杂多酸强化纤维素酶处理活化溶解浆反应性能机理研究

Reactivity is critical to the quality of dissolving pulp. Cellulase treatment is one of promising technologies to improve the reactivity of dissolving pulp. However, a further breakthrough of cellulase treatment in dissolving pulp application has been limited due to a poor cellulose accessibility to cellulase (CAC) of dissolving pulp and an insufficient understanding of the cellulase enhancement mechanism. In this project, the green catalyst of heteropoly acid (HPA) with Keggin structure was investigated to improve the reactivity of dissolving pulp. The influence of HPA pretreatment on the changes of cellulose structure, including cellulose molecular, aggregation and morphology structures of dissolving pulp, were studied to establish the relationship to the change of cellulose accessibility, so that the mechanism of enhancing cellulose accessibility by HPA pretreatment can be clarified. The cellulase treatment was conducted on the HPA-treated cellulose fibers. The behaviors of cellulase adsorption on cellulose fiber were studied based on the established adsorption model. The changes of intrinsic viscosity and reactivity of the cellulase-treated dissolving pulp, were determined aiming to illustrate the facilitating effect of HPA pretreatment on cellulase treatment. This project can provide a novel method for dissolving pulp production, and help reduce manufacturing costs and improve the quality of dissolving pulp.

溶解浆反应性能是影响溶解浆品质的关键因素。纤维素酶处理技术在活化溶解浆反应性能方面颇具潜力，由于纤维素酶对溶解浆纤维素可及性（CAC）较低及对纤维素酶强化处理机理认识不足，阻碍了该技术的进一步突破。本项目拟将Keggin型杂多酸用于强化纤维素酶处理活化溶解浆反应性能研究，利用杂多酸催化水解纤维素特性，探究杂多酸预处理对溶解浆纤维结构——分子、聚集态和形态结构的影响规律，拟采用SET法和TGC蛋白吸附法表征溶解浆CAC，建立CAC与纤维结构的相关性，揭示杂多酸预处理对改善溶解浆CAC作用机制；在此基础上，研究经杂多酸预处理后溶解浆对纤维素酶吸附及处理的促进作用，构建基于杂多酸预处理的纤维素酶吸附模型，揭示溶解浆CAC与酶吸附行为的相关性，分析酶处理前后溶解浆黏度和反应性能的变化规律，阐明杂多酸预处理对纤维素酶处理的强化机理。本项目对降低酶处理成本，提高我国溶解浆品质和市场竞争力具有重要意义。

溶解浆反应性能是影响溶解浆品质的关键指标，纤维素酶处理作为一种绿色可持续处理技术，在活化溶解浆反应性能方面颇具潜力。然而，由于溶解浆纤维素可及性（CAC）较低以及对纤维素酶强化处理机理认识不足，阻碍了该技术的进一步突破。鉴于此，本项目采用杂多酸预处理强化纤维素酶处理活化溶解浆反应性能，利用杂多酸催化水解纤维素特性，打开溶解浆纤维结构、提高纤维素可及性，进而强化酶在纤维上的吸附行为及作用效果，实现了溶解浆反应性能显著增加。首先，研究了杂多酸预处理对溶解浆纤维结构（分子、聚集态和形态结构）和纤维素可及性的影响规律。结果表明，磷钨酸（PTA）预处理效果最好，具有较高的催化活性和回用性。经PTA预处理后溶解浆纤维表面逐步粗糙化，纤维细胞壁P/S1层局部破坏，纤维比表面积、孔容积、孔径和保水值显著增加，聚合度显著降低，上述变化趋势与TGC蛋白吸附法测定纤维CAC变化相一致，表明PTA预处理有利于破坏纤维结构、改善溶解浆CAC；其次，研究了不同协同处理杂多酸预处理强化作用机制。结果表明，采用机械磨浆和微波辅助处理可显著提高PTA在纤维中传质作用，同时PTA催化水解也降低了磨浆能耗和微波辐射能量，经协同预处理后的溶解浆纤维结构破坏和纤维可及性增加明显；最后，研究了基于杂多酸预处理对酶吸附行为及酶处理效果强化机理。结果表明，经PTA或磨浆协同PTA预处理后，溶解浆纤维结构和可及性显著增加，促进了酶在纤维上的吸附速率及吸附量的增加，酶吸附行为更符合Freundlich等温吸附及伪二阶吸附模型，表明酶在纤维上主要为多层化学吸附，且提高CAC有助于酶的吸附行为。结合酶处理前后溶解浆反应性能变化可知，杂多酸预处理有助于强化酶的吸附行为和处理效果，降低酶处理用量，显著提高溶解浆反应性能。本项目研究成果有利于丰富酶处理纤维素理论体系，降低酶处理成本，推动酶处理技术在溶解浆领域的工业化应用，为采用绿色、循环模式制备高品质溶解浆提供理论依据。