角質酶W5應用于混合辦公廢紙脫墨的研究

馮國華，李 強，曾文欖

（廣東溢多利生物科技股份有限公司，廣東珠海 519060）

為了規范進口廢紙的加工利用和污染防治，近幾年國家收緊了廢紙進口指標，使得回收廢紙價格高漲。以廢紙為原料的造紙生產企業為保證企業效益及適應環境要求紛紛努力提高生產效率，改進生產工藝優化廢紙利用率。用堿法化學工藝處理辦公廢紙進行脫墨凈化纖維是傳統辦公廢紙脫墨方式。隨著生物技術的發展，現階段酶制劑應用于傳統工業生產尤其是造紙工業已實現產業化。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]，適當的酶處理還可以減少造紙過程中膠粘物的累積，以實現清潔生產[2]。

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

由于角質酶對纖維處理的特異性及效果，本實驗研究了廣東溢多利生物科技股份有限公司生產的角質酶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、反應時間以及酶用量的優化參數。

1 實驗

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:角質酶W5，廣東溢多利生物科技股份有限公司自產（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，咸陽泰思特有限公司；PL13-00型實驗室浮選脫墨機，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，加入所需體積和溫度的水、角質酶W5及助劑，開動碎漿機進行碎漿，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）紙張的撕裂強度、抗張強度、耐破強度、白度和殘余油墨值分別按TAPPI標準 T414（2004）、T494（21）、T403（22）、T452（28）和 T205（1995）測試。

（2）廢水COD按國家標準GB11914—1989測試。

（3）角質酶活力按行業標準QB/T 4915—2016測試。

（4）油墨去除率和纖維流失率的計算:

2 結果與討論

2.1 酶學特性分析

角質酶（cutinase，EC 3.1.1.74）是一種能破壞角質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道屏障角質所需要的酶。角質酶屬于α/β水解酶家族，可降解不溶性甘油三酯、可溶性酯和角質等聚酯[4]。目前國內外對角質酶的研究主要集中在真菌來源酶[5]，本實驗所用角質酶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化后所產酶制劑。

2.1.1 溫度對酶活性的影響

酶解反應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分子動能增加，碰撞幾率增加，反應速度升高；另一方面，隨溫度升高酶蛋白會逐漸變性，酶分子結構受到破壞從而喪失部分催化活性，反應速度下降[6]。因此，酶要達到其作用效果須溫度適宜。在pH、反應時間等其他條件恒定下，酶有一最適反應溫度，這時酶的反應活性最大，當然隨溫度變化其反應活性會變化，這是一個動態平衡。溫度對角質酶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，角質酶W5的活性在溫度30～80℃范圍內隨溫度變化先升高后降低，60℃時酶活性最高。這是由于當溫度升高時，酶與底物反應速度增加，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，酶解反應及酶蛋白變性動態平衡的結果。角質酶W5在溫度50～70℃有較高活性且變化幅度小，故其應用溫度范圍較寬可應用于造紙行業。

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，所以它和酶的最穩定pH不一定相同。pH對酶反應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的常用手段。不適當的pH使酶的空間結構破壞，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化應用的重要依據。pH對角質酶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的解離狀態受到影響，pH升高時其與底物結合或結合后生成產物效率先上升而后下降導致。角質酶W5在pH為7.5～9.0時均能保持較高酶活性，其可適應二次纖維預處理pH環境。

2.2 角質酶W5脫墨工藝的優化

經過對角質酶W5的特性分析，為貼近生產應用選取pH=8.0，溫度為50℃條件下對脫墨效果產生影響的主要因素: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，進行正交試驗結果及極差分析，結果見表1。

表1 角質酶W5處理辦公費紙脫墨正交試驗設計及極差分析結果

白度與油墨去除率是評價脫墨漿質量的重要指標，根據具體生產實際纖維流失率也是脫墨漿生產線主要考核指標之一。從表1極差分析結果，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定性關聯最大，為保證脫墨漿質量應優先滿足白度及油墨去除率指標，綜合選擇A2條件最優。從極差分析看，因素B（碎漿時間）影響油墨去除率指標較為明顯，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。因素C（酶用量）對脫墨漿各指標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為最優條件。經正交試驗確定角質酶W5辦公廢紙脫墨的最佳工藝條件為A2B3C3，即脫墨漿質量分數為10%，碎漿時間為30 min，酶用量為150 u/g（絕干漿）。

2.3 優化工藝驗證及脫墨漿質量檢測

經優化角質酶W5脫墨工藝，選取碎漿溫度為50℃、pH=8.0、碎漿時間為30 min、脫墨漿質量分數為10%、酶用量為150 u/g（絕干漿）條件進行脫墨試驗，結果見表2。

表2 角質酶W5脫墨實驗的紙漿性能比較

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

為驗證角質酶W5在脫墨過程中的效果，對試驗各段廢水進行了取樣分析，其結果見表3。

表3 角質酶W5脫墨實驗的廢水COD比較 mg/L

由表3看出，角質酶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，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?？偯撃珡U水COD降低47%，說明角質酶W5用于混合辦公廢紙脫墨可有效降低廢水污染負荷，有利于清潔生產。

3 結論

（1）角質酶W5是溫度及pH適應范圍較廣的酶制劑，在常規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:脫墨漿質量分數為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）經角質酶W5預處理混合辦公廢紙脫墨，脫墨漿白度、油墨去除率等指標均有所提升，脫墨漿性能無明顯變化，脫墨廢水COD降低有助于實現綠色廢紙制漿?，F角質酶W5已可用于造紙生產，為提升性價比需繼續優化。