Luận văn Nghiên cứu xử lý gỗ keo tai tượng (Acacia angium) nhằm nâng cao hiệu quả thủy phân bằng enzym

ng của nguyên liệu. Kích thước của nguyên liệu: Một số nghiên cứu khác cho thấy khi kích thước của nguyên liệu giảm thì tốc độ thủy phân sẽ tăng [66], [67], [68], [69]. Khi thủy phân cây lúa mì với ba loại kích thước 1÷8 mm, 0,6÷1 mm và ≤ 0,6 mm. Maache-Rezzoug Zoulikhaa và các cộng sự tại đại học La Rochelle - Pháp đã kết luận nghiền nhỏ nguyên liệu làm tăng bề mặt riêng của nguyên liệu và giảm DP của xenluloza, lượng đường thu được khi thủy phân nguyên liệu kích thước ≤ 0,6 mm cao hơn 50% so với kích thước 1÷8 mm [120]. 31 Hàm lượng lignin trong nguyên liệu ảnh hưởng tới khả năng thâm nhập và thủy phân nguyên liệu, việc loại bớt lignin giúp tăng khả năng trương nở và tăng kích thước mao quản qua đó giúp enzym dễ tiếp cận với xơ sợi hơn. Người ta chỉ ra rằng hiệu suất thủy phân enzym và hàm lượng lignin có mối quan hệ nghịch biến [70], để hoàn tất quá trình thủy phân không cần thiết phải loại bỏ hoàn toàn lignin, tuy nhiên nên loại bỏ một lượng lignin nhất định để enzym có thể thâm nhập vào xenluloza. Tốc độ quá trình thủy phân giảm do một phần enzym thâm nhập vào lignin và bị lignin cản trở, làm giảm sự tấn công của enzym vào phân tử xenluloza [71], [72]. 1.4. XỬ LÝ SƠ BỘ 1.4.1. Vai trò của xử lý sơ bộ Quá trình xử lý sơ bộ tạo điều kiện cho quá trình thủy phân bằng enzym hiệu quả hơn bằng cách tác động vào cấu trúc tinh thể của xenluloza làm thay đổi cấu trúc của vi sợi xenluloza, phá hủy các liên kết giữa các thành phần của nguyên liệu, loại bỏ các thành phần không cần thiết như hemixenluloza và lignin xung quanh xenluloza tạo điều kiện cho việc thủy phân bằng hóa chất hoặc enzym sau này đạt hiệu quả cao [75], [76]. Như vậy quá trình xử lý sơ bộ ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu quả thủy phân bằng enzym. Về mặt kĩ thuật, xử lý sơ bộ liên quan đến sự hòa tan, phân chia của một hoặc nhiều hơn trong bốn thành phần của nguyên liệu lignoxenluloza: hemixenluloza, xenluloza, lignin và các chất trích ly. Xử lý sơ bộ cũng làm giảm mức độ kết tinh và độ trùng hợp của xenluloza, tăng diện tích bề mặt riêng của nguyên liệu, giảm kích thước của nguyên liệu. Như vậy, xử lý sơ bộ tạo điều kiện cho phần chất rắn còn lại của nguyên liệu dễ dàng xử lý tiếp bằng hóa chất hoặc bằng sinh học sau này. 32 Về mặt kinh tế, enzym dùng để thủy phân xenluloza có giá thành rất cao và công nghệ hiện nay chưa thể tách enzym để tái sử dụng vì vậy quá trình xử lý có vai trò rất quan trọng. Xử lý sơ bộ tốt giúp giảm lượng emzym sử dụng mà vẫn đảm bảo hiệu suất thủy phân qua đó tăng hiệu quả kinh tế của phương pháp thủy phân bằng enzym. Năm 2001 trên thế giới giá 1 galon (3,78 lit) etanol là 5,75 đô la, trong đó giá của enzym chiếm khoảng 2,5 đô la. Ngày nay khi công nghệ sản xuất etanol được phát triển, chi phí và giá thành sản xuất etanol giảm đi, dự đoán năm 2020 giá etanol trên thế giới khoảng 1,07 đô la một galon trong đó chi phí cho enzym chiếm khoảng 25% [77]. Có rất nhiều phương pháp xử lí sơ bộ đã được nghiên cứu và ứng dụng, được chia thành làm các nhóm phương pháp như: phương pháp vật lí, phương pháp hóa lí, phương pháp hóa học, sinh học. Để đạt hiệu quả xử lí cao có thể kết hợp một số phương pháp lại với nhau. 1.4.2. Xử lý sơ bộ bằng phương pháp vật lý Xử lý sơ bộ bằng phương pháp vật lý là phương pháp có những đặc điểm sau: • Mục đích làm giảm kích thước nguyên liệu và làm giảm tỉ lệ kết tinh xơ sợi xenluloza bằng cách nghiền nhỏ. • Xử lý sơ bộ bằng phương pháp vật lý thường sử dụng các quá trình nghiền như nghiền ướt, nghiền khô...[78]. Năng lượng để nghiền rất lớn, phụ thuộc vào nguyên liệu ban đầu và yêu cầu kích thước sau nghiền. Nghiền gỗ cứng tốn năng lượng nghiền hơn gỗ mềm, nghiền càng nhỏ càng tốn năng lượng [79], [80], [81]. Theo một số nghiên cứu, để nghiền các dăm mảnh gỗ vân sam đến kích thước 1,6 mm thì tiêu tốn 130 kWh/tấn nguyên liệu, trong khi với thân cây ngô thì năng 33 lượng tiêu tốn chỉ là 14 kWh/tấn nguyên liệu với cùng kích thước sau nghiền như trên [82]. 1.4.3 Xử lý sơ bộ bằng phương pháp hóa học Xử lí sơ bộ bằng phương pháp hóa học phổ biến nhất hiện nay là xử lí bằng axit, kiềm, amoniac, lưu huỳnh dioxit, dung môi hữu cơ, khí cácbonic và một số hóa chất khác để tạo điều kiện cho quá trình thủy phân đạt hiệu quả cao. 1.4.3.1. Xử lí bằng axit loãng Xử lý bằng axit loãng là phương pháp phổ biến nhất, thường sử dụng dung dịch HCl, H2SO4. Dung dịch axit có khả năng phản ứng cao, tác động mạnh vào cấu trúc của xenluloza, tăng khả năng thủy phân xenluloza. Đồng thời, dung dịch axit cũng có khả năng thủy phân được cả xylan thành xyloza. Tuy nhiên, do pH của môi trường thấp nên xử lý bằng axit loãng cũng ảnh hưởng đến quá trình thủy phân bằng enzym, ăn mòn thiết bị, độc hại, khó thu hồi axit [83], [84], [85]. 1.4.3.2. Xử lý sơ bộ theo phương pháp tự thủy phân Trong phương pháp này, hơi được sử dụng để giải phóng các axetyl hemixenluloza thành axit axetic. Axit sinh ra sẽ thủy phân sơ bộ nguyên liệu như khi sử dụng axit loãng [86]. Phương pháp này có nhược điểm là cho hiệu suất đường thấp [87]. 1.4.3.3. Phương pháp nổ hơi Đây được coi là phương pháp trung gian giữa xử lý hóa học và xử lý cơ học. Đưa hơi nước ở nhiệt độ 185÷2600C vào thùng kín chứa nguyên liệu, quá 34 trình giảm áp đột ngột sau đó sẽ dẫn tới sự nổ phân tách nguyên liệu ra dạng xơ sợi [88], [89], [90]. Tuy nhiên, tính hữu dụng của phương pháp bị cản trở nhiều vì nguyên liệu sau nổ có cấu trúc cứng hơn, chứa lignin khó xử lý hơn [91]. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, quá trình nổ hơi cần sự có mặt của xúc tác axit [92]. Có hai xúc tác sử dụng phổ biến nhất đó là H2SO4 và SO2 [93], [94], [95], [96]. Xét tương quan về hiệu quả và giá thành thì axit sunphuric chiếm ưu thế, tuy nhiên hỗn hợp thu được sau khi xử lý có chứa các hợp chất gây cản trở đến quá trình thủy phân, lên men [95]. Nổ hơi với xúc tác SO2 không tạo ra nhiều các hợp chất có độc cho quá trình thủy phân và lên men, nhưng yêu cầu kỹ thuật phức tạp hơn và bản thân SO2 là một khí độc. Phương pháp nổ hơi xúc tác H2SO4 hoặc SO2 - gọi tắt là phương pháp nổ hơi xúc tác axit có thể tiến hành qua một hoặc hai giai đoạn. Khi áp dụng phương pháp một giai đoạn với gỗ vân sam thì cho hiệu suất thu hồi đường 66÷67% với mức dùng enzym xelulaza 15 FPU/g, tỷ lệ FPU/CBU là 1/4. Trong khi đó với cùng các điều kiện như trên áp dụng với nổ hơi xúc tác hai giai đoạn thì hiệu suất đường là 80% [97, 98]. 1.4.3.4. Nổ khí amoniac ( AFEX) Tương tự như nổ hơi, nổ khí amoniac sử dụng khí amoniac nén dạng lỏng cùng với nguyên liệu trong thùng kín, mức dùng 1÷2 kg NH3/kg sinh khối [99]. Nổ khí amoniac phù hợp với các nguyên liệu chứa hàm lượng lignin thấp (5÷15%). Sau xử lý AFEX hiệu suất thủy phân có thể đạt 90% với mức dùng enzym 51 U xenlulaza/g nguyên liệu [100]. Với các loại nguyên liệu 35 chứa hàm lượng lignin cao (18÷30%), hiệu suất đường chỉ đạt 40÷50% với cùng các điều kiện như trên [101]. Nổ khí amoniac tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn 900C, quá trình xử lý không sinh ra các chất độc với quá trình thủy phân, lên men. Tuy nhiên, do NH3 khó thu hồi và có tính ăn mòn, độc hại nên AFEX ít được sử dụng hơn so với phương pháp nổ hơi CO2 [100]. 1.4.3.5. Nổ khí dioxit cacbon (CO2) Quá trình hoàn toàn tương tự như AFEX và nổ hơi, khí CO2 được nén vào thùng kín chứa nguyên liệu. Quá trình giảm áp đột ngột sau đó gây ra hiện tượng nổ làm phân sợi nguyên liệu. Kích thước phân tử CO2 cũng tương tự nước và amoniac nên nó có thể thẩm thấu vào các mao quản của xơ sợi, làm tăng tốc độ thủy phân do CO2 tạo thành axit cacbonic. So với các phương pháp pháp nổ hơi và AFEX thì nổ CO2 tiến hành ở điều kiện nhiệt độ thấp hơn, khoảng 35÷800C ở nhiệt độ này các phản ứng tái kết hợp đường được giảm bớt [102]. 1.4.3.6. Sử dụng dung môi Đây là phương pháp xử lý sơ bộ sử dụng các dung môi hữu cơ có khả năng hòa tan lignin như metanol, etanol. Phương pháp này thường sử dụng các axit vô cơ như axit sunphuric, axit cloric làm xúc tác giúp cắt đứt liên kết giữa lignin và hemixeluloza. Khi tiến hành ở nhiệt độ lớn hơn 1850C thì không cần sử dụng xúc tác vẫn đảm bảo quá trình tách loại lignin [103]. Để tránh tác hại lên quá trình lên men hoặc thủy phân sau đó, dung môi phải được tách bỏ, có thể tách dung môi bằng các phương pháp cô đặc, chưng cất, trích ly. 36 Mặc dù tách được phần lớn lignin, nhưng do yêu cầu phức tạp về công nghệ và vận hành nên phương pháp này chưa được sử dụng rộng rãi lắm. 1.4.3.7. Xử lý bằng ozon (ozonolysis) Mức dùng 35 mg ozon/g nguyên liệu ở 25oC. Ưu điểm của phương pháp này là tách loại lignin hiệu quả, không hình thành chất ức chế, điều kiện nhiệt độ và áp suất nhẹ nhàng. Nhược điểm của phương pháp này là lượng lớn ozon, giá thành đắt [104]. 1.4.3.8. Xử lý sơ bộ bằng kiềm Bản chất của xử lý bằng kiềm là sử dụng tác nhân kiềm tách loại bớt lignin khỏi nguyên liệu lignoxenluloza, gây trương nở nguyên liệu qua đó khi tiến hành thủy phân sinh khối thực vật bằng enzym. Quá trình enzym tiếp cận với cơ chất sẽ dễ dàng hơn [105]. Ưu điểm của sử dụng tác nhân kiềm là loại bỏ hiệu quả liên kết este, tăng diện tích bề mặt xơ sợi, giảm độ trùng hợp DP, nhược điểm khả năng thu hồi kiềm kém [106]. Có rất nhiều nghiên cứu xử lý sơ bộ nguyên liệu lignoxenluloza bằng nhiều tác nhân kiềm khác nhau, ở những điều kiện khác nhau. Yulin Zhao và các cộng sự ở viện công nghệ Georgia, bang Atlanta - Mỹ nghiên cứu sử dụng NaOH và NaOH có bổ sung urê với các mức dùng thay đổi từ 1÷12% so với nguyên liệu khô tuyệt đối, trong thời gian khác nhau và ở các nhiệt độ khác nhau, kết quả cho thấy việc sử dụng tác nhân có tính kiềm giúp nâng cao hiệu quả thủy phân bằng enzym [109]. M.C. Dale và nhóm nghiên cứu hóa sinh ở đại học Purdue, Mỹ đã sử dụng NaOH có bổ sung H2O2 để xử lý các loại nguyên liệu cỏ ngọt (switch grass), thân cây ngô và thân cây lúa mỳ. Các kết quả so sánh thủy phân bằng enzym nguyên liệu đã qua xử lý và nguyên liệu không xử lý cho thấy quá trình xử lý sơ bộ giúp tăng 20÷30% hiệu suất thủy phân bằng enzym [110]. 37 Trong nghiên cứu của mình, giáo sư Mark T. Holtzapple và nhóm nghiên cứu kỹ thuật hóa học, Trường đại học Texas A&M – Mỹ đã sử dụng dung dịch Ca(OH)2 để xử lý xơ bộ thân cây lúa mỳ. Mức dùng 0,1 g Ca(OH)2/g nguyên liệu khô tuyệt đối trong khoảng thời gian 1÷3 giờ, nhiệt độ thay đổi từ 85÷1350C và thời gian 24giờ ở nhiệt độ 50÷650C. Kết quả cho thấy lượng đường đơn thu được sau khi thủy phân bằng enzym 1g nguyên liệu khô tuyệt đối tăng từ 65 mg trong trường hợp nguyên liệu không qua xử lý lên 650 mg đối với nguyên liệu qua xử lý [111]. Nghiên cứu của Rocio Sierra, Cesar Granda – thuộc đại học Texas A&M – Mỹ sử dụng nguyên liệu là cây bạch dương với tác nhân Ca(OH)2 có bổ sung O2 trong điều kiện nhiệt độ, áp suất. Kết quả cho thấy qua xử lý, hiệu suất thủy phân bằng enzym đạt trên 90% so với nguyên liệu khô tuyệt đối [112]. 1.4.4. Xử lý sinh học Các sinh vật có khả năng phân hủy lignin được phát triển tự nhiên trên sinh khối, kết quả là xenluloza và lignin cũng bị biến đổi nhưng hiệu quả cũng thấp và thời gian xử lý dài [107]. Đối với mỗi loại nguyên liệu khác nhau cần phải tính toán kết hợp các phương pháp xử lý sơ bộ để đạt được hiệu suất đường hóa cao, giảm tối đa sự phân hủy. Quá trình xử lý xơ bộ với chi phí hợp lý, hiệu quả là một thách thức lớn đối với việc nghiên cứu và phát triển công nghệ hiện nay [108]. Các đặc điểm, ưu nhược điểm của các phương pháp xử lý sơ bộ được tổng hợp trong bảng 1.2 38 Bảng 1.2. Tổng hợp các phương pháp xử lý sơ bộ nguyên liệu [116] Phương pháp Đặc điểm Ưu điểm Nhược điểm Nổ hơi (với H2SO4, SO2, CO2) Áp suất, nhiệt độ cao, giảm áp nhanh. Thời gian xử lý nhỏ hơn 10 phút Hiệu quả kinh tế với gỗ cứng Sự phá hủy xylan tạo ra các chất ức chế AFEX Nhiệt độ, áp suất cao; giảm áp nhanh. Tiêu tốn 1÷2 g NH3/g nguyên liệu Hiệu quả với cây phi gỗ, không sinh ra các chất ức chế Không hiệu quả với nguyên liệu chứa hàm lượng lignin cao, khó thu hồi NH3 Xử lý bằng ozon Tiêu tốn 35mg ozon/g nguyên liệu, nhiệt độ 250C Tách lignin hiệu quả, không sinh ra các chất ức chế. Đắt, yêu cầu lượng ozon lớn Thủy phân bằng axit loãng Sử dụng các axit HCl, H2SO4 Hiệu quả xử lý tốt Ăn mòn thiết bị, khó thu hồi hóa chất, chi phí thiết bị, vận hành cao Xử lý bằng kiềm Sử dụng các dung dịch NaOH, Ca(OH)2, NH4OH Tăng diện tích bề mặt riêng, giảm DP, mức độ kết tinh của xenluloza Thu hồi kiềm Sử dụng dung môi Metanol, etanol, axeton trong HCl hoặc H2SO4 Hiệu quả xử lý với xylan tốt. Chi phí thu hồi dung môi cao Sinh học Sử dụng vi sinh vật có khả năng phân hủy lignin Tách lignin hiệu quả, tiêu tốn ít năng lượng Tổn thất xenluloza cao, hiệu quả xử lý thấp 39 1.5. LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Qua quá trình tìm hiểu nguồn nguyên liệu lignoxenluloza ở Việt Nam, nhất là nguồn nguyên liệu từ gỗ lá rộng cũng như tìm hiểu, phân tích các phương pháp xử lý sơ bộ, trang thiết bị thí nghiệm. Nghiên cứu này lựa chọn phương pháp sử dụng dung dịch NaOH để xử lý keo tai tượng. Với mục tiêu là quá trình thủy phân bằng enzym nguyên liệu đã qua xử lý đạt hiệu suất đường cao. Chi phí hóa chất, thiết bị, năng lượng của quá trình xử lý thích hợp. 40 PHẦN2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Gỗ keo tai tượng, 5÷7 tuổi, trổng ở Tỉnh Phú Thọ được xử dụng làm nguyên liệu cho nghiên cứu. Nguyên liệu được trộn đều, bảo quản trong túi nilong ở điều kiện nhiệt độ phòng. 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.2.1. Xác định thành phần hóa học của nguyên liệu Các phương pháp sử dụng nghiên cứu thành phần hóa học của nguyên liệu thuộc tiêu chuẩn TAPPI 2000-2001. Mục tiêu phân tích Phương pháp Chuẩn bị mẫu cho phân tích TAPPI T264cm-97 Độ ẩm của nguyên liệu TAPPI T258 om-94 Hàm lượng xenluloza TAPPI T17m-55 Hàm lượng holoxenluloza TAPPI T9m-54 Hàm lượng pentozan TAPPI T223cm-84 Hàm lượng lignin TAPPI T222cm-98 Các chất trích ly trong cồn TAPPI T204cn-97 Độ tro TAPPI T211cm-93 41 2.2.2. Xử lý mẫu bằng phương pháp cơ học Nguyên liệu để khô gió tự nhiên được trộn đều, lấy ngẫu nhiên 1kg chẻ nhỏ kích thước như que diêm sau đó được đem nghiền bằng máy nghiền “Heavy-Duty Cutting Mill SM 2000” của hãng Retsch - Đức. Sau khi nghiền nguyên liệu được phân loại theo kích thước khác nhau bằng hệ thống sàng có kích thước mắt lưới khác nhau. Kích thước nguyên liệu sử dụng trong nghiên cứu này ≤0,5 mm, đây là kích thước mà hầu hết các nghiên cứu về xử lý nguyên liệu lignoxenluloza đều sử dụng. 2.2.3. Xử lý nguyên liệu bằng tác nhân NaOH và NaOH/urê Nguyên liệu có kích thước 0,2÷0,5 mm được tiến hành xử lý bằng các tác nhân: NaOH hoặc NaOH bổ sung urê [113], [114], [115]. Điều kiện xử lý như bảng 2.1. Bảng 2.1. Điều kiện xử lý nguyên liệu bằng tác nhân NaOH và NaOH/urê Stt Thông số Đơn vị Giá trị 1 Khối lượng nguyên liệu khô g 10 2 Nồng độ của NaOH % 3, 5, 7, 9, 11, 13 3 Nồng độ của urê % 0, 1, 2, 3, 5 4 Thời gian xử lý giờ 2, 12÷36 5 Nhiệt độ 0C 0÷4, 20÷35, 60÷80 6 Tỷ lệ rắn/lỏng 1/20 42 Trình tự tiến hành xử lý nguyên liệu bằng NaOH và NaOH/urê 1. Cân 10 g bột gỗ khô tuyệt đối vào bình tam giác nhám 250 ml. 2. Bổ sung NaOH, urê, nước vào bình tam giác với những lượng khác nhau tùy điều kiện xử lý, trộn đều hỗn hợp. 3. Tiến hành xử lý ở những nhiệt độ khác nhau và thời gian khác nhau, với điều kiện xử lý trên 700C cần lắp bình tam giác vào sinh hàn ngược để tránh bay hơi nước. 4. Kết thúc xử lý, rửa thật kỹ nguyên liệu để tách hết hóa chất khỏi nguyên liệu, để khô gió sau đó bảo quản nguyên liệu trong túi ni lông trong điều kiện phòng thí nghiệm để xử dụng cho các thí nghiệm tiếp theo. 2.2.4. Thủy phân bằng enzym [109], [116], [118] Để đánh giá hiệu quả của xử lý sơ bộ đến hiệu suất đường thu được, các mẫu đã qua xử lý được thủy phân bằng enzym theo điều kiện như bảng 2.2. Bảng 2.2. Điều kiện quá trình thủy phân bằng enzym Stt Thông số Đơn vị Giá trị 1 Nồng độ bột gỗ % 2 2 Mức dùng enzym FPU/g(*) 60 3 Thời gian thủy phân giờ 48 4 Nhiệt độ thủy phân 0C 50 5 pH thủy phân 4,8 (*) g nguyên liệu khô tuyệt đối 43 Trình tự tiến hành quá trình thủy phân 1. Chuẩn bị dung dịch đệm xitrat (1M, pH= 4,3) và dung dịch NaN3 10mg/ml. 2. Chuyển khoảng 1,05 g bột gỗ khô gió (để được 1g khô tuyệt đối) đã xử lý, xác định độ ẩm vào bình thí nghiệm 100 ml. 3. Thêm 30ml nước cất, 2,5 ml dung dịch đệm xitrat và 1ml dung dịch NaN3 vào trong ống nghiệm. 4. Xác định pH, bổ sung axit axetic hoặc dung dịch NaOH để được pH= 4,8. 5. Rửa sạch bột còn dính trên điện cực máy đo pH bằng 3,5 ml nước cất. 6. Bổ sung thêm nước cất để tổng thể tích phản ứng cuối cùng là 49 ml. 7. Đậy nắp và lắc thật kỹ bình thí nghiệm. 8. Phản ứng thủy phân enzym bắt đầu xảy ra khi thêm 1ml dung dịch Celluclast - Spezyme, Genencor, Mỹ hoạt tính 60 FPU/g và 80µl Novozymes 188, hoạt tính 250 CBU/g, bình thí nghiệm cuối cùng đạt thể tích 50ml. 9. Lắc mạnh bình để có được hỗn hợp đồng nhất, đậy chặt bình thí nghiệm lại, giữ các bình thí nghiệm trong bình ổn định nhiệt ở 500C, sau 48 giờ lấy bình thí nghiệm đựng mẫu đem đung sôi trong 15 phút để làm mất hoạt tính của enzym, sau đó ngâm trong bình đựng nước lạnh 10 phút và chuyển các mẫu vào bình tam giác, bổ sung nước cất và đem lọc lấy phần dịch lỏng, định mức dịch thu được đến 250ml rồi giữ trong tủ lạnh để đi xác định hàm lượng đường. 44 2.2.5. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) [25] Xác định cấu trúc vật liệu bằng cách dùng kính hiển vi điện tử quét cho ta những hình ảnh có độ phân giải cao về bề mặt và cấu trúc của một mẫu vật liệu. Phương pháp này thường dùng để xác định cấu trúc của vật liệu kích cỡ micromet. Phương pháp này có thể sử dụng mẫu vật liệu đặc, dày và thời gian xác định tương đối nhanh. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp chụp SEM bằng máy ESEM- FEI-Quanta 200 để đánh giá tác động của quá trình xử lý lên cấu trúc vật lý của nguyên liệu đặc biệt là sự thay đổi bề mặt của nguyên liệu. Thí nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm phân tích và đo lường vật lí, Viện Vật lý Kỹ thuật, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội. 2.2.6. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) Phương pháp này dùng để xác định mức độ tinh thể của xenluloza, các mẫu xử lý ở các điều kiện khác nhau được chụp với góc quét 2θ thay đổi từ 100 đến 600, tốc độ quét 0,020/s. Mức độ tinh thể của xenluloza được biểu diễn qua chỉ số CrI: CrI = (I002 - Iam)/I002 x 100 (%) Trong đó I002 và Iam là cường độ nhiễu xạ tại góc 2θ = 22,60 và 2θ = 18,70 [117], [118]. Sử dụng máy: X’Pert-Pro, Panalitycal-Philip. Đo tại phòng thí nghiệm phân tích và đo lường vật lí, Viện Vật lý Kỹ thuật, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội. 45 2.2.7. Xác định lượng đường trong dịch thu được sau thủy phân Đường khử trong dung dịch sau thủy phân được xác định bằng phương pháp DNS [2]. Pha dung dịch đường chuẩn 1. Pha dung dịch đường glucoza tinh khiết với nồng độ 2 mg/ml. 2. Pha dung dịch đường với nồng độ 0,2÷1,0 mg/ml Từ dung dịch đường có nồng độ 2 mg/ml bằng cách lấy thể tích dung dịch 2 mg/ml và thể tích nước cất như bảng 2.3 Bảng 2.3. Pha dung dịch đường chuẩn với các nồng độ khác nhau Nồng độ đường (mg/ml) Thể tích dung dịch đường 2mg/ml (ml) Thể tích nước cất (ml) 0,2 0,1 0,9 0,4 0,2 0,8 0,6 0,3 0,7 0,8 0,4 0,6 1,0 0,5 0,5 Chuẩn bị tác nhân DNS Tác nhân DNS được chuẩn bị theo các bước sau: 1. Hòa tan 10,6 g 3,5 dinitrosalicylic axit và 19,8 g NaOH vào 1416 ml nước cất. 2. Cho thêm 306 g muối Natri kali tartrat. 3. Làm nóng chảy phenol tinh thể trong cốc có nắp đạy ở 500C, cho 7.6 ml phenol lỏng vào hỗn hợp trên. 4. Thêm 8,3 g muối Natri meta bisulfat (Na2S2O4). 46 5. Thêm NaOH để điều chỉnh pH đến 12,6 nếu cần thiết. Xây dựng đồ thị đường chuẩn 1. Pha 1ml dung dịch đường chuẩn theo bảng trên. 2. Lấy 0,25ml mỗi dung dịch vào ống nghiệm. 3. Cho 0,75 ml tác nhân DNS vào mỗi ống nghiệm. 4. Đậy nắp và lắc ống nghiệm. 5. Đun sôi cách thủy ống nghiệm trong 5 phút. 6. Để nguội ống nghiệm trong vài phút 7. Lấy 0,8ml từ mỗi ống nghiệm và pha loãng với 8ml nước cất. 8. Chỉnh máy đo quang phổ về 0 bằng nước cất tại bước sóng 550nm. 9. Đo hấp thụ ánh sáng của từng mẫu tại bước sóng 540nm và vẽ đồ thị nồng độ đường - hệ số hấp thụ. Đo đường khử 1. Lắc mẫu cần đo trong khoảng 5 phút. 2. Pha loãng mẫu sao cho nồng độ đường trong khoảng 0,2÷1,0 mg/ml. 3. Lấy 0,5 ml mỗi mẫu đã pha loãng vào ống nghiệm. 4. Lặp lại từ bước 3 đến bước 8 của quá trình xây dựng đường chuẩn. 5. Tính nồng độ đường từ sự hấp thụ ánh sáng của mẫu và đường đồ thị chuẩn. 6. Hiệu suất đường khử tính theo công thức Y = [(S × D × V) / (W*1,1)] ×100 Trong đó Y - Hiệu suất đường khử (%); S - Nồng độ đường đo được (mg/ml); D - Hệ số pha loãng; V - Thể tích dung dịch đường thu được sau thủy phân (ml); W- Khối lượng xenluloza trong nguyên liệu đem thủy phân (mg). 47 PHẦN 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. ẢNH HƯỞNG CỦA XỬ LÝ NaOH VÀ NaOH/URÊ ĐẾN THÀNH PHẦN CỦA NGUYÊN LIỆU 3.1.1. Thành phần nguyên liệu trước xử lý Kết quả phân tích thành phần hóa học của nguyên liệu được trình bày trong bảng 3.1 Bảng 3.1. Thành phần hóa học cơ bản của gỗ keo tai tượng STT Thành phần hóa học Hàm lượng (%) 1 Lignin 24,6 3 Xenluloza 50,5 5 Pentozan 22,7 Xét về mặt thành phần hóa học, hàm lượng xenluloza, hexozan càng cao thì khả năng lượng đường glucoza thu được càng cao. Nguyên liệu có hàm lượng xenluloza 50,5%, thuận lợi cho sản xuất etanol. Keo tai tượng là một loại gỗ lá rộng nên hàm lượng hexozan thấp, nên sau khi xử lý trong môi trường kiềm gần như không còn hexozan trong nguyên liệu. Vì vậy, lượng đường glucoza thu được chủ yếu từ thủy phân xenluloza. Lignin chính là một trong những yếu tố cản trở quá trình thủy phân bằng enzym. Hàm lượng lignin trong nguyên liệu càng cao, hiệu quả thủy phân nguyên liệu bằng enzym càng thấp. Hàm lượng lignin bằng 24,6% là 48 tương đối cao so với các loại nguyên liệu lignoxenluloza khác, vì vậy phải có quá trình xử lý sơ bộ để làm giảm hàm lượng lignin. 3.1.2. Ảnh hưởng của xử lý NaOH/urê đến hàm lượng xenluloza trong nguyên liệu Một trong những mục tiêu mà quá trình xử lý phải đạt được là xenluloza trong nguyên liệu tổn thất càng ít càng tốt. Lượng xenluloza còn lại trong nguyên liệu sau xử lý quyết định đến lượng đường tối đa có thể thu được. Về bản chất hóa học, trong môi trường kiềm, phản ứng bào mòn là nguyên nhân chính gây ra sự tổn thất xenluloza. Lượng xenluloza tổn thất tỷ lệ thuận với nồng độ kiềm và nhiệt độ, nồng độ dung dịch kiềm càng cao, nhiệt độ càng cao thì tổn thất xenluloza càng cao [1]. Trong 100 g nguyên liệu ban đầu có 50,5 g xenluloza. Xử lý nguyên liệu ở 0 0C và 25 0C trong 24 giờ, ở 75 0C trong 2 giờ với các dung dịch NaOH/urê có nồng độ khác nhau. Xác định lượng xenluloza còn lại trong nguyên liệu, từ đó tính được lượng xenluloza tổn thất. Kết quả thí nghiệm được trình bày ở bảng 3.2, bảng 3.3 và bảng 3.4. Bảng 3.2. Lượng xenluloza giảm sau xử lý ở 0 0C, trong 24 giờ (% so với xenluloza trong nguyên liệu chưa xử lý) Urê 0% Urê 1% Urê 2% Urê 3% Urê 5% NaOH 3% 1,78 1,39 0,59 0,57 0,59 NaOH 5% 2,41 1,98 1,19 1,21 1,21 NaOH 7% 3,42 2,77 1,78 1,71 1,69 NaOH 9% 4,45 3,76 2,57 2,51 2,49 NaOH 11% 5,74 4,75 3,56 3,53 3,53 NaOH 13% 8,04 6,53 4,75 4,77 4,75 49 Bảng 3.3. Lượng xenluloza giảm sau xử lý ở 30 0C, trong 24 giờ (% so với xenluloza trong nguyên liệu chưa xử lý) Urê 0% Urê 1% Urê 2% Urê 3% Urê 5% NaOH 3% 2,34 1,42 0,85 0,81 0,79 NaOH 5% 3,28 2,01 1,19 1,15 1,08 NaOH 7% 4,35 3,12 2,09 1,86 1,77 NaOH 9% 5,32 4,16 2,85 2,51 2,48 NaOH 11% 6,85 5,52 4,15 3,89 3,76 NaOH 13% 9,1 6,96 5,27 4,88 4,75 Bảng 3.4. Lượng xenluloza giảm sau xử lý ở 75 0C, trong 2 giờ (% so với xenluloza trong nguyên liệu chưa xử lý) Urê 0% Urê 1% Urê 2% Urê 3% Urê 5% NaOH 3% 5,75 3,82 1,57 1,55 1,55 NaOH 5% 7,64 6,14 4,73 4,69 4,71 NaOH 7% 9,15 7,73 6,51 6,54 6,50 NaOH 9% 11,27 9,52 8,47 8,47 8,48 NaOH 11% 14,22 11,53 9,64 9,37 9,15 NaOH 13% 18,37 15,62 13,42 13,38 13,16 Kết quả thí nghiệm cho thấy, lượng xenluloza tổn thất tăng khi nồng độ dung dịch NaOH tăng từ 3% lên 13%. Xử lý ở 0 0C và 25 0C lượng xenluloza tổn thất là không cao và lượng xenluloza tổn thất không khác biệt quá nhiều ở những điều kiện xử lý khác nhau (bảng 3.2 và 3.3). Khi nhiệt độ xử lý là 75 0C lượng xenluloza tổn thất khá cao và tăng mạnh khi nồng độ kiềm tăng (bảng 3.4). Khi bổ sung urê, lượng xenluloza tổn thất giảm đi. Kết quả ở bảng 3.2, 3.3 và 3.4 cho thấy, trong khoảng nồng độ urê từ 1÷2%, lượng xenluloza tổn thất g