运用TRIZ理论解决纤维素酶利用率低的问题_谭琳.pdf

第52 卷第2 期 当 代 化 工 Vol.52，No.2 2023年2月 Contemporary Chemical Industry February，2023 基金项目基金项目：国家重点研发计划项目创新方法专项（项目编号：2020IM030400）；国家自然科学基金（项目编号：21664009、51063003)；省级创新创业教育改革项目（项目编号：DC2020155）；甘肃省高校创新创业教育改革项目。收稿日期收稿日期：2021-08-07 作者简介作者简介：谭琳（1979-），女，甘肃省兰州市人，副教授，博士，研究方向：功能高分子材料。E-mail：tan_。通信作者通信作者：冯辉霞（1966-），女，教授，博士，研究方向：绿色化学及绿色水处理技术、化学功能材料。E-mail：。运用 TRIZ 理论解决纤维素酶利用率低的问题 谭琳，陈娜丽，王传文，尹春，徐嘉琪，冯辉霞*（兰州理工大学 石油化工学院，甘肃 兰州 730050）摘 要：纤维素酶是一种将纤维素分解成寡糖或单糖的蛋白质，广泛应用于食品和环境行业。针对现有纤维素酶价格昂贵且难以回收利用等问题，利用 TRIZ 理论（Teoriya Reshenivya Izobreatatelskikh Zadatch）中的功能分析、因果分析、裁剪、九屏幕法、技术矛盾法等方法，得到解决问题的最终方案，提出了以纤维素为模板构筑纤维素与纤维素酶之间的“锁-钥匙”模型，解决了纤维素酶循环利用的问题。关 键 词：TRIZ；纤维素酶；利用率 中图分类号：TQ426.97 文献标识码：A 文章编号：1671-0460（2023）02-0435-07 Solution ofthe Problem of Low Utilization Rate of Cellulase by TRIZ Theory TAN Lin,CHEN Na-li,WANG Chuan-wen,YIN Chun,XVJia-qi,FENG Hui-xia*（School of Petrochemical Technology,Lanzhou University of Technology,Lanzhou Gansu 730050,China）Abstract:Cellulase is a protein that breaks down cellulose into oligosaccharides or monosaccharides and is widely used in the food and environmental industries.The existing cellulase is expensive and difficult to recycle.The final solution of the problem was obtained by using the functional analysis,causal analysis,clipping,nine-screen method and technical contradiction method in TRIZ theory.A“lock-key”model between cellulose and cellulase was proposed to solve the problem of cellulase recycling.Key words:TRIZ;Cellulase;Utilization 1946 年，发明家根里奇斯拉维奇阿奇舒勒（Genrikh Saulovich Altshuller）创造了一种叫作“发明问题解决理论”全新的用于创新的方法，即 TRIZ理论。TRIZ 理论的基本观点是所有技术系统（即为执行特定功能而创作的人工作品），都按照客观存在的规则进化，而这些规则可以被发现并且在解决创新问题时加以利用1-2。TRIZ 理论可以帮助研究人员准确地分析所研究的技术系统处于哪个阶段，并且对其下一阶段的进化方向做出精确的预测。通过了解技术系统各自的发展趋势，推断出技术系统在市场上获得最大利润的时间。自发明以来，TRIZ的功能不局限于预测时间和结果，通过其自身的不断完善，它本身作为工具库广泛应用于解决创新过程中出现的问题。21 世纪初，由于具有先进的分析方法，TRIZ 在商业领域为企业提供了切实可行解决产品问题的方案，并帮助企业有效地开发产品和流程。所以 TRIZ 并不仅仅作为一种创新方法，而是一种解决问题的思想，指导人们生产实践。1 TRIZ 解决问题的基本流程 人类创造出来的人造系统包括其自身必需的物质基础和通过观察周围环境而得来的科学技术，这推动了人类文明的不断前进和发展。但是这个系统并不完美，在创造的过程中人类经常会犯一些错误，这些错误会降低整个技术系统的运转效率或者阻止技术系统正常运转。TRIZ 是一门系统的创新方法，不是简单的试错法，通过缜密的逻辑推导和过程重复得到了合理的解决方案。TRIZ 解决问题主要分为 3 个阶段：问题定义、问题解决、概念验证。具体步骤可以分为：将待解决问题用标准的 TRIZ 语言进行描述；通过功能分析将技术系统翻译为功能语言；根据功能分析得到的信息，通过因果链分析找到问题的根本原因；采用裁剪方法、矛盾矩阵以及九屏幕法来解决问题。DOI:10.13840/21-1457/tq.2023.02.042 436 当 代 化 工 2023年2月 2 纤维素酶固定方法 纤维素酶的固定方法可以分为两步，第一步先固定化磁性纳米粒子，选择具有大比表面积的凹凸棒土或碳纳米管3等固载体，在酸性及高温条件下活化，使表面带有大量负电荷，从而可以静电吸附三价铁离子4。随后加入二阶亚铁离子及沉淀剂，高温搅拌下使磁性四氧化三铁纳米粒子有序组装在固载体上。第二步是固定化纤维素酶，由于纤维素酶无法直接生长在固载体上5，需要借助无毒、生物相容性好、易降解、天然阳离子聚合物壳聚糖6。一般先将壳聚糖阳离子聚合物静电吸附在带有负电荷的固载体表面，再通过戊二醛7交联纤维素酶实现纤维素酶的固定化。3 发明问题初始形势分析 3.1 纤维素酶的工作原理 纤维素酶是一种多组分复合酶8，由催化活性区域、连接区域、识别纤维素质底物区域部分蛋白组织构成，能够将天然木质纤维素9，在各组分酶的协同作用下，转化为还原糖，从而生产生物乙醇。然而纤维素酶价格昂贵，受温度、pH 等影响容易失活，且难以回收再利用，限制了其推广应用。3.2 目前解决方案仍存在问题和不足 由于磁性材料易分离和回收，将纤维素酶和磁性纳米粒子均固定在载体上可以实现生物酶的分离回收、重复利用，为提高纤维素酶使用效率、降低成本提供了可能。固定化酶一部分吸附在固体底物上，一部分游离在液相中。所以载体、磁性纳米粒子的结构性质以及固定化方法将直接影响纤维素酶的活性和稳定性。需要解决的问题有：纤维素酶的重复利用率低的问题；载体对纤维素酶的活性的影响；磁性纳米粒子与纤维素酶的复合；纤维素酶稳定地促进纤维素酶的水解；纤维素酶的使用量；纤维素酶的成本问题。为了能很好地解决上述问题，将利用 TRIZ 方法来进行系统分析，找到问题的主要矛盾。4 利用系统分析找出提高纤维素酶利用率工艺技术系统中存在的矛盾 4.1 功能分析 4.1.1 组件分析 本研究中将“提高纤维素酶利用率工艺”定义为一个技术系统，功能定义为“提高纤维素酶利用率”。将系统和超系统的组件加以区分，系统组件分别为：磁场、铁磁体、重力场、固载体、水、壳聚糖、交联剂、纤维素酶；超系统组件有：反应器、纤维素、实验台面。4.1.2 相互作用分析 相互作用分析的主要作用是列出系统中的所有组件之间发生的相互作用清单。以之前完成的系统组件及超系统组件列表为基础，构建组件之间的相互作用关系矩阵，通过该矩阵确定各个组件之间的相互影响因素，为下一步功能建模做准备，相互作用分析的详细结果见表 1。表 1 提高纤维素酶利用率工艺技术系统的相互作用分析 Table 1 Interaction analysis of technology system for improving cellulase utilization rate 组件 磁场 铁磁体 重力场 固载体 水 壳聚糖 交联剂 纤维素酶 纤维素 反应器 实验台面 磁场 铁磁体 重力场 固载体 水 壳聚糖 交联剂 纤维素酶 纤维素 反应器 实验台面 4.1.3 功能建模 根据提高纤维素酶利用率工艺技术系统的相互作用分析结果，对组件之间的具体功能进行识别，并对其执行功能的性能进行评估，得出提高纤维素酶利用率工艺技术系统的功能结果见表 2。水执行基本功能，交联剂在执行基本功能的同时还执行有害功能，磁场、铁磁体、重力场、固载体、水、壳聚糖、交联剂、纤维素酶均执行辅助功能，同时纤 第 52 卷第 2 期 谭琳，等：运用 TRIZ 理论解决纤维素酶利用率低的问题 437 维素酶和反应器执行附加功能。表 2 提高纤维素酶利用率工艺技术系统的功能 Table 2 Function of process technology system for improving cellulase utilization rate 功能载体 功能 功能受体 功能有用性分类 执行程度 磁场 吸引 铁磁体 辅助功能 正常 铁磁体 减活 纤维素酶 有害功能 有害 重力场 吸引 固载体 辅助功能 正常 固载体 支撑 铁磁体 辅助功能 正常 支撑 壳聚糖 辅助功能 正常 减活 纤维素酶 有害功能 有害 水 分散 固载体 辅助功能 正常 溶解 纤维素酶 基本功能 正常 壳聚糖 键合 交联剂 辅助功能 正常 交联剂 键合 壳聚糖 辅助功能 正常 键合 纤维素酶 基本功能 正常 减活 纤维素酶 有害功能 有害 纤维素酶 键合 交联剂 辅助功能 正常 水解 纤维素 附加功能 不足 反应器 提供反应场所 系统组件 附加功能 正常 实验台面 支撑 反应器 辅助功能 正常 根据提高纤维素酶利用率工艺技术系统的功能表将系统功能进行图形化表示，提高纤维素酶利用率工艺功能模型如图 1 所示。模型清晰显示了每一个功能，特别是有问题的功能。图 1 提高纤维素酶利用率工艺功能模型图 Fig.1 Functional model of improving cellulase utilization rate 4.2 因果链分析 4.2.1 因果链分析图 每个项目都应该有一个确定的目标。技术项目的目标之一就是改进技术系统，这往往与消除缺陷有关。要描述在技术系统中所说的缺陷，必须从逻辑上反转项目目标。这样的缺陷称为初始缺陷。直接由项目目标产生或使用分析工具发现的问题所产生的影响系统工作的明显问题，往往只是冰山一角。经验表明真正的原因往往是隐藏的，它们在系统不当运作时才会显露出来。这些隐藏的、不明显的问题是导致初始缺陷的根本原因，被称为关键缺陷。关键缺陷在因果链的末端，并且是系统中其他缺陷的根本原因。为了揭示关键缺陷，在 TRIZ 工具中集中加入了因果链分析的分析工具。对于此次研究提高纤维素酶利用率进行因果链系统分析，而初始缺点是项目目标的反面，即初始缺点为纤维素酶利用率低。纤维素酶利用率低的因果链分析如图 2 所示。以初始缺点为起点，并分析造成此缺点的中间缺点，中间缺点既是上一层及缺点造成的原因，又是下一层及缺点造成的结果，逐层分析，最终找到末端缺点。图 2 纤维素酶利用率低的因果链分析图 Fig.2 Causal chain analysis of low cellulase utilization 4.2.2 确定关键缺点 根据纤维素酶利用率低的因果链分析图，确定以下缺点为关键缺点:阴离子三聚磷酸钠10作为交联剂静电作用不足；戊二醛11的化学作用不足；磁性纳米粒子生长不可控；催化活性中心生长不可控；固载体质量过大。4.2.3 确定关键问题及提出可能解决的方案 在关键点确定之后，利用 TRIZ 语言描述关键问题，从每一个关键问题作为源头，寻找到可能