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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- “綠色紡織，清潔生產(chǎn)”— 用于紡織品前處理的酶制劑研究
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類(lèi)：
- 生命科學(xué)
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 在紡織工業(yè)內(nèi)，用生物酶法代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝具有低能耗、無(wú)污染、品質(zhì)高等優(yōu)勢(shì)。本作品重點(diǎn)研究了棉織物前處理過(guò)程中關(guān)鍵酶制劑（堿性果膠酶、過(guò)氧化氫酶和PVA降解酶）的發(fā)酵生產(chǎn)和應(yīng)用。針對(duì)堿性果膠酶，采用高密度發(fā)酵技術(shù)，控制甲醇濃度和低溫誘導(dǎo)等策略，產(chǎn)量達(dá)到930U/ml。采用分階段溫度控制、乙醇脅迫和H2O2脅迫使過(guò)氧化氫酶的最高酶活達(dá)到28000 U/ml。研究發(fā)現(xiàn)，微生物降解PVA的產(chǎn)物中含有羧酸類(lèi)物質(zhì),1,4-丁二醇可高效誘導(dǎo)PVA降解酶的產(chǎn)生。 應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明，堿性果膠酶對(duì)棉布上果膠的去除率可達(dá)80%到90%；使用過(guò)氧化氫酶能節(jié)水3/4，降低能耗1/2；PVA降解酶能使上漿后棉布上25%的PVA發(fā)生降解。
- 詳細(xì)介紹：
- 紡織工業(yè)作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，和人們的生活品質(zhì)息息相關(guān)。傳統(tǒng)的紡織工藝存在環(huán)境污染重、水耗和能耗高的缺點(diǎn)。針對(duì)以上問(wèn)題，用生物酶法代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝成為了國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。近年來(lái)，研究者們提出了在棉織物前處理工藝中引入相應(yīng)生物酶的綠色工藝構(gòu)想。其中諾維信公司基于堿性果膠酶Scourzyme L開(kāi)發(fā)出了Bio-Scouring（生物精練）工藝。 本作品重點(diǎn)研究了棉織物前處理過(guò)程中關(guān)鍵酶制劑（堿性果膠酶、過(guò)氧化氫酶和PVA降解酶）的發(fā)酵生產(chǎn)和應(yīng)用。這三種酶可以分別應(yīng)用到棉織物前處理過(guò)程的精練、漂白和退漿工藝中。目前工業(yè)上已實(shí)現(xiàn)堿性果膠酶在精練工藝中的應(yīng)用，但堿性果膠酶的發(fā)酵酶活水平較低，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我們采用高密度發(fā)酵技術(shù)，控制甲醇濃度和低溫誘導(dǎo)等策略，使堿性果膠酶的酶活達(dá)到930U/ml，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。提高微生物產(chǎn)過(guò)氧化氫酶的能力是目前研究的熱點(diǎn)，我們采用分階段溫度控制、乙醇脅迫和H2O2脅迫使過(guò)氧化氫酶的最高酶活達(dá)到28000 U/ml，比優(yōu)化前（600U/ml）提高了46.7倍。國(guó)內(nèi)外對(duì)PVA降解的機(jī)理仍未完全研究清楚，我們的研究發(fā)現(xiàn)，微生物降解PVA的產(chǎn)物中含有羧酸類(lèi)物質(zhì)。應(yīng)用PVA降解酶的一個(gè)難點(diǎn)在于其酶活太低，本作品研究發(fā)現(xiàn)1,4-丁二醇可高效誘導(dǎo)PVA降解酶的產(chǎn)生，與對(duì)照相比，酶活提高了4.6倍。 應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明，堿性果膠酶對(duì)棉布上果膠的去除率可達(dá)80%到90%，同時(shí)節(jié)水1/2，降低能耗1/3；過(guò)氧化氫酶能去除棉布上93.0%到99.6%的過(guò)氧化氫，同時(shí)節(jié)水3/4，降低能耗1/2；與傳統(tǒng)熱水退漿工藝（80℃）相比，酶法退漿工藝（30℃）能顯著降低能耗，PVA降解酶能使上漿后棉布上25%的PVA發(fā)生降解，提高了退漿廢水的生物可降解性。以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)工藝相比，酶法工藝能達(dá)到相同的應(yīng)用效果，其顯著優(yōu)勢(shì)是減少了能耗、水耗和環(huán)境污染。 在已完成實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上，堿性果膠酶和過(guò)氧化氫酶正在進(jìn)行中試研究，同時(shí)應(yīng)用PVA降解酶的可行性也得到了論證。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的和基本思路：在紡織工業(yè)，用生物酶法代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝具有低能耗、低水耗、無(wú)污染、品質(zhì)高等優(yōu)勢(shì)。本作品研究了堿性果膠酶、過(guò)氧化氫酶和PVA降解酶的發(fā)酵生產(chǎn)和應(yīng)用。這三種酶可以分別應(yīng)用到紡織品前處理的精練、漂白和退漿工藝中。 創(chuàng)新點(diǎn)：1采用高密度發(fā)酵，恒定甲醇濃度與菌體比例的策略，以及低溫誘導(dǎo)產(chǎn)酶的策略，成功實(shí)現(xiàn)了堿性果膠酶的高產(chǎn)。2應(yīng)用三階段溫度控制、乙醇和H2O2脅迫顯著提高了過(guò)氧化氫酶的產(chǎn)量。3基于T-RFLP技術(shù)，揭示了PVA降解的優(yōu)勢(shì)菌群種類(lèi)。發(fā)現(xiàn)了PVA降解酶的誘導(dǎo)物1,4-丁二醇。 技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)： 1發(fā)酵關(guān)鍵因素的控制：堿性果膠酶的酶活達(dá)到了930U/ml，提高了23倍 2通過(guò)分階段溫度控制和脅迫策略提高過(guò)氧化氫酶產(chǎn)量:過(guò)氧化氫酶的最高酶活達(dá)到了28000U/ml，提高了46.7倍 3過(guò)氧化氫酶的1000m布試驗(yàn):酶法工藝同傳統(tǒng)工藝相比：能節(jié)約用水3/4，耗電量降低1/2 4堿性果膠酶對(duì)棉織物的精練:果膠酶對(duì)棉表面有 “選擇性刻蝕”作用，而堿精練有 “無(wú)明顯選擇性剝皮”作用 5混合體系的搖瓶發(fā)酵條件研究:發(fā)現(xiàn)1,4-丁二醇可以誘導(dǎo)產(chǎn)生PVA降解酶，最高酶活達(dá)到了3.43U/ml，提高了4.6倍 6T-RFLP分析菌群結(jié)構(gòu):優(yōu)勢(shì)菌群：Pseudomonas sp、Flavobacterium sp.和Micrococcus sp. 7 PVA降解酶退漿實(shí)驗(yàn):25%的PVA發(fā)生了降解，提高了退漿廢水的生物可降解性
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 在重組畢赤酵母的基礎(chǔ)上，采用高密度發(fā)酵，控制甲醇濃度以及低溫誘導(dǎo)等多項(xiàng)策略，使堿性果膠酶的酶活達(dá)到了930U/ml，而諾維信公司經(jīng)濃縮后的成品酶液的酶活只有400U/ml。在酶活水平上我們的產(chǎn)品具有明顯的優(yōu)勢(shì)。 通過(guò)分階段溫度控制和脅迫策略，使過(guò)氧化氫酶的最高酶活達(dá)到了28000U/ml，這已實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)先近。同時(shí)本作品研究的過(guò)氧化氫酶的pH范圍：6.0-11.0，熱穩(wěn)定性范圍：15-75℃。符合紡織工業(yè)的要求： pH>10，反應(yīng)溫度>50℃。1000m布試驗(yàn)證明該酶的特性確實(shí)能滿足紡織工業(yè)的應(yīng)用要求。而目前市場(chǎng)上的其它過(guò)氧化氫酶產(chǎn)品基本不能滿足紡織工藝的要求。 應(yīng)用分子生態(tài)學(xué)的T-RFLP技術(shù)，我們揭示了PVA降解混合微生物體系中的優(yōu)勢(shì)菌群，為進(jìn)一步解析PVA降解功能微生物奠定了基礎(chǔ)。在國(guó)內(nèi)外，我們首次報(bào)道了1,4-丁二醇能誘導(dǎo)產(chǎn)生PVA降解酶，并顯著提高了其酶活水平。實(shí)驗(yàn)證明PVA降解酶能替代熱水退漿，并可顯著降低廢水中的PVA含量。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
作品所處階段
- 堿性果膠酶和過(guò)氧化氫酶處于中試階段PVA降解酶處于實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 通過(guò)專利和技術(shù)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品，現(xiàn)場(chǎng)演示，錄像
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明：通過(guò)專利和技術(shù)轉(zhuǎn)讓。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：我們的產(chǎn)品具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)；堿性果膠酶具有高酶活優(yōu)勢(shì)；過(guò)氧化氫酶具有酶學(xué)性能優(yōu)勢(shì)；PVA降解酶能夠率先突破低酶活的難點(diǎn)。 適用范圍：有一定生產(chǎn)規(guī)模和發(fā)酵技術(shù)及相關(guān)設(shè)備的生物技術(shù)企業(yè) 市場(chǎng)分析： 2007年，我國(guó)紡織工業(yè)總產(chǎn)值突破了3萬(wàn)億元，是一個(gè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有突出貢獻(xiàn)的行業(yè)。但紡織業(yè)是產(chǎn)生嚴(yán)重污染的工業(yè)，迫切需要利用生物酶對(duì)棉織物進(jìn)行前處理，以減少環(huán)境污染。所以我們的產(chǎn)品具有巨大的市場(chǎng)需求。 經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)： 以堿性果膠酶在紡織上的應(yīng)用為例： 預(yù)計(jì)本作品生產(chǎn)每公斤堿性果膠酶的總費(fèi)用不會(huì)超過(guò)80元。按年產(chǎn)600噸堿性果膠酶，售價(jià)定為200元/kg計(jì)，每年可以為企業(yè)新增產(chǎn)值1.2億元。從紡織業(yè)計(jì)算：每1千米棉布，酶的使用成本為60元，可節(jié)約水費(fèi)96元，節(jié)約能耗費(fèi)用300元?？偣?jié)約開(kāi)支約336元左右，處理20億米棉布至少可以節(jié)約成本6.72億元。 綜上所述，酶法工藝以其固有的優(yōu)勢(shì)必將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 在全世界范圍內(nèi)，對(duì)于PVA降解的研究主要集中在三個(gè)方面：1.篩選降解PVA的微生物， 2.純化PVA降解酶， 3.克隆與PVA降解相關(guān)的基因。目前研究中的一個(gè)難點(diǎn)是PVA降解酶的酶活較低。本作品研究的混合微生物體系在48h內(nèi)可以降解5g/l PVA的90%，其降解速度大于已報(bào)道的大部分其它微生物。我們對(duì)其發(fā)酵過(guò)程特性的研究，顯著提高了PVA降解酶的酶活，為實(shí)現(xiàn)PVA降解酶的工業(yè)化應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。 Mori等用PVA降解酶退漿，與常規(guī)熱水退漿相比，酶反應(yīng)條件溫和，棉織物的品質(zhì)得到了保持，退漿廢水的生物可降解性得到了提高。本實(shí)驗(yàn)室的退漿實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了同樣的結(jié)論。 從上個(gè)世紀(jì)90年代至今，國(guó)內(nèi)外對(duì)堿性果膠酶的研究進(jìn)展迅速。取得的主要成果是：1.篩選到了許多能產(chǎn)堿性果膠酶的微生物，例如：嗜堿性芽胞桿菌、蘿卜軟腐歐文氏菌及螺孢菌等等。2. Tohru Kobayashi等人對(duì)多種堿性果膠酶的酶活及酶學(xué)性質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)，各種來(lái)源的堿性果膠酶酶活差異很大；堿性果膠酶的最適pH一般在8～10，最適溫度在60℃左右。諾維信公司成功將堿性果膠酶應(yīng)用到了棉織物的精煉工藝中?；赟courzyme L開(kāi)發(fā)出了Bio-Scouring（生物精練）工藝。同其它研究相比，本作品的目的主要是提高堿性果膠酶的酶活水平，降低其生產(chǎn)成本，使其能為更多的紡織企業(yè)所用。本作品主要研究堿性果膠酶的重組畢赤酵母，經(jīng)過(guò)發(fā)酵優(yōu)化研究，其酶活水平提高到了930U/ml，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，而諾維信公司經(jīng)濃縮之后的商品酶液的酶活只有400U/ml。 生產(chǎn)過(guò)氧化氫酶最先的方法是從動(dòng)物組織中提取，產(chǎn)量低且酶學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定。微生物過(guò)氧化氫酶是目前研究的熱點(diǎn)。除生理機(jī)理研究外，工業(yè)開(kāi)發(fā)方面也進(jìn)行了深入的研究，國(guó)外已實(shí)現(xiàn)黑曲霉和微溶壁球菌產(chǎn)過(guò)氧化氫酶的工業(yè)化。國(guó)內(nèi)用微生物生產(chǎn)過(guò)氧化氫酶仍停留在研究開(kāi)發(fā)階段。但目前市場(chǎng)上的過(guò)氧化氫酶的酶學(xué)性質(zhì)基本不能滿足紡織工藝的要求。同其它研究相比，本作品在于提高過(guò)氧化氫酶的產(chǎn)量和實(shí)現(xiàn)其在紡織工藝中的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)室前期篩得一株枯草芽孢桿菌，其產(chǎn)酶水平為600U/ml，經(jīng)過(guò)此本作品的發(fā)酵優(yōu)化以后，過(guò)氧化氫酶的最高酶活達(dá)到了28000U/ml。本作品過(guò)氧化氫酶的顯著特點(diǎn)是pH穩(wěn)定范圍在6.0-11.0之間,熱穩(wěn)定范圍在15-75℃之間，適合紡織工藝的要求。
