автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Модификация волокон сульфатной целлюлозы препаратами гликозил-гидролаз

На правах рукописи

Терентьев Константин Юрьевич

МОДИФИКАЦИЯ ВОЛОКОН СУЛЬФАТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ПРЕПАРАТАМИ ГЛИКОЗИЛ-ГИДРОЛАЗ

05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3АПР 2015

Архангельск - 2015

005567991

005567991

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Новожилов Евгений Всеволодович

Официальные оппоненты:

Махотина Людмила Герцевна, доктор технических наук, доцент, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна, профессор кафедры технологии целлюлозы и композиционных материалов, 05.21.03 -Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины.

Ковалева Ольга Петровна, кандидат технических наук, доцент, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова, доцент кафедры целлюлозно-бумажного производства, 05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины.

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет», г. Казань.

Защита состоится «16» мая 2015 г., в часов

на заседании диссертационного совета Д 212.008.02 при ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» по адресу: 163002, г. Архангельск, Набережная Северной Двины, 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) Федеральный университет имени М.В. Ломоносова» и на сайте www.narfu.ru.

Автореферат разослан « $ » ¿ХС^й^^ 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.х.н., доцент

Т.Э. Скребец

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сульфатный способ производства технической целлюлозы в настоящее время является самым распространенным. Традиционно применяемые в технологии сульфатной целлюлозы химические и механические методы могут быть дополнены и усовершенствованы с помощью ферментных технологий. Для улучшения технологических свойств сульфат-целлюлозных волокон в научной литературе предлагается ферментативная модификация гли-козил-гидролазами. Ксиланазы уже нашли широкое применение в процессах отбелки сульфатной целлюлозы. Целлюлазы рекомендуются для регулирования вязкости целлюлозы, ускорения процесса размола, улучшения обезвоживания, удаления типографской краски. Широко изучается перспективное направление ферментативной модификации, связанное с направленным изменением бумаго-образующих свойств целлюлозных волокон. Критический анализ известных данных показывает, что неконтролируемое ферментативное воздействие способно привести к снижению собственной прочности и связующей способности волокон, что в дальнейшем вызывает уменьшение прочности бумажного листа. При развитии ферментных технологий особое внимание необходимо уделить достижению за счет ферментативной обработки оптимального соотношения между структурно-морфологическими характеристиками волокон, водоотдачей волокнистой массы и прочностными свойствами листа бумаги, для этого требуется научное обоснование допустимой степени ферментативной деструкции волокон.

Учеными разработаны новые препараты гликозил-гидролаз, обладающие селективным действием на целлюлозные волокна. Актуальным является дальнейшее изучение процессов, происходящих при воздействии гликозил-гидролаз на сульфатную целлюлозу для расширения использования ферментных технологий в целлюлозно-бумажной промышленности.

Работа выполнена при поддержке: гранта «РФФИ-Север» (№ 14-04-98825), проекта базовой части государственного задания Минобрнауки РФ 2015 г. «Биотехнология возобновляемых ресурсов растительного происхождения», грантов для молодых ученых компании ОПТЕК 2013-2014 и 2014-2015 гг.

Цель и задачи исследования. Цель работы - изучить действие современных препаратов гликозил-гидролаз на сульфат-целлюлозные волокна и предложить методы улучшения характеристик сульфатной целлюлозы для производства бумаги.

Для реализации данной цели были поставлены следующие задачи:

з

1) оценить степень деструкции клеточных стенок целлюлозных волокон при ферментативной обработке гликозил-гидролазами;

2) установить влияние обработки препаратами гликозил-гидролаз на структурно-морфологические характеристики волокон сульфатной целлюлозы;

3) установить влияние обработки гликозил-гидролазами на физико-химические и прочностные свойства сульфатной целлюлозы;

4) сравнить эффективность модификации сульфатной целлюлозы различными препаратами целлюлаз;

5) разработать практические рекомендации по использованию гликозил-гидролаз для улучшения бумагообразующих свойств сульфатной целлюлозы.

Научная новизна.

Показано, что при модификации гликозил-гидролазами степень и формы набухания сульфат-целлюлозных волокон могут изменяться в результате ферментативной деструкции слоев Р и 5! клеточной стенки. Установлено, что вызванное ферментативным воздействием раскрытие структуры целлюлозных волокон приводит к улучшению сорбционной способности, увеличению фибриллиро-вания при размоле и повышению связеобразования в бумажном листе. Доказано, что ферментативная обработка селективно действующими препаратами целлюлаз позволяет улучшить прочностные характеристики товарной целлюлозы за счет преодоления последствий ороговения, вызванных контракцией волокон в процессе высушивания. Впервые предложено использовать в качестве компонентов в композиции бумажной массы ферментативно деструктированные целлюлозные волокна, добавление которых приводит к повышению прочности листа благодаря улучшению связеобразования в его структуре.

Практическая ценность.

Разработаны научно-обоснованные технические решения по подготовке сульфатной целлюлозы к изготовлению бумаги с применением стадии целлю-лазной обработки. Это обеспечит ускорение размола сульфатной целлюлозы, повышение показателей прочности на 4-10 %.

Применение разработанной методики определения ширины целлюлозных волокон позволит оценить форму и степень их набухания в воде и различных реагентах.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на 1-й и П-й Международных научно-технических конференциях «Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов» (Архангельск, 2011, 2013 гг.); на 1У-й Международной конферен-

ции «Физикохимия растительных полимеров» (Архангельск, 2013); на Международной конференции «Биотехнологии в химико-лесном комплексе» (Архангельск, 2014); на VII Всероссийской научно-технической конференции «Научное творчество молодежи - лесному комплексу России» (Екатеринбург, 2011); на X ежегодной региональной молодежной научно-практической конференции «Ломоносова достойные потомки» (Архангельск, 2012); на Региональной научно-практической конференции «Качество и конкурентоспособность продукции целлюлозно-бумажной промышленности - на пути к совершенству» (Коряжма, 2013); на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов АГТУ, САФУ (Архангельск, 2011-2014 гг).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя: введение; аналитический обзор; методическую часть; экспериментальную часть, включающую 4 раздела; 1 приложение; общие выводы и список использованных источников. Содержание работы изложено на 130 страницах, включая 60 рисунков и 15 таблиц, библиография содержит 208 наименований.

Автором выносятся на защиту следующие основные положения диссертационной работы:

- данные о влиянии целлюлазной обработки на структурно-морфологические свойства волокон сульфатной целлюлозы;

- данные о влиянии ксиланазной и целлюлазной обработки на сорбционные свойства, обезвоживающую способность и прочностные характеристики сульфатной целлюлозы;

- результаты обработки сульфатной целлюлозы целлюлазными комплексами Myceliophthora fergusii и Pénicillium verruculosum;

- способ подготовки беленой лиственной сульфатной целлюлозы к изготовлению бумаги с включением в композицию ферментативно деструктированных волокон.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель работы, задачи исследований и положения, выносимые на защиту.

Аналитический обзор. Приведены данные о характеристиках сульфат-целлюлозных волокон. Дан критический анализ существующих методов определения ширины волокна и степени его набухания. Значительная часть обзора

посвящена гликозил-гидролазам (целлюлазам и ксиланазам): дана их характеристика как биологических активных агентов, обобщены современные представления о механизмах деструкции целлюлозы и ксилана. Рассмотрены результаты исследований и данные промышленных испытаний ферментных технологий в производстве бумаги, проведено обобщение и критический анализ полученных результатов. На основе обзора литературы сформулированы цель и задачи исследования.

Методики исследования. В экспериментах использовали сульфатную целлюлозу предприятий: ОАО «Архангельский ЦБК», ОАО «Соломбальский ЦБК», филиал ОАО «Группа ИЛИМ» в Коряжме. Целлюлоза изготовлена из лиственных и хвойных пород древесины, отобрана с различных этапов технологического процесса (небеленая и беленая, неразмолотая и размолотая, влажная и подвергнутая сушке).

Для ферментативной обработки использовали промышленно выпускаемые препараты: целлюлазу Fiber Саге D, ксиланазу Pulpzyme НС (компания Novo-zymes, Дания), целлюлазу ПАЛПФОР (продуцент Myceliophthora fergusii), и лабораторный препарат целлюлазы с маркировкой B1-EG2 #3.383Н (далее B1-EG2) (предоставлен Институтом биохимии им. А.Н. Баха РАН, продуцент P.verruculosum B1-EG2, далее Pénicillium verruculosum). Ферментативную обработку проб проводили при температуре 50 °С в течение 2...48 часов при периодическом перемешивании. Расход целлюлазных препаратов задавали в единицах активности по фильтровальной бумаге (FPU), а также в единицах активности, определенных производителями ферментов по собственным методикам.

Размол проводили в мельницах ЦРА и Йокро* по стандартным методикам. Структурно-морфологические характеристики волокон определяли на автоматических анализаторах L&W Fiber Tester* и MorFi Compact. Из размолотой массы изготовляли отливки бумаги принятыми в лабораторной практике методами. Прочностные и бумагообразующие характеристики определяли стандартными методами*.

Образцы целлюлозы для сорбционных испытаний и электронной микроскопии замораживали и высушивали лиофильно в аппарате FreeZone 2.5. Определяли адсорбционную активность по метиленовому синему и катионному крахмалу. Оценку состояния поверхности волокон проводили с использованием электронного растрового микроскопа Zeiss SIGMA VP**.

Работа выполнена на оборудовании ИТЦ «Современные технологии переработки биоресурсов Севера» (Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова)

"Работа выполнена на оборудовании ЦКП НО «Арктика» (Северный (Арктический) федерачъный университет имени М.В. Ломоносова)

Выход целлюлозы и степень растворимости целлюлозы в 10 %-ном растворе гидроксида натрия после ферментативной обработки определяли гравиметрически по массе абсолютно сухого остатка образца.

Для обработки результатов экспериментов использовали методы математической статистики с использованием MS Excel.

Экспериментальная часть состоит из 4 разделов:

1. Изучение влияния ферментативной обработки на свойства волокон сульфатной целлюлозы

1.1 Разработка методики определения ширины целлюлозных волокон, степени и формы их набухания

Ферментативная обработка вызывает структурные изменения, прежде всего на поверхности волокон. Анализаторы Fiber Tester L&W и MorFi Compact позволяют получить большой объем информации о структурно-морфологических характеристиках волокон, однако, эти данные, не дают полного представления о структуре поверхностных слоев волокон. Степень разработки наружных слоев клеточных стенок может быть дополнительно оценена по изменению ширины волокон, степени и форм их набухания в различных средах.

Для оценки такого воздействия была разработана методика автоматизированного измерения ширины, степени и формы набухания целлюлозных волокон с использованием оптического микроскопа. Ширину волокна определяли по его границам (рисунок 1) с точностью 1 мкм и рассчитывали с использованием разработанного программного обеспечения. Методика позволяет определить степень деструкции наружных слоев клеточной стенки, изучая формы набухания волокон в растворе серной кислоты концентрацией 59 %.

Яркость пикселей на линии сканирования и определение границы волокна:

1,5 — яркость фона;

2, 4 - изменение яркости при переходе через границу волокна; 3 - яркость внутренней полости волокна.

6 - ширина волокна на изображении Рисунок 1 - Схема определения границ целлюлозного волокна

1

- 6 -а»

-------_/ V 11 —--

J V 3 V 5

2 4 -

номер пикселя

В экспериментах по мере ферментативной деструкции слоев Р и Si наблюдалось набухание целлюлозных волокон с сохранением четких границ, образование отдельных баллонов, развертывание микрофибриллярной структуры клеточной стенки и полное растворение целлюлозы в кислоте.

1.2 Оценка степени деструкции клеточных стенок целлюлозных волокон при целлюлазной обработке

Влияние обработки целлюлазой Fiber Care D проверяли на волокнах сульфатной небеленой хвойной целлюлозы с числом Каппа 65. Установлено (рисунок 2), что при промышленном размоле грубых волокон небеленой сульфатной хвойной целлюлозы имеет место уменьшение ширины волокна за счет механического удаления части материала. Ферментативная обработка приводит к уменьшению ширины волокон неразмолотых и размолотых образцов за счет гидролитического действия целлюлазы на наружные слои клеточных стенок волокон, однако, их набухания не происходит из-за высокого содержания лигнина.

Промышленный размол привел к удалению части материала наружных слоев волокон. При длительной ферментативной обработке размолотых образцов небеленой целлюлозы наблюдалось увеличение средней ширины волокон, так как раскрытие структуры клеточной стенки вызывает их усиленное набухание в водной среде. Эти данные подтверждаются изменением характера набухания волокон в 59 %-ной серной кислоте.

Наблюдаемое снижение средней ширины неразмолотых волокон сульфатной беленой лиственной целлюлозы на начальных этапах обработки целлюлазой Fiber Care D (рисунок 3) связано с частичным удалением наружных слоев клеточной стенки Р и Si. При длительной ферментативной обработке происходит дальнейшее раскрытие структуры клеточной стенки, усиливается набухание волокон в воде.

Рисунок 2 - Средние значения ширины волокон в зависимости от продолжительности ферментативной обработки: 1 - неразмолотая целлюлоза, 2 - размолотая целлюлоза (37 °ШР).

У

1

/lie

Г :______ —. 2 ; :

Ферментативная обработка размолотой беленой целлюлозы уже на начальных стадиях приводит к увеличению ширины волокон вследствие набухания. В дальнейшем наблюдается

уменьшение их ширины из-за ферментативной деструкции и частичного удаления наружных слоев клеточной стенки.

Изучение форм набухания образцов в серной кислоте концентрацией 59 % подтвердило выявленные эффекты влияния целлю-лазной обработки на состояние наружных слоев Р и 8] и связанные с этим изменения степени набухания и ширины целлюлозных волокон.

1.3 Влияние ферментативной обработки на скорость обезвоживания суспензии целлюлозы

£20.0

до ю 2о зо 40 '

о.

О Продолжительность обработки, ч

Рисунок 3 - Средние значения ширины волокон в зависимости от продолжительности ферментативной обработки: 1 - неразмологая целлюлоза, 2 - размолотая целлюлоза (25 °ШР).

§ 3 ч контроль Зч фермент 24ч фермент 48ч фермент

ш

о я Нергамолотые »Размолотые

с 37 "ШР

Рисунок 4 - Продолжительность обезвоживания небеленой хвойной сульфатной целлюлозы после обработки целлюлазой Fiber Care D

Скорость обезвоживания целлюлозной массы зависит от степени гидратации целлюлозных волокон и количества мелкой фракции. Обработка целлюлазой Fiber Care D приводит к улучшению водоотдачи волокнистой массы из небеленой сульфатной целлюлозы, что связано с удалением фибрилл с поверхности волокон и деградацией компонентов мелкой фракции (рисунок 4).

Ферментативная обработка беленой сульфатной целлюлозы первоначально по тем же причинам также вызывает ускорение обезвоживания массы (рисунок 5). Однако, при длительном воздействии целлюлазы имеет место снижение водоотдачи массы и неразмолотых и размолотых волокон. Это согласуется с ранее установленным увеличением ширины и степени набухания беленой целлюлозы при значительной ферментативной деструкции наружных слоев волокон.

1.4 Влияние ферментативной обработки на сорбционную способность сульфатной целлюлозы

Небеленая сульфатная целлюлоза содержит адсорбированный в процессе варки ксилан. Обработка ксиланазой небеленой хвойной целлюлозы за счет удаления части поверхностно расположенного ксилана вызывает раскрытие структуры волокон и обеспечивает повышение гидрофильности за счет освобождения новых свободных гидроксильных групп, что сказывается на ее сорбционной способности. После модификации сульфатной целлюлозы ксиланазой и целлюлазой установлено увеличение адсорбции катионного крахмала на 15 % и 39 % по сравнению с контролем. После ксиланазной обработки небеленой сульфатной целлюлозы с различными числами Каппа показано увеличение сорбции метиленового синего на 23...36 %.

2. Влияние обработки гликозил-гидролазами на свойства сульфатной небеленой целлюлозы

В отличие от приведенных в литературе данных, в наших экспериментах ксиланазная обработка не влияла на продолжительность размола хвойной небеленой целлюлозы. Однако, улучшение сорбционной способности сульфатной целлюлозы, обработанной ксиланазой, позволило интенсифицировать процесс размола, когда в качестве добавки на размол (РД) была введена нейтрально-

| 30 X

° 25

ш ^J

т

£ 20

0

X! IR

Ь 15 g ю

J3

1 5

ЗЕ

1 0

О g

о.

1

1

Зч контроль Зч фермент 24ч фермент Д8ч фермент ■ Неразмолотые т. Размолотые

25°ШР

Рисунок 5 - Продолжительность обезвоживания беленой лиственной сульфатной целлюлозы после обработки целлюлазой Fiber Care D

сульфитная полуцеллюлоза (НСПЦ) со степенью помола 87 °ШР (рисунок 6). Показатели прочности полученных отливок находились на примерно одинаковом уровне для всех образцов.

Ферментативная обработка влажных образцов небеленой хвойной целлюлозы целлюлазными препаратами ПАЛПФОР и Fiber Care D привела к ускорению размола. Это согласуется с известными из литературы данными. Однако, увеличения показателей прочности бумажного листа при этом не было получено.

При выработке товарной целлюлозы и изготовлении бумаги высушивание волокон приводит к их ороговению. Это приводит к ухудше-

12 3 4

Рисунок 6 - Степень помола небеленой хвойной целлюлозы:

1 - контрольная проба,

2 - проба, обработанная ксиланазой,

3 - проба с РД из НСПЦ,

4 - проба, обработанная ксиланазой + РД из НСПЦ

нию набухания целлюлозы, снижению способности к размолу и показателей механической прочности. Препарат ПАЛПФОР, представляющий собой цел-люлазный комплекс гриба МусеНорЫкога fergu.sH, показал высокую способность к восстановлению бумагообразуюших свойств волокон после их сушки. После обработки этим препаратом с расходом 40 г/т товарной небеленой хвойной целлюлозы было установлено увеличение разрывной длины на 10-15 % и сопротивления продавливанию на 3-17 % (рисунок 7).

11,0

10,5

?

ttS 10.0

я

S 9,5

9,0

cd

еа 8,5

8,0

CL

7,5

7,0

/

Г А"- -А

*

i к' i

15 20 25 30 35 40 45 Степень помола, °ШР - -к - Исходная целлюлоза —Я— Обработанная целлюлоза

u 8,0 ? 7,5

03

1 7,0

of

£ 6,5

<я

X 6,0 «=: со

§ 5,5

О

§"5,0 а

и 45

4 к

5 4,0

ж ——jm

А''"

в—1 Г

А i'

▲

15 25 35

Степень помола, °ШР - -к - Исходная целлюлоза —Ш— Обработанная целлюлоза

Рисунок 7 - Влияние обработки препаратом ПАЛПФОР на показатели прочности товарной небеленой сульфатной хвойной целлюлозы

Следует отметить, что показатели прочности ферментативно обработанной целлюлозы при степени помола 25 °ШР равны показателям исходной целлюлозы при степени помола 36...42 °ШР. Обработка препаратом ПАЛПФОР может быть проведена на бумажных фабриках на стадии роспуска товарной целлюлозы.

3. Влияние обработки целлюлазами на свойства сульфатной беленой целлюлозы

После обработки волокон беленой сульфатной целлюлозы препаратами цел-люлаз Fiber Care D и ПАЛПФОР наблюдалось ускорение процесса размола (рисунок 8). При равном расходе ферментов препарат Fiber Care D показал более высокую эффективность, так как имел более высокую эндоглюканазную активность. При использовании этих препаратов не было установлено улучшение показателей прочности отливок по сравнению с контролем.

Препарат Fiber Care D был выбран для дальнейших исследований ферментативной модификации волокон беленой сульфатной лиственной целлюлозы. Чтобы выявить основные тенденции в изменении структурно-морфологических характеристик волокон ферментативную обработку проводили при высоком расходе препарата Fiber Care D - 196 EGU/r волокна.

Таблица 1 - Изменение структурно-морфологических характеристик волокон беленой лиственной целлюлозы при обработке препаратом Fiber Care D

Образец Продолжительность обработки, ч Средняя длина волокна, мм Средняя ширина волокна, мкм Грубость, мг/м

Контроль 24 0,77 21,6 0,104

Обработанный ферментом 3 0,77 22,3 0,083

6 0,66 22,4 0,074

24 0,57 21,9 0,096

20 40 60 80

Продолжительность размела, шш ♦ контроль -Ш- ИЬегСагеО —А— ПАЛПФОР

Рисунок 8 - Размол товарной беленой лиственной целлюлозы после обработки препаратами целлюлаз

После первых 3-6 часов обработки (таблица 1) наблюдалось увеличение ширины волокон в результате набухания, уменьшилась их грубость. Это свидетельствует о потере части структурных элементов клеточных стенок на поверхности волокон. После 24 часов обработки целлюлазой снижение средней длины волокон достигло 26 %. Значения средней ширины волокон после набухания уменьшились за счет усиленного гидролитического ферментного разрушения клеточных стенок. В целом, изменения характеристик волокон в процессе обработки целлюлазой заключаются в снижении средней длины волокна, происходит увеличение доли мелкой фракции волокон и образование водорастворимых продуктов деструкции.

Методом электронной микроскопии было установлено, что на поверхности волокон исходной целлюлозы четко видны фибриллы (рисунок 9а). После ферментативной деструкции поверхность волокон беленой целлюлозы приобретает менее целостную структуру, появились дефекты, не характерные для исходных волокон (рисунок 96).

Рисунок 9 (б) - Волокна беленой сульфатной лиственной целлюлозы после ферментативной обработки препаратом Fiber Care D

На ранних этапах ферментативной обработки проходит гидролиз мелкой фракции - «первичной мелочи», которая уже присутствует в целлюлозной суспензии (таблица 2). Основная тенденция действия целлюлаз заключается в постепенном накоплении мелкой фракции, образующейся в результате ферментативной деструкции фибрилл и клеточных стенок волокна. Образующаяся мелочь имеет высокую способность к набуханию, т.е. является активной субстанцией, способной к гидратации и имеющей высокий потенциал к образованию водородных связей в структуре бумажного листа.

Таблица 2 - Характеристики мелкой фракции беленой лиственной целлюлозы в процессе обработки целлюлазой Fiber Care D

Образец Продолжительность обработки, ч Мелочь, млн./г Средняя площадь частиц мелочи, мкм2 Средняя длина частиц мелочи, мкм

Контроль 24 155 697 35

Обработанный ферментом 3 148 725 35

6 165 805 38

24 172 822 38

Препарат Fiber Care D при высоком расходе интенсивно снижает степень полимеризации целлюлозы, увеличивается доля щелочерастворимой фракции. После 24 часов ферментативной обработки растворимость целлюлозы в 10 %-ном растворе гидроксида натрия выросла в 2,5 раза, через 50 часов - в 3,1 раза по сравнению с исходной целлюлозой.

При ферментативной обработке и размоле сульфатной целлюлозы часть материала удаляется из волокна и переходит в раствор. Водорастворимые вещества, отделенные фильтрованием из суспензии исходной целлюлозы, после лиофильного высушивания представляли собой хрупкий сухой остаток, который при большом увеличении имеет хлопьевидную форму (рисунок 10, а). В нем содержатся фрагменты волокон и их клеточных стенок, фибриллы и микрофибриллы. Водорастворимые вещества, отделенные фильтрованием из суспензии ферментативно обработанной целлюлозы, также после лиофильного высушивания представляли собой аморфную массу без видимых структурных элементов и имели очень вязкую и липкую консистенцию (рисунок 10, б).

• |Ч|" * 10мкм

<т1- - ;н(

б

Рисунок 10 - Водорастворимые вещества, отделенные фильтрованием из образцов целлюлозы до (а) и после (б) ферментативной обработки

Введение ферментативно обработанной целлюлозы в количестве 1% в композицию массы привело к существенному ускорению размола основной части целлюлозы. Основной положительный эффект от введения модифицированной целлюлозы был связан с образованием дополнительных сил связи между волокнами за счет активной мелочи, состоящей из деструктурированных фрагментов волокон. Улучшение связеобразования обеспечивало повышение показателей механической прочности: разрывной длины на 4... 10 % и сопротивления продавливанию на 5... 8 % по сравнению с контрольными образцами (рисунок 11).

Степень помола, 'ШР Степень помола, 'ШР

Контроль РД24ч РД 2 ч РДбч Контроль Контроль РД24ч РД2ч РДбч Контроль

Рисунок 11 - Показатели прочности отливок с введением в композицию 1% ферментативно модифицированных волокон

Целлюлаза B1-EG2 была разработана как препарат, имеющий высокую топо-литическую активность. Ферментативную обработку беленой сульфатной лиственной целлюлозы провели перед ее размолом в мельнице Йокро. При расходе 0,001-0,005 FPU/r волокна действие целлюлазного комплекса Pénicillium verruculosum приводит не только к ускорению размола, но улучшению бумаго-

образующих свойств и повышению прочности отливок на 5..10 % (таблица 3). Увеличение расхода целлюлазы до 0,010 БРи/г вызывает излишнюю ферментативную деструкцию волокон, в результате в процессе размола усиливается их рубка и укорочение, однако прочностные показатели сохраняются на достаточно высоком уровне.

Таблица 3 - Влияние расхода целлюлазы В1-ЕС2 на свойства сульфатной лиственной целлюлозы

Характеристика Расход препарата, FPU/r

0 0,001 0,002 0,005 0,010 0

Продолжительность размола, мин 35 35 35 35 35 50

Степень помола, °ШР 26 27 27 29 30 30

Структурно-размерные свойства волокна

Средняя длина, мм 0,931 0,929 0,930 0,914 0,871 0,928

Средняя ширина, мкм 22,7 22,6 22,6 22,6 22,6 22,6

Средний фактор формы, % 90,8 90,9 90,4 90,7 90,4 90,2

Доля мелочи, % 3,5 3,4 3,5 3,6 4,2 3,4

Бумагообразующие свойства

Межволоконные силы связи, МПа 2,08 2,18 2,20 2,29 2,02 2,17

Плотность отливок, г/см3 0,779 0,789 0,757 0,762 0,765 0,789

Характеристики прочности отливок

Индекс продавливания, кПа'м2/г 4,13 4,55 4,47 4,45 4,12 4,37

Разрывная длина, м 7700 8300 8650 8550 8200 8150

Данный препарат показал высокую способность к модификации беленой целлюлозы в широком интервале рН. Показатели прочности ферментативно обработанных проб в диапазоне рН 4,0...8,0 оказались выше, чем в контроле. Наилучшие результаты достигнуты для образцов, обработанных при рН 6,0.

4. Технологическая часть

Ферментативную обработку товарной сульфатной целлюлозы целлюлазными препаратами Myceliophthora fergusii и Pénicillium verruculosum предлагается проводить после роспуска целлюлозы перед размолом массы.

На рисунке 12 представлена схема подготовки сульфатной целлюлозы к изготовлению бумаги с включением в композицию массы волокон ферментативно модифицированной целлюлозы (рисунок 12). Выделенная из общего потока массы часть волокна (1-2 %) подвергается ферментативной обработке в условиях: температура - 50...60 °С; продолжительность - 2...6 часов; рН - 6...7; расход препарата Fiber Саге D - 196000 EGU/кг волокна. Далее модифицированная

часть целлюлозы возвращается в основной поток массы, который направляется на размол и дальнейшую подготовку к изготовлению бумаги.

Рисунок 12 - Предлагаемая схема подготовки целлюлозы к изготовлению бумаги: 1 - бассейн с целлюлозой; 2 - бак ферментативной обработки; 3 - уравнительный бак;

4 - мельница; 5 - бассейн размолотой массы.

При равной прочности размолотой массы и меньшей степени помола скорость обезвоживания ферментативно обработанной целлюлозы выше, что позволит повысить производительность БДМ.

Экономический эффект при применении модифицированной целлюлозы может быть получен за счет снижения затрат на размол и повышения показателей прочности, увеличения доли более дешевой массы в композиции бумаги, экономии химических вспомогательных веществ при изготовлении бумаги, увеличения доли наполнителей в композиции бумаги.

Общие выводы:

1. Установлено, что обработка сульфатной целлюлозы препаратами глико-зил-гидролаз вызывает разрушение наружных слоев клеточной стенки с частичным удалением фибрилл, что приводит к улучшению способности волокон к набуханию, а также влияет на водоудерживающие характеристики целлюлозной массы и бумагообразующие свойства.

2. Для оценки степени деструкции клеточных стенок волокон при различных воздействиях разработана методика определения ширины и степени набухания волокон. Деструкция поверхности волокон при длительной обработке и высоком расходе целлюлазы способна вызывать полное удаление слоев Р и Бь о чем свидетельствует изменение формы набухания ферментативно обработанных волокон.

3. Установлены индивидуальные особенности действия на целлюлозные волокна выбранных для исследования целлюлазных препаратов, определены

условия и эффективность их применения для модификации небеленой и беленой сульфатной целлюлозы.

4. Показано, что селективное действие целлюлазы ПАЛПФОР обеспечивает эффективное восстановление показателей прочности товарной небеленой хвойной сульфатной целлюлозы за счет преодоления последствий ороговения, вызванных высушиванием. Обработка ксиланазой не обеспечивает улучшения бумагообразующих свойств небеленой хвойной сульфатной целлюлозы.

5. Показано, что в процессе деструкции целлюлазами беленой лиственной целлюлозы происходит накопление мелкой фракции волокон. Установлено, что водорастворимые продукты ферментативной деструкции беленой целлюлозы обладают способностью к пленкообразованию, благодаря чему могут способствовать повышению межволоконных сил связи в листе бумаги.

6. Установлено, что высокие дозировки целлюлаз приводят к увеличению доли водо- и щелочерастворимой фракций, существенному снижению прочности самого волокна. Впервые показано, что включение в композицию массы ферментативно деструктированных волокон приводит к снижению продолжительности размола сульфатной беленой целлюлозы и повышению показателей прочности бумажного листа на 4... 10 %.

7. Разработаны научно обоснованные технические решения и предложены практические рекомендации по применению целлюлазных комплексов Myceliophthorafergusii и Pénicillium verruculosum в производстве бумаги.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Новожилов, Е.В. Изменение структуры клеточной стенки и свойств волокон беленой сульфатной целлюлозы при ферментативном воздействии / Е.В. Новожилов, Д.Г. Чухчин, К.Ю. Терентьев, И.А. Хадыко // Химия растительного сырья - 2012. № 2. - С. 15-20.

2. Чухчин, Д.Г. Разработка методики определения ширины целлюлозных волокон / Д.Г. Чухчин, К.Ю. Терентьев, И.А. Хадыко, М.С. Брильков, Е.В. Новожилов // ИВУЗ « Лесной журнал» - 2014. - № 3. - С. 125-131.

3. Новожилов, Е.В. Применение ферментов для ускорения размола беленой целлюлозы / Е.В. Новожилов, Д.Н. Пошина, К.Ю. Терентьев, В.П. Чертовская // Сборник научных трудов С(А)ФУ «Наука Северному региону» - Вып. 83, - Архангельск, Изд-во САФУ, Архангельск. - 2010. С. 101-103.

4. Новожилов, Е.В. Потенциал ферментных технологий для развития бумагообразующих свойств первичных и вторичных волокон / Е.В. Новожилов, Д.Г. Чухчин, А.В. Кондаков, К.Ю. Терентьев, Д.Н. Пошина, Е. В. Смирнов // Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов. 1-ая международная научно-техническая конференция, Северный (Арктический) федеральный университет, - Архангельск. - 2011. -С. 130-135.

5. Терентьев, К.Ю. Изучение изменения структуры и свойств клеточной стенки целлюлозных волокон при ферментативном воздействии / К.Ю. Терентьев, И.А. Ха-

дыко, М.С. Брильков // Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области химических наук и наук о материалах в рамках Всероссийского фестиваля науки: сборник аннотаций научных работ финалистов конкурса. T.II / М-во образ, и науки России, Казан, нац. исслед. технол. ун-т. - Казань: КНИ-ТУ, 2011.-С. 66-67.

6. Терентьев, К.Ю. Изучение изменения структуры и свойств клеточной стенки целлюлозных волокон при ферментативном воздействии / К.Ю. Терентьев, И.А. Ха-дыко, Е.В. Новожилов // Ломоносова достойные потомки: материалы X ежегодной региональной молодежной научно-практической конференции. - Архангельск: ОАО «Северодвинская типография», 2012. - С. 271-272.

7. Терентьев, К.Ю. Изучение ферментативной деструкции слоев клеточной стенки целлюлозных волокон / К.Ю. Терентьев, И.А. Хадыко // Материалы 50-й Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс»: Биология / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск. - 2012. - С.190.

8. Новожилов, Е.В. Изучение изменения структуры и свойств клеточной стенки волокон беленой сульфатной лиственной целлюлозы при ферментативном воздействии / Е.В. Новожилов, Д.Г. Чухчин, К.Ю. Терентьев, И.А. Хадыко // Материалы науч. конф. проф.-преп. состава, науч. сотр. и аспирантов Сев. (Арктич.) федер. ун-та им. М.В. Ломоносова, посвящ. Дню росс, науки. В 2 ч. - Архангельск: ИПЦ САФУ, 2012, - 4.2. -С. 165-166.

9. Новожилов, Е.В. Ферментные технологии для улучшения бумагообразующих свойств волокнистых полуфабрикатов / Е.В. Новожилов, A.C. Чухчин, М.В. Емельянова, К.Ю. Терентьев // Материалы региональной научно-практической конференции «Качество и конкурентоспособность продукции целлюлозно-бумажной промышленности - на пути к совершенству», г. Коряжма, 2013, С. 19-22.

10. Чухчин, Д.Г. Исследование суспензии целлюлозных волокон методом электронной микроскопии / Д.Г. Чухчин, Е.В. Новожилов, К.Ю. Терентьев, Е.В. Смирнов, Е.В. Варакин, Е.А. Белых // Материалы IV Международной конференции «Физико-химия растительных полимеров». Архангельск, Изд-во АГТУ, 2013, С. 46-50.

11. Аксенов, A.C. Современные направления использования ксиланаз в переработке лигноцеллюлозного сырья / A.C. Аксенов, Е.В. Новожилов, C.B. Беневоленский, К.Ю. Терентьев // Материалы IV Международной конференции «Физикохимия растительных полимеров». Архангельск, Изд-во АГТУ, 2013, С. 162-164.

12. Новожилов, Е.В. Изучение ферментативной обработки небеленой сульфатной хвойной целлюлозы / Е.В. Новожилов, К.Ю. Терентьев, Е.А. Варакин // Материалы II Международной научно-технической конференции посвященной памяти профессора В.И. Комарова «Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов». Архангельск, изд-во САФУ. - 2013. - С.106-111

13. Терентьев, К.Ю. Влияние pH целлюлазной обработки на свойства волокон беленой сульфатной лиственной целлюлозы / К.Ю. Терентьев, М.А. Холмова, Я.В. Казаков, Е.В. Новожилов, A.M. Рожкова, Д.О. Осипов, А.П. Синицын // Материалы международной научной конференции «Биотехнологии в химико-лесном комплексе». -Архангельск: ИД САФУ, 2014. - С. 291-294.

14. Холмова, М.А. Использование ферментов для направленного регулирования бумагообразующих свойств лиственной беленой целлюлозы в процессе размола / М.А. Холмова, Я.В. Казаков, Е.В. Новожилов, К.Ю. Терентьев, Ю.Л. Телегина // Материалы международной научной конференции «Биотехнологии в химико-лесном комплексе». - Архангельск: ИД САФУ, 2014. - С. 314-317.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с указанием фамилии, имени, отчества, почтового адреса, адреса электронной почты, наименования организации и должности, номера специальности, по которой защищена диссертация, подписанные и заверенные печатью, просим направлять по адресу:

163002, г. Архангельск, Набережная Северной Двины, 17, САФУ, диссертационный совет Д 212.008.02.

Подписано в печать 23.03.2015. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 3463

Издательский дом САФУ 163060, г. Архангельск, ул. Урицкого, д. 56