1、LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY畢業設計(論文)題 目 七種常見廢紙的生物質含量測定及其酶解研究 學生姓名 紀應帥 學 號 10560111 專業班級 生物工程1班 指導教師 楊明俊 莊巖 學 院 生命科學與工程學院 答辯日期 第 頁七種常見廢紙的生物質含量測定及其酶解研究專業：生物工程 學號：10560111 姓名：紀應帥 指導教師：楊明俊 莊巖 職稱：副教授 助教 摘要通過對七種常見廢紙的生物質含量及其特性的研究，確定哪些因素對廢紙的酶水解率有較大影響。實驗結果表明：各類廢紙中中纖維素含量都很高，除稿紙外都達到50%以上，非常適合作為乙醇發酵的潛在原料，半纖

2、維素含量較低，在2.5%以下，各類廢紙結晶度基本相同，波動范圍在9698%之間，所以半纖維素含量與結晶度對各類廢紙的酶水解差異影響不大；各類廢紙中木質素含量相差很大，變化范圍在1135%之間，各類廢紙的聚合度差異也較大，波動范圍在2.3-45.9，因此木質素含量和聚合度對各類廢紙的酶水解差異有較大影響。關鍵詞：廢紙；生物質含量測定；酶水解AbstractThrough the study on biomass content of seven kinds of common waste paper , and their characteristics, determine the facto

3、rs of enzyme hydrolysis of waste paper.The experimental results show:The fiber content of waste paper is higher,more than 50%,its very suitable for potential feedstock of ethanol fermentation;The hemicellulose content is low,under 2.5%,and All kinds of waste paper have the same degree of crystallini

4、ty,range between 96-98%,so the hemicellulose content and crystallinity are not the main factor of the enzyme hydrolysis of all kinds of waste paper.The difference in lignin content of all kinds of waste paper is big,range between 11-35%;Degree of polymerization between 2.3 and 45.9,fluctuation is ve

5、ry big,So the lignin content and polymerization degree have effects on enzymatic hydrolysis of waste paper.Key words:Waste paper;Biomass content; Enzymatic hydrolysis目錄一、綜述1 （一）城市生活垃圾的再利用1 （二）廢紙產生的資源浪費和利用價值1 （三）廢紙用于發酵乙醇的研究背景1二、材料與方法3 （一）儀器、藥品3 1.電子儀器3 2.玻璃儀器4 3.藥品4 （二）實驗方案4 1.纖維素含量的測定4 2.半纖維素含量的測定5

6、3.木質素含量的測定5 4.碘吸附值和結晶度的測定5 5.纖維素聚合度的測定6 （三）酶解研究6 1.濾紙酶活的測定6 2.未處理材料的酶解6 3.經預處理材料的酶解6三、結果與分析6 （一）纖維素含量的測定結果6 （二）半纖維素含量的測定結果7 （三）木質素含量的測定結果8 （四）碘吸附值和結晶度8 （五）纖維素聚合度的測定結果9 （六）酶解數據的分析94、 結果討論10 （一）纖維素含量10 （二）半纖維素含量與木質素含量10 （三）結晶度與聚合度10 （四）酶解實驗11 五、 結論11參考文獻12致謝13一、綜述（一）城市生活垃圾的再利用城市生活垃圾處理是目前困擾所有城市發展的一大世界性

7、難題。從古代瑪雅人建筑的露天垃圾場，利用垃圾積壓堆積發生自燃而消解垃圾，到今天科技含量更高的各種垃圾處理技術，人類在不斷尋求更理想、更環保的垃圾處理方法。目前世界上，垃圾處理方法無外乎是衛生填埋、焚燒、堆肥等幾種。然而，無論是填埋、焚燒或是堆肥，還是以此衍生出的其他方法，都存在缺陷和不足。填埋是一種非常簡單的技術，且大多數填埋場沒有層以上嚴密的防滲漏措施，垃圾滲出液會污染地下水及土壤，時間久了還會發生沼氣爆炸等事故；焚燒技術會產生比垃圾災難更可怕的二惡英，這種毒氣會導致人和動物患癌癥；堆肥技術缺點更加突出，無害化程度也很低1。根據世界銀行發表的中國環境報告測算，每年中國環境污染造成的損失高達億

8、美元,占全國GDP的8%,幾乎抵消了我國的年經濟增長。城市生活垃圾中一般含有大量的纖維素，隨著人們生活水平的日益提高，它在垃圾中的比例也在不斷增大2。而且纖維素具有緊密的結晶結構，使其具有很強的不可降解性，積累過多會導致環境負擔，所以就需要一種切實有效的方法去消除或利用它。目前我國城市垃圾年產量達到億噸以上，且有繼續增長的態勢。我國年產億的城市垃圾中，被丟棄的“可再生資源”價值高達億元之多，但是這些資源沒有被很好的回收利用。據北京、大連、廣州、杭州等城市垃圾分類發現，在這些垃圾中55%73%是食物。而大多數城市生活垃圾其實可以作為一種潛在資源，只要合理的加以回收和利用，就可以變廢為寶，這樣既可

9、以帶來豐富的資源，減輕我國的能源危機，又可以減少污染，改善了環境衛生。所以城市生活垃圾的再生利用在目前的環境保護和資源危機形態中顯得尤為重要，迫切需要一種科學合理的方法處理城市生活垃圾，為城市垃圾的再生利用和開發新能源尋找出一條新的途徑。實踐證明，纖維廢棄物再生資源化有著良好的經濟效益和社會效益，大大減輕對環境的污染，對大氣污染減少60%70%；生物耗氧量減少40%；污水中懸浮物減少25%；固體垃圾減少70%；節約用水50%，相應地污水排放量亦減少；節約能源60%70%等3。（二）廢紙產生的資源浪費和利用價值中國的森林覆蓋率為14%，而我國國民生活中所用的大多數紙張仍然來源于國內森林砍伐所制得

10、的原生木漿。我國目前的廢紙回收率僅為20-30%，每年流失廢紙約600萬噸，相當于浪費森林資源100萬畝。回收廢紙不僅有利于節約資源，保護環境，而且有利于城市經濟的良性循環。 廢紙的用途很多，回收利用的價值很高。利用廢紙最廣泛的途徑是制造再生紙，廢紙不僅可以用來制作再生包裝紙，還可以用來制造再生新聞紙；日本王子造紙公司成功研究出將廢紙溶于苯酚，進而用于生產酚醛樹脂的新技術；在新加坡等地，人們利用廢舊報紙書刊制作地毯，坐墊，門簾，茶幾甚至躺床等家庭用具，不僅美觀，而且十分實用；前捷克斯洛伐克的科技人員，在溫度為80的條件下，采用五層廢紙和合成樹脂用于壓制膠合硬紙板，有著很高的抗壓強度；印度中央建

11、筑研究院的科技人員，利用廢紙、棉紗頭、椰子纖維和瀝青等為原料，模壓出新型建筑材料瀝青瓦楞板，這種材料不僅隔熱性能好，不透水，輕便，成本低，而且不易燃燒，耐腐蝕；瑞典倫道大學的專家將廢紙打成漿，再添加厭氧微生物后移入反應爐用于生產甲烷；美國阿拉巴馬州的部分牧場，由于土壤板結，該州專家詹姆斯·愛德沃茲根據廢紙在土壤中不會很快變質的特性，采用廢紙碎屑和雞糞改善牧場土質；英國科技人員用廢紙培育平菇，獲得了很大的經濟效益；用于廢紙屑比較衛生，與鋸末和稻草相比有害物質較少，水汽含量也很低，所以近年來美國和西歐國家已經用廢紙代替了干草，鋸末作為牲畜欄內的鋪墊物；部分廢紙還可以用來加工制作成牛羊飼料

12、。多數紙類制品含有大量的纖維素，價格低廉, 在造紙的過程中已經脫去了大部分的木質素和半纖維素, 具有較好的可水解性, 是用來發酵的優良原料。但是并不是所有的紙類都適合用于發酵，這和廢紙中生物質的特性有關。因此對紙類的適當選擇能夠提高發酵的工作效率。（三）廢紙用于發酵乙醇的研究背景由于化石能源的枯竭和加重的環境問題，有必要尋找替代能源。其中一個辦法是酒精燃料，目前獲得的途徑主要來自玉米和甘蔗發酵。目前為止，燃料乙醇發酵生產的主要成本花費來自于培養基，作為人和動物的消費品玉米和糖的價格也越來越高。有一種相對廉價易得的替代目前培養基生產乙醇的材料就是是纖維素生物質，原料如廢新聞紙，辦公用紙以及城市固

13、體廢物4。城市生活垃圾中一般包括大量的廢棄紙制品，隨著人們生活水平的日益提高，它在垃圾中的比例也在不斷增大。目前國內外關于燃料乙醇的研究大多集中在農業、林業等富含木質纖維素的廢物, 而用廢紙作原料制取乙醇的研究很少。從20世紀90年代至今，有越來越多的國內外學者對廢棄紙類中所含的生物質進行研究，尤其進入21世紀以來，相關文獻數量明顯增多，檢測生物質含量及特性的方法也向著多樣化發展，為發酵研究奠定了很好的基礎。2004年，天津科技大學和大連輕工業學院對纖維素酶水解纖維素類廢棄物進行了研究并發表了相關文章，提出了對紙類廢棄物的利用。2007年，由栗薇，吳正舜等國內學者對纖維素類廢棄物的水解做出了進

14、一步的研究5。如今，纖維素類廢棄物的酶解研究已經擴散到了林農業，糧食與飼料工業，合成纖維工業以及各類產品加工業，前景良好。纖維素的酶水解反應條件溫和、易于控制、產物質量高, 因而備受人們關注。利用纖維素酶的催化反應代替高溫、高壓的化學反應可節約能源、降低生產成本, 提高原料的利用率, 在凈化環境和開辟新能源等方面具有重要的意義6-13。廢棄纖維素發酵生產乙醇的技術主要包括預處理、水解、發酵三大步驟。而廢棄纖維素轉化為燃料乙醇的關鍵是尋找有效的途徑將纖維素和半纖維素水解為葡萄糖和木糖等可溶性發酵糖。目前，廢棄類纖維素水解的方法主要有化學酸水解和生物酶水解兩種途徑。稀酸水解是溶液中的氫離子和纖維素

15、上的氧原子相結合,使其變得不穩定,容易和水反應,纖維素長鏈既在該處斷裂,同時又放出氫離子,從而實現纖維素長鏈的連續解聚，直到分解成為最小的單元葡萄糖14。濃硫酸水解工業化時間較早，工藝較成熟，糖的水解得率高，但濃硫酸水解時由于耗酸濃度大，需要回收加以重新利用。目前，硫酸回收或處理的方法主要有：鏈烷醇萃取、陰離子交換膜透析、石灰石中和、離子排斥色譜法、模擬移動床連續分離酸液和糖液等。濃硫酸的回收利用不但可以避免對環境帶來的污染， 而且可以有效地降低生產成本。此外，還有部分學者對使用濃氫氟酸，乙酸，稀硝酸和稀磷酸水解的方法進行了研究。酸水解中，稀酸水解所需時間短，酸用量少，一般不需對酸回收，但溫度

16、較高，高溫下纖維素的水解往往伴有木糖、葡萄糖的降解，某些降解產物對糖液的發酵有害；濃酸水解可在常溫、常壓下進行，糖產率高，副產物少，然而，由于濃酸的腐蝕性強，采用濃酸水解必然對設備材質要求很高，另一方面，從經濟性考慮濃酸必須進行回收，濃酸的分離和再濃縮增加了工藝的復雜程度。 纖維素酶是降解纖維素生產葡萄糖的一組酶的總稱，它不是單成分酶，而是由多個起協同作用的酶所組成的多酶體系。包括葡聚糖內切酶、葡聚糖外切酶和-葡萄糖苷酶。在纖維素水解過程中，首先由內切型-葡聚糖酶在纖維素的無定形區進行切割，產生新末端，生成較小的葡聚糖，然后再由外切型-葡聚糖酶作用于末端基釋放出纖維二糖和其他更小分子的低聚糖，

17、最后由-葡萄糖苷酶將纖維二糖分解為葡萄糖。 酶水解反應條件溫和，設備簡單，能耗低，污染小，因此纖維素酶解條件的研究得到廣泛的重視。從現有的研究水平看，酶水解是生化反應，與酸水解相比，它可在常壓下進行，可減少能量的消耗，并且由于酶具有較高的選擇性，可形成單一產物，產率較高。由于酶水解時基本上不必外加化學藥品，且副產物少，所以提純過程相對簡單，也避免了污染。但是纖維素酶的成本高，生產過程中，酶用量大， 導致纖維素酒精的價格無法與糧食酒精相競爭15-18。 酒精作為一種替代燃料應用于工業生產出現在近代特定的歷史時期。上世紀70年代接連發生了兩次石油危機，利用生物能源(包括利用植物纖維生產液體燃料酒精

18、)的各種嘗試和研究在世界上形成了一個熱潮心。美國、加拿大、法國、澳大利亞等國家的政府和私人都花了很大的投資來進行這方面的研究。1979年，美國國會為減少對進口原油的依賴，利用轉基因的玉米原料，制定了聯邦政府的“酒精發展計劃”，開始倡導燃料酒精生產。1993年加州開始實施“靈活燃油車輛計劃”，制定了用于輕型車的E85(85酒精+15汽油)的燃油規格。1999年7月，由于汽油增氧劑MTBE(甲基叔丁其醚)不能降解，污染環境及水資源，美國環保局與國會合作，將建立推行一個2000-2011年期間新的國家清潔替代燃料計劃，并在4年內全面禁止使用，這對燃料酒精的發展起迸一步推進作用。巴西有著豐富的甘蔗資源

19、，是世界上最大的產糖和蔗糖出口國，酒精的生產成本最低。1976年為了減少對石油的依賴，巴西制定了“生物能源計劃”用甘蔗汁直接生產酒精作汽車燃料。巴西的“酒精汽油計劃”對80年代中期世界燃料酒精的發展起了巨大的推動作用。現階段巴西的酒精年產量達1200萬噸，實際產量隨糖價和石油價格在1000萬噸上下浮動，幾乎全部用來代替汽油，作為汽車的燃料。加拿大盛產木材，造紙工業發達，但由于木材碎片加工較難，能量消耗較大，酒精生產成本較大，所以利用本國資源，對玉米、小麥進行綜合加工，得到燃料酒精。澳大利亞盛產小麥，對其進行綜合利用和加工的辦法，制得酒精。中國也十分重視酒精燃料的研究與開發，利用玉米、陳化糧和甘

20、蔗生產酒精燃料等。國際上四大發酵酒精生產國是巴西、美國、中國、俄羅斯，世界上幾大出口國是美國、巴西、歐盟、南非、沙特阿拉伯和加勒比海諸國。目前，全球生產酒精的原料中，谷物及淀粉類占33%，蔗糖及甜菜占60%，合成酒精占70%。但是，糧食是人類賴以生存的重要戰略資源，面對世界和我國人口的急劇膨脹和總體上的糧食短缺，用糧食生產乙醇的發展規模將受到限制。近年來，直接生物轉化植物纖維素特別是秸桿纖維素生成乙醇的工藝因其原料來源廣，不與人爭糧，不與人爭地而引起了人們的濃厚興趣，被認為具有良好的發展前景，并引起了各國政府的關注。美國以纖維素制乙醇的技術開發較早。美國能源部1999年提出計劃，到2015年把

21、燃料乙醇的成本降低36%，并擬定了開發方向：研發轉基因技術，使產纖維素酶酵母的活性比現有水平提高10倍以上；完善同步糖化發酵法（SSF）和并行糖化共發酵法（SSCF，即糖化和五碳糖、六碳糖共發酵）的技術；選育纖維素直接發酵菌菌種，用以開發直接發酵法（DMC）。1999年，美國可再生能源研究所和有關開發企業的關鍵的發酵技術已達到相當高的水平，但尚存在一些問題。當時，用玉米秸桿降解的糖化液中糖的濃度可達12%20%。發酵液中乙醇的濃度可達6%10%，其中用酵母對糖蜜發酵，間歇式工藝所產的乙醇的濃度為12%13%，而連續式工藝僅8%11%。美國政府曾規劃在20012003年期間利用稻殼、甘蔗渣、生活

22、有機垃圾、林業廢物等以纖維素為主的生物質為原料，建設6個年產5000076000KL的燃料乙醇工廠。但以纖維素制乙醇的工業規模技術一直未達到成熟，而以玉米生產燃料乙醇的技術已充分成熟、原料充裕，增產較容易，故美國有關纖維素發酵生產燃料乙醇的工藝研發有所停頓。日本政府積極促進秸桿纖維素制乙醇技術的發展，通過新能源產業技術綜合開發機構（NEDC）委托，以日本酒精協會為主的各有關企業進行為期5年的開發，經費全部由政府補助，采取以企業為主，有關大學積極參與的方針，日本建立了較完善的與秸桿纖維素燃料乙醇相關的研發體系：日本酒精協會負責項目的綜合調整和工藝系統的最優化研究；日揮公司負責前處理糖化和發酵技術

23、開發，其中有關發酵技術和纖維素酶育種委托大阪府大學、長岡科技大學、京都大學、神戶大學工學院、熊本大學工學院和鳥取大學等大學進行專題研究；關西油漆公司進行凝集性酵母滴蟲的技術開發；NRI公司開發乙醇膜脫水技術，由靜岡大學評價脫水膜的特性；由德國產業技術綜合研究所進行發酵液中乙醇的膜分離技術的開發。綜上所述，由于燃料酒精的應用可以帶來巨大的經濟、社會和環境效應，所以世界各國對它已有了不同程度的研究和應用。隨著現代生物技術與工程技術的不斷發展，高產菌株的獲取越來越簡單，發酵工藝也得到不斷改進，這些都為燃料酒精的大規模生產提供了技術保證。隨著燃料酒精的研究領域和應用范圍不斷擴展，燃料酒精在可再生燃料市

24、場中將占主要地位19,20。紙中纖維素的含量很高，比稻殼，花生殼等材料的含量更多，其數值達到50%以上，非常適合作為乙醇發酵的潛在原料。對于與廢紙中纖維素用于發酵乙醇的相關文獻20-23，其實驗過程中酶解反應的影響因素還有待進一步探索，本實驗對一些可能的影響因素進行了初步的研究。二、材料與方法（一）儀器、藥品1.電子儀器表1主要儀器一覽表儀器名稱儀器型號生產廠家電爐 SD-1202艾詩凱奇（中國）有限公司紫外可見分光光度計UV9200 北京瑞利分析儀器公司數顯鼓風干燥箱GZX-9240 MBE 上海博迅實業有限公司醫療設備500克裝高速中藥粉碎機 QE-10A 武義縣屹立工具有限公司電子天平

25、HX-501T 慈溪市天東衡器廠電子分析天平AB104-N 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司電熱恒溫鼓風干燥箱 GZX-GF-101 上海躍進醫療器械廠旋轉式粘度計NDJ-4 上海精密科學儀器有限公司康氏振蕩器 KS 江蘇省金壇市醫療器械廠集熱式恒溫加熱磁力攪拌器DF-101T 鄭州長城科工貿有限公司 2.玻璃儀器燒杯 50ml，500ml，250ml，1000ml離心管 50ml，10ml玻璃棒 玻璃比色皿 容量瓶 100ml，500ml，1000ml移液管 5ml，10ml，1ml酸式滴定管 褐色試劑瓶500ml 膠頭滴管 量筒100ml試管 15ml 比色管25ml 三角瓶 150ml

26、，250ml3.藥品硝酸鈣，鹽酸，酚酞，氫氧化鈉DNS試劑（1g 3,5二硝基水楊酸 + 20ml 2mol/L 氫氧化鈉溶液 + 50ml水 + 30g酒石酸鉀鈉 定容至100ml）葡萄糖，碘液，硫酸鈉，硫代硫酸鈉，淀粉，冰醋酸，濃硝酸，濃硫酸，重鉻酸鉀，碘化鉀，無水乙醇，乙醚，氯化鋇（二）實驗方案1.纖維素含量的測定（1）準確稱取七種廢紙粉末各0.10g分別置于七只試管中并貼好標簽標記。（2）使用移液管加入5ml醋酸和硝酸的混合液，搖勻后置于沸水浴中加熱并不斷用玻璃棒攪拌。（3）取出試管在室溫下冷卻后放入50ml離心管，5000rpm離心10min；棄去上清液，將沉淀用蒸餾水沖洗3次。（4

27、）向沉淀中分別加入10mL質量分數10%的硫酸和0.1 mol/L的重鉻酸鉀溶液10mL，搖勻。（5）浸入沸水浴中10min，取出后倒入三角瓶中，用適量蒸餾水沖洗試管，一并倒入三角瓶中。（6）待溶液在室溫下冷卻后加5mL質量分數20% KI溶液和1mL質量分數0.5%的淀粉溶液。（7）用0.2 mol/L硫代硫酸鈉滴定(碘量法)，將單獨加入了10mL質量分數10%的硫酸和0.1 mol/L 的重鉻酸鉀溶液10mL作為空白樣。纖維素含量按下式計算： 式中：“24”為1mol C6H10O5相當于硫代硫酸鈉的當量數；K為硫代硫酸鈉濃度，mol /L； a為空白滴定所耗硫代硫酸鈉體積，m L；b為溶

28、液所耗硫代硫酸鈉體積，m L；n為廢紙粉末質量，g。2.半纖維素含量的測定（1）準確稱取0.1g的廢紙粉末分別置于七個燒杯中并貼好標簽標記。（2）分別加入10mL質量分數80%的硝酸鈣溶液，置于電爐上加熱，小火煮沸5 min。（3）室溫冷卻后離心10000rpm，15min；將沉淀用熱水沖洗3次。（4）然后分別向沉淀中加10mL濃度為2mol/L的鹽酸，混勻后置沸水浴中。（5）在不時攪拌下沸騰45 min；冷卻后離心10000rpm,10min，將上清液移入100mL容量瓶中。（6）將沉淀沖洗，洗滌液并入容量瓶中。（7）向容量瓶中加1滴酚酞，用NaOH中和至顯玫瑰色，稀釋至刻度。（8）隨后將其

29、過濾至燒杯中，棄去最初濾出的幾滴濾液。用DNS法測定溶液中的還原糖。（9）分別取2mL濾液加入不同比色管中并加入DNS試劑，做好標記，于沸水浴中加熱5min，冷卻，加水稀釋至25mL，并540nm波長下測定吸光度，并對照葡萄糖標準曲線進行分析。3.木質素含量的測定（1）分別稱取0.10g的粉末放入已標記好的對應10ml離心管中，加入質量分數1%的醋酸10mL，搖勻后離心10000rpm,15min。（2）將沉淀再用質量分數為1%的醋酸5mL洗一次，然后加5mL乙醇和乙醚混合液(體積比11)。（3）浸泡3 min后棄去上清液，浸洗；將離心管中的沉淀在沸水浴中蒸干。（4）然后向沉淀中加入質量分數7

30、2 %的硫酸3mL，用玻棒攪勻后室溫下靜置16 h，使全部纖維素溶解。（5）然后向試管中加入10mL蒸餾水，用玻棒攪勻，置沸水浴中5 min，冷卻后加5mL蒸餾水和0.5mL質量分數10%的氯化鋇溶液，搖勻后離心。（6）沉淀用蒸餾水沖洗2次，再向沖洗過的木質素沉淀中加10mL質量分數10%的硫酸和0.1mo l/L重鉻酸鉀溶液，將試管放入沸水浴中15min，并不時攪拌。（7）冷卻后將試管中所有物質轉入燒杯中作滴定用，并用1520mL蒸餾水洗滌殘余部分。（8）然后向燒杯中加入5mL質量分數20% KI溶液和1mL質量分數0.5%淀粉液，用0.2mol/L硫代硫酸鈉滴定。（9）另外單獨滴定加入了1

31、0mL質量分數10 %的硫酸和0.1 mol/L的重鉻酸鉀溶液10mL作為空白樣。木質素含量按下式計算： 式中：“48”為 1 mo l C11H12O4相當于硫代硫酸鈉的當量數；K為硫代硫酸鈉濃度，mol/L；a為空白滴定所耗硫代硫酸鈉體積，m L；b為滴定溶液所耗硫代硫酸鈉體積，m L;n為干粉質量，g。4.碘吸附值和結晶度的測定（1）取粉末約0.3 g (精確到0.1 mg )。（2）分別放入已標記好的對應磨口密封褐色玻璃瓶中，準確加入50mL碘液(0.1 mol/L)，再準確加入50mL飽和硫酸鈉溶液,混合均勻后置于震蕩器上搖動。（3）放置30min后取出過濾，準確取出濾液10mL。（

32、4）用標準硫代硫酸鈉溶液（0.01molL)）滴定，以1淀粉溶液作指示劑。（5）以同樣操作進行空白實驗。按下式計算碘吸附值和結晶度： 式中：V空白為空白試驗消耗的Na2S203溶液，m L；V消耗為試樣消耗的Na2S203溶液，m L；C為Na2S203的溶液濃度，mo/L；m為試樣的干質量，g。5.纖維素聚合度的測定根據所測粘度計算即可得出。粘度計操作方法： （1）首先將保護架右旋上儀器下端。 （2）準備被測液體，選擇直徑大于等于70mm 的燒杯。 （3）按測量要求的精度，準確控制被測液體的溫度 （4）估計被測液體黏度值的大致范圍參考量程表選好轉子號，并將轉子左旋入連接螺桿.然后 旋轉升降鈕

33、，使儀器慢慢地下降，逐漸浸入測量液體中，直至轉子液面標志和液面平為止。按下指針鎖定桿，開啟電源開關，放開指針鎖定桿，使轉子在液體中旋轉，一般2030秒的運轉，待指針趨于穩定。按下指針鎖定桿，使讀數固定下來，再關閉電機，使指針停在讀數窗范圍內，直接讀出數據。（三）酶解研究 1.濾紙酶活的測定取5ml適當稀釋酶液，用一次性注射器加入配制好的pH4.8 0.1mol/L乙酸-乙酸鈉緩沖液1ml。取濾紙片裁剪成1cm×6cm（50±0.5mg）濾紙條，稱量達到標準后加入溶液中。在50水浴鍋中水浴1h，每隔1到2分鐘震蕩數次。水浴后加入3ml DNS顯色液，沸水浴10min。取出溶液

34、放入離心管內，2000rpm離心10min，取出，吸取上清液測定吸光度。濾紙酶活的計算根據下式代入數據即可：濾紙酶活性 FPUI/ml= C葡萄糖為葡萄糖濃度，通過上一步得到的葡萄糖標準曲線公式代入吸光度數值計算獲得。 2.未處理材料的酶解準確稱取七種材料各4.0g，分裝于250ml三角瓶中，使用一次性注射器加入120ml緩沖液，并分別加入10mg酶粉，用兩層保鮮膜封口后用棉線扎緊。在50水浴震蕩培養箱中反應50h。反應期間每10h取各三角瓶中的上清液1ml，放入比色管，加入3ml新配的DNS試劑，沸水浴4-5min后冷卻定容，使用紫外可見分光光度計在450nm波長下進行比色，記錄吸光度。實驗

35、重復三次。 3.經預處理材料的酶解 準確稱取七種材料各4.0g，分裝于250ml三角瓶中，加入10倍體積的2.0%，pH值11.5 H2O2溶液，室溫下浸泡12-14小時。過后用清水洗至洗出液呈中性，使用一次性注射器加入120ml緩沖液，并分別加入10mg酶粉，用兩層保鮮膜封口后用棉線扎緊。在50水浴震蕩培養箱中反應50h。反應期間每10h取各三角瓶中的上清液1ml，放入比色管，加入3ml新配的DNS試劑，沸水浴4-5min后冷卻定容，使用紫外可見分光光度計在450nm波長下進行比色，記錄吸光度。實驗重復三次。三、結果與分析（一）纖維素含量的測定結果將各組實驗所得數據在柱形圖中進行比較（圖1）

36、。圖1.不同紙類纖維素含量的比較 圖1顯示：除稿紙的纖維素含量為48%外，其他紙類纖維素含量都達到50%以上。其中無碳復寫紙的纖維素含量高達70%，衛生紙和紙箱中纖維素含量約在60%左右，而海報、報紙和A4紙中纖維素含量在50%左右。（二）半纖維素含量的測定結果 半纖維素含量的數據使用DNS比色法測得，首先做出葡萄糖標準曲線。如圖2所示。圖2.葡萄糖標準曲線 將實驗所測得的吸光度代入標準曲線公式，所得到的葡萄糖含量數值乘以系數0.9即可得到半纖維素含量數值。繪制柱形圖，如圖3所示。圖3.不同紙類半纖維素含量的比較 圖3表明，類廢紙的半纖維素含量都很低，都在2.5%以下。其中衛生紙的半纖維素含量

37、最高，為2.48%；而海報紙的半纖維素含量最低，為0.75%；其他各類廢紙的半纖維素含量約在1%2%之間。（三）木質素含量的測定結果 將各組實驗數據代入公式，計算得出木質素含量并進行比較，如圖4所示。圖4.不同紙類木質素含量的比較 圖4表明，種廢紙的木質素含量變化較大，變化范圍11%-35%之間。其中報紙和紙箱的木質素含量最高，為35%；無碳復寫紙和A4紙的木質素含量在20%-30%之間；海報紙、稿紙和衛生紙的木質素含量在20%以下。（四）碘吸附值和結晶度 根據實驗測出的碘吸附值計算結晶度，所得結果的比較如圖5所示。圖5.不同紙類所含纖維素結晶度的比較 比較結果如圖5所示，七種紙類所含纖維素的

38、結晶度非常相近，差別并不大。其中結晶度最大的紙為衛生紙，結晶度平均值達到98.05%，最小的紙類為紙箱，平均值為96.50%。（五）纖維素聚合度的測定結果 使用旋轉粘度計測得材料干粉溶液的粘度，通過公式計算得到各種紙類的纖維素聚合度。數值比較如圖6所示。 圖6.不同紙類纖維素聚合度的比較從圖6中表明：不同類型的紙張，其纖維素聚合度數值相差很大，波動范圍2.345.85；海報紙、報紙、稿紙和A4紙的纖維素聚合度均小于10，衛生紙（草漿）和紙箱的纖維素聚合度在1020之間，而無碳復寫紙的聚合度最高，達到45.85。（六）酶解數據的分析 未經過處理的廢紙酶解過程的數據折線圖如下（圖7）:圖7.七種材

39、料酶解過程中各時間段的吸光度曲線（未處理） 如圖7所示，各類廢紙在10h后酶解產物的產量達到最高，此后糖含量逐漸下降。產量最高的三種紙類從高到低依次是A4紙、海報紙和稿紙。產量較低的其他四種紙類為紙箱、無碳復寫紙、報紙和衛生紙。 經過處理的原料酶解過程的數據折線圖如下（圖8）:圖8.七種材料經過預處理后酶解過程中各時間段的吸光度曲線如圖8所示，經過脫木質素處理后，酶解曲線同樣在10h后達到最高點，即產物產量達到最大。10h后曲線有所下降，最終趨于平緩。酶解產物的產量由高到低的排列依次是A4紙、海報紙、稿紙、紙箱、無碳復寫紙、衛生紙、報紙。四、結果討論（一）纖維素含量對廢紙酶水解率的影響紙類制品

40、中所含的纖維素非常豐富，幾乎所含物質的一半以上都是纖維素，被測的七種紙類的纖維素含量也幾乎都在50%以上，而稻殼，秸稈等材料中所含有的纖維素只達到3040%，所以廢紙非常適合做為燃料乙醇發酵的原料。（二）半纖維素含量與木質素含量對各類廢紙酶水解率的影響半纖維素在酶解過程中起到物理屏障的作用，保護纖維素使其不與酶進行接觸，降低了酶作用的可及表面積。根據半纖維素的測定結果可以發現，各類廢紙的半纖維素含量很低，最高只達到2.48%，這表明半纖維素含量對廢紙的水解率影響很低；而且不同紙類所含的半纖維素差別并不大，所以也不會對各類廢紙的水解率差異造成太大影響。同時與酶解實驗的結果相對照，可斷定半纖維素含

41、量并不是它的主要影響因素。在纖維素結構中，木質素起到了纖維素與半纖維素橋聯的作用，同樣限制了酶作用的可及表面積，所以木質素含量越高，酶解效率越低。同時根據木質素含量的測定結果可以看出，不同紙類的木質素含量都很高而且差別很大，這導致了廢紙的水解率和水解率差異受到了較大的影響。所以木質素含量是影響纖維素水解的一個主要因素。（三）結晶度與聚合度對各類廢紙酶水解率的影響纖維素的結晶度越大，酶作用的可及表面積越小，酶解過程越不容易進行。在實驗4中發現，紙類制品的纖維素結晶度相差不大而且數值很高。所以有必要使用一些預處理方法降低其纖維素聚合度，使原料紙更容易水解。但各類廢紙間結晶度較小的差異導致了它們更小

42、的水解率差異，所以這并不是影響纖維素酶解的主要因素。而通過各類廢紙聚合度的測定發現，不同紙類的纖維素聚合度數值相差很大。這與各類廢紙結晶度的情況正好相反，即造成了水解率差異的增大。同時由其他文獻所知，纖維素聚合度越大酶作用的可及表面積越小，纖維素越不易被水解，反之同理。所以纖維素的聚合度是影響纖維素水解的又一個主要因素，而結晶度的大小對不同紙類酶解數據的差異影響不大。（四）酶水解實驗通過以上結論，根據木質素含量與纖維素聚合度的測定結果推測，最易水解的紙類依次是海報紙，A4紙和稿紙。但從未經過預處理的酶解實驗和經過預處理的酶解實驗可以看出，水解效率最高的是A4紙，其次是海報紙，與推測不符。同時衛

43、生紙效率幾乎為最低，從之前實驗的數據推測來看也不合理。這說明除了木質素含量和纖維素的聚合度兩大因素以外還有其他的重要影響因素在影響纖維素的水解，這可能和這兩種紙所含的其他成分以及造紙工藝流程有關。由于紙中所含有的木質素對纖維素酶產生的毒性，使酶活力下降，產物產量無法繼續提高。溶液吸光度在10h后開始下降的原因可能是由于溶液中所含微生物對其中的還原糖產生降解作用，分解了大量的還原糖后導致溶液的吸光度下降。這是由于木質素的脫除，不再對纖維素酶的活性產生影響，使其保持了活性。由于木質素脫除的并不完全，所以部分曲線仍然有下降趨勢，但與未處理材料的實驗結果對比差別仍然很明顯。未經過預處理的酶解實驗和經過

44、預處理的酶解實驗通過對比可知，使用 H2O2溶液處理后降低了木質素的含量，但各類紙水解產物的產量基本沒有提高，產量達到最大的時間仍然是10h以后。但經過處理的材料在10h以后產物量趨于平緩，說明木質素的減少降低了對纖維素酶的毒性，并且減少了產物的降解。五、結論綜上所述，各類廢紙所含纖維素很高，適合用于酶水解后發酵乙醇。纖維素聚合度與木質素含量對各類廢紙的酶水解差異有較大影響，而纖維素結晶度和半纖維素含量對各類廢紙的酶水解差異影響不大。40小時的酶解實驗表明，各類廢紙在10小時后酶解產物的產量達到最高，此后糖含量逐漸下降。產量最高的三種紙類從高到低依次是A4紙，海報紙和稿紙。產量較低的其他四種紙

45、類為紙箱、無碳復寫紙、報紙和衛生紙。通過H2O2預處理脫除木質素后同樣在10h后產物產量達到最大。10h后曲線有所下降，最終趨于平緩。酶解產物的產量最高的三種廢紙為A4紙，海報紙和稿紙。與未經過預處理的酶解實驗相比，經過預處理后產物產量有所提高并能夠穩定保存，纖維素酶也能夠持續對纖維素產生作用，削弱了木質素對酶的毒性作用。參考文獻1凌慧珊.國內外垃圾處理技術現狀掃描J.廣東科技,2002;(7):1011.2陳堅.環境生物技術M.北京中國輕工業出版社.1999:244245.3魯杰,石淑蘭,楊汝男,等.纖維素酶水解纖維素類廢棄物的研究J.纖維素科學與技術,2004;12(4):712.4Ins

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