Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính ellulase của các chủng vi khuẩn phân lập từ nước thải nhà máy giấy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT MỘT SỐ YẾU TỐ
ẢNH HƯỞNG ĐẾN HOẠT TÍNH CELLULASE CỦA CÁC
CHỦNG VI KHUẨN PHÂN LẬP TỪ NƯỚC THẢI
NHÀ MÁY GIẤY

Ngành

: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Giảng viên hướng dẫn : CN. Nguyễn Hoàng Mỹ
Sinh viên thực hiện

: Bùi Thị Trang

MSSV: 107111189

: Lớp: 07DSH4

TP. Hồ Chí Minh, 2011


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MỤC LỤC

Nội dung

Trang

Mục lục ............................................................................................................................ i
Danh mục các chữ viết tắt ............................................................................................. .iii
Danh mục các bảng .........................................................................................................iv
Danh mục hình ảnh .......................................................................................................... v
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................vi
Chƣơng 1. TỔNG QUAN .............................................................................................. 3
1.1

Tổng quan về công nghiệp sản xuất giấy ........................................................... 3

1.1.1

Giới thiệu ..................................................................................................... 3

1.1.2

Công nghệ sản xuất bột giấy ........................................................................ 4

1.1.3

Công nghệ sản xuất giấy .............................................................................. 6

1.2

Tổng quan về nước thải nhà máy giấy ............................................................... 7

1.2.1

Giới thiệu về nước thải nhà máy giấy .......................................................... 7

1.2.2

Thành phần tính chất ................................................................................... 7

1.2.3

Ảnh hưởng của nước thải nhà máy giấy .................................................... 10

1.2.4 Phương pháp xử lý nước thải ........................................................................ 11
1.3

Tổng quan về cellulose ..................................................................................... 13

1.3.1

Thành phần cấu tạo .................................................................................... 13

1.3.2

Tính chất .................................................................................................... 15

1.3.3

Enzyme cellulase ....................................................................................... 16

1.3.4

Cơ chế phân hủy ........................................................................................ 18

1.4

Tổng quan về vi sinh vật phân hủy cellulose ................................................... 21

1.4.1

Giới thiệu chung ........................................................................................ 21

1.4.2

Vi khuẩn ..................................................................................................... 22

1.4.3

Xạ khuẩn ................................................................................................... 22
i

SVTH: BÙI THỊ TRANG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1.4.4

Nấm mốc .................................................................................................... 26

1.5 Ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến khả năng sinh tổng hợp enzyme

cellulase của vi khuẩn ................................................................................................ 27
1.6

Các nghiên cứu liên quan ở Việt Nam và trên thế giới .................................... 31

1.6.1

Trên thế giới ............................................................................................... 31

1.6.2

Ở Việt Nam ................................................................................................ 31

Chƣơng 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP ........................................................... 34
2.1 Thời gian và địa điểm ........................................................................................... 34
2.2 Vật liệu ................................................................................................................ 34
2.2.1 Đối tượng ....................................................................................................... 34
2.2.2 Cơ chất ........................................................................................................... 34
2.3

Thiết bị và hóa chất .......................................................................................... 34

2.3.1

Thiết bị ....................................................................................................... 34

2.3.2

Hóa chất ..................................................................................................... 35

2.4

Các phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 35

2.4.1

Phương pháp tuyển chọn chủng vi sinh vật ............................................... 35

2.4.2 Phương pháp xác định hoạt tính enzyme carboxymethyl cellulase
(CMCase) ................................................................................................................ 38
2.4.1 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sinh tổng hợp enzyme
cellulase của các chủng vi khuẩn ............................................................................ 42
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................................. 44
3.1

Kết quả tuyển chọn chủng vi khuẩn ................................................................. 44

3.1.1

Kết quả tuyển chọn trên môi trường A ...................................................... 44

3.1.2

Kết quả xác định hình thái ......................................................................... 44

3.2

Kết quả khảo sát theo thời gian ........................................................................ 47

3.2.1

Kết quả hoạt tính cellulase ......................................................................... 47

3.2.2

Kết quả xác định mật độ tế bào ................................................................. 51

3.3

Khả năng sinh tổng hợp enzyme cellulase theo pH ......................................... 53

ii
SVTH: BÙI THỊ TRANG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

3.4

Khả năng sinh tổng hợp enzyme cellulase theo nồng độ CMC ....................... 56

3.4.1

Xác định hoạt tính theo nồng độ CMC ...................................................... 56

3.4.2

Xác định đường kính vòng phân giải theo nồng độ CMC ......................... 59

iii

SVTH: BÙI THỊ TRANG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BOD

: Biochemical oxygen Demand

COD

: Chemical Oxygen Demand

CMCase

: Carboxymethyl cellulase

CMC

: Carboxymethyl cellulose

CBH hay C1

: Cellobiohydrolase hay Exoglucanase

DNS

: Acid 2-hydroxy-3,5-dinitrobenzoic

Dal

: Dalton

ĐC

: Đối chứng

EG hay Cx

: Endoglucanase

IU

: International Unit, đơn vị quốc tế.

OD

: Optical Density

TN

: Thí nghiệm

UV

: Ultraviolet

iv

SVTH: BÙI THỊ TRANG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Các thông số của nguồn nước thải nhà máy giấy .................................. 10
Bảng 1.2. Thành phần và số lượng vi sinh vật trên một số loại đất chính ............ 25
Bảng 2.1 Thành phần môi trường nuôi cấy vi khuẩn ............................................ 35
Bảng 2.2 Dựng đường chuẩn gluose ..................................................................... 40
Bảng 2.3. Xác định hoạt tính enzyme Carboxymethyl cellulase........................... 41
Bảng 3.1. Hình thái đại thể và hình thái vi thể của 10 chủng vi khuẩn. ................ 45
Bảng 3.2. Hoạt tính cellulase của 10 chủng theo thời gian ................................... 48
Bảng 3.3 Hoạt tính và mật độ tế bào của các chủng vi khuẩn............................... 51
Bảng 3.4. Hoạt tính enzyme cellulase theo từng pH khác nhau. ........................... 53
Bảng 3.5. Hoạt tính enzyme cellulase theo từng nồng độ CMC ........................... 56
Bảng 3.6. Đường kính vòng phân hủy cellulose theo từng nồng độ CMC. .......... 59

v
SVTH: BÙI THỊ TRANG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Công nghệ sản xuất bột giấy. ......................................................................4
Hình 1.2 Công nghệ sản xuất giấy..............................................................................6
Hình 1.3. Công nghệ xử lý nước thải nhà máy giấy. .................................................. 12
Hình 1.4 Công thức hóa học của cellulose .................................................................14
Hình 1.5 Endoglucanase .............................................................................................16

Hình 1.6 Exoglucanase ...............................................................................................17
Hình 1.7 β-glucosidase ...............................................................................................17
Hình 1.8 Cơ chế thủy phân cellulose ..........................................................................19
Hình 1.9.Sơ đồ cấu trúc cellulose và các vi trí cắt của enzyme exoglucanase,
endoglucanase và β-glucosidase .................................................................................20
Hình 1.10 Cơ chế thủy phân phân tử cellulose và phức hệ cellulose của các enzyme
thuộc phức hệ cellulase. ..............................................................................................21
Hình 1.11 Vi khuẩn Bacillus subtilis..........................................................................22
Hình 1.12 Xạ khuẩn Streptomyces ............................................................................23
Hình 1.13 Nấm Trichoderma .....................................................................................26
Hình 2.1 Công thức cấu tạo của CMC .......................................................................34
Hình 2.2 Quy trình tuyển chọn chủng vi khuẩn. ........................................................36
Hình 2.3 Quy trình khảo sát các yếu tố môi trường lên hoạt tính enzyme của các chủng
vi khuẩn. ......................................................................................................................42
Hình 3.1. Hình ảnh vi thể của 10 chủng vi khuẩn sau khi nhuộm Gram ...................46
Hình 3.2 Xác định hoạt tính enzyme cellulase theo Miller ........................................47
Hình 3.3 Khả năng sinh tổng hợp enzyme cellulase theo thời gian. ..........................49
Hình 3.4 Mật độ tế bào của các chủng vi khuẩn. .......................................................52
Hình 3.5 Khả năng sinh tổng hợp enzyme cellulase theo pH. ................................... 54
Hình 3.6 Khả năng sinh tổng hợp enzyme cellulase cơ chất. .....................................57

vi
SVTH: BÙI THỊ TRANG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 3.7 Một số hình ảnh đường kính vòng phân hủy của các chủng vi khuẩn. .......60

vii

SVTH: BÙI THỊ TRANG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI MỞ ĐẦU
Cellulose là một thành phần quan trọng cấu tạo nên lớp thành tế bào thực vật. Đó
là một loại polysaccharide có cấu trúc phức tạp. Việc phân hủy cellulose bằng các tác
nhân lý hóa gặp nhiều khó khăn, làm ảnh hưởng đến tốc độ của nhiều quá trình sản
xuất công nghiệp.
Cellulase là enzyme đa cấu tử gồm: exoglucanase hay C1, endoglucanase hay
Cx và β-glucosidase, có khả năng hoạt động phối hợp để thủy phân cellulose thành
glucose. Cellulase được ứng dụng trong nông nghiệp để chế biến thức ăn chăn nuôi;
trong công nghiệp thực phẩm để chế biến thực phẩm, trong quá trình trích ly các chất
từ thực vật, ngày nay người ta còn ứng dụng cellulase vào xử lý môi trường.
Vấn đề môi sinh ngày càng trở nên trầm trọng trên phạm vi toàn cầu. Ở Việt
Nam, lượng chất thải của các nhà máy thải ra ngoài môi trường ngày càng lớn, nguy cơ
ô nhiễm môi trường ở nhiều nơi là rất cao. Việc sử dụng biện pháp sinh học trong xử lý
nước thải đã và đang mang lại nhiều giá trị to lớn. Tuy nhiên, việc sử dụng các vi sinh
vật có sẵn trong tự nhiên để xử lý nước thải, thời gian thường kéo dài gây nên tình
trạng ô nhiễm môi trường, tốn nhiều diện tích và công sức. Để xử lý triệt để hơn, giảm
giá thành và thời gian xử lý, ngoài việc tạo điều kiện thích hợp cho vi sinh vật phát
triển tốt thì việc tuyển chọn các vi sinh vật có khả năng sinh trưởng nhanh, hoạt tính
phân giải mạnh, chịu được nhiệt độ cao để bổ sung vào nước thải là một trong những
hướng nghiên cứu đã và đang được nhiều nhà khoa học quan tâm.
Công nghiệp sản xuất giấy là một ngành công nghiệp chiếm vị trí quan trọng
trong xã hội. Giấy đáp ứng được những nhu cầu thiết yếu trong cuộc sống của con
người. Tuy nhiên, hằng năm nguồn nước thải do ngành công nghiệp này thải ra không
qua xử lý đã ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường. Trong nguồn nước thải này có sự
hiện diện của lignin, cellulose… là các chất hữu cơ khó phân hủy.

1
SVTH: BÙI THỊ TRANG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đối với nước thải nhà máy giấy, người ta đã áp dụng nhiều phương pháp xử lý
như vật lý, hóa học...nhưng vẫn chưa phân hủy hoàn toàn lượng cellulose hiện diện
trong nguồn nước thải này. Vì vậy, các biện pháp sinh học với việc ứng dụng enzyme
cellulase do vi khuẩn sinh tổng hợp để xử lý nguồn nước thải là một vấn đề cấp thiết.
Xuất phát từ những lý do trên và tình hình nghiên cứu tại Việt Nam, chúng tôi
đã tiến hành thực hiện đề tài: “Khảo sát một số yếu tố ảnh hƣởng đến hoạt tính
cellulase của các chủng vi khuẩn phân lập từ nƣớc thải nhà máy giấy” với các mục
tiêu:
1. Tuyển chọn các chủng vi khuẩn sinh tổng hợp hoạt tính enzyme celullase cao.
2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính cellulase của các chủng vi khuẩn
đã tuyển chọn.

2
SVTH: BÙI THỊ TRANG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về công nghiệp sản xuất giấy
1.1.1 Giới thiệu
Công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy chiếm một vị trí rất quan trọng trong nền
kinh tế nước ta. Công nghiệp giấy phát triển cùng với sự phát triển của kinh tế xã hội,

nhu cầu về các sản phẩm giấy ngày càng tăng, thu hút nhiều lao động tham gia cũng
như kéo theo sự phát triển của một số ngành liên quan như: lâm nghiệp, xuất nhập
khẩu, vận tải,…Chính vì vậy, ngành công nghiệp này không thể thiếu được trong đời
sống của người dân.
Công nghiệp sản xuất giấy ra đời vừa đáp ứng được nhu cầu trong nước vừa giải
quyết việc làm cho bộ phận đáng kể nhân dân. Giấy đáp ứng các nhu cầu bức thiết
trong cuộc sống của con người để phục vụ nhiều mục đích khác nhau như: giấy viết,
giấy in, giấy bao bì, vàng mã, giấy sinh hoạt... Giấy và bột giấy được sản xuất từ
nguyên liệu thô chính là gỗ, tre, nứa, lồ ô, giấy tái sinh. Tuy nhiên, hằng năm lượng
nước thải do ngành công nghiệp này thải ra mà không qua xử lý đã ảnh hưởng trực tiếp
đến môi trường nước. Độc tính của các dòng nước thải từ các nhà máy sản xuất bột
giấy và giấy là do sự hiện diện một hỗn hợp phức tạp các dịch chiết trong thân cây bao
gồm: nhựa cây, các acid béo, ligno-cellulose…Ligno-cellulose là thành phần cấu trúc
chính của cây gỗ và cây thân mềm (cỏ, rơm rạ) gồm cellulose, hemicellulose, lignin.
Mà thành phần chủ yếu cấu tạo nên vách tế bào thực vật là cellulose . Cellulose chiếm
đến 89% trong bông và 40-50% trong gỗ.[1,11,14]
Hiện nay, có khoảng 90 nhà máy giấy hoạt động trong cả nước, sản lượng giấy
các tỉnh phía Nam gần 90000 tấn/năm, trong đó Thành phố Hồ Chí Minh chiếm hơn
12000 tấn/năm. Tổng sản lượng bột giấy ở miền Nam đạt đến 92500 tấn/năm, trong đó
Tp Hồ Chí Minh chiếm hơn 18000 tấn/năm. [11]

3
SVTH: BÙI THỊ TRANG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Công nghệ sản xuất giấy có thể chia làm 2 giai đoạn: sản xuất bột giấy và xeo
giấy.
1.1.2 Công nghệ sản xuất bột giấy

Bột giấy được sản xuất từ những nguyên liệu thô như: tre, nứa, gỗ…Thành phần
và nồng độ chất thải từ quá trình sản xuất bột giấy lớn hơn rất nhiều so với giai đoạn
xeo giấy.
 Quy trình công nghệ:
Nguyên liệu thô
( lồ ô, gỗ, dăm)
Nước, NaOH

Dịch đen
Chặt, băm nhỏ thành dăm
Nước thải rửa nấu

Nước

Nấu

Nước, bột giấy
Rửa
Nước
Nghiền nhão
Nước thải rửa
Khuấy trộn, rửa
Nước thải
Tách nước

Bột giấy thành phẩm
Hình 1.1 Công nghệ sản xuất bột giấy.
(Nguồn: Nguyễn Đức Ban, xử lý nước thải nhà máy giấy)

4

SVTH: BÙI THỊ TRANG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

 Thuyết minh quy trình:
 Nghiền bột
 Nghiền bột từ sợi tái chế
Máy nghiền bột cơ học được sử dụng để nghiền giấy, trộn nước và chuyển hóa
thành một hỗn hợp đồng nhất. Các chất nhiễm bẩn nặng như cát, sỏi,…được thải bỏ khi
chảy lơ lửng trong hệ thống máng. Tại đây các chất nặng sẽ lắng xuống và lấy ra khỏi
hệ thống theo định kỳ. Sợi được phân loại riêng dưới dạng huyền phù nhẹ, sau đó được
chảy qua một loạt các sàng lọc có lớp tấm đục lỗ. Ở đây các chất nhiễm bẩn nhẹ hơn,
nhưng lớn hơn sợi sẽ bị loại ra. Ở công đoạn này, phải sử dụng một máy lọc tinh cơ
học hoặc khử mảnh vụn nhằm đảm bảo sao cho các sợi tách rời nhau và có thể tạo ra
đủ độ bền liên kết giữa các sợi trong giấy. Cách sản xuất này rất phù hợp trong việc sản
xuất các loại bao gói.
 Nghiền bột cơ học
Trong nghiền bột cơ học, các sợi chủ yếu bị tách rời nhau do lực cơ học trong
máy nghiền hoặc trong thiết bị tinh chế. Quy trình công nghệ nguyên thủy là gia công
gỗ tròn bằng đá – gỗ được ép bằng đá nghiền quay tròn. Công nghệ này làm ra bột giấy
có độ dai tương đối thấp. Ở các máy tinh chế và các máy nghiền áp lực sản phẩm cho
độ dai tốt hơn.
 Nghiền bột hóa học và bán hóa học
Trong nghiền bột hóa học và bán hóa học, nguyên liệu sợi được xử lý với hóa
chất ở nhiệt độ và áp lực cao. Mục đích của quá trình này là nhằm hòa tan hoặc làm
mềm thành phần chính của chất lignin liên kết các sợi trong nguyên liệu với nhau, đồng
thời lại gây ra sự phá hủy càng ít càng tốt đối với thành phần cellulose.


Sau khi chưng cất, hóa chất chuẩn bị cho quá trình tạo bột giấy được chuyển

vào và đóng nắp lại. Ở đó những chất thải dịch đen sẽ xả bỏ bởi những ống tháo nước.
Bột giấy được cô cạn sau đó rửa, nước rửa này có thể xả bỏ, tái sử dụng hay cho quay
trở lại quá trình phân tách tái tạo ban đầu. Trong đó quá trình rửa bột giấy, do đi qua
5
SVTH: BÙI THỊ TRANG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

các máy lọc sạch nên những mác gỗ và các chất không bị phân hủy sẽ bị loại bỏ. Sau
đó được dẫn vào bộ phận khử nước bao gồm một lưới chắn hình trụ xoay quanh đường
dẫn bột giấy vào. Sau khi khử nước hỗn hợp được chuyển sang bể tẩy trắng, ở đây hỗn
hợp được xáo trộn trong nước ấm hòa tan dung dịch canxi hypochlorite (Ca(OCl)2) hay
hydrogen peroxide (H2O2). Sản phẩn sau quá trình này là sản phẩm bột giấy có thể bán
hay tái tạo trong công nghệ làm giấy.[11]
1.1.3 Công nghệ sản xuất giấy
Giai đoạn làm giấy là giai đoạn tiếp theo của giai đoạn làm bột giấy, sản phẩm
của giai đoạn này là bột giấy. Bột giấy được nghiền và phối liệu theo sơ đồ sau:


Quy trình công nghệ:
Nguyên liệu thô
( giấy vụn và bột giấy)
Nước
Hòa trộn
Nghiền tinh
Lắng lọc
Phèn, nhựa thông,

màu

Phối liệu

Nước thải

Cán ép (tạo hình giấy)
Xeo giấy
Cắt cuộn

Thành phẩm
Hình 1.2 Công nghệ sản xuất giấy
(Nguồn: Nguyễn Đức Ban, xử lý nước thải nhà máy giấy)

6
SVTH: BÙI THỊ TRANG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

 Thuyết minh quy trình:
Quá trình làm giấy bao gồm trước tiên là sự chọn lựa sự xáo trộn thích hợp của
bột giấy (gỗ, vỏ cây, rơm…). Hỗn hợp bột giấy bị phân hủy và xáo trộn trong máy
nhào trộn hay những loại thiết bị nhồi với thuốc nhuộm, để chất lượng sản phẩm giấy
sau cùng đạt kết quả tốt, người ta cho hồ vào để lấp đầy những lỗ rỗng do bột khí có
trong bột giấy. Bột giấy được tinh chế trong phễu hình nõn lõm cố định, bên trong và
bên ngoài mặt hình nón gắn những con dao cùn, máy có tốc độ quay điều chỉnh được
với mục đích xáo trộn và điều chỉnh đồng dạng quá trình làm giấy. Cuối cùng bột giấy
được lọc qua lưới chắn để loại bỏ những dạng vón cục và những bùn tạo vết làm giảm
chất lượng của giấy. Kế tiếp, bột giấy được chuyển qua những dây đai của những lưới

chắn và mang vào máy cán. Nước loại bỏ trong giai đoạn này là nước thải xeo. Khuôn
in giấy bao gồm những máy cán sau: máy cán gạn lọc để loại bỏ những giấy không
chất lượng, cán hút để loại bỏ nước, ép và cán khô khử phần nước còn lại trước khi cho
ra giấy, và cuối cùng là cán hoàn tất để định hình cuối cùng là sản phẩm giấy. [11]
1.2 Tổng quan về nƣớc thải nhà máy giấy
1.2.1 Giới thiệu về nước thải nhà máy giấy
Theo thống kê, các nhà máy giấy trên thế giới nhờ công nghệ tiên tiến nên chỉ
dùng từ 7-15m3 nước/tấn giấy. Ở Việt Nam do thiết bị sản xuất, công nghệ lạc hậu nên
vẫn dùng từ 30-100m3 nước/tấn giấy. Sự lạc hậu này không chỉ gây lãng phí nguồn
nước ngọt, tăng chi phí xử lý nước thải mà còn gia tăng lượng nước thải đưa ra sông
rạch.
Hiện nay, doanh nghiệp sản xuất giấy tại Việt Nam chủ yếu là thuộc thành phần
doanh nghiệp vừa và nhỏ, sản xuất tới 75% lượng giấy cả nước. Các doanh nghiệp này
nằm rải rác tại các địa phương, do đó có nguy cơ gây ô nhiễm tại các cơ sở này rất cao.
1.2.2 Thành phần tính chất
Nước thải của ngành công nghiệp giấy có hàm lượng COD khá cao 2200046500 mg/l, BOD chiếm từ 40-60% COD .

7
SVTH: BÙI THỊ TRANG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Thành phần chủ yếu trong nước thải ở giai đoạn sản xuất bột giấy là cellulose,
hemicellulose, lignin, extractive. Các dòng nước thải được thải ra ngoài qua nhiều công
đoạn khác nhau như:


Dòng thải rửa nguyên liệu bao gồm chất hữu cơ hòa tan, đất đá, thuốc bảo

vệ thực vật, vỏ cây,..


Dòng thải của quá trình nấu và rửa sau nấu chứa phần lớn các chất hữu cơ

hòa tan, các hóa chất nấu và một phần xơ sợi. Dòng thải có màu tối nên thường gọi là
dịch đen. Dịch đen có nồng độ chất khô khoảng 25 đến 35%, tỷ lệ giữa chất hữu cơ và
vô cơ là 70:30. Cũng vì thế, mức độ ô nhiễm từ nước thải công nghiệp xeo giấy tỷ lệ
nghịch với khả năng thu hồi dịch đen.
Thành phần chất hữu cơ chủ yếu là dịch đen lignin hòa tan vào dịch kiềm (3035% khối lượng chất khô), ngoài ra là những sản phẩm phân hủy hydratcacbon và acid
hữu cơ. Thành phần hữu cơ bao gồm những chất nấu, một phần nhỏ là Na2SO4, Na2S,
Na2CO3 còn phần nhiều là kiềm natrisunfat liên kết với các chất hữu cơ trong kiềm. Ở
những nhà máy lớn, dòng thải này được xử lý để thu hồi tái sinh sử dụng lại kiềm bằng
phương pháp cô đặc – đốt cháy các chất hữu cơ – xút hóa. Đối với những nhà máy nhỏ
thường không có hệ thống thu hồi dịch đen, dòng thải này được thải thẳng cùng các
dòng thải khác của nhà máy, gây tác động xấu tới môi trường.


Dòng thải từ công đoạn tẩy của các nhà máy sản xuất bột giấy bằng phương

pháp hóa học và bán hóa học chứa các hợp chất hữu cơ, lignin hòa tan và hợp chất tạo
thành của những chất đó với chất tẩy rửa ở dạng độc hại, có khả năng tích tụ sinh học
trong cơ thể sống như các hợp chất clo hữu cơ. Dòng này có độ màu, giá trị BOD5 và
COD cao.


Dòng thải từ quá trình nghiền bột và xeo giấy chủ yếu chứa xơ sợi mịn, bột

giấy ở dạng lơ lửng và các chất phụ gia như nhựa thông, phẩm màu, cao lanh.


Dòng thải từ khâu rửa thiết bị, rửa sàn, dòng chảy tràn có hàm lượng các

chất lơ lửng và các chất rơi vãi. Dòng này không liên tục.
8
SVTH: BÙI THỊ TRANG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Nước ngưng của quá trình cô đặc trong hệ thống xử lý thu hồi hóa chất từ dịch
đen. Mức độ ô nhiễm của nước ngưng phụ thuộc vào loại gỗ, công nghệ sản xuất.
Những chất ô nhiễm chủ yếu của ngành tạo bột xeo giấy đối với các nguồn nước
bao gồm:
-

Vật huyền phù: là những hạt chất rắn không chìm trong nước, bao gồm chất

vô cơ, cát, bụi, quặng…hoặc những chất hữu cơ như dầu, cặn hữu cơ. Nhiều vật huyền
phù xả xuống nguồn nước dần dần sẽ hình thành các “bãi sợi” và tạo ra quá trình lên
men, từ đó tiêu hao oxy hòa tan trong nước, tác động tới sự sống còn của các sinh vật
trong nước, phủ lấp không gian sinh tồn, gây cản trở các hoạt động bình thường…
Vật hóa hợp dễ sinh hóa phân giải: là những thành phần nguyên liệu với số

-

lượng tương đương đã tan trong quá trình tạo bột xeo giấy dễ sinh hóa phân giải, bao
gồm các vật có lượng phân tử thấp (chất bán sợi, metanol, axit, loại đường…) Những
chất này sẽ bị oxy hóa, do đó cũng tiêu hao oxy hòa tan trong nước, gây tác hại đối với
các sinh vật.

-

Vật hóa hợp khó sinh hóa phân giải: bắt nguồn chủ yếu từ chất đường phân

tử lớn và lignin trong nguyên liệu sợi. Những chất này thường có màu, do đó ảnh
hưởng đến sự chiếu rọi của ánh sáng vào nguồn nước. Những vật chất này cũng có thể
gây biến dị trong cơ thể sinh vật nếu bị hấp thu.
-

Các vật chất có độc: rất nhiều vật chất có độc đối với sinh vật hiện diện

trong nước thải của công nghiệp giấy như colophan và axit béo không bão hòa trong
dịch đen, dịch thải của đoạn tẩy trắng, dịch thải đoạn rút xút.[11]
Bên cạnh các vật chất độc hại trên, nước thải của ngành công nghiệp giấy có thể
làm ảnh hưởng trầm trọng đến trị số pH của nguồn nước, hoặc làm ngăn cản ánh sáng,
tác động đến quá trình quang hợp, từ đó làm mất sự cân bằng sinh thái trong môi
trường nước. Đặc tính của nước thải trong quá trình xeo giấy chiếm lượng lớn chất thải
có hàm lượng ô nhiễm rất lớn như ở bảng 1.1.

9
SVTH: BÙI THỊ TRANG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Bảng 1.1 Các thông số của nguồn nước thải nhà máy giấy
Thông số

Đầu vào

Tiêu chuẩn xử lý nước thải
(TCVN 5945 : 1995, loại B)

pH

6,3 – 7,2

6,0 – 8,5

BOD5 tổng (mg/l)

500

≤ 50

COD (mg/l)

1100

≤ 100

SS (mg/l)

653

≤ 100

Độ màu (Pt-Co)

450

N-NH3 (mg/l)

1,15

≤ 35

P-PO43- ( mg/l)

1,21

≤4

(Nguồn: Nguyễn Đức Ban, xử lý nước thải nhà máy giấy)
1.2.3 Ảnh hưởng của nước thải nhà máy giấy
Độc tính của các dòng nước thải từ các nhà máy sản xuất giấy và bột giấy là do
sự hiện diện của một hỗn hợp phức tạp các dịch chiết trong thân cây bao gồm: nhựa
cây, các acid béo, cellulose, lignin... và một số sản phẩm phân hủy của lignin đã bị
phân hóa có trọng lượng phân tử thấp. Nồng độ của một số chất từ dịch chiết có khả
năng gây ức chế đối với thủy sản. Khi xả trực tiếp nguồn nước thải này ra kênh rạch sẽ
hình thành từng mảng giấy nổi trên mặt nước, làm cho nước có độ màu khá cao và hàm
lượng OD trong nước hầu như bằng không. Điều này không những ảnh hưởng trực tiếp
đến môi trường sống của sinh vật mà còn gián tiếp ảnh hưởng đến sức khỏe của con
người
Trong các cơ sở công nghiệp giấy và bột giấy, nước thải thường có độ pH trung
bình 9 - 11, chỉ số nhu cầu ôxy sinh hoá (BOD), nhu cầu oxy hoá học (COD) cao, có
thể lên đến 700mg/l và 2,500mg/l. Hàm lượng chất rắn lơ lửng cao gấp nhiều lần giới
hạn cho phép.

10

SVTH: BÙI THỊ TRANG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đặc biệt nước có chứa cả kim loại nặng, lignin, phẩm màu, xút, các chất đa
vòng thơm Clo hoá là những hợp chất có độc tính sinh thái cao và có nguy cơ gây ung
thư, rất khó phân huỷ trong môi trường. Có những nhà máy giấy, lượng nước thải lên
tới 4.000 - 5.000m3/ngày, các chỉ tiêu BOD, COD gấp 10 – 18 lần tiêu chuẩn cho phép;
lượng nước thải này không được xử lý mà đổ trực tiếp vào sông.
Ngoài ra, trong công nghiệp xeo giấy, để tạo nên một sản phẩm đặc thù hoặc
những tính năng đặc thù cho sản phẩm, người ta còn sử dụng nhiều hóa chất và chất
xúc tác. [2]
1.2.4 Phương pháp xử lý nước thải
Đối với nước thải nhà máy giấy, người ta có nhiều phương pháp xử lý như vật
lý, hóa học...nhưng vẫn chưa phân hủy hoàn toàn lượng cellulose hiện diện trong
nguồn nước thải này. Những chất này nếu không được thu hồi hoặc xử lý mà xả thẳng
ra sông ngòi thì vấn đề ô nhiễm là không tránh khỏi, làm mất cân bằng sinh thái trong
môi trường nước. Do đó, xử lý bằng phương pháp sinh học làm tăng khả năng phân
hủy cellulose trong nước thải.
Dựa vào các chỉ tiêu của nước thải nhà máy giấy mà người ta có nhiều biện
pháp xử lý như xử lý cơ học, hóa lý, hóa học, sinh học.
Xử lý cơ học, xử lý hóa lý nhằm mục đích loại bỏ các chất cặn, các chất lơ lững,
các chất hữu cơ để làm sạch nguồn nước. Nhưng những biện pháp trên vẫn chưa xử lý
triệt để nguồn hữu cơ trong nước thải. Do đó, các biện pháp xử lý sinh học được áp
dụng nhằm loại bỏ hoàn toàn các nguồn hữu cơ không mong muốn.
Phương pháp sinh học được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hòa tan có trong
nước thải dựa trên cơ sở hoạt động của các vi sinh vật. Vi sinh vật sử dụng các chất
hữu cơ và một số khoáng chất làm thức ăn để sinh trưởng và phát triển. Phương pháp
xử lý sinh học có thể phân thành 2 loại:

-

Phương pháp kỵ khí: Sử dụng nhóm vi sinh vật kỵ khí, hoạt động trong điều

kiện không có ôxy.

11
SVTH: BÙI THỊ TRANG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

-

Phương pháp hiếu khí: sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong

điều kiện cung cấp ôxy liên tục.
Các vi sinh vật được được bổ sung vào từng giai đoạn theo từng liều lượng và
nồng độ cho phép.
Ở Việt Nam có khá nhiều tác giả đã thiết kế thành công về công trình xử lý
nguồn nước thải nhà máy giấy bằng phương pháp sinh học. Tiêu biểu như thiết kế dây
chuyền công nghệ xử lý nước thải xeo giấy của tác giả Nguyễn Đức Ban với đề tài thiết
kế bể Aerotank xử lý nước thải xeo giấy công suất 1000m3/ngày đêm.
 Dây chuyền công nghệ

NT xeo
Song chắn rác
Bể thu gom

Bể

chứa

Bể tuyển nổi

bột
giấy

Bể điều hòa

Nước
tách
ra
sau
nén,
ép
bùn.

Bể Aerotank
Bể lẳng II
Bể khử trùng
Nguồn thải

Bể chứa bùn
Bể nén bùn
Máy ép bùn
Bãi chôn lấp

Hình 1.3. Công nghệ xử lý nước thải nhà máy giấy.
(Nguồn: Nguyễn Đức Ban, xử lý nước thải nhà máy giấy)

12
SVTH: BÙI THỊ TRANG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

 Thuyết minh công nghệ
Nước thải xeo từ phân xưởng chảy qua song chắn rác, song chắn rác có nhiệm
vụ giữ lại các tạp chất thô (giấy vụn, sợi …) có kích thước ≥ 16mm, đi vào bể thu gom,
nước thải được bơm liên tục vào bể điều hòa, bể điều hòa có quá trình khuấy trộn và
cấp khí, nước thải được điều hòa về lưu lượng và nồng độ, các chất ô nhiễm như:
COD, BOD, SS, pH…xử lý một phần. Nước thải chảy qua bể tuyển nổi, nhằm thu hồi
bột giấy dưới dạng các hạt nhỏ lơ lửng khó lắng, vào bể Aerotank. Tại bể Aerotank
diễn ra quá trình sinh học hiếu khí được duy trì nhờ không khí cấp từ các máy thổi khí.
Tại đây, các vi sinh vật ở dạng hiếu khí (bùn hoạt tính) sẽ phân hủy các chất hữu cơ
còn lại trong nước thải thành các chất vô cơ ở dạng đơn giản như: CO2, H2O…Theo
phản ứng sau:
-

Sự oxy hóa tổng hợp

Vi khuẩn

CxHyOzNtSn + O2 + dinh dưỡng
-

Phân hủy nội bào

CO2 + NH3 + C5H7NO2 + các sản phẩm khác

Vi khuẩn

C5H7NO2 + 5O2

5CO2 + NH3 + H2O + năng lượng

Hiệu quả xử lý BOD của bể Aerotank đạt từ 90-95% [11]
1.3 Tổng quan về cellulose
1.3.1 Thành phần cấu tạo
Hằng năm có khoảng 232 tỷ tấn chất hữu cơ được thực vật tổng hợp thành nhờ
quá trình quang hợp. Trong số này có 172 tỷ tấn được tạo thành trên đất liền và 60 tỷ
tấn được tạo thành ở các đại dương. Trong số này có đến 30% là màng tế bào thực vật
mà thành phần chủ yếu là cellulose. [1]
Cellulose là hợp chất cao phân tử có công thức là (C6H10O5)n hay
[C6H7O2(OH)3]n , trong đó n có thể nằm trong khoảng 5000-14000, được cấu tạo từ các
mắt xích β-D-glucose liên kết với nhau bằng liên kết 1.4 glucocid, do vậy liên kết này
thường không bền trong các phản ứng thủy phân.[20]

13
SVTH: BÙI THỊ TRANG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Phân tử cellulose có cấu trúc dạng mạch thẳng. Cấu trúc này tạo điều kiện hình
thành các liên kết hyđro giữa các phân tử cellulose nằm song song với nhau, tạo nên
cấu trúc màng cellulose và vi sợi trong cấu trúc màng cellulose của tế bào thực vật.[21]
Các sợi này không tan trong nước, rất bền về cơ học nên tạo nên lớp màng
cellulose bền chắc, thành phần hóa học của màng khá phức tạp, gồm 60% là nước
chứa trong các khoảng tự do của màng, 30% cellulose. Các sợi cellulose liên kết với

nhau tạo thành các mixen, với kích thước khoảng 10-20 nm, và cứ 250 sợi bé lại tạo
nên 1 sợi lớn.
Các sợi đan chéo với nhau theo nhiều hướng làm cho màng cellulose rất bền
vững, nhưng lại có khả năng đàn hồi. Ở giữa các sợi là khối không gian chứa các chất
vô định hình gồm gồm hemicellulose, pectin và nước.[5]

Hình 1.4 Công thức hóa học của cellulose[21]
Trong tế bào thực vật, cellulose liên kết chặt chẽ với hemicellulose (chiếm 2040% trọng lượng khô), đây là loại heteropolymer chứa nhiều loại monosaccharide như
galactose, mannose, glucose, xylose, arabinose và các nhóm acetyl; do bản chất không
kết tinh nên hemicellulose tương đối dễ bị thủy phân. Cellulose còn liên kết chặt chẽ
với lignin (10-25% trọng lượng khô). Đây là thành phần ảnh hưởng rất nhiều đến sự
thủy phân cellulose của enzyme. Chỉ trong một số trường hợp (ví dụ trong sợi bông)
cellulose tồn tại trong trạng thái một polymer gần tinh khiết.[1,14]
Trong phân tử cellulose có nhiều nhóm hydroxyl tồn tại ở dạng tự do, hydro của
chúng dễ dàng bị thay thế bởi một số gốc hóa học, ví dụ như metyl (-CH3), hoặc các
gốc acetyl (-CH3CO) hình thành nên các gốc ete hoặc este của cellulose.[5]

14
SVTH: BÙI THỊ TRANG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Việc sử dụng cơ chất lignocellulose để sản xuất các enzyme thủy phân cơ chất
này có tiềm năng ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như hóa chất, nhiên liệu,
thực phẩm, rượu và bia, thức ăn gia súc, vải sợi, bột giặt, giấy và bột giấy...[14]
1.3.2 Tính chất
1.3.2.1 Tính chất vật lý
Cellulose là chất rắn không màu, không mùi, không vị, không tan trong nước
(chỉ phồng lên nếu hấp thụ nước), không tan trong các dung môi hữu cơ, không có

trạng thái nóng chảy. Khi đun trong chân không thì bị phân hủy thành glucose.
Cellulose bị phân hủy ở nhiệt độ thường hoặc ở nhiệt độ 40-500C do sự thủy
phân cellulose bởi enzyme cellulase.[5]
Tỷ trọng lúc khô là 1.45, khi khô cellulose dai và khi tẩm nước nó mềm đi.
Cellulose có cấu trúc rất bền và khó bị thủy phân. Người và động vật không có
enzyme phân giải cellulose nên không tiêu hóa được cellulose, vì vậy cellulose không
có giá trị dinh dưỡng. Tuy nhiên, cellulose lại có vai trò điều hòa hoạt động của hệ
thống tiêu hóa. Vi khuẩn trong dạ cỏ của gia súc, các động vật nhai lại và động vật
nguyên sinh trong ruột của mối sản xuất enzyme phân giải cellulose. Nấm đất cũng có
thể phân hủy cellulose.[22]
1.3.2.2 Tính chất hóa học
- Phản ứng thủy phân:
Đun nóng cellulose trong dung dịch acid vô cơ đặc thu được glucose
Phương trình phản ứng :
H+ , t0
( C6H10O5)n + nH2O

nC6H12O6

- Phản ứng với acid vô cơ: đun nóng cellulose trong hỗn hợp acid nitric đặc và
acid sunfuric đặc thu được cellulose nitrat.
- Phương trình phản ứng:

15
SVTH: BÙI THỊ TRANG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

H2SO4(đặc),t0

[C6H7O2(OH)3]n+3nHNO3(đặc)

[C6H7O2(ONO2)3]n+3nH2O

1.3.3 Enzyme cellulase
1.3.3.1

Phân loại

Cellulase là một nhóm enzyme hoạt động phối hợp trong việc thủy phân
cellulose thành glucose [5].
Cellulase là một phức hệ gồm nhiều loại enzyme khác nhau. Tùy theo quan
điểm của từng tác giả mà các enzyme thuộc phức hệ cellulase được xếp thành các
nhóm khác nhau. Trước đây, cellulase được chia làm hai nhóm: nhóm enzyme C1 và
nhóm enzyme Cx. Các enzyme C1 có khả năng thủy phân sợi cellulose tự nhiên, có
tính đặc hiệu không rõ ràng. Các enzyme Cx được chia thành hai loại: exo β-1,4glucanase (3.2.1.21) xúc tác cho phản ứng cắt đứt gốc glucose từ đầu không khử của
chuỗi cellulose; endo β-1,4-glucanase (3.2.1.4) hoạt động tùy tiện hơn, xúc tác cho
phản ứng thủy phân liên kết bên trong phân tử cellulose [2].
Hiện nay, cellulase được chia làm ba dạng: dạng 1 là endoglucanase hoặc 1,4-βD-glucan-4-glucanohydrolase hay carboxylmethylcellulase (CMCase) (EC 3.2.1.4),
dạng 2 là exoglucanase bao gồm 1,4-β-D-glucan glucanohydrolase (còn gọi là
cellodextrinase) (EC 3.2.1.74) và 1,4-β-D-glucan cellobiohydrolase (cellobiohydrolase)
(EC 3.2.1.91), dạng 3 là β-glucosidase hoặc β-glucoside glucohydrolase (EC 3.2.1.21).
Endoglucanase xúc tác cho phản ứng thủy phân các liên kết ở bên trong phân tử
cellulose.
 Endoglucanase-EC.3.2.1.4
Tên thường gọi: cellulase
Tên hệ thống: 1,4-(1,3:1,4)-β-D-glucan-4glucannohydrolase
Đôi khi người ta gọi enzyme này với tên khác:
Hình 1.5 Endoglucanase

16
SVTH: BÙI THỊ TRANG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

endo-1,4-β-D-glucanase; β-1,4-glucanase; cellulase A...
Enzyme này thường thủy phân các liên kết 1,4-β-D-glucoside trong cellulose và
các β-D-glucan của các loại ngũ cốc.
 Exoglucanase-EC.3.2.1.91
Tên thường gọi: cellulose 1,4-β-cellobiosidase
Tên hệ thống: 1,4-β-glucan cellobiohydrolase.
Các tên khác exo-cellobiohydrolase, exoglucanase,
cellulase

C1,

exo-β-1,4-glucan

cellobiohydrolase...

Exoglucanase thủy phân các liên kết ở đầu khử và đầu
không khử của phân tử cellulose.[15]

Hình 1.6 Exoglucanase

 β-glucosidase- EC.3.2.1.21
Tên thường gọi: β-glucosidase
Tên hệ thống: β-D-glucosid glucohydrolase
Một số tên gọi khác: β-D-galactosidase, βD-fucoside, β-D-xyloside, α-L-arabinoside.

β-glucosidase thủy phân các phân tử
cellodextrin và cellobiose thành glucose. [16]
Các cellulase có nguồn gốc khác nhau được

Hình 1.7 β-glucosidase

sắp xếp thành các họ.Trước đây, dựa vào cấu trúc bậc một của phân tử protein enzyme,
cellulase được chia làm 6 họ: A, B, C, D, E và F. Sau đó, cellulase được chia thành 9
họ: A, B, C, D, E, F, G, H và I dựa vào cấu trúc của tâm xúc tác .
Hiện nay, các cellulase được sắp xếp trong 12 họ: 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 44, 45,
48, 61 và 74 [17].
Các enzyme có tính đặc hiệu khác nhau và hoạt động hỗ trợ nhau. Mỗi loại
enzyme tham gia thủy phân cơ chất theo một cơ chế nhất định và nhờ có sự phối hợp
hoạt động của các enzyme đó mà phân tử cơ chất được thủy phân hoàn toàn tạo thành
các sản phẩm đơn giản nhất. [6]
17
SVTH: BÙI THỊ TRANG