[发明专利]电子束辐射协同生物酶技术降解烟用醋酸纤维的方法

说明书

技术领域

一种电子束辐射技术和生物酶技术对醋酸纤维进行降解的方法，属于醋酸纤维废弃物生物降解领域。

背景技术

醋酸纤维(cellulose acetate，简称CA)又称醋酸纤维素，是以棉短绒、木材等植物材料中提取和纯化得到的纤维素为原料，与醋酸酐反应生成的纤维素醋酸酯。根据纤维素葡萄糖残基上的三个羟基酯化程度不同，可分为二醋酸纤维和三醋酸纤维。香烟过滤嘴滤棒主要由二醋酸纤维等为原料制备，具有弹性强、透气性好、吸阻适中，截留烟气焦油效率高和构型美观等优点，而且成丝性能优越，易于加工，生产效率高而广泛用于烟草工业。

但随着其广泛应用，醋酸纤维的废弃物带来很大的环境问题。由于醋酸纤维性质稳定，不易分解，根据条件的不同，一个普通的烟头可能要花费18个月至10年不等的时间进行分解。

《世界烟草动态》(1995年第2期)一文中报道，烟嘴棒在厌氧条件下降解时间为1-2个月，在土壤中降解时间为6-9个月，在淡水中降解时间约1年，而在沙漠，地铁等不利条件下降解时间3年或更长；2010年意大利国家核能和替代能源局发表研究报告说，全球一年被丢弃的烟蒂约84.5万吨。以每个烟蒂体积0.49立方厘米、按2009年我国卷烟消费量为2.25万亿支计算，将会产生178.6万立方米的不可降解烟蒂垃圾。据调查显示，城市街道难以自然降解的垃圾中，差不多有三成是烟蒂。倡导加强海洋生态系统保护的《海洋保护》组织指出，烟蒂也是海滩和河边湖边最常见的垃圾。全球被冲到海洋里的垃圾种类中，烟蒂占到百分之二十八，对海水质量造成损害。

综上所述，醋酸纤维废弃物会对环境产生较大的污染和安全隐患，常规的垃圾掩埋和燃烧法都会浪费大量的能源，甚至会产生二次污染。因此研究开发加速醋酸纤维生物降解关键技术及机理具有极大的现实意义。

醋酸纤维的生物降解性能和乙酰基的取代度(DS)有关：取代度降低，生物降解性能增加；DS在2.0以上的降解速率相对较低，2.0以下越低速率越快。Sakai K等(Biosci Biotechnol Biochem 1996，60：1617-1622)和Ishigaki T等(J Biosci Bioeng 2000，90：400-405)发现有些脂肪酶对醋酸纤维素有一定脱乙酰基作用，但酯键的疏水性以及纤维表面致密结构阻碍了酶对醋酸纤维的渗透作用，因此很难达到降解的目的；Ishigaki T等(Polymer Degradation and Stability，2002，78：505-510)的另一个研究则发现，紫外照射可以显著促进纤维素酶对高取代度醋酸纤维素膜的水解作用，原理是紫外照射降低了醋酸纤维素的重均分子量，提高了醋酸纤维素膜的可溶解性和生物降解性，低聚物在溶液中的脱落和溶解增加了底物和酶的作用面积。

根据辐射化学原理可知，聚合物大分子在电离辐射作用下激发和电离，形成自由基，自由基可以发生相互反应，或者自由基与聚合物发生进一步反应，从而引起材料性能发生变化。两个自由基结合导致其在无定形区和结晶区分别产生交联或重排结合，而链转移导致聚合物断链。Iller(2002)研究了电子束辐照各种纤维素纸浆，结果都显示所有纸浆的聚合度在辐照剂量从0kGy增加到50kGy的同时减少，且α-纤维素(不溶于17.5％的NaOH水溶液)百分比也随着剂量的增加而减少，说明了纤维素结晶度的降低。因此采用辐照法破坏醋酸纤维素分子链，降低其结晶度和聚合度，理论上也可以有效的提高醋酸纤维素的生物降解性能。

纤维素酶一般是由催化结构域(catalytic domain，CD)和纤维素结合结构域(cellulose binding domain，CBD)组成，二者之间通常是一段富含羟基的氨基酸组成的链接区。CD水解可溶性纤维素，能微弱吸附但不能水解不溶性纤维素；CBD能吸附于纤维素表面但无水解活力。角质酶是一种多功能酶，可水解水溶性酯、不溶性甘油三酯和各种聚酯。结合角质酶的生化特性和应用特性，选择同源性高，耐热性好，与纤维结合力强的纤维素酶的纤维素结合域(CBD)与角质酶相连，构成融合基因，并在宿主菌中高效表达得到融合蛋白，即纤维素结合域-角质酶(CBD-角质酶)。利用CBD-角质酶中含有与纤维结合力强的纤维素结合域这一特性，显著增强角质酶在醋酸纤维表面的吸附量和吸附效率，提高酶与纤维酯基的可及度，强化酯基水解，降低醋酸纤维取代度；然后再利用糖苷酶(如纤维素酶)对纤维素糖苷键的水解机制，对醋酸纤维进行生物降解。

发明内容

发明要解决的技术问题