Đang tải... (xem toàn văn)
Để giảm thời gian nghiền và tiết kiệm chi phí về năng lượng, giải pháp công nghệ được đưa ra ở đây là xử lí bột giấy trước khi nghiền với các enzym cellulase và hemicellulase (xylannase, mannanase) nhằm cắt ngắn sợi cellulose hoặc thủy phân một phần hemicellulose (mannan, xylan) giải phóng lignin, tăng tốc độ trương nở và quá trình phân tơ chổi hóa xơ sợi.
Chương I: TỔNG QUAN 1.1 Công nghệ sản xuất giấy 1.1.1 Sơ lược ngành công ngiệp giấy 1.1.2 Nguyên liệu sản xuất giấy Nguyên liệu sản xuất bột giấy chủ yếu từ thực vật như: gỗ rộng, gỗ kim Họ thân thảo, họ tre nứa… hay gọi vật liệu lignocellulose Thành phần chủ yếu lignocellulose cellulose, hemicellulose lignin (Hình 1.1) Cellulose hemicellulose đại phân tử cấu tạo từ gốc đường khác nhau, lignin polymer dạng vòng tổng hợp từ tiền phenylpropanoid Các tế gỗ cấu thành từ lớp khác nhau, lớp khác từ cấu trúc thành phần hóa học Cellulose hình thành nên khung xương mà bao quanh chất tạo thành mạng lưới hình thành lớp vỏ lignin Dưới thành phần nguyên liệu lignocelluloses tự nhiên Hình 1.1: Thành phần cấu trúc lignocellulose Thành phần cấu tạo phần trăm cellulose, hemicelluloses lignin khác loài, hay khác dựa vào độ tuổi, giai đoạn sinh trưởng, phát triển điều kiện khác Bảng 1.1 Thành phần số loại nguyên liệu lignocelluloses [42] Nguồn lignocellulose Cellulose (%) Hemicellulose Lignin (%) (%) Thân gỗ cứng 40-55 24-40 18-25 Thân gỗ mềm 45-50 25-35 25-35 Vỏ lạc 25-30 25-30 30-40 Lõi ngô 45 35 15 Giấy 85-99 0-15 Vỏ trấu 32.1 24 18 Vỏ trấu lúa mì 30 50 15 Rác phân loại 60 20 20 Lá 15-20 80-85 Hạt bong 80-95 5-20 Giấy báo 40-55 25-40 18-30 Giấy thải từ bột giấy hóa học 60-70 10-20 5-10 Chất rắn nước thải ban đầu 8-15 - 24-29 Chất thải lợn 28 - Phân bón gia súc 1.6-4.7 1.4-3.3 2.7-5.7 Cỏ bờ biển Bermuda 25 35.7 6.4 Cỏ mềm 45 31.4 12.0 25-50 10-30 Các loại cỏ (trị số trung bình 25-40 cho loại) 1.1.2.1 Cellulose Cellulose hợp chất hữu có công thức cấu tạo (C 6H10O5)n, polysaccharide gồm chuỗi tuyến tính gồm từ vài trăm đến 10.000 đơn phân D – glucose nối với liên kết 1,4 β - glucoside (Hình 1.2) Cellulose hợp chất hữu nhiều sinh [32] [31], hàng năm thực vật tổng hợp khoảng 1.5x10 11 cellulose [11] Khoảng 33% khối lượng khô thực vật cellulose (sợi 90%, gỗ 40 -50% gai dầu khô khoảng 75%) [17] [44] [46] Hình 1.2: Công thức hóa học cellulose Các mạch cellulose liên kết với nhờ liên kết hydro liên kết Van Der Waals, hình thành hai vùng cấu trúc tinh thể vô định hình Trong vùng tinh thể, phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau, vùng khó bị công enzyme hóa chất Ngược lại, vùng vô định hình, cellulose liên kết không chặt với nên dễ bị công [22].Có hai mô hình cấu trúc cellulose đưa nhằm mô tả vùng tinh thể vô định hình 1.4 [35] Hình 1.3: Mô hình Fringed fibrillar mô hình chuỗi gập Trong mô hình Fringed Fibrillar: phân tử cellulose kéo thẳng định hướng theo chiều sợi Vùng tinh thể có chiều dài 500 Å xếp xen kẽ với vùng vô định hình Trong mô hình chuỗi gập: phân tử cellulose gấp khúc theo chiều sợi Mỗi đơn vị lặp lại có độ trùng hợp khoảng 1000, giới hạn hai điểm a b hình vẽ Các đơn vị xếp thành chuỗi nhờ vào mạch glucose nhỏ, vị trí dễ bị thủy phân Đối với đơn vị lặp lại, hai đầu vùng vô định hình, vào giữa, tính chất kết tinh cao Trong vùng vô định hình, liên kết β - glycoside monomer bị thay đổi góc liên kết, cuối đoạn gấp, phân tử monomer xếp tạo thay đổi 180 o cho toàn mạch Vùng vô định hình dễ bị công tác nhân thủy phân vùng tinh thể thay đổi góc liên kết liên kết cộng hóa trị (β - glycoside) làm giảm độ bền liên kết, đồng thời vị trí không tạo liên kết hydro [6] Cellulose có cấu trúc bền khó bị thủy phân Người động vật enzyme phân giải cellulose (cellulase) nên không tiêu hóa cellulose, cellulose giá trị dinh dưỡng Tuy nhiên, số nghiên cứu cho thấy cellulose có vai trò điều hòa hoạt động hệ thống tiêu hóa Vi khuẩn cỏ gia súc, động vật nhai lại động vật nguyên sinh ruột mối sản xuất enzyme phân giải cellulose Nấm phân hủy cellulose Vì chúng sử dụng cellulose làm thức ăn [31] [44] 1.1.2.1 Hemicellulose Hemicellulose hợp chất polysaccharid chiếm tỷ lệ lớn giới sau cellulose Lượng hemicellulose tạo thành giới đánh giá 3.900 triệu tấn/năm Ngược lại với cellulose, hemicellulose loại polymer phân nhánh, độ trùng hợp khoảng 70 đến 200 có cấu trúc phức tạp đơn phân Hemicellulose chứa đường carbon gồm glucose, mannose galactose đường carbon gồm xylose arabinose Trong xylose, mannose thành phần Khác với Cellulose, Hemicellulose bao gồm chuỗi mắt xích ngắn ( khoảng 200 đơn vị đường) [44] Hình 1.4:……… Hemicellulose polysaccharide màng tế bào tan dung dịch kiềm có liên kết chặt chẽ với cellulose, ba sinh khối tự nhiên Cùng với cellulose lignin, hemicellulose tạo nên thành tế bào vững thực vật Về cấu trúc, hemicellulose có thành phần D-glucose, D-galactose, D-mannose, Dxylose L-arabinose liên kết với thành phần khác nằm liên kết glycoside Hemicellulose chứa axit 4-O-methylglucuronic, axit D-galacturonic axit glucuronic [36] Trong đó, đường D-xylose, L-arabinose, D-glucose Dgalactose phổ biến thực vật thân cỏ ngũ cốc Tuy nhiên, khác với hemicellulose thân gỗ, hemicellulose thực vật thân cỏ lại có lượng lớn dạng liên kết phân nhánh phụ thuộc vào loài loại mô loài phụ thuộc vào độ tuổi mô Tùy theo thành phần hemicellulose có chứa monosaccharide mà có tên tương ứng mannan (chứa mannose), xylan (chứa xylose) galactan (chứa galactose) Các monose hemicellulose liên kết với thông qua liên kết beta-1,3, -1,6 -1,4 glycozid, thường bị acetyl hóa, tạo thành “keo dính” phân tử cellulose lignin Trong loại hemicellulose, xylan polymer thành tế bào thực vật gốc D-xylopyranose kết hợp với qua liên kết β-1,4-Dxylopyranose, nguồn lượng dồi thứ hai trái đất Đa số phân tử xylan chứa nhiều nhóm trục chuỗi bên Các gốc thay chủ yếu khung xylan gốc acetyl, arabinosyl glucuronosyl Các nhóm có đặc tính liên kết tương tác cộng hóa trị không hóa trị với lignin, cellulose polymer khác Cấu tạo, số lượng vị trí xylan loài thực vật khác khác Xylan tồn dạng O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan gỗ cứng (Hình 1.5), hay arabino-4-O-methylglucuronoxylan gỗ mềm (Hình 1.6), hay thành phần cấu tạo xylan axit D-glucuronic, có ete 4-O-methyl arabinose loài ngũ cốc Hình 1.5: O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan gỗ cứng Hình 1.6: Arabino-4-O-methylglucuronoxylan gỗ mềm Khi thủy phân hoàn toàn hợp chất tạo nguyên liệu có giá thành thấp phục vụ cho ngành công nghiệp trực tiếp cho lên men cồn nhờ chủng có khả lên men đường C5 theo đường Pentose Phosphate 1.1.2.2 Lignin Lignin phức hợp chất hóa học phổ biến tìm thấy gỗ hệ mạch thực vật, chủ yếu tế bào, thành tế bào thực vật Lignin polymer hữu phổ biến trái đất [45] Lignin có cấu trúc không gian chiều, phức tạp, vô định hình, chiếm 17% đến 33% thành phần gỗ Lignin carbohydrate có liên kết chặt chẽ với nhóm để tạo nên màng tế bào giúp thực vật cứng giòn, có chức vận chuyển nước thể thực vật (một phần để làm bền thành tế bào giữ cho không bị đổ, phần điều chỉnh dòng chảy nước), giúp phát triển chống lại công côn trùng mầm bệnh Thực vật già, lượng lignin tích tụ lớn Hơn nữa, lignin đóng vai trò quan trọng chu trình carbon, tích lũy carbon khí mô thực vật thân gỗ lâu năm, thành phần bị phân hủy lâu thực vật sau chết, để đóng góp phần lớn chất mùn giúp tăng khả quang hợp thực vật Lignin polymer, cấu thành từ đơn vị phenylpropene, vài đơn vị cấu trúc điển hình là: guaiacyl (G), trans-coniferyl alcohol; syringyl (S), trans-sinapyl alcohol; p-hydroxylphenyl (H), trans-p-courmary alcohol (Hình 1.7) [45] Hình 1.7: Các đơn vị lignin Cấu trúc lignin đa dạng, tùy thuộc vào loại gỗ, tuổi cấu trúc gỗ Ngoài việc phân loại theo lignin gỗ cứng, gỗ mềm cỏ, lignin phân thành hai loại chính: guaicyl lignin guaicyl-syringyl lignin Gỗ mềm chứa chủ yếu guaiacyl, gỗ cứng chứa chủ yếu syringyl Các nghiên cứu guaiacyl lignin hạn chế trương nở xơ sợi loại nguyên liệu khó bị công enzyme syringyl lignin [35] Những nghiên cứu gần lignin hoàn toàn không đồng cấu trúc Lignin dường bao gồm vùng vô định hình vùng có cấu trúc hình thuôn hình cầu Lignin tế bào thực vật bậc cao vùng vô định hình Các vòng phenyl lignin gỗ mềm xếp trật tự mặt phẳng thành tế bào Ngoài ra, cấu trúc hóa học cấu trúc không gian lignin bị ảnh hưởng mạng polysaccharide Việc mô hình hóa động học phân tử cho thấy nhóm hydroxyl nhóm methoxyl oligomer tiền lignin tương tác với vi sợi cellulose cho dù chất lignin kỵ nước 10 Endo-β-1,4- glucanases tổng hợp từ nhiều nguồn khác tự nhiên, chủ yếu có nguồn gốc từ vi sinh vật Trong tự nhiên có nhiều chủng vi khuẩn, nấm mốc, xạ khuẩn, số loại nấm men có khả sinh tổng hợp endo-β-1,4- glucanase Nấm mốc vi sinh vật có khả tổng hợp endo-β-1,4glucanase mạnh Nhiều chủng nấm mốc thuộc chi Aspergillus, Tricoderma, Penicillium, Phanerochaete nghiên cứu có khả tổng hợp endo- β-1,4glucanase mạnh như: Aspergillus niger [23] , A flavus , A Fumigates [33], A Terreus, Trichoderma reesei, Penicillium persicinum, P brasilianum [28], Penicillium sp [4], Phanerochaete chrysosporium [24] Bên cạnh nấm mốc, vi khuẩn xem đối tượng có khả sản sinh Endo-β-1,4- glucanases phong phú Nhiều loài vi khuẩn hiếu khí nghiên cứu Acidothemus cellulobuticus, Bacillus pumilis [16] Ngoài ra, endo-β-1,4-glucanase sinh tổng hợp thực vật Arabidopsis [21], động vật nguyên sinh số động vật không xương sống khác mối, động vật thân mềm Mytilus edulis [43] Trong số nguồn sinh Endo-β-1,4-glucanases vi sinh vật xem nguồn cung cấp enzyme có nhiều ưu điểm bật có tính chất độc đáo vượt xa so với enzyme có nguồn gốc động vật, thực vật Trước hếtvi sinh vật nguồn nguyên liệu vô tận để sản xuất enzyme với số lượng lớn, nguồn nguyên liệu người chủ động tạo Chu kỳ sinh trưởng vi sinh vật ngắn ( từ 16-100 giờ) Vi sinh vật sinh trưởng phát triển với tốc độ nhanh chóng, khối lượng lại nhỏ, kích thước bé tỷ lệ enzyme tế bào cao sản xuất chế phẩm enzyme dễ dàng, hiệu suất thu hồi cao 1.3.2 Cấu tạo Endo-β-1, 4-glucanases từ nguồn gốc khác có thành phần cấu tạo cấu trúc khác Sự khác thể trước hết đa dạng khối lượng phân tử, thành phần trật tự xếp amino acid chuỗi polypeptide Sự khác cấu trúc enzyme thể xếp không gian chuỗi polypeptide, trung tâm xúc tác vùng liên kết chất Chính nhờ 20 khác cấu trúc không gian protein enzyme dẫn tới khác tính chất hóa lý chúng 1.3.3 Tính chất hóa lý Tùy thuộc vào cấu trúc nguồn gốc enzyme, hoạt tính enzyme đạt mạnh nhiệt độ pH định Độ bền nhiệt độ pH hay mức độ tính chất chịu ảnh hưởng chất tẩy rửa, dung môi hữu hay ion kim loại có khác 1.3.3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ Vận tốc phản ứng enzyme xúc tác tăng lên tăng nhiệt độ giới hạn định, chưa ảnh hưởng đến cấu trúc enzyme Hoạt tính enzyme đạt cực đại nhiệt độ thích hợp, khoảng nhiệt độ thích hợp nhiều enzyme vào khoảng 4050°C Ở nhiệt độ cao, enzyme bị biến tính làm hoạt tính giảm mạnh hoạt tính; nhiệt độ thấp 0°C, hoạt tính enzyme bị giảm nhiều lại phục hồi đưa nhiệt độ thích hợp [1] Hoạt tính xúc tác endoglucanase từ Trichoderma reesei đạt tối đa 55°C [38] Theo kết nghiên cứu Kiamoto cs (1996), endoglucanase từ chủng A.oryzae KBN616 hoạt động tốt dải nhiệt độ 45-55°C [34] Chủng A.awamori VTCC-F-099 cho endoglucanse có nhiệt độ tối ưu 50oC [8] 1.3.3.2 Ảnh hưởng pH Khả hoạt động enzyme phụ thuộc vào pH môi trường phản ứng.Tùy thuộc vào chất enzyme mà pH thích hợp để enzyme hoạt động trung tính, kiềm acid Theo nghiên cứu trước cho thấy, pH tối ưu cho hoạt động cellulase A niger NRRL-363 5.5 [5]; cellulase từ A niger Z10 4.5 7.5 [23]; endoglucanase từ Trichoderma reesei 4.0-5.0 [38]; endoglucanase từ A oryzae KBN616 4.0 5.0 [34]; endoglucanse từ A.awamori VTCC-F-099 5.0 [8] 1.3.3.3 Ảnh hưởng ion kim loại Các ion kim loại kìm hãm hoạt hóa hoạt động enzyme Các ion kim loại nặng nồng độ định gây biến tính kìm hãm không 21 thuận nghịch enzyme Theo nghiên cứu Gao cs (2008), endoglucanase từ A terreus M11 bị giảm 77% hoạt tính ủ với Hg 2+ (2 mM), 59% ủ với Cu 2+ (2 mM) [27] 1.3.3.4 Ảnh hưởng dung môi hữu Tùy thuộc vào chất chất chất enzyme mà tính chất mức độ ảnh hưởng tới hoạt động enzyme khác Nghiên cứu Trịnh Đình Khá (2006) chủng Penicillium sp DTQ-HK1 cho thấy, dung môi hữu methanol, ethanol, isopropanol acetone ức chế hoạt động cellulase, đặc biệt n-butanol ức chế mạnh nhất, hoạt tính cellulase 33-63% Các chất tẩy rửa tween 20, tween 80, SDS triton X-100 làm giảm hoạt tính cellulase mức độ khác nhau, SDS làm giảm mạnh hoạt tính cellulase 18-34% [4] 1.3.4 Cơ chế xúc tác Endo-β-1,4-glucanases Mỗi dạng enzyme phức hệ cellulases tham gia thủy phân theo chế riêng Tuy nhiên enzyme thường phối hợp hoạt động để thủy phân hoàn toàn chất thành sản phẩm đơn giản glucose - Endo-β-1,4-glucanase tham gia thuỷ phân liên kết β-1,4 glucoside bên phân tử cellulose Sản phẩm phân cắt oligosaccharide - Exo-glucanase thủy phân liên kết đầu khử đầu không khử phân tử chất, giải phóng oligosaccharide, cellobiose glucose β-Glucosidase thủy phân phân tử cellodextrin cellobiose tạo thành phân tử glucose [30] [37] 1.3.5 Ảnh hưởng điều kiện môi trường đến khả sinh tổng hợp endo- β-1,4-glucanase 1.3.5.1 Nguồn carbon Các loài vi sinh vật sinh tổng hợp endo-glucanase sử dụng nhiều nguồn carbon khác tùy thuộc đặc điểm loài Có loài thích hợp với nguồn carbon, có loài không đòi hỏi nghiêm ngặt mà có khả sử dụng nhiều nguồn carbon khác Nguồn carbon đơn giản loại 22 đường đơn, đường đôi phức tạp glucan, tinh bột, cellulose Nghiên cứu Tăng Thị Chính cs (1999) cho thấy, nguồn carbon thích hợp cho sinh trưởng sinh tổng hợp cellulase chủng vi khuẩn chịu nhiệt phân lập từ bể ủ rác thải glucose CMC Nguồn carbon thích hợp cho sinh trưởng sinh tổng hợp cellulase chủng xạ khuẩn CD6-9 tinh bột, chủng CD9-9 CMC saccharose, chủng CD5-12 lactose [2] 1.3.5.2 Nguồn nitrogen Các loài vi sinh vật khác có nhu cầu khác với nguồn nitrogen Nhìn chung, loài có khả sử dụng nguồn nitrogen vô hữu cơ, nguồn nitrogen hữu thường sử dụng pepton cao nấm men, nguồn nitrogen vô ure, ammonium sufate, natri nitrate Nguồn nitrogen urea bột đậu tương ảnh hưởng mạnh mẽ tới trình tổng hợp cellulase chủng A Niger NRRL-363 [5] 1.3.5.3 Nhiệt độ nuôi cấy Nhiệt độ nuôi cấy tùy thuộc vào loài vi sinh vật: sinh vật ưu lạnh chịu lạnh, loài ưu ấm chịu nhiệt Các loài ưu lạnh sinh trưởng điều kiện nhiệt độ 15°C; loài ưu ấm sinh trưởng phát triển tốt khoảng nhiệt độ 2037°C Các loài chịu nhiệt sinh trưởng phát triển tốt nhiệt độ cao 50°C Ở chủng nấm mốc nhiệt độ thích hợp để sinh tổng hợp endo-β-1,4-glucanase nằm khoảng từ 28-50°C [5] [3] [8] 1.3.5.4 pH môi trường nuôi cấy pH môi trường nuôi cấy ảnh hưởng lớn đến khả sinh tổng hợp enzyme chủng vi sinh vật pH thích hợp cho loài acid, trung tính hay kiềm pH thích hợp chủng vi khuẩn ưa ấm sinh tổng hợp cellulase 6.57.0 pH tối ưu 7,0; chủng xạ khuẩn ưa nhiệt 7.0-7.5 pH tối ưu 7.5 [7] Đối với số chủng nấm mốc A oryzae VTCC-F-045 sinh tổng hợp cellulose mạnh pH môi trường 5.5 [3] Chủng A awamori VTCC-F-099 sinh tổng hợp mạnh pH 6.5 [8] 1.4 Các loại nấm mốc phân hủy lignocelluloses 23 Nấm mốc phân hủy lignocelluloses có loại: nấm mục nâu, nấm mục trắng, nấm mục xốp Trong đó, nấm mục trắng nấm mục nâu thuộc nhóm Basidiomycetes nhóm có khả phân hủy lignocelluloses cao tự nhiên 1.4.1 Nấm mục xốp Các loài nấm tạo mục xốp chủ yếu phân huỷ polysaccarit Loại không công lignin mà phân hủy cellulose, hemicellulose tạo thành vết mục trắng làm cho gỗ bị xốp bọt biển Có thể tìm thấy chúng gỗ nơi ẩm ướt hàng rào, bậu cửa, gỗ mục… Chúng bao gồm số loài thuộc chi Ascomycota số loài khác Chaetomium, Ceratocystis, Lulworthia, Halosphaeria Pleospora [20] Các loài nấm phân hủy mạnh cellulases từ đầu Sợi nấm có khả phát triển lớp thành tế bào thực vật Trong nhóm nấm này, khả sản sinh enzym phân huỷ cellulose khác Loài nấm có khả sản sinh hàng loạt enzym phân huỷ cellulose nghiên cứu kỹ T.reesei T.reesei sản sinh ba enzym endoglucanase, hai exoglucanase hai enzym β-glucosidase Nhiều loại nấm mục xốp khác nghiên cứu Các loài thuộc Trichoderma tiết lượng lớn enzym khác nhau, có khả phối hợp để phân huỷ tinh thể cellulose 1.4.2 Nấm mục trắng Là loại nhóm nấm dị tản thuộc nhóm nấm Basidiomycete có khả phân hủy lignocellulose Các nấm mục trắng khác có tốc độ phân hủy lignin carbohydrate gỗ khác đáng kể Có hai dạng nấm mục trắng chủ yếu, phân loại dựa tính đặc hiệu công Dạng thứ phân hủy có chọn lọc, giai đoạn đầu lignin phân hủy nhanh so với cellulose hemicellulose, khiến cho gỗ màu giữ phần cấu trúc, chẳng hạn Phellinus nigrolimitattus Dạng thứ hai phân hủy đồng thời, hệ enzyme loài nấm sinh phân hủy ba thành phần với tốc độ gần nhau, thân gỗ bị phá hủy hoàn toàn, trở thành dạng mùn trắng nấm cổ linh chi Ganoderma applatanum Heterobasidion annosum [10] 24 1.4.3 Nấm mục nâu Hơn nấm mục xốp loại phân hủy phần lignin, chủ yếu sử dụng dinh dưỡng cách phân hủy cellulose hemicellulose từ gỗ Nấm mục nâu chủ yếu thuộc chi Basidiomycota Đại diện nhóm bao gồm loài Schizophyllum commune, Fomes fomentarius Serpula lacrymans Vì cellulose hemicellulose bị nấm sử dụng, lignin bị sử dụng phần, phần lại lignin tạo màu nâu cho gỗ Khác với enzym cellulase nấm mục xốp, nấm mục nâu không tác động đến cellulose điều kiện tự nhiên mà phân hủy cellulose trình oxy hóa sử dụng H2O2 giải phóng phân giải hemicenlulose Vì phân tử nhỏ nên H 2O2 dễ dàng khuyếch tán qua thành tế bào thực vật làm mục gỗ 1.5 Ứng dụng enzyme sản xuất nghiền Với loại bột hóa, sau nấu phần lớn lignin bị loại bỏ lớp xơ sợi xellulose, nhiên lượng nhỏ lớp sát xơ sợi Vì bột sau nấu phải trải qua công đoạn nghiền để thu xơ sợi có thuộc tính mong muốn vừa nói Để giảm thời gian nghiền tiết kiệm chi phí lượng, giải pháp công nghệ đưa xử lí bột giấy trước nghiền với enzym cellulase hemicellulase (xylannase, mannanase) nhằm cắt ngắn sợi cellulose thủy phân phần hemicellulose (mannan, xylan) giải phóng lignin, tăng tốc độ trương nở trình phân tơ chổi hóa xơ sợi 1.5.1 Giảm lượng cần thiết cho trình nghiền Các nghiên cứu thử nghiệm sử dụng enzym trợ nghiền cho thấy làm giảm nhu cầu lượng khâu nghiền bột tiết kiệm lượng nước sử dụng công đoại xeo giấy tiếp sau Bajpai cộng [12] thực nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm quy mô pilot với hỗn hợp enzym xenlulase hemicellulase để làm giảm yêu cầu lượng cho trình nghiền với loại bột giấy khác bột giấy Kraft gỗ cứng, bột giấy từ tre, bột giấy tái chế … Các thử nghiệm phòng thí nghiệm giảm 18-45% chi phí lượng cho khâu nghiền mà không ảnh hưởng tới thuộc tính độ bền lí bột giấy Còn quy mô pilot, mức tiêu thụ lượng nghiền giảm tới 25 kWh/tấn bột giấy Ngoài ra, với 25 xử lý enzym giúp tiết kiệm 20% lượng nước dùng cho giấy trình vận hành 1.5.2 Giảm thời gian nghiền Bên cạnh việc giảm lượng trình nghiền, việc ứng dụng enzym giảm thời gian cần thiết cho trình nghiền 1.5.3 Làm thay đổi số thuộc tính xơ sợi, bột giấy giấy Các xơ sợi giấy có độ dài thay đổi từ 1,5-5,5 mm tiết diện khoảng 1/100 chiều dài Các sợi giấy cấu tạo nhiều lớp: lớp sơ cấp (primary wall P) lớp thứ cấp (secondary wall) Lớp thứ cấp S với hàm lượng cellulose cao có vai trò quan trọng đảm bảo tính bền vững sợi, lớp cấu tạo ba lớp S1, S2, S3.Trong trình nghiền, lớp P S1 bị loại bỏ, cấu trúc sợi bên hấp thụ nước trương nở Quá trình trương nở làm gia tăng diện tích bề mặt thể tích riêng sợi, kết tạo thuận lợi cho biến đổi vật lý đứt gãy giảm chiều dài sợi, phân tơ chổi hóa bên bên sợi tác động trình nghiền 26 1.6 Đột biến Đột biến theo nghĩa rộng biến đổi di truyền xảy đột ngột Đột biến gen hiểu theo nghĩa hẹp biến đổi đổi xảy bên cấu trúc gen Mỗi đột biến gen dẫn đến biến đổi trình tự nucleotit tạo alen khác Đột biến xẩy biến đổi nhiều nucleotit, nucleotit Đột biến gen không phát quan sát tế bào học Các loại đột biến thường gặp vi sinh vật • Đột biến gen hay đột biến điểm: Biến đổi nhỏ đoạn DNA thường liên quan đến nucleotit hay cặp nucleotit, bao gồm: đột biến đồng nghĩa hay trung tính hay im lặng codon mã hóa cho axit amin bị biến đổi thường bazơ thứ nên mã hóa cho axit amin đó; đột biến vô nghĩa (non sense) codon mã hóa chuyển thành ba codon UAA, UAG, UGA (codon kết thúc không mã hóa cho axit amin); đột biến sai nghĩa (mis-sense): codon axit amin biến thành codon axit amin khác; đột biến lêch • khung thêm bớt bazơ Đột biến nhiếm sắc thể (xẩy sinh vật nhân thực): Biến đổi nhiễm sắc thể: mất, lặp, đảo đoạn; biến đổi nhiễm sắc thể: chuyển đoạn; biến đổi • • gen Các biến đổi vi cấu trúc: thay đổi thành phần vi cấu trúc gen Các đột biến kiểu hình: đột biến hình thái: ảnh hưởng đến hình dạng, màu sắc kích thước; đột biến sinh hóa: đột biến khuyết dưỡng: khả tổng hợp chất; đột biến có điều kiện: Không biểu điều kiện giới hạn định có biểu điều kiện cho phép; đột biến đề kháng: biến đổi sinh hóa giúp kháng lại tác nhân bất lợi Các tác nhân làm tăng tần số đột biến cao mức tự nhiên gọi tác nhân gây đột biến ( mutangen) Các tác nhân vật lý phóng xạ, tia X, tia tử ngoại gây đột biến Nhiều hóa chất tác nhân gây đột biến đồng đẳng bazo nitric, HNO2, chất alxyl hóa mạch… Các đột biến loại gọi đột biến nhân tạo hay đột biến cảm ứng ( incluced mutation) 27 Đối với vi sinh vật, tác nhân gây đột biến chủ yếu tia tử ngoại số hóa chất 1.6.1 Tác động tia tử ngoại Tia tử ngoại có bước song dài ( 10-5 – 10-6 cm) nên khó tạo ion, có lẽ tác động đến chất hấp thu trực tiếp Trong tế bào, chất hữu có mạch vòng chủ yếu purin pyrimidin hấp thu trực tiếp tia tử ngoại Mối lien quan chặt chẽ tia tử ngoại cấu phần DNA chứng minh DNA hấp thu tia tử ngoại mạnh bước sóng 2537A, bước song làm tăng tần số đột biến 28 Dưới tác động tia tử ngoại, cytosine gắn thêm phân tử nước vào liên kếtn C = c mạch vòng thymine bị đứt liên kết C = C mạch vòng nối phân tử thành thymine dimer Ston cộng nhân thấy tần số đột biến tăng lên Staphylococcus aureus môi trường nuôi chúng chiếu tia UV thời gian ngắn trước cấy vào Đây tác động gián tiếp tia tử ngoại Có thể diện oxy, tia tử ngoại tạo nhiều gốc peroxit Các peroxit phân tử có phản ứng mạnh, chúng dễ tạo đột biến 1.6.2 Các tác nhân gây đột biến hóa chất Có nhiều hóa chất gây biến dị di truyền, đến tìm hóa chất cho hiệu đột biến cao phóng xạ Các hóa chất gây đột biến có đặc điểm gây hiệu đột biến với số lượng đối tượng Các tác nhân gây đột biến hóa học chia thành nhóm sau: - Nhóm 1: Các chất ức chế tổng hợp nitrous bazơ cấu trúc DNA coffein, - ety uretan … Nhóm 2: Các chất đồng đẳng với nitrous bazơ cofein, 5-bromuracil, chất - gần giống với nitrous bazơ, nên làm DNA gắn nhầm tổng hợp Nhóm 3: Các chất alkyl hóa làm đứt mạch DNA etyl metansulfonat(EMS), - metyl metasulfonat (MMS), etylen imine (EI), nitrosoguanidin (NG) … Nhóm 4: Các chất khác nhóm oxy hóa, khử Ngược lại với sai hỏng chép, cá tác nhân gây đột biến nitrous acid khí ngạt nito gây biến - đổi trực tiếp DNA Nhóm 5: Các chất chêm vào DNA Nhóm chất gồm proflavin, màu acridin chất gọi ICR chất có phân tử mặt phẳng tương tự cặp bazơ Chúng thêm vào phân tử DNA làm thêm bazơ Chứng thường gây đột biến lệch khung thêm hay bazơ Tất tác nhân gây đột biến tác nhân gây ung thư (carcinogen), tác nhân gây ung thư gây đột biến Hiện nhiều tác nhân gây đột biến sử dụng chọn giống nhằm tăng nguồn biến dị Bên cạnh với nạn ô nhiễm giới người phát nhiều tác nhân đột biến hóa học xuất môi trường 29 Vu Van Hanh cộng sử dụng tia UV kết hợp NTG lên chủng Aspergillus sp cho kết hoạt độ enzyme cellulsae chủng đột biến Aspergillus sp XTG4 có CMCase tăng gấp 2.03 lần [25] chủng đột biến Aspergillus sp SU14-M15 cho hoạt độ enzyme cellulose cao gấp 2.2 lần chủng tự nhiên [26] Tia UV tìm thấy có khả cải thiện tốt với A.niger cho sản phẩm cao với tất enzyme [39] Tương tự với Rhizopus oryzae PR7 MTCC9642 cho enzyme endo-glucanse tăng 33% so với chủng gốc đột biến MNNG [14] Sự kết hợp nhiều phương pháp đột biến sử dụng nghiên cứu Muhammad Mohsin Javed cộng UV, MNNG, HNO2, EMS, EtBr Sauk hi đột biến liên tiếp qua lần cho kết chủng đột biến tăng 53.05%, 67.67% & 67.39% hoạt độ enzyme CMC-ase FP-ase and β-glucosidase tương ứng chủng Humicola insolens [29] 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO Phạm Thị Trân Châu and Phan Tuấn Nghĩa (2006), Enzyme ứng dụng NXB Giáo dục Tăng Thị Chính, Lý Kim Bảng, and Lê Gia Huy, Nghiên cứu sản xuất cellulase số chủng vi sinh vật ưu nhiệt phân lập từ bể ủ rác thải, in Báo cáo khoa học, Hội nghị Công nghệ Sinh học toàn quốc 1999, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội p 790-797 Nguyễn Hữu Huân, Tuyển chọn, nuôi cấy chủng Aspergillus oryzae sinh tổng hợp endoβ-1,4-glucanase đánh giá tính chất lý hóa endo-β-1,4-glucanase, in Sinh học thực nghiệm 2009, Đại học Sư phạm Thái Nguyên: Thái Nguyên p 90 Trịnh Đình Khá, Tuyển chọn, nuôi cấy chủng vi sinh vật sinh tổng hợp cellulose đánh giá tính chất lý hóa cellulase, in Công nghệ Sinh học 2006, Trường đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội: Hà Nội Hoàng Quốc Khánh, Ngô Đức Duy, and Nguyễn Duy Long (2003), "Khả Năng sinh tổng hợp đạc điểm cellulase Aspergillus niger RNNL - 363" Báo cáo khoa học, Hội nghị Công nghệ sinh học toàn quốc, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội: p 304-407 Nguyễn Đức Lượng (2001), Công nghệ enzyme Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Trần Đình Toại, et al., Nghiên cứu sử dụng cellulase tách từ Actinomyces để xử lý phế thải nông nghiệp, in Hội nghị khoa học toàn quốc lần thứ IV, Hội Hóa sinh Sinh học phân tử phục vụ Nông, Sinh, Y học Công nghiệp thực phẩm 2008, Nxb Khoa học Kỹ thuật p 901-903 Nguyễn Văn Tuân, Tuyển chọn, nuôi cấy chủng Aspergillus awamori sinh tổng hợp endo-β-1,4-glucanase đánh giá tính chất lý hóa endo-β-1,4-glucanase, in Sinh học thực nghiệm 2009, Đại học Sư phạm Thái Nguyên: Thái Nguyên p 97 Hồ Sĩ Tráng (2007), Cơ sở hóa học gỗ xenluloza tập Vol NXB Khoa học Kỹ thuật 10 Uogu A, M Shimada, and T.H.Guchi (1980), "Studies on lignin biodegraradation" Holzfor 34: p 86-89 11 M.A.M Abo-State, et al (2010), "Enhanced Production of Cellulase(S) By Aspergillus spp Isolated from Agriculture Wastes by Solid State Fermentation" AmericanEurasian Journal Agriculture & Environment Science 8(4): p 402-410 12 Pratima Bajpai, et al (2006), "Using of enzymes for reduction in refining energy – laboratory studies" Tappi journal 5(11): p 25-31 31 13 Petr Baldrian and Vendula Valaskova (2008), "Degradation of cellulose by basidiomycetous fungi " FEMS Microbiology Review 32(3): p 501-521 14 Sudarshana Bandyopadhyay, Moumita Karmakar, and Rina Rani Ray (2012), "Increase in Endoglucanase Productivity and Mycelial Stability of Rhizopus oryzae by Classical Mutagenesis" British Biotechnol J 2(2): p 60-72 15 Edward A Bayer, et al (1998), "Cellulose, cellulases and cellulosomes" Curr Opin Struct Biol 8(5): p 548-557 16 Beter L Bergquist, et al (1999), "Molecular diversity of thermophilic cellulolytic and hemicellulolytic bacteria" FEMS Microbiol Ecol 28: p 99-110 17 G Buschle-Diller, C Fanter, and F Loth (1999), "Structural changes in hemp fibers as a result of enzymatic hydrolysis with mixed enzyme systems" Textile Research Journal 69(4): p 244-251 18 B Cantarel, et al (2009), "The Carbohydrate-Active EnZymes database (CAZy): an expert resource for Glycogenomics" Nucleic Acids Res 37: p 233-238 19 Paulchamy Chellapandi and Abha Apurvabhai Jani (2009), "Enhanced Endoglucanase Production by Soil Isolates of Fusarium sp and Aspergillus sp through Submerged Fermentation Process" Turk J Biochem 34(4): p 209-214 20 C.Yee D, D Jahng, and T K Wood (1995), "Enhance Expression and Hydrogen Peroxide Dependence of Lignin Peroxidase from Streptomyces viridosporus T7A" Biotechnol Prog 12: p 40-46 21 Campillo E (1999), "Multiple endo-1,4-β-D-glucanase (cellulase) genes in Arabidopsis" Curr Top Dev Biol 46: p 39-61 22 Charles E.Wyman (1996), "Handbook on Bioethanol: Product and Utilization" Taylor&Francis: p 119-285 23 Coral G, et al (2002), "Some properties of crude carboxymethyl cellulase of Aspergillus niger Z10 wild-type Strain" Turkey Journal Biology 26: p 209-213 24 Henriksson G, et al (1999), "Endoglucanase 28 (Cel12A), a new Phanerochaete chrysosporium cellulase" Eur J Biochem 259: p 88-95 25 Vu Van Hanh, Pham Tuan Anh, and Keun Kim (2009), "Fungal Strain Improvement for Cellulase Production Using Repeated and Sequential Mutagenesis" Mycobiology 37(4): p 267-271 26 Vu Van Hanh, Pham Tuan Anh, and Keun Kim (2011), "Improvement of Fungal Cellulase Production by Mutation and Optimization of Solid State Fermentation" Mycobiology 39(1): p 20-25 32 27 Gao J, et al (2008), "Purification and characterization of a novel endo - β -1,4glucanases from thermoacidophilic Aspergillus terreus" Biotechnol Lett 30: p 323327 28 Henning J, et al (2005), "Production of cellulases and hemicellulases by three Penicillium species: effect of substrate and evaluation of cellulase adsorption by capillary electrophoresis" Enzyme Microb Technol 36: p 42-48 29 Muhammad Mohsin Javed, Ikram-ul-haq, and Irfana Mariyam (2011), "Multistep mutagenesis for the over-expression of cellulase in humicola insolens" Pakistan Journal of Botany 43(1): p 669-677 30 Siddiqui K, et al (1998), "Partial and coplete alteration of surface charges of carboxymethylcellulase by chemical modification: thermostabilization in water-miscible organic solvent" Enzyme Microbiol Technol 24: p 599-608 31 Aphichart Karnchanatat, et al (2008), "A novel thermostable endoglucanase from the wood-decaying fungusDaldinia eschscholzii (Ehrenb.:Fr.) Rehm" Enzyme and Microbial Technology 42: p 404-413 32 Bhat MK and Bhat S (1997), "Cellulose degrading enzymes and their potential industrial applications" Biotechnol Adv 15: p 583-620 33 Dahot MU and Noomrio MH (1996), "Microbial production of cellulases by Aspergillus fumigatus using wheat straw as a carbon source" J Islamic Acad Sci 9(4): p 119-124 34 Kitamoto N, et al (1996), "Molecular cloning, purification and characterization of two Endo-β-1,4-glucanases from Aspergillus oryzae KBN616" Appl Micribiol Biotechnol 46: p 538-544 35 Hetti Palonen (2004), "Role of lignin in the enzymatic hydrolysis of lignocellulose" VTT Biotechnology: p 11-39 36 J Pe´rez (2002), "Biodegradation and biological treatments of cellulose, hemicelluloses and lignin: an overview" Int Microbiol 5: p 53-63 37 Lee R, et al (2002), "Microbial cellulose utilization: fundamentals and biotechnology" Microbiol Mol Biol Rev 66: p 506-577 38 Macarrón R, et al (1993), "Mode of action of endoglucanase III from Trichoderma reesei" Biochem J 289: p 867-873 39 Kang SW, et al (1999), "Overproduction of beta-glucosidase by Aspergillus niger mutant from lignolcellulosic biomass" Biotechnol Lett 21: p 647-650 40 Wood TM (1992), "Fungal cellulases" Biochem Soci Technol 20: p 45-53 33 41 Wood TM (1985), "Properties of cellulolytic enzyme systems" Biochemistry Social Technology 13: p 407-510 42 Betts W.B., et al (1991), "Biosynthesis and Structure of lignocellulose" In Betts (eds) Biodegradation: Natural and Synthetic Materials Springer-Verlag, Berlin, Germany: p 139-155 43 B Xu, J Janson, and D Sellos (2001), "Cloning and sequencing of a molluscan endo-β1,4-glucanase gene from the blue mussel, Mytilus edulis" Eur J Biochem 268: p 37183727 44 http://en.wikipedia.org/wiki/Cellulose 45 http://en.wikipedia.org/wiki/Lignin 46 http://www.cazy.org/Glycoside-Hydrolases.html 34 [...]... dụng nhiều năng lượng Bột giấy có độ bền không cao, dễ bị ố vàng… Gỗ nguyên liệu -> cắt mảnh -> nghiền bột -> sàng chọn -> bột giấy thành phẩm 12 Nguyên lý cơ bản của các phương pháp sản xuất bột giấy bao gồm hoá học, bán hóa học, hoá nhiệt cơ (bảng 1) Trên thực tế thường kết hợp các phương pháp nêu trên để sản xuất các loại bột giấy theo yêu cầu tiêu thụ Nguyên liệu dùng làm giấy phải có tính chất... năng tạo liên kết của bột cơ kém hơn bột hoá và do vậy tính chất cơ, lý của bột cơ thấp hơn Bột cơ thường chứa tạp chất, không thể tẩy trắng bột cơ tới mức như bột hoá và độ hồi màu của bột cơ khá cao 13 Bột hóa: tuỳ theo hoá chất sử dụng ta có các loại bột khác nhau như bột soda (dịch nấu gỗ là dung dịch NaOH), bột sunphat còn gọi là bột Kraft (hóa chất nấu là NaOH và Na2S), Bột sunphit ( dịch nấu... ứng sẽ cho ra những loại bột hóa cơ khác nhau 1.1.4 Quy trình nghiền bột giấy Như đã nói ở trên, công đoạn nghiền bột đóng vai trò quan trọng và quyết định lớn đến chất lượng sản phẩm giấy Tùy theo yêu cầu sản phẩm và loại nguyên liệu mà công nghệ sản xuất sẽ thay đổi khác nhau, nhưng về nguyên tắc chung, có hai bước chính sau: Bước 1, đánh tơi bột: thường bột đưa vào sản xuất là dạng kiện, dạng tấm... nghiền bột và tiết kiệm lượng hơi nước sử dụng trong công đoại xeo giấy tiếp sau đấy Bajpai và cộng sự [12] đã thực hiện các nghiên cứu trên quy mô phòng thí nghiệm và trên quy mô pilot với các hỗn hợp các enzym xenlulase và hemicellulase để làm giảm yêu cầu năng lượng cho quá trình nghiền với các loại bột giấy khác nhau như bột giấy Kraft gỗ cứng, bột giấy từ tre, bột giấy tái chế … Các thử nghiệm trong. .. Tùy theo yêu cầu sử dụng mà bột có thể có hoặc không được tẩy trắng hoặc được tẩy trắng với mức độ khác nhau (loại lignin) Bột cơ: là bột giấy được sản xuất bằng cách mài hoặc nghiền lóng gỗ hoặc dăm gỗ để tách các bó sợi Mài gỗ cho bột có độ che phủ rất cao, nhưng tính chất cơ, lý lại kém Nghiền dăm gỗ cho bột có tính chất cơ lý cao hơn nhưng tính quang học lại kém hơn Sản xuất bột cơ cần gỗ chất lượng... giấy Các phương pháp chính sản xuất bột giấy gồm: phương pháp hóa học (sulfat,sulfit…), bán hóa học, nhiệt cơ - Phương pháp hóa học: Sơ chế nguyên liệu -> nấu bột -> bể chứa -> sàng, rửa -> tẩy -> bột giấy thành phẩm - Phương pháp bán hóa học: Gỗ nguyên liệu -> ngâm tẩm trong điều kiện hóa chất/nấu -> bột giấy thành phẩm - Phương pháp nhiệt cơ : hiệu suất bột loại này thường cao (85-90%) nhưng sử dụng. .. ), có thể có bột sunphit acid, bột sunphit trung tính hay bột sunphit kiềm Bột hóa cơ: là bột giấy được sản xuất trên phương pháp kết hợp giai đoạn xử lý hóa chất với xử lý cơ học để phân tách xơ sợi ra một cách hoàn toàn Hiệu suất với phương pháp này đạt từ 80-95% Vị trí xử lý hóa chất: công đoạn xử lý hóa chất có thể được bố trí ở các vị trí khác nhau trong dây chuyền sản xuất, tương ứng sẽ cho ra... kiện, dạng tấm không ở dạng xơ sợi do đó cần phải đánh tơi đưa bột về dạng xơ sợi phân tán trong nước ở dạng huyền phù Bước 2,nghiền bột: bột sau khi đánh tơi, các xơ sợi ở dạng huyền phù, tuy nhiên chúng vừa không đều vừa không đan dệt được với nhau nên nếu đem sản xuất ngay thì giấy thu được sẽ rất thô, cứng và độ bền thấp Do vậy bột giấy phải được qua bước nghiền Dưới các tác động cơ học (như lực... cellulose bằng quá trình oxy hóa sử dụng H2O2 giải phóng ra khi phân giải hemicenlulose Vì là phân tử nhỏ nên H 2O2 dễ dàng khuyếch tán qua thành tế bào thực vật và làm mục gỗ 1.5 Ứng dụng của enzyme trong sản xuất nghiền Với các loại bột hóa, sau khi nấu phần lớn lignin đã bị loại bỏ ở lớp ngoài cùng của xơ sợi xellulose, tuy nhiên vẫn còn một lượng nhỏ ở lớp sát xơ sợi Vì vậy bột sau khi nấu phải trải qua... cứng: glucuronoxylan là hemicellulose chủ yếu, dao động từ 15-25% so với gỗ khô tuyệt đối Bên cạnh đó gỗ cứng còn chứa 2-5% glucomannan Lignin chiếm 1625%, ngoài guaiacylpropan còn chứa 3,5-dimetoxy-hydroxy phenylpropan Sản xuất bột giấy là giai đoạn gia công để tách thành phần sơ sợi từ nguyên liệu gỗ hay một số thực vật bằng các phương pháp hóa học hay cơ học tương ứng ta sẽ thu đươc bột hóa hay bột