Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật hóa học: Nghiên cứu tổng hợp furtural từ lõi ngô bằng xúc tác trên cơ sở sulfonated graphene oxit có hỗ trợ enzyme

Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC Mã số: 8.52.03.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách khoa – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Mai Thanh Phong

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Hoàng Minh Nam

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS Nguyễn Trường Sơn

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Tiến Giang

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách khoa – ĐHQG-HCM, ngày 25 tháng 07 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 PGS TS Trần Ngọc Quyển – Chủ tịch

2 PGS TS Nguyễn Trường Sơn – Ủy viên phản biện 3 TS Nguyễn Tiến Giang – Ủy viên phản biện 4. PGS.TS Nguyễn Tuấn Anh – Ủy viên

5.TS Tống Thanh Danh – Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

(Họ tên và chữ ký)

1 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

Họ và tên học viên: Ninh Thị Tình

MSHV: 2170172 Ngày, tháng, năm sinh: 20/01/1998 Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học

Nơi sinh: Thanh Hóa Mã số: 8520301

I TÊN ĐỀ TÀI:

Tên tiếng Việt: Nghiên cứu tổng hợp furfural từ lõi ngô bằng xúc tác trên cơ sở sulfonated

graphene oxit có hỗ trợ enzyme

Tên tiếng Anh: Enzyme assisted synthesis of furfural from corncob using sulfonated

graphene oxide-based as a catalyst

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 2.1 Tổng quan

Lõi ngô, phản ứng thủy phân có hỗ trợ của enzyme xylanase, xylose, furfural, phản ứng khử nước, phương pháp nhiệt nung, vật liệu graphene oxit từ cellulose của lõi ngô (C-GO), phương pháp sulfo hóa, vật liệu xúc tác trên cơ sở sulfonated graphene oxit từ C-GO (C-SGO), phương pháp thu hồi và tái sử dụng xúc tác, phương pháp thủy nhiệt và vật liệu oxit sắt từ/sulfonated graphene oxit (C-MSGO)

– Tổng hợp và khảo sát khả năng tái sử dụng của vật liệu oxit sắt từ/sulfonated graphene oxit (C-MSGO) và so sánh với C-SGO

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/2021

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/2022

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS MAI THANH PHONG và TS HOÀNG MINH NAM

2 LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn thầy PGS TS Mai Thanh Phong và thầy TS Hoàng Minh Nam đã tận tình hướng dẫn cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy PGS TS Nguyễn Hữu Hiếu – Trưởng Phòng thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM Công nghệ Hóa học và Dầu khí (Key CEPP Lab), Trường Đại học Bách khoa ‒ ĐHQG-HCM tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy-cô, cán bộ Khoa Kỹ thuật Hóa học– Trường Đại học Bách khoa ‒ ĐHQG-HCM đã truyền đạt kiến thức quý báu và dẫn dắt tác giả trong suốt quá trình học tập tại trường

Tác giả xin trân trọng cảm ơn đến gia đình và người thân đã luôn quan tâm, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến nghiên cứu sinh, học viên, nghiên cứu viên và các bạn sinh viên ở Key CEPP Lab đã hỗ trợ tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Tác giả

Ninh Thị Tình

3 TÓM TẮT

Trong luận văn này, xylose và cellulose được tách từ lõi ngô bằng phương pháp thủy phân có hỗ trợ enzyme Ảnh hưởng của các điều kiện thủy phân (thời gian, hàm lượng enzyme và nhiệt độ) đến hàm lượng và hiệu suất tách xylose được khảo sát bằng phương pháp luân phiên từng biến Mẫu lõi ngô trước và sau quá trình thủy phân và cellulose được phân tích đặc trưng bằng kính hiển vi điện tử quét (scanning electron microscope (SEM))

Vật liệu có cấu trúc tương tự graphene oxit được tổng hợp từ cellulose của lõi ngô (C-GO) bằng phương pháp nhiệt nung Ảnh hưởng của điều kiện tổng hợp (thời gian nung và tỷ lệ cellulose:ferrocene) đến hiệu suất tổng hợp furfural và đặc trưng đã được khảo sát Trong đó, đặc trưng của vật liệu C-GO ở điều kiện phù hợp (C-GO8) được phân tích bằng phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier (Fourier−transform infrared spectroscopy (F−TIR)), giản đồ nhiễu xạ tia X (X–ray diffraction (XRD)), phổ Raman, ảnh SEM, phổ phân tích nhiệt trọng lượng (thermogravimetric analysis (TGA)) và phổ tán xạ năng lượng tia X (energy–dispersive X–ray spectroscopy (EDS))

Vật liệu C-GO được sulfo hóa bằng tác nhân axit sulfuric thành C-SGO Ảnh hưởng của nồng độ axit đến hiệu suất tổng hợp furfural và đặc trưng của vật liệu C-SGO cũng được khảo sát Đặc trưng của vật liệu C-SGO được xác định bằng phổ FTIR, giản đồ XRD, phổ Raman, ảnh SEM, phổ EDS, TGA, quang phổ quang điện tử tia X (X–ray photoelectron spectroscopy (XPS)) và phổ hấp phụ−giải hấp NH3 theo chương trình nhiệt độ (temperature–programmed desorption of ammonia (NH3–TPD)).

Ảnh hưởng của yếu tố phản ứng (nhiệt độ, thời gian, lượng xúc tác, nồng độ xylose và nồng độ NaCl) của vật liệu C-SGO phù hợp (C-SGO2M) đến hiệu suất tổng hợp furfural, chọn lọc furfural và chuyển hóa xylose được khảo sát bằng phương pháp luân phiên từng biến

Khả năng tái sử dụng của vật liệu C-SGO2M được xác định sau năm chu kỳ liên tiếp Sau chu kỳ năm, vật liệu được tái sinh để đánh giá khả năng tái sử dụng của vật liệu Ngoài ra, vật liệu oxit sắt từ/sulfonated graphene oxit (C-MSGO) được tổng hợp từ C-SGO và Fe3O4 bằng phương pháp thủy nhiệt để so sánh khả năng tái sử dụng so với vật liệu C-SGO2M Tóm tắt nội dung của luận văn được thể hiện ở Hình 1

Hình 1: Tóm tắt nội dung của luận văn

Thiết bị cao áp Khử nước

ABSTRACT

In this thesis, xylose and cellulose were extracted from corncobs via the hydrothermal method with the support of enzyme The effects of various factors (hydrolysis time, amount of enzyme, and hydrolysis temperature) on the amount and the yield of xylose were investigated using the alternative variable method The characterizations of the prepared cellulose and corncob sample before and after the hydrolysis method were also investigated via scanning electron microscope (SEM)

The structural graphene oxide-like material was synthesized from the cellulose-derived corncob (C-GO) by the calcination method The influences of the synthesis conditions (calcination time and cellulose:ferrocence ratio) on the characterization and the furfural production were evaluated Besides, the characterization of the C-GO was determined through several modern analytical methods including Fourier−transformed infrared spectroscopy (F−TIR), X–ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, SEM images, thermogravimetric analysis (TGA), and energy−dispersive X–ray spectroscopy (EDS)

Subsequently, the C-GO was modified by sulfonation using sulfuric acid (C-SGO) Wherein, the effect of the various acid concentrations on the characterization and the furfural yield was also investigated Additionally, the characterization of the C-SGO was evaluated via different analytical techniques, namely FTIR spectra, XRD patterns, Raman spectra, SEM images, TGA curves, EDS spectra, X–ray photoelectron spectroscopy (XPS), and temperature−programmed desorption of ammonia (NH3–TPD)

The effects of reaction conditions (temperature, time, catalyst amount, xylose concentration, and NaCl concentration) on the furfural yield, furfural selectivity, and xylose conversion of the C-SGO were examined via the alternating variable method

The reusability of the C-SGO was determined through five continuous cycles, while the re-generation of the material was conducted after five cycles to evaluate the recyclability In addition, themagnetic iron oxide/sulfonated graphene oxide (C-MSGO) material was synthesized from C-SGO and Fe3O4 by hydrothermal method to compare the reusability with C-SGO material

4 LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tác giả và được thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy PGS TS Mai Thanh Phong và thầy TS Hoàng Minh Nam tại Key CEPP Lab, Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM

Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực, chưa từng được công bố trong bất cứ một công trình nào khác trước đây

Tác giả xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Tác giả

Ninh Thị Tình

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN ii

LỜI CẢM ƠN iii

1.4.3 Oxit sắt từ/sulfonated graphene oxit (C-MSGO) 36

1.4.4 Phương pháp tổng hợp vật liệu 38

1.4.5 Phương pháp thu hồi và tái sử dụng vật liệu 44

1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 45

3.1 Ảnh hưởng điều kiện thủy phân đến hàm lượng và hiệu suất tách xylose từ lõi

ngô 81

3.1.1 Ảnh hưởng của điều kiện thủy phân 81

3.1.2 Đặc trưng của lõi ngô 85

3.2 Ảnh hưởng điều kiện tổng hợp đến hiệu suất tổng hợp furfural và đặc trưng của vật liệu C-GO 88

3.2.1 Hiệu suất tổng hợp furfural 88

3.2.2 Đặc trưng vật liệu C-GO 88

3.3 Ảnh hưởng của nồng độ axit đến hiệu suất tổng hợp furfural và đặc trưng của vật liệu C-SGO 90

3.3.1 Hiệu suất tổng hợp furfural 90

3.3.2 Đặc trưng vật liệu C-SGO 91

3.4 Ảnh hưởng của yếu tố phản ứng đến hiệu suất tổng hợp furfural, hiệu suất chọn lọc furfural và hiệu suất chuyển hóa xylose của vật liệu C-SGO2M 108

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 124

TÀI LIỆU THAM KHẢO 154

PHỤ LỤC 175

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 196

5 DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Các loại sinh khối 2

Hình 1.2: Cấu trúc của lõi ngô 5

Hình 1.3: Thành phần cấu trúc của lõi ngô 6

Hình 1.4: Cấu trúc của lignin 7

Hình 1.5: Cấu trúc của cellulose 8

Hình 1.6: Cấu trúc của (a) hemicellulose và (b) xylose 9

Hình 1.7: Các phương pháp tiền xử lý sinh khối 11

Hình 1.8: Enzyme xylanase 13

Hình 1.9: Cơ chế thủy phân sinh khối bằng enzyme 13

Hình 1.10: Sơ đồ minh họa (a) mô hình ổ khóa và chìa khóa và (b) tương tác enzyme−cơ chất 15

Hình 1.11: Cấu trúc hóa học của furfural 19

Hình 1.12: Ứng dụng của furfural 21

Hình 1.13: Cơ chế tổng hợp furfural bằng quy trình hai bước 23

Hình 1.14: Phân loại xúc tác trong quá trình tổng hợp furfural 26

Hình 1.15: (a) Hệ thống dung môi hai pha và (b) dung môi GVL 29

Hình 1.16: Chất lỏng ion 30

Hình 1.17: Cơ chế của dung môi cộng tinh sâu 31

Hình 1.18: Vật liệu xúc tác trên cơ sở cacbon 34

Hình 1.24: Cơ chế tổng hợp vật liệu C-GO 41

Hình 1.25: Sulfo hóa GO bằng axit chlorosulfonic 42

Hình 1.27: Sulfo hóa GO bằng axit sulfanilic 43

Hình 1.25: Sulfo hóa bằng axit sulfuric 44

Hình 1.28: Quá trình tổng hợp C-MSGO 45

Hình 1.29: Nguyên lý của máy đo phổ UV–Vis 50

Hình 1.30: Nguyên lý hoạt động của máy đo FTIR 52

Hình 1.31: Sơ đồ nhiễu xạ tia X 52

Hình 1.32: Nguyên lý hoạt động máy đo phổ Raman 53

Hình 1.33: Nguyên tắc hoạt động máy đo SEM 54

Hình 1.34: Nguyên lý của phép phân tích EDS 55

Hình 1.35: Sơ đồ hoạt động của phương pháp đo diện tích bề mặt 57

Hình 1.36: Nguyên lý hoạt động của XPS 58

Hình 1.37: Sơ đồ hoạt động của TGA 59

Hình 1.38: Sơ đồ vận hành của NH3–TPD 60

Hình 2.1: Lõi ngô được sử dụng trong luận văn này 63

Hình 2.2: Quy trình phân tách xylose và cellulose từ lõi ngô 68

Hình 2.3: Quy trình tổng hợp C-GO từ cellulose của lõi ngô 70

Hình 2.4: Quy trình tách hemicellulose và cellulose 72

Hình 2.5: Quy trình tổng hợp furfural 73

Hình 2.6: Quy trình tổng hợp C-SGO từ C-GO 74

Hình 2.7: Quy trình tổng hợp furfural từ xylose bằng C-SGO 74

Hình 3.4: Ảnh SEM (a) lõi ngô, (b) LN-HPAC, (c) bã cellulose và (d) cellulose 87

Hình 3.5: FTIR của (a) nhiệt độ và (b) tỉ lệ cellulose:ferrocene của vật liệu C-GO 90

Hình 3.6: Ảnh hưởng của nồng độ axit đến hiệu suất tổng hợp furfural của vật liệu SGO 91

C-Hình 3.7: Phổ FTIR của C-GO8 và C-SGO ở các nồng độ khác nhau 93

Hình 3.8: Ảnh SEM của các vật liệu (a) C-GO8; (b) C-SGO 0,5M; (c) C-SGO1M; (d) C-SGO1,5M; (e) C-SGO2M và (f) C-SGO2,5M 94

Hình 3.9: Phổ EDS của C-SGO nồng độ từ 0,5M đến 2,5M 96

Hình 3.10: Giản đồ XRD của a) C-GO và C-SGO2 99

Hình 3.11: Phổ Raman của mẫu vật liệu C-GO8 và C-SGO2M 100

Hình 3.12: Đường cong TGA của C-GO8 và C-SGO2M 103

Hình 3.13: Hấp phụ và giải hấp khí Nito và phân bố kích thước lỗ xốp của vật liệu GO8 và C-SGO2M 105

C-Hình 3.14: Phổ XPS của vật liệu C-SGO2M 107

Hình 3.20: Ảnh hưởng của nồng độ NaCl đến (a) hiệu suất tổng hợp furfural, hiệu suất

chuyển hóa xylose và (b) độ chọn lọc furfural của vật liệu C-SGO2M 114

Hình 3.21: Cơ chế đề xuất cho quá trình chuyển hóa xylose thành furfural 118

Hình 3.22: Khả năng tái sử dụng vật liệu C-SGO2M 119

Hình 3.23: Ảnh SEM (a) C-SGO2M tái sử dụng và (b) C-SGO2M tái sinh 120

Hình 3.24: Khả năng tái sử dụng vật liệu C-MSGO 122

Hình 3.25: Ảnh SEM (a) C-MSGO tái sử dụng và (b) C-MSGO tái sinh 122

6 DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Phân loại dạng sinh khối và ứng dụng tiềm năng 3

Bảng 1.2: Thành phần hóa học sinh khối 4

Bảng 1.3: Tính chất vật lý của furfural 20

Bảng 1.4: Ứng dụng của furfural và dẫn xuất furfural 21

Bảng 1.5: Ưu nhược điểm khi sử dụng xúc tác trong tổng hợp furfural 26

Bảng 1.6: Nghiên cứu tổng hợp GO từ sinh khối 40

Bảng 1.7: Tình hình nghiên cứu trong nước 46

Bảng 1.8: Các nghiên cứu ngoài nước 47

Bảng 2.1: Các hóa chất sử dụng 63

Bảng 2.2: Các thiết bị sử dụng 65

Bảng 2.3: Các giá trị khảo sát của thời gian phản ứng 69

Bảng 2.4: Các giá trị khảo sát của lượng enzyme 69

Bảng 2.5: Các giá trị khảo sát của nhiệt độ phản ứng 70

Bảng 2.6: Các giá trị khảo sát của thời gian nung 71

Bảng 2.7: Các giá trị khảo sát của tỷ lệ cellulose:ferrocene 71

Bảng 2.8: Các giá trị khảo sát của nồng độ axit:C-GO 75

Bảng 2.9: Các giá trị khảo sát nhiệt độ phản ứng 77

Bảng 2.10: Các giá trị khảo sát thời gian phản ứng 77

Bảng 2.11: Các giá trị khảo sát lượng xúc tác C-SGO 78

Bảng 2.12: Các giá trị khảo sát nồng độ xylose 78

Bảng 2.13: Các giá trị khảo sát lượng NaCl 79

Bảng 3.1: Ảnh hưởng của điều kiện tổng hợp vật liệu C-GO đến hiệu suất tổng hợp furfural 88Bảng 3.2: Kết quả phân tích thành phần nguyên tố trong các vật liệu xúc tác C-SGO 96

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

5-HMF 5-hydroxylmethylfurfural 5-hydroxylmethylfurfural BAILs Brønsted acidic ionic liquids Chất lỏng ion có gốc axit

Bronsted

DES Deep eutectic solvent Dung môi cộng tinh sâu

HBA Hydro bond acceptor Chất nhận liên kết hydro

IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry Nomenclature

Danh pháp Hóa học theo Liên minh Quốc tế về Hóa học thuần túy và Hóa học ứng dụng

LAILs Lewis acidic ionic liquids Chất lỏng ion có gốc axit Lewis NH3−TPD Temperature–programmed

desorption of ammonia

Phổ hấp phụ–giải hấp NH3 theo chương trình nhiệt độ

NREL National Renewable Energy Laboratory

Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Hoa Kỳ

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

SEM Scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử quét

SGO Sulfonated graphene oxide Sulfonated graphene oxit

TGA Thermogravimetric analysis Phổ phân tích nhiệt trọng lượng UV−Vis Ultraviolet–visible spectroscopy Phổ hấp thụ tử ngoại–khả kiến XOS Xylo−olygosaccharide Xylo–oglygosaccharide

XPS X–ray photoelectron spectroscopy Quang phổ quang điện tử tia X

ĐẶT VẤN ĐỀ

Sinh khối, cụ thể lõi ngô, là một nguồn tài nguyên dồi dào, giá thành thấp, đây được xem là nguồn tiền chất để tổng hợp vật liệu cacbon hoặc chuyển hóa thành dạng nhiên liệu sinh học có giá trị cao như furfural, ethanol, 5-hydroxylmethylfurfural, v.v Tuy nhiên, do sự phức tạp của thành phần cấu trúc cùng với những thách thức về mặt kỹ thuật, gây khó khăn trong việc chuyển hóa hoàn toàn sinh khối để sản xuất furfural Để giải quyết vấn đề này, nhiều nghiên cứu đã nỗ lực tìm kiếm quy trình mới để chuyển hóa hiệu quả nguồn sinh khối và tiết kiệm chi phí Quy trình hai bước được đề cập trong các nghiên cứu gần đây dựa trên việc thủy phân sinh khối thành đường xylose và khử nước xylose tạo thành furfural Quy trình này được thực hiện trong hai hệ thống khác nhau, do đó cho hiệu suất tổng hợp furfural cao vì hạn chế được phản ứng phụ và không lãng phí nguồn nguyên liệu thô với xúc tác Ngoài ra, việc sử dụng enzyme, đặc biệt là enzyme xylanase cho quá trình thủy phân sinh khối ngày càng tăng cao, nhằm cung cấp và phát triển phương pháp thân thiện với môi trường và hiệu quả về mặt sinh thái Bên cạnh đó, nhờ các tính chất hóa lý đặc biệt của enzyme như tính đặc hiệu, sản phẩm có độ chọn lọc cao cùng với ưu điểm như ít tiêu tốn năng lượng đầu vào trong quá trình phản ứng Do đó, sản phẩm của quá trình này chủ yếu là xylose, đây cũng được xem là tiền chất tổng hợp furfural

Furfural là hóa chất nền tảng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như dược phẩm, thực phẩm, sản xuất mực in và nhựa Furfural là sản phẩm của quá trình khử nước của xylose có nhiều trong nguồn sinh khối Trước đây, quá trình tổng hợp furfural bằng công nghệ Quaker Oats ở Hoa Kỳ là công nghệ thương mại hóa đầu tiên sử dụng axit sulfuric (axit Bronsted) thủy phân và khử nước chọn lọc hemicellulose từ vỏ yến mạch ở nhiệt độ cao để tạo thành furfural Tuy nhiên, quy trình này vẫn còn nhược điểm là tiêu thụ nhiều năng lượng, chi phí sản xuất cao, ăn mòn thiết bị và gây ô nhiễm môi trường Gần đây, nhiều nghiên cứu tập trung vào việc tổng hợp vật liệu xúc tác rắn dị thể như zeolite, nhựa trao đổi, axit cacbon, v.v vì tính thân thiện với môi trường, dễ thu hồi và độ ổn định cao Trong số đó, vật liệu xúc tác axit cacbon ngày càng thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu, đặc biệt là vật liệu xúc tác trên cơ sở sulfonated graphene oxit, nhờ vào đặc tính độc đáo như độ bền cơ học, đồ bền nhiệt cao và điều chỉnh được nhóm chức trên bề mặt

Vì vậy, luận văn này sẽ được thực hiện với tên đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp furfural

từ lõi ngô bằng xúc tác trên cơ sở sulfonated graphene oxit có hỗ trợ enzyme”

Hình 1.1: Các loại sinh khối

SINH KHỐI

Phế phẩm lâm nghiệp

Nước thải công nghiệp Rác thải sinh

hoạt

Phể phẩm nông nghiệp

Bùn thải

Phế thải chăn nuôi

Bảng 1.1: Phân loại dạng sinh khối và ứng dụng tiềm năng [2]

Chất thải rắn đô thị

Rác thải sinh hoạt

Thu gom, phân loại, tái chế, tái sử dụng và tiền xử lý

Nhiên liệu sinh học làm phân hữu cơ

Phụ phẩm nông nghiệp

Thân cây ngô, cỏ, bã mía

Dùng làm nhiên liệu hoặc nguyên liệu, ủ phân, phân hủy kỵ khí

Nhiên liệu sinh học và phân bón hữu cơ

Bùn thải Chất thải từ cống rãnh

Phân hủy kỵ khí Khí đốt

Phế phẩm chăn nuôi

Phế phẩm từ chăn nuôi gia súc

Xử lý hiếu khí và kị khí

Phân bón hữu cơ

Phế phẩm lâm nghiệp

Phế phẩm từ rừng Nhiệt phân, đốt và sấy Nhiên liệu sinh học

Phế phẩm công nghiệp

Thủy nhiệt Nhiên liệu sinh học

Phế phẩm từ quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học

Glycerol Chưng cất Ethanol sinh học, khí hydro

Phế phẩm từ hải sản

Chất thải từ hải sản

Xử lý sinh học Dầu cá, collagen, omega-3, thức ăn cho vật nuôi, phân bón

Phế phẩm từ quá trình lên men

protein, cacbonhydrat

Tiền xử lý, thủy phân và lên men

Axit béo, ancol, nhiên liệu cho quá trình tinh chế sinh học và hóa sinh Chất thải từ quá

trình chế biến thực phẩm

Thức ăn thừa Tái chế, tái sử dụng, xử lý sinh học như phân hủy kỵ khí, lên men và ủ phân

Nhiên liệu sinh học, phân hữu cơ, hóa sinh và chất hấp phụ sinh học

Hiện nay, có nhiều phương pháp để xử lý nguồn sinh khối này như đốt bỏ làm khí đốt, phân hủy kỵ khí để làm phân bón hữu cơ, tuy nhiên vẫn chưa xử lý triệt để Bên cạnh đó, việc chuyển đổi sinh khối thành nhiên liệu sinh học được xem là hướng tiếp cận tiềm năng để xử lý nguồn tiền chất này Ngoài ra, phụ phẩm công-nông nghiệp với trữ lượng lớn, dồi dào và phong phú được tạo ra hàng năm Tùy thuộc vào từng loại phụ phẩm, thành phần trong cấu trúc cũng tương ứng khác nhau, như thể hiện ở Bảng 1.2 [3]

Bảng 1.2: Thành phần hóa học sinh khối

Trong số phụ phẩm nông nghiệp kể trên, lõi ngô chứa hàm lượng cellulose 36 %, hemicellulose là 34 % và lignin là 18 %, được xem là nguồn nguyên liệu sẵn có và giá thành thấp [4] Nhằm mục tiêu tổng hợp furfural với hiệu suất cao từ xylose có trong hemicellulose, do đó lõi ngô được lựa chọn làm nguồn vật liệu trong luận văn này

1.1.2 Lõi ngô

Cây ngô (Zea mays L.) là một trong những cây trồng có sản lượng lớn trên thế giới

Ở Việt Nam, sản lượng ngô chiếm thứ hai bên cạnh các cây lương thực và được trồng trải dài khắp cả nước Cùng với nhu cầu tiêu dùng ngày càng tăng của người dân, sản lượng lớn phụ phẩm từ lõi, lá, thân và râu ngô ngày càng nhiều Hầu hết nguồn phụ phẩm sau quá trình thu hoạch và sản xuất, cụ thể là lõi ngô thường được đốt bỏ làm khí đốt hoặc chôn lấp làm phân bón hữu cơ, tuy nhiên vẫn chưa xử lý được triệt để Do đó, việc tận dụng nguồn nguyên liệu từ lõi ngô để phát triển các sản phẩm có giá trị góp phần mang lại hiệu quả về mặt kinh tế là cần thiết Bên cạnh đó, lõi ngô có cấu tạo gồm 3 thành phần chính: cellulose, hemicellulose và lignin như thể hiện ở Hình 1.2

Hình 1.2: Cấu trúc của lõi ngô

1.1.3 Thành phần cấu trúc

Hầu hết các nguồn sinh khối từ thực vật đều có cấu trúc phức tạp Thành tế bào của sinh khối thường bao gồm thành sơ cấp và thứ cấp, sự hiện diện của thành tế bào này phụ thuộc vào thời gian hình thành của tế bào thực vật Polysaccharide như cellulose, hemicellulose và pectin có nhiều trong thành sơ cấp, lúc này các vi sợi tương tác tạo ra mạng lỏng lẻo và không đều Trong khi đó, thành tế bào thứ cấp tương đối dày hơn vì tế bào thực vật trải qua quá trình phát triển, do đó thành phần tế bào thứ cấp chứa thêm lignin Thành tế bào thứ cấp bao gồm một lớp mỏng bên ngoài,

Hemicellulose

Cellulose

Lignin Sinh khối

Lõi ngô Cây ngô

lớp giữa dày, lớp bên trong mỏng với hemicellulose là thành phần cơ bản, như thể hiện ở Hình 1.3 [5]

Hình 1.3: Thành phần cấu trúc của lõi ngô

1.1.3.1 Lignin

Lignin là một polyme không chứa cacbohydrate được tạo thành từ các polyme thơm và được cho là thành phần gây khó khăn trong việc phân hủy sinh khối Dựa vào sự khác biệt của nhóm methoxyl, lignin có thể được phân thành 3 loại: guaiacyl (G), syringyl (S) và hydroxylphenyl (H), như thể hiện ở Hình 1.4 Lignin kị nước và không thể hòa tan trong nước do trong cấu trúc chứa vòng thơm [6] Lignin liên kết chặt chẽ với hai thành phần còn lại là cellulose và hemicellulose, cung cấp độ cứng và khả năng chống chịu cho thành tế bào thực vật [7] Đây được xem là yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến quá trình chuyển đổi sinh khối Lá chắn phức hợp lignin-hemicellulose tạo thành một lớp phủ bảo vệ để bao bọc vi sợi cellulose và ngăn chặn khỏi sự tấn công của vi sinh vật Ngoài ra, thành phần nhỏ của thành tế bào có pectin là glycan có cấu trúc phức tạp nhất, là một trong những yếu tố tạo nên tính bền và vững chắc của thành tế bào Bên cạnh đó, lignin và polysaccharide trong cấu trúc sinh

LigninVi sợi

Bó sợiTế bào

thực vật

khối tự nhiên được liên kết với nhau bằng mạng lưới liên kết hydro yếu và cộng hóa trị mạnh với benzyl ester, benzyl ether và nhóm chức phenyl glycoside

Hình 1.4: Cấu trúc của lignin

1.1.3.2 Cellulose

Cellulose có công thức cấu tạo (C6H10O5)n hay [C6H7O2(OH)3]n được cấu tạo bởi các đơn phân monome D–Glucose liên kết với nhau bằng β–1,4–glycosidic được thể hiện như Hình 1.5 Mỗi D–glucose được sắp xếp lặp lại thành từng disaccharide và ngược hướng nhau (mỗi phân tử glucose xoay 180o so với phân tử bên cạnh) tạo thành chuỗi β–1,4–glucan thẳng, không phân nhánh với mức độ trùng hợp từ 5000–15000 phân tử như thể hiện ở Hình 1.5 Một số chuỗi cellulose sắp xếp đều đặn thẳng hàng và liên kết với nhau nhờ cầu nối hydrogen (giữa các nhóm hydroxyl) và lực Van der Waals để tạo thành vùng tinh thể lớn và một số chuỗi nhỏ phân tán thành vùng vô định hình Cấu trúc tinh thể kết hợp với nhau để tạo thành bó hoặc vi sợi (40–70 chuỗi), do đó tăng cường khả năng chống lại sự phân hủy của vi sinh vật [8]–[10]

Hình 1.5: Cấu trúc của cellulose

1.1.3.3 Hemicellulose

Hemicellulose được cho là thành phần phong phú thứ hai của sinh khối sau cellulose Tuy nhiên, không giống như cellulose gồm các đơn vị monome đồng nhất về mặt hóa học, hemicellulose là một nhóm polysaccharide gồm một mạch thẳng (chủ yếu là mạch thẳng xylan) và mạch phân nhánh được tạo thành từ đơn vị pyranose và furanose như xylose, mannose, arabinose và axit galacturonic được liên kết với nhau bằng β–1,4–D–glycosidic, như thể hiện ở Hình 1.6 [1] Thành phần, cấu trúc và khối lượng hemicellulose thu nhận có thể khác nhau tùy thuộc vào loại sinh khối Hemicellulose thường phân bố trên bề mặt của vi sợi cellulose và được xem là tác nhân liên kết giữa cellulose và lignin, do đó làm tăng thêm độ cứng cáp cho thành tế bào [7], [9], [11]

Xylan được xem là khung cacbon tạo nên cấu trúc của hemicellulose, được cấu tạo bởi sự lặp lại của các tiểu đơn vị xylose (poly-xylose) liên kết với nhau bằng β–1,4 tạo thành mạch thẳng là homo-xylan Trong khi đó, mạch nhánh được gọi là hetero-xylan biểu thị cho sự có mặt của các gốc đường phân nhánh khác Đường phân nhánh trong hetero-xylan bao gồm L-arabinofuranose được liên kết với vị trí C–3 của gốc xylose, những hetero-xylan này được ký hiệu là arabinoxylan hoặc của axit D–glucuronic hoặc dẫn xuất metyl như axit 4–O–metyl–D–glucuronic, được liên kết với vị trí C–2 của gốc xylose, được ký hiệu là glucuronoxylan và/hoặc một hỗn hợp của cả hai loại đường, được ký hiệu là arabinoglucuronoxylans Mức độ và loại đường phân nhánh trong hetero-xylan khác nhau tùy thuộc vào nguồn thực vật Xylan của

một số loại gỗ cứng được acetyl hóa ở vị trí C–2 hoặc C–3 và/hoặc ở cả hai vị trí này trên xylose Bên cạnh đó, xylan và lignin thường được liên kết thông qua liên kết cộng hóa trị để tạo thành phức hợp lignin-cacbohydrate Trong trường hợp của glucuronoxylan, các liên kết chéo được hình thành giữa gốc axit 4–O–metyl–D–glucuronic và chuỗi aliphatic của lignin [12]

Hình 1.6: Cấu trúc của (a) hemicellulose và (b) xylose

Nhìn chung, xylose là thành phần chủ yếu trong chuỗi xylan tạo thành cấu trúc hemicellulose của lõi ngô Đây cũng được xem là tiền chất để tổng hợp furfural Ngoài ra, cellulose cũng được xem là nguồn tiền chất để tổng hợp vật liệu trên cơ sở cacbon Do đó, việc chuyển đổi hoàn toàn được hai nguồn xylose và cellulose sẵn có trong lõi ngô thành furfural và vật liệu trên cơ sở cacbon là cần thiết Tuy nhiên, do sự phức tạp của quá trình chuyển đổi sinh khối và những thách thức về mặt kỹ thuật là những trở ngại cản trở việc thương mại hóa sản xuất furfural Như đã đề cập trên, thành phần của lõi ngô chủ yếu bao gồm cellulose, hemicellulose và lignin thơm đan xen chặt

(b)

chẽ với nhau tạo thành cấu trúc vững chắc cho thành tế bào thực vật bằng cách hình thành phức hợp lignin-cacbonhydrate Vì vậy, nhiều phương pháp tiền xử lý đã được đưa ra nhằm chuyển đổi sinh khối, cụ thể là lõi ngô một cách hiệu quả

1.1.4 Phương pháp xử lý sinh khối

Sinh khối lignocellulose, cụ thể là lõi ngô, đã được đề cập trong nhiều nghiên cứu về tính chất khó phân hủy với cấu trúc phức tạp và tương tác chặt chẽ của ba thành phần chính lignin, cellulose và hemicellulose Điều này hạn chế việc chuyển đổi hoàn toàn nguồn sinh khối thành sản phẩm có giá trị cao Do đó, việc phát triển các phương pháp tiền xử lý sinh khối đóng vai trò quan trọng về việc sử dụng hiệu quả hemicellulose trong sinh khối để sản xuất furfural với hiệu suất và độ chọn lọc cao Thông thường, phương pháp tiền xử lý có thể chia thành ba loại: vật lý, hóa học và sinh học như thể hiện ở Hình 1.7 Đối với phương pháp vật lý sử dụng cơ học hoặc nhiệt để làm phồng hoặc trương nở cấu trúc màng tế bào bằng nổ hơi nước và giảm kích thước thông qua xay và nghiền Phương pháp hóa học sử dụng chất lỏng ion, axit loãng, kiềm hoặc dung môi cộng tinh sâu để phân tách và thay đổi thành phần sinh khối Cuối cùng, phương pháp xử lý sinh học sử dụng vi khuẩn/nấm hoặc enzyme của vi sinh vật để thủy phân các nguồn sinh khối thực vật [13] Đối với phương pháp này được thực hiện trong điều kiện thấp như nhiệt độ phản ứng 50–60°C, pH 5–6, ít sử dụng hóa chất độc hại và độ chọn lọc cao do sử dụng enzyme có tính chọn lọc cơ chất Do đó, luận văn này sử dụng phương pháp sinh học, cụ thể sử dụng xúc tác enzyme để xử lý lõi ngô

Hình 1.7: Các phương pháp tiền xử lý sinh khối

Ngoài ra, nhờ sự phức tạp trong cấu trúc sinh khối, do đó ngăn cản sự thủy phân và phân hủy bằng enzyme Đồng thời, phức hợp lignin-cacbohydrate ức chế quá trình thủy phân của vi sinh vật, làm ảnh hưởng đến việc hấp phụ enzyme lên bề mặt của cấu trúc lõi ngô Vì vậy, tiền xử lý sinh khối lignocellulose là cần thiết để phá vỡ cấu trúc sinh khối có trật tự cao Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng hỗn hợp axit axetic băng: H2O2 giúp loại bỏ đến 90 % lignin có trong cấu trúc sinh khối [14] Vì vậy, trong luận văn này, hỗn hợp axit axetic băng: H2O2 được sử dụng để tiền xử lý sinh khối nhằm mục đích loại bỏ lignin trong cấu trúc của lõi ngô, tiếp đến là quá trình thủy phân bằng enzyme để thu được các sản phẩm thủy phân có độ chọn lọc cao Tính đặc hiệu của enzyme và khả năng xúc tác có chọn lọc là một trong những ưu điểm của enzyme Do đó, việc lựa chọn một loại enzyme phù hợp để phân cắt β–1,4–glycosidic trong mạch xylan của chuỗi hemicellulose là điều cần thiết Enzyme xylanase là enzyme thực hiện thủy phân xylan, xúc tác phân cắt ngẫu nhiên tại các vị trí β–1,4–glycosidic giữa các gốc xylopyranosyl

Nghiền Xay Vi sóng

Kiềm hóa Axit Dung môi sâu

(DES)

Enzyme Vi sinh học

Sinh khối

1.2 Enzyme xylanase

1.2.1 Enzyme xylanase

Enzyme được gọi là chất xúc tác sinh học giúp điều chỉnh phản ứng hóa học bằng cách hạ thấp năng lượng kích hoạt và tăng tốc độ phản ứng Trong số sáu họ enzyme như Oxydoreductase, Transferase, Hydrolase, Lyase, Isomerase và Ligase, thì Hydrolase đại diện cho nhóm enzyme thương mại phổ biến và được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp thực phẩm, hóa chất và dệt may

Enzyme xylanase thuộc họ Hydrolase, bao gồm nhiều phân lớp khác nhau (endo 1,4–β,D–xylanase (EC 3.2.1.8), β,D–xylosidase (EC 3.2.1.37) và α–l–arabinofuranosidases (E.C 3.2.1.55) thường hoạt động trên các liên kết β–1,4 có trong khung polyme xylan Enzyme Xylanase thuộc nhóm O–glycoside hydrolyase (GH), enzyme xúc tác cho phản ứng thủy phân cần có sự tham gia của nước với cấu trúc như thể hiện ở Hình 1.8 Enzyme xylanase thường bao gồm một hoặc nhiều miền xúc tác và nhiều miền phụ không xúc tác Endo-xylanase đại diện cho nhóm lớn nhất trong số các enzyme thủy phân và hiện được khai thác trong bốn ứng dụng: (i) phân hủy chất thải nông nghiệp, (ii) xử lý thức ăn chăn nuôi bằng enzyme, (iii) sản xuất bột giấy hòa tan tạo ra cellulose cho sản xuất tơ nhân tạo và (iv) tiền xử lý bột giấy Kraft hoặc sợi bột giấy tăng cường loại bỏ lignin và dẫn đến thay đổi tính chất của

giấy [15]

Quá trình thủy phân xylan trong hemicellulose dưới tác động của endo–β–1,4 xylanase xúc tác thủy phân phá vỡ cấu trúc của xylan bằng cách phân cắt các liên kết β–1,4–xylan, sản phẩm thu nhận bao gồm xylose và xylooligosaccharide (xylobiose, xylotriose), β–xylosidase (EC 3.2.1.37) là các exoglycosidase tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thủy phân hoàn toàn xylan bằng cách loại bỏ các nhóm từ bên đầu không khử tạo ra xylose tại vị trí cắt exo–β–1,4–xylo-oligomer Enzyme xylanase thể hiện hoạt tính xúc tác tốt trong môi trường pH 4–5, nhiệt độ 50–60°C

Hình 1.8: Enzyme xylanase

1.2.2 Cơ chế hoạt động

Quá trình thủy phân sinh khối phức tạp bằng enzyme bao gồm các bước ở quy mô phân tử như sau: (1) phân tử enzyme tiếp xúc và gắn cơ chất trong dung dịch đệm bằng quá trình khuếch tán, (2) phân tử enzyme khuếch tán vào cơ chất thông qua cấu trúc lỗ rỗng và hấp phụ lên các vị trí xúc tác và (3) phản ứng thủy phân bằng enzyme được xảy ra trên bề mặt cơ chất, như được thể hiện ở Hình 1.9

Hình 1.9: Cơ chế thủy phân sinh khối bằng enzyme

Sự phối hợp đồng hiệp lực của hệ thống enzyme xylanase chẳng hạn như xylanase, exo–xylanase và β–xylosidase là rất quan trọng nhằm phân hủy mạch xylan có trong hemicellulose để sản xuất xylo-oglygosaccharide (XOS) gồm có xylotriose, xylobiose và xylose Khi có sự tác động đồng hiệp lực của enzyme xylanase và exo–

Sinh khối Lignin Cellulose

Hemicellulose

Enzyme xylanase (E)

Enzyme khuếch tán và và các vị trí trên mạch hemicellulose

Quá trình enzyme hấp phụ và phản ứng

xylanase: (1) các exo–xylanase này thể hiện được tính đặc hiệu cơ chất sẽ thủy phân tại đầu khử của xylan và tạo ra XOS; (2) enzyme xylanase tiếp tục thủy phân XOS tạo thành các xylotriose và xylobiose Cuối cùng, β–xylosidase trong hệ enzyme xylanase sẽ thủy phân XOS thành xylose [12]

Quá trình thủy phân này tạo thành một vòng lặp và tuân theo mô hình ổ khóa và chìa khóa của tương tác enzyme cơ chất như thể hiện ở Hình 1.10 Mô hình ổ khóa và chìa khóa lần đầu tiên được đề xuất bởi nhà khoa học Emil Fischer (1984), dựa trên cơ sở về tính đặc hiệu của enzyme với cơ chất Khi enzyme xúc tác cho phản ứng thủy phân thì cơ chất sẽ được lắp khít vào vị trí hoạt động của enzyme tương tự như chiếc chìa khóa lắp vào ổ khóa và mỗi ổ khóa chỉ có một chìa khóa Điều này có nghĩa là, enzyme chỉ xúc tác đặc hiệu cho một cơ chất nhất định, do đó sản phẩm tạo thành có tính chọn lọc cao Enzyme (E) kết hợp với cơ chất (S) tạo nên phức hợp trung gian giữa enzyme−cơ chất (enzyme−substrate (ES)), dưới tác dụng của enzyme, phân tử cơ chất bị thủy phân tạo thành sản phẩm (product (P)) Sau khi P tạo thành, enzyme được giải phóng và quá trình phản ứng hoàn thành như thể hiện ở Hình 1.10b Ngoài ra, tính đặc hiệu và khả năng xúc tác có chọn lọc của enzyme tùy thuộc vào trung tâm hoạt động

+

(a)

Ổ khóa

Chìa khóa

Hình 1.10: Sơ đồ minh họa (a) mô hình ổ khóa và chìa khóa và (b) tương tác enzyme−cơ chất

Sự hình thành phức hệ ES ban đầu được quyết định bởi hằng số phân ly Ks (thương số của các hằng số tốc độ Kđóng và Kmở) Tốc độ các phản ứng hóa học tiếp theo sự hình thành phức hệ ES được gọi là hằng số động học riêng, kxúc tác Trạng thái chuyển tiếp ES++ bị giới hạn bởi kxúc tác [16], như thể hiện ở Phương trình (1.1):

Cơ chất

Cơ chất liên kết enzyme

Phức hợp enzyme–cơ chất

kxúc tác∆Gxúc táckxúc tác

Ea = ∆GES++

diện tích tiếp xúc giữa cơ chất và enzyme; hàm lượng hemicellulose Độ xốp và kích thước của nguyên liệu (giảm kích thước hạt làm tăng diện tích bề mặt trên một đơn vị khối lượng cung cấp khả năng tiếp cận nhiều hơn cho các enzyme) và độ dày/độ thô của thành tế bào (hạn chế sự xâm nhập của chất lỏng) [16]

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân lõi ngôcủa enzyme

Quá trình thủy phân bằng enzyme là một quá trình xúc tác dị thể phức tạp bao gồm động học truyền khối phân tử và động học phản ứng Trong những năm gần đây, nhiều nhà nghiên cứu đã thực hiện các thử nghiệm để cung cấp sơ khởi cho việc tối ưu hóa quá trình thủy phân nhằm cải thiện hiệu quả chuyển đổi và giảm chi phí Việc tối ưu và sàng lọc các yếu tố ảnh hưởng được thực hiện nhằm xử lý chẳng hạn như nồng độ enzyme, kích thước hạt của cơ chất, nhiệt độ và thời gian phản ứng Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân bằng enzyme (chẳng hạn như điều kiện tiền xử lý và đặc tính cơ chất), tất cả các yếu tố này đều có mối liên hệ với nhau, nên luôn thực hiện các khảo sát để nhằm giảm thiểu các chi phí và thời gian cho quá trình thủy phân

Một trong những mục tiêu của tiền xử lý loại bỏ lignin là cải thiện khả năng tiếp cận của enzyme xylanase với hemicellulose thông qua quá trình thủy phân, sản phẩm thu nhận là đường xylose Do đó, lignin có thể thủy phân và được loại bỏ bằng quá trình tiền xử lý với kiềm hoặc amoniac hoặc lớp lignin bị phá vỡ do thủy phân các liên kết trong phức hợp lignin-cacbohydrate với hỗn hợp axit loãng và tiền xử lý thủy nhiệt Điều này giúp cải thiện khả năng tiếp cận cacbohydrate của xúc tác enzyme Bên cạnh đó, tùy vào từng loại sinh khối mà sản phẩm của quá trình thủy phân lignin ảnh hưởng đến việc ức chế enzyme cũng tương ứng khác nhau Nghiên cứu trước đã đề cập lignin khi được loại bỏ không hoàn toàn sẽ lắng đọng trên bề mặt cơ chất, hạn chế sự tương tác của enzyme Ngoài ra, lignin với trọng lượng phân tử thấp ức chế hoạt động của enzyme bằng cách liên kết phi sản xuất, quá trình này xảy ra khi cơ chất kết hợp với enzyme tự do, liên kết phi sản xuất có thể được coi là một chất tương tự ức chế cạnh tranh Bên cạnh đó, nhóm hydroxyl béo và một lượng nhỏ các nhóm

cacboxylic trong lignin làm tăng tính chất kỵ nước và liên kết với enzyme, dẫn đến làm hạn chế hoạt tính của enzyme [17]

1.2.3.2 Nhiệt độ và thời gian thủy phân

Ngoài ra, quá trình thủy phân bằng enzyme còn bị ảnh hưởng bởi các thông số hóa lý khác nhau như pH, tỷ lệ enzyme/cơ chất, nhiệt độ vận hành, kích thước hạt và tốc độ khuấy trộn Trong số này, pH có thể ảnh hưởng đến hoạt động và tính ổn định của enzyme và do đó điều chỉnh tốc độ phản ứng của enzyme Hơn nữa, nhiệt độ là một thông số nữa chi phối hoạt động của enzyme [14] Tốc độ phản ứng tăng khi nhiệt độ tăng đối với các phản ứng enzyme [15] Tuy nhiên, nhiệt độ cao có thể dẫn đến sự biến tính và làm bất hoạt enzyme, dẫn đến tạo ra tác động tiêu cực đến hiệu suất và hàm lượng xylose thu nhận Vì vậy, ảnh hưởng của điều kiện nhiệt độ và thời gian thủy phân đến hàm lượng và hiệu suất tách xylose được khảo sát trong luận văn này

1.2.3.3 Tỉ lệ enzyme/cơ chất

Để đạt được sự chuyển đổi sinh khối cao hơn, hàm lượng tương tác enzyme và cơ chất tăng nhiều hơn là rất quan trọng Do đó, tỷ lệ enzyme/cơ chất (E/S) là một yếu tố khác ảnh hưởng đến quá trình thủy phân bằng enzyme [11–13] Hàm lượng enzyme xylanase tham gia nhiều trong quá trình phản ứng, giúp tiếp cận và hấp phụ lên nhiều vị trí liên kết của cơ chất Các enzyme xylanase này tham gia cắt đứt các vị trí β−1,4 trong chuỗi hemicellulose, qua đó lượng đường xylose được tạo ra nhiều hơn Do đó, yếu tố tỉ lệ enzyme/cơ chất, cụ thể là hàm lượng enzyme được khảo sát nhằm thu nhận được xylose từ lõi ngô là cao nhất

1.2.4 Ứng dụng

Một trong những ứng dụng của xylanase muốn hướng tới là phân hủy sinh khối, khi có mặt của enzyme xylanase giúp phân hủy polyme xylan có trong thành tế bào thực vật Enzyme xylanase có sẵn trên thị trường được mua từ các nguồn vi sinh vật khác nhau và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác ngoài quá trình phân hủy sinh khối

Trong ngành công nghiệp bánh mì, enzyme xylanase được sử dụng để cải thiện đặc tính của bột nhào Bánh mì với thành phần chủ yếu là lúa mì bao gồm

hemicellulose như arabinoxylan Xylanase có thể hòa tan arabinoxylan không chiết xuất được trong nước thành arabinoxylan có thể chiết xuất được trong nước, giúp phân phối nước đồng đều và cải thiện mạng lưới gluten trong toàn bộ khối bột nhào Việc bổ sung xylanase giúp cải thiện các đặc tính lưu biến của bột nhào như độ nở, độ mềm và độ đàn hồi cũng như khối lượng riêng của bánh mì [15] Enzyme xylanase giúp làm trong nước ép trái cây để sản xuất thương mại thông qua việc thủy phân polysaccharide dư thừa, do đó cải thiện chất lượng sản phẩm Hơn nữa, quy trình này giúp nâng cao hiệu quả sản lượng nước ép trái cây và tăng thời gian bảo quản của sản phẩm đóng gói

Sản xuất nhiên liệu sinh học là một trong những lĩnh vực được nghiên cứu nhiều như sản xuất ethanol từ phụ phẩm đã được khai thác trong những năm gần đây nhờ hoạt động của enzyme xylanase/cellulase được chiết xuất từ nhiều nguồn khác nhau Việc chuyển đổi sinh khối thành nhiên liệu đã được chú ý để sản xuất nguồn năng lượng tái tạo và thân thiện môi trường với mức giá hợp lý Quá trình này liên quan đến việc chuyển đổi sinh khối để phá vỡ các polyme cacbohydrate phức tạp thành các đơn vị monome đơn giản và tiếp tục chuyển đổi thành nhiên liệu sinh học chẳng hạn như ethanol, furfural và 5-hydroxylmethylfurfural

1.3 Furfural

1.3.1 Giới thiệu

Furfural được xem là hợp chất hóa học nền tảng có nguồn gốc từ sinh khối với cấu trúc hóa học như thể hiện ở Hình 1.11 Tuy nhiên, quá trình tổng hợp furfural và dẫn xuất furfural vẫn còn nhiều thách thức về mặt kỹ thuật, năng lượng, chi phí và vấn đề môi trường Năm 2004, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (Department of Energy (DOE)) và Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Hoa Kỳ (National Renewable Energy Laboratory (NREL)) đã báo cáo quy trình tổng hợp và tinh chế sinh học, sàng lọc hơn 300 loại hóa chất thông qua quá trình chuyển đổi sinh khối và thu được 12 hợp chất hóa học quan trọng Furfural là một trong những hóa chất thuộc furan cùng với 5–hydroxylmethylfurfural (5–HMF) và axit 2,5–furandicacboxylic được thu nhận từ quá trình khử nước của đường pentose (chủ yếu là xylose) [18]

Hình 1.11: Cấu trúc hóa học của furfural

1.3.2 Tính chất

Furfural có công thức cấu tạo C5H4O2 với tên gọi theo danh pháp IUPAC là 2-furaldehyde, là một trong những phân tử hữu cơ có nguồn gốc từ sinh khối Một số tính chất vật lý của furfural như được trình bày ở Bảng 1.3 Bên cạnh đó, tính chất hóa học và vật lý của furfural được quyết định bởi cấu trúc phân tử Nhờ tính chất của hệ liên hợp C=C–C=C liên kết với nguyên tử oxy, còn cặp electron tự do tạo thành hệ thơm dị vòng năm cạnh gọi là vòng furan Vòng furan có thể bị alkyl hóa, hydro hóa, oxy hóa, halogen hóa và phản ứng nitrat hóa Đối với nhóm chức aldehyde (−CHO) liên kết trên vòng furan làm cho furfural có các phản ứng đặc trưng của nhóm chức này như acetal hóa, akyl hóa, ngưng tụ aldol, Knoevenagel, khử rượu, khử axit amin thành amin, khử cacbonyl hóa, oxy hóa axit cacboxylic và phản ứng Grignard [19] Sự linh động của nhóm aldehyde kèm với dị vòng furan làm phân tử furfural bị oxy hóa trực tiếp ngay cả trong không khí, dưới tác nhân chủ yếu của khí oxy tạo ra các gốc tự do và phản ứng với nhau tạo thành polyme liên hợp dài Sự giải phóng năng lượng và sắp xếp lại điện tử thông qua hệ thống liên hợp, liên kết đôi làm thay đổi bước sóng hấp thụ ánh sáng Kết quả làm thay đổi màu sắc, hình thành hợp chất polyme mới có màu vàng nhạt đến nâu đậm tùy vào số lượng liên kết đôi trong hệ liên hợp và phân tử polyme càng lớn thì các hạt kết tụ màu càng đậm [20]–[22] Ngoài ra, nhờ hiệu ứng rút electron và hiệu ứng điện tử không gian từ nhóm cacbonyl (–C=O) trong aldehyde làm vòng furan ít bị ảnh hưởng bởi phản ứng thủy phân Nhờ vào đặc trưng này, furfural dễ dàng hình thành chọn lọc và bền vững trong một loạt các phản ứng cắt mạch, thủy phân, mở và đóng vòng của xylose dưới tác động xúc tác axit

Furfural

tách thành hai lớp dầu no và dung môi furfural, giúp quá trình chiết hiệu quả thu được tối đa lượng dầu và có thể tái sử dụng dung môi chiết này [23] Furfural còn được sử dụng trong quá trình khử màu của gỗ thô, thuốc diệt nấm, côn trùng, chất điều vị cho thực phẩm, v.v [24]

Ngoài ra, vòng furan trong furfural có thể dùng làm cấu trúc nền để chuyển hóa thành các hợp chất có giá trị khác Hydro hóa nhóm chức aldehyde của furfural thu được nhóm ancol hay hợp chất rượu furfuryl cũng là một trong những dẫn xuất được sản xuất rộng rãi Rượu furfuryl được dùng để làm tổng hợp thuốc, nhựa epoxy, chất tẩy sơn, v.v Ngoài ra, 85 % lượng furfural thu được đều được chuyển hóa thành rượu furfuryl cho các chất phụ gia trong xây dựng, nhựa resin, chất kết dính và xi măng [25] Một số phản ứng khác để chuyển hóa hóa chất nền tảng furfural thành các hợp chất có giá trị bền vững như thể hiện ở Hình 1.12 và Bảng 1.4

Hình 1.12: Ứng dụng của furfural

Bảng 1.4: Ứng dụng của furfural và dẫn xuất furfural

Axit maleic Axit fumaric

Oxy hóa hiếu khí Chất phủ bề mặt, chất hóa dẻo, dược phẩm, v.v

[26]

học, phụ gia nhiên liệu, v.v

Thủy phân Khử nước

Ngưng tụ

Hydrodeoxygenation Furfural

Furan

Maleic anhydride axit Maleic

axit furoic axit succinic

Furfuryl alcohol

Axit furoic Dược phẩm, nước hoa, nhiên liệu sinh học, v.v Furfuryl amin Amin hóa Làm đơn vị monome tổng

hợp polyme sinh học Điều chế các hợp chất có hoạt tính

dược lý

Furan Decacboxyl hóa Chất nền để tổng hợp các hóa chất giá trị khác

[27] 2-metylfuran (MF)

2-metyltetrahydrofuran (MTHF)

Decacbonyl hóa, hydro hóa

Dung môi xanh, triển vọng làm nhiên liệu sinh học MF

làm nguyên liệu sản xuất thuốc chống sốt rét

(chloroquine)

[28]

Rượu tetrahydrofurfuryl

Hydro hóa Dung môi xanh trong nông nghiệp, mực in, chất tẩy rửa

công nghiệp và điện tử γ-valerolactone

trình hai bước có ưu điểm là hiệu suất tổng hợp furfural cao hơn, hạn chế các phản ứng phụ và không lãng phí nguồn nguyên liệu thô

Trong luận văn này, furfural được tổng hợp bằng quy trình chuyển đổi hai bước, thứ nhất là thủy phân lõi ngô thành xylose có hỗ trợ enzyme, thứ hai là phản ứng khử nước của xylose thành furfural cần có sự hiện diện của xúc tác axit dị thể

Hình 1.13: Cơ chế tổng hợp furfural bằng quy trình hai bước

1.3.5 Phương pháp tổng hợp

Cho đến nay, nhiều nghiên cứu đã tập trung vào quá trình tổng hợp furfural Trước đây, các nghiên cứu tập trung vào quá trình oxy hóa các hợp chất cacbon 1,3–dien (C=C−C=C) có nguồn gốc từ dầu mỏ thô, điển hình như buta–1,3–dien để hình

Lignocellulosic

Tiền xử lý

Lignocellulosic Lignin Cellulose

Hemicellulose

Xylose

Xylulose H+

Furfural

H+Enzyme xylanase

H+ Axit sulfonic (−SO3H)

C-SGO C-SGO