Nghiên cứu công nghệ chuyển hoá lignin từ nguồn nước thải của công nghiệp giấy thành chất kích thích sinh trưởng cây trồng

Bộ công thơng
Tổng công ty hoá chất Việt Nam
Viện hóa học công nghiệp việt nam









Báo cáo tổng kết
khoa học công nghệ năm 2009




Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ chuyển hoá lignin
từ nguồn nớc thải của công nghiệp giấy thành
chất kích thích sinh trởng cây trồng



Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Huy Phiêu

7637
01/02/2010



Hà Nội, tháng 11 năm 2009

1
mở đầu
Axit humic là một dạng axít hữu cơ chủ yếu của axit mùn (humus) có
hoạt tính sinh học cao nhờ các nhóm chức trong cấu trúc phân tử nh nhóm
cacboxyl, hydroxyl, amin, cacbonyl [1]. Axit humic đợc ứng dụng rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực: Trong công nghiệp dùng để cải thiện độ nhớt của dung
dịch khoan, dùng làm phụ gia cho bê tông, nhuộm gỗ v.v Trong nông
nghiệp dùng làm chất kích thích sinh trởng cây trồng, xử lý hạt giống, cải
thiện cấu tợng của đất. Trong lĩnh vực bảo vệ môi trờng dùng axit humic để
kết tủa kim loại nặng, phân huỷ thuốc trừ sâu. Trong lĩnh vực đời sống dùng
trị bệnh về khớp, dị ứng.
Tuy nhiên, ngời ta chỉ chiết tách đợc axit humic từ than bùn, than
nâu, trầm tích hồ với số lợng hạn chế.
Ngoài ra, khi chiết tách lấy axit humic lợng bã thải còn lại chất lợng
bị giảm, khó tìm đợc những ứng dụng hữu ích.
Xuất phát từ những luận cứ khoa học về sự biến đổi của lignin thành
axit humic trong tự nhiên [2,3,4,5] và trong công nghiệp [8,9] chúng tôi đề
xuất nghiên cứu oxy hoá lignin thành axit humic bằng tác nhân oxy hoá hoá
học nhằm rút ngắn quá trình và nâng cao hiệu suất thu hồi sản phẩm.
Nh đã biết lignin là chất thải của ngành sản xuất giấy và bột giấy, cứ
sản xuất 1

T
giấy sẽ thải ra khoảng 4m
3
nớc chứa 15 30% lignin. Hiện tại ở
nớc ta chỉ có nhà máy giấy Bãi Bằng (Phú Thọ) đầu t xây dựng bộ phận thu
hồi xút từ lignin theo phơng pháp đốt, nhà máy giấy Hoàng Văn Thụ (Thái
Nguyên) mới đầu t hệ thống xử lý nớc thải, còn phần lớn các cơ sở sản xuất
giấy khác đều cha có hệ thống xử lý nớc thải một cách hữu hiệu.
Do vậy, đề tài không những có ý nghĩa về mặt kinh tế vì sẽ sản xuất
đợc một sản phẩm mới từ nguồn nguyên liệu dồi dào mà còn góp phần giải
quyết vấn đề ô nhiễm môi trờng - một vấn đề khó giải quyết của ngành công
nghiệp giấy.

2
I. Phần tổng quan
I.1. Axit humic v các tính chất.
Axit humic là chất rắn vô định hình màu nâu hoặc đen. Axit humic là
một trong ba hợp phần của axit mùn (humus). Ngoài axit humic còn có axit
fulvic và axit hymatomelanic. Ba dạng này luôn đồng hành với nhau, trong đó
axit humic đợc quan tâm nghiên cứu nhiều hơn cả.
Axit humic có bề mặt phát triển lớn, trong phân tử cùng với phần sắp
xếp trật tự còn có những phần sắp xếp không trật tự. Phần sắp xếp trật tự có
thể là mặt lục giác của nhân thơm, còn phần không trật tự là tổ hợp của nhóm
ngoại biên liên kết với nhân thơm. Ngời ta giả thiết rằng, phân tử của axit
humic có nhiều nhánh và không đối xứng [2].
Axit humic chứa các nhóm chức cacboxyl, cacbonyl, metoxyl và
hydroxyl phenol, trong đó nhóm chức cacboxyl là chủ yếu; nhờ đó mà axit
humic có khả năng tạo chêlat với cation đa hóa trị nh Mg
2+
, Ca

2+
, Fe
2+
và hầu
hết các nguyên tố vi lợng (trace elements) có giá trị cho cây trồng [3].
Coles và Yong [4] đã xác định đợc dung lợng trao đổi ion (CEC) của
axit humic khô vào khoảng 288-436 mgđlg/100g, ở dạng hydrat đạt tới 533-
806 mgđlg/100g. Các tác giả cũng đã đánh giá đợc khả năng tơng tác với
chì và cadmi. Tác giả khác [3] lại cho rằng axit humic có tính chất rất quan
trọng là tác dụng làm sạch (detergent), nghĩa là khả năng hòa tan chất kỵ
nớc. Nguyên nhân chính là khả năng phân tán của nó qua đất và nớc. Axit
humic có tác dụng làm sạch tốt nhất đối với muối hòa tan, đặc biệt là muối
chứa ion kim loại đa hóa trị nh Mg
2+
và Sm
3+
. Các ion hóa trị I nh Na
+
cũng
có tác dụng nhng ở mức độ thấp hơn.
Stawinska và Polewski [5] cũng đã xác định đợc hoạt tính chống oxy
hóa của axit humic nhờ phơng pháp phân tích phát quang hóa học. Các tác
giả cho rằng axit humic có vai trò chống lại những ứng suất (stress) oxy hóa
gây ra bởi ozôn, N
x
O
y
, ma axit và bức xạ UV trong hệ sinh tháI đất và nớc.

3
I.2. Nghiên cứu sử dụng axit humic trong nông nghiệp.
ở Uzbekitxtan đã nghiên cứu sử dụng axit humic trong nông nghiệp từ
năm 1950 [2]. Các tác giả cho rằng axit humic có hoạt tính sinh học, thúc đẩy sự
phát triển và kết trái nên đã đợc sử dụng nh một chất hoạt tính sinh học. Khi
thay thế hoàn toàn nhóm cacboxyl bằng ion NH
4
+
sẽ đợc amôn humat chứa 2,3
mgdlg/g NH
4
+
. Phản ứng trao đổi của axit humic với cation là thuận nghịch
ArCOOMe + NH
4
+
ArCOONH
4
+ Me
+
Sử dụng chế phẩm humat làm cải thiện vi cấu trúc đất, tăng hàm lợng
phospho dễ tiêu và thúc đẩy quá trình nitrit hóa trong đất, do đó làm tăng năng
suất và chất lợng sản phẩm nông nghiệp. Ngoài khía cạnh là chất hoạt tính
sinh học, ngời ta còn thấy rằng các chế phẩm humat sử dụng riêng rẽ hay kết
hợp với phân hữu cơ còn có tác dụng làm giảm tích lũy chất độc hóa học ở
trong đất và nông sản.
ở Việt nam, từ những năm 1980 đã nghiên cứu sử dụng các dạng humat
chiết tách từ than bùn cho một số đối tợng cây trồng [6]. Các kết quả nghiên
cứu cho thấy, ngoài tác dụng tăng cờng hô hấp và quang hợp của cây, các

muối humat còn làm cho hệ rễ phát triển hút đợc nhiều chất dinh dỡng hơn.
do đó các muối humat đã đợc sử dụng để giâm cành chè, hom dâu, hom dứa,
hồ rễ mạ; phun hoặc tới cho chè và rau,
Muối amôn humat thích hợp cho cây chè, dâu, dứa và rau. Muối kali
humat sử dụng rất có hiệu quả cho mạ hoặc lúa mới cấy khi trời rét đậm. Muối
natri humat thích hợp cho cây cà chua. Nồng độ muối humat cũng đã đợc
nghiên cứu sử dụng cho từng loại cây và đất trồng (phù sa, đất kiềm và đất
chua), dao động trong khoảng 0,03-0,06%.
I.3. Các phơng pháp điều chế axit humic.
I.3.1. Nguyên liệu là than.
Nguyên liệu chính để tách chiết axit humic là than non, than nâu và than
bùn; tác nhân chiết là kiềm, còn tác nhân oxy hóa thờng là axit nitric.




4
I.3.1.1. Phơng pháp oxy hóa than bùn bằng axit nitric.
Theo patent Mỹ số 3.468.943 [7] ngời ta dùng than ít bitum có hàm
lợng cacbon là 68%, than đợc oxy hóa bằng axit nitric nồng độ 42
o
Be với
các tỷ lệ khối lợng giữa axit và than thay đổi từ 1,1 đến 0,16, nhiệt độ phản
ứng khoảng 100
o
C, đã thu đợc axit humic có hàm lợng từ 26,9-46,0%. Khi
tỷ lệ khối lợng axit và than là 1,1 thì lợng nitơ oxit bốc ra rất mãnh liệt, nếu
giảm tỷ lệ này xuống 0,16 thì lợng khí bốc ra nhẹ, nhng chỉ thu đựơc axit
humic 26,9%.
I.3.1.2. Phơng pháp chiết bằng kiềm.

Ngời ta [2] đã nghiên cứu tách chiết axit humic từ than bùn bằng các
dạng kiềm khác nhau NaOH, Na
2
CO
3
, NH
4
OH với nồng độ thay đổi từ 5-20%,
ở nhiệt độ từ 30 đến 100
o
C và thời gian chiết từ 15 đến 60 phút. Các tác giả đã
đi đến kết luận: hiệu quả chiết tách của các dung dịch kiềm xếp theo thứ tự
NaOH > Na
2
CO
3
> NH
4
OH; ở nhiệt độ 100
o
C sau 30 phút hiệu suất chiết tách
của dung dịch NaOH 5% đã đạt 97,6%. Trong khi không đun nóng hiệu suất
chỉ đạt 65,1%. Ngoài ra, hiệu suất chiết tách cũng còn phụ thuộc vào kích
thớc của than ngâm chiết. Dung dịch sau ngâm chiết là muối humat, muốn
thu đợc axit humic phải axit hóa bằng axit vô cơ.
I.3.2. Tổng hợp axit humic từ lignin.
I.3.2.1. Sự hình thành axit humic trong đất.
Có 4 giả thuyết nói về sự hình thành của axit humic khi xác động thực
vật thối rữa ở trong đất [8]. Giả thuyết cổ điển đợc phổ biến bởi Waksman
(1982) cho rằng chất humic là một đặc trng của lignin bị biến tính (giả

thuyết 1 hay còn gọi là giả thuyết lignin), nhng đa số các nhà nghiên cứu
hiện thời tán thành cơ chế liên quan đến quinol (giả thuyết 2 và 3). Ngoài ra
còn giả thuyết cho rằng, cơ chế hình thành humic là do sự ngng tụ đờng-
amin (giả thuyết 4). Bốn giả thuyết này bổ sung cho nhau và có thể vận dụng
trong tất cả các loại đất.
Giả thuyết 2 và 3 có thể dùng để giải thích sự hình thành axit humic khi
không có lignin mà chỉ có xellulô, hoặc giả thuyết 4 giải thích trờng hợp

5
không có lignin và xellulô mà chỉ có thực vật bậc thấp là rêu, tảo và địa y, các
chất tham gia phản ứng (đờng, amin) đợc sinh ra một cách dồi dào thông
qua hoạt động của vi sinh vật. Nội dung các giả thuyết nh sau.
Giả thuyết 1 cho rằng cơ chế hình thành humic là do sự biến đổi lignin
làm mất nhóm CH
3
O và hiện diện của nhóm phenolic OH và oxy hoá
chuỗi bên cuối để hình thành nhóm COOH. Theo mô hình này, tàn d thực
vật (lignin, cutin, suberin) và biôpolyme sinh vật (melamin, đại phân tử
paraffinic) là những tiền chất từ đó chất humic đợc tạo thành. Hàm lợng
nhóm axit tăng thúc đẩy khả năng tan trong kiềm và sự tiến hoá trớc tiên là
axit humic, sau đó là axit fulvic.
Giả thuyết 3 cho thấy lignin tham gia với vai trò quan trọng trong tổng
hợp chất mùn nhng theo lộ trình khác: lignin bị vi sinh vật phân giải sẽ giải
phóng ra aldehyt và axit phenolic, sau đó chuyển hoá nhờ enzym thành quinol
và cuối cùng polyme hoá thành đại phân tử tơng tự chất humic.
Giả thuyết 2 có phần tơng tự giả thuyết 3 nhng khác ở chỗ:
polyphenol đợc tổng hợp do vi sinh vật từ nguồn cacbon không phải là lignin
mà là xellulô. Sau đó polyphenol cũng bị oxy hoá bởi enzym thành quinol và
chuyển hoá tiếp thành chất humic.
Giả thuyết 4. Đờng khử và axit amin đợc hình thành nh bán thành

phẩm của sự chuyển hoá vi sinh vật. Khi bổ sung amin vào nhóm aldehyt của
đờng thành dạng n-glycosylamin thay thế. Sau đó glycosylamin chuyển sang
dạng nthay thế-amino-deoxy-2ketonse. Đó là đối tợng phân giải và hình
thành aldehyt và kenton chuỗi 3-cacbon, axeton, diaxetyl.; loại nớc và
hình thành hydroxymethyl furfural. Tất cả các phần tử này có hoạt tính cao và
sẵn sàng polyme hoá khi có mặt của hợp chất amin thành sản phẩm mầu nâu.
Cơ sở của bốn giả thuyết nói trên có thể mô tả tóm tắt theo sơ đồ (hình 1)


6










Hình 1: Sơ đồ hình thành axit humic ở trong đất

I.3.2.2. Chuyển hoá lignin nhờ enzym trong công nghiệp
Có nhiều nghiên cứu về sử dụng enzym dạng laccaza trong quá trình
khử lignin tẩy trắng bột giấy [9]. Tuy nhiên một trở ngại chính là do enzym
dạng laccaza không thể xâm nhập có hiệu quả vào trong sợi do kích thớc của
chúng lớn hơn các lỗ mao quản của xơ sợi. Nhng khi có mặt chất trung
chuyển hữu cơ với phân tử lợng thấp laccaza có thể tham gia vào quá trình
khử lignin, góp phần cải thiện độ trắng của bột giấy. Một chất trung chuyển
thích hợp đối với enzym dạng laccaza là 1-hydroxybenzotriale (HBT).

Enzym laccaza đợc sản xuất từ Trameteshirsuta trong môi trờng chất
chiết thô bằng men gluco có sử dụng HBT làm chất kích thích [9]. Liều lợng
enzym laccaza đợc sử dụng là 670nkat/g bột giấy với sự có mặt của HBT
(3% so với bột nâu sau nấu), pH = 4,5, nhiệt độ 45
0
C, thời gian 2h, dới áp lực
oxy 0,5 MPa và nồng độ bột 10%.
Kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình xử lý bột kraft gỗ thông bằng hệ
laccaza/HBT đã làm giảm đáng kể trị số kappa (38% sau giai đoạn trích ly
kiềm) của giấy và cải thiện một cách rõ nét sự khử lignin của bột giấy, hiệu
suất khử lignin đạt 93,5% so với lignin có trong bột giấy.
Lignin
(Vi sinh vật)
Xellulô
(Nấm)
Tảo
(Nấm)
Polyphenol
Quinol
Axit humic
Oxy hoá nhờ enzym
Pol
yp
henolox
y
dase
Polyme hoá

7
Lignin d của các mẫu bột giấy đã qua xử lý bằng hệ laccaza/HBT có

hàm lợng nitơ tơng đối cao (3,88% so với 0,46% trong bột kraft) và phần
lớn nitơ có trong lignin d do có nguồn gốc từ các protein của lignin.
Sự thay đổi của hàm lợng các nhóm chức dạng cacbonyl/cacboxyl của
lignin đợc phản ảnh khá rõ nét khi nghiên cứu cấu trúc của lignin d bằng
phổ hồng ngoại. Sự thay đổi này liên quan đến cấu trúc của nhân thơm trong
quá trình khử lignin. Đối với lignin d từ bột kraft thì cờng độ hấp thụ của
các nhóm cacbonyl ở số sóng 1720 cm
-1
thấp hơn so với cờng độ hấp thụ của
các dao động C-H thuộc vòng thơm ở số sóng 1510 cm
-1
.
Khi xử lý bột giấy bằng hệ laccaza/HBT thì làm lợng các nhóm
cacbonyl và cacboxyl trong lignin tăng đáng kể. Các tác giả cho rằng sự gia
tăng này chủ yếu là do hình thành các cấu trúc thuộc axit humic.
Các kết quả nghiên cứu cũng cho thấy rằng các cấu trúc dạng phenol
của lignin là những vị trí hoạt tính nhất trong quá trình khử lignin bằng hệ
laccaza/HBT. Hệ quả là sau khi xử lý, hàm lợng nhóm phenol của lignin d
giảm 42% so với bột kraft. Tuy nhiên hàm lợng các nhóm phenol liên hợp
trong lignin lại tăng, hiện tợng này đợc giải thích là do tạo thành các nhóm
cacbonyl ở vị trí C

trong cấu trúc của lignin.
Nhóm methoxyl trong lignin d cũng giảm từ 13,1% trong bột gỗ
xuống 11,7% khi xử lý bột bằng hệ laccaza/HBT. Các phản ứng khử các nhóm
methoxyl đồng thời với sự phân huỷ vòng thơm của lignin tạo ra các cấu trúc
hoạt tính dạng axit humic.
Xử lý bột kraft với laccaza kết hợp với HBT cho phép phân giải lignin,
qua đó làm giảm khối lợng phân tử của lignin d. Sự giảm phân tử lợng của
lignin diễn ra đồng thời với sự gia tăng hàm lợng các nhóm

cacbonyl/cacboxyl và giảm hàm lợng các nhóm phenol và methoxyl.
Nh vậy quá trình phân giải lignin bằng enzym trong công nghiệp cũng
thể hiện những nét tơng đồng với sự biến đổi của lignin trong tự nhiên dới
tác dụng của vi sinh vật.


8
I.3.2.3. Phơng pháp oxy hoá lignin thành axit humic.
Một phơng pháp sản xuất muối humat từ lignin, chất thải của công
nghiệp sản xuất giấy theo phơng pháp sulfit đã đợc công bố tại patent Mỹ
số 7. 198 . 805 B2 (2007) [10].
Theo đó, quá trình oxy hoá ở pha lỏng là hỗn hợp của tác nhân kiềm với
nguyên liệu thực vật chứa lignin, quá trình oxy hoá đợc thực hiện qua 2 giai
đoạn.
Giai đoạn đầu. Oxy hóa sơ cấp bằng khí chứa oxy thực hiện ở nhiệt độ
50-190
0
C và áp suất 0,5 -3 MPa đến pH=10,5 -12.
Giai đoạn 2 cũng thực hiện ở điều kiện tơng tự, nhiệt độ 170 -210
0
C,
áp suất 0,5 -3 MPa, pH=8,5-10.
Cả 2 giai đoạn oxy hoá tiến hành bởi oxy của không khí với lợng
không khí là 20-63Nm
3
/m
3
h.
ở giai đoạn oxy hoá sơ cấp ngời ta bổ sung dung dịch hydrogen peoxit
với lợng 6-8% so với lợng chất khô trong nguyên liệu chứa lignin; thời gian

oxy hoá 0,5-3h. Để tăng cờng hoạt hoá của hỗn hợp chứa lignin với kiềm
trong điều kiện sục khí ngời ta dùng bơm tuần hoàn có ejectơ để hút không
khí, nhờ vậy có thể giảm đợc thời gian oxy hoá sơ cấp.
Sau khi oxy hoá giai đoạn 2 và làm lạnh sẽ thu đợc các muối humat và
fulvat. Muốn có sản phẩm là axit humic phải dùng axit vô cơ cho tác dụng với
muối humat. Sơ đồ điều chế muối humat và axit humic từ lignin nh sau:






T = 50 190
0
C T = 170 210
0
C
P = 0,5 3MPa P = 0,5 3MPa
pH = 10,5 12 pH = 8,5 10

Hình 2: Sơ đồ oxy hoá lignin thành axit humic
Kiềm hoá
Oxy hoá
Sơ cấp
Oxy hoá
thứ cấp
Làm lạnh
Chuyển
hoá
Li

g
nin
NaOH
Không
khí
H
2
O
2
Không
khí
Axit vô
c
ơ
Humat
axit
Humic

9
Các sản phẩm thu đợc chứa 64,377,2% axit humic và 10,8 18,4%
axit fulvic.

Tuy vậy, phơng pháp này rất phức tạp, thực hiện qua nhiều công đoạn,
tiêu tốn nhiều hoá chất nh NaOH, axit vô cơ, hydrogen peoxit Quá trình
thực hiện ở nhiệt độ cao và áp suất cao nên tốn nhiều năng lợng.
I.3.3. Tổng hợp axit humic từ các nguyên liệu khác
Do có tính chất chống oxy hoá nên axit humic đã đợc tổng hợp từ
những nguyên liệu đầu tinh khiết. Đa số các mẫu humic tổng hợp từ
dihydroxybenzen và quinol, phenol hoặc do phản ứng ghép đôi của các
phenolic với axit amin và protein.

Stawinska [5] đã tổng hợp axit humic từ axit galic. Phản ứng polyme
hoá của axit galic đợc thực hiện do tự oxy hoá trong dung dịch Na
2
CO
3
ở pH
~ 8 với thời gian 37 ngày. Dung dịch phản ứng đã đợc chống nhiễm khuẩn.
Sau đó dung dịch màu đen đợc xử lý bằng HCl đến pH ~ 2 và giữ trong 2
ngày ở 8
0
C rồi sấy khô ở 70
0
C. Mẫu axit humic đã đợc phân tích nguyên tố
C, H, O và so sánh với mẫu axit humic chuẩn, phân tích phổ hấp thụ, phổ
huỳnh quang, phổ cộng hởng từ điện tử và phổ hấp thụ hồng ngoại.
ở trong nớc cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng lignin
trong dịch kiềm đen nh sản xuất keo dán cót ép, mũ cối; làm phụ gia cho xi
măng, bê tông; điều chế phân bón vi lợng trên nền polyme từ chất thải công
nghiệp giấy [ 14]; nghiên cứu sử lý nguồn phế thải của công nghiệp giấy thành
sản phẩm phục vụ nông nghiệp [15]; nghiên cứu tổng hợp chất hoạt động bề
mặt dùng trong gia công thuốc bảo vệ thực vật [ 16]; nghiên cứu điều chế chất
kích thích sinh trởng cây trồng [17].
Các đề tài nghiên cứu nói trên chủ yếu theo phơng pháp sulfo hoá
lignin thành chất hoạt động bề mặt dùng tạo nhũ trong gia công thuốc bảo vệ
thực vật, hoặc dùng muối natri sulfonat trao đổi với các cation thích hợp dùng
để làm chất kích thích sinh trởng cây trồng nh sulfonat kali, đồng, kẽm.
Tuy nhiên các đề tài nghiên cứu chỉ thu đợc kết quả bớc đầu và lợng
sử dụng mới chỉ ở quy mô hạn chế.

10

Từ những nguồn tài liệu nêu trên thấy 2 phơng pháp có thể thực hiện
chuyển hoá lignin thành axit humic là phơng pháp dùng enzym và phơng
pháp oxy hoá bằng tác nhân hoá học.
Hiện tại phơng pháp dùng enzym cha khả thi do chế phẩm enzym tái
tổ hợp phân huỷ lignoxellulô (lignin, xellulô) đang đợc nghiên cứu sản xuất
trong khuôn khổ Chơng trình Khoa học Công nghệ cấp Nhà nớc (2009
2010) mã số KC-04/06-10/5.
Phơng pháp oxy hoá lignin bằng phơng pháp hoá học là H
2
O
2
phải
thực hiện trong điều kiện khá nghiêm ngặt : nhiệt độ tới 210
0
C và áp suất đến
3MPa. Quá trình lại tiến hành theo nhiều giai đoạn, nh vậy sẽ gây phức tạp
về dây chuyền công nghệ, đặc biệt là cần những thiết bị chịu áp cao. Ngoài ra
phơng pháp này cũng tiêu hao nhiều hoá chất nh axit vô cơ, hydrogen
peoxit và tốn nhiều năng lợng để đun nóng rồi lại phải làm lạnh.
Do vậy, đề tài định hớng dùng axit nitric là tác nhân oxy hoá lignin
nh các tác giả [7] đã dùng axit nitric để oxy hoá than.
Trong khuôn khổ chơng trình khoa học công nghệ cấp nhà nớc
nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ sinh học năm 2009-2010 đề
tài nghiên cứu tạo chế phẩm enzym tái tổ hợp huỷ phân lignoxellulose phục vụ
sản xuất cồn nhiên liệu Mã số KC-04/06-10/5 đang đợc thực hiện, nhằm tạo
ra chủng giống enzym tái tổ hợp huỷ phân lignocellulose (lignin, xellulô,
xylan).

11
II. Phần thực nghiệm

II.1. Đối tợng nghiên cứu.
Đối tợng nghiên cứu là dịch kiềm đen của nhà máy giấy Hoà Bình, với
nguyên liệu là tre, nứa. Số lợng 2 mẫu, mỗi mẫu lấy 50 lít
II.2. Nội dung và phơng pháp nghiên cứu
II.2.1. Xác định thành phần và tính chất của dịch kiềm đen.
+ Đo độ pH, tỷ trọng, hàm lợng chất khô.
II.2.2. Nghiên cứu tách lignin từ dịch kiềm đen.
+ Quá trình tách lignin từ dịch kiềm đen đợc tiến hành theo 3 phơng pháp:
- Tách bằng cách axit hoá dịch kiềm đen một giai đoạn đến pH=2-4.
- Phơng pháp 2 giai đoạn, nghĩa là axit hóa đến pH=9 rồi lọc bỏ phần
nớc lọc, sau đó tiếp tục axit hóa đến pH=2 - 4.
- Dùng hỗn hợp axit vô cơ với dung môi không trộn lẫn với nớc [11].
+ Xác định hiệu suất tách lignin, tính theo tỷ số của lợng lignin thu
đợc với lợng chất khô.
+ Phân tích cấu tạo lignin bằng phơng pháp phổ hồng ngoại và sắc ký -
khối phổ.
II.2.3. Nghiên cứu oxy hoá lignin thành axit humic bằng axit nitric
- So sánh quá trình oxy hóa lignin ở dạng rắn và dạng hoà tan bằng kiềm
NaOH, hiệu suất chuyển hoá tính theo tỷ số của tổng lợng axit humic và axit
fulvic với lợng lignin ban đầu.
- Nghiên cứu ảnh hởng của các yếu tố động học đến hiệu suất chuyển hoá
+ Nhiệt độ thay đổi 30, 60 và 90
0
C
+ Nồng độ chất oxy hoá thay đổi trong giới hạn 3,5,7%
+ Thời gian oxy hoá từ 1-3h.
- Nghiên cứu oxy hoá trực tiếp dịch kiềm đen.
II.2.4. Đánh giá chất lợng sản phẩm.
+ Hàm lợng axit humic và fulvic đợc xác định tại phòng kiểm định
chất lợng phân bón, Viện Thổ nhỡng nông hóa.

12
+ Xác định hàm lợng nhóm chức bằng phân tích hoá học [12]
+ Phân tích phổ hồng ngoại trên máy Bruker D8 advance tại Viện
Hoá học Công nghiệp Việt Nam.
+ Phân tích sắc ký-khối phổ trên máy Agilent Technologies
6890N Network GC system tại Viện Hoá học Công nghiệp Việt Nam.
II.2.5. Pha chế các dạng muối humat
Hoà tan axit humic trong dung dịch kiềm NaOH, KOH hoặc NH
4
OH sẽ
đợc các muối humat tơng ứng
II.2.6. Nghiên cứu hiệu quả nông hoá của sản phẩm humat.
+ Dùng dung dịch muối amon humat nồng độ 60ppm để đánh giá tác
dụng sinh học.
+ Đối tợng là cây rau.
+ So sánh với đối chứng là phun nớc lã và phân bón lá Sông
Gianh có thành phần NPK là 10-10-5 và các muối vi lợng B, Cu, Zn, Mn
+ Cơ quan thử nghiệm:
y Trung tâm Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ chi nhánh Công
ty cổ phần Sông Gianh

13
III. Kết quả và thảo luận.
III.1. Thành phần và tính chất của dịch kiềm đen.
Kết quả xác định thành phần và tính chất của dịch kiềm đen ghi trên
bảng 1.
Bảng 1: Thành phần và tính chất của dịch kiềm đen.
STT Mẫu Hàm lợng chất khô, % pH Tỷ trọng
1 Mẫu số 1 5,41 12,4 1,056

2 Mẫu số 2 3,60 10,6 1,035

Dịch kiềm đen tuy cùng nấu từ một loại nguyên liệu, nhng các mẻ nấu
khác nhau có thành phần và tính chất vật lý khác nhau. Khi độ pH cao hơn
dịch kiềm đen có tỷ trọng lớn hơn và hàm lợng chất khô cũng lớn hơn, đó là
do ở độ pH cao lợng lignin và các hợp chất khác trong nguyên liệu hoà tan
nhiều hơn. Do vậy các thí nghiệm tiến hành tiếp theo đã dùng mẫu dịch kiềm
đen số 1 làm đối tợng nghiên cứu.
III.2. Nghiên cứu tách lignin từ dịch kiềm đen.
III.2.1 Tách lignin theo các phơng pháp khác nhau
Theo phơng pháp axit hoá một giai đoạn, từ một lít dịch kiềm đen thu
đợc 44,33 gam lignin. Tuy nhiên thời gian lọc kéo dài hơn 4h
Theo phơng pháp axit hoá hai giai đoạn, từ 1 lít dung dịch kiềm đen
thu đợc 38,02 gam lignin. Thời gian lọc chỉ có 2h.
Còn theo phơng pháp dùng hỗn hợp axit vô cơ và CH
2
Cl
2
quá trình kết
tủa lignin xẩy ra gần tức thời, dễ lọc rửa. Từ 1 lít dung dịch kiềm đen thu đợc
46,70g lignin.
Hiệu xuất thu hồi lignin (so với hàm lợng chất khô trong dịch kiềm
đen) đợc ghi trên bảng 2.

14
Bảng 2: Hiệu suất thu hồi lignin
STT Phơng pháp tách Hiệu suất tách, %
1 Phơng pháp một giai đoạn 81,9
2 Phơng pháp hai giai đoạn 70,27
3 Phơng pháp kết hợp axit và dung môi 86,33

Phơng pháp dùng hỗn hợp axit vô cơ và dung môi CH
2
Cl
2
thu đợc
lignin dễ lọc, rửa nên loại lignin này đợc dùng cho các nghiên cứu tiếp theo.
III.2.2. Xác định cấu trúc của lignin
Mẫu lignin đợc xác định cấu trúc bằng phơng pháp phổ hồng ngoại
và sắc ký-khối phổ.
Phổ hồng ngoại của mẫu lignin thu đợc (hình 4) phù hợp với số liệu đã
công bố [13]. Cụ thể, xuất hiện một pic rộng ở vùng 3200-3600 cm
-1
đặc trng
cho dao động hoá trị và biến dạng của nhóm OH. Pic riêng biệt ở 1587cm
-1
đặc
trng cho dao động hoá trị của nhóm C = C. Một Trilet ở vùng 1040 đến
1342cm
-1
đặc trng cho dao động biến dạng của các nhóm CH
2
, CH
3
, các pic ở
vùng 1415-1465cm
-1
thể hiện sự có mặt của vòng benzen hay hệ liên hợp thơm.

15

Hình 4. Phæ hång ngo¹i cña mÉu lignin.
Trªn s¾c ký ®å cña mÉu lignin xuÊt hiÖn 5 pic (h×nh 18).

Hình 5. Sắc ký đồ của mẫu lignin.

16
Tuy nhiên 3 pic (pic 1, 2, 3) không xác định đợc, chỉ có 2 pic (pic 4, 5)
xác định đợc qua dữ liệu của máy. Phổ khối lợng của 3 pic không xác định
có thể là C
6
H
5
CHO, C
4
H
8
OH và C
3
H
7
OH. Phổ khối lợng của 2 pic xác định
đợc tơng ứng với axit 4-hydroxy benzenepropanoic (pic 4) và para-
methylphenyl phenoxyaxetat (pic 5).
Nh vậy lignin là một polyme phân nhánh có cấu trúc phức tạp, đợc
tạo ra bởi sự liên kết của nhiều monome khác nhau, các liên kết này có thể bị
phá vỡ khi bị oxy hoá.
III.3. Nghiên cứu oxy hoá lignin thành axit humic.
III.3.1. So sánh hiệu quả oxy hoá lignin dạng rắn và dạng hoà tan

Mẫu lignin đã sấy khô và nghiền mịn đợc oxy hoá bằng dung dịch axit
nitric 5% với tỷ lệ rắn : lỏng là 1:10, pH ~ 2, ở nhiệt độ 90
0
C trong thời gian
2h. Sau khi lọc, rửa, sấy khô, phân tích xác định hàm lợng axit humic và axit
fulvic. Kết quả phân tích ghi trên bảng 3.
Thí nghiệm hoà tan lignin trớc. Lấy 20g mẫu lignin nêu trên đợc hoà
tan bằng dung dịch NaOH 10% rồi mới oxy hoá bằng 200ml dung dịch axit
nitric 5% với các điều kiện nh trên. Kết quả thu đợc ghi trên bảng 3.
Bảng 3: So sánh kết quả oxy hoá lignin dạng rắn và hoà tan
KHM Mẫu lignin
Axit humic,
%
Axit fulvic,
%
Tổng hàm lợng
2 axit, %
04 Dạng rắn 53,43 11,22 64,65
03 Hoà tan 73,12 8,86 81,48
(KHM : ký hiệu mẫu)
Nh vậy lignin sau khi lọc đợc hoà tan bằng kiềm NaOH rồi mới tiến
hành oxy hoá sẽ cho kết quả tốt hơn. Đó là do phản ứng oxy hoá xảy ra trong
môi trờng đồng thể sẽ triệt để hơn. Do vậy các thí nghiệm tiếp theo đều hoà
tan lignin trớc rồi mới tiến hành oxy hoá.

17
III.3.2. Nghiên cứu ảnh hởng của các yếu tố đến hiệu suất chuyển hoá.
- ảnh hởng của nhiệt độ
Kết quả nghiên cứu ảnh hởng của nhiệt độ đến hiệu suất chuyển hoá
lignin thành axit humic khi nồng độ axit nitric 5% và thời gian phản ứng 2h

đợc ghi trên bảng số 4.
Bảng 4. ảnh hởng của nhiệt độ đến hiệu suất chuyển hoá
Nhiệt độ
Chi tiêu
30
0
C
KHM 01
60
0
C
KHM 02
90
0
C
KHM 03
Hàm lợng axit humic, % 62,84 65,08 73,12
Hàm lợng axit fulvic, % 2,37 2,07 8,86
Tổng hàm lợng axit, % 65,21 67,15 81,98
Hiệu suất chuyển hoá % 55,27 56,91 69,48

Nh vậy nhiệt độ tăng làm tăng tốc độ của phản ứng oxy hoá dẫn tới
tăng mức độ chuyển hoá lignin thành axit humic. Hàm lợng axit fulvic cũng
đợc tăng lên, nh vậy một phần axit humic cũng đã chuyển thành axit fulvic.
- Nghiên cứu ảnh hởng của nồng độ chất oxy hóa đến hiệu suất
chuyển hóa.
Kết quả nghiên cứu ảnh hởng của nồng độ axit nitric đến hiệu suất
chuyển hoá lignin thành axit humic khi nhiệt độ phản ứng 90
0
C và thời gian

phản ứng 2h đợc ghi trên bảng 5.
Bảng 5. ảnh hởng của nồng độ axit nitric đến hiệu suất chuyển hoá
Nồng độ axit
Chi tiêu
3%
KHM 010
5%
KHM 03
7%
KHM 011
Hàm lợng axit humic, % 63,15 73,12 73,15
Hàm lợng axit fulvic, % 8,23 8,86 8,03
Tổng hàm lợng axit, % 71,38 81,98 81,18
Hiệu suất chuyển hoá % 60,49 69,48 68,80


18
Nh vậy khi tăng nồng độ axit nitric trong dung dịch oxy hoá từ 3-5%
làm tăng hiệu quả oxy hoá lignin thành axit humic, đồng thời làm tăng mức
độ chuyển hoá. Tuy nhiên tăng nồng độ axit đến 7% các chỉ tiêu thu đợc
không tăng là do ở nhiệt độ cao một phần axit nitric đã bị bay hơi. Điều này
cũng dễ nhận thấy khi tiến hành thí nghiệm.
Do vậy nồng độ axit nitric trong dung dịch oxy hoá chỉ nên duy trì ở
mức 5%.
- Nghiên cứu ảnh hởng của thời gian đến hiệu suất chuyển hoá.
Kết quả nghiên cứu ảnh hởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất
chuyển hoá lignin thành axit humic khi nồng đồ axit nitric 5% và nhiệt độ
phản ứng là 90
0
C đợc ghi trên bảng 6.

Bảng 6. nh hởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất chuyển hoá
Thời gian phản ứng
Chi tiêu
1h
KHM 06
2h
KHM 03
3h
KHM 012
Hàm lợng axit humic, % 68,11 73,12 72,35
Hàm lợng axit fulvic, % 7,52 8,86 10,35
Tổng hàm lợng axit, % 75,63 81,98 82,60
Hiệu suất chuyển hoá, % 64,10 69,48 70,0

Nh vậy, khi tăng thời gian phản ứng oxy hoá từ 1h đến 2h hiệu suất
chuyển hoá lignin thành axit humic và fulvic tăng khoảng 5% nhng tiếp tục
tăng thời gian phản ứng thì hiệu suất chuyển hoá tăng không đáng kể. Do vậy
thời gian phản ứng oxy hoá cần duy trì khoảng 2h.
III.3.3 Nghiên cứu oxy hoá trực tiếp dịch kiềm đen
Trên cơ sở các thông số tối u về nồng độ axit nitric (5%) nhiệt độ
(90
0
C) và thời gian phản ứng (2h) đã tiến hành loạt thí nghiệm oxy hoá trực
tiếp dịch kiềm đen, không qua giai đoạn tách lignin. Khi oxy hoá 1000ml dịch
kiềm đen chứa 5,41% chất khô thu đợc 42,07g sản phẩm (KHM 07). Kết quả
phân tích hàm lợng axit humic, axit fulvic và hiệu suất chuyển hoá lignin
thành axit humic ghi trên bảng 7.

19
Bảng 7. Hiệu suất chuyển hoá khi oxy hoá trực tiếp dịch kiềm đen

STT Mẫu
Axit
humic, %
Axit fulvic,
%
Tổng hàm
lợng axit,
%
Hiệu suất
chuyển hoá,
%, *
1 KHM 08 69,76 8,77 78,53 60,79
2 KHM 07 67,15 18,03 85,18 62,73
3 Sản phẩm theo
US 7.198. 805 B
2
64,3-77,2 10,8-18,4 - -
* Tính theo hàm lợng chất khô trong dịch kiềm đen.
Nh vậy quá trình oxy hoá lignin trực tiếp từ dịch kiềm đen ở 90
0
Cvà áp
suất thờng đạt hiệu suất 60 - 62% so với lợng chất khô có trong dịch kiềm
đen nhng tổng hàm lợng axit humic và fulvic vẫn đạt 78,5 đến 85,2% tơng
đơng với phơng pháp oxy hoá lignin bằng hỗn hợp hydrogen peoxit và
không khí ở nhiệt độ 190-210
0
C và áp suất 0,5-3MPa của nớc ngoài. Điều đó
khẳng định ý tởng khoa học và nội dung nghiên cứu đề tài đã đợc thực hiện
tơng đối tốt.
III.3.4. Xác định tính chất của sản phẩm

III.3.4.1. Phân tich phổ hồng ngoại của axit humic sản phẩm
Mẫu axit humic dùng để phân tích phổ hồng ngoại là mẫu KHM 05 (
bảng kết quả phân tích ở phần phụ lục) có hàm lợng axit humic là 80,58% và
axit fulvic 5,03%. Phổ hồng ngoại (hình 6) cho thấy giải hấp thụ rộng ở vùng
3450-3300 cm
-1
đặc trng cho nhóm hydroxyl.

20
Hỡnh 6. Ph hng ngoi ca mu axit humic sn phm.
Cấu trúc thơm đợc thể hiện bởi dao động khung của liên kết C = C ở
1602 cm
-1
và 1647 cm
-1
. Pic ở 1030 cm
-1
theo các tài liệu [1] có thể là cấu trúc
phenoxy ( CH thơm trong vòng thơm ). Dao động hoá trị bất đối xứng và đối
xứng của nhóm - CH
2
- thể hiện ở vùng 2925- 2935 và 2840 cm
-1
.
Giải đặc trng của phổ hồng ngoại của axit humic với cực đại ở 1720 -
1700 (dao động của nhóm cacbonyl C = O)và 1212 cm
-1
(dao động biến dạng
của nhóm hydroxyl ). Pic 1457 và1414 cm
-1

là phổ đặc trng của axit humic
[1]. Các pic 1559 cm
-1
và 1325 cm
-1
thể

hiện của nhóm cacboxyl
III.3.4.2. Kết quả phân tích sắc ký - khối phổ
Kt qu phõn tớch sc ký - khi ph c th hin trờn hỡnh 7.

Hỡnh 7. Sc ký ca mu axit humic sn phm.

21
Trờn sc ký xut hin hai pic, ph khi khi lng ca pic th nht l
Acetamit, cũn pic th hai l -pinen.
Nh vy cú th kt lun trong quỏ trỡnh oxy hoỏ lignin bng axit nitric
ó thu c sn phm vi cỏc nhúm chc c trng cho axit humic. Trờn sc
ký ó th hin nhúm amit liờn kt vi gc axetat, iu ny cng phự hp
vi nhng gi thuyt v cu to ca axit humic [8].
III.3.4.3. Xác định hàm l
ợng nhóm chức trong sản phẩm
Hm lng cỏc nhúm chc trong sn phm oxy húa c trỡnh by trờn
bng 8.



Bng 8: Hm lng cỏc nhúm chc trong sn phm.
Hm lng cỏc nhúm chc, mg-lg/g
Tng hm lng

axit humic v
fulvic, %
Tng nhúm chc Nhúm cacboxyl Hydroxyl phenol
56,10
64,65
65,21
67,15
78,53
81,98
85,18
85,26
85,61
9,8
13,0
-
14,0
18,5
19,7
-
-
20,9
3,8
5,6
-
6,3
8,8
9,4
-
-
10,1

6,0
7,4
-
7,7
9,7
10,3
-
-
10,8

T cỏc kt qu phõn tớch hm lng cỏc nhúm chc, phõn tớch ph
hng ngoi v sc ký-khi ph cho thy s hỡnh thnh axit humic do oxy húa
lignin bng axit nitric tng t quỏ trỡnh oxy húa lignin xy y ra trong t
nhiờn. Ngha l trong sn phm cú s xut hin nhúm OH phenolic v hỡnh

22
thành nhóm COOH. Ngoài ra amit cũng tham gia vào phân tử của của axit
humic. Số liệu từ bảng 8 cho thấy khi tổng hàm lượng axit humic và fulvic
tăng thì tổng hàm lượng các nhóm chức cũng tăng, trong đó tốc độ tăng của
nhóm COOH lớn hơn tốc độ tăng của nhóm OH.

24
III.3.6. Pha chế muối humat
Lấy 750ml dung dịch NH
4
OH 5% hoà tan hết 100g axit humic sản
phẩm nghiên cứu có tổng hàm lợng axit là 85,16%, sau đó dùng nớc cất pha
thành 1 lít đợc dung dịch amôn humat nồng độ 60g/l. Các muối humat kali
và natri cũng đợc pha chế tơng tự.

III.4. Kết quả thử nghiệm hiệu lực nông hóa với cây rau.
Dung dịch amôn humat dùng để thử nghiệm hiệu quả trên cây rau (rau
cải bắp, cải xanh và rau bí) với nồng độ 60ppm [6] đợc so sánh với đối chứng
(phun nớc lã) và so với phân bón lá của Công ty Sông Gianh. Kết quả thu
đợc ghi trên các bảng: 9, 10, 11

Bảng 9 . ảnh hởng của chế phẩm amon humat đến rau cải bắp.
Bội thu
Công thức
bón
Tỷ lệ cuộn
bắp, %
Khối lợng
bắp, kg
Năng suất
T/ha
Tấn/ha %
Đối chứng
Amôn humat
Phân bón lá
Sông Gianh
90,1
92,0

92,0
1,19
1,28

1,38
32,60

35,80

45,80
-
3,2

13,2
-
9,8

40,5


Bảng 10 . ảnh hởng của sản phẩm amôn humat đến rau cải xanh.
Bội thu
Công thức
bón
Mt
cõy/m
2

Khối lợng
cây, g
Năng suất
T/ha
Tấn/ha %
Đối chứng
Amôn humat
Phân bón lá
Sông Gianh

95
95

95
31,1
32,5

34,1
19,55
30,88

35,45
-
11,33

15,90
-
58,0

81,3