專利名稱：電子束輻射協(xié)同生物酶技術(shù)降解煙用醋酸纖維的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種電子束輻射技術(shù)和生物酶技術(shù)對醋酸纖維進(jìn)行降解的方法，屬于醋酸纖維廢棄物生物降解領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
醋酸纖維(cellulose acetate，簡稱CA)又稱醋酸纖維素，是以棉短絨、木材等植物材料中提取和純化得到的纖維素為原料，與醋酸酐反應(yīng)生成的纖維素醋酸酯。根據(jù)纖維素葡萄糖殘基上的三個羥基酯化程度不同，可分為二醋酸纖維和三醋酸纖維。香煙過濾嘴濾棒主要由二醋酸纖維等為原料制備，具有彈性強(qiáng)、透氣性好、吸阻適中，截留煙氣焦油效率高和構(gòu)型美觀等優(yōu)點(diǎn)，而且成絲性能優(yōu)越，易于加工，生產(chǎn)效率高而廣泛用于煙草工業(yè)。但隨著其廣泛應(yīng)用，醋酸纖維的廢棄物帶來很大的環(huán)境問題。由于醋酸纖維性質(zhì)穩(wěn)定，不易分解，根據(jù)條件的不同，一個普通的煙頭可能要花費(fèi)18個月至10年不等的時間進(jìn)行分解。《世界煙草動態(tài)》(1995年第2期)一文中報(bào)道，煙嘴棒在厭氧條件下降解時間為 1-2個月，在土壤中降解時間為6-9個月，在淡水中降解時間約1年，而在沙漠，地鐵等不利條件下降解時間3年或更長；2010年意大利國家核能和替代能源局發(fā)表研究報(bào)告說，全球一年被丟棄的煙蒂約84. 5萬噸。以每個煙蒂體積0. 49立方厘米、按2009年我國卷煙消費(fèi)量為2. 25萬億支計(jì)算，將會產(chǎn)生178. 6萬立方米的不可降解煙蒂垃圾。據(jù)調(diào)查顯示，城市街道難以自然降解的垃圾中，差不多有三成是煙蒂。倡導(dǎo)加強(qiáng)海洋生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的《海洋保護(hù)》組織指出，煙蒂也是海灘和河邊湖邊最常見的垃圾。全球被沖到海洋里的垃圾種類中， 煙蒂占到百分之二十八，對海水質(zhì)量造成損害。綜上所述，醋酸纖維廢棄物會對環(huán)境產(chǎn)生較大的污染和安全隱患，常規(guī)的垃圾掩埋和燃燒法都會浪費(fèi)大量的能源，甚至?xí)a(chǎn)生二次污染。因此研究開發(fā)加速醋酸纖維生物降解關(guān)鍵技術(shù)及機(jī)理具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。醋酸纖維的生物降解性能和乙?；娜〈?DS)有關(guān)取代度降低，生物降解性能增加；DS在2. 0以上的降解速率相對較低，2. 0以下越低速率越快。Sakai K等(Biosci Biotechnol Biochem 1996，60 :1617_1622)和Ishigaki T等(J Biosci Bioeng 2000,90 400-405)發(fā)現(xiàn)有些脂肪酶對醋酸纖維素有一定脫乙酰基作用，但酯鍵的疏水性以及纖維表面致密結(jié)構(gòu)阻礙了酶對醋酸纖維的滲透作用，因此很難達(dá)到降解的目的；Ishigaki T等 (Polymer Degradation and Stability, 2002, 78 505-510)的另一個研究則發(fā)現(xiàn)，紫外照射可以顯著促進(jìn)纖維素酶對高取代度醋酸纖維素膜的水解作用，原理是紫外照射降低了醋酸纖維素的重均分子量，提高了醋酸纖維素膜的可溶解性和生物降解性，低聚物在溶液中的脫落和溶解增加了底物和酶的作用面積。根據(jù)輻射化學(xué)原理可知，聚合物大分子在電離輻射作用下激發(fā)和電離，形成自由基，自由基可以發(fā)生相互反應(yīng)，或者自由基與聚合物發(fā)生進(jìn)一步反應(yīng)，從而引起材料性能發(fā)生變化。兩個自由基結(jié)合導(dǎo)致其在無定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)分別產(chǎn)生交聯(lián)或重排結(jié)合，而鏈轉(zhuǎn)移導(dǎo)致聚合物斷鏈。Iller (2002)研究了電子束輻照各種纖維素紙漿，結(jié)果都顯示所有紙漿的聚合度在輻照劑量從OkGy增加到50kGy的同時減少，且α -纖維素(不溶于17.5%的 NaOH水溶液)百分比也隨著劑量的增加而減少，說明了纖維素結(jié)晶度的降低。因此采用輻照法破壞醋酸纖維素分子鏈，降低其結(jié)晶度和聚合度，理論上也可以有效的提高醋酸纖維素的生物降解性能。纖維素酶一般是由催化結(jié)構(gòu)域(catalytic domain，⑶)和纖維素結(jié)合結(jié)構(gòu)域 (cellulose binding domain, CBD)組成，二者之間通常是一段富含羥基的氨基酸組成的鏈接區(qū)。CD水解可溶性纖維素，能微弱吸附但不能水解不溶性纖維素；CBD能吸附于纖維素表面但無水解活力。角質(zhì)酶是一種多功能酶，可水解水溶性酯、不溶性甘油三酯和各種聚酯。結(jié)合角質(zhì)酶的生化特性和應(yīng)用特性，選擇同源性高，耐熱性好，與纖維結(jié)合力強(qiáng)的纖維素酶的纖維素結(jié)合域(CBD)與角質(zhì)酶相連，構(gòu)成融合基因，并在宿主菌中高效表達(dá)得到融合蛋白，即纖維素結(jié)合域-角質(zhì)酶(CBD-角質(zhì)酶)。利用CBD-角質(zhì)酶中含有與纖維結(jié)合力強(qiáng)的纖維素結(jié)合域這一特性，顯著增強(qiáng)角質(zhì)酶在醋酸纖維表面的吸附量和吸附效率，提高酶與纖維酯基的可及度，強(qiáng)化酯基水解，降低醋酸纖維取代度；然后再利用糖苷酶(如纖維素酶)對纖維素糖苷鍵的水解機(jī)制，對醋酸纖維進(jìn)行生物降解。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的技術(shù)問題針對醋酸纖維素穩(wěn)定性好，生物降解性差的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種快速有效的醋酸纖維降解方法，在電子束輻照和生物酶的共同作用下降解醋酸纖維廢棄物， 提高醋酸纖維的降解效率，且降解過程無需光照和二次污染。本發(fā)明的技術(shù)方案一種應(yīng)用電子束輻照技術(shù)結(jié)合生物酶技術(shù)對醋酸纖維進(jìn)行降解的方法，其特征是先用電子束輻照對醋酸纖維進(jìn)行預(yù)處理，破壞纖維的表面結(jié)構(gòu)和大分子結(jié)構(gòu)，提高酶對纖維的可及度；再利用纖維素結(jié)合域?qū)w維素基質(zhì)的吸附作用及角質(zhì)酶對醋酸纖維疏水酯鍵的水解作用，使用CBD角質(zhì)酶催化醋酸纖維酯鍵水解，從而降低醋酸纖維取代度，提高其生物降解性。本發(fā)明的主要內(nèi)容1、電子束預(yù)處理取代度1. 5 2. 8的醋酸纖維，室溫下采用電子加速設(shè)備對醋酸纖維進(jìn)行輻照預(yù)處理，電子束能量為0. 1 IOMeV,輻照總劑量100 IOOOkGy。2、角質(zhì)酶和纖維素酶一浴法處理取電子束預(yù)處理后的醋酸纖維，角質(zhì)酶用量為0.5 IOX 103U/L，纖維素酶用量 0. 5 IOX 104U/L，pH6 10，溫度30 60°C對醋酸纖維進(jìn)行處理。3、角質(zhì)酶和纖維素酶兩浴法處理取電子束預(yù)處理后的醋酸纖維，角質(zhì)酶用量為0.5 IOX 103U/L，pH 6 10，溫度 30 60°C對醋酸纖維進(jìn)行脫乙?；幚?；將CBD角質(zhì)酶處理后纖維用纖維素酶降解，酶用量 0.5 10X104U/L，pH 3 10，溫度 30 60°C。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，利用現(xiàn)有電子束輻照設(shè)備，結(jié)合生物酶法對醋酸纖維進(jìn)行降解，提高了醋酸纖維的降解效率，縮短降解時間，降低化學(xué)品用量，減少廢棄醋酸纖維對環(huán)境污染，且降解過程無二次污染，符合環(huán)保要求。


圖1. 350kGy輻照后分別使用角質(zhì)酶和CBD角質(zhì)酶處理醋酯纖維的失重率圖2.不同劑量電子束輻照后采用CBD角質(zhì)酶-纖維素酶一浴法降解醋酸纖維，圖3.電子束輻照后，CBD角質(zhì)酶-纖維素酶一浴降解前后纖維形態(tài)變化
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 取代度2. 5的醋酸纖維，采用電子束輻照對醋酸纖維進(jìn)行預(yù)處理，電子束能量 5. OMeV,輻射劑量350kGy。輻照后的纖維使用角質(zhì)酶或CBD角質(zhì)酶處理，酶用量為1 X IO3U/ L，pH 6 8，溫度50 55°C，反應(yīng)時間3天，降解效果見圖1。實(shí)施例2 取代度2. 5的醋酸纖維適量，采用電子束輻照對醋酸纖維進(jìn)行預(yù)處理，電子束能量5. OMeV,輻射劑量分別為250kGy和350kGy。使用一浴法對預(yù)處理后的醋酸纖維進(jìn)行降解CBD角質(zhì)酶用量為1X103U/L，纖維素酶用量2X104U/L，pH 6 8，溫度50 55°C，反應(yīng)時間15天，降解效果見圖2。
權(quán)利要求
1.一種電子束輻射預(yù)處理結(jié)合生物酶技術(shù)降解煙用醋酸纖維的方法，其特征在于采用電子束輻射對醋酸纖維進(jìn)行輻照處理，使醋酸纖維大分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，然后將預(yù)處理后的醋酸纖維在角質(zhì)酶和纖維素酶的共同作用下進(jìn)行降解。酶處理過程中既可以使用CBD角質(zhì)酶和纖維素酶一浴法處理醋酸纖維，也可以先用 CBD角質(zhì)酶對醋酸纖維酯鍵進(jìn)行水解，降低醋酸纖維取代度，再用纖維素酶對醋酸纖維進(jìn)行降解兩浴法處理。一浴法反應(yīng)條件為CBD角質(zhì)酶用量為0.5 10X103U/L，纖維素酶用量 0. 5 IOX 104U/L，pH 6 10，溫度30 60°C ；兩浴法酶解條件為CBD角質(zhì)酶用量為0. 5 10X103U/L, pH 6 10，溫度 30 60°C ；纖維素酶用量 0. 5 10X104U/L，pH 3 10，溫度 30 60°C。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的方法，其特征在于利用電子加速器產(chǎn)生一定能量電子束，對醋酸纖維進(jìn)行輻照預(yù)處理，電子束能量為0. 1 IOMeV,輻照總劑量100 lOOOkGy。
3.根據(jù)權(quán)利1所述的電子束輻照技術(shù)協(xié)同生物酶技術(shù)降解煙用醋酸纖維的方法，其特征在于所述的纖維為取代度1. 5 2. 8的醋酸纖維，包括短纖維、長纖維或纖維織物。
4.根據(jù)權(quán)利1所述的方法，其特征在于所用的角質(zhì)酶為帶有纖維素結(jié)合域(CBD)的角質(zhì)酶，通過纖維素結(jié)合域(CBD)的作用使角質(zhì)酶吸附在纖維素上，提高角質(zhì)酶對酯鍵的催化水解作用。
全文摘要
一種電子束輻射預(yù)處理結(jié)合生物酶技術(shù)降解煙用醋酸纖維的方法。采用電子束輻射技術(shù)對醋酸纖維進(jìn)行預(yù)處理，再利用對纖維素基質(zhì)具有較強(qiáng)吸附能力的纖維素結(jié)合域(CBD)角質(zhì)酶協(xié)同纖維素酶對醋酸纖維進(jìn)行降解，從而實(shí)現(xiàn)香煙過濾嘴用醋酸纖維濾材的高效生物降解。
文檔編號A62D101/28GK102179028SQ201110089649
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月1日
發(fā)明者王平, 王強(qiáng), 范雪榮, 袁久剛, 郁魏魏 申請人:江南大學(xué)