Khoa học công nghệ ngành Công Thương

Thứ ba, 25/02/2020 | 03:44

Thứ ba, 25/02/2020 | 03:44

Kết quả nhiệm vụ KHCN

Cập nhật lúc 01:00 ngày 14/02/2020

Nghiên cứu công nghệ sản xuất tinh bột cation độ thế cao từ tinh bột sắn tự nhiên dùng trong sản xuất giấy

Tinh bột cation là loại tinh bột được ghép thêm các nhóm điện tích dương, thường sử dụng trong quá trình gia keo nội bộ với mục đích bảo lưu xơ sợi vụn và chất độn. Nhằm tăng cường độ bảo lưu, quá trình sản xuất tinh bột cation trên thế giới hiện nay hướng đến tăng cường độ thế của tinh bột.
Trong bài báo này, tinh bột cation độ thế cao (DS ≥ 0,03) được nghiên cứu tổng hợp, hướng đến mục tiêu có thể áp dụng sản xuất tại chỗ cho các doanh nghiệp giấy tại Việt Nam hiện nay. Quy trình biến tính tinh bột tối ưu được đưa ra bằng phương pháp thực nghiệm và tiến hành sản xuất thử nghiệm quy mô pilot công suất 54 kg/mẻ (tổng thời gian khoảng 5 giờ/mẻ). Sản phẩm của quá trình sản xuất thử nghiệm đã được sử dụng cho gia keo nội bộ trong dây chuyền sản xuất giấy; so sánh với việc sử dụng tinh bột thương phẩm có thể thấy độ bảo lưu của xơ xợi vụn và chất độn trên lưới được cải thiện đáng kể.
Từ khóa: Tinh bột cation, tinh bột biến tính, tinh bột độ thế cao, giấy và bột giấy
1. Giới thiệu chung
Trong những năm gần đây, phương thức sản xuất công nghệ cao đang phát triển và nở rộ trong ngành công nghiệp giấy. Các loại giấy mỏng và nhẹ bắt đầu sử dụng trong in ấn. Tốc độ chạy máy xeo ngày càng cao. Kèm theo đó, các chất trợ bảo lưu xơ sợi cũng được nghiên cứu cải tiến để nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm giấy.
Tinh bột cation là chất phụ gia bảo lưu xơ sợi phổ biến nhất, ở độ thế thấp, tinh bột cation đã có khả năng hấp phụ chất độn và xơ sợi vụn cuối phần ướt. Độ thế ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng bảo lưu của tinh bột cation.
Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về quy trình tổng hợp tinh bột cation đạt hiệu quả cao. Trong đó, sản xuất tinh bột cation bằng phương pháp ướt có thể tận dụng được nguồn hóa chất và trang thiết bị sẵn có, do đó phù hợp với các doanh nghiệp quy mô vừa và nhỏ ở Việt Nam.
2. Phương pháp nghiên cứu
Nguyên liệu tinh bột sử dụng cho nghiên cứu này do nhà máy sản xuất tinh bột sắn thương phẩm của Công ty Cổ phẩn Sắn Sơn Sơn cung cấp. Tinh bột được oxy hóa bởi tác nhân Quab 188 (hàm lượng chất khô 69%) có chứa nhóm amin bậc 4.
Mỗi mẻ thí nghiệm bao gồm 300g tinh bột tự nhiên (KTĐ) được thực hiện trong cốc thủy tinh 1.000 ml có trang bị cánh khuấy và đặt trong bể ổn định nhiệt độ. Tinh bột được hòa trước và khuấy liên tục trong cốc phản ứng ở nồng độ nhất định. Bổ sung kiềm (NaOH 10%) vào dung dịch Quab 188 để tiến hành hoạt hóa, dung dịch này được khuấy trộn đều, sau đó bổ sung vào cốc phản ứng.
Tiếp theo, kiềm (NaOH 10%) được cho vào cốc phản ứng với tốc độ khoảng 10 giọt/phút, tránh hiện tượng trương nở của tinh bột, bổ sung 1 lượng nhỏ muối NaCl. Tiến hành gia nhiệt lên nhiệt độ yêu cầu theo từng thí nghiệm. Kết thúc thời gian phản ứng, tinh bột được lọc, rửa, trung hòa bằng axit clohydric, làm khô, nghiền nhỏ và đo độ thế của tinh bột cation.
3. Kết quả nghiên cứu
Quá trình biến tính tinh bột chịu ảnh hưởng của nhiều tác nhân bên ngoài như mức dùng Quab 188, thời gian, nhiệt độ và pH của môi trường phản ứng. Các yếu tố này sẽ được kiểm soát và tìm ra điều kiện thích hợp nhất trong quá trình nghiên cứu và thực nghiệm.
a. Ảnh hưởng của mức dùng Quab đến độ thế tinh bột cation
Tinh bột sắn tự nhiên được biến tính bằng tác nhân Quab 188. Các điều kiện công nghệ sử dụng trong nghiên cứu như sau:
- Nồng độ tinh bột:  40%
- Mức dùng Quab 188 nghiên cứu:  4 – 8% so với tinh bột KTĐ
- Mức dùng NaOH hoạt hóa Quab 188: 21% so với Quab 188
- Mức dùng NaOH tạo môi trường:   2% so với tinh bột KTĐ
- pH môi trường:   12 – 13
- Nhiệt độ:   40oC
- Thời gian:   4 giờ
Kết quả ảnh hưởng của mức dùng Quab 188 đến độ thế của tinh bột cation được trình bày trong Hình 1.
Hình 1. Ảnh hưởng của mức dùng Quab 188 đến độ thế tinh bột cation
Mức dùng Quab được khảo sát trong khoảng từ 4% đến 8%. Kết quả cho thấy khi tăng mức dùng Quab từ 4% đến 7% thì độ thế của tinh bột tăng lên một cách nhanh chóng. Tuy nhiên, khi tiếp tục tăng mức dùng Quab lên lớn hơn 7%, các phản ứng phụ tạo glycol có thể xảy ra, độ thế của tinh bột tăng chậm lại. Do đó, lựa chọn mức dùng Quab phù hợp là 7% và mức dùng này được áp dụng cho các nghiên cứu tiếp theo.
b. Ảnh hưởng của pH đến độ thế tinh bột cation
pH của môi trường phản ứng được khảo sát trong 3 khoảng 11-12, 12-13 và 13-14, mức dùng Quab 188 là 7%. Các điều kiện công nghệ khác như tại mục 4.a. Kết quả nghiên cứu được đưa ra trong Hình 2.
Hình 2. Ảnh hưởng của pH phản ứng đến độ thế tinh bột cation
Trong quá trình phản ứng, chất cation hóa Quab 188 có hiệu quả nhất (độ thế của tinh bột cation cao nhất) ở pH = 12-13 tương đương với mức dùng NaOH 2% (so với tinh bột KTĐ). Khi nồng độ kiềm tăng đến 13-14, nồng độ kiềm cao, các phản ứng phụ sẽ xảy ra làm giảm độ thế của sản phẩm tinh bột cation. Giá trị pH được điều chỉnh bằng lượng NaOH thêm vào. Từ kết quả trên, nhóm nghiên cứu lựa chọn pH phù hợp là 12-13 để áp dụng cho các nghiên cứu tiếp theo.
c. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến độ thế tinh bột cation
Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến độ thế tinh bột cation được khảo sát trong khoảng nhiệt độ từ 40oC đến 60oC. Mức dùng Quab 188 là 7%, pH môi trường phản ứng là 12-13. Các điều kiện công nghệ khác như tại mục 4.a. Kết quả nghiên cứu được chỉ ra trong Hình 3:
Hình 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến độ thế tinh bột cation
Kết quả trên cho thấy, khi nhiệt độ tăng từ 40oC đến 50oC độ thế của tinh bột cation tăng từ 0,0275 đến 0,0343; tiếp tục tăng nhiệt độ thì độ thế của tinh bột cation giảm. Như vậy, lựa chọn nhiệt độ thích hợp cho quá trình phản ứng là 50oC và sử dụng nhiệt độ này trong các nghiên cứu tiếp theo.
d. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ thế tinh bột cation
Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ thế tinh bột cation được khảo sát trong khoảng từ 1 giờ đến 8 giờ. Mức dùng Quab 188 là 7%, pH môi trường phản ứng là 12-13, nhiệt độ phản ứng là 50oC. Các điều kiện công nghệ khác như tại mục 4.a. Kết quả nghiên cứu được chỉ ra trong Hình 4.
Hình 4. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ thế tinh bột cation
Kết quả nghiên cứu cho thấy, thời gian từ 1 giờ đến 4 giờ độ thế của tinh bột tăng nhanh và tại thời gian là 4 giờ độ thế tinh bột đạt 0,0343. Tăng thời gian từ 4 giờ đến 8 giờ độ thế tinh bột có tăng nhưng tăng chậm từ 0,0343 lên 0,0369. Trong sản xuất việc rút ngắn thời gian của mỗi quá trình sẽ làm giảm chi phí sản xuất. Vì vậy, nhóm nghiên cứu chọn thời gian biến tính tinh bột phù hợp là 4 giờ.
Với các kết quả trên, nhóm nghiên cứu đưa ra điều kiện công nghệ tổng hợp tinh bột cation biến tính bằng tác nhân amin bậc 4 (Quab 188) như sau:
- Nồng độ tinh bột:  40%
- Mức dùng Quab 188:  7% so với tinh bột KTĐ
- Mức dùng NaOH hoạt hóa Quab 188: 21% so với Quab 188
- Mức dùng NaOH tạo môi trường:    2% so với tinh bột KTĐ
- pH:   12 – 13
- Nhiệt độ:   50oC
- Thời gian:   4 giờ
4. Sản xuất thử nghiệm tinh bột cation quy mô pilot
Quá trình sản xuất thử nghiệm tinh bột cation hóa được tiến hành tại Xưởng thực nghiệm – Viện Công nghiệp Giấy và Xenluylô với quy mô công suất 54 kg tinh bột cation/mẻ. Sơ đồ quá trình sản xuất như sau:
Hình 5. Sơ đồ công nghệ sản xuất tinh bột cation hóa
Quá trình sản xuất tiến hành như sau:
Cho nước vào bể phản ứng với lượng đã tính toán, cho từ từ tinh bột sắn vào bể và đồng thời khuấy cho tinh bột phân tán đều thành dạng huyền phù với nồng độ 40%. Nâng nhiệt độ lên 50oC, đồng thời bổ sung Quab 188 (hàm lượng chất khô 69%) đã được hoạt hóa bởi NaOH 30%, sau đó bổ sung từ từ dung dịch NaOH 10% (tạo môi trường phản ứng). Giữ ở nhiệt độ 50oC và duy trì khuấy đều trong thời gian là 4 giờ. Sau thời gian phản ứng huyền phù tinh bột được trung hòa bởi dung dịch HCl 10% tới pH = 7-8. Lấy một lượng mẫu tinh bột cation để xác định các tính chất của tinh bột cation. Sau đó, bổ sung nước tới nồng độ huyền phù 10%, nâng nhiệt độ lên 70-80oC và ủ trong 5 phút rồi gia nhiệt lên 90-95oC trong thời gian 15 phút. Kết thúc quá trình hồ hóa, tháo xuống bể chứa để cấp cho gia keo nội bộ trong sản xuất giấy.
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành 6 đợt sản xuất thử nghiệm với quy mô và chất lượng sản phẩm được đưa ra trong Bảng 1.
Bảng 1. Chất lượng tinh bột cation trong các đợt sản xuất thử nghiệm
Các mẫu tinh bột thu được từ quá trình sản xuất thử nghiệm được sử dụng cho gia keo nội bộ sản xuất giấy trên máy xeo dài tại Viện Công nghiệp Giấy và Xenluylô với hai dòng sản phẩm là giấy in màu và giấy in hoa VR. Mức dùng tinh bột cation là 10kg/tấn sản phẩm giấy. Hiệu quả của tinh bột sản xuất thử nghiệm được đánh giá bằng cách so sánh với việc sử dụng tinh bột cation thương phẩm.
Kết quả đánh giá quá trình sản xuất như sau:
Bảng 2: Chỉ tiêu chất lượng giấy in màu và giấy in hoa VR, độ bảo lưu sử dụng tinh bột cation sản xuất thử nghiệm cho gia keo nội bộ
Ghi chú: Tinh bột thương phẩm có độ thế 0,027
Kết quả cho thấy tinh bột cation sản xuất thử nghiệm cho giấy có các tính chất cơ lý (chỉ số bền xé, bền kéo, độ hút nước) cao hơn, TSS nước trắng thấp hơn so với tinh bột thương phẩm. TSS nước trắng giảm chứng tỏ với cùng chế độ công nghệ và mức dùng nguyên vật liệu, hóa chất phụ gia, khi sử dụng tinh bột cation sản xuất tại phân xưởng thì sự bảo lưu xơ sợi vụn và chất độn trên lưới xeo tăng lên. Kết quả này là phù hợp bởi tinh bột sản xuất thử nghiệm có độ thế cao hơn so với tinh bột thương phẩm.
Về mặt kinh tế, chi phí ước tính để biến tính tinh bột cation được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 3: Ước tính chi phí biến tính một mẻ tinh bột cation cấp trực tiếp cho sản xuất giấy
Ghi chú: Một mẻ sản xuất được 54,2 kg tinh bột cation khô gió (90%).
Kết quả tính toán sơ bộ cho thấy giá thành khi tự biến tính tinh bột cation từ tinh bột sắn tự nhiên thấp hơn khoảng 2 triệu đồng/tấn so với tinh bột thương phẩm (giá tinh bột cation thương phẩm khoảng 15,5 triệu đồng/tấn sau thuế). Chi phí giảm một phần là do quá trình sản xuất trực tiếp tại chỗ sẽ giảm được khâu sấy khô tinh bột cation và đóng gói. Với mức dùng tinh bột cation trung bình 10 kg/tấn giấy, sử dụng tinh bột cation tự biến tính sẽ tiết kiệm khoảng 20.000 đồng/tấn sản phẩm giấy.
5. Kết luận
Như vậy, về mặt khoa học, nghiên cứu đã đưa ra được điều kiện công nghệ sản xuất tinh bột cation phù hợp như sau: Mức dùng Quab 188 là 7%, pH nằm trong khoảng 12-13, nhiệt độ 50oC và thời gian 4 giờ. Kết quả nghiên cứu đóng góp vào việc phát triển và hoàn thiện công nghệ sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm giấy Việt Nam và thế giới. Áp dụng nghiên cứu vào sản xuất thực tiễn, chi phí sản xuất trên 1 tấn sản phẩm giấy giảm, cho thấy đây là một nghiên cứu có khả năng áp dụng thực tế rất cao ở sản xuất quy mô lớn.
Tài liệu tham khảo
ThS Phạm Đức Thắng, “Nghiên cứu công nghệ sản xuất tinh bột cation độ thế cao từ tinh bột sắn tự nhiên dùng trong sản xuất giấy”, Báo cáo đề tài cấp Bộ Công Thương năm 2015.
Thông tin tác giả: KS Trần Hoài Nam, Giám đốc Trung tâm NC&PT Công nghệ - Viện Công nghiệp Giấy và Xenluylo, 59 Vũ Trọng Phụng, Phường Thanh Xuân Trung, Quận Thanh Xuân, Hà Nội, Điện thoại: 0979 278 263, Email: Hoainamtran@gmail.com
KS Trần Hoài Nam
Giám đốc Trung tâm NC&PT Công nghệ
Viện Công nghiệp Giấy và Xenluylô
(Bài đăng trên Tạp chí Công nghiệp Giấy số 2 năm 2019)
lên đầu trang