NGHIÊN cứu TRÍCH XUẤT sợi NANOCELLULOSE từ bã mì

Khóa luận tốt nghiệp Trích xuất nanocellulose từ bã mì KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU TRÍCH XUẤT SỢI NANOCELLULOSE TỪ BÃ MÌ GVHD: TS.Nguyễn Chí Thanh Khóa luận tốt nghiệp Trích xuất nanocellulose từ bã mì MỞ ĐẦU Với phát triển nhanh chóng xã hội chúng ta, mối quan tâm môi trường, kinh tế xã hội lượng bền vững thúc đẩy nhà nghiên cứu hướng tới nghiên cứu tài nguyên lượng tái tạo, bền vững Như biết rằng, nguồn nguyên liệu hóa thạch thường sử dụng tác động tiêu cực đến môi trường Tuy nhiên, trái với nhiên liệu hóa thạch, sinh khối lignocellulose nguồn lượng tái tạo dồi tiết kiệm chi phí Lignocellulose thường thu từ nguồn như: dư lượng rừng ( gỗ, cành, ); dư lượng nông nghiệp ( thân ngơ, rơm, bã mí, bã mía, dứa, xơ dừa,…); chất thải xenlulo (chất thải rắn đô thị chất thải từ thực phẩm );… Đáng buồn thay, phần lớn sinh khối lignocelluosic thường xử lý cách đốt cháy loại bỏ trực tiếp môi trường gây ảnh hưởng, ô nhiễm môi trường trầm trọng, không giới hạn nước phát triển Vấn đề khai thác ứng dụng sinh khối lignocellulose chìa khóa để mở loại vật liệu tương lai gần Một lương lớn sinh khối lignocellulose chuyển đổi thành sác sản phẩm có giá trị cao như: sợi nanoccellulose, nanocellulose tinh thể, nhiên liệu sinh học, nguồn lượng rẻ tiền,… NANOCELLULOSE vật liệu nano tự nhiên với kích thước nanomet, thu hút nhiều quan tâm bật tính chất vật lý, tính chất bề mặt hóa học, khả tương thích sinh học, khả phân hủy sinh học tính khơng độc hại, nanocellulose có tính chất độ bền cao, độ cứng, diện tích bề mặt cao Ngồi với cấu trúc nó, nanocellulose có chứa lượng lớn nhóm hyddroxyl xảy phản ứng nhằm thay đổi bề mặt NANOCELLULOSE ứng dụng nhiều lĩnh vực khác sống, ví dụ sản phẩm y sinh, dược học (làm vật liệu dẫn thuốc, thay phận thể,…), kỹ thuật điện tử, vật liệu nanocellose gia cố sản phẩm composite, dệt may,v…v Điều thúc đẩy đầu tư nghiên cứu phát triển cơng nghiệ nanocellulose số nhóm nhà khoa học giới Tuy nhiên, Việt GVHD: TS.Nguyễn Chí Thanh Khóa luận tốt nghiệp Trích xuất nanocellulose từ bã mì Nam, cơng nghệ nanocellulose lĩnh vực hồn tồn mẻ mở hướng nghiên cứu đầy triển vọng Nguồn nguyên liệu để sản xuất nanocellulose sinh khối lignocellulose từ dư lượng ngành nông nghiệp Việt Nam nước có nơng nghiệp phát triển, có diện dích lớn đất nơng nghiệp sử dụng cho trồng khoai mì để phục vụ cho sản xuất như: sản xuất xăng sinh học E5, bột ngọt, bột mì, …và có nguồn bã mì lớn thải Vì thế, nguồn nguyên liệu dồi chứa cellulose có giá thành rẻ nguồn nguyên liệu lựa chọn cho đề tài nghiên cứu sản xuất sợi nanocellulose Việc nghiên cứu quy trình sản xuất sợi nanocellulose từ bã mì nhằm tìm phương pháp sản xuất phù hợp, điều kiện phản ứng tối ưu với thực tiễn nhằm mục đích sản xuất sợi nanocellulose có giá thành thấp, chất lượng cao, suất cao đáp ứng nhu cầu sử dụng nhu cầu kinh tế Đây mục tiêu mà đề tài muốn hướng đến Chính lí nêu trên, phạm vi luận văn tốt nghiệp, định chọn đề tài nghiên cứu với tên “Nghiên cứu quy trình trích xuất sợi nanocellulose từ bã mì” Nội dung luận văn bao gồm: - Tìm hiểu nguyên liệu sản xuất - Xây dựng quy trình điều chế sợi nanocellulose quy trình thu hồi, tái chế axit thủy phân - Tối ưu hóa quy trình điều chế sợi nanocellulose từ bã mì - Phân tích cấu trúc sản phầm nanocellulose thu GVHD: TS.Nguyễn Chí Thanh Khóa luận tốt nghiệp Trích xuất nanocellulose từ bã mì CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài Các vấn đề mà nhiều nước phát triển phát triển giới Việt Nam đối mặt gặp phải an ninh lượng cạn kiệt nguồn lượng tự nhiên Việc tiếp cận sử dụng nguồn lượng tái tạo giá rẻ mục tiêu hướng tới tương lai [25] Nguồn lượng lượng tự nhiên đặc biệt lượng sinh học, ví dụ sinh khối (biomass) Sinh khối tự nhiên tìm thấy nhiều tự nhiên, chúng phân thánh hai loại: vật liệu tự nhiên dẫn xuất Chuyển đổi sinh khối thành dạng lượng tái tạo xu hướng nay, giảm thiểu tiêu cực môi trường, tác động đến xã hội như: giảm thất nghiệp vùng nông thôn, nóng lên tồn cầu,…[6, 7, 25] Theo báo cáo Tổ chức Lương thực Nông nghiệp (FAO) năm 2011 ước tính báo cáo hàng năm khoảng phần ba tất thực phẩm sản xuất cho người toàn giới bị bỏ đi, chiếm khoảng 1,3 tỷ chất thải năm [25] Mặc dù lượng chất thải nông nghiệp lớn thải năm toàn giới, việc tái tạo chúng nhiều hạn chế Thơng thường, sinh khối lignocellulose thường thải môi trường đốt để sưởi ấm, dẫn đến tác động môi trường tiêu cực đáng kể chẳng hạn suy thoái đất đai, sa mạc hóa; số lớn dùng thức ăn chăn nuôi gia súc, gia cầm,…không gây lãng phí mà ảnh hưởng đến tính kinh tế, xã hội [6, 25] Nguồn sinh khối dồi tự nhiên thường tìm thấy phể phẩm nông nghiệp Chất thải nông nghiệp thường từ mùa vụ thu hoạch phế phẩm từ trình sản xuất chế biến ví dụ điển hình nguồn lượng tài ngun tái tạo sử dụng để làm nguyên liệu tạo lượng sinh học, thế, với phát triển vượt bậc ngày nay, chúng đem lại nhiều ứng dụng vượt bậc có ý nghĩa to lớn cho cơng nghiệp hóa – đại hóa [25] Theo hội nghị Liên hợp quốc tế Mơi trường Phát triển (UNCED) dự đốn việc sử dụng tài ngun sinh khơi đạt nửa tổng mức sử dụng tài nguyên giới vào năm 2050 [6] Để khai thác GVHD: TS.Nguyễn Chí Thanh Khóa luận tốt nghiệp Trích xuất nanocellulose từ bã mì triệt để nâng cao hiệu ứng dụng nó, cần tìm hiểu hiểu biết cấu trúc loại lignocelluloses khác để có phương pháp xử lý phù hợp, nâng cao hiệu suất 1.2 Dư lượng trồng Dư lượng trồng bao gồm tất chất thải nông nghiệp rơm, rạ, thân, lá, vỏ trấu, vỏ, xơ, bột giấy, gốc cây,v…v, đến từ ngũ cốc ( gạo, lúa, mì, ngơ, lúa, mạch, kê, lạc, khoai mì,…), bơng, đay, gai, loại đậu, cà phê, cacao, ô liu, trà, trái cây( chuối, xoài, dừa, hạt điều) dầu cọ Dư lượng trồng theo truyền thống coi chất thải nơng nghiệp lại, thải mơi trường, để thối bị đốt cháy trực tiếp cánh đồng [6, 12] Với tân tiến khoa học kỹ thuật nay, sản phẩm dư lượng nông nghiệp ngày quan tâm đến trở thành nguồn nguyên liệu dồi mang đến kinh tế có giá trị [6] Dư lượng trồng nông nghiệp nguồn nguyên liệu tiềm cho công nghiệp composie, xem chất gia cường mang lại hiệu vượt bậc; cơng nghiệp hóa chất ngành dệt, bột giấy sản phẩm công nghiệp khác Các loại trồng quan trọng, có sẵn với số lượng đáng kể hàng năm như: lúa mạch, ngơ, khoai mì, gạo, đậu tương, mía, lúa mạch,…ở 277 quốc gia vùng lãnh thổ giới với sản lượng dư lượng toàn cầu từ loại trồng phổ biến chiếm khoảng 3:7 x 109 chất khô năm [6, 27] Tùy thuộc vào vùng lãnh thổ, khí hậu,…mà sản phẩm dư lượng nông nghiệp sẽ chiếm sản lượng khác chất lượng khác Khu vực có sản lượng cao Bắc Nam Mỹ với 500 triệu năm, khu vực Đơng Nam Á với sản lượng dư lượng 200 triệu năm [6] Lượng chất thải khơ Tg (triệu tấn) năm tồn giới phác họa hình 1-1.[6] 1.3 Đặc điểm tính chất ngun liệu Bã mì 1.3.1 Nguyên liệu bã khoai mì ( Bã sắn ) Bã khoai mì phần củ sắn Sắn loại củ có đường kính đến 10 cm chiều dài từ 15 đến 35 cm ( Hình 1-2) Nó loại trồng phổ biến dễ trồng, trồng trên bị suy thối, nơi mà khơng có trồng phát triển Hơn củ sắn thu hoạch lúc từ GVHD: TS.Nguyễn Chí Thanh Khóa luận tốt nghiệp Trích xuất nanocellulose từ bã mì tháng đến 24 tháng sau trồng [22, 25].Thông thường công nghiệp nay, sắn khai thác để lấy tinh bột, tinh bột sắn có ứng dụng rộng rãi Ngun liệu thơ rễ sắn (hay gọi củ sắn, củ khoai mì) Sau trình thu tinh bột sắn thải bã, bã gọi bã mì (bã sắn) Ở nước ta, phần nhỏ bã sắn tái sử dụng cho chăn nuôi gia súc, phần lớn vứt bỏ, gây nhiễm môi trường Một biện pháp giải pháp tích cực để giải vấn nạn nhiễm mơi trường bã sắn phế thải tận dụng nguồn chất thải cách triệt để Ngồi lượng thừa tinh bột, bã mì chứa khoảng ~ 20% cellulose theo khối lượng khô Điều gợi ý sử dụng nguyên liệu cho q trình trích xuất sợi nanocellulose (CNFs) Hình 1- Củ khoai mì (Củ sắn) (Nguồn: Nhóm nghiên cứu sắn Trường Đại học Nông Lâm thành phố Hố Chí Minh Viện Khoa học Kỹ thuật Nơng nghiệp Miền Nam tạo chọn khảo nghiệm) Bã khoai mì phụ phẩm trình chế biến tinh bột từ củ khoai mì Ở Việt Nam, khoai mì trồng khắp tỉnh trung du, miền núi phía Bắc cao nguyên Nam Bộ Với diện tích 277.500 tổng sản lượng khoảng 2.211.500 vào năm 1995 Cho thấy tiềm sản xuất khoai mì nước ta lớn Hiện nước ta có khoảng 60 nhà máy sản xuất tinh bột khoai mì với tổng cơng suất khoảng 30 – 100 / ngày sản xuất khoảng – 25 tinh bột sắn kèm theo lượng bã khoai mì lớn khoảng 12 – 48 bã GVHD: TS.Nguyễn Chí Thanh Khóa luận tốt nghiệp Trích xuất nanocellulose từ bã mì Bã khoai mì chia thành hai loại : - Loại thứ : Là bã thải trình rửa bóc vỏ ngồi, chiếm tỉ trọng thành phần chủ yêu xenluloza, hemixenluloza , cát sạn Đối với loại bã thường chôn lấp hợp vệ sinh dùng làm phân bón - Loại thứ hai: Là phần bã lại sau tách tinh bột khoai mì, gọi bã mì Hình 1- Tinh bơt khoai mì bã khoai mì (Nguồn: CƠNG TY TNHH SX – TM NGUN LIỆU VIỆT) 1.3.2 Thành phần hóa học củ khoai mì Củ khoai mì giàu tinh bột carbonhydrate, chứa lượng nhỏ protein, vitamin khoáng chất Các hàm lượng protein củ sắn tươi củ khoai mì khơ 1,41% Theo báo cáo nhiều nhà nghiên cứu bã khoai mì tính theo khối lượng khơ có khoảng 65% độ ẩm, 0,9% hàm lượng tro 0,03% phosphorus Thành phần củ khoai mì chứa khoảng: 61 – 63% tinh bột; 13 – 15% cellulose; 1,5 – 2,0% protein thô; 0,009% HCN, lượng nhỏ vitamin khoáng chất [25, 27] Ngồi ra, chứa lượng đáng kể chất calcium, phosphorus, zinc, magnesium, coper, iron, mangan, potassium số vitamin chẳng hạn như: vitaminB6, ribofin, folates, thiamine, pyridoxine pantethenic acid Như vậy, bã khoai mì phế thải có lượng lớn tinh GVHD: TS.Nguyễn Chí Thanh Khóa luận tốt nghiệp Trích xuất nanocellulose từ bã mì bột cellulose, protein, chất béo, lignoccellulosic đường, song chất dinh dưỡng lại nghèo nàn[25, 27] Bảng 1- Tính chất hóa lý củ khoai mì [25] Thành phần Calories Độ ẩm Protein Tổng lượng nitrgen Lipid Hàm lượng tro Calcium Phosphorus Iron Vitamin B2 Vitamin C Đơn vị cal % g % g g mg mg mg mg mg Hàm lượng ướt 135 62 – 66 0,22 0,20 0,9 – 26 32 0,04 0,34 Hàm lượng khô 335 15 – 19 0,46 0,50 96 81 0,06 0,00 Bảng 1- Hàm lượng cellulose, hemicellulose lignin sản phẩm dư lượng khoai mì (%)[25] Cellulose Hemicellulose Lignin Củ sắn 39,93 11,73 17,87 Thân 37,67 11,77 22,60 mỏng Thân to 40,73 12,14 20,05 Theo quan sát, lượng cellulose dao động từ 39 – 41%; hemicellulose từ 11 – 12% lignin từ 17 – 23%, cho thấy khoai mì nói riêng củ khoai mì nói chung có tính chất vật liệu lignocellulose đặc trưng GVHD: TS.Nguyễn Chí Thanh Khóa luận tốt nghiệp Trích xuất nanocellulose từ bã mì Bảng 1- 3.Bảng so sánh thành phần hóa học khoai mì với loại sinh khối khác [12, 25] Thành phần nguyên tố C H O N S Cl Bã mì Bã mía Vỏ trấu Rơm rạ 44,12 6,44 48,62 0,81