Nghiên cứu tạo α-cellulose hàm lượng cao từ gỗ keo lai (Acacia hybrid)

Trong nghiên cứu này, α-cellulose hàm lượng cao được chế tạo ra từ gỗ Keo lai rừng trồng làm nguyên liệu đầu vào tạo nanocellulose có độ tinh khiết cao. Để tạo ra α-cellulose chất lượng cao, nghiên cứu đã tiến hành nấu bột gỗ bằng phương pháp nấu sunfat với tổng mức dùng kiềm là 20%, bột gỗ sau khi nấu được tách loại lignin bằng phương pháp oxy kiềm, sau đó bột gỗ được tiến hành tẩy trắng theo quy trình ECF (D0 - Eop - D1), cuối cùng bột gỗ được làm giàu α-cellulose theo phương pháp kiềm lạnh (CCE - Cold Caustic Extraction).

Công nghiệp rừng NGHIÊN CỨU TẠO α-CELLULOSE HÀM LƯỢNG CAO TỪ GỖ KEO LAI (Acacia hybrid) Nguyễn Tất Thắng1, Cao Quốc An1, Phạm Tường Lâm1 Hoàng Nhân Thắng2, Lê Văn Quyền3 Trường Đại học Lâm nghiệp Trường Cao đẳng Công nghệ & Nông lâm Đông Bắc Trường Cao đẳng Công nghệ, Kinh tế & Chế biến Lâm sản https://doi.org/10.55250/jo.vnuf.2022.4.123-132 TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, α-cellulose hàm lượng cao chế tạo từ gỗ Keo lai rừng trồng làm nguyên liệu đầu vào tạo nanocellulose có độ tinh khiết cao Để tạo α-cellulose chất lượng cao, nghiên cứu tiến hành nấu bột gỗ phương pháp nấu sunfat với tổng mức dùng kiềm 20%, bột gỗ sau nấu tách loại lignin phương pháp oxy kiềm, sau bột gỗ tiến hành tẩy trắng theo quy trình ECF (D0 - Eop - D1), cuối bột gỗ làm giàu α-cellulose theo phương pháp kiềm lạnh (CCE - Cold Caustic Extraction) Nghiên cứu thử nghiệm để xác định tính chất bột gỗ thông qua tiêu: hiệu suất bột, hệ số Kappa hàm lượng αcellulose Kết cho thấy, sau công đoạn xử lý gỗ Keo lai, hiệu suất bột thu 90%, hệ số kappa 0,4, hàm lượng α-cellulose đạt 95,5% Với hàm lượng α-cellulose lớn 90% yếu tố chất lượng quan trọng để làm nguyên liệu đầu vào cho công đoạn tạo nanocellulose có độ tinh khiết cao ứng dụng chế tạo sơn nanocellulose Từ khóa: Làm giàu α-cellulose, nấu bột gỗ, oxy kiềm, phương pháp kiềm lạnh, quy trình ECF, tách loại lignin ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, nanocellulose thu hút nghiên cứu ứng dụng cho nhiều ngành công nghiệp khác Nghiên cứu nanocellulose không trích xuất từ sinh khối thực vật, mà khả ứng dụng vật liệu lĩnh vực khác Triển vọng tương lai vật liệu nanocellulose tiềm Nanocellulose trích xuất hiệu từ sinh khối thực vật có ứng dụng khả thi cải tiến biến tính nhiều dạng vật liệu khác Sinh khối lignocellulose bao gồm chất hữu tự nhiên khác nhau, chủ yếu liên quan đến thực vật nguyên liệu thực vật, nhóm nguyên liệu carbon bền vững lớn nguyên liệu hứa hẹn để sản xuất bền vững sinh hóa, ethanol sinh học nhiên liệu sinh học (Lee et al., 2014) Đặc biệt, sinh khối lignocellulose nguồn chất xơ tự nhiên thay polyme gốc dầu mỏ đặc tính thân thiện với mơi trường bật Hơn nữa, chất thải từ sinh khối chất thải nông nghiệp phế phẩm rừng có tiềm tái sử dụng cao làm nhiên liệu nguyên liệu để sản xuất vật liệu có giá trị gia tăng cao mà khơng có cạnh tranh với chuỗi thức ăn người động vật Cấu trúc thành tế bào sinh khối lignocellulose chủ yếu bao gồm ba loại polymer, tức lignin, hemicellulose cellulose Tuy nhiên, thành phần hàm lượng ba thành phần đa dạng khác biệt loài, chủng loại nguồn sinh khối lignocellulose (Agbor et al., 2011; Langan et al., 2014) Cellulose thành phần sinh khối lignocellulose tập trung chủ yếu thành tế bào thực vật với tỷ lệ khoảng 35-50% (Burhenne et al., 2013; Demirbaş 2005; Li et al., 2015) Nó bao gồm homopolysacarit tuyến tính đơn vị liên kết -1,4-anhydro-Dglucose với đơn vị lặp lại cellobiose (Moon et al., 2011) Các monome cellobiose, đặt tên đơn vị anhydroglucose, bao gồm ba nhóm hydroxyl tạo thành liên kết hydro mạnh với đơn vị glucose liền kề chuỗi với chuỗi khác nhau, gọi mạng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2022 123 Công nghiệp rừng liên kết hydro nội phân tử liên phân tử (Moon et al., 2011) Các mạng lưới liên kết hydro cấu trúc bền vững chặt chẽ phần tinh thể sợi cellulose khiến chúng có độ bền cao, tính xơ khơng hịa tan nước, có khả kháng cao với hầu hết dung môi hữu bên thành tế bào thực vật (Anwar et al., 2014; Habibi et al., 2010; Lavoine et al., 2012) Sự định hướng phân tử glucose mạng lưới liên kết hydro cellulose có định hướng rộng, dẫn đến khác hình dạng cellulose (Moon et al., 2011) α-cellulose phần bột cellulose thu sau xử lý mẫu bột cellulose dung dịch NaOH 17,5%, phần cellulose không tan dung dịch NaOH 17,5% thành phần αcellulose Đây số đặc trưng cho độ bền cellulose dung dịch kiềm Thành phần hóa học α- cellulose phụ thuộc vào thành phần hóa học cellulose ban đầu α-cellulose phần cellulose cao phân tử với bậc trùng hợp lớn 200 Trên giới, từ sớm có nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu làm giàu αcellulose phương pháp khác nhau, sau làm giàu, α-cellulose có giá trị 90% ứng dụng cho nhiều mục đích khác Năm 2008, Behin cộng nghiên cứu làm giàu α-cellulose từ thân ngô quy trình kraft, nghiên cứu thực nghiền bột kraft 170oC 90 phút sau tẩy trắng trình tự HEH&HEHP, kết α-cellulose làm giàu đến 97,7% Năm 2010, Gabriele Schild cộng nghiên cứu trình làm giàu α-cellulose từ nguyên liệu gỗ bạch đàn nấu sunfat tiền thủy phân, tách loại lignin oxy, làm giàu α-cellulose theo phương pháp kiềm lạnh Kết thu bột có hàm lượng α – xenlulo đạt 98,4% Năm 2012, Batalha cộng nghiên cứu 124 sản xuất bột giấy từ tre, nghiên cứu nấu dăm tre NaOH/AQ tẩy trắng quy trình O-CCE-D-(EP)-D-P (CCE giai đoạn xử lý kiềm lạnh) Kết thu bột có hàm lượng α-cellulose 94,9% Tại Việt Nam, năm 2015 Ngô Văn Hữu cộng Viện Công nghiệp Giấy Xenluylô tiến hành Đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu công nghệ sản xuất nanocellulose từ nguồn nguyên liệu xơ sợi nước”, quy trình sản xuất nanocellulose, nguyên liệu α-cellulose làm giàu phương pháp kiềm lạnh với chế độ công nghệ: nồng độ bột 5%, mức dùng kiềm so với bột KTĐ 90%, nhiệt độ xử lý 300C, thời gian xử lý 30 phút Kết cho thấy hiệu suất kiềm hóa đạt xấp xỉ 85%, hàm lượng α-cellulose thu khoảng 98,5%, hoàn toàn phù hợp cho điều chế sản phẩm dược phẩm (theo tiêu chuẩn làm tá dược) Trong nghiên cứu tạo nanocellulose sử dụng làm nguyên liệu sản xuất sơn nanocellulose, bột nanocellulose sử dụng phải có hàm lượng αcellulose cao 90% Tuy nhiên, sau công đoạn tẩy trắng bột gỗ hàm lượng α-cellulose 80%, cần thiết phải có cơng đoạn làm giàu α-cellulose Chính vậy, hướng nghiên cứu làm giàu α-cellulose từ nguyên liệu gỗ Keo lai tiền đề quy trình tạo nanocellulose chất lượng cao PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu nghiên cứu - Nguyên liệu gỗ Keo lai (Acacia hybrid) năm tuổi lấy Phú Thọ Gỗ cắt khúc thành khúc mỏng có chiều dày 30 mm Sau chẻ dạng mảnh, kích thước (dài rộng) 15 – 30 mm, độ dày: – mm (hình 1) - Dăm mảnh phơi khô tự nhiên, sàng để lựa chọn dăm mảnh đạt yêu cầu (mảnh hợp cách); - Khối lượng dăm mảnh sử dụng cho nghiên cứu, chế tạo 20 kg dăm mảnh TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2022 Cơng nghiệp rừng Hình Nguyên liệu gỗ Keo lai 2.2 Phương pháp tạo bột cellulose có hàm lượng α – cellulose cao Hình Sơ đồ thí nghiệm tạo bột cellulose có hàm lượng α-cellulose cao (a) Nấu bột giấy - Nguyên liệu (dăm mảnh hợp cách) nạp liệu, tiến hành nấu nồi nấu thí nghiệm TT thể tích 4,5 lít; gia nhiệt điện Viện Cơng nghiệp Giấy Xenluylơ (hình 3a) Điều kiện cơng nghệ thể bảng Bảng Điều kiện công nghệ nấu bột giấy Điều kiện công nghệ Đơn vị Tổng mức dùng kiềm % NaOH Độ sunphua Tỷ dịch Nhiệt độ bảo ôn Thời gian gia nhiệt Thời gian bảo ôn - Bột sau nấu rửa nước (qua lưới rửa 80 mesh), làm khô xác định hiệu suất Thông số 20 % theo tổng kiềm 25 R/L o C phút phút ¼ 165 90 150 nấu, trị số Kappa - Số lượng nồi nấu: 06 nồi TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2022 125 Công nghiệp rừng (a) Thiết bị nấu bột (b) Thiết bị tách loại lignin oxy kiềm (c) Thiết bị tẩy trắng theo quy trình ECF (d) Thiết bị thực làm giàu α-cellulose theo phương pháp kiềm lạnh (bể điều nhiệt) Hình Thiết bị thí nghiệm (b) Tách loại lignin oxy kiềm Bột sau nấu sunfat xử lý oxy môi trường kiềm (quy mơ 300 g khơ tuyệt đối/mẻ) theo quy trình công nghệ (bảng 2) Bảng Điều kiện công nghệ tách loại lignin oxy kiềm TT Điều kiện công nghệ Đơn vị Thông số Nồng độ bột % 10 o Nhiệt độ C 100 Thời gian phút 90 Áp suất ôxy MPa 0,7 Mức dùng kiềm % (K-10) x 0,15 Mức dùng MgSO4 % 0,5 Ghi chú: K – Trị số Kappa bột sau nấu Công đoạn tách loại lignin oxy kiềm thực thiết bị oxy kiềm (thể tích lít, gia nhiệt điện, khuấy trục đứng Viện Cơng nghiệp Giấy Xenluylơ) (hình 3b) Kết thúc thời gian xử lý, bột rửa nước (trên lưới 80 mesh), vắt khô Xác định hiệu suất, trị số Kappa Số lượng mẻ xử lý: 06 mẻ (c) Tẩy trắng bột quy trình ECF Bột sau xử lý oxy kiềm thành phần lignin hemicellulose, để loại bỏ thành phần bột tiến hành tẩy trắng theo quy trình ECF (D0 - Eop - D1) Mỗi lần tiến hành với 300 g bột KTĐ (phần bột loại bỏ lignin oxy kiềm) theo điều kiện công nghệ (bảng 3) Bảng Điều kiện công nghệ cơng đoạn tẩy trắng theo quy trình ECF D0 TT Điều kiện công nghệ Đơn vị (Eop) Nồng độ bột % 10 10 Nhiệt độ C 75 75 Thời gian, phút phút 60 120 pH cuối 2÷3 0,3 x K1 Mức dùng Clo hoạt tính %Cl6 Áp suất Ơxy kPa 300 0,15xK Mức dùng kiềm % Mức dùng MgSO4 % 0,1 Mức dùng H2O2 % 0,3 10 Mức dùng Na2SiO3 % 0,25 126 D1 10 75 90 3÷4 0,5 x K2 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2022 Cơng nghiệp rừng Quy trình ECF tiến hành thiết bị tẩy oxy kiềm lít Viện Cơng nghiệp Giấy Xenluylơ (Hình 3c) Kết thúc công đoạn rửa nước (trên lưới 80 mesh), vắt khô Bột sau tẩy làm khô xác định hiệu suất, hàm lượng α - cellulose Số lượng mẻ xử lý: 04 mẻ (d) Làm giàu α – cellulose phương pháp kiềm lạnh Sau tẩy trắng bột gỗ theo quy trình ECF, hàm lượng α – cellulose bột thấp 90% Do vậy, bột gỗ cần làm giàu α – cellulose Nghiên cứu tiến hành làm giàu (tinh chế) cellulose theo phương pháp kiềm lạnh (CCE Cold Caustic Extraction) theo quy trình cơng nghệ (bảng 4), bột gỗ cho vào túi nilon, buộc kính sau cho vào bể điều nhiệt nhằm đảm bảo nhiệt độ nhỏ 40oC (hình 3d) Bảng Điều kiện cơng nghệ làm giàu α – cellulose phương pháp kiềm lạnh TT Điều kiện công nghệ Đơn vị Thông số Nồng độ bột % Mức dùng kiềm % 70 Nhiệt độ o C 30 Thời gian phút 90 Kết thúc thời gian xử lý, bột lọc, rửa nhân với 100% ta hiệu suất nấu bột gỗ nước (trên lưới 80 mesh), vắt khô Hiệu suất bột gỗ xác định theo công xác định hiệu suất, hàm lượng α – cellulose thức: sản phẩm thu H = (Gbột/Ddăm) x 100 (%) Trong đó: 2.3 Phương pháp xác định số tính chất Gbột – Lượng bột khơ tuyệt đối bột gỗ nồi (g) 2.3.1 Xác định hiệu suất bột Bột sau rửa vắt kiệt nước, sau Gdăm – Lượng dăm khơ tuyệt đối nạp vào đem cân cân kỹ thuật ghi lại kết nồi (g) Xé tơi nắm bột cho vào túi nylon 2.3.2 Xác định trị số Kappa bột có ghi thẻ ký hiệu nồi nấu, mẻ nấu Các túi (a) Nguyên lý buộc kín để ngày đêm cho bột đạt độ Dùng KMnO4 môi trường axit để oxy ẩm đồng làm cơng việc tiếp hóa lignin, số KMnO4 dư cho tác dụng với KI, theo tạo thành I2 Dùng Na2S2O3 để chuẩn lượng I2 Việc xác định hiệu suất bột thực chất xác với chất thị màu hồ tinh bột Căn vào định độ ẩm bột sau nấu, từ tính lượng Na2S2O3 để tính lượng KMnO4 lượng bột khô tuyệt đối nồi, đem chia tiêu hao cho phản ứng với lignin cho lượng dăm mảnh khơ tuyệt đối đưa vào nấu Phương trình phản ứng: KMnO4 + H2SO4 + 10 KI = K2SO4 + MnSO4 + I2 + H2O I2 + Na2S2O3 = Na2S4O6 + NaI (b) Dụng cụ, hóa chất - Cốc 1.000 ml; - Cốc 200 ml; - Đồng hồ bấm giây; - Nhiệt kế; - KI 1N; - Na2S2O3 0,2N; (c) Cách tiến hành Lấy mẫu bột 1,3 – 1,5 gam khô tuyệt đối Khuấy mẫu bột với nước cất 20 – 300C - H2SO4 4N; - KMnO4 0,1N; - Hồ tinh bột cốc 1.000 ml Hút 50 ml H2SO4 4N, 50 ml KMnO4 0,1N vào cốc 200 ml (tổng lượng dịch 500 ml) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2022 127 Công nghiệp rừng Đổ hỗn hợp 100 ml vào bột khuấy, đồng thời bấm đồng hồ Sau phút đo nhiệt độ Sau 10 phút cho vào hỗn hợp 10 ml KI 1N Chuẩn Na2S2O3 0,2N có màu vàng rơm Cho – giọt tinh bột, chuẩn đến màu Ghi thể tích Na2S2O3 0,2N tiêu hao a ml Làm thí nghiệm tương tự với mẫu trắng (khơng có bột) thể tích b ml (d) Tính tốn K = p*f*kt/W Trong đó: W khối lượng bột khơ tuyệt đối, tính theo gam; kt hệ số nhiệt độ; kt = + 0,013*(25 – T); T nhiệt độ đo p = N*(b – a)/0,1 = 2*(b – a) N = 0,2 f hệ số phụ thuộc vào p 2.3.3 Xác định hàm lượng α – cellulose (a) Hóa chất - Dung dịch natri hydroxit, NaOH 9,5%; 17,5% (b) Chuẩn bị mẫu - Bột giấy khơ gió xé thành mảnh nhỏ với kích thước khoảng 10 x 10 mm Cân khoảng g mẫu thử xác tới 0,0002 g Cùng thời điểm cân mẫu để xác định độ khô (c) Cách tiến hành Cho mẫu thử vào cốc có dung tích 150 ml đổ 15 ml NaOH 17,5% nhiệt độ 20±0,2oC, dùng đũa thủy tinh đầu dẹt khuấy trộn khoảng – phút sau cho tiếp 30 ml NaOH 17,5% khuấy trộn phút Dùng kính trịn đậy cốc để nhiệt độ 20±0,20C 45 phút kể từ bắt đầu cho NaOH Sau thời gian đó, bổ sung vào cốc 45 ml nước cất nhiệt độ 20±0,2oC, khuấy trộn – phút chuyển vào cốc lọc thủy tinh phễu lọc sứ có đường kính lỗ lọc mm Để tránh làm xơ sợi, dịch lọc lọc lọc lại đến khơng cịn xơ sợi dịch lọc Xơ sợi phễu lọc rửa lần NaOH 9,5% nhiệt độ 20±0,2oC lần 25 ml thời gian – phút Sau đó, dùng nước cất nhiệt độ 18 – 20oC để rửa đến phản ứng trung tính (khi rửa sử dụng hút chân không) Sau rửa xong, xơ sợi chuyển vào 128 cốc cân sấy nhiệt độ 105±2oC đến khối lượng khơng đổi (d) Tính tốn Hàm lượng α – cellulose tính phần trăm, theo cơng thức sau: A (%) = (m1 – m)/m2*100 Trong đó: m khối lượng cốc cân khơ tuyệt đối, tính gam; m1 khối lượng cốc cân mẫu sau xử lý, tính gam; m2 khối lượng mẫu thử khơ tuyệt đối, tính gam KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Quá trình nấu bột gỗ Kết từ bảng cho thấy, bột sau nấu thu hiệu suất 43,5%, điều cho thấy phần dăm gỗ bị phân hủy khuếch tán hòa tan vào dung dịch, sau rửa bột sàng chọn, làm bột phần lại thu lượng bột gỗ Q trình chuyển từ dăm gỗ sang bột gỗ trình phản ứng phức tạp: Đầu tiên, dăm gỗ ngâm dung dịch nấu, dịch nấu thẩm thấu vào sâu vách tế bào nguyên liệu thực vật, làm trương nở mơ thực vật Các phản ứng hóa học thành phần dịch nấu với thành phần nguyên liệu bao gồm kích hoạt, làm đứt liên kết đại phân tử lignin tổ hợp lignincacbohydrat, diễn giai đoạn gia nhiệt, tác dụng ion hydroxyl hydrosunfua, thâm nhập vào nguyên liệu Các phản ứng bao gồm phản ứng phân hủy liên kết ete, phản ứng sunfua hóa lignin, phản ứng tách nhóm axetyl số nhóm mạch nhánh khỏi đại phân tử polysaccarit Các phản ứng làm lignin phân hủy, phần hemicellulose cellulose đồng thời bị phân hủy, trích ly chất vơ bị hịa tan Do vậy, hiệu suất thu 43,5% số thành phần tạo màu gỗ lignin, chất chiết xuất bị phân hủy nên hệ số Kappa thu 24 Kết trình nấu bột cho thấy, nguyên liệu dăm gỗ sau trình nấu tạo thành bột, đầu vào cho trình tách loại lignin TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2022 Cơng nghiệp rừng Bảng Chất lượng bột sau nấu TT Chỉ tiêu Đơn vị Thông số Hiệu suất % 43,5 Trị số Kappa - 24,0 3.2 Tách loại lignin oxy kiềm Xử lý oxy – kiềm tảng tạo công nghệ tẩy trắng thân thiện môi trường, không xử dụng chất tẩy chứa clo không gây hại sức khỏe người Nhằm thu bột gỗ có hàm lượng lignin thấp, với trị số Kappa thấp, đồng thời nâng cao hiệu suất cải thiện tính chất bột Qua bảng 6, thấy sau xử lý oxy kiềm, hiệu suất thu lớn 96,5%, hiệu suất bột thu cao công đoạn loại bỏ thành phần lignin bột, lượng lignin hầu hết bị loại bỏ hệ số kappa giảm theo Trị số Kappa giá trị thể hàm lượng lignin lại thành phần có khả oxy hóa khác chứa bột, sau trình oxy kiềm trị số Kappa giảm 67,5% so với bột gỗ chưa xử lý Bảng Chất lượng bột sau oxy kiềm TT Chỉ tiêu Đơn vị Thông số Hiệu suất % 96,5 Trị số Kappa - 7,8 Lignin cịn lại bột có cấu tạo khác biệt nhiều so với lignin nguyên liệu ban đầu Đây mảng đại phân tử lignin với cấu trúc hóa học khó phân hủy tác dụng tác nhân nấu Các kết nghiên cứu cho thấy, hàm lượng cấu trúc chứa liên kết β-O4 cao, số lượng liên kết lignin polysaccarit xenlulozơ, xylan glucomannan tăng Ngồi ra, nhóm metylen mạch thẳng hình thành cấu trúc phản ứng Những tính chất làm cho lignin không dễ dàng bị phân hủy hồn tồn tác dụng chất oxy hóa độc lập, mà phải sử dụng nhiều chất oxy hóa đa dạng Vì vậy, trình tách loại lignin oxy kiềm tách loại phần lignin cần thực q trình tẩy trắng cơng đoạn để loại bỏ lignin tạp chất khác 3.3 Tẩy trắng bột quy trình ECF Bột sau xử lý oxy kiềm lignin hemicellulose để loại bỏ thành phần bột tiếp tục tiến hành tẩy trắng Quy trình tẩy trắng ECF (Elemental chlorine – Free) kỹ thuật khơng dùng Clo ngun tố q trình tẩy mà thường sử dụng tác nhân tẩy trắng chính: đioxyt clo (ClO2), ơxy (O2), hyđro peroxyt (H2O2) Q trình tẩy thường tiến hành qua nhiều giai đoạn với tác nhân điều kiện tiến hành khác nhau, độ trắng bột sau tẩy đạt tới 90% ISO với chất lượng cao, chi phí hợp lý giảm thiểu lượng AOX có nước thải, thải mơi trường Từ bảng thấy sau q trình ECF, TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2022 129 Công nghiệp rừng bột thực theo quy trình ECF nhiều bước, hiệu suất bột thu giảm so với bước tách loại lignin oxy-kiềm Tuy nhiên, hiệu suất thu đạt 85% Trị số Kappa giảm mạnh cịn 1,1 điều cho thấy thành phần lignin bột loại bỏ đáng kể, độ trắng bột cải thiện rõ nét Hàm lượng α-cellulose sau trình tẩy trắng ECF đạt 82,4% Mặc dù hàm hượng α-cellulose đạt 82,4% nhiên để làm nguyên liệu tạo nanocellulose chất lượng cao hàm hượng αcellulose cần đạt 90% Do vậy, cần thiết phải có bước xử lý làm giàu α-cellulose nhằm tăng hàm hượng α-cellulose bột Bảng Chất lượng bột sau tẩy trắng TT Chỉ tiêu Đơn vị Thông số Hiệu suất % 85,0 Trị số Kappa - 1,1 Hàm lượng α - cellulose % 82,4 3.4 Làm giàu α-cellulose phương pháp kiềm lạnh Với mục tiêu tạo α-cellulose có hiệu suất cao làm nguyên liệu cho sản xuất nanocellulose, yêu cầu α-cellulose có hàm lượng 90%, mà sau trình tẩy trắng ECF, hàm lượng α-cellulose đạt 80% Do vậy, trình tinh chế bột cellulose hay làm giàu αcellulose quan trọng Thông qua phương pháp xử lý kiềm lạnh, chất lượng sản phẩm bột cellulose thể bảng Bảng Chất lượng sản phẩm bột cellulose TT Chỉ tiêu Đơn vị Thông số Hiệu suất % 90,0 Trị số Kappa - 0,4 Hàm lượng α cellulose % 95,5 Qua bảng cho thấy hàm lượng α-cellulose đạt 95,5%, tăng 15,8 % so với bột hàm lượng αcellulose sau tẩy trắng quy trình ECF, trị số kappa cịn 0,4 Điều cho thấy bột sau trình làm giàu xử lý kiềm lạnh, bột loại bỏ cacbohydrat mạch ngắn hemixenlulo hay phân tử cellulose mạch ngắn sinh trình, đồng thời loại bỏ 130 hầu hết lignin, chất nhựa tạp chất khác Phương pháp kiềm lạnh cách xử lý để thu hàm lượng α-cellulose cao nhất, cho suất cao cellulose tinh khiết (Syed 2012) Năm 2008, Behin cộng nghiên cứu tạo α-cellulose từ bột thân ngô xử lý quy trình HEH & HEHP Kết thu bột có hàm lượng α-cellulose đạt 94,7% Năm TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2022 Cơng nghiệp rừng 2010, Gabriele Schild cộng nghiên cứu trình làm giàu α-cellulose từ nguyên liệu gỗ bạch đàn nấu sunfat tiền thủy phân, tách loại lignin oxy, làm giàu α-cellulose theo phương pháp kiềm lạnh Kết thu bột có hàm lượng α-cellulose đạt 98,4% So sánh kết nghiên cứu tác giả giới thấy, phương pháp làm giàu αcellulose từ bột gỗ Keo lai phương pháp kiềm lạnh hiệu tương đối cao, hàm lượng α-cellulose 90%, đạt 95,5% Do vậy, phương pháp làm giàu α-cellulose từ gỗ rừng trồng Keo lai quy trình đề xuất thu hàm lượng α-cellulose cao, phù hợp làm nguyên liệu đầu vào để sản xuất nanocellulose KẾT LUẬN Nghiên cứu thực tạo α-cellulose hàm lượng cao từ bột gỗ Keo lai với phương pháp nấu bột gỗ phương phấp nấu sunfat với tổng mức dùng kiềm 20%, bột sau nấu tách loại lignin oxy kiềm, sau bột tiến hành tẩy trắng theo quy trình ECF (D0 Eop - D1), cuối làm giàu α-cellulose theo phương pháp kiềm lạnh Kết cho thấy: Nghiên cứu sử dụng phương pháp tẩy trắng bột oxy kiềm ECF sau làm giàu αcellulose phương pháp kiềm lạnh lignin bột gỗ dần loại bỏ gần loại hoàn toàn với trị số Kappa 0,4 Sản phẩm α-cellulose tạo có dạng bột, hiệu suất tạo bột đạt 90%, bột cellulose tạo có hàm lượng α-cellulose cao, đạt 95,5% Với hàm lượng α-cellulose lớn 90 % tiêu chất lượng quan trọng để làm nguyên liệu đầu vào tạo nanocellulose có độ tinh khiết cao cho sơn nanocellulose Lời cảm ơn Nghiên cứu hỗ trợ kinh phí từ đề tài Nghiên cứu Khoa học phát triển công nghệ cấp “Nghiên cứu công nghệ sản xuất vật liệu Nanocellulose từ gỗ Keo lai để nâng cao chất lượng sơn phủ đáp ứng yêu cầu cho đồ gỗ xuất khẩu” TÀI LIỆU THAM KHẢO Agbor, Valery B, Nazim Cicek, Richard Sparling, Alex Berlin, and David B (2011) Biomass pretreatment: fundamentals toward application, Biotechnology advances Levin (29): 675-85 Anwar, Zahid, Muhammad Gulfraz, Muhammad (2014) Agro-industrial lignocellulosic biomass a key to unlock the future bio-energy: a brief review Journal of radiation research Irshad, and applied sciences (7): 16373 Burhenne, Luisa, Jonas Messmer, Thomas Aicher, Marie-Pierre (2013) The effect of the biomass components lignin, cellulose and hemicellulose on TGA and fixed bed pyrolysis Journal of Analytical Laborie, and Applied Pyrolysis (101): 177-84 Demirbaş, Ayhan (2005) Estimating of structural composition of wood and non-wood biomass samples Energy Sources (27): 761-67 Habibi, Youssef, Lucian A Lucia, and Orlando (2010) Cellulose nanocrystals: chemistry, selfassembly, and applications Chemical reviews Rojas (110): 3479-500 Langan, Paul, Loukas Petridis, Hugh M O'Neill, Sai Venkatesh Pingali, Marcus Foston, Yoshiharu Nishiyama, Roland Schulz, Benjamin Lindner, B Leif Hanson, and Shane (2014) Common processes drive the thermochemical pretreatment of lignocellulosic biomass Green Chemistry Harton (16): 63-68 Lavoine, Nathalie, Isabelle Desloges, Alain Dufresne, and Julien (2012) Microfibrillated cellulose– Its barrier properties and applications in cellulosic materials: A review Carbohydrate polymers Bras (90): 735-64 Lee, Hweivoon, Sharifah Bee Abd Hamid, and Ka zain (2014) Conversion of lignocellulosic biomass to nanocellulose: structure and chemical process The Scientific World Journal doi:10.1155/2014/631013 Li, Xiaoli, Chanjun Sun, Binxiong Zhou, and Yong (2015) Determination of hemicellulose, cellulose and lignin in moso bamboo by near infrared spectroscopy Scientific reports (5) doi.org/10.1038/srep17210 10 Moon, Robert J, Ashlie Martini, John Nairn, John Simonsen, and Jeff (2011) Cellulose nanomaterials review: structure, properties and nanocomposites Chemical Society Reviews Youngblood (40): 3941-94 11 Syed, Hanif Uddin (2012) Cold caustic extraction of spruce sulfite dissolving pulp M.Sc Thesis, Faculty of Technology and Science Department of Chemical Engineering - Karlstad University TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2022 131 Công nghiệp rừng RESEARCH AND PRODUCTION OF HIGH CONTENTS OF α-CELLULOSE FROM ACACIA HYBRID WOOD Nguyen Tat Thang1, Cao Quoc An1, Pham Tuong Lam1, Hoang Nhan Thang2, Le Van Quyen3 Vietnam National University of Forestry North-Eastern College of Technology, Agriculture and Forestry The College of technology, economic and forest product processing SUMMARY In this study, high-content α-cellulose was made from Acacia hybrid wood as a material to produce high-purity nanocellulose To create high-quality α-cellulose, the study conducted cooking of wood pulp by sulfate cooking method with a total alkali use of 20%, the wood pulp after the cooking process was separated lignin by oxy-alkali Then the wood pulp is bleached according to the ECF process (D0 - Eop - D1), and finally, the wood pulp is enriched with α-cellulose by the cold alkaline method (CCE - Cold Caustic Extraction) The study testing to determine the properties of wood pulp by wood pulp performance, kappa values, and content of α-cellulose The results show that, after many stages of Acacia hybrid wood processing, the wood pulp performance was 90%, the kappa coefficient was 0.4, and the content of α-cellulose reached 95.5% The content of α-cellulose greater than 90% is an important quality factor to be used as input material for the production of high-purity nanocellulose for the application of nanocellulose paints Keywords: Cold alkali method, ECF process, lignin removal, oxy-alkali, wood pulp cooking, α-cellulose enrichment Ngày nhận Ngày phản biện Ngày định đăng 132 : 16/6/2022 : 16/7/2022 : 28/7/2022 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2022 ... α-cellulose từ nguyên liệu gỗ Keo lai tiền đề quy trình tạo nanocellulose chất lượng cao PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu nghiên cứu - Nguyên liệu gỗ Keo lai (Acacia hybrid) năm tuổi lấy Phú Thọ Gỗ. .. lạnh hiệu tương đối cao, hàm lượng α-cellulose 90%, đạt 95,5% Do vậy, phương pháp làm giàu α-cellulose từ gỗ rừng trồng Keo lai quy trình đề xuất thu hàm lượng α-cellulose cao, phù hợp làm nguyên... thu hàm lượng α-cellulose cao nhất, cho suất cao cellulose tinh khiết (Syed 2012) Năm 2008, Behin cộng nghiên cứu tạo α-cellulose từ bột thân ngô xử lý quy trình HEH & HEHP Kết thu bột có hàm lượng