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黑曲霉在造纸白水循环处理中的应用

作　者: 张莉
导　师: 王松林
学　校: 青岛科技大学
专　业: 生物化工
关键词: 黑曲霉 造纸白水 生物酶 阳离子需求量(CD) 机械浆 气质联用色谱(GC-MS)
分类号: X793
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


造纸过程白水的处理回用不仅可以节约用水,减少纤维和化学品的流失,降低生产成本,而且对于防止污染、节约能源等方面也具有十分重要的意义。但随着白水封闭循环程度的提高和循环次数的不断增加,白水中有害物质也会逐渐积累。在这些有害物质中,对抄纸和造纸湿部化学影响最大、最难处理的是白水中的溶解物和胶体物质（DCS）。以机械浆为原料的纸厂白水中积累的DCS类物质主要来源于原材料中亲脂性抽出物和一些糖类物质,如脂肪酸、树脂酸、甘油酯类等,此类物质由于表面带有阴离子基团,以DCS的形式滞留在浆料系统里,影响造纸湿部化学。白水循环处理的方法主要是利用阳离子聚合电解质中和,这个过程需要消耗大量化学品,处理成本较高,同时会增加造纸后续水处理难度。酶由于具有高效、反应条件温和和环境友好等优点,被尝试用于造纸过程以解决生物制浆、树脂障碍、改善纤维性能、生物漂白和废水处理等问题。商品酶在造纸白水处理过程中酶活保持时间较短,酶的应用不可重复性和处理成本较高等限制了酶在造纸过程的应用。黑曲霉是重要的发酵工业菌种,可以根据不同的培养基组合产生不同种类的酶。造纸白水特别是机械浆造纸白水中大量的营养物（无机盐、脂肪类和低聚糖类物质）等,可以为黑曲霉的生长提供营养源,同时黑曲霉的生长产生的酶也会催化分解白水中的溶解胶体等物质,降低白水的阳离子需求量（CD）,缓解了机械浆造纸白水封闭带来的不利影响。直接在白水中培养微生物黑曲霉,同时白水处理成本较低。因此研究具有重要的理论和实践意义。首先,根据产酶种类和活力进行黑曲霉菌种筛选。结果表明,菌种M1、M2、M3产果胶酶、木聚糖酶和纤维素酶活力比KC1、KC2、KC3高。其中M1、M2、M3产果胶酶活力约比KC1、KC2、KC3高10倍。M1、M2、M3产木聚糖酶活力约比KC1、KC2、KC3高15倍。M1、M2、M3产纤维素酶活力约比KC1、KC2、KC3高3倍。M1产果胶酶活力最高,为1100.5IU/ mL,M2所产果胶酶活力较M1稍弱,为1072.9 IU/ mL。M3产果胶酶最大酶活为1050.5 IU/ mL。同时,M1产木聚糖活力较高。因此选用M1作为优化培养基和处理机械浆循环白水的黑曲霉菌种。其次,对优势菌种M1的产酶条件进行优化,使之产果胶酶、木聚糖酶和纤维素酶的比例符合白水循环处理的要求。从温度、pH、接种量、装液量、碳源和氮源因素优化培养条件。结果表明,M1产混合酶（果胶酶活力、木聚糖酶活力和纤维素酶的比例为6:3:1）的最佳培养基的组成成分为:麸皮10-20 g/L,葡萄糖20 g/L,（NH4）2SO4 15.0 g/L;KH2PO4 3.0 g/L;MgSO4·7H2O 1.0 g/L,pH=4.0。最佳发酵温度为30℃,最适接种量为5%,装液量为50 mL。并且优化后果胶酶活力提高至1279.2 IU/ mL,提高了15.3%。而木聚糖酶酶活力为722.2IU/ mL,纤维素酶活力为232.0 IU/ mL。然后,通过测定黑曲霉处理前后白水的pH、电导率、化学耗氧量（COD）、阳离子需求量（CD）以及处理前后DCS水成分的变化,讨论了黑曲霉处理APMP白水的效果。结果表明,黑曲霉能够在白水中生长产酶。APMP白水循环次数越高,黑曲霉产酶活力越大。黑曲霉在白水培养基中培养24-36h时酶活力达到最大值,果胶酶、木聚糖酶和纤维素酶的酶活分别为1219.3 IU/mL、1218.4 IU/mL和253.2 IU/mL。经过黑曲霉处理后,APMP循环白水的阳离子需求量（CD）下降37.1%,化学耗氧量（COD）下降37.9%。DCS水的阳离子需求量（CD）下降49.4%,化学耗氧量（COD）下降28.0%。GC-MS分析表明,黑曲霉M1分泌的生物酶能有效的分解木素衍生物类物质,不饱和脂肪酸和低聚糖类果胶质类物质。处理后白水中的苯胺、甘油、丙烷、苯甲酸、单糖等小分子分解产物含量增大。最后,选取不同的机械浆浆料白水中培养黑曲霉,探讨黑曲霉在不同的机械浆浆料白水中培养产酶特性和对白水性质的影响。结果表明,黑曲霉能够在不同的机械浆循环白水中生长,黑曲霉在APMP白水和BCTMP白水中培养24-48h,果胶酶、木聚糖酶和纤维素酶活力达到1219.3 IU/ mL、1218.4 IU/ mL、253.2IU/ mL和1080.1 IU/ mL、1166.9 IU/ mL、188.8 IU/ mL。经过黑曲霉处理后,三种机械浆循环白水的COD和CD均有所下降。黑曲霉处理BCTMP白水的COD和CD分别降低了41.7%和58.3%。BCTMP DCS水的COD和CD分别降低了46.6%和59.4%。GC-MS分析表明,黑曲霉M1处理后BCTMP-3白水的成分变化较大,松脂酸等树脂酸类成分被氧化,从胶体中释放。并且不饱和脂肪酸和较高分子量脂肪酸类物质含量减少,低聚糖类物质得到了明显的降解。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
1 前言  11-24
  1.1 造纸白水封闭循环  11-13
    1.1.1 我国工业用水状况  11
    1.1.2 白水封闭循环的概念  11
    1.1.3 白水封闭回用的优点及不良影响  11-13
  1.2 生物技术在造纸工业的应用  13-15
    1.2.1 生物工程在造纸工业的应用  13
    1.2.2 基因工程在造纸工业的应用  13-14
    1.2.3 酶工程在造纸工业的应用  14
    1.2.4 发酵工程在造纸工业的应用  14-15
  1.3 黑曲霉简介  15
  1.4 酶的特性  15-21
    1.4.1 酶的特性  15-16
    1.4.2 影响酶催化作用的因素  16-17
    1.4.3 果胶酶的特性  17-18
    1.4.4 木聚糖酶的特性  18-19
    1.4.5 纤维素酶的特性  19-20
    1.4.6 困扰生物酶应用的主要问题  20-21
  1.5 微生物法处理白水的研究进展  21
  1.6 研究内容、目的及意义  21-24
    1.6.1 研究的内容及技术路线  21-22
    1.6.2 研究的目的及意义  22-24
2 黑曲霉菌种的筛选  24-34
  2.1 引言  24
  2.2 实验材料和仪器  24-25
    2.2.1 实验原料  24
    2.2.2 实验药品  24-25
    2.2.3 实验主要仪器  25
  2.3 实验方法  25-28
    2.3.1 黑曲霉培养基  25
    2.3.2 实验试剂准备  25-26
    2.3.3 菌种培养  26-28
  2.4 结果与讨论  28-32
    2.4.1 酶活测定标准曲线  28-29
    2.4.2 黑曲霉菌种在发酵培养基中产酶活力比较  29-32
  2.5 小结  32-34
3 黑曲霉 M1 产混合酶（果胶酶、木聚糖酶、纤维素酶）培养条件的优化  34-44
  3.1 引言  34
  3.2 实验原料和仪器  34
    3.2.1 实验原料  34
    3.2.2 实验主要仪器  34
  3.3 实验方法  34-35
    3.3.1 试剂及实验材料的制备  34-35
    3.3.2 黑曲霉M1 种子的扩大培养  35
    3.3.3 黑曲霉M1 产酶条件的优化  35
  3.4 结果与讨论  35-42
    3.4.1 温度对M1 产酶活力的影响  35-36
    3.4.2 pH 对M1 产酶活力的影响  36-37
    3.4.3 接种量对M1 产酶活力的影响  37
    3.4.4 装液量对M1 产酶活力的影响  37-38
    3.4.5 不同碳源对M1 产酶活力的影响  38-40
    3.4.6 不同氮源对M1 产酶活力的影响  40-41
    3.4.7 复合碳源对M1 产酶活力的影响  41-42
  3.5 小结  42-44
4 黑曲霉在杨木 APMP 造纸白水循环处理中的应用  44-65
  4.1 引言  44
  4.2 实验原料和仪器  44-45
    4.2.1 实验原料  44
    4.2.2 实验药品  44-45
    4.2.3 实验主要仪器  45
  4.3 实验方法  45-47
    4.3.1 APMP 白水的制备  45
    4.3.2 黑曲霉处理APMP 白水和DCS 水  45
    4.3.3 黑曲霉白水中产酶活力的测定  45-46
    4.3.4 APMP 白水和DCS 水性质测定  46-47
  4.4 结果与讨论  47-64
    4.4.1 黑曲霉在生长培养基中以及在APMP 白水中的产酶活力  47-48
    4.4.2 黑曲霉处理对APMP 白水及DCS 水性质的影响  48-53
    4.4.3 白水成分分析  53-64
  4.5 小结  64-65
5 黑曲霉在不同机械浆循环白水处理中作用的比较  65-82
  5.1 引言  65
  5.2 实验原料和仪器  65
    5.2.1 实验原料  65
    5.2.2 实验主要仪器  65
  5.3 实验方法  65
  5.4 结果与讨论  65-81
    5.4.1 白水性质  65-66
    5.4.2 不同浆料黑曲霉产酶活力比较  66-68
    5.4.3 黑曲霉处理三种浆料循环白水及DCS 水性质的影响  68-72
    5.4.4 黑曲霉处理对三种浆料循环白水成分的影响  72-81
  5.5 小结  81-82
全文总结与创新之处  82-84
  1. 全文总结  82-83
  2. 创新之处  83
  3. 下一步研究计划和设想  83-84
参考文献  84-89
攻读学位期间发表的学术论文  89-90
致谢  90-91

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 废物处理与综合利用 > 轻工业废物处理与综合利用 > 造纸工业
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