ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG ENZYME TRONG SẢN XUẤT GIẤY TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP. HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI BÁO CÁO CÔNG NGHỆ SINH HỌC

vectorstock.com/23503038

Ths Nguyễn Thanh Tú eBook Collection DẠY KÈM QUY NHƠN BIOLOGY PHÁT TRIỂN NỘI DUNG

ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG ENZYME TRONG SẢN XUẤT GIẤY TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP. HỒ CHÍ MINH WORD VERSION | 2020 EDITION ORDER NOW / CHUYỂN GIAO QUA EMAIL TAILIEUCHUANTHAMKHAO@GMAIL.COM Tài liệu chuẩn tham khảo Phát triển kênh bởi Ths Nguyễn Thanh Tú Đơn vị tài trợ / phát hành / chia sẻ học thuật : Nguyen Thanh Tu Group Hỗ trợ trực tuyến Fb www.facebook.com/DayKemQuyNhon Mobi/Zalo 0905779594

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 GIẤY Nhóm sinh viên thực hiện

2

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

3

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

Lúc đầu phương pháp sản xuất giấy khá đơn giản: người ta nghiền ướt các nguyên liệu 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 trôi qua, mãi đến giữa thế kỷ thứ 8 phát minh này của người Trung Hoa mới được phổ biến đến các 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. Và sau vài thế kỉ thì phương pháp sản xuất giấy bằng phương pháp công nghiệp ra đời. Với phương pháp tiên tiến này,vấn đề của thời kì trước đó là thiếu nguyên liệu đã được giải quyết nhưng vấn đề mới xảy ra: sử dụng quá nhiều nước và hóa chất cho quá trình tẩy trắng giấy dẫn 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.”

4

I. Đặt vấn đề: Trong cuộc sống, giấy là sản phẩm cần thiết và là ngành sản xuất đóng vai trò trọng yếu, đóng góp đáng kể cho sự phát triển kinh tế thế giới. Tái chế giấy báo cũ đã trở thành bắt buộc 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 doanh nghiệp, 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 tạo thành 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 của nhiều dự án nghiên cứu. Khi nhắm đến các quá trình khử mực hiệu quả và thân thiện với môi trường, enzyme hỗ trợ loại bỏ mực là một thay thế tiềm năng, điển hình là enzyme lipase và laccase 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 loại chất có trong gỗ và rơm rạ. Nói chung cái gì có sợi cellulose là có thể là nguyên liệu sản xuất giấy. Nhưng không phải vật liệu nào cũng có thể làm giấy tốt được, những loại gỗ dưới đây thường được dùng để làm giấy chất lượng cao.

•

Vân sam • Linh sam • Thông • Thông rụng lá • Sồi • Dương • Cáng lò (Cây bulô) • Bạch đàn (Cây khuynh diệp) Ngoài gỗ hay các loại thực vật có chứa sợi cellulose thì giấy cũ cũng là một nguyên liệu chính để sản xuất giấy hiện nay.

5

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 nấu trước khi được mài.

• Bột nhiệt cơ: được sản xuất từ phế liệu gỗ được băm nhỏ và vỏ bào của các xưởng cưa. 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 các máy nghiền.

- Đem bột gỗ xử lý hóa học Các mảnh gỗ được xử lý hóa học bằng cách nấu. Sau khi nấu 12 đến 15 tiếng các sợi sẽ được tách ra khỏi các thành phần cứng đi cùng với cellulose.

Sau khi nấu xong, bột giấy sẽ được đem đi tẩy trắng. Phương pháp tẩy trắng có 2 loại, một loại có clo và một loại chất tẩy trắng không có clo. Nhưng do chất clo gây ô nhiễm môi trường nên dù cho chất tẩy trắng không có Clo có khả năng tẩy trắng thấp hơn, nhưng vẫn được sử dụng ngày càng nhiều.

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 trong máy nghiền dung dịch bột giấy đậm đặc chảy qua giữa một trục lăn có dao và các dao gắn cố định. Sợi sẽ được cắt hay ép tùy theo các điều chỉnh dao.

Thêm chất phụ gia

Ngoài sợi cellulose ra bột giấy còn được trộn thêm đến 30% các chất phụ gia:Cao lanh, Tinh bột, Blanc fixe, Dioxititan, Phấn… Các loại chất này sẽ quyết định độ mờ trong, độ đục của giấy. Độ bóng, mịn của giấy cũng do giai đoạn này quyết định. Những loại giấy couche, giấy bristol ( loại giấy in brochure, catalogue, menu…), loại giấy này bóng hơn so với các loại giấy khác là nhờ được trộn nhiều tinh bột hơn.

- Giai đoạn kéo giấy Giấy được tạo thành tấm trên máy kéo giấy. Dung dịch bột giấy,sau khi được làm sạch nhiều lần chảy lên mặt lưới. Trên lưới này phần lớn nước chảy thoát đi và cấu trúc của tờ giấy bắt đầu thành hình. Bên dưới lưới có đặt máy hút nước để giúp thoát nước. Giấy sản xuất công nghiệp có hai mặt: mặt lưới và mặt láng, các sợi giấy hầu như đều hướng về một 6

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

Giấy tái sinh

Phân loại

Nghiền bột

Gỗ

Khử mực Tước vỏ Xeo giấy

Giấy

Nghiền bột cơ học Tẩy trắng

Đập đập Nghiền bột hóa học

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 sau nấu 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, hay chính xác hơn là các nhóm mang màu (chromoform) của lignin, chủ yếu là các nhóm quinon. Chúng là sản phẩm của các biến đổi hóa học phức tạp của lignin trong quá trình nấu. Tính chất của các nhóm mang mầu này chủ yếu phụ thuộc vào phương pháp sản xuất (nấu hay nghiền, ...), quy trình công nghệ và dạng nguyên 7

liệu. Về phương diện hóa học, nhiệm vụ của quá trình tẩy trắng là dùng các tác nhân hóa học (các chất có tính oxy hóa - khử, các chất có khả năng thay đổi tính chất của lignin) để phân hủy lignin, thay đổi cấu tạo hóa học của các nhóm phát mầu, loại bỏ các gốc trợ mầu hoặc ngăn chặn các gốc phát mầu và trợ mầu liên hợp với nhau. Nhìn chung, các giải pháp kỹ thuật tẩy trắng đến nay vẫn chưa hoàn thiện, vì vậy ở mức độ nào đó tẩy trắng thường kéo theo các tác động oxi hóa hay thủy phân của các chất tẩy đối với xenluloza và hemixenluloza, gây ra sự biến đổi các tính chất lý-hóa học của nó. Việc thay đổi các tính chất này một cách có mục đích theo công dụng của bột tẩy trắng, song song với mục tiêu đạt độ trắng cao và ổn định là một trong những nhiệm vụ cơ bản nhất của quá trình và được thực hiện bằng cách 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 loại bột tẩy trắng sử dụng cho chế biến hóa học cần điều chỉnh nghiêm ngặt các điều kiện tẩy trắng với mục đích đáp ứng tất cả các tính năng sử dụng của nó. Chẳng hạn, 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 tẩy trắng các tính chất lý hóa học nhất định theo mục đích sử dụng.

IV . Vật liệu và phương pháp: 1. Lipase: a. Cấu tạo: Lipase (E.C.3.1.1.3) có thể được định nghĩa là carboxylesterase xúc tác cho quá trình thủy phân từ acylglycerol chuỗi dài đến glycerol, axit béo tự do và mono- và diglyceride.

Enzyme lipase còn có tên gọi khác là Triacylglyxerol lipase. Thuộc nhóm enzyme hydrolase.

8

Tâm hoạt động của lipase là bộ ba: Serine, Histidine và Aspartate/Glutamate. Phía trên trung tâm hoạt động có vùng kỵ nước được hình thành sau khi lipase được hoạt hóa. Ngoại trừ các điểm chung về khả năng xúc tác thông dụng thì lipase từ những nguồn khác nhau có rất ít điểm chung ở cấp độ amino acid. Do đó, sự hiện diện của serine ở tâm hoạt động được xem 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 9

b. Tính chất vật lý: Lipase chiết xuất từ tụy tạng bị mất hoạt tính ở 40oC, nhưng một số lipase ở vi sinh vật lại có tính bền nhiệt. pH ảnh hưởng mạnh đến hoạt động lipase giúp tang cường quá trình thủy 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 các cation kim loại như Ca2+,Na+ sẽ làm tăng hoạt tính của lipase. Hoạt tính của lipase sẽ bị bất hoạt 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 béo bên trong các tế bào của những cơ quan khác nhau cũng như tạo điều kiện cho sự di chuyển của lipit từ cơ quan này sang cơ quan khác. Một khía cánh quan trọng của hệ enzyme thủy phân chất béo là chúng chỉ xúc tác cho các phản ứng lý hóa tại bề mặt tiếp xúc giữa hai pha béo-nước nhờ cơ chế hấp phụ bề măt. Sự gia tăng hoạt tính xuất hiện khi một phần cơ chất tan 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 thống mực và giá thấp hơn. Mực dầu thực vật được sấy khô khi các liên kết chéo trong chất kết dính với giấy được hình thành bởi các axit béo của dầu. Sự thay đổi độ sáng và nồng độ mực còn lại được lipase kiềm loại bỏ các loại mực gốc dầu còn sót lại, số lượng bụi bẩn. d. Ứng dụng: ⮚ 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 bình Erlenmeyer 2,5 lít. Các môi trường nuôi cấy được ly tâm ở tốc độ 10000 vòng/phút trong 30 phút. Hàm lượng Lipase nổi ở trên mặt được ly trích và đông khô, hòa tan trong dung dịch đệm 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 chế phẩm 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.

10

⮚ 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 hiện trong 60 phút ở 6% độ đặc và 600 rpm. Một phần giấy tan rã được lưu trữ ở 5oC . Phần còn lại được pha loãng đến 7.5% với nước máy. Tất cả mẫu được xử lý bằng chất hoạt động bề mặt trung tính và NaSiO3 . Sau khi thêm hóa chất khử mùi, độ pH được điểu chỉnh bằng cách thêm NaOH hoặc HCL 1M. Quy trình tuyển nổi bột giấy - tách các chất lơ lửng, chất hoạt tính bề mặt, dầu mỡ tiến hành trong một tế bào tuyển nổi Leeds ở 50oC trong 5 phút. Lúc đó, độ đặc của huyền phù 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 và huyền 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 giờ với 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 bằng clorofirm/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 được tiêm ở chế độ không phân chia vào CP-wax-58 (FFAP) , cột mao quản pha trộn silica 25mx0.32mm. Nhiệt độ cổng phun là 275oC và thời gian thanh lọc là 0.5 phút với một lưu lượng khí 70ml. Nhiệt độ tăng từ 45oC đến 240oC , mỗi lần tăng ít nhất 35oC và được giữ trong 130 phút. Sản phẩm có độ giữ ở thời gian 29,84,45,46,49,10 và 55 ,12 phút được xác định là axit hexadecanoic ( C16) , axit octadecanoic ( C18), axit ocata-6-enoic ( C18:1) và octadeca-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 trình oxy hóa một electron, dẫn đến liên kết ngang. Ezyme này chứa 153030% carbohydrate và có khối lượng phân tử là 60 sắt 90 kDa. Khác với phần lớn các enzyme khác, laccase có phổ cơ chất 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.Các 11

loại 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 phần chính A,B,C có khối lượng tương đối bằng nhau, cả 3 phần đều có vai trò trong quá trình xúc tác của laccase.Vị trí liên kết với cơ chất nằm ở khe giữa vùng B&C,trung tâm 1 nguyên tử đồng nằm ở vùng C và trung tâm 3 nguyên tử đồng nằm ở bề mặt chung của vùng A và C.Trung tâm vùng 1 chỉ chứa 1 nguyên tử đồng T1,liên kết với 1 đoạn peptide có 2 gốc histidine và 1 gốc cystein.Liên kết giữa nguyên tử đồng T1 với nguyên tử S của cystein là liên kết đồng hóa trị bền và hấp thụ ánh sáng ở bước sóng 600 nm,tạo cho laccase có màu xanh nước biển đặc trưng.Trung tâm có 3 nguyên tử đồng:gồm 1 nguyên tử đồng T2 và cặp nguyên tử đồng T3.Nguyên tử đồng T2 liên kết với 2 gốc histidine bảo thủ trong khi các nguyên tử đồng T3 thì tạo liên kết với 6 gốc histidine bảo thủ . Nguyên tử đồng T2 có tính chất hấp phụ điện tử và tạo thành phổ điện tử mạnh, trong khi cặp nguyên tử đồng T3 không tạo 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.

12

c. Tính chất hóa học: Laccase ( benzenediol: oxygen oxyoreductase, EC 1.10.3.2) là một phenol oxidase có chứa nhiều nguyên tố đồng trong trung tâm hoạt động. Vốn là một glycoprotein, enzyme này xúc tác sự oxi hóa các ortho và paradiphenol, aminophenol, polyphenol, polyamin, ligin và các aryl diamin cũng như một số các ion vô cơ. Một dặc điểm nổi bật khác của laccase là oxy hóa các cơ chất chỉ kèm theo sự khử oxy thành nước, khác với các peroxidase cần tới sự có mặt của các cofactor ( như H2O2). Mặt khác, tuy thế oxy hóa khử laccase là nhỏ hơn so với các hợp chất không chứa nhóm phenol, do vậy nó không có khả năng oxy hóa trực tiếp các hợp chất này, nhưng bằng cách sử dụng các phân tử nhỏ có khả năng đóng vai trò là chất vận chuyển electron trung gian, laccase có khả năng oxy hóa được nhiều cấu trúc không chứa nhóm phenol.

Chất trung gian lý tưởng để tẩy trắng bột giấy phải là một chất nền tốt cho laccase, phải là chất có kích thước phân tử nhỏ, có khả năng tạo ra các gốc ổn định ( ở dạng oxy hóa) và không làm bất hoạt enzyme . Sau nhiều năm nghiên cứu, hợp chất nhân tạo thành công được xem là chất trung gian laccase cho quá trình oxy hóa các hợp chất cấu tạo lignin không chứa nhóm phenol là ABTS, HBT,... d. Ứng dụng: ⮚ Quy trình xử lý bột giấy bằng sinh học: Hiện nay, có hai loại qui trình nghiền được thực hiện trong các nhà máy giấy đó là nghiền cơ học và nghiền hóa học. Nghiền cơ học bao gồm mài nguyên liệu thô trên bề măt mài mòn để khử các vật liệu chứa lignocellulose và loại bỏ lignin. Tuy nhiên, giấy làm từ bột giấy này thường chuyển sang màu vàng và giòn dần theo thời gian, ngoài ra cần phải cung cấp công suất điện lớn. Nghiền hóa học bao gồm tách sợi từ nguyên liệu thô, sau đó cho đi hòa tan trong hóa chất chủ yếu là axit ( Sulfite) và kiềm (Kraft) ở nhiệt độ và áp suất cao, kết quả tạo ra bột giấy có màu nâu do ảnh hưởng của hóa chất lên lignin. Nhờ vào khả năng oxy hóa được các hợp chất mang cấu trúc không chứ nhóm phenol nên khi kết hợp với các chất trung gian khác, laccase có thể khử được lignin trong bột giấy. Từ đó giải quyết được tình trạng lignin trong thành phần bột giấy cũng như tình trạng ô nhiễm hóa chất xả thải từ các nhà máy sản xuất giấy trong công nghiệp.

13

Bước đầu tiên của quá trình nghiền sinh học, gỗ cần xử lí thành dăm hoặc các nguyên liệu thô khác thành từng miếng nhỏ. Dăm gỗ thường dễ bị trộn lẫn giữa các bào tử vi khuẩn và các nấm khác nhau. Những sinh vật không mong muốn này có thể tạo ra cellulase làm suy giảm cellulose và ảnh hưởng đến tính chất của bột giấy. Do đó, việc khử dăm gỗ/ nguyên liệu thô khác là điều cần thiết và khử trùng bằng hơi nước là phương pháp ưu tiên cho việc này.

Sau khi được khử trùng, các nấm thích hợp sẽ được nuôi cấy vào cơ chất và ử trong điều kiện thoàng khí ở nhiệt độ thích hợp trong vòng 1 – 4 tuần hoặc hơn tùy thuộc vào bản chất của các nguyên liệu thô và các loài nấm. Quá trình xử li này được thực hiện trong điều kiện lên men ở trạng thái rắn. Và cần duy trì độ ẩm của chất nền từ 50 – 80%.

Hình 2. Qui trình sản xuát bột giấy sinh học

⮚ Ứng dụng của enzyme khi kết hợp chất trung gian Khi laccase bắt đầu quá trình oxy hóa ABTS sẽ tạo ra gốc cation ABTS•+, sau đó sẽ bị oxi hóa thành chất khử ABTS2 +. Sự oxi hóa các hợp chất cấu trúc lignin không chứa nhóm phenol và hoá chất nhuộm màu hữu cơ bằng cách kết hợp laccase-ABTS thông qua con đường chuyển điện tử ( ET). Quá trình oxy hóa chất trung gian bằng laccase sẽ tạo ra gốc nitroxyl phản ứng cao ( NNTHER O ) góp phần loại bỏ enzyme và phóng thích một proton.

Các gốc nitroxyl hóa cơ chất được đi theo cơ chế chuyển nguyên tử hydro (HAT) (Hình 3).

14

Hình 3. Quá trình oxy hóa hợp chất lignin không chưa nhóm phenol bằng laccse kết hợp chất trung gian theoo hai cơ chế oxy hóa : ET ( chuyển điện tử) và HAT ( chuyển nguyên tử hydro).

Trong nghiên cứu ở laccase prokaryotic ( Streptomyces cyaneus CECT 3335) được sử dụng cho quá trình lọc sinh học ở bột giấy bạch đàn cho thấy, khi kết họp 100mU (16 µg) bột giất tinh khiết với 5.0 mM ABTS trong điều kiện pH 5.0 ở 45o C trong 3 giờ phản ứng thì chỉ số1 Kappa* ở bột giấy giảm 2.3 U và tăng độ sáng lên 2.2%.

Ngoài ra khi áp dụng một laccase trong môi trường kiềm γ- proteobacterium JB để phân loại bột lúa mì, qua các bước xử lí số liệu cho được kết quả tối ưu cho việc phân lớp là laccase 20 nkat g-1 bột giấy, 2mM ABTS trong môi trường pH 8.0 làm tăng độ sáng 5.9% và giảm 21% chỉ số Kappa* trong thời gian ủ 4 giờ, nhiệt độ 55oC. V . Kết quả: I.

Lipase - Độ pH và nhiệt độ thích hợp:. Mức nhiệt độ từ 45 đến 55oC và pH trên 8 phù hợp để duy trì hoạt động tối đa của lipase. Nhiệt độ 50oC đã được chọn để xử lý.

*chỉ số Kappa bột giấy liên quan trực tiếp đến lượng lignin (độ cứng) hoặc khả năng tẩy trắng của bột giấy

15

110

120

100

100

90

80

80

60

70

40

60

20

50

0 30

35

40

45

50

55

60

Temperature, C

Figure : Relative enzymatic activity of lipase as a function of temperature

-

65

6

7

8

9

10

11

pH

Figure 2: Relative enzymatic activity of lipase as a function of pH

Chủng: Độ tối ưu pH cho cả lipase từ tuyến mật và lipase từ chủng P.aeruginosa là gần với pH 7.5 trong khi độ tối ưu pH cho chủng TE208L và TE135L ở mức pH > 8 . Sự ổn định nhiệt dộ của các chế phẩm lipase thay đổi đáng kể. Lipase trong tuyến mật và chủng TE135L đã bị bất hoạt hoàn toàn ở 60oC, trong khi lipase trong chủng P.aeruginosa ổn định đến 60 và 70oC.

● Độ sáng: Hình cho thấy độ sáng và nồng độ mực dư (ERIC) của các nồng độ lipase khác nhau, dao động từ 0 đến 10 IU/g/ khi độ pH của huyền phù bột giấy bằng 9.

16

Thử nghiệm bới 0 IU/g, pH = 9 nhưng không sử dụng lipase gây ra hiện tượng tối màu kiềm, dẫn đến mất độ sáng, giá trị trung bình 57.3% thấp hơn so với giá trị ISO 58.7% . Hiện tượng tối màu kiềm la do phản ứng của lignin bột cơ học với natri hydroxit. Sau bước tuyển nổi, nồng độ mực dư đã giảm đáng kể, tạo ra sự cải thiện nhẹ về độ sáng. Bước tuyển nổi hiểu quả trong việc loại bỏ một số hạt mực , điển hình là nồng độ mực giảm từ mức 277 xuống còn 185ppm.

75.0 Initial Brightness : 58.7 % ISO

70.0

66.7 66.3 67.2 67.6

65.0 60.0

60.5 59.9 60.4 60.3

57 57.4 57.4 .2

55.0 50.0

ET

F

P

REF 0 IU/g 10 IU/g 5 IU/g Figure : Brightness as a function of lipase (pH adjusted to 9)

Nồng độ lipase là 10IU/g cho thấy nồng độ mực dư từ 184 xuống còn 151 ppm. Điều này chứng minh được lipase tách mực đủ cho bước tuyển nổi hiệu quả và thủy phân cả một phần chất mang mực thực vật có ảnh hưởng đến quá trình khử mùi. Tuy nhiên, độ sáng bột giấy cuối cùng đạt 67.6% ISO ở nồng độ lipase là 10IU/g., cải thiện được 0.9 điểm.

Laccase -

Độ pH và nhiệt độ thích hợp: Hình cho thấy hoạt động của enzyme laccase như một hàm nhiệt độ và pH. Khi thay đổi các mức nhiệt độ từ 30 – 55OC thì khoảng 60% lượng enzyme kết thúc hoạt dộng. Và hoạt động của enzyme sẽ tương đối trên 80% khi độ pH thay đổi từ 6.5 đến 8.5. Đặc biệt, ở pH từ 5.5 trở lên ( pH = 9.5) thì không có hoạt động của enzyme.

17

-

Độ sáng: Khi sử dụng hệ thống LMS, cho được kết quả với hệ thống này cho phép tăng nhẹ độ sáng khi độ pH của bột giấy không thay đổi. Độ sáng tăng lần lượt là 1.1 và 0.8 ở pH 6.2 và pH 8.0 cho thấy được một phần nhỏ lượng lignin đã được mất đi bở hệ thống LMS. Ở pH 5.8, không góp phần làm tăng độ sáng, có lẽ vì độ pH qua thấp để gây ra đủ hoạt động enzyme laccase. Khi pH lần lượt là 7.5 và 8.5. độ sáng đều tăng lên + 0.1% ISO và độ ERIC tăng lên lần lượt là + 9 và +3.

VI.

Thách thức ảnh hưởng đến việc thực hiện ứng dụng enzyme vào trong sản xuất giáy ở qui mô công nghiệp Khó khăn đầu tiên đối với các công ty sản xuất giấy là cần phải đảm bảo tính ổn định

của môi trường ( phạm vi hoạt động pH, nhiệt độ, khả năng kháng muối và hóa chất công nghiệp) với hoạt tính đặc hiệu cao cảu enzyme.

Mặc khác các công ty còn phải đối mặt với vấn đề tái chế lại các enzyme sau khi sử dụng chúng, mà nếu như không sử dụng enzyme thì lại rất tốn kém về mặt kinh tế cũng như năng suất.

18

Tài liệu tham khảo: 1. Laccase: https://en.wikipedia.org/wiki/Laccase 2. Laccase: Microbial Sources, Production, Purification, and Potential Biotechnological Applications, Shraddha, Ravi Shekher, Simran Sehgal, Mohit Kamthania, and Ajay Kumar, 2011 Jun 21: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3132468/ 3. Lipase: https://vi.wikipedia.org/wiki/Lipase 4. Enzyme Lipase, Thảo luận hóa sinh học thực phẩm: https://www.academia.edu/6122161/Enzyme_Lipase 5. Kiến thức về giấy và quy trình sản xuất sản xuất giấy công nghiệp:http://vinapack.com.vn/home/read/4/49/477?fbclid=IwAR1FfJfm5UlAxrrzfE53aI VwBfJj9B9d1_LXEUj5khLGP4ESvOpcSC3b5W0 6. Quy trình sản xuất giấy, 13 Feb 2019:https://hoachatchuyennganh.com/tin-tuc-nganh-hoachat/quy-trinh-san-xuat-giay.html 7. Nghiên cứu quy trình công nghệ tẩy trắng bột giấy SUNFAT có sử dụng enzyme, Phan Chí Thanh, chương 1 mục 1.1 8. Nguyễn Thị Phương Mai và cộng sự, Phân lập Phomopsis SP. N 7.2 sinh tổng hợp laccase, Tạp chí khoa học và công nghệ, tập 48, số 3, 2010, Trang 51.

9. Gurshara Singh, Shailandra Kumar Arya, Utility of laccase in pulp and paper industry: A progressive step towards the green technology, International jourmal of Biological Macromolecules 134(2019) 1071-1081 10. USE OF ENZYMES IN DEINKED PULP BLEACHING, CÉLINE LEDUC, LISAMARIE LANTEIGNE-ROCH and CLAUDE DANEAULT, April 27, 2011, CELLULOSE CHEMISTRY AND TECHNOLOGY 11. A. L. Morkbak, P. Degn and W. Zimmermann, J. Biotechnol., The deinking effect of lipase was caused by the partial degradation of the binder of the soy bean oil-based inks, thereby releasing the ink particles from the paper,chương 67, trang 229 12. Mørkbak, A., Degn, P., & Zimmermann, W. (1999). Deinking of soy bean oil based ink printed paper with lipases and a neutral surfactant. Journal of Biotechnology, 67(2-3), 229–236.

19