Phân tích tính chất của bột xút tấy trắng cho thấy, cellulose chiếm 73,55%, pentosan 17,4%, lignin 3,5%, các chất vô cơ 0,5%, các chất trích ly 1,98% (hình 3.51).
Hình 3.51. Thành phần hóa học của rơm rạ ban đầu và bột cellulose tẩy trắng từ rơm rạ (1.Cellulose, 2. Pentosan, 3. Lignin, 4. Các chất vô cơ, 5. Các chất trích ly)
106 Nghiên cứu sơ bộ ảnh hƣởng của mức dùng enzyme đến hiệu suất đƣờng khử thu đƣợc khi thủy phân bột cellulose rơm rạ với nồng độ cơ chất là 10%, thời gian 120 h, tỷ lệ hỗn hợp enzyme Cellic® CTec2: Cellic® HTec2 là 4:1 theo khuyến cáo của nhà sản xuất enzyme Novozymes. Kết quả thu đƣợc trình bày trên hình 3.52.
Kết quả thu đƣợc (hình 3.52) cho thấy, khi tăng mức sử dụng enzyme từ 0,1 đến ml/g bột đến 0,3 ml enzyme/g bột KTĐ, hiệu suất đƣờng khử tăng dần và đạt mức tối đa (gần 100%) khi mức sử dụng enzyme khoảng 0,25 ml/g bột cellulose KTĐ (tƣơng đƣơng với 13,1 U/g), vì vậy mức sử dụng này đƣợc xem là hợp lý nhất. Tất cả các thực nghiệm đều sử dụng 2 loại enzyme là Cellic® CTec2 chiếm 80% tức 0,2 ml với hoạt lực 56 FPU/ml và 20% enzyme Cellic® HTec2 tức 0,05ml với hoạt lực 38 U/ml trong hỗn hợp nêu trên.
Hình 3.52. Ảnh hƣởng của mức sử dụng enzyme đến hiệu suất đƣờng hóa cellulose rơm rạ Nghiên cứu các chế độ thủy phân với mức sử dụng enzyme 0,25 ml, thay đổi thời gian thủy phân, nồng độ bột trong khoảng đã chọn, nghiên cứu ảnh hƣởng của các yếu tố này đến hiệu suất đƣờng khử bằng quy hoạch thực nghiệm Box−Behnken, sử dụng phần mềm Design Expert nhƣ chỉ ra trong bảng 3.19.
Bảng 3.19. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình thủy phân bột xút tẩy trắng từ rơm rạ
Số các yếu tố ảnh hƣởng : 3
Biến Yếu tố ảnh hƣởng Mức gốc Khoảng biến đổi Mức -1 Mức +1
X1 Mức sử dụng enzyme, ml/g 0,23 0,03 0,2 0,26
X2 Nồng độ cơ chất, % 9 2 7 11
X3 Thời gian thủy phân, h 108 36 72 144
Chƣơng trình phần mềm Design Expert thiết lập đƣợc đồng thời 17 phƣơng án thí nghiệm với các yếu tố: mức dùng enzyme (X1), nồng độ bột xút tẩy trắng (X2) và thời gian thủy phân (X3) tới hiệu suất đƣờng khử (Y). Kết quả thu đƣợc trình bày trong bảng 3.20.
107 Bảng 3.20. Thiết kế thí nghiệm thủy phân bột xút tẩy trắng từ rơm rạ theo Box –Behnken
STT Code X1 Code X2 Code X3 X1, ml X2, % X3, Min Hiệu suất
đƣờng khử (Y) 1 0 -1 -1 0,23 7 72 71,73 2 -1 1 0 0,2 11 108 86,29 3 0 0 0 0,23 9 108 89,05 4 1 1 0 0,26 11 108 96,56 5 -1 0 -1 0,2 9 72 74,84 6 -1 -1 0 0,2 7 108 64,05 7 0 -1 1 0,23 7 144 74,03 8 0 0 0 0,23 9 108 91,93 9 0 0 0 0,23 9 108 91,25 10 1 0 1 0,26 9 144 94,56 11 1 0 -1 0,26 9 72 88,97 12 0 1 -1 0,23 11 72 87,89 13 0 1 1 0,23 11 144 93,42 14 0 0 0 0,23 9 108 92,81 15 0 0 0 0,23 9 108 92,38 16 1 -1 0 0,26 7 108 87,94 17 -1 0 1 0,2 9 144 76,45
Phƣơng trình hồi quy biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất đƣờng hóa bột xút tẩy trắng từ rơm rạ vào mức sử dụng enzyme, nồng độ bột và thời gian thủy phân có dạng:
Y= 91,48 + 8,30X1 +8,30X2 + 1,88X3 − 3,41X1X2 + 1,00X1X3 + 0,81X2X3
− 2,92X12 − 4,86X22 − 4,86X32 (3.1) Phƣơng trình hồi quy (3.1) có giá trị P value nhỏ hơn 0,0001, giá trị F: 93,60 và hệ số tƣơng thích của mô hình so với thực tế là 70,37% (giá trị Lack of Fit là 0,7037 Not signification), cho thấy các yếu tố khảo sát đều có ảnh hƣởng đến hiệu suất đƣờng khử thu đƣợc khi thủy phân bột cellulose. Trong đó đáng kể nhất là ảnh hƣởng của yếu tố A,B – mức sử dụng enzyme và nồng độ bột xút tẩy trắng (giá trị tuyệt đối của hệ số lớn nhất là 8,30) và mang dấu “+“, phản ánh quy luật thuận, tức mức sử dụng enzyme và nồng độ bột càng lớn, hiệu suất đƣờng khử thu đƣợc càng cao.
Quan sát ảnh hƣởng đồng thời của cặp yếu tố mức sử dụng enzyme− nồng độ bột xút tẩy trắng (hình 3.53) cho thấy, vùng mầu sẫm (màu nóng) là vùng biểu thị lƣợng đƣờng khử thu đƣợc lớn nhất là vùng giao nhau giữa mức sử dụng enzyme lớn và nồng độ bột cao. Ảnh hƣởng của cả hai yếu tố này đến hiệu suất đƣờng khử là rất lớn, nên hiệu suất đƣờng khử thay đổi trong khoảng rất rộng từ khoảng 69,4% đến 96,6%. Giới hạn của vùng có hiệu suất đƣờng khử cao là từ mức sử dụng enzyme dao động trong khoảng [0,23 ÷ 0,26] ml/g, nồng độ bột xút tẩy trắng từ 9% đến 11% . Thời gian thủy phân có mức độ ảnh hƣởng nhỏ hơn cả hai yếu tố khảo sát còn lại. Vùng có hiệu suất đƣờng khử cao nằm trong khoảng thời gian thủy phân từ khoảng 100÷ 144h (hình 3.54, 3.55)
108 Hình 3.53. Ảnh hƣởng đồng thời của mức sử dụng enzyme−nồng độ bột xút tẩy trắng
Hình 3.54. Ảnh hƣởng đồng thời của mức sử dụng enzyme − thời gian thủy phân
Hình 3.55. Ảnh hƣởng đồng thời của nồng độ bột xút tẩy trắng − thời gian thủy phân Tiến hành tối ƣu hóa hiệu suất đƣờng khử theo các biến đã chọn, bằng phần mềm Design Expert thu đƣợc 43 phƣơng án với hệ số kỳ vọng đều bằng 1. Chọn phƣơng án số
109 22 thủy phân với mức sử dụng enzyme 0,24 ml/g bột, nồng độ bột cellulose 10,38%, thời gian thủy phân 107,64h (hình 3.56), khi đó hiệu suất thủy phân cellulose đạt 96,71% so với lƣợng cellulose ban đầu. Với hoạt lực enzyme Cellic®
CTec2 là 56 FPU/ml, hoạt lực Cellic® HTec2 là 38 U/ml, mức sử dụng 0,24 ml hỗn hợp (0,2 ml Cellic® CTec2 và 0,05 ml Cellic® HTec2) tƣơng đƣơng với 12,57 U/ 1g bột xút tẩy trắng từ rơm rạ).
Design-Expert® Software Sugar 96.56 64.05 X1 = A: Muc dung E X2 = B: Nong do Actual Factor C: Thoi gian = 107.64 0.20 0.22 0.23 0.25 0.26 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 Sugar A: Muc dung E B : N o n g d o 69.4298 75.1571 80.8844 86.6118 92.3391 Prediction 96.7142
Hình 3.56. Tối ƣu hóa quá trình thủy phân bột xút tẩy trắng từ rơm rạ bằng enzyme Nhƣ vậy, có thể thấy quá trình thủy phân diễn ra tƣơng đối dễ dàng đối với loại bột xút tẩy trắng từ rơm rạ có thành phần là cellulose chiếm phần lớn (khoảng ¾) và pentosan chiếm khoảng ¼, các tạp chất khác còn lại chiếm phần nhỏ không đáng kể, với hiệu suất thủy phân đạt 96,7%. Bã rắn còn lại sau thủy phân có thành phần chính là lignin và không có ảnh hƣởng nhiều đến quá trình thủy phân bằng enzyme. Các thông số của quá trình thủy phân bột xút tẩy trắng là cơ sở cho nghiên cứu quá trình thủy phân bột xút, bột sunfat và bột rơm rạ sau TXL bằng axit axetic và trích ly kiềm, dù các loại bột này đều lẫn nhiều tạp chất hơn so với bột xút tẩy trắng.