Влияние смесей амфифильных соединений и ферментных препаратов на смолистость волокнистых полуфабрикатов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние смесей амфифильных соединений и ферментных препаратов на смолистость волокнистых полуфабрикатов

Копнина Регина Анатольевна, Демьянцева Елена Юрьевна,

Карпов Илья Алексеевич и Андранович Ольга Сергеевна

Кафедра физической и коллоидной химии. Институт технологии. Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров. Ул. Ивана Черных, 4.

г. Санкт-Петербург, 198095. Россия. Тел.: (904) 638-37-57. E-mail: zz1234567@yandex.ru

Аннотация

Представлены результаты исследования влияния неионогенных ПАВ (нПАВ), коммерческих ферментов липазы и их смесей на содержание смолистых в различных волокнистых полуфабрикатах. Подобраны оптимальные обессмоливающие композиции, изучены их некоторые коллоидно-химические характеристики и приведены результаты обессмоливающего действия выбранных препаратов. Установлено, что среди исследованных индивидуальных нПАВ большей поверхностной активностью обладает синтанол ДС-10. Предложены смеси исследуемых веществ, обладающие эффектом синергизма. Определено их влияние на остаточную смолистость различных волокнистых полуфабрикатов.

Ключевые слова: неионогенные поверхностно-активные вещества, ферменты липазы, волокнистые полуфабрикаты, обессмоливание, целлюлоза.

неионогенный поверхностный активный фермент

Введение

Смоляные затруднения в течение многих лет являются существенной проблемой целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП). Они проявляются весьма разнообразно и, прежде всего, наиболее ярко при производстве бумаги появлением смоляного сора и отложений на оборудовании. Несмотря на существующие организационные мероприятия для предотвращения отложений смолы, основным наиболее экономичным, радикальным и технологически простым методом борьбы с ними остается введение поверхностно-активных веществ [1].

Однако в последнее время все шире используются биотехнологические приёмы воздействия на смолистые отложения. Применение ферментов подчас настолько эффективно, что позволяет отказаться от громоздких технологий с высокими давлениями и температурами, заменив их простыми процессами, осуществляемыми при температурах ниже 60-80 °С и нормальном давлении. Их преимущество в экологической безопасности, толерантности к обрабатываемым поверхностям и малом расходе [2]. Однако ферменты - относительно неустойчивые вещества, которые при неблагоприятных условиях денатурируются и инактивируются.

В связи с этим, целью данного исследования является разработка оптимальной композиции для обессмоливания волокнистых полуфабрикатов на основе многофункционального комплекса энзим - ПАВ, а также оценка эффективности совместного применения ферментов и поверхностно-активных веществ.

Экспериментальная часть

Для составления обессмоливающей смеси были выбраны неионогенные поверхностно-активные вещества синтамид-5 и синтанол ДС-10, а также коммерческие ферментные препараты Buzyme 2567 и Optimyze Plus 745 (ООО «Банмарк»).

Синтамид-5 - это смесь полиоксиэтилированных эфиров моноэтаноламидов синтетических жирных кислот. Основу cинтанола ДС-10 составляет смесь полиоксиэтиленгликолевых эфиров синтетических первичных высших жирных спиртов.

Buzyme 2567 - это ферментный препарат для борьбы со смолой, основанный на патентованной стабильной форме липазы. Optimyze Plus 745 является ферментным препаратом, предназначенным для контроля клейких частиц, содержащим эстеразы.

Обессмоливающее действие выбранных препаратов изучали на различных образцах волокнистых полуфабрикатов: сульфатная хвойная, сульфатная лиственная целлюлоза, еловая химико-термомеханическая масса (ХТММ) - International paper Светогорский ЦБК; композиция производства газетной бумаги составом: 11.5% хвойной беленной целлюлозы, 29% ТММ, 3% оборотный брак, 56.5% древесная масса - ОАО ”Волга”.

Определение критической концентрации мицеллообразования и поверхностной активности индивидуальных нПАВ, а также смесей и композиций с ферментами определяли тензиометрически [3]. Определение проводили при 293 К в термостатируемой ячейке.

Дозировка неионогенных ПАВ и ферментов составляла 1000г и 500 г на тонну абсолютно сухой целлюлозы соответственно, что согласовывается с их рекомендуемым промышленным расходом.

Содержание смолистых веществ в волокнистых полуфабрикатах до и после обработки обессмоливающими химикатами определяли экстрагированием дихлорэтаном в аппарате Сокслета в течение 4 часов с последующим высушиванием и определением экстрактивных веществ гравиметрическим методом [4].

Результаты и их обсуждение

Обессмоливание поверхностно-активными веществами является сложным и многостадийным коллоидно-химическим процессом. Диспергирующие и стабилизирующие свойства ПАВ, ответственные за растворимость смолы, зависят от природы ПАВ, поверхностной активности и способности их к мицеллообразованию [5]. По полученным в работе изотермам поверхностного натяжения были определены критические концентрации мицеллообразования (ККМ) выбранных нПАВ и рассчитаны поверхностные активности G по формуле:

.

Установлено, что лучшей мицеллообразующей способностью и наибольшей поверхностной активностью обладает синтанол ДС-10 (ККМ = 0.0063 % масс., G = 606 мДж·м/кг) по сравнению с синтамидом-5 (ККМ = 0.016 масс. %, G = 271 мДж·м/кг). В связи с этим вероятно наиболее эффективным обессмоливающим агентом будет синтанол ДС-10.

Перспективным направлением интенсификации различных технологических процессов является применение ПАВ в виде смесей, компоненты которых взаимно активируют друг друга (явление синергизма). Для бинарных смесей указанных нПАВ были определены такие же показатели, что и для индивидуальных веществ. Зависимости ККМ и G от состава смеси нПАВ представлены на рис. 1. Как видно из данных зависимостей, выбранные смеси обладают как антагонистическим, так и синергетическим эффектом.

Рис. 1. Зависимость ККМ (1) и G (2) от процентного содержания компонентов смеси синтамида-5 и синтанола ДС-10

Наибольший синергетический эффект наблюдается в смеси синтамид-5/ синтанол ДС-10 в процентном соотношении 30:70, ККМ данной смеси соответствует 0.0015 % масс.

Поскольку обессмоливающее действие начинается только после появления в растворе мицеллярных структур ПАВ [6], уменьшение ККМ способствует снижению расхода добавляемых веществ, что представляет интерес, как с технологической, так и с экономической точек зрения. Обращает на себя внимание взаимная активация не только по мицеллообразующим свойствам, но и по поверхностной активности, что также крайне важно для усиления диспергирующих и стабилизирующих свойств ПАВ. Таким образом, данная смесь может быть рекомендована как основа обессмоливающей композиции волокнистых полуфабрикатов.

Для повышения эффективности данной композиции в смесь были введены биологически-активные вещества - ферменты. Так как фермент - липаза растворим только в водной среде и не растворим в жирах, то реакция гидролиза может идти только на поверхности раздела фаз вода - масло. Максимально увеличить эту поверхность помогают ПАВ, которые в основном размещаются на границах раздела фаз благодаря особенности строения их молекул [7]. В результате возникающее снижение поверхностного натяжения растворов способствует интенсификации липолиза. Эти положения получили экспериментальное подтверждение в настоящем исследовании обессмоливания различных волокнистых полуфабрикатов.

На основании данных по поверхностному натяжению исследованных растворов, для обработки волокнистых полуфабрикатов были выбраны синергетические смеси нПАВ с энзимами: смесь нПАВ+Optimyze Plus745 (70:30) и смесь нПАВ+Buzyme 2567 (80:20).

В таблице и рис. 2 приведены данные по степени обессмоливания различных волокнистых полуфабрикатов выбранными индивидуальными веществами и композиционными составами на их основе.

Таблица. Степень обессмоливания волокнистых полуфабрикатов амфифильными соединениями и их смесями с энзимами, %

Рис. 2. Степень обессмоливания волокнистых полуфабрикатов ферментами, %

Как видно из результатов исследования, обессмоливающий эффект различных добавок зависит в первую очередь от вида древесного сырья, способа переработки и наименее зависит от технологического режима производства.

Препараты ферментов оказывают лучшее обессмоливающее действие на целлюлозу хвойных пород, в отличие от лиственных, что связано с различной морфологией, капиллярно-пористой структурой волокон и сорбционной способностью фермента.

При действии фермента липазы лучшее обессмоливание достигается при обработке композита по сравнению с целлюлозой. Это связано с тем, что содержащиеся в нем смолы и жиры, находятся на поверхности волокна в отличие от находящихся внутри смол сульфатной и сульфитной целлюлоз [8]. Содержащиеся в ферментном препарате липазы и эстеразы способствуют гидролизу жиров экстрактивных веществ целлюлозы и древесной массы, а также диспергированию клеевых частиц присутствующих в оборотном браке. Таким образом, полученные данные согласуются с выводами о том, что при ферментативном обессмоливании волокнистых полуфабрикатов основным фактором, определяющим эффективность действия липазы, является доступность смолы [8].

В случае еловой ХТММ не наблюдается явного обессмоливающего действия ферментов липазы, поскольку полуфабрикат содержит небольшое количество жиров и образцы взяты после отбелки.

Как и ожидалось, лучшим обессмоливающим действием из выбранных ПАВ обладает синтанол ДС-10, имеющий более высокую поверхностную активность, а также смесь нПАВ.

Полученные в настоящей работе данные по обессмоливанию сульфатной лиственной целлюлозы и ХТММ не подтверждают показанного ранее [8] инактивирующего действия амфифильных соединений на ферменты. Совместное применение амфифильных соединений и энзимов позволяет повысить обессмоливающую способность композиции за счёт хороших эмульгирующих и стабилизирующих свойств ПАВ, а также ферментативного гидролиза.

Заключение

Исследованные в данной работе амфифильные соединения, ферменты и их композиции, показавшие хорошие результаты по снижению смолистости различных волокнистых полуфабрикатов, могут быть рекомендованы предприятиям лесопромышленного комплекса в качестве обессмоливающих агентов.

Выводы

1. На основании изученных коллоидно-химических характеристик неионогенных амфифильных соединений (ПАВ) и липазы/эстеразы содержащих ферменты, определены их оптимальные синергетические композиции.

2. Установлено, что коммерческие препараты ферментов оказывают лучшее обессмоливающее действие на сульфатную целлюлозу хвойных пород по сравнению с лиственной. Показано, что исследованные химические поверхностно-активные вещества не оказывают инактивирующего действия на энзимы.

Литература

1. Ковтун Т. Н., Хакимова Ф. Х., Ермаков С. Г. Применение поверхностно-активных веществ для обессмоливания целлюлозы. Лесной журнал. 2004. №2. С.49-54.

2. Peter B. Skals, Anders Krabek, Per H. Nielsen, Henrik Wenzel. Environmental assessment of enzyme assisted processing in pulp and paper industry. The International Journal of Life Cycle Assessment. 2008. Vol.13. No.2. P.124-132

3. Абрамзон А.А. Методы определения поверхностного натяжения. Журн.приклад.химии. 1999. Т.72. №6. С.924-928.

4. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы: учебное пособие для вузов. М.: «Экология». 1991. 320с.

5. Шпензер Н.П., Ковалева И.Н., Талмуд С.Л.Пути рационального выбора смесей ПАВ для обессмоливающих добавок, применяемых в процессе сульфитной варки целлюлозы Текст. ЖПХ. 1983. №b9. C.2131-2135.

6. Лысогорская Н.П. Научные основы обессмоливания целлюлозы поверхностно - активными веществами.: Автореф. дисс. … доктор химических наук: 05.21.03. Санкт - Петербург. 2004. 30с.

7. Петрунина Л.С. Разработка физико-химических основ и технологии удаления жировых загрязнений с текстильных материалов: Автореф. дисс. … кандидата технических наук: 05.19.02. Москва. 2009. 16с.

8. Емельянова М.В. Ферментативное обессмоливание целлюлозы и механической массы: Автореф. дисс. … кандидата технических наук: 05.21.03. Архангельск. 2007. 19с.

Размещено на Allbest.ru