41 Trang 5 5 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ KTĐ Khô tuyệt đối MC Microcellulose tinh thể hoặc sợi cellulose ở kích thước micromet NC Nanocellulose tinh thể hoặc sợi cellulose ở k
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Hiện trạng chế biến sắn, cấu tạo và phế thải sau sản xuất
1.1.1 Hiện trạng chế biến sắn
Việt Nam hiện là quốc gia đứng thứ ba thế giới về xuất khẩu tinh bột sắn, chỉ sau Indonesia và Thái Lan Trung Quốc và Đài Loan là hai thị trường xuất khẩu chính của Việt Nam, bên cạnh một phần nhỏ xuất khẩu sang châu Âu Trong những năm qua, năng lực sản xuất và chế biến sắn của Việt Nam đã có những cải tiến đáng kể.
Bảng 1.1:Diện tích trồng sắn cả nước tính đến tháng 12/2017
Năm 2016 (Chính thức) Năm 2017 (Ước tính)
Tổng Miền Bắc Miền Nam Tổng Miền Bắc Miền Nam
Nguồn: Năm 2016: số liệu chính thức của Tổng cục Thống kê, năm 2017 là số liệu ước tính của Bộ NN và PTNT
Vỏ gỗ chiếm 2-3% khối lượng củ và được cấu tạo từ các tế bào cellulose và hemicellulose, với lượng tinh bột gần như không có Lớp vỏ ngoài cùng này có bề mặt sần sùi, màu nâu thẫm, chứa các sắc tố đặc trưng, giúp củ bền vững và bảo vệ khỏi các tác động cơ học bên ngoài.
Vỏ cùi là lớp dày hơn vỏ gỗ, chiếm từ 8 đến 20% trọng lượng củ, bao gồm các tế bào cấu tạo từ cellulose và tinh bột (5 – 8%) Giữa các lớp vỏ có mạng lưới ống dẫn nhựa củ, trong đó chứa nhiều tanin, enzyme và các sắc tố.
Thịt củ sắn, hay còn gọi là ruột củ, là phần chính của củ sắn, chứa các tế bào được cấu tạo từ cellulose và pentozan Bên trong, thịt củ sắn còn có các hạt tinh bột và nguyên sinh, góp phần tạo nên giá trị dinh dưỡng của thực phẩm này.
10 chất Hàm lượng tinh bột trong ruột củ phân bố không đều Kích thước hạt tinh bột khoảng 15-80àm Củ sắn càng để già thỡ càng cú nhiều xơ
Lõi củ sắn nằm ở trung tâm dọc theo thân củ, kết nối từ thân đến đuôi củ Lõi này chiếm từ 0,3 – 1% khối lượng của củ và chủ yếu được cấu tạo từ cellulose và hemicelluloses.
1.1.3 Phếthải sau sản xuất tinh bột sắn
Trong quá trình sản xuất tinh bột sắn, chất thải rắn bao gồm:
Vỏ gỗ và vỏ củ, chiếm khoảng 2-3% lượng sắn củ tươi, được loại bỏ ngay trong quá trình bóc vỏ Những loại vỏ này có thể được tận dụng làm thức ăn cho gia súc, có thể sử dụng ở dạng khô hoặc ướt.
Xơ và bã sắn, sau khi đã loại bỏ tinh bột, chiếm khoảng 15-20% trọng lượng của sắn tươi Nếu không được xử lý kịp thời, loại chất thải này có thể gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.
Xơ và bã sắn sau khi trích ly được tách bớt một phần nước trước khi làm thức ăn gia súc
Mủ: lượng mủ khô chiếm khoảng 3,5 – 5% khối lượng sắn tươi
Bã thải rắn từ sản xuất tinh bột sắn thường được sử dụng làm thức ăn gia súc, nhưng nguồn thu từ sản phẩm này rất hạn chế Do đó, cần áp dụng các biện pháp hiệu quả hơn trong việc sử dụng và quản lý bã thải rắn để tăng cường giá trị kinh tế.
Khái quát cấu tạo và tính chất của cellulose
Cellulose là một polyme sinh học phổ biến, chiếm thành phần chính trong hầu hết các loại cây gỗ và phi gỗ trên toàn cầu Là một hợp chất cao phân tử, cellulose được nghiên cứu qua các monome, cấu trúc của đại phân tử và sự tương tác giữa các chuỗi đại phân tử.
Cellulose có các đơn vị mắt xích là anhydro-β-D-glucopyranose Điều này được xác định nhờ thủy phân cellulose, thu được D-glucose với hàm lượng 96 – 98% so với lý thuyết[5]
Các đơn vị mắt xích của cellulose có ba nhóm hydroxyl tự do, bao gồm một nhóm hydroxyl rượu bậc một và hai nhóm hydroxyl rượu bậc hai Điều này được chứng minh qua thực tế rằng các sản phẩm ete hóa luôn tạo ra sản phẩm với ba nhóm thế trên cùng một đơn vị mắt xích Tốc độ phản ứng của các nhóm hydroxyl này cũng khác nhau.
Các nhóm hydroxyl ở mỗi đơn vị mắt xích kết nối với nguyên tử cacbon tại vị trí 2, 3 và 6 Sự liên kết này được xác nhận qua quá trình ete hóa, dẫn đến việc tạo ra trimethylcellulose, sau đó thủy phân tạo ra 2,3,6-tri-O-methyl-D-glucose.
Trong mạch đại phân tử, các vị trí monome 1,4 và 5 đã bị chiếm trước Khi thực hiện thủy phân methylcellulose, một lượng nhỏ khoảng 0,05 – 0,2% 1(4),2,3,6-tetra-O-methyl-D-glucose cũng được hình thành Sản phẩm này xuất phát từ đơn vị đầu mạch cellulose, với bốn nhóm hydroxyl.
Các đơn vị D-glucose trong cellulose có cấu trúc vòng 6 cạnh (pyrannose), điều này giúp cellulose bền vững trong môi trường axit, trong khi furanozit dễ bị phân hủy Do đó, liên kết giữa các đơn vị mắt xích trong cellulose là 1-4 glycozit, tương ứng với vòng pyranose, thay vì 1-5 như ở vòng furanose.
Các đơn vị mắt xích được kết nối với nhau nhờ liên kết glycozit
Liên kết giữa các đơn vị mắt xích trong cellulose là β-glycosid Điều này được xác nhận qua nghiên cứu sản phẩm thủy phân không hoàn toàn của cellulose, cụ thể là cellubiose Cellubiose, một disaccharide, được xác định là 4-O-(-β-D-glucopyranozyl)-D-glucopyranose hoặc 4-(β-D-glucosido)-D-glucopyranose.
Từ thực tế này, ta có thể kết luận rằng đơn vị mắt xích của cellulose có dạng β-anome
Dựa trên các nhận xét rút ra từ thực nghiệm, ta có thể biểu diễn cấu tạo phân tử cellulose như hình 1.1:
Hình 1.1:Cấu tạo hóa học của phân tử cellulose có độ trùng hợp n
Các nhà khoa học đã xác định rằng các đơn vị mắt xích của cellulose có hình dạng ghế và tồn tại dưới hai hình thái cấu trúc khác nhau, tương ứng với sự định hướng khác nhau của nhóm thế.
- Nhóm thế hướng ngoại (hướng xích đạo): liên kết giữa vòng với nhóm thế có xu hướng song song với mặt phẳng so sánh của vòng
- Nhóm thế liên kết với vòng theo hướng trục tức là vuông góc với mặt phẳng so sánh
Hình 1.2:Cấu trúc dạng ghế của cellulose
Cellulose có cấu trúc mạch phân tử đặc trưng với các tương tác nội phân tử và giữa các phân tử, thuộc nhóm polyme chuỗi cứng Là một polyme mạch cứng, cellulose không có tính đàn hồi, co dãn và không mềm dẻo khi nhiệt độ tăng, đồng thời khó hòa tan Trong trạng thái rắn, các chuỗi cellulose kéo dài, trong khi trong dung dịch, chúng tạo thành các cuộn và phân bố tự do trong dung môi.
Trong tự nhiên, khi các mạch cellulose từ nguyên liệu thực vật liên kết và tập hợp thành bó xơ sợi, chúng tạo ra một cấu trúc có mức độ trật tự cao.
Đại phân tử có thể có định hướng khác nhau, trong đó những đại phân tử gần nhau với định hướng giống nhau tạo thành cấu trúc tinh thể Ngược lại, những đại phân tử cách xa nhau với liên kết lỏng lẻo và sắp xếp lộn xộn sẽ hình thành cấu trúc vô định hình Giữa vùng tinh thể và vô định hình không có ranh giới rõ ràng, mà thường tồn tại một vùng chuyển tiếp.
Các cấu trúc vô định hình có khả năng phân hủy và chuyển hóa dễ dàng hơn khi chịu tác động của các tác nhân hóa học, sinh học hoặc lý học Bằng cách lựa chọn các tác nhân phù hợp, chúng ta có thể tạo ra các cấu trúc xơ sợi dạng tinh thể hoặc xơ sợi rời rạc với kích thước micro hoặc nano.
Các chuỗi đại phân tử cellulose từ nguyên liệu thực vật không chỉ có cấu trúc tinh thể hay vô định hình thuần khiết, mà thường bao gồm hai dạng cấu trúc này đan xen Mặc dù cấu trúc của cellulose vẫn đang được nghiên cứu, có thể khẳng định rằng các cấu trúc tinh thể và vùng vô định hình tập hợp thành các vi xơ (microfibril) Những vi xơ này sau đó kết hợp lại để tạo thành các cấu trúc lớn hơn gọi là xơ sợi (fibril).
Hình 1.3:Các cấp độ cấu trúc khác nhau của cellulose
Đại phân tử cellulose bao gồm các vùng tinh thể và vô định hình, tạo nên cấu trúc vững chắc cho vi sợi cellulose Các xơ sợi cellulose và vi sợi cellulose kích thước cỡ micro (MCFs) cùng với tinh thể nanocellulose (NCCs) đóng vai trò quan trọng trong việc ứng dụng cellulose trong nhiều lĩnh vực.
Vi tinh thể là thành phần vi sợi có mạng tinh thể, đặc trưng bởi định hướng tinh thể của phân tử và các mắt xích đơn phân Kích thước trung bình của mặt cắt ngang vi tinh thể khoảng 3,5 nm, với sự chênh lệch từ 2 đến 5 nm, trong khi chiều dài dao động từ 50 đến 200 nm tùy thuộc vào nguồn gốc sinh học Vùng tinh thể có độ bền cao, tính cơ lý tốt, khả năng hút ẩm, khả năng trương nở và phản ứng hóa học kém.
Trong quá trình chế biến hóa học và cơ học, các sợi và vi sợi được phân nhỏ dần theo chiều dọc, tạo thành các phân tử nhỏ cho đến các chuỗi đại phân tử cellulose.
Các phương pháp chế tạo cellulose
Các phương pháp truyền thống sản xuất cellulose chủ yếu bao gồm việc sử dụng tác nhân hóa học để tách lignin và các thành phần không phải cellulose Hai phương pháp chính được áp dụng là nấu sunfit và nấu kiềm, bao gồm nấu xút và nấu sunfat.
Phương pháp nấu sunfit sử dụng dịch nấu với các pH khác nhau: pH