Tổng quan các vấn đề nghiên cứu
Thành phần và tính chất của sinh khối lignoxenlulo
Sinh khối lignoxenlulo là vật liệu hữu cơ từ thực vật có khả năng thu thập và lưu trữ năng lượng mặt trời qua quang hợp, với tổng lượng hàng năm khoảng 10^10 đến 10^11 tấn Thành phần chính của thực vật bao gồm xenlulo, hemixenlulo và lignin, và sự kết hợp với tỷ lệ khác nhau của ba thành phần này tạo nên sự đa dạng của các loài thực vật hiện nay Hàm lượng của các thành phần này phụ thuộc vào từng loại nguyên liệu cụ thể.
Bảng 1.1: Hàm lượng xenlulo, hemixenlulo, lignin trong một số loại thực vật [1] Vật liệu Xenlulo (%) Hemixenlulo (%) Lignin (%)
Nghiên cứu về thành phần và tính chất của các dạng sinh khối lignoxenlulo như phế liệu gỗ, rơm rạ và bã mía đã được thực hiện tương đối đầy đủ Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, đặc biệt từ Viện Kỹ thuật Hóa Học, Đại học Bách khoa Hà Nội, đã tập trung vào chuyển hóa sinh khối thành hóa chất, chủ yếu trong lĩnh vực sản xuất etanol từ phế liệu gỗ keo tai tượng, gỗ bạch đàn, rơm rạ và bã mía Đồng thời, nghiên cứu cũng đã chỉ ra khả năng thu nhận xenlulo tan từ rơm rạ Những kết quả này khẳng định tiềm năng chuyển hóa thành hóa chất “xanh” của các dạng sinh khối lignoxenlulo.
Chế biến sinh-hóa học gỗ và lignocellulosic biomass là một lĩnh vực công nghiệp quan trọng, chia thành hai nhánh chính: sản xuất vật liệu xơ sợi và hóa chất Sản xuất vật liệu xơ sợi chủ yếu tạo ra bột giấy cho giấy và cactong, cùng với xenlulo tan cho sợi nhân tạo và vật liệu mới Trong khi đó, sản xuất hóa chất cung cấp xenlulo tan và nhiều loại hóa chất khác, phục vụ cho các ứng dụng trong xây dựng, công nghiệp, y học và dược phẩm.
Luận án tiến sĩ Kĩ thuật
Các vật liệu lignoxenlulo đã được nghiên cứu và chứng minh là nguyên liệu phù hợp để sản xuất nhiều sản phẩm hữu ích đa dạng Nhiều tài liệu từ những năm 1930 đến nay đã tổng hợp thông tin đáng tin cậy về thành phần hóa học cơ bản của chúng, như minh họa trong hình 1 Đồng thời, khả năng chuyển hóa của các vật liệu này trong quá trình chế biến hóa học, sinh-hóa học và nhiệt-hóa học cũng được đề cập trong các nghiên cứu gần đây.
Công nghệ chế biến hóa học sinh khối lignoxenlulo, bao gồm gỗ và nguyên liệu phi gỗ, đã được phát triển và áp dụng ở quy mô công nghiệp từ đầu thế kỷ XX Đến cuối thế kỷ XX, ngoài vật liệu xơ sợi, công nghệ sản xuất các sản phẩm như etanol, furfural, xylitol, glucozơ và than hoạt tính đã được hoàn thiện và phổ biến ở Mỹ, Tây Âu và các nước Liên Xô cũ Trong những năm đầu thế kỷ XXI, nghiên cứu chủ yếu tập trung vào ứng dụng công nghệ sinh học trong sản xuất các sản phẩm này, với những thành tựu đáng kể, đặc biệt trong lĩnh vực nhiên liệu sinh học như bioetanol, biobutanol và hydrocabon bậc cao, trong khi chế biến hóa học và sự kết hợp sinh-hóa học vẫn được tiếp tục quan tâm.
Trong hơn một thập kỷ qua, nghiên cứu về sinh khối lignoxenlulo trong sản xuất nhiên liệu sinh học và các sản phẩm “xanh” đã gia tăng mạnh mẽ, với hàng trăm công trình nghiên cứu được công bố hàng năm Các hội thảo khoa học lớn, như Hội thảo Biomass-Asia, được tổ chức ở nhiều quốc gia, bao gồm cả Việt Nam, nhằm thảo luận về chế biến sinh khối Các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào chuyển hóa sinh-hóa học và nhiệt-hóa học của sinh khối lignoxenlulo thành các sản phẩm hữu ích Công nghệ chế biến sinh khối chứa tinh bột đã gần như hoàn thiện, trong khi việc sử dụng nguyên liệu này gặp khó khăn do quỹ đất hạn chế và vấn đề an ninh lương thực toàn cầu Tiềm năng của sinh khối lignoxenlulo rất lớn và rõ ràng có khả năng thay thế dầu mỏ trong tương lai gần, với sự phong phú về chủng loại sản phẩm có thể thu được từ loại sinh khối này.
Các nghiên cứu và công nghệ mới trong lĩnh vực chuyển hóa hóa học và sinh-hóa học lignoxenlulo đã phát triển mạnh mẽ và đạt được nhiều thành tựu đáng kể tại các quốc gia Tây Âu, Mỹ, Canada, Đông Nam Á, Nhật Bản, Thái Lan, Ấn Độ và Trung Quốc.
Luận án tiến sĩ Kĩ thuật
Công nghệ chế biến sinh khối lignoxenlulo đã được nghiên cứu và trình bày trong nhiều báo cáo hỗ trợ của Liên hợp quốc và các quốc gia khác Tùy thuộc vào nguồn gốc và tính chất của nguyên liệu, quá trình chế biến có sự khác biệt, nhưng sơ đồ nguyên tắc chế biến vẫn là nền tảng cho các công nghệ hiện đại trong chuyển hóa sinh khối lignoxenlulo.
Hình 1.1 Sơ đồ chế biến sinh khối lignoxenlulo thành các sản phẩm hữu ích
Tiềm năng và tính chất của một số dạng phế phụ phẩm nông nghiệp chứa xơ sợi
Việt Nam, với lợi thế là một quốc gia nông nghiệp, sở hữu nguồn sinh khối đa dạng và phong phú từ các loại phế phẩm như gỗ củi, trấu, bã cà phê, rơm rạ và bã mía Vùng đồng bằng sông Mê Kông đóng góp khoảng 50% tổng sản lượng phế phẩm nông nghiệp toàn quốc, trong khi vùng đồng bằng sông Hồng chiếm 15% Diện tích trồng ngô trên cả nước đã vượt 1 triệu hecta, chủ yếu tập trung ở các tỉnh như Sơn La, Nghệ An, Thanh Hóa và Đắk Lắk, với sản lượng trung bình mỗi hecta đạt 4-5 tấn thân ngô, dẫn đến tổng sản lượng thân ngô trên toàn quốc có thể đạt trên 4 triệu tấn mỗi năm Hằng năm, Việt Nam sản xuất gần 60 triệu tấn sinh khối từ các phế phẩm nông nghiệp.
Luận án tiến sĩ Kĩ thuật
16 nông nghiệp từ rơm rạ và thân ngô Có thể thấy tiềm năng của nguồn phế phụ phẩm rơm rạ và thân ngô ở nước ta là rất lớn
Xenlulo là thành phần chính yếu trong cấu trúc tế bào của phế phụ phẩm nông nghiệp, bên cạnh đó còn có hemixenlulo, pectin, lignin, protein và các muối khoáng như K, Na, Ca, Mg, P, S, Si, Fe Mặc dù có sự khác biệt về hình thái học và hàm lượng chất giữa các loại phế phụ phẩm nông nghiệp và gỗ, nhưng nhìn chung, chúng đều chứa các thành phần hóa học tương tự Mỗi lớp tế bào của chúng đều bao gồm hydrat cacbon và lignin, tạo nên cấu trúc tế bào nguyên liệu.
Hàm lượng xenlulo trong phế phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ thấp hơn so với gỗ, với rơm rạ chứa khoảng 38-40% xenlulo, trong khi gỗ keo có khoảng 50% Bên cạnh đó, chiều dài trung bình của sơ xợi xenlulo trong phế phụ phẩm cũng ngắn hơn so với gỗ.
Do đó có thể ứng dụng sử dụng xenlulo của các loại phế phụ phẩm này để sản xuất xenlulo tan
Nguyên liệu Chiều dài trung bình của sơ xợi (mm)
Chiều rộng trung bình của sơ xợi (àm)
Hàm lượng pentozan trong phế phụ phẩm nông nghiệp cao hơn so với gỗ, trong khi hàm lượng lignin lại thấp hơn Điều này cho phép việc tách lignin để thu nhận xenlulo từ rơm rạ và các phế phụ phẩm nông nghiệp diễn ra dễ dàng hơn so với việc sử dụng nguyên liệu gỗ.
Rơm rạ và các loại phế phụ phẩm khác chứa hydrat cacbon, lignin, chất trích ly và hợp chất vô cơ với hàm lượng cao hơn so với gỗ Cụ thể, rơm rạ có khoảng 4% chất trích ly bằng etanol và 13,5% chất vô cơ Hàm lượng và thành phần chất trích ly thay đổi tùy thuộc vào từng loại phế phụ phẩm, bao gồm rượu, axit bậc cao, axit nhựa, chất sáp, chất đạm, chất màu, glucozit và một số đường Các chất vô cơ như K, Na, Ca, Mg, P, S, Si, Fe có hàm lượng phụ thuộc vào điều kiện sinh trưởng của cây như đất đai và khí hậu, trong đó silic dioxit là hợp chất vô cơ chủ yếu trong rơm rạ Chất vô cơ và chất trích ly có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của rơm rạ.
Luận án tiến sĩ Kĩ thuật
Quá trình thu nhận xenlulo bị ảnh hưởng đáng kể bởi các yếu tố khác, do đó, việc áp dụng các phương pháp hiệu quả để thu nhận các chất này trong quá trình chiết xuất xenlulo là rất cần thiết, vì chúng cũng mang lại giá trị kinh tế cao.
Các phương pháp truyền thống chế tạo xenlulo…
Các phương pháp truyền thống sản xuất xenlulo chủ yếu sử dụng hóa chất để tách lignin và các thành phần không phải xenlulo, với hai phương pháp chính là nấu sunfit và nấu kiềm Phương pháp nấu sunfit sử dụng các dịch nấu có pH khác nhau, từ pH