角質(zhì)酶W5應(yīng)用于混合辦公廢紙脫墨的研究

馮國華，李 強(qiáng)，曾文欖

（廣東溢多利生物科技股份有限公司，廣東珠海 519060）

為了規(guī)范進(jìn)口廢紙的加工利用和污染防治，近幾年國家收緊了廢紙進(jìn)口指標(biāo)，使得回收廢紙價格高漲。以廢紙為原料的造紙生產(chǎn)企業(yè)為保證企業(yè)效益及適應(yīng)環(huán)境要求紛紛努力提高生產(chǎn)效率，改進(jìn)生產(chǎn)工藝優(yōu)化廢紙利用率。用堿法化學(xué)工藝處理辦公廢紙進(jìn)行脫墨凈化纖維是傳統(tǒng)辦公廢紙脫墨方式。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段酶制劑應(yīng)用于傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)尤其是造紙工業(yè)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。酶法脫墨能有效地解決混合辦公廢紙的脫墨問題，能選擇性地使油墨和纖維分離并使之脫離纖維表面[1]，適當(dāng)?shù)拿柑幚磉€可以減少造紙過程中膠粘物的累積，以實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)[2]。

角質(zhì)酶是一種可以降解植物角質(zhì)的水解酶，也可以作用于其他脂肪酸酯、甘油三酯等。其在紡織工業(yè)中可用于生物煮煉提高織物質(zhì)量，而在造紙工業(yè)中的應(yīng)用研究較少。

由于角質(zhì)酶對纖維處理的特異性及效果，本實(shí)驗研究了廣東溢多利生物科技股份有限公司生產(chǎn)的角質(zhì)酶W5的特性及用于混合辦公廢紙脫墨的工藝條件，初步得出了酶處理的紙漿濃度、酶處理溫度、反應(yīng)時間以及酶用量的優(yōu)化參數(shù)。

1 實(shí)驗

1.1 原料

混合辦公廢紙（MOW）:取自湖南某紙廠，將廢紙撕成大小均一碎片放自封袋平衡水分備用。

酶樣:角質(zhì)酶W5，廣東溢多利生物科技股份有限公司自產(chǎn)（使用時吸取l mL配成l 000 mL的稀溶液，即配即用）。

助劑:脂肪醇聚氧乙烯醚JFC，美國陶氏化學(xué)公司。

1.2 儀器

UV 1600紫外可見分光光度計，日本島津公司；HH-4型恒溫水浴鍋，常州潤滑電器有限公司；PL6-00型水循環(huán)抄片器，咸陽泰思特有限公司；PL7-B型快速干燥器，咸陽泰思特有限公司；PL12-00高濃水力碎漿機(jī)，咸陽泰思特有限公司；PL13-00型實(shí)驗室浮選脫墨機(jī)，咸陽泰思特有限公司；YQ-Z-48A型白度顏色測定儀，杭州輕通博科自動化技術(shù)有限公司；ERIC 950白度殘余油墨測定儀，美國Technidyne Color Touch公司。

1.3 實(shí)驗方法

1.3.1 試驗工藝

1.3.2 碎漿

將平衡過水分的大小均一的廢紙放入水力碎漿機(jī)，加入所需體積和溫度的水、角質(zhì)酶W5及助劑，開動碎漿機(jī)進(jìn)行碎漿，將紙漿取出備用。

1.3.3 浮選

取碎好的紙漿放入浮選槽進(jìn)行浮選，溫度為50℃，浮選時間為15 min，氣壓為0.2 MPa。

1.3.4 洗滌及抄片

分別取碎漿及浮選后的紙漿在抄片器進(jìn)行水洗及抄片。水洗，用3 L水洗滌3次。紙片，定量為60 g/m2。

1.4 分析測試

（1）紙張的撕裂強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度、耐破強(qiáng)度、白度和殘余油墨值分別按TAPPI標(biāo)準(zhǔn) T414（2004）、T494（21）、T403（22）、T452（28）和 T205（1995）測試。

（2）廢水COD按國家標(biāo)準(zhǔn)GB11914—1989測試。

（3）角質(zhì)酶活力按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T 4915—2016測試。

（4）油墨去除率和纖維流失率的計算:

2 結(jié)果與討論

2.1 酶學(xué)特性分析

角質(zhì)酶（cutinase，EC 3.1.1.74）是一種能破壞角質(zhì)多聚物分子的酯鍵使其水解為單體和小分子寡聚體的胞外誘導(dǎo)水解酶[3]。它主要存在于植物病原菌中，是病原菌侵入植物時用以突破植物表皮第1道屏障角質(zhì)所需要的酶。角質(zhì)酶屬于α/β水解酶家族，可降解不溶性甘油三酯、可溶性酯和角質(zhì)等聚酯[4]。目前國內(nèi)外對角質(zhì)酶的研究主要集中在真菌來源酶[5]，本實(shí)驗所用角質(zhì)酶W5為廣東溢多利生物科技股份有限公司自有基因工程菌優(yōu)化后所產(chǎn)酶制劑。

2.1.1 溫度對酶活性的影響

酶解反應(yīng)的速率受溫度的影響主要反映在2個方面:一方面升高溫度底物反應(yīng)分子動能增加，碰撞幾率增加，反應(yīng)速度升高；另一方面，隨溫度升高酶蛋白會逐漸變性，酶分子結(jié)構(gòu)受到破壞從而喪失部分催化活性，反應(yīng)速度下降[6]。因此，酶要達(dá)到其作用效果須溫度適宜。在pH、反應(yīng)時間等其他條件恒定下，酶有一最適反應(yīng)溫度，這時酶的反應(yīng)活性最大，當(dāng)然隨溫度變化其反應(yīng)活性會變化，這是一個動態(tài)平衡。溫度對角質(zhì)酶W5活性的影響如圖1所示。

圖1 溫度對酶活性的影響

由圖1看出，角質(zhì)酶W5的活性在溫度30～80℃范圍內(nèi)隨溫度變化先升高后降低，60℃時酶活性最高。這是由于當(dāng)溫度升高時，酶與底物反應(yīng)速度增加，但隨著溫度的逐漸升高酶蛋白變性速度也迅速增加而失去活力。酶最適溫度是在其他條件如pH、時間、酶純度等都保持恒定條件下，酶解反應(yīng)及酶蛋白變性動態(tài)平衡的結(jié)果。角質(zhì)酶W5在溫度50～70℃有較高活性且變化幅度小，故其應(yīng)用溫度范圍較寬可應(yīng)用于造紙行業(yè)。

2.1.2 pH對酶活性的影響

酶活性隨pH變化而變化，其存在一最適反應(yīng)pH。最適pH時，酶活性隨底物濃度、溫度和其他多種因素的不同而改變，所以它和酶的最穩(wěn)定pH不一定相同。pH對酶反應(yīng)速度的影響已成為鑒別底物或活性分子、酶活性部位解離基團(tuán)的常用手段。不適當(dāng)?shù)膒H使酶的空間結(jié)構(gòu)破壞，引起酶活性喪失，故不同pH條件下的酶活性高低，是判斷酶是否能工業(yè)化應(yīng)用的重要依據(jù)。pH對角質(zhì)酶W5活性的影響如圖2所示。

圖2 pH對酶活性的影響

由圖2可以看出，角質(zhì)酶W5在pH為8.0時活性最高，酶活性在溫度、底物濃度等條件確定下pH為6.0～9.0時呈先上升、后下降趨勢。這是由于在一定pH條件下酶活性部位催化基團(tuán)的解離狀態(tài)受到影響，pH升高時其與底物結(jié)合或結(jié)合后生成產(chǎn)物效率先上升而后下降導(dǎo)致。角質(zhì)酶W5在pH為7.5～9.0時均能保持較高酶活性，其可適應(yīng)二次纖維預(yù)處理pH環(huán)境。

2.2 角質(zhì)酶W5脫墨工藝的優(yōu)化

經(jīng)過對角質(zhì)酶W5的特性分析，為貼近生產(chǎn)應(yīng)用選取pH=8.0，溫度為50℃條件下對脫墨效果產(chǎn)生影響的主要因素:脫墨漿濃度（A），酶脫墨時間（B）和酶用量（C），3因素取3個水平，進(jìn)行正交試驗結(jié)果及極差分析，結(jié)果見表1。

表1 角質(zhì)酶W5處理辦公費(fèi)紙脫墨正交試驗設(shè)計及極差分析結(jié)果

白度與油墨去除率是評價脫墨漿質(zhì)量的重要指標(biāo)，根據(jù)具體生產(chǎn)實(shí)際纖維流失率也是脫墨漿生產(chǎn)線主要考核指標(biāo)之一。從表1極差分析結(jié)果，因素A（脫墨漿濃度）是影響纖維流失率及油墨去除率的次要因素，其中A1纖維流失率最低，但A1條件下油墨去除率差，同時纖維流失率與廢紙漿原料批次穩(wěn)定性關(guān)聯(lián)最大，為保證脫墨漿質(zhì)量應(yīng)優(yōu)先滿足白度及油墨去除率指標(biāo)，綜合選擇A2條件最優(yōu)。從極差分析看，因素B（碎漿時間）影響油墨去除率指標(biāo)較為明顯，B3條件下油墨去除率最高，纖維流失率最低，同時白度處于中間值較理想，故選擇B3條件為最優(yōu)。因素C（酶用量）對脫墨漿各指標(biāo)影響均處于最主要位序，C3條件下白度最高、油墨去除率最大，纖維流失率最低，故選擇C3為最優(yōu)條件。經(jīng)正交試驗確定角質(zhì)酶W5辦公廢紙脫墨的最佳工藝條件為A2B3C3，即脫墨漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，碎漿時間為30 min，酶用量為150 u/g（絕干漿）。

2.3 優(yōu)化工藝驗證及脫墨漿質(zhì)量檢測

經(jīng)優(yōu)化角質(zhì)酶W5脫墨工藝，選取碎漿溫度為50℃、pH=8.0、碎漿時間為30 min、脫墨漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、酶用量為150 u/g（絕干漿）條件進(jìn)行脫墨試驗，結(jié)果見表2。

表2 角質(zhì)酶W5脫墨實(shí)驗的紙漿性能比較

由表2看出:在A2B3C3工藝條件下角質(zhì)酶W5預(yù)處理脫墨漿后脫墨效果優(yōu)異，脫墨漿白度、油墨去除率較空白樣提升；殘余油墨值、纖維流失率下降達(dá)到預(yù)期效果，其中脫墨漿的抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)與空白樣均無明顯差異。

為驗證角質(zhì)酶W5在脫墨過程中的效果，對試驗各段廢水進(jìn)行了取樣分析，其結(jié)果見表3。

表3 角質(zhì)酶W5脫墨實(shí)驗的廢水COD比較 mg/L

由表3看出，角質(zhì)酶W5可有效剝離纖維上的油墨，使纖維與油墨分離。油墨主要隨浮選排出漿料系統(tǒng)，其中浮選廢水COD降低67%，浮渣廢水COD提高43%與這一效果相符。總脫墨廢水COD降低47%，說明角質(zhì)酶W5用于混合辦公廢紙脫墨可有效降低廢水污染負(fù)荷，有利于清潔生產(chǎn)。

3 結(jié)論

（1）角質(zhì)酶W5是溫度及pH適應(yīng)范圍較廣的酶制劑，在常規(guī)制漿造紙工藝條件下可用于混合辦公廢紙脫墨。

（2）脫墨漿濃度、碎漿時間及酶用量對角質(zhì)酶W5脫墨效果有很大的影響。較為合宜的脫墨工藝條件為:脫墨漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，碎漿時間為30 min，碎漿溫度為50℃，pH=8.0，生物酶用量為150 u/g。

（3）經(jīng)角質(zhì)酶W5預(yù)處理混合辦公廢紙脫墨，脫墨漿白度、油墨去除率等指標(biāo)均有所提升，脫墨漿性能無明顯變化，脫墨廢水COD降低有助于實(shí)現(xiàn)綠色廢紙制漿。現(xiàn)角質(zhì)酶W5已可用于造紙生產(chǎn)，為提升性價比需繼續(xù)優(yōu)化。