸性溶液在配置时，可在不断搅拌的条件下，少量多次将壳聚糖固体粉末加入乙酸溶液中进行溶解；也可以将壳聚糖直接洒在乙酸溶液的表面后静置，使其充分的溶胀。
32.效果较好的实施方式中，所述壳聚糖的酸性溶液配置方式如下：将5g壳聚糖加入
200ml 10％的乙酸溶液中静置0.8h使其充分溶胀。
33.进一步的，所述聚乙烯亚胺的浓度为8％～12％。
34.进一步的，所述壳聚糖表面改性方式如下：将壳聚糖加入乙酸溶液中溶解，加入聚乙烯亚胺溶液后将混合溶液置于惰性气体氛围中加热；所述加热温度为70～80℃，所述加热时间为1～2h。
35.进一步的，所述磁性fe3o4纳米粒子加入改性的壳聚糖溶液中充分混合，所述混合方式包括震荡、搅拌、超声中的一种或其组合；本发明效果较好的实施方式中，超声一段时间后低速搅拌获得壳聚糖改性的磁性纳米粒子。
36.进一步的，将磁性纳米粒子加入复合生物酶的缓冲溶液中，在室温条件下震荡孵育2～3h得到所述复合生物酶制剂。
37.本发明第三方面，提供一种组合物，所述组合物至少包括第一方面所述用于废纸脱墨的复合生物酶制剂，还包括表面活性剂。
38.优选的，所述表面活性剂为阴离子型表面活性剂或非离子型表面活性剂；进一步的，所述表面活性剂型为钾皂、磺化油、直链烷基苯磺酸钠、脂肪醇硫酸钠、磺基琥珀酸二锌醋钠盐、脂肪醇聚氧乙烯硫酸醋钠、烷基酚(辛基酚、壬基酚)、脂肪醇、环氧丙烷聚合物中的一种或几种的组合。
39.本发明第四方面，提供一种废纸脱墨的方法，所述方法包括应用第一方面所述复合生物酶制剂或第三方面所述组合物处理待脱墨的纸浆。
40.优选的，所述废纸脱墨方法包括如下步骤：将待脱墨的废纸破碎后加入表面活性剂溶液进行预处理，之后打浆得到废纸浆料；向废纸浆料中加入第一方面所述复合生物酶制剂进行脱墨。
41.进一步的，所述表面活性剂与废纸的重量比为0.1～0.5：100。
42.进一步的，所述废纸浆料的浓度为30～50g/l。
43.进一步的，所述复合酶制剂的添加量为所述废纸浆绝干浆质量的0.2％～1.5％。
[0044][0045]
进一步的，所述复合酶制剂的处理温度为30～75℃，处理时间25～120min，ph为6.0～9.0，搅拌转速为100～150rpm。
[0046]
进一步的，所述脱墨工艺中还包括对脱墨浆料进行漂白的工艺，漂白可采用本领域常规方法，如过氧化氢漂白等方式进行。
[0047]
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本发明的技术方案。
[0048]
实施例1
[0049]
本实施例中，提供一种用于废纸脱墨的复合生物酶，所述复合生物酶包括载体及复合酶，所述载体为壳聚糖改性的磁性fe3o4纳米粒子，所述复合酶为漆酶与脂肪酶，所述复合生物酶的制备方法如下：
[0050]
1)共沉淀法制备磁性fe3o4纳米粒子：
[0051]
将2.1g fecl3·
4h2o和5.5g fecl3·
6h2o溶于100ml去离子水中，在n2氛围下水浴加热至80℃，向混合溶液中缓慢滴加浓氨水至溶液呈弱碱性，在500rpm的转速条件下剧烈搅拌1h，反应结束后，通过外加磁铁分离，并用去离子水洗涤至溶液ph为中性，最后真空干
燥得到磁性fe3o4纳米粒子。
[0052]
2)壳聚糖改性磁性纳米粒子：
[0053]
将6g壳聚糖加入250ml10％的乙酸溶液中1h使其充分溶胀，加入20ml的15％的聚乙烯亚胺溶液，将所述反应体系置于n2氛围中升温至80℃反应2h对壳聚糖表面进行改性，反应结束后待反应体系温度降至室温，将步骤1)中制备得到的磁性fe3o4加入上述改性溶液并将该反应体系置于超声波环境中处理10min；超声波处理后的混合溶液在转速90r/min条件进行搅拌3h，搅拌过程中滴加质量分数为3％naoh溶液，将混合溶液ph调至7.3，反应结束后通过磁性分离产物，用水和无水乙醇交替清洗产物，得到壳聚糖改性的磁性纳米粒子。
[0054]
3)将漆酶、脂肪酶以质量比1：1溶于ph7.5浓度为0.02mol/l的pbs缓冲液中配制成0.1mg/ml的酶缓冲液，称取10mg步骤2)中制备得到的壳聚糖改性磁性纳米粒子加入上述磷酸盐缓冲液中，混合体系置于150rpm振荡室温温育3h后进行磁分离，得到复合生物酶制剂。
[0055]
实施例2
[0056]
本实施例中，提供一种用于废纸脱墨的复合生物酶，所述复合生物酶包括载体及复合酶，所述载体为壳聚糖改性的磁性fe3o4纳米粒子，所述复合酶为果胶酶与脂肪酶，所述复合生物酶的制备方法如下：
[0057]
1)微波水热法制备磁性fe3o4纳米粒子：
[0058]
以feso4·
h2o、fe(no3)3·
h2o作为原料制备磁性fe3o4纳米粒子，并采用油酸的乙醇对产物进行表面改性，之后采用蒸馏水和无水乙醇对产物进行洗涤、离心及干燥得到所述磁性fe3o4纳米粒子。
[0059]
2)壳聚糖改性磁性纳米粒子：
[0060]
将5g壳聚糖加入200ml 10％的乙酸溶液中0.8h使其充分溶胀，加入15ml的10％的聚乙烯亚胺溶液，将所述反应体系置于n2氛围中升温至75℃反应1.5h对壳聚糖表面进行改性，反应结束后待反应体系温度降至室温将步骤1)中制备得到的磁性fe3o4加入上述改性溶液并将该反应体系置于超声波环境中处理15min；超声波处理后的混合溶液在转速50r/min条件进行搅拌4h，滴加质量分数为2％naoh溶液，将混合溶液ph调至7.0，反应结束后通过磁性分离产物，用水和无水乙醇交替清洗产物，得到壳聚糖改性的磁性纳米粒子。
[0061]
3)将纤维素酶、脂肪酶以质量比0.5：1溶于ph7.0浓度为0.02mol/l的pbs缓冲液中配制成0.05mg/ml的酶缓冲液，称取8mg步骤2)中制备得到的壳聚糖改性磁性纳米粒子加入上述磷酸盐缓冲液中，混合体系置于100rpm振荡室温温育2.5h后进行磁分离，得到复合生物酶制剂。
[0062]
实施例3
[0063]
本实施例中，提供一种用于废纸脱墨的复合生物酶，所述复合生物酶包括载体及复合酶，所述载体为壳聚糖改性的磁性fe3o4纳米粒子，所述复合酶为纤维素酶与脂肪酶，所述复合生物酶的制备方法如下：
[0064]
1)氨水共沉淀法制备磁性fe3o4纳米粒子：
[0065]
配置0.5mol/lfecl3和feso4溶液，按照fe
3
:fe
2
＝1.75：1的比例混合原料并加入分析纯氨水，继续搅拌并缓慢滴加氨水至ph＝8.5，得到所述黑色溶胶状物质通过磁场分离、洗涤后加入油酸/无水乙醇溶液中进行处理。之后采用蒸馏水和无水乙醇对产物进行洗涤、离心及干燥得到所述磁性fe3o4纳米粒子。
[0066]
2)壳聚糖改性磁性纳米粒子：
[0067]
将8g壳聚糖加入300ml 10％的乙酸溶液中1.5h使其充分溶胀，加入25ml的20％的聚乙烯亚胺溶液，将所述反应体系置于n2氛围中升温至85℃反应2.5h对壳聚糖表面进行改性，反应结束后待反应体系温度降至室温将步骤1)中制备得到的磁性fe3o4加入上述改性溶液，之后将混合溶液在转速80r/min条件进行搅拌8h，滴加质量分数为3％naoh溶液，将混合溶液ph调至7.3，反应结束后通过磁性分离产物，用水和无水乙醇交替清洗产物，得到壳聚糖改性的磁性纳米粒子。
[0068]
3)将纤维素酶、果胶酶以质量比0.5：1溶于ph7.0浓度为0.02mol/l的pbs缓冲液中配制成0.2mg/ml的酶缓冲液，称取15mg步骤2)中制备得到的壳聚糖改性磁性纳米粒子加入上述磷酸盐缓冲液中，混合体系置于100rpm振荡室温温育3.5h后进行磁分离，得到复合生物酶制剂。
[0069]
实施例4
[0070]
本实施例中，还提供一种废纸脱墨方法，将待处理的办公废纸碎成纸片后加水浸泡，然后进行脱水至含水量约30％，向脱水后的办公废纸中加入脂肪醇硫酸钠的水溶液，其中脂肪醇硫酸钠与废纸的重量比为0.5：100，浸泡2h。
[0071]
浸泡完成后，将上述废纸及溶液分批加入打浆机中打成纸浆，加入绝干质量1％的实施例1
‑
3任一项制备的中复合生物酶制剂混合均匀，继续加水至浆料浓度降低至8g/l，奥驰反应体系的温度为37℃，处理1.5h，处理搅拌转速为100rpm。
[0072]
对比例1
[0073]
本发明研究过程中，为了增强壳聚糖与金属粒子的配位能力，还针对其他提供配位氨基基团的制备方法进行了研究。包括采用乙二胺接枝壳聚糖的制备方法，与实施例1不同之处在于：将8g壳聚糖加入300ml 10％的乙酸溶液中1.5h使其充分溶胀，加入25ml的20％的乙二胺的甲醇溶液在67℃水浴反应。
[0074]
其他的实施例中，还包括采用三乙烯四胺进行上述壳聚糖的改性。
[0075]
对比例2
[0076]
本实施例中，提供一种包覆不同生物酶的复合生物酶制剂，与实施例1不同之处在于，本实施例中的步骤3)中，所述复合酶为漆酶、纤维素酶；所述漆酶与纤维素酶以质量比0.5：1混合溶于缓冲液中，并与壳聚糖改性的纳米粒子进行混合孵育。
[0077]
对比例3
[0078]
本实施例中，提供一种包覆不同生物酶的复合生物酶制剂，与实施例1不同之处在于，本实施例中的步骤3)中，所述复合酶为果胶酶、纤维素酶；所述果胶酶与纤维素酶以质量比0.5：1混合溶于缓冲液中，并与壳聚糖改性的纳米粒子进行混合孵育。
[0079]
对比例4
[0080]
本实施例中，提供有一种废纸脱墨方法，与实施例4不同之处在于，采用阳离子型表面活性剂对破碎后的废纸进行预处理。
[0081]
本发明针对上述实施例1
‑
3及对比例1
‑
3中制备得到的复合酶制剂进行了酶活力测定，所述酶活测试采用沃辛顿(worthington)法评定
[0082]
酶活性计算公式如下：
[0083]
其中：
[0084]
e
510
：酶催化反应过程中在510nm处每分钟吸光度的增大值；
[0085]
v：反应溶液的总体积，3.0ml；
[0086]
δa：产物的特定吸收系数，6.58cm2(μmol
·
dye)
‑1；
[0087]
v：加入酶溶液的体积，数值为0.1ml。
[0088]
实施例及对比例中所述酶活力测试结果，及脱墨处理后的酶活力结果如下表1所示：
[0089]
表1
[0090][0091]
从上述表1的数据中可以看出，实施例1
‑
3中制备得到的复合生物酶在多次使用之后仍然具有较高的酶活力，而对比例1
‑
3中所述复合酶制剂酶活力相比更低，这可能说明了纤维素酶对本发明提供的载体具有更好的亲和效果，能够实现更高的稳定性。
[0092]
本发明中，还针对实施例及对比例中所述复合生物酶制剂处理后纸浆的性能进行了测试，将上述实施例中脱墨后的纸浆抄片制成浆片，风干干燥并定量60g/m2的纸片。其中，纸片白度测试方法参考gb/t 7974
‑
2002规定，不透明度根据qb/t1548检测，纸片撕裂强度测试参考gb/t 455
‑
2002中的规定，测定结果如下表2所示：
[0093]
表2
[0094]
[0095]
从上述数据中可以看出，采用实施例1
‑
3中所述复合生物酶制剂处理后的废纸浆具有更好的白度，证明其脱墨效果更好。特别的，对比例4中采用阳离子型表面活性剂处理后，纸浆白度相比其他组具有明显的不足，这可能说明阳离子型表面活性剂会降低所述复合生物酶制剂的催化效率。
[0096]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。