nghiên cứu xác định hệ dung môi hòa tan lignocellulose trong rơm rạ

LỜI CẢM ƠN Qua một thời gian nghiên cứu và thực tập tại trạm nghiên cứu Hòn Chồng của Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha trang tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình. Để hoàn thành luận văn, mỗi sinh viên cần phải áp dụng tất cả các kiến thức và hiểu biết mà mình đã tích lũy suốt những năm học tại trường, chính vì vậy những kiến thức mà tôi tiếp thu tại trường Đại học Nha Trang là nền tảng vững chắc giúp tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Nha Trang, Ban chủ nhiệm khoa Công nghệ thực phẩm cùng các thầy cô trong khoa Công nghệ thực phẩm đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ tôi trong suốt những năm vừa qua. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Vũ Ngọc Bội là người đã giúp tôi đến với nghiên cứu này. Và đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Duy Nhứt là người tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn. Tôi cũng xin cảm ơn anh Lê Xuân Sơn và chị Nguyễn Thị Minh Tùy vì đã nhiệt tình giúp đỡ tôi cả về kiến thức chuyên môn và thực nghiệm trong suốt quá trình nghiên cứu. Và cuối cùng tôi gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè luôn bên cạnh giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập cũng như trong quá trình hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn! BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc NHẬN XÉT HƯỚNG DẪN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I – Đề tài: “Nghiên cứu xác định hệ dung môi hòa tan lignocellulose trong rơm rạ”. Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm Họ và tên sinh viên: Văn Tiểu My Lớp: 50TP3 MSSV: 50130937 Số trang: 72 Số chương: 3 Số tài liệu tham khảo: 21 II – Người nhận xét: Tiến Sỹ Nguyễn Duy Nhứt, người hướng dẫn khoa học. Đơn vị công tác: Nguyên là Phó Phòng Hóa phân tích và triển khai Công nghệ tại Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha trang. III – Nhận xét. IV – Điểm hướng dẫn: Nha trang, ngày… tháng….năm 2012 Cán bộ hướng dẫn MỤC LỤC Trang CHƯƠNG I 1 TỔNG QUAN 1 1.1 NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE 2 1.1.1. Cellulose 4 1.1.2. Hemicellulose 5 1.1.3. Lignin 8 1.1.4. Các chất trích ly 10 1.1.5. Tro 11 1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TIỀN XỬ LÝ PHÁ VỠ CẤU TRÚC LIGNOCELLULOSE 11 1.2.1. Các phương pháp tiền xử lý vật lý. 12 1.2.2. Phương pháp sinh học 12 1.2.3. Các phương pháp tiền xử lý hóa học 13 1.3. CHẤT LỎNG ION VÀ CÁC ỨNG DỤNG CHẤT LỎNG ION XỬ LÝ SINH KHỐI TRONG SẢN XUẤT BIOETHANOL 16 1.3.1. Tính chất của chất lỏng ion 16 1.3.2. Cấu trúc của chất lỏng ion. 17 1.3.3. Một số phản ứng nghiên cứu tiến hành trong chất lỏng ion. 17 1.3.4. Khả năng chưng cất chất lỏng ion 19 1.3.5. Ứng dụng chất lỏng ion xử lý. 20 1.4. MỘT SỐ DUNG MÔI PHÁ HỦY CẤU TRÚC LIGNOCELLULOSE KHÔNG HÒA TAN CELLULOSE VÀ DUNG MÔI PHÁ HỦY HÒA TAN CẤU TRÚC LIGNOCELLULOSE (INOIC LIQUID) 21 1.4.1. Dung môi NaOH – Ure 21 1.4.2. Dung môi dimethyl sulfoxide (DMSO) - Paraformaldehyde (PF). 23 1.4.3. Dung môi dimethyl sulfoxide (DMSO) - Benzalkonium chloride (BKC) 25 1.4.4. Chất lỏng ion Inoic liquid (ILs) : dung môi hòa tan và phá hủy cấu trúc lignocellulose 26 1.5. RƠM RẠ VÀ CÔNG ĐOẠN TIỀN XỬ LÝ. 31 1.5.1. Rơm rạ 31 1.5.2. Một số yếu tố về cấu trúc và thành phần của lignocellulose ảnh hưởng đến khả năng chống lại sự tấn công của enzyme trong công đoạn tiền xử lý 34 CHƯƠNG II 36 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 37 2.1.1. Nguyên liệu nghiên cứu 37 2.1.2. Hóa chất sử dụng 37 2.1.3. Thiết bị sử dụng 38 2.2. BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM. 38 2.2.1. Bố trí thí nghiệm xác định độ ẩm của rơm. 38 2.2.2. Bố trí thí nghiệm khi sử dụng dung môi NaOH–Ure 39 2.2.3. Bố trí thí nghiệm thử độ hòa tan của cellulose trong dung môi DMSO–PF 43 2.2.4. Bố trí thí nghiệm thử độ hòa tan lignocellulose rơm rạ trong dung môi DMSO–BKC (Benzalkonium chlorine). 44 2.2.5. Bố trí thí nghiệm hòa tan lignocelluose rơm rạ trong chất lỏng ion. 45 CHƯƠNG III 47 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 47 3.1. XÁC ĐỊNH ĐỘ ẨM RƠM RẠ 48 3.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỚI DUNG MÔI NAOH-URE 48 3.2.1. Kết quả mức độ xử lý dung môi NaOH-Ure với các khối lượng rơm rạ xử lý khác nhau. 48 3.2.2. Kết quả thay đổi nồng độ NaOH và ure trong dung môi NaOH-Ure xử lý rơm 53 3.2.3. Kết quả lựa chọn phương pháp xử lý nâng cao hiệu suất phá vỡ cấu trúc lignocellulose rơm rạ. 56 3.2.4. Kết quả thí nghiệm xác định cellulose sau xử lý với dung môi NaOH- Ure với hai phương pháp trung hòa 58 3.3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM THỬ ĐỘ HÒA TAN CỦA CELLULOSE TRONG DUNG MÔI DMSO–PF 60 3.4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM THỬ ĐỘ HÒA TAN CẤU TRÚC LIGNOCELLULOSE RƠM RẠ TRONG DUNG MÔI BKC VÀ DMSO-BKC 63 3.5. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM HÒA TAN LIGNOCELLULOSE RƠM RẠ TRONG CHẤT LỎNG ION 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69 I. KẾT LUẬN 69 II. KIẾN NGHỊ. 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.2. Thành phần hóa học của vi sợi cellulose. 3 Hình 1.3. Công thức hóa học của cellulose 4 Hình 1.4. Mô hình Fringed Fibrillar và mô hình Folding Chain 4 Hình 1.5. Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan 6 Hình 1.6. Glucomannan 6 Hình 1.7. Galactoglucomannan 7 Hình 1.8. Arabinoglucuronoxylan. 7 Hình 1.9. Các đơn vị cơ bản của lignin 8 Hình 1.10. Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính. 9 Hình 1.11. Một số ví dụ về chất trích ly (a) abietic acid; (b) cathechin (flavonoid); (c) palmitic acid (acid béo) 11 Hình 1.12. Một số muối lỏng cho ứng dụng hòa tan sinh khối lignocellulose. .17 Hình 1.13. Phản ứng diels-Aldaer. 18 Hình 1.14. Phản ứng andol hóa. 19 Hình 1.15. Phản ứng gắn nhóm chức flo vào chất lỏng ion 19 Hình 1.16. Mô hình di động của sodium hydroxide 22 Hình 1.17. Phản ứng tạo ure 22 Hình 1.18. Công thức cấu tạo của dimethyl sulfoxide. 24 Hình 1.19. Công thức hóa học của paraformaldehyde. 25 Hình 1.20. Cấu trúc phân tử BKC. 26 Hình 1.21. Phản ứng tạo choline chloride 28 Hình 1.22. Mô hình hóa học sự kết hợp cation và anion tạo phức 28 Hình 1.23. Mô hình hóa học sự kết hợp choline chloride và ure 30 Hình 2.1. Rơm trước và sau khi nghiền. 37 Hình 2.2. Một vài hóa chất điển hình sử dụng trong thí nghiệm. 38 Hình 2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm thử mức độ phá vỡ cấu trúc lignocellulose rơm rạ trong dung môi NaOH–Ure. 40 Hình 2.4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm thay đổi nồng độ Ure và NaOH sử dụng trong dung môi NaOH–Ure 41 Hình 2.5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm lựa chọn phương pháp xử lý nâng cao hiệu suất phá vỡ cấu trúc lignocellulose rơm rạ trong dung môi NaOH–Ure 42 Hình 2.6. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định cellulose sau xử lý với dung môi NaOH–Ure với hai phương pháp trung hòa. 43 Hình 2.7. Sơ đồ bố trí thí nghiệm thử độ hòa tan của cellulose trong dung môi DMSO–PF 44 Hình 2.8. Sơ đồ bố trí thí nghiệm thử độ hòa tan lignocellulose rơm rạ trong dung môi DMSO–BKC. 45 Hình 2.9. Sơ đồ bố trí thí nghiệm tạo chất lỏng ion từ chorine chloride và ure Error! Bookmark not defined. Hình 2.10. Sơ đồ bố trí thí nghiệm sử dụng ionic liquids để xử lý lignocellulose rơm rạ 46 Hình 3.1. Phản ứng phân hủy liên kết ete –aryl của lignin 50 Hình 3.2. Phản ứng ngưng tụ lignin trong môi trường kiềm. 50 Hình 3.3. Phản ứng peeling 51 Hình 3.4. Mức độ so sánh % chất khô bị phân hủy ở các khối lượng khác nhau 53 Hình 3.5. Các mẫu rơm rạ sau xử lý với dung môi NaOH-Ure ở các nồng độ khác nhau. 54 Hình 3.6. Sự thay đổi hàm lượng DM và CF (%) ở các mẫu 56 Hình 3.7. Mẫu rơm xử lý theo phương pháp xay, khuấy (a) và theo phương pháp xay, khuấy và nâng nhiệt (b). 58 Hình 3.8. Mẫu rơm sau xử lý với phương pháp trung hòa bằng acid (a) và trung hòa bằng chất tẩy H 2 O 2 (b). 59 Hình 3.9. So sánh khối lượng sau khi tủa và (%) NDF/ADF ở hai mẫu. 60 Hình 3.10. Cơ chế hòa tan cellulose trong DMSO-PF với hệ thống của methylol cellulose. 63 Hình 3.11. Mẫu rơm sau xử lý với dung môi BKC (a) và DMSO–BKC (b) 65 Hình 3.12. Sự tạo chất lỏng ion từ choline chloride và ure: trước (a) và sau (b) 66 Hình 3.13. Mẫu rơm sau khi ủ (a) và trạng thái hỗn hợp sau ủ (b) 67 DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1.1. Thành phần của một số loại lignocellulose 2 Bảng 1.2. Khả năng hòa tan cellulose của một số ionic liquid 27 Bảng 1.3. Điểm nóng chảy với tỷ lệ 1:2 QAS/ halogen kim loại tạo chất lỏng ion 29 Bảng 1.4. Một số muối hydrate kim loại sử dụng tạo chất lỏng ion 29 Bảng 1.5. Một số acid, amide và alcohol nghiên cứu tạo acid liquid 30 Bảng 1.6. Thành phần hóa học của rơm rạ [4]. 32 Bảng 3.1. Kết quả xác định độ ẩm của rơm rạ 48 Bảng 3.2. Kết quả xác định % chất khô bị phân hủy trong các mẫu rơm rạ 49 Bảng 3.3. Kết quả (%DM và %CF) các mẫu rơm rạ sau xử lý với dung môi NaOH-Ure ở các nồng độ khác nhau. 54 Bảng 3.4. Kết quả các mẫu xử lý với hai phương pháp xử lý khác nhau. 56 Bảng 3.5. Kết quả xác định các thông số các mẫu sau xử lý với hai phương pháp trung hòa khác nhau (acid và chất tẩy H 2 O 2 ) 58 Bảng 3.6. Kết quả thử độ hòa tan cellulose trong dung môi DMSO–PF 61 Bảng 3.7. Kết quả thử độ hòa tan rơm rạ trong dung môi BKC và DMSO– BKC 64 Bảng 3.8. Kết quả tạo chất lỏng ion từ chorine chloride và ure của các mẫu. Error! Bookmark not defined. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Angl : Anhydroglucose ADF : Acid deterent fiber (sợi trung hòa bằng acid). BKC : Benzalkonium chloride. ChCl : Choline Chloride. CF : Crude fiber (sợi thô). DM : Dry matter (chất khô). DMSO : Dimethyl sulfoxide DP : Degree of Polymerization (mức độ trùng hợp). HMF : hydroxymethylfurfural. ILs : Inoic liquid (chất lỏng ion). NDF : Neutral deterent fiber (sợi trung hòa bằng chất tẩy). PF : Paraformaldehyd. SFF :Simultaneous saccharification and fermentation (tạo đường và lên men đồng thời). T : Nhiệt độ ( o C). t : Thời gian (phút). BMIN[BF 4 ] : 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate [...]...  Tổng quan một số hệ dung môi có khả năng phá vỡ cấu trúc lignocellulose hoặc hòa tan trực tiếp cấu trúc này  Tổng quan về chất lỏng ion, loại dung môi có nhiều tiềm năng trong việc giải thể và hòa tan lignocellulose rơm rạ  Khảo sát một số dung môi có khả năng hòa tan lignocellulose trong rơm rạ  Đánh giá khả năng hòa tan lignocellulose từ rơm rạ trong dung môi đã lựa chọn Trong quá trình thực... nhiều nghiên cứu tạo năng lượng sinh học ứng dụng trong nền kinh tế - xã hội trong khi năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt hiện nay, tôi đã thực hiện đề tài: “ Nghiên cứu xác định hệ dung môi hòa tan lignocellulose trong rơm rạ Được sự đồng ý của Ban gián hiệu trường Đại học Nha Trang và Ban chủ nhiệm khoa Công nghệ thực phẩm, luận văn đã được thực hiện nghiên cứu và hoàn thành với các nội dung. .. khối, nhiên liệu sinh học… Nhiều nghiên cứu đã chứng minh khả năng và triển vọng sử dụng các phương pháp xử lý bằng dung môi hòa tan trực tiếp hoặc gián tiếp cấu trúc lignocellulose rơm rạ tạo đường đơn hoặc sản phẩm trung gian (cellulose, từ đó enzyme có thể thủy phân thành đường) Nhằm thu được dung môi có khả năng hòa tan lignocellulose rơm rạ hiệu quả nhất và những dung môi có khả năng giải thể cấu... carbohydrate trong sinh khối lignocellulose thành các loại đường có thể lên men Tiếp tục nghiên cứu và mang các ứng dụng của chất lỏng ion vào thực tiễn là đóng góp quan trọng trong sự phát triển nền kinh tế mới và đặc biệt là vấn đề môi trường “xanh” 1.4 MỘT SỐ DUNG MÔI PHÁ HỦY CẤU TRÚC LIGNOCELLULOSE KHÔNG HÒA TAN CELLULOSE VÀ DUNG MÔI PHÁ HỦY HÒA TAN CẤU TRÚC LIGNOCELLULOSE (INOIC LIQUID) 1.4.1 Dung môi. .. định hướng nghiên cứu mới trên thế giới, tại Việt Nam Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm 16 nhìn đến năm 2025 được duyệt thực hiện trong năm 2013 có 6 đề tài thì đã có 2 đề tài là nghiên cứu chất lỏng ion để xử lý sinh khối cho sản xuất bioethanol Trong luận văn này, tôi sẽ sàng lọc tìm một số dung môi có tác dụng hòa tan trực tiếp cấu trúc lignocellulose; hòa tan, biến đổi chúng... kiềm trong dịch sau thủy phân rất lớn  Dung môi hữu cơ để hòa tan lignin: Phương pháp sử dụng dung môi hữu cơ cũng cho nhiều hứa hẹn (Papatheofanous et al.1995), người ta có thể sử dụng hỗn hợp nhiều loại dung môi hữu cơ bao gồm mathanol, ethanol, aceton, ethylen glycol và cồn tetrahydrofurfuryl để hòa tan lignin và tạo cellulose thích hợp với phản ứng thủy phân bằng enzyme (Zhao et al.2009) Một nghiên. .. cứu xử lý các cấu trúc lignocellulose và cellulose tiến hành trong môi trường kiềm khá nhiều và rất sớm (từ năm 1895) Trước đây, đã có rất nhiều nghiên cứu dùng NaOH và ure để xử lý rơm rạ dùng trong thức ăn chăn nuôi Đầu tiên là các nghiên cứu về dùng NaOH để xử lý của Lehman (1895) xử lý rơm bằng NaOH ở áp suất và nhiệt độ cao ( 100kg rơm trong 200 lít nước đun sôi với 4kg NaOH, sau đó rửa sạch và... cellulose trong lignocellulose thành cellulose vô định hình mà enzyme hoặc hóa chất thông thường dễ dàng tác dụng để tạo thành đường hoặc ethanol Đây cũng chính là một phần trong nhiệm vụ khoa học mà Viện Khoa Học và Công nghệ Việt Nam đã giao cho Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang thực hiện trong năm 2012-2014 1.3 CHẤT LỎNG ION VÀ CÁC ỨNG DỤNG CHẤT LỎNG ION XỬ LÝ SINH KHỐI TRONG SẢN XUẤT... nghịch đảo của đơn vị điện trở kháng Ohm)  ILs là muối, cũng như nhiều muối hữu cơ khác, nhưng có khả năng hòa tan trong rất nhiều dung môi hữu cơ phân cực Một số ILs hòa tan rất tốt trong nước, 17 một số khác kỵ nước (hydrophobic) Chính vì thế, tùy theo lựa chọn, ILs được sử dụng như dung môi cho nhiều phản ứng đặc biệt Nhiều phản ứng cổ điển vốn đã biết khi khảo sát sử dụng ILs thì hiệu suất tăng... năm ở nước ta hàng trăm triệu tấn sinh khối lignocellulose bắt nguồn từ các hoạt động nông nghiệp thải ra môi trường, đặc biệt là rơm rạ Rơm rạ chủ yếu dùng làm nhiên liệu đốt ( hiệu quả năng lượng thấp 10%), thức ăn gia súc đặc biệt việc đốt trực tiếp rơm rạ trên đồng sau thu hoạch gây ô nhiễm môi trường rất lớn Điều này không chỉ làm tăng thêm gánh nặng môi trường mà còn làm lãng phí về các nguồn . loại dung môi có nhiều tiềm năng trong việc giải thể và hòa tan lignocellulose rơm rạ.  Khảo sát một số dung môi có khả năng hòa tan lignocellulose trong rơm rạ.  Đánh giá khả năng hòa. độ hòa tan lignocellulose rơm rạ trong dung môi DMSO–BKC (Benzalkonium chlorine). 44 2.2.5. Bố trí thí nghiệm hòa tan lignocelluose rơm rạ trong chất lỏng ion. 45 CHƯƠNG III 47 KẾT QUẢ NGHIÊN. nền kinh tế - xã hội trong khi năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt hiện nay, tôi đã thực hiện đề tài: “ Nghiên cứu xác định hệ dung môi hòa tan lignocellulose trong rơm rạ . Được sự đồng