Влияние окислительно-щелочных сред, содержащих ферменты и соли металлов, на характер разрушения бикомпонентных полимерных систем на основе целлюлозных материалов

Актуальность работы.

Успехи, достигнутые в последние десятилетия биотехнологией, привели к возможности использования ферментов во многих областях химической технологии, развитие которых повышает практическую ценность самой биотехнологии. Биотехнологические процессы существенно расширили возможности производств в пищевой, текстильной и целлюлозно-бумажной промышленности. Ферментативное превращение целлюлозы перспективно не только с точки зрения создания самостоятельных малоотходных технологий, но и с позиции борьбы за экологическую безопасность различных производств целлюлозно-бумажной и текстильной промышленности.^]. Ферментативный катализ находит применение для обесцвечивания макулатурной бумажной массы [2] и хлопчатобумажных тканей[3], что позволяет заменить собой токсичные соединения хлора — на экологически безвредный пероксид водорода. Однако выбор ферментов (пульпозима, протеазы, целловиридина), используемых в технологии беления целлюлозных материалов в щелочных растворах пероксида водорода, сложился скорее стихийно, нежели научно обоснованно.

При этом остается неясным вопрос о механизме разрушения и долговечности в таких растворах композиционных материалов на основе целлюлозы в присутствии ферментов. Это объясняет актуальность постановки данной работы, так как снижение долговечности композиционных материалов на основе целлюлозы в результате их технологически необходимой обработки пероксидно-щелочными растворами требует поиска причин разрушения таких материалов в агрессивных средах.

Целью работы являлось исследование влияния названных ферментов на долговечность и характер разрушения композиционных материалов на основе целлюлозы и кислородсодержащих полимеров в отбеливающих окислительно-восстановительных растворах и изучение поведения ферментов в таких системах в присутствии солей металлов, являющихся энергичными модификаторами свойств гидрофильных полимеров. Необходимость более подробного исследования действия солей металлов на полимерные системы в присутствии ферментов вызвана также известным фактом [4] влияния некоторых солей на каталитическую активность ферментов.

Научная новизна. Научную новизну данной работы заключается в установлении причин разрушения целлюлозных материалов под действием щелочного раствора пероксида водорода и определение влияния на их долговечность ферментов и солей металлов. В работе представлен разработанный метод по определению долговечности целлюлозных материалов в агрессивных средах, а также впервые определены составы и константы устойчивости, образующихся в растворе металло-ферментных комплексов, и показано изменение активности ферментов по отношению к композиционным материалам, происходящее при этом.

Практическая значимость. Все более расширяющееся использование биологических катализаторов в процессах химической обработки композиционных материалов на основе целлюлозы и других кислородсодержащих полимеров (писчей бумаги, хлопчатобумажных тканей и др.) требует поиска путей снижения их негативного действия на долговечность таких материалов. В работе показана возможность достижения этого за счет введения в раствор солей определенных металлов, а также даны практические рекомендации — применение каких ферментов следует избегать из-за возможной деструкции макромолекул целлюлозы в определенных видах целлюлозных материалов. При этом установлены оптимальные концентрации в окислительно-щелочном растворе тех катионов металлов, которые повышают каталитическую активность ферментов.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы доложены и получили положительную оценку:

— на Всероссийской научно-технической конференции «Текстиль-99» «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности», 23−24 ноября 1999 г., МГТУ им. А. Н. Косыгина, г. Москва, тезисы-докладов.

— на Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» («Прогресс-2002»), 19−20 мая 2002 г., г. Иваново., Сборник тезисов докладов «Использование ферментов для отбелки целлюлозно-бумажной макулатуры.», М, МГТУ.

— на Всероссийской научно-технической конференции «Текстиль-2002» «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности», 23−24 ноября 2002 г., МГТУ им. А. Н. Косыгина, г. МоскваСборник тезисов докладов к МНТК «Прогресс-Иваново» 2002.

— на Всероссийской научно-технической конференции «Текстиль-2003» «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности», 23−24 ноября 2003 г., МГТУ им. А. Н. Косыгина, г. Москва;

— на Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» («Прогресс-2004»), 25−28 мая 2004 г., г. Иваново.

— II Международная НТК «Достижения текстильной химии — в производстве» 7−9 сентября 2004. Тезисы докладов. «Определение долговечности полимерных материалов в агрессивных средах, содержащих ферменты и соли металлов» Иваново, 2004 г.

— на семинаре «Модификация ВМС неорганическими соединениями» секции неорганическая химия. МГТУ им. А. Н. Косыгина, кафедра ОНХ, 23 ноября 2003 г.

— на Научном семинаре Московского Менделеевского химического общества с докладом «Влияние ферментов и солей металлов на долговечность композиционных материалов на основе целлюлоы в окислительно-щелочных растворах», 18.10.2004, МГТУ, кафедра ОНХ.

Содержание работы.

Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, выводов, списка литературы и приложения.

6. выводы.

1. В результате проведенных систематических исследований механизма разрушения и изучения долговечности бикомпонентных полимерных композиционных материалов на основе целлюлозы в окислительно-щелочной среде, содержащей неорганические и биологические добавки, выявлено существенное влияние добавок — ферментов и неорганических солей — на поведение таких материалов в окислительно-щелочном растворе.

2. На основании показателей степени полимеризации целлюлозных материалов (ЦМ), подвергнутых действию окислительно-щелочного раствора, целлюлозные материалы можно разделить на 2 группы:

1) ЦМ, в которых, по-видимому, происходит деструкция макромолекул целлюлозы, т.к. в них ее степень полимеризации заметно понижается. К таким ЦМ относятся сульфитная целлюлоза и целлофан.

2) ЦМ, которые разрушаются, вероятно, из-за нарушения в них межмолекулярных Н-связей с сохранением величины степени полимеризации. К таким ЦМ относятся писчая бумага и фильтровальная бумага.

3. Показано, что при введении в окислительно-щелочной раствор ферментов степень полимеризации во всех случаях незначительно снижается, но не настолько, чтобы нарушить отмеченную тенденцию разделения композиционных целлюлозных материалов на две группы. Это говорит о том, что в исследованных системах (ЦМ+ Na0H (Pp)+H202 (р.р)) ферменты не проявляют специфическую каталитическую активностьа если и влияют на разрушение ЦМ, то как обычные белковые молекулы, содержащие функциональные группы, способные взаимодействовать как с функциональными группами и кислородными атомами макромолекул целлюлозы, так и с гидроксид- (ОН") и с гидропероксид-ионами (Н02″), содержащимися в окислительно-щелочном растворе.

4. Выяснено, что по характеру изменения долговечности ЦМ в окислительно-щелочном растворе, определяемой специально разработанным методом, при введении в него соли металла и при увеличении ее концентрации целлюлозные материалы делятся на 2 группы, аналогичные вышеназванным группам ЦМ (см. вывод 2) :

1. ЦМ, долговечность которых уменьшается незначительно (сульфитная целлюлоза и целлофан);

2. ЦМ, долговечность которых уменьшается значительно, в ряде случаев проходя через минимум (писчая бумага и фильтровальная бумага);

5. Показано, что исследованные ферменты и соли металлов снижает долговечность исследованных материалов, действуя не как катализаторы, а как вещества, нарушающие в полимере межмолекулярные Н-связи. Поэтому в ряду, в котором полимеры расположены в порядке увеличения их долговечности в агрессивной среде, на первое место (наименьшая долговечность) перемещается поливиниловый спирт по сравнению с рядом, характеризующим долговечность полимеров в растворе в отсутствии солей металлов.

6. Показано, что катионы металлов образуют с молекулами ферментов комплексы различного состава. Из 15 изученных комплексов, образованных 5 катионами с 3 ферментами, 3 комплекса имеют состав 1:1 и названы нами «истинными», а остальные являются полиядерными, т. к. на одну молекулу фермента приходится более одного катиона металла (2, 10 или 50), и названы «ложными».

7. Выяснено, что «ложные» комплексы усиливают влияние ферментов на процесс разрушения межмолекулярных Н-связей ЦМ в окислительно-щелочном растворе, а образование «истинных» комплексов состава 1:1 препятствует деструктирующему действию ферментов, в частности, на сульфитную целлюлозу и на целлофан. При этом установлено, что присутствие в растворе «истинных» комплексов типа [№Пр]2+ - подавляет гидролиз крахмала.

8. Показана хорошая корреляция результатов, полученных при определении активности ферментов в присутствии солей металлов по отношению к гидролизу полисахаридов и при определении долговечности ЦМ в окислительно-щелочных растворах, выполненном разработанным нами методом, что свидетельствует о достоверности последнего, который может быть рекомендован для изучения долговечности и других полимерных материалов в агрессивных средах.

5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Для более эффективного использования биокатализаторов, в частности, таких как пульпозим, протеаза или целловиридин, используемых в процессах «биоскоринга» таких распространенных композиционных материалов на основе целлюлозы, как хлопчатобумажные ткани или бумажная макулатура щелочными растворами Н202, полезно воспользоваться результатами проведенных нами исследований. Они могут оказаться полезными и при использовании ферментов как химически активных добавок, в случае проведения химических процессов с полимерными композиционными системами на основе целлюлозы.

По изменению степени полимеризации целлюлозы в исследованных бикомпонентных полимерных системах на основе целлюлозных материалов (ЦМ), подвергнутых действию окислительно-щелочного раствора, содержащего химически активные добавки (фермент и соль металла), ЦМ можно разделить на 2 группы:

1) ЦМ, в которых, по-видимому, происходит деструкция макромолекул целлюлозы, т.к. в них ее степень полимеризации заметно понижается. К таким целлюлозным материалам на основе целлюлозы относятся: сульфит-целлюлоза и целлофан — у которых невелико внутриволоконное когезионное взаимодействие;

2) ЦМ, которые разрушаются с сохранением величины степени полимеризации целлюлозы. К таким ЦМ относятся писчая бумага и фильтровальная бумага, т. е. материалы отличающиеся от ЦМ первой группы высокой внутриволоконной когезией.

При введении в окислительно-щелочной раствор одного из названных ферментов степень полимеризации снижается незначительно, что говорит о том, что в исследованных системах (ЦМ+Ыа0Н (р.Р)+Н202 (р.р))ферменты не проявляют специфическую каталитическую активностьа если и влияют на разрушение ЦМ, то как обычные белковые молекулы, содержащие функциональные группы, способные взаимодействовать как с функциональными группами и кислородными атомами макромолекул целлюлозы, так и с гидро-ксид- (ОН") и с гидропероксид-ионами (НО2″), содер’жащимися в окислительно-щелочном растворе.

Как известно из данных литературы, незначительные изменения в структуре ЦМ делают макромолекулы целлюлозы недоступными для действия фермента, что и объясняет его абсолютную специфичность действия на субстраты. Стереохимическая специфичность действия фермента также объясняет потерю им каталитической активности при изменении конформации макромолекул, входящих в состав того или иного ЦМ.

По характеру изменения долговечности ЦМ в окислительно-щелочном растворе, определяемой специально разработанным методом, при введении в него соли металла и при увеличении ее концентрации целлюлозные материалы делятся на 2 группы, аналогичные вышеназванным группам ЦМ (по изменению степени полимеризации):

1- ЦМ, долговечность которых уменьшается незначительно (сульфитная целлюлоза и целлофан);

2- ЦМ, долговечность которых уменьшается значительно, в ряде случа-. ев проходя через минимум (писчая бумага и фильтровальная бумага).

Исследование долговечности кислородсодержащих полимеров, играющих роль склеек в разработанном методе, в окислительно-щелочном растворе в присутствии ферментов и солей s-металлов вместе и по-отдельности показало, что исследованные ферменты ускоряют разрушение полимеров в этих условиях, действуя не как катализаторы, а как вещества, нарушающие в полимере межмолекулярные Н-связи. Так же действуют на кислородсодержащие полимеры катионы Са2+, Mg2+ и, особенно, Li+. Это предположение подтверждается тем, что при совместном присутствии ферментов и солей металлов в растворе разрушение полимера замедляется, так как происходит взаимное блокирование свободных валентностей у ионов металла и молекул фермента при образовании ими устойчивых комплексов.

При введении в агрессивный раствор солей металлов, катионы которых склонны к разрыву в полимерах межмолекулярных Н-связей, снижается, в первую очередь, долговечность таких кислородсодержащих полимеров (при их погружении в такой раствор), прочность которых зависит, главным образом, от наличия густой сетки межмолекулярных Н-связей. Поэтому в ряду, в котором полимеры расположены в порядке увеличения их долговечности, на первое место (наименьшая долговечность) перемещается поливиниловый спирт по сравнению с рядом, характеризующим долговечность полимеров в растворе без солей металлов.

Катионы металлов влияют на поведение ферментов, образуя с их молекулами комплексы. Из 15 изученных комплексов, образованных 5 катионами с 3 ферментами, 3 комплекса имеют состав 1:1 и названы нами «истинными», а остальные являются полиядерными, т. е. на одну молекулу фермента приходится более одного катиона металла (2, 10 или 50), и названы «ложными». Из исследованных ферментов 3 «истинных» комплекса образовала лишь протеа-за с катионами никеля, хрома и алюминия, потеряв при этом свою активность при разрушении ЦМ в окислительно-щелочном растворе. «Ложные» комплексы усиливают влияние ферментов на процесс разрушения межмолекулярных Н-связей ЦМ в окислительно-щелочном растворе.

Образование «истинных» комплексов состава 1:1, как например, [Ninp]2+, препятствует деструктирующему действию ферментов, в частности, на сульфитную целлюлозу и на целлофан. Это подтверждается и при изучении активности ферментов, проявляемой ими в процессе гидролиза крахмалакак оказалось присутствие в растворе «истинных» комплексов [№Пр]2+ подавляет и эту реакцию.

Хорошая корреляция результатов, полученных при определении активности ферментов в присутствии солей металлов по отношению к гидролизу полисахаридов и при определении долговечности ЦМ в окислительно-щелочных растворах, выполненном разработанным нами методом, свидетельствует о достоверности последнего, который может быть рекомендован для изучения долговечности полимерных композиционных материалов на основе целлюлозы в агрессивных средах.