Luận văn Thạc sĩ Sinh học: 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 trường

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:93

Thêm vào BST

Báo xấu

46
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong những năm gần đây, ứng dụng công nghệ sinh học trong việc sản xuất bột giấy được xem như là một công nghệ sản xuất sạch với mục đích tăng sản lượng và chất lượng giấy, thân thiện với môi trường. Phương pháp này đã thu hút nhiều sự quan tâm, chú ý không chỉ của các nhà nghiên cứu mà còn cả các cấp quản lý và các nhà sản xuất giấy. Luận văn sẽ tìm hiểu về vấn đề này.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Sinh học: 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 trường

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Trần Thị Hƣơng 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 LUẬN VĂN THẠC SĨ: SINH HỌC Hà Nội - 2020
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Trần Thị Hƣơng 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 Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm Mã số: 8420114 LUẬN VĂN THẠC SĨ: SINH HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC Hƣớng dẫn : Phan Thị Hồng Thảo Hà Nội - 2020
Lời cam đoan Tôi xin cam đoan 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” là kết quả nghiên cứu của mình không có sự sao chép của ngƣời khác. Đề tài là sản phẩm mà tôi đã nỗ lực nghiên cứu trong quá trình học tập tại Học viện và làm việc tại phòng Vi sinh vật đất. Số liệu và kết quả nghiên cứu thực hiện trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chƣa từng sử dụng và công bố ở bất kì công trình nào khác. Tất cả các tài liệu tham khảo sử dụng để viết bài đều có nguồn gốc rõ ràng, dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Phan Thị Hồng Thảo – Trƣởng phòng Vi sinh vật đất – Viện Công nghệ Sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ. Tôi xin cam đoan tất cả các điều trên là sự thật, nếu có vấn đề gì tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Học viên Trần Thị Hƣơng
Lời cảm ơn Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với TS. Phan Thị Hồng Thảo – Trƣởng phòng Vi sinh vật đất, Viện Công nghê Sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học đã hƣớng dẫn, định hƣớng nghiên cứu và tận tình giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu làm luận văn tốt nghiệp. Em cũng xin cám ơn các thầy, cô trong Ngành Sinh học, Học viện Khoa học và Công nghệ đã truyền đạt những kiến thức quý báu trong khoảng thời gian đào tạo tại đây. Em cũng xin gửi lời cám ơn tới toàn thể cán bộ phòng Vi sinh vật Đất, Viện Công nghệ Sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi về phƣơng tiện, hƣớng dẫn em trong suốt quá trình thực tập. Em xin cảm ơn kinh phí của đề tài: “Nghiên cứu tạo chế phẩm sinh học để phân hủy nhựa cây trong dăm mảnh gỗ keo, bạch đàn làm nguyên liệu sản xuất bột giấy thân thiện với môi trƣờng tại Việt Nam: Mã số: 05/HĐ- ĐT.05.18/CNSHCB của TS. Phan Thị Hồng Thảo. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Học viên Trần Thị Hƣơng
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ABTS : 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzthiazoline-6-sulphonic acid) Adt : Tấn khô gió CMC : Carboxymethyl Cellulose DNA : Deoxyribonucleic acid DNSA : 3,5-dinitrosalicylic acid pNBP : p -nitrophenyl butyrate RBBR : Remazol Brilliant Blue R Tris-HCl : Tris hydrochloride U : Unit VSV : Vi sinh vật
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3. 1. Các chủng vi khuẩn và xạ khuẩn phân lập ở nhiệt độ 37oC và 45oC trong các mẫu .................................................................................................. 31 Bảng 3. 2. Khả năng phân hủy stigmassterol, sinh tổng hợp cellulase và lipase của vi khuẩn, xạ khuẩn phân lập ..................................................................... 36 Bảng 3.3. Hoạt tính enzym sterol esterase, laccase và cellulase của các chủng vi khuẩn phân lập ở 37oC ................................................................................ 41 Bảng 3. 4. Hoạt tính enzym sterol esterase, laccase và cellulase của các chủng vi khuẩn phân lập ở 45oC ................................................................................ 42 Bảng 3. 5. Khả năng phân hủy nhựa của các chủng vi khuẩn, xạ khuẩn tuyển chọn ................................................................................................................. 45 Bảng 3.6. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến khả năng phát triển của chủng CVSVC1-1 ...................................................................................................... 48 Bảng 3.7. Ảnh hƣởng của pH môi trƣờng đến khả năng phát triển của CVSVC1-1 ...................................................................................................... 48 Bảng 3.8. Mức độ tƣơng đồng di truyền giữa chủng CVSVC1-1 với các loài vi khuẩn có họ hàng gần dựa vào trình tự gen16S rDNA ............................... 50 Bảng 3. 9. Khả năng sinh trƣởng và sinh tổng hợp enzym của chủng CVSVC1-1 trên một số môi trƣờng khảo sát .................................................. 51 Bảng 3.10. Ảnh hƣởng của tốc độ lắc đến sinh trƣởng và hoạt tính enzyme sterol esterase, laccase và cellulase của chủng CVSVC1-1............................ 55 Bảng 3. 11. Khả năng sinh sterol esterase, laccase và cellulase của chủng CVSVC1-1 trên dăm mảnh gỗ ở các tỷ lệ giống khác nhau ........................... 58 Bảng 3.12. Ảnh hƣởng của tỷ lệ giống đến khả năng giảm nhựa trên nguyên liệu dăm mảnh gỗ keo ..................................................................................... 59 Bảng 3.13. Hiệu suất nấu bột ở một số mẫu có lƣợng nhựa giảm tốt ............. 60 Bảng 3. 14. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến khả năng giảm nhựa của chủng CVSVC1-1 ...................................................................................................... 60 Bảng 3. 15. Ảnh hƣởng của độ ẩm đến khả năng giảm nhựa của chủng CVSCV1-1 ...................................................................................................... 61
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1. Đồ thị đƣờng chuẩn Glucose........................................................... 28 Hình 3. 1. Hình ảnh vi sinh vật phát triển trên môi trƣờng phân lập .............. 31 Hình 3.2. Khả năng sinh trƣởng của các chủng vi khuẩn và xạ khuẩn trên môi trƣờng phân lập lỏng ....................................................................................... 33 Hình 3.3. Khả năng sinh enzym lipase ngoại bào của một số chủng phân lập34 Hình 3.4. Khả năng sinh cellulase ngoại bào của một số chủng phân lập ...... 34 Hình 3.5. Dăm mảnh gỗ keo đƣợc ngâm ngập trong dịch lên men của các chủng tuyển chọn ............................................................................................ 44 Hình 3.6. Quá trình chiết nhựa ........................................................................ 45 Hình 3.7. Hình thái khuẩn lạc (A) và tế bào vi khuẩn CVSVC1-1 dƣới kính hiển vi quang học (100x) (B) và kính hiển vi điện tử ở độ phóng đại (50000X) (C) và (10000X) (D)........................................................................................ 46 Hình 3.8. Khả năng sinh bảo tử của chủng vi khuẩn CVSVC1-1 .................. 47 Hình 3.9. Khả năng phân hủy một số cơ chất của vi khuẩn CVSVC1-1........ 49 Hình 3.10. Điện di đồ DNA tổng số (A), sản phẩm PCR (B) trên gel agarose 1,0 % và cây phát sinh chủng loài của vi khuẩn CVSVC1-1 ......................... 50 Hình 3.11. Khả năng sinh trƣởng của chủng CVSVC1-1 trên các môi trƣờng khảo sát ............................................................................................................ 51 Hình 3.12. Ảnh hƣởng của nhiệt độ (A) và pH (B) đến khả năng sinh trƣởng của chủng CVSVC1-1 trên môi trƣờng MPA bổ sung 0,5g/L ....................... 53 Hình 3. 13. Ảnh hƣởng của nhiệt độ nuôi cấy đến hoạt tính enzyme sterol esterase và laccase của chủng CVSVC1-1...................................................... 53 Hình 3. 14. Ảnh hƣởng của pH nuôi cấy đến hoạt tính enzyme sterol esterase và laccase của chủng CVSVC1-1 ................................................................... 54 Hình 3.15. Nguyên liệu dăm mảnh gỗ keo đƣợc xử lý với chủng CVSVC1-1 ở các tỷ lệ giống bổ sung khác nhau .................................................................. 57 Hình 3.16. Nguyên liệu dăm mảnh gỗ keo đƣợc xử lý với chủng CVSVC1-1 sau rửa và sấy .................................................................................................. 57 Hình 3.17. Mật độ vi sinh trên mẫu có và không bổ sung chủng CVSVC1-1 ở nồng độ 105...................................................................................................... 57
MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................. 6 DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................ 7 MỤC LỤC ......................................................................................................... 8 MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ........................................................... 3 1.1. PHƢƠNG PHÁP SẢN XUẤT BỘT GIẤY ........................................... 3 1.2. NHỰA CÂY VÀ NHỮNG TÁC ĐỘNG CỦA CHÚNG ĐẾN QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT BỘT GIẤY ............................................................. 5 1.2.1. Nhựa cây ................................................................................................. 5 1.2.2. Tác động của nhựa cây đến quá trình sản xuất bột giấy ......................... 7 1.3. VI SINH VẬT PHÂN HỦY NHỰA CÂY ................................................ 9 1.3.1. Nấm phân hủy nhựa cây .......................................................................... 9 1.3.2. Vi khuẩn, xạ khuẩn phân hủy nhựa cây. ............................................... 12 1.3.3. Hệ enzym phân hủy nhựa cây. .............................................................. 14 1.3.2.1. Esterase .............................................................................................. 14 1.3.2.2. Lipase ................................................................................................. 15 1.3.2.3. Laccase ............................................................................................... 16 1.3.4. Cơ chế phân hủy lignin và các chất chiết trong gỗ ............................... 17 2.1. NGUYÊN VẬT LIỆU ............................................................................ 22 2.1.1. Đối tƣợng nghiên cứu............................................................................ 22 2.1.2. Thiết bị .................................................................................................. 22 2.1.3. Hóa chất................................................................................................. 22 2.1.4. Môi trƣờng ............................................................................................ 23 2.2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................................... 23 2.2.1. Chuẩn bị chất chiết nhựa cây ................................................................ 23 2.2.2. Phƣơng pháp sàng lọc vi sinh vật phân hủy nhựa................................. 23
2.2.3. Nghiên cứu một số đặc điểm sinh học của các chủng vi sinh vật đƣợc tuyển trọn. ............................................................................................. 24 2.2.4. Phƣơng pháp nuôi cấy vi sinh vật và thu nhận enzym.......................... 25 2.2.5. Phƣơng pháp xác định hoạt tính enzym ................................................ 26 2.2.6. Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng nhựa cây bằng chiết trong aceton .. 29 2.2.7. Phƣơng pháp nấu bột giấy sunfate ........................................................ 29 2.2.8. Phƣơng pháp xác định chỉ số Kappa (đánh giá hàm lƣợng lignin)....... 30 2.2.9. Phƣơng pháp phân tích thống kê. .......................................................... 30 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 31 3.1. TUYỂN CHỌN CÁC CHỦNG VI KHUẨN VÀ XẠ KHUẨN CÓ KHẢ NĂNG PHÂN HỦY NHỰA CÂY. ........................................................ 31 3.1.1. Phân lập và sàng lọc các chủng vi khuẩn và xạ khuẩn có khả năng phân hủy nhựa cây ......................................................................................... 31 3.1.2. Khả năng sinh tổng hợp sterol esterase, laccase và cellulase của các chủng tuyển chọn .................................................................................. 40 3.1.3. Tuyển chọn các chủng vi khuẩn, xạ khuẩn có khả năng phân hủy nhựa cây 43 3.2. NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM SINH HỌC VÀ PHÂN LOẠI CHỦNG CVSVC1-1 ............................................................................... 46 3.2.1 Nghiên cứu một số đặc điểm hình thái, sinh lý và sinh hóa của chủng vi khuẩn CVSVC1-1 ................................................................................. 46 3.2.2. Định danh chủng vi sinh vật tuyển chọn bằng phƣơng pháp phân tích trình tự vùng gen 16S rRNA ................................................................. 49 3.3. NGHIÊN CỨU MÔI TRƢỜNG VÀ ĐIỀU KIỆN SINH TỔNG HỢP STEROL ESTERASE CỦA CHỦNG CVSVC1-1 ................................ 51 3.3.1. Lựa chọn môi trƣờng thích hợp cho sinh trƣởng và sinh tổng hợp một số enzym của chủng CVSVC1-1 .......................................................... 51 3.3.2. Ảnh hƣởng cả các yếu tố nhiệt độ, pH và tốc độ lắc đến khả năng sinh trƣởng và sinh tổng hợp enzym của chủng CVSVC1-1 ....................... 52 3.4. NGHIÊN CỨU CÁC ĐIỀU KIỆN BỔ SUNG VI SINH VẬT TUYỂN CHỌN VÀO DĂM MẢNH GỖ KEO. ................................................... 56 3.4.1. Ảnh hƣởng tỷ lệ giống đến khả năng sinh trƣởng và loại nhựa............ 56
3.4.3. Ảnh hƣởng của độ ẩm đến khả năng giảm nhựa cây trong dăm mảnh gỗ ......................................................................................................... 61 4.1. Kết luận ................................................................................................... 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 63
1 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.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.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.
3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. 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. 1.2. NHỰA CÂY VÀ NHỮNG TÁC ĐỘNG CỦA CHÚNG ĐẾN QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT BỘT GIẤY 1.2.1. 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). Nhựa cây đƣợc chứa chủ yếu ở trong các kênh dẫn nhựa (resin canals), trong các túi nhựa (resin pockets), trong các tế bào nhu mô (parenchyma cells) hoặc ở một số tế bào chỉ có ở một số loại gỗ cứng nhiệt đới nhƣ các tế
6 bào dầu (oil cells) và các tế bào latex (latex cells). Nhựa trong các kênh dẫn nhựa thông thƣờng là hỗn hợp vô định hình của các terpen và terpenoit mạch vòng đƣợc hình thành từ các đơn vị isopren nhờ sự tiếp xúc của các enzyme tạo mạch vòng xyclaza. Theo một số tài liệu nghiên cứu, hàm lƣợng và thành phần hóa học của nhựa cây phụ thuộc vào loài cây, độ tuổi, yếu tố về di truyền, mùa sinh trƣởng, điều kiện phát triển (ánh sáng, độ ẩm, thành phần dinh dƣỡng của đất,…), khí hậu vùng miền. Các cây trồng ở vùng có khí hậu ấm áp có lƣợng axit béo bão hòa cao hơn. Thậm chí giữa các bộ phận khác nhau của cây cũng có sự khác biệt đáng kể. Nhựa cây thƣờng có nhiều trong tâm gỗ hơn so với ở dát gỗ, tạo nên một môi trƣờng bảo quản tự nhiên cho tâm gỗ. Trong các kênh dẫn nhựa và tế bào biểu mô chứa nhiều chất chiết có vai trò quan trọng trong quá trình bảo quản gỗ, giúp duy trì các đặc tính của gỗ. Nhựa ở gỗ mềm có chứa 90% hàm lƣợng các chất xà phòng hoá cao là các axit nhựa và axit béo. Các axit nhựa, axit béo, triglyceride, sterol và các este của chúng là các nhóm chất béo chính của nhựa gỗ vân sam và thông. Các triglyceride chiếm ƣu thế ở phần dát gỗ của cả vân sam và thông trong khi ở tâm gỗ thông chứa nhiều axit nhựa, gấp khoảng 2 lần so với phần dát gỗ. Nhựa của gỗ cứng bạch dƣơng và gỗ dƣơng có nhiều các sterol và các chất béo không xà phòng hóa hơn so với gỗ mềm mặc dù vẫn chứa nhiều triglyceride. Các sterol este và sáp cũng có trong nhựa của gỗ dƣơng, nhựa gỗ bạch dƣơng có triterpenol và các axit béo bão hòa. Thành phần nhựa có trong gỗ keo bao gồm: đối với gỗ keo trên 5 tuổi thành phần nhựa chủ yếu là 2-pentanone, 4-hydroxy-4-methyl-với hàm lƣợng lên đến trên 70%, hợp chất này giảm khi độ tuổi tăng. Tuy nhiên, xuất hiện một số hợp chất mới với hàm lƣợng tƣơng đối nhƣ 1,2-benzenedicarboxylic acid, bis(2-ethylhexyl) ester (2,5%) ở gỗ keo 6 tuổi và 1,2- benzenedicarboxylic acid, diisooctyl ester (5,95%), (2-hydroxyethyl)- triphenylphosphonium chloride (8,06%) trên gỗ keo 7 tuổi. Ngoài ra còn có các axit béo, axit nhựa (axit n – hexadecanoic, axit octadecanoic) trong thành phần nhựa cây.
7 1.2.2. Tác động của nhựa cây đến quá trình sản xuất bột giấy Trong sản xuất bột giấy, nhựa cây là thành phần không mong muốn nên cần đƣợc loại bỏ một cách triệt để. Trong quá trình nấu bột giấy sunfat, một phần axit béo, axit nhựa tự do, triglyxerit, steryl ester phản ứng với xút, đƣợc xà phòng hóa và tan vào trong dịch nấu. Tuy nhiên, nhựa đã xà phòng hóa vẫn có thể kết hợp với các thành phần nhựa không xà phòng hóa, rất dễ kết tủa tạo ra cặn nhựa trên bề mặt các bộ phận của thiết bị trong dây chuyền khi điều kiện của quá trình sản xuất (độ pH và nhiệt độ) thay đổi [6]. Hơn nữa, các hợp chất hữu cơ trong nhựa thƣờng tƣơng tác với nhau và với các hóa chất trong quá trình nấu bột và làm giấy, tạo ra cặn nhựa (pitch deposit). Cặn nhựa dính vào các lƣới lô rửa làm giảm hiệu quả rửa bột giấy, gây đóng cặn ở các thiết bị chƣng bốc dịch đen, nhất là thiết bị chƣng bốc màng rơi, làm giảm năng suất do phải dừng để rửa thiết bị và tiêu tốn thêm nhiên liệu. Nhựa cây liên kết với lignin trong dịch đen, kết thành mảng dày trên bề mặt bể, gây khó khăn cho công đoạn oxy hóa dịch đen [7,8]. Mặt khác, các chất chiết nhựa này trong bột sau nấu và rửa vẫn có thể bám trên xơ sợi, cản trở sự liên kết giữa các xơ sợi và làm giảm độ bền của giấy trong quá trình xeo vì gây đứt giấy. Trong quá trình tẩy trắng bột giấy, các chất nhựa này đƣợc tách ra và tích lũy trong nƣớc trắng, nhƣng dễ kết hợp với các hóa chất khác (nhƣ cacbonat canxi) tạo thành các hạt màu đen bám lên thành đƣờng ống, bể chứa và bề mặt của các thiết bị và có thể tạo thành mảng lớn rơi vào dòng bột. Trong quá trình sản xuất bột giấy Kraft và tẩy trắng bằng ClO2 có tới 80% axit béo của gỗ keo vẫn còn lƣu lại trong bột giấy tẩy trắng, vì vậy có khả năng tạo cặn nhựa rất cao [9]. Cặn nhựa còn lại trong bột sẽ làm giảm chất lƣợng của giấy sản phẩm nhƣ đốm đen, đứt gẫy giấy, thủng, mỏng (ở vị trí có nhựa cây) và tạo ra vùng giấy không bám mực khi in ấn [10]. Ở những nhà máy có mức độ tuần hoàn nƣớc sản xuất cao thì vấn đề này càng trở nên nghiêm trọng hơn. Nhƣ vậy, nếu không loại bỏ tối đa đƣợc nhựa cây trong các giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu và nấu bột thì sẽ làm giảm hiệu quả hoạt động của thiết bị, giảm chất lƣợng giấy và hiệu quả kinh tế. Bên cạnh đó, trong nƣớc rửa bột, 20-70% độc tính đƣợc xác định là do các
8 axit nhựa từ nguyên liệu gỗ, rất khó bị phân hủy và thƣờng tạo thành các keo tụ. Các hợp chất này và dẫn xuất của chúng, nhƣ dehydroabietin hay tetrahydroretene, đƣợc xác định là rất độc hại cho động vật thủy sinh trong các lƣu vực nhận dòng thải từ nhà máy. Trong quá trình sản xuất bột giấy, nhựa cây tiếp tục đƣợc giảm thiểu bằng hóa chất, làm tăng lƣợng hóa chất cần phải xử lý trong nƣớc tuần hoàn và nƣớc thải. Nƣớc thải từ các nhà máy giấy và bột giấy có chứa nồng độ cao lignin và các axit nhựa bị tích tụ từ quá trình xử lý hóa và cơ học của gỗ, và lắng đọng lại trong nƣớc, gây ra ô nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng. Axit nhựa (là một chất chiết xuất trong nhựa cây và có thể chiếm 0,2-0,8% tổng trọng lƣợng của gỗ) trong nƣớc thải từ các nhà máy sản xuất bột giấy hóa học là nguồn gây độc tính chính (chiếm 70% tổng số các chất gây độc) gây ảnh hƣởng đến cá và các loài động vật thủy sinh khác [11]. Hiện nay, ngành sản xuất bột giấy và giấy đang chịu áp lực nặng nề do yêu cầu giảm xả thải các hợp chất hữu cơ (axit béo, axit nhựa v.v.) có độc tính cao vào môi trƣờng. Để hạn chế sự tạo cặn nhựa trong dây chuyền sản xuất và giảm xả thải, cần phải loại bỏ đƣợc các hợp chất này trong nguyên liệu gỗ trƣớc khi sản xuất bột giấy. Thông thƣờng, nhựa cây trong nguyên liệu đƣợc loại bớt bằng cách lƣu giữ trên sân bãi từ 15 – 45 ngày trƣớc khi đƣa vào nấu. Trong quá trình bảo quản, các axit béo và rƣợu béo sẽ bị thủy phân bởi các yếu tố môi trƣờng, một số steryl este và sterol, các axit nhựa ester của rƣợu béo và axit béo cũng đƣợc loại bỏ bởi vi sinh vật tạp nhiễm. Ngoài ra, độ tuổi, mùa khai thác cũng quyết định hàm lƣợng nhựa trên nguyên liệu. Thời gian bảo quản của nguyên liệu gỗ bạch đàn có tỷ lệ giảm hàm lƣợng nhựa sau 03 tháng bảo quản cao nhất từ 56,5 % (5 tuổi) đến 72,2% (6 tuổi), nguyên liệu gỗ keo hàm lƣợng nhựa giảm sau 03 tháng bảo quản từ 55,2% (6 tuổi) và 43% (7 tuổi). Mức giảm hàm lƣợng nhựa trung bình có trong nguyên liệu giảm 10 – 20% sau 30 ngày bảo quản đối với các loại nguyên liệu, độ tuổi cây và mùa khai thác. Hàm lƣợng nhựa có xu hƣớng tăng khi độ tuổi của cây nguyên liệu tăng và mùa khai thác là một trong những yếu tố ảnh hƣởng rất quan trọng đến hàm lƣợng nhựa trong nguyên liệu. Nguyên
9 liệu gỗ keo, bạch đàn khai thác vào mùa xuân có hàm lƣợng nhựa cao hơn so với mùa hạ, mùa thu và mùa đông. Khai thác vào mùa thu và mùa đông hàm lƣợng nhựa trong nguyên liệu (bạch đàn, keo) giảm từ 10 – 30% so với nguyên liệu (bạch đàn, keo) khai thác vào mùa xuân. Hàm lƣợng nhựa trong nguyên liệu khai thác vào mùa hạ giảm từ 1 – 5% so với nguyên liệu đƣợc khai thác vào mùa xuân. Các phƣơng pháp giảm nhựa trên chủ yếu là giải pháp tạm thời vì lƣợng nhựa giảm khá ít, hàm lƣợng nhựa giảm chủ yếu là các axit béo dễ bị tác động bởi nhiệt độ, độ ẩm, các chất sterol este hầu nhƣ không bị ảnh hƣởng nhiều. Không những thế, việc giảm nhựa bằng phƣơng lƣu kho sẽ làm mất kiểm soát đối với sự phát triển và tác động của vi sinh vật gây thất thoát cellulose ảnh hƣởng đến chất lƣợng bột giấy bị giảm sút 1.3. VI SINH VẬT PHÂN HỦY NHỰA CÂY 1.3.1. Nấm phân hủy nhựa cây Nấm mốc Nấm mốc có khả năng phân hủy các chất chiết trên nhựa nhƣng sự phát triển trên gỗ kém hơn các loại nấm khác. Chúng phát triển tốt trên gỗ ƣớt hoặc gỗ lƣu trữ ở độ ẩm cao trong thời gian dài. Đối với gỗ mềm nấm mốc phát triển chủ yếu trên bề mặt, còn đối với gỗ cứng, mốc có thể xâm nhập vào mô mềm hở hoặc tế bào vỡ, rồi phát triển trong khối gỗ. Nấm mốc phát triển trên gỗ chủ yếu thuộc chi Penicillium, Trichoderma, Rhizopus và Aspergillus. Tuy nhiên, sự phát triển của nấm mốc trên gỗ làm giảm chất lƣợng nguyên liệu, do chúng phân hủy đồng thời cellulose. Nấm dát gỗ Một nhóm nấm túi nhỏ hay còn gọi là nấm dát gỗ, phát triển và xâm nhập qua các tế bào nhu mô và kênh dẫn nhựa. Chúng gây ra sự thay đổi màu sắc trên các mô nhựa do khả năng sinh sắc tố melanin trên sợi nấm [8] nhƣng chúng lại có khả năng thủy phân môt số thành phần nhựa thành các chất hòa tan trong nƣớc [12]. Do hầu hết các hợp chất lipophilic đều tích tụ và tập trung ở các tia gỗ và kênh nhựa, nên nấm dát gỗ là ứng cử viên đầu tiên cho việc sử lý nhƣa. Với khả năng xâm nhiễm nhanh trên cả nguyên liệu không vô trùng, chúng có thể hạn chế sự phát triển của vi sinh vật tạp nhiễm và kiểm
10 soát sinh học cao [8]. Các loài nấm dát gỗ, đại diện là Ophiostoma, Ceratocystis, Leptographium và Sphareopsis, sử dụng axit béo, triglycerid, carbohydrat đơn giản, và các thành phần khác của gỗ [13]. Một số ít loài nấm trong nhóm này không có khả năng sinh sắc tố melanin, còn đƣợc gọi là các chủng nấm bạch tạng, các loài này thƣờng thuộc chi Ophiostoma nhƣ Ophiostoma valdivianum, O. piliferum, Ophiostoma ainoae… có khả năng giảm nhựa tốt, không gây biến đổi màu sắc của nguyên liệu và không gây ảnh hƣởng đến các thành phần chính của gỗ nhƣ cellulose, lignin và phân hủy nhẹ hemicellulose. Hiện nay, loài O. piliferum đã đƣợc ứng dụng trong sản suất chế phẩm Cartapip 97, là sản phẩm của công ty Parrac Ltd. (New Zealand) dùng trong xử lý nguyên liệu gỗ thông. Chế phẩm Cartapip 97 có khả năng loại bỏ 60% sterol tự do trên gỗ mềm, tuy nhiên, hiệu quả trong việc loại bỏ nhựa trên gỗ cứng còn hạn chế [14,15]. Nấm đảm (basidiomycetes) Nấm đảm loài loài nấm lớn có khả năng hình thành quả thể trong điều kiện tự nhiên. Ở giai đoạn sinh dƣỡng, các loài nấm đảm phát triển thành dạng sợi bám sát bề mặt hoặc ăn sâu vào trong thân gỗ. Giai đoạn sinh sản, chúng hình thành các bào tử đảm chứa trong những thân hình dùi gọi là đảm (quả thể). Các loài nấm mục trắng (white-rot fungi), nấm mục nâu (brown-rot fungi) và nấm mục mềm (soft-rot fungi) đều thuộc ngành nấm đảm, chúng có khả năng phát triển nhanh trên gỗ. Một số loài nấm đảm có khả năng phân hủy các hợp chất nhựa, lignin. Nấm mục nâu phân hủy gỗ khá mạnh, chúng ƣu tiên phân hủy polysaccharide, phân cắt mạch cellulose do đó làm giảm mức độ trùng hợp của mạch sợi và làm suy giảm hàm lƣợng cellulose đáng kể nên chúng thƣờng không đƣợng sử dụng trong vẫn đề loại nhựa trên gỗ. Các loài nấm mục mềm thƣờng ƣu tiên phân hủy carbohydrate trong thành tế bào gỗ mềm và gỗ cứng. Nấm tấn công từ trên bề mặt gỗ, làm cho các lớp ngoài có màu đen hoặc đen xám, trơn mềm và bị nứt ngang thớ khi gỗ khô. Chúng lấy Nitơ cố định từ gỗ hoặc môi trƣờng xung quanh để sinh tổng