Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase bằng phương pháp lên men aspergillus niger trên môi trường rắn xốp với năng suất 25 tấn bã sắnngày

Sinh viên thực hiện: Huỳnh Thị Thanh Thủy Enzyme Cellulase là một phức hệ enzyme có tác dụng thuỷ phân cellulose thông qua việc thuỷ phân liên kết 1,4-β-glucoside trong cellulose tạo ra

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ASPERGILLUS NIGER TRÊN MÔI TRƯỜNG RẮN-XỐP

VỚI NĂNG SUẤT 25 TẤN BÃ SẮN/NGÀY

Người hướng dẫn: TS BÙI XUÂN ĐỒNG Sinh viên thực hiện: HUỲNH THỊ THANH THỦY

Số thẻ sinh viên: 107120277 Lớp: 12SH

Đà Nẵng, 5/2017

Tên đề tài: Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase bằng phương pháp lên men

Aspergillus niger trên môi trường rắn-xốp với năng suất 25 tấn bã sắn/ngày

Sinh viên thực hiện: Huỳnh Thị Thanh Thủy

Enzyme Cellulase là một phức hệ enzyme có tác dụng thuỷ phân cellulose thông qua việc thuỷ phân liên kết 1,4-β-glucoside trong cellulose tạo ra sản phẩm glucose cung cấp cho công nghiệp lên men Nguồn thu enzyme cellulase lớn nhất hiện nay là vi sinh vật Enzyme Cellulase là một trong những enzyme có vai trò quan trọng trong chuyển hóa chất hữu cơ có trong thiên nhiên và có ý nghĩa rất lớn trong công nghiệp thực phẩm (rượu, bia ), bảo vệ môi trường Do đó có nhiều ứng dụng trong thực tế nên việc thực hiện đề tài “thiết kế nhà máy sản xuất enzyme Cellulase“ là một việc cần thiết

Từ luận giải trên đây, tôi đã tiến “thiết kế nhà máy sản xuất enzyme Cellulase bằng

phương pháp lên men Aspergilus niger trên môi trường rắn xốp với năng suất 25 tấn bã

sắn/ ngày“ Từ lượng nguyên liêu trên sản xuất ra được khối lượng sản phẩm là 1287,4 kg/ca Để đảm bảo sự vận hành đã tính toán và chọn các thiết bị: Xử lý nguyên liệu (máy nghiền, máy sàng, máy tuyển từ ướt, máy trộn, nồi hấp thanh trùng), lên men (thiết bị tiệt trùng khay, khay nuôi cấy, giá đỡ), tinh chế sản phẩm (máy nghiền búa, thiết bị trích ly, thiết bị cô đặc, bao gói sản phẩm)

Nhà máy sẽ được xây dựng trên khu đất với diện tích 30942 m2, gồm phân xưởng chính (7020 m2), khu đất mở rộng (2706 m2) và các công trình phụ

Nhà máy sẽ được xây dựng tại khu công nghiệp Điện Nam – Điện Ngọc thuộc huyện Điện Bàn, tỉnh Quảng Nam

Họ tên sinh viên: Huỳnh Thị Thanh Thủy Số thẻ sinh viên: 107120277

1 Tên đề tài đồ án:

Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme cellulase bằng phương pháp lên men

Aspergillus niger trên môi trường rắn-xốp với năng suất 25 tấn bã sắn/ngày

2 Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

- Nguyên liệu: bã sắn (khoai mì)

- Sản phẩm: ở dạng bột

- Hiệu suất và hao tổn ở từng công đoạn:

Dây chuyền gia công bã sắn

- Chương 1: Lập luận kinh tế

- Chương 2: Tổng quan tài liệu

- Chương 3: Chọn và thuyết minh dây chuyền công nghệ

- Chương 4: Cân bằng vật chất

- Chương 5: Tính và chọn thiết bị

- Chương 6: Tổ chức

- Chương 7: Tính xây dựng

- Chương 8: Tính điện, hơi và nước

- Chương 9: Kiểm tra sản xuất và đánh giá chất lượng sản phẩm

- Chương 10: An toàn lao động và vệ sinh xí nghiệp

- Kết luận

- Tài liệu tham khảo

4 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):

- 01 bản vẽ sơ đồ hệ thống hơi nước phân xưởng chính (A0)

5 Họ tên người hướng dẫn: Phần/ Nội dung:

6 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 16/02./2017

7 Ngày hoàn thành đồ án: 10/05/2017

Đà Nẵng, ngày tháng năm 201

LỜI CẢM ƠN

đây

Để có thể hoàn thiện được đồ án tốt nghiệp này, em xin cảm ơn những người sau

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS.Bùi Xuân Đông là người trực tiếp hướng dẫn em thực hiện đề tài này Với lòng yêu nghề, sự tận tâm, chu đáo trong quá trình hướng dẫn đã giúp em thực hiện xong đề tài của mình

Tiếp theo, em xin gửi đến lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè Những người luôn động viên, cổ vũ tinh thần và vật chất trong quá trình em thực hiện đề tài Luôn tạo điều kiện tối đa để em hoàn thành mọi nhiệm vụ

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn đến tất cả các thầy cô Bộ môn Công nghệ Sinh học - Khoa Hóa - Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng đã truyền đạt những kiến thức quý báu để có thể hoàn thành đề tài tốt nghiệp của mình, và quan trọng hơn những kiến thức đó sẽ theo em trong suốt quá trình làm việc sau này

Xin chân thành cảm ơn!

LỜI CAM ĐOAN LIÊM CHÍNH HỌC THUẬT

Tôi xin cam đoan đây là đồ án do chính tôi thực hiện Các số liệu, kết quả tính toán

là trung thực, không sao chép từ các công trình khác

Người cam đoan

Ký tên

Huỳnh Thị Thanh Thủy

1.8 Nguồn cung cấp nước và vấn đề xử lý nước thải 4

2.1.1 Giới thiệu enzyme Cellulase 6

2.2 Tình hình nghiên cứu sản xuất enzyme Cellulase 12

2.4 Tình hình xử lý bã thải sắn của nhà máy chế biến tinh bột sắn 15

4.3.Giả thiết hao hụt qua các công đoạn sản xuất 27

8.3.1 Nước sản xuất 93

CHƯƠNG 9: KIỂM TRA SẢN XUẤT VÀ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM 97

CHƯƠNG 10: AN TOÀN LAO ĐỘNG VÀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG

10.1 An toàn lao động 102

13

14

Hình 5.10 Hình 5.11

Máy trích ly hoạt động liên tục dạng roto Thiết bị lọc khung bản

52

53

15 Hình 5.12 Thiết bị cô đặc tuần hoàn ngoài 2 cấp 54

18 Hình 5.15 Cơ cấu tháo dỡ tự động canh trường nấm mốc 57

20 Hình 5.17 Vít tải 60

8 Bảng 4.6 Bảng tổng kết nguyên liệu môi trường nhân giống 39

9 Bảng 5.1 Các đặc tính kỹ thuật của máy nghiền Q15 40

10 Bảng 5.2 Các đặc tính kỹ thuật của máy tuyển từ ướt 42

12 Bảng 5.4 Đặc tính kỹ thuật của máy trộn nguyên liệu 44

Đặc tính kỹ thuật của máy sấy phun Đặc tính kỹ thuật của máy bao gói

56

57

19 Bảng 5.11 Đặc tính kỹ thuật của cơ cấu tháo dỡ tự động canh

26 Bảng 8.4 Bảng tổng kết lượng hơi dùng trong nhà máy 94

MỞ ĐẦU

Enzyme là chất xúc tác sinh học, có bản chất protein, hòa tan trong nước và trong dung dịch muối loãng Enzyme có phân tử lượng lớn từ 20.000 đến 1.000.000 dalton nên không qua được màng bán thấm

Enzyme là những chất không thể điều chế được bằng phương pháp tổng hợp hóa học Người ta thường thu nhận chúng từ nguồn tế bào động vật, thực vật hoặc vi sinh vật Với những ưu điểm vượt trội - tốc độ sinh trưởng nhanh, hệ enzyme phong phú và có hoạt tính cao, môi trường nuôi cấy rẻ tiền, dễ kiếm, vi sinh vật đã trở thành nguồn nguyên liệu thu enzyme chủ yếu thu hút được nhiều quan tâm của các nhà nghiên cứu và sản xuất Enzyme không chỉ có ý nghĩa cho quá trình sinh trưởng, sinh sản của mọi sinh vật

mà nó còn đóng vai trò rất quan trọng trong công nghệ chế biến thực phẩm, trong y học, trong công nghệ gen và trong bảo vệ môi trường Vì vậy mà những nghiên cứu sản xuất enzyme và ứng dụng enzyme được phát triển rất mạnh từ đầu thế kỉ XX

Tuy nhiên, hiện nay nguồn enzyme không đủ cung cấp cho các nhu cầu sản xuất hiện đại Trong khi đó nguồn nguyên liệu từ các phụ phế liệu của hầu hết các nhà máy chế biến lại rất nhiều, đây là một nguồn nguyên liệu để sản xuất enzyme, trong đó có phụ phế liệu của nhà máy bã sắn rất lớn,vì vậy việc tìm hiểu các công nghệ sản xuất enzyme là rất quan trọng xuất phát từ thực tế đó Ý tưởng sử dụng bã sắn – thành phần chứa hàm lượng cellulose rất cao, làm môi trường nuôi cấy vi sinh vật để sản xuất enzyme cellulase Vừa góp phần tạo ra nguồn enzyme mang lại nhiều ứng dụng trong cuộc sống hằng ngày của con người mà còn góp phần giải quyết tình trạng ô nhiễm môi trường của các nhà máy tinh bột sắn

Trên cơ sở đó, tôi được thực hiện đề tài: “Thiết kế nhà máy sản xuất enzyme

cellulase bằng phương pháp lên men Aspergillus niger trên môi trường rắn-xốp với năng suất 25 tấn bã sắn/ngày”

CHƯƠNG 1 : LẬP LUẬN KINH TẾ KỸ THUẬT

1.1 Sự cần thiết phải đầu tư

Enzyme – chất xúc tác sinh học có tính chất chọn lọc và đặc hiệu cao, quan trọng trong các quá trình vận chuyển trao đổi chất trong sự sống của sinh vật.Từ xưa con người

đã biết sử dụng men để sản xuất ra một số sản phẩm thực phẩm, tinh chế được men từ thóc nảy nầm.Ngày nay, enzyme giữ một vai trò quan trọng ở các ngành công nghiệp khác nhau như: rượu, bia, nước giải khát lên men, các ngành chế biến thực phẩm khác.Trong công nghiệp sản xuất rượu từ tinh bột, enzyme sản xuất từ nấm mốc đã thay thế hoàn toàn enzyme của đại mạch nẩy mầm

Enzyme cellulase được sử dụng nhiều trong công nghiệp, chăn nuôi Nhưng lượng enzyme chiết từ tự nhiên không đủ để sử dụng Hơn nữa hàng ngày nhà máy tinh bột sắn thải ra môi trường một lượng lớn bã sắn.Vì vậy đầu tư cho xây dựng một nhà máy sản xuất chế phẩm enzyme cellulase là cần thiết vì sẽ vừa cung cấp chế phẩm enzyme cho công nghiệp, vừa xử lý được lượng chất thải của nhà máy tinh bột sắn

1 đến tháng 7) chiếm đến 70 - 75%, mùa mưa (từ tháng 9 đến tháng 12) chỉ chiếm từ 25 - 30% Lượng bức xạ tổng cộng vụ Đông Xuân chiếm 41%, còn vụ Hè Thu chiếm 59%[26]

Gió

Quảng Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa nên có hai mùa gió chính (gió mùa mùa Đông và gió mùa mùa Hè).Hướng gió thịnh hành: ở tỉnh Quảng Nam từ tháng 9 đến tháng 3 năm sau là hướng Bắc đến Tây Bắc, từ tháng 4 đến tháng 8 là hướng Đông và Đông Nam

Tốc độ gió: Tốc độ gió trung bình năm tại đồng bằng ven biển khoảng 1,3m/s[26]

Mưa

Tổng lượng mưa trung bình năm phổ biến ở đồng bằng từ 2.200 - 2.500mm, ở trung

du, thung lũng thấp và vùng núi từ 3.000 - 3.600mm, vùng đồng bằng ven biển phía nam dưới 2.000mm

Mùa mưa: Lượng mưa trong năm tập trung chủ yếu từ tháng 9 đến 12, chiếm 70 - 80% tổng lượng mưa năm

Mùa ít mưa: Từ tháng 1 đến tháng 8 ở vùng đồng bằng, thung lũng thấp và hải đảo, lượng mưa chỉ chiếm 20 - 30% tổng lượng mưa năm[26]

Nhờ đó sẽ giảm thiểu vốn đầu tư ban đầu, rút ngắn thời gian hoàn vốn, đồng thời tận dụng tuần hoàn các sản phẩm phụ tránh được ô nhiễm môi trường

1.6 Nguồn cung cấp điện

Nguồn cung cấp điện cho nhà máy lấy từ mạng điện lưới quốc gia, nhờ trạm biến áp 110KV có dòng điện tiêu thụ với điện áp 220/380V Để đề phòng mất điện nhà máy có thể lắp đặt thêm máy phát điện dự phòng

1.7 Nguồn cung cấp hơi

Hơi nước được dùng để tiệt trùng thiết bị, môi trường… sẽ do nhà máy tự cung cấp

Do đó, cần có lò hơi riêng, áp suất của hơi dùng là 3 atm nhiên liệu chủ yếu bã mía,than dùng đốt nóng lò hơi của nhà máy

Tác nhân làm lạnh là NH3, dầu bôi trơn… nhập từ bên ngoài

1.8 Nguồn cung cấp nước và vấn đề xử lý nước thải

Nước là nhu cầu không thể thiếu trong quá trình sản xuất, nguồn nước cung cấp cho nhà máy được lấy từ công ty cấp nước Để chủ động nguồn nước nhà máy có thể tự xây dựng thêm các bể chứa nước

Toàn bộ nước thải của nhà máy phải xử lý COD,BOD đạt yêu cầu rồi sau đó chuyển

ra nguồn nước thải của thành phố

1.9 Năng suất của phân xưởng

Năng suất nguyên liệu vào đạt 7400 tấn bã sắn/năm

1.10 Giao thông và nguồn lao động

Việc xuất, nhập nguyên vật liệu, trang thiết bị, bao bì, sản phẩm thì giao thông đóng vai trò hết sức quan trọng Những năm gần đây khu công nghiệp Điện Nam- Điện Ngọc liên tục nâng cấp cơ sở hạ tầng, mạng lưới giao thông đô thị nên tạo điều kiện rất thuận tiện

Nguồn lao động là những người am hiểu về vi sinh vật cũng như về enzyme chủ yếu

là kỹ sư tốt nghiệp ngành công nghệ sinh học từ các trường đại học và cao đẳng

1.11 Kết luận

Từ những vấn đề đã phân tích ở trên ta chọn xây dựng nhà máy trong khu công nghiệp Điện Nam- Điện Ngọc, huyện Điện Bàn, tỉnh Quảng Nam.Nhà máy đặt tại đây sẽ đảm bảo đầy đủ những điều kiện cần thiết cho quá trình sản xuất,tiêu thụ,nhân công và có lợi về mặt kinh tế

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Tổng quan về enzyme Cellulase

Giới thiệu enzyme Cellulase

Enzyme Cellulase là một phức hệ enzyme có tác dụng thuỷ phân cellulose thông qua việc thuỷ phân liên kết 1,4-β-glucoside trong cellulose tạo ra sản phẩm glucose cung cấp cho công nghiệp lên men Nguồn thu enzyme cellulase lớn nhất hiện nay là vi sinh vật[7]

Cấu tạo

Cellulase là hệ enzyme đa cấu tử gồm: endo-β-1- 4 glucanase, exoglucanase và β- glucosidase Theo những hiểu biết hiện nay thì quá trình phân huỷ cellulose nhờ enzyme được thực hiện nhờ phức hệ cellulase, bao gồm các enzyme C1, Cx và β-glucosidase

Enzyme C1 có tính chất không đặc hiệu Dưới tác dụng của C1, các loại cellulose bị hấp thụ nước, trương lên và chuẩn bị cho sự tác động của các enzyme khác Nếu tách riêng C1 cho hoạt động độc lập thì tác dụng này lại không thấy rõ ràng Vì vậy người ta cho rằng C1 chỉ là một yếu tố (factor), không phải là enzyme

Cx còn gọi là enzyme β-1,4 glucanase, thuỷ phân các cellulose ngậm nước bởi C1 nói trên (polyanhydroglucoza hydrat hoá) thành cellulose Chữ x có nghĩa là enzyme gồm nhiều thành phần khác nhau và người ta thường chia làm 2 loại chính là: exo-β-1,4 glucanase và endo-β-1,4 glucanase

+ Exo-β-1,4 glucanase xúc tác việc tách liên tiếp các đơn vị glucose từ đầu không khử (non-reducing end) của chuỗi cellulose

+ Endo-β-1,4 glucanase phân cắt liên kết β-1,4 glucozit ở bất kỳ vị trí nào của chuỗi cellulose Enzyme này hoạt động tốt nhất ở pH = 5,5, và nhiệt độ 550C, bền ở 30 – 450C Hoạt tính cao ở pH =6 Các dung môi hữu cơ ít ảnh hưởng tới enzym này trừ n- butanol Các ion kim loại và EDTA nồng độ 4-14 n.M đều làm giảm hoạt tính enzym

Các tác giả (Ogawa và Toyama, 1967) cho rằng còn có một enzyme trung gian là C2 (giữa C1 và Cx) Enzyme này trước hết tác động vào cellulose đã bị làm trương nước bởi

C1 rồi thuỷ phân thành các dextrin cellulose hoà tan Sau đó Cx sẽ tiếp tục thuỷ phân các cellodextrin này thành cellobiose

- β-glucosidase là enzyme rất đặc hiệu, thuỷ phân cellulose thành cellohexose (D- glucose) mã số enzyme này là: 3.2.1.21 EC[7]

Cơ chế thuỷ phân cellulose của enzyme cellulase

Hình 2.1: Cơ chế thuỷ phân cellulose của enzyme cellulase

Endocellulase: xúc tác quá trình cắt liên kết α-1,4- glucoside trong cellulose, lignin

và α-Dglucan một cách ngẫu nhiên Sản phẩm của quá trình phân giải là các cellulose phân tử nhỏ, cellobiose và glucose

Exocellulase: cắt 2 hoặc 4 đơn vị glucose từ đầu không khử của chuỗi cellulose tạo thành các cellobiose (disaccharide) và một số cellotetrose

Cellobiase: Phân giải cellobiose (disaccharide) và cellotetrose thành glucose (Xem hình 2.1) [7]

Ứng dụng của enzyme cellulase

2.1.4.1 Enzyme cellulase với công nghiệp thực phẩm

Cellulase là thành phần cơ bản của tế bào thực vật, vì vậy nó có mặt trong mọi loại rau quả cũng như trong các nguyên liệu, phế liệu của các ngành trồng trọt và lâm nghiệp Nhưng người và động vật không có khả năng phân giải cellulose Nó chỉ có giá trị làm tăng tiêu hóa, nhưng với lượng lớn nó trở nên vô ích hay cản trở tiêu hóa Chế phẩm cellulase thường dùng để:

Tăng chất lượng thực phẩm và thức ăn gia súc

Tăng hiệu suất trích ly các chất từ nguyên liệu thực vật

Ứng dụng đầu tiên của cellulase đối với chế biến thực phẩm là dùng nó để tăng độ hấp thu, nâng cao phẩm chất về vị và làm mềm nhiều loại thực phẩm thực vật Đặc biệt là đối với thức ăn cho trẻ con và nói chung chất lượng thực phẩm được tăng lên

Một số nước đã dùng cellulase để xử lý các loại rau quả như bắp cải, hành, cà rốt, khoai tây, táo và lương thực như gạo Người ta còn xử lý cả chè, các loại tảo biển… Trong sản xuất bia, dưới tác dụng của cellulase hay phức hệ citase trong đó có cellulase, thành tế bào của hạt đại mạch bị phá hủy tạo điều kiện tốt cho tác động của protease và đường hóa

Trong sản xuất agar-agar, tác dụng của chế phẩm cellulase sẽ làm tăng chất lượng agar-agar hơn so với phương pháp dùng acid để phá vở thành tế bào Đặt biệt là việc sử

dụng chế phẩm cellulase để tận thu các phế liệu thực vật đem thủy phân, dùng làm thức

ăn gia súc và công nghệ lên men Những ứng dụng của cellulase trong công nghiệp thực phẩm đã có kết quả rất tốt Tuy nhiên hạn chế lớn nhất là rất khó thu được chế phẩm có cellulase hoạt độ cao[7]

2.1.4.2 Trong công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy

Trong công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy, bổ sung các loại enzyme trong khâu nghiền bột, tẩy trắng có vai trò rất quan trọng Nguyên liệu ban đầu chứa hàm lượng cao các chất khó tan như lignin và một phần hemicellulose, nên trong quá trình nghiền để tách riêng các sợi gỗ thành bột mịn gặp nhiều khó khăn Trong công đoạn nghiền bột giấy, bổ sung endoglucanase sẽ làm thay đổi nhẹ cấu hình của sợi cellulose, tăng khả năng nghiền

và tiết kiệm khoảng 20% năng lượng cho quá trình nghiền cơ học Trước khi nghiền hóa học, gỗ được xử lý với endoglucanase và hỗn hợp các enzyme hemicellulase, pectinase sẽ làm tăng khả năng khuếch tán hóa chất vào phía trong gỗ và hiệu quả khử lignin

Trong công nghệ tái chế giấy, các loại giấy thải cần được tẩy mực trước khi sản xuất các loại giấy in, giấy viết Endoglucanase và hemicellulase đã được dùng để tẩy trắng mực in trên giấy[7]

2.1.4.3 Trong công nghiệp sản xuất thức ăn chăn nuôi

Trong chăn nuôi (với động vật ăn cỏ) nếu thức ăn có trộn thêm cellulose sẽ tăng sự tiêu hóa hấp thụ thức ăn cho động vật - đặc biệt động vật còn non, do đó sẽ giảm chi phí thức ăn cho động vật và chúng sẽ tăng trọng nhanh hơn Việc ứng dụng phức hệ cellulase trong phân giải các nguồn thức ăn giàu cellulose như rơm, rạ, bã mía, bã khoai, bã sắn đã

và đang được triển khai ở nhiều nước, trong mọi lĩnh vực như sản xuất protein đơn bào làm thức ăn cho gia súc Trong lĩnh vực này, nấm sợi thường được sử dụng lên men các nguồn phế thải giàu cellulose tạo ra sinh khối protein chứa hàm lượng các amino acid cân đối, các vitamin và tạo hương thơm có lợi cho tiêu hóa của vật nuôi [7]

2.1.4.4 Trong công nghiệp sản xuất dung môi hữu cơ

Trong giai đoạn đường hóa của quá trình sản xuất ethanol, amylase là thành phần chính trong quá trình thủy phân tinh bột Tuy nhiên, bổ sung một số enzyme phá hủy thành tế bào như cellulase, hemicellulase có vai trò quan trọng, giúp tăng lượng đường tạo

ra và đẩy nhanh tốc độ tiếp xúc của tinh bột với amylase, dẫn tới hiệu suất thu hồi rượu tăng lên 1,5%[7]

2.1.4.5 Trong công nghệ xử lý rác thải và sản xuất phân bón vi sinh

Rác thải là nguồn chính gây nên ô nhiễm môi trường dẫn tới mất cân bằng sinh thái

và phá hủy môi trường sống, đe dọa tới sức khỏe và cuộc sống con người Thành phần hữu cơ chính trong rác thải là cellulose, nên việc sử dụng công nghệ vi sinh trong xử lý rác thải cải thiện môi trường rất có hiệu quả Enzyme này có khả năng thủy phân chất thải chứa cellulose,chuyển hoá các hợp chất kiểu lignocellulose và cellulose trong rác thải tạo nên nguồn năng lượng thông qua các sản phẩm đường, ethanol, khí sinh học hay các các sản phẩm giàu năng lượng khác

Ngoài việc bổ sung trực tiếp vi sinh vật vào bể ủ để xử lý rác thải thì việc tạo ra các chế phẩm vi sinh có chứa các vi sinh vật sinh ra cellulase đã được nghiên cứu và sản xuất Phức hệ cellulase được sử dụng để xử lý nguồn nước thải do các nhà máy giấy thải ra Nguyên liệu làm giấy là gỗ (sinh khối của thực vật bậc cao) Sinh khối này chứa rất nhiều loại polysaccharide, trong đó các polysaccharide quan trọng quyết định tới chất lượng, số lượng giấy là cellulose Vì vậy, nước thải của các nhà máy giấy, các cơ sở chế biến gỗ, các xưởng mộc khi bổ sung các chế phẩm chứa phức hệ cellulase đem lại hiệu quả cao[7]

Nguồn vi sinh vật sinh enzyme cellulase

2.1.5.1 Vi Khuẩn

Trong điều kiện hiếu khí, có rất nhiều vi khuẩn có khả năng phân hủy cellulose nhờ vào hệ enzym cellulase của chúng Cellulase là một phức hệ enzyme thủy phân cellulose tạo ra các đường đủ nhỏ để đi qua vách tế bào vi khuẩn Ở một số vi khuẩn, enzym oxy hóa khử và enzyme phân hủy protein cũng tham gia vào quá trình trên Một số loài vi

khuẩn tiêu biểu có khả năng phân hủy cellulose trong điều kiện hiếu khí: Acetobacter

xilinum, Achromabacter, Bacillus subtilis, Celvibrio fulvus, Cytophaga, Cellulomonas biazotea…[8]

2.1.5.2 Xạ khuẩn

Là nhóm vi sinh vật có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ cao phân tử như cellulose, lignin… Có trong bã thực vật để tạo thành các hợp chất trung gian, tổng hợp các chất mùn

Xạ khuẩn là nhóm vi sinh vật đơn bào, chúng phân bố rộng rãi trong tự nhiên, thậm chí trên những cơ chất mà vi khuẩn và nấm mốc không phát triển được

Xạ khuẩn tham gia tích cực vào các quá trình chuyển hóa nhiều hợp chất hữu cơ trong tự nhiên Chúng sinh sản ra chất kháng sinh từ acid amin tạo thành trong qúa trình trao đổi chất của vi khuẩn quang hợp và các chất hữu cơ Các chất kháng sinh này tiêu diệt vi khuẩn và nấm mốc gây hại

Khả năng phân giải cellulose của xạ khuẩn đã được nghiên cứu nhiều Harmsen (1964) chia xạ khuẩn phân hủy cellulose ra lam ba nhóm A, B, C Nhóm B và C phân hủy cellulose rất mạnh Theo Krasilnikov (1949) thì các loài xạ khuẩn phân giải cellulose có thể xếp hạng theo mức độ phân giải từ mạnh xuống yếu như sau:

- Loài 1: Actinobacteria coelicolor, Actinobacteria sulfureus, Actinobacteria aureus,

Actinobacteria cellulose

- Loài 2: Actinobacteria hydroscopicus, Actinobacteria griseoflavus, Actinobacteria

ochroleucus, Actinobacteria loidensis, Actinobacteria viridans, Actinobacteria griseolus

- Loài 3: Actinobacteria themofuscus, Actinobacteria xanthostromus

- Loài 4: Actinobacteria flavochromogenes, Actinobacteria bovis, Actinobacteria

sampsonii [5]

2.1.5.3 Nấm mốc

Có nhiều loài nấm sợi có khả năng sinh ra 1 lượng lớn cellulase thuộc giống

Alternaria, Trichoderma, Myrothecium, Aspergillus… Trong đó có 2 giống nấm sợi là Trichoderma và Aspergillus đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu để sản xuất

cellulase Trong đồ án thiết kế của tôi, tôi sử dụng chủng nấm mốc Aspergillus

2.2 Tình hình nghiên cứu sản xuất enzyme cellulase ở Việt Nam và trên thế giới

Enzyme cellulase kỹ thuật chủ yếu được thu nhân từ T.reesei Asp.niger và gần đây

là từ các chủng vi khuẩn Ở Nhật, cellulase kỹ thuật thu nhận từ T.viride bằng phương pháp nuôi cấy bề mặt theo quá trình koji như sau: cám mì được xử lý nhiệt, cấy bào tử vào, nuôi ủ vào khay dưới điều kiện ( pH, nhiệt độ, độ ẩm ) tối ưu Sau 3- 5 ngày, môi trường lên men được chiết với nước, dịch chiết được cô đặc và enzym được tủa bằng alcohol Thậm chí ngày nay, một vài công ty còn sản xuất enzyme cellulase từ

Trichoderma theo quá trình koji Tương tự, có thể áp dụng quá trình này để sản xuất

enzym cellulase từ Asp.niger

Ở Mỹ, phòng thí nghiệm của quân đội Mỹ ở Natik và trường đại học Rutgers lần đầu

tiên sử dụng chủng T.viride QM 6 hoang dại để sản xuất enzyme cellulase

Ở Pháp hãng Ly Ven sản xuất enzym cellulase từ T.reesei và từ Asp.niger sử dụng

trong công nghiệp thực phẩm

Ở Canada, hãng Logene sản xuất enzym cellulase sử dụng trong thức ăn gia súc, công nghiệp giấy, chế biến hạt, sản xuất ethanol

Loại chế phẩm được sản ở Liên Xô sử dụng trong chăn nuôi có tên gọi là “

cellolignorin“ Đây là sản phẩm nuôi cấy T.Lignorum đã sấy khô đến chỉ còn 13% độ ẩm, chứ 1-50 đơn vị cellulase/g Ngoài các endoglucanase và exo glucanase còn có

hemicellulase, pectinase và xylanase, pH thích hợp nhất cho chế phẩm này hoạt động từ 4,0- 5,5

Ở Nhật Bản hãng Nagaze, Amono, dsiva kasei- zenihon sejkage hằng năm đã sản xuất đến 8000 tấn chế phẩm enzym các loại để dùng trong nông nghiệp[1]

Năm 1999, Nguyễn Đức Lượng và cộng sự đã nghiên cứu khả năng sinh tổng hợp

cellulase từ Astinomyces griseus

Năm 2003, Hoàng Quốc Khánh và cộng sự đã nghiên cứu khả năng sinh tổng hợp và

đặc điểm cellulase từ chủng Aspergillus niger

2.3 Tổng quan về chủng nấm Aspergillus niger

Lịch sử nghiên cứu

Chi Aspergillus do Meicheli mô tả lần đầu tiên năm 1729, sau đó năm 1809, Link

mô tả loài Aspergillus glaucus và loài nấm túi Eurotium herbariorum phát hiện thấy trên

cùng một tiêu bản mẫu cây khô Fries (1832) chấp nhận chi nấm này của Micheli, như vậy

theo Luật quốc tế về danh pháp thực vậ ( điều 13f), chi Aspergillus chính thức mang tên

Aspergillus Micheli ex Fries De Bary (1850) phát hiện giai đoạn bào tử trần của

Eurotium herbariorum chính là Aspergillus gloucus Cuối thế kỷ 19, một số công trình

nghiên cứu cho biết sản phẩm lên men của một số loài thuộc chi Aspergillus là acid hữu

cơ như acid oxalic, acid citric,v v và do đó chi Aspergillus được chú ý nghiên cứu cả về

mặt hóa sinh, lên men vi sinh vật cả về pân loại học[1]

Hình 2.2: Aspergillus niger

( Ảnh: Gettyimages)

Thành phần môi trường nuôi cấy Aspergillus niger

2.3.2.1 Nguồn carbon:

Theo lý thuyết sinh tổng hợp của enzym cảm ứng, trong môi trường nuôi cấy vi sinh vật sinh cellulase nhất thiết phải có cellulose là chất cảm ứng và là nguồn carbon

Những nguồn cellulose có thể là bã sắn,vỏ sắn, giấy lọc, bông, bột cellulose, lõi ngô,

cám , mùn cưa, bã củ cải, rơm, than bùn… Aspergillus Niger và Trichoderma koningi

nuôi trên môi trường có nguồn carbon là giấy lọc cho hoạt tính enzym cao nhất Kết quả

cũng tương tự như vậy khi nuôi Myrothecium verrucaria trên môi trường có giấy lọc và

lõi ngô, bã củ cải

Chất cảm ứng của enzym cellulase còn là cellobiosooctacetat,cám mì,cám gạo, lactose salicyl Đối với stachybotrit atra nguồn carbon tốt nhất để sinh tổng hợp cellulase

là tinh bột 1%

Các nguồn carbon khác (glucose, cellobiose, acetat, citrat, oxalat, xuccinat và những sản phẩm trung gian của vòng krebs) có tác dụng kiềm hãm sinh tổng hợp cellulase Song, trong môi trường với nồng độ glucose rất ít tác dụng kích thích vi sinh vật phát triển tạo thành enzyme Glycerin chỉ có tác dụng kích thích vi sinh vật sinh trưởng phát triển, không cảm ứng tổng hợp enzyme[7]

2.3.2.2 Nguồn Nitơ:

Các nguồn nito vô cơ thích hợp nhất đối với các sinh vật cellulase là muối nitrat Đối với các giống của bộ nấm bông nguồn nito tốt nhất lại là (NH4)2HPO4 Nói chung các muối amon ít tác dụng nâng cao hoạt lực enzyme này, thậm chí còn ức chế quá trình tổng hợp, vì rằng môi trong các muối này làm cho môi trường acid hóa Điều này không những

ức chế trong quá trình sinh tổng hợp enzyme mà còn có thể làm mất hoạt tinhs enzyme sau khi tạo thành

Natri nitrat làm cho môi trường kiềm hóa, tạo điều kiện thuận lợi cho sự tạo thành cellulase Các hợp chất nitơ hữu cơ có tác dụng khác nhau đến sinh tổng hợp cellulase Điều này phụ thuộc vào điều kiện sinh lý của từng chủng giống Cao ngô và cao nấm men

có tác dụng nâng cao hoạt lực cellulase của vi sinh vật nhưng với cao ngô khả năng sinh tổng hợp C1 – và C2- cellulase cao hơn so với cao nấm men[7]

2.3.2.3 Nguồn khoáng chất:

Những nguyên tố khoáng (Fe, Mn, Zn,B, Mo, Cu…) có ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng tổng hợp cellulase của vi sinh vật Zn, Mn, Fe có tác dụng kích thích tạo thành enzym này ở nhiều chủng Nồng độ tối thích của Zn: 0,11 – 22 mg/l, Fe: 2- 10 mg/l, Mn: 3,4 – 27,2 mg/l[7]

2.3.2.4 Chất kích thích sinh trưởng:

Biotin và tiamin trong môi trường dinh dưỡng không có ảnh hưởng đến sinh tổng hợp enzym này[7]

2.4 Tình hình xử lý bã thải sắn của nhà máy chế biến tinh bột sắn

Chất thải rắn sinh ra trong quá trình sản xuất chủ yếu bao gồm:

- Vỏ gỗ và vỏ cũ, chiếm khoảng 2-3% lượng sắn củ tươi, được loại bỏ ngay từ khâu bóc vỏ Phế liệu này có thể được sử dụng làm thức ăn gia súc ở dạng khô hoặc ướt

- Xơ và bã sắn được thu nhận sau khi đã lọc hết tinh bột Loại chất rắn này thường chiếm 15-20% lượng sắn tươi, gây ô nhiễm môi trường nếu không được xử lý kịp thời

Xơ và bã sắn sau khi trích ly được tách nước làm thức ăn gia súc

- Mủ: lượng mủ khô chiếm khoảng 3,5- 5% củ sắn tươi Mủ được tách ra từ dịch sữa, có hàm lượng chất hữu cơ cao ( 1500-2000 mg/100g) và xơ sinh học, cần được làm khô ngay Tuy nhiên, thực hành tại nhiều doanh nghiệp sản xuất thường để mủ dưới dạng ướt Lượng tinh bột chứa trong mủ là 51.800-63.000 mg/100g, gấp đôi lượng tinh bột có trong vỏ gỗ và vỏ củ Mủ được sử dụng làm thức ăn gia súc

Bã thải rắn của ngành sản xuất tinh bột sắn thường được các doanh nghiệp sản xuất tận dụng làm sản phẩm phụ dưới dạng thức ăn gia súc Nguồn thu từ sản phẩm phụ này là không đáng kể, cần có các biện pháp sử dụng và quản lý bã thải rắn hiệu quả hơn

2.5 Kết luận về tổng quan tài liệu

Sau các tài liệu tham khảo được từ các nguồn tin cậy, thấy được rằng việc sử dụng

bã thải sắn để sản xuất enzyme cellulose là việc làm cần thiết để tạo ra các sản phẩm có lợi cho đời sống, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường cho xã hội

CHƯƠNG 3: THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

3.1 Chọn dây chuyền công nghệ

Trong công nghiệp sản xuất enzyme hiện nay có hai phương pháp: phương pháp nuôi cấy bề mặt và phương pháp nuôi cấy chìm

So sánh hai phương pháp ta thấy phương pháp nuôi cấy bề mặt có những ưu điểm sau:

- Nuôi bề mặt rất dễ thực hiện, qui trình công nghệ không phức tạp

- Lượng enzyme được tạo thành từ nuôi cấy bề mặt thường cao hơn rất nhiều so với nuôi cấy chìm

- Chế phẩm enzyme thô sau khi thu nhận rất dễ sấy khô và bảo quản

- Nuôi cấy bề mặt không cần sử dụng nhiều thiết bị phức tạp, do đó việc vận hành công nghệ cũng như đầu tư ban đầu vừa đơn giản vừa không tốn kém

- Trong trường hợp bị nhiễm vi sinh vật lạ rất dễ xử lý

- Trong kĩ thuật nuôi cấy bề mặt có hai loại môi trường nuôi cấy, đó là môi trường bán rắn và môi trường lỏng Ở môi trường lỏng thì vi sinh vật sẽ phát triển trên bề mặt dung dịch lỏng nơi phân cắt giữa pha lỏng và pha khí Khi đó các tế bào vi sinh vật sẽ tạo thành những ván phủ kín bề mặt dung dịch lỏng Enzyme sẽ được tổng hợp trong tế bào

và thoát khỏi tế bào vào trong dung dịch nuôi cấy Do đó việc thu nhận enzyme thô trong dịch nuôi cấy cũng rất đơn giản Tuy nhiên phương pháp nuôi cấy này tỏ ra không hiệu quả vì hoạt lực của enzyme thu nhận được của phương pháp này không cao bằng nuôi cấy trên môi trường bán rắn.Một mặt phương pháp này vi sinh vật phát triển chủ yếu trên bề mặt nên hệ sử dụng môi trường nuôi cấy không cao Vì vậy phương pháp này ít được dùng.Chính vì những lý do trên mà tôi quyết định chọn phương pháp nuôi cấy bề mặt trên môi trường bán rắn với dây chuyền công nghệ như sau:

Giống Aspergillus niger

Cô đặc chân không

Lọc Dịch trích ly 1

Bã

3.2 Thuyết minh dây chuyền công nghệ

Nguyên liệu:

Nghiền nguyên liệu:

Mục đích : Tạo kích thước thích hợp, đồng thời phá vỡ một phần các cấu trúc đại phân tử để quá trình lên men được tiến hành thuận lợi hơn

Tiến hành:Bã sắn sau khi nhập vào kho bảo quản chờ sản xuất Khi sản xuất, bã sắn

từ kho chuyển đến máy nghiền tán để nghiền đến mức độ công nghệ yêu cầu

Nguyên liệu trấu:

Sàng: từ kho qua băng tải đến thiết bị làm sạch dạng sàng rung, được gàu tải đưa lên bunke định lượng khối lượng, sau đó từ bunke được xả xuống thiết bị phối trộn

Tiến hành: đưa qa máy sàng để loại bỏ các kim loại, các loại khác không phải trấu

Phối trộn:

Mục đích: Tạo điều kiện thích hợp cho quá trình lên men sau này

Tiến hành: Hỗn hợp bã sắn, trấu, nước, muối khoáng và các chất dinh duỡng cần thiết khác được định lượng và trộn đều theo tỉ lệ đã tính toán

Nước làm ẩm, phục vụ trực tiếp cho thanh trùng, đảm bảo chế độ làm ẩm cho quá trình nuôi cấy, độ ẩm tối ưu là 58% ÷ 60%

Tiệt trùng:

Mục đích: tác động tới môi trường dinh dưỡng nhằm tiêu diệt hay loại bỏ hoàn toàn VSV khỏi môi trường đó, để tạo ra môi trường vô trùng phục vụ quá trình lên men