制革醛鞣固体废弃物的酶法资源化利用

郑翔 秦梦 高沛汝 秦艳梅 马清河

（1. 河北省微生物研究所酶工程实验室，保定 071051；2. 河北大学生命科学学院，保定 071002）

传统制革工艺流程中，仅有约 30%的原料皮经过一系列的加工转化成成品革，其余大部分作为固体废弃物丢弃［1］。在这些固体废弃物中，除少量的毛发、肉渣等非胶原蛋白外，大部分是原皮修边角料、片灰皮渣、削匀皮屑等胶原蛋白废弃物［2］。我国制革固废年产量约40万t，这些材料含有丰富的蛋白质和毛纤维资源［3］，其在厂区内大量堆积，生皮废料还面临腐败散发恶臭的废气污染。早期对固废焚烧的污染处理方法随着环保政策升级已不在适用，若直接将其填埋或露天堆放，可引发土壤、水体、空气等环境污染问题。目前对含蛋白废屑用酸、碱水解能够获得多肽、氨基酸溶液，但产物含羟基和巯基的氨基酸全部被破坏，易产生消旋作用且易造成二次污染［4］；而对含毛纤维的废屑用人工刀剪获取毛纤维虽能保证原始质量，但其长度短、短毛率、产量低，且人工成本的掺入使得利润降低［5］；酶可以作用于各类生物大分子，其具有良好的生物相容性，可为制革业的清洁生产和可持续发展提供技术支持［6］。而酶法对制革固废的研究集中在和酸、碱组合处理含铬危险固废，亦或与化学法配合从固废中提取明胶，而对固废的全流程清洁处置方式研究较少［7］。如何利用清洁工艺处置制革固废是当前企业面临的难题［8-9］。

前期以废弃的鲜兔尾为对象进行酶解处理，可以将其毛纤维回收再利用。在此基础上本研究采用JW系列酶制剂处理兔毛皮甲醛工艺鞣制的成品固废，并对固废酶解后的毛纤维和皮块水解液产物进行成分、质量分析［10］，从制革固废中获取具有经济价值的工农业产品原料，拟缓解制革业产生的大量固废难以清洁化、合理化利用的局面［11-12］。

1 材料与方法

1.1 仪器与材料

玻璃漏斗式滤器，天津市津腾试验设备有限公司；水浴锅、凯氏定氮仪，北京中兴伟业仪器有限公司；分光光度计，上海申仪实业有限公司；电热恒温干燥箱，上海齐欣科学仪器有限公司；马弗炉，天津通达实验电炉厂；液相色谱仪，日立公司；蛋白电泳仪，北京凯元信瑞仪器公司；凝胶成像系统，上海天能科技有限公司；冷冻干燥机，美国SP科学公司；热泵循环控温四联鼓，无锡市德润轻工机械厂；纤维油脂快速抽取器，温州市大荣纺织仪器有限公司；便携式白度仪，杭州大成光电仪器有限公司。

兔毛皮甲醛鞣制成品废料（以下简称“固废”）采集自衡水市大营镇兔毛皮加工企业；JW-4系列酶制剂（10 000 U/mL）为本实验室保藏的微生物菌株发酵生产并复配制备的复合酶制剂；软化酶、制革防腐剂为市售；表面活性剂、检测用试剂等为国产分析纯。

1.2 方法

1.2.1 固废的理化性质 固废中游离甲醛、水分及挥发物、四氯化碳萃取物、总灰分、pH和稀释差依据国标QB/T1273-2012 《毛皮化学试验挥发物的测定》进行检测，总氮依据标准NY/T 2542-2014 《总氮含量测定》用凯氏定氮法测定。

1.2.2 固废前处理工艺 取固废30 g，加入到含水1 L，温度 90℃的转鼓中，在5 r/min，转10 min停10 min的条件下高温水浴处理3 h。之后冷却体系温度至30℃，用终浓度为100 U/mL 软化酶处理2 h备用或者用1% 表面活性剂处理2 h后清洗取出备用。

1.2.3 固废酶解工艺 将上一环节处理的固废加入到终浓度为100 U/mL的JW-4复合酶制剂，0.1%的防腐剂中，在温度28-35℃，初始pH为7-8，5 r/min且转10 min停10 min的条件下水浴处理3-5 h。待皮块彻底水解后将毛纤维过滤取出，清洗后自然晾干待分析；酶解液收集后离心，并按终浓度为150 g/L（固废/水）的比例浓缩为后续试验基础对象进行分析。

1.2.4 兔毛纤维性能分析 将酶法处理固废收获的毛纤维与人工从固废剪下的毛纤维进行物理性能对比，测定指标纤维长度、短毛率，含油率，断裂强度、断裂伸长率，白度参照GB/T 13835-2009《兔毛纤维试验方法》进行检测［13］。

1.2.5 酶解液成分及用途分析 收集皮块的酶解液，经过滤、离心、浓缩至设定比例后测定氨基酸浓度、游离甲醛浓度、总灰分、总氮指标，然后冻干后用 SDS-PAGE 电泳分析酶解液中水解蛋白的分子量范围。

同时将浓缩后的酶解液按 GB/T 17419-1998 《氨基酸水溶叶面肥》测定钙、镁元素，重金属含量等。并将酶解液按 0、5、10、20×的稀释倍数培养小麦种子，定期对其根长、株高、鲜重进行测量对比分析［14-15］。

2 结果

2.1 固废的理化特性

为实现对固废的合理利用，需首先明确其理化属性，按照标准QB/T 1273-2012对其进行测定，结果见表1，水分及挥发物、含油率、灰分、总氮4项指标的含量总计94.80%，说明兔毛皮成品固废的成分较单一，主要由蛋白质、脂肪、水分、无机物四类成分构成，其中蛋白质成分占54.90%，为毛皮块的主要成分，后续对固废的处理和再利用均围绕蛋白质成分开展。

表1 兔毛皮固废的理化性质分析

2.2 毛纤维物理性能比较

按照标准 GB /T 13835.5-2009 对刀剪和酶法回收毛纤维的性能指标进行比对，结果见表2，刀剪的毛纤维因长度过短而不能检测，毛纤维的长度是重要的经济指标之一，兔身体部位的毛纤维本身较短，刀剪损失的根部长度使得纤维的经济指标进一步下降。但酶法回收的纤维可以检测，且纤维断裂强度和断裂伸长率与原始兔毛纤维的相差不大，其中毛纤维因酶制剂的颜色附着而使得白度较低，需要经过氧化剂或表面活性剂漂洗后作为纺织用原材料。

表2 不同工艺处理后兔毛纤维的物理性质

2.3 皮块酶解液的理化特性

以1.2.3中收集的浓缩酶解液为试验对象。对其理化性质进行检测，结果（表3）显示，游离氨基酸浓度占5.23%，与氨基酸水溶肥要求的≥10%的氨基酸浓度还有一定差距；甲醛的含量为37.34 mg/kg，是初始甲醛总量的67.02%，挥发的甲醛质量约为毛皮固废质量的万分之一。而酶解液中除去水分外蛋白质和灰分占85.35%。

表3 兔毛皮酶解液的理化性质分析

将浓缩后的酶解液经过冻干后，用 SDS-PAGE分析蛋白分子量分布范围，由图1可知，酶胶原蛋白的解液中含有大量的5 kD以下的多肽、氨基酸，也有少量大于20 kD的未被酶降解的大分子蛋白。

图1 酶解液的SDS-PAGE分析

针对酶解液中小分子多肽、氨基酸含量较多的情况，将其作为氨基酸水溶肥料的可行性进行分析评价，对钙、镁大量元素和重金属进行检测结果见表4，大量和中量元素总占比为11.30%，其中重金属砷、铅、隔、铬、汞的含量均小于氨基酸叶面肥国家标准 GB/T 17419-1998 内相应指标的含量最高限。

2.4 酶解液的初步应用

将浓缩后的酶解液按 0、5、10、20×的稀释倍数培养小麦种子，定期对其根长、株高、鲜重进行对比分析（图2）发现，酶解液可促进小麦种子提前1 d生根，且能够促进植株的生长，在培养6 d后取出测量鲜重，发现10×酶解液处理的小麦种子鲜重比对照高13%。

表4 酶解液中各元素含量分析

图2 不同稀释倍数酶解液培养小麦种子生长情况

3 讨论

酶制剂在轻工行业的应用已开展得比较深入，其在制革行业中有浸水酶、软化酶、浸灰酶等。酶作为一种生物制剂，能够促进制革行业清洁生产的实施，降低化学工艺污染物的排放。但在制革固体废弃物领域的处置，尤其是对固废的资源化利用在以化学工艺高效、稳定的处理方式下清洁的酶法工艺未凸显其优势。目前我国制革固体废弃物的处置重点是解决减量化和无害化问题，比如用酶与酸、碱法组合对含铬危废进行脱铬［16］，或用酶与化学试剂复合提取固废中的蛋白材料制备明胶［17］。在国家实行工业固体废弃物排污许可制度，要求推进固体废弃物资源化利用，提高皮革行业清洁化、规模化、高值化发展水平的背景下，如何对制革固废进行清洁、高值化利用，是当下最紧迫需要解决的问题。而目前不论是一般固废还是危险固废用清洁化手段进行处置的研究较少，而对于甲醛鞣质的毛皮固废的清洁化处置研究更是未见报道。

本研究通过用微生物来源的复合酶制剂处理甲醛鞣制的兔毛皮成品废料，可资源化回收兔毛纤维和皮块酶解液。其中兔毛纤维在长度和力学性能等综合指标上相对于刀剪和化学法回收的毛纤维具有明显优势，但纤维白度较低［18］；而酶解液中的蛋白可被回收利用，蛋白水解不彻底可以制备工业明胶，也可经过深加工［19-20］将大分子蛋白水解成富含游离氨基酸的溶液［21］，并螯合作物生长所需元素制成肥料在农业中应用［22］。但需考虑制品中甲醛含量问题［23］。虽然建立了醛鞣制革固废的清洁化处置工艺，但研究内容还不够完善。只有对产物的高值化进行开发，如制备高质量的毛纤维或者高附加值的蛋白水解产品，才能够真正将酶制剂的清洁化应用工艺大规模推广。

4 结论

本研究用生物酶法清洁化处理醛鞣成品废料，回收毛纤维及蛋白酶解液，是一种制革固废的清洁化、资源化再利用工艺。酶处理回收的兔毛纤维在长度、断裂强度和断裂伸长率中具有优势，可以作为纺织原料。酶解液中含有丰富的≤ 5 kD的多肽、氨基酸，其中氨基酸浓度为 5.23%，游离甲醛含量为37.34 mg/kg，酶解液能够促进小麦种子提前1 d生根，培养6 d后提高植株鲜重13%。