纤维素酶水解造纸污泥的工艺优化及水解产物分析

刘 睿 韩 卿 钱威威 彭新文

(1.陕西科技大学轻工与能源学院,陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室,陕西西安,710021；2.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510641)



·造纸污泥改性·

纤维素酶水解造纸污泥的工艺优化及水解产物分析

刘 睿1,2韩 卿1,2钱威威1,2彭新文2

采用纤维素酶对造纸厂二沉池污泥进行水解处理,将污泥中的纤维素水解为小分子还原糖物质，为污泥制备复合材料提供更好的表面特性。探讨了酶水解造纸污泥的适宜工艺条件,进一步对水解产物进行了分析表征。结果表明,当反应温度60℃、pH值5.0、反应时间32.0 h、酶用量60.0 U/g、底物质量分数7.0%时,酶水解效果最好,污泥表面疏水性明显提高；污泥经水解后,其水解液中的化学需氧量和还原糖含量之间存在着良好的对应关系；对水解前后污泥试样的红外光谱分析显示,经纤维素酶水解后污泥中的部分纤维素组分可能水解成了葡萄糖类还原糖。

造纸污泥；纤维素酶水解；分析与表征

(*E-mail: 410256949@qq.com)

造纸污泥是制浆造纸过程产生的生物质固体废物,通常有废水污泥、脱墨污泥和碱回收白泥等。对于脱墨污泥和碱回收白泥的资源化利用已经有较为成熟的处理处置方法,如制作污泥纸板和造纸填料等[1-2],但废水污泥由于含水率较高和产量较大等问题,目前尚未找到一种行之有效的方法对其进行综合利用。据统计,造纸废水污泥是同等处理能力的城市污水处理厂产生污泥量的5~10倍[3]。尽管造纸废水污泥的组分较为复杂,但由于其有机质含量较高,且一般不含重金属物质,应该具有较高的综合利用价值,同时由于该类污泥存在着脱水难度较大的问题[4],目前,无论造纸企业采用填埋、焚烧和投海等方法对生产的废水污泥如何进行处理和处置,都不同程度地存在着占用土地和二次污染环境的问题,且资源利用率较低[5]。因此，对造纸废水污泥资源化利用方面的研究成为了近年来国内外学术界的热点课题。

利用造纸废水污泥中矿物质和有机质为填料,应用于复合材料的制备是实现该类污泥资源化利用的有效途径之一[6],但需要解决的主要问题是有效脱水和提高污泥颗粒与其他热塑性树脂的界面相容性。造纸污泥大分子结构中大量亲水基团(如羟基的存在)使其具有亲水性,导致其与热塑性树脂的界面相容性较差,从而对目标复合材料的质量性能产生不利影响。对造纸污泥进行改性活化处理以提高污泥颗粒的亲油疏水性,达到改善造纸污泥与有机高聚物界面相容的目的[7]。生物酶水解是对造纸污泥进行改性的一种新方法,具有成本低、效率高和反应条件温和等优点[8]。Maryam Edalatmanesh等人[9]分别采用漆酶和脂肪酶对造纸污泥进行预处理后,与尼龙共混成功可制备出性能良好的尼龙-污泥复合材料,但相关作用机理还有待做进一步研究。

本实验将纤维素酶用于造纸废水污泥的预改性处理,目的是利用其对污泥中纤维素组分的特定水解作用,将污泥中的纤维素水解为小分子还原糖类物质,同时有望改变污泥颗粒的表面极性特性。纤维素预水解对造纸废水污泥的水解效率及其固相颗粒在石蜡中沉降性能(即亲油疏水性)的影响、水解液中还原糖的生成情况及其相关作用机理等将是本文探讨的主要问题。通过对以上问题的研究,旨在为造纸废水污泥在复合材料制备等领域中的资源化利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

造纸污泥，取自国内某制浆造纸综合企业废水处理厂的终端污泥脱水机,该厂主要以麦草为原料生产化学纸浆制造多种文化用纸。污泥封存于聚氯乙烯包装袋中在5℃左右条件下贮存冷藏柜中,备用。污泥主要组分的分析结果如表1所示。

表1 造纸污泥的主要组分

纤维素酶：酶活20000 U/g,中国国内某生物工程公司提供。

1.2 主要仪器

DHG-9053A电热恒温鼓风干燥箱；PC202-S电子天平；THZ- 82A水浴恒温震荡器；LD4-2A离心机；HCA-100 COD消解器；722S可见光分光光度计；VECTOR-22傅里叶红外光谱仪。

1.3 实验方法

1.3.1 酶水解

取污泥试样适量于250 mL的锥形瓶中,用pH值5.0的醋酸-醋酸钠缓冲溶液配置不同浓度的反应体系,然后加入计量的纤维素酶。将反应体系置于水浴恒温振荡器中进行反应。反应结束后,将混合物在离心机上以4000 r/min的转速离心10 min,取上层清液和沉积物作为待分析试样。

1.3.2 酶水解效率和沉降时间的测定

污泥试样经纤维素酶水解处理后,通过酶解效率和污泥在水中的沉降时间两个指标来反应纤维素酶水解造纸污泥的效果。酶水解效率以酶水解前后污泥绝干质量差占水解前污泥绝干质量的百分数表示；污泥沉降时间以相当于0.3 g绝干质量的污泥在10 mL石蜡液体中静置至污泥全部沉降所需的时间表示。污泥表面极性的变化通过其固相粒子在石蜡液体中沉降的时间表示,石蜡液体属于油相介质,污泥粒子在该介质中的沉降时间直接反应了污泥粒子表面的亲油疏水性,污泥本身呈亲水性,在石蜡液体中沉降非常快,若表面极性有所改变,其在石蜡中的沉降速率则会降低,所以该指标间接反映了污泥表面的极性变化。

1.3.3 水解液中COD和还原糖的测定

水解液中的COD按国家标准(GB 11914—1989)测定[10],水解液中还原糖采用3,5-二硝基水杨酸(DNS)法[11]测定。采用DNS法测定水解液中还原糖时,葡萄糖标准曲线如图1所示,其中标准曲线方程为Y=0.5107X-00022。通过测定水解液(稀释10倍)的吸光度在标准曲线上查找对应葡萄糖浓度。

图1 DNS法测定水解液还原糖含量时的葡萄糖标准曲线

2 结果与讨论

2.1 纤维素酶水解造纸污泥工艺条件的优化

为了简化实验过程,在固定反应温度为60℃和体系pH值为5.0的情况下,就纤维素酶水解造纸污泥过程中的其他关键因素如反应时间、酶用量和底物质量分数对污泥水解效果的影响进行了3因素5水平正交实验优化研究。正交实验结果及其极差分析分别见表2和表3所示。

表2 纤维素酶水解过程各因素对污泥的水解效果

由表3可见,纤维素酶水解造纸污泥过程中各因素对造纸污泥的酶解效率和沉降时间的影响次序均为时间>酶用量>底物质量分数,说明造纸污泥酶解效率与水解后污泥的沉降时间在受影响程度上呈现出一致性。污泥颗粒的亲水性主要由其中有机大分子物质所含的羟基决定,经纤维素酶水解后,污泥中的纤维素物质受到一定程度的降解破坏,使其羟基数目减少,表观上呈现出污泥颗粒表面亲水性减弱,即亲油性增强,以致其在石蜡液体中的沉降时间延长。

表3 实验结果极差分析

通过以上正交实验得出的纤维素酶水解造纸污泥的最佳反应条件为：温度60℃,pH值5.0,时间32.0 h,酶用量60.0 U/g,底物质量分数7.0%。按此条件进行验证实验,得出该实验条件下的酶解效率为14.9%,酶水解之后污泥的沉降时间为200 min。

2.2 纤维素酶水解前后造纸污泥的红外光谱分析

图2 纤维素酶水解前后造纸污泥的红外光谱图

2.3 纤维素酶水解前后造纸污泥的微观形貌分析

造纸污泥经纤维素酶水解前后的微观形貌变化如图3所示。由图3可以看出,经纤维素酶处理后,污泥的颗粒明显减小,这使得污泥颗粒的比表面积增大,从而有利于提高污泥颗粒的表面自由能。造纸污泥中所含的纤维为细小纤维,在未经处理的污泥SEM图中,看不到明显的纤维存在,说明细小纤维被包裹在造纸污泥的内部,从而形成絮聚团结构,使用纤维素酶进行水解处理,污泥中的纤维素被水解,使得污泥絮聚团被破坏,从而污泥颗粒有所减小。

图3 纤维素酶水解前后造纸污泥的SEM图(×80 k)

2.4 纤维素酶水解造纸污泥对水解液成分的影响

2.4.1 水解液中COD及还原糖含量的分析

对以上正交实验过程中得到水解液进行COD及还原糖含量的分析,结果如图4所示。

从图4可以看出,不同水解反应条件下所得水解液中的COD与还原糖含量的变化趋势呈现出良好的一致性。COD在本质上反映了一种水相体系中还原性物质的多少,而还原糖含量的增加提高了水解液的还原性物质含量。由此可见,COD和还原糖含量的测定都可作为考察和推断纤维素酶水解造纸污泥程度的度量指标。造纸污泥未经纤维素酶处理前其上清液的CODCr为985 mg/mL,由图4还可以发现,经酶水解后水解液的CODCr均有所增加,说明水解液中还原性物质增加,推断其来自纤维素酶水解污泥中的纤维素为还原糖所致。研究发现,在纤维素酶水解造纸污泥过程中水解液中的还原糖含量最高也仅为8 mg/mL左右,这说明污泥中纤维素转化为葡萄糖的效率较差,由此可以推断如果将此类水解液用来发酵制备乙醇等物质以实现综合利用的实践价值可能不会太高。

2.4.2 水解液可溶性物质的红外光谱图分析

图5 污泥水解液与葡萄糖溶液的红外光谱图

3 结 论

3.1 纤维素酶水解造纸污泥的最佳工艺条件为：温度60℃,pH值5.0,反应时间32.0 h,酶用量60.0 U/g,底物质量分数7.0%。

3.2 经纤维素酶水解后造纸污泥在石蜡液体中的沉降时间明显提高,污泥亲油疏水性增大,说明造纸污泥中纤维素的降解有利于降低污泥的亲水性。

3.3 纤维素酶水解造纸污泥后产生的水解液中COD与还原糖含量呈现出一致的变化趋势,且水解液中污泥成分的分子结构与葡萄糖具有相近的分子结构特征,说明造纸污泥中的纤维素被水解为还原糖进入水解液,从而导致污泥表面—OH减少,亲水性降低。

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Process Optimization and Analysis of Hydrolyzate in Paper Mill Sludge Hydrolysis with Cellulase

LIU Rui1,2,*HAN Qing1,2QIAN Wei-wei1,2PENG Xin-wen2

(1.CollegeofLightIndustryandEnergyResources,ShannxiProvinceKeyLabofPapermakingTechnologyandSpecialtyPaper,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021; 2.TheStateKeyLabofPulpandPaperEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince, 510641)

The optimum conditions of enzymatic hydrolysis of paper mill sludge by cellulose was studied, the suitable technological conditions of enzymatic hydrolysis of paper mill sludge were discussed, and the characterization of the hydrolyzate was further analyzed. The results showed that the optimum conditions of enzymatic hydrolysis of paper mill sludge were as follows: temperature was 60℃, pH value 5.0, the reaction time 32.0 h, enzyme dosage 60.0 U/g, substrate concentration 7.0%. After hydrolysis, these was good corresponding relations between oxygen demand (COD) and reducing sugar content of the hydrolysis liquor, infrared spectrum analysis of sludge samples before and after hydrolysis showed that part of cellulose in the sludge probably was hydrolyzed into glucose reducing sugar by enzymatic hydrolysis.

papermaking sludge; cellulase hydrolysis; analysis and characterization

刘 睿女士，在读硕士研究生；研究方向：利用纤维素酶改性造纸污泥。

(1.陕西科技大学轻工与能源学院,陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室,陕西西安,710021；2.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510641)

TS79; X793.

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.01.008

2015- 09-23(修改稿)

华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室开放基金(201314)。