Đối với T. reesei CBH II, lõi protein có tâc dụng phâ vỡ cấu trúc vi sợi của cellulose. Sản phẩm thủy phđn của CHB I giữ nguyín cấu trúc lập thể của C1(C chứa nhóm OH hemiacetal), trong khi đó CBH II tạo sự nghịch đảo cấu hình của C1 thănh đồng phđn α. Cellulase có nguồn gốc từ câc giống nấm mốc khâc cũng như từ vi khuẩn đều có cấu trúc tương tự.
2.2.2.5 Cơ chế quâ trình thủy phđn
Quâ trình tâc dụng thủy phđn của cellulase có thể chia thănh những giai đoạn sau
a) Q trình hấp phụ enzyme lín xơ sợi
Có hai yếu tố quyết định năng lượng hấp phụ của protein lín bề mặt phđn pha rắn/lỏng lă bản chất của bề mặt vă lực liín kết giữa câc phđn tử. Những tương tâc năy thường khơng mang bản chất cộng hóa trị, nói câch khâc, câc tương tâc năy thường tạo thănh do liín kết hydro, lực tĩnh điện hoặc lă tương tâc giữa câc nhóm kỵ nước. Câc phđn tử protein hay câc ion khối lượng phđn tử thấp đê hấp phụ trước trín bề mặt sẽ có ảnh hưởng đến sự hấp phụ mới. Lực tĩnh điện góp phần văo việc hấp phụ của protein (enzyme) lín bề mặt phđn pha, tuy nhiín khơng phải lă yếu tố quyết định quâ trình hấp phụ của protein. Protein lă một polymer lưỡng cực, chứa cả điện tích dương vă đm, điều năy lăm cho protein có bản chất của một phđn tử hoạt động bề mặt. Phần kỵ nước trong phđn tử protein lă những nhóm chứa nhđn thơm như trong tryptophane, phenylalanine vă tyrosine.
Thông thường, khi phđn tử protein bị gấp khúc, câc aminoacid mang nhóm kỵ nước sẽ được giấu văo bín trong. Tuy nhiín, cũng có một văi phần kỵ nước được sắp xếp tại bề mặt ngoăi của phđn tử protein. Chính câc phần năy tạo liín kết với câc cơ chất mang bản chất kỵ nước nhờ văo tương tâc giữa câc phần kỵ nước vă liín kết hydro. Âi lực của protein sẽ tăng khi bản chất kỵ nước trong phđn tử protein tăng mặc dù điều năy sẽ ảnh hưởng tới tương tâc tĩnh điện. Một câch tổng quât, sự hấp phụ của phđn tử protein lín bề mặt kỵ nước lă bất thuận nghịch hơn sự hấp phụ lín bề mặt ưa nước. Điều năy bởi vì phđn tử protein sẽ có một văi thay đổi một khi đê hấp phụ lín bề mặt kỵ nước. Bề mặt cellulose mang bản chất kỵ nước do giữa câc mạch tạo liín kết hydro (khơng cịn nhóm phđn cực tự do). Cellulose tinh khiết khơng chứa nhóm mang điện. Trong thực tế, điện tích bề mặt của câc chất sẽ được tạo thănh khi có sự phđn bố câc ion từ bề mặt đó.
Ví dụ câc bề mặt tiếp xúc với nước thường mang điện đm. Câc nghiín cứu về q trình tiền xử lý – nổ hơi cho thấy sau q trình năy, tính chất kỵ nước của cơ
chất (được đo bằng thời gian giọt nước thấm văo vật liệu Water drop penetration time WDPT) tăng.
Tùy thuộc văo tính chất của protein vă bề mặt hấp phụ mă tương tâc điện tích – địín tích hay tương tâc của câc nhóm kỵ nước sẽ đóng vai trị quyết định cho q trình. Ví dụ trong một nghiín cứu về enzyme protease, khi thay đổi một nhóm ưa nước mang điện tích dương - lysine bằng một amino acid kỵ nước, không mang điện – phenylalanine, người ta nhận thấy khả năng hấp phụ của enzyme năy lín bề mặt ưa nước cũng như kỵ nước đều giảm. Điều năy cho phĩp kết luận, trong trường hợp của protease, lực tương tâc tĩnh điện có tâc dụng chủ yếu đối với q trình hấp phụ của enzyme. Điện tích của cellulase vă sự hiện diện của nhóm khơng phđn cực có thể dẫn đến sự hấp phụ khơng chọn lọc lín cả cellulose vă lignin. Nhiều nghiín cứu đê chỉ ra rằng, cellulase hấp phụ lín cả lignin trong vật liệu lignocellulose. Ngoăi ra, đối với β-glucosidase khơng giống câc enzyme cellulase khâc, khơng có trung tđm tạo liín kết CBD, enzyme năy hấp phụ khâ mạnh lín lignin đê được tâch riíng.
Rất cần thiết hạn chế tối đa việc hấp phụ không chọn lọc của cellulase lín lignin nếu muốn ứng dụng q trình thủy phđn enzyme một câch kinh tế. Về mặt lý thuyết, cơng nghệ protein có thể lăm thay đổi cấu trúc của cellulase để lăm cho enzyme năy hấp phụ chọn lọc hơn. Tuy nhiín, khả năng hấp phụ của cellulase lín vùng cellulose kết tinh lă yếu tố quan trọng trong quâ trình thủy phđn, vì vậy câc tâc động lín cấu trúc cần được trânh. Hiện tại, vẫn chưa có nghiín cứu năo thănh cơng trong việc thay đổi chuỗi amino acid của cellulase để lăm cho enzyme năy thủy phđn vật liệu lignocellulose hiệu quả hơn.
b) Q trình tạo liín kết giữa cellulase vă cellulose
Hình 2.18.Q trình tâc động của cellobiohydrolase lín đầu vùng kết tinh của cellulose
Hình 2.17 mơ tả liín kết của CBH với cellulose. Trung tđm tạo liín kết của cellulase lăm phâ hủy một phần cấu trúc chặt chẽ của câc mạch cellulose. Sau đó, câc mạch năy sẽ được dẫn văo vùng trung tđm hoạt động của cellulase. Quâ trình dẫn năy xảy ra nhờ sự hiện diện của mạch peptide ưa nước, khu vực năy sẽ tạo câc liín kết hydro bao bọc sợi cellulose, nhằm trânh sự xđm nhập quâ sđu của CBD văo bề mặt cellulose.
Cellulase tương tâc với bề mặt cellulose thông qua trung tđm liín kết cellulose CBD vă trung tđm hoạt động chính CD. Cellulase tạo được liín kết với cellulose lă nhờ văo trung tđm tạo liín kết CBD. Đối với câc chủng T. reesi, CBD lă trung tđm gồm câc phđn tử nhỏ, gồm 36 amino acid. Thơng thường, trung tđm liín kết có 3 amino acid tyrosine, chịu trâch nhiệm cho việc liín kết với cellulose. Trong CBH I, một tyrosine bị thay bằng tryptophane.Khâc biệt trong cấu trúc của câc loại enzyme (CBH I, CBH II, EG …) sẽ dẫn đến âi lực khâc nhau trong quâ trình hấp phụ của câc enzyme năy lín cơ chất. Đê có nhiều nghiín cứu về cấu trúc của câc enzyme vă sự liín hệ đến khả năng tạo liín kết với cellulose. Cụ thể số lượng câc amino acid có tính khơng phđn cực cao (tyrosine, phenylalanine, tryptophan) nằm trong trung tđm hoạt động lă bằng nhau đối với CBH I vă CBH II (5 vă 6 nhóm). Trong khi đó, số lượng câc amino acid khơng phđn cực trong trung tđm hoạt động của CBH II cao hơn. Điện tích bề mặt của câc enzyme cũng rất khâc biệt. Ví dụ, đối với trung tđm tạo liín kết CBD, CBH II có thể có tương tâc tĩnh điện vì có aspartic
acid ở vị trí 30, trong khi đó CBH I vă EGII khơng có tính chất năy vì ở vị trí 30 lă proline
Tyrosi Phenly Tryptoph Acid
Q trình hấp phụ của CBH I khơng bị ảnh hưởng của liín kết tĩnh điện giữa bề mặt cơ chất vă enzyme. Ngược lại, CBH II có chịu ảnh hưởng của lực tĩnh điện.
C) Cơ chế tâcđộng hiệpđồng của câc enzyme.
Từ những năm 1954, Gilligan vă Reese đê chỉ ra rằng việc pha trộn cellulose từ câc nguồn nấm mốc khâc nhau có thể lăm tăng lượng đường khử tạo thănh trong quâ trình thủy phđn. Từ lúc đó, nhiều nghiín cứu đê được tiến hănh nhằm mơ tả q trình tâc động hiệp đồng của câc enzyme endo, exo cellulase.
Hình 2.19.Cơ chế tâc động hiệp đồng của enzyme exo-endo vă endo-endo. Enzyme
endoglucanase tấn cơng ngẫu nhiín văo cellulose vă tạo cơ chất thích hợp cho enzyme
Nghiín cứu về tâc động hiệp đồng của endo-exo cơng bố đầu tiín văo năm 1980.
Khâi niệm endo-exo được mơ tả trong hình 2.19.Sự tâc động hiệp đồng của endo-exo có thể nói lă nhằm mục đích tạo bề mặt tấn cơng mới cho exoglucanse. Enzyme exo thường tấn công văo những cellulose đê bị cắt mạch (cellodextrin) có
đầu lă nhóm khử (C chứa OH hemiacetal) hoặc khơng khử. Trong khi đó, enzyme endo lại tấn cơng ngẫu nhiín văo giữa mạch cellulose, tạo thănh câc cellodextrin, lă câc cơ chất thích hợp của enzyme exo. Exoglucanase có những loại enzyme tấn cơng đặc trưng tùy theo tính chất khử được hay khơng khử được của nhóm đầu mạch. Thật vậy, theo những nghiín cứu của Teeri vă cộng sự, nhóm khử đầu mạch của cellodextrin sẽ được định hướng văo trung tđm xúc tâc của CBH I. Trong khi đó, CBH II lại ưu tiín tấn cơng văo đầu khơng có nhóm khử của cellodextrin.Ngoăi ra, cũng có nhiều nghiín cứu về sự tâc động hiệp đồng của câc enzyme endo, exo có nguồn gốc nấm mốc vă vi khuẩn. Dựa trín câc nghiín cứu năy, enzyme celluase có thể được pha trộn với câc thănh phần từ câc nguồn khâc nhau nhằm tạo được một hệ enzyme có tâc động mong muốn.
Hinh 2.20.Tóm tắt q trình thủy phđn có thể được tóm tắt trong hình sau
- Enzyme endo-cellulase tấn cơng ngẫu nhiín văo mạch cellulose nhờ tạo liín kết bằng tương tâc giữa CBD với cellulose, tạo thănh câc oligosaccharide.
- Enzyme exo – cellulase tấn công văo cellulose vă cả oligomer từ đầu đường khử vă không khử thông qua tường tâc của CBD với cellulose, tạo thănh cellobiose,
cảglucose.
- β-glucosidase tấn công cellobiose vă oligosaccharide tan, tạo glucose.
2.2.2.6 Câc yếu tố ảnh hưởng quâ trình thủy phđn.a) Ảnh hưởng của cấu trúc nguyín liệu a) Ảnh hưởng của cấu trúc nguyín liệu
Cấu trúc tự nhiín của lignocellulose tạo ra nhiều cản trở đến q trình tấn cơng của câc tâc nhđn thủy phđn. Ngay cả quâ trình thủy phđn cellulose tinh khiết, tốc độ thủy phđn cũng giảm theo thời gian. Tốc độ phản ứng giảm dần theo thời gian vì một số lý do sau: sự ức chế enzyme do sản phẩm, sự giảm của câc phần cơ chất dễ thủy phđn, enzyme bị bất hoạt hoặc bị giữ lại trong câc lỗ xốp của cellulose.
Hiệu suất quâ trình thủy phđn bị ảnh hưởng mạnh bởi tính chất của nguồn nguyín liệu. Một câch tổng quât, gỗ mềm thường khó thủy phđn hơn gỗ cứng. Cấu trúc của nguyín liệu vă cơ chế tâc động của enxyme vă cơ chất lă hai yếu tố chính lăm hạn chế hiệu suất q trình thủy phđn.
Khả năng tiếp cận vật liệu lignocellulosic của cellulase đóng vai trị quan trọng trong q trình thủy phđn. Cellulose có bề mặt trong vă ngoăi, bề mặt ngoăi bao gồm bề mặt bao quanh câc xơ sợi, bề mặt trong lă bề mặt do câc mao quản bín tron xơ sợi tạo thănh. Nếu cellulose không được tiền xử lý, hiệu quả thủy phđn thấp. Xử lý loại bỏ hemicelluose (bằng tiền xử lý acid) sẽ lăm tăng khả năng thủy phđn cellulose (theo nghiín cứu của Grohmann). Grethlein đê giải thích rằng loại bỏ hemicellulose sẽ lăm tăng cấu trúc xốp đồng thời tăng bề mặt cellulose, lăm cho enzyme dễ tấn cơng hơn. Kích thước của câc lỗ xốp lại liín quan đến độ trương nở của vật lịíu. Thật vậy, nhiều nghiín cứu đê chỉ ra rằng, khi lăm khơ vật liệu lignocellulose, câc mao quản sẽ bị mất đi, điều năy lăm giảm kích thước lỗ xốp vă vì vậy hiệu suất quâ trình thủy phđn giảm rõ rệt. Hăm lượng vă sự phđn bố của lignin trong cấu trúc vật liệu có ảnh hưởng tới khả năng thủy phđn của vật liệu đó. Hiệu suất thủy phđn thu được khâ cao đối với câc nguyín lịíu đê được loại bỏ gần hết lignin.
b) Ảnh hưởng của nhiệt độ
bằng enzyme cellulase chịu ảnh hưởng lớn của nhiệt độ. Tốc độ phản ứng thủy phđn tăng theo nhiệt độ, tuy nhiín đến một nhiệt độ nhất định, tốc độ phản ứng sẽ giảm dần vă đến mức triệt tiíu.
Hình 2.21.Tốc độ phản ứng enzyme theo nhiệtđộ
Người ta thường sử dụng hệ số nhiệt Q10để biểu thị ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng. Nhiệt độ tương ứng với tốc độ phản ứng enzyme cao nhất được gọi lă nhiệt độ tối ưu. Phần lớn enzyme hoạt động mạnh nhất ở nhiệt độ 40 – 50oC. Riíng đối với enzyme cellulase, nhiệt độ tối ưu lă 50oC. Những enzyme khâc nhau đều có nhiệt độ tối ưu khâc nhau.
Nếu đưa nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tối ưu, hoạt tính enzyme sẽ bị giảm, khi đó enzyme khơng có khả năng phục hồi hoạt tính. Ngược lại khi ở nhiệt độ 0oC, enzyme bị hạn chế hoạt động rất mạnh, nhưng khi đưa nhiệt độ lín từ từ, hoạt tính của enzyme sẽ tăng dần đều đến mức tối ưu. Khi nhiệt độ cao thường gđy cho enzyme mất hoạt tính. Phản ứng vơ hoạt của enzyme dưới tâc dụng của nhiệt thường biểu diễn lă phản ứng bậc một.
c) Ảnh hưởng của pH
PH môi trường thường ảnh hưởng đến mức độ ion hóa cơ chất, enzyme vă đặc biệt ảnh hưởng đến độ bền của enzyme. Chính vì thế pH có ảnh hưởng rất mạnh đến phản ứng của enzyme. Ảnh hưởng đó được trình băy trong hình
Hình 2.22.Ảnh hưởng của pH
Nhiều enzyme hoạt động rất mạnh ở pH trung tính. Tuy nhiín cũng có nhiều enzyme hoạt động ở mơi trường acid yếu. Một số enzyme khâc lại hoạt động mạnh ở pH kiềm vă cả pH acid. Đối với enzyme cellulase, khoảng pH thích hợp lă 4-5, trong đó tốt nhất lă 4.8.
d) Nồngđộ enzyme
Hình 2.23.Ảnh hưởng của nồngđộ enzyme
Khi nồng độ enzyme tăng, tốc độ phản ứng tăng theo đường thẳng. Tuy nhiín, khi nồng độ enzyme đạt đến một ngưỡng năo đó, nồng độ cơ chất sẽ trở thănh yếu tố hạn chế tốc độ phản ứng. Khi đó, tốc độ phản ứng sẽ khơng tăng nữa mă lă một đường nằm ngang như trong hình vẽ.
e) Ảnh hưởng của nồngđộ cơ chất
Khi nồng độ cơ chất tăng, tốc độ phản ứng enzyme tăng, vì sẽ có nhiều cơ chất vă chạm với enzyme tiến hănh phản ứng. Khi nồng độ cơ chất đủ lớn, câc enzyme bị bêo hịa cơ chất, vì vậy, tăng nồng độ cơ chất thì tốc độ phản ứng sẽ khơng thay đổi đâng kể.
f) Ảnh hưởng của câc chất kìm hêm
Câc chất kìm hêm hoạt động của enzyme thường lă câc chất có mặt trong câc phản ứng enzyme, lăm giảm hoạt tính enzyme nhưng lại khơng bị enzyme lăm thay đổi tính chất hóa học, cấu tạo hóa học vă tính chất vật lý của chúng.
Câc chất gđy kìm hêm hoạt động của enzyme bao gồm câc ion, câc phần tử vô cơ, câc chất hữu cơ vă cả protein. Câc chất kìm hêm có ý nghĩa rất lớn trong điều khiển câc quâ trình trao đổi ở tế băo sinh vật.
Cơ chế kìm hêm của câc chất kìm hêm có thể lă thuận nghịch hoặc khơng thuận nghịch. Trong trường hợp câc chất kìm hêm thuận nghịch, phản ứng giữa enzyme vă chất kìm hêm sẽ nhanh chóng đạt được cđn bằng.
trong đó E – enzyme, I – chất kìm hêm k1, k2 hằng số vận tốc phản ứng thuận nghịch.
Trong trường hợp phản ứng ức chế lă không thuận nghịch, hằng số k2 sẽ rất nhỏ vă khơng đâng kể. Ở đđy, câc chất kìm hêm kết hợp với enzyme bằng liín kết cộng hóa trị. Ngoăi ra câc chất kìm hêm cịn kết hợp với enzyme bằng một cơ chế khâc mă đến nay câc nhă khoa học vẫn chưa giải thích một câch trọn vẹn. Theo đó, câc chất kìm hêm gắn rất chặt văo enzyme, tạo thănh phức hợp EI. Phức hợp năy bị phđn rê rất chậm.
Tùy thuộc văo bản chất phức EI, bản chất chất kìm hêm người ta chia ra những chất kìm hêm:
- Chất kìm hêm cạnh tranh: lă những chất có cấu trúc tương tự như cấu trúc của cơ chất. Chúng thường lă những chất kìm hêm thuận nghịch. Chúng có khả năng kết hợp với trung tđm hoạt động của enzyme. Khi đó chúng sẽ chiếm vị trí của cơ chất trong trung tđm hoạt động vă vì vậy, cơ chất khơng cịn cơ hội tiếp cận với trung tđm năy. Cơ chế loại trừ lẫn nhau của chất kìm hêm vă trung tđm hoạt động
lăm giảm số lượng câc enzyme kết hợp với cơ chất. Kết quả lă hoạt động của enzyme sẽ giảm.
- Chất kìm hêm khơng cạnh tranh: chất kìm hêm khơng chiếm trung tđm hoạt động của enzyme mă lă ở một vị trí ngoăi trung tđm hoạt động của enzyme. Kết quả sự kết hợp năy, chất kìm hêm lăm thay đổi cấu trúc không gian của phđn tử enzyme theo chiều hướng bất lợi cho hoạt động xúc tâc. Vì thế câc chất kìm hêm lăm giảm hoạt động của enzyme.
Câc chất kìm hêm khơng cạnh tranh thường gồm hai loại: kìm hêm do sản phẩm phản ứng vă kìm hêm do thừa cơ chất.
Hình 2.25. Chất kìm hêm cạnh tranh
Chương 3:
TÍNH TƠN THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÂY PHÂT ĐIỆN SỬ DỤNG BIOGAS
I. Tính chọn động cơ3.1. Chọn động cơ 3.1. Chọn động cơ
3.1.1 Giới thiệu động cơ