Khác với gỗ, rơm rạ là dạng sinh khối lignocellulose có thành phần hóa học đặc trưng của cây thân thảo ngắn ngày, nên về nguyên tắc, các hợp chất cao phân tử của chúng, như cellulose, he
Trang 1số đó, chỉ phần nhỏ được thu gom và tận dụng, phần còn lại là thải bỏ và đốt, gây lãng phí và nhiều vấn đề nghiêm trọng đối với môi trường sống và sức khỏe cộng đồng
Việt Nam là nước nông nghiệp có sản lượng lúa lớn Theo Tổng cục thống kê năm 2013 diện tích lúa của cả nước là 7,9 triệu hecta, với sản lượng đạt khoảng 44,07 triệu tấn lúa Như vậy ước tính có khoảng 61 triệu tấn rơm rạ tạo thành Thực tế cho thấy, phần lớn rơm rạ được thải bỏ khi còn tươi Phương thức xử lý phổ biến nhất là đốt như hiện nay, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sinh hoạt và đời sống của cư dân cả khu vực nông thôn lẫn đô thị Cho đến nay, việc đốt bỏ rơm rạ vẫn tiếp tục diễn ra trên phạm vi rộng mà chưa có biện pháp giải quyết hiệu quả, gây nên những nỗi lo ngại lớn về môi trường, an sinh xã hội Vì vậy, nghiên cứu tạo lập cơ sở khoa học tận dụng hiệu quả rơm rạ ở dạng nguyên thể hay cho sản xuất các sản phẩm hữu ích, là vấn đề bức thiết, cần được tập trung nghiên cứu
Một trong những hướng nghiên cứu tận dụng rơm rạ, là sử dụng làm nguyên liệu cho sản xuất vật liệu và hóa chất (như bột giấy, etanol, furfural…) theo các phương pháp chế biến sinh-hóa học Khác với gỗ, rơm rạ là dạng sinh khối lignocellulose có thành phần hóa học đặc trưng của cây thân thảo ngắn ngày, nên về nguyên tắc, các hợp chất cao phân tử của chúng, như cellulose, hemicellulose và lingin, dễ phân hủy sinh-hóa học hơn so với các thành phần tương tự của gỗ, tuy nhiên rơm rạ lại có thành phần hóa học không ổn định, tùy thuộc vào giống lúa, thời vụ, phương pháp thu gom và bảo quản, đặc biệt
có hàm lượng các chất vô cơ tương đối cao (có thể chiếm trên 12%), là yếu tố gây khó khăn cho quá trình chế biến sinh-hóa học Vì vậy để đánh giá khả năng chuyển hóa rơm rạ thành etanol sinh học, cần có những nghiên cứu sâu
và hệ thống, nhằm đưa ra công nghệ khả thi, đồng thời làm sáng tỏ các vấn đề khoa học liên quan
Đối với lĩnh vực chuyển hóa rơm rạ thành etanol, phương pháp đường hóa bằng enzyme là khả thi và có nhiều triển vọng, bởi so với thủy phân bằng
Trang 22
axit, phương pháp này thân thiện môi trường hơn, cho hiệu suất đường cao hơn Tuy nhiên, cũng như đối với các dạng vật liệu lignocellulose khác, vấn đề chính vẫn là nâng cao hiệu suất chuyển hóa carbohydrate thành đường Để thúc đẩy quá trình chuyển hóa sinh học sinh khối lignocellulose thành etanol,
có hai cách tiếp cận vấn đề: hoặc là tách các “tạp chất” khác của sinh khối (như lignin, các chất trích ly, các chất vô cơ) ra khỏi phần carbohydrate, hoặc phải biến đổi sinh khối thành dạng phù hợp cho quá trình thủy phân bằng enzyme Đến nay, công đoạn này, có tên gọi là “tiền xử lý”, được xem là “chìa khóa” của công nghệ chuyển hóa sinh khối lignocellulose thành etanol
Xuất phát từ tình hình trên, đề tài “Nghiên cứu tiền xử lý rơm rạ để nâng cao hiệu suất thủy phân bằng enzyme cho sản xuất etanol sinh học”
đã được lựa chọn thực hiện theo Luận án này
Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Mục tiêu của luận án là xác định được các thông số công nghệ thích hợp của quá trình tiền xử lý rơm rạ bằng axit và kiềm, nhằm nâng cao hiệu quả quá trình đường hóa bằng hỗn hợp enzyme có hoạt lực cao; xác định và làm sáng
tỏ sự biến đổi của các thành phần hóa học cơ bản của rơm rạ trong quá trình tiền xử lý Đối tượng nghiên cứu chính là rơm rạ giống lúa Khang Dân thu gom tại xã Ngãi Cầu, huyện Hoài Đức, Hà Nội
Phương pháp nghiên cứu
Tính chất của rơm rạ được phân tích bằng các phương pháp nghiên cứu cấu trúc, các phương pháp tiêu chuẩn hóa về phân tích thành phần hóa học của vật liệu lignocellulose, như các phương pháp TAPPI, ISO, ASTM, SEM, EDX
sử dụng trong lĩnh vực khoa học và công nghệ chế biến hóa học gỗ và vật liệu lignocellulose
Rơm rạ ban đầu được nghiền nhỏ, tiền xử lý bằng axit axetic và hydroxit natri có bổ sung các chất trợ tách loại lignin, sau đó được thủy phân bằng enzyme thương phẩm Để tối ưu hóa hiệu suất thủy phân, đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các yêu tố công nghệ trong quá trình tiền xử lý, đường hóa, tới hiệu suất đường khử thu được, sử dụng các phương pháp thực nghiệm trong lĩnh vực khoa học và công nghệ cellulose, phương pháp quy hoạch thực nghiệm Box-Behnken sử dụng phần mềm Design Expert 7.0.0 Hàm lượng và thành phần đường khử trong dịch đường, được xác định bằng phương pháp đo
độ hấp thụ quang học, HPLC
Đặc điểm chuyển hóa của các thành phần hóa học cơ bản của rơm rạ, được nghiên cứu bằng các phương pháp TAPPI, SEM, phương pháp nhiễu xạ
tia X
Trang 33
Phạm vi và nội dung nghiên cứu của luận án
Nội dung nhiên cứu chính bao gồm: Nghiên cứu đặc điểm cấu tạo và một số tính chất lý−hóa học của rơm rạ một số giống lúa phổ biến ở Việt Nam; Nghiên cứu tiền xử lý rơm rạ bằng axit axetic có bổ sung axit clohydric và kiềm cho quá trình đường hóa bằng enzyme; Nghiên cứu tối ưu hóa thủy phân cellulose và hemicellulose bằng hỗn hợp enzyme thương phẩm Cellic® CTec2, Cellic® HTec2; Thử nghiệm lên men etanol
Ý nghĩa khoa học, thực tiễn của luận án
Kết quả của Luận án là cơ sở khoa học, là tiền đề cho các nghiên cứu
xây dựng và áp dụng công nghệ phù hợp để chuyển hóa nguồn nguyên liệu sinh khối lignocellulose như rơm rạ thành etanol sinh học, đồng thời là tài liệu tham khảo bổ sung vào cơ sở dữ liệu về tính chất của sinh khối lignocellulose
của Việt Nam
Các đóng góp mới của luận án
Về mặt công nghệ, đây công trình đầu tiên ở Việt Nam, nghiên cứu sâu
và hệ thống về công nghệ tiền xử lý rơm rạ bằng axit axetic có bổ sung axit clohydric và hydroxit natri, hydroxit natri có bổ sung chất trợ tách loại lignin, kết hợp đường hóa bằng enzyme hoạt lực cao Các chế độ công nghệ thích hợp/tối ưu được xác lập sẽ là cơ sở cho việc xây dựng quy trình công nghệ khả thi sản xuất etanol sinh học
Về cơ sở lý luận, đã xác định được đặc điểm cấu tạo và thành phần hóa
học chính của rơm rạ một số giống lúa năng suất cao phổ biến ở Việt Nam, một số đặc điểm phân hủy và biến đổi cấu trúc của chúng trong quá trình chuyển hóa thành etanol sinh học
Bố cục của Luận án
Luận án được trình bày trong 155 trang, 31 bảng biểu, 69 hình vẽ và đồ thị, 164 tài liệu tham khảo, với bố cục gồm các phần: ĐẶT VẤN ĐỀ: 3 trang; Chương I TỔNG QUAN VỀ ETANOL SINH HỌC: 32 trang; Chương II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM: 14 trang; Chương III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN: 69 trang; KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: 3 trang; TÀI LIỆU THAM KHẢO: 9 trang (tiếng Anh, tiếng Nga, tiếng Việt)
B NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHÍNH CỦA LUẬN
ĐẶT VẤN ĐỀ
Trình bày tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu; Mục tiêu và nội dung nhiên cứu chính của luận án; Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu
Trang 41.2 Sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối lignocellulose
Bao gồm 04 tiểu mục, trình bày khái niệm sinh khối, đồng thời tổng quan các vấn đề về cấu tạo của sinh khối lignocellulose, từ những tế bào thực vật có hình dạng và kích thước khác nhau, nhưng đều gồm các thành phần chính là màng nguyên sinh bao bọc bên ngoài tế bào, vách tế bào, tế bào chất, nhân tế bào và không bào Vách tế bào thực vật được cấu tạo từ tổ hợp lignocellulose, bao gồm ba thành phần chính là cellulose, hemicellulose và lignin Sự kết hợp với các tỷ lệ khác nhau của ba thành phần này, tạo nên sự khác biệt của vách tế bào thực vật thậm chí của cùng một loài Cấu tạo hóa học
và sự phân bố của các thành phần hóa học trong vách tế bào cũng đã được trình bày
Phần tiểu mục “Thủy phân sinh khối bằng enzyme cho sản xuất etanol sinh học”, trình bày tổng quan lý thuyết và ứng dụng enzyme và vi sinh vật để chuyển hóa sinh khối lignocellulose thành etanol sinh học, cơ chế tác dụng của chúng và đặc điểm các giai đoạn biến đổi của carbohydrate trong quá trình thủy phân
Trong phần “Lên men etanol từ dịch thủy phân sinh khối bằng enzyme” trình bày tổng quan lý thuyết và nghiên cứu ứng dụng lên men etanol đối với dịch đường từ các nguồn sinh khối khác nhau
1.3 Sản xuất etanol sinh học từ rơm rạ
Bao gồm 3 tiểu mục, trình bày tổng quan tiềm năng rơm rạ ở Việt Nam, một số đặc điểm thực vật học (cấu tạo thân cây, cấu tạo tế bào), tình hình nghiên cứu và kết quả trong và ngoài nước Nội dung chính của phần này trình bày cơ sở lý thuyết và tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về thu nhận etanol sinh học từ rơm rạ trong và ngoài nước, tập trung vào các phương pháp tiền xử lý rơm rạ bằng axit hữu cơ và kiềm, để nâng cao hiệu suất thủy phân Kết luận tổng quan nêu rõ những hạn chế và tồn tại của các nghiên cứu tương tự, tính bức thiết của nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu của Luận án
Trang 5Hóa chất sử dụng là dạng phân tích tinh khiết (PA), xuất xứ từ Anh, Đức, Tây Ba Nha, Trung Quốc, Việt Nam Enzyme sử dụng cho nghiên cứu là dạng thương phẩm Cellic® CTec2 và Cellic® HTec2 của hãng Novozymes, Đan Mạch Enzyme dạng lỏng được bảo quản trong chai khử trùng, ở nhiệt độ
4oC (trong ngăn mát của tủ lạnh)
Chủng nấm lên men etanol Saccharomyces cerevisiae BG1 được lấy từ
Bộ sưu tập giống của Phòng Công nghệ vật liệu sinh học, Viện Công nghệ sinh
học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
2.2 Phương pháp xác định thành phần sinh khối, cấu tạo giải phẫu và một số tính chất lý học của rơm rạ
Khi xác định phần rơm và rạ, cây lúa được cắt làm ba phần, 1/3 phía
trên được xem là rơm, hai phần còn lại là rạ Sau đó hạt thóc được tách thủ công, để khô gió và xác định khối lượng của các phần Nghiên cứu cấu tạo thô
đại và cấu tạo hiển vi của thân cây lúa được tiến hành theo phương pháp tạo tiêu bản hiển vi giải phẫu thực vật một lá mầm trên cơ sở phương pháp giải phẫu gỗ của Hiệp hội giải phẫu gỗ quốc tế (IAWA) Tính chất xơ sợi của rơm rạ: theo phương pháp tách sợi của Madison: tiến hành đo trên kính hiển vi với các mảnh có kích thước 1,5x1,5x30 mm Khối lượng thể tích của rơm rạ (g/cm3) được xác định theo phương pháp tiêu chuẩn hóa D 2395–07a, đo bằng máy đo tỉ trọng kế điện tử MD-300S dựa theo nguyên lý Archimedes, tìm thể tích của mẫu bằng cách so sánh với thể tích nước bị mẫu chiếm chỗ ở 4oC
Thành phần các nguyên tố của rơm rạ được xác định theo phương pháp phổ tán sắc năng lượng (SEM– EDS) Nguyên lý hoạt động dựa trên việc ghi nhận tia X thu được khi chùm điện tử năng lượng cao tương tác với vật rắn, đo bằng thiết bị hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao HRTEM Tecnai G2 F20 của hãng FEI, tại Phòng thí nghiệm Hiển vi điện tử và vi phân tích của Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST), Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Chỉ số độ kết tinh của cellulose trong rơm rạ được xác định thông qua cường độ pick của phổ XRD của mẫu, theo phương pháp của Segal L., theo đó chỉ số độ kết tinh của cellulose rơm rạ theo công thức sau: CrI (%) = (I002 –
Trang 66
Iam)/I002*100, trong đó I002 cường độ pick tại góc 2 Theta = 22,6 và Iam cường
độ pick tại góc 2 Theta = 18,7
Thành phần hóa học của rơm rạ được xác định theo phương pháp tiêu chuẩn hóa đối với nguyên liệu thực vật TAPPI
2.2 Tiền xử lý rơm rạ bằng axit axetic
Tiền xử lý rơm rạ bằng axit axetic được tiến hành trong bình thủy tinh
500 ml, lắp với sinh hàn ngược, gia nhiệt bằng bể glyxerin Mỗi mẻ tiến hành với 20 g rơm rạ khô tuyệt đối Thành phần dịch nấu (CH3COOH, HCl), nhiệt
độ và thời gian xử lý được điều chỉnh tùy theo mục tiêu của từng thực nghiệm Sau khi xử lý, rơm rạ qua công đoạn ”trích ly kiềm” đề tăng cường tách loại lignin, các chất vô cơ… rồi sau đó tiếp tục được thủy phân bằng enzyme
2.3 Phương pháp tiền xử lý rơm rạ bằng kiềm trong thiết bị hở, ở áp suất khí quyển
Tiền xử lý (nấu) rơm rạ với dung dịch hydroxit natri (có hoặc không bổ sung chất trợ tách loại lignin Na2S), được tiến hành trong bình thủy tinh 500
ml, nối với sinh hàn ngược, gia nhiệt trên bếp điện Mỗi mẻ tiến hành với 20 g Phương thức tiến hành, các khái niệm và cách tính tiêu hao hóa chất, sản phẩm tương tự như nấu xút và nấu sunfat, áp dụng trong công nghệ sản xuất cellulose Bột thu được đánh tơi, xử lý, xác định hiệu suất bột thu được so với rơm rạ ban đầu và sử dụng cho đường hóa bằng enzyme
2.4 Phương pháp tiền xử lý rơm rạ bằng kiềm trong thiết bị kín (có áp suất bằng áp suất hơi khí trong bình tương ứng)
Quá trình tiền xử lý rơm rạ được tiến hành trong nồi inox kín có dung tích 1 lít, gia nhiệt trong bể glyxerin Mỗi mẻ tiến hành với khoảng 35g nguyên liệu khô tuyệt đối, thành phần dịch nấu (NaOH, Na2S), nhiệt độ và thời gian xử
lý được điều chỉnh tùy theo mục tiêu của từng thực nghiệm Rơm rạ sau xử lý
và sau đó tiếp tục được thủy phân bằng enzyme
2.5 Phương pháp thủy phân rơm rạ sau tiền xử lý bằng enzyme và lên men etanol
Thủy phân (đường hóa) rơm rạ sau tiền xử lý, được tiến hành trong các bình thủy tinh nhám có nắp dung tích 100 ml, đã được khử trùng ở 100oC trong 2h Dung dịch đệm sử dụng là dung dịch citrat 0,05M có pH=5,0, mức
sử dụng enzyme (tỷ lệ enzyme Cellic® CTec2, Cellic® HTec2, lượng dùng) và thời gian thủy phân được điều chỉnh tùy theo mục tiêu của từng thực nghiệm Sau khi kết thúc thời gian đường hóa, dịch đường được lọc để phân tích hiệu suất đường khử theo phương pháp đo quang sử dụng dung dịch DNS, phần bã
Trang 77
còn lại được sấy khô để phân tích tính chất Sau quá trình thủy phân, dịch
đường được đưa đi lên men bằng chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae
BG1
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đặc điểm cấu tạo, tính chất lý học và thành phần hóa học cơ bản của rơm rạ một số giống lúa phổ biến ở Việt Nam
Thành phần sinh khối của rơm rạ được nghiên cứu được tiến hành mô
phỏng phương thức gặt hiên nay là cắt lấy 1/3 thân cây lúa chứa hạt lúa gọi là phần rơm, phần rạ là toàn bộ thân cây lúa còn lại Xác định thành phần sinh khối của rơm rạ một số giống lúa cho thấy, phần rơm của các giống lúa khác nhau dao động trong khoảng 23÷ 35%, còn phần rạ trong khoảng 65 ÷ 76% khối lượng của cả thân cây Thân cây lúa được cấu tạo bởi các lóng rỗng ruột, nối với nhau bởi đốt Mỗi lóng dài từ 5 cm đến 30 cm, còn mỗi đốt dài từ 0,1
cm đến 0,2 cm Bẹ lá lúa gắn kết với thân lúa ở đốt và bao quanh lóng Thân cây lúa được cấu tạo chủ yếu bởi 05 loại tế bào khác nhau (hình 3.2), theo thứ tự từ ngoài vào trong là: biểu bì (B), hạ bì (H), tế bào mô mềm (M), tế bào cương mô (C), bó mạch trong và ngoài (T, N) Độ dày của hạ bì các mẫu rơm rạ Khang Dân và Q5 thu được tương ứng là 24 µm và 64 µm Do
có độ dày hạ bì lớn gấp 3 lần, mà lúa Q5 có thân cây cao, to hơn nhiều so với Khang Dân, sinh khối cũng lớn hơn nhiều (hình 3.3) Cấu tạo hiển vi đốt thân cây lúa được trình bày trên hình 3.4)
Hình 3.2 Cấu tạo hiển vi lóng thân cây lúa Khang Dân
(B: Biểu bì; H: hạ bì; M: tế bào mô mềm; N: tế bào bó mạch ngoài; T: tế bào bó mạch
trong; C: tế bào cương mô)
Hình 3.3 Cấu tạo hiển vi của lóng thân cây lúa Q5
Trang 88
Hình 3.4 Cấu tạo hiển vi của đốt thân cây lúa (a: Mặt cắt ngang, b: Mặt cắt dọc, 1: Lúa Khang Dân, 2: Lúa Q5)
Rơm rạ Khang Dân có kích thước xơ sợi chiều dài là 932, rộng 7µm, độ
thon là 127; còn rơm rạ lúa Q5 có kích thước chiều dài 2380, rộng 22 µm, độ thon 108 Như vậy, xơ sợi rơm rạ Q5 lớn gấp 2,5 lần và chiều rộng gấp 3 lần
so với rơm rạ Khang Dân Tuy nhiên, độ thon gọn của xơ sợi Q5 lại nhỏ hơn Khang Dân Ngoài ra, xơ sợi của thân cây lúa Khang Dân có kích thước khá đồng đều về chiều rộng (dao động từ 6÷9 μm), nhưng chiều dài lại có sự chênh lệch khá lớn, tùy thuộc vào vị trí khác nhau trên thân cây lúa và dao động từ
743 đến 1136 μm Ngược lại, xơ sợi của rơm rạ Q5 có sự chênh lệch lớn cả chiều rộng (từ 14 đến 29 μm) và chiều dài (từ 1526 đến 3055 μm)
Nghiên cứu phổ XRD của rơm rạ Khang Dân, cho thấy sự khác biệt
nhất định về mức độ trật tự trong sắp xếp các đại phân tử của cellulose, pentosan hay hexosan (cường độ pick khác nhau) Chỉ số độ kết tinh của rơm
rạ Khang Dân là 47,6%
Khối lượng riêng trung bình của rơm rạ giống lúa Khang Dân là 0,22
g/cm3, giá trị lớn nhất là 0,27 g/cm3 và giá trị nhỏ nhất là 0,16 g/cm3 Không
có sự khác biệt nhiều giữa khối lượng riêng trung bình của rơm rạ các giống lúa khác nhau Các giá trị khối lượng riêng dao động từ 0,22 đến 0,26 g/cm3
Về thành phần nguyên tố, ngoài các thành phần chính là các nguyên tố như C, H, O, trong rơm rạ còn chứa một lượng khá lớn các chất vô cơ như các kim loại kiềm, kiềm thổ, Si, P, S Ba thành phần chính của rơm rạ là C, O và
Si đều chiếm từ 97,3 đến 99,6 % so với khối lượng rơm rạ, còn các kim loại nhóm I và kim loại kiềm thổ chỉ chiếm hàm lượng rất nhỏ (khoảng 2%)
Thành phần hóa học của rơm rạ được trình bày trên bảng 3.5
Bảng 3.5 Thành phần hóa học của rơm rạ một số giống lúa
Trang 93.2 Tiền xử lý rơm rạ cho quá trình đường hóa bằng enzyme
Hai phương pháp tiền xử lý, là xử lý bằng axit axetic và hydroxit natri không/có bổ sung chất trợ tách loại lignin đã được nghiên cứu, để nâng cao hiệu suất thủy phân bằng enzyme Mục tiêu của tiền xử lý rơm rạ là tách loại các thành phần không phải là carbohydrate ra khỏi rơm rạ, để nâng cao khả năng phản ứng (thủy phân) của chúng Cơ chế và đặc điểm của sự chuyển hóa hóa học và sinh học trong quá trình tiền xử lý và thủy phân, đã được đánh giá qua sản phẩm tạo thành, là thành phần hóa học của đường thu được và bã rắn còn lại sau thủy phân bằng enzyme hoặc hình thái xơ sợi (qua phân tích hình ảnh SEM) và cấu trúc của cellulose trước và sau xử lý Chỉ tiêu đánh giá hiệu quả đường hóa cellulose là hiệu suất đường khử, tức lượng đường khử thu được so với nguyên liệu rơm rạ ban đầu
3.2.1 Tiền xử lý rơm rạ bằng axit axetic
Tiền xử lý bằng axit axetic được tiến hành hai công đoạn: nấu với dung dịch axit axetic không/có bổ sung axit clohydric và trích ly kiềm Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ tiền xử lý (bổ sung chất tách loại lignin là HCl, nhiệt
độ và thời gian xử lý) tới hiệu quả đường hóa carbohydrate bằng enzyme, đã được nghiên cứu để xác lập chế độ công nghệ thích hợp
Ảnh hưởng của HCl (khi bổ sung vào dịch nấu với tỉ lệ (CH3COOH:HCl) trong khoảng từ 100:0 đến 96:4), tới khả năng đường hóa rơm rạ trong quá trình thủy phân bằng enzyme được trình bày trên hình 3.6
Trang 10Tương tự, cũng đã xác định được ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian
xử lý tới hiệu suất đường khử (hình 3.13, 3.14) Đã xác định được nhiệt độ tiền
xử lý thích hợp là khoảng 100oC, thời gian thích hợp là 90 phút
Hình 3.13 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý
đến lượng rơm rạ bị hòa tan (1) và hiệu
suất đường khử (2)
Hình 3.14 Ảnh hưởng của thời gian xử
lý đến lượng rơm rạ bị hòa tan (1) và hiệu suất đường khử (2)
Về sự biến đổi của lignin, có thể thấy trong công đoạn xử lý rơm rạ bằng axit axetic có bổ sung axit clohydric, lignin của rơm rạ bị phân hủy nhưng khó hòa tan và khuếch tán vào dung dịch, vẫn bị kết bám trên bề mặt xơ sợi, tạo thành lớp màng ngăn cản sự tiếp cận của enzyme Kết quả là thủy phân bằng enzyme chỉ cho hiệu suất đường khử 28,0% so với rơm rạ Công đoạn trích ly kiềm tiếp theo đã hòa tan dễ dàng lignin và các chất vô cơ, nâng cao
Trang 1111
được hiệu suất đường khử lên mức 43,1% so với rơm rạ (hình 3.15) Bằng cách tối ưu hóa công đoạn trích ly kiềm theo hiệu suất đường khử, đã lựa chọn được chế độ công nghệ trích ly kiềm thích hợp, với mức sử dụng NaOH là 2,5% so với rơm rạ sau xử lý, nhiệt độ xử lý 70oC, thời gian xử lý 30 phút Lượng lignin bị tách loại sau hai công đoạn xử lý chiếm 84,8% so với khối lượng ban đầu, các chất vô cơ bị tách loại tới 68,1% (hình 3.16)
Hình 3.15 Ảnh hưởng của quá trình trích
ly kiềm đến hiệu suất bột (1) và hiệu suất
đường khử (2)
Hình 3.16 Ảnh hưởng của trích ly kiềm đến mức tách loại các chất vô cơ (1) và
lignin (2) Kết quả nghiên cứu sự biến đổi của các thành phần hóa học cơ bản cho thấy, ở chế độ công nghệ tiền xử lý thích hợp đã được xác lập (tỉ dịch 1:10; bổ sung axit clohydric với tỷ lệ 98:2 theo thể tích; nhiệt độ xử lý 100oC) (hình 3.17) cho thấy, sự chuyển hóa và hòa tan của rơm rạ và các thành phần của rơm rạ (lignin, cellulose, các chất vô cơ) tuân theo quy luật: đều đạt “ngưỡng” hòa tan sau khoảng 90 phút Tổn thất cellulose lớn nhất chỉ vào khoảng < 8%
so với cellulose ban đầu Thông qua phổ XRD đã xác định được, trong quá trình tiền xử lý có khoảng 3,8% cellulose bị phân hủy, trong số đó có 85,5% là cellulose vô định hình và 14,5% là cellulose tinh thể Khoảng 68% lượng các chất vô cơ và 85% lignin bị hòa tan, chủ yếu trong công đoạn trích ly kiềm
Hình 3.17 Sự biến đổi của các thành phần
hóa học của rơm rạ trong quá trình tiền xử lý
bằng axit axetic (1: Rơm rạ; 2: Lignin; 3:
Các chất vô cơ; 4: Cellulose)
Hình 3.18 Phổ XRD của rơm rạ chưa xử
lý (1) và sau tiền xử lý bằng axit axetic
(2)
Trang 1212
3.2.2 Tiền xử lý rơm rạ bằng kiềm ở áp suất khí quyển
Xử lý rơm rạ bằng dung dịch NaOH (nấu xút) và hỗn hợp NaOH +Na2S (nấu sunfat) với mức sử dụng kiềm hoạt tính từ 10 đến 30% so với rơm rạ, (tỉ dịch 1:10, nhiệt độ sôi của dịch nấu (100oC), thời gian 120 phút) cho thấy, mặc
dù thành phần dịch nấu có khác nhau, nhưng ảnh hưởng của chúng đối với sự phân hủy rơm rạ trong quá trình tiền xử lý và đường hóa cellulose có những quy luật tương tự nhau (hình 3.19) Nếu như xử lý bằng nước ở cùng điều kiện chỉ làm cho khoảng 12% rơm rạ bị phân hủy, hòa tan và thu được khoảng 13% đường khử so với rơm rạ ban đầu, thì tăng mức sử dụng kiềm đã thúc đẩy sự chuyển hóa rơm rạ trong quá trình tiền xử lý, đồng thời hiệu quả đường hóa cellulose cũng được cải thiện rõ rệt Khảo sát ảnh hưởng của mức sử dụng kiềm trong khoảng 5-25% so với rơm rạ cho thấy mức sử dụng kiềm hoạt tính thích hợp nhất là khoảng 18-20% so với rơm rạ Ngoài ra, so với nấu xút, nấu sunfat cho hiệu suất đường khử cao hơn 2-3% (hình 3.19)
Dưới tác dụng của các tác nhân tiền xử lý, các thành phần hóa học cơ bản của rơm rạ, như lignin, cellulose, các chất vô cơ bị thay đổi đáng kể, tùy thuộc vào thành phần dịch nấu và điều kiện xử lý Ở mức sử dụng kiềm hoạt tính 18-20% so với rơm rạ, có tới 93-95% và 86-88% lignin bị tách loại tương ứng khi nấu sunfat và xút Lượng các chất vô cơ bị tách loại khi nấu sunfat và xút lần lượt làn 85% và 81% Như vậy, so với phương pháp tiền xử lý rơm rạ bằng axit axetic, tiền xử lý bằng kiềm có khả năng tách loại các chất vô cơ hiệu quả hơn hẳn Với mức sử dụng kiềm 18%, quá trình tiền xử lý rơm rạ bằng kiềm đã tách loại gần như toàn bộ các chất vô cơ có trong rơm rạ, tạo điều kiện tốt cho enzyme tiếp cận và thủy phân cellulose Cảm quan cho thấy,
so với tiền xử lý bằng axit axetic và axit clohydric, rơm rạ sau xử lý bằng kiềm
có màu sáng hơn, xơ sợ vụn ít hơn và dai hơn
Hình 3.19 Ảnh hưởng của mức sử dụng
kiềm hoạt tính tới hiệu suất bột xút (1)
và bột sunfat (2); hiệu suất đường khử từ
bộ xút (3) và bột sunfat (4)
Hình 3.20 Ảnh hưởng của mức sử dụng kiềm hoạt tính tới mức tách loại lignin khi nấu sunfat (1) và nấu xút (2)
Hình 3.21 Ảnh hưởng của mức sử dụng kiềm đến mức tách loại các chất vô cơ khi nấu xút (1) và nấu sunfat (2)
