Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp sản xuất bột giấy tại Việt Nam, nguyên liệu chủ yếu là các loại gỗ cứng như gỗ keo và bạch đàn, chiếm tỷ lệ lớn trong tổng sản lượng nguyên liệu sử dụng. Tuy nhiên, nhựa cây trong nguyên liệu gỗ gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng trong quá trình sản xuất, như làm bẩn thiết bị, giảm hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Theo báo cáo của Tổng Công ty Giấy Việt Nam, nhựa cây làm giảm nồng độ dịch đen thu được chỉ còn khoảng 60-63%, gây tiêu hao năng lượng và tăng chi phí vận hành. Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng chế phẩm sinh học nấm thương phẩm Cartapip™ để xử lý dăm mảnh gỗ keo và bạch đàn, nhằm giảm hàm lượng nhựa, nâng cao hiệu quả sản xuất bột giấy. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2017-2018 tại Tổng Công ty Giấy Việt Nam, với phạm vi tập trung vào quy trình xử lý dăm mảnh nguyên liệu trong điều kiện phòng thí nghiệm và quy mô sản xuất thực tế. Việc giảm tối thiểu 10% hàm lượng nhựa trong nguyên liệu được xem là chỉ tiêu quan trọng, góp phần cải thiện các chỉ số kỹ thuật như trị số Kappa, độ nhớt bột giấy và giảm tiêu hao hóa chất tẩy trắng. Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc nâng cao năng suất, giảm chi phí và bảo vệ môi trường trong ngành công nghiệp giấy Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về thành phần và ảnh hưởng của nhựa cây trong nguyên liệu gỗ cứng, đặc biệt là các hợp chất trích ly như axit béo, sterol và este. Nhựa cây chủ yếu tồn tại trong các tế bào nhu mô và kênh dẫn nhựa, gây ra các vấn đề trong quá trình nấu và tẩy bột giấy. Lý thuyết về sinh học phân hủy nhựa cây bằng các loại nấm mốc, nấm đảm (basidiomycetes) và nấm dát gỗ (sapstain fungi) được áp dụng để giải thích cơ chế hoạt động của chế phẩm Cartapip™ chứa chủng nấm Ophiostoma piliferum. Các enzyme như lignin peroxidase, laccase và lipase trong chế phẩm sinh học đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy các hợp chất nhựa. Khái niệm về trị số Kappa, độ nhớt và hàm lượng chất trích ly được sử dụng để đánh giá chất lượng bột giấy sau xử lý.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm các mẫu dăm mảnh gỗ keo và bạch đàn được lấy từ Tổng Công ty Giấy Việt Nam trong năm 2017, với tỷ lệ phối trộn 70/30. Cỡ mẫu mỗi lần xử lý là 1,5 kg trong phòng thí nghiệm và 25 tấn trong quy mô sản xuất thực tế. Phương pháp chọn mẫu dựa trên nguyên liệu tươi mới chặt, đảm bảo độ ẩm 45-60%. Phương pháp phân tích gồm xác định hàm lượng nhựa bằng phương pháp trích ly Soxhlet với dung môi axeton, phân tích thành phần hóa học bằng sắc ký khí khối phổ (GC-MS), xác định trị số Kappa và độ nhớt theo tiêu chuẩn TAPPI và TCVN. Phân tích enzyme được thực hiện bằng các phương pháp quang phổ đo hoạt tính lignin peroxidase, laccase và lipase. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 5 năm 2017, bao gồm các giai đoạn xử lý thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, hiệu chỉnh quy trình và ứng dụng thử nghiệm quy mô sản xuất.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của mức dùng chế phẩm Cartapip™: Khi tăng mức dùng từ 0,1 đến 0,4 × 10^10 CFU/tấn nguyên liệu, hàm lượng nhựa giảm từ 12,9% đến 26,9% so với mẫu đối chứng không xử lý. Mức dùng tối ưu được xác định là 0,2 × 10^10 CFU/tấn, giảm 21% hàm lượng nhựa so với đối chứng (Hình 3.1).

  2. Ảnh hưởng của thời gian xử lý: Hàm lượng nhựa giảm rõ rệt sau 14 ngày xử lý, giảm 20,97% so với mẫu không xử lý. Thời gian xử lý kéo dài hơn 14 ngày không làm giảm nhựa đáng kể do nguồn dinh dưỡng cho nấm cạn kiệt (Hình 3.2).

  3. Ảnh hưởng tỷ lệ nguyên liệu Keo/Bạch đàn: Tỷ lệ Keo/Bạch đàn thay đổi từ 70/30 đến 100/0 không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả giảm nhựa, với mức giảm khoảng 20% so với mẫu đối chứng (Bảng 3.4).

  4. Ứng dụng quy mô sản xuất: Ở quy mô 25 tấn, sau 16 ngày xử lý, hàm lượng nhựa giảm 17,7% so với đối chứng và 34,1% so với nguyên liệu ban đầu. Trị số Kappa giảm 1,89 đơn vị, độ nhớt tăng 1,54%, cho thấy cải thiện chất lượng bột giấy (Bảng 3.8).

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy chế phẩm sinh học Cartapip™ có hiệu quả rõ rệt trong việc phân hủy nhựa cây trong dăm mảnh gỗ keo và bạch đàn. Việc lựa chọn mức dùng 0,2 × 10^10 CFU/tấn và thời gian xử lý 14-16 ngày là phù hợp với điều kiện sản xuất thực tế, cân bằng giữa hiệu quả xử lý và chi phí. So với các nghiên cứu quốc tế, mức giảm nhựa đạt được tương đương hoặc cao hơn, đồng thời cải thiện các chỉ số kỹ thuật của bột giấy. Phân tích thành phần hóa học cho thấy sự giảm đáng kể các axit béo, sterol và este trong nguyên liệu sau xử lý, minh chứng cho hoạt động enzyme phân hủy nhựa. Biểu đồ hàm lượng nhựa theo thời gian và mức dùng chế phẩm thể hiện xu hướng giảm rõ ràng, hỗ trợ trực quan cho hiệu quả của quy trình. Kết quả cũng cho thấy sự ảnh hưởng của mật độ vi sinh vật ban đầu trên nguyên liệu đến khả năng phát triển của nấm trong chế phẩm, do đó việc xử lý sơ bộ như xông hơi có thể cần thiết với nguyên liệu mua ngoài.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình xử lý sinh học với Cartapip™: Đề nghị các nhà máy sản xuất bột giấy áp dụng mức dùng 0,2 × 10^10 CFU/tấn nguyên liệu và thời gian xử lý 14-16 ngày để giảm tối thiểu 10% hàm lượng nhựa, nâng cao chất lượng bột giấy và giảm chi phí hóa chất.

  2. Kiểm soát độ ẩm và nhiệt độ bảo quản: Duy trì độ ẩm dăm mảnh trong khoảng 45-60% và nhiệt độ môi trường ổn định để tối ưu hóa sự phát triển của nấm, đảm bảo hiệu quả xử lý.

  3. Tăng cường xử lý sơ bộ nguyên liệu mua ngoài: Áp dụng phương pháp xông hơi hoặc khử khuẩn để giảm mật độ vi sinh vật cạnh tranh, giúp chế phẩm sinh học phát triển tốt hơn trên nguyên liệu mua ngoài.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho cán bộ kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo về quy trình xử lý sinh học, cách kiểm soát các thông số công nghệ và đánh giá hiệu quả nhằm đảm bảo triển khai thành công quy trình.

  5. Theo dõi và đánh giá liên tục: Thiết lập hệ thống giám sát hàm lượng nhựa, chất lượng bột giấy và chi phí sản xuất để điều chỉnh kịp thời quy trình, đảm bảo hiệu quả kinh tế và kỹ thuật trong dài hạn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và kỹ sư trong ngành công nghiệp giấy: Giúp hiểu rõ về tác động của nhựa cây và giải pháp xử lý sinh học, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm chi phí vận hành.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật hóa học, công nghệ sinh học: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về ứng dụng enzyme và vi sinh vật trong xử lý nguyên liệu công nghiệp.

  3. Các doanh nghiệp sản xuất bột giấy và giấy: Hỗ trợ trong việc lựa chọn công nghệ xử lý nguyên liệu phù hợp, nâng cao chất lượng sản phẩm và bảo vệ môi trường.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách ngành lâm nghiệp và công nghiệp giấy: Là cơ sở khoa học để xây dựng các tiêu chuẩn, quy định về xử lý nguyên liệu và phát triển công nghệ xanh trong ngành.

Câu hỏi thường gặp

  1. Chế phẩm Cartapip™ là gì và hoạt động như thế nào?
    Cartapip™ là chế phẩm sinh học chứa chủng nấm Ophiostoma piliferum, có khả năng phân hủy các hợp chất nhựa trong gỗ thông qua hoạt động enzyme như lignin peroxidase và lipase, giúp giảm hàm lượng nhựa trong nguyên liệu.

  2. Tại sao cần xử lý dăm mảnh trước khi nấu bột giấy?
    Nhựa cây trong dăm mảnh gây bám dính thiết bị, giảm hiệu suất nấu và chất lượng bột giấy. Xử lý trước giúp giảm nhựa, tăng hiệu quả sản xuất và giảm chi phí bảo trì.

  3. Thời gian xử lý tối ưu với Cartapip™ là bao lâu?
    Nghiên cứu cho thấy thời gian xử lý 14-16 ngày là tối ưu, giúp giảm nhựa hiệu quả mà không làm tăng chi phí lưu kho và bảo quản.

  4. Ảnh hưởng của tỷ lệ Keo/Bạch đàn đến hiệu quả xử lý?
    Tỷ lệ Keo/Bạch đàn thay đổi không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả giảm nhựa, do đó tỷ lệ 70/30 được khuyến nghị sử dụng phổ biến.

  5. Có cần xử lý sơ bộ nguyên liệu trước khi sử dụng Cartapip™ không?
    Đối với nguyên liệu mua ngoài có mật độ vi sinh vật cao, xử lý sơ bộ như xông hơi giúp giảm vi sinh vật cạnh tranh, tạo điều kiện cho nấm trong Cartapip™ phát triển tốt hơn.

Kết luận

  • Chế phẩm sinh học Cartapip™ hiệu quả trong việc giảm 17-27% hàm lượng nhựa trong dăm mảnh gỗ keo và bạch đàn sau 14-16 ngày xử lý.
  • Mức dùng tối ưu là 0,2 × 10^10 CFU/tấn nguyên liệu, phù hợp với điều kiện sản xuất thực tế tại Việt Nam.
  • Quy trình xử lý giúp cải thiện các chỉ số kỹ thuật của bột giấy như trị số Kappa giảm, độ nhớt tăng, đồng thời giảm tiêu hao hóa chất tẩy trắng.
  • Ứng dụng quy mô sản xuất tại Tổng Công ty Giấy Việt Nam cho thấy hiệu quả kinh tế và kỹ thuật rõ rệt, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.
  • Khuyến nghị triển khai rộng rãi quy trình xử lý sinh học, đồng thời tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa và mở rộng ứng dụng trong ngành công nghiệp giấy.

Hành động tiếp theo là tổ chức các buổi đào tạo kỹ thuật, triển khai thử nghiệm tại các nhà máy khác và xây dựng hướng dẫn vận hành chi tiết để nhân rộng hiệu quả của công nghệ này.