LUẬN án TS nghiên cứu chuyển hóa rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrat thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học

75 Bảng 3.2 Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy phân rong nâu bởi các lượng enzyme Cellic HTech2 khác nhau .... 81 Bảng 3.3 Kết quả xác định hàm lượng đư

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả được nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất

kỳ công trình nào khác

Hà Nội, 2015

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận án này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ quý báu của các thầy cô giáo, các nhà khoa học thuộc nhiều lĩnh vực cùng đồng nghiệp và bạn bè

Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Ngô Quốc Anh và PGS.TS

Đỗ Quang Kháng đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành bản luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Hóa Học, Phòng Quản lý Tổng hợp, anh chị em phòng Công nghệ Vật liệu và Môi trường – Viện Hóa Học các đồng nghiệp trong và ngoài Viện đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi thực hiện luận án và hoàn thành mọi thủ tục cần thiết

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân và bạn bè đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận án

MỤC LỤC

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1- TỔNG QUAN 3

1.1 VAI TRÒ VÀ TIỀM NĂNG CỦA ETHANOL SINH HỌC 3

1.1.1 Vai trò của ethanol sinh học 3

1.1.2 Tiềm năng sản xuất ethanol sinh học 5

1.1.3 Sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học 6

1.1.4 Các nguyên liệu thường dùng để sản xuất ethanol ngày nay 6

1.1.5 Lên men sản xuất ethanol 10

1.2 RONG BIỂN 12

1.2.1 Giới thiệu chung 12

1.2.2 Hình thái - Phân loại các loài rong biển ở Việt Nam 12

1.2.3 Phân bố, khai thác sản xuất rong biển 14

1.2.4 Tổng quan về rong nâu 16

1.3 PHẾ THẢI NÔNG NGHIỆP: RƠM, RẠ Ở VIỆT NAM 23

1.3.1 Phế thải nông nghiệp 23

1.3.2 Thành phần hóa học của phế thải nông nghiệp 23

1.4 VI SINH VẬT TRONG XÚC TÁC QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN 29

1.4.1 Vi sinh vật 29

1.4.2 Xúc tác sinh học trong quá trình thủy phân 31

1.5 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC THUỘC LĨNH VỰC CỦA LUẬN ÁN 39

1.5.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 39

1.5.2 Các nghiên cứu trong nước 43

Chương 2 - NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 47

2.1 NGUYÊN VẬT LIỆU 47

2.1.1 Các nguyên vật liệu chứa cellulose 47

2.1.2 Các chủng vi sinh 48

2.1.3 Hóa chất 50

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 51

2.2.1 Phương pháp hypoclorit tách cellulose từ rơm rạ 51

2.2.2 Phương pháp xác định độ ẩm của rong biển khô 52

2.2.3 Xác định protein tổng số bằng phương pháp Kieldahl 52

2.2.4 Phương pháp xác định hàm lượng tro 53

2.2.5 Xác định hàm lượng lipid tổng số bằng phương pháp Folch 54

2.2.6 Phương pháp định lượng đường khử theo phương pháp acid dinitrosalicylic (DNS) 55

2.2.7 Phương pháp tiền xử lý phế thải rong nâu 57

2.2.8 Phương pháp xử lí số liệu 60

2.3 XÂY DỰNG QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU 61

2.3.1 Quy trình thủy phân carbohydrate trong rong nâu và phế thải nông nghiệp 61

2.3.2 Quy trình dự kiến lên men dịch đường tạo ethanol sinh học 64

2.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình thủy phân carbohydrate trong rong nâu 65

2.3.4 Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình lên men tạo ethanol 70

Chương 3- KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 75

3.1 Nghiên cứu và chuẩn bị nguyên vật liệu sản xuất nhiên liệu sinh học 75

3.1.1 Xác định hàm lượng carbohydrate trong rong nâu thu tại Nha Trang và Hải Phòng 75

3.1.2 Xác định hàm lượng cellulose tách từ rơm rạ 76

3.1.3 Nghiên cứu thu nhận xúc tác sinh học cho sản xuất bioethanol 78

3.2 Nghiên cứu quá trình thủy phân carbohydrate từ các nguồn nguyên liệu thành saccharide hòa tan 81

3.2.1 Thủy phân carbohydrate trong rong nâu 81

3.2.2 Nghiên cứu thủy phân cellulose tách chiết từ rơm rạ 91

3.2.3 Đánh giá chung về quá trình thủy phân chuyển hóa carbohydrate trong rong biển, phế thải nông nghiệp thành đường 106

3.3 Nghiên cứu quá trình lên men các sản phẩm trung gian hòa tan 108

3.3.1 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men rong nâu và phế thải nông nghiệp 110

3.3.2 Nghiên cứu lên men bằng sản phẩm trung gian glucose từ quá trình thủy phân rơm rạ bởi chủng Saccharomyces cerevisiae V7028 116

3.4 Chuyển hóa phế thải rong nâu thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học kết hợp với acid 118

3.4.1 Hàm lượng cellulose có trong phế thải rong nâu sau quá trình tách alginate 118 3.4.2 Hiệu quả quá trình thủy phân và lên men 119

Nhận xét 120

KẾT LUẬN 126

CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 128

TÀI LIỆU THAM KHẢO 130 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

8 FAO Food and Agriculture Organization

9 HPLC High performance liquid chromatography

11 IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry

12 NADH Nicotinamide adenine dinucleotide

15 SHF Separate hydrolysis and fermentation

16 SPSS Statistical Package for the Social Sciences

17 SSF Simultaneous saccharification and fermentation

18 UV – VIS Ultraviolet–visible spectroscopy

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tính chất hoá lý quan trọng của một số nhiên liệu 4

Bảng 1.2 Sản lượng ethanol trên thế giới 6

Bảng 1.3 Một số dự án sản xuất ethanol tại Việt Nam 7

Bảng 1.4 Các dạng carbohydrate trong 3 ngành rong biển 14

Bảng 1.5 Thành phần hóa học của phế thải nông nghiệp (%) 23

Bảng 1.6 Cellulose tinh khiết trong nguyên liệu 24

Bảng 1.7 Vi sinh vật phân huỷ lignocellulose 31

Bảng 2.1 Các loài rong nâu được thu hái để nghiên cứu 48

Bảng 2.2 Các chủng vi sinh vật để thủy phân cellulose 49

Bảng 2.3 Các chủng vi sinh vật cho lên men ethanol 49

Bảng 2.4 Các hóa chất được sử dụng trong luận án 50

Bảng 2.5 Mật độ quang của dãy dung dịch chuẩn glucose theo phương pháp DNS 57

Bảng 3.1 Kết quả xác định thành phần sinh hóa của 4 loài rong nâu 75

Bảng 3.2 Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy phân rong nâu bởi các lượng enzyme Cellic HTech2 khác nhau 81

Bảng 3.3 Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy phân rong nâu bởi enzyme Cellic HTech2 ở các giá trị pH khác nhau 83

Bảng 3.4 Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy phân rong nâu bởi enzyme Cellic HTech2 ở các nhiệt độ khác nhau 85

Bảng 3.5 Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành tại các thời điểm khác nhau trong quá trình thủy phân rong nâu bởi enzyme Cellic HTech2 87

Bảng 3.6 Kết quả xác định hàm lượng đường khử trong dịch thủy phân rong nâu đã qua xử lí acid kết hợp với enzyme Cellic HTech2 89

Bảng 3.7 Kết quả xác định hàm lượng cellulose và glucose tại các thời điểm

khác nhau trong quá trình thủy phân cellulose bởi dịch lên men của

chủng vi khuẩn C32 92Bảng 3.8 Kết quả xác định hàm lượng cellulose và glucose tại các thời điểm

khác nhau trong quá trình thủy phân cellulose bởi dịch lên men của

chủng vi khuẩn C36 92Bảng 3.9 Kết quả xác định hàm lượng cellulose và glucose tại các thời điểm

khác nhau trong quá trình thủy phân cellulose bởi dịch lên men

của chủng vi khuẩn Hud 4-1 93Bảng 3.10 Kết quả xác định hàm lượng cellulose và glucose tại các thời điểm

khác nhau trong quá trình thủy phân cellulose bởi dịch lên men

của chủng xạ khuẩn 7P 93Bảng 3.11 Kết quả xác định hàm lượng cellulose và glucose tại các thời điểm

khác nhau trong quá trình thủy phân cellulose bởi dịch lên men

của chủng nấm A terreus 93

Bảng 3.12 Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulose bởi một

số chủng vi sinh của Việt Nam 94Bảng 3.13 Hiệu suất thủy phân cellulose của các chủng vi sinh 95Bảng 3.14 Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình

thủy phân cellulose bởi dịch enzyme của nấm Aspergillus terreus

tại các thời điểm khác nhau và ở các giá trị pH khác nhau 99Bảng 3.15 Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình

thủy phân cellulose bởi enzyme của nấm Aspergillus terreus tại

nhiệt độ khác nhau 100Bảng 3.16 Ảnh hưởng của lượng cellulose và enzyme ban đầu tới lượng

glucose thu được 101Bảng 3.17 Ma trận kế hoạch thực nghiệm và kết quả 101Bảng 3.18 Xác địnhh giá trị tối ưu cho hàm lượng glucose nhận được 104

Bảng 3.19 Kết quả xác định hàm lượng đường khử trước và sau khi thay đổi

tỷ lệ nấm men trong quá trình lên men bằng chủng nấm men

Saccharomyces cerevisiae V7028 110

Bảng 3.20 Kết quả xác định hàm lượng đường khử trước và sau khi lên men

của nấm Saccharomyces cerevisiae V7028 ở các giá trị pH khác

nhau 113Bảng 3.21 Kết quả xác định hàm lượng đường khử trước và sau khi lên men

bằng nấm Saccharomyces cerevisiae V7028 tại các thời điểm khác

nhau 115Bảng 3.22 Các thông số động học của quá trình lên men ethanolbởi chủng

Saccharomyces cerevisiae V7028 117

Bảng 3.23 Ảnh hưởng của nồng độ acid loãng tới hàm lượng khử tạo thành

trong quá trình thủy phân 119

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Công thức Haworth của hai gốc polymer trong phân tử acid alginic 19

Hình 1.2 Công thức cấu tạo của alginate 19

Hình 1.3 Cấu trúc của alginate 20

Hình 1.4 Cấu trúc hóa học của một loại fucoidan được chiết tách từ rong nâu 21

Hình 1.5 Cấu trúc của một phân đoạn fucoidan 21

Hình 1.6 Cấu trúc của phân tử cellulose và hemicellulose 25

Hình 1.7 Cấu trúc không đồng nhất của phân tử cellulose 26

Hình 1.8 Cấu trúc của lignin 28

Hình 1.9 Đường cong sinh trưởng của vi sinh vật trong nuôi cấy gián đoạn 29

Hình 1.10 Cơ chế thủy phân cellulose 36

Hình 1.11 Sơ đồ thủy phân cellulose bằng hệ enzyme cellulase 36

Hình 1.12 Cơ chế thủy phân glycoside bằng enzyme -glucosidase 37

Hình 1.13 Sơ đồ thiết bị thủy phân bằng phương pháp acid tại Brazil , 39

Hình 2.1 Các mẫu rong nghiên cứu 47

Hình 2.2 Phế thải nông nghiệp (rơm, rạ) trước và sau khi xử lý cơ học 48

Hình 2.3 Phương pháp Hypoclorit tách cellulose từ rơm rạ 51

Hình 2.4 Đường chuẩn tương quan giữa nồng độ glucose và độ hấp thụ 57

Hình 2.5 Sơ đồ thí nghiệm kết hợp thủy phân bằng acid và enzyme 60

Hình 2.6 Sơ đồ quá trình thủy phân carbohydrate trong rong nâu 61

Hình 2.7 Sơ đồ quá trình thuỷ phân carbohydrate trong phế thải nông nghiệp 63

Hình 2.8 Quy trình dự kiến sản xuất ethanol 64

Hình 2.9 Sơ đồ thí nghiệm xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân 66

Hình 2.10 Sơ đồ thí nghiệm kết hợp thủy phân bằng acid và enzyme 70

Hình 2.11 Sơ đồ xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men tạo ethanol.

71Hình 3.1 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng carbohydrate trong 4 loài rong nâu thu tại

Hải Phòng và Nha Trang 76Hình 3.2 Ảnh cellulose tách được từ rơm, rạ (trái) và phổ IR của cellulose thu

được (phải) 77Hình 3.3 Ảnh của một số chủng vi sinh vật và vòng phân giải của chúng 79Hình 3.4 Chủng Saccharomyces cerevisiae V7028 do phía Nga chuyển giao 79Hình 3.5 Ảnh các hạt xúc tác tạo thành từ các chủng vi sinh vật được cố định trên

PVA (trái) và hình ảnh sử dụng các tế bào cố định này để thủy phân cellulose thành glucose (phải) 80Hình 3.6 Tế bào nấm men cố định trên PVA (trái) và tế bào nấm men cố định

trên PVA tham gia vào lên men ethanol (bên phải) 81Hình 3.7 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy

phân rong nâu bởi các lượng enzyme Cellic HTech2 khác nhau 82Hình 3.8 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy

phân rong nâu bởi enzyme Cellic HTech2 ở các giá trị pH khác nhau 84Hình 3.9 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy

phân rong nâu bởi enzyme Cellic HTech2 ở các nhiệt độ khác nhau 85Hình 3.10 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử tạo thành tại các thời điểm

khác nhau trong quá trình thủy phân rong nâu bằng enzyme Cellic HTech2 87Hình 3.11 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử trong dịch thủy phân rong nâu

đã qua xử lí acid kết hợp với enzyme Cellic HTech2 90Hình 3.12 Sơ đồ quá trình thủy phân cellulose bằng dịch enzyme của các chủng vi

sinh vật 92Hình 3.13 So sánh thủy phân cellulose bằng các chủng vi sinh 94Hình 3.14 Hiệu suất thủy phân cellulose thành glucose bằng các chủng vi sinh 95Hình 3.15 Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulosebằng enzyme

cellulase của nấm A terreus 96

Hình 3.16 Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulosebằng enzyme

cellulase của vi khuẩn C32 97Hình 3.17 Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulosebằng enzyme

cellulase của xạ khuẩn 7P 97Hình 3.18 Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulosebằng enzyme

cellulase của vi khuẩn Hud 4-1 97Hình 3.19 Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulosebằng enzyme

cellulase của vi khuẩn C36 98Hình 3.20 Ảnh hưởng của pH tới hàm lượng glucose tạo thành trong quá trình

thủy phân cellulose bằng chủng nấm Aspergillus terreus 99Hình 3.21 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng glucose tạo thành trong quá

trình thủy phân cellulose bằng nấm A terreus 100Hình 3.22 Đồ thị xác định giá trị tối ưu của glucose thu được từ quá trình thủy

phân cellulose 105Hình 3.23 Cơ chế chuyển hóa đường thành ethanol 110Hình 3.24 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử còn lại khi thay đổi tỷ lệ nấm

men trong quá trình lên men bằng chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae V7028 111Hình 3.25 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử còn lại sau khi lên men của

nấm Saccharomyces cerevisiae V7028 ở các giá trị pH khác nhau 114Hình 3.26 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử còn lại sau khi lên men bằng

Saccharomyces cerevisiae V7028 tại các thời điểm khác nhau 115Hình 3.27 Sự biến đổi các thành phần trong quá trình lên men ethanol bằng chủng

Saccharomyces cerevisiae V7028 (của Nga) 117Hình 3.28 Ảnh hưởng của nồng độ acid loãng đến hàm lượng đường trong quá

trình thủy phân phế thải rong 120

MỞ ĐẦU

Nền kinh tế thế giới cho đến nay phụ thuộc rất nhiều vào nhiên liệu hóa thạch, nhu cầu năng lượng cũng không ngừng gia tăng theo sự phát triểnkinh tế - xã hội, an ninh quốc phòng của mỗi quốc gia Theo tính toán của cácchuyên gia năng lượng, dầu mỏ và khí đốt hiện chiếm khoảng 60-80% cán cân nănglượng thế giới Với tốc độ tiêu thụ năng lượng như hiện nay và trữ lượng dầu mỏhiện có, nguồn năng lượng này sẽ nhanh chóng bị cạn kiệt trong vòng 40-50 năm tới Hơn nữa, các chất đốt hóa thạch làm tăng lượng carbon dioxide trong khíquyển, là một trong những nguyên nhân làm nhiệt độ trái đất ngày càng nóng lên, đây là một vấn đề

mànhiều tổ chức, quốc gia muốn tìm cách hạn chế trong nhiều năm qua Do đó, nhiệm vụ tìm kiếm nguồn thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đã được đặt ra trong gần nửa thế kỷ qua và ngày càng trở nên cấp thiết

Một trong những hướng đi để giải quyết nhiệm vụ này là sản xuất nhiên liệu sinh học bằng cách sử dụng sinh khối, tức là các vật liệu có nguồn gốc hữu cơ để đốt trực tiếp, nhằm tạo ra nhiệt năng, điện năng hoặc chuyển hóa sang các chất mang năng lượng dạng khí hoặc nhiên liệu lỏng Nhiên liệu sinh học được sản xuất

từ thực vật và phế thải ví dụ như: các loại cây nông nghiệp, chất thải đô thị hay phụ phẩm nông lâm nghiệp [35]

Ethanol có thể được sản xuất từ thực vật bao gồm đường, tinh bột và lignocellulose Ethanol được sản xuất từ những vật liệu như đường và tinh bột được coi như là thế hệ đầu tiên của nhiên liệu sinh học Phần lớn nhiên liệu sinh học ngày nay trên thế giới là từ thế hệ đầu tiên Tuy nhiên, việc sử dụng các nguyên liệu thế

hệ này dẫn đến nhiều vấn đề nảy sinh bao gồm an ninh lương thực và việc thay thế đất nông nghiệp do nhu cầu về nhiên liệu sinh học ngày càng cao [104]

Thế hệ thứ hai của nhiên liệu sinh học là sử dụng phế thải có chứa cellulose làm nguyên liệu do có số lượng lớn và chi phí thấp Việc sử dụng các phế thải có thể làm giảm đáng kể áp lực về nhu cầu đất đai và đáp ứng nhu cầu nhiên liệu sinh học trên thế giới [96] Hiện tại, nguyên liệu được nghiên cứu trong sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai phần lớn là phế thải nông nghiệp từ vụ mùa, thực vật tươi hoặc đã qua chế biến [52], rơm rạ [102], ngô mía [111] với hàm lượng hemicellulose cao [72] Trong nguồn nguyên liệu có nguồn gốc từ biển,

Sargassum là loại rong nâu được sử dụng trong sản xuất alginate, mannitol Việc

sử dụng các loài rong như một nguyên liệu thay thế để sản xuất nhiên liệu sinh học

đã được nghiên cứu [123] Tuy nhiên vẫn còn rất ít các nghiên cứu về việc dùng rong nâu làm nguyên liệu sản xuất ethanol Trong khi đó, hàng năm một lượng lớn các phế thải rong được tạo ra từ công nghiệp sản xuất alginate, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do khả năng tái chế thấp Các phế thải rong từ ngành công nghiệp chế biến rong nâu có hàm lượng cellulose cao, hàm lượng hemicellulose và lignin thấp Vì vậy nó có tiềm năng cao trong quy trình chuyển hóa thành ethanol sinh học

Từ tình hình thực tế trên, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu chuyển hóa rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrate thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học” làm đề tài nghiên cứu cho luận án của mình

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là:

 Xác định được thành phần lý hóa, sinh của rong biển và phế thải nông nghiệp, lựa chọn được loài rong biển có hàm lượng carbohydrate cao cho quá trình nghiên cứu luận án

 Xác định được các điều kiện tối ưu để chuyển hóa carbohydrate từ rong biển và phế thải nông nghiệp thành ethanol sinh học

Để thực hiện được các mục tiêu trên, các nội dung nghiên cứu đã được thực hiện bao gồm:

1 Xác định hàm lượng carbohydrate trong các rong nâu và trong phế thải nông nghiệp

2 Xác định các điều kiện tối ưu của quá trình thủy phân rong nâu bằng acid

sulfuric loãng kết hợp với enzyme Cellic HTech2

3 Lựa chọn các chủng vi sinh vật thủy phân rơm, rạ thành các sản phẩm trung gian sau đó nghiên cứu xây dựng quy trình thủy phân tối ưu

4 Xác định điều kiện tối ưu trong quá trình lên men ethanol từ dịch thủy phân của rong biển và phế thải nông nghiệp

5 Đánh giá hiệu quả của các quá trình chuyển hóa carbohydrate từ rong biển

và phế thải nông nghiệp thành ethanol sinh học

Chương 1- TỔNG QUAN 1.1 VAI TRÒ VÀ TIỀM NĂNG CỦA ETHANOL SINH HỌC

1.1.1 Vai trò của ethanol sinh học

Hiện nay, các nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, ước tính trữ lượng dầu mỏ của thế giới đến năm 2050 sẽ cạn Trong khi đó, hoạt động sống của con người rất cần năng lượng Mặt khác, nguồn năng lượng hóa thạch đã gây ra các vấn đề nghiêm trọng về ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính Chính vì vậy, nhu cầu về nguồn nguyên liệu thay thế cho xăng dầu đang là vấn đề cấp thiết cho toàn thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng Việc đầu tư nghiên cứu “nhiên liệu sạch”- nhiên liệu sinh học ethanol sinh học đang trở thành đề tài được quan tâm hàng đầu trên thế giới [18]

Nhiên liệu sinh học là nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật trong đó bao gồm: ngũ cốc, chất thải nông nghiệp, sản phẩm thải trong công nghiệp Nhiên liệu sinh học được biết đến với nhiều lợi thế: là một trong những biện pháp giảm thiểu hiện tượng nóng lên toàn cầu, giúp các quốc gia chủ động, không bị lệ thuộc vào vấn đề nhập khẩu nhiên liệu, đặc biệt đối với các quốc gia không có nguồn dầu mỏ và than đá, ổn định tình hình năng lượng cho thế giới [7] Nhiên liệu sinh học có thể được phân loại thành các nhóm chính như sau:

- Diesel sinh học (Biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có thể sử dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống

- Xăng sinh học (Biogasoline) là loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử dụng ethanol như một loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay cho phụ gia chì Ethanol được sản xuất thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, cellulose, lignocellulose Ethanol được pha chế với tỷ lệ thích hợp với xăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thế loại xăng sử dụng phụ gia chì truyền thống

- Khí sinh học (Biogas) có thành phần chủ yếu là CH4 (50-60%) và CO2

(>30%) còn lại là các chất khác như hơi nước, O2, N2, CO Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ, phế thải nông nghiệp tạo thành sản phẩm dạng khí

Cho tới nay, ethanol sinh học được coi là nguồn năng lượng thay thế số một cho dầu mỏ [8] Để chứng minh rằng, ethanol thực chất có thể làm nhiên liệu thay

thế xăng, có thể xem xét một số tính chất quan trọng của dung môi này [18]

- Tính chất hóa lý của ethanol:

Ethanol (C2H5OH) là một chất lỏng không màu, sôi ở 78,3oC và là một dung môi hữu cơ đa dụng, có thể sản xuất từ dầu khí thông qua phản ứng hydrat hóa ethylene (ethanol tổng hợp, không sử dụng vào mục đích năng lượng) hoặc từ nguyên liệu sinh học (ethanol sinh học, sử dụng chủ yếu vào mục đích năng lượng)

Ethanol sinh học có khả năng thay thế hoàn toàn xăng sản xuất từ dầu mỏ hoặc

có thể pha trộn với xăng để tạo ra xăng sinh học Xăng sinh học là hỗn hợp của xăng truyền thống và ethanol sinh học (bio-ethanol), được sử dụng làm nhiên liệu cho các loại động cơ đốt trong như xe gắn máy, ôtô Được ghi danh bằng kí tự E kèm theo một con số chỉ số % của ethanol sinh học được pha trộn trong xăng đó

Trên thị trường người ta thường gặp các loại xăng sinh học như E5, E20, E95 tức là xăng chứa 5%, 20%, 95% ethanol

Công thức hóa học của ethanol: C2H5OH, CH3-CH2-OH, viết tắt là C2H6O Ethanol là một loại nhiên liệu thay thế, được sản xuất bằng phương pháp lên men

và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn, như bắp, lúa mì, lúa mạch, mía, củ cải đường, sắn, các phế phẩm nông nghiệp Ngoài ra, ethanol còn được sản xuất từ cây, cỏ có chứa cellulose, gọi là ethanol sinh học

- Các phản ứng quan trọng của ethanol:

Phản ứng đốt cháy (Combustion) C2H5OH + 3 O2  2 CO2 + 3 H2O Lên men (Fermentation) C6H12O6  2 C2H5OH + 2 CO2

Để thấy rằng ethanol có bản chất là nguyên liệu có thể so sánh các chỉ số đặc trưng với một số nhiên liệu khác (bảng 1.1)

Bảng 1.1 Tính chất hoá lý quan trọng của một số nhiên liệu

Nhiên liệu Ethanol Xăng Hydrogen Diesel Benzen Điểm sôi, °C 78,39 35-195 - 252,6 180-360 80,1

Tỷ trọng, d420, g/ml 0,79

0,70-0,78

70,8 (lỏng) 0,79-0,86 0,876

Nhiệt cháy ở 25°C, kJ/g 29,8 26,0 141,9 45,0

Nhiệt độ tự bốc cháy,°C 422,8 246°C 571°C 210°C 534 Giới hạn cháy trong

không khí:

- Dưới, vol%

- Trên, vol%

4,3 19,0

1,4 7,6

4,0 75,0

1,3 7,1

1.1.2 Tiềm năng sản xuất ethanol sinh học

Ethanol sinh học trộn với xăng chế biến từ dầu thô để chạy xe Sản xuất đủ ethanol thì thế giới sẽ giải quyết được vấn đề về năng lượng Ngoài ra ethanol khi cháy thải ít khí nhà kính vào bầu khí quyển hơn là xăng chế biến từ dầu mỏ [8]

Ethanol là chất phụ gia để tăng trị số Octan (trị số đo khả năng kích nổ) và giảm khí thải độc hại của xăng Trong chính sách năng lượng của mình, từ khối EU đến Mỹ, Trung Quốc, Australia, Nhật Bản… đều chú trọng đến ứng dụng ethanol

Bên cạnh đó, thế giới đang lo ngại trữ lượng dầu mỏ toàn cầu đang có nguy

cơ bị cạn kiệt Trữ lượng dầu mỏ trên thế giới, qua nhiều thăm dò và nghiên cứu của những cơ quan khác nhau như: Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (1997), Báo Washington Post (1996), Kỷ yếu Năng lượng quốc tế 1998 (International Energy Annual), Phòng thống kê LHQ (1994) kết luận là trữ lượng dầu thô hiện chiếm vào khoảng 1.000 tỷ thùng (barrel) (1 barrel = 42 Gallon = 159 lít = 0,16 m3) Cũng theo ước tính của Cơ quan Địa chất Hoa Kỳ (US GS) thì với trữ lượng này, nhân loại chỉ

có triển vọng sử dụng trong vòng 50 năm tới mà thôi

Ethanol đã được điều chế từ gạo, nếp, bắp từ hàng ngàn năm trước qua

sự lên men rượu do vi khuẩn [9] Hiện nay, với nhu cầu giải quyết nạn khan hiếm năng lượng xăng dầu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường, ethanol quả thật là một nhu cầu cấp bách cho thế giới Ngoài ra, sự có mặt của ethanol trong xăng không chỉ giảm thiểu được một phần lượng xăng nhập khẩu mà còn góp phần không nhỏ vào việc giảm thiểu lượng lớn khí thải độc hại ra môi trường, hạn chế ô nhiễm môi trường, góp phần tăng khả năng đảm bảo an ninh năng lượng của một quốc gia, nhất

là các quốc gia không có nguồn dầu mỏ [5]

1.1.3 Sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học

Có thể nói, chương trình sản xuất nhiên liệu sinh học (ethanol) đang được thực hiện hoặc được chuẩn bị và sẵn sàng tại nhiều nước trên thế giới

Sản lượng ethanol trên thế giới trong những năm gần đây được trình bày trong bảng sau:

Bảng 1.2 Sản lượng ethanol trên thế giới

Châu Á/ Thái Bình Dương 2,753 2,927 3,115 3,520 3,965

1.1.4 Các nguyên liệu thường dùng để sản xuất ethanol ngày nay

Dựa vào nguyên liệu sản xuất, nhiên liệu ethanol sinh học được chia làm 2 thế hệ:

Thế hệ I:

Thế hệ I được sản xuất từ các nguồn tinh bột như ngô, sắn, mía đường trong

đó chủ yếu là tinh bột chứa amylose và một phần nhỏ là amylopectin Tinh bột gồm amylose (10-20%) và amylopectin (80-90%) [9]

Amylose

Amylose là polymer mạch thẳng của -D-glucose với liên kết -(1→4) có cấu trúc chặt chẽ

Amylopectin

Amylopectin là polymer mạch thẳng, đa nhánh của glucose với liên kết

-(1→4) Các mạch nhánh được tạo bởi các liên kết -(1→6) Khoảng từ 24 đến 30 glucose lại có một liên kết mạch nhánh

Tình hình sản xuất ethanol sinh học từ mía, đường

Ngày 20/11/2007, Thủ tướng chính phủ đã ban hành quyết định số 177/2007/QĐ-TT về việc phê duyệt đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm

2015, tầm nhìn đến năm 2025 nhằm mục tiêu “phát triển nhiên liệu sinh học, một dạng năng lượng mới tái tạo được để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần đảm bảo an ninh lương thực và bảo vệ môi trường” Trong 2-3 năm gần đây, việc sản xuất ethanol làm nhiên liệu đã được quan tâm với nhiều góc độ khác nhau về nghiên cứu cũng như sản xuất

Bảng 1.3: Một số dự án sản xuất ethanol tại Việt Nam

Nhà máy Ethanol Phú Thọ 100 triệu lít/năm 1.600 tỉ đồng 240 ngàn tấn sắn lát/năm Nhà máy Bio-ethanol Dung Quất 100 triệu lít/năm 1.600 tỉ đồng 240 ngàn tấn sắn lát/năm Nhà máy Bio-ethanol Bình Phước 100 triệu lít/năm 1.600 tỉ đồng 240 ngàn tấn sắn lát/năm Nhà máy Ethanol Đại Tân 125 triệu lít/năm > 900 tỉ đồng 300 ngàn tấn sắn lát/năm

Tính đến cuối năm 2012, năng lực sản xuất ethanol nhiên liệu của cả nước đạt

535 triệu lít/năm, đủ để phối trộn 8,35 triệu tấn xăng E5 (5% ethanol) hoặc 4,17 triệu tấn xăng E10 (10% ethanol), đảm bảo đủ cung cấp cho thị trường cả nước Theo lộ

trình đã được Chính phủ phê duyệt, xăng sinh học E5 sẽ được phép pha trộn và tiêu thụ tại 7 tỉnh, thành phố như Hà Nội, Hải Phòng, TPHCM, Cần Thơ, Đà Nẵng, Bà Rịa - Vũng Tàu và Quảng Ngãi từ cuối năm 2014 Từ 1/12/2015 xăng E5 sẽ tiêu thụ đại trà trên cả nước Điều này sẽ giúp các nhà sản xuất ethanol có được đầu ra

Vào năm 2007, khi các dự án sản xuất nhiên liệu sinh học được lập, giá sắn lát chỉ khoảng 1.200-1.500 đ/kg, đến năm 2011 giá sắn lát đã tăng lên 5.500- 5.800 đ/kg Năm 2012 giá có giảm chút ít những vẫn khoảng 4.000-4.700 đ/kg Nếu mỗi lít ethanol cần khoảng 2,4 kg sắn lát thì riêng giá vốn cho nguyên liệu chính đã là 11.280 đồng, cộng thêm các chi phí khác như: điện, phụ phẩm, lương lao động, khấu hao máy móc, lãi vay giá thành làm ra một lít ethanol khoảng 18.000-19.000 đồng/lít

Các công ty hiện nay chỉ đầu tư xây dựng các nhà máy sản xuất ethanol sinh

học thế hệ I, sản xuất ethanol từ lương thực sắn, mía đường Như vậy, chúng ta chỉ

đầu tư vào những công nghệ đã lạc hậu trên thế giới Điều này không chỉ lạc hậu về mặt khoa học công nghệ và còn tác động xấu tới chiến lược an ninh lương thực Quốc gia

Thế hệ II

Thế hệ II được sản xuất từ sinh khối thực vật như các phế thải nông nghiệp của các loại thân cây lúa, ngô, lúa mỳ Lignocellulose là thành phần chính cấu tạo nên sinh khối thực vật, chủ yếu bao gồm cellulose, hemicellulose, lignin Thí dụ, trong sinh khối của thực vật như gỗ, cellulose có từ 30-50%, hemicellulose – 23-

32% và lignin – 15-25% Hemicellulose gồm có Xylan (hemicellulose A) [5]

Cellulose

Cellulose là hợp chất cao phân tử được cấu tạo từ các liên kết các mắt xích

β-D-Glucose

Xylan (hemicellulose A)

Xylan – polymer mạch thẳng của D-xylose với liên kết -(1 4)

Arabinoxylan (hemicellulose B) có mạch phân nhánh

Thế hệ III

Rong biển bao gồm 3 ngành rong: Lục, Đỏ và Nâu Rong Đỏ chứa chất xơ fibrin khoảng 15-25%, galactan khoảng 50-70%, protein dưới 15% và lipid dưới 7% tổng trọng lượng khô Rong Lục chứa chất xơ fibrin khoảng 5%, tinh bột 40-50% Rong nâu chứa acid alginic khoảng 30-40% [15] Agar là 1 polymer galactose có thể chuyển thành đường galactose và 3,6-anhydrogalactose Fibrin gồm cellulose Tinh bột là một polysaccharide của glucose, chất được tổng hợp từ carbohydrate ở trong lục lạp của thực vật và được dự trữ trong tế bào chất [6] Galactose và Glucose có thể sử dụng như cơ chất cho quá trình lên men ethanol nhiên liệu Quá trình đường hóa sẽ cho galactose, 3,6-anhydrogalactose, glucose, frucose…

Lựa chọn loại nguyên liệu nào phù hợp để sản xuất ethanol tùy thuộc vào điều kiện đất đai, khí hậu, chính sách phát triển của mỗi quốc gia Các nguyên liệu chủ lực để sản xuất ethanol ở các nước như sau: Mỹ: bắp, Brazil: mía, Pháp:

củ cải đường, Ấn Độ: mía, Việt Nam: sắn Tính theo diện tích canh tác, hiệu quả sản xuất ethanol từ củ cải đường cao nhất, có thể đạt 7.000 lít/ha, kế đến là mía

và bắp Tuy nhiên, sẽ thu được nhiều ethanol hơn khi lên men từ ngô, gần 400 lít/tấn hạt, trong khi củ cải đường chỉ đạt 100 lít/tấn Dầu diesel sinh học được chế biến từ dầu thực vật và mỡ động vật Vì vậy, nhiều nước đã tiến hành nghiên cứu trồng các loài cây nông, lâm nghiệp để cung cấp nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học

Các loài cây sau đây đang được sử dụng để cung cấp nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học Với ưu thế về diện tích canh tác, Mỹ sử dụng ngô để sản xuất ethanol Ấn Độ dùng cây Cọ dầu và Jatropha curcas L để sản xuất diesel sinh học

Uỷ ban phát triển nhiên liệu sinh học của Ấn Độ đề nghị trồng Cọ dầu trên diện tích 11,2 triệu ha đất thoái hoá, đất bỏ hoang và các loại đất khác

Từ năm 1975 Brazil đã có kế hoạch dùng mía làm nguyên liệu sản xuất cồn thay thế xăng và khuyến khích sử dụng nhiên liệu sinh học bằng các biện pháp như:

sử dụng xăng để chạy xe phải pha một tỷ lệ ethanol nhiên liệu, đầu tư trồng và cải tạo giống mía để sản xuất nhiên liệu sinh học, cải tiến công nghệ sản xuất

ethanol, nghiên cứu sản xuất ô tô chạy bằng ethanol, miễn giảm thuế sản xuất và tiêu thụ ethanol [8]

Các nước EU sử dụng đậu tương, hạt cải dầu và dầu mỡ phế thải từ động, thực vật để sản xuất nhiên liệu sinh học

Thuỵ Điển dự kiến sau 2020, ethanol sinh học từ cellulose sẽ thay thế toàn

bộ nhiên liệu hoá thạch nhằm chấm dứt phụ thuộc vào dầu mỏ

Cách đây không lâu tại Indonesia chiếc xe ô tô đầu tiên chạy bằng 100% nhiên liệu sinh học chế biến từ hạt cây Jatropha đã hoàn tất cuộc chạy thử 3200 km

ở tỉnh Tây Timor Như vậy, hiện nay trên thế giới cũng như trong khu vực các loài cây mía, sắn thường được dùng để sản xuất ethanol sinh học còn cọ dầu và Jatropha dùng để sản xuất diesel sinh học, trong đó Jatropha đang được quan tâm ở nhiều nước

1.1.5 Lên men sản xuất ethanol

Ở nước ta, trong những năm gần đây, sản lượng lương thực đạt gần 40 triệu tấn/năm, phế thải nông nghiệp ước tính chừng 80 -100 triệu tấn Phế thải nông nghiệp là dạng sinh khối chủ yếu chứa các polysaccharide (cellulose, hemicellulose)

bỏ lãng phí không được sử dụng một cách có hiệu quả [5]

Việc tái sử dụng các loại phế thải này như một nguồn năng lượng tái tạo là một vấn đề có nhiều ý nghĩa trong khi các nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt Một trong các hướng tái sử dụng các loại phế thải chứa các polysaccharide (cellulose, hemicellulose) này (gọi chung là lignocellulose) là lên men chuyển thành nhiên liệu sinh học ethanol thế hệ II

Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu sản xuất ethanol từ sinh khối

Sinh khối là phế thải của nông nghiệp như thân cây ngô, sắn, thân cây lúa mì, mía đang trở thành đối tượng có nhiều tiềm năng để sản xuất ethanol sinh học Thân cây ngô và các loài thân gỗ khác cũng đang được chú ý Thân gỗ các loài thông là loại sinh khối được chú ý nhiều để lên men sản xuất ethanol Đặc biệt, ở Bắc Mỹ

các loài thông (lodgepole pine) Pinus contorta mọc rất nhiều, có thể cao tới 50m,

đường kính đạt 2m cho khối lượng gỗ rất nhiều, nên là nguồn nguyên liệu rất dồi dào để sản xuất ethanol từ sinh khối

Tuy nhiên, việc sản xuất ethanol dựa trên nguyên liệu từ các loài cây trồng nông nhiệp như trên đều ảnh hưởng đến giá lương thực và thực phẩm, nguồn nước ngọt, đất canh tác, cũng như ảnh hưởng đến sự nghèo kiệt và xói mòn đất Để tháo

gỡ vấn đề này, các nhà khoa học đã tìm kiếm và nhận thấy rằng sinh khối rong biển

có thể sử dụng làm nguồn nguyên liệu thay thế để sản xuất ethanol sinh học [8]

Quá trình lên men sản xuất ethanol từ sinh khối rong biển ngoài các khâu tiền xử lý nguyên liệu, gồm 2 giai đoạn chính: Thủy phân nguyên liệu (đường hóa)

“Thủy phân và Lên men riêng biệt” và “Đường hóa và Lên men đồng thời”

Sản xuất ethanol từ sinh khối rong biển có thể thực hiện bằng phương pháp

“Thủy phân và Lên men riêng biệt” (separate hydrolysis and fermentation – SHF) hoặc bằng phương pháp “Đường hóa và Lên men đồng thời” (simultaneous

saccharification and fermentation - SSF) Trong phương pháp “Thủy phân và Lên men riêng biệt” hai giai đoạn: thủy phân (đường hóa) và lên men ethanol được tiến hành nối tiếp nhau trong hai bình phản ứng riêng biệt (thủy phân có thể tiến hành trong bình thứ nhất Sản phẩm của giai đoạn này được chuyển sang bình thứ hai để lên men) hoặc trong cùng một bình phản ứng (khi giai đoạn thủy phân kết thúc thì

bắt đầu giai đoạn lên men) Khi thực hiện phương pháp “Đường hóa và Lên men đồng thời” hai giai đoạn trên được tiến hành đồng thời trong cùng một bình phản ứng (giai đoạn lên men được bắt đầu ngay sau khi sản phẩm của giai đoạn thủy phân hình thành) Một ưu điểm rõ nét nhất của phương pháp “Đường hóa và Lên men đồng thời” là sản phẩm của giai đoạn đầu (glucose sinh ra trong thủy phân nguyên liệu) không tích lũy nhiều trong bình phản ứng, không gây nên hiện tượng

ức chế giai đoạn sau (lên men ethanol)

Đã có nhiều nghiên cứu và thực nghiệm chứng minh rằng phương pháp “Đường hóa và Lên men đồng thời”, trong nhiều trường hợp, có nhiều ưu điểm hơn so với phương pháp “Thủy phân và Lên men riêng biệt”

Nhưng để thực hiện “Đường hóa và Lên men đồng thời” cần chú ý rằng, trong sản xuất nhiên liệu sinh học - ethanol từ sinh khối rong biển, giai đoạn thủy phân có nhiệt độ tối ưu trong khoảng 45 - 50оC Như vậy, để sản xuất nhiên liệu sinh học - ethanol có hiệu quả bằng phương pháp “Đường hóa và Lên men đồng thời”, cần phải lựa chọn các chủng vi sinh vật lên men hoạt động có hiệu lực cao tại

nhiệt độ nêu tối ưu cho giai đoạn thủy phân Các chủng vi sinh vật đáp ứng được

yêu cầu ấy thường là các nấm men chịu nhiệt

1.2 RONG BIỂN

1.2.1 Giới thiệu chung

Việt Nam có hệ động, thực vật vô cùng phong phú, có nhiều nguồn gen qúy hiếm đặc trưng cho khí hậu nhiệt đới nóng ẩm Một trong những điều kiện tạo nên

sự phong phú và giàu có ấy chính là doViệt Nam có vùng biển nhiệt đới với diện tích rộng hơn 3,5 triệu km2 và đường bờ biển dài hơn 3600 km bao bọc hết phía đông và phía nam đất nước Một trong những nguồn tài nguyên phong phú và giàu

có của vùng biển chúng ta chính là rong biển [15]

Rong biển (tên tiếng Anh là marine-alage, marine plant hay seaweed) là thực vật thủy sinh có đời sống gắn liền với nước Chúng có thể đơn bào, đa bào sống thành quần thể, có kích thước hiển vi hoặc có thể dài hàng chục mét Hình dạng có thể là hình cầu, hình sợi, hình phiến lá hay hình thù rất đặc biệt Rong biển thường phân bố

ở các vùng nước mặn, nước lợ, cửa sông, vùng triều sâu, vùng biển cạn Chúng hấp thụ một lượng thức ăn phong phú hay trôi dạt từ lục địa ra Đời sống của rong biển phụ thuộc vào các yếu tố: địa bàn sinh trưởng, nhiệt độ, ánh sáng, độ muối, độ pH, muối dinh dưỡng, khí hòa tan, mức triều, sóng, gió, hải lưu [18]

Trên thế giới, việc nghiên cứu về rong biển đã được tiến hành từ thế kỷ 18, vào thời kỳ đó cũng có những công trình công bố về rong biển thuộc vùng biển Việt Nam Đó là những công trình điều tra, nghiên cứu về sinh thái, sinh học của rong Việc nghiên cứu sử dụng rong biển mới được đẩy mạnh trong thế kỷ 20

1.2.2 Hình thái - Phân loại các loài rong biển ở Việt Nam

So với các nước vùng Đông Nam Á, nước ta thuộc vào nước có nguồn rong biển phong phú và đa dạng Với tổng số gần 800 loài rong tìm thấy ở vùng biển Việt Nam, các tác giả Việt Nam đều cùng một quan điểm xếp chúng vào 4 ngành

trong hệ thống phân loại 10 ngành của Gollerbakh năm 1977: rong Lam Cyanophyta; rong Đỏ Rhodophyta; rong nâu Phaeophyta và rong Lục Chlorophyta

10 ngành rong theo phân loại của Gollerbakh là:

- Rong Lam – Cyanophyta

- Rong Giáp – Pyrophyta

- Rong Vàng ánh – Chrysophyta

- Rong Khuê - Bacillariophyta

- Rong nâu – Phaeophyta

Trong đó, ba ngành có giá trị kinh tế cao là rong Lục, rong nâu, rong Đỏ

Ngành rong Lục: có trên dưới 360 chi và hơn 5.700 loài, nét đặc trưng của

loài rong này là có màu lục, sản phẩm quang hợp là tinh bột Rong có dạng tế bào đơn giản hoặc phức tạp, nhiều tế bào hình phiến hay dạng sợi, chia nhánh hoặc không chia nhánh Trừ một số trường hợp rong chỉ là tế bào trần không có vỏ còn lại đại đa số có vỏ riêng như chất pectin hay cellulose

Ngành rong nâu: Có trên 190 chi, hơn 900 loài, phần lớn sống ở biển,

số chi, loài tìm thấy trong nước ngọt không nhiều lắm Rong có cấu tạo nhiều tế bào dạng màng giả, dạng phiến, dạng sợi đơn giản, một hàng tế bào chia nhánh, dạng ống hoặc phân nhánh phức tạp hơn thành dạng cây có gốc, rễ, lá, thân Rong sinh trưởng ở đỉnh, ở giữa, ở gốc các rong Ngoài ra, do các tế bào rong dạng phiến chia cắt sinh trưởng khuếch tán gọi là sinh trưởng bề mặt

- Ngành rong Đỏ: có 2.500 loài, gồm 400 chi, thuộc nhiều họ, phần lớn sống

ở biển, có cấu tạo từ nhiều tế bào, trừ một số dạng từ một tế bào hay quần thể Rong có dạng hình trụ dẹp dài, phiến chia hoặc không chia nhánh Sinh trưởng chủ yếu ở đỉnh, ở giữa đốt hay phân tán Đặc trưng của loài này là chứa nhiều sắc

tố đỏ

Các dạng carbohydrate trong 3 ngành rong nâu [87] được thể hiện trong bảng sau:

Bảng 1.4 Các dạng carbohydrate trong 3 ngành rong biển

1.2.3 Phân bố, khai thác sản xuất rong biển

Xét về số lượng các loài rong, thì rong lục (Chlorophyta) trên thế giới chủ yếu phân bố tập trung tại Philippin, tiếp theo là Hàn Quốc, kế tiếp là Indonesia, Nhật Bản

và ít hơn là ở Việt Nam với các loài Caulerpa racemosa, Ulva reticulata, Ulva lactuca Ngoài ra, rong lục còn phân bố rải rác ở các nước bao gồm: Achentina,

Bangladesh, Canada, Chile, Pháp, Hawaii, Israel, Italy, Kenya, Malaysia, Myanmar,

Bồ Đào Nha, Thai Lan Rong đỏ (Rhodophyta) phân bố nhiều ở Việt Nam bao gồm

một số loài như: Betaphycus gelatinum, Calaglossa leprieurii, Gelidiella acerosa, Gigartinaintermedia, Gloiopeltis spp., Gracilaria spp., Gracilaria asisatica, Gracilariacoronopifera, Gracilaria eucheumoides, Gracilaria firma, Gracilariaheteroclada, Gracilaria salicornia, Gracilaria tenuistipitata var liui, Hypneamuscoides, Hypnea valentiae, Kappaphycus cottonii, Porphyra crispata, Porphyra suborbiculata, Acanthophora spicifera Sau đó cùng với số lượng loài

tương đương nhau ở Nhật Bản, Chile, Indonesia, Philippin, Canada, Hàn Quốc tiếp theo sau là Thái Lan, Brazil, Pháp, Bồ Đào Nha, Trung Quốc, Hawaii, Myanmar, Nam Phi, ít hơn nữa là Anh, Bangladesh, Caribbe, Ireland, Peru, Tây Ban Nha, Achentina, Ấn Độ, Italy, Malaysia, Mexico, New Zealand, Mỹ, rải rác có mặt ở Iceland, Alaska, Kenya, Madagascar, Kiribati, Ai Cập, Israel, Namibia, Tanzania Rong nâu (Phaeophyta) phân bố nhiều nhất ở Nhật Bản, tiếp theo là Canada, Việt Nam, Hàn Quốc, Alaska, Ireland, Mỹ, Pháp, Ấn Độ, kế tiếp là Chile, Achentina, Brazil, Hawaii, Malaysia, Mexico, Myanmar, Bồ Đào Nha

Hệ thống phân loại Sargassum spp trên thế giới rất phức tạp, năm 1753 ba loài thuộc chi Fucus: Fucus natans, F acinarius và F lendigerus do Linnaeus mô tả lần đầu tiên nay được thay thế bằng chi Sargassum Giữa những năm 1808 đến 1819,

36 loài rong thuộc chi Fucus được mô tả ngày nay cũng được chuyển sang chi Sargassum, năm 1820 J Agardh giới thiệu chi Sargassum với số loài lúc này là 62 loài Sau thời gian đó rất nhiều tác giả khác tiếp tục giới thiệu về Sargassum như

Yendo (1907), Reinbold (1913), Grunow (1915, 1916) và Setchell (1931) Số loài

Sargassum lên đến 230

Năm 1954 Womersley công bố hệ thống phân loại Sargassum của mình ở

Úc, cùng với các tác giả đương thời ở nhiều vùng khác nhau trên thế giới như Phạm Hoàng Hộ của Việt Nam, Chou, Chiang của Taiwan và Ang, Trono của

Philippin [6], đến nay tổng số loài của chi Sargassum đã lên đến hơn 500

Sargassum tại Việt Nam hiện nay có khoảng 70 loài (theo Thực vật chí Việt Nam), số lượng loài Sargassum phân bố trên các nước luôn thay đổi theo các nghiên cứu gần đây nên khó có thể kết luận hiện nay Sargassum phân bố nhiều nhất ở nước

nào Riêng tính đến 1998 thì nhiều nhất là ở Ấn Độ, Philippin và Việt Nam Phân bố

về số loài rong biển tuy đã được tổng kết sơ bộ, tuy nhiên, tuỳ theo diện tích lãnh hải, điều kiện môi trường phát triển, kỹ thuật nuôi trồng khác nhau của các nước mà sản lượng rong biển trên thế giới khác với phân bố các loài rong

Rong biển đã được sử dụng từ rất sớm, khoảng 2700 năm trước công nguyên ở Trung quốc Sze Teu đã viết rằng 600 năm trước công nguyên, rong biển

đã được chế biến thành một món ăn quí dành cho vua chúa [18] Thuốc “trường sinh bất tử” được vị hoàng đế đầu tiên của Trung Hoa là Tần Thuỷ Hoàng sử

dụng vào năm 200 trước Công nguyên đã được khoa học hiện đại chứng minh đó chính là thành phần của rong nâu sau hơn 2000 năm Tại Nhật rong nâu đã được sử dụng làm thức ăn từ thế kỷ thứ V, cuối năm 2001 cơ quan quản lý thực phẩm và dược phẩm đã xem xét và cấp phép cho các sản phẩm thực phẩm chức năng của Nhật được bổ sung thêm thành phần fucoidan để tăng cường hệ miễn dịch, giảm cholesterol, giảm mỡ máu… và trở thành thực phẩm hỗ trợ trị bệnh nan

y phổ biến của nước Nhật [88]

Rong biển đã được dùng làm thực phẩm trên toàn thế giới rất quen thuộc với chúng ta (rong đỏ: agar, carrageenan, rong nâu: alginate), chúng cũng

là nguồn bổ sung dưỡng chất (protein, vitamin, khoáng vi lượng) cho thức ăn nuôi tôm, thức ăn gia súc, được dùng trong công nghiệp dệt, nhuộm, mực in, sơn, hàn điện, lọc và hấp phụ các hợp chất, công nghiệp giấy, trong kỹ thuật nuôi cấy vi sinh, điện di, agar, nó còn là nguyên liệu không thể thiếu cũng như trong công nghiệp nước giải khát và đồ hộp, socola, mỹ phẩm cao cấp (carrageenan), ngoài ra rong biển còn dùng làm chất kích thích sinh trưởng với chất oligo alginate, laminaran (rong nâu) cùng các hợp chất như auxin, gibberelin, cytokinin (trong hầu hết các ngành rong) Rong biển còn được sử dụng chữa trị ung thư theo các bài thuốc gia truyền dưới dạng dùng kết hợp với các thuốc khác [26] và polyphenol trong rong nâu cũng được dùng làm trà chống lão hoá Đặc biệt trong thời gian gần đây tại trung tâm đăng ký phát minh sáng chế của Mỹ đã có qui trình sản xuất biodiesel từ rong

Rong biển thuộc vào loại những tài nguyên quý hiếm, có vai trò quan trọng

và là một trong những nguồn lợi kinh tế lớn trong nền kinh tế biển

1.2.4 Tổng quan về rong nâu

1.2.4.1 Nguồn gốc, đặc điểm

Rong nâu là một trong các loại rong biển, sinh sống ở biển là chủ yếu Rong nâu có nhiều loài, có độ đậm nhạt của màu nâu khác nhau do sự khác nhau về các thành phần sắc tố trong cấu tạo Cây rong sẽ tùy vào từng loại sẽ có độ dài khác nhau nhưng đều là loài rong to, mọc thành bụi, gồm vài chục chính quanh nhánh, nhánh mang phiến có dạng lá, phiến có răng mịn, hầu như các loài rong nâu đều có phao, tuy nhiên số lượng và kích thước của phao khác nhau, hình dạng của phao

là hình cầu hay trái xoan, đường kính của phao nhỏ khoảng 0,5-0,8 mm, phao lớn khoảng 5-10 mm

1.2.4.2 Điều kiện sinh trưởng và phát triển

Là loài mọc ở những vùng biển ấm nóng, trên nền đá vôi, san hô chết, nơi sóng mạnh và nước trong, nhất là ven các đảo Chúng mọc trên tất cả các loài vật bám cứng, trên vách đá dốc cứng, trên các vách đá dốc đứng, các bãi đá tảng Trên các bờ dốc đứng, chúng phân bố thành các đai hẹp ở các mức thủy triều thấp đến sâu khoảng 0,5 m Đa số chúng thích mọc ở nơi sóng mạnh, ở các đảo, bờ phía đông chúng mọc dày và phong phú hơn bờ phía tây Ở các bãi đá hướng ra biển khơi, chúng phát triển mạnh và có số lượng nhiều hơn

Chúng sinh trưởng mạnh vào các tháng 2-3, đa số các loài có kích thước tối

đa vào tháng 3-4 và hình thành cơ quan sinh sản, sau đó bị sóng biển nhổ đánh tấp vào bờ và tàn lụi Đến tháng 7 các bãi rong đều trơ

1.2.4.3 Thành phần hóa học của rong nâu

Mannitol: có công thức là HOCH2-(CHOH)4–CH2OH

Mannitol thuộc nhóm đường kép của rong nâu, được phát hiện đầu tiên vào năm 1884 và nghiên cứu sâu hơn vào năm 1913

Mannitol cũng là một thành phần đáng chú ý trong rong mơ Ở trong rong Việt Nam hàm lượng này nằm trong khoảng 3,20 – 17,68% (trọng lượng rong khô)

Trong đó rong Sargassum mcclurei có hàm lượng cao nhất (7,66 - 17,68%) Cũng

như các hợp chất khác trong rong, mannitol tích lũy trong rong thay đổi theo mùa

và nơi sống Các kết quả nghiên cứu cho thấy rong ở vùng biển phía Nam có hàm lượng mannitol cao hơn ở phía Bắc [11] Hàm lượng này thường cao vào các tháng

mùa hè và có xu hướng tăng dần theo thời gian sinh trưởng của rong Một số tác giả cũng đã nghiên cứu và đề xuất quy trình chiết tách mannitol ở quy mô phòng thí nghiệm dựa trên nguyên tắc: làm lạnh dung dịch mannitol sau khi đã được chiết bằng cồn nóng để thu các tinh thể mannitol [11]

Mannitol được sử dụng nhiều trong dược phẩm, trong công nghiệp để làm nguyên liệu tổng hợp một số chất hữu cơ, làm thuốc nổ, diêm và trong công nghiệp thực phẩm đặc biệt là trong công nghiệp bánh kẹo để sản xuất các loại bánh gato có

độ ngọt cao nhưng đảm bảo độ mềm và xốp của bánh

b Polysaccharide

Alginic: Acid alginic với công thức tổng quát (C6H8O6)n là một polysaccharide làm nguyên liệu cấu tạo thành tế bào của các loài rong biển thuộc ngành Phaeophyta Khi được chiết ra khỏi tế bào của rong biển thì polysaccharide này có thể ở dạng acid hoặc dạng muối (alginate) tùy thuộc vào điều kiện chiết tách [24] Alginate là tên gọi chung họ các muối của acid alginic

Alginate được khám phá đầu tiên ở Anh vào năm 1883 và đến năm 1896 mới tách được ở dạng tinh khiết [23]

Alginate tồn tại khá phong phú trong tự nhiên, trong thành phần cấu trúc trong rong nâu lên đến 40% khối lượng khô và dưới dạng các polysaccharide vỏ ngoài của vi khuẩn đất Gần đây đã có một số kết quả nghiên cứu theo hướng sản xuất alginate bằng phương pháp vi sinh cũng như bằng phương pháp biến tính polymer hóa phân tử alginate Tuy nhiên, toàn bộ alginate thương mại hiện nay vẫn lấy từ nguồn tách ra từ rong biển [21]

Alginate là một polysaccharide mạch thẳng có phân tử lượng lớn từ 105 -

106 Da tùy thuộc vào từng loại rong biển và phương pháp chiết tách Người ta đã thu được alginate thương phẩm có khối lượng phân tử lên đến 150.000 Da với độ polymer hóa là 750 [119], [120]

Về mặt cấu trúc, alginate là co-polymer của acid  -D- mannuronic (ký hiệu

là M) và acid  -D-guluronic (ký hiệu là G) qua liên kết glycoside 14

Cấu tạo của 2 polymer theo công thức cổ điển Haworth được chỉ ra trên hình 1.1, theo công thức này, 2 polymer chỉ khác nhau ở chỗ nhóm carboxyl nằm ở trên

và dưới mặt phẳng của vòng pyranose [24]

Acid β-D-mannuronic Acid α-D-mannuronic

Hình 1.1 Công thức Haworth của hai gốc polymer trong phân tử acid alginic

Hai polymer này gắn với nhau bằng các liên kết 14 glycoside Nhưng sự kết hợp này không phải là ngẫu nhiên mà thành 3 loại chuỗi như sau (hình 1.2):

Chuỗi homopolymannuronic: gồm các gốc mannuronic MMMMMM

Chuỗi homopolyguluronic: gồm các gốc guluronic GGGGGG

Chuỗi luân phiên: 2 gốc luân phiên nhau MGMGMGM

Hình 1.2 Công thức cấu tạo của alginate

Trong phân tử alginate, các gốc acid -D-mannuronic và acid  -D-guluronic này có thể kết hợp với nhau tạo thành các block kiểu M-block, G-block và MG- block Thành phần và cấu trúc của các block này ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất alginate [105]

a) polymer, b) cấu trúc không gian, c) cẩu trúc chuỗi

Hình 1.3 Cấu trúc của alginate

Ở dạng acid hay muối kết hợp với các ion kim loại hóa trị 2 trở lên, polymer này không tan trong nước nhưng có khả năng hút nước rồi trương nở tạo thành thể gel Khi kết hợp với các cation hóa trị một như Na+, K+, NH4+, alginate tan trong nước tạo thành các dung dịch có độ nhớt cao Các muối alginate tan trong nước được

sử dụng như các chất làm tăng độ nhớt, các chất ổn định và các tác nhân tạo màng trong các ngành công nghiệp dược, thực phẩm, dệt và công nghiệp giấy [16]

Fucoidan: Năm 1913, Kylin tìm ra một loại fucoidan đầu tiên, sau đó cấu

trúc của nhiều loại fucoidan của nhiều loại rong nâu được tìm ra [73], [97]

Theo IUPAC, fucan sulfate hóa là một polysaccharide có nền chính là

L-fucose sulfate hóa với các đường đơn khác nhỏ hơn 10% Fucan sulfate hóa của

rong nâu thường được gọi là fucoidan [44] Cấu trúc của fucoidan trong rong biển là

vô cùng phức tạp và không giống nhau với những thay đồi trong liên kết, sự phân nhánh, vị trí nhóm sulfate và các loại đường đơn khác nhau trong polysaccharide [62], [100] Cấu trúc của fucoidan còn phụ thuộc vào nguồn gốc của chúng Vì vậy, cho tới nay, việc làm sáng tỏ cấu trúc của chúng vẫn còn là vấn đề khó khăn, ngay

cả khi sử dụng các kỹ thuật NMR phân giải cao mới nhất [64], [90]

Trong rong nâu, fucoidan chiếm hàm lượng khoảng 0,6 - 4%, alginate chiếm

hàm lượng khoảng 40% và mannitol chiếm khoảng 3,1-17% trọng lượng khô, cấu

trúc của nó thay đổi theo loài nhưng thành phần chính vẫn là fixcose và sulfate [12]

Fucoidan là một polysarccharide sulfate hóa, có cấu tạo chủ yếu từ α -L-

fucose sulfate, ngoài ra còn có các tỷ lệ khác nhau của các đường đơn khác là galactose, D-mannose, D-xylose, acid uronic và sulfate Nhóm sulfate tham gia trong cấu trúc của fucoidan gắn vào vị trí C-4 (tới 30% trong mắt xích fucose) [47]

D-Hình 1.4 Cấu trúc hóa học của một loại fucoidan được chiết tách từ rong nâu

Conchie và Percival [47] đã chiết fucoidan bằng nước sôi trong 24 giờ, xác

định được trong dịch thủy phân từ Fucus vesiculosus, Fucus spiralis, Himanthalia lorea và Laminaria cloustoni ngoài fucose còn có acid uronic, galactose, xylose, với

tổng sulfate 32,4% Lần đầu tiên đã xác định được cấu trúc của một phân đoạn fucoidan, đó là flican polysulfate, với liên kết 12 glycoside và sulfate ở vị trí C-4 Cấu trúc này được khẳng định lại một lần nữa bởi O' Neill [95]

Hình 1.5 Cấu trúc của một phân đoạn fucoidan

Gần đây một số dạng cấu trúc khác của fucoidan đã được công bố Năm 2001,

Marais và các cộng sự [83] đã tìm ra cấu trúc fucoidan từ rong nâu Ascophyllum nodosum có công thức với mạch fucan có liên kết 13, 14, nhánh 12 và nhóm

sulfate ở vị trí C-2, C-3 Trong khi đó vào năm 2007, Roogis Daniel và cộng sự [49] tìm được cấu trúc fucoidan của loài rong này với nhóm sulfate chỉ ở vị trí C-2

Laminarin: Laminarin có hàm lượng từ 10-15% trọng lượng rong khô tùy

thuộc vào loại rong, vị trí địa lý và môi trường sinh sống của rong nâu

Cellulose: là thành phần tạo nên vỏ cây rong Hàm lượng cellulose trong

rong nâu nhiều hơn trong rong đỏ

Protein

Protein của rong nâu không cao lắm nhưng khá hoàn hảo Do vậy rong nâu có thể dùng làm thực phẩm Protein của rong nâu thường ở dạng kết hợp với iot tạo nên iot hữu cơ như: Mono IodInzodizin Iot hữu cơ rất có giá trị trong y học Do vậy rong nâu còn được dùng làm thuốc phòng chống bệnh bướu cổ Hàm lượng protein rong nâu vùng biển Nha Trang dao động từ 8,05- 21,11% so với trọng lượng rong khô

Chất khoáng

Hàm lượng các nguyên tố khoáng trong rong nâu thường lớn hơn nước biển Hàm lượng khoáng của các loài rong nâu Nha Trang dao động từ 15,51- 46,30% phụ thuộc vào mùa vụ và thời kỳ sinh trưởng Ngoài ra trong rong nâu còn có mặt các chất khác như acetogenin, polyphenolic, terpenoids, lipid Rong nâu phân bố tại Việt

Nam chủ yếu là rong mơ bao gồm các loài Sargassum spp và turbinaria spp

1.2.4.4 Tình hình chế biến và nghiên cứu ứng dụng các sản phẩm từ rong nâu

Rong biển được sử dụng chế biến rộng rãi trong công nghệ thực phẩm, thức ăn chăn nuôi, hóa học, mỹ phẫm và dược phẩm Công nghệ chế biến các sản phẩm từ rong biển chủ yếu ở các nước ở châu Á như: Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Triều Tiên, Indonesia Mỹ, Canada và một số nước châu Âu như Pháp, Đức đang cố gắng thiết lập sản xuất rong biển ở quy mô lớn [22]

Giá trị công nghiệp của rong biển là cung cấp các chất keo quan trọng như agar, alginate, carrageenan, furcellazan dùng cho thực phẩm và nhiều ngành công nghiệp khác Các loại keo rong biển là các loại polysaccharide có tính keo khi hòa tan trong nước, được chiết suất từ rong biển Từ rong nâu có thể chiết suất được: alginic, alginate, laminarin

Keo alginate, agar và carrageenan được chiết rút từ khoảng 1.300.000 tấn rong tươi các loại Tổng sản lượng keo rong biển gồm: 35.000 tấn alginate, 25.000 tấn carrageenan và 10.000 tấn agar, với tổng giá trị lên đến 750 triệu USD [18]

Ở nước ta cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu về ứng dụng các hợp chất được chiết rút từ rong nâu Cụ thể là các đề tài “Nghiên cứu sử dụng Iod chiết rút từ rong nâu để phối chế nước mắm Iod”, “Nghiên cứu hoàn thiện và cải tiến quy trình công nghệ sản xuất Alginate Natri” của tác giả Trần Thị Luyến [32]

Ngày nay, các hợp chất khác có hoạt tính sinh học của rong nâu như mannitol, fucoidan cũng đang được nghiên cứu rộng rãi

1.3 PHẾ THẢI NÔNG NGHIỆP: RƠM, RẠ Ở VIỆT NAM

1.3.1 Phế thải nông nghiệp

Năm 1977, tại Ấn Độ có 38,6 triệu ha đất trồng lúa đã thu hoạch 42,8 triệu tấn lúa và 81 triệu tấn phế thải nông nghiệp, bao gồm 66 triệu tấn rơm, rạ và 15 triệu tấn trấu (husks-vỏ hạt lúa) [5]

Tình hình ở Việt Nam cũng tương tự: diện tích đất trồng lúa năm 2007 là 7,3 triệu ha, tăng 20% so với năm 1977 nhưng sản lượng lúa tăng gấp hơn 3 lần năm

1.3.2 Thành phần hóa học của phế thải nông nghiệp

Thành phần của các phế thải nông nghiệp chứa chủ yếu là cellulose, hemicellulose và số ít các hợp phần khác [5] (bảng 1.5)

Bảng 1.5 Thành phần hóa học của phế thải nông nghiệp (%)

Tính chất và đặc trưng cấu trúc của cellulose

Cellulose là thành phần cơ bản của vách tế bào thực vật và có lẽ là hợp chất sinh học phong phú nhất trên trái đất, hàng năm được tạo thành với khối lượng lớn đến mức vượt tất cả các sản phẩm tự nhiên khác Theo tính toán của một số tác giả khác nhau, sinh khối thực vật của trái đất là 2-3.1012 tấn trong đó cellulose chiếm 40% Do vậy, tổng lượng cellulose của toàn thế giới là 7-8.1011 tấn, còn lượng cellulose tạo thành hàng năm là 4.1010 tấn [5]

Trong vách tế bào thực vật cellulose tồn tại trong mối liên kết chặt chẽ với các polysaccharide khác: hemicellulose, pectin, ligin tạo thành những phức hợp bền vững Hàm lượng cellulose trong xác thực vật thường thay đổi trong khoảng 50 - 80%, trong giấy là 61%, trong trấu là 31%, bã mía là 46% (tính theo trọng lượng khô), trong sợi bông hàm lượng này vượt trên 90% (bảng 1.6)

Bảng 1.6 Cellulose tinh khiết trong nguyên liệu [5]

Phế thải nông nghiệp

Thân cây ngô, lúa

40 – 50

Cellulose, có công thức: (C6H10O5)n là polymer mạch thẳng của β-D-glucose

với liên kết -(1 4) (gọi là polysaccharide), cấu tạo từ 10.000 - 20.000 gốc

glucose, nối với nhau bằng liên kết β-1,4-glucosid Kiểu liên kết này đối lập với liên

kết α-1,4-glucosid có trong tinh bột, glycogen và các carbohydrate khác Cellobiose

là đơn vị cấu trúc lặp lại của cellulose gồm có 2 gốc glucose [64]

Cellulose

Xylan – Hemicellulose A

Arabinoxylan Hemicellulose B

Hình 1.6 Cấu trúc của phân tử cellulose và hemicellulose

Phân tử cellulose chứa 3 dạng anhydroglucose Dạng thứ nhất có đầu khử với nhóm bán acetal tự do (hoặc aldehyd) ở C-1 Dạng thứ hai có đầu không khử với nhóm hydroxyl tự do ở C-4 và dạng thứ 3 có vòng nối giữa C-1 và C-4 [67] Không giống như các alcohol đơn giản, phản ứng thủy phân cellulose bị kiểm soát nhiều bởi yếu tố không gian hơn so với khả năng phản ứng được dự tính theo tính chất vốn có của các nhóm hydroxyl trong vòng anhydroglucose

Các nhóm hydroxyl của gốc glucose ở mạch này tạo liên kết hydro với nguyên tử oxy của mạch khác giữ cho các mạch ở bên cạnh nhau một cách vững chắc, hình thành nên các vi sợi (microfibril) với độ bền cao

Đặc điểm quan trọng và đặc trưng của cellulose tự nhiên đó là cấu trúc không đồng nhất, gồm hai phần Phần cellulose có cấu trúc tinh thể với trật tự cao rất bền vững và phần có cấu trúc vô định hình không chặt chẽ kém bền vững (hình 1.7)

- Vùng kết tinh có trật tự cao và rất bền vững với các tác động bên ngoài

- Vùng vô định hình có cấu trúc không chặt chẽ do đó kém bền vững hơn

Hình 1.7 Cấu trúc không đồng nhất của phân tử cellulose

Cellulose có cấu trúc tinh thể là cellulose chỉ tạo nên từ polymer glucose

Cellulose có cấu trúc tinh thể (Cellulose microcrystalline) còn gọi là α cellulose

hoặc “cellulose thực” Khi cho tác động với dung dịch 17,5% NaOH ở 20°C,

cellulose tinh thể (α cellulose) có đặc trưng là không tan, phần tan trong dung dịch này là β cellulose và γ cellulose, β cellulose kết tủa khi cho thêm acid, phần còn lại không kết tủa với acid là γ cellulose β cellulose gọi là hemicellulose A (xylan), γ

cellulose gọi là hemicellulose B (Arabinoxylan) [67]

Cellulose của bông có trật tự cao nhất, tuy vậy, trong cấu trúc lượng đường glucose chỉ đạt 90%, còn lại là các đường xylose, arabinose và rất ít rhamnose

Vùng vô định hình có thể hấp thụ nước và trương lên, còn vùng kết tinh

mạng lưới liên kết hydrogen ngăn cản sự trương này

Trong tự nhiên, các chuỗi glucan của cellulose có cấu trúc dạng sợi Mỗi đơn

vị sợi nhỏ nhất có đường kính khoảng 3 nm Các sợi sơ cấp hợp lại thành vi sợi có đường kính 10 – 40 nm, dài 100 - 40000 nm và bao gồm đến 40 chuỗi cellulose [78] Những vi sợi này hợp thành bó sợi to có thể quan sát dưới kính hiển vi quang học Toàn bộ bó sợi có một lớp vỏ hemicellulose và lignin bao bọc bên ngoài làm

vùng kết tinh vùng vô định hình vùng kết tinh

cho sự xâm nhập của enzyme vào cấu trúc bên trong hết sức khó khăn Điều này làm tăng thêm độ bền vững của cellulose nói chung

Cellulose kết tinh là hợp chất bền vững, nếu như nấu ở 60-70oC, tinh bột đã

từ trạng thái kết tinh chuyển sang vô định hình, đối với cellulose nấu ở 320oC mới xảy ra chuyển trang thái như vậy

Cellulose không tan trong nước, trong nhiều dung môi hữu cơ và các dung dịch kiềm loãng Cellulose có thể bị phân hủy thành glucose khi đun nóng với acid hoặc kiềm Liên kết glucoside không bền với acid, dưới tác dụng của acid, cellulose tạo thành các sản phẩm thủy phân, có độ bền cơ học kém hơn, cellulose khi bị thủy phân hoàn toàn sẽ thu được sản phẩm cuối cùng là đường hòa tan D-glucose [79]

Hemicellulose là một số polymer dị thể, cùng có mặt với cellulose trong thành tế bào thực vật Trong khi cellulose có cấu trúc tinh thể bậc cao chặt chẽ rất khó bị thủy phân thì hemicellulose có cấu trúc vô định hình (amorphous structure) với mạch ngắn cấu trúc vô định hình dễ bị thủy phân bởi kiềm hoặc acid cũng như bởi các enzyme hemicellulose Hemicellulose chứa phần lớn các đường D-pentose,

và rất ít đường dạng L Xylose luôn có mặt với lượng lớn, ngoài ra còn có acid mannuronic và acid galacturonic Khi bị thủy phân thì hemicellulose cho glucose,

và các đường khác như xylose, mannose, galactose, rhamnose, arabinose

Không có mạch dài như cellulose, hemicellulose có mạch ngắn hơn bao gồm chừng 500-3000 gốc đường đơn [79] Trong khi cellulose là polymer có mạch dài thẳng, thì hemicellulose là polymer có mạch phân nhánh

Hemicellulose bao gồm chủ yếu xylan (gọi là hemicellulose A) và

arabinoxylan (gọi là hemicellulose B) Xylan là polymer mạch thẳng của D-xylose với liên kết -(1 4) Arabinoxylan gồm mạch chính là xylan gắn với mạch nhánh

là L-arabinofuranose bởi các liên kết (1→2) Như vậy, đơn vị thành phần tạo nên cấu trúc hemicellulose chính là D-xylose và một ít L-arabinofuranose

Lignin

Lignin là polyme tạo nên bởi các monome là p-coumaryl alcohol, coniferyl alcohol và sinapyl alcohol Lignin coi như là một số polyme dị thể, cùng có mặt với cellulose trong thành tế bào thực vật, cùng với cellulose bao bọc xung quanh cellulose tạo thành những bó sợi vững chắc Lignin có thể bị thủy phân bởi các tác

nhân hóa học hoặc bởi các enzyme như manganese peroxidase, lignin peroxidase cellobiose dehydrogenase [78] Khi nhiệt phân, lignin cho sản phẩm là methoxy phenol

Các monome này có các liên kết với nhau tạo nên mạng lưới polyme –lignin

Hình 1.8 Cấu trúc của lignin [22]