制革醛鞣固體廢棄物的酶法資源化利用

鄭翔 秦夢 高沛汝 秦艷梅 馬清河

（1. 河北省微生物研究所酶工程實驗室，保定 071051；2. 河北大學生命科學學院，保定 071002）

傳統(tǒng)制革工藝流程中，僅有約 30%的原料皮經(jīng)過一系列的加工轉(zhuǎn)化成成品革，其余大部分作為固體廢棄物丟棄［1］。在這些固體廢棄物中，除少量的毛發(fā)、肉渣等非膠原蛋白外，大部分是原皮修邊角料、片灰皮渣、削勻皮屑等膠原蛋白廢棄物［2］。我國制革固廢年產(chǎn)量約40萬t，這些材料含有豐富的蛋白質(zhì)和毛纖維資源［3］，其在廠區(qū)內(nèi)大量堆積，生皮廢料還面臨腐敗散發(fā)惡臭的廢氣污染。早期對固廢焚燒的污染處理方法隨著環(huán)保政策升級已不在適用，若直接將其填埋或露天堆放，可引發(fā)土壤、水體、空氣等環(huán)境污染問題。目前對含蛋白廢屑用酸、堿水解能夠獲得多肽、氨基酸溶液，但產(chǎn)物含羥基和巰基的氨基酸全部被破壞，易產(chǎn)生消旋作用且易造成二次污染［4］；而對含毛纖維的廢屑用人工刀剪獲取毛纖維雖能保證原始質(zhì)量，但其長度短、短毛率、產(chǎn)量低，且人工成本的摻入使得利潤降低［5］；酶可以作用于各類生物大分子，其具有良好的生物相容性，可為制革業(yè)的清潔生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持［6］。而酶法對制革固廢的研究集中在和酸、堿組合處理含鉻危險固廢，亦或與化學法配合從固廢中提取明膠，而對固廢的全流程清潔處置方式研究較少［7］。如何利用清潔工藝處置制革固廢是當前企業(yè)面臨的難題［8-9］。

前期以廢棄的鮮兔尾為對象進行酶解處理，可以將其毛纖維回收再利用。在此基礎(chǔ)上本研究采用JW系列酶制劑處理兔毛皮甲醛工藝鞣制的成品固廢，并對固廢酶解后的毛纖維和皮塊水解液產(chǎn)物進行成分、質(zhì)量分析［10］，從制革固廢中獲取具有經(jīng)濟價值的工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品原料，擬緩解制革業(yè)產(chǎn)生的大量固廢難以清潔化、合理化利用的局面［11-12］。

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

玻璃漏斗式濾器，天津市津騰試驗設(shè)備有限公司；水浴鍋、凱氏定氮儀，北京中興偉業(yè)儀器有限公司；分光光度計，上海申儀實業(yè)有限公司；電熱恒溫干燥箱，上海齊欣科學儀器有限公司；馬弗爐，天津通達實驗電爐廠；液相色譜儀，日立公司；蛋白電泳儀，北京凱元信瑞儀器公司；凝膠成像系統(tǒng)，上海天能科技有限公司；冷凍干燥機，美國SP科學公司；熱泵循環(huán)控溫四聯(lián)鼓，無錫市德潤輕工機械廠；纖維油脂快速抽取器，溫州市大榮紡織儀器有限公司；便攜式白度儀，杭州大成光電儀器有限公司。

兔毛皮甲醛鞣制成品廢料（以下簡稱“固廢”）采集自衡水市大營鎮(zhèn)兔毛皮加工企業(yè)；JW-4系列酶制劑（10 000 U/mL）為本實驗室保藏的微生物菌株發(fā)酵生產(chǎn)并復(fù)配制備的復(fù)合酶制劑；軟化酶、制革防腐劑為市售；表面活性劑、檢測用試劑等為國產(chǎn)分析純。

1.2 方法

1.2.1 固廢的理化性質(zhì) 固廢中游離甲醛、水分及揮發(fā)物、四氯化碳萃取物、總灰分、pH和稀釋差依據(jù)國標QB/T1273-2012 《毛皮化學試驗揮發(fā)物的測定》進行檢測，總氮依據(jù)標準NY/T 2542-2014 《總氮含量測定》用凱氏定氮法測定。

1.2.2 固廢前處理工藝 取固廢30 g，加入到含水1 L，溫度 90℃的轉(zhuǎn)鼓中，在5 r/min，轉(zhuǎn)10 min停10 min的條件下高溫水浴處理3 h。之后冷卻體系溫度至30℃，用終濃度為100 U/mL 軟化酶處理2 h備用或者用1% 表面活性劑處理2 h后清洗取出備用。

1.2.3 固廢酶解工藝 將上一環(huán)節(jié)處理的固廢加入到終濃度為100 U/mL的JW-4復(fù)合酶制劑，0.1%的防腐劑中，在溫度28-35℃，初始pH為7-8，5 r/min且轉(zhuǎn)10 min停10 min的條件下水浴處理3-5 h。待皮塊徹底水解后將毛纖維過濾取出，清洗后自然晾干待分析；酶解液收集后離心，并按終濃度為150 g/L（固廢/水）的比例濃縮為后續(xù)試驗基礎(chǔ)對象進行分析。

1.2.4 兔毛纖維性能分析 將酶法處理固廢收獲的毛纖維與人工從固廢剪下的毛纖維進行物理性能對比，測定指標纖維長度、短毛率，含油率，斷裂強度、斷裂伸長率，白度參照GB/T 13835-2009《兔毛纖維試驗方法》進行檢測［13］。

1.2.5 酶解液成分及用途分析 收集皮塊的酶解液，經(jīng)過濾、離心、濃縮至設(shè)定比例后測定氨基酸濃度、游離甲醛濃度、總灰分、總氮指標，然后凍干后用 SDS-PAGE 電泳分析酶解液中水解蛋白的分子量范圍。

同時將濃縮后的酶解液按 GB/T 17419-1998 《氨基酸水溶葉面肥》測定鈣、鎂元素，重金屬含量等。并將酶解液按 0、5、10、20×的稀釋倍數(shù)培養(yǎng)小麥種子，定期對其根長、株高、鮮重進行測量對比分析［14-15］。

2 結(jié)果

2.1 固廢的理化特性

為實現(xiàn)對固廢的合理利用，需首先明確其理化屬性，按照標準QB/T 1273-2012對其進行測定，結(jié)果見表1，水分及揮發(fā)物、含油率、灰分、總氮4項指標的含量總計94.80%，說明兔毛皮成品固廢的成分較單一，主要由蛋白質(zhì)、脂肪、水分、無機物四類成分構(gòu)成，其中蛋白質(zhì)成分占54.90%，為毛皮塊的主要成分，后續(xù)對固廢的處理和再利用均圍繞蛋白質(zhì)成分開展。

表1 兔毛皮固廢的理化性質(zhì)分析

2.2 毛纖維物理性能比較

按照標準 GB /T 13835.5-2009 對刀剪和酶法回收毛纖維的性能指標進行比對，結(jié)果見表2，刀剪的毛纖維因長度過短而不能檢測，毛纖維的長度是重要的經(jīng)濟指標之一，兔身體部位的毛纖維本身較短，刀剪損失的根部長度使得纖維的經(jīng)濟指標進一步下降。但酶法回收的纖維可以檢測，且纖維斷裂強度和斷裂伸長率與原始兔毛纖維的相差不大，其中毛纖維因酶制劑的顏色附著而使得白度較低，需要經(jīng)過氧化劑或表面活性劑漂洗后作為紡織用原材料。

表2 不同工藝處理后兔毛纖維的物理性質(zhì)

2.3 皮塊酶解液的理化特性

以1.2.3中收集的濃縮酶解液為試驗對象。對其理化性質(zhì)進行檢測，結(jié)果（表3）顯示，游離氨基酸濃度占5.23%，與氨基酸水溶肥要求的≥10%的氨基酸濃度還有一定差距；甲醛的含量為37.34 mg/kg，是初始甲醛總量的67.02%，揮發(fā)的甲醛質(zhì)量約為毛皮固廢質(zhì)量的萬分之一。而酶解液中除去水分外蛋白質(zhì)和灰分占85.35%。

表3 兔毛皮酶解液的理化性質(zhì)分析

將濃縮后的酶解液經(jīng)過凍干后，用 SDS-PAGE分析蛋白分子量分布范圍，由圖1可知，酶膠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。

圖1 酶解液的SDS-PAGE分析

針對酶解液中小分子多肽、氨基酸含量較多的情況，將其作為氨基酸水溶肥料的可行性進行分析評價，對鈣、鎂大量元素和重金屬進行檢測結(jié)果見表4，大量和中量元素總占比為11.30%，其中重金屬砷、鉛、隔、鉻、汞的含量均小于氨基酸葉面肥國家標準 GB/T 17419-1998 內(nèi)相應(yīng)指標的含量最高限。

2.4 酶解液的初步應(yīng)用

將濃縮后的酶解液按 0、5、10、20×的稀釋倍數(shù)培養(yǎng)小麥種子，定期對其根長、株高、鮮重進行對比分析（圖2）發(fā)現(xiàn)，酶解液可促進小麥種子提前1 d生根，且能夠促進植株的生長，在培養(yǎng)6 d后取出測量鮮重，發(fā)現(xiàn)10×酶解液處理的小麥種子鮮重比對照高13%。

表4 酶解液中各元素含量分析

圖2 不同稀釋倍數(shù)酶解液培養(yǎng)小麥種子生長情況

3 討論

酶制劑在輕工行業(yè)的應(yīng)用已開展得比較深入，其在制革行業(yè)中有浸水酶、軟化酶、浸灰酶等。酶作為一種生物制劑，能夠促進制革行業(yè)清潔生產(chǎn)的實施，降低化學工藝污染物的排放。但在制革固體廢棄物領(lǐng)域的處置，尤其是對固廢的資源化利用在以化學工藝高效、穩(wěn)定的處理方式下清潔的酶法工藝未凸顯其優(yōu)勢。目前我國制革固體廢棄物的處置重點是解決減量化和無害化問題，比如用酶與酸、堿法組合對含鉻危廢進行脫鉻［16］，或用酶與化學試劑復(fù)合提取固廢中的蛋白材料制備明膠［17］。在國家實行工業(yè)固體廢棄物排污許可制度，要求推進固體廢棄物資源化利用，提高皮革行業(yè)清潔化、規(guī)模化、高值化發(fā)展水平的背景下，如何對制革固廢進行清潔、高值化利用，是當下最緊迫需要解決的問題。而目前不論是一般固廢還是危險固廢用清潔化手段進行處置的研究較少，而對于甲醛鞣質(zhì)的毛皮固廢的清潔化處置研究更是未見報道。

本研究通過用微生物來源的復(fù)合酶制劑處理甲醛鞣制的兔毛皮成品廢料，可資源化回收兔毛纖維和皮塊酶解液。其中兔毛纖維在長度和力學性能等綜合指標上相對于刀剪和化學法回收的毛纖維具有明顯優(yōu)勢，但纖維白度較低［18］；而酶解液中的蛋白可被回收利用，蛋白水解不徹底可以制備工業(yè)明膠，也可經(jīng)過深加工［19-20］將大分子蛋白水解成富含游離氨基酸的溶液［21］，并螯合作物生長所需元素制成肥料在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用［22］。但需考慮制品中甲醛含量問題［23］。雖然建立了醛鞣制革固廢的清潔化處置工藝，但研究內(nèi)容還不夠完善。只有對產(chǎn)物的高值化進行開發(fā)，如制備高質(zhì)量的毛纖維或者高附加值的蛋白水解產(chǎn)品，才能夠真正將酶制劑的清潔化應(yīng)用工藝大規(guī)模推廣。

4 結(jié)論

本研究用生物酶法清潔化處理醛鞣成品廢料，回收毛纖維及蛋白酶解液，是一種制革固廢的清潔化、資源化再利用工藝。酶處理回收的兔毛纖維在長度、斷裂強度和斷裂伸長率中具有優(yōu)勢，可以作為紡織原料。酶解液中含有豐富的≤ 5 kD的多肽、氨基酸，其中氨基酸濃度為 5.23%，游離甲醛含量為37.34 mg/kg，酶解液能夠促進小麥種子提前1 d生根，培養(yǎng)6 d后提高植株鮮重13%。