Bột sunfat của nhà máy giấy Bãi Bằng được nấu theo chế độ nấu:
- Mức dùng kiềm: 21,5%;
- Tỉ dịch: 1:3,5%;
- Độ sunfua: 25-27%;
- Thời gian tăng ôn tới 168-170oC: 1,5 giờ;
- Bảo ôn ở 168-170oC: 1,5giờ.
Đánh giá hiệu quả sử dụng enzyme cho tẩy trắng dựa trên sự thay đổi độ trắng hoặc trị số Kappa của bột (hàm lượng lignin còn lại trong bột). Vì vậy, đã tiến hành xác định trị số Kappa và độ trắng ban đầu của bột theo phương pháp đã nêu trên. Kết quả thu được như sau:
- Trị số Kappa: 16,5 đv Kappa (thông số sản xuất nêu là 18 đv);
- Độ trắng tương ứng: 38% ISO (trong sản xuất không kiểm tra).
3.3. Xác định ảnh hưởng của mức dùng enzyme tới độ trắng của bột giấy sunfat tẩy trắng
Trong sản xuất, các yếu tố công nghệ như nhiệt độ của một phản ứng, thời gian tiến hành một quá trình, mức tiêu hao vật tư hóa chất, … đều phải được tính đến, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu quả kinh tế. Vì vậy việc khảo sát và xác định các giá trị thích hợp (trong nhiều trường hợp có thể là các giá trị tối ưu) của các yếu tố này là hết sức quan trọng.
Từ kết quả xác định tính chất của bột chưa tẩy trắng ta thấy, với chế độ nấu bột như trên, bột sunfat sau nấu có trị số Kappa tương đối thấp. Tuy nhiên độ trắng của bột cũng rất thấp, vì vậy để tẩy trắng bột phù hợp cho sản xuất giấy in viết như hiện nay nhà máy phải áp dụng công đoạn tách loại lignin bằng oxi trong môi trường kiềm, công đoạn clo hóa và tẩy trắng bằng hypoclorit natri.
Việc tiến hành tẩy trắng bột sunfat ở quy mô phòng thí nghiệm theo như quy trình đang áp dụng tại nhà máy là không thực hiện được, do đòi hỏi thiết bị, hóa chất phức tạp. Các kết quả nghiên cứu cơ chế tác dụng của enzyme đối với bột giấy nêu trên cho thấy, hiệu quả của chúng không phụ thuộc vào bản chất các chất tẩy mà chỉ phụ thuộc vào mức dùng chất tẩy được sử dụng trong các công đoạn tẩy trắng tiếp theo. Vì vậy, để nghiên cứu sự ảnh hưởng của enzyme tới quá trình tách loại lignin và sự thay đổi độ trắng của bột, đã tiến hành xử lý và tẩy trắng bột theo quy trình 03 công đoạn (X-H-P) có rửa bột giữa các công đoạn theo phương pháp thực nghiệm nêu trên với các điều kiện sau:
Công đoạn H:
- Mức dùng NaClO: 5 % so với bột khô gió;
- Nhiệt độ xử lý bằng NaClO: 55oC;
- Thời gian xử lý bằng NaClO: 60 phút.
- Nồng độ bột 10%
- Mức dùng NaClO tuỳ theo yêu cầu của từng thực nghiệm. Công đoạn P:
- Mức dùng H2O2: 5% so với bột khô gió;
- Mức dùng NaOH: 2,5% so với bột khô gió;
- pH ban đầu của huyền phù bột: 11,2-11,5;
- pH cuối: 9,7-10;
- Thời gian tẩy: 60 phút;
- Nhiệt độ: 700C;
Dựa trên các kết quả nghiên cứu và ứng dụng Pulpzyme HC cho tẩy trắng bột sunfat, ban đầu xử lý bột bằng enzyme được tiến hành trong vòng 2 giờ.
Tác dụng của enzyme đuợc đánh giá theo sự thay đổi độ trắng của bột, ở cùng một điều kiện tẩy trắng nó phụ thuộc vào mức dùng enzyme. Do enzyme là một chất xúc tác nên theo quy luật mức dùng của nó sẽ đạt mức bão hòa, tức tăng mức dùng cao hơn một giá trị nào đó, tác dụng của nó có thể sẽ không thay đổi.
Quy trình tẩy trắng và chuẩn bị mẫu bột cho phân tích tương đối phức tạp và kéo dài. Mặt khác đo độ trắng là phép phân tích rất nhạy cảm, có độ sai số cao tùy thuộc vào sự chuẩn bị mẫu chuẩn. Vì vậy, các thí nghiệm được tiến hành song song 3 lần, kết quả là kết quả trung bình cộng.
Sự thay đổi độ trắng của bột sunfat được tẩy trắng theo sơ đồ X – H - P được trình bày trên hình 3.1.
60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Mức dùng enzyme (lít/tấn)
Đ ộ t r ắ n g, % ISO
Hình 3.1: Ảnh hưởng của mức dùng enzym tới độ trắng của bột (Thời gian xử lý của công đoạn X: 120 phút)
Có thể thấy, sự ảnh hưởng của enzyme tới tăng độ trắng của bột là rất rõ rệt và mức dùng enzyme tỉ lệ thuận với tăng độ trắng. Ban đầu độ trắng tăng mạnh song khi mức dùng enzyme đạt quá mức 5-6 lít/tấn bột khô gió thì độ trắng hầu như không tăng nữa. So với tẩy trắng không có công đoạn X, xử lý bằng enzyme đã tăng độ trắng của bột từ 65,5 lên tới 72,5% ISO, tức độ trắng của bột đã cải thiện được tới 7% ISO. Tuy nhiên, cũng có thể thấy mức tăng độ trắng diễn ra mạnh trong khoảng mức dùng enzyme khoảng 2 lít/tấn, tiếp đó độ trắng thay đổi chậm hơn. Qua đó có thể kết luận, tùy thuộc vào độ trắng cần đạt, nếu tính đến yếu tố kinh tế thì mức dùng enzyme hợp lý vào khoảng 1,5-2 lít/tấn (Với enzyme có hoạt tính là 250 u/g).
3.4. Ảnh hưởng của thời gian xử lí bằng enzyme đến độ trắng của bộtgiấy sunfat
Như đã nêu trên, lignin còn lại trong bột giấy là lượng lignin khó tách loại. Trong bột giấy nó liên kết với xenluloza và xylan bằng các liên kết rất phức tạp. Theo cơ chế hoạt động của các loại xylanaza nêu trên, hiệu quả tác dụng của enzym phụ thuộc nhiều vào sự tiếp xúc của nó với chủ thể là xylan (liên kết với lignin), trong khi đó xơ sợi xenluloza có kích thước tương đối lớn, vì vậy sự thẩm thấu của enzyme vào trong xơ sợi phụ thuộc chủ yếu vào thời gian xử lý bột bằng dung dịch chứa enzyme. Các kết quả nghiên cứu cho thấy thời gian xử lý bằng enzyme càng kéo dài hiệu quả càng cao. Tuy nhiên, thời gian xử lý quá kéo dài có thể ảnh hưởng đến hiệu suất bột hay hiệu quả kinh tế.
Để xác định thời gian xử lý hợp lý, đã tiến hành tẩy trắng bột sunfat theo sơ đồ 3 giai đoạn: enzyme – hipocloit – peoxit hidro (X-H-P) và điều kiện tiến hành tương tự nêu trên (3.1). Mức dùng enzyme được lấy ở mức tối đa (xem 3.1) là 5lít/tấn. Thời gian xử lý bột sunfat bằng enzyme được tiến hành ở các mức thời gian 1,2,3,4 và 5 giờ. Kết quả được đo độ trắng được trình bày trên hình 3.2.
1
60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75
0 1 2 3 4 5
Thời gian xử lý (giờ )
Đ ộ t r ắ n g, % I S O
Hình 3.2: Ảnh hưởng của thời gian xử lý enzyme tới độ trắng của bột sunfat
Qua đó có thể thấy độ trắng của bột tăng mạnh trong vòng 1-2 giờ đầu xử lý. Trong khoảng thời gian này mức tăng độ trắng của bột gần như tỉ lệ thuận với thời gian, tức mỗi một giờ xử lý bằng enzyme làm cho độ trắng của bột tăng khoảng 5% ISO sau khi tẩy trắng. Khi thời gian xử lý tăng quá mức nêu trên, hầu như không diễn ra sự thay đổi độ trắng của bột tẩy trắng. Như vậy có thể kết luận khi tiến hành tẩy trắng bột sunfat, hiệu quả nhất là xử lý bằng enzyme trong vòng 2 giờ. Bằng cách điều chỉnh thời gian xử lý trong khoảng nêu trên có thể đạt được độ trắng của bột tẩy trắng cần thiết tương ứng với hiệu qủakinh tế có thể đạt được.
3.5. Ảnh hưởng của xử lý bột sunfat bằng enzyme tới tốc độ hòa tan lignin
Như đã nêu trên, các kết quả nghiên cứu về cơ chế tácdụng của enzyme trong quá trình tấy trắng cho phép ta khẳng định rằng, trong quá trình tẩy trắng sự biến đổi của hemixenluloza dưới tác dụng của enzyme cho phép
“mở” cấu trúc xơ sợi dẫn đến quá trình tách loại lignin được diễn ra dễ dàng hơn. Vì vậy, trong quá trình tẩy trắng tiếp theo, tốc độ hòa tan (phân hủy) của lignin dưới tác dụng của các chất tẩy sẽ khác nhau. Việc xác định yếu tố này sẽ là những chi tiết khoa học rất thú vị và có ý nghĩa quan trọng trong việc điều chỉnh quá trình công nghệ.
Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của enzyme tới sự thay đổi tốc độ hòa tan lignin, đã tiến hành xử lý bột với mức dùng enzyme là 5 lít/tấn và thời gian xử lý là 120 phút. Tiếp đó bột được tẩy trắng bằng NaClO theo phương pháp nêu trên với điều kiện sau:
Mức dùng NaClO: 5 % so với bột khô tuyệt đối. Thời gianxử lý: 60, 90, 120 và 180 phút.
Sự thay đổi hàm lượng lignin của bột được đánh giá theo trị số Kappa.
Kết quả xác định trị số kappa được thể hiện ở hình 3.3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
0 1 2 3 4
Thời gian tẩy (giờ )
T r ị s ố K a p p a
Hình 3.3: Ảnh hưởng của thời gian tẩy trắng tới trị số Kappa của bột tẩy trắng
(--- Bột đã qua xử lý bằng enzyme; ─ Bột chưa qua xử lý enzyme)
Kết quả nghiên cứu (hình 3.3) cho thấy, ở những điều kiện tẩy trắng tương đương (cùng một mức dùng chất tẩy và nhiệt đô tẩy) thời gian tẩy trắng càng kéo dài thì tốc độ hòa tan lignin của bột giấy chưa qua xử lý enzyme càng thấp so với bột đã qua xử lý. Nếu bỏ qua các yếu tố khác ảnh hưởng đến trị số Kappa, ta có thể quy đổi trị số Kappa sang hàm lượng lignin:
L = 0,15K,
Trong đó L – hàm lượng lignin;
K – trị số Kappa.
Từ đó tính được hàm lượng lignin còn lại trong bột chưa qua xử lý ằng enzyme và đã qua xử lý enzyme sau mỗi khoảng thời gian tẩy trắng nhất định (bảng 3.1)
Bảng 3.1. Tốc độ hoà tan lignin
Dạng bột Lượng lignin bị hoà tan, % so với lượng ban đầu
1h 2h 3h 4h
Đã qua xử lý enzyme
45 75 82 85
Chưa qua xử lý enzyme
30 52 60 65
Từ kết quả trên có thể khẳng định một lần nữa khả năng thúc đẩy quá trình tách loại lignin khi tẩy trắng của enzyme là rất rõ rệt. Để đạt đến một trị số Kappa (chẳng hạn 6 đv), thời gian tẩy trắng bột chưa qua xử lý enzyme là khoảng 3,2 h, còn đối với bột đã qua xử lý enzym chỉ cần khoảng 1,5h. Tuy nhiên trong thực tế cần tính đến tổng thời gian của cả quá trình tẩy trắng cần thiết (bao gồm thời xử lý enzyme + thời gian tẩy trắng). Vì vậy, khó có thể nói xử lý enzyme giúp rút ngắn thời gian tẩy trắng, mặc dù vậy lợi ích kinh tế và môi trường của một quá trình tẩy trắng sử dụng enzyme thể hiện ở việc rút ngắn các công đoạn tẩy trắng mà trong đó có thể sử dụng các chất tẩy ít thân thiện môi trường hơn. Bên cạnh đó, cần nhấn mạnh rằng xử lý bột giấy bằng enzyme thường được tiến hành ở điều kiện “mềm” hơn so với các công đoạn tẩy trắng khác, điều này cũng có thể mang lại những lợi ích nhất định.
3.6. Xác định mức giảm hóa chất tẩy trong quá trình tẩy trắng sử dụng enzyme
Để xác định được mức giảm hóa chất tẩy trong quá trình tẩy trắng bột sunfat đã qua xử lý bằng enzyme, đã tiến hành tẩy trắng bột chưa qua xử lý enzyme và bột đã qua xử lý enzyme bằng NaClO tới cùng một độ trắng và xác định mức tiêu hao hóa chất tẩy. Xử lý bằng enzyme được tiến hành với mức dùng 5 lít/tấn trong vòng 120 phút. Tiếp theo bột được tẩy trắng bằng NaClO ở 55oC trong vòng 180 phút với mức dùng 1,7-6,8% so với bột khô gió. Kết quả được trình bày trên hình 3.4.
40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Mức dùng NaClO, kg/tấn
Đ ộ t r ắ n g, % I S O
Hình 3.4: Ảnh hưởng của mức dùng NaClO tới độ trắng của bột tẩy trắng
(── Bột đã qua xử lý enzyme; --- Bột chưa qua xử lý enzyme)
Kết quả thu được cho thấy, để đạt đến độ trắng nhất định thì xử lý bột giấy bằng enzyme cho phép giảm mức tiêu hao chất tẩy 20-40%, ngoài ra độ
trắng bột càng cao, mức giảm càng thấp. Tuy nhiên, cũng cần lưu ý rằng mức giảm tiêu hao chất tẩy sẽ phụ thuộc vào bản chất của chất tẩy và quy trình tẩy trắng.
3.7. Ảnh hưởng của xử lý bằng enzyme tới hàm lượng pentozan của bộtgiấy sunfat .
Như đã nêu trên, tác dụng của xylanaza là tác dụng phân hủy xylan chứa trong bột giấy. Kết quả của sự phân hủy (thủy phân) có thể là giảm bậc trùng hợp tới mức có thể làm hòa tan xylan. Ở một mức độ nào đó, sự hòa tan xylan có thể ảnh hưởng đến tính chất của bột giấy và là quá trình không mong muốn. Để làm sáng tỏ vấn đề này, đã tiến hành xác định hàm lượng pentozan (xylan) trong các loại bột giấy. Xử lý bột giấy bằng enzyme được tiến hành trong vòng 120 phút với mức dùng 5 lít/tấn, tẩy trắng bằng NaClO được tiến hành ở 55oC trong vòng 60 phút với mức dùng 5% so với bột khô gió, Tẩy trắng bằng peoxit hidro với mức dùng H2O2 5% ở nhiệt độ 700C và thời gian 6o phút. Bột được tẩy trắng tới độ trắng 70% ISO. Kết quả được trình bày trên bảng 3.2
Bảng 3.2. Hàm lượng pentozan trong bột giấy tẩy trắng và chưa tẩy trắng, % Dạng bột Bột chưa
tẩy trắng
Bột đã qua xử lý
enzyme
Bột tẩy trắng theo sơ đồ H-P
Bột tẩy trắng theo
sơ đồ X- H -P Hàm lượng
pentozan (%)
15,2±0,5 15,2±0,5 15,1±0,5 15,1±0,5
Kết quả cho thấy, sự khác biệt về hàm lượng pentozan trong bột hầu như không đáng kể. Có thể nói xử lý bột sunfat bằng enzyme không làm thay
đổi xylan tới mức có thể hòa tan và không ảnh hưởng đến hàm lượng xylan trong bột tẩy trắng. Theo quy trình tẩy trắng nêu trên (X-H-P), với hiệu suất bột tẩy trắng đạt 95%) thì trong quá trình tẩy trắng có khoảng 5-6% lượng xylan (so với khối lượng ban đầu) bị hòa tan. Điều này một lần nữa khẳng định các luận điểm đã nêu trên về cơ chế tác dụng của xylanaza đối với bột giấy, trong đó có bột sunfat sản xuất từ gỗ keo Việt Nam.