Nghiên cứu lựa chọn mức dùng cho tiền xử lý bằng enzym lipase đối với bột gỗ cứng

Ngày 15-01-2019

Hình ảnh mô phỏng của enzyme lipase (Ảnh Internet).

Nhóm Nghiên cứu

Trường Cao đẳng Công Thương Phú Thọ

Tóm tắt

Nghiên cứu và sản xuất bột giấy và giấy từ sản phẩm hay chế phẩm sinh học ngày càng được ưu tiên ở các nước đã và cả các nước đang phát triển. Trong nghiên cứu này bột kraft gỗ cứng sau giai đoạn tách loại lignin bằng oxy được tiền xử lý bằng enzyme lipase với mức dùng từ 0 LU/g – 30 LU/g. Sau giai đoạn tiền xử lý bằng enzyme các tính chất của bột gồm hàm lượng HexA, trị số Kappa, độ trắng, độ nhớt  và hiệu suất thu hoạch bột được kiểm tra và so sánh với bột không tiền xử lý bằng enzyme.

  1. Giới thiệu

Tẩy trắng sinh học bột giấy kraft sử dụng enzym hiện nay được sử dụng rất phổ biến ở các nước phát triển nhờ cung cấp giải pháp có lợi thế như: cải thiện môi trường, giảm tiêu hao hóa chất tẩy, tăng cường tính chất cơ lý cho bột giấy. Các enzym phổ biến là enzym lipase, enzym xylanase dùng làm tăng hiệu quả tẩy trắng bột kraft bằng cách loại bỏ xylans lắng đọng lại trong bề mặt sơ xợi hoặc bóc tách liên kết giữa xylan và lignin còn lại trong bột. Tuy nhiên một số tác động tiêu cực từ việc sử dụng xylanase trong tẩy trắng (tiền tẩy trắng) như làm mất mát một lượng bột giấy từ 1-5%. Điều này làm giảm đáng kể hiệu suất tẩy trắng. Sự mất mát này là chủ yếu do sự thủy phân quá mức của hemicellulose trong bột giấy do enzym xylanase. Sự thủy phân hemicelluloses cũng dẫn đến việc tăng đáng kể COD và BOD làm ảnh hưởng tới quá trình tẩy trắng bột và xử lý môi trường.

Enzym lipase được biết đến như một giải pháp mới để khắc phục nhược điểm của quá trình tẩy trắng đã nêu trên, do enzym lipase có hoạt tính riêng biệt trong tương tác với lignin và carbonhydrates trong bột giấy làm giảm hàm lượng axit hexenuronic. Nhờ đó giúp làm giảm tiêu hao hóa chất trong quá trình tẩy trắng, nâng cao hiệu suất, giảm chi phí, cải thiện và tăng cường bảo vệ môi trường, giúp các nhà máy bột giấy sản xuất sạch hơn.

Để sử dụng enzym lipase được hiệu quả cần xác định chính xác các thông số kỹ thuật trong đó mức dùng là thông số kỹ thuật quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bột cũng như chi phí sử dụng. Từ thực tế trên nhóm tác giả tiến hành thực hiện “Nghiên cứu lựa chọn mức dùng enzym lipase cho tiền xử lý bột gỗ cứng”.

  1. Nguyên vật liệu và phương pháp nghiên cứu

2.1. Bột giấy

            Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là bột sunfat sau giai đoạn tách loại lignin bằng oxy. Bột được rửa sạch, vắt khô thủ công, đánh tơi, làm đều và bảo quản ở nhiệt độ phòng 24 giờ. Sau đó được bảo quản trong túi nilon ở điều kiện nhiệt độ 4oC-6oC để xác định các tính chất ban đầu và sử dụng cho nghiên cứu.

Bảng 1: Tính chất của bột sunfat từ gỗ cứng sau giai đoạn oxy hóa

Tính chất Đơn vị Giá trị
Trị số Kappa 9,6
Độ nhớt Cm3/g 685
Độ trắng % ISO 45,5
Hàm lượng HexA mmol/kg bột 60,2

2.2. Hóa chất, vật tư, dụng cụ, thiết bị

            Hóa chất sử dụng cho nghiên cứu là hóa chất thương phẩm dạng PA xuất xứ Việt Nam, Nhật Bản, Trung Quốc. Các hoá chất phục vụ cho nghiên cứu được liệt kê trong bảng 2. Các trang thiết bị và dụng cụ phục vụ cho nghiên cứu được liệt kê ở bảng 3.

Bảng 2: Hóa chất sử dụng cho nghiên cứu

Loại hóa chất Nơi sản xuất Nồng độ Trạng thái
Enzyme Lipase Nhật Bản 99,5% Bột mịn
H2SO4 Việt Nam 98% Lỏng
KClO3 Trung Quốc >99,5% Rắn
C2H2O4.2H2O Trung Quốc 99,5% Lỏng
H2O2 Trung Quốc 30% Lỏng
NaOH Việt nam 96% Rắn
Na2S2O3.5H2O Trung Quốc 99% Rắn
KI Trung Quốc 166 g/l Lỏng
H2SO4 Trung Quốc 4N Lỏng
Na2S2O3 Trung Quốc 0,1N Lỏng
Tinh bột Việt Nam 99% Rắn

Bảng 3: Các thiết bị, dụng cụ phục vụ cho nghiên cứu

Tên thiết bị Chức năng
Tủ sấy Sấy khô mẫu bột ở nhiệt độ tiêu chuẩn
Tủ lạnh Bảo quản bột và hóa chất
Thiết bị gia nhiệt cách thủy Gia nhiệt cho quá trình tẩy trắng bột giấy và quá trình tiền xử lý bột giấy
Thiết bị tẩy bột thí nghiệm Dùng để tẩy bột giấy
Thiết bị điều chế ClO2 Điều chế hóa chất tẩy trắng
Máy quang phổ Đo hàm lượng HexA
Nhớt kế Đo độ nhớt của bột
Bình hòa tan và đinh đồng Làm cho bột phân tán đồng đều để xác định độ nhớt
Máy khuấy từ Khuấy bột khi xác định trị số Kappa
Cân phân tích Cân mẫu bột
Bình hút chân không Tạo chân không để tách nước ra khỏi bột
Máy nghiền Hà Lan Nghiền bột
Thiết bị đo độ nghiền (oSR) Đo độ nghiền của bột
Thiết bị xeo giấy thí nghiệm Xeo giấy thí nghiệm
Thiết bị ép giấy thí nghiệm Ép giấy
Thiết bị sấy giấy thí nghiệm Sấy khô giấy
Máy đo độ trắng Đo độ trắng của bột và giấy
Thiết bị rửa bột có lưới 65 mắt/inch2 Rửa bột theo phương pháp thủ công
Các dụng cụ thủy tinh khác Thực nghiệm, phân tích

 2.3. Phương pháp nghiên cứu

            Bột giấy sau giai đoạn tách loại lignin bằng oxy được xác định độ khô theo tiêu chuẩn và thực hiện quá trình tiền xử lý bột bằng enzyme lipase ở các điều kiện mức dùng khác nhau. Lựa chọn chế độ tiền xử lý bột bằng enzyme lipase tối ưu sau đó tiến hành tẩy trắng bột giấy sunfat chưa qua tiền xử lý bột bằng enzyme lipase và đã tiền xử lý bột bằng enzyme lipase. Xác định các tính chất của bột sau quá trình tiền xử lý bột bằng enzyme lipase, từ đó so sánh và xác định ảnh hưởng của quá trình tiền xử lý bột bằng enzyme lipase tới quá trình tẩy trắng và tính chất của bột cũng như các tác động tới môi trường.

2.3.1. Phương pháp tiền xử lý bột bằng enzyme lipase

            Mỗi lần tiến hành với 100g bột KTĐ. Quá trình tiền xử lý bột bằng enzyme lipase được tiến hành trong túi nilon kín, gia nhiệt trong bể gia nhiệt cách thủy. tiền xử lý bột bằng enzyme lipase ở các điều kiện mức dùng hóa chất khác nhau. Các điều kiện tiền xử lý bột bằng enzyme lipase được lựa chọn trên cơ sở kế thừa các kết quả nghiên cứu đã được công bố trong nước và quốc tế. Huyền phù bột trước và sau khi tiền xử lý bột bằng enzyme lipase được kiểm tra hàm lượng HexA còn lại trong bột được xác định bằng phương pháp Teknillinen Korkoulu (Phần Lan). Bảng 4 thể hiện các thông số công nghệ tiền xử lý bột bằng enzyme lipase.

Bảng 4: Ảnh hưởng của mức dùng enzyme lipase cho tiền xử lý bột

Mẫu bột Nồng độ bột (%) Nhiệt độ

(oC )

pH Mức dùng enzyme (LU/g) Thời gian (phút)
Mẫu 1 10 45 5,5 0 120
Mẫu 2 10 45 5,5 5 120
Mẫu 3 10 45 5,5 10 120
Mẫu 4 10 45 5,5 15 120
Mẫu 5 10 45 5,5 20 120
Mẫu 6 10 45 5,5 25 120
Mẫu 7 10 45 5,5 30 120

2.2. Phương pháp xác định tính chất của bột giấy

            Tính chất của bột giấy được xác định bằng các phương pháp theo các tiêu chuẩn trong bảng 5

Bảng 5: Các tiêu chuẩn xác định tính chất của bột và giấy

STT Tính chất Tiêu chuẩn
1 Độ khô TCVN 4407: 2001
2 Trị số Kappa TCVN 4361: 2002
3 Độ nhớt TCVN 7072: 2007
4 Độ trắng TCVN 1865: 2007

 

  1. Kết quả và thảo luận

3.1. Ảnh hưởng của mức dùng enzyme lipase

3.2. Ảnh hưởng của mức dùng enzyme lipase tới mức độ tách loại HexA

Ảnh hưởng của mức dùng tiền xử lý bột bằng enzyme lipase tới mức độ tách loại HexA được thể hiện trên đồ thị hình 1. Bột chưa tiền xử lý bột bằng enzyme lipase có hàm lượng HexA 60,2 mmol/kg, sau quá trình tiền xử lý bột bằng enzyme lipase với mức dùng 5LU/g và 10 LU/g hàm lượng HexA đã giảm xuống còn 54,2 mmol/kg và 48.3 mmol/kg, khi tăng mức dùng lên 15 LU/g thì hàm lượng HexA giảm đáng kể tới mức 45,5 mmol/kg. Tuy nhiên khi tiếp tục tăng mức dùng enzyme lipase thì hàm lượng HexA có xu hướng giảm không đáng kể. Tại mức dùng 20 LU/g, 25 LU/g và 30 LU/g hàm lượng HexA chỉ xuống tới mức 45,1 mmol/kg, 44,5 mmol/kg và 44,2 mmol/kg. Như vậy để đạt được hiệu tách loại HexA đồng thời đảm bảo hiệu quả kinh tế nên thực hiện tiền xử lý bột bằng enzyme lipase với mức dùng là 15 LU/g so với bột KTĐ.

Hình 1: Ảnh hưởng của mức dùng enzyme lipase tới hàm lượng HexA trong bột giấy sau tiền xử lý

3.3. Ảnh hưởng của mức dùng enzyme lipase tới trị số Kappa

            Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của mức dùng enzyme lipase tới trị số Kappa được thể hiện trên hình 2 cho thấy bột chưa tiền xử lý bột bằng enzyme lipase có trị số Kappa khoảng 9,6 đơn vị, nhưng khi tiến hành tiền xử lý bột bằng enzyme lipase với mức dùng thay đổi từ 5-30 LU/g so với bột KTĐ thì trị số Kappa giảm từ 9,6 xuống còn 6,3 đơn vị. Tuy nhiên mức độ giảm trị số Kappa mạnh nhất trong khoảng mức dùng 5-15 LU/g so với bột KTĐ (Kappa giảm từ 9,1 xuống 6.8). Tuy nhiên khi nâng mức dùng lên 20-30 LU/g so với bột KTĐ thì trị số Kappa thay đổi nhưng không nhiều (Kappa giảm từ 6,6 xuống 6,3). Như vậy có thể thấy rằng trong quá trình tiền xử lý bột bằng enzyme lipase khi tăng mức dùng thì trị số Kappa giảm nhưng không tỷ lệ thuận với việc tăng mức dùng enzyme. Vì vậy quá trình tiền xử lý bột bằng enzyme lipase để đạt được trị số Kappa phù hợp và đảm bảo hiệu quả sản xuất nên thực hiện tiền xử lý bột bằng enzyme lipase với mức dùng 15 LU/g so với bột KTĐ.

Hình 2: Ảnh hưởng của mức dùng enzyme tới trị số Kappa

(Nhiệt độ tiền xử lý enzyme: 45oC, thời gian: 120 phút)

3.4. Ảnh hưởng của mức dùng enzyme lipase tới độ trắng

            Đồ thị hình 3 thể hiện kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của mức dùng enzyme tới độ trắng của bột giấy sau tiền xử lý bằng enzyme. Trên đồ thị ta thấy khi tăng mức dùng từ 0-5 LU/g thì độ trắng của bột giấy tăng từ 45,5 đến 46,2 % ISO, tăng mức dùng lên 15 LU/g thì độ trắng của bột giấy tiếp tục tăng lên 48,2 % ISO. Tuy nhiên khi tiếp tục tăng mức dùng lên 20 LU/g,  25 LU/g và 30 LU/g thì độ trắng của bột giấy thu được sau quá trình tiền xử lý bằng enzyme tăng lên không nhiều là 48,4, 49,1 và 49,2 % ISO.

Hình 3: Ảnh hưởng của mức dùng enzyme tới độ trắng của bột sau tiền xử lý bằng enzyme

(Nhiệt độ tiền xử lý enzyme: 45oC, thời gian: 120 phút)

3.5. Ảnh hưởng của mức dùng enzyme tới độ nhớt của bột

            Trên đồ thị hình 4 là kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của mức dùng tới độ nhớt của bột sau tiền xử lý bằng enzyme. Quan sát đồ thị ta thấy khi tiền xử lý bằng enzyme với mức dùng là 5 LU/g độ nhớt của bột giảm từ 685 cm3/g xuống 670 cm3/g (giảm 15 cm3/g), tăng mức dùng lên 15 LU/g độ nhớt của bột tiếp tục giảm còn 655 cm3/g. Tuy nhiên khi tiếp tục tăng mức dùng lên 20 LU/g, 25 LU/g và 30 LU/g thì độ nhớt của bột giảm rất nhanh còn 595 cm3/g  ở mức dùng 20 LU/g, 521 cm3/g ở mức dùng 25 LU/g và 483 cm3/g ở mức dùng 30 LU/g.

Hình 4: Ảnh hưởng của mức dùng enzyme tới độ nhớt của bột sau tiền xử lý

(Nhiệt độ tiền xử lý enzyme: 45oC, thời gian: 120 phút)

3.6. Ảnh hưởng của mức dùng enzyme tới tới hiệu suất thu hoạch bột

            Sau quá trình tiền xử lý bằng enzyme kết hợp quá trình rửa, một lượng bột khoảng từ 1-4% có thể bị mất mát. Đồ thị hình 5 cho thấy, khi mức dùng enzyme tăng từ 5 LU/g tới 15 LU/g  thì hiệu suất bột thu được giảm từ 99,3% xuống 98,6%, khi tiếp tục tăng mức dùng enzyme lên 20 LU/g và 25 LU/g thì hiệu suất thu hoạch bột của quá trình tiếp tục giảm xuống mức 98,1 và 97.5%. Như vậy với mức dùng lớn hơn 15 LU/g thì hiệu suất thu hoạch bột có xu hướng giảm nhanh hơn.

Hình 5: Ảnh hưởng của mức dùng enzyme tới hiệu suất

(Nhiệt độ tiền xử lý enzyme: 45oC, thời gian: 120 phút)

            Từ những kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của mức dùng đến quá trình tiền xử lý bằng enzyme lipase ta thấy rằng khi tăng mức dùng thì hàm lượng HexA trong bột giảm, trị số Kappa giảm và độ trắng tăng nhưng đồng thời độ nhớt và hiệu suất thu hoạch bột sẽ giảm, đặc biệt là khi mức dùng lớn hơn 15 LU/g.

  1. Kết luận

Nghiên cứu cho thấy để đạt được hiệu quả về hàm lượng HexA, trị số Kappa, độ trắng đồng thời đảm bảo độ nhớt và hiệu suất thu hoạch bột nên thực hiện tiền xử lý bằng enzyme với mức dùng là 15 LU/g. Enzym lipase có hoạt tính riêng làm giảm hàm lượng axit hexenuronic giúp giảm tiêu hao hóa chất trong quá trình tẩy trắng đồng thời đảm bảo chất lượng bột giấy. Điều này rất có ý nghĩa để giải quyết các vấn đề kinh phí sản xuất cho các công ty cũng như môi trường với xã hội./.

Xem dưới định dạng PDF:  Nghien cuu dung enzym lipase doi voi bot go cung

Nhóm nghiên cứu Trường Cao đẳng Công Thương Phú Thọ

Tin liên quan

Tin đã đăng