NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ENZYME FIBREZYME LBL ĐẾN QUÁ TRÌNH NGHIỀN BỘT GIẤY

Vì vậy, cần phải có cơ sở hoàn thiện và nâng cao chất lượng của chế phẩm enzyme trong nước, đồng thời các doanh nghiệp sản xuất bột giấy và giấy có thể áp dụng công nghệ sinh học vào tro

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

************

PHAN THỊ THẢO

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ENZYME FIBREZYME

LBL ĐẾN QUÁ TRÌNH NGHIỀN BỘT GIẤY

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GIẤY VÀ BỘT GIẤY

Thành Phố Hồ Chí Minh Tháng 6/2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

************

PHAN THỊ THẢO

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ENZYME FIBREZYME

LBL ĐẾN QUÁ TRÌNH NGHIỀN BỘT GIẤY

Ngành: Công Nghệ Sản Xuất Giấy và Bột Giấy

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn: Th.S ĐẶNG THỊ THANH NHÀN

Thành Phố Hồ Chí Minh

Tháng 6/2012

LỜI CẢM TẠ

Để hoàn thành tốt đề tài như hôm nay tôi xin chân thành cảm ơn:

Cảm ơn cha mẹ - Người đã sinh thành và nuôi dưỡng con đền ngày hôm nay, đã tạo mọi kiện tốt nhất về tinh thần và vật chất để con học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Toàn thể thầy cô trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh, thầy

cô khoa Lâm Nghiệp, bộ môn Công Nghệ Sản Xuất Giấy và Bột Giấy đã giảng dạy

và truyền đạt kiến thức cho tôi trong những năm tháng theo học ở trường

Th.S Đặng Thị Thanh Nhàn – Giáo viên hướng dẫn, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho tôi trong suốt thời gian thưc hiện đề tài

Ban giám đốc công ty giấy Bình An đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi được nhận mẫu bột giấy để làm thí nghiệm dùng trong đề tài

T.S Lê Quang Diễn – Giảng viên Viện Kỹ Thuật Hóa Học, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, người đã tạo điều kiện cho tôi trong việc tìm kiếm Enzyme làm thí nghiệm và chụp SEM mẫu bột sau khi hoàn thành thí nghiệm tại trường

Trung tâm nghiên cứu chế biến lâm sản – giấy và bột giấy đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi tiến hành thí nghiệm thực hiện tốt đề tài

Chị Trần Thị Kim Chi – Nhân viên phụ trách Trung Tâm nghiên cứu chế biến lâm sản – giấy và bột giấy, người đã trực tiếp hướng dẫn tôi sử dụng máy móc, thiết bị nghiên cứu trong suốt quá trình làm thí nghiệm tại trung tâm

Ban giám đốc công ty Tập Đoàn Tân Mai đã giúp đỡ tôi tiến hành làm Handsheet và đo tính chất bột giấy sau khi làm xong thí nghiệm ở trung tâm

Tập thể lớp Công Nghệ Sản Xuất Giấy và Bột Giấy K34, các anh chị và bạn

bè tôi đã động viên, giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và làm luận văn tốt nghiệp tại trường

Trân trọng cảm ơn Phan Thị Thảo

đó tiến hành làm handsheet và đo tính chất cơ lý tại Công Ty Tập Đoàn Tân Mai

Nguyên liệu dùng cho thí nghiệm: 150g hỗn hợp bột khô tuyệt đối gồm: Bột CTMP75, bột LBKP 90/Chilê (bột xớ ngắn) và bột NPKP 90/Inđô (bột xớ dài); Enzyme xylanaza/xenlulaza dạng thương phẩm FibreZyme LBL

Để Nghiên cứu ảnh hưởng của mức dùng và thời gian xử lý bột bằng enzyme chúng tôi thực hiện thí nghiệm theo trình tự như sau: Xé bột giấy thành mảnh nhỏ rồi ngâm trong nước ở nhiệt độ phòng trong 160 phút, sau đó đánh tơi bằng máy đánh tơi trong 7 phút 50 giây, vắt nước bằng bình hút chân không, rồi cho bột vào bể, bổ sung enzym và nước sao nồng độ bột đạt 10%, khuấy trộn đều và duy trì nhiệt độ trong 120 phút (thời gian xử lý) Kết thúc thời gian xử lý, bột được đưa vào nghiền (với nồng độ bột 1%) tới độ nghiền khoảng 40 – 45oSR Theo dõi độ nghiền của bột theo thời gian Sau đó, thu thập, xử lý và thảo luận chọn ra mức dùng tối ưu nhất làm cơ sở cho các thí nghiệm sau Tiến hành các bước tương tự nhưng thay đổi thời gian xử lý trong các mức 30; 60; 90; 120; 180 phút để chọn được thời gian xử lý thích hợp nhất cho các thí nghiệm sau Sau cùng, xeo handsheet và đo tính chất bột để so sánh hiệu quả sử dụng enzyme

Kết quả cho thấy: Enzyme có ảnh hưởng rõ rệt đến quá trình nghiền Mức dùng enzyme tối ưu là 0,6 ml/kg bột KTĐ và thời gian xử lý bột bằng enzyme tối ưu là 120 phút Kết quả đo tính chất cho thấy với mẫu bột sử dụng enzyme thì khả năng phân tơi,

chổi hóa cao hơn và tính chất cơ lý của bột cũng tăng lên: Độ chịu kéo tăng 12,73 %,

độ bền xé tăng 20% và độ chịu bục lên 16,67 %

Experimental materials: 150g of mix oven dry pulp powder inclues: CTMP75 Pulp, LBKP 90/Chile Pulp (short fiber) and NPKP 90/Indo Pulp (long fiber); Enzyme xylanaza /cellulase commercial type FibreZyme LBL

The process as following:

To study the effect of the enzyme used and Pulp processing time by enzyme, we had conducted the experiment in order: Tear paper into small pieces and soak it in water at room-temperature in 160 minutes, and then spin it with a mechanical spinner

in 7 minutes 50 seconds, squeezed water with vacuum machine, and then put the Pulp into the tank, add enzyme and water until the consistency of Pulp reached at 10%, stir well and maintain the temperature for 120 minutes (processing time) At the end processing time, grind powder (concentration of powder 1%) to the ground degree about 40-45 ° SR Monitoring the grinding degree over time

After that, collecting the data, handling and discussing are to choose the optimal using for the following experiments Performing these steps the same but change the processing time in the 30, 60, 90; 120; 180 minutes to choose the optimal treatment time for the following experiments Finally, handsheet and measuring physical properties of powder to compare efficiency of the enzyme

The result: Enzyme had significantly affected on the grinding process Optimal enzyme is 0.6 ml/kg KTĐ and Pulp processing time with optimal enzyme is 120 minutes The measurement physical properties showed that Pulp using the enzyme is the ability of spin, brooms, and physical properties of Pulp has also increased: Tensile strength up to 12.73%, tear-resistance up to 20%, and burst strength up to 16.67%

MỤC LỤC

TRANG

LỜI CẢM TẠ ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT v

MỤC LỤC vii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT xi

DANH SÁCH CÁC BẢNG xii

DANH SÁCH CÁC HÌNH xiii

Chương 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 2

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.4 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 2

Chương 2: TỔNG QUAN 4

2.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học vào sản xuất giấy và bột giấy trên thế giới và trong nuớc 4

2.1.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học vào sản xuất giấy và bột giấy trên thế giới 4

2.1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học vào sản xuất giấy và bột giấy trong nuớc 8

2.2 Cơ sở lý thuyết về quá trình nghiền 11

2.2.1 Khái niệm quá trình nghiền 11

2.2.2 Độ nghiền 12

2.2.2.1 Độ nghiền 12

2.2.2.2 Cách đo độ nghiền 12

2.2.3 Các khái niệm về tính chất cơ lý và quang học của tờ giấy 13

2.2.3.1 Các khái niệm về tính chất cơ lý của tờ giấy 13

2.2.3.2 Các khái niệm về tính chất quang học của tờ giấy 15

2.2.4 Cơ chế của quá trình nghiền 15

2.2.5 Diễn tiến của quá trình nghiền 16

2.2.6 Các tác dụng chính của quá trình nghiền 17

2.2.6.1 Sự thủy hóa (fiber hydralization) 17

2.2.6.2 Sự đánh tơi (fiber brushing) 17

2.2.6.3 Sự chổi hóa (fibrillation) 18

2.2.6.4 Sự cắt ngắn xơ sợi (fiber cutting) 19

2.2.6.5 Sự cán dẹp xơ sợi (fiber delamination) 20

2.2.7 Ảnh hưởng của quá trình nghiền lên tính chất của xơ sợi 20

2.2.8 Ảnh hưởng của quá trình nghiền lên tính chất tờ giấy 21

2.2.8.1 Đối với tính chất cơ học của tờ giấy 21

2.2.8.2 Đối với tính chất quang học của tờ giấy 23

2.2.9 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình nghiền 23

2.2.9.1 Vật liệu xơ sợi trước khi nghiền 23

2.2.9.2 Các thao tác xử lý trước nghiền 24

2.2.9.3 Điều kiện vận hành 24

2.2.10 Thiết bị nghiền 26

Chương 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28

3.1 Nội dung nghiên cứu 28

3.2 Phương pháp nghiên cứu 28

3.2.1 Nguyên liệu nghiên cứu 28

3.2.1.1 Bột giấy 28

3.2.1.2 Nước cất 29

3.2.1.3 Enzyme FibrenZyme LBL 29

3.2.2 Phương pháp nghiên cứu 31

3.3 Tiến hành thí nghiệm 32

3.3.1 Chuẩn bị nguyên liệu 32

3.3.1.1 Chuẩn bị bột 32

3.3.1.2 Chuẩn bị enzyme 32

3.3.2 Sơ đồ và thuyết minh sơ đồ bố trí thí nghiệm 33

3.3.2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng enzyme; mức dùng và thời gian xử lý bột bằng enzyme đến quá trình nghiền bột 33

3.3.2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của enzyme đến tính chất bột giấy 36

3.4 Dụng cụ và thiết bị sử dụng 40

3.4.1 Cân khối lượng 41

3.4.2 Máy đánh tơi bột 41

3.4.3 Bơm hút chân không 41

3.4.4 Máy nghiền Hà Lan 42

3.4.5 Máy khuấy que 42

3.4.6 Máy đo độ nghiền 43

3.4.7 Máy xeo giấy, thiết bị ép giấy 43

3.4.8 Tủ sấy 44

3.4.9 Bình hút ẩm 44

3.4.10 Thiết bị chụp SEM 45

3.4.11 Thiết bị đo tính chất bột 45

3.4.12 Các dụng cụ khác 46

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 47

4.1 Ảnh hưởng của enzyme đến quá trình nghiền 47

4.2 Ảnh hưởng của mức dùng enzyme đến quá trình nghiền 48

4.3 Ảnh hưởng của thời gian xử lý bột bằng enzyme đến quá trình nghiền 50

4.4 Ảnh hưởng của enzyme đến tính chất bột giấy 52

4.3.1 Kết quả chụp SEM mẫu bột giấy 52

4.3.2 Kết quả đo tính chất cơ lý của bột giấy 56

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57

5.1 Kết luận 57

5.2 Kiến nghị 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

PHỤ LỤC 62

Phụ lục 2 63

Phụ lục 3 65

Phụ lục 4 67

Phụ lục 5: Tiêu chuẩn SCAN – C 3 (Xác định độ khô nguyên liệu) 69

Phụ lục 6: Tiêu chuẩn máy nghiền Hà Lan 71

Phụ lục 7: Tiêu chuẩn SCAN – C 19 (đo độ nghiền SR) 74

Phụ lục 8: Tiêu chuẩn đo độ bền xé 76

Phụ lục 9: Tiêu chuẩn đo độ chịu bục 78

LiP Lignin Peroxidase

NXB Nhà Xuất Bản

SEM Scanning Electron Microscope

Kính hiển vi điện tử quét

PGS.TS Phó Giáo Sư Tiến Sĩ

TCVN Tiêu Chuẩn Việt Nam

Tp.HCM Thành phố Hồ Chí Minh

DANH SÁCH CÁC BẢNG

TRANG Bảng 2.1: Minh họa sự chổi hóa xơ sợi trong quá trình nghiền bột gỗ cứng nấu theo

phương pháp kraft   22 

Bảng 4.1: Tính chất cơ – lý học của bột giấy   56 

DANH SÁCH CÁC HÌNH

TRANG

Hình 2.1: Diễn tiến của quá trình nghiền 16

Hình 2.2: Xơ sợi gỗ trước và sau nghiền 18

Hình 2.3: Xơ sợi bột nghiền ở nồng độ cao và nồng độ thấp 19

Hình 2.4: Mối liên hệ giữa tốc độ quay của rotor và năng lượng nghiền 25

Hình 3.1: Các loại bột sử dụng 29

Hình 3.2: Enzyme FibreZyme LBL 30

Hình 3.3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng enzyme; mức dùng và thời gian xử lý bột bằng enzyme đến quá trình nghiền bột 34

Hình 3.4: Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của enzyme đến tính chất bột giấy 37

Hình 3.5: Cân định luợng: Độ chính xác đến 0.01g 41

Hình 3.6: Cân phân tích: Độ chính xác đến 0.0001g 41

Hình 3.7: Máy đánh tơi 41

Hình 3.8: Bơm hút chân không 42

Hình 3.9: Máy nghiền Hà Lan (Valley Beater) 42

Hình 3.10: Máy khuấy que 42

Hình 3.11: Máy đo độ nghiền 43

Hình 3.12: Máy xeo giấy, thiết bị ép giấy 43

Hình 3.13: Tủ sấy 44

Hình 3.14: Bình hút ẩm 44

Hình 3.15: Thiết bị chụp SEM 45

Hình 3.16: Các thiết bị đo tính chất bột 45

Hình 3.17: Các dụng cụ khác 46

Hình 4.1: Ảnh hưởng của enzyme tới quá trình nghiền bột giấy 47

Hình 4.2: Ảnh hưởng của mức dùng enzyme tới độ nghiền của bột giấy 49

Hình 4.3: Ảnh hưởng của thời gian xử lý bột bằng Enzyme tới quá trình nghiền 51

Hình 4.4: Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) bột chưa nghiền 53

Hình 4.5: Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) bột giấy sau nghiền (45oSR) 55

Chương 1

MỞ ĐẦU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, thế giới đang trong giai đoạn phát triển mạnh, hầu hết các nước trên thế giới đang dần dần phát triển và ứng dụng công nghệ sinh học vào trong hầu hết các ngành công nghiệp, nông nghiệp và đời sống Các sản phẩm và các ứng dụng của ngành công nghệ sinh học đã thật sự mang lại rất nhiều những lợi ích to lớn về mặt kinh tế lẫn môi trường Cũng như những ngành công nghiệp khác, ứng dụng của công nghệ sinh học trong công nghệ giấy đã thu hút được nhiều sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu và đã đạt được nhiều thành tựu lớn trong hơn hơn hai thập kỷ nghiên cứu

và ứng dụng Nhiều chế phẩm enzym đã được sử dụng hiệu quả làm tác nhân biến đổi các thành phần của nguyên liệu thực vật, giúp thúc đẩy các phản ứng hóa học trong quá trình tẩy trắng, nghiền bột giấy, xử lý bề mặt giấy

Hiện nay, ngành công nghiệp giấy của nước ta đang trên đà phát triển nên việc ứng dụng công nghệ sinh học đang được chú ý đến Với đề án “Phát triển và ứng dụng công nghệ sinh học trong lĩnh vực công nghiệp giấy đến năm 2020” đã thu hút được được nhiều sự nghiên cứu và đạt được nhiều thành tựu Tuy nhiên, so với những quốc gia khác trên thế giới thì hiệu quả sử dụng các loại chế phẩm từ công nghệ sinh học vẫn còn rất thấp Vì vậy, cần phải có cơ sở hoàn thiện và nâng cao chất lượng của chế phẩm enzyme trong nước, đồng thời các doanh nghiệp sản xuất bột giấy và giấy có thể

áp dụng công nghệ sinh học vào trong quá trình sản xuất để từ đó có thể nâng cao chất lượng sản phẩm bột và giấy sau khi sản xuất, giảm mức tiêu hao hóa chất, giảm giá

thành sản phẩm và giảm được ảnh hưởng tới môi trường xung quanh và sức khỏe cộng đồng

Từ những yêu cầu cấp thiết như trên, được sự chấp thuận của Ban Chủ Nhiệm Khoa Lâm Nghiệp và sự hướng dẫn của Th.S Đặng Thị Thanh Nhàn, tôi đã tiến hành

đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của Enzyme FibreZyme LBL đến quá trình nghiền bột giấy”

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Phân tích đánh giá ảnh hưởng của mức dùng và thời gian sử dụng Enzyme

Fibrezyme LBL đến quá trình nghiền, tính chất của bột giấy

1.4 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Do sự hạn chế về thời gian cũng như những điều kiện tiến hành thí nghiệm nên đề tài chỉ giới hạn ở việc nghiên cứu quá trình nghiền bột bằng máy nghiền Hà Lan Bột giấy được chọn để nghiên cứu là bột Bột CTMP75 được sản xuất từ nhà máy Tân Mai, bột LBKP 90/Chilê (bột xớ ngắn) được nhập từ ChiLê và bột NPKP 90/Inđô (bột xớ dài) được nhập từ Inđônêxia Ba loại bột trên được lấy từ Nhà Máy giấy Bình An thuộc Tập Đoàn Tân Mai, chất được sử dụng làm chất trợ nghiền là Enzyme xylanaza/xenlulaza dạng thương phẩm FibreZyme LBL của hãng Dyadic International (Mỹ) Được lấy từ Viện Kỹ Thuật Hóa Học, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Thí nghiệm đã được tiến hành từ ngày 10/02/2012 – 15/06/2012 tại Trung Tâm phân tích chế biến lâm sản – giấy và bột giấy trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố

Hồ Chí Minh Sau đó tiến hành làm handsheet và đo tính chất cơ lý tại Công Ty Tập Đoàn Tân Mai

Năm 1990, Pommier tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của enzyme Liftase A40 (một loại enzyme được pha trộn từ các enzyme có nguồn gốc từ T reesei) đến khả năng thoát nước và khả năng chổi hóa xơ sợi của bột giấy, bằng các thí nghiệm được thực hiện trong phòng thí nghiệm Các thí nghiệm đựợc tiến hành trong cùng một điều kiện: loại bột giấy, nhiệt độ, độ pH, nồng độ và thay đổi thời gian nghiền Kết quả cho thấy khả năng thoát nước đạt hiệu quả cao nhất khi thời gian nghiền là 30 phút Nếu tiếp tục tăng thời gian nghiền cao hơn thì sẽ làm giảm tính chất cơ lý của bột [16] Sau đó, ông cũng tiến hành các thực nghiệm trong công nghiệp Ông tiến hành trong điều kiện xử lý tối ưu: nhiệt độ 40 – 45 oC; pH: 6; sử dụng 0.2% khối lượng/trọng lượng enzyme Kết quả cho thấy độ nghiền của bột đã tăng từ 215ml đến 323mloCSF trong cùng thời gian nghiền; Đồng thồi cải thiện được năng lực nghiền lên 32% Từ đó làm giảm được năng lượng sử dụng [17]

Cùng năm 1990, phát triển thêm từ ý tưởng về “Hiệu ứng tách lớp” đề xuất của Lee và Kim (1983), Pommier đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng enzyme vào việc tách lớp xơ sợi bột giấy Theo thuyết này, các chuỗi xenlulo trong tinh thể của nó do có cấu trúc nhiều thớ nên trong quá trình thủy phân các lớp này sẽ được bóc tách lần lượt từng lớp Pommier đã tiến hành sử dụng enzyme để kiểm soát sự tách lớp của xơ sợi bột Kết quả cho thấy, enzyme có tác dụng hỗ trợ làm sự tách lớp xảy ra nhanh hơn, đồng thời làm tăng khả năng liên kết hyđro trong tổng thể bề mặt xơ sợi Tác dụng tách lớp ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chổi hóa của xơ sợi Trong giai đoạn đầu của quá trình thủy phân thì tác dụng tách lớp xảy ra nhanh, tuy nhiên khi phản ứng đạt đến tối

ưu, nếu kéo dài thêm thời gian xử lý thì cũng không làm tăng thêm khả năng chổi hóa

và khả năng thoát nước của bột Mặt khác, khi tăng thêm thời gian xử lý hay nồng độ enzyme sẽ làm cho sợi dễ bị cắt ngắn làm ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ học của xơ sợi [16]

Năm 1991, Bhat đã thử nghiệm các phương pháp để làm tăng khả năng thoát nước của bột tái chế tẩy trắng và bột tái chế không tẩy trắng Thực nghiệm được tiến hành với enzyme Liftase A40 được xử lý trong 30 phút Kết quả thu được từ việc đo tính chất cơ lý của bột sau khi xử lý cho thấy, khả năng thoát nước của bột đã tẩy trắng cao hơn nhiều so với khả năng thoát nước của bột chưa tẩy trắng Điều đó cho thấy khả năng tiếp cận của enzyme với xenlulo của bột tẩy trắng cao hơn so với bột không tẩy trắng vì cơ bản hàm lượng lignin gây cản trở đến sự tiếp cận của enzyme Đồng thời, enzyme không ảnh hưởng nhiều tới tính chất cơ lý của bột [16]

Thừa kế các kết quả nghiên cứu về thuyết “Tách lớp xơ sợi” của Lee và Kim (1983) và kết quả về ảnh hường của enzyme tới khả năng thoát nước mà không ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của Bhat (1991), năm 1993 Jackson đã tiến hành thực nghiệm với các loại enzyme cellulasa, hemixenlulaza và hỗn hợp của chúng lên bột giấy được làm từ gỗ mềm tẩy trắng Bột được xử lý bằng enzyme với nồng độ khác nhau trong thời gian 24 giờ Kết quả thu được cho thấy, khả năng thoát nước của bột

tăng lên khi được xử lý với enzyme cellulasa, và không thay đổi khi bột được xử lý bằng enzyme hemixenlulasa Đồng thời, ba chế phẩm enzyme này làm giảm đựoc lượng dịch nấu bột Tuy nhiên, khi tăng nồng độ enzyme lên thì làm tiêu hao lượng dịch nấu Khi tiến hành xử lý lâu hơn hay nồng độ enzyme cao hơn thì khả năng kết tụ của xơ sợi là không đáng kể và bề mặt xơ sợi bị bong ra Kết quả dưới kính hiển vi cho thấy enzyme làm tăng độ đục của bột [16]

Năm 1994, Sabharwal đã nghiên cứu thành công sự ảnh hưởng của enzyme đựoc chiết xuất từ một loại nấm thuộc chủng Ceriporiopsis subvermispora lên bột đay Thực nghiệm được tiến hành nhằm mục đích tiết kiệm được năng lượng trong quá trình nghiền bột Đồng thời khả năng thoát nước và tính chất quang học của bột cũng được cải thiện Kết quả thu được dưới kính hiển vi cho thấy xơ sợi đay không định hướng xoắn mà dọc theo trục sợi [16]

Năm 1995, Sarkas đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các loại enzyme cellulasa, hemixenlulaza sau đó được xử lý với một loại polymer Kết quả cho thấy khả năng thoát nuớc của bột tăng lên đáng kể sau thời gian xử lý là 45 – 60 phút Tuy nhiên, tính chất cơ lý của bột giảm khi xử lý bột bằng enzyme hemixenlulasa và polymer Để xác minh điều đó, Sarkas làm thực nghiệm bằng cách xử lý bột bằng enzyme hemixenlulasa và polymer trong thời gian dài (một tuần) kết quả cho thấy xơ sợi hoàn toàn bị phá vỡ Sử dụng enzyme celulasa và polyme được coi là một đề xuất trong phương pháp xử lý bột bằng phương pháp sinh hóa [16] [17]

Năm 1995, nghiên cứu của Stork đã cho thấy hiệu quả về khả năng thoát nước và khả năng phân tách sơ sợi của loại enzyme thương phẩm và enzyme cơ bản Được chỉ

rõ khi tiến hành đo khả năng thoát nước, chiều dài đứt, sự phân bố sợi, hệ số tán xạ ánh sáng [16]

Năm 1996, Manfield đã tiến hành nghiên cứu và đưa ra kết quả rằng khi bột được

xử lý bằng enzyme thì làm tăng độ bền cơ lý của xơ sợi bột [16]

Năm 1998, Pavla Kutacova đã thành công với nghiên cứu của mình về việc ứng dụng công nghệ sinh học vào công nghệ sản xuất giấy Pavla Kutacova đã tiến hành sử dụng enzyme hỗn hợp enzyme thương phẩm PergaIase A40 để xử lý bột đay, ông tiến hành khảo sát ba chỉ tiêu: kích thước sợi khác nhau, thay đổi thời gian xử lý và thay đổi nồng độ enzyme Kết quả cho thấy, sau 30 phút xử lý bột với nồng độ enzyme tối ưu 0.02 ml/10g KTĐ khả năng thoát nước của bột đã được nghiền tăng lên 65% trong khi

đó khả năng thoát nước của bột chưa nghiền chỉ tăng 3% Sau thời gian 30 phút thì cường đô bột không giảm nhiều trừ độ bền xé, độ đục, độ nhớt [16]

Năm 2003, Ulmann chỉ ra rằng có nhiều loại enzyme thương phẩm được ứng dụng vào công nghệ sản xuất giấy như một loại chất xúc tác thay thế cho nguyên, vật liệu và làm giảm tiêu thụ năng lượng, nhằm đạt năng suất và chất lượng cuối cùng cho quá trình sản xuất Tất cả các nghiên cứu đều kết luận rằng enzyme là chế phẩm thân thiện với môi trường [18] [19]

Năm 2004, Olsen tiến hành nghiên cứu ứng dụng enzyme xylanase vào tẩy trắng bột Kraft Kết quả cho thấy, enzyme xylanase lằm tăng độ trắng của bột trong một khoảng thời gian ngắn hơn so với việc tẩy bằng hóa chất, nhờ cơ chế tác dụng làm mềm lignin trong bột, làm tăng độ trắng của bột [19]

Năm 2005, Tandon tiến hành nghiên cứu sử dụng enzyme Cellulasa vào khử mực giấy văn phòng thu hồi Kết quả cho thấy khi sử dụng enzyme thì lượng hóa chất sử dụng đã giảm rõ rệt mà vẫn đạt hiệu quả khử mực cao [21]

Tháng 9 năm 2005, Mike Paice đã tiến hành nghiên cứu thêm một lần nữa ứng dụng của công nghệ sinh học vào công nghệ sản xuất giấy và bột giấy Ông đã tiến hành nghiên cứu và đạt kết quả tốt trong việc ứng dụng enzyme vào tẩy trắng và khử mực giấy tái chế từ giấy loại văn phòng, giảm hàm lượng chất độc hại trong nước thải cũng như làm giảm được năng lượng quá trình nghiền [18]

Công trình nghiên cứu của Hyoung-Jin Kim, Byoung-Muk Jo, và Seon-HoLee năm 2006, đã một lần nữa khẳng định được tác dụng tiết kiệm năng lượng khi sử dụng enzyme cellulasa và xylanasa trong sản xuất [26]

Năm 2006, Jorgensen đã tiến hành nghiên cứu sự ảnh hưởng của enzyme tới môi trường Bằng các nghiên cứu so sánh với kết quả phân tích nước thải trong nhà máy sản xuất giấy sử dụng hóa chất, cho thấy sử dụng enzyme là thân thiận với môi trường [20]

Năm 2007, Nielsen bằng thực nghiệm của mình đã chỉ ra rằng khi sử dụng enzyme vào khử mực giấy tái chế đã làm giảm được lượng hóa chất Đồng thời, làm giảm được đáng kể sự tiêu hao năng lượng [23]

Năm 2011, một nghiên cứu về thăm dò về tình hình sử dụng enzyme trong công nghiệp giấy của Braz J Demuner, Nei Pereira Junior, Adelaide M.S Antunes đã cho thấy việc ứng dụng enzyme vào công nghiệp giấy đang ngày càng nhiều Các kết quả sau thống kê khẳng định một lần nữa về vai trò của các loại enzyme xylanase, cellulasa, laccasa trong quá trình tẩy trắng và nghiền bột, đồng thời cũng cho thấy được khả năng tiết kiệm năng lượng trong quá trình sản xuất [24]

Nhìn chung, các công trình nghiên cứu khoa học đó đã mang lại các kết quả có ý nghĩa, tạo tiến đề cho các công trình nghiên cứu khác trong tương lai về việc ứng dụng công nghệ sinh học vào công nghệ sản xuất giấy Quan trọng hơn là mang ý nghĩa thực tiễn về việc áp dụng công nghệ sinh học vào thực tế sản xuất nhằm đem lại hiệu quả cao Cụ thể là làm tăng độ trắng, giảm thời gian nghiền, năng lượng nghiền nhưng vẫn đảm bảo được độ bền cơ lý của xơ sợi, từ đó giảm được chi phí của quá trình sản xuất

2.1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học vào sản xuất giấy và bột giấy trong nuớc

Ở Việt Nam, về việc ứng dụng công nghệ sinh học vào sản xuất giấy và bột giấy nói chung đã và đang được Đảng và nhà nước quan tâm Tuy nhiên, những kết quả thu được từ các nghiên cứu vẫn chưa thực sự được ứng dụng vào thực tế sản xuất

Tháng 1 năm 2007, Chính Phủ Việt Nam đã đưa ra quyết định số TTg ngày 25 tháng 01 năm 2007 về việc phê duyệt “Đề án phát triển và ứng dụng công nghệ sinh học trong lĩnh vực công nghiệp chế biến đến năm 2020” [27] đã khởi đầu cho một mốc quan trọng trong ngành công nghệ sản xuất giấy về ứng dụng công nghệ sinh học và sản xuất

14/2007/QĐ-Hưởng ứng quyết định này, đồng thời tiếp thu những kết quả từ những nghiên cứu trên thế giới, nhiều nhà nghiên cứu khoa học ở Việt Nam trong lĩnh vực sản xuất giấy đã có nhiều đồ án mang lại hiệu quả cụ thể, có tính tích cực và thực tế cho ngành giấy trong nước

Năm 2007, bài báo cáo nghiên cứu “Tương lai ứng dụng enzyme trong xử lý phế thải” của nhóm tác giả Trần Đình Toại, Trần Thị Hồng thuộc Viện Hóa Học, Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam, trường Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã cho thấy hiệu quả của hai loại enzyme Hydrolases và Oxidoreductases trong xử lý các ô nhiễm bằng cách kết tủa hoặc chuyển hóa các sản phẩm phân hủy chất thải, trong đó có chất thải từ ngành công nghiệp giấy [5]

Năm 2007, báo cáo nghiên cứu của PGS TS Doãn Thái Hòa về việc xử lý nước thải trong sản xuất giấy bằng enzyme đã đánh dấu cho công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học vào sản xuất giấy

Năm 2011, kết quả nghiên cứu của TS Lê Quang Diễn, Hồ Thị Thúy Liên về việc nghiên cứu sử dụng enzyme Xylanase cho tẩy trắng bột giấy sunphat gỗ cứng, cho thấy rõ sự ảnh hưởng của mức dùng và thời gian xử lý enzyme lên độ trắng cũng như tính chất của bột Nghiên cứu được tiến hành trên bột tẩy trắng sunphat gỗ cứng với enzyme sử dụng là Xylanase Tác giả đã tiến hành các thí nghiệm xác định thông số công nghệ về mức dùng và thời gian xử lý thích hợp của quá trình xử lý bột bằng enzyme Trong quá trình nghiên cứu tác giả đưa ra các thông số về mức dùng là 0.1; 0.2; 0.3; 0.4; 0.5; 1ml/kg bột KTĐ và thời gian xử lý là 60; 90; 120; 150 phút để tiến hành thực nghiệm Kết quả thu được là tối ưu đối với mức dùng là 0.2ml/kg bột KTĐ

với thời gian xử lý là 120 phút Đồng thời, nghiên cứu cũng cho thấy rằng sử dụng enzyme xylanase làm tăng độ bền cơ lý của tờ giấy [10]

Năm 2011, công trình nghiên cứu “Úng dụng enzyme Lignin Peroxidase (LiP) trong sản xuất bột giấy hiệu suất cao từ thân cây ngô” của TS Lê Quang Diễn và PGS.TS Doãn Thái Hòa cũng khẳng định được hiểu quả sử dụng của enzyme trong ngành giấy Tác giả tiến hành sử dụng enzyme Lignin Peroxidase (LiP) sinh tổng hợp

từ chủng nấm mục trắng Aspergillus flavus, nguyên liệu thân ngô đã nghiền sơ bộ được

xử lý bằng chế phẩm LiP hoạt độ 1,2 - 1,7 U/ml, sau đó được dùng để tạo bột giấy theo phương pháp xử lý bằng hydropeoxit trong môi trường axit axetic có sử dụng xúc tác TiO2 Kết quả nghiên cứu cho thấy, thân cây ngô được xử lý bằng LiP trong điều kiện tối ưu: mức sử dụng enzyme khoảng 10 U/g có bổ sung 0,1 mM H2O2/g

Nguyên liệu khô tuyệt đối (KTĐ), thời gian xử lý 5 – 6 h, tỉ dịch R:L (Rắn:Lỏng)

= 1:2, nhiệt độ xử lý 30oC và pH 3,0, đã cải thiện quá trình tách loại lignin và độ bền

cơ học của bột giấy Bột giấy thu được có các tính chất cơ lý tăng 7 – 14% so với trường hợp không sử dụng enzyme Đây là hướng nghiên cứu mới về công nghệ thân thiện môi trường trong sản xuất bột giấy từ nguyên liệu thân thảo ngắn ngày [11]

Tiếp tục nghiên cứu TS Lê Quang Diễn và PGS.TS Doãn Thái Hòa tiếp tục thành công với công trình nghiên cứu “Ứng dụng enzyme Xylanase trong sản xuất bột giấy hiệu suất cao từ thân cây ngô” Enzyme được sử dụng là một loại xylanase thương phẩm tên FibreZyme LBL, nguyên liệu thân ngô đã nghiền sơ bộ được xử lý bằng enzyme hoạt độ 1620 U/ml, sau đó được dùng để tạo bột giấy theo phương pháp xử lý bằng hydropeoxit trong môi trường axit axetic có sử dụng xúc tác TiO2 Kết quả nghiên cứu cho thấy, thân cây ngô được xử lý bằng xylanase trong điều kiện tối ưu: mức sử dụng enzyme khoảng 405U/kg nguyên liệu khô tuyệt đối (KTĐ), thời gian xử lý 90 phút, tỉ dịch R:L (Rắn:Lỏng) =1:4, nhiệt độ xử lý 35 – 40oC đã cải thiện được đáng kể quá trình nghiền bột:giảm được tới một nửa thời gian nghiền bột giấy Ngoài ra, enzyme còn có ảnh hưởng tốt tới một số tính chất cơ – lý học của bột giấy [12]

Hiện nay, các công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học vào công nghệ sản xuất giấy của Việt Nam đang được tiến hành như: [25] [26]

- Cao Thanh Tú Đề tài: “Nghiên cứu sử dụng enzyme cho sản xuất bột giấy hóa –

nhiệt – cơ tẩy trắng từ gỗ keo tai tượng” Thời gian thực hiện 2010-2012

- Nguyễn Tiến Minh Đề tài: “Thủy phân bằng enzym phế liệu gỗ keo tai tượng

và bạch đàn đã qua xử lý để sản xuất bioetanol” Thời gian thực hiện 2010 –

2012

- Nguyễn Thị Minh Phương Đề tài: “Nghiên cứu nâng cao hiệu suất thủy phân

rơm rạ bằng enzym cho sản xuất etanol sinh học” Thời gian thực hiện 2011 –

2.2 Cơ sở lý thuyết về quá trình nghiền

2.2.1 Khái niệm quá trình nghiền

Nghiền: là quá trình xử lý bột bằng lực cơ học nhằm phát triển bột đến mức tốt

nhất tính chất tạo thành tờ giấy của xơ sợi (Cao Thị Nhung, 2003)

Trước đây người ta gọi quá trình xử lý bột trong máy nghiền Hà Lan trước khi sản xuất giấy gọi là quá trình “đánh bột”, sau này người ta sử dụng máy nghiền đĩa và máy nghiền côn để xử lý bột trước khi xeo thì người ta gọi là quá trình nghiền bột Vậy, khái niệm đánh bột và nghiền bột là một vì trong quá trình nghiền gồm cả sự đánh tơi bột, chổi hóa và cắt ngắn

Quá trình nghiền có một vai trò rất quan trọng đối với bột hóa học, nó cải thiện tính chất cơ lý của sợi nhằm đạt được những tính năng phù hợp cho quá trình chế biến

và sử dụng Sợi sẽ được trương nở trong môi trường nước và liên kết giữa các xơ sợi sẽ tăng lên Trong thiết bị nghiền lực ma sát giữa sợi – sợi, giữa sợi – nước hay sợi – thành thiết bị sẽ làm cấu trúc sợi bớt chặt chẽ để nước dễ thấm vào Nghiền cải thiện tính năng cơ lý của giấy, nhưng tiêu tốn nhiều năng lượng Một quá trình nghiền quá mức có thể làm giảm một vài tính năng khác của giấy như giảm độ kháng xé Vì vậy cần có một sự kiểm tra chặt chẽ để có thể được kết quả tối ưu (Nguyễn Thị Ngọc Bích, 2003)

Có hai cách đo độ nghiền: sử dụng máy đo độ SR và máy đo độ CSF

Về cấu tạo và nguyên tắc đo của hai loại máy này thì chúng đều giống nhau, chỉ khác nhau về nồng độ pha loãng của bột khi đo và cách đọc kết quả đo

Cấu tạo của máy đo gồm có hai phần: Bên trên là một ống kim loại không gỉ hình trụ đường kính khoảng 12 – 15 cm, cao khoảng 15 cm, có khả năng đựng được 1000ml huyền phù bột, đáy hình trụ có lưới mịn để thoát nước Khi đổ 1000ml huyền phù bôt vào phần trên này thì nước sẽ thoát qua lưới xuống phấn dưới còn bột thì được giữ lại trên lưới Phần bên dưới hình côn cũng bằng kim loại không gỉ có hai cửa thoát nước: cửa thoát bên cạnh có đường kính khoảng 1cm là cửa rộng để thoát nước ra dễ dàng và cửa ở chính giữa tâm thì rất nhỏ nên nước thoát chậm

Khi lưới nước thoát từ lưới xuống nhiều thì nó thoát qua cửa giữa tâm không kịp, nên thường dâng lên trong phần đáy hình côn và tràn qua cửa bên cạnh xuống ống đong đặt bên dưới cửa bên cạnh Do vậy, nếu trong trường hợp bột thoát nước tốt thì

nước thoát từ lưới xuống rất nhanh nên ống đong bên cạnh sẽ thu được nhiều nước Và ngược lại, nếu bột khó thoát nước thì nước thoát từ lưới xuống rất chậm nên cửa đáy đủ thời gian để thoát phần lớn số nước nên ống đong ở giữa sẽ thu được nhiều nước còn ống đong nước thoát ở cửa bên cạnh sẽ đong được rất ít nước Bằng cách đo lượng nước thu được ở ống đong bên cạnh người ta sẽ xác định được độ thoát nước của bột hay là độ nghiền của bột

Sự khác nhau khi sử dụng hai thiết bị đo CSF và SR là:

Máy đo CSF (Canadian Standard Freenees): khi đo CSF người ta dùng 3g bột KTĐ để hòa loãng thành 1000ml (nồng độ bột sẽ là 0,3%) rồi đem đo độ CSF trên máy

đo độ CSF Chỉ số CSF chính là số nước thu được trong ống đong bên cạnh trong quá trình đo độ thoát nước của bột trên máy đo CSF

Đo bằng máy đo độ SR (Schopper Reigler): Nguyên tắc và cấu tạo thì tương tự máy đo CFS nhưng nồng đọ bột và cách đọc chỉ số thì khác với cách đọc độ CSF: chỉ dùng 2g bột KTĐ, rồi hòa loãng thành 1000ml (nồng độ là 0,2%) rồi đem đo trên máy

đo độ SR và khi đọc kết quả phải lấy 1000ml trừ đi số ml đo được trong ống bên cạnh rồi chia cho 10 thì mới ra độ SR của bột

Tùy theo từng yêu cầu của từng loại giấy mà mà người ta tiến hành nghiền đến độ nghiền thích hợp

2.2.3 Các khái niệm về tính chất cơ lý và quang học của tờ giấy

2.2.3.1 Các khái niệm về tính chất cơ lý của tờ giấy

Độ bền cơ lý của giấy biểu thị khả năng của giấy chịu được những lực tác dụng từ bên ngoài lên giấy Các chỉ tiêu cơ bản về độ bền cơ lý của giấy bao gồm: độ bền kéo,

độ bền xé, độ bền gấp, độ chịu bục Muốn sản phẩm giấy đạt được độ bền nhất định thì

độ bền của nguyên liệu bột phải được kiểm tra và đạt ở mức cho phép Qua quá trình nghiền và chế biến, bột giấy chịu sự tác động khác nhau (lực, hóa chất, …) nên độ bền của bột giấy cũng như sản phẩm giấy thường bị thay đổi Đối với bột giấy và giấy người ta thường kiểm tra chỉ tiêu chỉ số bền kéo và bền xé Kết quả đo độ bền thể hiện

sự thay đổi hình thái, cấu trúc xơ sợi do tác động nghiền, cho biết mức độ phân tơ, chổi

hóa và sự phân bố sơ xợi trên giấy (Cao Thị Nhung, 2004)

Độ bền cơ lý của giấy là tính chất gần như quan trọng nhất đối với hầu hết các loại giấy Mỗi loại giấy cần có độ bền cơ lý trong khoảng nhất định Có những loại giấy cần độ bền cơ lý cao như giấy bao gói xi măng, giấy làm túi xách để có thể chịu lực kéo và va đập trong quá trình sử dụng, còn những loại giấy như giấy in và giấy in báo thì chỉ cần độ bền cơ lý trung bình để giấy không bị đứt trong quá trình in trên máy

in vận tốc cao Thông thường để đo các tính chất cơ lý người ta thường xeo tờ giấy có định lượng 60 – 80 g/m2 (Cao Thị Nhung, 2004; Phạm Thị Ngọc Thu, 2004)

- Tính kháng gấp: Là khả năng chống lại việc gấp đôi tờ giấy, tính chất này rất quan trọng đối với những loại viết hay giấy tiền

- Tính kháng xé: Là khả năng chống lại lực xé của tờ giấy tại nơi bị rách, đây là chỉ tiêu để đánh giá độ bền của tờ giấy đối với các lực cơ học, là khả năng liên kết giữa các thành phần trong tờ giấy

- Khả năng liên kết: Sau khi xơ sợi thực hiện quá trình nghiền thì chúng đã được thực hiện quá trình phân tơi, chổi hóa nên chúng dể dàng liên kết lại với nhau hơn do lớp tường thứ cấp đã bị rách ra, xơ sợi trở nên hút nước và tạo được nhiều liên kết hơn với các xơ sợi kế cận

- Tính kháng bục: Là khả năng tờ giấy chịu lực vuông góc với mặt phẳng tờ giấy cho đến lúc nó bị bục, rách Tính chất này rất quan trọng đối với giấy được sử dụng làm túi xách

- Độ bền kéo: Độ bền kéo: là khả năng chịu được lực kéo dãn cho đến trước lúc giấy bị đứt, độ bền kéo của tờ giấy cho thấy lực kéo lớn nhất trên một đơn vị chiều rộng mà băng giấy chịu được trước khi đứt Độ bền kéo của giấy phụ thuộc nhiều nhất vào liên kết giữa các xơ sợi, độ bền của bản thân xơ sợi, chiều dài của xơ sợi, độ bền kéo của giấy giảm khi tăng thành phần chất độn, chất keo chống thấm trong giấy

- Độ chịu xé: Là khả năng chịu được lực xé tối đa bằng bao nhiêu khi tờ giấy được xé trên máy đo chuyên dụng (Lê Tiểu Anh Thư, 2008)

- Độ chịu gấp: Là khả năng chịu được bao nhiêu lần gấp qua gấp lại trên máy đo chuyên dụng cho tới trước khi nó bị gãy đôi tại nếp gấp (Lê Tiểu Anh Thư, 2011)

- Độ chịu bục: Là khả năng của giấy chịu được áp lực không khí tối đa là bao nhiêu cho tới trước khi bị thủng (Lê Tiểu Anh Thư, 2011)

2.2.3.2 Các khái niệm về tính chất quang học của tờ giấy

- Độ đục của tờ giấy: Là khả năng làm che các hình ảnh được in lên một mặt của

tờ giấy khi nhìn từ mặt bên kia Độ đục giảm do sợi bị cắt ngắn và nén ép khi nghiền, các tường bên ngoài bị bóc ra Độ đục chịu ảnh hưởng bởi bề dày sợi cũng giảm theo

- Khả năng phân tán ánh sáng: Hệ số phân tán ánh sáng giảm dần khi tăng năng lượng nghiền do sợi liên kết với nhau chặt chẽ hơn, các bề mặt tự do của sợi giảm nên ít phân tán hơn

2.2.4 Cơ chế của quá trình nghiền

Khi bột được đưa và máy nghiền dưới tác dụng của lực cơ học của hai dao nghiền, quá trình nghiền xảy ra đồng thời hai hiện tượng sau:

- Hiện tượng thứ nhất: là hiện tượng đơn thuần chỉ là những tác dụng cơ học của dao nghiền lên bột làm thay đổi hình dạng sợi bột: cắt ngắn và chổi hóa chúng

- Hiện tượng thứ hai: là tác dụng mang tính hóa keo hay còn gọi là hiện tượng thủy hóa xơ sợi Bản chất của hiện tượng này là xơ sợi bị trương nở dưới tác dụng của dao nghiền: Thành của tế bào bị rách ra diện tích bề mặt của mỗi xơ sợi tăng lên, các nhóm OH tự do được lộ ra và hấp thụ các phân tử nước nhờ tác dụng của liên kết Hydro

2.2.5 Diễn tiến của quá trình nghiền

Đầu tiên bột được đưa vào máy nghiền các đám sợi được tập hợp ở những vùng lân cận dao nghiền, nồng độ thấp khoảng 3 – 5%, các đám sợi chứa chủ yếu là nước Khi dao di động tiến đến gần dao cố định, đám bột sẽ bị nén và tiếp nhận sự va chạm mạnh, nước sẽ được vắt ra hay nồng độ bột sẽ gia tăng cùng với nước và chúng

đi vào rãnh nghiền Chỉ phần sợi còn lại chịu tác động nén của hai dao nghiền Nồng độ lúc này có thể tăng tới 15 – 30%

Tiếp theo cả hai mặt dao sẽ trượt và đám bôt được nén giữa hai mặt dao Trong quá trình nghiền với nồng độ thấp khoảng cách giữa hai đĩa nghiền khoảng nhỏ, dao nghiền tạo tác động cơ học lên sợi và đồng thời lực ma sát giữa các sợi cũng gây tác động lên sợi lúc này sợi sẽ chịu sự cọ xát, làm bong lớp tường sơ cấp và đánh xơ lớp tường thứ cấp Lực cơ học lúc này là 7 – 35 MPa, nồng độ bột có thể lên tới 50 – 60% Cuối cùng, khi bột ra khỏi dao nghiền, sợi không bị nén sợi bắt đầu duỗi ra và hút nước trở lại Chúng theo dòng bột thoát ra bên trên máy nghiền theo phương tiếp tuyến với bán kính đĩa nghiền

Hình 2.1: Diễn tiến của quá trình nghiền

(Nguồn: Jorma Lumiainen, 1998; Nguyễn Thị Ngọc Bích, 2003)

2.2.6 Các tác dụng chính của quá trình nghiền

Trong quá trình nghiền các xơ sợi chịu tác dụng bởi các lực cơ học như: lực cắt, lực xé, lực va đập của các lưỡi dao nghiền lên thớ sợi, lực ma sát giữa các xơ sợi với nhau, giữa các xơ sợi với thành máy nghiền và tác động của thủy lực như: lực nén, ép thủy động tạo nên lực xé gián tiếp đối với xơ sợi

Các tác dụng chính của quá trình nghiền lên xơ sợi gồm: sự thủy hóa, đánh tơi,

chổi hóa, cắt ngắn và sự cán dẹp xơ sợi

2.2.6.1 Sự thủy hóa (fiber hydralization)

Là quá trình làm trương nở và làm mềm xơ sợi do tác dụng của quá trình ngâm bột trong nước và tác dụng cơ học của quá trình nghiền bột Sợi có cấu tạo dạng bó, định hướng theo chiều dài Các bó sợi này được liên kết với nhau theo liên kết hydro

và được giữ chặt nhờ chất kết dính là lignin Sau khi nấu hoặc tẩy trắng sợi được rửa sạch và như vậy chúng bảo hòa nước, tuy nhiên liên kết giữa các sợi còn khá chặt chẽ Dưới tác dụng cơ học của quá trình nghiền (ép rồi giãn nở cưỡng bức xơ sợi) sẽ làm cho các phân tử nước xâm nhập vào khe hở giữa các xơ sợi, làm đứt các liên kết hydro giữa các xơ sợi kết quả là liên kết giữa các xơ sợi yếu đi, xơ sợi trở nên mềm mại hơn,

dễ bị tách rời nhau trong quá trình nghiền bột Đây là quá trình hydrat hóa sợi hay còn gọi là quá trình thủy hóa sợi Vậy sự thủy hóa sợi là có lợi cho sự chổi hóa xơ sợi trong quá trình nghiền bột (Cao Thị Nhung, 2003; Nguyễn Thị Ngọc Bích, 2003)

Sự thủy hóa phụ thuộc vào nhiệt độ của huyền phù, nhiệt độ càng cao thì khả năng trương nở càng kém nên sự thủy hóa kém

2.2.6.2 Sự đánh tơi (fiber brushing)

Sự đánh tơi là quá trình phân tán từng sợi bột làm xơ sợi tách ra nhau và phân tán đều trong huyền phù bột, giúp cho tác dụng nghiền bột sau đánh tơi được đồng đều trên từng xơ sợi Quá trình đánh tơi xảy ra trong thời gian đầu của quá trình nghiền bột khi khoảng cách giữa hai bề mặt của hai dao nghiền tương đối rộng (Cao Thị Nhung, 2003; Nguyễn Thị Ngọc Bích, 2003)

2.2.6.3 Sự chổi hóa (fibrillation)

Sự chổi hóa là quá trình phân tơ xơ sợi do sự chà sát tạo ra nhiều vi xơ làm cho bề mặt xơ sợi bị xơ ra kết quả là làm tăng diện tích bề mặt, giúp tăng khả năng liên kết giữa các xơ sợi, cải thiện tính chất cơ lý của giấy, đặc biệt là độ chịu kéo

Nồng độ bột càng cao thì sự chổi hóa của xơ sợi trong quá trình nghiền càng cao,

sự cắt ngắn giảm

Xơ sợi được thủy hóa và đánh tơi tốt sẽ trở nên mềm dẻo và đàn hồi hơn, khi đó

sự chổi hóa diễn ra tốt hơn Ngoài ra khi nghiền bột ở nhiệt độ thấp cũng tăng khả năng chổi hóa của xơ sợi, đây cũng là quá trình mong muốn trong khi nghiền bột (Cao Thị Nhung, 2003; Nguyễn Thị Ngọc Bích, 2003)

Hình 2.2: Xơ sợi gỗ trước và sau nghiền

(Nguồn: Jorma Lumiainen, 1998; Nguyễn Thị Ngọc Bích, 2003)

Hình 2.2 cho thấy xơ sợi sau khi nghiền sẽ xuất hiện thêm nhiều vi xơ giúp cho liên kết giữa các xơ sợi tốt hơn, đồng thời chiều dài xơ sợi ngắn hơn

2.2.6.4 Sự cắt ngắn xơ sợi (fiber cutting)

Hình 2.3: Xơ sợi bột nghiền ở nồng độ cao và nồng độ thấp

(Nguồn: Jorma Lumiainen, 1998; Nguyễn Thị Ngọc Bích, 2003)

Sự cắt ngắn xảy ra ở giai đoạn cuối của quá trình nghiền khi đạt tới một độ chổi hóa nhất định Trong quá trình nghiền, người ta thường khống chế thời gian nghiền thích hợp để giảm sự cắt ngắn xơ sợi, vì nếu tăng thời gian nghiền thì càng về sau sự chổi hóa giảm đi còn sự cắt ngắn lại tăng lên rất nhanh

Khi nghiền bột ở nồng độ thấp, khoảng cách giữa hai bề măt dao nghiền nhỏ thì

sự va chạm giữa các xơ sợi với dao nghiền tăng lên, khi đó sẽ tăng sự cắt ngắn xơ sợi Khi nghiền ở nồng độ cao thì sự chà sát giữa các xơ sợi nhiều hơn nên sự cắt ngắn ít hơn Xơ sợi trong quá trình nghiền không chuyển động độc lập với nhau mà theo từng đám Các đám sợi này liên tục bị phá vỡ trong suốt quá trình nghiền dưới tác dụng của thủy lực và lực cắt khi đi qua các khe nghiền dưới một áp lực nghiền nhất định Do kích thước của các khe trên đĩa nghiền nhỏ nên hầu hết xơ sợi đều đi qua vùng tiếp xúc giữa các dao nghiền, chỉ một phần nhỏ xơ sợi đi vào các khe trên đĩa nghiền nên ít chịu tác dụng hơn Tuy nhiên, cũng vì vậy mà trong quá trình nghiền có xơ sợi ít bị cắt ngắn, có sợi lại bị cắt ngắn nhiều Trong đa số các trường hợp sự cắt ngắn xơ sợi sẽ

làm giảm tính chất cơ lý của giấy vì giảm số lượng liên kết trên xơ sợi (Cao Thị

Nhung, 2003)

2.2.6.5 Sự cán dẹp xơ sợi (fiber delamination)

Khi xơ sợi bị ép mạnh giữa hai bề mặt dao nghiền thì nó sẽ bị ép dẹp đi, đặc biệt đối với các xơ sợi có thành tế bào dày như gỗ mềm cuối mùa (later wood) thì sự cán dẹp xơ sợi là rất cần thiết Xơ sợi được cán dẹp sẽ tăng khả năng liên kết, tăng tính chất

cơ lý của giấy tạo thành (Cao Thị Nhung, 2003)

2.2.7 Ảnh hưởng của quá trình nghiền lên tính chất của xơ sợi

Quá trình nghiền có một vai trò rất quan trọng đối với bột giấy, đặc biệt là đối với bột có xơ sợi dài như bột hoá học, nó cải thiện tính chất của sợi nhằm đạt được những tính năng phù hợp cho quá trình hình thành liên kết trong tờ giấy Xơ sợi sẽ được trương nở trong môi trường nước và liên kết giữa các xơ sợi sẽ được tăng lên

Quá trình nghiền gây ảnh hưởng lên xơ sợi bằng nhiều cách, những ảnh hưởng cần quan tâm là :

- Sự cắt ngắn xơ sợi

- Sự tạo ra thành phần mịn, sự tách hoàn toàn của các lớp tường tế bào sợi làm

xuất hiện những sợi con trong huyền phù bột

- Sự chổi hóa ngoại vi – sự tách không hoàn toàn lớp tuờng tế bào sợi, một phần

vẫn còn bị gắn vào sợi và đây đựoc xem là xơ sợi nhánh

- Thay đổi nội vi trong cấu trúc tường tế bào như sựu bóc lớp, sự chổi hóa nội vi

hay sự truơng

- Sự uốn quăn hay sự duỗi sợi

- Sự tạo nút xoắn, những chỗ nén cục bộ trong lớp tường tế bào

- Sự hòa tan hay sự lọc của một số thành phần trong dung dịch

- Sự phân bố lại thành phần Hêmixenlulô từ bên trong ra bên ngoài sợi

- Sự mài mòn bề mặt ở mức độ phân tử để tạo ra bề mặt nhớt hơn

- Do những ảnh hưởng trên mà xơ sợi sau khi nghiền được dát phẳng hơn, làm

cho nó đàn hồi hơn và diện tích bề mặt được gia tăng

Bột trong quá trình làm giấy thường được nghiền theo hai xu hướng: đối với bột

có nhiều xơ sợi dài, dễ bị kết bông khi tạo giấy, khi đó bột cần được nghiền theo hướng cắt ngắn xơ sợi, bột được nghiền như vậy gọi là “bột nghiền rời” Đối với bột có xơ sợi ngắn hoặc các loại giấy cần độ bền cơ lý cao, đòi hỏi xơ sợi dài thì bột cần được nghiền theo hướng chổi hóa xơ sợi, quá trình cắt ngắn ít xãy ra, bột được nghiền như vậy gọi

là “bột nghiền nhuyễn”

2.2.8 Ảnh hưởng của quá trình nghiền lên tính chất tờ giấy

2.2.8.1 Đối với tính chất cơ học của tờ giấy

Có thể nói quá trình nghiền là một quá trình làm biến đổi toàn diện tính chất của

- Độ chịu kéo lúc đầu tăng do lực liên kết giữa các xơ sợi tăng rồi đạt giá trị cực

đại khi khi độ nghiền đạt giá trị khoảng 60 – 70oSR, sau đó nếu tiếp tục nghiền thì độ chịu kéo sẽ giảm do chiều dài xơ sợi lúc này bị cắt ngắn, ảnh hưởng xấu đến độ bền kéo của giấy

- Độ chịu xé và độ chịu gấp lúc đầu tăng, đạt giá trị cực đại rất sớm khi độ nghiền

khoảng 30 – 40 oSR (trong đó độ chịu xé đạt giá trị cực đại sớm hơn), sau đó độ chịu xé và độ chịu gấp giảm nhanh, lý do là khi độ nghiền trên 30oSR thì xơ sợi

đã bị cắt ngắn mà độ chịu xé và độ chịu gấp chịu ảnh hưởng rất lớn bởi chiều dài xơ sợi

Các tính chất cơ học của tờ giấy như độ kháng đứt, độ kháng gấp tăng lên khi tăng năng lượng nghiền tăng Tuy nhiên, sự tăng này diễn ra đến một mức nào đó vì khi năng lượng nghiền tăng sẽ gây cắt ngắn xơ sợi làm cho các liên kết sợi trong tờ

giấy bị yếu đi, tính kháng đứt và kháng gấp sẽ giảm theo do chúng bị ảnh hưởng bởi

chiều dài sợi

Các tính chất như tính kháng bục, sức căng bề mặt, liên kết xơ sợi bên trong tờ

giấy hay khả năng chống thấm nước đều tăng lên theo quá trình nghiền bột Các tính

chất này chịu ảnh hưởng bởi khả năng liên kết của xơ sợi nên khi chúng được nghiền

sợi sẽ phát triển khả năng liên kết với nhau từ đó cải thiện được tính chất cơ lý của giấy

thành phẩm

Bảng 2.1: Minh họa sự chổi hóa xơ sợi trong quá trình nghiền bột gỗ cứng nấu

theo phương pháp kraft

(Nguồn: Jorma Lumiainen, 1998)

Cụ thể là khi độ nghiền tăng thì:

- Chiều dài của xơ sợi giảm suốt quá trình nghiền vì xơ sợi liên tục bị cắt ngắn

- Độ kháng đứt của giấy tăng theo quá trình nghiền bột Ban đầu mức độ tăng

nhanh sau đó tăng chậm dần và đến một giá trị nào đó của độ nghiền thì độ

kháng đứt giảm do lúc này xơ sợi đã bị cắt ngắn đi nhiều

- Độ chịu xé và độ chịu gấp của giấy lúc đầu tăng nhanh sau đó giảm dần vì xơ

sợi đã bị cắt ngắn mà độ chịu gấp và độ chịu xé chịu ảnh hưởng rất lớn bởi chiều

dài của xơ sợi

- Độ xốp của giấy giảm khi tăng mức độ nghiền nên khả năng thấm hút và khả

năng thấu khí của giấy cũng giảm đi vì khi tăng mức độ nghiền làm tăng sự liên kết của các xơ sợi làm tờ giấy trở nên chặt hơn

- Độ biến dạng của giấy tăng suốt quá trình nghiền do liên kết của các xơ sợi tăng

- Khối lượng riêng của giấy giảm khi tăng mức độ nghiền

2.2.8.2 Đối với tính chất quang học của tờ giấy

Các tính chất quang học của giấy sẽ bị biến đổi khi thay đổi mức độ nghiền Giấy trở nên đồng nhất hơn khi tăng độ nghiền bột do đó tờ giấy có khả năng thấu quang cao hơn (Cao Thị Nhung, 2004; Nguyễn Thị Ngọc Bích, 2003)

2.2.9 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình nghiền

Quá trình nghiền sẽ cho kết quả và hiệu suất nghiền khác nhau khi chúng được nghiền trong môi trường khác nhau, với những loại bột khác nhau và thiết bị nghiền khác nhau

2.2.9.1 Vật liệu xơ sợi trước khi nghiền

Mỗi loại xơ sợi làm từ các loại gỗ khác nhau có cấu trúc, thành phần hóa học và mức độ polyme hóa khác nhau do đó khả năng chịu tác động của máy nghiền khác nhau

Các loại bột có hàm lượng lignin càng cao thì càng khó nghiền vì lignin không ưa nước sẽ làm cho xơ sợi khó trương nở Còn khi bột chứa nhiều hemixenlulo thì xơ sợi

sẽ dễ trương nở và dễ nghiền hơn làm cho xơ sợi được chổi hóa tốt hơn Thường thì bột soda là loại dễ nghiền nhất, loại bột sunfat thì khó nghiền hơn bột sunfit (Cao Thị Nhung, 2004; Nguyễn Thị Ngọc Bích, 2003)

Xơ sợi từ gỗ lá rộng sẽ dễ nghiền hơn gỗ lá kim

Bột đã quá tẩy trắng sẽ dễ nghiền hơn vì: Lignin trong gỗ là thành phần không hút nước nên sẽ cản trở quá trình trương nở của xơ sợi, sau khi bột đã được tẩy thì lignin sẽ

bị loại bỏ do đó sẽ tăng khả năng hút nước của bột (Cao Thị Nhung, 2004)

Do đó phải tìm hiểu rõ cấu tạo và tính chất của từng loại nguyên liệu để đạt được hiệu quả nghiền cao nhất, phù hợp với yêu cầu đặt ra

2.2.9.2 Các thao tác xử lý trước nghiền

Các thao tác xử lý trước nghiền như ngâm bột, đánh tơi bột, … có ảnh hưởng rất lớn tới quá trình nghiền bột vì nó ảnh hưởng tới sự trương nở của bột (Cao Thị Nhung, 2004)

Kết quả của quá trình nghiền phụ thuộc nhiều vào sự trương nở của xơ sợi Bột trương nở tốt sẽ tạo thuận lợi cho quá trình nghiền, xơ sợi sẽ dễ chổi hóa nên tạo được

tờ giấy có độ bền cao Mức độ trương nở của của xơ sợi tăng theo thời gian ngâm bột

và chỉ tăng đến một giới hạn nhất định Để đảm bảo xơ sợi bột được trương nở tốt và quá trình nghiền đạt hiệu quả cao người ta thường ngâm bột dạng tấm trong nước ở thời gian khoảng 4 giờ trước khi nghiền Nếu tấm bột được ngâm cho trương nở tốt trước khi nghiền thì độ chịu kéo của tờ giấy có thể tăng lên khoảng 15 % so với tấm bột chưa trương nở tốt (Cao Thị Nhung, 2004)

Thông thường bột xenlulo sau khi sấy khô một lần thì giảm khả năng trương nở, mức độ giảm khoảng 21 – 38 % so với bột xenlulo chưa qua sấy khô lần nào Cho dù được ngâm rất lâu trong nước thì bột xenlulo đã qua sấy khô cũng không đạt được mức trương nở như bột xenlulo chưa qua sấy khô lần nào Như vậy, có thể kết luận rằng hiện tượng trương nở của bột xenlulo là một quá trình không thuận nghịch Nguyên nhân của sự không thuận nghịch này đó là vì xơ sợi xenlulo sau khi trương nở nếu đem sấy khô thì sẽ xảy ra hiện tượng co ngót của xơ sợi (Cao Thị Nhung, 2004)

Đồng thời việc đánh tơi bột trước khi nghiền sẽ làm các đám bột, các bó sợi phân tán thành từng xơ sợi riêng lẽ và giúp cho các xơ sợi phân tán đồng đều trong huyền phù bột do đó tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nghiền

2.2.9.3 Điều kiện vận hành

Nhiệt độ: Nhiệt độ trong môi trường nghiền tăng lên do ma sát giữa xơ sợi – xơ sợi, bột – thành ống dẫn, bột – thiết bị nghiền Nghiền bột là quá trình tỏa nhiệt nên khi

nhiệt độ môi trường tăng thì hiệu quả nghiền sẽ giảm (làm giảm khả năng chổi hóa của

xơ sợi) Do đó thời gian nghiền tăng lên và năng lượng cần thiết cũng tăng lên (Vũ Tiến Hy, 2005; Cao Thị Nhung, 2004)

Độ pH: Xenlulo hút nước mạnh và bị trương nở trong môi trường kiềm, pH tốt nhất trong khoảng 10 – 11, xơ sợi mềm thì trở lực nghiền giảm rút ngắn thời gian và giảm năng lượng nghiền (Cao Thị Nhung, 2004)

Tần số nghiền: Ảnh hưởng đến xơ sợi nhờ số lần tác động lên sợi trong một đơn

vị thời gian Đó chính là tốc độ của roto trong quá trình nghiền nghiền ở tần số cao bột

sẽ dễ bị cắt ngắn vì dao nghiền sẽ tiếp xúa với bột ít hơn Tốc độ của roto càng cao thì năng lượng nghiền càng lớn (Vũ Tiến Hy, 2005; Nguyễn Thị Ngọc Bích, 2003)

Hình 2.4: Mối liên hệ giữa tốc độ quay của rotor và năng lượng nghiền

(Nguồn: Jorma Lumiainen, 1998) Nồng độ bột: Khi tăng nồng độ bột, mật độ bột giữa các dao nghiền tăng, lực cắt

sẽ phân đều cho nhiều sợi nên giảm được sự cắt ngắn sợi, xơ sợi sẽ được phân tơ, chổi hóa mạnh hơn Tuy nhiên, nồng độ bột quá cao cũng không tốt cho quá trình nghiền vì

nó làm cho quá trình nghiền diễn ra chậm, cản trở sự tuần hoàn bột gây mất nhiều thời