nghiên cứu sử dụng enzym cellulase và hemicellulase để làm giảm năng lượng nghiền bột giấy hoá học tẩy trắng

Nồng độ bột giấy trong máy nghiền Hydrofainer cao, khoảng 6%, nên tác dụng chổi hóa xơ sợi mạnh hơn so với máy nghiền Gioocdan và thường được sử dụng để nghiền bột giấy cho sản xuất các

BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY GIẤY VIỆT NAM CÔNG TY TNHH VIỆN CÔNG NGHIỆP GIẤY VÀ XENLUYLÔ

************************

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI CẤP BỘ NĂM 2012

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ENZYM CELLULASE VÀ

HEMICELLUNASE ĐỂ LÀM GIẢM NĂNG LƯỢNG NGHIỀN

BỘT GIẤY HÓA HỌC TẨY TRẮNG

Cơ quan chủ trì: Công ty TNHH Viện Công nghiệp Giấy và Xenluylô

9586

Hà nội 12/2012

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ GIAI ĐOẠN NGHIỀN TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT GIẤY VÀ ENZYME TRỢ NGHIỀN 3

1.1 Quá trình nghiền bột giấy 3

1.2 Enzyme trợ nghiền 9

1.2 Định hương nghiên cứu 19

PHẦN II NGUYÊN LIỆU, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20

2.1 Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị nghiên cứu 20

2.2 Phương pháp nghiên cứu 22

PHẦN III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24

3.1 Nghiên cứu quy trình công nghệ sử dụng enzyme cellulasse và hemicellulase trong quá trình nghiền bột giấy hóa học tẩy trắng từ gỗ cứng cho sản xuất giấy in 24

3.2 Nghiên cứu quy trình công nghệ sử dụng enzyme cellulase và hemicellulase trong quá trình nghiền bột giấy hóa học tẩy trắng từ gỗ mềm cho sản xuất giấy in 37

3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xử lý bột giấy bằng enzyme trợ nghiền đến tính chất của giấy in 49

PHẦN IV SẢN XUẤT THỬ NGHIỆM 52

4.1 Nguyên liệu, hóa chất, phụ gia 52

4.2 Qui trình công nghệ 52

4.3 Tính chất giấy 54

4.4 Đánh giá hiệu quả kinh tế 54

PHẦN V KẾT LUẬN 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 : Các kết quả nghiên cứu về enzyme trợ nghiền 12Bảng 1.2 : Tác động của các loại enzyme tới thời gian nghiền 15Bảng 2.1 : Tính chất của bột giấy hóa học tẩy trắng dùng trong

nghiên cứu và sản xuất thử nghiệm

20

Bảng 3.1 : Ảnh hưởng của pH tới độ nghiền và chiều dài xơ sợi 24Bảng 3.2 : Ảnh hưởng của nhiệt độ tới chiều dài xơ sợi và độ nghiền 25Bảng 3.3 : Ảnh hưởng của thời gian tới chiều dài xơ sợi và độ nghiền 26Bảng 3.4 : Ảnh hưởng của mức dùng enzyme 26Bảng 3.5 : Tính chất vật lý của bột giấy 27Bảng 3.6 : Ảnh hưởng của pH 28Bảng 3.7 : Ảnh hưởng của nhiệt độ 29Bảng 3.8 : Ảnh hưởng của thời gian 30Bảng 3.9 : Ảnh hưởng của mức dùng 31Bảng 3.10 : Tính chất vật lý của bột giấy 32Bảng 3.11 : Ảnh hưởng của pH 33Bảng 3.12 : Ảnh hưởng của nhiệt độ 33Bảng 3.13 : Ảnh hưởng của thời gian 34Bảng 3.13 : Ảnh hưởng của mức dùng 35Bảng 3.14 : Tính chất vật lý của bột giấy 36Bảng 3.15 : Tính chất vật lý của bột giấy 37Bảng 3.16 : Ảnh hưởng của pH 38Bảng 3.17 : Ảnh hưởng của nhiệt độ 39Bảng 3.18 : Ảnh hưởng của thời gian 39Bảng 3.19 : Ảnh hưởng của mức dùng 40

Bảng 3.19 : Tính chất vật lý của bột giấy 41Bảng 3.20 : Ảnh hưởng của pH 42Bảng 3.21 : Ảnh hưởng của nhiệt độ 42Bảng 3.22 : Ảnh hưởng của thời gian 43Bảng 3.23 : Ảnh hưởng của mức dùng enzyme 44Bảng 3.24 : Tính chất vật lý của bột giấy 45Bảng 3.25 : Ảnh hưởng của pH 46Bảng 3.26 : Ảnh hưởng của nhiệt độ 46Bảng 3.27 : Ảnh hưởng của thời gian 47Bảng 3.28 : Ảnh hưởng của mức dùng enzyme 48Bảng 3.29 : Tính chất cơ lý của bột giấy 49Bảng 3.30 : Tính chất của giấy in 50Bảng 4.1 : Tính chất của giấy 54Bảng 4.2 : Đánh giá sơ bộ hiệu quả kinh tế 55

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 3.1 : Sơ đồ khối dây chuyền sản xuất thử nghiệm 53

MỞ ĐẦU

Sản xuất giấy là ngành công nghiệp tiêu thụ nhiều năng lượng, chiếm khoảng 18 – 25% giá thành của sản phẩm Tuỳ theo tính chất của từng loại bột giấy và các tính chất yêu cầu của mỗi loại giấy mà năng lượng sử dụng cho quá trình nghiền bột giấy chiếm khoảng 15 – 18% tổng năng lượng cần thiết để sản xuất các sản phẩm giấy từ

gỗ Năng lượng nghiền chiếm một phần chi phí lớn trong giá thành sản phẩm Chính vì vậy mà giảm lượng năng lượng nghiền sử dụng là một việc cấp thiết trong công nghiệp sản xuất giấy

Từ lâu trên thế giới đã tiến hành các nghiên cứu nhằm giảm năng lượng sử

dụng trong quá trình sản xuất, đặc biệt là quá trình nghiền Các nghiên cứu về thay đổi chế độ công nghệ cũng như cải tiến thiết bị nghiền được tiến hành và đã đem lại hiệu quả nhất định Nhưng hiện nay giải pháp được các nhà khoa học quan tâm và đi sâu vào nghiên cứu là sử dụng enzyme Một số loại enzyme đã được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và cho kết quả rõ rệt trong quá trình nghiền bột giấy Sử dụng enzyme đã làm giảm đáng kể năng lượng nghiền trong khi chất lượng bột giấy không thay đổi Nghiên cứu ở Ấn Độ cho thấy sử dụng hỗn hợp của enzyme cellulase và hemicellulase làm giảm năng lượng nghiền bột giấy từ 18 – 45% tuỳ theo từng loại bột giấy Sử dụng enzym hemicellulase sẽ giảm được năng lượng nghiền hỗn hợp bột giấy tẩy trắng từ gỗ cứng trong khoảng từ 6 – 30%, cải thiện được độ thoát nước và độ bền của bột giấy Sử dụng enzym cellulase trong quá trình nghiền bột giấy hoá học và bông

sẽ làm tăng độ bền của bột giấy và giảm được thời gian nghiền Sử dụng enzym xylanase sẽ làm giảm được năng lượng cần để nghiền bột giấy hoá học tẩy trắng Các nghiên cứu đều cho thấy tính hiệu quả khi sử dụng enzyme để làm giảm năng lượng nghiền bột giấy, trong khi chất lượng bột giấy không thay đổi

Hiện nay, các doanh nghiệp sản xuất giấy tại Việt Nam rất quan tâm tới việc giảm năng lượng trong quá trình sản xuất giấy Đặc biệt là trong hoàn cảnh nước ta năng lượng điện không đủ để cung cấp cho sản xuất Công đoạn nghiền bột giấy trong quá trình sản xuất giấy sử dụng năng lượng điện và chiếm một tỷ lệ tương đối lớn Việc giảm năng lượng trong quá trình nghiền bột giấy sẽ có ý nghĩa thực tiễn rất lớn, không những làm giảm được giá thành sản phẩm mà còn làm giảm được tiêu thụ điện của ngành giấy Bởi vậy Công ty TNHH Viện Công nghiệp Giấy và Xenluylô đề xuất đề

tài:“Nghiên cứu sử dụng enzym cellulase và hemicellunase để làm giảm năng lượng

nghiền bột giấy hoá học tẩy trắng“ Mục tiêu của đề tài là xác lập quy trình công nghệ

sử dụng enzyme cellulase và hemicellulase để làm giảm năng lượng nghiền bột giấy

- Đánh giá mức giảm năng lượng tiêu thụ cho nghiền bột giấy;

- Tiến hành sản xuất thử nghiệm sản phẩm giấy in theo quy trình công nghệ đã lựa chọn tại xưởng thực nghiệm của Công ty TNHH Viện Công nghiệp Giấy và Xenluylo

Nghiên cứu này sẽ giúp các cơ sở sản xuất trong việc lựa chọn chế phẩm enzyme cũng như chế độ công nghệ sử dụng Việc đưa được enzyme vào giai đoạn nghiền để giảm năng lượng sử dụng sẽ làm giảm giá thành sản phẩm, hơn nữa việc đưa được công nghệ sinh học vào thực tế sản xuất sẽ góp phần làm cho ngành giấy ngày càng thân thiện với môi trường

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ GIAI ĐOẠN NGHIỀN TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT

GIẤY VÀ ENZYME TRỢ NGHIỀN 1.1 Quá trình nghiền bột giấy

1.1.1 Khái niệm chung

Bột giấy trong các nhà máy bột giấy không xử lý cơ học sẽ không thích hợp để sản xuất phần lớn các loại giấy Tờ giấy được làm từ bột giấy nguyên thủy chưa nghiền

sẽ có độ bền thấp, xốp và bề mặt không nhẵn Để sản xuất các loại giấy có chất lượng cao xơ sợi phải có tính mờ đục, tờ giấy phải đồng đều và phải có độ liên kết tốt tại các điểm tiếp xúc Trong quá trình nghiền lớp ngoài cùng của xơ sợi bị bóc ra, làm xơ sợi

bị trương nở bởi sự hydrat hóa, giảm chiều dài do bị cắt, như vậy xơ sợi sẽ bị ngắn đi, chổi hóa bên trong, chổi hóa bên ngoài và tăng độ mềm mại,… Điều này dẫn tới sự tăng diện tích bề mặt xơ sợi và thể tích riêng Do vậy, khi xeo giấy liên kết xơ sợi tốt hơn và giấy có độ đồng đều, độ bền cơ lý cao hơn

Trong phòng thí nghiệm máy nghiền Hà Lan và máy nghiền PFI được sử dụng trong quá trình nghiền, trong khi đó tại các nhà máy thiết bị thích hợp được sử dụng là máy nghiền đĩa hoặc máy nghiền côn Quá trình nghiền có ảnh hưởng rất lớn tới tính chất của giấy, vì thế trong ngành giấy có câu: “Giấy được hình thành trong máy nghiền”.Bất kỳ một sự tổn hại nào của xơ sợi trong giai đoạn này cũng không thể sửa chữa được trong các giai đoạn tiếp theo

Nghiên cứu của các nhà khoa học cho thấy về cơ bản có hai hiện tượng chính xảy ra đồng thời trong quá trình nghiền bột giấy:

- Hiện tượng thứ nhất đơn thuần là những tác dụng cơ học của dao nghiền lên

xơ sợi bột giấy, làm thay đổi hình dạng xơ sợi: cắt ngắn và chổi hóa

- Hiện tượng thứ hai là tác động mang tính keo hóa hay còn gọi là hiện tượng thủy hóa, xơ sợi bị trương nở, kéo theo sự chổi hóa làm vách tế bào xơ sợi mỏng đi, diện tích bề mặt bên ngoài của xơ sợi tăng lên, các nhóm OH trên bề mặt lộ ra và hấp thụ các phần tử nước do tác dụng của liên kết hydro

Bột giấy được nghiền theo cắt ngắn xơ sợi được gọi là “nghiền bột rời” Sự cắt ngắn xơ sợi tăng khi tăng áp lực nghiền, giảm nồng độ bột giấy hoặc giảm độ dày của dao nghiền Ngược lại để tăng mức độ chổi hóa trong quá trình nghiền thì phải giảm áp lực nghiền, tăng nồng độ bột hoặc tăng chiều dày của dao xơ sợi bột giấy sau nghiền vẫn giữ được độ dài tương đối và chổi hóa tốt được gọi là “nghiền bột nhuyễn”

Mức độ nghiền của bột giấy được đo bằng độ nghiền Thực chất của độ nghiền

là tính chất của bột giấy thu được sau quá trình nghiền, được đo bằng khả năng thoát nước của bột giấy trên máy đo độ SR hay CFS

1.1.2 Ảnh hưởng của sự trương nở của xơ sợi bột giấy tới quá trình nghiền

Quá trình nghiền bột giấy phụ thuộc rất nhiều vào sự trương nở của xơ sợi Bột giấy sau khi đã được sấy khô một lần thì giảm khả năng trương nở, mức độ giảm lên tới 21 – 38% sơ với bột giấy chưa qua sấy khô Thậm trí dù được ngâm rất lâu trong nước thì mức độ trương nở của bột giấy đã qua sấy khô cũng không bằng được bột giấy chưa qua sấy khô Các thí nghiệm nghiên cứu về sự phụ thuộc của thời gian ngâm nước

và sự trương nở của xơ sợi cho thấy, trong 12 giờ đầu xơ sợi trương nở rất nhanh, sau

đó thì mức độ trương nở hầu như không thay đổi Bột giấy được ngâm trong nước thường có độ trương nở hơi thấp hơn so với được ngâm trong nước cất

Các thí nghiệm cũng chứng minh rằng khi hàm lượng lignin còn lại trong bột giấy càng ít thì mức độ trương nở của xơ sợi càng tăng, như vậy sự có mặt của lignin

đã cản trở sự trương nở của xơ sợi bột giấy Sự trương nở của bột giấy tăng khi hàm lượng hemixenlulo trong bột giấy tăng Sự có mặt của hemixenlulo làm tăng số lượng nhóm OH tự do trên bề mặt xơ sợi, do đó làm tăng khả năng hấp thụ các phân tử nước của xơ sợi, giúp cho các phân tử nước xâm nhập vào bên trong xơ sợi được dễ dàng hơn

Sự trương nở của xơ sợi bột giấy còn phụ thuộc vào pH của môi trường ngâm và bản chất của từng loại bột giấy Mỗi loại bột giấy có khả năng trương nở khác nhau, nhưng có điểm chung là khi pH tăng thì khả năng trương nở của các loại bột giấy tăng Khi pH tăng trong khoảng nhỏ hơn 10 thì khả năng trương nở của xơ sợi tăng không đáng kể Khi pH ở giá trị từ 10 – 11,5 thì mức độ trương nở tăng nhanh và đạt giá trị cực đại, nhưng sau đó khi pH tiếp tục tăng thì mức độ trương nở của xơ sợi giảm

Xơ sợi bột giấy được ngâm trong các dung dịch không phân cực sẽ không bị trương nở, vì trong môi trường đó không có các nhóm phân cực như nhóm OH của nước nên không bị hấp thụ bởi các nhóm OH trong xơ sợi bột giấy

Các nghiên cứu của các nhà khoa học cho thấy khi bột giấy hấp thụ các cation thì mức độ trương nở của xơ sợi cũng tăng Khả năng làm tăng sự trương nở của xơ sợi của các cation được sắp xếp theo thứ tự sau: Fe3+< Al3+< Ca2+< Mg2+< NH4+< Na+

Khả năng trương nở của xơ sợi bột giấy có thể thay đổi trong khoảng rộng, phụ thuộc vào phương pháp nấu bột giấy, loại nguyên liệu và thành phần hóa học của bột giấy

Xơ sợi xenlulo có cấu trúc tinh thể (các mạch xenlulo được sắp xếp theo thứ tụ chặt chẽ) và cấu trúc vô định hình (các mạch xenlulo được sắp xếp lỏng lẻo hơn Nhưng phần vô định hình sẽ dễ dàng bị các phân tử nước xâm nhập hơn, do đó có khả năng trương nở tốt hơn

Theo các nhà khoa học thì sự trương nở của xơ sợi bột giấy trong quá trình là yếu tố quan trọng đối với độ bền cơ lý của giấy Khi xơ sợi có sự trương nở tốt thì nó

sẽ trở nên mềm mại, ít bị cắt ngắn và dễ được chổi hóa trong quá trình nghiền, do đó sẽ cho giấy có độ bền cơ lý tốt hơn

Để đảm bảo xơ sợi được trương nở tốt và quá trình nghiền đạt hiệu quả cao thì

từ các kết quả nghiên cứu các nhà khoa học đã khuyến cáo là nên ngâm bột giấy trong nước ở thời gian khoảng 4 giờ trước khi nghiền Bột giấy nếu được ngâm cho trương

nở tốt trước khi nghiền thì độ bền kéo của giấy có thể tăng được 15% so với bột giấy chưa được làm cho có sự trương nở tốt

Sự trương nở hay thủy hóa của xơ sợi bột giấy là quá trình tỏa nhiệt, do vậy nên khi giảm nhiệt độ của quá trình ngâm và nghiền thì sẽ làm tăng mức độ trương nở và khả năng chổi hóa của bột giấy Nếu bột giấy được nghiền trong điều kiện nhiệt độ cao thì xơ sợi trương nở chưa đủ, độ mềm dẻo không tốt sẽ làm cho sơ sợi khó được chổi hóa tốt , dễ bị cắt ngắn và sẽ làm giảm độ bền cơ lý của giấy

1.1.3 Các yếu tố khác ảnh hưởng tới quá trình nghiền bột giấy

Quá trình nghiền bột giấy còn phụ thuộc vào các yếu tố như: Chủng loại bột giấy, loại thiết bị nghiền, Áp lực nghiền, nồng độ bột giấy khi nghiền, nhiệt độ dòng bột trong máy nghiền và các yếu tố khác

Bột giấy sunphit nghiền nhanh hơn hẳn so với bột giấy sunphat, do xơ sợi bột giấy sunphit được nấu trong môi trường axit, nên xơ sợi bị thủy phân và bị tổn thương trong môi trường axit nhiều hơn là trong môi trường kiềm của phương pháp nấu sunphat

Bột giấy sunphat tẩy trắng sau khi kiềm hóa là khó nghiền nhất và nghiền lâu nhất, do trong thành phần chủ yếu là alpha-xenlulo, không có hemixenlulo nên bột giấy trương nở không tốt

Bột giấy từ gỗ cứng nghiền nhanh hơn bột giấy từ gỗ mềm, vì bột giấy từ gỗ cứng có chiều dài ngắn hơn, chiều rộng nhỏ hơn so với xơ sợi của bột giấy từ gỗ mềm

Áp lực nghiền quyết định tới quá trình chổi hóa và cắt ngắn xơ sợi Khi tăng áp lực nghiền sẽ làm giảm tác động thủy hóa giảm do đó làm tăng sự cắt ngắn xơ sợi trong quá trình nghiền

Nhiệt độ tăng là một yếu tố không có lợi cho quá trình nghiền Do sự tăng nhiệt

độ tăng lên trên 70oC sẽ làm giảm khả năng trương nở của xơ sợi dẫn tới giảm khả năng nghiền

1.1.4 Các loại máy nghiền được sử dụng để nghiền bột cho sản xuất giấy

1.1.4.1 Máy nghiền Hà Lan

Loại máy này thường được sử dụng trong các nhà máy có công nghệ cũ Ưu điểm của máy là có thể dùng ở chế độ đánh tơi bột giấy, cắt ngắn hoặc chổi hóa xơ sợi Nhược điểm của máy là chỉ thực hiện được chế độ nghiền gián đoạn, từng mẻ, không thể áp dụng trong dây chuyền nghiền liên tục, năng suất thấp, bột giấy nghiền không đều vì máy có những vùng chết làm cho bột giấy tuần hoàn không tốt

1.1.4.2 Máy nghiền đĩa

Máy nghiền đĩa thiên về chế độ chổi hóa xơ sợi Ưu điểm của việc sử dụng máy nghiền đĩa là có thể thực hiện được cả quy trình nghiền gián đoạn hoặc nghiền liên tục Nếu áp dụng quy trình nghiền liên tục thì cho phép ổn định quá trình nghiền bột giấy cho dây chuyền xeo liên tục, đáp ứng được năng suất nghiền cao trong những nhà máy

có công suất lớn, giảm diện tích lắp đặt thiết bị và tiết kiệm được năng lượng nghiền Máy nghiền đĩa có hiệu suất công có ích cao hơn máy nghiền Hà Lan

Hiện nay trong các nhà máy sản xuất giấy thường sử dụng máy nghiền đĩa để lắp đặt trong hệ thống nghiền liên tục Máy nghiền đĩa cho phép nghiền bột giấy ở nồng độ cao, đĩa nghiền có vận tốc quay cao nên tác dụng chổi hóa xơ sợi tốt, do vậy bột giấy sau nghiền đĩa thường cho giấy có độ bền cơ lý cao Khi nghiền bột giấy ở nồng độ thấp máy nghiền đĩa vẫn đảm bảo giấy có sự liên kết tốt giữa các xơ sợi, do xơ sợi bột giấy vẫn được chổi hóa tốt

1.1.4.3 Máy nghiền côn

Máy nghiền côn nếu là hệ thống dao lắp thì thiên về chế độ cắt ngắn xơ sợi, nếu

hệ thống dao đúc thì thiên về chế độ chổi hóa xơ sợi Cũng giống như máy nghiền đĩa máy nghiền côn cho phép thực hiện cả quy trình nghiền gián đoạn hoặc nghiền liên tục Máy nghiền côn có hệ thống dao lắp còn được gọi là máy nghiền Gioocdan Máy nghiền côn có hệ thống dao đúc còn được gọi là Hydrofainer Trong máy nghiền Gioocdan thì chiều dày của lưỡi dao tương đối nhỏ, vận tốc quay của dao bay chậm

hơn so với vận tốc của dao bay trong máy nghiền côn hydrofainer Nồng độ bột giấy trong máy nghiền Gioocdan thường thấp khoảng 2,5 – 5%, nên tác dụng nghiền chủ yếu là cắt ngắn xơ sợi, nền thường được sử dụng để nghiền các loại giấy cần độ xốp cao, khả năng thấu khí và thấm hút tốt Nồng độ bột giấy trong máy nghiền Hydrofainer cao, khoảng 6%, nên tác dụng chổi hóa xơ sợi mạnh hơn so với máy nghiền Gioocdan và thường được sử dụng để nghiền bột giấy cho sản xuất các loại giấy

có độ bền cao và cấp trúc chặt Máy nghiền Hydrofainer chiếm diện tích ít hơn mà năng suất cao hơn so với máy nghiền Gioocdan Để thích ứng cho việc sản xuất nhiều chủng loại giấy khác nhau người ta thường lắp đặt hệ thống nghiền liên hoàn gồm cả máy nghiền Gioocdan và máy nghiền Hydrofainer

1.1.5 Ảnh hưởng của quá trình nghiền tới tính chất của giấy

Ảnh hưởng rõ rệt của quá trình nghiền là làm giảm độ trắng của bột giấy các nhà khoa học đã xác nhận là mức độ giảm độ trắng của bột giấy sau quá trình nghiền phụ thuộc vào chất lượng nước sử dụng trong quá trình nghiền Sự có mặt của các ion sắt làm cho độ trắng của bột giấy giảm mạnh Các ion canxi, mangan có ảnh hưởng ít hơn Các ion nhôm ảnh hưởng không rõ rệt tới độ trắng của bột giấy trong quá trình nghiền

pH của nước sử dụng trong quá trình nghiền cũng ảnh hưởng tới độ trắng của bột giấy Nếu pH của nước từ 5 – 7 thì độ trắng cảu bột giấy giảm ít Nếu bột giấy được nghiền trong môi trường kiềm thì độ trắng giảm nhiều nhưng lại ổn định trong quá trình xeo giấy, giấy sẽ không bị vàng thêm trong quá trình xeo Để hạn chế sự vàng

đi của bột giấy thì bột giấy phải được rửa sạch trước khi nghiền

Quy trình nghiền riêng từng loại bột giấy và nghiền chung các loại bột giấy cũng ảnh hưởng tới tính chất của giấy Áp dụng quy trình nghiền chung có ưu điểm là quá trình nghiền được thực hiện dễ dàng, đơn giản, không cần nhiều thiết bị nghiền và

hệ thống ỗng dẫn cho từng loại bột giấy Nhưng nhược điểm của quy trình này là không thể áp dụng chế độ nghiền tối ưu cho từng loại bột giấy do đó chất lượng giấy không cao

Quy trình nghiền riêng từng loại bột giấy sẽ cho giấy có chất lượng cao hơn Nhưng quy trình này cần hệ thống thiết bị và đường ống dẫn bột nhiều hơn so với quy trình nghiền chung

Trong thực tế sản xuất các nghiên cứu đã đưa ra khuyến cáo, khi tỷ lệ một trong hai loại bột giấy sử dụng nhỏ hơn 20% thì nên áp dụng chế độ nghiền chung, còn khi tỷ

lệ của một trong hai loại bột giấy lớn hơn 20% thì nên áp dụng chế độ nghiền riêng

Độ bền xé và độ bền gấp của giấy tăng khi độ nghiền tăng và đạt giá trị lớn nhất khi giá trị độ nghiền đạt khoảng 30 – 40 0SR (độ bền xé đạt giá trị lớn nhất trước) Nhưng nếu tiếp tục tăng độ nghiền thì độ bền xé và độ bền gấp giảm nhanh Vì khi độ nghiền có giá trị trên 30 0SR thì xơ sợi đã bị cắt ngắn, trong khi đó độ bền gấp và độ bền xé của giấy chịu ảnh hưởng rất lớn bởi chiều dài xơ sợi

Độ xốp của giấy giảm khi độ nghiền tăng, do đó khả năng thấm hút của giấy cũng giảm

Các giá trị độ bền cơ lý của giấy tăng theo độ nghiền cho tới khi độ nghiền đạt giá trị 30 – 50 0SR Sau đó khi độ nghiền tiếp tục tăng thì độ bền cơ lý giảm Điều này

đã được các nhà khoa học giải thích là do sự phân bố hemixenlulo trong xơ sợi Trong bột giấy thì khoảng một nửa hàm lượng hemixemluylo được phân bố ở lớp ngoài của

xơ sợi, một nửa được nằm len lỏi giữa các vi sợi xenlulo Khi độ nghiền tăng tới 30

0SR hoặc 50 0SR (tùy theo từng loại bột giấy) thì lớp hemixenlulo trên bề mặt xơ sợi sẽ

bị tách ra ngày càng nhiều, mà hemixenlulo có khả năng tạo nên các liên kết trung gian giữa các xơ sợi, vì vậy mà độ bền của giấy tăng trong giai đoạn này Khi độ nghiền cao hơn (trên 60 0SR) thì xơ sợi bị phá hủy và cắt ngắn rõ rệt do vậy độ bền cơ lý của giấy

sẽ giảm

Sự phân bố của phần hemixeluylo len lỏi giữa các vi sợi cũng có tác dụng tích cực trong quá trình nghiền vì chúng giúp cho xơ sợi có thể tách ra thành các vi sợi hay còn gọi là sự chổi hóa của xơ sợi, do đó làm tăng khả năng liên kết giữa các xơ sợi và làm tăng độ bền cơ lý của giấy

Các nhà khoa học cũng đã khuyến cáo, để cho giấy đạt được độ bền cơ lý cao, không cần nghiền mạnh mà chỉ cần nghiền sao cho giải phóng được lớp hemixenlulo ở

lớp vỏ ngoài P của xơ sợi và chổi hóa thêm lớp ngoài S1 của thành tế bào xơ sợi Cần giữ nguyên lớp S2 là lớp chính của thành tế bào để đảm bảo được xơ sợi không bị phá hủy, khi đó độ bền của giấy là tối ưu

Vai trò của những sơ sợi nhỏ mịn được tạo thành trong quá trình nghiền và có sẵn trong bột giấy sau nấu đối với độ bền cơ lý của giấy hoàn toàn khác nhau Xơ sợi nhỏ mịn tự nhiên là thành phần xơ sợi được tạo thành trong quá trình nấu bột giấy, chúng có chứa nhiều chất keo nhựa, chất vô cơ và có màu sẫm hơn xơ sợi bột giấy Các

xơ sợi nhỏ mịn này sẽ làm giảm độ bền kéo, độ bền gấp của giấy do chúng làm giảm khả năng tạo thành các liên kết giữa các xơ sợi

Nhưng xơ sợi nhỏ mịn được tạo thành trong quá trình nghiền là những lớp vỏ của P và S1 của thành tế bào xơ sợi bị tách ra trong quá trình nghiền bột giấy Nhưng

xơ sợi nhỏ mịn này lại làm tăng độ bền cơ lý của giấy do chúng có khả năng phân bố len lỏi giữa các xơ sợi có kích thước lớn, tạo thành liên kết giữa các xơ sợi

1.2 Emzyme trợ nghiền

1.2.1 Khái niệm về enzyme

Enzyme là chất xúc tác sinh học có thành phần cơ bản là protein Trước thế kỷ

17 người ta đã biết sử dụng các quá trình enzyme trong đời sống, tuy nhiên chỉ có tính chất kinh nghiệm thực tế và thông qua hoạt động của vi sinh vật Sau thế kỷ 17 người

ta đã khái quát hiện tượng lên men như là hiện tượng phổ biến trong sự sống và enzyme là yếu tố gây nên chuyển hóa các chất trong quá trình lên men Năm 1926, Sumer kết tinh được enzyme urease lần đầu tiên Sau đó Northrop (1930) kết tinh được pepsin, Northrop và Kunitz (1931) kết tinh được trypsin đã cho phép xác định được một cách dứt khoát bản chất của enzyme là protein và đặt nền móng cho những nghiên cứu cơ bản về enzyme

Những thành tựu nghiên cứu cơ bản về enzyme là cơ sở để phát triển các nghiên cứu ứng dụng enzyme trong thực tế Hiện nay có trên 30 ngành sản xuất khác nhau đã

sử dụng các chế phẩm của enzyme Con số này ngày càng tăng và số lượng enzyme ngày càng lớn So với các chất hóa học, enzyme có những tính chất ưu việt hơn hẳn như phản ứng xúc tác có thể diễn ra ngay ở nhưng điều kiện bình thường về áp suất,

pH và nhiệt độ Chúng có thể tác động ở nồng độ rất thấp Phản ứng do enzyme xúc tác

là những phản ứng có tính đặc hiệu rất cao, ít sinh ra các sản phẩm phụ Vì vậy, chúng tạo điều kiện rất thuận lợi cho việc tiến hành các quá trình sản xuất công nghiệp

Các enzyme có tính đặc hiệu trong các chức năng mà chúng thực hiện Điều này

có thể nói chúng chuyên tiến hành chỉ đơn chức năng với vô thời hạn Chúng cũng xúc tác các phản ứng mà năng lượng hoạt hóa thấp hơn, không bị tiêu thụ bởi phản ứng

Các enzyme sẽ duy trì hoạt tính cho tới khi chúng bị biến tính hoặc mất hoạt tính bởi các phân tử đặc hiệu được gọi là các chất ức chế Phụ thuộc vào dạng, các enzyme hoạt động với các khoảng pH và nhiệt độ tối ưu

Enzyme có trong các tế báo sống của động vật, thực vật và vi sinh vật, bản thân chúng không phải là tế bào sống, chúng có tính không độc và có khả năng phân hủy sinh học Hiện nay enzyme rất được quan tâm nghiên cứu ở nhiều quốc gia để sử dụng thay thế cho các hóa chất có tính độc hại

Các chế phẩm enzyme thương mại đã được đưa vào thực tế sử dụng trong nhiều năm Chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và trong ngành dệt may, các phản ứng đã biến đổi các vật liệu thành sản phẩm cuối cùng hoặc sản phẩm có hiệu quả mong muốn như bột giặt dùng cho giặt quần áo

Sử dụng các chế phẩm enzyme thương phẩm trong công nghiệp giấy mới được thực hiện trong những năm gần đây Các dạng enzyme bao gồm amylase, protease, lipase, xylanase và gần đây nhất là cellulase Sản phẩm được sản suất từ nấm, vi khuẩn

và sinh vật đơn bào, cellulase phá vỡ các vách xenlulo của xơ sợi thực vật

Các tiến bộ về mặt công nghệ gần đây đã thúc đẩy được việc tiết kiệm năng lượng mà vẫn cho giấy có chất lượng cao, đó là sử dụng enzyme trong quá trình nghiền bột giấy Enzyme được sử dụng với mục đích trợ nghiền và cho hiệu quả là enzyme cellulase và hemicellulase

1.2.2 Cơ chế tác động của enzyme trong quá trình nghiền bột giấy

Enzyme được sử dụng trong công nghiệp giấy từ lâu nhưng những năm gần đây mới trở lên phổ biến Từ năm 1942 các nghiên cứu về sử dụng enzyme hemicellulase

từ Bacillus và Aspergillus cho vào trong quá trình nghiền và hydrat hóa xơ sợi bột giấy

[22] Năm 1952 Bolaski và các cộng sự [23]đã được cấp bằng sáng chế trong việc sử

dụng enzyme cellulase từ Aspergillus niger để tách và chổi hóa bột giấy Năm 1968

Yerkes đã được cấp bằng sáng chế về sử dụng enzyme cellulase từ nấm sợi trắng để giảm năng lượng nghiền hoặc thời gian nghiền Sau đó Noe và các cộng sự [6] cũng có các công trình nghiên cứu về sự chổi hóa của bột giấy hóa học và giảm năng lượng nghiền đòi hỏi trong quá trình sản xuất giấy

Enzyme có tính ôn hòa và hiệu quả trong quá trình nghiền Như trong trường hợp nghiền cơ học, xơ sợi mịn được tạo thành có thể dẫn tới việc giảm độ bền của giấy, khả năng thoát nước của bột giấy và như vậy cần phải chi phí thêm cho việc làm tăng

độ bền và tính thoát nước Trong các nghiên cứu [7]các nhà khoa học đã miêu tả những nguyên tắc cơ bản khác nhau giữa quá trình nghiền và tác động của việc sử dụng enzyme cellulase đến xơ sợi kraft gỗ mềm Họ đã tiến hành nghiên cứu về bột giấy

nghiền và bột giấy được xử lý cellulase để so sánh hiệu quả của các xử lý đó trên xơ sợi Theo đó, nghiền là tác động cơ học và enzyme thủy phân là tác động hóa học, hiệu quả của chúng được xem là tương tự nhau nếu chỉ xét về việc làm ngắn xơ sợi kraft gỗ mềm Thực vậy, chiều dài xơ sợi được phân bố (số lượng xơ sợi dài và xơ sợi ngắn) tạo

ra theo cùng một cách đối với cả quá trình nghiền và xử lý bột giấy bằng enzyme

Enzyme là một phức chất protein phân tử có tác động xúc tác các phản ứng hóa học trong các điều kiện có phạm vi hạn chế Hoạt độ của enzyme phụ thuộc vào môi trường hóa học và vật lý ( như nhiệt độ, pH, …), mức dùng enzyme và thời gian phản ứng, dạng và nồng độ của cơ chất Phân tử enzyme (E) có vị trí liên kết xác định cao hoặc vị trí tác động liên kết với cơ chất (S) để tạo thành phức chất enzyme-cơ chất (ES) Quá trình phản ứng tại vị trí liên kết để tạo thành sản phẩm (P) với phần còn lại kết hợp với enzyme tạo sản phẩm phức chất (EP) Sản phẩm sau đó được giải phóng và phân tử enzyme tự do trong trạng thái tác động, bắt đầu vòng khác của quá trình xúc tác như miêu tả trong phương trình sau:

E + S ↔ ES ↔ EP ↔ E + P Enzyme có thể được bổ sung vào trước khi nghiền với các điều kiện khác nhau của quá trình như nhiệt độ , pH, nồng độ bột, mức dùng enzyme, thời gian phản ứng

Các enzyme chủ yếu được sử dụng cho nghiền bột giấy là cellulase và hemicellulose mà sẽ tác động tới xenlulo và hemixenlulo tương ứng Mạch xenlulo tại

bề mặt xơ sợi có chứa các nhóm hydroxyl tham gia vào liên kết xơ sợi – xơ sợi trong giấy Các nhóm xenlulo hydroxyl trên bề mặt xơ sợi và trong vách xơ sợi cũng có tương tác mạnh với nước và đóng vai trò quan trọng trong hiện tượng trương nở Hemixenlulo tương tác mạnh với nước và góp phần to lớn tới sự trương nở của xơ sợi, thúc đẩy liên kết giữa xơ sợi và xơ sợi trong giấy

Enzyme cellulase

Cellulase thủy phân liên kết β1,4-glucosidic trong mạch xenlulo Hai dạng chính của cellulase là exocellulase và endocellulase Exocellulase tác động tới đầu của mạch xenlulo, cắt các liên kết đầu của xơ sợi bằng sự phân tách cellobiose hoặc glucose dẫn tới sự phá vỡ liên kết hydro Endocellulase tác động tới phần giữa của mạch xenlulo dẫn tới sự thủy phân phần xenlulo dễ bị ảnh hưởng, trong sự trợ lực của chuỗi các điều kiện [24] Trong công nghiệp giấy loại enzyme được sử dụng về nguyên tắc là dạng endo-cellulase Các vi sinh vật là nguồn to lớn để tạo enzyme và các loại enzyme này

đã chứng tỏ được hiệu quả trong giai đoạn nghiền của quá trình sản xuất giấy Sản

phẩm cellulase chủ yếu được sử dụng là từ nấm sợi trắng, Phanaerochaete

chrysosporium, Aspergillus niger, Trichoderma resei, Chrysosporium lucknowens và

các loài của Acremonium, Talaromyces

Enzyme hemicellulase

Xylanase và mannanase là hemicellulase với các tác động khác nhau Xylanase (endoxylanase) thủy phân liên kết 1,4 β-d-xylopyranosyl của xylan Mannanase (1,4 β-d-mannanase) thủy phân liên kết 1,4β-d-mannopyranosyl của D-mannan và D-galacto

–D-mannan [24] Một số mẫu của hemicellulase được sản xuất từ vi khuẩn Coriolus

versicolor, glionatic trabeum, Trichocladium candense, Trichoderma ressei, Sporotrichum pulverulentum, S Diorphosporum và các dạng của Bacillus và Aspergillus

Cơ chế tác động chính xác của enzyme diến ra trong quá trình chổi hóa xơ sợi vẫn còn chưa rõ ràng và điều này vẫn là một lĩnh vực cơ bản cần nghiên cứu Cơ chế

cơ bản của enzyme trong quá trình nghiền có thể được miêu tả như sự tăng khả năng trương nở của xơ sợi, hydrat hóa, chổi hóa và liên kết giữa các xơ sợi

1.2.3 Các nghiên cứu chính được tiến hành với các loại enzyme trong quá trình nghiền bột giấy

Các nhà khoa học trên thế giới đã tiến hành các nghiên cứu với các loại enzyme trợ nghiền khác nhau và kết quả được chỉ ra trong bảng 1.1

Bảng 1.1: Các kết quả nghiên cứu về enzyme trợ nghiền Năm Tác giả Enzyme sử

Bột giấy hóa học hoặc cotton

Cải thiện độ bền và giảm thời gian nghiền

Giảm thời gian nghiền tới 17 – 25%

1997 Mansfield và

các cộng sự

Cellulase và xylanase

Bột kraft gỗ linh sam Sự thay đổi trong xơ sợi

cả cấu trúc micro và macro

2000 Seo và các

cộng sự

Cellulase Bột giấy hóa học Thời gian nghiền ngắn

hơn do xơ sợi bị cắt và cải thiện khả năng thoát nước mà không giảm chiều dài xơ sợi

2001 Sigoillot và

các cộng sự

Manganese peroxidise

APMP từ gỗ dương Giảm năng lượng

nghiền tới 25%

2006 Bajai và các

cộng sự

Hỗn hợp của cellulose và hemicellulase

Các dạng khác nhau của bột giấy gồm bột giấy kraft tẩy trắng từ

gỗ cứng, phần xơ sợi dài của bột tre nứa, OCC

Giảm năng lượng nghiền cần thiết tới 18 –

45 %

2006 Shamim và

các cộng sự

Cellulase hemicellulase

Hỗn họp bột giấy hóa học tẩy trắng và chưa tẩy trắng của gỗ cứng

Tiết kiệm được 6 – 30% năng lượng, cải thiện độ thoát nước và các tính chất bền

2009 Gill và các

cộng sự

Cellulase và carbonhydrase hỗn hợp

Bột giấy kraft bạch đàn tẩy trắng

Cải thiện khả năng thoát nước (0SR) tới 80% tại cùng một mức năng lượng nghiền (1500 vòng trên máy nghiền PFI)

1.2.4 Các tác động của enzyme đến quá trình sản xuất giấy

1.2.4.1 Tác động của enzyme đến năng lượng nghiền

Việc xử lý bột giấy bằng enzyme trước nghiền, các nhà máy có thể giảm được năng lượng yêu cầu cho quá trình nghiền và tiết kiệm được lượng hơi tiêu thụ Các nghiên cứu trong các năm qua đã cho thấy các enzyme thủy phân có thể được dùng để giảm năng lượng tiêu thụ trong quá trình nghiền bột giấy hóa học [22] Giấy chống dính là loại giấy có tỷ trọng lớn được làm từ bột giấy hóa học với độ nghiền cao Các thử nghiệm trong nhà máy cho thấy xử lý bột giấy bằng enzyme cellulase làm giảm năng lượng nghiền cần thiết tới 7,5% [8] Các loại sản phẩm khác như giấy dùng trong công nghiệp thực phẩm, giấy tụ điện và giấy bóng mờ, đòi hỏi độ nghiền cao trong quá trình sản xuất Bột giấy được xử lý bằng enzyme sẽ làm giảm đáng kể năng lượng cần cho giai đoạn nghiền Các thử nghiệm khác tại nhà máy với bột giấy kraft tái chế hoặc OCC đã đạt được những thành công lớn trong việc tiết kiệm năng lượng nghiền Việc

sử dụng enzyme cellulase có thành phần cellobiohydrolase I từ Trichoderma reesei, đã

giảm năng lượng tiêu thụ trong khi nghiền, tính chất của giấy thu được vẫn đảm bảo chất lượng Điều này cũng cho thấy tính tác động có chọn lọc cao của enzyme

Các nhà khoa học cũng đã tiến hành các nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm

và ở quy mô sản xuất thử nghiệm, với hỗn hợp của enzyme cellulase và hemicellulase

để giảm năng lượng nghiền cần thiết đối với các loại bột giấy khác nhau bao gồm bột kraft gỗ mềm, bột từ tre nứa, phần xơ sợi dài của bột giấy từ OCC, Các kết quả trong phòng thí nghiệm cho thấy năng lượng nghiền đã giảm được 18 – 45% đối với các loại enzyme khác nhau trong khi đó tính chất bền của bột giấy không bị ảnh hưởng do xử lý enzyme Trong các thử nghiệm, sử dụng một sản phẩm enzyme trong quá trình sản xuất giấy kraft làm bao có độ bền cao đã giảm được năng lượng nghiền tiêu thụ 25kwh/tấn bột giấy và tiết kiệm được lượng hơi tiêu thụ cho một tấn bột giấy khoảng 20% tại quá trình xeo giấy Sử dụng enzyme nhà máy sẽ hạn chế được việc tắc trong quá trình nghiền ở dây chuyên bột gỗ mềm và làm tăng được sản lượng lên 12% [9] Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm trên hỗn hợp bột giấy gỗ cứng tẩy trắng với các loại enzyme thương phẩm khác nhau Kết quả cho thấy tiết kiệm được năng lượng nghiền từ 6 - 30%

Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm được thực hiện với các loại enzyme cellulase/hemicellulase khác nhau trên hỗn hợp bột giấy hóa học (gỗ cứng và tre nứa) tẩy trắng và chưa tẩy trắng, kết quả cho thấy năng lượng nghiền giảm được từ 15 – 20% Từ các nghiên cứu được tiến hành các nhà khoa học đã đưa ra kết luận rằng

enzyme có tác dụng đối với bột giấy hóa học tẩy trắng tốt hơn do lignin đã bị loại và lộ các nhóm hydroxyl của xenlulo và hemixenlulo

1.2.4.2 Tác động của enzyme đến thời gian nghiền

Sử dụng enzyme cho kết quả trong việc giảm thời gian nghiền bột giấy cần thiết

Từ năm 1968 một phát minh đã được công bố về việc sử dụng enzyme cellulase từ nấm

sợi trắng Trametes suaveolens để xử lý xơ sợi kraft đã làm giảm được thời gian nghiền

bột giấy [25] Khi xử lý bột giấy bằng enzyme xylanase cũng thu được hiệu quả tương

tự [6] Sử dụng xylanase có lợi thế hơn sử dụng cellulase do không làm mất hoặc có ảnh hưởng rất nhỏ tới độ bền của xơ sợi và chỉ làm thay đổi rất nhỏ các tính chất của

tờ giấy xeo trong phòng thí nghiệm Khi thử nghiệm được tiến hành tại các nhà máy enzyme xylanase cũng cho hiệu quả tốt hơn

Năm 1996 các nhà khoa học Ấn Độ [4] đã dùng enzyme hemicellulase thương phẩm để xử lý bột giấy kraft chưa tẩy trắng từ gỗ mềm, tre nứa và bột hỗn hợp (60% lề cactong kraft sóng và 40% bột giấy chưa tẩy trắng từ gỗ mềm) trong điều kiện tối ưu

về pH, nhiệt độ, mức dùng enzyme 0,05% so với bột giấy khô tuyệt đối, thời gian 180 phút và kết quả nhận được như sau:

Bảng 1.2- Tác động của các loại enzyme tới thời gian nghiền Enzyme pH tối ưu Nhiệt độ tối ưu, 0 C Thời gian nghiền giảm, %

1.2.4.3 Tác động của enzyme đến tính chất xơ sợi, bột giấy và giấy

Xơ sợ tự chúng đã có chiều dài rất khác nhau từ 1,5 tới 5,5 mm và chiều rộng bằng khoảng 1/100 của chiều dài Bên trong xơ sợi có một khoảng rỗng được gọi là lumen và vách xơ sợi tạo lên một số lớp Xơ sợi có vách đầu tiên ngoài cùng (P) và vách phụ bên trong tạo ra 3 thành phần (S1, S2, S3) Ba thành phần bên trong giầu

xenlulo và được coi là phần chủ yếu của xơ sợi Khi xơ sợi đã được xử lý enzyme, trong quá trình nghiền vách đầu tiên P và lớp đầu của vách bên trong S1 sẽ bị loại, để cho quá trình chổi hóa ở vách S2 [26]

Kết quả của quá trình nghiền là xơ sợi được tách lớp, như vậy sẽ làm trương nở bởi sự hydrat hóa, tăng khả năng đàn hồi và tăng diện tích bề mặt xơ sợi, tăng thể tích riêng, giảm chiều dài do ảnh hưởng của sự cắt, có nghĩa là xơ sợi sẽ ngắn hơn, chổi hóa bên trong, chổi hóa bên ngoài, …Giấy đã được định nghĩa là “tờ được tạo thành bằng liên kết xơ sợi hình thành trên lưới mịn từ huyền phù bột giấy” Enzyme đã làm cho quá trình chổi hóa được tốt hơn, nhưng tính chất của giấy phụ thuộc vào hàm lượng các

xơ sợi nhỏ Xử lý bột giấy bằng enzyme cải thiện rõ rệt tỷ trọng của tờ giấy, độ nhẵn,

độ chịu bục, chỉ số kéo, và độ cứng, có thể làm giảm độ đục, độ xốp, độ bền xé, độ thấu khí và độ nhám

Các kết quả nghiên cứu cho thấy cellulase cộng với cellobiase khi cho vào bột giấy sẽ chổi hóa từng phần mà không làm mất độ bền Nghiên cứu xử lý bột giấy kraft

từ cây linh sam bằng enzyme cellulase và xylanase cho thấy, enzyme đã làm thay đổi

xơ sợi ở cả cấu trúc macro và micro và làm giảm đáng kể thể tích lỗ của xơ sợi Như vậy quá trình xử lý bột giấy bằng enzyme đã mài mòn bề mặt xơ sợi Trong một nghiên cứu khác xử lý bột giấy hóa nhiệt cơ tẩy trắng (CTMP) từ cây vân sam với enzyme endoxylanase cho kết quả cải thiện diện tích bề mặt của xơ sợi do sự chổi hóa tốt hơn [24] Một số các nghiên cứu cũng đã được tiến hành với xơ sợi tái chế và cũng cho kết quả tốt

Nghiên cứu [13]ảnh hưởng của trichoderma reesei cellulase và hemicelluase

đến các tính chất giấy kỹ thuật được làm từ bột giấy kraft tẩy trắng xử lý với 4 enzyme

cellulase tinh chế, xylanase và mananase từ Trichoderma reesei đã được tiến hành Thí

nghiệm được tiến hành đối với bột giấy kraft tẩy trắng từ gỗ thông Kết quả cho thấy, tiền xử lý bột giấy với cellobiohydrolase (CBH) hầu như không ảnh hưởng đến tính chất bột giấy trong quá trình nghiền, trừ tính chất bền giảm nhẹ Xử lý bột giấy bằng endoglucanase I (EGI) và endoglucanase II (EGII) cải thiện khả năng nghiền bột giấy theo giá trị đo độ SR, tỷ trọng tờ giấy và độ thấu khí Gurley Với EGII có hiệu quả lớn đến sự cải thiện quá trình nghiền Sự kết hợp giữa CBH với EGI và EGII cũng có ảnh hưởng tương tự đến các tính chất của bột giấy như endoglucanase, mặc dù lượng xenlulo bị thủy phân tăng Tiền xử lý bột giấy với xylanase hoặc mannanase không thấy xuất hiện sự biến tính của tính chất bột giấy Các xử lý với cùng loại enzyme đã cải thiện khả năng nghiền, tuy nhiên độ bền giảm nhẹ đặc biệt là độ bền xé tại các mức

sử dụng enzyme Khi so sánh tại cùng một mức dùng để thủy phân xenlulo, EGII không có ảnh hưởng tới tính chất bền, EGI có ảnh hưởng rõ rệt Như vậy khi xử lý bột

giấy bằng enzyme cellulase phải tìm được sự tối ưu về cả thành phần cấu tạo và mức dùng Enzyme endoglucanace không ảnh hưởng rõ rệt đến độ bền kéo, điều này được giải thích là tăng quá trình nghiền đồng nghĩa với tăng lượng xơ sợi bị đứt và tạo thành

xơ sợi mịn

Các nghiên cứu sử dụng 5 loại enzyme endoglucanase và một loại enzyme

xylanase từ trichoderma ressei và Humicola insolens để xử lý bột giấy kraft từ gỗ

thông, kết quả nhận được là tăng chỉ số xé, tỷ trọng và chỉ số bền kéo của tờ giấy xeo trong phòng thí nghiệm Bột giấy xử lý bằng endoglucanase làm giảm độ bền thông thường mà không phân hủy rõ rệt nguyên liệu carbohydrat khi lượng sử dụng thấp Sự thay đổi kích thước xơ sợi trong quá trình nghiền không như nhau với các enzyme endoglucanase Nghiên cứu [14]ảnh hưởng của việc xử lý bột giấy kraft chưa tẩy trắng

từ gỗ thông bằng enzyme thương phẩm xylanase được tiến hành trên máy nghiền Escher-Wyss và PFI Với máy nghiền Escher-Wyss máy nghiền côn thí nghiệm cho kết quả gần tương ứng với quy mô thử nghiệm hơn máy nghiền PFI Kết quả nghiên cứu cho thấy tính chất giấy xeo trong phòng thí nghiệm từ bột giấy nghiền trên máy nghiền PFI lớn hơn nhiều so với máy nghiền Escher-Wyss Với máy nghiền Escher-Wyss, sự biến tính của đặc tính xơ sợi khi xử lý với xylanase rõ ràng hơn kết quả nhận được trên máy nghiền PFI

Nghiên cứu sử dụng enzyme từ nấm trong quá trình nghiền bột giấy và cho thấy

có tác động đáng kể đến đặc tính chổi hóa của bột giấy kraft tẩy trắng từ gỗ vân sam

mà giai đoạn chính là sự tách các vi sơ sợi xenlulo Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm trên bột giấy tẩy trắng của hỗn hợp gỗ cứng (tẩy trắng và chưa tẩy trắng), sử dụng hỗn hợp enzyme cellulase/hemicellulase thương phẩm, kết quả cho thấy sự cải thiện tính thoát nước và các tính chất bền tốt hơn

Gần đây các nghiên cứu [5] về hiệu quả của việc sử dụng enzyme cellulase và xylanase để xử lý bột giấy APMP từ gỗ dương mọc nhanh đã được tiến hành Các nội dung nghiên cứu bao gồm, nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố mức dùng enzyme,

pH, nhiệt độ và thời gian xử lý đến năng lượng tiêu thụ, độ bền cơ lý và tính chất quang học của bột giấy Kết quả cho thấy cấu trúc của xơ sợi xốp hơn, xơ sợi trương

nở nhanh hơn, lực liên kết giữa các xơ sợi lớn hơn, năng lượng tiêu thụ giảm rõ rệt và tính chất độ bền và quang học của bột giấy được cải thiện hơn Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy cellulase cho độ bền cơ lý tốt hơn, cải thiện việc giảm năng lượng tiêu thụ và enzyme xylanase cho độ trắng của bột giấy tốt hơn

1.2.5 Ưu điểm của việc sử dụng enzyme trong quá trình nghiền bột giấy

Quá trình nghiền bột giấy đòi hỏi năng lượng sử dụng lớn cũng như phải đầu tư thiết bị, bởi vậy việc giảm năng lượng nghiền sẽ có ý nghĩa rất lớn trong việc tiết kiệm năng lượng điện Hơn nữa việc sử dụng enzyme trợ nghiền cũng cải thiện một số tính chất cơ lý của giấy

* Giảm năng lượng điện trong quá trình nghiền

Bằng việc sử dụng enzyme các nhà máy có thể giảm được năng lượng cần thiết cho quá trình nghiền bột giấy Việc sử dụng enzyme cũng mang lại cho nhà máy nhiều lợi ích như không phải bổ sung năng lượng nghiền cũng như năng lực nghiền

* Cải thiện tính thoát nước

Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy xử lý bột giấy bằng enzyme sẽ làm tăng độ nghiền của bột giấy Tác động của enzyme bao gồm cơ chế bóc tách các sợi nhỏ và làm cho các sợi nhỏ giảm tính hút nước và làm sự thoát nước dễ dàng hơn Tính thoát nước tăng cũng được cho là do việc tách các xơ sợi nhỏ mịn trên bề mặt của xơ sợi xenlulo

* Giảm lượng hơi tiêu thụ

Bột giấy được xử lý bằng enzyme trước khi nghiền sẽ cải thiện khả năng thoát nước, như vậy sẽ làm cho quá trình loại nước được tốt hơn, do đó sẽ giảm lượng hơi để làm khô giấy và giảm được hơi tiêu thụ

* Cải thiện các tính chất giấy

Xử lý bằng enzyme sẽ làm cho bột giấy trong quá trình nghiền chổi hóa được tốt hơn, do đó cải thiện được một số tính chất giấy như độ bền kéo, độ nhẵn

* Khả năng hoạt động của máy xeo tốt hơn

Xử lý bột giấy bằng enzyme trợ nghiền sẽ làm tăng tính thoát nước của bột giấy trên lưới xeo Do vậy sẽ sẽ cho phép tăng tốc độ máy xeo Thời gian cần cho giai đoạn sấy ngắn hơn Kết quả là tăng được khả năng chạy máy xeo dẫ tới tăng khối lượng sản phẩm

* Làm sạch nước quay vòng

Enzyme sẽ khử được một phần xơi sợi nhỏ mịn và các chất keo, chủ yếu có trong nước trắng quay vòng do thời gian tiếp xúc của nước trắng với hoạt tính còn lại của enzyme lâu hơn Điều này làm cho nước quay vòng được sạch hơn, với hàm lượng sợi nhỏ và mịn ít hơn Quá trình xử lý enzyme cũng có thể được dùng cho quá trình làm sạch nước trong nhà máy Các enzyme thủy phân từng phần xenlulo, khử sợi dẫn

tới giảm khối lượng phân tử của saccharide do đó làm cho quá trình phân hủy sinh học trong hệ thống xử lý nước thải dễ dàng hơn

1.2.6 Các tồn tại của việc sử dụng enzyme trong quá trình nghiền

Tồn tại chính của việc sử dụng enzyme là, làm sao tăng sự liên kết của xơ sợi bằng việc tăng sự chổi hóa mà không làm giảm độ nhớt của bột giấy Độ nhớt của bột giấy giảm khi cellulase tách các mạch xenlulo làm giảm độ trùng hợp, phá hủy tính nguyên vẹn của xơ sợi Mặc dù các nghiên cứu đã cho các kết quả đầy triển vọng, nhưng việc nghiên cứu sử dụng enzyme trong quá trình nghiền cần phải đẩy mạnh hơn nữa để giảm được giá thành enzyme, chế độ công nghệ thực hiện tiện lợi hơn, tính chọn lọc của enzyme cao hơn Như vậy thì việc sử dụng enzyme mới được chấp nhận trong các nhà máy sản xuất giấy

1.2.7 Triển vọng của việc sử dụng enzyme trong quá trình nghiền

Áp dụng enzyme trong quá trình nghiền có tiềm năng lớn do giá năng lượng tăng cao, và giá enzyme sẽ giảm trong tương lai gần Để enzyme mang lại hiệu quả trong công nghệ sản xuất giấy cần phải tiến hành các nghiên cứu kỹ lưỡng để xác lập được quy trình công nghệ sử dụng phù hợp nhất trong thực tế sản xuất

1.3 Định hướng nghiên cứu

Dựa vào các kết quả đã được công bố của các nhà khoa học trên thế giới và các chế phẩm enzyme trợ nghiền hiện hiện có ở Việt Nam Đề tài lựa chọn các loại enzyme trợ nghiền sau;

- Enzyme cellulase: Maximyze 2535 – Buckman;

- Enzyme hemicellulase: Papyrase RF – Epygen Biotech Industries, Dubai, UEA;

- Enzyme cellulase + hemicellulase: FiberZyme LBR– yadic International, USA Hiện tại các nhà máy sản xuất giấy in, giấy viết ở Việt nam chủ yếu sản xuất từ nguyên liệu bột giấy hóa học tẩy trắng nhập ngoại Tùy thuộc vào thiết bị cũng như trình độ công nghệ, nguyên liệu sử dụng có thể là 100% bột giấy hóa học tẩy trắng từ

gỗ cứng, hoặc hỗn hợp bột giấy hóa học tẩy trắng từ gỗ cứng với một phần bột giấy hóa học tẩy trắng từ gỗ mềm (10 – 30%) Bột giấy hóa học tẩy trắng sản xuất trong nước chỉ có loại từ gỗ cứng và hiện có ở Tổng công ty giấy Việt Nam và Công ty CP bột giấy An Hòa Do Công ty CP bột giấy An Hòa mới đi vào sản xuất, chất lượng chưa thật sự ổn định, nên bột giấy được lựa chọn cho nghiên cứu gồm:

- Bột giấy hóa học tẩy trắng từ gỗ mềm nhập khẩu;

- Bột giấy hóa học tẩy trắng từ gỗ cứng nhập khẩu;

- Bột giấy hóa học từ gỗ cứng được sản xuất tại tổng công ty giấy Việt Nam

PHẦN II

NGUYÊN LIỆU,THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Nguyên liệu, hoá chất và thiết bị nghiên cứu

2.1.1 Nguyên liệu

- Bột giấy tẩy trắng từ gỗ cứng từ nhập khẩu từ Indonesia

- Bột giấy tẩy trắng từ gỗ cứng được sản xuất tại Tổng công ty Giấy việt Nam

- Bột giấy tẩy trắng từ gỗ mềm nhập khẩu từ Mỹ

Tính chất của các loại bột trên được trình bày trong bảng 2.1

Bảng 2.1 – Tính chất của bột giấy hóa học tẩy trắng dùng trong

nghiên cứu và sản xuất thử nghiệm

Bột giấy từ gỗ cứng nhập khẩu

Bột giấy từ gỗ cứng sx tại Tcty Giấy VN

- Chất trợ bảo lưu Percol

- Cacbonat canxi nghiền

- Hoạt tính cellulase:396 U/g mẫu khô

* Enzyme hemicellulase: Papyrase RF – Epygen Biotech Industries, Dubai, UEA

- Dạng lỏng, tỷ trọng : 1,15 – 1,25 g/ml, pH 5,0 ± 1,0

- Chế phẩm enzyme hoạt động trong khoảng pH: 5–9 (khuyến cáo dùng trong khoảng 6–8), nhiệt độ 20-750C (khuyến cáo dùng trong khoảng 25–50 0C), mức dùng trong khoảng 70–150 g/tấn bột giấy khô (phụ thuộc vào thời gian xử lý)

- Hoạt tính xylanase của chế phẩm: 341 U/g mẫu khô

- Hoạt tính của enzyme bị khử tại pH 11,0 hoặc tại nhiệt độ trên 80 oC trong 5 phút Hoạt tính của enzyme cũng có thể được xử bằng peroxide Tính chất của enzyme

bị khử trong quá trình nghiền là 70% và trong giai đoạn sấy giấy là 100% Hoạt tính của enzyme không còn lại trên sản phẩm giấy

* Enzyme cellulase + hemicellulase: FiberZyme LBR – Dyadic International, ASA

- Dạng lỏng, tỷ trọng: 1,15 – 1,25 g/ml; pH: 4,5 ± 1,0

- Chế phẩm hoạt động trong khoảng pH 6,0 – 8,0; nhiệt độ 25 – 60 0C; mức dùng 100 – 200g/tấn bột giấy khô Thời gian xử lý 30 phút hoặc lâu hơn

- Hoạt tính cellulase 931 U/g mẫu khô; hoạt tính xylanase 616 U/g mẫu khô

- Hoạt tính của enzyme bị khử ở pH khoảng 11 hoặc nhiệt độ trên 71 0C hoặc kết hợp cả hai điều kiện Trong quá trình sản xuất giấy hoạt tính của enzyme bị khử ở giai đoạn sấy khô Hoạt tính của enzyme không còn lại trên sản phẩm giấy

2.1.4 Thiết bị

- Máy nghiền bột giấy PFI, hãng PTI do Áo sản xuất

- Máy xeo Rapit-Kithen, hãng PTI do Áo sản xuất

- Máy đo độ nghiền, hãng PTI do Áo sản xuất

- Thiết bị ổn định nhiệt, do Trung Quốc sản xuất

- Máy đo độ bền xé Elmendorf , hãng PTA Frank do CHLB Đức sản xuất

- Máy đo độ chịu bục, hãng PTA do Áo sản xuất

- Máy đo độ bền kéo Housfield do Anh sản xuất

- Máy đo độ trắng và độ đục Elrepho do Mỹ sản xuất

- Máy đo độ nhẵn Bekk, hãng PTA Frank do CHLB Đức sản xuất

- Tủ sấy Heraeus do CHLB Đức sản xuất

- Tủ nung Heraeus do CBLB Đức sản xuất

- Máy đo pH do CHLB Đức sản xuất

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Mô tả phương pháp nghiên cứu

* Giai đoạn xử lý enzyme

Bột giấy dạng tấm được xé nhỏ với kích thước xấp xỉ 2,5mm x 2,5 mm và ngâm trong nước với thời gian 4 giờ và đánh tơi trong máy đánh tơi tiêu chuẩn theo Tiêu chuẩn Quốc tế ISO 5263-1: 2004 Bột sau đánh tơi được xử lý enzyme ở nồng độ 4% trong túi nilon với các chế độ công nghệ khác nhau

* Giai đoạn nghiền bột giấy

Sau thời gian xử lý enzyme, bột giấy được nghiền trong máy nghiền PFI theo Tiêu chuẩn Quốc tế ISO 5264-2011 Tiến hành xác định độ nghiền và đo chiều dài xơ sợi bột giấy sau nghiền

* Xeo mẫu giấy thí nghiệm

Bột giấy sau nghiền được xeo thành tờ trên máy xeo thí nghiệm Rapid-Kothen

theo Tiêu chuẩn Quốc tế ISO 5269-2:2004 với định lượng 70g/m2 để xác định các tính chất cơ lý

2.2.2 Tiêu chuẩn và phương pháp phân tích sử dụng

- Xác định kích thước xơ sợi: Đo trên kính hiển vi

- Phương pháp xác định hoạt tính cellulase: Serief et al., 2010

- Phương pháp xác định hoạt tính xylanase: Belfaquih et al., 2002

- Xác định định lượng: TCVN 1270:2008

- Xác định độ bền kéo: TCVN 1862-2 : 2011

- Xác định độ bền xé: TCVN 3229:2007

PHẦN III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Nghiên cứu quy trình công nghệ sử dụng enzyme cellulasse và hemicellulase trong quá trình nghiền bột giấy hóa học tẩy trắng từ gỗ cứng cho sản xuất giấy in

Các loại enzyme được dùng cho nghiên cứu là enzyme thương phẩm, với enzyme cellulase là Maximize, hemicellulase là Papyrase-RF, hỗn hợp enzyme cellulose hemicelulase là FibreZyme-LBR

3.1.1 Bột giấy hóa học tẩy trắng từ gỗ cứng nhập khẩu

3.1.1.1 Enzyme cellulase - Maximize

a)Nghiên cứu ảnh hưởng của pH

Theo khuyến cáo của nhà sản xuất về khoảng pH hoạt động của enzyme, các nghiên cứu được tiến hành trong khoảng pH từ 6 – 8 Điều kiện xử lý enzyme được tiến hành như sau:

- Nhiệt độ: 45 0C

- Thời gian xử lý enzyme: 60 phút

- Múc dùng enzyme: 0,05% so với bột giấy khô tuyệt đối

Bột giấy sau xử lý enzyme được nghiền trong máy nghiền PFI với số vòng nghiền là 6300 vòng Kết quả đo chiều dài xơ sợi và độ nghiền được chỉ ra trong bảng 3.1

Bảng 3.1: Ảnh hưởng của pH tới độ nghiền và chiều dài xơ sợi STT pH Chiều dài xơ sợi TB, mm Độ nghiền, 0 SR

b)Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ

Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý enzyme được tiến hành trong khoảng

từ 40 – 65 0C (khuyến cáo của nhà sản xuất) Điều kiện thí nghiệm được tiến hành như sau:

- pH: 7,2

- Thời gian xử lý enzyme: 60 phút

- Mức dùng enzyme: 0,05% so với bột giấy khô tuyệt đối

Bột giấy sau xử lý enzyme được nghiền trong máy nghiền PFI với số vòng nghiền là 6300 vòng Kết quả đo chiều dài xơ sợi và độ nghiền được chỉ ra trong bảng 3.2

Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới chiều dài xơ sợi và độ nghiền

STT Nhiệt độ, o C Chiều dài xơ sợi TB, mm Độ nghiền, 0 SR

c) Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian

Thời gian xử lý bột giấy bằng enzyme được tiến hành nghiên cứu trong khoảng

từ 30 phút tới 90 phút Điều kiện thí nghiệm được tiến hành như sau:

- pH: 7,2

- Nhiệt độ: 50 0C

- Mức dùng enzyme: 0,05% so với bột giấy khô tuyệt đối

Bột giấy sau xử lý enzyme được nghiền trong máy nghiền PFI với số vòng

nghiền 6300 vòng Kết quả đo chiều dài xơ sợi và độ nghiền được chỉ ra trong bảng

3.3

Bảng 3.3: Ảnh hưởng của thời gian tới chiều dài xơ sợi và độ nghiền

STT Thời gian xử lý, phút Chiều dài xơ sợi TB, mm Độ nghiền, 0 SR

Kết quả trong bảng 3.3 cho thấy thời gian xử lý 60 phút cho bột giấy có mức

tăng độ nghiền lớn nhất, tiếp tục tăng thời gian xử lý, giá trị độ nghiền không tăng Với

thời gian xử lý 60 phút chiều dài của xơ sợi bột giấy sau nghiền không giảm nhiều so

với mẫu đối chứng Thời gian xử lý bột giấy bằng enzyme trước khi nghiền được lựa

chọn là 60 phút

d) Nghiên cứu ảnh hưởng của mức dùng

Bột giấy được xử lý bằng enzyme với mức dùng trong khoảng từ 0,025% tới

0,125% với các điều kiện thí nghiệm đã được lựa chọn từ các thí nghiệm trên:

- pH: 7,2

- Nhiệt độ: 50 oC

- Thời gian xử lý: 60 phút

Bột giấy sau xử lý enzyme được nghiền trong máy nghiền PFI với số vòng

nghiền 6300 vòng Kết quả đo chiều dài xơ sợi và độ nghiền được chỉ ra trong bảng 3.4

Bảng 3.4: Ảnh hưởng của mức dùng enzyme STT Mức dùng, % Chiều dài xơ sợi, mm Độ nghiền, 0 SR

Các kết quả trong bảng 3.4 cho thấy với mức dùng enzyme 0,075% cho mức

tăng độ nghiền cao hơn hẳn, đạt 46 0SR, chiều dài xơ sợi sau nghiền giảm không đáng

kể Nhưng tiếp tục tăng mức dùng thì độ nghiền không tăng mà còn hơi giảm và đặt

biệt là chiều dài xơ sợi giảm tương đối nhiều

Từ các kết quả nghiên cứu trên chế độ công nghệ xử lý bột giấy hóa học tẩy

trắng từ gỗ cứng bằng enzyme cellulase (Maximize) trước giai đoạn nghiền được thiết

lập như sau:

- pH: pH nguyên thủy của bột giấy (7,0 – 7,5)

- Nhiệt độ: 50 0C

- Thời gian xử lý: 60 phút

- Mức dùng enzyme: 0,075 % so với bột giấy khô tuyệt đối

e)Tính chất của bột giấy đã được xử lý bằng enzyme trước khi nghiền

Xử lý bột giấy bằng enzyme theo chế độ công nghệ đã được thiết lập Tiến hành

nghiền bột giấy tới độ nghiền 37 – 38 0SR Xác định số vòng nghiền Bột giấy sau

nghiền được xeo trên máy xeo Rapid ở định lượng 70g/m2 để xác định tính chất vật lý

Kết quả đo tính chất của bột giấy được chỉ ra trong bảng 3.5

Kết quả trong bảng 3.5 cho thấy, để đạt được độ nghiền 37 – 38 0SR bột giấy đã

được xử lý bằng enzyme chỉ cần máy nghiền PFI thực hiện 5600 vòng, tương đương

với mức năng lượng nghiền giảm được 9,5% Bột giấy sau nghiền có độ bền kéo, tỷ

trọng tăng, độ đục và độ bền xé giảm Điều này có thể do bột giấy được xử lý bằng

enzyme có khả năng trương nở tốt hơn và sẽ làm tăng mức độ chổi hóa và hàm lượng

các xơ sợi nhỏ mịn trong quá trình nghiền Nhưng enzyme cũng có tác động làm giảm chiều dài trung bình của xơ sợi do đó độ bền xé giảm

3.1.1.2 Enzyme hemicellulase - Papyrase RF

Enzyme được dùng trong nghiên cứu là Papyrase RF Theo khuyến cáo của nhà sản xuất nhiệt độ hoạt động của enzyme trong khoảng từ 25 – 500C, nên các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của pH, thời gian xử lý và mức dùng sẽ được tiến hành tại 2 mức nhiệt độ: nhiệt độ thường (tại thời điểm tiến hành thí nghiệm nhiệt độ là 27 0C) và nhiệt độ tối ưu cho hoạt động của enzyme Trong thực tế sản xuất với các nhà máy sản xuất có dây chuyển sản xuất bột giấy và giấy thì xử lý bột giấy bằng enzyme tại nhiệt

độ cao hơn nhiệt độ thường rất thuận lợi Bột giấy khi được chuyển sang dây chuyền xeo giấy đã ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ thường (40 – 50 0C) Nhưng với các nhà máy chỉ sản xuất giấy từ bột tấm thì việc tăng nhiệt độ và duy trì nhiệt độ trong một khoảng thời gian nhất định sẽ đòi hỏi một lượng năng lượng không nhỏ

a) Nghiên cứu ảnh hưởng của pH

Khoảng pH được tiến hành nghiên cứu là từ 6 – 8 theo khuyến cáo của nhà sản xuất, điều kiện thí nghiệm được tiến hành như sau:

- Nhiệt độ: nhiệt độ môi trường (27 0C) và 40 0C

- Thời gian xử lý enzyme: 60 phút

- Mức dùng enzyme: 0,015% so với bột giấy khô tuyệt đối

Bột giấy sau xử lý bằng enzyme được nghiền trong máy nghiền PFI với số vòng nghiền là 6300 vòng Kết quả đo chiều dài xơ sợi và độ nghiền được chỉ ra trong bảng 3.6

Bảng 3.6: Ảnh hưởng của pH STT pH Chiều dài xơ sợi TB, mm Độ nghiền, 0 SR

Kết quả cho thấy xử lý bột giấy bằng enzyme trong khoảng pH từ 6 – 8 cho mức

độ thay đổi độ nghiền không đáng kể cả ở hai mức nhiệt độ Do đó pH được lựa chọn

là pH nguyên thủy của bột giấy (7,2)

b) Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ

Các thí nghiệm được tiến hành trong khoảng nhiệt độ từ 25 – 500C (theo khuyên cáo của nhà sản xuất) với các điều kiện như sau:

Bảng 3.7: Ảnh hưởng của nhiệt độ STT Nhiệt độ, 0 C Chiều dài xơ sợi, mm Độ nghiền, 0 SR

c) Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian

Các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian xử lý bột giấy bằng enzyme được tiến hành theo các điều kiện sau:

- pH: 7,2

- Nhiệt độ: nhiệt độ thường (270C) ; 450C

- Mức dùng enzyme: 0,015% so với bột giấy khô tuyệt đối

Bột giấy sau xử lý bằng enzyme được nghiền trong máy nghiền PFI với số vòng

nghiền là 6300 vòng Kết quả đo độ nghiền và chiều dài xơ sợi được chỉ ra trong bảng

Bột giấy xử lý bằng enzyme tại nhiệt độ 450C chỉ cần thời gian xử lý là 45 phút

đã cho giá trị độ nghiền tăng cao nhất Tiếp tục kéo dài thời gian xử lý độ nghiền của

bột giấy không tăng Tại nhiệt độ 270C để giá trị độ nghiền có mức độ tăng rõ rệt cần

thời gian xử lý là 75 phút, nhưng tiếp tục kéo dài thời gian xử lý tới 90 phút độ nghiền

của bột giấy không tăng Chiều dài của xơ sợi bột giấy tại các thời gian xử lý không bị

ảnh hưởng đáng kể

d) Nghiên cứu ảnh hưởng của mức dùng

Mức dùng enzyme cho xử lý bột giấy được tiến hành nghiên cứu trong khoảng

từ 0,01% tới 0,035% Các thí nghiện được tiến hành tại các điều kiện sau:

- pH: 7,2

- Nhiệt độ: nhiệt độ thường, nhiệt độ 450C

- Thời gian xử lý: 45 phút

Bột giấy sau xử lý bằng enzyme được nghiền trong máy nghiền PFI với số vòng

nghiền là 6300 vòng Kết quả đo chiều dài xơ sợi và độ nghiền của bột giấy được chỉ ra

trong bảng 3.9

Bảng 3.9: Ảnh hưởng của mức dùng STT Mức dùng, % Chiều dài xơ sợi, mm Độ nghiền, 0 SR

Từ các kết quả nghiên cứu chế độ công nghệ xử lý bột giấy bằng enzyme trước khi nghiền được lựa chọn như sau:

- Nhiệt độ môi trường

- pH: pH nguyên thủy của bột giấy

so với mẫu đối chứng Độ bền xé, độ chịu bục và độ đục thấp hơn Điều này có thể được lý giải do tác động của enzyme làm tăng mức độ chổi hóa và hàm lượng các xơ sợi nhỏ mịn cũng như làm giảm chiều dài TB của xơ sợi trong quá trình nghiền

4.1.1.3 Cellulase +hemicellulose – FibreZyme-LBR

Theo khuyến cáo của nhà sản xuất nhiệt độ hoạt động của enzyme trong khoảng

từ 25 – 600C, nên các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của pH, thời gian xử lý và mức dùng cũng sẽ được tiến hành tại 2 mức nhiệt độ: nhiệt độ của môi thường (tại thời điểm thực hiện thí nghiệm nhiệt độ là 280C) và nhiệt độ tối ưu cho hoạt động của enzyme như đối với enzyme Papyrase RF

a) Nghiên cứu ảnh hưởng của pH

Các thí nghiệm nghiên cứu về ảnh hưởng của pH của quá trình xử lý bột giấy bằng enzyme đến độ nghiền được tiến hành trong khoảng từ 6 – 8 theo khuyến cáo của nhà sản xuất Điều kiện thí nghiệm được tiến hành như sau:

- Nhiệt độ: 45 0C

- Thời gian xử lý enzyme: 60 phút

- Mức dùng enzyme: 0,02% so với bột giấy khô tuyệt đối

Kết quả nghiên cứu cho thấy xử lý bột giấy bằng enzyme trong khoảng pH từ 6

– 8 không có ảnh hưởng nhiều tới sự thay đổi độ nghiền cũng như chiều dài của xơ sợi

bột giấy Do đó pH được xử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo là pH nguyên thủy của

bột giấy (7,2)

b) Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ

Các thí nghiệm được tiến hành trong khoảng nhiệt độ từ 30 tới 600C theo khuyến cáo của nhà sản xuất Điều kiện thí nghiệm được tiến hành như sau:

giấy được chỉ ra trong bảng 3.12

Bảng 3.12: Ảnh hưởng của nhiệt độ STT Nhiệt độ, 0 C Chiều dài xơ sợi, mm Độ nghiền, 0 SR

Xử lý bột giấy bằng enzyme ở nhiệt độ 500C cho giá trị độ nghiền thay đổi rõ

rệt Quá trình xử lý tiến hành ở nhiệt độ cao hơn giá trị độ nghiền không tăng thêm

Chiều dài của xơ sợi bột giấy thay đổi không đáng kể so với mẫu đối chứng Nhiệt độ

tối ưu cho enzyme fibreZyme-LBR hoạt động là 500C

c)Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian

Thời gian xử lý enzyme bột giấy trước khi nghiền được tiến hành trong khoảng

từ 30 phút tới 90 phút Các điều kiện thí nghiệm được tiến hành như sau:

- pH: 7,2

- Nhiệt độ: 500C

- Mức dùng enzyme: 0,02%

Bột giấy sau xử lý enzyme được nghiền trong máy nghiền PFI với số vòng

nghiền là 6300 vòng Kết quả kiểm tra chiều dài xơ sợi và độ nghiền được chỉ ra trong

Bột giấy xử lý bằng enzyme ở nhiệt độ 500C với thời gian 60 phút cho giá trị độ

nghiền lớn nhất Tăng thời gian xử lý độ nghiền của bột giấy có chiều hướng giảm Với

nhiệt độ xử lý 280C (nhiệt độ của môi trường) giá trị độ nghiền đạt cao nhất ở thời gian

xử lý là 75 phút

d) Nghiên cứu ảnh hưởng của mức dùng

Mức dùng enzyme được sử dụng trong các nghiên cứu là từ 0,01% tới 0,03%

Điều kiện thí nghiệm được tiến hành như sau:

- pH: 7,2

- Nhiệt độ: 280C (nhiệt độ môi trường), 500C

- Thời gian xử lý: 60 phút

Bột giấy sau xử lý bằng enzyme được nghiền trong máy nghiền PFI với số vòng nghiền 6300 vòng Kết quả xác định chiều dài xơ sợi và độ nghiền được chỉ ra trong bảng 3.13

Bảng 3.13: Ảnh hưởng của mức dùng STT Mức dùng, % Chiều dài xơ sợi, mm Độ nghiền, 0 SR

Xử lý bột giấy bằng enzyme ở nhiệt độ 50 0C với mức dùng 0,03% cho giá trị

độ nghiền tăng cao (47 0SR) Tại nhiệt độ thường (28 )C), với mức dùng 0,035 % đạt được 44 oSR

Các kết quả nghiên cứu cho thấy xử lý bột giấy tại nhiệt độ cao (50 0C) mức tăng độ nghiền cao hơn so với xử lý ở nhiệt độ thường Kết quả này hoàn toàn phù hợp với khuyến cáo của nhà sản xuất chế phẩm enzyme Khi tăng nhiệt độ hoạt động của enzyme tới mức tối ưu, hoạt tính của enzyme sẽ tăng theo, do đó mức dùng enzyme sẽ giảm so với ở nhiệt độ thấp

Từ các kết quả nghiên cứu chế độ công nghệ xử lý bột giấy bằng enzyme (cellulase + hemicellulose – FibreZyme-LBR) trợ nghiền được xác lập như sau:

e) Tính chất của bột giấy

Xử lý bột giấy bằng enzyme theo hai quy trình đã được thiết lập ở phần trên Tiến hành nghiền tới độ nghiền 37 – 380C Xác định số vòng nghiền Bột giấy sau nghiền được xeo trên máy xeo Rapid ở định lượng 70 g/m2 để xác định tính chất vật lý của bột giấy Kết quả được chỉ ra trong bảng 3.14

3.1.2 Bột giấy hóa học tẩy trắng từ gỗ cứng sản xuất trong nước

Bột giấy được dùng trong nghiên cứu là bột giấy được sản xuất tại Tổng công ty Giấy Việt Nam Bột giấy ở dạng ướt, chưa qua công đoạn sấy khô Bột giấy được xử lý trước khi nghiền bằng các loại enzyme theo đúng quy trình công nghệ đã được thiết lập

ở các phần trên Sau khi xử lý enzyme, bột giấy được nghiền trong máy nghiền PFI đến

độ nghiền 37 – 38 0SR và xeo mẫu trên máy xeo Rapid với định lượng 70 g/m2 để xác định các tính chất vật lý của bột giấy Các kết quả được chỉ ra trong bảng 3.15