（林产化学加工工程专业论文）生物法去除制浆黑液中木聚糖的研究.pdf

摘要 本论文研究了木聚糖酶在纯化制浆黑液中木质素的应用，用酶水解制浆黑液( 本论文 中制浆黑液由粗碱木质素加水配制而成，所以以下称木素黑液) 中的高聚合度的木聚糖， 对酶解的实验条件进行了摸索，确定了最佳工艺条件；还研究了木素黑液用切割分子量 1 0 0 0 的膜进行超滤处理时，超滤规律、膜面污染和超滤处理对酶解的影响；酶解得到的低 聚合度的低聚木糖和木糖，再用产朊假丝酵母和树干毕赤酵母发酵，最终达到除去木聚糖 和纯化木素的目的。主要研究结果如下： 木聚糖酶解木素黑液中的木聚糖，木聚糖酶的最适p h 在4 5 5 0 之间，最适温度 4 0 一5 0 ，p h 值4 8 、温度4 5 时，除糖率最高。酶解时间8 h 最佳，除糖率最高，而酶解 时间为4 h 的除糖率与酶解8 h 除糖率相差不到5 ，因此从实际出发，采用酶解时间4 h 为 最佳。底物浓度对酶解效率也有影响，木素黑液固形物浓度越低，除糖率越高，反之，除 糖率越低。 木素黑液中加酶量对除糖率影响很大，加酶量在1 3 3 ( 体积比) ，除糖率达到最高，再 增加除糖率变化。木聚糖酶活对酶解木聚糖有一定的影响，酶活有一极限值，当酶活小于 此值时，酶活越小，除糖率越低；酶活大于此值时，除糖率不再受酶活的影响。 采用木聚糖酶最佳酶解条件：p h 值4 8 ，温度4 5 ，酶解时间4 h ，加酶量为1 3 3 ( 体 积比) ，酶活大于极限值，固形物浓度为2 0 9 儿，6 0 9 几，1 0 0 9 l ，除糖率分别为6 5 4 7 ， 5 0 6 2 ，4 0 6 2 。 木素黑液在超滤过程中，溶剂透过率随操作压力的增加而增加，到达极限透过率时， 溶剂透过率不再随操作压力的变化而变化；进料速度对溶剂透过率没有太大的影响。固形 物浓度低于8 0 9 l 时，溶剂透过率随着浓度的增加而减小；固形物浓度高于8 0 9 几时，浓 度对溶剂透过率影响不大。膜易污染，而采用间歇送液可以适当缓解膜面污染，同时说明 膜面污染部分是可逆的。 超滤对木素黑液酶解除糖率有一定的影响，间歇超滤比连续超滤对酶解除糖率的影响 更大。在相同的超滤条件下，固形物浓度越高，超滤处理对酶解除糖率影响越小。 产朊假丝酵母和树干毕赤酵母都是戊糖发酵菌种，对两种酵母进行驯化，使其适应木 素黑液复杂环境。经驯化后，两种酵母对木糖和葡萄糖的混合糖利用率很高，能够达到8 0 ， 当底物浓度很高时，糖的利用率略有所下降。 产朊假丝酵母发酵木素黑液的稀酸水解液，除糖率很高，发酵7 2 h ，除糖率能够达到 9 0 ；发酵经木聚糖酶解的木素黑液中的低聚木糖和木糖，发酵7 2 h ，除糖率达到8 5 左 右。因此产朊假丝酵母能够代谢低聚木糖。 树干毕赤酵母发酵稀酸水解液，发酵3 6 h ，除糖率为8 8 ，但经过几轮发酵后，除糖 率有所下降。而发酵木聚糖酶解液，除糖率很低。 关健词：制浆黑液，木聚糖酶，酶解，除糖率，超滤，发酵 s t u d y o nt h er e m o v a lo fx y l a nf t - o m p u l p i n g b l a c k l i q u o r b yb i o l o g i c a im e t h o d a b s t r a c t x y l a n 嬲ew a su s c di nt l l e 船枷e n to fl i g i l i nb l a c kl i q u o r ，i n v 0 1 v i n gm e u s eo fe n z y m et o h y d r 0 1 y z cm ex y l a i lo f1 1 i 曲d e g r c eo fp o l y m e r i z a t i o ni nm eu g i l i nb l a c kl i q u o r l es e a r c l l i n go f t h ep r o p e r l a b o r a t o i yc o 删d o n so fe f t z y m a t i ch y d r o l y s i s ，t h c 叩t i i i i i z a t i o n 0 ft l l e p r o c e s s c o n d i t i o 芏l sa n dm ee n h a n c e m e n to ft b es u g a m m o v i n g 觚o t h ee f t e c t o fi l l 嘶1 廿a t i o n ， m e m b r a n ef o u l i n ga n du h a f i h 撕o no 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dc o u l ds l o wm e m b m ef 如l i i i 昏a i l da t 也es a m e 幽e 丑c o u l d e x p l a i n t 圭l a tm e m b r a n e f 8 u l i n gw a sp a r n y r e v c r s i b l e u l 蜘同仃a t i o h a ds o n l ee f e c to n 蛐g o v i n gr a 廿oo f1 i g n i nb l a c kl i q u o lb a t c h u l 廿a f i n r a t i o nh a d g r e a t e re 腩c t o ns u g 小r e i n o v i n gr 越om a nc o 而n u o u su l 劬f i l 嘣i o n u n d e r 山e s 帅ec o n d i 吐o n s ，u l t r a f i l 吨幻nh a dl e s s i m p a c t o ns u g 扑r e m o v i n gr a t i ow i mt l i 曲e rs o i i d c o n c e n t r a t i o n b o m删良缸“打胁a i l d 爿砒胁s 咖f 出c o u l df e n l l e n tp e n t o s e s b o my e a s t s a f t e r d o i e s d c a t i o n w e r e a d a p t e d t o l i g r i i n b l a c k 1 i q u o rs u 咖n d i n g s ， s ot h eu t i l 主z a t i o n o f g l u c o s e x y l o s ei l l i x t u r e w a sv e r yh i g h ，r e a c t l i n g8 0 w h e ns u b s t r a 把c o n c e n t r a 廿o nw a sh i g h ， t h eu t i l i z a t i o no f t h em i x t u r ed c c r e a s e dal i m e u s i n go 矾d 渤“耐括t o f e l l i l e n ta c i d h y d r o l y s i s s o l u t i o no fl i g n i nb l a c kl i q u 瓯t h e s u g a f - r e m o v i n g r a d ow a s h i g h ，r e 8 c h i n g9 0 a f t e r 参目曩n e ! 啦n g 7 2 h w h e nf b f 戤n t i n g x y l o o l i g o s a c c h 撕d e 锄dx y l o s e 山u 曲x y l a n a s eh y d r o l y s i s ，m es u g a r r e m o v i n g 删oc o u l d r e a c ha b o u t8 5 a f t e rf c n e n t i n g7 2 h s oc h 玎函如“f f 凰c o u l dm e t a b o l i z ex y l o o l i g o s a c c h a r i d e u s i n gp f c 缸s 咖f f 括t of e 皿1 e n ta c i dh y d r o l y s i ss o l u t i o n ，m es u g a r 豫m o v i n gr 撕o w a s8 8 a 跆ff e r m e n 蛀n g3 6 h b u ta 矗e rs e v e r a lt i m e so ff e 锄肋协矗o n ，t h es u g a r i e m o v m gr a t i oal i t t l e w h c n 向1 n e n t i n g t h ex y l a i l a s eh y d r o l y s i ss o l u d o n ，t h es u g 廿r e l n o v i n gr a 虹dw a sv e r yi o w k e yw o r d s ：p i l l p i n gb l a c k “q u o r x y l a i l a s e ，e n z y m a t i ch y d r o l y s i s ，s u g 孙彻m v i n g r a t i o u k 蕊l 啪t i o n ，f e m e n t a t i o n y 6 0 6 6 5 3 致谢 本论文是在导师期p 蕾才教授的严格要求和悉乜指导下完成的。三年来， 导师为论文的顺利完成倾注了大量的心血并给予了各方面的关心和帮助。 导师渊博的知识、严谨的治学态度、科学周密的思维方式、严厉宽厚的师德 让我受益匪浅。在此特向导师表示最诚挚的感谢! 在论文兜成过程中，一直得到生物化工研究所勇强副教授的关心和支持， 在此表示深深的感谢! 在论文完成过程中还得到李患正教授、江华副教授、季更生博士、杨 益琴老师、毛连山老师、宋向阳老师、徐勇老师、陈牧老师、王杏文同学、 古研同学的热姨关j 和无私援助。还得到了本校理啵中弋吴伟志老蝈伯支持 和帮助。 在此，谨向各位老师、同学、朋友以深深的谢意! 本论文的腰利完成还离不开黎珊同学的大力支持和帮助。在此。作者表 示真诚的感谢。 作者：付强善 2 0 0 4 6 1 j l 一 日! j 百 目前，全球正面临着资源短缺问题，石油、天然气、煤等化石( 不可再生) 资源正面 临被耗尽的危机，生态环境危机加重，这使得人们不得不考虑到对储量丰富、可再生的资 源的利用，而以植物为主的生物质资源正是取之不尽用之不竭的资源宝库，是人类未来的 理想选择。 木质素与纤维素和半纤维素是构成植物生物质骨架的主要成分，木质素是植物界中仅 次于纤维素的最丰富和最重要的有机高聚物【1 】。木质素和纤维素，全球每年正以约1 6 4 0 1 0 ”t 的速度不断再生【2 】。人类利用纤维素已有数千年的历史，而木质素却至今没有大量、 广泛地被利用，其研究工作也只是1 9 3 0 年后才真正开始。大自然恩赐给人类的这一大宗可 再生的资源，每年被白白浪费掉了，这不但浪费资源，而且人们在利用纤维素的同时产生 了大量作为废弃物的木质素，严重地污染了环境p 1 。 进入环境的木质素有两种类型：( 1 ) 是木材水解工业产生的木质素，数量较少，国外利 用较好；( 2 ) 是造纸工业产生的木质素，主要存在于造纸废水中，国外用木材造纸，造纸废 液进行碱回收，同时将木质素燃烧转变成热能，所以造纸废液不会对环境造成污染。而我 国是一个造纸大国，由于我国森林资源比较贫乏，造纸工业中使用大量的非纤维原料，主 要以麦草、稻草、芦苇、甘蔗渣作为原料，很难进行碱回收，造纸废水中的主要污染物就 是木质素，很难处理，废水数量之大，占全国工业废水量的3 0 左右，直接排入江河，会 造成我国江河的严重污染。随着人们环境意识的不断增加和国家对生态环境日益重视，以 及市场竞争的加剧，企业不得不考虑到资源的全方位利用。因此，无论从资源利用，还是 从环境保护，我们都不能不重视木质素的研究、开发和利用。 从制浆黑液提取的工业木质素具有一定的反应活性、分散性和粘结性。近几年来，国 内对碱木素的利用开展了较多的研究，并取得了一定的成绩，但还没有定型的产品和大规 模应用的途径 4 】。主要是因为从制浆黑液中提取的碱木素理化性能差异很大，产品稳定性 差，纯度也不够理想，从而导致它的应用途径受到了很大的限制，附加值不高，产品的数 量和市场的容量也很小。现阶段从制浆黑液中提取木质索主要是采用化学法，使用化学药 品，造价比较高，而且有污染；用超滤法可以降低成本，减少环境污染，但提取的木质素 纯度不高，含有大量的聚戊糖，即和木质素相连接的碳水化合物不能去除，而且膜易污染。 现在摆在科技工作者面前的问题是：如何提高木质素的纯度，降低成本，减少环境污染， 从而扩大木质素的利用途径。 随着生物技术的迅速发展，生物技术的应用已渗透到各个领域，并为人类解决所面临 的资源、环境、能源及健康等问题初步显示出极大的潜力。尤其是木聚糖酶有着诱人的前 景，它应用于生物制浆、纸浆漂白、废纸二次纤维回收、纸张表面处理及纺织工业等领域 5 6 t 7 。其在纸浆漂白中的应用取得了一定的成绩，巨大的潜力已引起各界同行的高度关注。 研究表明 8 9 ，木聚糖酶通过破坏植物原料中木聚糖的糖苷键，使得高聚合度的木聚糖降解 成低聚合度的低聚木糖和单糖，部分半纤维素与木质素相连接的碳水化合物( l c c ) ，也是 通过降解半纤维素而使木质索溶解以及半纤维素与木质素分开。而制浆黑液中存在一部分 在蒸煮过程中被降解下来的木聚糖，聚合度相对于低聚木糖还很高，其分子量与很大一部 分的木质素相近，因而给木质素的进一步分离带来麻烦，还有一部分就是木质素与半纤维 素连接的碳水化合物l c c 中含有一定量的木聚糖，因此，可以利用木聚糖酶使高聚合度的 木聚糖降解成为低聚木糖和单糖，再通过超滤或其它方法来除去低聚木糖和单糖，从而达 到去除木质素中所含有的糖分，提高木质素的纯度。 木质素的应用领域非常广泛，它可以用来制备合成树脂、胶粘剂、油田化学品、橡胶 补强剂、建材助剂，在农业中可以作农药缓释剂、土壤改良剂、肥料等口j 。不同的用途， 对木质素纯度要求也不一样，有些应用要求木质素纯度高。因此，为了拓宽木质素的应用 途径，提高其利用价值，降低其生产成本，减少环境污染，无论从经济效益，还是从社会 效益看，生物法提纯制浆黑液中的木质素都具有深远而重要的意义。 2 1 文献综述 1 1 木质素 木质素( l i g i l i n ) 是植物界中仅次于纤维素的最丰富和最重要的有机高聚物，是由苯 丙烷单元通过醚键和碳一碳键连接并难以为酸水解的复杂的无定形高聚物【1 ，地球上木质素 的数量仅次于纤维素，估计每年全世界由植物光合作用产生1 5 0 0 亿吨木质素。我国森林资 源不是很丰富，但农作物秸秆每年有5 6 亿吨【2 9 。木质素的结构复杂，是一种具有芳香族 特性，其结构单元为苯丙烷型的、非结晶性的、三维高分子网状化合物。按照植物种类不 同，木质素可分为针叶材、阔叶材和草本植物木质素三大类。针叶材木质素主要由愈创木 基丙烷单元所构成，阔叶材木质素主要由愈创木基丙烷单元和紫丁香基丙烷的结构所构成， 草本植物木质素主要由愈创木基丙烷单元和紫丁香基丙烷单元及对羟基苯丙烷单元所构 成。这些单元的结构如下所示【3 ，3 饥”j 。 c f 9 o m e h 3 c o c l g f f 愈创木基苯丙烷单元紫丁香基苯丙烷单元对羟基苯丙烷单元 木质素的种类很多，分类方法也很多。不同的木质素一般所具有的官能团的种类和数 量也不同，因此其化学活性和类型也不同。工业木质素主要根据制浆方法( 即木质素从植物 体中分离出来的方法) 分为以下几大类b l j ： 1 水解木质素( 全球年产约1 5 1 0 6t ) ，是木材糖化的残渣，溶解度很小，反应性较 低，一般作为燃料或煤砖原料，应用有限。 2 碱木素( 全球年产约4 5 1 d 7t ) ，由硫酸盐法造纸制浆而得，含硫量( 小于1 5 ) 低，产品具有反应性和多样性，目前主要通过回收制浆化学物质作燃料使用，只有大约 1 o 1 0 5t 碱木素作为化学原料使用。 3 木素磺酸盐( 全球年产约5 o 1 0 6t ) ，是亚硫酸盐法制浆的副产品，由于存在磺酸 基团，含有1 0 的硫，具有水溶性，是目前应用最广的木质素产品。 4 ，近年来，为了减少木质素与纤维素分离过程中的化学变化，大规模地利用这一资源， 许多新型的制浆方法得到了研究和发展。如有机溶剂木质素( 有机溶剂蒸煮而得) ，m r e l l 木质素( 硬木有机可溶木质素，酒精，水蒸煮而得) ，m d x 木质素( 过甲酸蒸煮) ， a c e t o s o l 木质素( 乙酸蒸煮) ，还有酯蒸煮而得的木质素、蒸汽爆破木质素等等。 1 1 1 制浆造纸黑液 1 1 1 1 黑液组成 由于草浆黑液污染问题的突出性，我国在草浆黑液特性方面进行了广泛的研究，其研 究成果为草浆黑液的处理和利用提供了理论依据。黑液中含有有机物和无机物，一般草浆 黑液的1 0 一1 5 固形物中，三分之一为无机物，其中包括n a o h 、n a 2 s 0 4 、n a 2 s 、n a 2 c 0 3 、 n a 2 s 0 4 、n a 2 s 2 0 3 、含硅化合物( n a 2 _ n s i 0 2 ) 及其他如c a 、m g 、a l 、f e 等少量金属化合 物，有机物包括碱溶木素、半纤维素及纤维素降解产物等，降解产物主要以五碳糖为主，总 糖含量一般是小于2 0 ( 对固形物) ，其中单糖约为5 ，多为葡萄糖和木糖；低聚糖含量 为1 0 1 5 ，以聚术糖为主。黑液中的高分子聚合物除碱木素外，主要就是l c c 。麦草 浆黑液中的l c c 含量一般为1 0 左右( 对固形物) 【l o 1 m 。 1 1 1 2 黑液成分比例 1 黑液固形物中有机物占6 5 7 0 ，无机物约占3 0 3 5 ，有机物与无机物的比率约为 2 2 0 3 ： 2 黑液固形物中木质素含量约占2 0 3 0 ； 3 黑液固形物中有机酸含量为6 1 0 ； 4 总钠含量为2 0 2 6 ( 对固形物含量而言，以n a 2 0 计) 。 1 1 1 3 草浆黑液的物化性质 造纸工业是我国国民经济的支柱产业之一，全国大小纸厂有6 0 0 0 多家，但有7 0 8 0 以草类为原料，麦草纤维较短，木质素含量较木材低，杂细胞及半纤维素含量多，灰分大， 尤其硅含量高，纤维的聚合度低，组织疏松，对草浆的蒸煮应在较缓和的条件下进行，一 般控制在中性或弱碱性，温度在1 4 0 一1 5 0 条件下较为适宜【l 2 】。 因草浆黑液中含有较多降解物和二氧化硅，故其粘度大于木浆黑液。对黑液粘度影响 最大的是黑液浓度和温度。粘度随黑液浓度提高而上升，且浓度越高，上升越快。粘度随 黑液温度提高而下降。温度一定时，麦草黑液有较低的“临界浓度”。黑液固形物含量和无 机物含量增加时，黑液沸点升高，易结垢，黑液难蒸发【1 3 “】。 1 1 2 木质素分离纯化 从黑液中分离木质素已经有很多人在这方面做过研究，概括起来主要有五种方法： 降低黑液的p h 值，使碱木素沉淀出来；在黑液中加入电解质，破坏木素的胶体性，使 其沉淀；采用超滤法分离。采用电渗析法分离纯化；采用生物法分离提纯。 1 1 2 1 酸沉淀法 由于碱木素不溶于水和酸，在黑液中通人c 0 2 烟道气或s 0 2 或直接加入无机酸降低p h 值，碱木素便会沉淀出来。酸沉淀法的主要缺点是分离木质素的纯度低，废酸易造成二次 4 污染，对于草浆黑液沉淀木索下来的细小颗粒，加上硅胶体的干扰，木素的洗涤、过滤都 较困难。 罗才典等“副研究了麦草硫酸盐黑液中木素的酸化沉淀特性。木素的酸化过程分为三个 阶段：木素的稳定阶段，p h = 1 2 6 2 ，木素稳定存在黑液中不发生沉降；木素的沉降阶 段，p h = 6 2 3 0 ，木素迅速沉降；木素的残留阶段，p h 娼时，黑液中的木素含量基本保 持不变，研究结果表明，酸化效率( 单位用酸量所沉淀的木素量) 在p h 9 5 5 时达到最 大值。 卢今怡”伽研制的木素分离机将木素的酸析和分离集中同时进行。加酸时木素沉淀，再 鼓入压缩空气气浮分离木素。该技术已在山西、河南、山东等地几家造纸厂建立了示范工 程，虽然提取的碱木素纯度较高，技术是可行的，但在碱木素的大规模利用及对浓度较高 的黑液如何提高其在木素分离机中的分离效果还需进一步研究开发。 v c u o m 等1 研究了针叶木黑液的酸化沉淀的操作条件。指出，尽管木素回收率随酸 化终点p h 降低而增加，但酸化的化学药品费用在p h = 7 8 时最低；较低p h 值( 小于4 ) 下，沉淀木素变细，不易过滤和洗涤。酸沉淀时温度以8 0 一8 5 为宜，温度高，形成木素 沉淀颗粒大，黑液粘度低，对木素沉降、过滤和洗涤有利，但温度超过8 5 后，木素变软， 发粘而且易结团，反而影响操作。 孙连超等“剐发明了用s 0 2 沉淀木素，回收木素和糖矿浆的双回收技术。在河北、山东 等地建成年产量1 万吨草浆的黑液处理工程。实践证明，该治理工艺在技术上是可行的， 但由于碱木素的销路等原因，未能正常连续运转。 1 1 2 2 胶体沉淀法 河南环保所1 9 8 9 年开发了l b l 絮凝沉淀剂( 复合物) ，l b 一1 粉由煤灰、铝矿及其他 原料、辅料混合加热，再经加工精制工艺制得。该技术已在河南舞钢造纸厂、河南卫辉造 纸厂、郑州纸厂等建成示范工程，但运行费用较高9 】。 贵州省轻工研究所开发了称为s a 的特种黑液木素沉淀剂，木素沉淀率可达8 4 9 ， c o d 去除率达5 2 以上，所得木素缓释剂制成木索缓释农药，效果很好 2 叭。 邹文中采用f e c l 3 、a l c l 3 、a 1 2 ( s 0 4 ) 3 等作絮凝剂沉淀分离麦草s o d a - a q 黑液中碱 木素，发现化学絮凝沉淀与酸沉淀过程不同，木素沉淀率较低，沉淀木素的纯度也较低( 小 于3 8 ) ，且木素沉淀疏松，分离操作困难 2 ”。 江西工学院和南京林业大学利用强酸性阳离子树脂中的i r 与碱木素钠盐的n a + 进行交 换，使碱木素沉淀。用7 3 2 树脂处理马尾松、麦草、健杨、水杉黑液，提取效果较好，但 该法分离木素存在树脂用量过多等缺点【4 】。 1 1 0 3 超滤法 超滤的基本原理是，由于分离膜对溶剂或溶质的透过表现出一定的选择性，在压力差 的作用下，溶剂或小分子溶质选择性地通过分离膜，从而实现溶液的浓缩或不同溶质的分 离。与其他化工分离单元相比，超滤技术有如下特点：( 1 ) 分离过程无相变化，因而能量 消耗少；( 2 ) 在分离过程中无须加热，可以处理热不稳定的物料；( 3 ) 可以选择性分离溶 液中的不同溶质；( 4 ) 运转费用低。由于超滤技术的这些独特优点，它正受到人们的普遍 重视，并且日益得到发展口。 超滤和反渗透技术在处理化学制浆废液中的应用主要集中在两个方面：一是回收有价 值的木素磺酸盐和碱木素；二是制浆废液的预处理以减少蒸发阶段的能耗，并可减少废液 中的硅含量。国内采用超滤与反渗透( u f 依o ) 技术处理制浆废液最成功的例子是丹麦d d s 公司1 9 8 7 年为我国开山屯化学纤维浆厂提供的超滤和反渗透装置( 其中u f 7 8 0 m 2 ， r 0 1 9 0 m 2 ) ，是迄今为止同类系统中最大的一套，年处理固形物1 5 0 0 l o t ，可年产高纯度木 素磺酸盐5 千吨，低分子量木素和糖1 万吨【2 3 】。该处理系统已运行了十几年，所分离得到 的高纯度木素磺酸盐一直畅销，为工厂带来了良好的经济、社会和环境效益。 近3 0 多年来，国内外用膜分离技术处理制浆废液的研究从未间断。 1 9 7 5 年中科院冰川沙漠冻土研究所与兰州纸厂合作，用聚砜膜对黑液进行超滤试验， 有机物去除率达9 3 4 ，无机物去除率8 2 5 ，但水通量较低，只有1 2 0 um 2 d 1 9 8 8 年，刘淑英等用实验室小型间歇式超滤器，自制的聚砜和磺化聚砜膜处理了硫酸 盐木浆黑液和草类亚铵制浆废液，结果表明，超滤分离提纯的木素的纯度、表面活性和分 子量均得到提高。磺化聚砜浓度极化现象较轻，截留率高，水通量大。 天津轻工学院造纸研究室自1 9 8 4 年起采用国产膜及组件对制浆废液超滤进行了一系 列研究 2 1 2 4 2 5 。对不同材质的超滤膜及多种类型组件( 列管式、集管式、中空纤维式组件 等) 进行了比较。筛选了高效清洗剂，并于1 9 8 9 年在纸厂进行了扩大小试试验。结果表明， 废液经超滤处理后，污染负荷大幅度下降，颜色、c o d 、b o d 可减少7 0 一8 0 ，还可除 去大部分s i 0 2 ，工厂试验运行结果也是令人满意的，处理硫酸盐法废材制浆黑液可得到固 形物含量为2 5 ，且富含高分子质量木素的浓缩液。但仍然存在水通量小，截留率低和处 理量小等问题。潘学军咐麦草s o d a a q 制浆黑液的超滤浓缩研究结果表明，采用p s 2 0 0 型超滤膜，在柏，o 3 m p a 压差，1 2 5 m 3 ，l l 流量的操作条件下，把黑液从1 0 固含量浓 缩到1 7 时，浓缩液中木素的浓度由3 0 6 5 9 ，l 上升到8 2 4 1 9 几，相应地固形物中木素的含 量由2 9 2 4 提高到4 5 4 2 ，这说明，超滤的确提纯了木素。随着浓缩的进行，透过液中 木素的浓度也随之增加，水通量迅速下降，由开始的1 6 5 u ( m 2 h ) 降到9 u ( m 2 h ) 以下【平 均水通量为1 1 7 l ，( r 一h ) 。将麦草浆黑液由4 5 的固含量浓缩至1 3 o ，平均水通量为 2 6 5 l ，( m 2 h ) 。麦草浆黑液浓缩，不但比常规蒸发节省能耗，也实现了木素浓缩、分离纯 化的作用。 孙守亮研究了硫酸盐法竹浆黑液的超滤浓缩特性【衢 。研究结果表明，在适当压力范围 内，提高操作压力，利于改善超滤水通量和截留率，但是使用较高压力，水通量衰减快， 能耗增加，通过提高压力以提高水通量，是不可取的一种措施。对进料浓度的研究发现， 以2 固形物浓度进料，超滤过程良好，若单纯以黑液木素分离和纯化为目的，稀流进料 是比较理想的选择。提高进料浓度会导致水通量降低，但溶质截留率会增加；当设备流程 固定时，适当提高进料流量，以增加膜面流动速度，是一种提高水通量的有效方法；提高 操作温度，对水通量和截留率都有良好效果，在组件允许的范围内，应尽量增加操作温度。 提高温度会改善黑液的流动性，这对黑液超滤有重要意义。采用s p k 一1 0 0 膜超滤浓缩硫酸 盐竹浆黑液，将黑液固含量由8 5 提高到2 3 o ，其能耗仅为四效蒸发浓缩的3 0 ，浓缩 6 液固形物中木素的含量大大提高，这也有利于木素的综合利用。 中科院广州化学所应用超滤法原理，进行了从制浆黑液中分离和浓缩木素的研究。该 研究用醋酸纤维素膜，在o 8 m p a 压力下可以完全将亚硫酸盐浆黑液中的木素磺酸盐和还 原糖分开，经浓缩后的木素废液用作灌浆材料，取得很好效果。 总之，超滤技术用于碱法草浆黑液的浓缩，具有许多优点，实验室小试结果证明是可 行的。 1 1 2 4 电渗析法 电渗析法f 3 1 在国内外都有研究，我国从1 9 5 8 年开始就有人研究，2 0 世纪6 0 年代末， 蒋挺大等与北京造纸总厂曾合作研制了一台隔膜电解槽，从碱法制浆黑液中分别回收木质 素和碱，当时因为电力紧张，不适合国情而被迫停止了研究。薜建军1 2 ”研究了采用 m a e ( m 锄b r a n e - a s s i s t e de l e c d l y s i s ) 技术处理草浆黑液，回收碱的效果是明显的，并且可 以回收部分变性的木质素。电渗析技术有许多优点，可回收木质素，也可回收碱，但技术 上存在问题，并且其电极易污染，耗电量大，成本较高，不易工业化生产。 1 。1 2 5 生物法 生物方法是近几年才应用于木质素的分离提纯的，有关这方面的报道很少。雷中方和 陆雍森啪1 研究结果表明，碱法制浆黑液经过厌氧处理，黑液中的半纤维素和糖类转化为 c h 4 ，c 0 2 等，产生沼气，回收能源，同时黑液中的c o d 和b o d 降低4 0 5 0 和8 0 一9 0 ； 厌氧处理前后，人、出流黑液酸化时耗酸量基本一致，出水木素的纯度有所提高；木素的 基本结构单元保持不变，其分子量分布有大分子量部分( m w 1 0 0 0 ) 向小分子转化的趋势。 1 2 木聚糖酶 1 2 1 木聚糖酶系及水解木聚糖的作用机理 木聚糖酶是降解半纤维素的组酶的总称，它不是单一的酶，而是一种多组分的复合酶系。 根据这些酶的作用方式可将它们分为两组吲：( 1 ) 水解酶( e c 3 2 1 ) ，主要包括内切一b 一1 ， 4 一木聚糖酶( e c3 2 1 8 ) ，它能将木聚糖主链随机地降解成短链的低聚木糖；外切一b 一木糖 苷酶( e c3 2 1 3 7 ) ，它作用于短链的低聚木糖，以外切的方式从非还原性末端将低聚木糖切成 本糖；n l 一阿拉伯呋喃糖苷酶( e c3 2 1 5 5 ) 和葡萄糖醛酸酶( e c3 2 1 1 ) ，能分另q 脱去取 代在木聚糖主链e 阿拉伯糖基和4 一。一甲基葡萄糖醛酸基。( 2 ) 酯酶( e c3 1 1 ) ，主要指能降 解木聚糖e 木糖单元与乙酸形成的酯键的酶( 乙酰基木聚糖酯酶，e c3 1 1 6 ) ，或者能降解木 聚糖上阿拉伯糖侧链残基与酚酸( 如阿魏酸或p 一香豆酸) 形成的酯键的类酶。这些酶中， 内切一木聚糖酶和b 一木糖苷酶起主要作用。由于木聚糖的结构比较复杂，完全降解木聚糖不 但需要降解主链的酶，同时还需要几种降解支链取代基的辅助酶口，驯。这些酶的协同作用方式 7 见图1 一l 。 f e ( c 0 u m )4 x y lb 卜4 x y lb 1 i 一( f ) f 5( b ) a 赋埘 a c1q 1 “ i 一( e )l 一( d )( a )( a ) ( a )( d ) 一i 33li l3 4 对1p 1 4 x y lb 1 4 x y l b 1 4 x y lb 1 4 x y lb 1 4 x y l b l 4 x y lb 1 4 x y lb l 一4 x y lb 1 32 2 l 一( d )i 一( e )l 一c ) 1d a r a fa c1 m e g l c a 其中： a内切一1 ，4 一b 一木聚糖酶a c乙酰基 b 外切一b 一木9 著苷酶a 瑚fl 一呋喃阿拉伯糖 cq 一葡鳓觎酣酶m 砌c a4 一。一甲基一d 一葡赫奢醅激 da l 一呋喃阿拉伯糖苷酶x y ld 一木糖 e乙酰酯酶f e 阿魏酸 f 阿魏酸和香豆酸酯酶 c o 嗽香豆酸 图1 1 木聚糖的主要结构特征及降解酶系中各组分的协同作用 内切一木聚糖酶从木聚糖主链内部作用于木糖苷键，采用一种随机降解的方式将木聚糖水 解成术低聚糖。由于酶的来源不同，木聚糖酶的作用方式以及水解产物将会不同。自然界中许 多细菌和真菌都能产生木聚糖酶，其中真菌，特别是木霉属和曲霉属菌株已得到了广泛的研究。 大多数木聚糖酶是具有等电点为8 o 9 5 的相当小的单体蛋白质( 约2 0 k d a ) 。对大多数真 菌木聚糖酶而言，p h 在2 9 之间均稳定，水解最适p h 值为5 o 。此外，已证实大多数真菌木 聚糖酶能承受5 0 以下的温度。木霉属木聚糖酶经分离纯化可得到两种酶。这两种酶的分子量 均较低，但它们的等电点不同。国际匕对等电点的木聚糖酶已进行了大量研究。 当以聚合度较高的木聚糖为水解底物时，内切一木聚糖酶活力较高。然而随着木聚努蓦链长 的缩短，水解速度将减慢。般来说，不水解木二糖，有限水解木三糖或根本不水解a 因此， 木聚糖的哟箨产物主要是木二糖、木三糖以及二五个术嘲戋基取代的低聚物。链长幂哺取代 基的产物类型取决于每个木聚糖酶的作用方式。4 妇曾采用不同的木聚糖酶水解阿拉伯木聚 糖和葡萄糖醛酸基木聚糖得到不同取代基的低聚木自妒”。经过 e 较，发现多数木聚糖酶降解木 聚糖主链后，产生的低聚木糖在主链的非还原性来端留有取代基。这说明，取代基的存在可能 对木聚糖酶具有空闯阻遏作用。此外，还发现些水解产物如木三糖对木聚糖酶活力有抑制作 用。 d 一木糖苷酶是外切糖苷酶，作用于低聚木糖的末端，释放出木糖残基。在大多数微生物 系统中都具有b 一木糖苷酶活力，而且已从许多真菌和细菌合成的木聚糖酶中分离纯化出该酶。 一般认为，纯化得到的b 一木糖苷酶对木聚糖不具有活性。虽然许多木聚糖酶都能水解木聚糖 或低聚木糖释放出木糖，但仅b 一木糖苷酶能水解木二糖。 1 2 2 木聚糖酶的合成 优良的木聚糖酶生产菌株是制备高活力和高纯度木聚糖酶的前提，但培养条件和培养方法 同样很重要。和纤维素酶样，许多细菌、真菌木聚糖酶是l 秀导酶，木聚糖酶的合成受诱导物 的调控。尽管木聚糖酶的诱导合成机理至今尚不完全清楚，但普遍认为，真菌在利用木聚糖过 程中先靠分泌少量的结构性酶使木聚糖降解，并产生少量的可溶性低聚木糖，这些低分子物质 可透过细胞膜进人细胞并刺激微生物大量合成木聚糖酣3 5 期。这种刺激作用实质上是诱导物产 生的诱导作用。聚合度较低的木聚糖被认为对木聚糖酶合成产生强烈的诱导作用。 1 3 膜分离技术 1 3 1 膜分离技术的概况 膜分离是在2 0 世纪初出现，2 0 世纪6 0 年代后迅速崛起的一门分离技术。顾名思义， 膜分离是利用一张特殊制造的、具有选择透过陛能的薄膜，在外力推动下对混合物进行分 离、提纯、浓缩的一种分离新方法【3 ”。它具有设备简单、操作方便、无相变、无化学变化、 处理效率高和省能等优点，已作为一种单元操作日益受到人们的重视。关于膜分离技术的 重要性，国外有关专家把膜技术的发展称为“第三次工业革命”，日本则把膜技术作为2 1 世纪的基础技术进行研究和开发。世界著名的化工与膜专家、美国国家工程院院士、北美 膜学会会长黎念之博士在访问我国化工部时说“要想发展化工就必须发展膜技术”。由此可 知，膜分离技术对国民经济的发展扮演着十分重要的角色，它的发展前景十分广阔。 物质透过分离膜的能力可以分为两类：一种借助外界能量，物质发生由低位向高位的 流动；另一种是以化学位差为推动力，物质发生由高位向低位的流动。如表l 一1 所示 表1 一l 膜过程的分类 推动力膜过程 压力差 电位差 浓度差 浓度差( 分压差) 浓