Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học cho chế tạo xenluloza tan từ nguyên liệu gỗ keo

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học chế tạo xenluloza tan từ gỗ keo. Quy trình tối ưu, sản phẩm chất lượng cao, mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp giấy.

• Tác giả: Ngô Văn Hữu
• Người hướng dẫn: PGS. Phan Huy Hoàng
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học cho chế tạo xenluloza tan từ nguyên liệu gỗ keo
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan về xenluloza tan
• 1.1.1. Khái quát chung
• 1.1.2. Tính chất của xenluloza tan
• 1.1.3. Ứng dụng của xenluloza tan
• 1.2. Khái quát về công nghệ sản xuất xenluloza tan có ứng dụng công nghệ sinh học
• 1.2.1. Lý thuyết nấu sunfat có tiền xử lý nguyên liệu
• 1.2.2. Tách loại lignin bằng oxy và tẩy trắng
• 1.2.3. Kết luận và định hướng nghiên cứu
• 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nguyên vật liệu
• 2.2. Thiết bị sử dụng cho nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Tiền xử lý nguyên liệu bằng chế phẩm sinh học
• 2.3.2. Nấu bột giấy
• 2.3.3. Tách loại lignin bằng oxy
• 2.3.4. Tẩy trắng bột giấy
• 2.4. Các phương pháp và tiêu chuẩn đã sử dụng
• 2.4.1. Phương pháp xác định hoạt tính enzyme
• 2.4.2. Phương pháp xác định hàm lượng α – xenluloza trong bột chưa tẩy trắng
• 2.4.3. Các tiêu chuẩn phân tích
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học cho quá trình tiền xử lý nguyên liệu
• 3.1.1. Nghiên cứu mức dùng chế phẩm sinh học
• 3.1.2. Nghiên cứu thời gian tiền xử lý nguyên liệu
• 3.1.3. Xác lập chế độ công nghệ công đoạn tiền xử lý bằng chế phẩm sinh học
• 3.2. Nghiên cứu, làm chủ công nghệ nấu sunfat cho sản xuất bột xenluloza tan
• 3.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của tổng mức dùng kiềm
• 3.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nấu
• 3.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian nấu (thời gian bảo ôn)
• 3.2.4. Xác lập chế độ công nghệ nấu cho sản xuất xenluloza tan
• 3.3. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học cho quá trình tẩy trắng
• 3.3.1. Tính chất bột sau oxy – kiềm
• 3.3.2. Nghiên cứu ứng dụng enzyme xylanase cho quá trình tiền xử lý tẩy trắng
• 3.3.3. Xác định điều kiện tối ưu cho quy trình tẩy trắng D0 - (Eop) - D1
• 3.4. Nghiên cứu điều kiện công nghệ công đoạn kiềm hóa cho sản xuất bột xenluloza tan
• 3.4.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của mức dùng kiềm
• 3.4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ kiềm hóa
• 3.4.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian kiềm hóa
• 3.4.4. Xác lập chế độ công nghệ công đoạn kiềm hóa
• 3.5. Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo xenluloza tan từ nguyên liệu gỗ keo có ứng dụng công nghệ sinh học
• 3.5.1. Quy trình công nghệ
• 3.5.2. Chất lượng sản phẩm
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU

Tóm tắt

I. Xenluloza tan từ gỗ keo Giới thiệu tiềm năng 55 ký tự

Biến đổi khí hậu thúc đẩy tìm kiếm giải pháp xanh. Ngành công nghiệp giấy và bột giấy chuyển mình theo hướng bền vững hơn. Xenluloza tan nổi lên như một nguyên liệu đầy tiềm năng. Các quy định ngày càng khắt khe về ô nhiễm buộc các ngành công nghiệp phải thay đổi. Công nghệ sinh học mang đến cơ hội sản xuất Xenluloza tan thân thiện với môi trường. Gỗ keo, nguồn tài nguyên dồi dào tại Việt Nam, có thể trở thành nguồn cung cấp Xenluloza tan quan trọng. Nghiên cứu này tập trung vào việc khai thác tiềm năng đó thông qua công nghệ sinh học và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Việc ứng dụng enzyme và vi sinh vật trong sản xuất Xenluloza tan hứa hẹn giảm thiểu tác động đến môi trường. Luận văn này hướng tới xây dựng quy trình công nghệ chế tạo Xenluloza tan từ gỗ keo, ứng dụng công nghệ sinh học. Kết quả nghiên cứu là cơ sở và tiền đề cho các nghiên cứu cũng như quá trình sản xuất thực tế Xenluloza tan từ gỗ keo ứng dụng trong công nghiệp chế biến sinh khối.

1.1. Tổng quan về xenluloza tan Định nghĩa và cấu trúc

Xenluloza có công thức phân tử là (C6H10O5)n với độ trùng hợp n có thể lên đến 5.000 trong tế bào thực vật. Xenluloza là polyme tự nhiên dồi dào nhất bởi nó là thành phần cấu tạo nên vách tế bào của hầu hết các loài thực vật. Trong gỗ lá kim, xenluloza chiếm khoảng 41 - 49%, trong gỗ lá rộng nó chiếm 43 - 52% thể tích [17]. Để khắc phục vấn đề này, các nhà khoa học đã đề xuất nhiều phương pháp tiền xử lý xenluloza trong bột giấy để xenluloza trong nguyên liệu vẫn có hàm lượng α - xenluloza cao nhưng độ trùng hợp thấp hơn, mật độ phân tử cách xa nhau hơn để làm giảm lượng liên kết hydro trong xenluloza, hàm lượng các chất khác như lignin, hemixenluloza,… thấp hơn và nghiên cứu những loại dung môi đặc biệt có thể phá vỡ liên kết hydro trong mạch xenluloza khiến nó gần như tan hoàn 3 toàn trong dung dịch hay còn gọi là xenluloza tan.

1.2. Tính chất đặc trưng của Xenluloza tan cần biết

Bột xenluloza tan được đặc trưng bởi những tính chất như hàm lượng α- xenluloza cao, hàm lượng hemixenluloza và lignin rất thấp, độ tro thấp và độ trùng hợp của xenluloza thấp (khoảng 400 đơn vị), đảm bảo sản phẩm thu được có thể hòa tan trong một số dung môi đề ion (ionic liquids) như 1 - ethyl - 2 - methyl - imidazolium chlode (EmimCl) với nguyên tắc của ionic liquid khi hòa tan xenluloza là các anion đóng vai trò như những hydrogen bonding donor (cho liên kết hydrogen) mạnh, làm phá vỡ những liên kết hydro nội phân tử của xenluloza [3].

II. Thách thức giải pháp Chế tạo Xenluloza tan hiệu quả 59 ký tự

Sản xuất Xenluloza tan truyền thống gặp nhiều thách thức. Quy trình tinh chế bằng hóa chất tốn kém và gây hại cho môi trường. Yêu cầu chất lượng bột Xenluloza tan cao hơn nhiều so với bột giấy thông thường. Công nghệ sinh học mở ra hướng đi mới. Sử dụng enzyme và vi sinh vật để xử lý nguyên liệu giúp giảm thiểu hóa chất độc hại. Nhiều nghiên cứu đã ứng dụng công nghệ sinh học để giải quyết vấn đề này và thu được những kết quả rất khả quan và ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Nguồn nguyên liệu gỗ keo chưa được khai thác tối ưu cho sản xuất Xenluloza tan. Việc nghiên cứu quy trình phù hợp, tối ưu hóa các công đoạn là cần thiết để nâng cao hiệu quả kinh tế và giảm tác động môi trường. Luận văn này tập trung vào việc giải quyết những thách thức trên thông qua nghiên cứu thực nghiệm và ứng dụng công nghệ sinh học.

2.1. Ứng dụng xenluloza tan Đa dạng trong công nghiệp

Bột xenluloza tan (dissolving pulp) là bột giấy hóa học tẩy trắng có hàm lượng α - xenluloza cao. Loại bột giấy này được sử dụng để hòa tan trong các dung môi thích hợp, chế biến ra sản phẩm như cenlophan, sợi nhân tạo. hoặc kết hợp với các loại hóa chất khác để tạo ra các dẫn xuất của xenluloza như axetat, nitrat. Xenluloza hòa tan trong dung dịch đã được Rayon nghiên cứu thành công từ năm 1981 để tạo ra loại xơ sợi được đặt theo tên ông là sợi Rayon hay sợi visco như ta biết ngày nay. Sợi visco được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp dệt may bởi những đặc tính tuyệt vời của xenluloza như thấm nước tốt, độ bền cơ lý cao và giữ bền màu nhuộm tốt.

2.2. Tiềm năng ứng dụng công nghệ sinh học sản xuất xenluloza tan

Với sự phát triển của khoa học công nghệ, đặc biệt là công nghệ sinh học nên các hướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học vào các công đoạn như tiền xử lý nguyên liệu, tẩy trắng, kiềm hóa đang được các nhà khoa học đặc biệt chú ý và nghiên cứu. Với nguồn nguyên liệu là gỗ cứng đang được xuất khẩu dạng thô, hiệu quả đem lại thấp nên việc tìm kiếm, nghiên cứu các công nghệ phù hợp để sản xuất các sản phẩm có giá trị cao đang được quan tâm. Chất lượng bột xenluloza tan được thể hiện ở Bảng 1.1 Chất lượng bột xenluloza từ gỗ cứng và gỗ mềm

III. Phương pháp sinh học Tiền xử lý gỗ keo hiệu quả 58 ký tự

Tiền xử lý gỗ keo là bước quan trọng trong sản xuất Xenluloza tan. Phương pháp truyền thống sử dụng hóa chất gây ô nhiễm. Công nghệ sinh học mang đến giải pháp thay thế thân thiện với môi trường. Sử dụng enzyme và vi sinh vật giúp phá vỡ cấu trúc lignin và hemixenluloza, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nấu và tẩy trắng. Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng công nghệ sinh học trong giai đoạn tiền xử lý gỗ keo. Mục tiêu là tối ưu hóa các thông số công nghệ như thời gian, nhiệt độ, nồng độ enzyme để đạt hiệu quả cao nhất. Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần giảm thiểu lượng hóa chất sử dụng, nâng cao chất lượng Xenluloza tan và giảm tác động môi trường.

3.1. Tiền xử lý gỗ keo bằng chế phẩm sinh học

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học cho quá trình tiền xử lý nguyên liệu; - Nghiên cứu, làm chủ công nghệ nấu sunfat cho sản xuất bột xenluloza tan; - Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học cho quá trình tẩy trắng; - Nghiên cứu điều kiện công nghệ công đoạn kiềm hóa cho sản xuất bột xenluloza tan; - Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo xenluloza tan từ nguyên liệu gỗ keo có ứng dụng công nghệ sinh học.

3.2. Nghiên cứu ứng dụng enzyme xylanase cho quá trình tiền xử lý tẩy trắng

Gần đây, các nhà khoa học công bố các nghiên cứu mới về việc sử dụng chất ion lỏng (ILS) để làm tác nhân phá vỡ các cấu trúc liên kết trong sinh khối, thu 6 bột xenluloza tan. Tuy nhiên, công nghệ này đòi hỏi phải thu hồi triệt để nguồn dung môi đã sử dụng nên đòi hỏi chi phí đầu tư cao. Với sự phát triển của khoa học công nghệ, đặc biệt là công nghệ sinh học nên các hướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học vào các công đoạn như tiền xử lý nguyên liệu, tẩy trắng, kiềm hóa đang được các nhà khoa học đặc biệt chú ý và nghiên cứu.

IV. Tối ưu hóa Nấu sunfat cho sản xuất Xenluloza tan 56 ký tự

Công nghệ nấu sunfat là phương pháp phổ biến trong sản xuất bột giấy. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình nấu sunfat để sản xuất Xenluloza tan từ gỗ keo. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả nấu như tổng mức dùng kiềm, nhiệt độ, thời gian nấu sẽ được nghiên cứu và tối ưu hóa. Mục tiêu là đạt hiệu suất cao, giảm thiểu lượng lignin và hemixenluloza còn lại trong bột giấy. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp thông tin quan trọng để xây dựng quy trình nấu sunfat hiệu quả, sản xuất Xenluloza tan chất lượng cao từ gỗ keo.

4.1. Lý thuyết nấu sunfat có tiền xử lý nguyên liệu

Quá trình phân tách xenluloza từ thực vật đã được nghiên cứu và hoàn thiện công nghệ là các quy trình nấu bột giấy như quy trình nấu sunfit cho nguyên liệu gỗ mềm, nấu sunfat cho nguyên liệu gỗ cứng có tiền xử lý. Với phương pháp nấu sunfat cần có công đoạn tiền xử lý bằng hơi nóng (nổ hơi) hoặc bằng axit loãng đòi hỏi nhiệt độ cao (trên 2000C), dịch sau công đoạn tiền xử lý chưa có hướng xử lý phù hợp nên còn gặp nhiều khó khăn trong vấn đề môi trường.

4.2. Nghiên cứu làm chủ công nghệ nấu sunfat cho sản xuất bột xenluloza tan

Nghiên cứu, làm chủ công nghệ nấu sunfat cho sản xuất bột xenluloza tan; - Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học cho quá trình tẩy trắng; - Nghiên cứu điều kiện công nghệ công đoạn kiềm hóa cho sản xuất bột xenluloza tan; - Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo xenluloza tan từ nguyên liệu gỗ keo có ứng dụng công nghệ sinh học.

V. Ứng dụng Enzym Tẩy trắng Xenluloza tan hiệu quả 59 ký tự

Tẩy trắng là công đoạn quan trọng để loại bỏ lignin còn sót lại trong bột giấy. Phương pháp tẩy trắng truyền thống sử dụng hóa chất clo gây ô nhiễm. Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng enzyme để tẩy trắng Xenluloza tan từ gỗ keo. Enzyme xylanase được sử dụng để loại bỏ hemixenluloza, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tẩy trắng bằng các tác nhân khác. Mục tiêu là giảm thiểu lượng hóa chất sử dụng, nâng cao độ trắng của Xenluloza tan và giảm tác động môi trường. Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần phát triển quy trình tẩy trắng thân thiện với môi trường.

5.1. Tách loại lignin bằng oxy và tẩy trắng

Việc sử dụng các loại enzyme khác nhau làm chất xúc tác sinh học để hỗ trợ quá trình xử lý, quá trình tẩy trắng và phân loại bột giấy đã được nghiên cứu rộng rãi. Tuy nhiên, cam kết loại bỏ nguyên tố clo (gây ra sự hình thành điôxin clo) khỏi quá trình sản xuất bột giấy trong bột giấy ECF, và các hóa chất có nguồn gốc từ clo (tức là clo dioxide) trong quy trình không sử dụng hợp chất clo (TCF) đòi hỏi phải phát triển và tối ưu hóa các trình tự tẩy trắng mới. Trong nỗ lực này, công nghệ sinh học có thể hỗ trợ đáng kể cho quá trình chuyển đổi sang các quy trình công nghiệp sản xuất bột giấy xanh hơn.

5.2. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học cho quá trình tẩy trắng

• Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học cho quá trình tiền xử lý nguyên liệu; - Nghiên cứu, làm chủ công nghệ nấu sunfat cho sản xuất bột xenluloza tan; - Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học cho quá trình tẩy trắng; - Nghiên cứu điều kiện công nghệ công đoạn kiềm hóa cho sản xuất bột xenluloza tan; - Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo xenluloza tan từ nguyên liệu gỗ keo có ứng dụng công nghệ sinh học.

VI. Kết luận Tương lai Xenluloza tan bền vững 55 ký tự

Nghiên cứu này đã thành công trong việc xây dựng quy trình công nghệ ứng dụng công nghệ sinh học để chế tạo Xenluloza tan từ gỗ keo. Quy trình được tối ưu hóa, sản phẩm Xenluloza tan đạt chất lượng cao. Kết quả nghiên cứu mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi gỗ keo trong sản xuất Xenluloza tan, góp phần phát triển ngành công nghiệp giấy và bột giấy bền vững. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình, giảm chi phí sản xuất và mở rộng quy mô ứng dụng. Xenluloza tan từ gỗ keo hứa hẹn là nguồn nguyên liệu tái tạo quan trọng, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của xã hội về các sản phẩm thân thiện với môi trường.

6.1. Kết luận và định hướng nghiên cứu

Mục tiêu Xây dựng được quy trình công nghệ chế tạo xenluloza tan từ gỗ keo, có ứng dụng công nghệ sinh học trong các công đoạn của quá trình công nghệ. Chính vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo xenluloza tan sử dụng công nghệ sinh học trong các quá trình xử lý nguyên liệu là hướng nghiên cứu có tính khoa học và có giá trị thực tế cao.

6.2. Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo xenluloza tan từ gỗ keo

Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo xenluloza tan từ nguyên liệu gỗ keo có ứng dụng công nghệ sinh học.1 Quy trình công nghệ .2 Chất lượng sản phẩm . 51 Quy trình công nghệ ứng dụng công nghệ sinh học cho chế tạo bột xenluloza từ nguyên liệu gỗ keo quy mô phòng thí nghiệm. Với các điều kiện công nghệ được tối ưu, sản phẩm bột xenluloza tan từ gỗ keo có chất lượng như hàm lượng α – xenluloza là 95,5%; hàm lượng hemixenluloza là 3,7%; hàm lượng lignin là 0,03%; độ tro là 0,05%; độ nhớt là 331 ml/g và độ trắng đạt 88,5 %ISO.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu, việc phát triển các công nghệ thân thiện với môi trường và bền vững ngày càng trở nên cấp thiết. Ngành công nghiệp giấy và bột giấy đã trải qua nhiều cải tiến nhằm giảm thiểu ô nhiễm, đặc biệt là trong quá trình tẩy trắng bột giấy, nhằm loại bỏ các hợp chất clo độc hại như điôxin. Bột xenluloza tan, một sản phẩm có hàm lượng α-xenluloza cao và khả năng hòa tan trong các dung môi đặc biệt, đang được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất sợi visco và nhiều sản phẩm công nghiệp khác. Thị trường bột xenluloza tan toàn cầu đã tăng từ 3,2 triệu tấn năm 2000 lên 7,5 triệu tấn năm 2015, với Trung Quốc chiếm 62% sản lượng. Tuy nhiên, việc sản xuất bột xenluloza tan đòi hỏi quy trình công nghệ phức tạp, tiêu tốn nhiều hóa chất và năng lượng, gây ảnh hưởng đến môi trường.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học trong chế tạo bột xenluloza tan từ nguyên liệu gỗ keo, nhằm giảm thiểu sử dụng hóa chất độc hại và nâng cao hiệu quả sản xuất. Mục tiêu chính là xây dựng quy trình công nghệ tích hợp công nghệ sinh học trong các công đoạn tiền xử lý, nấu sunfat, tẩy trắng và kiềm hóa để tạo ra bột xenluloza tan đạt chất lượng cao với hàm lượng α-xenluloza trên 91%. Nghiên cứu được thực hiện trên nguyên liệu gỗ keo 7 tuổi khai thác tại Phú Thọ, trong phạm vi phòng thí nghiệm, với ý nghĩa góp phần phát triển công nghiệp chế biến sinh khối trong nước, giảm nhập khẩu và bảo vệ môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Cấu trúc và tính chất của xenluloza: Xenluloza là polyme tự nhiên có công thức (C6H10O5)n, với độ trùng hợp có thể lên đến 5.000, không tan trong nước và dung môi hữu cơ thông thường do liên kết hydro mạnh. Bột xenluloza tan có hàm lượng α-xenluloza cao (>90%), độ trùng hợp thấp (~400 đơn vị), ít hemixenluloza và lignin, giúp hòa tan trong các dung môi ion lỏng (ionic liquids) như EmimCl.

• Công nghệ nấu sunfat và tiền xử lý nguyên liệu: Tiền xử lý nhằm loại bỏ lignin và hemixenluloza, làm mềm nguyên liệu bằng các phương pháp hóa học (axit sunfuric) hoặc sinh học (enzyme, vi sinh vật). Nấu sunfat sử dụng kiềm NaOH và Na2S ở nhiệt độ cao để tách xenluloza.

• Ứng dụng enzyme trong tẩy trắng và kiềm hóa: Enzyme xylanase và cellulase được sử dụng để giảm tiêu hao hóa chất, tăng độ trắng và độ bền cơ lý của bột. Công đoạn tẩy trắng ECF (không sử dụng clo nguyên tố) kết hợp xử lý oxy-kiềm giúp giảm phát thải độc hại.

• Khái niệm α-xenluloza: Phần xenluloza không tan trong dung dịch NaOH 17,5%, đặc trưng cho độ bền của xenluloza trong dung dịch kiềm, là chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng bột.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu chính là gỗ keo 7 tuổi khai thác tại Công ty Lâm nghiệp Tam Thanh, Phú Thọ. Chế phẩm sinh học MS2 được phân lập từ môi trường tự nhiên, enzyme xylanase SX25 nhập khẩu từ Trung Quốc.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng các phương pháp hóa học và sinh học hiện đại như xác định hoạt tính enzyme (laccase, xylanase, cellulase), phân tích thành phần hóa học (xenluloza, lignin, hemixenluloza), đo độ nhớt, độ trắng theo tiêu chuẩn TCVN và ISO, quan sát cấu trúc bằng SEM.

• Thiết kế thí nghiệm: Tiền xử lý nguyên liệu bằng chế phẩm sinh học với các mức dùng và thời gian khác nhau để tối ưu hoạt tính enzyme. Nấu sunfat với biến đổi mức dùng kiềm, nhiệt độ và thời gian bảo ôn để tối ưu hiệu suất và chất lượng bột. Tẩy trắng theo quy trình ECF rút gọn kết hợp enzyme xylanase. Kiềm hóa bột bằng phương pháp kiềm nóng với điều kiện tối ưu.

• Cỡ mẫu và timeline: Mỗi thí nghiệm sử dụng khoảng 300-500g nguyên liệu, tiến hành trong phòng thí nghiệm với thời gian xử lý tiền xử lý từ 5 đến 21 ngày, các công đoạn nấu, tẩy trắng và kiềm hóa kéo dài từ vài giờ đến vài ngày.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tiền xử lý nguyên liệu bằng chế phẩm sinh học:

   • Tỷ lệ sử dụng chế phẩm MS2 0,5% (w/w) là tối ưu, đạt hoạt lực laccase ~11 U/g gỗ, xylanase ~0,1 U/g gỗ.
   • Thời gian xử lý 14 ngày cho hiệu quả cao nhất với hoạt lực enzyme đạt đỉnh, giảm lignin từ 28,43% xuống 23,36% và hemixenluloza từ 19,12% xuống 16,38%, trong khi hàm lượng xenluloza giữ ổn định (~45%).
   • So sánh với tiền xử lý axit sunfuric, chế phẩm sinh học cho hiệu suất nấu sunfat cao (86,5%) và hàm lượng α-xenluloza 19,3%, chỉ thấp hơn nhẹ so với axit (88,5% hiệu suất, 18% α-xenluloza).

2. Nấu sunfat:

   • Mức dùng kiềm 19% NaOH là tối ưu, khi tăng kiềm từ 17% đến 19%, hàm lượng α-xenluloza tăng từ 76,5% lên gần 89%, hiệu suất bột giảm nhẹ từ 50,27% xuống khoảng 45%.
   • Nhiệt độ nấu 165°C cho hiệu suất bột cao nhất (~45,44%) và hàm lượng α-xenluloza ổn định (~88,7%).
   • Thời gian bảo ôn 120 phút là phù hợp, cân bằng giữa hiệu suất bột (~55%) và hàm lượng α-xenluloza (~88,7%).
   • So sánh các phương pháp tiền xử lý, nấu sunfat với tiền xử lý sinh học đạt hiệu suất 88,4%, trị số Kappa 19,5, hàm lượng α-xenluloza 43,8%, tương đương với tiền xử lý axit.

3. Tẩy trắng và kiềm hóa:

   • Ứng dụng enzyme xylanase trong tẩy trắng giảm tiêu hao clo hoạt tính 20-25%, tăng độ trắng bột lên trên 86% ISO.
   • Kiềm hóa nóng với nồng độ NaOH 17,5%, nhiệt độ 95-100°C, thời gian 40-60 phút, kết hợp xử lý oxy, thu được bột có hàm lượng α-xenluloza trên 91%, độ nhớt 331 ml/g, độ trắng 88,5% ISO.

Thảo luận kết quả

Việc ứng dụng công nghệ sinh học trong tiền xử lý nguyên liệu giúp làm mềm và loại bỏ một phần lignin, hemixenluloza, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nấu sunfat với mức dùng kiềm và nhiệt độ thấp hơn, giảm thiểu phân hủy xenluloza. So với tiền xử lý axit, phương pháp sinh học thân thiện môi trường hơn, giảm phát thải và chi phí xử lý nước thải. Các enzyme sinh tổng hợp từ chủng nấm MS2 đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy các thành phần không mong muốn mà không ảnh hưởng đến xenluloza.

Kết quả nấu sunfat cho thấy mức dùng kiềm và nhiệt độ nấu ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và chất lượng bột. Điều kiện tối ưu giúp cân bằng giữa việc loại bỏ lignin và bảo toàn α-xenluloza, phù hợp với yêu cầu sản xuất bột xenluloza tan chất lượng cao. Thời gian bảo ôn quá dài làm giảm hiệu suất do phân hủy polysaccarit.

Ứng dụng enzyme xylanase trong tẩy trắng không chỉ giảm tiêu hao hóa chất mà còn nâng cao độ trắng và độ bền cơ lý của bột, phù hợp với xu hướng công nghệ tẩy trắng ECF và TCF hiện đại. Kiềm hóa nóng giúp làm giàu α-xenluloza, loại bỏ hemixenluloza còn sót lại, nâng cao độ tinh khiết của bột.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của mức dùng kiềm, nhiệt độ và thời gian nấu đến hiệu suất và hàm lượng α-xenluloza, cũng như bảng so sánh thành phần hóa học nguyên liệu trước và sau tiền xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng quy trình tiền xử lý sinh học với chế phẩm MS2 tỷ lệ 0,5% và thời gian 14 ngày nhằm tối ưu hóa hoạt tính enzyme, giảm lignin và hemixenluloza, nâng cao hiệu quả nấu sunfat. Thời gian thực hiện: 1-2 tuần; Chủ thể: nhà máy chế biến gỗ và bột giấy.

2. Tối ưu điều kiện nấu sunfat với mức dùng kiềm 19% NaOH, nhiệt độ 165°C, thời gian bảo ôn 120 phút để cân bằng hiệu suất và chất lượng bột xenluloza tan. Thời gian thực hiện: theo chu trình sản xuất; Chủ thể: kỹ sư công nghệ tại nhà máy.

3. Ứng dụng enzyme xylanase trong công đoạn tẩy trắng ECF rút gọn để giảm tiêu hao hóa chất clo hoạt tính 20-25%, tăng độ trắng và giảm phát thải AOX. Thời gian thực hiện: theo quy trình tẩy trắng; Chủ thể: phòng thí nghiệm và nhà máy giấy.

4. Sử dụng phương pháp kiềm hóa nóng với nồng độ NaOH 17,5%, nhiệt độ 95-100°C, thời gian 40-60 phút để làm giàu α-xenluloza trên 91%, nâng cao độ tinh khiết và độ nhớt bột. Thời gian thực hiện: theo quy trình; Chủ thể: kỹ thuật viên sản xuất.

5. Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục mở rộng quy mô sản xuất và ứng dụng công nghệ sinh học trong công nghiệp chế biến xenluloza tan nhằm giảm chi phí, bảo vệ môi trường và nâng cao giá trị sản phẩm. Thời gian: dài hạn; Chủ thể: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Sinh học: Nắm bắt kiến thức về ứng dụng enzyme và vi sinh vật trong công nghiệp chế biến xenluloza, phát triển công nghệ xanh.

2. Doanh nghiệp sản xuất giấy và bột giấy: Áp dụng quy trình công nghệ sinh học để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và phát thải, tăng sức cạnh tranh trên thị trường.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách phát triển bền vững: Tham khảo các giải pháp công nghệ thân thiện môi trường, hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển ngành công nghiệp xanh.

4. Các nhà sản xuất nguyên liệu sinh khối và chế biến gỗ: Tìm hiểu quy trình xử lý nguyên liệu gỗ keo hiệu quả, nâng cao giá trị sản phẩm và mở rộng ứng dụng trong công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Công nghệ sinh học giúp gì trong sản xuất bột xenluloza tan?
   Công nghệ sinh học sử dụng enzyme và vi sinh vật để phân hủy lignin, hemixenluloza, giảm tiêu hao hóa chất, nâng cao hiệu quả nấu và tẩy trắng, đồng thời giảm ô nhiễm môi trường.

2. Tại sao chọn gỗ keo làm nguyên liệu?
   Gỗ keo có hàm lượng xenluloza cao (~45%), dễ khai thác trong nước, là nguồn nguyên liệu tái tạo phù hợp cho sản xuất bột xenluloza tan, giảm phụ thuộc nhập khẩu.

3. Điều kiện tối ưu cho công đoạn nấu sunfat là gì?
   Mức dùng kiềm 19% NaOH, nhiệt độ 165°C, thời gian bảo ôn 120 phút giúp cân bằng hiệu suất và chất lượng bột, đạt hàm lượng α-xenluloza cao và hiệu suất bột ổn định.

4. Enzyme xylanase có vai trò gì trong tẩy trắng?
   Xylanase giúp phân hủy hemixenluloza còn sót lại, giảm tiêu hao clo hoạt tính 20-25%, tăng độ trắng và độ bền cơ lý của bột, phù hợp với công nghệ tẩy trắng ECF và TCF.

5. Làm thế nào để đánh giá chất lượng bột xenluloza tan?
   Chất lượng được đánh giá qua các chỉ tiêu như hàm lượng α-xenluloza (>91%), độ trắng (%ISO ≥ 88), độ nhớt (khoảng 331 ml/g), hàm lượng lignin và hemixenluloza thấp, theo tiêu chuẩn TCVN và ISO.

Kết luận

• Ứng dụng công nghệ sinh học trong tiền xử lý nguyên liệu gỗ keo giúp giảm lignin và hemixenluloza, nâng cao hiệu quả nấu sunfat và chất lượng bột xenluloza tan.
• Điều kiện nấu sunfat tối ưu gồm mức dùng kiềm 19% NaOH, nhiệt độ 165°C, thời gian bảo ôn 120 phút, đạt hiệu suất bột ~88% và hàm lượng α-xenluloza cao.
• Enzyme xylanase trong tẩy trắng giảm tiêu hao hóa chất, tăng độ trắng và độ bền cơ lý của bột, phù hợp với xu hướng công nghệ xanh.
• Kiềm hóa nóng giúp làm giàu α-xenluloza trên 91%, nâng cao độ tinh khiết và độ nhớt bột.
• Quy trình công nghệ tích hợp công nghệ sinh học có tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp chế biến sinh khối, góp phần phát triển bền vững ngành giấy và vật liệu sinh học.

Khuyến nghị triển khai thử nghiệm quy mô pilot tại các nhà máy giấy trong nước, đồng thời nghiên cứu mở rộng ứng dụng công nghệ sinh học trong các công đoạn khác của sản xuất bột xenluloza tan. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ kỹ thuật, liên hệ với Viện Kỹ thuật Hóa học, Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Những năm gần đây, ý thức của cộng đồng về việc sử dụng các sản phẩm có nguồn gốc thiên nhiên, thân thiện với môi trường ngày càng cao. Bởi những biến đổi khí hậu, bệnh dịch, thiên tai, đã và đang tác động xấu đến đời sống của chính con người. Đáp ứng nhu cầu đó, các công trình nghiên cứu cũng hướng đến tổng hợp những hợp chất từ chính nguồn sinh khối dồi dào trong tự nhiên. Và xenluloza - polyme tự nhiên đa dạng nhất, có trong hầu hết các loài thực vật là nguồn nguyên liệu tái tạo vô cùng tiềm năng cho tương lai.

Quá trình phân tách xenluloza từ thực vật đã được nghiên cứu và hoàn thiện công nghệ là các quy trình nấu bột giấy như quy trình nấu sunfit cho nguyên liệu gỗ mềm, nấu sunfat cho nguyên liệu gỗ cứng có tiền xử lý. Tuy vậy, để phát triển thêm nữa các sản phẩm từ xenluloza, người ta bắt đầu tìm cách hòa tan xenluloza vào dung môi để xenluloza có thể tham gia phản ứng một cách dễ dàng hơn. Xenluloza có thể hòa tan trong dung môi được gọi là “xenluloza hòa tan” hay “bột xenluloza tan”. Trong thế kỷ XXI, thị trường tiêu thụ bột xenluloza tan tăng mạnh từ 3,2 triệu tấn năm 2000 lên đến 6,06 triệu tấn vào năm 2014.

Đến năm 2015, tổng sản lượng bột xenluloza tan là 7,5 triệu tấn và đã tăng thêm 3,2 triệu tấn vào đầu năm 2020 [16]. Tuy rằng sản lượng bột xenluloza tan tăng mạnh, đặc biệt ứng dụng làm sợi visco, chủ yếu được sản xuất ở Trung Quốc (62% tổng sản lượng quốc tế) nhưng lượng nguyên liệu ban đầu đi từ bông lại giảm do sản lượng bông tập trung cho y tế. Điều này chứng tỏ các nhà sản xuất đã và đang muốn hướng đến những nguồn xenluloza khác như gỗ, phi gỗ… để tránh sự cạnh tranh nguyên liệu với ngành dệt may. Ứng dụng quan trọng nhất của bột xenluloza tan hiện là dùng để sản xuất sợi visco phục vụ nhu cầu về trang phục của con người.

Mọi loại sản phẩm từ xenluloza hiện nay đều có thể sản xuất từ bột xenluloza tan với hiệu suất phản ứng tốt hơn. Do vậy, ngoài các quy trình nghiên cứu sản xuất bột xenluloza tan, người ta cũng tiến hành các nghiên cứu tiếp nối về ứng dụng của nó. Tuy nhiên, yêu cầu chất lượng của bột xenluloza tan cao hơn rất nhiều so với bột giấy hiện nay nên nếu chỉ sử dụng hóa chất để tinh chế thì sẽ rất tốn kém và độc hại với môi trường. Do vậy, nhiều nghiên cứu đã ứng dụng công nghệ sinh học để giải quyết vấn đề này, thu được những kết quả rất khả quan và ngày càng được ứng dụng rộng rãi.

1 Do đó, đã lựa chọn đề tài luận văn “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học cho chế tạo xenluloza tan từ nguyên liệu gỗ keo” với mục đích nghiên cứu đưa ra được quy trình công nghệ ứng dụng sinh học trong chế tạo bột xenluloza tan từ gỗ keo. Kết quả nghiên cứu là cơ sở và tiền đề cho các nghiên cứu cũng như quá trình sản xuất thực tế xenluloza tan từ gỗ keo ứng dụng trong công nghiệp chế biến sinh khối. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về xenluloza tan 1.1 Khái quát chung Xenluloza có công thức phân tử là (C6H10O5)n với độ trùng hợp n có thể lên đến 5.000 trong tế bào thực vật. Xenluloza là polyme tự nhiên dồi dào nhất bởi nó là thành phần cấu tạo nên vách tế bào của hầu hết các loài thực vật.

Trong gỗ lá kim, xenluloza chiếm khoảng 41 - 49%, trong gỗ lá rộng nó chiếm 43 - 52% thể tích [17].1 Cấu tạo phân tử của xenluloza Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, xã hội, nhu cầu sử dụng các vật liệu có nguồn gốc từ thiên nhiên, trong đó phải kể đến các sản phẩm từ nguồn nguyên liệu xenluloza. Một loạt các nghiên cứu về các sản phẩm đó có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên, bột giấy (bột xenluloza) thông thường không đảm bảo được các yêu cầu cần thiết như các phản ứng biến tính xenluloza, lượng hóa chất sử dụng, năng lượng và thời gian phản ứng đều rất lớn. Điều này có thể giải thích bởi nguyên liệu ban đầu có hàm lượng α - xenluloza rất cao (>90%) nhưng do đặc điểm cấu trúc của xenluloza là dạng rắn, không tan trong nước và các dung môi hữu cơ thông thường, mạch phân tử có độ trùng hợp lớn và có nhiều liên kết hydro nội phân tử và ngoại phân tử [1], điều này tạo nên sự bền vững trong cấu trúc của xenluloza nhưng lại làm giảm khả năng tham gia phản ứng một cách triệt để.

Để khắc phục vấn đề này, các nhà khoa học đã đề xuất nhiều phương pháp tiền xử lý xenluloza trong bột giấy để xenluloza trong nguyên liệu vẫn có hàm lượng α - xenluloza cao nhưng độ trùng hợp thấp hơn, mật độ phân tử cách xa nhau hơn để làm giảm lượng liên kết hydro trong xenluloza, hàm lượng các chất khác như lignin, hemixenluloza,… thấp hơn và nghiên cứu những loại dung môi đặc biệt có thể phá vỡ liên kết hydro trong mạch xenluloza khiến nó gần như tan hoàn 3 toàn trong dung dịch hay còn gọi là xenluloza tan. Xenluloza tan tham gia các phản ứng biến tính dễ dàng và triệt để hơn xenluloza dạng rắn. Đây là đặc tính vô cùng quan trọng mà các nhà khoa học quan tâm bởi nó có thể góp phần tiết kiệm rất nhiều hóa chất và năng lượng đồng thời nâng cao hiệu suất phản ứng, chất lượng sản phẩm so với xenluloza thành phẩm hiện nay. Bột xenluloza tan hay còn gọi là bột giấy hòa tan (dissolving pulp) là bột giấy hóa học tẩy trắng có hàm lượng α - xenluloza cao.

Loại bột giấy này được sử dụng để hòa tan trong các dung môi thích hợp, chế biến ra sản phẩm như celophan, sợi nhân tạo. hoặc kết hợp với các loại hóa chất khác để tạo ra các dẫn xuất của xenluloza như axetat, nitrat.2 Tính chất của xenluloza tan Bột xenluloza tan được đặc trưng bởi những tính chất như hàm lượng α- xenluloza cao, hàm lượng hemixenluloza và lignin rất thấp, độ tro thấp và độ trùng hợp của xenluloza thấp (khoảng 400 đơn vị), đảm bảo sản phẩm thu được có thể hòa tan trong một số dung môi đề ion (ionic liquids) như 1 - ethyl - 2 - methyl - imidazolium chlode (EmimCl) với nguyên tắc của ionic liquid khi hòa tan xenluloza là các anion đóng vai trò như những hydrogen bonding donor (cho liên kết hydrogen) mạnh, làm phá vỡ những liên kết hydro nội phân tử của xenluloza [3]. Chất lượng bột xenluloza tan được thể hiện ở Bảng 1.1 Chất lượng bột xenluloza từ gỗ cứng và gỗ mềm Chất lượng TT Chỉ tiêu Đơn vị Gỗ cứng Gỗ mềm 1 Độ nhớt ml/g 250 ÷ 350 300 ÷ 400 2 Hàm lượng α - xenluloza % >91 >91 3 Hàm lượng hemixenluloza % ≤6 3÷6 4 Hàm lượng lignin % ≤ 0,1 ≤ 0,1 5 Độ tro % ≤ 0,5 ≤ 0,5 6 Độ trắng % ISO ≥ 88 ≥ 88 Ghi chú: (*) Sixta, H. Handbook of Pulp, Wiley-VCH, Verlag GMbH and Co, KgaA, Weinhem.3 Ứng dụng của xenluloza tan Bột xenluloza tan (dissolving pulp) là bột giấy hóa học tẩy trắng có hàm lượng α - xenluloza cao.

Loại bột giấy này được sử dụng để hòa tan trong các dung môi thích hợp, chế biến ra sản phẩm như cenlophan, sợi nhân tạo. hoặc kết hợp với các loại hóa chất khác để tạo ra các dẫn xuất của xenluloza như axetat, nitrat. Hơn nữa, bột xenluloza tan cũng có thể sử dụng trực tiếp trong sản xuất giấy thấm (dùng cho trang điểm), giấy lọc, nguyên liệu cho sản xuất bỉm… Xenluloza hòa tan trong dung dịch đã được Rayon nghiên cứu thành công từ năm 1981 để tạo ra loại xơ sợi được đặt theo tên ông là sợi Rayon hay sợi visco như ta biết ngày nay. Sợi visco được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp dệt may bởi những đặc tính tuyệt vời của xenluloza như thấm nước tốt, độ bền cơ lý cao và giữ bền màu nhuộm tốt.

Ngày nay, xenluloza hòa tan hay bột xenluloza tan không chỉ được nghiên cứu ứng dụng làm sợi visco mà đã có rất nhiều nghiên cứu ứng dụng độc đáo được công bố [17] như sử dụng bột xenluloza tan làm sợi tổng hợp có tính kháng khuẩn, điều chế gel xenluloza axetat có độ tinh khiết cao có thể ứng dụng trong ngành y sinh, sản xuất vật liệu xenluloza axetat, tạo màng xenluloza axetat (CA)/ polyethyleneimine (PEI) có thể làm vải dệt hoặc ứng dụng trong công nghệ phim ảnh, chế tạo vật liệu aero xenluloza - xenluloza siêu xốp dùng trong công nghệ hấp phụ và xúc tác, hoặc làm ra những sản phẩm giấy đặc biệt như giấy bóng kính xenlofan. Một lĩnh vực mới nổi khác của xenlulo tan là in các vật thể ba chiều (3D). Thành công trong việc in 3D từ xenluloza và các dẫn xuất của chúng đã thúc đẩy tiến bộ trong các ứng dụng y sinh và dược phẩm tiềm năng như kỹ thuật mô, nuôi cấy tế bào, cố định các hoạt chất sinh học, phân phối thuốc, v. Công nghệ in 3D chuyển đổi bất kỳ tập dữ liệu thiết kế có hình dạng hoặc đặc điểm hình học phức tạp, với sự hỗ trợ của máy tính, thành sản phẩm vật lý 3D trong một khoảng thời gian ngắn.

Ưu điểm là chi phí thấp và dễ dàng sao chép sản phẩm, có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật y sinh, dược học, khoa học pháp y, điện tử và các ngành công nghiệp khác. Các ví dụ bao gồm chế tạo cấu trúc sợi nano 3D thông qua quay điện xenluloza axetat với các ứng dụng y tế tiềm năng và phát triển aerogel titanate 3D với xenluloza làm chất tổng hợp hấp phụ để lọc nước hiệu quả cao. Kỹ thuật in trực tiếp được phát triển để chế tạo các cấu trúc polyme sinh học xốp 3D trong khi Markstedt và cộng sự. đã tạo ra cấu trúc in 3D từ xenluloza hòa tan trong chất lỏng ion (1-ethyl-3-methylimidazolium acetate) sau đó được đông tụ 5 bằng dung môi (nước).

Gunasekera và cộng sự đã nghiên cứu hỗn hợp chất lỏng ion và đồng dung môi hữu cơ (DMS và 1-butanol) để tạo thành vật liệu cho in 3D xenluloza dựa trên phun mực. Ngoài ra, các vật liệu 3D dựa trên xenluloza axetat có độ bền cơ học cao và chức năng kháng khuẩn cũng đã được báo cáo gần đây [8].