СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНОЙ БУМАГИ И БУМАЖНЫХ ПРОДУКТОВ
METHOD OF PRODUCING LIGNOCELLULOSE PAPER AND PAPER PRODUCTS

Данная заявка испрашивает приоритет зарегистрированной 26 августа 2015 г. заявки на патент США №.14/835931, все содержимое которой включено по ссылке.
Предпосылки создания изобретения
Настоящее изобретение относится к способу изготовления бумаги и бумажных продуктов. Более конкретно, для улучшения сухой прочности бумаги и бумажных продуктов к лигноцеллюлозной суспензии добавляют композицию из лакказы, липазы и катионного фиксирующего полимера.
Бумажная масса обычно изготавливается из древесины посредством крафт-процессов. Эти процессы производят целлюлозное волокно темно-коричневого цвета, главным образом из-за присутствия лигнина. Для некоторых применений молекулы лигнина дополнительно удаляются способом, известным как беление, для изготовления беленых волокон, пригодных для изготовления бумажных продуктов, таких как бумажные салфетки, полотенца и печатная и писчая бумага. Для других применений, таких как облицовочный картон, предпочтительно, используется небеленое волокно, поскольку это является экономичным и благоприятным для окружающей среды из-за непрохождения через белильный процесс с использованием токсичных белильных химикатов. Небеленое крафт-волокно обычно содержит от 1% до 2% лигнина. Хотя содержание лигнина значительно уменьшено посредством крафт-процесса, оставшийся лигнин остается внедренным в целлюлозу, приводя к лигноцеллюлозному материалу, который требует более чем 50% энергии, которая необходима для механического размола беленого волокна в процессе производства бумаги. Другие механические целлюлозные массы, такие как тепломеханическая целлюлозная масса (ТМР), являются другим типом небеленого волокна, которое широко используется для изготовления бумаги. Лигноцеллюлозный материал является используемым для описания древесного волокна, которое содержит молекулы лигнина, термином. Многие рециркулированные небеленые целлюлозные композиции получаются из смеси разных типов волокон с более низким качеством, чем не бывшие в употреблении волокна. Рециркулированные волокна, например гофрированный картон из старых гофрированных коробок (ОСС) и ненужные газеты, не только содержат лигнин, гемицеллюлозу и другую биомассу, но также содержат значительное количество загрязнений, известных как клейкие вещества или смолы, такие как поливинилацетат и сложноэфирные органические загрязнения. Эти типы загрязнений могут препятствовать связыванию волокна с волокном, приводя к уменьшенной сухой прочности конечного продукта.
Для восстановления сухих прочностных характеристик изготовленного из рециркулированного лигноцеллюлозного материала, такого как низкокачественное полученное из ООС волокно, производители бумаги традиционно используют синтетические полимерные добавки для улучшения сухой прочности. Использование ферментов для изготовления бумаги постоянно приобретало популярность вследствие быстрой разработки надежных и недорогих ферментных продуктов и ориентированного на экологическую безопасность подхода. Хотя в последнее время для улучшения сухой прочности бумаги использовались целлюлазы, коммерческий успех ограничивался белением не бывшего в употреблении волокна или удалением краски из бумажной массы (DIP). Очевидно, что доступ целлюлазы к лигноцеллюлозному волокну затрудняется молекулой лигнина и другими связанными с целлюлозой не целлюлозными биомассами. Хотя предпринималось много попыток проведения коммерческих испытаний, целлюлаза обычно не пригодна для низкокачественного рециркулированного лигноцеллюлозного волокна или коротковолокнистой ТМР и т.п. для требующих сухую прочность применений. До сих пор никакая ферментная технология не добилась значительного коммерческого успеха в бумажном производстве с рециркулированным ОСС волокном, прежде всего низкокачественным ОСС. Таким образом, существует необходимость в экологически безопасном и надежном ферментном способе для рециркулированного ОСС или небеленого не бывшего в употреблении волокна как альтернативной технологии или замене синтетических полимерных добавок.
Лакказы являются содержащими медь ферментами, которые известны как хорошие окислители в присутствии кислорода и используются для многих других применений, включая обработку сточных вод производства целлюлозной массы, удаление краски из целлюлозной массы, удаление промышленных красителей, в качестве отбеливателей для стиральных порошков, отбеливателей для зубных паст. Лакказы широко исследуются для биологического беления древесного волокна в способах варки целлюлозной массы как заменитель токсичных химических белильных реагентов. Лакказы также способны полимеризовать лигнин или полифенолы в древесном волокне, и в связи с этим широко исследуются как катализатор или активатор для улучшения сухой прочности бумаги или совместно или без посредников или генерирующих радикалы химикатов. Вероятным механизмом улучшения прочности было образование поперечных связей в лигноцеллюлозном волокне за счет окисления и полимеризации. В дополнение лакказа может также окислять другие фенолсодержащие компоненты, такие как ароматические боковые цепи в белке, гемицеллюлозе, целлюлозном волокне и т.п., в специфических условиях с участием радикалов для обеспечения функциональных групп, которые взаимодействуют друг с другом с приданием бумаге прочностных свойств. Предпочтительным образом, действие лакказы на лигнин и другие функциональные группы в нормальных условиях бумажного производства обычно не оказывает отрицательного влияния на качественные характеристики волокна, такие как длина волокна.
Патент США №6207009 раскрывает способ производства бумаги или картона из механической целлюлозной массы, в котором целлюлозную массу после завершения механического размола целлюлозной массы обрабатывают окисляющим фенол ферментом, прежде всего лакказой или пероксидазой. Полученная бумага проявляет увеличенную прочность по сравнению с произведенной из необработанной целлюлозы бумагой. Существующий уровень техники не упоминает о каком-либо синергическом эффекте лакказы с липазой и катионным полимерами для рециркулированных лигноцеллюлозных волокон. Аналогичным образом патент США №6610172 заявляет способ производства имеющих улучшенную влажную прочность бумажных материалов. Это способ включает в себя (а) приготовление суспензии из небеленой или полубеленой целлюлозы или полуцеллюлозы или целлюлозной массы из рециркулированных волокон, (б) обработку целлюлозной массы окисляющим фенол ферментом, например лакказой, и посредником, и (в) обезвоживание обработанной целлюлозной массы в бумагоделательной машине для получения бумаги. Патент США №5603804 описывает способ производства облицовочного картона или среднего слоя гофрированного картона с использование обработанной оксидазой целлюлозной массы. Целлюлозная масса является небеленой крафт-целлюлозой, нейтральной сульфитной полуцеллюлозой или рециркулированной целлюлозной массой из старых гофрированных коробок или старой газетной бумаги. Оксидазы включают в себя лакказу или катехолоксидазу или билирубиноксидазу.
Патентная заявка США №20140116635 описывает способ изготовления имеющих повышенную прочность в сухом состоянии бумаги или картона с использованием фермента лакказы или целлюлазы и катионного водорастворимого полимера. Существующий уровень техники не раскрывает какой-либо синергический эффект лакказы с липазой и катионными полимерами на рециркулированном ОСС волокне.
Липаза или эстераза были использованы в промышленном масштабе в производстве бумаги для удаления прилипших к поверхности волокна клейких веществ или смол. Содержание клейких веществ изменяется с типом волокна и системами бумажных фабрики, и это создает главную проблему для использующих рециркулированное волокно бумажных фабрик, особенно для азиатских и европейских фабрик по производству облицовочного картона, которые обычно используют низкокачественный рециркулированный ОСС. Гидрофобные клейкие вещества или смолы не только накапливаются на технологическом оборудовании со снижением производительности и/или осаждаются на бумажных продуктах со снижением качества бумажного продукта, но также эти гидрофобные органические загрязнения препятствуют взаимодействию целлюлозного волокна с волокном, уменьшая, таким образом, прочность бумаги. В дополнение эти гидрофобные загрязнения на поверхности волокна могут препятствовать достижению ферментами и химическими добавками поверхности волокна для реакции или взаимодействий и снижают эффективность этих реагентов.
Патентная заявка США №20070261806 раскрывает способы обработки целлюлозной массы содержащей один или более окислительных ферментов ферментной композицией для уменьшения смоляных отложений. Она описывает, что целлюлозную массу обрабатывают содержащим лакказы, пероксидазы, эстеразы и/или их комбинации ферментной композицией. Ферментные композиции могут также содержать посредник лакказы и/или диспергирующий агент. Ферментная композиция может применяться в любом из нескольких мест во время варки целлюлозы, однако он типично подается как раствор в целлюлозную массу. Существующий уровень техники не обсуждает влияние катионного полимера на эффективность лакказы и эстеразы и не раскрывает влияние композиции на сухую прочность бумаги.
Катионные полимеры могли быть использованы для смешения с ферментами для улучшения стабильности фермента и достижимости ферментом поверхности целлюлозного волокна за счет их фиксирующих свойств. Это может также полезно в отношении удержания волокна и уменьшения химического потребления кислорода на фабриках рециркулированной бумаги. Эти преимущества были проверены в лаборатории, а также в коммерческой практике.
Патент США №8454798 раскрывает способ изготовления бумаги или картона путем добавления содержащей фермент и катионный коагулянт композиции к бумажной массе перед формованием бумаги. Однако этот уровень техники не раскрывает синергический эффект лакказы, эстеразы и катионных полимеров на сухую прочность бумаги.
Заявка на патент США 20140116653 раскрывает способ изготовления имеющих повышенную сухую прочность бумаги или картона с использованием фермента и полимера, включая по меньшей мере один из катионного водорастворимого полимера и амфотерного водорастворимого полимера. Известный уровень техники не раскрывает какую-либо информацию о влиянии эстеразы или липазы на прочность бумаги.
В данной области техники известно, что катионный полимер может быть использован в комбинации с ферментами для регулирования липкости и прочности. Эти катионные полимеры включают в себя полидиаллилдиметиламмония хлорид, поли(DMA-Epi) полиамин, производные полиаминамида и производные поливиниламина. Однако не все катионные полимеры будут оказывать благоприятное действие на характеристики фермента или стабильность. Фактически многие катионные полимеры снижают или деактивируют активность ферментов, таких как лакказа и липаза. Поливиниламин и глиоксилированный полиакриламин (РАМ) могут ковалентно реагировать и образовывать поперечные связи в ферменте с полной деактивацией ферментной активности. Простое комбинирование фермента с катионным полимером не является общим решением.
Настоящий способ обеспечивает улучшающую сухую прочность композицию для бумажного производства для улучшения прочностных свойств бумажного продукта в сухом состоянии, а также улучшения эффективности процесса изготовления бумаги. Было обнаружено, что комбинация лакказы и липазы вместе с катионным полимером с активатором лакказы или без активатора лакказы обеспечивает синергические эффекты при изготовлении бумаги и производит бумажный продукт с улучшенными показателями сухой прочности. Более конкретно, настоящий способ относится к использованию композиции для улучшения показателей сухой прочности посредством обработки содержащей небеленое лигноцеллюлозное волокно и/или рециркулированную небеленую целлюлозную массу.
В настоящей композиции лакказа служит как фермент для полимеризации лигнина через окисление, липаза катализирует разрушение органических клейких веществ и смол на поверхности волокна и улучшает доступность лакказы и связывающее взаимодействие волокна с волокном. Катионные полимеры способствуют диспергированию клейких веществ, стабилизации лакказы и липазы и улучшает удержание волокна. Когда лакказа и липаза использовались в комбинации с катионным полимером, наблюдался синергический эффект. Таким образом, изобретение обеспечивает трехкомпонентную улучшающую сухую прочность композицию для использования в бумажном производстве.
Краткое изложение сущности изобретения
Разработан способ изготовления бумаги и бумажных продуктов с использованием композиции из лакказы, липазы, катионного фиксирующего полимера в качестве добавки к лигноцеллюлозной суспензии. Более конкретно, настоящий способ относится к использованию состава или композиции из лакказы, липазы и катионного фиксирующего полимера для улучшения прочностных характеристик в сухом состоянии бумажного продукта, изготовленного в первую очередь из небеленых целлюлозных волокон и/или рециркулированной небеленой целлюлозной массы. Композиция для улучшения сухой прочности включает в себя в дополнение по меньшей мере к одному катионному фиксирующему полимеру по меньшей мере одну имеющую лакказную активность по меньшей мере 12 LAMU лакказу и имеющую по меньшей мере липазную активность от 0,1 до 10 KLU на килограмм сухого волокна. Добавление улучшающей сухую прочность композиции к лигноцеллюлозной суспензии может быть выполнено либо перед, либо во время, либо после механического размола.
В настоящей заявке считается, что лакказа является активным ингредиентом, который специфично катализирует окисление лигнина, приводя к полимеризации молекулы лигнина. Лакказа может также катализировать окисления других фенольных компонентов или углеводов в специфических условиях. Лакказа композиции может также катализировать гидролиз древесных смол, таких как сложные эфиры жирных кислот, для улучшения доступа лакказы к поверхности волокна, или гидролиз и удаление клейких загрязнителей, таких как поливинилацетат, с волокна, чтобы помочь улучшить связующие свойства волокна. Трехкомпонентная улучшающая сухую прочность композиция согласно настоящему способу обеспечивают улучшенные и повышенные характеристики сухой прочности бумаги по сравнению с использованием только одного или двух индивидуальных компонентов. Настоящая композиция может также снижать содержание органических загрязнений и улучшает показатель мутности сточной воды процесса бумажного производства. Использованная в данном случае композиция является комбинацией или смесью одного или более ферментов. Под «улучшающей сухую прочность композицией» понимается комбинация или смесь лакказы, липазы и катионного фиксирующего полимера.
Примерами лакказ, которые могут быть использованы в настоящем способе, являются NS51003 и NS51002 от Novozymes (Bagsvaerd, Denmark), факультативный активатор лакказы может быть выбран из сульфата меди, аскорбиновой кислоты и салициловой кислоты, липазы, такие как StickAway или Resinase А2Х от Novozymes (Bagsvaerd, Denmark), и катионный фиксирующий полимер, такой как имеющийся в распоряжении от Solenis LLC (Wilmington, DE, USA), включая Zenix DC 7429 и Zenix DC7479.
Следует отметить, что для каталитической активности лакказы или стабильности фермента может быть важным ион меди. Лакказа из коммерческих источников может потерять свою активность, когда ион меди удален из третичной структуры белка лакказы. Было обнаружено, что лакказа может быстро потерять свою активность при разбавлении водой, особенно при повышенных температурах. Это может быть объяснено возможностью того, что ион меди высвобождается из лакказы, когда раствор фермента разбавляется. Было также обнаружено, что добавления небольшого количество сульфата меди к лакказному составу помогает поддерживать активность лакказы при разбавлении. С дополнительным ионом меди в составе равновесие иона меди сдвигается к белку лакказы, так что третичная структура фермента сохраняется в стабильной форме. Другие ингредиенты улучшающей сухую прочность композиции также могут экстрагировать ион меди из лакказы, так что может потребоваться дополнительный сульфат меди для ферментной композиции для сохранения активности лакказы. Было обнаружено, что активность лакказы значительно улучшается, когда к ферментной композиции был добавлен сульфат меди в диапазоне от 0,05 до 0,1% по массе. Однако когда уровень меди был дополнительно увеличен до 0,5% по массе, лакказа потеряла часть своей начальной активности.
Использованная в настоящем способе улучшающая сухую прочность композиция является водным составом, типично содержащим до 95% воды и 5-50% других неводных компонентов.
В одном варианте осуществления улучшающей сухую прочность композиции содержание ее активного компонента лакказы составляет от примерно 3% по массе до примерно 40% по массе и может быть от примерно 10% по массе до примерно 25% по массе от суммарной массы композиции, содержание липазы составляет от примерно 1% по массе до примерно 80% по массе, может быть от примерно 3% по массе до примерно 40% по массе, и может быть от примерно 5% по массе до примерно 20% по массе от суммарной массы композиции, и содержание катионного фиксирующего полимера может составлять от примерно 2% по массе до 50% по массе, может быть от примерно 5% по массе до примерно 40% по массе, и может быть от примерно 7% по массе до примерно 20% по массе от суммарной массы композиции.
Лакказа, одна или в комбинации с катионным фиксирующим полимером, может быть использована в процессе производства бумаги для улучшения свойств бумаги. Однако не все катионные фиксирующие полимеры совместимы с лакказой. При испытаниях лакказы было установлено, что некоторые катионные фиксирующие полимеры могут снижать активность или даже деактивировать лакказу NS51003 (лакказа от Novozymes). Эти катионные полимеры включают в себя поливиниламин и глиоксилированный полиакриламид, которые могут ковалентно реагировать и поперечно сшиваться с лакказой с деактивированием активности фермента. Было также обнаружено, что ферментная композиция согласно настоящему изобретению действовала лучше, чем комбинация из лакказы и катионного полимера, в отношении обеспечения улучшенной сухой прочности бумажного продукта, изготовленного из рециркулированного ОСС, прежде всего, из низкокачественного ОСС, который содержит много клейких и смолистых загрязнений.
Настоящий способ также относится к процессу изготовления бумажного продукта с использованием улучшающей сухую прочность композиции из лакказы, липазы и катионного полимера. В некоторых аспектах формуют лигноцеллюлозное волокно в водном растворе для изготовления целлюлозной массы. Улучшающую сухую прочность композицию добавляют к суспензии целлюлозы, и суспензию обезвоживают и сушат для изготовления требуемого бумажного продукта. Используемое здесь лигноцеллюлозное волокно в водном растворе описывается здесь как целлюлозный шлам, целлюлозная композиция, целлюлозная суспензия, которые обозначают одно и то же.
Улучшающая сухую прочность композиция согласно настоящему способу может быть составлена с разными массовыми отношениями лакказы и липазы в зависимости от конкретной целлюлозной композиции. В общем, ферментная композиция с более высоким массовым отношением лакказы к липазе дает лучшие результаты в отношении прочности для небеленого не бывшего в употреблении волокна или высококачественной целлюлозной композиции из гофрированного картона из старых коробок (ОСС), имеющей канадскую стандартную степень помола целлюлозы (CSF) более чем 500, в то время как ферментная композиция с более высоким отношением липазы к лакказе дает лучшие результаты в отношении прочности для низкокачественной целлюлозной композиции из рециркулированного ОСС со степенью помола целлюлозы менее чем 400 CSF.
Улучшающая сухую прочность композиция согласно настоящему способу может быть также использована для уменьшения содержания органических загрязнений в процессе производства бумаги и улучшения производительности производства бумаги. Катионный фиксирующий полимер является эффективным в отношении взаимодействия с анионными загрязнениями, диспергирования клейких веществ и частиц смолы и содействия улучшению взаимодействия волокна с волокном и флокуляции, что может приводить к лучшему обезвоживанию. Было установлено, что обработка рециркулированного волокна ферментной композицией не оказывает отрицательного влияния на выход волокна не бывшего в употреблении небеленого волокна, и ферментная композиция улучшает удержание волокна и показатель мутности белой воды целлюлозной композиции из рециркулированного ОСС.
Ферментные композиции проявили синергический эффект в отношении улучшения активности лакказы и эффективности производства бумаги для улучшения прочностных свойств в сухом состоянии изготовленного из лигноцеллюлозного материала, прежде всего рециркулированных ОСС волокон, бумажного продукта.
Подробное описание изобретения
Настоящий способ относится к имеющим улучшенную сухую прочность бумажным продуктам. Более конкретно, способ относится к композиции для изготовления бумажного продукта, которая содержит лакказу, липазу, катионный фиксирующий полимер и, факультативно, модификаторы или активаторы активности лакказы, причем содержание лакказы составляет от примерно 3% по массе до примерно 40% по массе, и может быть от примерно 10% по массе до примерно 25% по массе от суммарной массы композиции, содержание лакказы составляет от примерно 1% по массе до примерно 80% по массе, может быть от примерно 3% по массе до примерно 40% по массе, и может быть от примерно 5% по массе до примерно 20% по массе от суммарной массы композиции, и содержание катионного фиксирующего полимера может быть от примерно 2% по массе до 50% по массе, может быть от примерно 5% по массе до примерно 40% по массе, и может быть от примерно 7% по массе до примерно 20% по массе от суммарной массы композиции.
В других аспектах настоящий способ относится к использованию ферментов для улучшения прочностных свойств в сухом состоянии бумажного продукта. Способ относится к добавлению композиции к целлюлозной композиции или суспензии, такой как содержащая небеленые волокна целлюлозная композиция или рециркулированная небеленая целлюлоза, причем композиция содержит лакказу с активностью по меньшей мере 12 LAMU и имеющую липазную активность от 0,1 KLU на кг до 10 KLU на кг сухого волокна липазу, и причем ферменты добавляли в процесс производства бумаги перед, во время или после механического размола при производстве бумаги. Лакказа для настоящего способа может происходить из микробных, грибковых или других источников. Кроме того, она может быть произведена по рекомбинантной технологии. Лакказа согласно настоящему способу может быть получена из коммерческого источника, например, NS51003 и NS51002 от Novozymes (Bagsvaerd, Denmark).
Лакказа для настоящего способа может также включать в себя ферменты, которые обладают лакказной активностью, основанной на существующих способах испытаний. Активность использованной в приведенных ниже примерах определяли с использованием в качестве субстрата сирингалдазина или ABTS-тестом.
Примеры содержащих лакказную активность ферментов включают в себя, например, лакказу (ЕС 1.10.3.2), катехолоксидазу (ЕС 1.10.3.1), монофенол-монооксигеназу (ЕС 1.14.99.1), билирубиноксидазу (ЕС 1.3.3.5) и аскорбатоксидазу (ЕС 1.10.3.3). Они могут быть использованы каждый отдельно или в комбинации с другими. Номер ЕС (комиссия по ферментам) присваивается Номенклатурным комитетом международного союза биохимии и молекулярной биологии (IUBMB).
В другом аспекте настоящего способа модификатор или активатор лакказы может быть одним или несколькими неорганическими или органическими соединениями, такими как сульфат меди, содержащие ион меди соли, содержащие ион другого металла соли и лиганды, которые помогают активировать лакказную активность, а также посредники или активаторы лакказы, включая аскорбиновую кислоту, аскорбат, салициловую кислоту, салицинат, никотиновую кислоту, никотинат, черный щелок древесины твердых пород, черный щелок древесины мягких пород, лигно-органосолв, сульфонат лигнина, 2-тиоурацил, N-бензилиденбензиламин, меламин, хлорное железо, феррицианид калия, гуанидин, циануровую кислоту, никотиновую кислоту, пировиноградную кислоту, имидазол, фенол и их смеси. Термины модификатор лакказы, посредник лакказы, активатор лакказы и усилитель лакказы используются попеременно и относятся к одним и тем же соединениям.
В еще одном другом аспекте настоящего способа усилитель лакказы может быть сульфатом меди, аскорбиновой кислотой, салициловой кислотой и их комбинаций в дозировке от примерно 0,01% по массе до примерно 0,5% по массе от всей композиции. На активность может оказывать отрицательное влияние высокий уровень сульфата меди >0.5% от суммарной массы улучшающей сухую прочность композиции.
Следует отметить, что лакказа, чтобы быть активной, требует кислород. Следовательно, эффективный поток кислорода и воздуха в процессе производства бумаги помогает улучшить ферментную активность и эффективность лакказы в производстве бумаги.
В некоторых аспектах настоящего способа липазы могут происходить из микробных, грибковых или других природных источников. Липазы могут быть также произведены посредством генетической рекомбинантной технологии или посредством химических модификаций. Обладающие липазной активностью ферменты включают в себя, например, триацилглицерол липазу, жирноэфирную липазу, эстеразу, фосфолипазу или их комбинацию. Имеющиеся на рынке содержащие липазную активность ферменты включают в себя, например, StickAway или Resinase А2Х, Resinase NT, Palatase от Novozymes (Bagsvaerd, Denmark), и Lipase G-1000 от DuPont Industrial Biosciences (Palo Alto, С A, USA). Липазную активность в приведенных ниже примерах определяли с использованием килолипазных единиц (KLU) стандартной липазы (килолипазная единица равняется 1000 липазным единицам, установленным в WO 89/04361) или определяли с помощью описанного в настоящем способе липазного теста.
Липазы настоящего способа также включают в себя ферменты, которые обладают каталитической активностью в отношении гидролиза сложноэфирных связей на основании тестов согласно настоящему способу. Известно, что ферменты, такие как протеазы и амидазы, содержат липазную активность и, следовательно, могут быть использованы в настоящем способе.
18
В одном аспекте настоящего способа липаза имеет высокую эстеразную активность при определении посредством липазного теста с использованием в качестве субстрата триацетина. Липаза, предпочтительно, катализирует гидролиз гидрофобного поливинилацетата с высвобождением гидрофильного поливинилового спирта и уксусной кислоты. Одной липазой является StickAway, которая обладает высокой эстеразной активностью в отношении триацетина, но также липазной активностью в отношении эфиров жирных кислот с длинноцепочечной алкильной группой, вплоть до C.
Когда StickAway была добавлена к суспензии загрязненного гофрированного картона из старых коробок (ОСС), то изготовленный из обработанного волокна бумажный продукт достигал более чем 10% улучшение прочностных свойств по сравнению с контрольным образцом без обработки липазой (см. таблицу 1).
Предполагается, что любой содержащий липазную активность в отношении сложных эфиров с короткой алкильной цепью фермент также будет работать в отношении улучшения волокносвязующих свойств и прочности бумаги. Например, было обнаружено, что Resinase А2Х работает с суспензией североамериканского ОСС так же хорошо, как StickAway (см. таблицу 2).
В других аспектах используемые с настоящем способе с лакказами и липазами катионные фиксирующие полимеры могут быть выбраны из группы, состоящей из полидиаллилдиметиламмоний хлорида, полидиметиламин-эпихлоргидрин-этилендиамина, катионного полиакриламида, полиэтиленимина, гидрофобно модифицированных катионных полимеров, модифицированного длинноцепочечным алкилглицидиловым эфиром полиаминамида, катионных природных продуктов, таких как катионный крахмал и катионный гуар, амфотерных полимеров, которые являются чисто катионными, и их комбинаций. Другими катионными фиксирующими полимерами, которые могут быть использованы в настоящем способе, являются имеющиеся на рынке от Solenis LLC, Wilmington, DE, USA, такие как Zenix DC 7429, Zenix DC7479 и DeTac DC786C. Катионными фиксирующими полимерами согласно настоящему способу могут быть одна или более используемых в производстве бумаги добавок, такие как улучшающие сухую прочность смолы, повышающие прочность во влажном состоянии смолы, флокулянты, удерживающие средства и/или обезвоживающие средства. Стоит отметить, что разные катионные полимеры могут быть применены в системе для изготовления бумаги в сочетании с данной улучшающей сухую прочность композицией для повышения общих эксплуатационных параметров процесса производства бумаги. Следует также отметить, что не все катионные полимеры пригодны для лакказы, и некоторые катионные полимеры, такие как поливиниламины и гликоксилированные полиакриламиды, могут уменьшить или даже деактивировать активность лакказы. Например, катионный полимер на основе поливиниламина отрицательно влияет на активности лакказы или липазы, когда полимер смешан с ферментами, но до тех пока полимер не смешан напрямую с ферментами, он может быть использован в сочетании с ферментами лакказой и липазой в процессе производства бумаги.
В некоторых аспектах настоящего способа улучшающая сухую прочность и композиция может быть стабилизирована одним или более соединениями, выбранными из пропиленгликоля, глицерина, этиленгликоля, сорбитола, молочной кислоты, глюкозы, галактозы, мальтодекстрина, моносахаридов, олигосахаридов, кукурузного сиропа, неорганических солей, таких как хлорид натрия и калия, рН-буферных систем, таких как фосфаты натрия или калия, кислый цитрат натрия, трис(гидроксиметил)метиламин (Tris), 4-2-гидроскиэтил-1-пиперазинэтансульфоновая кислота (HEPES), пиперазин-N,N-бис(2-этансульфоновая кислота и 2 2-(N-морфолин)этансульфоновая кислота.
В еще одном другом аспекте способа улучшающая сухую прочность композиция согласно настоящему способу включает в себя по меньшей мере одну лакказу, по меньшей мере одну липазу с высокой эстеразной активностью, определенной посредством липазного теста с использованием в качестве субстрата триацетина, по меньшей мере один катионный фиксирующий полимер, выбранный из полидиаллилдиметиламмония хлорида, полидиметиламин-эпихлоргидрин-этилендиамина и их смесей, и, факультативно, активатор лакказы, такой как сульфат меди, аскорбиновая кислота, салициловая кислота и их комбинации.
Массовое отношение лакказа/липаза/катионный полимер улучшающей сухую прочность композиции важно для ее эксплуатационных характеристик при производстве бумаги в качестве улучшающей прочность добавки. Отношение этих трех основных ингредиентов улучшающей сухую прочность композиции согласно настоящему способу может быть изменено до конкретного диапазона для обеспечения оптимизированной ферментной активности и стабильности при конкретном рН, ионной силе и температурных условиях. Процентные уровни трех ингредиентов также влияют на лакказную и липазную активности в отношении обработки разных типов небеленых лигноцеллюлозных волокон для улучшения сухой прочности бумаги. Улучшающая сухую прочность композиция согласно настоящему способу является водным составом, типично содержащий до 95% воды и 5-50% других неводных компонентов. В одном варианте осуществления улучшающей сухую прочность композиции содержание лакказы составляет от примерно 3% по массе до примерно 40% по массе и может составлять от примерно 10% по массе до примерно 25% по массе от суммарной массы композиции, содержание липазы составляет от примерно 1% по массе до примерно 80% по массе, может составлять от примерно 3% по массе до примерно 40% по массе и может составлять от примерно 5% по массе до примерно 20% по массе от суммарной массы композиции, и содержание катионного фиксирующего компонента может составлять от примерно 2% по массе до 50% по массе, может составлять от примерно 5% по массе до примерно 40% по массе и может составлять от примерно 7% по массе до примерно 20% по массе от суммарной массы композиции.
Активное процентное содержание по массе лакказы и липазы улучшающей сухую прочность композиции определяют на основании того, что имеющиеся на рынке ферменты являются на 100% активными, когда они получены из коммерческих источников. Активное процентное содержание катионного фиксирующего полимера и активатора лакказы композиции определяют как неводную часть этих полимеров или реагентов улучшающей сухую прочность композиции.
Ферментная композиция согласно настоящему способу проявляет улучшенную лакказную активность относительно исходной лакказы. Термин «улучшенная лакказная активность» предназначен для обозначения того, что ферментная композиция после хранения в течение периода времени при определенной температуре и повергнутая тем же стандартным условиям тестирования, что и исходная лакказа, при одинаковой степени разбавления проявляет меньшее снижение лакказной активности по сравнению со снижением активности оригинальной лакказы.
В ферментной композиции согласно настоящему способу липазную активность измеряли с использованием в качестве субстрата триацетина или трибутирина посредством способа титрования, как описано в разделе «Примеры». Было установлено, что катионный фиксирующий полимер Perform РС8229 и/или лакказа NS51003 не оказывали отрицательного влияния на липазную активность StickAway. Липазная активность композиции была относительно стабильной.
В некоторых аспектах настоящего способа рН улучшающей сухую прочность композиции может быть от примерно 3 до примерно 10, может быть от примерно 4 до примерно 9, и может быть от примерно 5 до примерно 8. В других аспектах способа лакказу могут факультативно смешивать с активатором лакказы в течение 5-30 минут при комнатной температуре с последующим добавлением липазы и катионного фиксирующего полимера. Однако в других аспектах ингредиенты могут добавлять в любой последовательности в процесс составления композиции, прежде чем композиция будет добавлена к целлюлозной композиции. Регулирование рН состава могут выполнять в конце процесса кислотой или щелочью после того, как все ингредиенты станут однородным составом. Для регулирования рН ферментной композиции в определенном диапазоне могут также использовать буферную систему.
Физическая стабильность при хранении является фактором при оценке свойств улучшающей сухую прочность композиции согласно настоящему способу. Термин «хорошая физическая стабильность» продукта предназначен для указания на то, что ферментная композиция сохранила требуемый физические свойства по внешнему виду, гомогенности и отсутствию ухудшенного запаха. Массовое отношение катионного фиксирующего полимера является одним из оказывающих влияние на такую стабильность факторов.
Лакказная ферментная активность используемой в настоящем способе лакказы измеряли посредством стандартного сирингальдазинового теста, как описано в экспериментальной части. Активность была в диапазоне от примерно 200 лакказных мицелиофторных единиц (LAMU) до 10000 LAMU на грамм, может быть от примерно 500 до примерно 5000 LAMU и может быть от примерно 1000 до 2000 LAMU на грамм. Липазная активность использованного в настоящем способе фермента определена в WO 89/04361, и была диапазоне от примерно 2 KLU/грамм до 50 KLU на грамм (одна KLU соответствует 1000 липазных единиц), может быть от примерно 5 KLU до примерно 25 KLU на грамм, и может быть от примерно 10 KLU на грамм до примерно 30 KLU на грамм. Лакказная и липазная активности использованных в улучшающей сухую прочность композиции может изменяться в зависимости от конкретных партий продуктов и коммерческих источников, из которых происходят ферменты. Однако использованные в экспериментах количества вычисляли на основании предположения о 100% активности при получении.
В других аспектах настоящего способа лакказная активность улучшающей сухую прочность композиции согласно настоящему способу обычно находится в диапазоне от примерно 40 LAMU на грамм до примерно 2000 LAMU на грамм, может быть от примерно 200 LAMU на грамм до примерно 400 LAMU на грамм. Липазная активность используемой в настоящем способе липазы обычно находится в диапазоне от примерно 0,1 KLU на грамм до примерно 15 KLU на грамм, может быть от примерно 0,25 KLU на грамм до примерно 10 KLU на грамм, и может быть от примерно 0.5 KLU на грамм до примерно 5 KLU на грамм. При необходимости ферментные активности улучшающей сухую прочность композиции могут оценивать при конкретных рН и температурных условиях с разными ферментными субстратами.
В некоторых аспектах настоящего способа улучшающая сухую прочность композиция может быть использована при обработке всех типов целлюлозных волокон, таких как лигноцеллюлозное волокно, включая беленое и небеленое не бывшее в употреблении волокно и рециркулированное ОСС волокно. В некоторых аспектах настоящего способа улучшающую сухую прочность композицию могут использовать для обработки смеси беленого волокна, небеленого не бывшего в употреблении волокна и рециркулированного волокна в определенном отношении смешения волокон. В других аспектах улучшающая сухую прочность композиция согласно настоящему способу полезна при обеспечении улучшенной сухой прочности рециркулированного производимого в бумажном производстве облицовочного картона. Улучшающая сухую прочность композиция может эффективно работать с низкокачественным рециркулированным волокном, таким как ТОСС (тайваньский ОСС), СОСС (китайский ОСС), ЕОСС (европейский ОСС), и более качественным АОСС (американским ОСС), а также небеленым крафт-волокном (UBSK). Степень улучшения удельных прочностных свойств изменяется в зависимости от типа волокна и условий обработки и конкретной ферментной композиции.
Было установлено, что улучшающая сухую прочность композиция согласно настоящему способу обычно обеспечивает большее улучшение результатов испытания по разрушению кольца для бумаги, изготовленной из волокна хорошего качества, такого как АОСС и UBSK, в то время как лучшее качество наблюдалось при растяжении в сухом состоянии и при определении сопротивления продавливанию по Муллену для бумаги, изготовленной из волокон худшего качества, таких как ТОСС или СОСС или ЕОСС. В дополнение имеющая более высокое массовое отношение лакказы к липазе ферментная композиция более эффективна в улучшении разрушения кольца и других прочностных свойств, чем более качественный АОСС и небеленое не бывшее в употреблении волокно. Имеющая более высокое массовое отношение липазы к лакказе композиция дает лучшие результаты при обработке низкокачественного ОСС из Азии и Европы, который содержит высокие уровни клейких веществ и смол.
В другом аспекте настоящего способа лигноцеллюлозное волокно в суспензии обрабатывают по меньшей мере 0,1 часа улучшающей сухую прочность композицией, причем улучшающая сухую прочность композиция имеет по меньшей мере 12 LAMU лакказной активности и от 0,1 до 10 KLU липазной активности на килограмм сухого волокна, и суспензия волокна находится при температуре от примерно 20°C до примерно 70°C и рН от примерно 4,0 до примерно 9,0. Обработанную суспензию волокна могут дополнительно размолоть с использованием механического рафинера для древесного волокна либо перед, либо после добавления улучшающей сухую прочность композиции. Обработанную суспензию затем могут обезводить и высушить для образования требуемого бумажного продукта. Прочностные свойства в сухом состоянии бумажного продукта, такие как продавливание по Муллену, прочность при растяжении в сухом состоянии, разрушение кольца, испытание на растяжение в Z-направлении и т.п. проверяют и данные нормализуют на основании плотности чистого листа с обработкой или контролем с отдельными ингредиентами ферментной композиции.
В еще одном другом аспекте настоящего изобретения рН обработанной целлюлозной композиции составляет от примерно 3,0 до примерно 9,0, может быть от примерно 4,0 до примерно 8,5, и может быть от примерно 4,5 до 8,0, время контактирования улучшающей сухую прочность композиции с целлюлозной композицией составляет от примерно 0,1 часа до примерно 5 часов, может быть от примерно 0,2 часа до примерно 3 часов, и может быть от примерно 0,3 до примерно 2 часов, температура может быть в диапазоне от примерно 10°C до 70°C, может быть в диапазоне от примерно… (прим. переводчика - предложение не закончено). Поскольку температура смеси, рН и другие условия в системе для изготовления бумаги для разных бумагоделательных машин и конкретных волокон изменяются, то эффективности лакказы и липазы в конкретном ферментном составе могут изменяться, как и их конкретные характеристики.
Ферментную композицию согласно настоящему способу могут вводить в разрыхлитель во время стадии варки целлюлозы или приводить в контакт в любом баке для исходных материалов, баке высокой консистенции или другом баке выдержки. Ее могут также добавлять в белую воду бумагоделательной машины или, факультативно, использовать в циклах обработки воды мельниц для не бывшей в употреблении и рециркулированной целлюлозы для обработки древесного волокна. Эффективное перемешивание или смешение необходимы для лакказы и липазы, чтобы они обладали эффективным действием на волокно. Поток воздуха в системе производства бумаги является особенно существенным для лакказы, которая нуждается в кислороде, чтобы быть активной. Добавление окислительных агентов, таких как кислород или пероксид водорода и другие пероксиды или реагент TEMPO могут помочь улучшить эффективность лакказы в реакциях окисления. Консистенция целлюлозной массы также является имеющим значение для эффективности обработки ферментными композициями фактором. Высокая консистенция целлюлозной массы уменьшает эффективность массообмена, приводя к неоднородным взаимодействиям между ферментной композицией и волокном. Низкая консистенция целлюлозной массы снижает концентрацию ферментов в целлюлозной массе при одинаковой дозировке ферментной композиции исходя из сухого волокна и снижает эффективность фермента. Обычно консистенция обработанной ферментной композицией по данному способу целлюлозной массы лигноцеллюлозного волокна находится в диапазоне от 0,3% до 5%, предпочтительно в диапазоне от 0,5% до 4%, и наиболее предпочтительно в диапазоне от 1% до 3%.
В некоторых аспектах настоящего способа лакказа, липаза, катионный фиксирующий полимер и, факультативно, активатор лакказы улучшающей сухую прочность композиции могут быть смешаны вместе для обеспечения стабильной композиции. В других аспектах три или четыре ингредиента могут использовать в любом сочетании добавленными к целлюлозной композиции отдельно, добавленными в одном или разных местах в процессе производства бумаги, и могут быть добавлены к целлюлозной композиции в любой последовательности для реализации прочностных преимуществ композиции.
Улучшенная лакказная активность наблюдалась в ABTS лакказном тесте с комбинацией лакказы, активатора лакказы, липазы и катионного фиксирующего полимера. Результаты показали, что катионный фиксирующий полимер улучшал лакказную активность, и липаза давала дополнительное улучшение лакказной активности, по сравнению с наблюдавшейся при добавлении только одного катионного полимера.
Улучшающая сухую прочность композиция согласно настоящему способу может быть использована в сочетании с другими улучшающими производство бумаги добавками для улучшения свойств бумажного продукта, такими как катионные, анионные, амфотерные, неионные синтетические соединения и природные полимеры. Примеры пригодных для использования с композицией согласно настоящему способу соединений включают в себя, но не ограничивают, добавки для изготовления бумаги с высокой сухой прочностью, такие как крахмал, производные крахмала, производные полиакриламида, гуар, поливиниламин, контролирующие загрязнения средства для устранения клейкости или фиксирующие средства для устранения клейкости, такие как неионные или анионные средства для устранения клейкости, полиэтиленгликоль с концевыми гидрофильными группами, поли(виниловый спирт-винилацетат), белок сыворотки, белок сои, гидрофобные и гидрофильные блок-сополимеры, гидрофобно модифицированная гидроксиэтилцеллюлоза, добавки для изготовления бумаги с влажной прочностью, включающие в себя, но не ограничивающие, полиэтиленимин, мочевино-формальдегидную смолу, прореагировавший с эпихлоргидрином полиаминамид, крахмальный альдегид, глиоксилированный полиакриламид, флокулянты для обработки воды, коагулянты для обработки воды, обезвоживающие средства для изготовления бумаги, удерживающие средства для изготовления бумаги, проклеивающее средство для бумажных продуктов, клеи, разрыхлители, мягчители, крепирующие клеи, пластификаторы для оптимизации свойств смол, и модификаторы для оптимизации свойств смол. Отдельные компоненты любой из вышеприведенных комбинаций могут использовать в производстве бумаги вместе или последовательно. Дополнительно отдельные перечисленный выше компоненты могут использовать в комбинации или смешанными друг с другом на месте на бумажной фабрике перед использованием.
В некоторых аспектах настоящего изобретения улучшающую сухую прочность композицию могут использовать в сочетании с одним или более другими ферментами, такими как гидролазы, целлюлазы, ксиланазы, протеазы, амилазы, гемицеллюлазы, маннаназы, пектиназы, лиазы, такие как пектат-лиаза, кутиназа, оксидоредуктизы, такие как клюкооксидаза и пероксидазы, или любые их сочетания. Эти ферменты могут использовать в любой форме, такой как жидкая или твердая форма. Индивидуальные ферменты или любые сочетания разных ферментов могут применять вместе с улучшающей сухую прочность композицией согласно настоящему способу или использовать последовательно перед или после добавления улучшающей сухую прочность композиции согласно настоящему способу. Индивидуальные ферменты перед использованием могут также смешивать с улучшающей сухую прочность композицией согласно настоящему способу для образования смешанной композиции перед использованием.
Для моделирования реальной ситуации на фабриках рециркулированной бумаги была разработана экспериментальная модель. Поливинилацетат как модельное клейкое вещество может наноситься на ОСС в количестве 1-2% по массе (из расчета по сухой массе волокна), и покрытое волокно может превращаться в волокнистую массу для получения однородной целлюлозной композиции для обработки с целью улучшения прочности и последующего изготовления бумаги. Было установлено, что превращенное в волокнистую массу ОСС волокно из бумаги с покрытием имело более высокую сухую прочность бумаги, чем контрольный пример, после того как ОСС волокно было обработано ферментной композицией согласно настоящему способу или липазой.
Примеры
Нижеприведенные примеры дополнительно иллюстрируют настоящий способ, и не предполагается, что они могут так или иначе ограничивать объем заявленного способа.
Определение лакказной активности
Лакказную активность определяли с использованием в качестве субстрата сирингальдазина. В этом тесте содержащий лакказу образец инкубировали с растворенным в метаноле сирингальдазином в анаэробных условиях в 0,1 молярном (М) фосфатном буфере при рН 7,5 и 25°C в течение 110 секунд. Сирингальдазин окислялся до тетраметоксилазобис-метиленхинона, имеющего молярный коэффициент поглощения 65000 при А540 нанометрах (нм). Поглощение измеряли при 540 нм в течение 50 секунд. Стандартная лакказная единица (LAMU) является количеством фермента, который превращает 1 микромоль (мкмоль) сирингальдазина до его хинонной формы в минуту при заданных условиях реакции. Одной из использованной в описанных ниже примерах лакказой является NS51003 от Novozymes (Bagsvaerd, Denmark), которая имеет заявленную лакказную активность не менее чем 1000 LAMU на грамм, и измеренную 1050 LAMU на грамм. Лакказная активность может меняться в зависимости от партии, времени хранения и температуры хранения.
ABTS лакказный тест на относительную лакказную активность
Лакказную активность также определяли с использованием в качестве субстрата 2,2'-азино-бис(3-этилбензотиазолин-6-сульфоновой) кислоты (ABTS). Одна единица активности равна микромолям окисленного продукта из ABTS в минуту на мг белка при рН от 4,0 до 6,0 при 23°C в ацетатном буфере. Коэффициент поглощения окисленной ABTS молярный коэффициент поглощения 30000 пи А420 нм. Разбавленный раствор фермента (1,5 миллилитра (мл)) добавляли к смеси из 1,5 мл ABTS (0.5 миллимоль (ммоль)) и 1,5 мл натрий-ацетатного буфера (1 мМ) для инициирования реакции окисления. После смешения проводили инкубацию при 23°C, в то время как измеряли изменение поглощения в минуту при 420 нм. Для сравнения с ферментными композициями использовали две лакказы Aspergillus от Novozymes (Bagsvaerd, Denmark). Оказалось, что рН теста влияет на лакказную активностью. NS51002 сама по себе работала наилучшим образом при рН 4-5, в то время как NS51003 работала наилучшим образом при рН 5-6.
Липазный тест для различения эстеразы и липазы для сложных эфиров короткоцепочечных и длинноцепочечных алкановых кислот
Липазную активность определяли с использованием в качестве субстрата триалканоата глицерина. Одна единица активности равна микромолям алкановой кислоты, высвобождаемой в течение 1 минуты 1 граммом фермента при рН 7,0. Один грамм образца триалканоата глицерина добавляли к 50 граммам 0,2 молярного (М) раствора хлорида натрия, содержащего 10 микролитров (мкл) 1% фенолфталеина в этаноле при 45°C. Для инициирования реакции гидролиза добавляли раствор липазы (0,01 г). При перемешивании рН поддерживали на уровне 7,0 путем добавления 0,1 М раствора NaOH для образования слегка розовой окраски (или с использованием рН-стата). Для вычисления высвобождаемой в реакции за одну минуту алкановой кислоты использовали суммарное количество израсходованного в течение от 5 до 10 минут раствора NaOH. В тесте этого вида в качестве субстрата для определения липазной активности в отношении гидролиза сложных эфиров длинноцепочечных алкановых кислот использовали триолеин, а в качестве субстрата для определения липазной активности в отношении гидролиза сложных эфиров короткоцепочечных алкановых кислот использовали триацетин. Для измерения как липазной, так и эстеразной активностей использовали трибутирин. Например, при измерении с использованием в качестве субстрата триолеина и триацетина StickAway имела в 2,5 раза большую эстеразную активность, чем Resinase А2Х, когда в качестве субстрата использовали триацетин, в то время как StickAway имела только 44% липазной активности Resinase А2Х, когда в качестве субстрата использовали триолеин.
Ферментную активность также определяли с использованием в качестве субстратов ацетата, бутирата, до деканата и гексадеканата п-нитрофенола. Одна единица равна 1 мкмоль п-нитрофенола, высвобожденного в течение 1 минуты 1 граммом раствора фермента при рН 7,5 и 30°C. Растворы субстрата (50 ммоль) п-нитрофенольных сложных эфиров перед добавлением к реакционной смеси растворяли в диметилсульфоксиде. Тест инициализировался, когда к раствор субстрата добавляли к 50 мМ натрий-фосфатному буферному (рН 7,5) раствору, содержащему липазную активностью Начальные скорости высвобождения п-нитрофенола из субстратов были количественно определены путем измерения поглощения при 410 нм с молекулярным коэффициентом поглощения 12,2 при рН 7,5.
Одной из использованных в настоящем способе липаз является StickAway от Novozymes (Bagsvaerd, Denmark), которая имеет стандартную липазу с 16,4 KLU/г (KLU равняется 1000 липазных единиц, определенных в WO 89/04361). Активность может меняться в зависимости от партии, времени хранения и температуры.
Белковый тест
Концентрацию белка определяли с использованием белкового теста компании Bio-Rad, который является основанным на связывании красителя методом Бредфорда и включает в себя добавление красителя к раствору белка и последующее измерение при 595 нм спектрометром Jenway 6320D. Сравнение со стандартной кривой альбумина бычьей сыворотки (BSA) обеспечивает относительное измерения концентрации белка. Реагент для белкового теста компании Bio-Rad получили от Bio-Rad Laboratories. Белковым стандартом был альбумин бычьей сыворотки (BSA)/
Белковый тест использовали для измерения процентного содержания белка в улучшающей сухую прочность композиции согласно настоящему способу и определения удельной ферментной активности.
Пример 1 - синергический эффект комбинации лакказы, липазы и катионного полимера на прочность ОСС бумаги
2
Пример 1 демонстрирует улучшение прочностных свойств в сухом состоянии при продавливании по Муллену и разрушении кольца изготовленных из 100% рециркулированного ОСС листов бумаги. Среднее ОСС волокно диспергировали в воде до 3% консистенции, образуя целлюлозную суспензию, и размололи до CSF 320 миллилитров с использованием измельчителя «valley beater». Полученную целлюлозную суспензию обработали лакказой NS51003, StickAway и катионным фиксирующим полимером Perform РС8229, причем каждый компонент добавляли к суспензии индивидуально и также в комбинации при 50°C в течение 60 минут при эффективном перемешивании. Дозировки использованных химикатов для обработки в процентах основывались на сухом волокне. Комбинации химикатов смешивали вместе перед добавлением к целлюлозной суспензии. После обработки целлюлозную суспензию охлаждали до комнатной температуры с использование бани с ледяной водой. Имеющие плотность (массу 1 м) в 80 фунтов/3000 квадратных футов листы бумаги ручного отлива изготовили на машине Noble and Wood для ручного отлива при рН 7,0. Значения продавливания по Муллену (TAPPI Test Method Т403) и разрушения кольца (TAPPI Test Method Т818) были определены и выражены как проценты относительно контрольного образца.
В таблице INS51003 от Novozymes был лакказой, StickAway был лапизой также от Novozymes, и Perform РС8229, полидиаллилдиметиламмония хлорид от Solenis LLC, был катионным фиксирующим полимером. Результаты показывают улучшенные характеристики прочности в сухом состоянии для комбинации лакказы NS51003, липазы StickAway и катионного фиксирующего полимера Perform РС8229 (пример 1-1 и 1-2) как для продавливания по Муллену, так и разрушения кольца по сравнению с индивидуальными компонентами, и во всех других комбинациях, когда использовали только два из трех химикатов (примеры сравнения 1-1 до 1-6). Содержащая лакказу, липазу и полимер (пример 1-1) улучшающая сухую прочность композиция давала 21,5% улучшение в продавливании по Муллену относительно необработанного образца при одинаковых дозировках фермента и полимера и 17,5% улучшение при уменьшенных на 50% дозировках ферментов и полимера (пример 1-2). Это ясно демонстрирует синергический эффект комбинации трех компонентов при продавливании по Мюллеру. Улучшение прочности в сухом состоянии при тесте на разрушение кольца с трехкомпонентной системой (пример 1-1) обеспечивало 8,6% увеличение по сравнению с лакказой, липазой и полимером, добавляемыми независимо или в комбинациях только из двух химикатов, при использовании тех же самых дозировок фермента и полимера.
Пример 2 - процесс составления ферментных композиций
Пример 2 иллюстрирует способ приготовления улучшающей сухую прочность композиции согласно настоящему способу с использованием лакказы, липазы, катионного фиксирующего полимера и активатора лакказы.
Лакказу, факультативно при необходимости активатор лакказы, и липазу последовательно добавляли к воде при примерно 20°C с легким перемешиванием до образования гомогенного раствора. Раствор катионного фиксирующего полимера добавляли к гомогенному раствору более 20 минут при комнатной температуре. Температуру полученного раствора поддерживали около 20°C и перемешивали в течение 20 минут, и затем рН отрегулировали до 7,0 с использованием HCl или NaOH. Раствор имел гомогенную коричневую окраску. Активное содержание в массовых процентах лакказы или липазы (также называемое как «лакказно активное» или «липазо активное») ферментной композиции основывалось на исходном ферменте со 100% активностью, как он был получен из коммерческого источника. Активное содержание в массовых процентах активатора лакказы или катионного фиксирующего полимера (также называемое как «полимерно активное») улучшающей сухую прочность композиции определяется как неводные части компонентов улучшающей сухую прочность композиции. Для определения концентрации белка и ферментной композиции использовали белковый тест компании Bio-Rad на улучшающих сухую прочность композициях. Некоторые из типичных ферментных композиций сведены в таблицу II.
Композиции в таблице II также содержат 20% глицерина и воды, если не указано иначе, для доведения до 100% по общей массе. Пример 1-1 и пример 2-12 не содержат глицерина. Zenix DC7479 является поли(диметиламин-эпихлоргидрин-этилендиамином), катионным фиксирующим полимером от Solenis LLC.
Пример 3. Синергизм ферментной композиции для улучшенной лакказной активности
Для оценки влияния катионного фиксирующего полимера, липазы и активатора лакказы улучшающей сухую прочность композиции на лакказную активность использовали ABTS лакказный тест. В тесте в каждой композиции использовали одинаковое количество лакказной активности. В таблице III относительные величины активности определяли путем нормализации значений основываясь на том, что одна только лакказа имеет 100% активность. Влияния липазы StickAway и катионного полимера Perform РС8229 на колориметрический тест ABTS были небольшими, но также были измерены и включены в расчеты.
Как показано в таблице III, с 20 частями Perform РС8229 (катионный фиксирующий полимер), смешанными с 18 частями лакказы NS51003 (пример сравнения 3-2), лакказная активность была улучшена на 4% относительно одной только лакказы (пример сравнения 3-1). Когда к композиции добавили дополнительные 12 частей фиксирующего полимера (пример 2-3), наблюдалось дополнительное 4% улучшение лакказной активности, приводя к 8% улучшению суммарной активности относительно одной только лакказы. Аскорбиновая кислота или салициловая кислота в количестве 0,5% (пример 2-10, 2-11) дополнительно улучшили активность в тесте примерно на 7% с суммарным улучшением на 15%. Пероксид водорода не помог улучшить лакказную активность (пример 3-1).
Было установлено, что ион меди, такой как из сульфата меди, улучшает активность одной только лакказы после разбавления фермента лакказы. С 0,05% до 0,1% сульфата меди лакказная активность улучшилась более чем на 30%, в то время как на нее было оказано отрицательное влияние, когда дозировка сульфата меди была выше, чем 0,5%. Влияние сульфата меди на лакказную активность в композиции незначительно.
Пример 4 - Влияние ферментной композиции на сухую прочность бумаги, изготовленной из смеси волокон UBSK/TOCC в испытании на опытной бумагоделательной машине
Пример 4 показывает улучшение прочностных свойств в сухом состоянии бумажных листов, изготовленных из смеси (25:75) волокон небеленой крафт-целлюлозы из мягких пород дерева (UBSK)/TOCC, при обработке лигноцеллюлозного волокна улучшающей сухую прочность композицией согласно настоящему способу. UBSK переработали в целлюлозную массу и степень помола увеличили до 475 мл CSF с использованием кольцевого измельчителя и затем смешали с ТОСС (CFS 300 мл) в баке для пульпы при температуре от примерно 50°C до 60°C. Смешанную суспензию переместили в машинный бак опытной бумагоделательной машины (расположенной в Hercules Research Center в городе Wilmington, DE) и затем обработали улучшающей сухую прочность композицией в количестве 0,4% относительно сухого волокна в течение 15 минут при 55°C с перемешиванием. Обработанную целлюлозную композицию или суспензию переместили в небольшой машинный бак и использовали для изготовления имеющих основную массу в 80 фунтов/3000 квадратных футов листов бумаги. Показатели продавливания по Муллену и разрушения кольца бумажных листов измерили, нормализовали и выразили в процентах относительно контрольного листа, изготовленного из смеси UBSK/TOCC волокна с отношении 50/50 без улучшающей сухую прочность добавки (см. таблицу IV).
В этом испытании на опытной бумагоделательной машине в качестве эталона использовали смесь (50:50) UBSK/TOCC волокна (пример сравнения 4-1). Замена 50% UBSK на ТОСС привела к более низким на 5% результатам по разрушению кольца и более низким на 14% результатам по продавливанию по Муллену (пример сравнения 4-2). Улучшающая сухую прочность композиция согласно настоящему способу (пример 2-12) пример имела более высокий на 8% результат по разрушению кольца и более высокий на 3% результат по продавливанию по Муллену по сравнению с контрольным примером без обработки (пример 4-1). Обработанная целлюлозная композиция также достигла 50% уменьшения UBSK и имела на 3% более высокий результат по разрушению кольца.
Пример 5 - Влияние механического размола на характеристики ферментной композиции в отношении прочности бумаги в сухом состоянии
Пример 5 показывает улучшение прочностных характеристик в сухом состоянии изготовленного из АОСС бумажного листа при обработке волокна двумя улучшающими сухую прочность композициями согласно настоящему способу либо перед, либо после механического размола. Для эксперимента до размола суспензию целлюлозы инкубировали с улучшающей сухую прочность композицией в течение 1 часа при 60°C и затем размололи до 300 CFS с использованием мельницы PFI. Для обработки после размола суспензию целлюлозы сначала размололи до 300 CFS с использованием мельницы PFI и затем получившуюся суспензию целлюлозы обработали улучшающей сухую прочность композицией. Разницу в дозировке в двух ферментных композициях определяли на основании приблизительно одинаковых стоимостей двух композиций. Обработанную целлюлозную композицию использовали для изготовления вручную листов, имеющих плотность 80 фунтов/3000 квадратных футов, представили как % относительно соответствующих образцов сравнения для целлюлозной композиции до размола и целлюлозной композиции после размола. Результаты суммированы в приведенной ниже таблице V.
Результаты показывают хорошее улучшение в разрушении кольца (>10%) с АОСС целлюлозной композицией, независимо от того, была ли улучшающая сухую прочность композиция добавлена к целлюлозной композиции до размола или после размола целлюлозной композиции (примеры от 5-1 до 5-4).
Улучшение в продавливании по Муллену было меньшим, но обработка перед размолом дала лучшие от 5% до 6% прочностные свойства в продавливании по Муллену относительно примера сравнения (пример 5-1, 5-2).
Пример 6 - Показатели действия ферментных композиций с разными типами ОСС целлюлозных композиций
В этом эксперименте использовали ТОСС и СОСС, рециркулированное ОСС волокно из Азии. Это рециркулированное волокно имеет низкое качество с CSF<300 мл, в то время как АОСС является более высококачественным ОСС волокном со степенью помола в диапазоне от 400 до 600 мл CSF. ТОСС целлюлозная композиция также содержит много органических клейких веществ и смол. Эксперименты по изготовлению листов вручную проводили с использованием двух изготовленных согласно настоящему способу улучшающих сухую прочность композиций, которые были оценены на низкокачественном ТОСС и более качественном АОСС в отношении прочностных характеристик в сухом состоянии. АОСС целлюлозную композицию размололи до 300 мл CSF с использованием мельницы PFI, и затем обработали улучшающими сухую прочность композициями. ТОСС целлюлозную композицию обработали улучшающими сухую прочность композициями без механического размола. Все обработанные целлюлозные композиции использовали для изготовления вручную имеющих основную массу в 80 фунтов/3000 квадратных футов листов. Продавливание по Муллену, разрушение кольца и/или растяжение в сухом состоянии измерили и представили как % относительно примеров сравнения без обработки ферментом (см. таблицу VI).
Таблица VI показывает результаты испытаний изготовленных вручную листов с использованием двух ОСС волокон, имеющих разные прочностные свойства в сухом состоянии, и двух улучшающих сухую прочность композиций. Эти эксперименты продемонстрировали разные показатели действия двух разных ферментных композиций с ТОСС. Ферментные композиции с разными массовыми процентами лакказы относительно липазы (то есть 18% против 12% (пример 2-3)) дали лучшие показатели в растяжении в сухом состоянии и продавливании по Муллену с ТОСС (15% улучшение в продавливании по Муллену при 0,3% дозировке (пример 6-3)), в то время как улучшающая сухую прочность композиция с более высокими уровнями лакказы и процентами по массе лакказы относительно липазы 24% к 6% (пример 2-1) имеют лучшие показатели в разрушении кольца, давая 12% улучшение при 0,3% дозировке, но меньшее улучшение в растяжении в сухом состоянии и продавливании по Муллену (пример 6-1).
Каждая процитированная выше в настоящей заявке ссылка, включая книги, патенты, опубликованные заявки, журнальные статьи и другие публикации, включены во всей полноте в этот документ по ссылке.