Биотехнологии в производстве целлюлозы для химической переработки (обзор)

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Химия


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 676. 1−661. 728
БИОТЕХНОЛОГИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ДЛЯ ХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ (ОБЗОР)
© Е. В. Новожилов, Д.Н. Пошина
Северный (Арктический) федеральный университет, Набережная Северной Двины, 17, Архангельск, 163 002 (Россия) e-mail: biotech@agtu. ru
Представлен обзор основных направлений использования биотехнологических методов в производстве целлюлозы для химической переработки. Биоварка — обработка щепы штаммами белой гнили и ферментами перед варкой, позволяет уменьшить содержание нецеллюлозных компонентов в товарной целлюлозе. Ксиланазы и мананазы могут быть использованы для удаления примесей гемицеллюлоз, целлюлазы — для снижения вязкости растворов целлюлозы, повышения ее реакционной способности в процессах химической переработки. Приведены механизмы действия ферментов, обсуждаются преимущества и перспективы их использования.
Ключевые слова: целлюлоза для химической переработки, биоварка, ферменты, удаление гемицеллюлоз, реакционная способность целлюлозы.
Введение
Целлюлозно-бумажная промышленность выпускает специальные виды целлюлозы, предназначенные для последующей химической переработки. В этом направлении используется около 7% вырабатываемой в мире целлюлозы [1]. Годовой объем производства искусственных волокон на основе целлюлозы составляет около 3 млн т, в том числе производство вискозных волокон и пленок находится на уровне 2 млн т в год (рис. 1). Постоянное совершенствование свойств целлюлозных волокон, особенно прочностных, позволит им в будущем более успешно конкурировать с химическими волокнами [2, 3].
Для производства волокон и пленок целлюлозу переводят в растворимое состояние, поэтому ее называют также растворимой целлюлозой (dissolving pulp). Ее используют для получения широкого спектра продуктов, применяемых в текстильной, пищевой, медицинской и других отраслях промышленности. На основе сложных и простых эфиров целлюлозы вырабатывают вискозные и шелковые нити, высокопрочные кордные и штапельные волокна, целлофановые пленки, пластмассы, лаки, бездымный порох, кинопленку, изделия медицинского и гигиенического назначения [1, 5, 6].
Рис. 1. Объемы производства химических волокон (млн т.) в 2003 г., в том числе целлюлозных [4]
* Автор, с которым следует вести переписку.
В промышленности широко используется вискозный способ переработки, основанный на получении щелочерастворимых ксантогенатов целлюлозы, соответственно, целлюлозу, предназначенную для этой технологии, назвали вискозной целлюлозой [7]. В 90-х гг. ХХ в. в промышленных масштабах начата выработка нового целлюлозного волокна — лиоцелла, процесс производства которого связан с прямым растворением целлюлозы в сильно полярном органическом растворителе Ы-метилморфолин-Ы-оксиде (ММО-процесс) [3].
Для эффективного проведения процессов химической переработки и достижения высоких показателей качества целлюлоза должна обладать рядом специфических показателей, многие из которых представлены в таблице 1.
Характеристики целлюлозы формируются в процессах варки и отбелки. Наиболее важными показателями данного вида целлюлозы являются высокое содержание а-целлюлозы, минимальное содержание примесей гемицеллюлоз и лигнина, экстрактивных и минеральных веществ, равномерное молекулярномассовое распределение, относительно невысокая степень полимеризации (СП), небольшая вязкость растворов, высокая реакционная способность и доступность для реагентов [9, 10].
Биотехнологические методы находят все большее применение в процессах получения и переработки целлюлозных полуфабрикатов. Возможность селективного воздействия на компоненты древесины и технических целлюлоз, проведение реакций без повышения температуры и давления, делают различные ферментные препараты перспективными реагентами в технологических операциях ЦБП. Применение ферментов выгодно и с точки зрения экологии, так как они расходуются в очень небольшом количестве, снижают загрязненность сточных вод за счет замены токсичных реагентов, не дают вредных побочных продуктов и являются биоразлагаемыми веществами. В производстве целлюлозы для химической переработки потенциально возможно использование различных ферментных систем: продуцируемых микроорганизмами мультиферментных комплексов для обработки щепы перед варкой, гемицеллюлаз для удаления остаточных гемицеллюлоз, лигнолитических ферментов для делигнификации и удаления смолы, целлюлаз для модификации свойств целлюлозы.
Таблица 1. Требования к целлюлозе для химической переработки [6, 8, 9]
Вид целлюлозы Сульфитная Сульфатная Сульфатная горячего облагораживания Сульфатная холодного облагораживания
Назначение Текстильные нити и волокна Кордные и высокомодульные волокна
Содержание а-целлюлозы, % 90,0−92,5 92,0 95,5 96,5−96,7
Растворимость, %
— в 10%-ном растворе ЫаОН 9,3−1,5 — 6,1 3,6
— в 18%-ном растворе ЫаОН 5,1−6,5 — 3,6 2,2
Белизна, % 90−91 89−90 87 87
Вязкость, мПа*с 20,0−26,0 9,0−11,5 18,5−21,5 17,0−22,0
Реакционная способность 80/11 80/11 110/12 110/13
СБ2/ЫаОН, %
Содержание смол и жиров, % 0,20−0,35 0,08 0,06 0,07
Содержание золы, % 0,08−0,12 0,08 0,08 0,07
Набухание, % 450−550 450−550 480−580 720−730
Регулирование состава и свойств целлюлозы обработкой щепы перед варкой
Из варочных процессов целлюлозу необходимого качества дают сульфитная варка и сульфатная варка с предгидролизом [1, 9]. Варку проводят по особым режимам с целью усилить деструкцию гемицеллюлоз, исключить их адсорбцию на целлюлозу и в максимальной степени удалить все нецеллюлозные компоненты из волокна. Важное значение для последующей химической переработки целлюлозы и качества получаемых из нее продуктов имеют происходящие в ходе варки уменьшение СП и раскрытие надмолекулярной структуры целлюлозы.
Сульфитным способом целлюлозу для химической переработки вырабатывают из малосмолистых хвойных (ели и пихты) и лиственных (березы, бука, эвкалипта) пород, ее применяют для получения текстильной нити и волокна, штапеля, шелка целлофана [1]. Характерные для сульфитной варки параметры процесса — кислая среда и повышенная температура, способны обеспечить высокую степень удаления гемицеллюлоз, глубокий и равномерный провар, низкую вязкость целлюлозы [1]. Кроме классической одноступенчатой кислой сульфитной варки с пониженным содержанием основания, для получения вискозной целлюлозы предлагались двух- и трехступенчатые варочные процессы с различным сочетанием сульфитных (кислых) и щелочных стадий, некоторые из них нашли промышленное применение, в частности, суль-
фитно-содовый (способ Сивола), а также сульфитно-сульфитный способ, предназначенный для получения ацетатной целлюлозы [1].
Сульфатный способ широко применяется в промышленности для выработки целлюлозы из любых хвойных и лиственных пород древесины. Особенностью щелочных способов является прочная адсорбция ксилана в течение варки на поверхности целлюлозных волокон [11, 12], что обеспечивает повышение выхода и улучшение бумагообразующих свойств волокна, но практически исключает возможность использования такой целлюлозы для химической переработки из-за высокого содержания нецеллюлозных компонентов. Ограничить адсорбцию ксилана в ходе сульфатной варки можно путем непрерывного пропускания варочного раствора [13], однако эта технология не представляет промышленного интереса из-за большого расхода реагентов.
Чтобы ускорить деструкцию гемицеллюлоз и усилить их растворение в процессе сульфатной варки, проводят предварительный гидролиз древесины в кислой среде при повышенной температуре [1, 7]. При водном предгидролизе в раствор переходит 18−22% материала древесины, на 75−80% это продукты деструкции гемицеллюлоз [14]. Применение предгидролиза позволяет получить целлюлозу с пониженным содержанием гемицеллюлоз и увеличить ее реакционную способность [1, 15]. Способ сульфатной варки с предгидро-лизом обеспечивает выработку вискозной целлюлозы с очень высоким содержанием а-целлюлозы (94−97%), равномерным молекулярно-массовым распределением, низкой вязкостью и низкой средней СП. Такая целлюлоза пригодна для переработки в высокопрочные кордные и полинозные волокна [1, 6, 7].
Процессы варки проводятся при высокой температуре в агрессивной среде, что исключает применение ферментов. Однако возможна предварительная обработка древесины перед химической делигнифика-цией, так называемая биоварка (Ъюри1р1^). С целью снижения расхода реагентов и повышения качества волокнистых полуфабрикатов биоварка может быть проведена с использованием или микроорганизмов [16, 17], или выделенных из них ферментов [18, 19].
Некоторые виды грибов способны делигнифицировать древесину при обычной температуре и атмосферном давлении за счет набора внеклеточных лигнолитических ферментов. Высокий окислительный потенциал ферментов, представленных в лигнинразрушающих грибах, открывает различные биохимические способы совершенствования подготовки и переработки древесного сырья. Положительный эффект действия лигнолитических ферментов основан на их способности разрушать р-О-4 простые эфирные связи в структурах лигнина [20] и деструктировать липофильные экстрактивные вещества [21, 22]. Указанные преобразования благоприятны для последующего процесса варки древесины. Углеводные компоненты древесины — целлюлоза и гемицеллюлозы, в основном устойчивы к действию лигнолитических ферментов [23, 24].
Так как модификация лигнина древесины и его частичное удаление живым грибом идет очень медленно, использование микроорганизмов связано с большой продолжительностью воздействия, при обработке технологической щепы процесс может проходить 2−4 недели [16]. В производстве целлюлозы для химической переработки широко изучалась предварительная обработка щепы грибами белой гнили Сепропор^ч^'- & amp-'-иЬуегт1&-'-рот [25, 26]. При биообработке эвкалиптовой щепы в течение 5 дней и последующей сульфитной варке имело место снижение числа Каппа целлюлозы на 5%, повышение белизны на 11% без потерь в выходе полуфабриката, при этом сохранялись высокие качественные показатели целлюлозы [26]. Однако биообработка той же щепы в течение 10 дней при дальнейшем существенном снижении числа Каппа целлюлозы привела к заметным потерям выхода волокна (снижение на 5%) по сравнению с контролем.
Была оценена способность нескольких штаммов Сепропор^ч^'- ^'-иЬуегтг^рога улучшать кислую сульфитную варку эвкалиптовой древесины [25]. В большинстве вариантов белизна целлюлозы после варки была выше, чем в контроле (максимально до 3%). Выход небеленой целлюлозы из биообработанной щепы был ниже на 0,5%, однако потери при отбелке были меньше, и в целом выход беленой целлюлозы оказался выше, чем в контроле примерно на 1%. Таким образом, предварительная обработка древесины штаммами белой гнили может быть использована как способ повышения селективности варки и отбелки растворимой целлюлозы.
При использовании микроорганизмов в процессе производства целлюлозных полуфабрикатов, по сути, требуется осуществить их культивирование на обрабатываемой среде, что является достаточно сложной задачей, решение которой требует детального изучения многих аспектов: биологических, технологических, а также оценки материальных затрат. Применение процесса биоварки в естественных условиях на открытом воздухе ограничено для стран с холодным климатом.
При биообработке грибами на субстрат действуют экзоферменты, постоянно воспроизводимые микроорганизмом. Эти экзоферменты можно отделить от микроорганизма, например, фильтрованием и воздействовать на субстрат культуральным фильтратом [27]. Полученный фильтрат можно лиофилизировать и при пониженной температуре хранить достаточно длительное время, если необходимо, то перевозить, перед тем как использовать для биообработки щепы или балансов.
В случае использования для биообработки древесины выделенных препаратов ферментов задача упрощается, так как она аналогична применению катализаторов химического типа. Делигнификация ферментами оксидазного типа: лакказами, пероксидазами, протекает гораздо быстрее, чем грибами, поэтому ферментативная обработка считается более простым и технологически приемлемым способом. Предпочтительнее вести обработку древесного сырья лакказ-медиаторными системами с включением различных медиаторов [28]. Ферментативные способы обработки обычной технологической щепы в целом оказывают незначительное деструктирующее воздействие на компоненты древесины, однако иногда этого бывает достаточно, чтобы обеспечить улучшение и ускорение процессов варки и отбелки целлюлозы.
Предложено несколько способов ферментативной предобработки древесного сырья перед сульфатной варкой. Установлено положительное влияние обработки щепы хвойных и лиственных пород древесины многокомпонентной целлюлазой с примесью ксиланазной активности на проникновение щелочи в волокна в процессе варки [29]. Отмечено значительное ускорение диффузии химикатов в объем древесной щепы как в продольном, так и в тангенциальном направлении. Фотографии, сделанные с помощью микроскопа, позволили установить, что диффузия улучшилась вследствие разрушения мембран в порах волокон. Улучшение пропитки щепы может быть достигнуто также после обработки пектиназой, которая способна разрушать материал торуса мембран окаймленных пор трахеид хвойных пород древесины.
Ускорение проникновения варочных химикатов в лиственную щепу после обработки гемицеллюла-зами приводит к повышению выхода целлюлозы и улучшению белимости сульфатной целлюлозы [30]. Ксиланазная предобработка эвкалиптовой щепы в течение 1 ч при температуре 70 °C обеспечила небольшое повышение выхода целлюлозы и заметное улучшение ее белимости [31]. После варки образцы контрольной и биообработанной проб не отличались по числу Каппа, но это отличие было выявлено в ходе отбелки. Белизна целлюлозы, полученной из ферментативно обработанной щепы при сульфатной варке с расходом щелочи 18%, была в процессе отбелки и в конце ее выше, чем у контрольной пробы, сваренной с расходом щелочи 24%. Вязкость беленой целлюлозы была такой же, как у контрольного образца.
Отложения компонентов древесной смолы — это одна из проблем, с которой сталкиваются предприятия при сульфитных способах варки хвойной древесины, при сульфатной варке лиственной древесины. При этом содержание смол и жиров — это важная характеристика качества вискозной целлюлозы (табл. 1).
Предварительное выдерживание балансов или щепы традиционно использовалось как метод снижения смоляных затруднений. Часть смолистых веществ удаляется или претерпевает превращения из-за испарения, окислительных процессов и ферментативного гидролиза микроорганизмами, что сопровождается уменьшением общего количества смолы. При хранении древесины изменение состава и свойств смолы вызывается действием различных ферментов, которые изначально присутствуют в микрофлоре паренхимных клеток. В смоле исходной древесины основная часть жирных кислот включена в состав жиров, их гидролиз протекает с участием липаз. Происходит также ферментативное окисление непредельных кислот под действием липоксидазы [32].
Биотехнологические приемы для борьбы с вредной смолой включают обработку древесины грибными культурами или применение липаз для обработки волокнистой массы, содержащей смолу [33, 34]. Биотехнология обессмоливания с использованием липаз предназначена для подготовки древесины к переработке в волокнистые полуфабрикаты как механическим способом, так и методами кислой сульфитной или бисульфитной варки, в которых ответственными за большинство отложений являются жиры. Последнее направление актуально для производства вискозной целлюлозы.
Культивирование гриба Оркг^^ота РШ/егыт в заболони свежей древесины [33, 35] - это один из методов биотехнологического контроля смолы. Микробная обработка эффективна для обессмоливания щепы свежесрубленной хвойной древесины, при этом происходит быстрый рост грибной культуры, колонизация паренхимных клеток, деградация содержащейся в них смолы. Такой метод борьбы со смолой можно считать разновидностью метода выдерживания древесины, отличие в том, что он проводится в контролируемых условиях и усилен действием извне внесенных с инокулятом гриба липолитических ферментов. После инкубации в течение 2−3 недель содержание экстрактивных веществ в сырье снижается на 40−50% [33, 36].
На основе генетически модифицированного грибного продуцента Ophistoma Piliferum предложен препарат под торговой маркой Cartapip®, использование которого для обработки хвойной древесины обеспечивает гидролиз 90% триглицеридов [36, 37]. Эта технология была доведена до промышленных масштабов в варианте, когда лиофилизированный инокулят гриба добавляется к технологической щепе сразу после ее изготовления [18]. Триглицериды, смоляные кислоты и эфиры стиролов эффективно удалялись из еловой древесины препаратом Cartapip®, при этом не отмечено отрицательного влияния на качество и белимость массы из биологически обработанной щепы [38]. Хотя грибы легко колонизируют свежую щепу без предварительной подготовки, деградация смолы оказалась максимальной после обработки древесины паром.
Биообработка технологической щепы вполне применима как предварительная стадия подготовки древесины к процессу варки целлюлозы. Она обеспечивает следующие преимущества: ускорение процесса делигнификации, уменьшение смоляных затруднений, повышение качества целлюлозы, увеличение объемов производства, большую экологическую безопасность процессов и уменьшение вмешательства во внешнюю среду при производстве волокнистых полуфабрикатов. одно из главных препятствий в реализации процесса биоварки — низкая диффузионная способность проникновения достаточно больших макромолекул ферментов в объем технологической щепы. Наблюдаемая на практике более высокая эффективность биообработки грибами по сравнению с обработкой выделенными препаратами ферментов, вероятно, связана с тем, что в данном случае с компонентами древесины взаимодействует целый набор ферментов, фактически мультиэнзимный комплекс, в котором имеет место синергетический эффект и различные виды ферментов дополняют действие друг друга.
В заключение следует отметить, что все вышеуказанные способы подготовки древесного сырья и процессы варки закладывают только фундамент в формировании структуры и свойств целлюлозы для химической переработки, так как они не могут в полной мере обеспечить необходимую степень удаления лигнина, гемицеллюлоз, смолистых веществ, требуемые характеристики полимолекулярных свойств, реакционной способности и других важных показателей данного вида целлюлозы.
Регулирование состава и свойств целлюлозы в процессе отбелки
Процесс выработки высококачественной целлюлозы для химической переработки завершает многоступенчатая отбелка, которая так же, как и варка, имеет свои отличия по сравнению с отбелкой целлюлозы для бумаги. Схемы отбелки весьма разнообразны по набору химикатов, современные технологии предусматривают отбелку вискозной целлюлозы с исключением применения хлора и гипохлорита натрия (ECF-отбелка) или с полным исключением соединений хлора (TCF-отбелка) [9].
В настоящее время мало изучено применение лигнолитических ферментов для делигнификации вискозной целлюлозы. При обработке эвкалиптовой целлюлозы для химической переработки лакказ-медиаторной системой с использованием в качестве медиаторов виолуровой кислоты или гидроксибензо-триазола число Каппа уменьшилось на 45−50%, а белизна целлюлозы увеличилась на 3,5−6,3 единиц [39]. Было показано, что действие ферментов при культивировании грибов белой гнили увеличивает белизну вискозной целлюлозы, при этом становится возможным отбеливание ее по ECF-технологии, но существенно снижается выход волокна из-за довольно высокой целлюлазной активности микроорганизмов [40].
При отбелке вискозной целлюлозы, кроме завершения процесса делигнификации и достижения высокой белизны, необходимо обеспечить максимально полное удаление не только лигнина, но и других нецеллюлозных компонентов. Поэтому в схемы отбелки наряду с традиционно применяемыми стадиями дополнительно включена стадия щелочного облагораживания [7, 9, 41, 42].
Задачей щелочного облагораживания является максимально полное удаление гемицеллюлоз (глюко-маннана и глюкуроноксилана), фракций деструктированной целлюлозы, имеющих СП ниже 200, одновременно происходит растворение основной части экстрактивных веществ. Из всех показателей качества облагороженных целлюлоз наиболее важным является содержание а-целлюлозы, которое характеризует степень облагораживания или степень химической чистоты целлюлозы. В наилучшей степени подходит для облагораживания мягкая, хорошо и равномерно проваренная целлюлоза с небольшим содержанием остаточных гемицеллюлоз, более или менее разрушенных в процессе варки. Холодное щелочное облагораживание позволяет получать целлюлозу с более высоким содержанием а-целлюлозы, чем горячее облагораживание, но оно связано с большим расходом щелочи и экономически оправдано только при получении высокопрочных продуктов [9]. Важно отметить, что процесс облагораживания связан с большими химическими потерями волокна, в частности, при горячей щелочной обработке целлюлозы они достигают 25−30%.
Наличие примесей гемицеллюлоз отрицательно сказывается на процессах химической переработки целлюлозы. Г емицеллюлозы вызывают помутнение растворов эфиров целлюлозы и ухудшают их фильтруе-мость, сильно набухают при мерсеризации и затрудняют удаление щелочи в процессе отжима [1]. Пентозаны и гексозаны интенсивно участвуют в реакциях этерификации, что приводит к снижению степени замещения целлюлозы, увеличению расхода этерифицирующих реагентов, неравномерному распределению заместителей. Кроме того, эфиры гемицеллюлоз могут образовывать слой на поверхности волокон, препятствующий дальнейшему проникновению реагентов, а также формировать гелевые частицы, снижающие фильтруемость растворов [43]. Продукты этерификации гемицеллюлоз окрашены и иногда нерастворимы, они снижают качество растворов целлюлозы и конечных продуктов химической переработки. Эти примеси вызывают снижение прочности вискозных и ацетатных волокон и пленок, ломкость и пожелтение лаков и покрытий, снижение оптической однородности фото- и кинопленок, уменьшение термостойкости нитратов. Содержание гемицеллюлоз особенно строго регламентируется в сырье для получения ацетатов, нитратов, высокопрочных вискозных волокон [43]. Следовательно, снижению содержания гемицеллюлозных фракций в составе целлюлозы для химической переработки необходимо уделять особое внимание.
На состав и локализацию гемицеллюлоз в технической целлюлозе и выбор ферментов для их извлечения влияет вид древесного сырья, а также способ варки и выход полуфабриката. Количество и состав гемицеллюлоз хвойных и лиственных пород древесины существенно различаются, что прямо отражается на составе гемицеллюлоз в технических целлюлозах, полученных промышленными способами варки. в лиственных породах преобладают глюкуроноксиланы (30−35% от древесины), маннаны составляют всего
0,5−1,3% [15, 44]. Главная цепь глюкуроноксиланов построена из остатков р-Б-ксилопиранозы, соединенных гликозидными связями 1^-4. Боковыми ответвлениями служат остатки 4-О-метил-Б-глюкуроновой или Б-глюкуроновой кислот. СП ксиланов лиственных пород в среднем составляет 100−200 [45]. Многие звенья ксиланов содержат ацетильные группы.
В хвойных породах преобладают галактоглюкоманнаны и глюкоманнаны (10,9−11,9% от древесины) [15, 44]. Эти полисахариды в главной цепи содержат звенья маннозы и глюкозы, боковые ответвления обычно представлены остатками маннозы или галактозы. Маннаны хвойных пород ацетилированы. СП галактоглюкоманнанов находится в интервале 70−100 [45]. Арабиноглюкуроноксиланы в древесине хвойных пород присутствуют в количестве 5−11% [15, 44]. СП ксиланов хвойных пород составляет 70−130 [45].
Основную цепь ксиланов и маннанов способны разрушать эндо-1,4-р-Б-ксиланазы (КФ 3.2.1. 8) и эндо-1,4-р-Б-маннаназы (КФ 3.2.1. 78), часто называемые просто ксиланазами и маннаназами. Их действие приводит к быстрому снижению СП гемицеллюлоз с образованием водорастворимых олигосахаридов различного состава. Большинство ферментов, отщепляющих боковые группы (а-арабинозидаза, а-глюкуронозидаза, а-галактозидаза и др.), могут взаимодействовать только с олигомерами, образующимися при деполимеризации макромолекул гемицеллюлоз эндоферментами [43]. Для исчерпывающего ферментативного гидролиза природных ксилана и маннана требуется широкий набор ферментов, однако в большинстве технологических процессов, где применяется ферментативная деструкция гемицеллюлоз, достаточно действие ксиланаз и маннаназ.
Диапазон и эффективность действия ферментов как биокатализаторов определяются их специфическими особенностями. Средний диаметр макромолекул у ксиланаз 10−30 А, их молекулярная масса (ММ) находятся в пределах от 10 до 85 кДа. Ксиланазы семейства 11 имеют ММ меньше 30 кДа, как правило, являются щелочными ферментами. У ксиланаз семейства 10 более высокая ММ, они в основном являются кислыми ферментами. Оптимум рН для ксиланаз находится в интервале 5−9,5 [46, 47]. Молекулы маннаназ имеют ММ 30−90 кДа и рН-оптимум действия в кислой области 2,9−5,4. Большинство гемицеллюлаз проявляет максимальную активность при температуре 50−70 °С, что вполне приемлемо для их использования в технологических процессах подготовки и отбелки целлюлозы.
Химический состав гемицеллюлоз, оставшихся в волокнах целлюлозы после варки, существенно меняется. В первую очередь отщепляются ацетильные группы, теряются остатки арабинозы, удаляется часть уроновых кислот, уменьшается СП гемицеллюлоз. Различия в распределении гемицеллюлоз в сульфатной и сульфитной целлюлозе обусловлены особенностями поведения волокон в кислой и щелочной среде, а также реакциями самих гемицеллюлоз в условиях варки. Известно [1, 15], что ксиланы в процессе кислой сульфитной варки гидролизуются быстрее маннанов, но они более устойчивы в щелочной среде при сульфатной варке. Это одна из причин, почему сульфатные целлюлозы имеют значительно более высокое содержание ксилана, чем сульфитные [1].
Данные о локализации гемицеллюлоз по ширине клеточной стенки волокон технических целлюлоз были получены методами химического и механического отслаивания, электронной микроскопии [43], а также методом последовательной ферментативной деструкции [48]. Хвойные и лиственные сульфат-целлюлозные волокна имеют повышенное содержание пентозанов в наружных слоях клеточной стенки вследствие адсорбции (переосаждения) ксилана из раствора на заключительных этапах варки (рис. 2).
При действии кислых варочных растворов не происходит набухания древесины, реакции внутри клеточной стенки идут более равномерно, отсутствует адсорбция гемицеллюлоз, поэтому распределение гемицеллюлоз по слоям клеточной стенки примерно одинаковое [49].
Известно [50], что глюкоманнан, как и ксилан, обладает способностью прочно адсорбироваться на целлюлозных волокнах, однако в условиях сульфатной варки этого не происходит из-за быстрой деструкции растворенного маннана в щелочной среде.
Именно для того, чтобы разрушить и частично растворить гемицеллюлозы древесины и таким образом предотвратить последующую адсорбцию ксилана, проводят предгидролиз перед сульфатной варкой. Если при обычной сульфатной варке из хвойной древесины удаляется 70% маннана и 47% ксилана, то при сульфатной варке с предгидролизом было растворено уже 81% маннана и 87% ксилана [15, с. 327]. Таким образом, даже при наличии стадии предгидролиза в небеленой сульфатной целлюлозе еще остается небольшая часть ксилана и маннана.
Первые исследования по использованию ферментов для селективного удаления гемицеллюлоз из волокнистых полуфабрикатов были проведены в Институте химии древесины А Н Латвийской ССР в 19 751 978 гг. Р. Г. Каткевич, Ю. Ю. Каткевич с соавторами [51, 52]. Было показано, что препарат ксилоаваморин с основной ксиланазной активностью удалял около 15% гемицеллюлоз из холоцеллюлозы сосны и 3−8% гемицеллюлоз из технических целлюлоз. Позже различным исследователям [53−63] путем ферментативной обработки удалось извлечь от 8 до 54% гемицеллюлоз, в зависимости от состава ферментного препарата, характеристик и стадии переработки волокнистой массы, начального содержания в ней гемицеллюлоз.
Монокомпонентные гемицеллюлазы способны гидролизовать незначительную часть гемицеллюлоз, при этом ксиланазы эффективнее маннаназ, при их действии может также частично удаляться маннан [63]. Эффективность ферментативной деструкции гемицеллюлоз можно повысить, используя смеси ксиланаз и маннаназ [51, 62, 63] или многократные обработки ксиланазами [55, 56, 58]. Ксиланаза гидролизует ксилан, выделенный из вискозной целлюлозы, в 1,3−2,3 раза быстрее, чем природные ксиланы, выделенные из древесины [64]. Ксилозидаза давала при гидролизе больше ксилозы, но была способна растворить только 3% ксилана целлюлозы, тогда как ксиланаза — 10%. При одновременном действии двух этих ферментов было удалено 12% ксилана от его содержания в целлюлозе. Синергетический эффект с точки зрения образования дополнительного количества ксилозы наблюдался, когда к ксиланазе и ксилозидазе была добавлена манна-наза, однако это не привело к усилению растворения ксилана из целлюлозы.
После сульфитной варки древесины эвкалипта из целлюлозы был выделен ксилан в количестве 3,8%, в котором содержались уроновые кислоты и ацетильные группы, при этом соотношение ксилоза: 4-О-метилглюкуроновая кислота: ацетилы было равно 13,6: 1: 6,2. Однако, когда при ферментативной обработке такой целлюлозы к ксиланазам добавили ацетилксиланэстеразу, дополнительного прироста белизны не было получено [60]. Некоторые ацетилксиланэстеразы способны действовать на полимерный ксилан [65], это усиливает удаление гемицеллюлоз.
Softwood kraft and sulfite pulps Hardwood kraft and sulfite pulps
V)
ra
E
с
0)
с
о
и
с
. S
& gt-
X
25
20
15
10
5
т--------1″
^ Kraft pulp (SW)
ч
/Sulfite pulp (SW)
0
0 20 40 60 80 100
Carbohydrate yield, mass %
o'-
[/) W 60
(0? 50
4-Г С 40
Ш 30
с о о 20
с 10
то & gt- X 0
т-------1-------1------г
Kraft pulp (HW)
Sulfite pulp (HW) —
0 20 40 60 80 100
Carbohydrate yield, mass %
Рис. 2. Распределение ксилана в клеточных стенках волокон различных целлюлоз [48]
Имеются сведения об увеличении степени удаления ксилана при использовании вместе с ксиланазой арабинофуранозидазы [66]. Гидролиз глюкуроноксилана и маннана ферментными препаратами ускорялся в присутствии целлюлаз [51, 52, 62, 63, 65], так как действие целлюлолитических ферментов приводит к частичной деструкции целлюлозных цепей, в результате повышается доступность гемицеллюлоз для ксиланаз и маннаназ.
Причинами неполного удаления гемицеллюлоз, по мнению исследователей, могут быть особенности их расположения в клеточной стенке волокон, наличие химических связей между гемицеллюлозами и лигнином в составе лигноуглеводных комплексов (ЛУК), а также особенности субмикроскопической структуры целлюлозы. Предполагается, что неравномерное распределение пор по размерам, характерное для волокон сульфитных целлюлоз, является существенной причиной неполной ферментативной деструкции гемицеллюлоз [60]. Для большинства гемицеллюлаз, имеющих ММ порядка 20−60 кДа, доступны капилляры размером 4−5 нм [65, 67]. В структуре сульфатной целлюлозы обнаружены крупные микрокапилляры с размерами 3−6 нм [68], что является достаточным для диффузии ксиланаз. Очевидно также, что ксиланазы с более низкой ММ легче проникают к ксилану, расположенному в глубине волокон целлюлозы.
Методами хроматографии и спектроскопии [63] в беленой вискозной целлюлозе, содержавшей 2,8% остаточных гемицеллюлоз, выявлено наличие двух типов ЛУК: комплекса галактоглюкоманнана и лигнина (СП 50−60) и ксилан-лигнинового комплекса (СП больше 200). В виде ЛУК была связана половина гемицеллюлоз, устойчивых к ферментативному гидролизу, в то время как их другая половина была удержана внутри целлюлозной матрицы. Присутствие лигнина и участие гемицеллюлоз в образовании ЛУК с различными типами лигноуглеводных связей ограничивает действие ферментов. Например, молодые клетки древесины в значительной степени гидролизуются гемицеллюлазами, а лигнифицированные — только на 3−5% [43].
Было показано, что наиболее устойчивые ЛУК, сохраняющиеся в целлюлозе после варки и отбелки, содержат именно маннан [69], при удалении остаточного маннана происходит снижение прочности бумаги [70]. Внутри клеточной стенки сульфат-целлюлозных волокон маннан частично закрыт сорбированным ксиланом [71], такая локализация снижает доступность маннана для ферментативного воздействия. Высказывалось мнение [51], что лигнин в технических целлюлозах из-за низкого содержания не может оказывать сильного отрицательного влияния на действие ферментов, а предел ферментативного облагораживания обусловлен исключительно ограниченной доступностью гемицеллюлоз.
В проведенных нами исследованиях было установлено, что обработка маннаназой целлюлозы перед стадией горячего облагораживания в схеме отбелки хвойной сульфитной вискозной целлюлозы оказывается достаточно эффективной и позволяет повысить содержание а-целлюлозы, снизить потери выхода волокна в среднем на 0,5%, уменьшить расход щелочи на облагораживание на 5 кг/т целлюлозы.
И в сульфит-целлюлозных и в сульфат-целлюлозных волокнах присутствуют трудногидролизуемые гемицеллюлозы (целлюлозаны), представленные ксиланом и маннаном, которые ориентированы совместно с целлюлозой. Они находятся внутри целлюлозных микрофибрилл и являются недоступными для действия не только ферментов, но и многих химикатов [43]. Таким образом, достичь высокой степени удаления гемицеллюлоз из технической целлюлозы, используя только ферментные препараты, не удается.
В то же время, применяя ферментативную обработку, можно подготовить для химической переработки древесную целлюлозу с изначально высоким содержанием гемицеллюлоз. Предложено [72, 73] получать ацетатную целлюлозу из вторичных беленых лиственных волокон с использованием обработки кси-ланазой и холодного щелочного облагораживания по схеме: щелочь-ксиланаза-щелочь. Обработка щелочью на первой стадии способствует раскрытию структуры клеточной стенки волокон, что делает целлюлозу и гемицеллюлозы более доступными для действия ферментов. Щелочная экстракция после ферментативной обработки позволяет удалить дополнительное количество гемицеллюлоз, так как вызывает дальнейшее раскрытие структуры волокон и усиливает растворение крупных фрагментов полисахаридов, де-структированных ферментами, но удерживаемых внутри клеточной стенки [74, 75]. Предложена также комбинированная обработка ксиланазой и щелочью целлюлоз для бумаги и недревесных целлюлоз для того, чтобы использовать их затем для химической переработки [76].
Во многих исследованиях показано, что при обработке небеленых целлюлоз ксиланами и маннана-зами происходит улучшение их белимости. В промышленности широко используется биоотбелка сульфатной целлюлозы с применением ксиланаз [77−80]. Повышение способности к отбелке массы позволяет снизить расход отбеливающих реагентов: по одним данным [81], в среднем на 20% для лиственной целлюлозы и на 10−15% - для хвойной, по другим данным [82], на 15−25% для обоих видов целлюлоз. За счет фермен-
тативной обработки можно повысить белизну целлюлозы на 1,5−2,0% без увеличения расхода отбеливающих реагентов. Обработку ксиланазами успешно применяют в обычных схемах отбелки с хлорсодержащими химикатами, в БСБ- и ТСБ-схемах, а также в схемах с использованием кислорода, пероксида кислорода и озона. Был проведен скрининг более чем 200 препаратов ксиланаз и установлено, что для улучшения бе-лимости сульфатной целлюлозы наиболее эффективны ксиланазы семейства 11 [82, 83].
Как показывает практика, для улучшения белимости целлюлозы достаточно разрушить и удалить незначительную часть, менее 10%, ксилана, содержащегося в волокне. Следует отметить, что при действии отбеливающих химикатов также имеют место потери углеводов, в том числе ксилана, однако при наличии стадии предварительной ферментативной обработки они несколько выше, чем при отбелке по традиционной технологии.
Предложены два механизма, объясняющие положительное влияние обработки ксиланазами на процесс отбелки сульфатной лиственной и хвойной целлюлозы. Во-первых, при ферментной обработке гидролизуется переосажденный на целлюлозные волокна ксилан, благодаря чему происходит раскрытие микро-капиллярной структуры волокон (рис. 3). Во-вторых, ксиланазы воздействуют на ксилан в составе ЛУК, вызывая разрушение углеводной составляющей комплексов и высвобождая фрагменты лигнина, которые до этого были связаны с ксиланом и за счет этого удерживались в волокне [78]. И в том и в другом случае улучшается растворимость лигнина и повышается его доступность к действию отбеливающих реагентов.
Обработка ксиланазой вискозной сульфатной березовой целлюлозы, дополненная щелочной экстракцией, позволила еще до отбелки уменьшить число Каппа на 2,9−4,0 ед. [85]. Было установлено, что по спектральным характеристикам экстрагированный из волокна лигнин отличается от лигнина сульфатного черного щелока, возможно, из-за присутствия остатков углеводов. ММ лигнина, растворенного из сульфатной лиственной целлюлозы после обработки ксиланазой, была в 1,5 раза больше, чем лигнина, экстрагируемого водой при тех же условиях [86]. Извлечение лигнина с большей массой может происходить как за счет раскрытия микрокапиллярной структуры целлюлозных волокон, так и за счет дополнительного перехода в раствор ЛУК.
Гемицеллюлазы могут воздействовать только на углеводную часть ЛУК, разрушения самих лигно-углеводных связей не происходит. Это можно объяснить недостатком пространства для адсорбции фермента рядом с фрагментом лигнина, так как для расположения ксиланазы на субстрате необходимы несколько свободных, не содержащих заместителей звеньев макромолекулы ксилана [87]. Если ксилан, входящий в состав ЛУК, частично деструктируется, то в результате уменьшается ММ и повышается подвижность таких комплексов, что облегчает их извлечение из клеточной стенки [84].
В сульфитной целлюлозе и в целлюлозе для химической переработки нет расположенного на поверхности сорбированного ксилана, однако и в этом случае ксиланазы способны удалять его из волокна [85, 60]. Есть все основания полагать, что эти ферменты способны деструктировать ксилан, расположенный во внутренних слоях клеточной стенки волокон. Ферментативное удаление ксилана способствует увеличению размеров пор волокон, повышению доступности для реагентов остаточного лигнина, ускорению диффузии продуктов деструкции из волокна [88].
Рис. 3. Механизм действия ксиланаз на адсорбированный ксилан с раскрытием макромолекул лигнина [84]
Обработка ксиланазой небеленой сульфитной целлюлозы с ее последующей отбелкой по схеме О2 -Д1 — ГО — Д — П позволила получить вискозную целлюлозу высокого качества: содержание гемицеллюлоз, определенное по растворению в 18%-ном растворе NaOH, было ниже на 6−8%, белизна была выше на 2,2% [89]. При отбелке сульфитной еловой целлюлозы по схеме Ф — П1 — П2 комбинированное воздействие ге-мицеллюлаз и щелочного раствора пероксида водорода привело к снижению содержания остаточного лигнина, наблюдалась усиленная деструкция наружных слоев P и S1 клеточной стенки, выше было набухание волокон в медно-аммиачном растворе, но белизна целлюлозы по сравнению с контрольным опытом оказалась на одном уровне [68]. Отмечается [89], что при оценке эффективности ксиланаз для биоотбелки требуется проведение тестирования по полной схеме, особенно при достижении высокой белизны и при получении растворимой целлюлозы. Снижение расхода активного хлора на отбелку сульфитной целлюлозы для химической переработки при использовании ксиланаз может достигать 50% [90]. Комбинируя последовательность заключительных стадий отбелки и варьируя расход реагентов, можно контролировать белизну и вязкость конечного продукта.
Зависимость увеличения белизны целлюлозы от степени удаления гемицеллюлоз, количества и вида образующихся сахаров обнаружить удается не всегда. Для сульфитной целлюлозы и некоторых видов сульфатной целлюлозы более эффективны при биоотбелке препараты, удаляющие наибольшее количество ксилана [91, 92]. Было показано, что эффективность биоотбелки сульфатной целлюлозы находится в зависимости от показателя эндотипа действия ферментов (отношение скорости снижения вязкости растворов гемицеллюлоз к скорости образования моносахаридов при гидролизе) как для ксиланаз, так и для маннаназ [93].
Маннаназы по сравнению с ксиланазами обладают меньшим отбеливающим эффектом [92, 94]. Они могут быть использованы преимущественно для отбелки хвойной целлюлозы, полученной по модифицированным методам сульфатной варки с ограниченной сорбцией ксилана, в этом случае они оказываются эффективней ксиланаз [74, 92].
Важным показателем качества целлюлозы для химической переработки является вязкость ее растворов, характеризующая СП целлюлозы. СП высоковязкой целлюлозы для химической переработки после варки должна составлять 850−1050, а у целлюлозы низкой вязкости — около 700 [5, 6]. Дальнейшее уменьшение вязкости до заданного уровня проводится на стадии добелки гипохлоритом натрия за счет окислительной деструкции целлюлозы. В ECF-схемах отбелки для регулирования вязкости целлюлозы предлагается использовать пероксид водорода [42].
Обработка гемицеллюлазами при небольшом расходе практически не влияет на вязкость целлюлозы, при ферментативном облагораживании ксиланазами и маннаназами она может даже несколько увеличиться вследствие удаления фракции гемицеллюлоз с низкой СП. В то же время применение целлюлаз для снижения вязкости вискозной целлюлозы является весьма перспективным.
Микроорганизмы, разлагающие целлюлозу, синтезируют разнообразные виды ферментов целлюлаз-ного типа, отличающиеся специфичностью действия. Целлюлазные комплексы способны расщеплять ?-1,4-глюкозидные связи в полимерных формах целлюлозы. Основными ферментами комплекса, отвечающими за деструкцию макромолекул целлюлозы, являются эндоглюканазы (Е.С. 3.2.1. 4) и целлобиогидро-лазы (Е.С. 3.2.1. 91). Эндоглюканазы (ЭГ) расщепляют связи произвольно по длине макромолекулы, действуя преимущественно на аморфные участки, целлобиогидролазы (ЦБГ) осуществляют гидролиз высокоупорядоченных участков фибрилл до целлобиозы [95]. Еще одна группа ферментов целлюлозного комплекса — это целлобиазы (?-глюкозидазы, Е.С. 3.2.1. 21), обладают узкой специфичностью и гидролизуют только целлобиозу, которая при накоплении в реакционной среде ингибирует действие других целлюлаз. Кроме собственно целлюлаз, целлюлазные комплексы в природном состоянии содержат также ферменты иной специфичности (например, гемицеллюлазы), а также некаталитические белки, способные действовать на поверхности целлюлозы, в частности, целлюлозосвязывающие домены (ЦСД) [96].
Действуя индивидуально, ферменты целлюлазного комплекса разрушают целлюлозу в очень незначительной степени (табл. 2. 1) [97, 98]. Характерной особенностью целлюлаз является наличие синергизма в их действии. Различные комбинации из двух видов ферментов вызывают более глубокую деструкцию целлюлозы хлопка, наибольший эффект дает смесь ЭГ и ЦБГ. При действии смеси всех трех выделенных целлюлаз гидролиз целлюлозы идет на уровне действия нефракционированного ферментного препарата.
Наблюдаемый синергетический эффект зависит от соотношения между ЭГ и ЦБГ, а также от типа ЭГ, которая действует совместно с ЦБГ. Синергизм обусловлен реализацией кинетических закономерностей последовательно (или последовательно-параллельно) действующей полиферментной целлюлазной
системы, когда продукт действия одного из ферментов является субстратом для другого [99]. При наличии в композиции ЭГ и ЦБГ первый из ферментов осуществляет фрагментацию макромолекул целлюлозы и таким образом увеличивает концентрацию невосстанавливающих концов целлюлозных цепей, являющихся субстратом для второго фермента.
Ферментные препараты, содержащие различные виды целлюлаз, способны значительно снизить выход волокна после обработки. Применение целлюлаз для модификации свойств целлюлозных волокон в целлюлозно-бумажной и текстильной промышленности с сохранением выхода массы основано на использовании монокомпонентных препаратов, в основном, ЭГ [100−102]. Очень важно применять правильно подобранную целлюлазу, обладающую мягким и очень избирательным действием. Применение неселективных многокомпонентных целлюлазных препаратов может привести к порче волокна и снижению прочности. Эффективность действия препаратов ЭГ зависит от их специфической активности, кроме того, важную роль играет наличие в составе целлюлозосвязывающего домена (ЦСД), который способствует связыванию фермента с субстратом и усиливает действие ЭГ. Расход целлюлазы всегда должен быть оптимизирован для получения максимального эффекта.
Наши исследования показали [103], что использование на заключительной стадии отбелки коммерческих препаратов ЭГ компании №уо7уте (Дания) позволяет обеспечить требуемый в производстве интервал вязкости вискозной целлюлозы — 215−265 мПз (табл. 3).
Обработку целлюлозы ЭГ можно включить в схему отбелки вместо стадии второй гипохлоритной обработки. Замена гипохлорита на фермент позволит уменьшить загрязнение стоков отбелки хлороргани-ческими соединениями. Рекомендуемый расход препарата ЭГ низкий — 0,2−0,3 кг/т целлюлозы, что обеспечивает сохранение содержания а-целлюлозы, выхода массы и экономическую эффективность процесса.
Таким образом, применение ферментных технологий в процессе многоступенчатой отбелки целлюлозы для химической переработки позволяет уменьшить содержание остаточных гемицеллюлоз, повысить белимость и уменьшить расход отбеливающих химикатов, а также отрегулировать в заданных пределах вязкость целлюлозы.
Таблица 2. Целлюлазная активность компонентов Trichoderma koningii и Fusarium solani целлюлаз при действии индивидуально и в смеси [98]
Препараты ферментов Целлюлазная активность (по растворимости целлюлозы хлопка) (%)
T. koningii F. solani
Целлобиогидролаза (ЦБГ) 1 2
Эндо-1,4-Р-глюканаза (ЭГ) 1 1
?-глюкозидаза (целлобиаза) Нет Нет
ЭГ + ЦБГ 55 58
ЭГ + ?-глюкозидаза (целлобиаза) 6 4
ЦБГ + ?-глюкозидаза (целлобиаза) 20 18
ЭГ + ЦБГ + ?-глюкозидаза (целлобиаза) 72 71
Исходный ферментный препарат 71 71
Таблица 3. Вязкость растворов вискозной целлюлозы после обработки целлюлазами
Образец целлюлозы Образец препарата фермента Активность фермента по КМЦ, ед/мг Расход фермента, кг/т волокна Вязкость 1%-ного медноаммиачного раствора, мПз
Целлюлоза после стадии Г!(контроль) — - - 285
Целлюлоза после ста- 0,3 210
дии первой гипохло- Препарат 1 273 0,5 187
ритной отбелки (Г!), 1,0 162
обработанная коммер- Препарат 2 230 0,5 210
ческими препаратами эндоглюканаз Препарат 3 68 0,5 1,0 220 212
Товарная вискозная целлюлоза — - - 243
Ферменативная модификация целлюлозы для химической переработки
Товарная вискозная целлюлоза — это полуфабрикат, который далее используется для производства различных материалов и изделий. Улучшение растворимости в щелочах и органических растворителях, увеличение реакционной способности вискозной целлюлозы является актуальным в связи с необходимостью снижения расхода токсичного сероуглерода или замены его на другие реагенты в процессе получения искусственных волокон [3, 104]. Не менее важным представляется повышение эксплуатационных характеристик изделий, изготовленных из вискозной целлюлозы, а также получение новых продуктов из этого вида сырья. В настоящее время развиваются следующие направления ферментативной модификации целлюлозы для химической переработки:
— повышение реакционной способности целлюлозы-
— повышение растворимости целлюлозы в разбавленной щелочи (технология Ъюсеко1) —
— улучшение качества нитей на основе волокна лиоцелл или хлопка-
— улучшение способности вискозной целлюлозы к фибриллированию для получения продуктов с новыми свойствами, в том числе микрофибриллированной целлюлозы.
У целлюлоз, предназначенных для химической переработки, особое значение придается развитию их реакционной способности, которая в основном зависит от доступности гидроксильных групп для реагентов. Для вискозной целлюлозы важным показателем является способность к вискозообразованию, которая оценивается расходом гидроксида натрия и сероуглерода на приготовление хорошо фильтруемого раствора вискозы. Доступность макромолекул целлюлозы определяется структурными особенностями на всех уровнях организации, она различна в кристаллических и аморфных участках, поэтому степень кристалличности оказывает определенное влияние на реакционную способность целлюлозы [105, 106]. Кроме того, различия в реакционной способности целлюлоз обусловлены отличиями в морфологической структуре клеточных стенок, связаны с неравномерным протеканием процессов варки и отбелки в различных слоях целлюлозных волокон.
Сульфатная целлюлоза в целом имеет меньшую реакционную способность по сравнению с сульфитной [5]. Кроме того, при холодном облагораживании предгидролизной сульфатной целлюлозы наблюдается заметное ухудшение ее способности к вискозообразованию. Дополнительное горячее облагораживание дает возможность улучшить реакционную способность, но последняя оказывается все же ниже, чем у целлюлозы, подвергнутой только горячему облагораживанию [7].
Показано [107, 108], что характеристиками, определяющими высокую реакционную способность вискозной целлюлозы, являются распределение водородных связей, хорошая растворимость в щелочах, низкая вязкость и высокая молекулярная однородность. Играют роль и параметры кристаллической структуры целлюлозы, в частности, полиморфная форма целлюлозы 1а имеет большую реакционную способность, чем 1р, вследствие меньшей стабильности [109].
Деструкция целлюлазами приводит к повышению растворимости целлюлозы в щелочах, связанному, в основном, со снижением средней СП целлюлозы [61]. При обработке препаратом ЭГ II растворимость целлюлозы в 9%-ном растворе №ОИ достигала 66% - это пока максимальное значение, полученное при улучшении растворимости ферментативными методами. Другие целлюлазы действие ЭГ II не усиливали, при предварительном ферментативном удалении гемицеллюлоз увеличения растворимости также не наблюдалось [62].
Ферментативная обработка смесью целлюлаз сульфитной вискозной целлюлозы приводила к быстрому снижению СП и степени кристалличности [110]. Происходили растворение первичной клеточной стенки и частичная деструкция целлюлозы внутри волокна. При удалении первичной стенки растворимость целлюлозы в щелочи была в два раза выше при той же вязкости растворов. ЭГ, действуя в основном на аморфные участки, способствует набуханию клеточной стенки, а также отделению микрофибрилл друг от друга, что облегчает проникновение растворителей [111]. Структурные изменения клеточной стенки улучшали растворимость макромолекул целлюлозы с высокой СП.
Действие Э Г приводит к повышению реакционной способности целлюлозы в процессе вискозообра-зования, определенной по методу Фока [76, 112, 113]. При использовании ферментативно обработанной целлюлозы в традиционном вискозном процессе возможно снижение расхода сероуглерода на ксантагени-рование в 1,5 раза, с 30 до 20% к массе волокна [112], при этом фильтруемость вискозных растворов остается на высоком уровне [76]. Препараты монокомпонентных ЭГ оказались более эффективными, чем комплексные препараты, обладавшие эндоглюканазной и целлобиогидролазной активностью [114].
Активацию вискозной целлюлозы проводили разными способами: кислотным гидролизом, механическим размолом [115] или действием радиации [116, 117]. В сравнении с этими методами ферментативная предобработка оказалась самой эффективной. Повышение реакционной способности происходило при небольшом
расходе фермента, оптимальный результат достигался уже после 10−30 мин обработки [76, 111, 118]. Увеличение продолжительности обработки приводило к снижению реакционной способности, что предположительно вызвано глубокими изменениями структуры целлюлозы в результате действия ферментов [112].
При равном значении вязкости ферментативно обработанная целлюлоза имела большую реакционную способность, чем целлюлоза после кислотного гидролиза [118]. Такие показатели, как вязкость, СП, молекулярно-массовое распределение, не характеризуют в достаточной степени реакционную способность обработанных ферментом целлюлоз, ее улучшение связывают в основном с усилением набухания целлюлозы [111, 118]. Применение размола перед введением ферментов позволяет дополнительно повысить способность к вискозообразованию, но при этом значительно снижается выход волокна.
Характеристики ферментного препарата: структура активного центра (каталитического домена КД) и наличие целлюлозосвязывающего домена (ЦСД) оказывают влияние на результат обработки. Эффективность Э Г зависит главным образом от структуры КД, лучший результат дает фермент с активным центром типа EG V [76]. ЦСД способствует эффективной сорбции фермента на целлюлозу, однако не оказывает заметного влияния на реакционную способность [119]. Обработка влажной целлюлозы более эффективна, чем предварительно высушенной, что связано с ороговением волокон во время сушки [119].
Одной из причин высокой реакционной способности ферментативно обработанной целлюлозы может быть ослабление водородных связей под действием целлюлаз [120]. Установлено, что именно ЦСД ферментов способны осуществлять разрыв водородных связей между макромолекулами целлюлозы, а также снижать степень упорядоченности [121], что играет особую роль на начальных стадиях ферментативного гидролиза целлюлозы. Методами Фурье-спектроскопии и дифракции рентгеновских лучей было зафиксировано снижение степени кристалличности, ослабление и разрыв водородных связей хлопковой целлюлозы и хвойной целлюлозы для химической переработки [122]. Предполагается, что ЦСД ферментов могут подготавливать целлюлозу к гидролитическому действию целлюлаз [123], способствовать отделению фибрилл с поверхности волокон [124].
Целлюлозные волокна различного происхождения имеют разные свойства, определяемые их морфологией и надмолекулярной структурой. Волокна с более низким содержанием кристаллических участков легче гидролизуются целлюлазами. Вискозное волокно по сравнению с хлопком имеет высокое процентное содержание аморфной целлюлозы и низкую СП. При одинаковой дозировке целлюлаз и равных условиях обработки вискозные волокна теряют в среднем больше прочности, чем хлопковые волокна. В работе [125] определяли влияние обработки целлюлазами Aspirgillus niger на различные показатели целлюлоз. Ферментативная обработка приводила к уменьшению средней СП, степени кристалличности целлюлоз, энергии водородных связей, при этом увеличивались содержание карбонильных групп, внутренняя поверхность образцов, влагоудержание. Также наблюдалась повышенная растворимость целлюлозы в щелочах (до 95% в 9%-ном растворе NaOH) и органических растворителях, увеличивалась реакционная способность (на 50% в процессе ацетилирования) [125].
С помощью ферментативной обработки можно улучшить свойства не только традиционных видов вискозных целлюлоз [76, 112], но и целлюлоз для производства бумаги и недревесных целлюлоз. Реакционная способность сульфатных целлюлоз для производства бумаги после ферментативной обработки повысилась до уровня контрольной вискозной целлюлозы (60−70%) [112]. Результаты обработки недревесных видов целлюлоз различались в зависимости от используемого сырья, но повышение реакционной способности было не очень высоким [112].
Разработана технология получения вискозной целлюлозы из недревесных целлюлоз и лиственной целлюлозы с высоким содержанием пентозанов с использованием обработки ксиланазой, ЭГ и щелочью концентрацией 7−9%. Действие ксиланазы и щелочи обеспечивает необходимую степень удаления гемицеллюлоз, а обработка ЭГ — улучшение реакционной способности целлюлозы [126].
Несомненный интерес представляет цикл исследований, посвященных разработке технологии непосредственно растворимой в щелочи целлюлозы (biocelsol) для получения пленок и волокон на ее основе [104]. Эта технология предполагает обработку товарной вискозной целлюлозы целлюлазами с получением продукта, имеющего среднюю СП 350 и растворимого в разбавленной щелочи на 99%. Для интенсификации растворения добавляют ZnO, который усиливает набухание волокна. Волокна и пленки получают методом мокрого формования [104].
Важной является способность «мягкого» ферментативного воздействия на поверхность нерастворимых целлюлозных субстратов без глубокого разрушения их надмолекулярной структуры, не приводящего к его сильной деструкции и существенной потере прочности. Свойства ферментов, обеспечивающие такого
рода эффекты, могут быть объединены под общим термином — тополитические свойства, а ферменты, обладающие топоферментной (тополитической) активностью, могут быть названы тополитическими ферментами [127−129]. Такие ферменты применяются для обработки уже готовых изделий из целлюлозы для дефибрилляции нитей на основе волокна лиоцелл или хлопка [130]. Ферментативная обработка является основным методом устранения нежелательной фибрилляции волокна лиоцелл [3].
Вискозная целлюлоза может быть использована для получения микрофибриллированной целлюлозы (МФЦ). В технологии производства МФЦ дезинтеграция клеточных стенок на фибриллы осуществляется методами сильного кислотного гидролиза и механического разделения под высоким давлением [131]. Ферментативная обработка облегчает разделение стенки волокна на микрофибриллы, которые имеют большую среднюю молекулярную массу и большее отношение длины к толщине, чем при кислотном гидролизе [132]. МФЦ применяется в качестве наполнителя полимерных композитных материалов, обеспечивая высокую прочность нанокомпозитов. За счет сильных и многочисленных связей между кристаллитами наноцеллюлозы возможно формирование материала, обладающего высокой прочностью наряду с легкостью бумаги [133], материал обладает также высокой пористостью за счет сетчатой структуры нанофибрилл.
Заключение
Методы биотехнологии могут быть применены на разных стадиях технологического процесса выработки целлюлозы для химической переработки. Биообработка древесного сырья может быть использована как предварительная стадия его подготовки к процессу варки целлюлозы. Она обеспечивает целый ряд преимуществ, но препятствием для реализации этого процесса является низкая диффузионная способность проникновения ферментов в объем технологической щепы. Использование ксиланаз и маннаназ в процессе отбелки целлюлозы позволяет повысить ее белизну, снизить расход реагентов, уменьшить загрязнение сточных вод хлорорганическими соединениями. Целлюлазы могут быть использованы для регулирования вязкости и повышения реакционной способности вискозной целлюлозы. Применение ферментов в процессах производства и химической переработки целлюлозы перспективно и выгодно с экологической и экономической точки зрения.
Список литературы
1. Непенин Н. Н., Непенин Ю. Н. Технология целлюлозы: в 3 т. М., 1976.
2. Перепелкин К. Е. Современные химические волокна и перспективы их применения в текстильной промышленности // Рос. хим. журнал (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). 2002. Т. XLVI, № 1. С. 31−48.
3. Голова Л. К. Новое целлюлозное волокно лиоцелл // Рос. хим. журнал (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). 2002. Т. XLVI, № 1. С. 49−57.
4. Bachinger J. Die Entwicklung des Weltfasermarktes in den letzten 20 jahren im Vergleich Stapelfaser zu Filament // Lenzinger Berichte. 2003. V. 82. Pp. 6−11.
5. Никитин В. М., Оболенская А. В., Щеголев В. П. Химия древесины и целлюлозы. М., 1978. 368 с.
6. Серков А. Т. Вискозные волокна. М., 1981. 296 с.
7. Косая Г. С. Производство сульфатной вискозной целлюлозы. М., 1966. 182 с.
8. Ряузов А. Н., Груздев В. А., Бакишев И. П. Технология производства химических волокон. М., 1980. 448 с.
9. Технология целлюлозно-бумажного производтства: в 3 т. СПб., 2004.
10. Оболенская А. В., Щеголев В .П., Аким Г. Л., Аким Э. Л., Коссович Н. Л., Емельянова З. Л. Практические работы по химии древесины и целлюлозы. М., 1965. С. 399−410.
11. Yllner S., Enstrom B. Studies of the adsorbtion of xylan on celluloses fibres during the sulphate cook. Part I. // Svensk papperstidn. 1956. V. 59, N6. Pp. 229−232.
12. Yllner S., Enstrom B. Studies of the adsorbtion of xylan on celluloses fibres during the sulphate cook. Part II. // Svensk papperstidn. 1957. V. 60, N15. Pp. 549−554.
13. Yllner S., Ostberg, K., Stockman, L. A study of the removal of the constituents of pine wood in the sulphate process using a continuous liquor flow method // Svensk papperstidn. 1957. V. 60, N21. Pp. 795−802.
14. Орлов В. И., Жигалов Ю. В. Пути использования гемицеллюлозных сахаров предгидролизата целлюлозного производства // Химия гемицеллюлоз и их использование. Рига, 1978. С. 63−65.
15. Шарков В. И., Куйбина Н. И. Химия гемицеллюлоз. М., 1972. 440 с.
16. Akhtar М., Scott G., Swaney R., Kirk T. Overview of Biomechanical and Biochemical Pulping Research // Enzyme Applications in Fiber Processing. American Chemical Society, 1998. Pp. 15−26.
17. Ferraz A., Guerra A., Mendonja R., Masarin F., Vicentim М., Aguiar A., Pavan P. Technological advances and mechanistic basis for fungal biopulping // Enzyme and Microbial technology. 2008. V. 43. Pp. 178−185.
18. Mansfield S., Esteghlalian A. Applications of biotechnology in the forest products industry // Applications of enzymes to lignocellulosics. ACS Symposium Series 855. 2003. Pp. 2−29.
19. Maijala P., Kleen M., Westin C., Poppius-Levlin K., Herranen K., Lehto J., Reponen P., Maentausta O., Mettala A., Hatakka A. Biomechanical pulping of softwood with enzymes and white-rot fungus Physisporinus rivulosus // Enzyme and Microbial technology. 2008. V. 43. Pp. 169−177.
20. Bourbonnais R., Paice M. Oxidation of non-phenolic substrates. An expanded role for laccase in lignin biodegradation // FEBS Letters. 1990. V. 267. Pp. 99−102.
21. Karlsson S., Holmbom B., Spetz Pp., Mustranta A., Buchert J. Reactivity of Trametes laccases with fatty and resin acids // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2001. V. 55. Pp. 317−320.
22. Zhang X., Renaud S., Paice M. The potential of laccase to remove extractives present in pulp and white water from TMP newsprint mill // J. Pulp Paper Science. 2005. V. 31. Pp. 175−180.
23. van Beek T., Kuster B., Claassen F. Fungal biotreatment of spruce wood with Trametes versicolor for pitch control: Influence on extractive contents, pulping process parameters, paper guality and effluent toxicity // Bioresource Technology. 2007. V. 98. Pp. 302−311.
24. Guerra A., Mendonca R. Ferraz A. Characterization of the residual lignins in Pinus taeda biodegraded by Ceriporiopsis subvermispora by using in situ CuO oxidation and DFRC methods // Holzforschung. 2002. V. 56. Pp. 156−160.
25. Christov L., Akhtar M., Prior B. The potential of biosulfite pulping in dissolving pulp production // Enzyme and Microbial technology. 1998. V. 23. Pp. 70−74.
26. Mosai S., Wolfaardt J., Prior B., Christov L. Evaluation of selected white-rot fungi for biosulfite pulping // Bioresource Technology. 1999. V. 68, N1. Pp. 89−93.
27. Соловьев В. А., Пазухина Г. А. Применение ксилотрофных базидиомицетов — будущее отбелки целлюлазы // Папфор-93. CB5/, 1993. С. 173−180.
28. Widsten P., Kandelbauer A. Laccase applications in the forest industry: A review // Enzyme Microbiol Technol.
2008. V. 42. Pp. 293−307.
29. Jacobs-Young C., Venditti R., Joyce T. Effect of enzymatic pretreatment on the diffusion of sodium hydroxide in wood // Tappi J. 1998. V. 81, N1. Pp. 260−266.
30. Jacobs-Young C., Venditti R., Joyce T. Enzyme applications in conventional kraft pulping // Enzyme applications in fibre proccesing. ACS Symposium Series 687. 1998. Pp. 55−65.
31. Bertaud F., Laurent A., Garnier N., Voiron S., Petit-Conil M. Impact of xylanase pre-treatment of eucalyptus wood chips on kraft pulping and pulp beachability // 10th European workshop on lignocellulosics and pulp. Stockholm,
2009. Pp. 97−100.
32. Иванов М. А., Коссович Н. Л., Малевская С. С., Нагродский И. А., Элиашберг М. Г. Смолистые вещества древесины и целлюлозы. М., 1968. 349 с.
33. Blanchette R., Farrell R., Burnes T. Biological control of pitch in pulp and paper production by Ophiostroma piliferum // Tappi J. 1992. V. 75, N12. Pp. 102−106.
34. Лапин В. В. Биотехнологии в целлюлозно-бумажной промышленности // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2003. № 11−12. С. 20−23.
35. Brush T., Farrell R., Ho C. Biodegration of wood extractives from southern yellow pine by Ophiostoma piliferum // Tappi J. 1994. V. 77, N1. Pp. 155−159.
36. Gutierrez A., del Rio J., Martinez M., Martinez A. The biotechnological control of pitch in paper pulp manufacturing // Trends in Biotechnology. 2001. V. 19, N9. Pp. 340−347.
37. Farrell R., Blanchette R., Brush T. Cartapip TM: a biopulping product for control of pitch and resin acid problems in pulp mills // J. Biotechnology. 1993. V. 30. Pp. 115−122.
38. Bertaud F., Blanco A., Calero O. et al. EU efforts for pitch biocontrol: from enzyme engineering to mill evaluation // 9th International conference on biotechnology in pulp and paper industy. Durban, 2004. Pp. 71−72.
39. Kandioller G., Christov L. Catalyst potential of laccase-mediator systems and transition metal polyoxometalates in oxygen bleaching of pulp // African Pulp and Paper Week. Durban, 2002.
40. Christov L., Akhtar M., Prior B. Impact of xylanase and fungal pretreatment on alkali solubility and brightness of dissolving pulp // Holzforschung. 1996. V. 50. Pp. 579−582.
41. Кряжев А. М., Неволин В. Ф., Звездина Л. К. О переходе на отбелку целлюлозы ECF и TCF применительно к условиям Байкальского ЦБК // Целлюлоза. Бумага. Картон. 1996. № 1−2. С. 20−21.
42. Рытова Э. Ю., Кряжев А. М., Шпаков Ф. В. Технология отбелки TCF вискозной целлюлозы из хвойных пород древесины — основа повышения экологической безопасности производства на Байкальском ЦБК // PAPFOR-
98. СПб., 1998. С. 30−31.
43. Дудкин М. С., Громов В. С., Ведерников Н. А., Каткевич Р. Г., Черно Н. К. Гемицеллюлозы. Рига, 1991. 488 с.
44. Шарков В. И., Куйбина Н. И., Соловьева Ю. П. Количественный анализ растительного сырья. М., 1976. 72 с.
45. Фенгел Д., Вегенер Г. Древесина (химия, ультраструктура, реакции): пер. с англ. М., 1988. 512 с.
46. Jeffries T. Biochemistry and genetics of microbial xylanases // Journal of Biotechnology. 1996. V. 7. Pp. 337−342.
47. Chen J., Yang J., Qu Y., Gao P. Improvement of wheat-straw pulp properties with an alkali-tolerant xylanase from Pseudomonas sp. G6−2 // Enzymes for Pulp and Paper Processing. ACS Symposium Series 687, 1996. Pp. 308−317.
48. Dahlman O., Sjoberg J. Comparative study of different approaches for analyzing carbohydrates at the surface of chemical pulp fibers // 7th European Workshop on Lignocellulosics and pulp. Abo, 2002. Pp. 111−114.
49. Громов В. С. Пурина Л.Т., Фрейберга А. К., Трейманис А. П., Константинова Л. М. Топохимия процессов де-лигнификации березовой древесины при получении целлюлозы. II. Распределение гемицеллюлоз и лигнина в стенках волокон сульфитной целлюлозы // Химия древесины. 1978. № 1. С. 25−32.
50. Meller A. The retake of xylans and glucomannan during alkaline pulping and its effect on properties of pulps. A critical review of the literature // Holzforschung. 1968. V. 22, N3. Pp. 88−92.
51. Каткевич Р. Г., Каткевич Ю. Ю., Лиепиня Д. Э. Удаление ксилана из технических целлюлоз ферментативным гидролизом // Химия и физика целлюлозы. Рига, 1975. Т. 3. С. 76−79.
52. Каткевич Ю. Ю., Цините А. А., Перконе С. Я. Ферментативное расщепление глюкуроноксилана, содержащегося в древесных целлюлозах // Химия гемицеллюлоз и их использование. Рига, 1978. С. 84−85.
53. Paice M., Jurasek L. Removing hemicellulose from pulps by specific enzymatic hydrolysis // J. Wood Chem. Tech-nol. 1984. V. 4, N2. Pp. 187−198.
54. Christov L., Prior B. Xylan removal from dissolving pulp using enzymes of Aureobasidium pullulans // Biotechnol. Lett. 1993. V. 15. Pp. 1269−1274.
55. Roberts J., McCarthy A., Flynn N.J., Broda P. Modification of paper properties by the pretreatment of pulp with Sac-charomonospora viridis xylanase // Enzyme Microb. Technol. 1990. V. 12. Pp. 210−213.
56. Senior D., Mayers P., Miller D., Sutcliffe R., Tan L., Saddler J. Selective solubilization of xylan in pulp using a purified xylanase from Trichoderma harzianum // Biotechnol. Lett. 1988. V. 10, N12. Pp. 907−912.
57. Kantelinen A., Rantanen T., Buchert J., Viikari L. Enzymatic solubilization of fibre-bound and isolated birch xylans // J. Biotechnol. 1993. V. 28. Pp. 219−228.
58. Christov L., Prior B. Repeated treatments with Aureobasidium pullulans hemicellulases and alkali enhance bioblea-ching of sulphite pulps // Enzyme and Microbial technology. 1996. V. 18. Pp. 244−250.
59. Christov L., Akhtar M., Prior B. Impact of xylanase and fungal pretreatment on alkali solubility and brightness of dissolving pulp // Holzforschung. 1996. V. 50. Pp. 579−582.
60. Christov L., Biely P., Kalogeris E., Christakopoulos P., Prior B.A., Bhat M.K. Effects of purified endo-?-1,4-xylanases of family 10 and 11 and acetyl xylan esterases on eucalypt sulfite dissolving pulp // Journal of Biotechnology. 2000. V. 83, N3. Pp. 231−244.
61. Rahkamo L., Siika-aho M., Vehvilainen M., Dolk M., Viikari L., Nousiainen P., Buchert J. Modification of hardwood dissolving pulp with purified Trichoderma reesei cellulases // Cellulose. 1996. V. 3. Pp. 153−163.
62. Rahkamo L., Siika-aho M., Viikari L., Leppanen T., Buchert J. Effects of cellulases and hemicellulase on the alkali solubility of dissolving pulps // Holzforschung. 1998. V. 52. Pp. 630−634.
63. Gubitz G. Lischnig T., Stebbing D., Saddler J. Enzymatic removal of hemicellulose from dissolving pulps // Biotechnology Letters. 1997. V. 19, N5. Pp. 491−495.
64. Christov L., Myburgh J., O'-Neill F., Van Tonder A., Prior B. et al. Modification of the carbohydrate composition of sulfite pulp by purified and characterized ?-xylanase and ?-xylosidaseof Aureobasidium pullulans // Biotechnology Progress. 1997. V. 15, N2. Pp. 196−200.
65. Viikari L., Kantelinen A., Buchert J., Puls J. Enzymatic accessibility of xylans in lignocellulosic materials // Appl. Microbiol. Biotechnol. 1994. V. 41. Pp. 124−129.
66. Makkonen H., Nakas J. Use of xylanase and arabinofuranosidase for arabinose removal from unbleached kraft pulp // Biotechnology Letters. 2005. V. 27. Pp. 1675−1679.
67. Grethlein H. The effect of pore size distribution on the rate of enzymatic hydrolysis of cellulosic substrates // Bio-technol. Bioeng. 1985. V. 31. P. 447−456.
68. Трейманис А. П., Еремеева Т. Е., Лейте М. П. Особенности комбинированной ферментативно-пероксидной отбелки целлюлозных волокон // Проблемы окислительно-восстановительных превращений компонентов древесины. Архангельск, 1992. С. 95−96.
69. Lawoko M., Henriksson G., Gellerstedt G. Structural differences between the lignin-carbohydrate complexes present in wood and in chemical pulps // Biomacromolecules. 2005. V. 6, N6. Pp. 3467−3473.
70. Oksanen T., Pere J., Paavilainen L, Buchert J., Viikari L. Treatment of recycled kraft pulps with Trichoderma reesei hemicellulases and cellulases // Journal of Biotechnology. 2000. V. 78. Pp. 39−48.
71. Tenkanen M., Tamminen T., Hortling B. Investigation of lignin-carbohydrate complexes in kraft pulp by selective enzymatic treatments // Appl. Microbiol. Biotechnol. 1999. V. 51. Pp. 241−248.
72. Jackson L., Heitmann Jr.J., Joyce T. Production of dissolving pulp from recovered paper using enzymes // TAPPI Journal. 1998. V. 81, N3. Pp. 171−178.
73. Патент 6 254 722 (US). Method for making dissolving pulp from paper products containing hardwood fibers / L.S. Jackson, T.W. Joyce, J.A. Heitmann Jr. / 03. 07. 2001.
74. Montiel M.D., Rodriguez J., Perez-Leblic M.I., Hernandes M., Arias M.E., Copa-Patino J.L. Screening of man-nanases in actinomycetes and their potential application in the biobleaching of pine kraft pulps // Appl Microbiol Bio-technol. 1999. V. 52. Pp. 240−245.
75. Christov L., Prior B. Enzymatic prebleaching of sulphite pulps // Appl. Microbiol. Biotechnol. 1994. V. 42. Pp. 492−498.
76. Kopcke V., Ibarra D., Ek M. Increasing accessibility and reactivity of paper grade pulp by enzymatic treatment for use as dissolving pulp // Nordic Pulp and Paper Research Journal. 2008. V. 23, № 4. P. 363−368.
77. Buchert J., Tenkanen M., Kantelinen A., Viikari L. Application of xylanases in the pulp and paper industry // Bioresource Technology. 1994. V. 50. Pp. 65−72.
78. Suurnakki A., Tenkanen M., Buchert J., Viikari L. Hemicellulases in the bleaching of chemical pulps // Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology. 1997. V. 57. Pp. 261−287.
79. Аксенов А. С., Новожилов Е. В., Демашев О. А., Опарина А. А. Промышленное использование ксиланаз при отбелке сульфатной целлюлозы // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2006. Пилотный научный выпуск. С. 15−17.
80. Отбелка сульфатной целлюлозы с использованием ферментов // Целлюлоза. Бумага. Картон. 1999. № 9−10. С. 28.
81. Аввакумова А. В., Шпаков Ф. В., Зарудская О. Л., Звездина Л. К., Лющин А. Л., Синицын А. П. Ферменты при отбелке сульфатной целлюлозы: новые аспекты // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2004. № 3. C. 56−57.
82. Esteghlalian A., Kazaoka M., Lowery B. Prebleaching of softwood and hardwood pulps by a high performance xylanase belonging to a novel clade of glycosyl hydrolase family 11 // Enzyme Microbial Technology. 2008. V. 42, N5. Pp. 395−403.
83. Clarke J., Rixon J., Ciruela A. Family-10 and Family-11 xylanase differ in their capacity to enhance the bleachability of hardwood and softwood paper pulp // Appl. Microbiol. Biotechnol. 1997. V. 48. Pp. 177−183.
84. Paice M., Gurnagul N., Jurasek L. Mechanism of hemicellulose-directed bleaching of kraft pulp // Enzyme Microbial Technology 1992. V. 14. Pp. 272−276.
85. Александрова Г. П., Медведева С. А., Синицын А. П., Окунев О. Н. Изменение состава структурных компонентов лиственной сульфатной целлюлозы в процессе ферментативного отбеливания ксиланазами // Прикладная биохимия и микробиология. 2000. Т. 36, № 3. С. 287−292.
86. Новожилов Е. В., Аксенов А. С., Майер Л. В. Молекулярно-массовые и спектральные характеристики лигнина, растворенного из сульфатной лиственной целлюлозы при ферментной обработке ксиланазой // Физикохимия лигнина. Архангельск, 2005. С. 129−133.
87. Jeffries T. Biodegradation of lignin-carbohydrate complexes // Biodegradation. 1990. V. 1. Pp. 163−176.
88. Christov L., Myburgh J., Van Tonder A., Prior B. Hydrolysis of extracted and fibre-bound xylan with Aureobasidium pullulans enzymes // J. Biotechnol. 1997. V. 55. Pp. 21−29.
89. Christov L., Prior B. Bleaching response of sulfite pulps to pretreatment with xylanases // Biotechnology Progress.
1997. V. 13, N5. Pp. 695−698.
90. Christov L., Prior B. Reduction of active chlorine charges in bleaching of xylanase-pretreated sulfite pulp // Enzymes
for Pulp and Paper Processing. ACS, 1996. Pp. 208−218.
91. Christov L., Szakacs G., Rele M., Balakrishnan H. Screening of cellulase-free fungal xylanases and evaluation of their performance on sulfite dissolving pulp // Biotechnology Techniques. 1999. V. 13. Pp. 313−316.
92. Suurnakki A., Clark T., Allison R., Viikari L., Buchert J. Xylanase- and mannanase-aided ECF and TCF bleaching // Tappi Journal. 1996. V. 79, N7. Pp. 111−117.
93. Gubitz G., Haltrich D., Latal B., Steiner W. Mode of depolymerisation of hemicellulose by various mannanases and xylanases in relation to their ability to bleach softwood pulp // Appl Microbiol Biotechnol. 1997. V. 47. Pp. 658−662.
94. Clarke J., Davidson K., Rixon J., Halstead J., Fransen M., Gilbert H., Hazlewood G. A comparison of enzyme-aided bleaching of softwood paper pulp using combinations of xylanase, mannanase and a-galactosidase // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2000. V. 53. Pp. 661−667.
95. Синит тын А.П., Гусаков А. В., Черноглазов В. М. Биоконверсия лигноцеллюлозных материалов. М., 1995. 224 с.
96. Рабинович М. Л., Мельник М. С. Прогресс в изучении целлюлолитических ферментов и механизм биодеградации высокоупорядоченных форм целлюлозы // Успехи биологической химии. 2000. Т. 40, № 1. С. 205−266.
97. Wood T., McCrae S. The cellulases of Trichoderma koningii. Purification and properties of some endoglucanase with special reference to their action on cellulose when alone and in synergism with cellobiohydrolase // Biochem. J. 1978. V. 171. Pp. 61−72.
98. Wood T., McCrae S. Synergism between enzymes involved in the solubilization of native cellulose // Adv. Chem. Ser. 1979. V. 181. Pp. 181−209.
99. Рабинович М. Л., Мельник М. С., Болобова М. С. Структура и механизм действия целлюлолитических ферментов // Биохимия. 2002. Т. 67, № 8. С. 1026−1050.
100. Esteghlalian A., Mansfield S., Saddler J. Cellulases: Agents for Fiber Modification or Bioconversion? The effect of substrate accessibility on cellulose enzymatic hydrolyzability // Biotechnology in the Pulp and Paper Industry, L. Viikari, R. Lantto, editors. Elsevier Science. 2002. Pp. 21−36.
101. Петерсен Х. Применение ферментов в технологии переработки макулатуры // Современные научные основы и инновационные технологии бумажно-картонных материалов с использованием вторичного волокна из макулатуры. Караваево, 2006. С. 31−34.
102. Гусаков А. В., Синит тын А.П. О механизме действия ферментов-целлюлаз на текстильные материалы: взгляд энзимологов // Текстильная химия. 1998. № 2(14). С. 68−72.
103. Пошина Д. Н., Кондаков А. В., Новожилов Е. В. Использование целлюлаз для снижения вязкости растворов вискозной целлюлозы // Химия и полная переработка биомассы леса. СПб., 2010. С. 208.
104. Biocelsol-project http: // www. tut. fi/units/ ms/teva/ biocelsol/ index. htm.
105. Роговин З. А. Химия целлюлозы. М., 1972. 520 с.
106. Азаров В. И., Буров А. В., Оболенская А. В. Химия древесины и синтетических полимеров. СПб., 1999. 628 с.
107. Elg-Christoffersson K., Sjostrom M., Edlund U., Lindgren A., Dolk M. Reactivity of dissolving pulp: characterisation using chemical properties, NMR spectroscopy and multivariate data analysis // Cellulose. 2002. V. 9. Pp. 159−170.
108. Elg-Christoffersson K., Hauksson J., Edlund U., Sjostrom M., Dolk M. Characterisation of dissolving pulp using designed process variables, NIR and NMR spectroscopy, and multivariate analysis // Cellulose. 1999. V. 6. Pp. 232−249.
109. Алешина Л. А., Глазкова С. В., Луговская Л. А., Подойникова М. В., Фофанов А. Д., Силина Е. В. Современные представления о строении целлюлоз (обзор) // Химия растительного сырья. 2001. № 1. С. 5−36.
110. Le Moigne N., Jardeby K., Navard P. Structural changes and alkaline solubility of wood cellulose fibers after enzymatic peeling treatment // Carbohydrate Polymers. 2010. V. 79. Pp. 325−332.
111. Henriksson G., Christiernin M., Agnemo R. Monocomponent endoglucanase treatment increases the reactivity of softwood dissolving pulp // J Ind Microbiol Biotechnol. 2005. V. 32. Pp. 211−214.
112. Kvarnlof N., Jonsson L., Soderlund C. -A., Germgard U. Enzyme pretreatment to improve the cellulose reactivity in the viscose process // 10th European workshop on lignocellulosics and pulp. Stockholm, 200S. Pp. 53−55.
113. Ibarra D., Kopcke V., Ek M. Influence of a monocomponent endoglucanase on different fibre raw materials: study of accessibility and reactivity // 10th European workshop on lignocellulosics and pulp. Stockholm, 200S. Pp. 4S-51.
114. Kvarnlof N., Germgard U., Jonsson L.J., Soderlund C. -A. Enzymatic treatment to increase the reactivity of a dissolving pulp for viscose preparation // Appita Journal. 2006. V. 59, N3. Pp. 242−246.
115. Ek M., Karlsson S., Fardim P., Maunu S.L., Nousiainen P., Siika-Aho M., Walkenstrom P. New cellulose derivatives from wood for high value products // TAPPSA Journal. 200S.
116. Stepanik T., RaJagopal S., Ewing D., Whitehouse R. Electron-processing technology: A promising application for the viscose industry // Radiation Physics and Chemistry. 199S. V. 52. Pp. 505−509.
117. Stepanik T., Ewing D., Whitehouse R. Electron treatment of wood pulp for the viscose process // Radiation Physics and Chemistry. 2000. V. 57. Pp. 377−379.
11S. Engstrom A. -C., Ek M., Henriksson G. Improved accessibility and reactivity of dissolving pulp for the viscose process: pretreatment with monocomponent endoglucanase // Biomacromolecules. 2006. V. 7, N6. Pp. 2027−2031.
119. Ibarra D., Kopke V., Ek M. Behavior of diffeent endoglucanases on accessibility and reactivity of hardwood and softwood dissolving-grade pulps // 11th European Workshop on Lignocellulosics and Pulp. Hamburg, 2010. Pp. 1S1−1S4.
120. Cao Y., Tan H. Effects of cellulase on the modification of cellulose // Carbohydrate Research. 2002. V. 337. Pp. 291−1296.
121. Wang L., Zhang Y., Gao P. A novel function for the cellulose binding module of cellobiohydrolase I // Science in China Series C: Life Sciences. 200S. V. 51, N7. Pp. 620−629.
122. Ciolacu D., Kovac J., Kokol V. The effect of the cellulose-binding domain from Clostridium cellulovorans on the su-pramolecular structure of cellulose fibres // Carbohydrate Research. 2010. V. 345, N5. Pp. 621−630.
123. Esteghlalian A., Srivastava V., Gilkes N., Kilburn D., Warren R., Saddler J. Do cellulose binding domains increase substrate accessibility? // Applied Biochemistry and Biotechnology. 2001. V. 91−93, N1−9. P. 575−592.
124. Pala H., Pinto R., Mota M., Duarte A.P., Gama F.M. Cellulose-binding domains as a tool for paper recycling // Applications of Enzymes to Lignocellulosics. ACS Symposium Series S55, 2003. P. 132−155.
125. Struszczyk H., Schleicher H., Ciechanska D. Direct soluble cellulose of celsol — properties and behavior // Lenzinger Berichte. 1997. V. 76. P. S1-S3.
126. Kopke V., Ibarra D., Larsson T., Ek M. Feasibility study on converting paper-grade pulps to dissolving-grade pulps // 11th European Workshop on Lignocellulosics and Pulp. Hamburg, 2010. Pp. 149−152.
127. Гусаков A.B. Биокатализаторы па основе грибных целлюлаз: фундаментальные и прикладные аспекты: авто-реф. дис. … докт. хим. паук. М., 2005. 59 с.
12S. Берлин А. Х. Тихоморов Д.В., Гутьеррес Б. Р., Гусаков A.B., Понова H.H., Синицын А. П. Оценка топофермент-пой активности целлюлаз и ксиланаз // Приклад. биохимия и микробиология. 199S. Т. 34, № 4. C. 3S2−3S7.
129. Берлин А. Х. исследование тополитических активностей эндоглюканаз и ксиланаз ферментных комплексов Penicillum verruculosum и Trichoderma reesei: автореф. дис. … капд. хим. паук. М., 1999. 26 с.
130. Bhat M. Cellulases and related enzymes in biotechnology // Biotechnology Advances. 2000. V. 1S. Pp. 355−3S3.
131. Kamel S. Nanotechnology and its applications in lignocellulosic composites, a mini review // Express Polymer Letters. 2007. V. 1, N9. Pp. 546−575.
132. Henriksson M., Henriksson G., Berglund L.A., Lindstrom T. An environmentally friendly method for enzy me-assisted preparation of microfibrillated cellulose (MFC) nanofibers // European Polymer Journal. 2007. V. 43. Pp. 3434−3441.
133. Henriksson M., Berglund L., Isaksson P., Lindstrom T., Nishino T. Cellulose nanopaper structures of high toughness // Biomacromolecules. 200S. V. 9. Pp. 1579−15S5.
Поступило в редакцию 9 февраля 2010 г.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой