Đang tải... (xem toàn văn)
THỦY PHÂN BÙN THẢI GIẤY ĐÃ XỬ LÝ SƠ BỘ KIM LOẠI NẶNG Ở pH = 4.0 BẰNG ENZYME CELLULOSE Hiện nay đang được coi là một lượng chất thải lớn cần có giải pháp xử lý chúng không thì chúng sẽ là chất thải nguy hại đối với môi trường cho dù tiềm năng tái chế chúng thành nhiên liệu có lợi để phục ngược lại cho chúng ta rất cao. Do đó nhóm đã quyết định chọn đề tài “Thủy phân bùn thải giấy đã qua xử lý kim loại nặng ở pH = 4.0 bằng enzyme cellulase” đây sẽ là một hướng để giải quyết vấn đề xử lý bùn thải từ ngành công nghiệp sản xuất và chế biến giấy. Góp phần tạo ra được nguồn nhiên liệu sinh học để có thể thay thế cho nguồn nhiên liệu dầu mỏ đang dần cạn kiệt làm giảm áp lực ô nhiễm môi trường vì nhiên liệu sinh học không chứa hợp chất thơm, các chất độc hại và hơn nữa nhiên liệu sinh học khi thải vào đất có tốc độ phân hủy nhanh gấp 4 lần so với nhiên liệu dầu mỏ. Có thể mang lại giá trị kinh tế cho ngành công nghiệp sản xuất và chế biến giấy nói riêng cho nền kinh tế Việt Nam nói chung.
ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD:Th.S PHẠM THỊ THANH HỊA BỘ CƠNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THỦY PHÂN BÙN THẢI GIẤY ĐÃ XỬ LÝ SƠ BỘ KIM LOẠI NẶNG Ở pH = 4.0 BẰNG ENZYME CELLULOSE Giáo viên hướng dẫn: Th.S Phạm Thị Thanh Hòa Sinh viên thực hiện: Phùng Gia Ngọc 2009120131 Trần Xuân Tùng 2009120169 Lớp: 03DHMT2 Khoá: 03 TP HCM, tháng 11 năm 2015 ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD:Th.S PHẠM THỊ THANH HÒA ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: • Phùng Gia Ngọc Tel: 0903.927.428 Mail: giangocphung@gmail.com • Trần Xuân Tùng Tel: 01675.77.7979 Mail: tungtran2394@gmail.com Chuyên ngành: Kỹ Thuật Môi Trường Lớp: 03DHMT2_Khoá 03 Giảng viên hướng dẫn: Th.S Phạm Thị Thanh Hòa Tel: 0938.488.722 Mail: hoapt106@yahoo.com.vn Tên đề tài: THỦY PHÂN BÙN THẢI GIẤY ĐÃ XỬ LÝ SƠ BỘ KIM LOẠI NẶNG Ở pH = 4,0 BẰNG ENZYME CELLULASE Giảng viên hướng dẫn Th.S Phạm Thị Thanh Hòa Sinh viên thực đề tài Phùng Gia Ngọc Trần Xuân Tùng ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THỊ THANH HÒA MỤC LỤC SVTH: PHÙNG GIA NGỌC – TRẦN XUÂN TÙNG ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THỊ THANH HÒA DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT mL: Mililit g: gam kg: Kilogam ha: heta %: Phần trăm CHC: Chất hữu TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam TNHH: Trách nhiệm hữu hạn SVTH: PHÙNG GIA NGỌC – TRẦN XUÂN TÙNG ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THỊ THANH HỊA DANH MỤC HÌNH SVTH: PHÙNG GIA NGỌC – TRẦN XUÂN TÙNG ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THỊ THANH HÒA DANH MỤC BẢNG SVTH: PHÙNG GIA NGỌC – TRẦN XUÂN TÙNG ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THỊ THANH HỊA Chương Mở đầu 1.1 Tính cấp thiết đề tài Cùng với phát triển kinh tế - xã hội nhu cầu người ngày tăng Một nhu cầu khơng thể thiếu việc sử dụng giấy sản phẩm từ giấy sống sinh hoạt hàng ngày từ sản lượng giấy sản xuất tăng theo năm tháng Theo báo cáo Tổng cơng ty giấy Việt Nam năm 2012 ngành giấy Việt Nam 20 năm qua đạt tốc độ tăng trưởng hàng năm 15% - 16% Đơn vị tính: Kg/năm/người Năm 2010 Năm 2011 Năm 2012 26,44 29,61 32,7 Bảng 1.1.1: Mức tiêu thụ giấy bình quân người Nguồn: Cơng ty TNHH giấy An Bình Đơn vị tính: ngàn Năm 2010 2011 2012 Giấy in báo 45,2 57,8 70 Giấy in/viết 444 515 585 Giấy bao bì 1.551,9 1.730 1.975, Giấy tissue 43,3 76,1 83,1 Giấy vàng mã 210 220 190 Giấy khác 2.294,4 2.598, 2.903, Tổng 2.294,4 2,598, 2.903, Bảng 1.1.2: Mức tiêu thụ giấy Việt Nam Nguồn: Cơng ty TNHH giấy An Bình Đơn vị tính: ngàn Năm 2010 Năng lực sản xuất bột giấy Sản lượng bột giấy SVTH: PHÙNG GIA NGỌC – TRẦN XUÂN TÙNG 2011 2012 420 650 640 325,9 373,4 484,3 Trang ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tiêu thụ bột giấy GVHD: Th.S PHẠM THỊ THANH HÒA 466,9 517,8 Nhập bột giấy 100,5 129,4 Bảng 1.1.3: Năng lực ngành giấy Việt Nam 598,9 107,8 Nguồn: Công ty TNHH giấy An Bình Từ bảng cho ta thấy thực trạng ngành giấy phát triển mạnh Kéo theo lượng lớn chất thải ngành thải tăng cách đột biến từ góp phần làm ảnh hưởng đến chất lượng môi trường cụ thể gây ô nhiễm môi trường nước môi trường đất nước thải bùn thải sau trình xử lý nhà máy So với nước khu vực giới cơng nghệ trình độ sản xuất giấy Việt Nam lạc hậu Lượng nước thải chất thải sau trình xử lý sinh tính đơn vị sản phẩm cao nhiều Điều cho ta thấy lượng bùn thải thu sau trình xử lý cao Trong đó, ngành giấy Việt Nam chưa có đủ sở khoa học để chứng minh bùn thải giấy khơng gây hại đến mơi trường, cơng ty phải tự đưa cho giải pháp để xử lý chúng Theo Tài liệu hướng dẫn Sản xuất ngành giấy Hợp phần Sản xuất thuộc Bộ Cơng Thương, với quy trình công nghệ thành phần cellulose bùn giấy lớn Quy trình sản xuất giấy làm thất sợi cellulose có kích thước nhỏ mạng lưới kết cấu định hình, tùy thuộc vào loại hình nhà máy sản xuất, khoảng 30 - 50% tổng số sợi cellulose so với ban đầu thải lượng cellulose chưa tận dụng cách phù hợp triệt để Từ nguyên nhân dẫn chứng ta thấy bùn thải giấy coi lượng chất thải lớn cần có giải pháp xử lý chúng khơng chúng chất thải nguy hại môi trường cho dù tiềm tái chế chúng thành nhiên liệu có lợi để phục ngược lại cho cao Do nhóm định chọn đề tài “Thủy phân bùn thải giấy qua xử lý kim loại nặng pH = 4.0 enzyme cellulase” hướng để giải vấn đề xử lý bùn thải từ ngành công nghiệp sản xuất chế biến giấy Góp phần tạo nguồn nhiên liệu sinh học để thay cho nguồn nhiên liệu dầu mỏ dần cạn kiệt làm giảm áp lực nhiễm mơi trường nhiên liệu sinh học không chứa hợp chất thơm, chất độc hại nhiên liệu sinh học thải vào đất có tốc độ phân hủy nhanh gấp lần so với nhiên liệu dầu mỏ Có thể SVTH: PHÙNG GIA NGỌC – TRẦN XUÂN TÙNG Trang ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THỊ THANH HÒA mang lại giá trị kinh tế cho ngành cơng nghiệp sản xuất chế biến giấy nói riêng cho kinh tế Việt Nam nói chung Hướng nghiên cứu nói góp phần ổn định đảm bảo an ninh lượng đáp ứng nhu cầu ngày tăng người ngành công nghiệp 1.2 Mục đích nghiên cứu Tách cellulose từ bùn thải giấy sau xử lý sơ kim loại Sau chuyển cellulose thu thành glucose dựa khả hydrat hóa enzyme cellulase thơng qua trình thủy phân để biến đổi chất (bùn giấy) thành đường glucose 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu Bùn thải q trình sản xuất giấy Cơng ty TNHH New ToyoPulppy (Việt Nam) 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu thực quy mơ phịng thí Viện Tài Nguyên Môi Trường đại học quốc gia Một số yếu tố ảnh hưởng khác nội dung thí nghiệm loại trừ (nhiệt độ, độ ẩm số tác nhân khác…) 1.4 Ý nghĩa đề tài Ý nghĩa khoa học: − Góp phần làm đa dạng phương pháp xử lý bùn thải cụ thể bùn thải giấy − Phát huy sáng tạo phương pháp mới, tiến hơn, hoàn thiện từ nghiên cứu trước Ý nghĩa thực tiễn: − Giảm thiểu tác động ô nhiễm môi trường thải lượng lớn bùn thải giấy − Góp phần làm tăng trưởng kinh tế ngành công nghiệp sản xuất chế biến giấy − Đảm bảo an ninh lượng Quốc Gia SVTH: PHÙNG GIA NGỌC – TRẦN XUÂN TÙNG Trang ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THỊ THANH HÒA Chương Tổng quan 2.1 Khái niệm bùn thải giấy Bùn thải giấy loại chất thải dạng sệt dạng rắn sau trình xử lý nước thải Công ty sản xuất chế biến giấy thải Nguồn phát sinh thường từ bể lắng sơ cấp, thứ cấp (bể lắng cặn) cặn từ tầng làm khơ trạm xử lý nước thải (q trình ép bùn) Ngồi cịn có lượng lớn bột giấy từ trình xeo giấy thải trộn lẫn với bùn bể lắng Bùn thải giấy có thành phần glucan cao có cấu trúc phân tán nên bùn thải giấy nguồn nguyên liệu thích hợp cho q trình chuyển hóa sinh học thành sản phẩm có giá trị mà khơng qua tiền xử lý Nhưng hàm lượng tro bùn thải giấy cao, có nguồn gốc từ phụ gia vơ trình sản xuất giấy, gây trở ngại cho trình chuyển hóa sau Bùn thải giấy phát sinh từ chất thải rắn lơ lửngtrong nước thải trình sản xuất giấy Các chất thải đươc đưa vào hệ thống thoát nước thải đưa vào hệ thống xử lý nước thải giấy tạo thành bùn thải giấy Bùn thải giấy chia thành loại: bùn thải giấy sơ cấp bùn thải giấy thứ cấp Đối tượng nghiên cứu gồm loại hình sản xuất giấy từ nguyên liệu thô, từ bột giấy tái chế giấy qua sử dụng để đánh giá khả thu hồi lượng sinh học loại bùn thải giấy Nhưng theo tình hình thực tế việc sản xuất giấy từ ngun liệu thơ gặp khó khăn kinh tế nguồn nguyên liệu nên loại hình sản xuất khơng cịn phổ biến Thế nên nhóm rút gọn lại đối tượng nghiên cứu cho theo thực tiễn lại loại hình sản xuất giấy từ bột giấy giấy tái chế qua sử dụng SVTH: PHÙNG GIA NGỌC – TRẦN XUÂN TÙNG Trang 10 ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THỊ THANH HÒA Cellulose hợp chất hữu có cơng thức cấu tạo (C 6H10O5)n, thành phần chủ yếu thành tế bào thực vật, gồm nhiều cellobiose liên kết với nhau, 4-O (β-DGlucopyranosyl)-D-glucopyranose Cellulose hợp chất hữu nhiều sinh quyển, năm thực vật tổng hợp khoảng 10 11 cellulose (trong gỗ, cellulose chiếm khoảng 50% chiếm khoảng 90%) Hình 2.4.2.1: Cơng 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 vơ định hình Trong vùng tinh thể, phân tử cellulose liên kết chặc chẽ với nhau, vùng khó bị cơng enzyme hóa chất Có hai mơ hình cấu trúc cellulose đưa nhằm mơ tả vùng tinh thể vơ định hình SVTH: PHÙNG GIA NGỌC – TRẦN XUÂN TÙNG Trang 18 ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THỊ THANH HỊA Hình 2.4.2.2: Mơ hình Fringed fibrillar mơ hình chuỗi gập Trong mơ 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 vơ định hình Trong mơ 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 mạch glucose nhỏ, vị trí dễ bị thủy phân Đối với đơn vị lặp lại, hai đầu vùng vơ định hình, vào giữa, tính chất kết tinh cao Trong vùng vơ định hình, liên kết β-glycoside monomer bị thay đổi góc liên kết, cuối đoạn gấp, phân tử monomer xếp tạo thay đổi 180o cho tồn mạch Vùng vơ định hình dễ bị cơng 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 khơng tạo liên kết hydro Cellulose có cấu tạo tương tự carbohydrate phức tạp tinh bột glycogen Các polysaccharide cấu tạo từ đơn phân glucose Cellulose glucan không phân nhánh, gốc glucose kết hợp với qua liên kết β-1 4-glycoside, khác biệt cellulose phân tử carbonhydrate phức tạp khác Cellulose có cấu trúc bền khó bị thủy phân Người động vật khơng có enzyme phân giải cellulose (cellulase) nên khơng tiêu hóa cellulose, cellulose khơng có giá trị dinh dưỡng SVTH: PHÙNG GIA NGỌC – TRẦN XUÂN TÙNG Trang 19 ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THỊ THANH HÒA 2.4.3 Lignin Lignin phức hợp chất hóa học phổ biến tìm thấy hệ mạch thực vật, chủ yếu tế bào, thành tế bào thực vật Lignin có cấu trúc khơng gian chiều, phức tạp, vơ định hình, chiếm 17- 33 % thành phần gỗ Lignin cacbonhydrate có liên kết chặt chẽ với nhóm để tạo nên màng tế bào thực vật cứng giịn, có chức vận chuyển nước thể thực vật giúp phát triển chống lại công côn trùng mầm bệnh Trong tự nhiên, lignin chủ yếu đóng vai trị chất liên kết thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose hemicellulose Rất khó để tách lignin hoàn toàn Lignin polymer, cấu thành từ đơn vị phenylpropene, vài đơn vị cấu trúc điển hình đề nghị là: guaiacyl (G), chất gốc rượu trans-coniferyl; syringly (S), chất gốc rượu trans-sinapyl; p-hydroxylphenyl (H), chất gốc rượu trans-p-courmary Tuy nhiên, cấu trúc hóa học lignin dễ bị thay đổi điều kiện nhiệt độ cao pH thấp dung dịch kiềm nóng, tan phần dung mơi hữu Ở nhiệt độ cao 2000C, lignin bị kết khối thành phần riêng biệt tách khỏi cellulose Hình 2.4.3.1: Các đơn vị lignin 2.4.4 Hemincellulose Hemicellulose loại polymer phức tạp phân nhánh, độ trùng hợp khoảng 70 đến 200 đơn phân Hemicellulose chứa đường gồm glucose, mantose galactose đường gồm xylose arabinose Thành phần hemicellulose β–D- xylopyranose, liên kết với liên kết β-(1,4) Cấu tạo hemicellulose phức SVTH: PHÙNG GIA NGỌC – TRẦN XUÂN TÙNG Trang 20 ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THỊ THANH HÒA tạp đa dạng tùy vào nguyên liệu, nhiên có vài điểm chung gồm: • • • • Mạch hemicellulose cấu tạo từ liên kết β -(1,4) Xylose thành phần quan trọng Nhóm phổ biến nhóm acetyl-O – liên kết với vị trí Mạch nhánh cấu tạo từ nhóm đơn giản, thơng thường disaccharide trisaccharide Sự liên kết hemicellulose với polysaccharide khác với lignin nhờ mạch nhánh Cũng hemicellulose có mạch nhánh nên tồn dạng vơ định hình dễ bị thủy phân Hemicellulose polysaccharide màng tế bào hịa 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-xylose L-arabinose liên kết với thành phần khác nằm liên kết glycoside Hemicellulose chứa axit 4-O-methylglucuronic, axit D-glucose D-galactose 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 lồi loại mơ loài phụ thuộc vào độ tuổi mơ Tùy theo thành phần hemicellulose có chứa monosaccharide mà có tên tương ứng manan, glucan xylan Các polysacchride manan, galactan, glucan hay xylan chất phổ biến thực vật, chủ yếu thành phần màng tế bào quan khác gỗ, rơm rạ, SVTH: PHÙNG GIA NGỌC – TRẦN XUÂN TÙNG Trang 21 ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THỊ THANH HÒA Trong loại hemicellulose, xylan polymer thành tế bào thực vật gốc D-xylopyranose kết hợp với qua liên kết β-1-4-D-xylopyranose, nuồn 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 glucurnonosyl Các nhóm có đặc tính liên kết tương tác cộng hóa trị khơng 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-Omethlglucuronoxylan gỗ cứng hay thành phần cấu tạo xylan axit D-glucuronic, có khơng có ete 4-O-methyl arabinose lồi lồi ngũ cốc Hình 2.4.4.1: Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan gỗ cứng Hình 2.4.4.2: Arabino-4-O-methylglucuronoxylan gỗ mềm 2.5 Enzyme cellulase Cellulase loại enzyme, sản xuất từ nấm mốc, vi khuẩn sinh SVTH: PHÙNG GIA NGỌC – TRẦN XUÂN TÙNG Trang 22 ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THỊ THANH HÒA vật đơn bào, có khả thủy phân cellulose hemicellulose Ký hiệu EC Hình 2.5.1: Enzyme cellulose Cellulase có chất protein cấu tạo từ đơn vị axit amin, axit amin nối với liên kết peptid –CO-NH- Ngoài ra, cấu trúc cịn có phần phụ khác Cấu trúc hồn chỉnh loại enzyme nhóm endoglucanase (EG) exoglucanse (CBH) giống hệ cellulase nấm sợi, gồm trung tâm xúc tác đuôi tận cùng, phần đuôi xuất phát từ trung tâm xúc tác gắn thêm glycosil hóa, cuối vùng gắn kết với cellulose (CBD: Cellulose binding domain) Vùng có vai trị tạo liên kết với cellulose tinh thể Trong q trình phân hủy cellulose có tương quan mạnh khả xúc tác phân giải cellulose enzyme lực cảu enzyme cellulose Hơn hoạt tính cellulase dựa vào tinh thể cellulose khả kết hợp CBD với cellulose Sự có mặt CBD hộ trợ cho enzyme cellulase thực việc cắt đứt nhiều liên kết cellulose tinh thể Vùng gắng kết cellulose có cấu tạo khác với liên kết thông thường protein việc thay đổi chiều dài vùng glycosil hóa có ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác cảu enzyme Mặc dù phổ biến trái đất, cellulose lại bền vững khó bị phá vỡ cellulose có độ kết tinh cao, khơng tan nước, có khả chống lại q trình depolymer hóa Q trình thủy phân cellulose tạo thành glucose thực nhờ tác dụng hiệp đồng enzyme khác nhau: • “Endo-1,4-β-glucanases”(EG) hay 1,4-β-D-glucan 4-glucanohydrolases, enzyme thủy phân nội bào liên kết 1,4-β-D-glucosidic phân tử cellulose tác dụng ngẫu nhiên chuỗi polymer hình thành đầu chuỗi khử tự chuỗi oligosaccharide ngắn Các SVTH: PHÙNG GIA NGỌC – TRẦN XUÂN TÙNG Trang 23 ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THỊ THANH HỊA endoglucanse khơng thể thủy phân cellulose tinh thể hiệu phá vỡ liên kết khu vực vơ định hình tương đối dể tiếp cận • “Exo -1,4-β-D-glucanases”bao gồm 1,4-β-D-glucan glucohydrolase, enzymer ngoại bào có tác dụng giải phóng D-glucose từ 1,4-β-D-glucan thủy phân chậm D-cellobiose; ngồi cịn có enzyme 1,4-β-D-glucan cellobiohydrolase (CBH), enzyme giải phóng cellobiose từ 1,4-β-glucan • “β-D-glucosidase” hay cịn gọi β-D-glucoside glucohydrolase có tác dụng tạo thành Dglucose từ celobiose cellodextrin, olygomer glucose Nhóm enzyme endo exo thường gọi chung enzyme cellulase, cịn βglucosidase có cấu trúc khác chế khác nên tách thành nhóm riêng Tuy nhiên luận văn này, để tiện việc trình bày nên gọi chung nhóm enzyme cellulase Enzyme có cấu trúc phần xúc tác phần liên kết với chất đặc trưng cho enzyme phân cắt cellulose thu nhận từ nấm mốc vi khuẩn Sự tồn phần liên kết với chất phổ biến enzyme khác tham gia phân cắt chất rắn Trong enzyme nấm mốc phần liên kết với cellulose (CBD) liên kết với phần xúc tác bới liên kết tách biệt hoàn toàn hai phần CBD đầu C đầu N enzyme Hoạt tính enzyme cellulase Xác định cách đo đường kính vịng thủy phân Khi enzyme ác dụng với cellulose môi trường thạch, chất bị phân giải làm độ đục môi trường giảm đi, môi trường trở nên suốt Độ suốt tỉ lên thuận với hoạt tính enzyme Xác định cách dựa vào giảm trọng lượng chất Khi enzyme tác dụng phân giải chất cellulose trọng lượng chất bị giảm Độ giảm trọng lượng chất tỉ lệ với hoạt tính enzyme Xác định hoạt động enzyme dựa vào lượng đường tạo thành Hoạt động enzyme tính đơn vị UI/ml mơi trường UI/g chất Nguyên tắc enzyme thủy phân chất cellulose tạo thành đường khử, đo lượng đường khử tạo thành để xác định hoạt tính enzyme SVTH: PHÙNG GIA NGỌC – TRẦN XUÂN TÙNG Trang 24 ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THỊ THANH HÒA Chương 3: Nội dung phương pháp nghiên cứu 3.1 Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu tập trung vào mục tiêu chính: − Loại bỏ thành kim loại nặng bùn thải giấy − Tách liên kết lignin khỏi cấu trúc − Xác định cellulose có bùn thải giấy − Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình thủy phân cellulose enzyme cellulase − Lượng glucose sinh trình thủy phân 3.2 Phương pháp nghiên cứu 3.2.1 Ảnh hưởng trình thủy phân Tốc độ trình thủy phân cellulose enzyme cellulase chịu tác động số yếu tố Năm 2002, Lyn cộng đưa kết luận sau: − Tỉ lệ kết tinh: yếu tố ảnh hưởng đến q trình thủy phân Các mạch cellulose có tính kết tinh cao, sợi cellulose liên kết chặt chẽ Do cản trở trình tiếp xúc enzyme với mạch cellulose bên làm giảm tốc độ trình thủy phân − Mức độ polymer hóa: mạch cellulose dài, tốc độ thủy phân chậm (Walker cộng , 1990) − Kích thước lỗ xốp: kích thước lỗ xốp phải đủ lớn cho enzyme vào Kích thước lỗ xốp lớn trình thủy phân nhanh − Bề mặt tiếp xúc: hầu hết chuỗi cellulose bị giấu vi sợi- yếu tố cản trở xâm nhập enzyme giới hạn tốc độ thủy phân Bề mặt tiếp xúc lớn thuận lợi cho trình thủy phân 3.2.2 Phương pháp nghiên cứu Mẫu bùn thải giấy lấy từ Công ty TNHH New Toyo Pulppy kiểm tra tiêu đầu vào như: pH, độ ẩm, TOC, TON, cellulose, hemicellulose, lignin (KHT, HT), tro, kim loại nặng (As, Cd, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn, Fe, Al), phenol SVTH: PHÙNG GIA NGỌC – TRẦN XUÂN TÙNG Trang 25 ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THỊ THANH HÒA 3.2.2.1 Tách ẩm, xử lý mẫu lưu mẫu ban đầu Tách ẩm phương pháp học để giảm bớt khối lượng (giảm chi phí vận chuyển), bảo quản mẫu tốt thời gian dài, tách số kim loại hòa tan nước Thực theo TCVN 6665 – 15:2004: chất lượng nước – lấy mẫu (phần 15: hướng dẫn xử lý lấy mẫu bùn trầm tích) 3.2.2.2 Xác định độ ẩm ban đầu mẫu cần phân tích Xấy khơ cốc xứ tủ xấy mang hút ẩm đến khối lượng không đổi Cân khối lượng cốc xứ cân khối lượng mẫu mang phân tích, cho mẫu vào cốc Sau sấy mẫu tủ sấy nhiệt độ 105 oC khối lượng mẫu sấy không đổi Hút ẩm đến khối lượng không đổi cân khối lượng cốc mẫu sau hút ẩm Làm mẫu lập lại lần để kiểm tra 3.2.2.3 Tiền xử lý kim loại bùn thải giấy Các ion kim loại kìm hãm hoạt hóa hoạt động enzyme Các ion gây biến tính kìm hãm khơng thuận nghịch enzyme Và hầu hết kim loại tan khoảng pH từ 3,0 đến 4,2 Bởi để loại bỏ ảnh hưởng khơng cần thiết đến q trình thủy phân cellulose enzyme Ta chọn pH = 4.0 để hịa tan kim loại có mẫu Mẫu đất khô vật liệu tương tự chiết hỗn hợp axit clohidric/nitric cách để yên 16 nhiệt độ phịng, sau đun sơi dòng đối lưu Lọc chất chiết thêm đủ thể tích axit nitric Hàm lượng kim loại vết dịch chiết xác định theo TCVN 6496 – 2009 3.2.2.3.1 Khảo sát khả loại bỏ kim loại theo độ ẩm Nhóm tiến hành tiến hành thêm nước cất 3, 6, 9, 12, 15 mL, tương ứng với mẫu 1, 2, 3, 4, để nâng độ ẩm lên 92, 93, 94, 95, 96% Khuấy để yên 15 phút tiến hành lọc, ghi nhận khối lượng nước sau lọc Mẫu sau lọc tiến hành phân tích kim loại SVTH: PHÙNG GIA NGỌC – TRẦN XUÂN TÙNG Trang 26 ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THỊ THANH HÒA Mẫu 10 4,0 3,0 3.2.2.3.2 Khảo sát khả loại bỏ kim loại theo thời gian Cân 10 gam bùn thải vào cốc thủy tinh dung tích 100 mL Sau cho axit H 2SO4 1N cho cố định pH tối ưu mẫu bùn Dùng đũa thủy tinh khuấy phút, sau để yên khoảng thời gian 20, 30, 40, 50, 60 phút Rồi xác định thay đổi pH theo thời gian Dùng giấy lọc tiến hành lọc Mẫu sau lọc tiến hành xác định kim loại Đánh giá khả loại bỏ kim loại theo thời gian Ghi nhận kết Lập lại mẫu lần để kiểm tra Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Lượng bùn thải cho vào (gam) 10 10 10 10 10 Lượng axit H2SO4 cho vào (mL) 10 10 10 10 10 pH 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 Nồng độ axit cho vào (M) 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 Thời gian (phút) 20 30 40 50 60 Tiến hành lọc qua giấy lọc Đánh giá xác định kim loại mẫu Xác định cellulose bùn thải giấy 3.2.2.4 Tách liên kết lignin Cellulose bảo vệ lớp lignin dày đặc ngăn cản trình thủy phân enzym.Vì vậy, cần xử lý sơ phá vỡ liên kết lignin, để lộ cellulose hemicellulose cho trình thủy phân enzyme thực SVTH: PHÙNG GIA NGỌC – TRẦN XUÂN TÙNG Trang 27 ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THỊ THANH HÒA Tuy nhiên, bùn thải giấy liên kết bị phá vỡ phần trình xử lý hóa học (nấu tẩy trắng) quy trình sản xuất giấy, biến đổi lignin khơng hịa tan thành lignin hịa tan, việc tách liên kết cịn lại dễ dàng Nhóm tiến hành tách lignin sử dụng axit H2SO4 (1N) Phương pháp sử dụng H2SO4 Trong môi trường acid, lignin tách khỏi hemicellulose cellulose, đồng thời phần lignin bị hòa tan, nên cellulose trở nên hoạt động với enzyme cellulase Biện pháp sử dụng axit tiền xử lý sử dụng rộng rãi quy trình sản xuất (Taherzadeh and Karimi, 2007) 3.2.2.5 Xác định cellulose Dùng phương pháp ADF (Acid Detergent Fiber Procedure) để xác định hàm lượng cellulose có mẫu Mẫu làm lập lại lần để kiểm tra độ xác Ghi nhận kết làm 3.2.2.6 Xác định hoạt độ emzyme cellulase tạo glucose: Bùn thải bị thủy phân môi trường acid tác dụng enzyme cellulase tạo sản phẩm glucose Lượng glucose xác định cách sử dụng phương pháp 3,5 – dinitrosalicylic acid (DNS) (Theo Holtzhauer M Basic Methods for the Biochemical Lab Springer, 2006) 3.2.2.6.1 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ enzyme cellulase đến khả thủy phân bùn thải giấy Nhằm xác định nồng độ tối ưu enzyme cellulase cho hoạt động xúc tác với bùn thải giấy Mẫu xử lý sơ kim loại với độ ẩm thời gian tối ưu, tách liên kết lignin mang khảo sát Tiến hành: Mẫu Trắng Enzyme cellulase (mL) 0,25 0,5 0,75 1,0 Na – acetate, pH = (mL) 4,75 4,5 4,25 4,0 6,0 Bùn thải (g) 0,1 0,1 0,1 0,1 3,0 3,0 Để 300C 30 phút, pH = Đun sôi phút, 1000C, làm lạnh nhanh DNS (mL) 3,0 SVTH: PHÙNG GIA NGỌC – TRẦN XUÂN TÙNG 3,0 3,0 Trang 28 ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THỊ THANH HỊA Đun sơi 10 phút, 700C, làm nguội nhanh Vnước cất (mL) 5,0 5,0 5,0 5,0 5,0 Độ hấp thụ OD (λ = 540 nm) Làm mẫu lập lại lần để kiểm tra độ xác (Theo Holtzhauer M Basic Methods for the Biochemical Lab Springer, 2006) 3.2.2.6.2 Khảo sát ảnh hưởng pH đến trình thủy phân bùn thải giấy với enzyme cellulase Nhằm xác định pH tối ưu enzyme cellulase cho hoạt động xúc tác với bùn thải giấy Mẫu xử lý sơ kim loại với độ ẩm thời gian tối ưu, tách liên kết lignin mang khảo sát Tiến hành: Mẫu Trắng Enzyme cellulase (mL) 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 Na – acetate, pH = (mL) 3,0 3,0 3,0 3,0 6,0 Bùn thải (g) 0,1 0,1 0,1 0,1 pH (điều chỉnh dd H2SO4 1N) 3,0 3,5 4,0 4,5 3,0 3,0 5,0 5,0 Để 300C 30 phút Đun sôi phút, 1000C, làm lạnh nhanh DNS (mL) 3,0 3,0 3,0 Đun sôi 10 phút, 700C, làm nguội nhanh Vnước cất (mL) 5,0 5,0 5,0 Độ hấp thụ OD (λ = 540 nm) Lập lại thí nghiệm lần để kiểm tra kết (Theo Holtzhauer M Basic Methods for the Biochemical Lab Springer, 2006) 3.2.2.6.3 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đến trình thủy phân bùn thải giấy với enzyme cellulase Nhằm xác định nhiệt độ tối ưu enzyme cellulase cho hoạt động xúc tác với bùn thải giấy Mẫu xử lý sơ kim loại với độ ẩm thời gian tối ưu, tách liên kết lignin mang khảo sát Tiến hành: SVTH: PHÙNG GIA NGỌC – TRẦN XUÂN TÙNG Trang 29 ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Mẫu GVHD: Th.S PHẠM THỊ THANH HÒA Trắng Enzyme cellulase (mL) 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 Na – acetate, pH = (mL) 3,0 3,0 3,0 3,0 6,0 Bùn thải (g) 0,1 0,1 0,1 0,1 Nhiệt độ (0C) 30 40 50 60 3,0 3,0 5,0 5,0 Để 300C 30 phút, pH = Đun sôi phút, 1000C, làm lạnh nhanh DNS (mL) 3,0 3,0 3,0 Đun sôi 10 phút, 700C, làm nguội nhanh Vnước cất (mL) 5,0 5,0 5,0 Độ hấp thụ OD (λ = 540 nm) Lập lại mẫu lần để kiểm tra kết (Theo Holtzhauer M Basic Methods for the Biochemical Lab Springer, 2006) 3.2.2.6.4 Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến trình thủy phân bùn thải giấy với enzyme cellulase Nhằm xác định thời gian tối ưu để enzyme cellulase xúc tác với bùn thải giấy Mẫu xử lý sơ kim loại với độ ẩm thời gian tối ưu, tách liên kết lignin mang khảo sát Tiến hành: Mẫu Trắng Enzyme cellulase (mL) 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 Na – acetate, pH = (mL) 3,0 3,0 3,0 3,0 6,0 Bùn thải (g) 0,1 0,1 0,1 0,1 Để yên thời gian (phút) 20 30 40 50 3 5,0 5,0 Để 300C 30 phút, pH = Đun sôi phút, 1000C, làm lạnh nhanh DNS (mL) 3 Đun sôi 10 phút, 700C, làm nguội nhanh Vnước cất (mL) 5,0 5,0 5,0 Độ hấp thụ OD (λ = 540 nm) Lập lại mẫu lần để kiểm tra kết (Theo Holtzhauer M Basic Methods for the Biochemical Lab Springer, 2006) SVTH: PHÙNG GIA NGỌC – TRẦN XUÂN TÙNG Trang 30 ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THỊ THANH HỊA Tính tốn kết quả, vẽ đồ thị so sánh đưa hiệu suất trình thủy phân tối ưu Chương 4: Kết Luận kiến nghị 4.1 Kết luận Đề tài có tiềm để phát triển thực tiễn Vì có sơ sở rõ ràng nguồn tài liệu tham khảo phong phú Nếu đề tài thành cơng giải vấn đề lớn cho nguồn lượng quốc gia giới 4.2 Kiến nghị Do kinh phí nhóm có hạn nên mong trường khoa hỗ trợ kinh phí cho đề tài hồn chỉnh Có thể làm mẫu tái lập thay làm mẫu lập lại để so sánh cách xác số liệu làm Từ đề tài mang tính khoa học thuyết phục để ứng dụng vào thực tiễn thay ngừng mức nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đức Lượng (2001), Công nghệ Sinh học, Nhà xuất Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh [2] PGS TS Nguyễn Văn Phước, Trịnh Bảo Sơn, Trần Minh Hương, Nguyễn Thị Thu Hiền (2012), Giáo trình Cơng nghệ Xử lý Bùn, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh [3] TS Nguyễn Thị Ngọc Bích (2003), Kỹ thuật cellulose giấy, Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh [4] Theo TCVN 6665-15:2004: Chất lượng nước – lấy mẫu (phần 15: Hướng dẫn xử lý mẫu bùn trầm tích) [5] Theo TCVN 6649 : 2000 : Chất lượng đất - Chiết nguyên tố vết tan nước cường thuỷ [6] Parameswaran Binod, et al, Bioethanol production from rice straw: An overview Bioresource Technology, 101: 4767–4774, 2010 [7] Miller G L - Use of dinitrosalicylic acid reagent for determination of reducing sugar, Anal Chem (1959) 426-428 [8] Joni Prasetyo, Kazuya Naruse, Tatsuya Kato, Chuenchit Boonchird, Satoshi Harashima and Enoch Y Park, Bioconversion of paper sludge to biofuel by simultaneous saccharification and fermentation using a cellulase of paper sludge origin and thermotolerant Saccharomyces cerevisiae TJ14, 2011 [9] Holtzhauer M Basic Methods for the Biochemical Lab Springer, 2006 [10]Ronald E Current Protocols in Food Analytical Chemistry John Wiley & Sons, Inc., 2003 SVTH: PHÙNG GIA NGỌC – TRẦN XUÂN TÙNG Trang 31 ĐỀ CƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S PHẠM THỊ THANH HÒA [11] SVTH: PHÙNG GIA NGỌC – TRẦN XUÂN TÙNG Trang 32