tìm hiểu về enzyme mannanase ứng dụng trong công nghiệp 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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CNSH & KTMT

-o0o -

TIỂU LUẬN MÔN CÔNG NGHỆ ENZYME

GVHD: Th.S ĐỖ THỊ HIỀN

Tp Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 05 năm 2017

Mục lục

Mục lục bảng 2

Mục lục hình ảnh 2

Lời mở đầu 3

1 Enzyme mannanase 4

1.1 Tổng quan về enzyme 4

1.1.1 Tính chất của enzyme 4

1.1.2 Cơ chế hoạt động của enzyme 4

1.2 Enzyme Mannanase 5

1.2.1 Giới thiệu chung về mannanase 5

1.2.2 Nguồn thu nhận 5

1.2.3 Cấu tạo 6

1.2.4 Cơ chế tác dụng của endo-beta-1,4-mannanse 7

1.2.5 Đặc tính 8

1.2.6 Tách và tinh chế 9

2 Ứng dụng của enzyme mannanase trong ngành công nghiệp giấy 11

2.1 Giới thiệu chung về ngành công nghiệp giấy ở Việt Nam 11

2.1.1 Nguyên liệu sử dụng sản xuất bột giấy 12

2.1.2 Một số phương pháp sản xuất bột giấy 12

2.1.3 Quy trình sản xuất bột giấy 13

2.2 Vai trò enzyme mannanase trong công nghiệp giấy 15

3 Bài báo khoa học 16

3.1 Mục đích 16

3.2 Khái quát 17

3.3 Thí nghiệm và kết luận 18

3.3.1 Thí nghiệm 18

3.3.2 Kết quả 19

4 Kết luận và kiến nghị 25

Tài liệu tham khảo 26

Mục lục bảng

Bảng 1 Nguồn thu nhận enzyme mannanase 6

Bảng 2 Đặc tính một số endo-β-1,4-mannanase 9

Bảng 3 Tình hình tiêu thụ giấy ở Việt Nam qua các năm 11

Bảng 4 Một số phương pháp sản xuất bột giấy cơ bản 13

Mục lục hình ảnh Hình 1 Cơ chế xúc tác của enzyme 4

Hình 2 Cấu trúc không gian của endo-beta-1,4-mannanase 7

Hình 3 Cơ chế tác dụng của endo-beta-1,4-mannanase 8

Hình 4 Thu nhận endo-beta-1,4-mannanase từ Aspergillus Niger 10

Hình 5 Nguyên liệu dùng trong sản xuất giấy 12

Hình 6 Sơ đồ quy trình sản xuất bột giấy 14

Hình 7 Quy trình tẩy trắng bột giấy 15

Hình 8 Ảnh hưởng pH đối với việc sản xuất enzyme mannanase và xylanase 19

Hình 9 Thời gian sản xuất xylanase và mannanase 20

Hình 10 Ảnh hưởng pH đến hoạt động enzyme mannanse và xylanase 21

Hình 11 Ảnh hưởng của nhiệt độ đối sự ổn định của xylanase và mannanase 22

Hình 12 Hoạt động của enzyme đo tương đối với mức kiểm soát là 100% 23

Hình 13 Hoạt động tẩy trắng của mannase và xylanase 23

Hình 14 Mức độ tẩy trắng của mannasee và xylanase 24

Lời mở đầu

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 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

Với thành phần chính là xenluylô, một loại polyme mạch thẳng và dài có trong gỗ, bông và các loại cây khác Trong gỗ, xenluylô bị bao quanh bởi một mạng lignin cũng

là polyme Để tách xenluylô ra khỏi mạng polyme đó người ta phải sử dụng phương pháp nghiền cơ học hoặc xử lý hóa học Quy trình sản xuất bột giấy bằng phương pháp nghiền cơ học là quy trình có hiệu quả thu hồi xenluylô cao nhưng tiêu tốn nhiều năng lượng và không loại bỏ hết lignin, khiến chất lượng giấy không cao Dư lượng lignin trong bột giấy làm cho giấy có màu nâu, vì vậy muốn sản xuất giấy trắng vàng chất lượng cao thì phải loại bỏ hết lignin Thường người ta oxy hóa lignin bằng clo nhưng quá trình xử lý này cần một lượng lớn hóa chất để xử lý nguyên liệu, đây là một vấn đề rất đáng quan ngại

Một giải pháp thay thế được đặt ra là sử dụng enzyme để xử lý nguyên liệu 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 enzyme để

xử lý nguyên liệu

Qua nghiên cứu, tìm hiểu, và đặc biệt là sự hướng dẫn của cô Nhóm em xin chọn

đề tài “ Sử dụng enzyme mannanase trong quá trình tẩy trắng giấy ” Nghiên cứu đề tài này, chúng em muốn hiểu biết hơn về các đặc tính sinh hóa của enzyme và ứng dụng của chúng trong đời sống và trong quá trình sản xuất, và đặc biệt là ứng dụng của enzyme trong quá trình tẩy trắng giấy Đây là lần đầu chúng 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

1 Enzyme mannanase

1.1 Tổng quan về enzyme

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 enzyme Enzyme là chất xúc tác sinh học có thành phần cơ bản là protein [7] Trong các phản ứng này, các phân tử lúc bắt đầu của quá trình được gọi là cơ chất, enzyme sẽ biến đổi chúng thành các phân tử khác nhau Tất cả các quá trình xảy ra trong tế bào đều cần enzyme Enzyme có tính chọn lọc rất cao đối với cơ chất của nó

1.1.2 Cơ chế hoạt động của enzyme

Trong quá trình xúc tác, chỉ có một phần enzyme 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 enzyme Một enzyme 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, enzyme 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 enzyme-cơ chất [7]

Đây là một giai đoạn cần thiết trong quá trình có sự tham gia của enzyme

Enzyme + Cơ chất Tổ hợp (Enzyme +

Cơ chất)

Enzyme + Sản phẩm

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

 Đặc hiệu lập thể: Chỉ tác dụng lên một dạng đồng phân quang học Enzyme 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: Enzyme chỉ có khả năng tác dụng lên một cơ chất nhất định Cấu trúc trung tâm hoạt động của enzyme phải kết hợp chặt chẽ với cấu trúc của cơ chất, một khác biệt nhỏ về cấu trúc của cơ chất cũng làm enzyme không thể hiện được tính xúc tác

 Đặc hiệu tương đối: Enzyme 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: Enzyme 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 [7] Chính vì cơ chế hoạt động chọn lọc và hiệu quả, enzyme đã được sử dụng rộng rãi, trong đó phải kể đến sự tham gia của enzyme trong quá trình tẩy trắng giấy

1.2 Enzyme Mannanase

1.2.1 Giới thiệu chung về mannanase

Enzyme Mannanase hay còn gọi là hydrolases glycoside Được biết Hydrolases glycoside là một nhóm phổ biến rộng rãi của các enzym thủy phân polysaccharides Điển hình như Enzyme endo- beta-1,4-mannanase là một thành phần trong cụm mannase, đây là enzyme thủy phân đường glycosyl của mạch polymannan tạo ra các manno-oligosaccharide nên có vai trò phân hủy hemicellulose trong sinh khối thực vật Enzyme này được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống, công nghiệp sản xuất thức ăn gia súc và đặc biệt là trong ngành công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy [9]

1.2.2 Nguồn thu nhận

Ngày nay, cùng với sự tiến bộ của khoa học, đặc biệt là sự phát triển của các kĩ thuật sinh học phân tử tạo ra tiềm năng lớn để sản xuất mannanase từ vi sinh vật Công nghệ gene cung cấp khả năng để hiện thị chỉ một loại enzyme mong muốn trong các vật chủ mà không sinh tổng hợp enzyme có liên quan

1.2.3 Cấu tạo

Mannanase có nguồn gốc khác nhau thì có thành phần cấu tạo và cấu trúc khác nhau:

Nấm mốc Sclerotium Rolfsii Glucoprotein M = 46.5 kDa

Vi khuẩn ưa nhiệt

Thermotoga Neapolitana 5068

enzyme một cấu tử M = 65 kDa

Littovena Reesei

Ở đây ta chỉ xét 1 nhóm điển hình Endo-beta-1,4-mannanase

Ví dụ : Endo-beta-1,4-mannanase của Pseudomonas cellulose bao gồm 423 axit amin, với cấu trúc chia thành 3 vùng : vùng A từ Prolin 44 đến Isoleucin 323, vùng B

từ Leucin 32 đến Tryptophan 360 và vùng C từ Threonin 392 đến Threinin 419 Các chuỗi Arg 39-Lys 43, Arg 324-Gly 331, Arg 361-Thr 391, và Leu 420-Lys 423 có chức năng nối các vùng trên lại với nhau Toàn bộ phân tử endo-beta-1,4-mannanase được cấu tạo bởi 8 chuỗi xoẵn anpha và 8 chuỗi beta

1.2.4 Cơ chế tác dụng của endo-beta-1,4-mannanse

Endo-beta-1,4-mannanse có tác dụng thủy phân liên kết beta-1,4-mannosidic trong chuỗi polysaccaride galactomannan, glucomannan, galactoglucomannan và mannan

Sự thủy phân mannan và các hợp chất của mannan bằng beta-1,4-mannanase tạo ra các sản phẩm là beta-D mannooligosaccharides và hỗn hợp các oligosaccharides có chứa các D-mannose, D-glucoe và D-galactose [9]

Hình 2 Cấu trúc không gian của endo-beta-1,4-mannanase

Hình 3 Cơ chế tác dụng của endo-beta-1,4-mannanase

=>Giải thích : Mannanase (1,4-mannan mannohydrolase) phân cắt liên kết 1,4-mannosit trong mạch mannan do vậy nó xúc tác thủy phân mannan, glucomannan, galactomannan và galatoglucomannan tạo thành mannobiose, mannotriose và hỗn hợp các oligosaccarit

beta-1.2.5 Đặc tính

Mannanase có nguồn gốc khác nhau có đặc tính khác nhau Nhìn chung, mannanase có pH tối ưu tại cùng acid yếu hoặc trung tính Nhiệt độ tối ưu khá cao, độ bền nhiệt tốt.[9]

Mannanase có kích thước lớn hơn so với Xylanase ( trọng lượng phân tử 90kDa) và có điểm đẳng điện trong môi trường acid, có vai trò khử tính trùng hợp, làm cho độ bền kết tụ giảm, làm giảm khả năng hòa tan [5]

Escherichia coli

BL21(DE3)

60oC 6,5 70

Aspergillus fumigatu IMI 385708

Aspergillus

Pichia pastoris

60oC và

45OC

4,5

và 5,2

1.2.6.1 Sơ lược về tách và tinh chế enzyme

Việc tách enzyme đáp ứng yêu cầu về mặt kinh tế chỉ có thể tiến hành khi nguyên liệu có chứa một lượng lớn enzyme cũng như cho phép thu được enzyme với hiệu suất cao và dễ dàng tinh chế chúng

Vi sinh vật rất nhạy cảm đối với tác động của môi trường, thành phần dinh dưỡng nuôi chúng cũng như một số tác nhân lý hóa, cơ học khác Do đó có thể thay đổi những điều kiện nuôi cấy để chọn giống tạo những chủng đột biến cho ta hàm lượng enzyme đáng kể với hoạt tính xúc tác cao

Muốn có chế phẩm tinh khiết phải qua giai đoạn tách và tinh chế enzyme

Để làm tăng lượng enzyme ở vi sinh vật chúng ta cần chú ý tuyển lựa và chọn giống các chủng vi sinh vật có hoạt tính enzyme cao, tổng hợp được enzyme cần thiết

và với số lượng nhiều

Tùy thuộc vào nhiều yếu tố: thành phần môi trường nuôi cấy, nhiệt độ, pH và chủng

vi sinh vật mà hoạt độ Mannanase thu được là khác nhau Nhìn chung, vận tốc sinh tổng hợp mannanase từ vi khuẩn cao hơn từ nấm mốc Song đa phần các công trình nghiên cứu đều cho kết quả là hoạt độ của mannanase thu được từ nấm mốc cao hơn rất nhiều so với thu được từ vi khuẩn Với nồng độ cao trong canh trường nấm mốc sẽ tạo điều kiện thuận lợi và giảm chi phí trong quá trình thu nhận và làm sạch enzyme

2 Ứng dụng của enzyme mannanase trong ngành công nghiệp giấy 2.1 Giới thiệu chung về ngành công nghiệp giấy ở Việt Nam

Ngành giấy là một trong những ngành được hình thành từ rất sớm tại Việt Nam, khoảng năm 284 Từ giai đoạn này đến đầu thế kỷ 20, giấy được làm bằng phương pháp thủ công để phục vụ cho việc ghi chép, làm tranh dân gian, vàng mã…[12]

Ngành công nghiệp giấy nước ta không ngừng phát triển Năm 1912, nhà máy sản xuất bột giấy đầu tiên bằng phương pháp công nghiệp đi vào hoạt động với công suất 4.000 tấn/năm tại Việt Trì Đến năm 1975, tổng công suất thiết kế của ngành giấy Việt Nam đạt được 72 ngàn tấn/năm nhưng sản lượng thực tế chỉ 28 ngàn tấn/năm, một con

số quá nhỏ nhoi so với nhu cầu tiêu thụ hơn 2 triệu tấn Thế nhưng chỉ hơn 30 năm sau, ngành giấy đã đáp ứng được gần 64% nhu cầu tiêu dùng trong nước [13]

Sản lượng bột giấy sản xuất trong nước năm 2010 đạt 345,9 nghìn tấn Năm 2012, sản lượng bột giấy nước ta thiết lập mức tăng trưởng khủng, cao hơn 30% so với năm

2011, đạt tới 484,3 nghìn tấn Tuy nhiên, với khối lượng này còn xa mới đáp ứng được nhu cầu cho ngành sản xuất giấy, bởi vậy hàng năm nước ta vẫn còn phải nhập khẩu lượng bột giấy và các sản phẩm giấy với lượng gần tương đương sản lượng trong nước

(ước tính)

2012 (ước tính)

2.1.1 Nguyên liệu sử dụng sản xuất bột giấy

Nguyên liệu thô được dùng trong sản xuất giấy và bột giấy ở Việt Nam gồm hai nguồn căn bản là từ rừng (tre và gỗ mềm) và giấy tái chế

Nguyên liệu dùng làm giấy phải có tính chất sợi, có khả năng đan kết và ép thành tấm đồng nhất, độ liên kết sợi được đánh giá qua độ kéo hay bục của tờ giấy [13]

 Xơ sợi nguyên thủy: là loại xơ chưa từng qua sử dụng, không hoặc có thể đã qua quá trình sấy khô hay xử lí cơ học

+ Gỗ: gỗ cứng( cây hạt kín,lá rộng), gỗ mềm( cây hạt trần, lá kim) + Phi gỗ: rơm rạ,bã mía…

 Xơ sợi thứ cấp: là loại xơ sợi đã qua quá trình sử dụng, thường đã trải qua một số giai đoạn trung gian như in ấn, gia công… [13]

2.1.2 Một số phương pháp sản xuất bột giấy

Sản xuất bột giấy là giai đoạn chế biến để tách thành phần sơ sợi từ nguyên liệu gỗ hay một số thực vật bắng các phương pháp hóa học hay cơ học Tùy theo yêu cầu sử dụng mà bột có thể tẩy trắng hoặc không với mức độ khác nhau Yêu cầu sử dụng mà bột có thể có hoặc không được tẩy trắng hoặc được tẩy trắng với mức độ khác nhau

Hình 5 Nguyên liệu dùng trong sản xuất giấy

Hiệu suất (%)

Sunphit hiệu suất cao

Bảng 4 Một số phương pháp sản xuất bột giấy cơ bản

2.1.3 Quy trình sản xuất bột giấy

Các phương pháp sản xuất bột giấy là các phương pháp xử lý nguyên liệu (gỗ hoặc phi gỗ) để phá vỡ các liên kết trong nội bộ cây thành dạng các xơ sợi riêng lẻ gọi là bột giấy Về cơ bản, để phá vỡ liên kết cấu trúc cây có thể sử dụng năng lượng cơ học, nhiệt, hóa học hoặc là sự kết hợp của các loại năng lượng này với nhau [12]

Ứng với các loại năng lượng được sử dụng để phân tách cấu trúc xơ sợi sẽ cho ra những loại bột như: Bột cơ học, bột hóa học hoặc bột bán hóa học (loại bột sản xuất dựa vào sự kết hợp giữa hóa học và cơ học) Tùy theo yêu cầu cụ thể, bột giấy có thể không tẩy trắng hoặc tẩy trắng ở các mức độ khác nhau

Hình 6 Sơ đồ quy trình sản xuất bột giấy

Trường hợp 1: Gỗ được khai thác về được cưa thành nhiều đoạn nhỏ rồi bóc vỏ Nghiền mịn gỗ và trộn với nước, tẩy màu đi ta được bột giấy Hoặc từ gỗ người ta cho vào máy cắt vụn rồi cho vào silo như trường hợp 2

Trường hợp 2: Xuất phát từ nguyên liệu phoi bào gỗ, phoi bào được đưa tới các tháp silo đồng nhất rồi cho vào máy tinh chế TMP, sau khi tinh chế xong trộn lẫn với nước và đem đi tẩy mầu ta được bột giấy

Để biến gỗ thành bột giấy, cần làm mềm hoặc hoà tan phần lignin (chất kết dính các bó sợi tạo nên cầu trúc chặt chẽ của gỗ), từ đó các bó sợi sẽ được giải phóng Dưới tác dụng của hoá học hoặc cơ học, các sợi xenlulô sẽ được tách rời ra và tạo nên huyền phù đồng nhất trong nước [12]