bảo vệ môi trường trong lĩnh vực hóa học xanh

trình bày về bảo vệ môi trường trong lĩnh vực hóa học xanh

Đồ án tốt nghiệp MỞ ĐẦU Công nghiệp chế biến thủy sản ngày phát triển quy mô tồn cầu nhiều nước Đơng Nam Á Nam Mĩ đẩy mạnh ngành công nghiệp chủ yếu cho xuất Ấn Độ, Indonexia, Thái Lan, Việt Nam…q trình bao gồm ni trồng đánh bắt biển, với sản lượng đông lạnh lớn tất yếu lượng phế thải không nhỏ bị vứt bỏ, để thối rữa gây nhiễm mơi trường Theo ước tính lượng phế thải tôm, cua…hàng năm 1,44 triệu (trọng lượng khơ) Tuy lượng phế thải vỏ tơm, cua, mực…này lại nguồn tiềm ẩn to lớn protein, chất màu chitin – polysaccarit Chitin polyme thiên nhiên có cấu tạo mạch thẳng gồm đơn vị Naxetyl-Dglucosamin nối với liên kết (1,4)- glucosit ứng dụng nhiều y học, dược phẩm, công nghiệp thực phẩm, xử lý nước Sức ép kinh tế môi trường ngày tăng ngành chế biến thủy sản buộc phải sớm lựa chọn biện pháp xử lý thích hợp nhằm phối hợp giải vấn đề môi trường thu hồi chitin Cho đến việc thu hồi chitin từ phế thải thủy sản cho kết có triển vọng kinh tế bảo vệ mơi trường Hiện có hai phương pháp chủ yếu hay dùng để tách chitin: phương pháp truyền thống (phương pháp hóa học) phương pháp sinh học (dung enzym vi khuẩn) Tuy nhiên, Việc sản xuất chitin dẫn xuất chúng q trình hóa học mối quan tâm lớn Chitn thu phụ thuộc nhiều vào quy trình xử lý với axit kiềm nóng để khử khống khử protein Quá trình tiêu tốn lượng, sản thể tích lớn nước thải chứa nhiều NaOH, HCl, gây ăn mịn nhiễm mạnh, đơng thời khó tách sản phẩm cịn có giá trị chất màu, protein Nhưng điều quan trọng tính khơng ổn định q trình làm ảnh hưởng đến chất lượng chitin Những bất lợi phương pháp hóa học xét theo yếu tố môi trường, kinh tế chất lượng sản phẩm thấy: • Về mơi trường: q trình hóa học xem khơng hợp lý vì:  Cần sử dụng dung lượng lớn axit, kiềm, nước rửa Võ Thị Duyên – CNTP3 – K50 Đồ án tốt nghiệp • •       Nước thải chất ăn mịn chứa chất gây nhiễm như: protein, khống hịa tan Về kinh tế: q trình hóa học trở nên hiệu lý do:  Chi phí cho yếu tố mơi trường (như nêu trên)  Chi phí lượng xử lý kiềm để loại protein, tiếp tục chuyển chitin thành chitosan  Tiêu tốn lượng lớn nước để rửa kiềm  Không thu hồi sản phẩm cịn có giá trị khác Về chất lượng sản phẩm: chất lượng giảm lý do:  Việc sử dụng axit kiềm nóng dẫn đến việc cắt mạch chitin làm cho sản phẩm thay đổi trọng lượng phân tử độ nhớt (tức chitin khơng giữ tính chất ngun củ mình)  Việc đề acetyl hóa cách ngẫu nhiên axit đặc biệt kiềm nóng tạo nhiều sản phẩm khác nhau(có DA khác nhau) cịn tiếp tục gây biến tính sản phẩm thành chitosan dạng sản phẩm khác Những lý dó làm cho chitin dẫn xuất chưa thương mại hóa lĩnh vực ứng dụng Để khắc phục vấn đề trên, em lựa chọn hướng tách chiết chitin theo phương pháp sinh học Ưu điểm phương pháp thể khía cạnh: Về mơi trường: gây nhiễm mơi trường, lượng nước rửa Về kinh tế: giảm thiểu chi phí cho lượng, đồng thời có thêm sản phẩm kèm theo (chất màu protein cho thức ăn gia súc) giá thành rẻ Về chất lượng sản phẩm: chitin thu có trọng lượng phân tử độ nhớt không bị thay đổi nhiều điều kiện xử lý êm dịu Đây giải pháp cập nhật, giải nhược điểm phương pháp truyền thống lĩnh vực nghiên cứu sinh thái chitin trở thành ngành khoa học thực thụ, có nhiều hội nghị giới “chitin enzymology” hoạt động phù hợp với việc bảo vệ mơi trường lĩnh vực hóa học xanh Võ Thị Duyên – CNTP3 – K50 Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I.1: Phế thải công nghiệp chế biến Tôm nguồn thủy sản dồi có giá trị kinh tế cao việc khai thác, đánh bắt phụ thuộc lớn vào điều kiện tự nhiên mang tính mùa vụ ngồi đánh bắt tự nhiên người ta cịn đẩy mạnh theo hướng nuôi trồng đảm bảo cung cấp nguyên liệu cách thường xuyên cho nhà máy chế biến thủy sản xuất Giáp xác nguồn nguyên liệu thủy sản dồi chiếm từ 30 – 35% tổng sản lượng nguyên liệu Việt Nam Trong công nghiệp chế biến thủy sản xuất khẩu, tỷ lệ cấu mặt hàng đông lạnh giáp xác chiếm từ 70 – 80% công suất chế biến Hàng năm nhà máy chế biến thải lượng phế liệu giáp xác lớn khoảng 70 000 Riêng tỉnh Khánh Hòa lượng phế liệu vào khoảng 2257 tấn/năm Theo thống kê tổng cục hải quan, tính đến hết tháng 11/2009, xuất tơm Việt Nam đạt 190 490 tấn, trị giá 1,518 tỉ USD, tăng 7,4% vê lượng 0,73% giá trị so với kì năm 2008 Đây mặt hàng thủy sản tăng trưởng năm 2009 Hơn 300 doanh nghiệp tham gia xuất 60 doanh nghiệp dẫn đầu chiếm 80% kim ngạch 120 doanh nghiệp có giá trị xuất triệu USD Theo dự báo ơng Trương Đình Hịe, Tổng thư ký Vasep, sang năm 2010, tôm sú sản phẩm xuất chủ lực xuât tôm chân trắng tăng gấp đôi lên 500 triệu USD, sản lượng đạt khoảng 150000 Việt Nam có lợi thị trường tơm chân trắng cỡ nhỏ có nguồn lao động Kim ngạch xuất tôm sú dự kiến đạt 1,4 tỷ USD Theo ơng Hịe, sang năm mới, giá thành tơm sú tác động trực tiếp lên xuất thị trường Năm 2010, tôm Việt Nam lựa chọn nhà nhập Nhật Bản Hàn Quốc sau khủng hoảng thị trường quan trọng đôi với Việt Nam (theo Vasep.com.vn) Việc tiêu thụ số lượng lớn tôm nguyên liệu nhà máy chế biến thủy sản thải lượng lớn phế liệu phế liệu vỏ, đầu tôm chủ yếu Các loại phế liệu thải trực tiếp môi trường gây ô nhiễm môi trường trầm trọng đem xử lý chất thải chi phí lớn Võ Thị Duyên – CNTP3 – K50 Đồ án tốt nghiệp Ngày có nhiều hướng nghiên cứu sử dụng phế liệu tôm để sản xuất chế phẩm có giá trị quan trọng việc sản xuất chitin – chitosan từ vỏ giáp xác I.2: Thành phần phế phẩm tôm: Tôm đối tượng quan trọng ngành nuôi trồng chế biến thủy sản Việt Nam Hiện nước ta, kĩ thuật khai thác nuôi tôm phát triển ngày cung cấp nhiều nguyên liệu cho nhà máy chế biến thủy sản nước xuất nhiều mặt hang như: − Tơm tươi cịn vỏ, đầu (ngun con) cấp đông IQF Block − Tôm vỏ bỏ đầu cấp đơng IQF Block − Tơm bóc vỏ, bỏ lưng cấp đơng IQF − Tơm bóc vỏ, cịn đốt cấp đơng IQF − Tơm dạng sản phẩm định hình, làm chín − Tơm bóc vỏ, đóng hộp Điều chứng tỏ tôm mặt hang đem lại nguồn lợi kinh tế lớn cho đất nước đồng thời thải lượng lớn đáng kể phế liệu, chủ yếu vỏ đầu tôm Ngồi ra, có lượng lớn đáng kể thịt vụn bóc nõn khơng cẩn thận số tơm bị thải loại biến màu, chất lượng không đảm bảo Tùy theo giống, lồi phương pháp gia cơng chế biến mà lượng phế liệu thay đổi từ 40% (đối với tôm sú) đến 60% (đối với tôm xanh) lượng nguyên liệu thu mua Đối với sản phẩm tơm bóc nõn rút ruột mát theo vỏ tơm khoảng 25% Nhìn chung, phế liệu tơm trọng lượng phần đầu thường gấp – lần so với phần vỏ đuôi Võ Thị Duyên – CNTP3 – K50 Đồ án tốt nghiệp Theo giáo trình “Sản xuất chế phẩm kỹ thuật y dược từ phế liệu thuỷ sản”[11] trường Đại học Nha Trang ta có bảng sau: Bảng 1.1: Thành phần trọng lượng tơm (%) I.3 Cấu tạo thành phần hóa học phế liệu tôm I.3.1: cấu tạo vỏ tôm: Vỏ tơm chia làm lớp chính: - Lớp biểu bì (epicucle) Lớp màu Lớp canxi hóa Lớp khơng bị canxi hóa Võ Thị Duyên – CNTP3 – K50 Đồ án tốt nghiệp Lớp biểu bì, lớp màu, lớp canxi hóa cứng lắng đọng canxi Lớp màu, lớp canxi hóa, lớp khơng bị canxi hóa chứa nhiều chitin lớp biểu bì khơng Ta gọi lớp có chứa chitin endocuicle Lớp màu: tính chất lớp có mặt thể hình hạt vật chất mang màu giống dạng melanin Chúng gồm túi khứ không bào Một vài vùng xuất hệ thống rãnh thẳng đứng có phân nhánh, đường cho canxi thẩm thấu vào Lớp biểu bì (epcuticle): nghiên cứu cho thấy lớp màng nhanh chóng bị biến đỏ Fucxin, có điểm pH = 5,1 khơng chứa chitin Nó khác với vỏ lại, bắt màu với anilin xanh Lớp epicuticle có lipit cản trở tác động axit nhiệt độ thường công đoạn khử khoáng axit lớp bên Màu lớp thường vàng nhạt có chứa polyphenoloxidase bị hóa cứng puinone – tannin Lớp epicuticle liên kết với số màng mỏng bên cản trở hịa tan mơi trường axit đậm đặc có chứa mắt xích paratin mạch thẳng Lớp canxi hóa: lớp chiếm phần lớn vỏ, thường có màu xanh trải khắp, chitin trạng thái tạo phức với canxi Lớp không bị canxi hóa: vùng lớp vỏ tạo thành phần tương đối nhỏ so với tổng chiều dày bao gồm phức chitin – protein bền vững khơng có canxi quinine I.3.2: Thành phần hóa học vỏ tôm: Protein: thành phần protein phế liệu tôm thường tôn dạng: dạng tự dạng liên kết Dạng tự do: dạng tồn phần thịt tôm từ số tôm bị biến đổi vứt lẫn vào phế liệu phần đầu thịt cịn sót lại đầu nội tạng tôm Nếu công nhân vặt đầu khơng kĩ thuật phần protein bị tổn thất vào phế liệu nhiều làm tăng tiêu hao nguyên vật liệu, mặt khác phế liệu khó xử lý Dạng phức tạp: dạng protein khơng hịa tan thường liên kết với chitin, canxicacbonat, với lipit tạo thành lipoprotein, với sắc tố tạo proteincarotenoit…như phần thống định tính bền vững vỏ tơm Võ Thị Duyên – CNTP3 – K50 Đồ án tốt nghiệp - - - Chitin: tồn dạng liên kết liên kết đồng hóa trị với protein dạng phức hợp chitin – protein, liên kết với hợp chất khoáng hợp chất hữu khác gây khó khăn cho việc tách chiết chúng Canxi: vỏ, đầu tơm, vỏ ghẹ…có chứa lượng lớn muối vô cơ, chủ yếu muối CaCO3, hàm lượng Ca3(PO4)2 không nhiều trình khử khống dễ hình thành hợp chất CaHPO4 khơng tan HCl gây khó khăn cho q trình khử khống Sắc tố: vỏ tơm thường có nhiêu loại sắc tố chủ yếu astaxanthin Enzym: theo tạp chí thủy sản (số 5/1993) hoạt độ enzym proteaza đầu tôm khoảng 6,5 đơn vị hoạt độ/gam tươi Các enzym chủ yếu enzym nội tạng đầu tôm vi sinh vật thường trú tôm nguyên liệu Ngoài thành phần chủ yếu kể trên, vỏ đầu tơm cịn có thành phần khác như: nước, lipit, photpho Bảng 1.1: Thành phần hóa học phế liệu tôm Phế liệu Đầu tôm Vỏ tôm protein 53,10 22,80 chitin 11,10 27,20 lipit 8,90 0,40 tro 22,60 31,70 canxi 7,20 11,10 photpho 1,68 3,16  Như vậy, phế liệu tôm hàm lượng chitin chiếm cao (từ 11,10 – 27,2%) nguồn nguyên liệu lý tưởng để sản xuất chitin I.4: Nguồn gốc tồn chitin – chitonsan tự nhiên Chitin – chitosan polysaccarit tôn tự nhiên với sản lượng lớn (đứng thứ sau xenluloza) Trong tự nhiên chitin tồn động vật thực vật Trong động vật, chitin thành phần cấu trúc quan trọng vỏ số động vật không xương sống như: côn trùng, nhuyễn thể, giáp xác giun tròn Trong động vật bậc cao monomer chitin thành phần chủ yếu mơ da, giúp cho tái tạo gắn liền vết thương da Trong thực vật chitin thành tế bào nấm họ zygenmyctes, sinh khối nấm mốc, số loại tảo[1] Chitin - chitosan polysacharit có đạm khơng độc, có khối lượng phân tử lớn Cấu trúc chitin tập hợp monosacharit (N-acetyl-β-D-glucosamine) liên kết với Võ Thị Duyên – CNTP3 – K50 Đồ án tốt nghiệp cầu nối glucozit hình thành mạng sợi có tổ chức Hơn chitin tồn trạng thái tự luôn liên kết cộng hóa trị với protein, chất khống hợp chất hữu khác Hình 1: chitin vỏ tơm Trong lồi thủy sản, đặc biệt vỏ tôm, cua, ghẹ hàm lượng chitin – chitosan chiếm cao, dao động từ 14 – 35% so với trọng lượng khơ [2] Vì vậy, vỏ tơm, cua, ghẹ ngn ngun liệu để sản xuất chitin – chitosan Về mặt lịch sử, chitin Braconnot phát vào năm 1821, cặn dịch chiết từ lồi nấm Ơng đặt tên cho chất “Fungine” để ghi nhớ ngn gốc Năm 1823 Odier phân lập chất từ bọ cánh cứng mà ông gọi chitin hay “chiton”, tiếng Hy Lạp có nghĩa vỏ giáp, ơng khơng phát có mặt Nito Cuối Odier Braconnot đến kết luận chitin có dạng cơng thức giống xenlulose Võ Thị Dun – CNTP3 – K50 Đồ án tốt nghiệp Hình 2: 1) chitin; 2) chitosan; 3) xenlulose I.5: Cấu trúc hóa học, tính chất hóa lý chitin I.5.1: Cấu trúc hóa học chitin: Chitin I có cấu trúc tinh thể chặt chẽ đặn Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, người ta chứng minh chitin tồn dạng cấu hình: α, β, γ – chitin [3] Các dạng chitin xếp khác hướng mắt xích (N – acetyl – D – glucosmin) mạch Có thể biểu diễn mắt xích mũi tên cho phần đầu mũi tên nhóm – CH2OH, phần nhóm – NHCOCH3, cầu trúc α, β, γ – chitin mô tả sau: Võ Thị Duyên – CNTP3 – K50 Đồ án tốt nghiệp Hình 3: xếp mạch phân tử chitin α – chitin có cấu trúc mạch xếp ngược chiều đặn, nên liên kết hydro lớp hệ chuỗi, cịn có liên kết hydro lớp chuỗi thuộc lớp kề nên bền vững Do mắt xích xếp đảo chiều, xen kẽ thuậ lợi mặt không gian lượng Đây dạng phổ biến tự nhiên β, γ – chitin mắt xích ghép với theo kiểu song song (β – chitin) hai song song ngược chiều (γ – chitin), lớp khơng có loại liên kết hydro Dạng β – chitin chuyển sang dạng α – chitin nhờ q trình axetyl hóa cho cấu trúc tinh thể bền vững Qua nhiều nghiên cứu thủy phân chitin enzym hay axit HCl đậm đặc người ta thấy chitin có cấu trúc polymer tạo thành từ đơn vị N – acetyl – β – D – glucosamine liên kết với liên kết β – 1,4 – glucozit Công thức cấu tạo chitin: Tê n gọi: poly(1,4) – – acetamido – – deoxy – β – D – glucose; poly(1,4) – – acetamido – – deoxy – β – D – glucopyranose Công thức phân tử: [C8H13O5N]n Phân tử lượng: Mchitin = (203,09)n I.5.2: Tính chất hóa lý chitin [4] Chitin có màu trắng hay màu trắng phớt hồng, dạng vảy dạng bột, không mùi, không vị, không tan nước, mơi trường kiềm, axit lỗng dung mơi Võ Thị Duyên – CNTP3 – K50 10 Đồ án tốt nghiệp Hình 3.5: Ảnh hưởng yếu tố nhiệt độ lượng enzym đến hiệu trình khử protein Bảng 3.3 hình 3.5 cho thấy nồng độ enzym tăng hiệu khử protein tăng Qua nhiều dẫn liệu thực nghiệm cho thấy trình tạo thành phức enzym – chất (ES) biến đổi phức thành sản phẩm giải phóng enzym tự thường trải qua giai đoạn sơ đồ [10]: E+S ES P+E −Giai đoạn thứ nhất: enzym kết hợp với chất liên kết yếu tạo thành phức enzym – chất (ES) không bền, phản ứng xảy nhanh địi hởi lượng hoạt hóa thấp −Giai đoạn thứ hai: xảy biến đổi chất dẫn tới kéo căng phá vỡ liên kết đồng hóa trị tham gia phản ứng −Giai đoạn thứ ba: tạo sản phẩm enzym giải phóng dạng tự Như vậy, với ưu điểm tạo enzym dạng tự giai đoạn thứ ba quay vòng trở lại tiếp tục tham gia phản ứng thủy phân Hơn nữa, với lượng chất không đổi hàm lượng enzym tăng tăng cường xúc tác cho phản ưng thủy phân đạt hiệu Võ Thị Duyên – CNTP3 – K50 32 Đồ án tốt nghiệp cao Tuy nhiên, lượng enzym cho vào cao gây lãng phí Và cần lưu ý rằng, phản ứng nhiệt độ cao thời gian dài làm giảm hoạt lực enzym, làm giảm khả xúc tác enzym Cụ thể so sánh kết thí nghiệm số số 6: điều kiện nhiệt độ 50 C, pH = 9.0 , thời gian thủy phân 90 phút, lượng enzym ml hàm lượng protein cịn lại 16,86 % tăng hàm lượng enzym lên ml hàm lượng protein cịn lại giảm đáng kể 13,7 % Như hàm lượng protein lại giảm 18,74 % III.2.1.2.d.Ảnh hưởng thời gian thủy phân tới trình khử protein Ảnh hưởng thời gian thủy phân tới trình khử protein thể hình 3.6 Hình 3.6: Ảnh hưởng thời gian lượng enzym đến trình khử protein Bảng 3.3 hình 3.6 cho thấy, thời gian thủy phân lâu hiệu thủy phân tốt, hàm lượng protein lại thấp Điều giải thích sau: ban đầu, enzyme tiếp xúc với protein lớp ngồi vỏ tơm, sau thủy phân protein lớp ngoài, liên kết peptit bị cắt đứt, tạo axit amin hòa tan vào dung dịch phản ứng tạo điều kiện cho enzyme tiếp xúc với phân tử protein lớp vỏ Võ Thị Duyên – CNTP3 – K50 33 Đồ án tốt nghiệp tơm Cứ thế, q trình phản ứng tiếp tục diễn Vì vậy, thời gian thủy phân kéo dài khả thủy phân protein tăng So sánh kết thí nghiệm số 14: điều kiện thủy phân 50 0C, pH = 9, lượng enzyme ml, thời gian thủy phân 90 phút hàm lượng protein lại 13,7 % Khi tăng thời gian thủy phân lên 240 phút hàm lượng protein cịn lại 11,85 % Như vậy, hàm lượng protein lại giảm 13,50 % Mặt khác, trình thủy phân liên kết chitin-protein-xianin (astaxanthin liên kết với lipoprotein)-lipit bị khử nên astaxanthin bị tách hỗn hợp phản ứng dạng màu nâu đỏ, lipit tách khuyech tán vào dung dịch Thời gian thủy phân dài, lượng protein bị thủy phân lớn, astaxanthin, lipit tách nhiều, hiệu khử màu, khử lipit cao III.2.1.3 Tối ưu hóa q trình khử protein: Quá trình khử protein tiến hành cho hàm lượng protein cịn lại vỏ tơm sau thủy phân nhỏ Tiến hành giải toán tối ưu hóa theo phương pháp “hàm mong đợi” Sử dụng phần mềm Design Expert 7.1.6 để tiến hành tối ưu hóa nhằm xác định giá trị yếu tố ảnh hưởng mà ta thu hàm lượng protein thấp Tiến hành xây dựng hàm hồi quy bậc cho mục tiêu hàm lượng protein lại (nhỏ nhất) Hàm lượng protein lại: R1 = a0 + a1 A +a2B + a3C + a4D + a12AB + a13AC + a14AD + a23BC + a24BD + a34CD + a11A2 + a22B2 + a33C2 + a44D2 Kiểm tra có nghĩa hệ số tương thích mơ hình tiến hành phân tích hồi quy theo phụ lục 4: - Chuẩn F mơ hình bằng: 32.90 cho thấy hai mơ hình hồn tồn có ý nghĩa thống kê với độ tin cậy 99.99% (p