MỞ ĐẦU Sản xuất giấy đƣợc xem nhƣ là một ngành công nghiệp trọng điểm của nhiều quốc gia trên thế giới. Các sản phẩm từ giấy không chỉ đƣợc sử dụng trong ngành giáo dục, báo chí, in ấn, hội họa… mà còn đƣợc sử dụng trong nhu cầu tiêu dùng hàng ngày khác của con ngƣời nhƣ khăn giấy, giấy vệ sinh, thùng chứa… Ngày nay, các sản phẩm từ giấy còn đƣợc khuyến khích trong việc sử dụng làm bao bì, giấy gói, dụng cụ dùng một lần v. nhằm hạn chế rác thải nhựa. Hiện nay, công nghệ sản xuất giấy đã đƣợc cải tiến nhiều kể cả về trang thiết bị máy móc cũng nhƣ quy trình sản xuất để có thể đáp ứng nhu cầu thị hiếu của khách hàng.
Tuy nhiên, ngành giấy vẫn gặp nhiều vấn đề liên quan tới tiêu thụ năng lƣợng, nƣớc và ô nhiễm môi trƣờng do phải sử dụng một lƣợng lớn hóa chất trong sản xuất. Một trong những khó khăn lớn mà ngành giấy hiện nay đang gặp phải là những ảnh hƣởng của nhựa cây đến quá trình sản xuất và chất lƣợng của giấy. Mặc dù hàm lƣợng của nhựa cây chỉ chiếm 2-8%, nhƣng với thành phần và đặc điểm cấu tạo các chất nhựa trong gỗ có thể gây ra những vấn đề nghiêm trọng, ảnh hƣởng đến hiệu quả của quá trình công nghệ và chất lƣợng sản phẩm. Nhựa cây đóng cặn làm giảm chất lƣợng của bột giấy và có thể gây ngừng quá trình nghiền bột, giảm hiệu quả sản xuất và tăng chi phí để loại bỏ hay kiểm soát nhựa cây.
Thành phần nhựa trong gỗ keo bao gồm: sáp, axit béo, các alkanol, các chất chiết hydroxy, rƣợu béo, các trygliceride, diglyceride, sterol, steryl ester, phospholipid và một số thành phần khác. Các thành phần axit béo không xà phòng hóa đƣợc (ví dụ các alkanol, sterol, este và steryl) và các axit béo chuỗi dài bão hòa và không bão hòa rất khó xử lý trong quá trình sản xuất giấy vì chúng không đƣợc loại bỏ trong quá trình nấu, tẩy trắng và rửa bột. Để hạn chế vấn đề nhựa cây, có thể sử dụng các phƣơng pháp truyền thống, hóa học và sinh học. Trong những năm gần đây, ứng dụng công nghệ sinh học trong việc sản xuất bột giấy đƣợc xem nhƣ là một công nghệ sản xuất sạch với mục đích tăng sản lƣợng và chất lƣợng giấy, thân thiện với môi trƣờng.
Phƣơng pháp này đã thu hút nhiều sự quan tâm, chú ý không chỉ của các nhà nghiên cứu mà 2 còn cả các cấp quản lý và các nhà sản xuất giấy. Trong phƣơng pháp này, các chủng vi sinh vật có khả năng tiết ra hệ enzym phân hủy nhựa cây đƣợc sử dụng trong giai đoạn tiền xử lý nguyên liệu nhằm giảm hàm lƣợng nhựa cây trong nguyên liệu giúp giảm hóa chất sử dụng, bảo vệ môi trƣờng và tăng quá trình chạy máy. Trong tự nhiên, các loài nấm mốc, nấm dát gỗ, nấm đảm, vi khuẩn, xạ khuẩn đều là các đối tƣợng đã và đang đƣợc quan tâm trong nghiên cứu giảm nhựa nhờ hệ enzym phong phú nhƣ esterase, laccase, lipase v. Nấm đảm và nấm dát gỗ trƣớc nay đƣợc xem là hai đối tƣợng đƣợc quan tâm nhiều nhất, tuy nhiên sức phát triển và khả năng chịu các điều kiện khắc nghiệt của môi trƣờng là một nhƣợc điểm của chúng.
Xuất phát từ thực tế đó, nhóm nghiên cứu tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu sử dụng vi sinh vật phân hủy nhựa cây trên nguyên liệu dăm mảnh keo nhằm ứng dụng trong sản xuất bột giấy thân thiện với môi trƣờng”, nhằm giảm ảnh hƣởng của nhựa cây đến quá trình sản xuất bột giấy. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. PHƢƠNG PHÁP SẢN XUẤT BỘT GIẤY Hiện nay có 2 phƣơng pháp chính để sản xuất bột giấy là phƣơng pháp truyền thống (cơ học) và phƣơng pháp hóa học. Sản xuất bột giấy bằng phƣơng pháp truyền thống là phƣơng pháp đƣợc áp dụng tại nhiều nhà máy lớn và nhỏ.
Trong phƣơng pháp này, nguyên liệu dăm mảnh đƣợc thu mua và lƣu kho trong thời gian dài. Trong quá trình bảo quản, dăm mảnh đƣợc tiến hành phun nƣớc giảm hàm lƣợng nhựa. Ƣu điểm của phƣơng pháp truyền thống là tận dụng nguồn vi sinh vật và các tác nhân bên ngoài để phân hủy một số thành phần nhựa trong nguyên liệu giúp giảm chi phí trong quá trình sản xuất. Tuy nhiên, nó lại không kiểm soát đƣợc các loài vi sinh vật gây hại, do đó, rất dễ gây thất thoát Cellulose, giảm hiệu xuất thu hồi và ảnh hƣởng đến chất lƣợng bột giấy.
Việc áp dụng phƣơng pháp truyền thống vào sản xuất bột giấy cũng chỉ giảm tối 20% hàm hƣợng nhựa, chủ yếu là các hợp chất dễ phân hủy, các thành phần khó phân hủy nhƣ sterol, sterol este, axit nhựa,… vẫn đƣợc giữ lại trong nguyên liệu gây ra các vấn đề trong sản xuất bột giấy. Hiệu suất thu hồi bột đạt từ 85 – 98%, chi phí thấp. Bột giấy sản xuất theo phƣơng pháp này thƣờng có khả năng thấm hút mực in tốt nên thƣờng đƣợc sử dụng trong một số sản phẩm nhƣ: giấy in báo, giấy in tạp chí cao cấp (SC), giấy in tạp chí có tráng nhẹ (LWC), giấy dán tƣờng, giấy làm bao bì (FBB), giấy in giấy viết thông thƣờng. Tuy nhiên, chất lƣợng bột giấy thƣơng phẩm khi sản xuất bột giấy lại có nhiều điểm hạn chế nhƣ: giấy thƣờng bị đục, không bền, dễ bị thủng… Sản xuất giấy bằng phƣơng pháp hóa học là sử dụng hóa chất để biến đổi nguyên liệu ban đầu thành bột giấy (bột hóa học).
Các dăm mảnh gỗ đƣợc xử lý hóa học bằng cách nấu. Sau khi nấu 12 đến 15 tiếng xơ sợi sẽ đƣợc tách ra khỏi các thành phần cứng và thu đƣợc sợi cellulose. Bột giấy đƣợc sản xuất theo phƣơng pháp hóa học đã cải thiện đáng kể về chất lƣợng thành phẩm. Phƣơng pháp hoá học đã loại bỏ triệt để lignin nên bột giấy hóa học có chất lƣợng tốt hơn so với bột giấy cơ học.
Bên cạnh đó, phƣơng pháp này cũng có những mặt hạn chế nhất định đặc biệt là hiệu suất thu hồi bột không cao, chỉ 4 đạt 40 - 50%. Bên cạnh đó việc sử dụng một lƣợng lớn hóa chất gây ảnh hƣởng đến môi trƣờng xung quanh, tốn kém chi phí trong quá trình xử lý. Bột Sulfat (bột Kraft): Dịch nấu gỗ gồm (NaOH + Na2S) (có thể bổ sung xúc tác và các chất trợ nấu), pH từ 13 trở lên, nhiệt độ từ 155-170oC, thời gian 2 - 4 giờ. Nhƣợc điểm lớn nhất của phƣơng pháp này là sinh ra hợp chất lƣu huỳnh có mùi thối, gây tác động lớn đến môi trƣờng xung quanh.
Nấu kiềm, đặc biệt là nấu sunfat, là phƣơng pháp phổ biến nhất hiện nay, sản xuất ra phần lớn lƣợng bột giấy hằng năm. Hiện nấu sunfat (Kraft) là phƣơng pháp đƣợc áp dụng ở quy mô lớn tại nhà máy Giấy Bãi Bằng của Tổng Công ty Giấy VN và tại Công ty cổ phần giấy An Hòa, hai nhà máy có thị phần bột giấy nấu từ nguyên liệu thô lớn nhất Việt Nam. Nguyên liệu chính dùng trong sản xuất chủ yếu là gỗ keo và bạch đàn. Tuy nhiên lƣợng gỗ keo chiếm trên 70%.
Tại tổng Công ty Cổ phần giấy An Hòa, quy mô sản xuất bột giấy Kraft, nấu liên tục, tƣơng đối lớn 130.000 tấn/năm, bột giấy đƣợc tẩy trắng theo quy trình tẩy tiên tiến không sử dụng clo nguyên tố. Hiện tại hai nhà máy này chịu ảnh hƣởng nặng nề của vấn đề nhựa cây, làm giảm năng suất quá trình sản xuất bột giấy và tăng giá thành sản xuất. Hiện nay, ngoài hai phƣơng pháp sản xuất bột giấy trên các nhà máy sản xuất giấy cũng đang hƣớng đến một phƣơng pháp sản xuất sạch hơn, giảm thiểu những tác động của nhựa cây đến môi trƣờng. Xử lý giấy bằng phƣơng pháp sinh học không chỉ giúp loại bỏ nhựa trên nguyên liệu, chúng còn làm giảm lƣợng hóa chất sử sụng trong quá trình xử lý, giảm năng lƣợng tiêu thụ và chi phí sản xuất.
Phƣơng pháp sinh học thƣờng đƣợc áp dụng trong giai đoạn tiền xử lý nguyên liệu nhằm giảm hàm lƣợng nhựa, trong giảm năng lƣợng nghiền hoặc tẩy trắng bột giấy,… Trên thế giới, một số chế phẩn phân hủy nhựa cây đã đƣợc sử dụng trong xử lý gỗ mềm nhƣ Cartapip 97 đƣợc tạo thành từ các chủng bạch tạng của Ophiostoma piliferum. Sử dụng chế phẩm Cartapip có thể loại đƣợc đến 90% hàm lƣợng các triglycerides, cao hơn so với phƣơng pháp lƣu giữ gỗ, tuy nhiên, hiệu quả loại các axit nhựa, sterol este và sáp trong 2 tuần tƣơng tự so với bảo quản tự nhiên trong cùng một điều kiện. Ở Việt Nam, sản xuất bột giấy bằng phƣơng pháp sinh học chƣa đƣợc áp 5 dụng, chúng chỉ là những thử nghiệm của các đề tài, dự án trên các nhà máy, tuy nhiên, các kết quả thu đƣợc mang lại nhiều triển vọng trong sƣ phát triển bền vững của ngành Giấy. NHỰA CÂY VÀ NHỮNG TÁC ĐỘNG CỦA CHÚNG ĐẾN QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT BỘT GIẤY 1.
Nhựa cây Nhựa cây chỉ chiếm một lƣợng nhỏ 2 – 8% khối lƣợng gỗ nhƣng chúng lại cần thiết cho sự sống của cây. Trong cây đang sống, nhựa cây đƣợc tạo ra để bảo vệ cây khỏi bị vi sinh vật tấn công phá hủy các mô gỗ. Tƣơng tự nhƣ vậy là vai trò của dịch rỉ (exdudates), đƣợc đùn ra ở những chỗ cây bị tổn thƣơng bởi tác động bên ngoài. Nhựa cây là nhân tố chính góp phần tạo ra màu sắc, mùi hƣơng và độ bền của gỗ.
Một số chất chiết còn có hoạt tính sinh học nên từ lâu nhiều loại gỗ đã đƣợc dùng làm dƣợc liệu hoặc thuốc [1,2]. Trong công nghiệp chế biến đồ dùng từ gỗ, nhựa cây có ảnh hƣởng tới quá trình sấy khô, khả năng kết dính, tính hút ẩm và âm thanh của gỗ [1]. Trong ngành sản xuất vật liệu composite từ chất dẻo và gỗ sử dụng trong xây dựng và công nghiệp ô tô, thì gỗ cũng đƣợc sử dụng nhƣ một thành phần gia cố, tuy nhiên, hàm lƣợng nhựa trong gỗ cao có thể dẫn tới những tính chất không mong muốn của vật liệu composite [3,4]. Nhựa cây không tan trong nƣớc nhƣng tan đƣợc trong dầu mỏ và một số dung môi hữu cơ trung tính, có độ phân cực thấp.
Thành phần hóa học của nhựa cây bao gồm các axit béo tự do, axit nhựa, sáp, các rƣợu béo, steryl este, các sterol, glyceride, ketone và các hợp chất chứa oxy khác. Theo Black và Ekman (2000), có thể chia các hợp chất trong thành phần nhựa cây gồm 4 nhóm chính nhƣ [5]: - Các chất béo (triglyxerit) và axit béo; - Steryl este và sterol; - Terpen và terpenoid (các axit nhựa và polyisopren); - Các chất sáp (ester của rƣợu béo và axit béo).