Nghiên cứu sử dụng enzyme xylanaza để tẩy trắng bột giấy tại công ty giấy Bãi Bằng

Chuyên khảo phân tích Luận văn nghiên cứu sử dụng enzyme xylanaza để tẩy trắng bột giấy của công ty giấy bãi bằng, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp

• Trường học: Trường Đại Học
• Chuyên ngành: Công Nghệ Sinh Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Enzyme Xylanaza Trong Tẩy Trắng Bột Giấy Tại Công Ty Giấy Bãi Bằng
• Loại tài liệu: Luận Văn
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Việt Nam

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG ENZYME CHO SẢN XUẤT BỘT GIẤY
• 1.1. Khái quát về enzym và một số tính chất của chúng
• 1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phản ứng được xúc tác bởi enzym
• 1.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme
• 1.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất
• 1.2.3. Ảnh hưởng của chất kìm hãm
• 1.2.4. Ảnh hưởng của ion kim loại
• 1.2.5. Ảnh hưởng của pH đến độ bền enzyme
• 1.2.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 1.2.7. Ảnh hưởng của điều kiện bảo quản đến độ bền của enzyme
• 1.2.8. Các yếu tố khác
• 1.3. Các phương pháp xác định hoạt độ của enzym
• 1.4. Tình hình sản xuất và ứng dụng enzym ở Việt Nam và trên thế giới
• 1.5. Ứng dụng enzym trong công nghiệp giấy
• 1.6. Tổng quan các nghiên cứu sử dụng enzyme cho tẩy trắng bột giấy
• 2. CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Chuẩn bị nguyên liệu cho nghiên cứu
• 2.2. Các thiết bị và dụng cụ chính sử dụng cho nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp xử lý bột giấy sunfat bằng enzyme
• 2.4. Quy trình tẩy trắng bột giấy
• 2.5. Chuẩn bị mẫu bột giấy cho xác định tính chất cơ lý
• 2.6. Các phương pháp phân tích tính chất bột giấy
• 3. CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Xác định hoạt độ của enzym
• 3.2. Xác định tính chất của bột sunfat chưa tẩy trắng
• 3.3. Xác định ảnh hưởng của mức dùng enzym tới độ trắng của bột sunfat tẩy trắng
• 3.4. Ảnh hưởng của thời gian xử lý bằng enzym tới độ trắng của bột
• 3.5. Ảnh hưởng của xử lý bột sunfat bằng enzym tới tốc độ hoà tan lignin
• 3.6. Xác định mức giảm hoá chất tẩy trong quá trình tẩy trắng sử dụng enzyme
• 3.7. Ảnh hưởng của xử lý enzym tới hàm lượng pentozan trong bột giấy sunfat
• 3.8. Ảnh hưởng của enzym tới quá trình nghiền bột sunfat
• 3.9. Ảnh hưởng của enzym tới tính chất của bột giấy
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về enzyme xylanaza

Enzyme xylanaza là một loại enzyme quan trọng trong quá trình tẩy trắng bột giấy. Nó có khả năng phân hủy xylan, một thành phần chính trong lignin, giúp làm giảm lượng lignin trong bột giấy. Việc sử dụng enzyme xylanaza trong công nghiệp giấy không chỉ giúp tăng độ trắng của bột giấy mà còn giảm thiểu việc sử dụng hóa chất tẩy trắng truyền thống, từ đó giảm thiểu tác động đến môi trường trong sản xuất giấy. Theo nghiên cứu, enzyme xylanaza có thể hoạt động hiệu quả trong điều kiện nhiệt độ và pH tối ưu, giúp tối ưu hóa quy trình tẩy trắng. Sự kết hợp giữa enzyme và các phương pháp tẩy trắng truyền thống đã chứng minh được hiệu quả vượt trội trong việc cải thiện chất lượng bột giấy.

1.1. Tính chất của enzyme xylanaza

Enzyme xylanaza có nhiều tính chất nổi bật, bao gồm khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp và pH trung tính, điều này giúp tiết kiệm năng lượng trong quá trình sản xuất. Tính chất của enzyme này cho phép nó hoạt động hiệu quả trong môi trường sản xuất bột giấy, nơi mà điều kiện có thể không ổn định. Hơn nữa, enzyme xylanaza có khả năng phân hủy xylan mà không tạo ra sản phẩm phụ độc hại, điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho công nghệ tẩy trắng hiện đại. Việc sử dụng enzyme này không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn góp phần bảo vệ môi trường, giảm thiểu ô nhiễm từ các hóa chất tẩy trắng truyền thống.

II. Quy trình tẩy trắng bột giấy tại công ty giấy Bãi Bằng

Quy trình tẩy trắng bột giấy tại công ty giấy Bãi Bằng được thực hiện qua nhiều bước, trong đó có sự tham gia của enzyme xylanaza. Quy trình này bắt đầu bằng việc chuẩn bị bột giấy sunfat chưa tẩy trắng, sau đó tiến hành xử lý bằng enzyme xylanaza. Việc này không chỉ giúp tăng độ trắng mà còn giảm thiểu lượng hóa chất tẩy trắng cần thiết. Theo nghiên cứu, việc áp dụng enzyme trong quy trình tẩy trắng đã giúp giảm thiểu mức tiêu hao hóa chất tẩy, từ đó tiết kiệm chi phí sản xuất và giảm thiểu tác động đến môi trường. Quy trình này cũng được thiết kế để đảm bảo hiệu suất tối ưu, với các yếu tố như nồng độ enzyme, thời gian xử lý và nhiệt độ được điều chỉnh một cách hợp lý.

2.1. Ảnh hưởng của enzyme đến độ trắng của bột giấy

Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng enzyme xylanaza có ảnh hưởng tích cực đến độ trắng của bột giấy. Khi nồng độ enzyme tăng lên, độ trắng của bột giấy cũng tăng theo. Điều này chứng tỏ rằng enzyme xylanaza có khả năng phân hủy lignin hiệu quả, từ đó làm tăng độ sáng của sản phẩm cuối cùng. Hơn nữa, thời gian xử lý cũng là một yếu tố quan trọng, khi thời gian xử lý kéo dài, độ trắng của bột giấy cũng sẽ được cải thiện. Kết quả này không chỉ có ý nghĩa trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giúp công ty tiết kiệm chi phí và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

III. Ứng dụng enzyme trong công nghiệp giấy

Ứng dụng enzyme xylanaza trong công nghiệp giấy đang trở thành xu hướng mới, đặc biệt trong bối cảnh yêu cầu bảo vệ môi trường ngày càng cao. Việc sử dụng enzyme không chỉ giúp cải thiện chất lượng bột giấy mà còn giảm thiểu lượng hóa chất độc hại được sử dụng trong quy trình tẩy trắng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng enzyme xylanaza có thể thay thế một phần đáng kể lượng hóa chất tẩy trắng truyền thống, từ đó giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Hơn nữa, việc áp dụng công nghệ sinh học trong sản xuất bột giấy không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp này.

3.1. Lợi ích kinh tế và môi trường

Việc áp dụng enzyme xylanaza trong quy trình tẩy trắng bột giấy không chỉ mang lại lợi ích về mặt kinh tế mà còn có tác động tích cực đến môi trường. Giảm thiểu việc sử dụng hóa chất tẩy trắng truyền thống giúp giảm thiểu ô nhiễm nước và không khí, từ đó bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Hơn nữa, việc tiết kiệm chi phí sản xuất nhờ vào việc giảm lượng hóa chất sử dụng cũng giúp tăng cường khả năng cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường. Điều này cho thấy rằng việc nghiên cứu và ứng dụng enzyme trong công nghiệp giấy là một hướng đi đúng đắn, phù hợp với xu thế phát triển bền vững hiện nay.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp giấy đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế, đặc biệt tại Việt Nam, với mức tiêu thụ giấy bình quân đầu người năm 2008 đạt khoảng 22-23 kg, tương đương 1,98 triệu tấn giấy tiêu thụ trong nước. Dự báo đến năm 2020, mức tiêu thụ sẽ tăng lên khoảng 50 kg/người, tương đương 5 triệu tấn giấy mỗi năm. Nhà máy giấy Bãi Bằng là đơn vị sản xuất bột sunfat chủ lực với công suất 61.000 tấn/năm, sử dụng phương pháp nấu sunfat kết hợp tẩy trắng bằng clo và natri hypoclorit. Tuy nhiên, việc sử dụng hóa chất tẩy trắng truyền thống gây ra lượng nước thải lớn (khoảng 2500 m³/tấn bột) và khó khăn trong xử lý môi trường với chi phí cao.

Trong bối cảnh đó, ứng dụng enzyme trong tẩy trắng bột giấy được xem là giải pháp thân thiện môi trường, giúp giảm tiêu hao hóa chất tẩy và cải thiện chất lượng bột giấy. Enzyme xylanaza, một loại enzyme phân hủy hemixenluloza, đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới nhằm nâng cao hiệu quả tẩy trắng. Tuy nhiên, tại Việt Nam, nghiên cứu về ứng dụng enzyme trong tẩy trắng bột giấy còn hạn chế, đặc biệt với bột sunfat gỗ cứng nhiệt đới.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá hiệu quả xử lý bột giấy sunfat chưa tẩy trắng của nhà máy giấy Bãi Bằng bằng enzyme xylanaza trong quá trình tẩy trắng, đồng thời xác định ảnh hưởng của enzyme đến tính chất cơ lý của bột giấy. Nghiên cứu tập trung vào các yếu tố như mức dùng enzyme, thời gian xử lý, khả năng giảm hóa chất tẩy và biến đổi thành phần pentozan trong bột giấy. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong việc phát triển công nghệ tẩy trắng bột giấy thân thiện môi trường, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và bảo vệ môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Enzyme là chất xúc tác sinh học có cấu tạo từ protein, có khả năng tăng tốc độ phản ứng lên đến 10^8 – 10^11 lần so với phản ứng không xúc tác. Đặc điểm nổi bật của enzyme bao gồm tính đặc hiệu cao, hoạt động trong điều kiện ôn hòa (nhiệt độ 35-40°C, áp suất thường), không độc hại và thân thiện môi trường. Enzyme xylanaza thuộc nhóm hemixenlulaza, xúc tác thủy phân xylan thành các phân tử nhỏ hơn, làm lộ diện lignin liên kết với xylan, từ đó tăng hiệu quả tẩy trắng.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động enzyme gồm nồng độ enzyme, nồng độ cơ chất, chất kìm hãm, ion kim loại, pH, nhiệt độ và điều kiện bảo quản. Mỗi enzyme có pH và nhiệt độ tối ưu riêng, ví dụ xylanaza hoạt động tốt ở pH 7-8 và nhiệt độ 55-60°C. Enzyme có thể bị mất hoạt tính khi nhiệt độ vượt quá 70°C hoặc pH ngoài khoảng bền.

Trong công nghiệp giấy, enzyme xylanaza được sử dụng để giảm hàm lượng lignin còn sót lại trong bột giấy, giảm tiêu hao hóa chất tẩy trắng như clo, hydroperoxit, đồng thời cải thiện tính chất cơ lý của bột giấy. Các enzyme khác như laccaza và manganaza peroxidaza cũng được nghiên cứu để phân hủy lignin trực tiếp, nhưng hiệu quả thường kết hợp với enzyme xylanaza để tăng cường.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là bột giấy sunfat chưa tẩy trắng lấy từ nhà máy giấy Bãi Bằng, có trị số Kappa ban đầu 16,5 đv và độ trắng 38% ISO. Enzyme sử dụng là Pulpzyme HC của hãng Novozymes (Đan Mạch) với hoạt độ ban đầu 1000 U/g, sau bảo quản giảm còn 250 U/g.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm xử lý bột giấy bằng enzyme xylanaza trong điều kiện pH 7,8-8, nhiệt độ 55-57°C, nồng độ bột 10%, thời gian xử lý từ 30 đến 120 phút, mức dùng enzyme từ 0 đến 10 lít/tấn bột khô. Sau xử lý enzyme, bột được tẩy trắng theo sơ đồ X-H-P (xylanaza - hypoclorit - hydroperoxit) với các điều kiện tẩy trắng chuẩn: NaClO 5% (tính theo bột khô), nhiệt độ 55°C, thời gian 60 phút; H2O2 5%, NaOH 2,5%, nhiệt độ 70°C, thời gian 60 phút.

Các tính chất của bột giấy được xác định bao gồm độ trắng ISO, trị số Kappa, hàm lượng pentozan, độ bền kéo, độ bền xé, độ chịu bục và độ khô theo tiêu chuẩn ISO và TCVN. Phân tích hoạt độ enzyme được thực hiện tại phòng thí nghiệm Viện Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

Quá trình nghiên cứu được tiến hành trong vòng 12 tháng, bao gồm giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, xử lý enzyme, tẩy trắng, phân tích tính chất bột giấy và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hoạt độ enzyme giảm sau bảo quản: Hoạt độ enzyme Pulpzyme HC giảm từ 1000 U/g xuống còn 250 U/g sau gần 12 tháng bảo quản ở nhiệt độ dưới 10°C, ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý bột giấy.

2. Ảnh hưởng mức dùng enzyme đến độ trắng: Độ trắng của bột giấy tăng từ 65,5% ISO (không xử lý enzyme) lên 72,5% ISO khi mức dùng enzyme đạt 5-6 lít/tấn bột khô, tương đương tăng 7% ISO. Mức dùng enzyme tối ưu về kinh tế là khoảng 1,5-2 lít/tấn, khi đó độ trắng tăng đáng kể nhưng không gây lãng phí enzyme.

3. Ảnh hưởng thời gian xử lý enzyme: Thời gian xử lý enzyme 120 phút được chọn làm điều kiện chuẩn, cho hiệu quả tăng độ trắng ổn định. Thời gian xử lý ngắn hơn làm giảm hiệu quả, thời gian dài hơn không cải thiện đáng kể.

4. Giảm tiêu hao hóa chất tẩy trắng: Xử lý enzyme giúp giảm mức dùng NaClO và H2O2 trong các công đoạn tẩy trắng tiếp theo, góp phần giảm chi phí và ô nhiễm môi trường.

5. Ảnh hưởng đến tính chất cơ lý: Bột giấy xử lý enzyme có chỉ số xé tăng khoảng 5% so với bột không xử lý, trong khi độ chịu bục và độ chịu kéo giảm nhẹ dưới 6-8%, không ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng giấy thành phẩm.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả tăng độ trắng bột giấy sau xử lý enzyme xylanaza phù hợp với cơ chế enzyme thủy phân xylan, làm giảm liên kết lignin-hemixenluloza, tăng khả năng hòa tan lignin trong quá trình tẩy trắng. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu quốc tế, trong đó enzyme xylanaza giúp giảm trị số Kappa và tăng độ trắng từ 2-7% ISO tùy điều kiện.

Việc giảm tiêu hao hóa chất tẩy trắng không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn giảm lượng chất thải độc hại, góp phần bảo vệ môi trường. Tính chất cơ lý của bột giấy được duy trì hoặc cải thiện nhẹ, đảm bảo chất lượng giấy in viết.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa mức dùng enzyme và độ trắng, cũng như bảng so sánh tính chất cơ lý của bột giấy trước và sau xử lý enzyme. So sánh với các nghiên cứu khác cho thấy mức dùng enzyme và thời gian xử lý cần được tối ưu hóa phù hợp với đặc tính bột giấy và điều kiện sản xuất cụ thể.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng xử lý enzyme xylanaza trong công đoạn tẩy trắng sơ bộ: Khuyến nghị nhà máy giấy Bãi Bằng tích hợp công đoạn xử lý enzyme với mức dùng 1,5-2 lít/tấn bột khô, thời gian xử lý 120 phút, nhằm tăng độ trắng và giảm tiêu hao hóa chất tẩy.

2. Tối ưu hóa điều kiện bảo quản enzyme: Đề xuất cải thiện điều kiện bảo quản enzyme (nhiệt độ dưới 10°C, tránh ánh sáng và oxy hóa) để duy trì hoạt độ enzyme trên 250 U/g trong thời gian dài, đảm bảo hiệu quả xử lý ổn định.

3. Giám sát và điều chỉnh quy trình tẩy trắng: Thường xuyên theo dõi trị số Kappa, độ trắng và tính chất cơ lý của bột giấy để điều chỉnh mức dùng enzyme và hóa chất tẩy phù hợp, đảm bảo chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế.

4. Đào tạo nhân viên và nâng cao nhận thức: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ enzyme và quy trình tẩy trắng thân thiện môi trường cho cán bộ kỹ thuật và công nhân vận hành, nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng công nghệ mới.

5. Nghiên cứu mở rộng và ứng dụng enzyme khác: Khuyến khích nghiên cứu kết hợp enzyme xylanaza với các enzyme phân hủy lignin như laccaza để tăng hiệu quả tẩy trắng, đồng thời khảo sát ứng dụng enzyme trong các công đoạn khác của sản xuất giấy.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và kỹ sư công nghệ tại nhà máy giấy: Giúp hiểu rõ về ứng dụng enzyme trong tẩy trắng bột giấy, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm chi phí và cải thiện chất lượng sản phẩm.

2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ giấy và enzyme: Cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về enzyme xylanaza, phương pháp xử lý và đánh giá tính chất bột giấy, phục vụ cho các nghiên cứu tiếp theo.

3. Các doanh nghiệp sản xuất enzyme và thiết bị công nghiệp giấy: Tham khảo để phát triển sản phẩm enzyme phù hợp với đặc điểm bột giấy Việt Nam, đồng thời thiết kế thiết bị xử lý enzyme hiệu quả.

4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách công nghiệp: Hiểu rõ lợi ích của công nghệ enzyme trong giảm ô nhiễm môi trường ngành giấy, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ xanh.

Câu hỏi thường gặp

1. Enzyme xylanaza có tác dụng gì trong tẩy trắng bột giấy?
   Xylanaza thủy phân hemixenluloza (xylan) trong bột giấy, làm giảm liên kết giữa xylan và lignin, giúp lignin dễ dàng bị loại bỏ trong quá trình tẩy trắng, nâng cao độ trắng và giảm tiêu hao hóa chất.

2. Mức dùng enzyme tối ưu là bao nhiêu?
   Nghiên cứu cho thấy mức dùng enzyme khoảng 1,5-2 lít/tấn bột khô là hợp lý, giúp tăng độ trắng đáng kể mà không gây lãng phí enzyme.

3. Thời gian xử lý enzyme ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả?
   Thời gian xử lý 120 phút được xác định là tối ưu, đủ để enzyme tác động hiệu quả lên bột giấy; thời gian ngắn hơn làm giảm hiệu quả, thời gian dài hơn không cải thiện đáng kể.

4. Xử lý enzyme có ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của bột giấy không?
   Xử lý enzyme làm tăng chỉ số xé khoảng 5%, trong khi độ chịu bục và độ chịu kéo giảm nhẹ dưới 6-8%, không ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng giấy.

5. Làm thế nào để bảo quản enzyme hiệu quả?
   Enzyme cần được bảo quản ở nhiệt độ dưới 10°C, tránh ánh sáng và oxy hóa để duy trì hoạt độ lâu dài, đảm bảo hiệu quả xử lý bột giấy.

Kết luận

• Xử lý bột giấy sunfat bằng enzyme xylanaza Pulpzyme HC giúp tăng độ trắng bột giấy lên đến 7% ISO so với không xử lý enzyme.
• Mức dùng enzyme tối ưu về kinh tế là 1,5-2 lít/tấn bột khô với thời gian xử lý 120 phút.
• Enzyme giúp giảm tiêu hao hóa chất tẩy trắng, góp phần bảo vệ môi trường và giảm chi phí sản xuất.
• Tính chất cơ lý của bột giấy được duy trì hoặc cải thiện nhẹ, đảm bảo chất lượng giấy thành phẩm.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ tẩy trắng thân thiện môi trường cho ngành công nghiệp giấy Việt Nam, đề xuất áp dụng trong sản xuất thực tế và nghiên cứu mở rộng các enzyme khác.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm quy mô công nghiệp tại nhà máy giấy Bãi Bằng để đánh giá hiệu quả thực tế và tối ưu hóa quy trình. Các đơn vị sản xuất và nghiên cứu được khuyến khích phối hợp phát triển công nghệ enzyme nhằm nâng cao năng lực cạnh tranh và bảo vệ môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG ENZYME TRONG SẢN XUẤT BỘT GIẤY 1. Khái quát về enzyme và một số tính chất của chúng Enzyme là các chất xúc tác sinh học cấu tạo từ các phân tử protein, có khả năng hòa tan trong nước và dung dịch muối loãng, phân tử lượng lớn 20.[5] So với các chất xúc tác hoá học, enzyme có những tính chất ưu việt hơn hẳn: - Cường lực xúc tác lớn: trong điều kiện thích hợp các enzyme có khả năng tăng tốc độ của các phản ứng nhanh gấp 108 – 1011 lần so với khi không có xúc tác; - Tính đặc hiệu cao: mỗi enzyme chỉ chuyển hoá một hoặc một số cơ chất nhất định theo một kiểu phản ứng nhất định, do đó không tạo sản phẩm phụ; - Tác dụng trong điều kiện ôn hòa: đa số các enzyme hoạt động ở nhiệt độ 35oC– 40oC, áp suất thường, nồng độ không cần quá cao. Do vậy không đòi hỏi các thiết bị chịu nhiệt, chịu áp… - Không độc hại đối với sức khỏe con người, thân thiện với môi trường; - Dễ kiếm, rẻ tiền. Enzyme có thể thu được từ nhiều nguồn động vật, thực vật, vi sinh vật… Đặc biệt vi sinh vật là nguyên liệu tốt nhất vì có tốc độ sinh trưởng, phát triển nhanh trên các môi trường không đắt tiền.

Hơn nữa, ta có thể chủ động điều khiển quá trình sinh tổng hợp enzyme nhằm nâng cao hàm lượng enzyme trong tế bào một cách dễ dàng. Các loại enzyme sử dụng 14 trong công nghiệp rất đa dạng. Mỗi một ngành lại có sự đặc thù nhất định.Với những ưu điểm vượt trội các chế phẩm enzyme được sản xuất ngày càng nhiều và được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế. Enzyme đã góp phần thay đổi và môi trường… đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội.

Hàng năm lượng enzyme nâng cao một số quá trình công nghệ trong chế biến thực phẩm, nông nghiệp, y tế, được sản xuất ra trên thế giới đạt khoảng trên 300.000 tấn với trị giá trên 500 triệu USD được phân bố trong các lĩnh vực khác nhau.[1] Cơ chế tác dụng của enzyme lên các chủ thể được phản ánh tương đối đầy đủ và sâu rộng trong nhiều tài liệu. Có thể tóm tắt cơ chế xúc tác các phản ứng biến đổi các chủ thể như sau:[2] Khi enzyme tác dụng với cơ chất, tạo thành một hợp chất dạng phức, trong đó enzym tham gia vào các phản ứng biến đổi phức này thành sản phẩm và giải phóng enzyme tự do: E+S ES P+E Một phản ứng như vậy diễn ra qua 3 giai đoạn: - Giai đoạn thứ nhất: Enzyme tác dụng với cơ chất bằng liên kết yếu tạo thành phức enzyme - cơ chất (ES) không bền. Phản ứng này diễn ra rất nhanh và đòi hỏi năng lượng hoạt hóa thấp. Liên kết chủ yếu được tạo thành giữa E và S trong phức ES là liên kết tương tác tĩnh điện, liên kết hidro, tương tác Vander waal.

- Giai đoạn thứ hai: Sảy ra sự biến đổi cơ chất dẫn tới sự kéo căng và phá vỡ các liên kết đồng hóa trị. - Giai đoạn thứ ba: Sản phẩm được tạo thành, còn enzyme được giải phóng ra dưới dạng tự do, nguyên dạng. Đây là một quá trình tương đối phức tạp, chịu ảnh hưởng của nhiều yếu 15 tố hóa - lý học. Các yếu tố ảnh hưởng đến các quá trình được xúc tác bởi enzyme [1]: 1.

Ảnh hưởng của nồng độ enzyme: Trong điều kiện thừa cơ chất, tốc độ phản ứng phụ thuộc tuyến tính vào [E]: v= k.[E] Trong đó: v- vận tốc phản ứng. Trường hợp khi nồng độ enzyme quá lớn thì tốc độ phản ứng có thể bị chậm lại.1: Sự phụ thuộc vận tốc phản ứng vào nồng độ enzyme 1. Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất: Cả Henri (1903), Michaelis & Menten (1913) đều đã đưa ra phương trình biểu diễn mối liên hệ giữa vận tốc phản ứng và nồng độ cơ chất ([S]) giống nhau, tuy nhiên Henri nhấn mạnh tầm quan trọng của vận tốc (V), còn Michaelis & Menten lại nhấn mạnh tầm quan trọng của vận tốc ban đầu (V0) của phản ứng, theo đó: 16 V [S ] k vo = ; K s = −1 K s + [S ] k1 Hình 1.2 Biến thiên vận tốc phản ứng theo nồng độ cơ chất. Ảnh hưởng của chất kìm hãm (inhibitor): Các chất kìm hãm (I) hay chất ức chế là những chất làm giảm tốc độ phản ứng do enzyme xúc tác.

Về bản chất, chúng là các ion, các chất vô cơ, chất hữu cơ hoặc có thể là cơ chất hay sản phẩm của phản ứng (E). Về tác dụng, chất ức chế thường đặc hiệu hoặc không đặc hiệu. Chúng có khả năng kìm hãm thuận nghịch hoặc không thuận nghịch (inactivator). Khi có mặt các chất kìm hãm thuận nghịch, chúng kìm hãm enzyme bằng cách kết hơp với nó và làm ảnh hưởng đến sự kết hợp của E & S, tức là ảnh hưởng đến hoạt độ phân tử của nó.

17 Các chất kìm hãm có thể tác dụng theo nhiều kiểu: Cạnh tranh ( một phần hay toàn phần); Không cạnh tranh; 1. Ảnh hưởng của các ion kim loại: Các ion kim loại có thể kìm hãm hoặc kích hoạt quá trình xúc tác của enzyme. Tác dụng của ion kim loại phụ thuộc nhiều vào nồng độ của chúng. Giới hạn nồng độ là khác nhau đối với từng loại ion riêng biệt.

Tác dụng của ion kim loại có mối quan hệ qua lại giữa enzym và cơ chất. Tác dụng kích hoạt của ion kim loại có tính đặc hiệu, mỗi ion kim loại thường kích hoạt một loại enzyme xúc tác cho 1 kiểu phản ứng nhất định và cũng thay đổi tùy dạng ion. Ví dụ: Mg2+ hoạt hóa các enzyme mà cơ chất được phosphoryl hóa như pyrophosphatase (cơ chất là pyrophosphate), adenosintriphosphatase (cơ chất là ATP). Các cation kim loại có thể có tính đặc hiệu, tính đối kháng và tác dụng còn tuỳ thuộc vào nồng độ.

Tính chất hoạt hóa của các cation kim loại: - Mỗi cation kim loại hoạt hóa cho một kiểu phản ứng nhất định. - Cation kim loại có tính đặc hiệu tương đối hay tuyệt đối. - Cation kim loại có thể có sự đối kháng ion. - Phụ thuộc nồng độ cation kim loại.

- Cation kim loại làm thay đổi pH tối thích. - Phụ thuộc bản chất cation kim loại. Ảnh hưởng của pH đến độ bền của enzyme: Sự phân li khác nhau của một phân tử protein ở các giá trị pH khác nhau làm thay đổi tính chất của trung tâm liên kết cơ chất và hoạt động ở phân tử phân tử enzyme, dẩn đến giá trị xúc tác khác nhau phụ thuộc vào giá trị pH. 18 Như đã biết mỗi enzyme có một pH tối thích, mỗi enzyme có đường biểu diễn ảnh hưởng pH lên vận tốc của phản ứng do enzyme xúc tác có dạng như hình 1.

Độ bền của enzyme cũng phụ thuộc vào trạng thái ion hoá của phân tử, phần lớn các enzyme bền trong khoảng 5<pH<9.3 : Ảnh hưởng của pH đến độ bền của enzyme Bản chất hoá học (thành phần hóa học) của dung dịch đệm cũng ảnh hưởng tới độ bền, hoạt độ của enzyme. Ảnh hưởng của nhiệt độ: Vận tốc phản ứng do enzyme xúc tác chỉ tăng lên khi tăng nhiệt độ trong một giới hạn nhất định, chưa ảnh hưởng tới cấu trúc của enzyme. Đại lương đặc trưng cho ảnh hưởng của nhiệt độ đến vận tốc phản ứng là hằng số Q10: 19 k t +10 Q10 = kt. Hệ số này càng lớn thì phản ứng càng khó xảy ra.

Ở nhiệt độ thường và trong đại đa số các phản ứng của enzyme thì Q10 thường có giá trị là 2. Nhiệt độ hoạt động thích hợp topt của nhiều enzyme vào khoảng 40÷50oC. Trên 50oC hoạt độ thường bị giảm mạnh do làm hỏng cấu trúc phân tử enzyme. Topt của một số vi sinh vật và enzyme có nguốn gốc thưc vật thường cao hơn.

Topt của một enzyme chỉ có nghĩa khi ở điều kiện đó enzyme có hoạt độ cao nhất.4 : Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt độ của enzyme Đối với phản ứng do enzyme xúc tác cũng có thể áp dụng được quy luật này nhưng chỉ trong một phạm vi nhất định. Do bản chất enzyme là protein 20 nên khi tăng nhiệt độ lên trên 40-50 0C sẽ xảy ra quá trình phá hủy chất xúc tác. Ngoài khoảng nhiệt độ thích hợp, tốc độ phản ứng do enzyme xúc tác sẽ giảm. Nhờ có sự tồn tại nhiệt độ tối ưu đối với enzyme mà người ta phân biệt được phản ứng hóa sinh với các phản ứng vô cơ thông thường.

Mỗi enzyme có một nhiệt độ thích hợp khác nhau, phần lớn phụ thuộc vào nguồn cung cấp enzyme, thông thường ở trong khoảng từ 40-60 0C. Cũng có enzyme có nhiệt độ thích hợp rất cao như enzyme của những chủng ưa nhiệt. Ảnh hưởng của điều kiện bảo quản đến độ bền của enzyme Ở khoảng 70oC thì phần lớn enzyme bị mất hoàn toàn hoạt tính, gọi là nhiệt độ tới hạn. Trong khoảng tới hạn enzyme bị biến tính hiếm khi hồi phục lại được.

Ngoài ra còn nhiều yếu tố khác như áp suất cao, sự thay đổi mạnh pH của môi trường, phóng xạ,. Chính vì vậy điều kiện bảo quản enzyme khi sử dụng là yếu tố rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp tới mức tiêu hao enzyme cho phản ứng. Các yếu tố khác - Ánh sáng: Có ảnh hưởng khác nhau đến từng loại enzyme, các bước sóng khác nhau có ảnh hưởng khác nhau, thường ánh sáng trắng có tác động mạnh nhất, ánh sáng đỏ có tác động yếu nhất. Ánh sáng vùng tử ngoại cũng có thể gây nên những bất lợi, enzyme ở trạng thái dung dịch bền hơn khi được kết tinh ở dạng tinh thể, nồng độ enzyme trong dung dịch càng thấp.

càng kém bền, tác động của tia tử ngoại sẽ tăng lên khi nhiệt độ. Ví dụ: dưới tác động của tia tử ngoại ở nhiệt độ cao, enzyme amylase nhanh chóng mất hoạt tính. - Sự chiếu điện: Điện chiếu với cường độ càng cao thì tác động phá hủy càng mạnh. Tác động sẽ mạnh hơn đối với dịch enzyme có nồng độ thấp.

Có thể do tạo thành những gốc tự do, từ đó tấn công vào phản ứng enzyme. 21 - Sóng siêu âm: Tác động rất khác nhau đối với từng loại enzyme, có enzyme bị mất hoạt tính, có enzyme lại không chịu ảnh hưởng. Độ bền phụ thuộc vào trang thái của tồn tại enzyme, càng tinh khiết thì enzyme càng kém bền, dịch càng loãngng thì độ bền càng kém 1. Các phương pháp xác định hoạt độ của enzyme[3].

Phân tích liên tục: là phương pháp đo cơ chất bị biến đổi hay sản phẩm tạo thành một cách liên tục theo thời gian. Tuy nhiên yêu cầu đối với thiết bị đo là phải có bộ phận ổn định nhiệt.