Ứng dụng Enzyme trong sản xuất giấy

Vớiphương pháp tiên tiến này,vấn đề của thời kì trước đó là thiếu nguyên liệu đã được giải quyếtnhưng vấn đề mới xảy ra: sử dụng quá nhiều nước và hóa chất cho quá trình tẩy trắng giấydẫ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

ĐỀ TÀI

ỨNG DỤNG ENZYME TRONG

SẢN XUẤT GIẤY TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC

PHẨM TP HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

ĐỀ TÀI

ỨNG DỤNG ENZYME TRONG

SẢN XUẤT GIẤYNhóm sinh viên thực hiện

Mục lục

Mở đầu 4

I. Đặt vấn đề 5

II. Qui trình sản xuất giấy 5

III. Vật liệu và phương pháp 8

1. Lipase 8

a. Cấu tạo 8

b. Tính chất vật lí 10

c. Tính chất hóa học 10

d. Ứng dụng 10

2. Laccase 11

a. Cấu tạo 11

b. Tính chất vật lí 12

c. Tính chất hóa học 13

d. Ứng dụng 13

IV. Kết quả 15

V. Thách thức ảnh hưởng đến việc thực hiện ứng dụng enzyme vào trong sản xuất giáy ở qui mô công nghiệp 18

Tài liệu tham khảo 19

MỞ ĐẦU

Giấy là thứ thiết yếu trong cuộc sống hàng ngày của xã hội loài người chúng ta Trướckhi phát minh ra giấy, con người đã ghi chép lại các văn kiện là các hình vẽ trong các hangđộng hoặc khắc lên các tấm bia bằng đất sét, và sau đó nữa là người ta dùng da để lưu trữ cácvăn kiện.Giấy là một sản phẩm của nền văn minh nhân loại với lịch sử lâu đời hàng nghìnnăm Từ thời cổ đại, người Ai Cập đã biết làm ra giấy từ sợi của cây Papyrus mọc bên bờsông Nile

Lúc đầu phương pháp sản xuất giấy khá đơn giản: người ta nghiền ướt các nguyênliệu từ sợi thực vật (như gỗ, tre, nứa ) thành bột nhão rồi trải ra từng lớp mỏng và sấy khô.Nhờ quá trình này các sợi thực vật sẽ liên kết với nhau tạo thành tờ giấy Nhiều thế kỷ trôiqua, mãi đến giữa thế kỷ thứ 8 phát minh này của người Trung Hoa mới được phổ biến đếncác nước Hồi giáo ở Trung Á Sau đó, quy trình sản xuất giấy được du nhập vào châu Âu.Đến thế kỷ 14 các xưởng sản xuất giấy đã xuất hiện ở Tây Ban Nha, Italia, Pháp và Đức Khi

đó giấy được sản xuất bằng phương pháp thủ công, nguyên liệu là bông và vải lanh vụn Vàsau vài thế kỉ thì phương pháp sản xuất giấy bằng phương pháp công nghiệp ra đời Vớiphương pháp tiên tiến này,vấn đề của thời kì trước đó là thiếu nguyên liệu đã được giải quyếtnhưng vấn đề mới xảy ra: sử dụng quá nhiều nước và hóa chất cho quá trình tẩy trắng giấydẫn đến khó khăn trong việc xử lí nguồn nước thải của các nhà máy giấy

Để giải quyết vấn đề bất cập này, các nhà nghiên cứu đã tìm ra giải pháp mới là sử

dụng enzyme để loại bỏ mực và tẩy trắng giấy Đề tài “Ứng dụng enzyme trong công nghiệp

sản xuất giấy” sẽ trình bày phương pháp sử dụng hai loại enzyme lipase và laccase trong

việc khử mực thực vật và tẩy sáng từ các nguyên liệu thô

“ Hãy để hành tinh chúng ta xanh, màu xanh của những rừng cây bát ngát, không phải màu xanh của đại dương bao la.”

I Đặt vấn đề:

Trong cuộc sống, giấy là sản phẩm cần thiết và là ngành sản xuất đóng vai trò trọngyếu, đóng góp đáng kể cho sự phát triển kinh tế thế giới Tái chế giấy báo cũ đã trở thành bắtbuộc đối với ngành công nghiệp giấy và bột giấy vì mang lại nhiều lợi ích cho doanh nghiệp

và xã hội như giảm khai thác tài nguyên, giảm đi việc chặt phá rừng Riêng với các doanhnghiệp, việc tận dụng phế liệu giấy để sản xuất giúp giảm chi phí do giá thành phế liệu thấp,giảm thiểu chi phí để xử lý so với việc phát thải phế liệu ra môi trường

Nguồn phế liệu có thể là giấy tờ cũ, báo cũ,giấy lụa nhưng vấn đề loại bỏ mực tạothành trở ngại kỹ thuật chính để chuyển đổi nguyên liệu thô này thành sản phẩm chất lượng.Sợi thứ cấp đòi hỏi phải khử, để đảm bảo chất lượng có thể cạnh tranh với sợi nguyên chất

Vì thế, chất lượng sợi tái chế vẫn là một vấn đề cần giải quyết và vẫn là mục tiêu chính củanhiều dự án nghiên cứu Khi nhắm đến các quá trình khử mực hiệu quả và thân thiện với môitrường, enzyme hỗ trợ loại bỏ mực là một thay thế tiềm năng, điển hình là enzyme lipase vàlaccase được đánh giá cao

II Quy trình sản xuất giấy:

Để bắt đầu sản xuất giấy theo phương pháp công ngiệp thì ta cần phải có gỗ Gỗ chính

vị cứu tinh của giấy Khi tìm ra gỗ, con người cũng thời tìm ra sợi cellulose, đây là một loạichất có trong gỗ và rơm rạ Nói chung cái gì có sợi cellulose là có thể là nguyên liệu sản xuấtgiấy Nhưng không phải vật liệu nào cũng có thể làm giấy tốt được, những loại gỗ dưới đâythường được dùng để làm giấy chất lượng cao

• Bạch đàn (Cây khuynh diệp)

Ngoài gỗ hay các loại thực vật có chứa sợi cellulose thì giấy cũ cũng là một nguyênliệu chính để sản xuất giấy hiện nay

Quy trình sản xuất:

- Đầu tiên là làm bột gỗ Bột gỗ sẽ được được tạo ra từ 2 quá trình xử lý cơ học và

xử lý hóa học

- Sau đó xử lý cơ học

• Bột gỗ mài trắng: được mài từ gỗ đã được bóc vỏ trong các máy mài gỗ

• Bột gỗ mài nâu: hình thành khi các cuống cây được thấm ướt trong các nồi nấutrước khi được mài

• Bột nhiệt cơ: được sản xuất từ phế liệu gỗ được băm nhỏ và vỏ bào của các xưởngcưa Theo phương thức TMPhay “bột nhiệt cơ”, chúng được làm thấm ướt ở

130 °C Sau đó nước được thêm vào và các miếng gỗ này được nghiền trong cácmáy nghiền

Xử lý bột gỗ trước khi dùng để sản xuất giấy

- Bột giấy được nghiền trong các máy nghiền trước khi đưa qua máy giấy Bên trongmáy nghiền dung dịch bột giấy đậm đặc chảy qua giữa một trục lăn có dao và cácdao gắn cố định Sợi sẽ được cắt hay ép tùy theo các điều chỉnh dao

- Giai đoạn kéo giấy

Giấy được tạo thành tấm trên máy kéo giấy Dung dịch bột giấy,sau khi được làm sạchnhiều lần chảy lên mặt lưới Trên lưới này phần lớn nước chảy thoát đi và cấu trúc của tờgiấy bắt đầu thành hình Bên dưới lưới có đặt máy hút nước để giúp thoát nước Giấy sảnxuất công nghiệp có hai mặt: mặt lưới và mặt láng, các sợi giấy hầu như đều hướng về một

chiều: chiều chạy của lưới Sau đó giấy được ép rồi đưa qua phần sấy tiếp theo là được ép vàcuộn tròn Sau giai đoạn này thì giấy được đem đi cắt theo tỉ lệ mà thị trường có nhu cầu.

Hình 1 Qui trình sản xuất giấy trong công nghiệp

III. Quy trình tẩy trắng giấy:

Tẩy trắng bột giấy là quá trình loại bỏ các chất mang màu còn lại trong bột saunấu hoặc dưới tác dụng cơ - nhiệt - hóa khi nghiền và tách sợi trong sản xuất bột cơ.Chất mang mầu chủ yếu trong các loại bột hóa chưa tẩy trắng là lignin còn lại, haychính xác hơn là các nhóm mang màu (chromoform) của lignin, chủ yếu là cácnhóm quinon Chúng là sản phẩm của các biến đổi hóa học phức tạp của lignintrong quá trình nấu Tính chất của các nhóm mang mầu này chủ yếu phụ thuộc vàophương pháp sản xuất (nấu hay nghiền, .), quy trình công nghệ và dạng nguyên

Giấy táisinh

Nghiền bột

Phân loại

Gỗ

Khử mựcTước vỏ

GiấyXeo giấy

Nghiền bột cơ học

Tẩy trắngĐập đập

Nghiền bột hóa học

liệu Về phương diện hóa học, nhiệm vụ của quá trình tẩy trắng là dùng các tácnhân hóa học (các chất có tính oxy hóa - khử, các chất có khả năng thay đổi tínhchất của lignin) để phân hủy lignin, thay đổi cấu tạo hóa học của các nhóm phátmầu, loại bỏ các gốc trợ mầu hoặc ngăn chặn các gốc phát mầu và trợ mầu liên hợpvới nhau Nhìn chung, các giải pháp kỹ thuật tẩy trắng đến nay vẫn chưa hoàn thiện, vì vậy ởmức độ nào đó tẩy trắng thường kéo theo các tác động oxi hóa hay thủy phân của các chất tẩyđối với xenluloza và hemixenluloza, gây ra sự biến đổi các tính chất lý-hóa học của nó Việcthay đổi các tính chất này một cách có mục đích theo công dụng của bột tẩy trắng, song songvới mục tiêu đạt độ trắng cao và ổn định là một trong những nhiệm vụ cơ bản nhất của quá

chọn các điều kiện tiến hành từng công đoạn riêng biệt như nồng độ bột, mức dùng

và nồng độ chất tẩy, nhiệt độ, pH của môi trường, … Đặc biệt, khi sản xuất các loạibột tẩy trắng sử dụng cho chế biến hóa học cần điều chỉnh nghiêm ngặt các điềukiện tẩy trắng với mục đích đáp ứng tất cả các tính năng sử dụng của nó Chẳnghạn, khi sản xuất bột viscoza sunfit cần phải tiến hành tẩy trắng bột sao cho bột tẩy trắng có

độ tro và hàm lượng nhựa thấp, hàm lượng α-xenluloza cao, độ nhớt thấp

và có giá trị nhất định, có hàm lượng pentozan thấp, …Như vậy, nhiệm vụ của quá trình tẩy trắng bột giấy bao gồm: tăng độ trắng;tách loại lignin ra khỏi bột hay thay đổi cấu trúc hóa học của nó; tạo cho bột tẩytrắng các tính chất lý hóa học nhất định theo mục đích sử dụng

Tâm hoạt động của lipase là bộ ba: Serine, Histidine và Aspartate/Glutamate Phía trêntrung tâm hoạt động có vùng kỵ nước được hình thành sau khi lipase được hoạt hóa Ngoạitrừ các điểm chung về khả năng xúc tác thông dụng thì lipase từ những nguồn khác nhau córất ít điểm chung ở cấp độ amino acid Do đó, sự hiện diện của serine ở tâm hoạt động đượcxem là có tính bảo tồn cao và thường xuất hiện trong chuỗi pentapeptide Gly – Xaa – Ser –Xaa – Gly.

Là enzyme cacboxulesterase tham gia thủy phân gluceride Tùy thuộc nguồn thu nhận

và tính chất mà người ta chia enzyme ra thành nhiều loại:

+ Pancreatic lipase

+ Pregastric lipase

+ Lipase từ VSV

b. Tính chất vật lý:

Lipase chiết xuất từ tụy tạng bị mất hoạt tính ở 40oC, nhưng một số lipase ở vi sinh vậtlại có tính bền nhiệt pH ảnh hưởng mạnh đến hoạt động lipase giúp tang cường quá trìnhthủy phân Tỉ lệ loại bỏ tốt nhất đòi hỏi độ pH trên 8

Enzyme lipase hoạt động không cần cofactor, tuy nhiên sự hiện diện của một số cáccation kim loại như Ca2+,Na+ sẽ làm tăng hoạt tính của lipase Hoạt tính của lipase sẽ bị bấthoạt bởi Co2+,Ni2+,Hg2+ và Sn2+ , bị kìm hãm nhẹ bởi Zn2+ và EDTA

c. Tính chất hóa học:

Enzyme Lipase là Enzyme thủy phân chất béo có nhiệm vụ phá vỡ cấu trúc chất béobên trong các tế bào của những cơ quan khác nhau cũng như tạo điều kiện cho sự di chuyểncủa lipit từ cơ quan này sang cơ quan khác Một khía cánh quan trọng của hệ enzyme thủyphân chất béo là chúng chỉ xúc tác cho các phản ứng lý hóa tại bề mặt tiếp xúc giữa hai phabéo-nước nhờ cơ chế hấp phụ bề măt Sự gia tăng hoạt tính xuất hiện khi một phần cơ chấttan trong nước trở thành cơ chất không tan trong nước

Giấy in báo cũ và tạp chí cũ sử dụng loại mực thực vật sản xuất chủ yếu từ đậu tương

và dầu hạt lanh Dầu đậu nành thường được ưa thích do khả năng tương thích với hệ thốngmực và giá thấp hơn Mực dầu thực vật được sấy khô khi các liên kết chéo trong chất kếtdính với giấy được hình thành bởi các axit béo của dầu Sự thay đổi độ sáng và nồng độ mựccòn lại được lipase kiềm loại bỏ các loại mực gốc dầu còn sót lại, số lượng bụi bẩn

⮚ Thu nhận lipase:

Ba chủng ( TE 135, TE 208 và P.aeruginosa ) có hàm lượng lipase cao nhất được nuôi

dưỡng trong 2-5 ngày trong môi trường 500ml ở bình Fernbach 2.8 lít hoặc bìnhErlenmeyer 2,5 lít Các môi trường nuôi cấy được ly tâm ở tốc độ 10000 vòng/phút trong 30phút Hàm lượng Lipase nổi ở trên mặt được ly trích và đông khô, hòa tan trong dung dịchđệm 50ml phosphate 0.05M ở pH=7 và bảo quản ở 5oC Hoạt tính lipase được xác định ở

37oC bằng cách sử dụng p-nitrophenyl palmitate làm cơ chất và độ pH tối ưu của các chếphẩm lipase thay đổi từ 6 đến 8 Độ ổn định nhiệt độ của lipase được ủ trong 1 giờ ở nhiệt

độ thay đổi từ 40oC đến 70oC

⮚ Sử dụng enzyme:

Trước khi nghiền, giấy cũ được ngâm trong nước máy trong 1 tiếng tại phòng nhiệt độ

và chuyển đến hệ thống phát triển sinh học để phân rã Quá trình phân rã được thực hiệntrong 60 phút ở 6% độ đặc và 600 rpm Một phần giấy tan rã được lưu trữ ở 5oC Phần cònlại được pha loãng đến 7.5% với nước máy Tất cả mẫu được xử lý bằng chất hoạt động bềmặt trung tính và NaSiO3 Sau khi thêm hóa chất khử mùi, độ pH được điểu chỉnh bằng cáchthêm NaOH hoặc HCL 1M

Quy trình tuyển nổi bột giấy - tách các chất lơ lửng, chất hoạt tính bề mặt, dầu mỡtiến hành trong một tế bào tuyển nổi Leeds ở 50oC trong 5 phút Lúc đó, độ đặc của huyềnphù giấy là 0.55% và axit oleic 0.3% được thêm vào pH bột giấy được điều chỉnh thành 9.0

và thêm vào 80ppm canxi clorua Sau bước tuyển nổi, độ pH được điều chỉnh thành 5.0 vàhuyền phù được làm đặc hơn Phần bột giấy nổi lên được tiếp tục tẩy trắng bằng 3%peroxide, 3% natri hydroxit Tiếp theo, giai đoạn tẩy trắng được tiến hành ở 70oC, trong 3 giờvới độ đồng nhất là 12% Bột giấy sau khi tẩy trắng được pha loãng đến 1% và trung hoà ở

pH 5.5

⮚ Khảo sát sự thủy phân của lipase:

Để khảo sát sự thủy phân của các axit béo , mẫu sẽ được chiết xuất bằngclorofirm/metanol 1:2 Các axit béo tự do được phân tích bằng sắc ký khí ( Chrompack CP

9002 ) được trang bị dụng cụ lấy mẫu chất lỏng CP 9050 Các mẫu ở thể tích 1.5ml đượctiêm ở chế độ không phân chia vào CP-wax-58 (FFAP) , cột mao quản pha trộn silica25mx0.32mm Nhiệt độ cổng phun là 275oC và thời gian thanh lọc là 0.5 phút với một lưulượng khí 70ml Nhiệt độ tăng từ 45oC đến 240oC , mỗi lần tăng ít nhất 35oC và được giữtrong 130 phút Sản phẩm có độ giữ ở thời gian 29,84,45,46,49,10 và 55 ,12 phút được xácđịnh là axit hexadecanoic ( C16) , axit octadecanoic ( C18), axit ocata-6-enoic ( C18:1) vàoctadeca-9:12-axit dienoic ( C18-2)

2. Laccase:

a. Cấu tạo:

Laccase là các enzyme oxyase có chứa đồng được tìm thấy trong nhiều loại thực vật,nấm và vi sinh vật Laccase hoạt động trên phenol và các chất tương tự, thực hiện quá trìnhoxy hóa một electron, dẫn đến liên kết ngang Ezyme này chứa 153030% carbohydrate và cókhối lượng phân tử là 60 sắt 90 kDa Khác với phần lớn các enzyme khác, laccase có phổ cơchất rất đa dạng, bao gồm diphenol, polyphenol, các dẫn xuất phenol,diamine, amine thơm,benzenethiol, PCB (Polychlorinated biphenyl), dioxin và cả các hợp chất vô cơ như iot.Cácloại enzyme laccase tách chiết từ các nguồn khác nhau rất khác nhau về mức độ glycosyl hóa,

khối lượng phân tử và tính chất động học Phân tử laccase thông thường bao gồm 3 tiểu phầnchính A,B,C có khối lượng tương đối bằng nhau, cả 3 phần đều có vai trò trong quá trình xúctác của laccase.Vị trí liên kết với cơ chất nằm ở khe giữa vùng B&C,trung tâm 1 nguyên tửđồng nằm ở vùng C và trung tâm 3 nguyên tử đồng nằm ở bề mặt chung của vùng A vàC.Trung tâm vùng 1 chỉ chứa 1 nguyên tử đồng T1,liên kết với 1 đoạn peptide có 2 gốchistidine và 1 gốc cystein.Liên kết giữa nguyên tử đồng T1 với nguyên tử S của cystein làliên kết đồng hóa trị bền và hấp thụ ánh sáng ở bước sóng 600 nm,tạo cho laccase có màuxanh nước biển đặc trưng.Trung tâm có 3 nguyên tử đồng:gồm 1 nguyên tử đồng T2 và cặpnguyên tử đồng T3.Nguyên tử đồng T2 liên kết với 2 gốc histidine bảo thủ trong khi cácnguyên tử đồng T3 thì tạo liên kết với 6 gốc histidine bảo thủ Nguyên tử đồng T2 có tínhchất hấp phụ điện tử và tạo thành phổ điện tử mạnh, trong khi cặp nguyên tử đồng T3 khôngtạo phổ hấp thụ điện tử, và có thể được hoạt hóa khi liên kết với anion mạnh.

Hình: Cấu trúc 3d của enzyme laccase

b. Tính chất vật lý:

Laccase chủ yếu là glycoprotein monomeric, dimeric và tetrameric Glycosyl hóa đóng một vai trò quan trọng trong việc giữ đồng, ổn định nhiệt, dễ bị phân hủy protein và bài tiết Sau khi tinh chế, các enzyme laccase thể hiện tính không đồng nhất đáng kể Thành phần glycosyl hóa và thành phần của glycoprotein thay đổi theo thành phần môi trường tăng trưởng.Xúc tác qua trung gian laccase có thể được mở rộng thành chất nền không phenol bằng cách chèn các chất trung gian.

c. Tính chất hóa học: