Tài liệu Khảo sát trích ly lignin từ gỗ cao su (hevea brasiliensis) bằng naoh h2o2 kết hợp một số phương pháp khác

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KHẢO SÁT TRÍCH LY LIGNIN TỪ GỖ CAO SU (HEVEA BRASILIENSIS) BẰNG NAOH - H2O2 KẾT HỢP MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP KHÁC Ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Giảng viên hướng dẫn : NCS.ThS Trần Thị Tưởng An Sinh viên thực hiện MSSV: 1411100215 : Trần Quốc Minh Nguyên Lớp: 14DSH01 TP. Hồ Chí Minh, 2018 LỜI CAM ĐOAN CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐHQG TP. HỒ CHÍ MINH Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của Trần Quốc Minh Nguyên. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá, được chính tác gải thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo. Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc. Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung đồ án của mình. Trường Đại học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có). TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng 08 năm 2018 Tác giả (ký tên và ghi rõ họ tên) Trần Quốc Minh Nguyên LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin cảm ơn đến Ban Giám Hiệu Trường Đại học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh (HUTECH), Ban Chủ Nhiệm Khoa Viện Khoa Học Ứng Dụng và Bộ Môn Công Nghệ Sinh Học cùng quý Thầy Cô đã truyền đạt kiến thực cho em trong suốt quá trình học tập tại trường. Em xin kính gửi lòng biết ơn sâu sắc và lời cảm ơn chân thành đến Ths.NCS Trần Thị Tưởng An đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp tại Phòng thí nghiệm nhiên liệu sinh học và Biomass – Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh. Ngoài ra, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ba mẹ đã nuôi dạy, động viên con trong suốt thời những năm tháng còn ngồi trên ghế nhà trường và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho con trong cuộc sống, tiếp sức cho con hoàn thành tốt đồ án này. Vì chưa có nhiều kinh nghiệm và thời gian có hạn nên chắc chắn không tránh khỏi những sai sót. Kính mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý Thầy, Cô để kiến thức của em ngày càng được hoàn thiện hơn và là hành trang bổ ích cho quá trình học tập, làm việc sau này. Cuối cùng, xin kính chúc quý Thầy Cô của trường Đại học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp cao quý của mình. Đồng kính chúc quý Thầy Cô, anh chị và các bạn của phòng thí nghiệm Nhiên liệu sinh học và Biomass, Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh luôn dồi dào sức khỏe và đạt được nhiều thành công tốt đẹp trong cuộc sống. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2018 Sinh viên thực hiện Trần Quốc Minh Nguyên Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................... i DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................. iv DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................v DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. vi MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .....................................................................3 1.1 Tổng quan về lignin ...............................................................................................3 1.1.1 Cấu trúc lignocellulose .......................................................................................3 1.1.2 Tiền xử lý nguyên liệu........................................................................................8 1.1.3 Thu hồi lignin từ dịch sau xử lý ....................................................................... 11 1.1.4 Ứng dụng lignin ...............................................................................................16 1.2 Sơ lược về cây cao su (Hevea brasiliensis) .........................................................17 1.2.1 Giới thiệu về cây cao su (Hevea brasiliensis) ..................................................17 1.2.2 Tình hình sản xuất cao su trên thế giới và Việt Nam .......................................18 CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................21 2.1 Địa điểm và thời gian thực hiện ..........................................................................21 2.2 Đối tượng nghiên cứu..........................................................................................21 2.3 Nội dung nghiên cứu ...........................................................................................21 2.4 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị ...............................................................................21 2.4.1. Hóa chất ..........................................................................................................21 2.4.2 Dụng cụ ............................................................................................................21 2.4.3 Thiết bị .............................................................................................................22 i Đồ án tốt nghiệp 2.5 Phương pháp nghiên cứu.....................................................................................22 2.5.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm.....................................................................................22 2.5.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm .........................................................................23 2.5.3 Thu hồi lignin từ dịch sau tiền xử lý ................................................................26 2.6 Phương pháp phân tích và tính toán ....................................................................27 2.6.1 Phương pháp phân tích hàm lượng ẩm ............................................................27 2.6.2 Phương pháp phân tích thành phần cellulose, lignocellulose, lignin và hàm lượng tro trong nguyên liệu biomass.........................................................................28 2.6.3 Phương pháp xác định hiệu suất thu hồi lignin ................................................32 2.6.4. Phương pháp xử lý số và thống kê số liệu ......................................................33 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ...............................................................34 3.1 Kết quả phân tích thành phần xơ sợi của gỗ cao su: ...........................................34 3.2 Kết quả khảo sát quá trình tiền xử lý ..................................................................34 3.2.1 Kết quả khảo sát nồng độ sodium hydroxide (NaOH) .....................................34 3.2.2 Kết quả khảo sát tỉ lệ tác chất/nguyên liệu.......................................................36 3.2.3 Kết quả khảo sát thời gian tiền xử lý ...............................................................37 3.2.4 Kết quả khảo sát tốc độ khuấy đảo trong thời xử lý ........................................38 3.2.5 Kết quả tiền xử lý với NaOH và H2O2 riêng lẽ để đối chứng ..........................39 3.2.6 Kết quả khảo sát tiền xử lý kết hợp NaOH + H2O2 + tia UV ..........................40 3.2.7 Kết quả khảo sát tiền xử lý NaOH + H2O2 + đánh siêu âm .............................40 3.2.8 Kết quả khảo sát tiền xử lý NaOH + H2O2 + áp suất .......................................42 3.2.9 Kết quả khảo sát tiền xử NaOH + H2O2 + cao áp ............................................43 3.3 Kết quả khảo sát quá trình thu hồi lignin sau tiền xử lý .....................................44 3.3.1 Nồng độ lignin có trong dịch sau tiền xử lý .....................................................44 3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố pH, nhiệt độ, thời gian đến hiệu suất thu hồi lignin từ dịch sau tiền xử lý. ...............................................................................44 3.4 Ứng dụng thử nghiệm làm phụ gia trong sản xuất giấy ......................................47 ii Đồ án tốt nghiệp 3.5 Kết quả chụp quang phổ hồng ngoại FTIR để xác định nhóm chức của lignin mẫu gỗ cao su ............................................................................................................47 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................49 Kết luận .....................................................................................................................49 Kiến nghị ...................................................................................................................49 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................50 PHỤ LỤC ....................................................................................................................1 PHỤ LỤC A: CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ................................................1 PHỤ LỤC B: SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM ......................................................................3 iii Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT AIL: Acid Insoluble Lignin AIR: Acid Insoluble Residue ANRPC: Association of Natural Rubber Producing Countries ANOVA: Analysis of variance ASL: Acid Soluble Lignin CT: Công thức DMSO: Dimethyl sulfoxit DNS: Acid Dinitrosalicilic DP: Degree of Polymerizaion FTIR: Fourier Transform Infrared Radiation GDP: Gross Domestic Product NREL: National Renewable Energy Laboratory ODW: Oven Dry Weight SEM: Scanning Electron Microscope UV: Ultra Violet VRA: Vietnam Rubber Association – Hiệp hội Cao su Việt Nam iv Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Thành phần của vài loại lignocellulose…………………………………….4 Bảng 1.2 Số lượng các nhóm chức của lignin trên 100 đơn vị phenylpropane………11 Bảng 1.3 Tổng hợp các phương pháp tách chiết lignin……………………………..13 Bảng 1.4 Tình hình sản xuất, xuất nhập khẩu cao su của Việt Nam (2014 – 2016)…21 Bảng 3.1 Phần trăm (%) thành phần xơ sợi trong gỗ cao su…………………………35 v Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc lignocellulose…………………………………………………….3 Hình 1.2. Các hợp chất cơ bản để xây dựng cấu trúc lignin…………………………4 Hình 1.3. Mô hình cấu trúc của lignin………………………………………………..5 Hình 1.4. Công thức hóa học của cellulose…………………………………………...7 Hình 1.5. Một số cơ chế phản ứng oxy hóa lignin…..………………………………10 Hình 1.6 Liên kết chính (β-O-4) trong cấu trúc lignin………………………………11 Hình 1.7. Sơ đồ quy trình chung trích ly lignin……………………………………..15 Hình 1.8. Một số ứng dụng từ lignin………………………………………………..16 Hình 1.9. Cây cao su Hevea brasiliensis...………………………………………….18 Hình 2.1. Sơ đồ quy trình nghiên cứu……………………………………………….23 Hình 2.2. Sơ đồ phương pháp phân tích sơ sợi……………………………………..29 Hình 3.1. Thành phần xơ sợi của gỗ cao su…………………………………………34 Hình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến hiệu suất tách lignin…………………35 Hình 3.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ tác chất/nguyên liệu đến hiệu suất tách lignin………36 Hình 3.4. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất tách lignin……………………….37 Hình 3.5. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đảo đến hiệu suất tách lignin………………38 Hình 3.6. Ảnh hưởng của nồng độ tác chất tiền xử lý đến hiệu suất tách lignin……39 Hình 3.7. Ảnh hưởng của tác nhân đánh siêu âm đến hiệu suất tách lignin lần lượt ở 50oC, 60oC, 70oC, 80oC trong 10 phút, 20 phút và 30 phút…………………………41 Hình 3.8. Ảnh hưởng của tác nhân áp suất, nhiệt độ đến hiệu suất tách lignin ở 121oC và 130oC…………………………………………………………………………….42 Hình 3.9. Ảnh hưởng của pH môi trường đến khả năng kết tủa lignin……………..44 Hình 3.10. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất thu hồi lignin…………………………44 Hình 3.11. Lignin thu được ở pH 3 trong khoảng thời gian khác nhau…………….45 Hình 3.12. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất thu hồi lignin………………….45 Hình 3.13. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi lignin……………………46 Hình 3.14. Kết quả chụp SEM cấu trúc bề mặt mẫu lignin…………………………46 Hình 3.15. Ứng dụng thử nghiệm làm giấy…………………………………………47 vi Đồ án tốt nghiệp Hình 3.16. Phổ FTIR của lignin……………………………………………….48 vii Đồ án tốt nghiệp MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Hiện nay, các nhà khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm về vấn đề sử dụng vật liệu thiên nhiên thay thế vật liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ. Trong đó, lignin từ phế phụ phẩm đang được quan tâm nhiều bởi vì nó là nguồn sinh khối tái tạo [23]. Việt Nam là một trong những nước sản xuất cao su với sản lượng nhiều nhất trên thế giới. Các sản phẩm từ cao su được cung cấp ngày càng nhiều hơn đã kéo theo sự gia tăng của các phế phụ phẩm, nhưng chưa có cách giải quyết hợp lý để sử dụng nguồn sinh khối hữu cơ một cách có hiệu quả, trong đó phải kể đến cây cao su. Sản lượng cao su của nước ta vào năm 2017 đạt 1.086.700 tấn trên diện tích 971.600 ha (Tạp chí cao su) dẫn đến thải ra một lượng lớn phế phụ phẩm cụ thể là cây cao su đã hết khả năng cho nhựa, mũ. Nếu không xử lý hiệu quả những cây này sẽ gây ảnh hưởng đến môi trường, hệ sinh thái. Hơn nữa, đây là một sự lãng phí nguồn tài nguyên. Trong gỗ cao su chứa hơn 20% lignin, đây là hợp chất cao phân tử có nhiều tính chất đáng quý, có khả năng ứng dụng vào nhiều lĩnh vực. Lignin đã được nghiên cứu ứng dụng vào một số vật liệu như composite [6,7], chất kết dính [8], phụ gia bê tông [9], … Đến nay, công trình công bố về tách lignin từ gỗ cao su rất ít, phần lớn là những công trình công bố về phương pháp tách lignin từ rơm rạ, lúa mì và một số loại gỗ khác. Chính vì những lý do trên, dưới sự hướng dẫn của NCS.ThS Trần Thị Tưởng An tôi thực hiện đề tài: “Khảo sát trích ly lignin từ gỗ cao su (Hevea brasiliensis) bằng NaOH - H2O2 kết hợp một số phương pháp khác”. 2. Mục tiêu đề tài Khảo sát trích ly lignin từ gỗ cao su bằng NaOH kết hợp với H2O2 và một số phương pháp khác. 3. Phương pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng phương pháp tham khảo các tài liệu đã được nghiên cứu trước đó từ các bài báo khoa học đã được công bố dưới hình thức văn bản và thông tin trên mạng. Kết quả của đề tài được xử lý và thống kê số liệu bằng phần mềm ANOVA. 1 Đồ án tốt nghiệp 4. Kết quả đạt được Với mục đích khảo sát tiền xử lý mùn cưa từ gỗ cao su bằng sodium hydroxide (NaOH) kết hợp với hydrogen peroxide (H2O2) để thu hồi lignin. Kết quả nghiên cứu trong đề tài cho thấy phương pháp kết hợp NaOH và H2O2 có nhiều ưu điểm trong việc tách lignin hơn khi sử dụng riêng rẽ NaOH 2% và H2O2 1%. Với điều kiện xử lý: nồng độ H2O2 1% (w/v) trong môi trường NaOH 2% (w/v). tỉ lệ tác chất/nguyên liệu là 7/1, thời gian 2 ngày, nhiệt độ phòng (25 – 28 oC), tốc độ lắc 150 vòng/phút. Kết quả thu được: lượng lignin được tách ra trong quá trình tiền xử lý đạt 16,51%. Trong khi lượng lignin tách ra khi sử dụng riêng rẽ NaOH 2% và H2O2 1% lần lượt là 11,07%; 1,29%. Dịch sau quá trình tiền xử lý có nồng độ lignin đạt 5,06 mg/ml. Hiệu suất thu hồi lignin từ dịch đen bằng phương pháp acid hóa đạt 58,69% với điều kiện pH kết tụ bằng 3, thời gian 60 phút và nhiệt độ 70 oC. 5. Kết cấu đồ án tốt nghiệp Đồ án tốt nghiệp gồm 3 chương: • Chương 1: Tổng quan tài liệu (tổng quan về lignin, tiền xử lý nguyên liệu, các phương pháp thu hồi lignin, …) • Chương 2: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu (các phương pháp tiến hành thí nghiệm, công thức tính toán, bố trí thí nghiệm) • Chương 3: Kết quả và bàn luận (kết quả của các thí nghiệm, nhận xét) 2 Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan về lignin Lignin là một trong những thành phần của tế bào thực vật bao bọc xung quanh các sợi cellulose [5]. Thông thường hàm lượng lignin khoảng 25 – 40%. Trong các cây lá nhọn chứa 20 - 30%, trong cây lá rộng 20 – 25%, trong các cây cỏ 5 – 9%. Trong tự nhiên, lignin chủ yếu đóng vai trò chất liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose và hemicellulose, vì vậy rất khó để có thể tách lignin ra hoàn toàn [17]. 1.1.1 Cấu trúc lignocellulose Lignocellulose gồm ba thành phần chính: cellulose, hemicellulose và lignin (hình 1.1). Tỉ lệ giữa các thành phần phụ thuộc vào nguồn lignocellulose. Ngoài ra, tỉ lệ đó còn phụ thuộc vào tuổi, giai đoạn tăng trưởng, điều kiện sinh trưởng. Theo Hetti Palonen, về cơ bản trong cấu trúc phân tử của lignocellulose, cellulose tạo thành khung chính và được bao bọc bởi những chất có chức năng tạo mạng lưới như hemicelllose và chất kết dính như lignin. Cellulose, hemicellulose và lignin sắp xếp gần nhau và hình thành liên kết cộng hóa trị với nhau [4]. Hình 1.1. Cấu trúc lignocellulose (UDSA Agricultural Reasearch Service) Các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản. Các sợi này gắn lại với nhau nhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi, với chiều rộng khoảng 25nm. Các sợi này được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp bảo vệ cellulose khỏi sự tấn công của 3 Đồ án tốt nghiệp enzyme cũng như các hóa chất trong quá trình thủy phân [9]. Thành phần của vài loại lignocellulose được thể hiện ở bảng 2.1. Bảng 1.1 Thành phần của vài loại lignocellulose Nguồn Cây phong Gỗ mềm Bã mía Ngô Bông Sợi đay Rơm rạ Lignin (%) Hemicellulose (%) Cellulose (%) 16 - 24 25 - 35 43 - 47 25 - 31 25 - 29 40 - 44 20 30 40 15 25 35 1 2 95 13 14 71 15 50 30 Nguồn: Suchy and Argyropoulos, 2002; Koch,2008 1.1.1.1 Lignin Lignin là hợp chất racemic với khối lượng phân tử lớn, có đặc tính thơm và kị nước. Thông qua nghiên cứu xác định độ trùng hợp của lignin, người ta thấy có sự phân đoạn trong quá trình chiết và phân tử có chứa nhiều loại tiền chất xuất hiện lặp đi lặp lại một cách ngẫu nhiên trong đó chủ yếu là các mắt xích là dẫn xuất của phenylpropan [5]. Cấu trúc của lignin được tạo thành chủ yếu từ ba hợp chất cơ bản sau (Hình 1.2): Hình 1.2. Các hợp chất cơ bản để xây dựng cấu trúc lignin (Nguồn: Moore và cộng sự,2011) Cấu trúc của lignin đa dạng, tùy thuộc vào loại gỗ, tuổi của cây và điều kiện địa lý. Ngoài việc được phân loại theo lignin gỗ cứng, gỗ mềm và cỏ, lignin có thể được phân thành hai loại chính: guaiacyl lignin và guaiacyl-syringly lignin. 4 Đồ án tốt nghiệp Gỗ mềm chứa chủ yếu là guaiacyl lignin, gỗ cứng chủ yếu chứa syringly. Nghiên cứu chỉ ra rằng guaiacyl lignin hạn chế sự trương nở của xơ sợi và vì vậy loại nguyên liệu đó sẽ khó bị tấn công bởi enzyme hơn syringly lignin [17]. Hình 1.3. Mô hình cấu trúc của lignin (Nguồn: icfar.ca) Những nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng lignin hoàn toàn không đồng nhất trong cấu trúc. Lignin dường như bao gồm vô định hình và các vùng có cấu trúc hình thuôn hoặc hình cầu. Lignin trong tế bào thực vật bậc cao hơn không có vùng vô định hình. Các vòng phenyl trong lignin của gỗ mềm được sắp xếp trật tự trên mặt phẳng thành tế bào. Ngoài ra, cấu trúc hóa học và cấu trúc không gian của lignin đều bị ảnh hưởng bởi mạng polysaccharide. Việc mô hình hóa động học phân tử cho thấy rằng nhóm hydroxyl và nhóm methoxyl trong các oligomer tiền lignin sẽ tương tác với vi sợi cellulose cho dù bản chất của lignin là kỵ nước. 5 Đồ án tốt nghiệp Nhóm chức ảnh hưởng đến hoạt tính của lignin là nhóm phenolic hydroxyl tự do, methoxyl, benzylic hydroxyl với các rượu thẳng và nhóm carbonyl. Guaiacyl lignin chứa nhiều nhóm phenol hydroxyl hơn syringly. Lignin có liên kết hóa học với thành phần hemicellulose và ngay cả cellulose (không nhiều) độ bền hóa học của những kiên kết này phụ thuộc vào bản chất liên kết và cấu trúc hóa học của lignin và những đơn vị đường tham gia liên kết [2]. Carbon alpha trong cấu trúc hóa phenyl propane là nơi có khả năng tạo liên kết cao nhất với khối hemicellulose. Ngược lại, các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose, galactose, và acid 4-O-methylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin. Các liên kết có thể là ether, ester (liên kết với xylan qua acid 4-O-methy-D-glucuronic), hay glycocid (phản ứng giữa nhóm khử của hemicellulose và nhóm OH phenolic của lignin). Cấu trúc hóa học của lignin rất dễ bị thay đổi trong điều kiện nhiệt độ cao và pH thấp như điều kiện trong quá trình tiền xử lý bằng hơi nước. Ở nhiệt độ phản ứng cao hơn 200 oC, lignin bị kết khối thành những phần riêng biệt và tách ra khỏi cellulose. Những nghiên cứu trước đây cho thấy đối với gỗ cứng, nhóm ether β-O-4 aryl bị phá trong quá trình nổ hơi. Đồng thời, đối với gỗ mềm, quá trình nổ hơi làm bất hoạt các nhóm hoạt động của lignin ở vị trí α như nhóm hydroxyl hay ether, các nhóm này bị oxy hóa thành carbonyl hoặc tạo cation benzylic, cation này sẽ tiếp tục tạo liên kết C-C [2]. 1.1.1.2 Cellulose Cellulose là thành phần chính của vật liệu lignocellulose, công thức tổng quá là (C6H10O5)n. Cellulose là một polymer mạch thẳng của D-glucose, các D-glucose được liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4-glucoside. Cellulose là một polymer phổ biến nhất trên Trái Đất, độ trùng hợp đạt được 3.500-10.000 DP [9]. Các nhóm OH ở hai đầu mạch có tính chất hoàn toàn khác nhau, cấu trúc hemiacetal tại C1 có tính khử, trong khi đó OH tại C4 có tính chất của rượu [1]. 6 Đồ án tốt nghiệp Hình 1.4. Công thức hóa học của cellulose (Nguồn: wikipedia.org) Các mạch cellulose được liên kết với nhau nhờ liên kết hydro [19], hình thành hai vùng cấu trúc chính là kết tinh và vô định hình. Trong vùng kết tinh, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau nên khó bị tấn công bởi enzyme cũng như hóa chất. Ngược lại, trong vùng vô định hình, cellulose liên kết không chặt chẽ nên dễ bị tấn công [9]. 1.1.1.3 Hemicellulose Hemicellulose là một polymer phức tạp và phân nhánh có các thành phần chính: pentose (β-D-xylose, α-L-arabinose), hexoses (β-D-mannose), β-D-glucose, αD-galactose) và urgonic acids (α-D-glucuronic, α-D-4-O-methyl-galacturonic) và αD-galacturinic acid) [14]. Cấu tạo của hemicellulose khá phức tạp và đa dạng tùy vào nguyên liệu, tuy nhiêm có một vài điểm chung: − Mạch chính của hemicellulose được cấu tạo từ liên kết β-(1,4). − Xylose là thành phần quan trọng nhất. − Nhóm thế phổ biến nhất là nhóm acetyl – O liên kết với vị trí 2 hoặc 3. − Mạch nhánh cấu tạo các nhóm đơn giản, thông thường là disaccharide hoặc trisaccharide. Sự liên kết này của hemicellulose với các polysaccharide và với lignin là nhờ các mạch nhánh này. Cũng vì hemicellulose có mạch nhánh nên tồn tại ở dạng vô định hình vì thế dễ bị thủy phân [9]. 7 Đồ án tốt nghiệp 1.1.2 Tiền xử lý nguyên liệu 1.1.2.1 Tiền xử lý bằng kiềm Xử lý có thể dùng NaOH, Ca(OH)2 hoặc ammoniac để tách lignin và một phần hemicellulose. Tiền xử lý có thể thực hiện ở nhiệt độ thấp, thời gian dài hoặc nhiệt độ cao thời gian ngắn. Tiền xử lý bằng kiềm hiệu quả hơn trên các phụ phẩm nông nghiệp so với gỗ nguyên liệu. Vaccarino và các cộng sự đã nghiên cứu tác độn của SO2, Na2CO3 và NaOH trên cỏ và thấy rằng lượng lignin giảm nhiều nhất với dung dịch NaOH 1% ở 120oC [31]. Silverstein và cộng sự nghiên cứu hiệu quả của acid sulfuric, sodium hydroxide, hydrogen peroxide, ozon đối với thân cây bông. Họ phát hiện rằng sodium hydroxide có kết quả tách lignin cao nhất (65% với dung dịch NaOH 2% trong 90 phút ở 121oC) và cellulose bị thủy phân với enzyme 60,8% [24]. So với acid hoặc các chất phản ứng oxi hóa, kiềm là phương pháp hiệu quả nhất trong việc phá vỡ sự liên kết giữa lignin, hemicellulose và cellulose, và tránh sự phân mảnh của các polymer hemicellulose. Tiền xử lý bằng kiềm cũng được sử dụng như một phương pháp tiền xử lý trong sản xuất khí sinh học [16]. 1.1.2.2 Tiền xử lý bằng acid Xử lý lignocellulose bằng acid ở nhiệt độ cao. H2SO4 được nghiên cứu là chủ yếu, trong khi các acid khác như HCl và acid nitric cũng được nghiên cứu. Tiền xử lý acid có thể thực hiện ở nhiệt độ cao và nồng độ acid thấp hoặc nhiệt độ thấp và nồng độ acid cao. Nhiệt độ thấp, nồng độ acid cao có lợi thế rõ ràng về mặt năng lượng so với khi sử dụng acid loãng, nhiệt độ cao. Tuy nhiên, nồng độ acid cao (ví dụ như 3070%) dẫn tới ăn mòn thùng chứa và nguy hiểm. Vì vậy, quá trình này đòi hỏi các công trình xây dựng hoặc thùng chứa kim loại chịu được ăn mòn acid cao. Sun và Cheng đã tiền xử lý rơm lúa mạch để sản xuất bioethanol ở 120oC với nồng độ acid sulfuric (0,6; 0,9; 1,2 và 1,5%) thời gian 30, 60, 90 phút; Sun và Cheng thấy rằng lượng hemicellulose mất đi tăng khi tăng nồng độ acid và thời gian lưu, tuy nhiên cellulose hầu như không mất đi sau quá trình tiền xử lý [27]. 8 Đồ án tốt nghiệp 1.1.2.3 Phương pháp tiền xử lý bằng sodium hydroxide (NaOH) kết hợp hydrogen peroxide (H2O2) thực hiện trong quá trình nghiên cứu của đề tài Đề tài chọn phương pháp hóa học để tiền xử lý gỗ cao su, với việc lựa chọn những hóa chất và phương pháp xử lý sao cho rẻ nhất, tách được lignin tốt nhất là vấn đề được quan tâm hàng đầu đến phương pháp tiền xử lý được nghiên cứu trong đồ án này. Các loại hóa chất được sử dụng trong nghiên cứu là: NaOH, H2O2 đây là những hóa chất được sản xuất trên quy mô công nghiệp, giá thành rẻ, công nghệ sản xuất phổ biến. Sodium hydroxide (NaOH) là một base mạnh, đã được nhiều nhóm nghiên cứu dùng để tách lignin ra khỏi lignocellulose. Ưu điểm của tiền lý bằng sodium hydroxide (NaOH) là có thể giữ lại một lượng lớn glucan và xylan của lignocellulose trong pha rắn sau tiền xử lý, như vậy lignin còn lại ở pha lỏng sẽ được tách ra hiệu quả hơn. Hơn nữa, điều kiện tiền xử lý bằng NaOH diễn ra nhẹ nhàng, do đó ngăn ngừa sự hình thành nhiều hợp chất độc hại như furfural và hydroxymethyl furfural (HMF). Hydrogen peroxide (H2O2) được biết đến như là một chất oxy hóa mạnh và là chất tẩy trắng được sử dụng trong ngành công nghiệp giấy, nó cũng có thể tăng cường hiệu quả thủy phân đường bằng enzyme. Các gốc tự do, bao gồm superoxide và hydroxyl từ H2O2, có thể thay đổi cấu trúc hemicellulose, loại bỏ lignin. Phương pháp tiền xử lý kết hợp NaOH, H2O2 giúp cho việc tách lignin được hiệu quả cao hơn sơ với tiền xử lý bằng từng chất riêng lẻ. Đánh giá hiệu quả tiền xử lý bằng cách theo dõi các thông số: lượng lignin bị hòa tan so với lượng lignocellulose từ gỗ cao su ban đầu. Cơ chế phản ứng oxy hóa lignin bằng alkaline peroxide Phản ứng phân ly H2O2 trong môi trường kiềm [18]: Trong môi trường kiềm, H2O2 phân ly thành các anion hydroperoxide (HOO-) với pKa =11,6. H2 O2 → 9 HOO- + H+ Đồ án tốt nghiệp Các gốc hydroxyl (OH-) và superoxide (O2-) bẻ gãy liên kết β-O-4 theo một vài cơ chế được đề nghị như trong hình 1.5. Hình 1.5. Một số cơ chế phản ứng oxy hóa lignin : (a) Phản ứng mở vòng bằng gốc superoxide (O2-.) [30]; (b) Phản ứng bẻ gãy liên kết ether β-O-4 bằng gốc hydroxyl OH- [30]; (c) Phản ứng Dakin trong môi trường kiềm [21]. 10