sử dụng enzym trong quá trình tẩy trắng giấy

Giải pháp này đã được nghiên cứu và áp dụng, giải pháp này cho thấy nó có thể giảm thiểu một lượng lớn hóa chất độc hại được sử dụng trong quá trình sản xuất giấy bằng cách thay thế hoạt

Mục Lục

Trang

1.2.2 Các hóa chất sử dụng trong quá trình xử lý mực thông thường. 5

II Enzym và ứng dụng enzym trong xử lý mực giấy loại bằng

enzym.

7

2.2 Ứng dụng của enzym trong quá trình xử lý mực giấy loại. 8

III Enzym ∝ - amylaza và ứng dụng trong quá trình tuyển nổi

khử mực giấy loại.

10

3.2 Ứng dụng trong quá trình tuyển nổi khử mực giấy loại. 11

3.3 Nghiên cứu quá trình tuyển nổi khử mực dùng bằng hóa chất kết

hợp với enzym ∝-amylaza.

12

3.3.1 Ảnh hưởng của mức dùng enzym α-amylaza trong quá trình tuyển

nổi khử mực giấy loại.

13

3.3.2 Khả năng tiết kiệm hóa chất chủ yếu khi sử dụng enzym α- amylaza

cho quá trình tuyển nổi khử mực.

14

Lời Mở Đầu

Giấy là một sản phẩm của nền văn minh nhân loại với lịch sử hàng nghìn năm Nguồn nguyên liệu chính sản xuất giấy là gỗ Nguồn nguyên liệu thứ hai để sản xuất giấy là giấy đã qua sử dụng Và hiện nay, đây là giải pháp chính nhằm giảm thiểu sự phụ thuộc nguyên liệu vào gỗ, tránh ảnh hưởng đến môi trường

Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp ,nông nghiệp, dịch

vụ, đời sống sinh hoạt hằng ngày… Con người đã thải ra hàng trăm triệu tấn rác thải vào môi trường Một trong những nguồn thải gây ô nhiễm lớn nhất là của nhà máy sản xuất giấy và bột giấy Công nghiệp giấy sử dụng một lượng lớn tài nguyên nước ngọt (sản xuất một tấn giấy cần 200-300m3 nước) đồng thời thải ra một lượng lớn chất thải vào nguồn nước, đặc biệt là ở các nhà máy không có thu hồi hoá chất Một giải pháp được đặt ra để giảm thiểu lượng chất thải trong công nghiệp giấy là sử dụng nguồn nguyên liệu là giấy đã được sử dụng là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất giấy Giải pháp này đã được áp dụng và phổ biến rộng rãi Nguồn nguyên liệu từ giấy tái chế có thể coi là vô tận vì có sản xuất la có giấy thải Nhưng quá trình sản xuất giấy tái chế cần một lượng lớn hóa chất để xử lý nguyên liệu, đây

là một vấn đề rất đáng quan ngại Lí do là các hóa chất đó rất độc hại và lượng xả thải ra môi trường là rất lơn Một giải pháp thay thế được đặt ra là sử dụng enzym

để xử lý nguyên liệu giấy đã qua sử dụng trong quá trình sản xuất giấy Giải pháp này đã được nghiên cứu và áp dụng, giải pháp này cho thấy nó có thể giảm thiểu một lượng lớn hóa chất độc hại được sử dụng trong quá trình sản xuất giấy bằng cách thay thế hoạt tính hóa học của các chất đó bằng hoạt tính sinh hóa của enzym

để xử lý nguyên liệu

Qua nghiên cứu, tìm hiểu, và đặc biệt là sự hướng dẫn của thầy Em xin chọn

đề tài “ Sử dụng enzym trong quá trình tẩy trắng giấy ” Nghiên cứu đề tài này, em

muốn hiểu biết hơn về các đặc tính sinh hóa của enzym và ứng dụng của chúng trong đời sống và trong quá trình sản xuất, và đặc biệt là ứng dụng của enzym trong

quá trình sản xuất giấy tái chế Trong đề tài này, em sẽ đi sâu vào vấn đề sử dụng enzym trong quá trình tuyển nổi khử mực của giấy loại Đây là lần đầu em nghiên cứu về mảng đề tài này, có gì thiếu sót mong quý thầy, cô chỉ bảo và các bạn sinh viên đóng góp

I II III IV

I Sơ qua về quá trình công nghệ sản xuất giấy

1.1 Qui trình công nghệ sản xuất giấy.

Nói chung, một dây chuyền công nghệ sản xuất giấy từ giấy đã qua sử dụng thường có dạng:

 Trong đó:

I Khâu sơ chế biến nguyên liệu ( gỗ, giấy đã qua sử dụng…)

II Gia công nguyên liệu sau sơ chế biến ( nấu bột, tẩy, rửa…)

III Hệ thống máy tạo tờ giấy

IV Gia công giấy sau tạo tờ

 Nguyên tắc hoạt động của dây chuyền sản xuất giấy:

Các loại nguyên liệu sẽ được đem gia công, sơ chế biến ở khâu I Sau đó nguyên liệu được đem đến khu gia công nguyên liệu ở khâu II Tại khâu II nguyên liệu sẽ được ngâm trong một bể lớn, hóa chất sẽ được sử dụng để tách mực, xử lý bột giấy và sử dụng thiết bị nghiền thủy lực để làm mịn giấy khi bột giấy đã được nghiền mịn, bột giấy sẽ được làm đặc sệt ( có sử dụng hóa chất) Sau đó bột giấy sẽ được đem đến hệ thống tạo tờ ở khâu III, đây là công đoạn xeo giấy để tạo tờ, tùy thuộc loại giấy và chất lượng giấy theo yêu cầu mà giấy sẽ được xeo khác nhau Giấy sau xeo sẽ được đem đến công đoạn gia công giấy ở khâu IV, tại đây giấy được cắt xén theo yêu cầu, giấy được đóng gói và được xuất ra thị trường

1.2 Quá trình xử lý mực giấy loại.

1.2.1 Giấy loại, cấu trúc mực in.

Giấy loại là tất cả các loại giấy và các tông đã qua sử dụng, hoặc giấy và các tông bị loại trong quá trình sản xuất, phân loại, gia công, in ấn được sử dụng để tái sản xuất thành bột giấy, giấy và các tông bằng các phương pháp xử lý cơ học hoặc kết hợp giữa phương pháp cơ học và hóa học Giấy loại có thể tái sử dụng nhiều lần,

song số lần càng nhiều thì chất lượng giấy thấp đi, số lần tái sử dụng tốt nhất từ 8÷10 lần

Giấy loại cần khử mực chủ yếu là các sản phẩm: giấy báo cũ, giấy loại văn phòng, báo tạp chí cũ…Thành phần chủ yếu là bột hóa tẩy trắng, bột cơ học và các thành phần như sau:

- Phụ gia các loại : 3÷30 %

- Tạp chất ngoại lai : 1÷3%

Mực in là một chất màu được pha chế từ nhiều thành phần khác nhau dùng để tạo ra sự tương phản về màu sắc trên vật liệu in qua khuôn in, nó phải phù hợp với phương pháp in và tính chất của vật liệu in Mực in là một hỗn hợp lỏng quánh ở dạng huyền phù, mịn Thành phần cấu tạo gồm có: bột màu, chất liên kết, phụ gia

Sự kết hợp khác nhau trong công thức hạt mực, và phương pháp in dẫn đến những đặc điểm loại mực khác nhau trong khi phương pháp khử mực truyền thống gặp rất nhiều khó khăn trong việc tách và loại mực Phương pháp khử mực sử dụng enzym

đã cải thiện khả năng loại mực đối với các loại giấy loại

1.2.2 Các hóa chất sử dụng trong quá trình xử lý mực thông thường.

Trong các hệ thống khử mực, hóa chất được cho vào có những tác dụng sau: Hóa chất phân tách mực từ giấy và bề mặt giấy

Hóa chất loại bỏ và loại mực từ huyền phù bột

Hóa chất xử lý nước thải sau quá trình khử mực

Hóa chất tẩy trắng bột giấy

Bảng 1: Các hóa chất chính thường sử dụng trong quá trình khử mực thông

thường.

Hóa chất Mức dùng, Kg

/ Tấn bột KTĐ Tác dụng NaOH 10÷20 Trương nở xơ sợi, tách long mực

in

Chất hoạt động bề mặt

(xà phòng, axít béo) 5÷10 Thu gom mực trong tuyển nổi

Chất hoạt động bề mặt

(loại đặc biệt) 0,5÷2; 5÷10 Thu gom mực trong tuyển nổi CaCl2, Ca(OH)2 0÷2 Tăng độ cứng của nước (nếu cần) Tác nhân chelat hóa

ion kim loại chuyển tiếp Polyme 1÷2 Kết bông bùn từ nước trắng trong

quá trình cô đặc và tuyển nổi

Qua bảng trên ta thấy hóa chất sử dụng trong quá trình xử lý mực giấy thông thường rất độc hại cho môi trường và con người Ví dụ: H2O2, bột đá, NaOH,

Na2S2O4… nếu dùng với lượng lớn, và xả thải ra môi trường thì sẽ ảnh hưởng lớn đến môi trường xung quanh

II Enzym và ứng dụng enzym trong xử lý mực giấy loại bằng enzym.

2.1 Enzym và cơ chế hoạt động của enzym.

2.1.1 Giới thiệu chung về enzym.

Trong cuộc sống sinh vật xảy ra rất nhiều phản ứng hóa học với hiệu suất rất cao, mặc dù ở điều kiện bình thường về nhiệt độ, áp suất, pH Sở dĩ như vậy vì nó

có sự hiện diện của chất xúc tác sinh học được gọi chung là enzym Enzym là chất xúc tác sinh học có thành phần cơ bản là protein Trong các phản ứng này, các phân

tử lúc bắt đầu của quá trình được gọi là cơ chất, enzym sẽ biến đổi chúng thành các phân tử khác nhau Tất cả các quá trình xảy ra trong tế bào đều cần enzym Enzym

có tính chọn lọc rất cao đối với cơ chất của nó

2.1.2 Tính chất của enzym.

Enzym có bản chất là protein nên có tất cả thuộc tính lý hóa của protein Đa số enzym có dạng hình cầu và không đi qua màng bán thấm do có kích thước lớn Enzym tan trong nước và các dung môi hữu cơ phân cực khác, không tan trong ete và các dung môi không phân cực

Enzym không bền dưới tác dụng của nhiệt độ, nhiệt độ cao thì enzym bị biến tính Môi trường axít hay bazơ cũng làm enzym mất khả năng hoạt động

Enzym có tính lưỡng tính Tùy pH của môi trường mà chúng tồn tại ở các dạng như cation, anion hay trung hòa điện

2.1.3 Cơ chế hoạt động của enzym.

Trong quá trình xúc tác, chỉ có một phần enzym tham gia trực tiếp vào phản ứng để kết hợp với cơ chất gọi là "trung tâm hoạt động" Cấu tạo đặc biệt của trung tâm hoạt động quyết định tính đặc hiệu và hoạt tính xúc tác của enzym Một enzym

có thể có 2 hoặc nhiều trung tâm hoạt động, tác dụng của các trung tâm hoạt động không phụ thuộc vào nhau Là một chất xúc tác có nguồn gốc sinh học, về mặt cơ chế hoá học, enzym tác dụng lên cơ chất chỉ khi có tiếp xúc trực tiếp với cơ chất, hay nói cách khác, các cơ chất kết hợp với trung tâm hoạt động tạo phức hợp

Enzym + Cơ chất Tổ hợp (Enzym + Cơ chất) Enzym + Sản phẩm

enzym-cơ chất Đây là một giai đoạn cần thiết trong quá trình có sự tham gia của enzym

Hình 1: Cơ chế xúc tác của enzym

Enzym chỉ tác dụng lên một số cơ chất và một số kiểu liên kết hóa học nhất định trong phản ứng Chính vì vậy, enzym có tính chọn lọc rất cao và hạn chế được ảnh hưởng đến cấu trúc khác Tính đặc hiệu của enzym thể hiện như sau:

 Đặc hiệu lập thể: Chỉ tác dụng lên một dạng đồng phân quang học Enzym cũng thể hiện tính đặc hiệu với các đồng phân hình học, chỉ tác dụng lên một dạng đồng phân cis hoặc trans

 Đặc hiệu tuyệt đối: Enzym chỉ có khả năng tác dụng lên một cơ chất nhất định Cấu trúc trung tâm hoạt động của enzym phải kết hợp chặt chẽ với cấu trúc của cơ chất, một khác biệt nhỏ về cấu trúc của cơ chất cũng làm enzym không thể hiện được tính xúc tác

 Đặc hiệu tương đối: Enzym có tác dụng lên một kiểu nối hóa học nhất định trong phân tử cơ chất mà không phụ thuộc vào bản chất hóa học của các cấu tử tham gia tạo thành liên kết đó

 Đặc hiệu nhóm: Enzym có khả năng tác dụng lên một kiểu liên kết nhất định khi một hay hai cấu tử tham gia tạo thành liên kết này có cấu tạo nhất định

Chính vì cơ chế hoạt động chọn lọc và hiệu quả, enzym đã được sử dụng rộng rãi, trong đó phải kể đến quá trình khử mực giấy loại có sử dụng enzym

2.2 Ứng dụng của enzym trong quá trình xử lý mực giấy loại.

Enzym được sử dụng để cải thiện khả năng tách mực của giấy loại Enzym hiện nay được dùng nhằm vào một hay vài cơ chất có trong mực bảo lưu trong bột

sau giai đoạn cuối cùng Những chất này gồm xenlulo, pectin, hemixenlulo Đặc

biệt là xylan, amylo, amylopectin và các cacbonhydrat khác Chúng tồn tại hầu hết

Giấy loại

Enzym Đánh tơi xử lý enzym Kiểm tra

Chất hoạt động bề mặt và

trợ tuyển nổi

Sàng lọc và làm sạch

Rửa và cô đặc Tuyển nổi Phân tán Rửa

Phân tích cơ lý Bột thành phẩm Phân tích hình ảnh

Xử lý enzym lần 2 ( nếu cần)

trên bề mặt và bên trong cấu trúc giấy loại hay ở giữa giấy và mực bằng các tinh bột chứa trong chất tráng phủ hay ép gia keo bề mặt Các chất như amylo và amylopectin thường được thêm vào trong quá trình sản xuất giấy hay giấy hòm hộp

để tăng độ bền khô và là chất độn keo dính có giá thành thấp trong quá trình xử lý

bề mặt giấy

Các công đoạn khử mực giấy loại có sử dụng enzym được minh hoạ theo sơ

đồ hình sau:

Hình 2:Qui trình tuyển nổi khử mực giấy loại sử dụng enzym

III Enzym ∝ - amylaza và ứng dụng trong quá trình tuyển nổi khử mực giấy loại.

Phương pháp khử mực bằng hóa chất đối với giấy in, viết thường gặp trở ngại với dạng mực in laser, xerographic hay các dạng giấy in sâu do sự bám dính của các phân tử mang mầu vào bề mặt giấy rất mạnh Tuy nhiên tác nhân sinh nhân sinh học

có thể giải quyết được vấn đề này Enzym thường được sử dụng trong quá trình này

là ∝-amylaza (200 unit/gam)

3.1 Enzym ∝ - amylaza.

3.1.1 Khái niệm về enzym amylaza.

Amylaza là một hệ enzym rất phổ biến trong thế giới sinh vật Các enzym này thuộc nhóm enzym thủy phân, xúc tác phân giải liên kết nội phân tử trong nhóm polysaccharide với sự tham gia của nước

Có 6 loại enzym được xếp vào 2 nhóm: Endoamylaza ( enzym nội bào ) và exoamylaza ( enzym ngoại bào ) Endoamylaza gồm có α-amylaza và nhóm enzym khử nhánh Nhóm enzym khử nhánh này được chia thành 2 loại: Khử trực tiếp là Pullulanaza ( hay α-dextrin 6 – glucosidaza); khử gián tiếp là Transglucosylaza (hay oligo-1,6-glucosidaza) và maylo-1,6-glucosidaza Các enzym này thủy phân các liên kết bên trong của chuỗi polysaccharide

Cơ chất tác dụng của amylaza là tinh bột và glycogen:

• Tinh bột: là nhóm Carbohydrate ở thực vật, có chủ yếu trong các loại củ như khoai lang, khoai tây, khoai mì… , trong các hạt ngũ cốc, các loại hạt và có công thức tổng quát là (C6H12O6)n

3.1.2 Cơ chế tác dụng của enzym ∝ - amylaza

α-amylaza ( 1,4-α-glucan-glucanhydrolaza ) α-amylaza có khả năng phân cách các liên kết α-1,4-glucoside nằm ở phía bên trong phần tử cơ chất ( tinh bột hoặc glycogen ) một cách ngẫu nhiên, không theo một trật tự nào cả α-amylaza

không chỉ thủy phân hồ tinh bột mà nó thủy phân cả hạt tinh bột nguyên song với tốc đột rất chậm

Quá trình thủy phân tinh bột bởi α-amylaza là quá trình đa giai đoạn

 Ở giai đoạn đầu ( giai đoạn dextrin hóa ): Chỉ một số phân tử cơ chất bị thủy phân tạo thành một lượng lớn dextrin phân tử thấp (α-dextrin ), độ nhớt của hồ tinh bột giảm nhanh ( các amylose và amylopectin đều bị dịch hóa nhanh )

 Sang giai đoạn 2 ( giai đoạn đường hóa ): Các dextrin phân tử thấp tạo thành bị thủy phân tiếp tục tạo ra các tetra-trimaltose không cho màu với iodine Các chất này bị thủy phân rất chậm bởi α-amylaza cho tới disaccharide và monosaccharide Dưới tác dụng của α-amylaza, amylose bị phân giải khá nhanh thành oligosaccharide gồm 6-7 gốc glucose

 Sau đó, các poliglucose này bị phân cách tiếp tục tạo nên các mạch polyglucose colagen cứ ngắn dần và bị phân giải chậm đến maltotetrose và maltotriose và maltose Qua một thời gian tác dụng dài, sản phẩm thủy phân của amylose chứa 13% glucose và 87% maltose Tác dụng của α-amylaza lên amylopectin cũng xảy ra tương tự nhưng vì không phân cắt được liên kết α-1,6-glycoside ở chỗ mạch nhánh trong phân tử amylopectin nên dù có chịu tác dụng lâu thì sản phẩm cuối cùng, ngoài các đường nói trên ( 72% maltose và 19% glucose ) còn có dextrin phân tử thấp và isomaltose 8%

Tóm lại, dưới tác dụng của α-amylaza, tinh bột có thể chuyển thành maltotetrose, maltose, glucose và dextrin phân tử thấp Tuy nhiên, thông thường α-amylaza chỉ thủy phân tinh bột thành chủ yếu là dextrin phân tử thấp không cho màu với Iodine và một ít maltose

3.2 Ứng dụng trong quá trình tuyển nổi khử mực giấy loại.

Hiện nay, giấy văn phòng chủ yếu được gia keo tinh bột Tác dụng của

∝- amylaza , trong quá trình khử mực giấy loại là thủy phân tinh bột có trong giấy loại (giấy có gia keo bằng tinh bột) Đối với giấy có tráng tinh bột trên bề mặt thì

lớp tinh bột tráng nằm giữa lớp mực in và xơ sợi Do vậy ở điều kiện xử lý enzym thích hợp thì phân tử tinh bột bị thủy phân, dẫn đến các liên kết của mực và xơ sợi

bị long ra ở khắp nơi làm tăng khả năng tiếp cận hóa chất vào sâu bên trong giấy, tạo điều kiện tách bằng cơ học ( khuấy, nghiền ) Sau đó, nhờ công đoạn tuyển nổi

sẽ tách hẳn mực ra khỏi xơ sợi thu hồi Với giấy loại có phối trộn tinh bột, khi sử dụng ∝- amylaza thủy phân tinh bột cũng tạo điều kiện cho liên kết mực với xơ sợi

và liên kết giữa các xơ sợi lỏng ra, tạo điều kiện cho hóa chất và tác động cơ học phát huy tốt tác dụng Quá trình gia keo bằng tinh bột là để giảm độ xốp, nâng cao

độ nhẵn, độ bền và ngăn chất màu thấm sâu vào giấy Vì vậy, khi có tác dụng phá hủy tinh bột của ∝- amylaza, quá trình khử mực bằng tuyển nổi, rửa sẽ được thuận lợi, đặc biệt cả với loại mực có liên kết mạnh với xơ sợi

∝-amylaza chủ yếu tác dụng vào tinh bột Khi ∝-amylaza có trong hỗn hợp bột và nước ở chế độ công nghệ phù hợp, enzym xúc tác rất mạnh quá trình thủy phân tinh bột làm phân tử của nó nhanh chóng chia thành nhiều mảnh nhỏ hơn Trong môi trường pH 6÷10, lượng enzym ∝-amylaza hợp lý để thủy phân tinh bột trong giấy loại từ 0,06÷6,00 KNU/gam tinh bột khô Các hóa chất khác được sử dụng: H2O2 từ 0,05÷2,0%, NaOH:0,5 ÷5,0%, Na2SiO3 : 1,0÷5,0%, pH 9÷10, nhiệt độ 10÷600C

3.3 Nghiên cứu quá trình tuyển nổi khử mực dùng bằng hóa chất kết hợp với enzym ∝-amylaza.

Từ quy trình tuyển nổi khử mực giấy loại bằng hóa chất rút ra ở trên, đề tài tiến hành nghiên cứu quá trình tuyển nổi khử mực giấy loại kết hợp hóa chất và tác nhân sinh học Hai tác nhân sinh học được lựa chọn nghiên cứu là enzym α-amylaza

Giấy loại được xử lý qua hai giai đoạn trong quá trình đánh tơi:

Giai đoạn I : Giai đoạn xử lý enzym

Giai đoạn II : Giai đoạn xử lý hóa chất