Tài liệu Nghiên cứu xử lý gỗ keo tai tượng (acacia mangium) nhằm nâng cao hiệu quả thuỷ phân bằng enzym

bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o tr­êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi ----------------------------------------- luËn v¨n th¹c sÜ khoa häc nghiªn cøu xö lý gç keo tai t­îng (Acacia angium) nh»m n©ng cao hiÖu qu¶ thñy ph©n b»ng enzym ngµnh : c«ng nghÖ ho¸ häc .04.3898 NguyÔn trung thµnh Ng­êi h­íng dÉn khoa häc : pgs.ts do·n th¸i hßa Hµ Néi 2009 1 LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới người hướng dẫn khoa học của tôi, PGS.TS Doãn Thái Hòa. Cô đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt thời gian tôi làm luận văn. Tôi xin cảm ơn các thầy cô đã và đang làm việc tại Bộ môn Công nghệ Xenluloza & Giấy và các thầy cô trong Khoa Công nghệ Hóa học - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi cũng xin cảm ơn tất cả các nhà nghiên cứu, các cán bộ làm việc tại các đơn vị, phòng thí nghiệm, trung tâm mà tôi có dịp làm việc cùng trong thời gian làm luận văn. Cuối cùng tôi xin được gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân đã dành cho tôi sự ủng hộ cả về thời gian, vật chất cũng như tinh thần giúp tôi hoàn thành luận văn. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 11 năm 2009 KS. Nguyễn Trung Thành 2 TÓM TẮT NGHIÊN CỨU Sử dụng etanol làm nhiên liệu mang lại rất nhiều lợi ích bền vững cả về kinh tế lẫn môi trường. Sản xuất etanol từ nguyên liệu lignoxenluloza bằng phương pháp sinh học đã và đang được nghiên cứu, phương pháp này ngày càng giữ vai trò quan trọng trong sản xuất etanol. Một trong những công đoạn chính của quá trình sản xuất etanol từ nguyên liệu lignoxenluloza bằng phương pháp sinh học là thủy phân bằng enzym. Để quá trình thủy phân bằng enzym đạt hiệu suất cao và giảm chi phí cho sản xuất cần có khâu xử lý nguyên liệu hiệu quả. Quá trình xử lý nguyên liệu làm giảm mức độ tinh thể của xenluloza, tăng diện tích bề mặt xơ sợi, loại bỏ lignin, hemixenluloza trong nguyên liệu, cắt đứt liên kết giữa các phân tử hemixenluloza, xenluloza và lignin, qua đó tăng khả năng tiếp cận của enzym đối với xenluloza, nâng cao hiệu quả thủy phân bằng enzym. Hiện nay ở Việt Nam, keo tai tượng là một trong những nguyên liệu chính sản xuất bột giấy, lượng gỗ phế thải từ quá trình sản xuất là một nguồn nguyên liệu lignoxenluloza có trữ lượng lớn nhưng chưa được quan tâm nghiên cứu. Mục tiêu của nghiên cứu này là đánh giá ảnh hưởng của xử lý bằng tác nhân kiềm trong “điều kiện mềm” đến sự thay đổi thành phần, cấu trúc và hiệu quả thủy phân bằng enzym của gỗ keo tai tượng. Qua đó tìm ra những điều kiện công nghệ thích hợp xử lý nguồn nguyên liệu này, góp phần nâng cao hiệu quả thủy phân bằng enzym và nâng cao khả năng sử dụng nguồn nguyên liệu này để sản xuất etanol. Đây là một lĩnh vực nghiên cứu mới ở Việt Nam, bản thân tác giả đã cố gắng tìm tòi, nghiên cứu tuy nhiên không tránh khỏi một vài thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô cũng như các nhà khoa học để nghiên cứu được hoàn thiện hơn. 3 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 1 TÓM TẮT NGHIÊN CỨU ............................................................................... 2 MỤC LỤC ......................................................................................................... 3 DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................ 6 DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................. 8 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................. 9 PHẦN 1. TỔNG QUAN ................................................................................. 10 1.1. ETANOL SINH HỌC .......................................................................... 10 1.1.1. Sử dụng etanol sinh học làm nhiên liệu......................................... 10 1.1.2. Nguyên liệu sản xuất etanol sinh học ............................................ 11 1.1.3. Nghiên cứu và đầu tư sản xuất etanol sinh học từ nguyên liệu lignoxenluloza.......................................................................................... 13 1.2. HÓA HỌC VỀ NGUYÊN LIỆU LIGNOXENLULOZA.................... 15 1.2.1. Xenluloza ....................................................................................... 16 1.2.2. Hemixenluloza ............................................................................... 22 1.2.3. Lignin ............................................................................................. 24 1.2.4. Các chất trích ly ............................................................................. 25 1.2.5. Sắp xếp và phân bố xenluloza, hemixenluloza và lignin trong thành tế bào gỗ ................................................................................................... 25 4 1.3. CÔNG NGHỆ THỦY PHÂN NGUYÊN LIỆU LIGNOXENLULOZA BẰNG ENZYM........................................................................................... 26 1.3.1. Thủy phân nguyên liệu lignoxenluloza bằng enzym ..................... 27 1.3.2. Cơ chế thủy phân bằng enzym....................................................... 29 1.3.3. Các yếu tố của nguyên liệu lignoxenluloza ảnh hưởng tới quá trình thủy phân bằng enzym ............................................................................. 30 1.4. XỬ LÝ SƠ BỘ ..................................................................................... 31 1.4.1. Vai trò của xử lý sơ bộ................................................................... 31 1.4.2. Xử lý sơ bộ bằng phương pháp vật lý ........................................... 32 1.4.3 Xử lý sơ bộ bằng phương pháp hóa học ........................................ 33 1.4.4. Xử lý sinh học ................................................................................ 37 1.5. LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ....... 39 PHẦN2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................... 40 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU.............................................................. 40 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................ 40 2.2.1. Xác định thành phần hóa học của nguyên liệu .............................. 40 2.2.2. Xử lý mẫu bằng phương pháp cơ học............................................ 41 2.2.3. Xử lý nguyên liệu bằng tác nhân NaOH và NaOH/urê ................. 41 2.2.4. Thủy phân bằng enzym.................................................................. 42 2.2.5. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét .......................................... 44 2.2.6. Phương pháp nhiễu xạ tia X .......................................................... 44 2.2.7. Xác định lượng đường trong dịch thu được sau thủy phân ........... 45 5 PHẦN 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................ 47 3.1. ẢNH HƯỞNG CỦA XỬ LÝ NaOH VÀ NaOH/URÊ ĐẾN THÀNH PHẦN CỦA NGUYÊN LIỆU..................................................................... 47 3.1.1. Thành phần nguyên liệu trước xử lý.............................................. 47 3.1.2. Ảnh hưởng của xử lý NaOH/urê đến hàm lượng xenluloza trong nguyên liệu ............................................................................................... 48 3.1.3. Ảnh hưởng của xử lý NaOH/urê đến hàm lượng lignin trong nguyên liệu ............................................................................................... 50 3.2. ẢNH HƯỞNG CỦA XỬ LÝ NaOH VÀ NaOH/URÊ ĐẾN QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN BẰNG ENZYM ..................................................... 52 3.2.1. Độ hấp thụ ánh sáng của dung dịch đường chuẩn ......................... 52 3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH và sự bổ sung urê đến quá trình thủy phân bằng enzym ............................................................................. 53 3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thủy phân bằng enzym ..... 54 3.2.4. Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến hiệu suất đường .................... 56 3.2.5. Đánh giá và tối ưu hóa các thông yếu tố của quá trình xử lý ........ 57 3.2.6. Kết quả chụp SEM và XRD .......................................................... 61 PHẦN 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................... 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 68 6 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tên bảng Trang 1.1 Thành phần hoá học của nguyên liêụ lignoxenluloza 15 1.2 Tổng hợp các phương pháp xử lý sơ bộ nguyên liệu 39 2.1 Điều kiện xử lý nguyên liệu bằng tác nhân NaOH và NaOH/urê 56 42 2.2 Điều kiện quá trình thủy phân bằng enzym 43 2.3 Pha dung dịch đường chuẩn với các nồng độ khác nhau 46 3.1 Thành phần hóa học cơ bản của gỗ keo tai tượng 49 3.2 Lượng xenluloza giảm sau xử lý ở 0 0C, trong 24 giờ 50 3.3 Lượng xenluloza giảm sau xử lý ở 30 0C, trong 24 giờ 52 3.4 Lượng xenluloza giảm sau xử lý ở 75 0C, trong 2 giờ 52 3.5 Lượng lignin giảm sau xử lý ở 0 0C, trong 24 giờ 53 3.6 Lượng lignin giảm sau xử lý ở 25 0C, trong 24 giờ 53 3.7 Lượng lignin giảm sau xử lý ở 75 0C, trong 2 giờ 64 7 3.8 Hiệu suất đường (%) sau thủy phân bằng enzym với các mức dùng khác nhau 56 3.9 Hiệu suất đường(%) ở những nhiệt độ khác nhau 57 3.10 Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến hiệu suất đường 58 3.11 Các số liệu thực nghiệm cần cho chương trình MODDE 5.0 60 3.12 Kết quả chạy chương trình MODDE 5.0 61 3.13 Hiệu suất đường khử ở điều kiện xử lý tối ưu 63 3.14 Cường độ nhiễu xạ và mức độ tinh thể của nguyên liệu trước và sau khi xử lý 67 8 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Tên hình Sơ đồ tổng quát quá trình sản xuất etanol từ nguyên liệu lignoxenluloza Trang 12 1.2 Cấu tạo phân tử của xenluloza 16 1.3 Cấu trúc phân tử của xenluloza 17 1.4 Cơ chế quá trình ngâm tẩm bằng NaOH 19 1.5 Tấn công của NaOH vào phân tử xenluloza 20 1.6 Quá trình tấn công của dung dịch NaOH/urê vào xơ sợi xenluloza 21 1.7 Cấu trúc của lignin 24 1.8 Cấu trúc vách tế bào gỗ 26 1.9 Phương thức hoạt động của enzym thủy phân xenluloza 28 1.10 Sự hoạt động của enzym trong quá trình thủy phân 29 3.1 Đường đồ thị chuẩn của của dung dịch đường 55 3.2 Ảnh chụp SEM của nguyên liệu trước và sau xử lý 64 Phổ XRD của nguyên liệu sau nghiền và chưa xử lý hóa học 65 3.3 a 3.3 b 3.3 c Phổ XRD nguyên liệu sau nghiền và xử lý ở điều kiện 7,78% NaOH, 0 oC, trong 24 giờ Phổ XRD nguyên liệu sau nghiền và xử lý ở điều kiện 7,78% NaOH, 1,78% urê, 0oC, trong 24 giờ 66 66 9 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ đầy đủ Nghĩa tiếng Việt Đo độ hấp thụ ánh sáng tại bước A540 sóng 540nm AFEX Ammonia fibre explosion Nổ khí amoniac CBU Cellobiose units Đơn vị đo hoạt tính của enzym CrI Crystallinity index Chỉ số mức độ kết tinh DNS Dinitrosalicylic acid Axit dinitrosalisilic DP Degree of polymerization Độ trung hợp FPU Filter paper units Đơn vị đo hoạt tính enzym U unit XRD X-ray diffraction phổ nhiễu xạ tia X SEM Scanning Electron Microscope kính hiền vi điện tử quét USD United States dollar(s) Đô la Mỹ USDA USDE United States Department of Agriculture United States Department of Energy Đơn vị đo hoạt tính enzym theo hệ IU Bộ nông nghiệp Mỹ Bộ năng lượng Mỹ 10 PHẦN 1. TỔNG QUAN 1.1. ETANOL SINH HỌC Có thể định nghĩa etanol sinh học là etanol được sản xuất bằng công nghệ sinh học. Đây là một nguồn năng lượng có thể tái tạo được, có nhiều triển vọng mang lại những lợi ích về môi trường [6], [10]. 1.1.1. Sử dụng etanol sinh học làm nhiên liệu Etanol sinh học được sử dụng làm nhiên liệu bằng cách pha với xăng theo những tỉ lệ khác nhau. Hiện nay có khoảng 50 nước ở khắp các châu lục khai thác và sử dụng etanol làm nhiên liệu sinh học ở các mức độ khác nhau. Brasil là quốc gia đầu tiên sử dụng etanol làm nhiên liệu ở quy mô công nghiệp từ năm 1970. Tất cả các loại xăng ở quốc gia này đều pha khoảng 25% etanol (E25) [3], [9]. Ở Trung Quốc đầu năm 2003 xăng E10 đã chính thức được sử dụng và tại Ấn Độ từ tháng 1 năm 2003 xăng E5 đã được đưa vào sử dụng. Năm 2003, toàn thế giới đã sản xuất khoảng 38 tỷ lít etanol (75% dùng làm nhiên liệu), năm 2008 sản lượng etanol đạt 55 tỉ lít (tăng 29% so với năm 2007). Dự kiến năm 2012 là khoảng 80 tỷ lít và 2015 là 100 tỉ lít [2], [4]. Nhiên liệu etanol sinh học có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệu truyền thống (xăng dầu). Sử dụng nhiên liệu sinh học sẽ giảm thiểu ô nhiễm và khí nhà kính, so với xăng dầu giảm được 70% khí CO2 và 30% khí độc hại, do nhiên liệu sinh học chứa một lượng rất nhỏ lưu huỳnh, chứa 11% oxy, nên cháy sạch hơn, phân huỷ sinh học nhanh, ít gây ô nhiễm nguồn nước và đất [12], [5]. Sử dụng nhiên liệu sinh học góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế nông nghiệp, cung cấp năng lượng sạch cho xã hội, nguyên liệu được 11 trồng trên vùng đất hoang hoặc đang sử dụng kém hiệu quả, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng đất. Xã hội và môi trường sẽ được lợi từ việc chuyển sử dụng nguyên liệu hydrocacbon không tái tạo được sang sử dụng nguồn hydrocacbon có thể tái tạo được như một nguồn năng lượng [3],[6]. 1.1.2. Nguyên liệu sản xuất etanol sinh học Hiện nay etanol sinh học được sản xuất từ 2 nguồn nguyên liệu, đó là nguyên liệu truyền thống và nguyên liệu lignoxenluloza [4], [7]. Nguyên liệu truyền thống sản xuất etanol là nguyên liệu chứa đường như nước mía, rỉ mật hay các nguyên liệu chứa tinh bột như ngô, sắn, lúa mì (cũng là các nguồn lương thực cho con người). Tuy nhiên, khả năng cung cấp nguyên liệu là có giới hạn vì sản xuất nông nghiệp chưa đáp ứng đủ nhu cầu lương thực cho con người, diện tích đất dành cho nông nghiệp ngày càng bị thu hẹp vì sự phát triển công nghiệp trong khi dân số trái đất không ngừng tăng đây là nguyên nhân làm giảm nguồn nguyên liệu và đẩy giá thành lên mức cao trong tương lai. Nguyên liệu lignoxenluloza: Trước những hạn chế về nguồn lương thực được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất etanol, việc nghiên cứu sử dụng nguồn nguyên liệu lignoxenluloza cho sản xuất etanol đang được chú ý. Lignoxenluloza có chứa các thành phần quan trọng của vật liệu gỗ như xenluloza, hemixenluloza và lignin. Phân tử xenluloza là polyme gồm các mắt xích là đường 6 các bon, trong khi đó phần lớn hemixenluloza trong nguyên liệu lignoxenluloza là các mạch polyme gồm các mắt xích đường 5 các bon. Cùng với lignin, xenluloza và hemixenluloza làm cho cấu trúc của lignoxenluloza bền vững, khó phá vỡ xenluloza thành các phân tử đường đơn. Để có thể sản xuất etanol sinh học từ nguyên liệu lignoxenluloza với mục đích thương mại, rất nhiều vấn đề về công nghệ cần giải quyết như xử lý 12 nguyên liệu hiệu quả, lên men hiệu quả, xử lý các chất ức chế quá trình lên men... Các nghiên cứu và triển khai gần đây về việc sử dụng nguyên liệu chứa xenluloza, như gỗ và phế liệu gỗ, phế thải nông nghiệp như thân ngô, bã mía, rơm rạ... để sản xuất etanol cho thấy tiềm năng và tầm quan trọng của nguyên liệu lignoxenluloza trong tương lai [5], [6], [7], [8]. Quá trình sản xuất ethanol từ nguyên liệu lignoxenluloza bao gồm các giai đoạn [9]: • Xử lý sơ bộ: phá hủy liên kết trong nguyên liệu giải phóng phân tử polime xelluloza và hemixelluloza. • Thủy phân: biến các phân tử xenluloza và một phần hemixenluloza thành đường đơn hòa tan dạng dung dịch. • Lên men: Dịch đường thu được đưa đi lên men thành dung dịch ethanol. • Dung dịch etanol được chưng cất thành etanol thương phẩm. Nguyên liệu lignoxenluloza Xử lý nguyên liệu Thủy phân bằng enzym Lên men Tinh chế Etanol Hình 1.1. Sơ đồ tổng quát quá trình sản xuất etanol từ nguyên liệu lignoxenluloza Trong các quá trình trên thủy phân có chi phí lớn nhất. Bằng việc áp dụng kịp thời những thành tựu của công nghệ sinh học, đến nay có thể nói công nghệ sản xuất etanol từ nguyên liệu lignoxenluloza đang dần được hoàn thiện và trong tương lai sẽ là một trong những ngành sản xuất có hiệu quả kinh tế cao [12]. 13 1.1.3. Nghiên cứu và đầu tư sản xuất etanol sinh học từ nguyên liệu lignoxenluloza (gọi tắt là etanol xenluloza) Trên thế giới có khoảng 4 tỉ ha đất trồng rừng phân bố khắp nơi, chiếm khoảng 30% diện tích đất trên thế giới. Đây là nguồn nguyên liệu tiềm năng và sẵn có để sản xuất etanol sinh học trên thế giới trong tương lai. Có rất nhiều nhà máy, dự án sản xuất etanol xenluloza: Đức có 3 nhà máy với tổng sản lượng 500.000 tấn/năm, Ý sản xuất 16.000 tấn/năm (2005), Pháp có 4 nhà máy sản xuất ra 200.000 tấn/năm từ tháng 4 năm 2007, Tây Ban Nha có 3 nhà máy sản xuất ra 160.000 tấn/năm. USDE cấp ngân sách 160 triệu USD cho 6 nhà máy chế biến sinh khối quy mô công nghiệp để sản xuất 500 triệu lit etanol trong một năm, năm 2009 một nhà máy công suất 100 triệu lít/năm từ lõi ngô và phế thải nông nghiệp của hãng Poet Company (hãng sản xuất etanol lớn nhất nước Mỹ) sẽ đi vào hoạt động, nhà máy BluenFire Ethanol (Califonia) có công suất 74 triệu lít/năm sử dụng khoảng 700 tấn phế liệu gỗ/năm. Tháng 8/2006 USDA (bộ nông nghiệp Mỹ) thông báo đầu tư 250 triệu USD cho chương trình kéo dài 5 năm để nghiên cứu năng lượng sinh học trong đó trọng tâm là nghiên cứu sản xuất etanol xenluloza [13]. Liên minh Châu Âu EU đưa ra chương trình đầu tư 100 triệu USD để nghiên cứu etanol xenluloza [14]. Ngành công nghiệp cũng có hợp tác mạnh mẽ với các trường đại học để nghiên cứu etanol xenluloza, một ví dụ điển hình là việc BP đầu tư 500 triệu USD trong 10 năm để nghiên cứu nhiên liệu sinh học tại trường đại học UC Berkeley [15]. Các công ty ExxonMobil, Toyota, Schlumberger và General Electric hợp tác đầu tư 225 triệu USD trong 10 năm để nghiên cứu nhiên liệu sinh học và các nguồn năng lượng có thể tái tạo được tại trường đại học Stanford University. Đại học Purdue và USDE đang hợp tác trong chương trình nghiên cứu thay thế nguồn nguyên liệu ngũ cốc bằng gỗ dương để sản xuất etanol [16]. Tập đoàn Iogen của Canada, một 14 trong những nơi đi đầu trên thế giới về sản xuất etanol xenluloza đã đầu tư 130 triệu USD để xây dựng nhà máy sản xuất etanol xenluloza, đây cũng là nơi nhận khoảng 120 triệu USD đầu tư của các tập đoàn khác như Royal Dutch, Shell Group, Goldman Sachs, PetroCanada [17]. Việt Nam là nước nhiệt đới nên nguồn nguyên liệu lignoxenluloza rất phong phú. Phế thải từ sản xuất nông nghiệp như rơm rạ, thân ngô, thân cây sắn, cỏ voi... và phế thải từ sản xuất công nghiệp chủ yếu là phế thải ngành công nghiệp giấy có trữ lượng rất lớn. Nguyên liệu để sản xuất bột giấy rất đa dạng: keo tai tượng, keo lá tràm, keo lai, bạch đàn, mỡ, bồ đề... Trong đó keo và bạch đàn đang và sẽ là nguyên liệu chủ yếu cho sản xuất giấy ở Việt Nam. Năm 1999 nước ta có 669.505 ha rừng keo và bạch đàn, tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm đạt trên 5% trong đó có khoảng 300.000 ha rừng nguyên liệu giấy mỗi năm trồng mới 7 ha. Sản lượng gỗ nguyên liệu giấy có thể đạt trên 3 triệu m3/năm tức trên 1,5 triệu tấn. Ở nước ta vấn đề tận dụng phế liệu, phế thải gỗ chưa được quan tâm đây là một sự lãng phí lớn và gây không ít vấn đề về bảo vệ môi trường. Hiện nay mỗi năm ngành giấy tiêu thụ khoảng 250.000 tấn nguyên liệu gỗ chủ yếu là keo và bạch đàn, phế liệu gỗ chiếm khoảng 10-15% mỗi năm riêng phế liệu gỗ của ngành giấy khoảng 25-30 ngàn tấn và ngày càng tăng cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp giấy. Như vậy gỗ và phế liệu gỗ ở nước ta là nguồn nguyên liệu rất tiềm năng cho sản xuất etanol. Hiện nay nước ta chưa có nhà máy nào sản xuất etanol từ nguyên liệu lignoxenluloza. Trong nước từ trước đến nay chưa có công trình nào nghiên cứu về việc sử dụng nguyên liệu gỗ để sản xuất etanol. Nỗ lực nghiên cứu sản xuất cồn nhiên liệu từ phế thải nông nghiệp đang được bắt đầu, một số đề tài đang tiến hành trong nước là: “Nghiên cứu công nghệ và hệ thống thiết bị sản 15 xuất cồn nhiên liệu từ phế phụ phẩm nông nghiệp” do TS. Vũ Nguyên Thành, Viện công nghiệp thực phẩm - Bộ Công thương chủ trì. Đề tài cấp Thành phố thu etanol từ rơm rạ do nhóm nghiên cứu của PGS. Phan Minh Tuấn, Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện. Đề tài nghiên cứu cơ bản cấp nhà nước “Nghiên cứu thủy phân trong điều kiện mềm đối với một số loại sinh khối thực vật thu cồn nhiên liệu không gây ô nhiễm môi trường” do PGS.TS Doãn Thái Hòa - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội chủ trì. 1.2. HÓA HỌC VỀ NGUYÊN LIỆU LIGNOXENLULOZA Nguyên liệu lignoxenluloza có thành phần hóa học rất phức tạp, bao gồm các hợp chất: xenluloza, hemixenluloza, lignin và các chất trích ly với hàm lượng khác nhau, phụ thuộc vào loại nguyên liệu, cũng như quá trình xử lý nguyên liệu. Bảng 1.1 tóm tắt hàm lượng của xenluloza, hemixenluloza, lignin trong một số loại nguyên liệu lignoxenluloza [19]. Bảng 1.1. Thành phần hoá học của nguyên liêụ lignoxenluloza [19] Xenluloza Hemixenluloza Lignin (%) (%) (%) Gỗ cứng 40-45 24-40 18-25 Gỗ mềm 45-50 25-35 25-35 Thân cây ngô 40-45 30-35 10-15 Rơm rạ 30-35 20-35 15-20 Lá cây 15-20 80-85 0 Giấy in 40-45 25-40 18-30 Giấy loại làm từ bột hóa 60-70 10-20 5-10 Cỏ ngọt 40-45 30-35 10-15 Nguyên liệu 16 1.2.1. Xenluloza Xenluloza có vai trò tạo nên bộ khung sườn cho tế bào, hàm lượng xenluloza khoảng 40÷55% tùy thuộc vào nguyên liệu. 1.2.1.1. Cấu tạo phân tử o Xenluloza là hợp chất cao phân tử, đơn vị mắt xích là anhydro- β-Dglucopyranoza (D-glucoza), chứa 3 nhóm hydroxyl tự do: 1 nhóm rượu bậc một và 2 nhóm rượu bậc hai (hình 1.2). Hình 1.2. Cấu tạo phân tử của xenluloza o Đại phân tử xenluloza có độ dài khoảng 200÷5000 nm, tương ứng với độ trùng hợp (DP) khoảng 5000÷10000. o Các đơn vị mắt xích được nối với nhau nhờ liên kết 1,4-β-D-glycozit. o Các đơn vị mắt xích của xenluloza có cấu hình dạng ghế ứng với sự định hướng xích đạo của các nhóm hydroxyl, phân tử cồng kềnh, cứng, không linh động, không có khả năng hòa tan trong nước, chỉ hòa tan trong một số dung môi đặc biệt [1]. 17 1.2.1.2. Hình thái cấu trúc Vật liệu xenluloza xơ sợi vi sợi phân tử xenluloza chuỗi glucoza Hình 1.3. Cấu trúc phân tử của xenluloza [25] o Phân tử xenluloza tập hợp lại với nhau nhờ tương tác Van der Waals và liên kết hydro giữa các mạch phân tử, tạo thành cấu trúc chặt chẽ cao. o Các phân tử xenluloza song song được liên kết với nhau bởi liên liên kết hydro, tập hợp các phân tử xenluloza cơ bản tạo nên cấu trúc vi sợi xenluloza (micro-fibrils) có đường kính khoảng 2÷20 nm, phụ thuộc vào nguồn gốc xenluloza. Các vi sợi xenluloza kết hợp tạo các xơ sợi, có đường kính 60÷360 µm. Khi tương tác giữa các phân tử yếu, các mạch phân tử không định hướng tạo nên vùng vô định hình. Khi tương tác giữa các phân tử mạnh, các mạch phân tử sắp xếp định hướng tạo nên vùng tinh thể. Vì vậy, vùng tinh thể bền vững, khó phá vỡ hơn so với vùng vô định hình. o Một mạch đại phân tử có thể tồn tại trong một vùng tinh thể hoặc đi qua một số vùng tinh thể và một số vùng vô định hình. Các vùng tinh thể và vùng vô định hình không có gianh giới rõ rệt, tỉ lệ giữa vùng 18 tinh thể và vùng vô định hình tùy thuộc vào từng loại nguyên liệu khác nhau: mức độ tinh thể của xenluloza có thể xếp theo thứ tự: Bông > xenluloza gỗ > xenluloza sau kiềm hóa > xenluloza hoàn nguyên [20]. 1.2.1.3. Sự trương của xenluloza trong dung dịch kiềm Vào thế kỷ 19, John Mercer đã phát hiện ra xenluloza bị trương nở trong dung dịch xút, và có sự thay đổi mạnh mẽ tính chất của xơ sợi [21]. Tên của ông sau đó được dùng để chỉ quá trình ngâm tẩm gây trương nở (Mercerisation). Vài năm sau, vào năm 1939 Sobue chỉ ra rằng xenluloza có thể trương nở trong nhiều điều kiện nhiệt độ, nồng độ NaOH khác nhau [22]. Trong các nghiên cứu từ năm 1844 đến năm 1850 của John Mercer, xenluloza được ngâm kiềm, sau khi rửa sạch kiềm xenluloza mềm mại hơn, tăng khả năng phản ứng với nhiều chất hóa học khác nhau. Năm 1941, Marsh [23] công bố kết quả nghiên cứu về sự trương nở của xenluloza trong các dung dịch kiềm khác nhau. Kết quả cho thấy, hiệu quả trương nở phụ thuộc vào nồng độ, nhiệt độ dung dịch kiềm và phụ thuộc vào bản chất của ion kim loại kiềm. Kích thước của ion kim loại càng lớn, hiệu quả trương nở càng thấp. Hiệu quả trương nở xenluloza của các dung dịch kiềm sắp xếp theo thứ tự giảm dần như sau: LiOH > NaOH > KOH > RbOH > CsOH. Một số nghiên cứu khác chỉ ra rằng nồng độ kiềm quá thấp hoặc quá cao cũng đều làm giảm hiệu quả trương nở [24]. Cơ chế trương nở Xenluloza trong dung dịch NaOH NaOH là một tác nhân gây trương nở mạnh xenluloza ở những điều kiện nhiệt độ và nồng độ khác nhau, trong khoảng nồng độ 7÷10% và nhiệt độ -6 ÷ 4oC NaOH gây trương nở xenluloza mạnh nhất [25]. 19 Hình 1.4. Cơ chế quá trình ngâm tẩm bằng NaOH [25] Nguyên liệu xenluloza tự nhiên hay xenluloza I có cấu trúc tinh thể song song, trong xơ sợi của xenluloza có một lượng lớn vùng tinh thể trong đó chúng được sắp xếp theo các hướng song song, những vùng tinh thể phân bố theo chiều dài xơ sợi với khả bằng nhau theo theo chiều lên và xuống [26]. Ảnh hưởng của nhóm –OH phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể của xenluloza [27], tỉ lệ cấu trúc tinh thể lớn thì khả năng thẩm thấu dung dịch kiềm sẽ khó khăn [28], bắt đầu ngâm tẩm kiềm là sự cần thiết cho hình thái cấu trúc vô định hình và một vài cấu trúc tinh thể chưa hoàn chỉnh. Bước đầu tiên quá trình ngâm tẩm, dung dịch kiềm thâm nhập vào vùng vô định hình và bề mặt giữa các vùng tinh thể, ở đây các chuỗi polyme được sắp xếp dài theo cả 2 chiều lên và xuống. Sự thâm nhập của dung dịch NaOH là nguyên nhân làm xơ sợi xenluloza trương nở [29], trong vùng này các chuỗi polime sẽ trở nên tương đối linh động, tạo ra các vùng Na-cell song song ngược chiều [30], các vùng tinh thể của xenluloza giảm từ từ đồng thời với sự gia tăng cấu trúc Nacell I [31, 32]. Các vùng vô định hình không gia tăng qua các bước thay đổi [29]. Khi sự hấp thụ dung dịch NaOH tăng lên, mức độ xoắn ốc của các chuỗi xenluloza tăng gấp 2, tăng khả năng hoạt động của chuỗi xenluloza và ion Na+, ion Na+ bẻ gẫy liên kết hydro trong phân tử [33, 34, 35, 36, 37], các ion Na+ chủ yếu tấn công vào nhóm –OH của cacbon 2, cacbon 3 tương đối bền vững với dung dịch kiềm.