CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.2. Các phương pháp phân tách xơ khóm
1.2.3. Các phương pháp xử lý khác
Có nhiều phương pháp xử lý có thể áp dụng cho các xơ libe nói chung và xơ khóm nói riêng như sơ đồ hình 1.17
40
Hình 1.17: Các phương pháp xử lý xơ libe [28]
1.2.3.1. Phương pháp xử lý vi sinh:
Phương pháp xử lý vi sinh là phương pháp lâu đời và được sử dụng rộng rãi nhất. Hai phương pháp xử lý vi sinh phổ biến là xử lý bằng sương và xử lý bằng nước (xử lý trong ao, hồ, sông, suối, ...). Cả hai phương pháp đều sử dụng enzyme pectin có sẵn trong mơi trường (sương, nước) để phân tách xơ.
Xủ lý bằng sương (Dew retting): Phổ biến tại các khu vực có nguồn tài nguyên nước hạn chế.
Hiệu quả nhất ở vùng khí hậu với thời gian đổ sương nặng về đêm và nhiệt độ ban ngày ấm áp. Thân cây thu hoạch được trải đều trên các đồng cỏ, tác động kết hợp của vi khuẩn, mặt trời, khơng khí và sương thúc đẩy q trình lên men, phân hủy vật liệu gốc quanh các bó sợi. Trong vòng 2 – 3 tuần, tùy thuộc và điều kiện khí hậu, xơ có thể được tách ra. Trong suốt khoảng thời gian này, vi sinh vật, chủ yếu là nấm và vi khuẩn yếm khí có trong đất và trên thực vật sẽ tấn công phần non-cellulose, loại bỏ bớt pectin và hemicellulose từ phần mô trên thân cây mà không làm ảnh hưởng tới phần cellulose. Xơ xử lý bằng sương nói chung tối màu và chất lượng thấp hơn so với xơ xử lý ngâm trong nước. Một vài loài nấm, vi sinh vật được dùng trong phương pháp này như: Cladosp orium sp., Penicillium sp., Aspergillus và Rhodotorula sp. Đối với các loại cây chứa hàm lượng lignin cao, ngoài sử dụng enzyme, một số kỹ thuật cơ học sẽ được đưa vào sử dụng kết hợp trong quá trình này để đạt hiệu quả cao nhất [28]. Phương pháp xử lý Vi sinh Sương Tự nhiên Nhân tạo Nước Tự nhiên Nhân tạo Enzym Vật lý Hấp Xử lý thủy nhiệt Xử lý Plasma Hóa học Alkali hóa Xử lý bằng amoni Dầm acid
Oxi hóa loại bỏ lignin
41
Xử lý ngâm trong nước (Water retting): là phương pháp phổ biến nhất. Trong phương pháp
này thân lá được nhấn chìm tồn bộ trong nước. Nước thâm nhập đến phần cuống trung tâm, làm trương nở các tế bào bên trong, làm vỡ lớp vỏ ngồi cùng, do đó làm tăng sự hấp thụ của cả độ ẩm và vi khuẩn. Thời gian ngâm thường từ 5-8 ngày, thời gian ngâm cần được lưu ý cẩn thận, bởi nếu ngâm thiếu ngày làm khó tách xơ, cịn nếu ngâm thời gian quá dài sẽ khiến xơ bị xơ yếu. Xơ thu hoạch từ phương pháp này có chất lượng tốt hơn đáng kể so với phương pháp xử lý bằng sương, nhưng một điều đáng lưu ý là phương pháp này gây ô nhiễm nguồn nước và môi trường nơi được sử dụng để ngâm thân cây. Do đó, việc tìm ra phương pháp thay thế để giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường là rất cần thiết. Ví dụ như phương pháp xử lý enzyme được giới thiệu dưới đây đang được phát triển để thay thế dần phương pháp xử lý bằng nước [28, 29].
1.2.3.2. Phương pháp xử lý enzyme:
Một giải pháp để thay thế phương pháp xử lý bằng nước là xử lý enzyme, phương pháp mang lại nhiều đặc tính hứa hẹn như tiết kiệm thời gian, thân thiện với môi trường và những đặc điểm thuận lợi khác. Khoảng thời gian xử lý enzyme kéo dài trung bình từ 8 – 24 giờ. Pectinases là enzyme chính được sử dụng trong phương pháp này giúp làm tan pectin có trong xơ [28].
Enzyme Pectinase chủ yếu có trong thực vật và một vài vi sinh vật [28], chúng giúp mở rộng thành tế bào và làm mềm một số mơ thực vật trong q trình cây sinh trưởng và phát triển. Chúng cũng góp phần duy trì sự cân bằng sinh thái nhờ gây ra sự phân hủy thực vật. Tác nhân gây nên sự thối rữa và phân hủy rau củ quả chính là enzyme Pectinase. Phương pháp dầm xơ bằng enzyme Pectinase có khả năng sản xuất ra xơ tái sinh có độ bền cao và chỉ số độ mảnh linh hoạt được sử dụng để sản xuất các loại nhựa mới.
Một số loại enzyme đã được thương mại hóa: Viscozyme® L, Pectinex® Ultra SP-L, Scourzyme® L, Flaxzyme®, BioPrep® 3000 L, Texazyme® BFE. Mỗi loại enzyme sẽ có những điều kiện dầm khác nhau liên quan đến độ pH, nhiệt độ, và mật độ enzyme. Ngoài ra, chất hoạt động bề mặt và một số chất xúc tác khác thường được thêm vào trong quá trình để tăng hiệu quả [28, 30].
1.2.3.3. Phương pháp xử lý vật lý:
42 Hấp sử dụng hơi nước bão hòa ở áp suất cao và nhiệt độ cao làm thân cây tự phân giải và làm phá vỡ đáng kể cấu trúc của khối lignocellulosic, thủy phân hemicellulose và khử lignin. Nhờ vậy, tỉ lệ các xơ đơn được phân tách khá cao nhưng đồng thời cũng làm giảm chiều dài xơ. Một phần lignin, pectin và hemicellulose bị thủy phân trong các dung môi hữu cơ như: alcohol, acetone, và trong dung dịch kiềm, trong khi cellulose có khả năng chống thủy phân cao hơn vẫn giữ nguyên cấu trúc của nó. Phương pháp hấp đem lại hiệu quả cao, nhanh chóng, dễ kiểm sốt, giá thành thấp và được sử dụng thích hợp cho nhiều loại xơ. Phương pháp này đã được áp dụng thành công để sản xuất xơ chuối, xơ gai, xơ dừa, xơ lanh, và rơm lúa mì. Phương pháp có thể coi là phương pháp tiền xử lý tạo tiền đề cho các cơng đoạn sau. Hoặc nó có thể được sử dụng ở cơng đoạn cuối, sau khi xử lý kiềm, tẩy trắng, và đôi khi thủy phân bằng acid để làm suy yếu hoàn toàn hemicellulose và lignin. Thông thường, phương pháp hấp được sử dụng kết hợp với xử lý kiềm để giảm bớt liên kết giữa lignin và hemicellulose [28].
❖ Phương pháp xử lý thủy nhiệt:
Phương pháp xử lý thủy nhiệt sử dụng nước ở áp suất và nhiệt độ cao sẽ phân hủy lignin và hemicellulose. Phương pháp này đã được áp dụng cho xơ gai và xơ lanh. Kết quả thu được là các bó xơ chứ khơng phải các xơ đơn riêng lẻ và chúng có độ bền cao hơn và độ chống ẩm (moisure resistance) tốt hơn [28].
❖ Phương pháp Plasma:
Phương pháp plasma sử dụng các dịng khí áp suất cao (thường là khí oxy hoặc argon) để phân tách xơ. Tùy thuộc vào nguyên vật liệu được xử lý, dịng plasma có thể phá vỡ các liên kết ngang trong xơ hoặc kích hoạt bề mặt xơ. Thời gian, áp suất và công suất là các yếu tố cần phải xem xét cẩn thận để đạt được kết quả tốt nhất. Phương pháp này rất phổ biến với các xơ tự nhiên như: lanh, mía, dừa và xơ tre. Khơng như phương pháp dầm hóa học, phương pháp plasma không gây ô nhiễm và được coi là phương pháp xanh, sạch. Phương pháp xử lý bằng plasma chưa thực sự phổ biến và mới chỉ có vài nghiên cứu về chúng. Tuy nhiên, đây là một phương pháp rất có tiềm năng để nghiên cứu trong tương lai [28].
1.2.3.4. Phương pháp xử lý hóa học:
So với hai phương pháp truyền thống là xử lý bằng nước và bằng sương thì xử lý hóa học được ưa chuộng hơn vì với phương pháp này ta có thể tạo ra xơ có chất lượng ổn định
43 hơn bất chấp điều kiện thời tiết và tiết kiệm thời gian hơn. Có vơ số phương pháp xử lý hóa học khác nhau được sử dụng tùy thuộc vào loại xơ và ứng dụng cuối cùng của nó. Kiềm đã được sử dụng để xử lý hầu hết các loại xơ tự nhiên và cho hiệu quả xử lý rất cao [7, 14, 15, 18, 28, 31, 32]. Q trình alkali hóa để loại bỏ hemicellulose thường được tiến hành với dung dịch NaOH nồng độ trong khoảng 1-25% trên khối lượng [14, 28, 31].
Để loại bỏ hoàn toàn lignin và hầu hết hemicellulose, xử lý bằng ammonia cũng là một phương pháp xử lý thú vị thay thế alkali hóa. Kĩ thuật tiền xử lý ammonia gồm ngâm chiết ammonia tái sinh (ARP - ammonia recycle percolation) và ngâm chìm xơ trong ammonia (SAA - soaking in aqueous ammonia). Với ARP, sinh khối được tiền xử lý trong lị phản ứng có dịng chảy chạy dọc xuyên suốt, sau phản ứng, chất rắn của sinh khối sẽ được phân tách trong khi dòng chất lỏng được chuyển đến lò hấp để phân tách lignin, đường và ammonia để thu hồi ammonia [28, 31]
Một phương pháp xử lý hóa học khác là sử dụng acid (thường là HCl và H2SO4), tuy nhiên rủi ro phá hủy cellulose trong phương pháp này là khá cao và việc kiểm sốt nguồn thải của quy trình này rất phức tạp [13, 18, 28, 31]. Do đó phương pháp này khơng phổ biến.
Nhìn chung, xử lý hóa học là một phương pháp thay thế hiệu quả cho xử lý bằng sương vì
khơng bị ảnh hưởng bởi thời tiết và luôn giữ chất lượng xơ ổn định. Tuy nhiên, việc xử lý chất thải và trở ngại nhỏ trong việc làm suy thoái xơ khiến cho phương pháp này gần đây khơng cịn được ưa chuộng nhiều như trước.