棉纺织废料机械预处理优化策略：提升酶解效率与葡萄糖产率的可持续路径

本研究针对废弃棉纺织品回收难题，通过优化切割磨与湿式转子磨的机械预处理参数（如间隙宽度、固含量），显著提升纤维素酶解效率。结果表明：较小磨间隙（增强剪切力）与较高固含量可降低结晶度（CrI），使葡萄糖产率提高40%，同时揭示能量输入与酶活性的非线性关系。该技术为纺织废料生物炼制（如二代生物乙醇2G-bioethanol生产）提供了绿色解决方案，推动循环经济发展。

　　

每年全球产生数百万吨废弃纺织品，其中棉纤维占比达30%，但传统填埋或焚烧处理不仅浪费资源，还加剧环境压力。欧洲即将实施的纺织品强制分类政策（2025年生效）更凸显回收紧迫性。然而，棉纤维的高结晶度（Crystallinity Index, CrI）和聚合度（DP）导致其难以被纤维素酶（Cellulase）有效降解，成为生物转化（如生产二代生物乙醇）的关键瓶颈。现有酸/碱预处理法成本高且污染重，而机械预处理虽环保却缺乏参数优化研究。为此，BASF SE等机构的研究团队在《Waste Management》发表论文，系统探索了机械预处理对废弃棉纺织品酶解效率的影响机制。

研究采用两步法：先通过切割磨（Cutting mill）将棉织物破碎至10 cm²，再使用湿式转子磨（Wet-rotor-mill）进行精细处理，关键变量包括转子-定子间隙宽度（50–200 μm）、固含量（5–20%）、能量输入（0.5–2.5 kWh/kg）。采用近红外光谱（NIR）验证棉含量（>98%），X射线衍射（XRD）分析CrI变化，并通过高效液相色谱（HPLC）量化葡萄糖产率。引入聚乙二醇（PEG）作为酶活性保护剂，所有实验均设置三重重复。

结果部分

1. 机械预处理参数优化
   缩小磨间隙至50 μm可使葡萄糖产率提升27%，因高剪切力促进纤维表面剥离（External fibrillation）和内部孔隙扩张（Internal fibrillation）。固含量增至15%时，能量传递效率最高，但超过20%会导致酶活性下降（降低12%）。

2. 能量输入阈值效应
   能量输入需达1.2 kWh/kg才能显著降低CrI（从65%至48%），但超过1.8 kWh/kg时出现“过度研磨”，导致孔隙塌陷（Pore collapse），反使酶解效率降低15%。

3. 结晶度与产率相关性
   线性回归显示CrI与葡萄糖产率呈强负相关（R²=0.89），证实机械处理通过破坏氢键（Hydrogen bonding）暴露纤维素β-1,4-糖苷键（?-1,4-glycosidic bonds）的酶作用位点。

结论与意义
该研究首次量化了机械预处理参数与棉纺织品酶解效率的关系，提出“能量输入-结晶度-葡萄糖产率”的三元调控模型。湿式转子磨技术兼具环保性与经济性，每吨处理成本较酸解法降低40%。尽管染料残留（如活性染料Reactive dyes）可能抑制酶活（需后续研究），但该成果为纺织废料的规模化生物炼制（Biorefinery）提供了关键技术支撑，有望推动欧盟2030年实现200万吨/年纺织废料循环利用的目标。