超临界CO2流体中酶的催化退浆前处理

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传统退浆工艺中的碱退浆和酸退浆等在退浆过程中会消耗很多化学药品,并产生大量的废水,从而造成严重的环境污染问题。因而,以超临界CO2流体技术为基础,研究流体中生物酶的退浆前处理技术及其退浆工艺,对减少水和化学药品的使用,降低能耗和废水排放,缩短工艺流程,节约生产成本,实现清洁生产和节能减排有重要意义。本文主要探讨了在超临界CO2流体中酶的催化退浆前处理过程中酶的协同效应,酶退浆的工艺优化和和酶催化反应动力学,以及超临界CO2流体对退浆处理后棉织物的清洗过程。首先利用正交实验的方法,分别以失重率、白度和毛效值为参考指标,对α-淀粉酶、果胶酶、脂肪酶、纤维素酶、半纤维素酶和木聚糖酶对棉织物退浆前处理的影响进行了探讨,并对α-淀粉酶、果胶酶和脂肪酶在处理过程中的协同效应进行了研究。接着对处理时间、处理温度、超临界CO2流体压力和酶浓度在超临界CO2流体中α-淀粉酶降解淀粉浆膜过程中所起的作用进行了探讨,并以失重率和毛效值为参考指标,对超临界CO2流体中淀粉酶降解淀粉浆膜的工艺进行了优化。然后建立了α-淀粉酶在超临界CO2流体中退浆过程的动力学模型,在最优退浆工艺条件下对退浆动力学进行了探讨,最终得到了退浆过程的动力学方程。然后研究了超临界CO2流体含湿率、清洗时间、清洗压力和清洗温度对超临界CO2流体清洗退浆后棉织物清洗效果的影响,并以失重率和毛效值为参考指标优化了清洗工艺。最后,对棉织物原样、上浆处理后的棉织物、退浆处理后的棉织物和清洗处理后的棉织物进行了测试和分析。其中采用扫描电子显微镜(SEM)及其配套能谱仪(EDS)分析了棉纤维的表面形态和表面元素比例。采用FT-IR红外光谱和接触角测试分析了棉纤维化学大分子的变化和表面浸润性能。研究表明,超临界CO2流体中α-淀粉酶、果胶酶、脂肪酶在对棉坯布退浆过程中,α-淀粉酶和果胶酶对织物失重率存在协同效应;α-淀粉酶和脂肪酶对织物白度存在协同效应,果胶酶和脂肪酶对织物白度存在协同效应;α-淀粉酶和果胶酶对织物毛效值存在协同效应,α-淀粉酶和脂肪酶对织物毛效值存在协同效应,果胶酶和脂肪酶对织物毛效值存在协同效应。在超临界CO2流体中,α-淀粉酶对织物上淀粉有一定的分解作用,可以用于棉织物的退浆处理。超临界CO2流体压力会对α-淀粉酶活性有一定的影响。通过单因素法最终得出的α-淀粉酶退浆最优工艺为处理时间60min,处理温度70℃,超临界CO2流体压强为12MPa,α-淀粉酶(2000u/g)浓度为0.021g/ml,AOT浓度为0.012g/ml,缓冲液(pH=6.02)为40ml,乙醇为10ml。α-淀粉酶对棉织物的退浆动力学过程遵循米氏方程的规律,通过建立退浆过程的动力学模型,由实验数据最终得到最大反应速率Vmax=0.00079 mg/(m L·min),米氏常数Km=0.30790 mg/m L,超临界CO2流体中α-淀粉酶对棉织物的退浆动力学方程为:V=(0.00079?[S])/(0.30790+[S]),其中,[S]为酶催化反应时的底物浓度。水可以混合在超临界CO2流体中,从而在一定程度上改变超临界CO2流体的极性,使流体具有一定溶解极性小分子的能力。超临界CO2流体含湿率、清洗处理时间、超临界CO2改性流体压力和温度均对退浆后棉织物的清洗效果有一定影响。超临界CO2流体清洗退浆后棉织物的最优工艺为:水20ml,时间80min,超临界CO2改性流体的压力为16MPa,超临界CO2改性流体的温度为110℃。超临界CO2流体中α-淀粉酶退浆处理对上浆后的棉织物影响较大,退浆效果明显。超临界CO2流体清洗工艺可以有效清洗掉棉织物表面残留的由淀粉分解产生的小分子化合物。经过超临界CO2流体中酶退浆和清洗后,棉纤维的结构变化不大。
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