Sử dụng enzyme trong bóc vỏ gỗ nguyên liệu - giải pháp tiết kiệm năng lượng, nâng cao chất lượng nguyên liệu giấy

Như đã biết, vỏ cây có thể chiếm tới 25% khối lượng của cây, tùy thuộc vào loài cây, độ tuổi và điều kiện lập địa. Đường kính thân cây càng lớn, khối lượng vỏ càng nhiều. Cây càng lớn, tỉ lệ tương đối về khối lượng của vỏ so với khối lượng của cây càng thấp. Điều kiện sinh trưởng kém (đất khô cằn, khí hậu nóng hoặc quá lạnh, …), khối lượng vỏ càng lớn. 

Về cấu tạo giải phẫu, vỏ là phần tách biệt phần gỗ của cây. Đối với cây đã lớn, vỏ cây cấu tạo từ hai lớp (lớp ngoài và lớp trong), khác biệt nhau bởi cấu tạo giải phẫu và chức năng. Phân lớp ngoài cùng tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống, là lớp chu bì, bao gồm các tế bào chết của cây, bên trong là lớp các tế bào không phát triển được nữa. Phần này của vỏ có tác dụng bảo vệ cây chống lại các tác động của thời tiết, côn trùng và các tác động khác từ môi trường. Phần trong của vỏ là nơi dự trữ chất dinh dưỡng và có chức năng dẫn các chất dinh dưỡng từ lá cây xuống gốc theo thân cây. 

Là một bộ phận quan trọng của cây là thế, chỉ tự tách ra khỏi cây khi bị mục hoặc dưới các tác động cơ học khác, còn thì vỏ bám chắc lấy thân cây từ khi bắt đầu mọc tới khi khai thác hoặc khi cây tự chết, vậy nhưng vỏ lại là phần sinh khối không cần thiết, là “tạp chất” cần phải loại bỏ khi sử dụng gỗ làm nguyên liệu cho sản xuất bột giấy, chế biến thành các sản phẩm hữu ích khác, hay cả khi sử dụng gỗ cho sản xuất đồ gỗ.   

Cấu tạo của vỏ cây lá kim đơn giản hơn so với cây lá rộng. Hàm lượng tương đối của các lớp vỏ cây không những phụ thuộc vào loài cây, mà còn khác biệt nhau đối với các cây trong cùng một loài và thậm chí ở các vị trí khác nhau trong cùng một cây. Ở nước ta, gỗ làm nguyên liệu sản xuất giấy là gỗ cây lá rộng (chủ yếu là Keo và Bạch đàn), có độ tuổi 4-6 năm, đường kính thân cây tầm 1,3 m trung bình 20-30 cm. 

Khác với cây gỗ vùng ôn đới, cây nguyên liệu giấy vùng nhiệt đới thường không đồng đều về kích thước, tức có sự khác biệt khá lớn về đường kính giữa phần gốc và phần ngọn, do cây phát triển nhanh. Đồng thời cây thường cong, do mưa gió nhiều. Hiện nay, tiêu chuẩn kỹ thuật nội bộ cho phép ngành chế biến dăm mảnh nguyên liệu giấy sử dụng cả phần ngọn của cây có đường kính xấp xỉ 10 cm, thậm chí nhỏ hơn. Với những đặc điểm này, việc bóc vỏ gỗ gặp nhiều khó khăn, cả theo phương pháp thủ công, bán thủ công hay bằng các thiết bị bóc vỏ gỗ ở quy mô công nghiệp. 

Về mặt công nghệ, bóc vỏ gỗ không triệt để gây ảnh hưởng đến một loạt yếu tố của quá trình vận hành và chất lượng bột giấy, như tăng tiêu hao kiềm khi nấu bột giấy, tăng độ bụi, giảm độ bền cơ học của bột giấy và giấy, kết bám bề mặt thiết bị, lưới xeo, ... Về tổng thể, sự có mặt của vỏ cây giảm hiệu quả của quá trình sản xuất, trong nhiều trường hợp còn gây hậu quả nghiêm trọng hơn. Vì vậy, bóc vỏ triệt để là một trong những vấn đề luôn được quan tâm của quá trình kiểm soát chất lượng nguyên liệu đầu vào. 

Thực tế cho thấy, hiện nay có 03 phương pháp bóc vỏ gỗ nguyên liệu giấy đang được áp dụng: bóc vỏ thủ công tại nơi khai thác, bằng các loại dao tách; bóc vỏ bằng máy bóc vỏ có cơ cấu trục dao quay theo nguyên lý cạo dập nhiều lần, được lắp đặt tại các doanh nghiệp chế biến dăm mảnh nguyên liệu giấy; bóc vỏ bằng các thiết bị bóc vỏ kiểu thùng quay năng suất cao theo nguyên lý va đập, chà xát để bóc tách vỏ, được lắp đặt tại các nhà máy sản xuất bột giấy. Trong tất cả các trường hợp, bóc vỏ gỗ triệt để vẫn gặp nhiều khó khăn, nhất là với sản xuất yêu cầu năng suất cao. Vì vậy áp dụng các giải pháp và ứng dụng công nghệ để nâng cao hiệu quả quá trình bóc vỏ gỗ, là vấn đề thời sự của ngành công nghiệp giấy và chế biến lâm sản, nhất là trong bối cảnh gia tăng xuất khẩu dăm mảnh nguyên liệu giấy. Việc nâng cao chất lượng nguyên liệu sẽ nâng cao được giá trị và tính cạnh tranh của lĩnh vực trông rừng, sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên thiên nhiên. 

Để giải quyết vấn đề nêu trên, song song với các giải pháp đồng bộ như chọn tạo giống cây nguyên liệu, để nâng cao chất lượng gỗ nguyên liệu, ứng dụng các chế phẩm vi sinh vật và enzyme trong quá trình chế biến, cụ thể là bóc vỏ gỗ, là giải pháp kỹ thuật tân tiến và hiệu quả. Giải pháp này dựa trên những đặc điểm cấu tạo của vỏ cây: tầng phát của gỗ có hàm lượng các chất pectin và protein cao, hàm lượng lignin thấp hoặc không chứa lignin, các mô cambi bao gồm vách tế bào sơ sinh và chất nội bào, có cấu tạo không bền vững dễ bị tác động cơ học. Tầng phát sinh có thể chứa carbohydrate, như cellulose, các chất pectin, xyloglucane, arabinogalactane, hay glucoprotein. Những hợp chất này có thể dễ dàng bị phân hủy dưới tác dụng của các vi sinh vật và enzyme, nhờ đó mà vỏ cây có thể dễ dàng được bóc tách sau khi xử lý với các chế phẩm vi sinh vật hoặc enzyme. 

Trên thế giới, một loạt enzyme đã được nghiên cứu ứng dụng cho phân hủy vỏ cây các loài khác nhau, là các enzyme phân hủy pectin, hemicellulose, cellulose hay protein, như pectinase, hemicellulase, cellulase hay protease. Chúng đều có khả năng làm suy yếu liên kết giữa gỗ và vỏ cây và/hoặc phân hủy các polyme của tầng phát sinh. Hiện nay có  nhiều chế phẩm thương mại có sẵn, phù hợp cho công dụng này. Tuy nhiên để xác định được hiệu quả cần có các nghiên cứu ứng dụng thử nghiệm cụ thể đối với từng loại gỗ.

​

Từ đầu thập kỷ 1990, các nhà nghiên cứu Phần Lan là Ratto và Viikari đã nghiên cứu sử dụng enzyme cho bóc vỏ gỗ, cụ thể cho quá trình thủy phân tầng phát sinh của gỗ và libe bằng chủng nấm Aspergillus niger. Quan sát tác dụng của loại polygalacturonase này tới tiêu hao điện năng cho quá trình bóc vỏ cho thấy, đã giảm được tới 20% điện năng tiêu thụ. Theo phương pháp này, gỗ trục được ngâm trong dung dịch enzyme và enzyme đã khuếch tán chủ yếu theo tiếp tuyến giữa gỗ và vỏ cây. Ba loại enzyme nữa cũng đã được sử dụng, là pectinase thương phẩm (Pectinex Ultra SPL của hãng Novozymes) và hai chế phẩm polygalacturonase khác được phân lập tuyển chọn trong phòng thí nghiệm từ nấm Aspergillus niger, xylanase thương phẩm là Pentosanase MKC. Với mức dùng thích hợp, các enzyme pectinase, polygalacturonase hay hemicellulase đã giúp bóc vỏ triệt để hơn, đồng thời giảm tiêu hao điện năng cho bóc vỏ gỗ, như trường hợp tốt nhất đạt xấp xỉ 50% điện năng tiêu thụ khi sử dụng chế phẩm Pectinex. Trong số các loại enzyme, thì pectinase thể hiện phổ hoạt lực khá khác nhau đối với các thành phần của cambi của các loại gỗ khác nhau. Sử dụng xylanase cho phép giảm khoảng 18% tiêu thụ năng lượng cho bóc vỏ. Vì vậy, nghiên cứu ứng dụng từng loại chế phẩm enzyme hay vi sinh vật cho từng loại gỗ là cần thiết. 

Như vậy, phương pháp bóc vỏ sử dụng enzyme là một cách tiếp cận mới và hấp dẫn. Trong thời đại ngày nay, khi mà vấn đề tiết kiệm năng lượng trong sản xuất và sinh hoạt đang là vấn đề nóng bỏng và bức thiết, ưu điểm nổi bật của phương pháp này là giảm được tiêu hao điện năng, có thể giảm được tới 80% khi tiền xử lý gỗ bằng pectinase. Sử dụng enzyme cũng tiết kiệm được đáng kể tiêu hao nguyên vật liêu khác cho sản xuất bột giấy. Enzyme không chỉ có thể nâng cao năng suất bóc vỏ  hiện có, tiết kiệm được vốn đầu tư, mà còn thúc đẩy được quá trình khi gỗ khó bóc vỏ. Trong trường hợp đó, nên tiến hành bóc vỏ sơ bộ trước, sau đó xử lý bằng enzyme rồi lại tiến hành tiếp tục, như vậy phần lớn vỏ cây đã bị loại bỏ và tạo điều kiện cho enzyme thẩm thấu tốt hơn vào trong vỏ. Trong thực tế, có thể tiến hành một cách thuận lợi khi phun lên gỗ đã bóc vỏ và lặp đi lặp lại quá trình bóc vỏ bằng phương pháp cơ học truyền thống. 

Tuy vậy, có thể nhìn thấy ngay những hạn chế và triển vọng của ứng dụng enzyme hay vi sinh vật cho bóc vỏ gỗ. Về cấu tạo, vỏ cây là một dạng cơ chất khó phân hủy đối với enzyme, nhất là khi còn nguyên vẹn. Khi xử lý, enzyme rất khó thẩm thấu vào bên trong để phân hủy các thành phần của vỏ. Mặc dù hạn chế này phần nào có thể khắc phục bằng phương pháp bóc vỏ sơ bộ hay tác động cơ học khác để cải thiện quá trình, nhưng để đạt hiệu quả kinh tế lẫn kỹ thuật, đây vẫn là rào cản lớn cần được lưu ý. Vì vậy cần nghiên cứu các chế phẩm enzyme có tác dụng cùng lúc đối với nhiều thành phần của tầng phát sinh và tối ưu hóa thành phần của hỗn hợp enzyme đối với từng loại gỗ có tầng phát sinh khác nhau. 

TS. Dương Xuân Diêu - Vụ Khoa học và Công nghệ- Bộ Công Thương