Khảo sát trích ly lignin từ gỗ cao su (hevea brasiliensis) bằng NaOH h2o2 kết hợp một số phương pháp khác

Lignin đã được nghiên cứu ứng dụng vào một số vật liệu như composite [6,7], chất kết dính [8], phụ gia bê tông [9], … Đến nay, công trình công bố về tách lignin từ gỗ cao su rất ít, phần

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Giảng viên hướng dẫn : NCS.ThS Trần Thị Tưởng An Sinh viên thực hiện : Trần Quốc Minh Nguyên

LỜI CAM ĐOAN

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC

BÁCH KHOA ĐHQG TP HỒ CHÍ MINH

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của Trần Quốc Minh Nguyên Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong

đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những

số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá, được chính tác gải thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

về nội dung đồ án của mình Trường Đại học Công Nghệ Tp Hồ Chí Minh không

liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có)

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng 08 năm 2018

Tác giả (ký tên và ghi rõ họ tên)

Trần Quốc Minh Nguyên

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin cảm ơn đến Ban Giám Hiệu Trường Đại học Công Nghệ Tp

Hồ Chí Minh (HUTECH), Ban Chủ Nhiệm Khoa Viện Khoa Học Ứng Dụng và Bộ Môn Công Nghệ Sinh Học cùng quý Thầy Cô đã truyền đạt kiến thực cho em trong suốt quá trình học tập tại trường

Em xin kính gửi lòng biết ơn sâu sắc và lời cảm ơn chân thành đến Ths.NCS Trần Thị Tưởng An đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp tại Phòng thí nghiệm nhiên liệu sinh học và Biomass – Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

Ngoài ra, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ba mẹ đã nuôi dạy, động viên con trong suốt thời những năm tháng còn ngồi trên ghế nhà trường và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho con trong cuộc sống, tiếp sức cho con hoàn thành tốt đồ án này

Vì chưa có nhiều kinh nghiệm và thời gian có hạn nên chắc chắn không tránh khỏi những sai sót Kính mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý Thầy, Cô

để kiến thức của em ngày càng được hoàn thiện hơn và là hành trang bổ ích cho quá trình học tập, làm việc sau này

Cuối cùng, xin kính chúc quý Thầy Cô của trường Đại học Công Nghệ Tp Hồ Chí Minh dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp cao quý của mình Đồng kính chúc quý Thầy Cô, anh chị và các bạn của phòng thí nghiệm Nhiên liệu sinh học

và Biomass, Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh luôn dồi dào sức khỏe và đạt được nhiều thành công tốt đẹp trong cuộc sống

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2018

Sinh viên thực hiện Trần Quốc Minh Nguyên

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 Tổng quan về lignin 3

1.1.1 Cấu trúc lignocellulose 3

1.1.2 Tiền xử lý nguyên liệu 8

1.1.3 Thu hồi lignin từ dịch sau xử lý 11

1.1.4 Ứng dụng lignin 16

1.2 Sơ lược về cây cao su (Hevea brasiliensis) 17

1.2.1 Giới thiệu về cây cao su (Hevea brasiliensis) 17

1.2.2 Tình hình sản xuất cao su trên thế giới và Việt Nam 18

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21

2.1 Địa điểm và thời gian thực hiện 21

2.2 Đối tượng nghiên cứu 21

2.3 Nội dung nghiên cứu 21

2.4 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị 21

2.4.1 Hóa chất 21

2.4.2 Dụng cụ 21

2.4.3 Thiết bị 22

2.5 Phương pháp nghiên cứu 22

2.5.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 22

2.5.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm 23

2.5.3 Thu hồi lignin từ dịch sau tiền xử lý 26

2.6 Phương pháp phân tích và tính toán 27

2.6.1 Phương pháp phân tích hàm lượng ẩm 27

2.6.2 Phương pháp phân tích thành phần cellulose, lignocellulose, lignin và hàm lượng tro trong nguyên liệu biomass 28

2.6.3 Phương pháp xác định hiệu suất thu hồi lignin 32

2.6.4 Phương pháp xử lý số và thống kê số liệu 33

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 34

3.1 Kết quả phân tích thành phần xơ sợi của gỗ cao su: 34

3.2 Kết quả khảo sát quá trình tiền xử lý 34

3.2.1 Kết quả khảo sát nồng độ sodium hydroxide (NaOH) 34

3.2.2 Kết quả khảo sát tỉ lệ tác chất/nguyên liệu 36

3.2.3 Kết quả khảo sát thời gian tiền xử lý 37

3.2.4 Kết quả khảo sát tốc độ khuấy đảo trong thời xử lý 38

3.2.5 Kết quả tiền xử lý với NaOH và H2O2 riêng lẽ để đối chứng 39

3.2.6 Kết quả khảo sát tiền xử lý kết hợp NaOH + H2O2 + tia UV 40

3.2.7 Kết quả khảo sát tiền xử lý NaOH + H2O2 + đánh siêu âm 40

3.2.8 Kết quả khảo sát tiền xử lý NaOH + H2O2 + áp suất 42

3.2.9 Kết quả khảo sát tiền xử NaOH + H2O2 + cao áp 43

3.3 Kết quả khảo sát quá trình thu hồi lignin sau tiền xử lý 44

3.3.1 Nồng độ lignin có trong dịch sau tiền xử lý 44

3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố pH, nhiệt độ, thời gian đến hiệu suất thu hồi lignin từ dịch sau tiền xử lý 44

3.4 Ứng dụng thử nghiệm làm phụ gia trong sản xuất giấy 47

3.5 Kết quả chụp quang phổ hồng ngoại FTIR để xác định nhóm chức của lignin

mẫu gỗ cao su 47

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49

Kết luận 49

Kiến nghị 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

PHỤ LỤC 1

PHỤ LỤC A: CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 1

PHỤ LỤC B: SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM 3

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

AIL: Acid Insoluble Lignin

AIR: Acid Insoluble Residue

ANRPC: Association of Natural Rubber Producing Countries

ANOVA: Analysis of variance

ASL: Acid Soluble Lignin

CT: Công thức

DMSO: Dimethyl sulfoxit

DNS: Acid Dinitrosalicilic

DP: Degree of Polymerizaion

FTIR: Fourier Transform Infrared Radiation

GDP: Gross Domestic Product

NREL: National Renewable Energy Laboratory

ODW: Oven Dry Weight

SEM: Scanning Electron Microscope

UV: Ultra Violet

VRA: Vietnam Rubber Association – Hiệp hội Cao su Việt Nam

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần của vài loại lignocellulose……….4 Bảng 1.2 Số lượng các nhóm chức của lignin trên 100 đơn vị phenylpropane………11 Bảng 1.3 Tổng hợp các phương pháp tách chiết lignin……… 13 Bảng 1.4 Tình hình sản xuất, xuất nhập khẩu cao su của Việt Nam (2014 – 2016)…21

Bảng 3.1 Phần trăm (%) thành phần xơ sợi trong gỗ cao su………35

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc lignocellulose……….3

Hình 1.2 Các hợp chất cơ bản để xây dựng cấu trúc lignin………4

Hình 1.3 Mô hình cấu trúc của lignin……… 5

Hình 1.4 Công thức hóa học của cellulose……… 7

Hình 1.5 Một số cơ chế phản ứng oxy hóa lignin… ………10

Hình 1.6 Liên kết chính (β-O-4) trong cấu trúc lignin………11

Hình 1.7 Sơ đồ quy trình chung trích ly lignin……… 15

Hình 1.8 Một số ứng dụng từ lignin……… 16

Hình 1.9 Cây cao su Hevea brasiliensis ……….18

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình nghiên cứu……….23

Hình 2.2 Sơ đồ phương pháp phân tích sơ sợi……… 29

Hình 3.1 Thành phần xơ sợi của gỗ cao su………34

Hình 3.2 Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến hiệu suất tách lignin………35

Hình 3.3 Ảnh hưởng của tỉ lệ tác chất/nguyên liệu đến hiệu suất tách lignin………36

Hình 3.4 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất tách lignin……….37

Hình 3.5 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đảo đến hiệu suất tách lignin………38

Hình 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ tác chất tiền xử lý đến hiệu suất tách lignin……39

Hình 3.7 Ảnh hưởng của tác nhân đánh siêu âm đến hiệu suất tách lignin lần lượt ở 50oC, 60oC, 70oC, 80oC trong 10 phút, 20 phút và 30 phút………41

Hình 3.8 Ảnh hưởng của tác nhân áp suất, nhiệt độ đến hiệu suất tách lignin ở 121oC và 130oC……….42

Hình 3.9 Ảnh hưởng của pH môi trường đến khả năng kết tủa lignin……… 44

Hình 3.10 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất thu hồi lignin………44

Hình 3.11 Lignin thu được ở pH 3 trong khoảng thời gian khác nhau……….45

Hình 3.12 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất thu hồi lignin……….45

Hình 3.13 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi lignin………46

Hình 3.14 Kết quả chụp SEM cấu trúc bề mặt mẫu lignin………46

Hình 3.15 Ứng dụng thử nghiệm làm giấy………47

Hình 3.16 Phổ FTIR của lignin……….48

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Hiện nay, các nhà khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm về vấn đề sử dụng vật liệu thiên nhiên thay thế vật liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ Trong đó, lignin từ phế phụ phẩm đang được quan tâm nhiều bởi vì nó là nguồn sinh khối tái tạo [23]

Việt Nam là một trong những nước sản xuất cao su với sản lượng nhiều nhất trên thế giới Các sản phẩm từ cao su được cung cấp ngày càng nhiều hơn đã kéo theo

sự gia tăng của các phế phụ phẩm, nhưng chưa có cách giải quyết hợp lý để sử dụng nguồn sinh khối hữu cơ một cách có hiệu quả, trong đó phải kể đến cây cao su Sản lượng cao su của nước ta vào năm 2017 đạt 1.086.700 tấn trên diện tích 971.600 ha (Tạp chí cao su) dẫn đến thải ra một lượng lớn phế phụ phẩm cụ thể là cây cao su đã hết khả năng cho nhựa, mũ Nếu không xử lý hiệu quả những cây này sẽ gây ảnh hưởng đến môi trường, hệ sinh thái Hơn nữa, đây là một sự lãng phí nguồn tài nguyên

Trong gỗ cao su chứa hơn 20% lignin, đây là hợp chất cao phân tử có nhiều tính chất đáng quý, có khả năng ứng dụng vào nhiều lĩnh vực Lignin đã được nghiên cứu ứng dụng vào một số vật liệu như composite [6,7], chất kết dính [8], phụ gia bê tông [9], … Đến nay, công trình công bố về tách lignin từ gỗ cao su rất ít, phần lớn là những công trình công bố về phương pháp tách lignin từ rơm rạ, lúa mì và một số loại

gỗ khác

Chính vì những lý do trên, dưới sự hướng dẫn của NCS.ThS Trần Thị Tưởng

An tôi thực hiện đề tài: “Khảo sát trích ly lignin từ gỗ cao su (Hevea brasiliensis)

bằng NaOH - H2O2 kết hợp một số phương pháp khác”

2 Mục tiêu đề tài

Khảo sát trích ly lignin từ gỗ cao su bằng NaOH kết hợp với H2O2 và một số phương pháp khác

3 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp tham khảo các tài liệu đã được nghiên cứu trước

đó từ các bài báo khoa học đã được công bố dưới hình thức văn bản và thông tin trên mạng Kết quả của đề tài được xử lý và thống kê số liệu bằng phần mềm ANOVA

4 Kết quả đạt được

Với mục đích khảo sát tiền xử lý mùn cưa từ gỗ cao su bằng sodium hydroxide

(NaOH) kết hợp với hydrogen peroxide (H2O2) để thu hồi lignin Kết quả nghiên cứu trong đề tài cho thấy phương pháp kết hợp NaOH và H2O2 có nhiều ưu điểm trong việc tách lignin hơn khi sử dụng riêng rẽ NaOH 2% và H2O2 1% Với điều kiện xử lý: nồng độ H2O2 1% (w/v) trong môi trường NaOH 2% (w/v) tỉ lệ tác chất/nguyên liệu

là 7/1, thời gian 2 ngày, nhiệt độ phòng (25 – 28 oC), tốc độ lắc 150 vòng/phút Kết quả thu được: lượng lignin được tách ra trong quá trình tiền xử lý đạt 16,51% Trong khi lượng lignin tách ra khi sử dụng riêng rẽ NaOH 2% và H2O2 1% lần lượt là 11,07%; 1,29%

Dịch sau quá trình tiền xử lý có nồng độ lignin đạt 5,06 mg/ml Hiệu suất thu hồi lignin từ dịch đen bằng phương pháp acid hóa đạt 58,69% với điều kiện pH kết tụ bằng 3, thời gian 60 phút và nhiệt độ 70 oC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Tổng quan về lignin

Lignin là một trong những thành phần của tế bào thực vật bao bọc xung quanh

các sợi cellulose [5] Thông thường hàm lượng lignin khoảng 25 – 40% Trong các

cây lá nhọn chứa 20 - 30%, trong cây lá rộng 20 – 25%, trong các cây cỏ 5 – 9%

Trong tự nhiên, lignin chủ yếu đóng vai trò chất liên kết trong thành tế bào thực vật,

liên kết chặt chẽ với mạng cellulose và hemicellulose, vì vậy rất khó để có thể tách

lignin ra hoàn toàn [17]

1.1.1 Cấu trúc lignocellulose

Lignocellulose gồm ba thành phần chính: cellulose, hemicellulose và lignin

(hình 1.1) Tỉ lệ giữa các thành phần phụ thuộc vào nguồn lignocellulose Ngoài ra, tỉ

lệ đó còn phụ thuộc vào tuổi, giai đoạn tăng trưởng, điều kiện sinh trưởng Theo Hetti

Palonen, về cơ bản trong cấu trúc phân tử của lignocellulose, cellulose tạo thành

khung chính và được bao bọc bởi những chất có chức năng tạo mạng lưới như

hemicelllose và chất kết dính như lignin Cellulose, hemicellulose và lignin sắp xếp

gần nhau và hình thành liên kết cộng hóa trị với nhau [4]

Hình 1.1 Cấu trúc lignocellulose

(UDSA Agricultural Reasearch Service)

Các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản Các sợi này gắn lại với nhau nhờ

hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi, với chiều rộng khoảng 25nm Các sợi này

được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp bảo vệ cellulose khỏi sự tấn công của

enzyme cũng như các hóa chất trong quá trình thủy phân [9] Thành phần của vài loại lignocellulose được thể hiện ở bảng 2.1

Bảng 1.1 Thành phần của vài loại lignocellulose

đi lặp lại một cách ngẫu nhiên trong đó chủ yếu là các mắt xích là dẫn xuất của phenylpropan [5]

Cấu trúc của lignin được tạo thành chủ yếu từ ba hợp chất cơ bản sau (Hình 1.2):

Hình 1.2 Các hợp chất cơ bản để xây dựng cấu trúc lignin

Gỗ mềm chứa chủ yếu là guaiacyl lignin, gỗ cứng chủ yếu chứa syringly Nghiên cứu chỉ ra rằng guaiacyl lignin hạn chế sự trương nở của xơ sợi và vì vậy loại nguyên liệu đó sẽ khó bị tấn công bởi enzyme hơn syringly lignin [17]

Hình 1.3 Mô hình cấu trúc của lignin

(Nguồn: icfar.ca)

Những nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng lignin hoàn toàn không đồng nhất trong cấu trúc Lignin dường như bao gồm vô định hình và các vùng có cấu trúc hình thuôn hoặc hình cầu Lignin trong tế bào thực vật bậc cao hơn không có vùng vô định hình Các vòng phenyl trong lignin của gỗ mềm được sắp xếp trật tự trên mặt phẳng thành

tế bào Ngoài ra, cấu trúc hóa học và cấu trúc không gian của lignin đều bị ảnh hưởng bởi mạng polysaccharide Việc mô hình hóa động học phân tử cho thấy rằng nhóm hydroxyl và nhóm methoxyl trong các oligomer tiền lignin sẽ tương tác với vi sợi cellulose cho dù bản chất của lignin là kỵ nước

Nhóm chức ảnh hưởng đến hoạt tính của lignin là nhóm phenolic hydroxyl tự

do, methoxyl, benzylic hydroxyl với các rượu thẳng và nhóm carbonyl Guaiacyl lignin chứa nhiều nhóm phenol hydroxyl hơn syringly

Lignin có liên kết hóa học với thành phần hemicellulose và ngay cả cellulose (không nhiều) độ bền hóa học của những kiên kết này phụ thuộc vào bản chất liên kết

và cấu trúc hóa học của lignin và những đơn vị đường tham gia liên kết [2] Carbon alpha trong cấu trúc hóa phenyl propane là nơi có khả năng tạo liên kết cao nhất với khối hemicellulose Ngược lại, các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose, galactose, và acid 4-O-methylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin Các liên kết có thể là ether, ester (liên kết với xylan qua acid 4-O-methy-D-glucuronic), hay glycocid (phản ứng giữa nhóm khử của hemicellulose và nhóm OH phenolic của lignin)

Cấu trúc hóa học của lignin rất dễ bị thay đổi trong điều kiện nhiệt độ cao và

pH thấp như điều kiện trong quá trình tiền xử lý bằng hơi nước Ở nhiệt độ phản ứng cao hơn 200 oC, lignin bị kết khối thành những phần riêng biệt và tách ra khỏi cellulose Những nghiên cứu trước đây cho thấy đối với gỗ cứng, nhóm ether β-O-4 aryl bị phá trong quá trình nổ hơi Đồng thời, đối với gỗ mềm, quá trình nổ hơi làm bất hoạt các nhóm hoạt động của lignin ở vị trí α như nhóm hydroxyl hay ether, các nhóm này bị oxy hóa thành carbonyl hoặc tạo cation benzylic, cation này sẽ tiếp tục

tạo liên kết C-C [2]

1.1.1.2 Cellulose

Cellulose là thành phần chính của vật liệu lignocellulose, công thức tổng quá

là (C6H10O5)n Cellulose là một polymer mạch thẳng của D-glucose, các D-glucose được liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4-glucoside Cellulose là một polymer phổ biến nhất trên Trái Đất, độ trùng hợp đạt được 3.500-10.000 DP [9] Các nhóm OH ở hai đầu mạch có tính chất hoàn toàn khác nhau, cấu trúc hemiacetal tại C1 có tính

khử, trong khi đó OH tại C4 có tính chất của rượu [1]

Hình 1.4 Công thức hóa học của cellulose

(Nguồn: wikipedia.org)

Các mạch cellulose được liên kết với nhau nhờ liên kết hydro [19], hình thành hai vùng cấu trúc chính là kết tinh và vô định hình Trong vùng kết tinh, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau nên khó bị tấn công bởi enzyme cũng như hóa chất Ngược lại, trong vùng vô định hình, cellulose liên kết không chặt chẽ nên dễ bị tấn công [9]

1.1.1.3 Hemicellulose

Hemicellulose là một polymer phức tạp và phân nhánh có các thành phần chính: pentose (β-D-xylose, α-L-arabinose), hexoses (β-D-mannose), β-D-glucose, α-D-galactose) và urgonic acids (α-D-glucuronic, α-D-4-O-methyl-galacturonic) và α-D-galacturinic acid) [14] Cấu tạo của hemicellulose khá phức tạp và đa dạng tùy vào nguyên liệu, tuy nhiêm có một vài điểm chung:

− Mạch chính của hemicellulose được cấu tạo từ liên kết β-(1,4)

− Xylose là thành phần quan trọng nhất

− Nhóm thế phổ biến nhất là nhóm acetyl – O liên kết với vị trí 2 hoặc 3

− Mạch nhánh cấu tạo các nhóm đơn giản, thông thường là disaccharide hoặc trisaccharide Sự liên kết này của hemicellulose với các polysaccharide và với lignin là nhờ các mạch nhánh này Cũng vì hemicellulose có mạch nhánh nên tồn tại

ở dạng vô định hình vì thế dễ bị thủy phân [9]

1.1.2 Tiền xử lý nguyên liệu

1.1.2.1 Tiền xử lý bằng kiềm

Xử lý có thể dùng NaOH, Ca(OH)2 hoặc ammoniac để tách lignin và một phần hemicellulose Tiền xử lý có thể thực hiện ở nhiệt độ thấp, thời gian dài hoặc nhiệt độ cao thời gian ngắn Tiền xử lý bằng kiềm hiệu quả hơn trên các phụ phẩm nông nghiệp

so với gỗ nguyên liệu Vaccarino và các cộng sự đã nghiên cứu tác độn của SO2,

Na2CO3 và NaOH trên cỏ và thấy rằng lượng lignin giảm nhiều nhất với dung dịch NaOH 1% ở 120oC [31] Silverstein và cộng sự nghiên cứu hiệu quả của acid sulfuric, sodium hydroxide, hydrogen peroxide, ozon đối với thân cây bông Họ phát hiện rằng sodium hydroxide có kết quả tách lignin cao nhất (65% với dung dịch NaOH 2% trong

90 phút ở 121oC) và cellulose bị thủy phân với enzyme 60,8% [24] So với acid hoặc các chất phản ứng oxi hóa, kiềm là phương pháp hiệu quả nhất trong việc phá vỡ sự liên kết giữa lignin, hemicellulose và cellulose, và tránh sự phân mảnh của các polymer hemicellulose Tiền xử lý bằng kiềm cũng được sử dụng như một phương pháp tiền xử lý trong sản xuất khí sinh học [16]

1.1.2.2 Tiền xử lý bằng acid

Xử lý lignocellulose bằng acid ở nhiệt độ cao H2SO4 được nghiên cứu là chủ yếu, trong khi các acid khác như HCl và acid nitric cũng được nghiên cứu Tiền xử lý acid có thể thực hiện ở nhiệt độ cao và nồng độ acid thấp hoặc nhiệt độ thấp và nồng

độ acid cao Nhiệt độ thấp, nồng độ acid cao có lợi thế rõ ràng về mặt năng lượng so với khi sử dụng acid loãng, nhiệt độ cao Tuy nhiên, nồng độ acid cao (ví dụ như 30-70%) dẫn tới ăn mòn thùng chứa và nguy hiểm Vì vậy, quá trình này đòi hỏi các công trình xây dựng hoặc thùng chứa kim loại chịu được ăn mòn acid cao Sun và Cheng

đã tiền xử lý rơm lúa mạch để sản xuất bioethanol ở 120oC với nồng độ acid sulfuric (0,6; 0,9; 1,2 và 1,5%) thời gian 30, 60, 90 phút; Sun và Cheng thấy rằng lượng hemicellulose mất đi tăng khi tăng nồng độ acid và thời gian lưu, tuy nhiên cellulose hầu như không mất đi sau quá trình tiền xử lý [27]

1.1.2.3 Phương pháp tiền xử lý bằng sodium hydroxide (NaOH) kết hợp hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) thực hiện trong quá trình nghiên cứu của đề tài

Đề tài chọn phương pháp hóa học để tiền xử lý gỗ cao su, với việc lựa chọn những hóa chất và phương pháp xử lý sao cho rẻ nhất, tách được lignin tốt nhất là vấn

đề được quan tâm hàng đầu đến phương pháp tiền xử lý được nghiên cứu trong đồ án này

Các loại hóa chất được sử dụng trong nghiên cứu là: NaOH, H2O2 đây là những hóa chất được sản xuất trên quy mô công nghiệp, giá thành rẻ, công nghệ sản xuất phổ biến

Sodium hydroxide (NaOH) là một base mạnh, đã được nhiều nhóm nghiên cứu dùng để tách lignin ra khỏi lignocellulose Ưu điểm của tiền lý bằng sodium hydroxide (NaOH) là có thể giữ lại một lượng lớn glucan và xylan của lignocellulose trong pha rắn sau tiền xử lý, như vậy lignin còn lại ở pha lỏng sẽ được tách ra hiệu quả hơn Hơn nữa, điều kiện tiền xử lý bằng NaOH diễn ra nhẹ nhàng, do đó ngăn ngừa sự hình thành nhiều hợp chất độc hại như furfural và hydroxymethyl furfural (HMF)

Hydrogen peroxide (H2O2) được biết đến như là một chất oxy hóa mạnh và là chất tẩy trắng được sử dụng trong ngành công nghiệp giấy, nó cũng có thể tăng cường hiệu quả thủy phân đường bằng enzyme Các gốc tự do, bao gồm superoxide và hydroxyl từ H2O2, có thể thay đổi cấu trúc hemicellulose, loại bỏ lignin

Phương pháp tiền xử lý kết hợp NaOH, H2O2 giúp cho việc tách lignin được hiệu quả cao hơn sơ với tiền xử lý bằng từng chất riêng lẻ Đánh giá hiệu quả tiền xử

lý bằng cách theo dõi các thông số: lượng lignin bị hòa tan so với lượng lignocellulose

từ gỗ cao su ban đầu

Cơ chế phản ứng oxy hóa lignin bằng alkaline peroxide

Phản ứng phân ly H2O2 trong môi trường kiềm [18]:

Trong môi trường kiềm, H2O2 phân ly thành các anion hydroperoxide (HOO-) với pKa =11,6

H2O2 → HOO- + H+

Các gốc hydroxyl (OH-) và superoxide (O2-) bẻ gãy liên kết β-O-4 theo một vài cơ chế được đề nghị như trong hình 1.5

Hình 1.5 Một số cơ chế phản ứng oxy hóa lignin : (a) Phản ứng mở vòng

bằng gốc superoxide (O2-.) [30]; (b) Phản ứng bẻ gãy liên kết ether β-O-4 bằng gốc

hydroxyl OH- [30]; (c) Phản ứng Dakin trong môi trường kiềm [21]

Anion hydroperoxide có thể phản ứng lại với H2O2 để tạo thành các gốc hydroxyl (OH) và superoxide (2O-)

H2O2 + HOO- → OH- + O2- +H2O2

Lignin là một hợp chất phức tạp và không đồng nhất bao gồm các cấu trúc hóa học khác nhau đã đề cập trước đó, do cơ chế phản ứng loại bỏ lignin bằng alkaline peroxide được mô tả bằng sự oxy hóa của liên kết ether β-O-4 do liên kết ether β-O-

4 chiếm hơn một nửa trong tổng số các liên kết tạo thành lignin (hình 1.6)

Hình 1.6 Liên kết chính (β-O-4) trong cấu trúc lignin

(Nguồn: chempics.wordpress.com)

1.1.3 Thu hồi lignin từ dịch sau xử lý

1.1.3.1 Các phương pháp thu hồi lignin

a) Phương pháp thu hồi lignin bằng acid

L-OH  L-O- + H+ [1]

Ở đây L là phân tử lignin và –OH là nhóm chức phenolic của lignin Hằng số phân ly của nhóm phenolic:

Ka = [L−O−][H+]

→ pKa = -log ([L−O−][H+]) Giá trị pKa của nhóm phenolic phụ thuộc vào đặc điểm cấu trúc và khối lượng phân tử của lignin, ngoài ra giá trị pKa còn phụ thuộc vào các yếu môi trường xung quanh như nhiệt độ, nồng độ ion, dung môi sử dụng…

Cơ chế của sự keo tụ lignin:

Lignin có tính chất của hệ keo [19] Theo thuyết ổn định tĩnh điện [26], độ bền của lignin trong dung dịch phụ thuộc vào các lực tương tác hút và đẩy giữa chúng Nếu là các lực hút: Van der Waals, tương tác kỵ nước,… chiếm ưu thế thì quá trình kết tụ sẽ xảy ra, trong trường hợp các lực đẩy tĩnh điện giữa các phân tử lignin chiếm

ưu thế, hệ lignin trong dung dịch sẽ được bền hóa

Cơ chế quá trình kết tụ lignin bằng phương pháp acid hóa có thể được mô tả như sau: trong môi trường khi pH > pKa (lignin), phản ứng [1] sẽ dịch chuyển theo chiều thuận phân ly ra các anion phenolate (L-O-) Các anion phenolate mang cùng điện tích âm đẩy nhau dẫn đến trạng thái bền của lignin Trong điều kiện môi trường

có pH < pKa, phản ứng [1] dịch chuyển theo chiều nghịch, lúc đó các cation H+ sẽ trung hòa điện tích âm của anion phenolate làm cho lignin trung hòa về điện Các lực đẩy sẽ giảm xuống và sự keo tụ sẽ xảy ra dễn đến kích thước hạt lignin tăng dần

Trong thực tế, các giá trị pKa của các nhóm phenolic trong lignin rất đa dạng phụ thuộc vào cấu trúc xung quanh chúng vì vậy việc khảo sát pH để quá trình kết tụ đạt hiệu suất cao là việc cần thiết

b) Phương pháp thu hồi lignin bằng siêu lọc

Thu hồi lignin từ dịch đen bằng phương pháp siêu lọc đã được nghiên cứu và công bố trong những năm gần đây [18,29] Những nghiên cứu này cho thấy siêu lọc

là một phương pháp khả thi để thu hồi lignin từ dịch sau tiền xử lý Tuy nhiên, khi so sánh với phương pháp acid hóa, phương pháp này đòi hỏi kỹ thuật phức tạp nên chi phí cao

1.1.3.2 Các phương pháp thu hồi lignin

Bảng 1.3 Tổng hợp các phương pháp tách chiết lignin

và tăng áp suất Thời gian xử lý giảm và đạt

hiệu suất thu hồi lignin cao

Phương pháp kết tủa lignin bằng acid H2SO4

Điều kiện tối

ưu cho quá

lingin bằng phương pháp acid là: Acid

H2SO4 20%

Độ pH 4 Nhiệt độ lắng:

Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 24 – 11/2010

2012 K.Minu

cộng sự

Rơm rạ 1 Tiền xử lý với

acid loãng để loại

bỏ hemicellulose

2 Lọc lấy phần rắn để tiếp tục xử

lý loại bỏ lignin với

pH từ 12 - 13 tới

7 để loại bỏ silica

và sau đó tiếp tục

hạ pH xuống 3 để thu lignin

được có độ tinh khiết cao

Isolation and purification of lignin and silica from the black liquor generated during the production of bioethanol from rice straw

Biomass and Bioenergy,

2012 39(0): p 210-217

2013 Danung

Narapkde

Cây cọ dầu

Dịch đen đã được acid hóa bằng

Kết quả phân tích cho thấy

Recovery, characterstics and potenial use as

esakul và

các cộng

sự

acid sulfuric 4M tới các giá trị pH

5, 4, 3, 2 để so sánh hiệu quả kết

tụ lignin

lượng lignin thu được tăng khi pH của dịch đen giảm

Khi pH 2, hiệu suất thu hồi

linerboard coating material

of lignin from oil palm emty fruit bunches’ black liquor

Cách 1: ADL1:

Dung dịch acid được ly tâm để loại bỏ hầu hết acid thừa; các kết tủa thu hồi được ngâm trong nước deionized và tcho đến pH trung hoà

Chất rắn sau đó được ly tâm, và làm khô ở 40°C

Cách 2: ADL2:

Dung dịch acid được xử lý bằng nước Chất rắn được lọc rửa về đến khi trung hòa Sau đó, nó được làm khô ở 40°C

Cách 3: ADL3:

Dung dịch acid được hòa tan bằng NaOH Sau khi để lắng và loại bỏ dịch, sau

đó ly tâm và làm khô tại 40 °C

Mẫu ADL2 là

của nó đã được xác định

và nó là lignin

khiết, với dấu vết của các sợi (<2%) và vết tích của tro (0.5%), trong khi nội dung khai thác là 25%

Lignin as co-product of second generation bioethanol production from ligno-cellulosic biomass

Energy Procedia Volume

45, 2014, Pages 52-60 Link:

http://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.01.007

và sợi lanh

Phân hủy acid

hydrogen peroxide (Hỗn hợp acid fomic / acid acetic / nước)

lignin (%) Alfalfa 34,00%

22,65%

Rơm lúa mì 20,40%

14,88%

Khai thác và đặc trừng của lignin từ các nguồn sinh khối khác nhau

Research and Technology Volume 4, Issue 1, January-March 2015, Pages 26-32 Link:

https://www.sciencedirect.com/science/journal/223878

Rửa tủa

Huyền phù lignin

Lignin Sấy

1.1.4 Ứng dụng lignin

Hình 1.8 Một số ứng dụng từ lignin

(The University of Tennessee, Knoxville)

(c) Ứng dụng làm chất chống oxy hóa (d) Ứng dụng làm phụ gia bê tông

(e) Ứng dụng để cải thiện hiệu suất của pin

Do nhu cầu về nhiều sản phẩm rừng chậm, các nhà sản xuất bột giấy và giấy đang tìm kiếm các ứng dụng mới cho các nguyên liệu có nguồn gốc từ cây Một chất như vậy là lignin, đó là "keo" giữ cellulose trong các mô thực vật với nhau

Lignin là một trong ba thành phần chính được tìm thấy trong thành tế bào của vật liệu lignocellulose tự nhiên Lignin được sử dụng phổ biến rộng rãi như là một sản phẩm phụ chủ yếu của một số ngành công nghiệp như sản xuất giấy, sản xuất ethanol từ sinh khối Các đặc tính ấn tượng của lignin như độ phong phú cao, trọng lượng nhẹ, thân thiện với môi trường và chất chống oxy hoá, tính chất kháng khuẩn,

và phân huỷ sinh học Gần đây, lignin đã nổi lên như một tiềm năng thành phần cho các ứng dụng hỗn hợp polyme, ví dụ như chất ổn định, chất bôi trơn, chất phủ, chất làm dẻo, chất hoạt động bề mặt, và hydrogel siêu hấp thu thay cho thương mại sử dụng [28]

Lignin còn có thể được sử dụng làm nguyên liệu tổng hợp dimetyl sulfosite (DMSO) khi đun nóng lignin với sulfo dioxit hoặc lưu huỳnh [3]

Vanilin là sản phẩm hữu cơ quan trọng thu được bằng cách oxi hóa lignin gỗ mềm trong môi trường kiềm, còn lignin gỗ cứng cho hỗn hợp Vanilin và Sirigandehit Ngoài ra, Sirigandehit có thể sử dụng trong công nghiệp dược phẩm để điều chế thuốc ngủ [3]

1.2 Sơ lược về cây cao su (Hevea brasiliensis)

1.2.1 Giới thiệu về cây cao su ( Hevea brasiliensis)

Cây cao su có tên khoa học là Hevea brasiliensis, được phân loại khoa học như

sau:

Phân họ (subfamilia) Crotonoideae

Cao su là một loài cây thân gỗ thuộc về họ Euphorbiaceae và là cây có tầm quan trọng kinh tế lớn nhất trong chi Hevea Nó có tầm quan trọng kinh tế lớn là do

chất lỏng chiết ra tựa như nhựa cây của nó (gọi là mủ) có thể được thu thập lại như là nguồn chủ lực trong sản xuất cao su tự nhiên

Hình 1.9 Cây cao su Hevea brasiliensis (Nguồn : https://nhadautu.vn/moi-cay-cao-su-15-tuoi-gia-1-trieu-d3194.html )

Ở nước ta, cây cao su được trồng khắp cả nước nhưng được trồng nhiều nhất

ở các vùng Tây Bắc, Bắc Trung Bộ, Tây Nguyên và Đông Nam Bộ (nguồn: ABS) Năm 2017, nước ta có sản lượng cao su là 1.086.700 tấn trên diện tích 971.600 ha và xuất khẩu 1.395.000 tấn đến hơn 80 thị trường, chiếm thị phần thế giới khoảng 12%, chỉ sau Thái Lan (38%) và Indonesia (27%) (Tạp chí cao su)

1.2.2 Tình hình sản xuất cao su trên thế giới và Việt Nam

1.2.2.1 Tình hình sản xuất cao su trên thế giới

Theo Hiệp hội các nước sản xuất cao su thiên nhiên (ANRPC), trong quý 1/2018, nhu cầu cao su thiên nhiên toàn cầu tăng 7,6% lên 3,361 triệu tấn, trong khi

đó sản lượng tăng 3,3% lên 3,152 triệu tấn (so với 3,051 triệu tấn quý 1 năm ngoái)

do tăng ở Trung Quốc, Philippines, Thái Lan và Campuchia Dự báo tổng cung cao

su thế giới năm 2018 sẽ đạt 14,3 triệu tấn, tăng 7,2% so với 13,341 triệu tấn năm

2017

Với tăng trưởng GDP toàn cầu năm 2017 đạt 3,8% – cao nhất kể từ 2011, hy vọng nhu cầu sẽ tăng thêm nữa để kích thích giá cao su thiên nhiên tăng theo Những

hành động như các nước Đông Nam Á (Thái Lan, Indonesia và Malaysia) nỗ lực hạn chế xuất khẩu cao su thiên nhiên hồi đầu năm nay cũng có thể góp phần kéo giá cao

su thiên nhiên tăng trở lại

Giá dầu thô đang tiến dần tới mốc 80 USD/thùng và cao su tổng hợp bị giảm dần sức hấp dẫn đối với các ngành sử dụng nguyên liệu cao su, trong đó có các hãng sản xuất lốp xe, thúc đẩy việc tăng cường sử dụng cao su thiên nhiên Năm 2011, khi giá dầu thô thế giới vượt mức 100 USD/thùng, giá cao su thiên nhiên tại Ấn Độ cũng lên cao kỷ lục 243 Rupee (3,57 USD)/kg Nhưng kể từ đó, giá liên tiếp giảm, xuống chỉ 95 Rupee (1,40 USD)/kg vào năm 2015 Gần đây, giá cao su thiên nhiên tại Ấn

Độ đang có xu hướng tăng trở lại, vượt mức 120 Rupee (1,76 USD)/kg sau khi dầu thô lên mức cao nhất kể từ 2014 Việc Mỹ rút khỏi thỏa thuận hạt nhân Iran dự báo sẽ còn khiến cho thị trường dầu mỏ nóng thêm nữa

Về những yếu tố khác tác động lên giá cao su thiên nhiên, chuyên gia của Tổng cục Cao su Ấn Độ (Rubber Board of India) cho biết, nhu cầu cao su thiên nhiên của Trung Quốc và tỷ giá hối đoái cũng có vai trò quan trọng quyết định giá cao su thiên nhiên Trung Quốc là nước tiêu thụ cao su thiên nhiên lớn nhất thế giới, sử dụng khoảng 40% tổng sản lượng toàn cầu Sau nhiều thập kỷ tăng trưởng với tốc độ cao

và dựa vào xuất khẩu, kinh tế toàn cầu suy yếu đã buộc Trung Quốc phải dần chuyển đổi nền kinh tế sang dựa vào tiêu thụ nội địa Do đó, nhu cầu các loại hàng hóa, trong

đó có cao su, đã chậm lại Tuy nhiên nhu cầu từ thị trường này đang ổn định dần trong bối cảnh kinh tế đạt tốc độ tăng trưởng ổn định trong mấy quý vừa qua

Tại Ấn Độ, tỷ giá đồng Rupee so với USD cũng có thể giúp đẩy tăng giá cao

su thiên nhiên nội địa, vì cao su nhập khẩu trở nên kém hấp dẫn hơn Các nhà sản xuất

Ấn Độ sẽ buộc phải chuyển hướng tới các nhà sản xuất trong nước để có đủ nguyên liệu đáp ứng nhu cầu, và điều đó sẽ có lợi cho người trồng cao su nước này Tuy nhiên, cao su khối tại các thị trường Đông Nam Á hiện vẫn rẻ hơn 25 – 30 Rupee (0,37 – 0,44 USD)/kg so với cao su tờ Ấn Độ Do đó, cao su khối vẫn chiếm khoảng 70% tổng nhập khẩu cao su của các công ty sản xuất lốp xe Ấn Độ

Theo Tổng Thư ký Hiệp hội Cao su Ấn Độ, nền kinh tế lớn nhất thế giới – Mỹ – sẽ tiếp tục tăng trưởng tốt, nhu cầu tiêu thụ các các sản phẩm như ô tô dự báo sẽ tăng Khi giá dầu thô tăng, cao su tổng hợp sẽ giảm sức hấp dẫn trong mắt các nhà sản xuất, và cao su thiên nhiên sẽ trở nên hấp dẫn hơn Kinh tế Ấn Độ tăng trưởng cao cũng đã khiến nhu cầu cao su thiên nhiên tại đây tăng mạnh trong mấy năm qua, vượt mức 1 triệu tấn Giá cao su thiên nhiên trên thị trường thế giới vẫn thấp hơn so với tại Ấn Độ nên khối lượng nhập khẩu khá lớn Tuy nhiên đối với ngành cao su Ấn

Độ, nếu giá cao su thiên nhiên dưới 120 Rupee (1,76 USD)/kg thì vẫn rất khó khăn cho người trồng cao su để có thể đủ trang trải chi phí sản xuất Giá cao su cần phải lên mức 150 Rupee (2,20 USD) mới đủ để người trồng duy trì sản xuất

1.2.2.2 Tình hình sản xuất cao su ở Việt Nam

Việt Nam là nhà sản xuất cao su tự nhiên lớn thứ 3 thế giới, sau Thái Lan và Indonesia, và là nước xuất khẩu cao su lớn thứ 4 thế giới, sau Thái Lan, Indonesia và Malaysia Thu hoạch mủ tạm ngừng trong tháng 2 – 3 hàng năm để cây tái tạo mủ Hoạt động cạo mủ quay trở lại vào cuối tháng 4 và đạt cao điểm vào từ tháng 11 Hơn

500 nhà xuất khẩu đang chiếm 80% tổng sản lượng cao su của Việt Nam Việt Nam cũng tạm nhập tái xuất cao su từ Thái Lan, Campuchia và Indonesia Trung Quốc, Hàn Quốc và Malaysia là những nước nhập khẩu cao su lớn nhất của Việt Nam trong

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Địa điểm và thời gian thực hiện

Địa điểm thực hiện: Phòng thí nghiệm nhiên liệu sinh học và Biomass- Trường ĐHBK TP.HCM - số 268, đường Lý Thường Kiệt, Q.10, TP.HCM

Thời gian thực hiện: Từ 04/2018 đến 07/2018

2.2 Đối tượng nghiên cứu

Các nghiên cứu được thực hiện trên đối tượng cây cao su đã hết cho cao su Cây cao su được đem đi xay nhỏ thành dạng mùn cưa ở xưởng gỗ Mộc Lâm, tỉnh Bình Dương Thời gian lấy mẫu: tháng 12 năm 2017

2.3 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu bao gồm:

- Xác định một số thành phần chính của gỗ cao su

- Khảo sát điều kiện xử lý gỗ cao su để tách lignin bằng các tác chất (NaOH,

H2O2, NaOH + H2O2, NaOH + H2O2+ UV), nồng độ tác chất, tỷ lệ lỏng rắn (tác chất với nguyên liệu), thời gian xử lý nguyên liệu với tác chất, siêu âm, áp suất, cao áp

- Khảo sát điều kiện tối ưu để thu hồi lignin từ dịch xử lý

2.4.3 Thiết bị

Các thiết bị phục vụ cho quá trình nghiên cứu

- Nồi hấp tiệt trùng tự động của hãng ALP, Nhật Bản

- Bể điều nhiệt

- Lò nung nhiệt độ cao của hãng Nabertherm, Đức

- Máy lắc ngang HY-4A Trung Quốc

- Tủ sấy HN 101-1A, Trung Quốc

- Máy siêu âm Elmasonic S 300 H, Đức

- Cân điện tử TE 612 của hãng Sartorius, Đức

- Cân phân tích PA 214 của hãng Ohaus, Mỹ

- Hệ thống bơm hút chân không Gast, Mỹ

- Máy cao áp SPAN, Mỹ

Các thiết bị phân tích:

- Máy đo quang phổ UV-VIS-NIR V770 của hãng Jaco, Nhật Bản

- Máy đo OD

2.5 Phương pháp nghiên cứu

2.5.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm

Sơ đồ nghiên cứu được tóm tắt như Hình 2.1

Thí nghiệm 1: Khảo sát sự tác động kết hợp của nồng độ NaOH trong môi

trường H2O2 1% (w/v) đến khả năng tách lignin

Cách tiến hành: Lấy 2 g bột gỗ cao su cho vào chai, bổ sung thêm 40 ml hỗn hợp của NaOH với các nồng độ thay đổi: 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1; 2; 3% (w/v) và H2O2

1% (w/v), sau đó lắc với tốc độ 150 vòng/phút, ở nhiệt độ phòng (25 – 28 oC), trong

Nguyên liệu

Yếu tố khảo sát:

- Nồng độ NaOH kết hợp với H2O2 1%

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình nghiên cứu

3 giờ Mỗi nghiệm thức lặp lại 3 lần, kết quả là giá trị trung bình của 3 lần đo

Thí nghiệm 2: Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ tác chất/nguyên liệu (ml/g) đến khả năng

tách lignin

Cách tiến hành: Lấy 10 g bột gỗ cao su cho vào chai, bổ sung thêm V ml (với các mức thể tích: 50; 70; 90; 110; 130 ml tương ứng với tỉ lệ tác chất/nguyên liệu: 5/1, 7/1, 9/1, 11/1, 13/1 ml/g) hỗn hợp của NaOH (sử dụng nồng độ thích hợp nhất như đã khảo sát ở thí nghiệm 1) và H2O2 1% (w/v), sau đó cho lắc với tốc độ 150 vòng/phút, ở nhiệt độ phòng (25 – 28 oC), trong 3 giờ Mỗi nghiệm thức lặp lại 3 lần, kết quả là giá trị trung bình của 3 lần đo

Thí nghiệm 3: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiền xử lý đến khả năng tách

lignin

Cách tiến hành: Lấy 10 g bột gỗ cao su cho vào chai, bổ sung thêm V ml (tính theo tỉ lệ tác chất/nguyên liệu như đã khảo sát ở thí nghiệm 2) hỗn hợp của NaOH (sử dụng nồng độ thích hợp nhất như đã khảo sát ở thí nghiệm 1) và H2O2 1% w/v Sau

đó cho lắc với tốc độ 150 vòng/phút Lần lượt lấy mẫu tại các thời điểm: 1 ngày; 2 ngày; 3 ngày; 4 ngày; 5 ngày, ở nhiệt độ phòng (25 - 28 oC) Mỗi nghiệm thức lặp lại

3 lần, kết quả là giá trị trung bình của 3 lần đo

Thí nghiệm 4: Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy đảo đến đến khả năng

tách lignin

Cách tiến hành: Lấy 10 g bột gỗ cao su cho vào chai, bổ sung thêm V ml (tính theo tỉ lệ tác chất/nguyên liệu như đã khảo sát ở thí nghiệm 2) hỗn hợp của NaOH (sử dụng nồng độ thích hợp nhất như đã khảo sát ở thí nghiệm 1) và H2O2 1% w/v Sau

đó cho lắc với tốc độ lần lượt 0, 90, 120, 150, 180 vòng/phút, với thời gian thích hợp nhất đã khảo sát ở thí nghiệm 3, ở nhiệt độ phòng (25 – 28 oC) Mỗi nghiệm thức lặp lại 3 lần, kết quả là giá trị trung bình của 3 lần đo

Thí nghiệm 5: Tiền xử lý riêng lẽ với NaOH và H2O2 đến khả năng tách lignin Cách tiến hành: Lấy 5 chai có đánh số từ 1 tới 5, mỗi chai cho vào 2 g bột gỗ cao su Lần lượt bổ sung thêm vào các chai: 1) 40 ml NaOH 1% w/v; 2) 40 ml H2O2

1% w/v; 3) 40 ml hỗn hợp của NaOH (nồng độ như đã khảo sát ở thí nghiệm 1) và

H2O2 1% w/v; 4) 40 ml NaOH 3% w/v; 5) 40 ml NaOH 10% w/v, sau đó cho lắc với tốc độ 150 vòng/phút, nhiệt độ phòng, thời gian 3 giờ Mỗi nghiệm thức lặp lại 3 lần, kết quả là giá trị trung bình của 3 lần đo

Thí nghiệm 6: Tiền xử lý với sự kết hợp NaOH + H2O2 + tia UV

Cách tiến hành: Cho 5 g bột gỗ cao su cho vào chai, bổ sung thêm V ml (tính theo tỉ lệ tác chất/nguyên liệu như đã khảo sát ở thí nghiệm 2) hỗn hợp của NaOH (sử dụng nồng độ thích hợp nhất như đã khảo sát ở thí nghiệm 1) và H2O2 1% w/v, khởi động đèn UV, để trong thời gian 4 giờ Nghiệm thức lặp lại 3 lần, kết quả là giá trị trung bình của 3 lần đo

Thí nghiệm 7: Khảo sát tiền xử lý kết hợp NaOH + H2O2 + đánh siêu âm Cách tiến hành: Lấy 5 g bột gỗ cao su cho vào chai, bổ sung thêm V ml (tính theo tỉ lệ tác chất/nguyên liệu như đã khảo sát ở thí nghiệm 2) hỗn hợp của NaOH (sử dụng nồng độ thích hợp nhất như đã khảo sát ở thí nghiệm 1) và H2O2 1% w/v Sau

đó đặt vào máy đánh siêu âm ở các điều kiện sau: 50 oC (trong 10 phút, 20 phút, 30 phút), 60 oC (trong 10 phút, 20 phút, 30 phút), 70 oC (trong 10 phút, 20 phút, 30 phút),

80 oC (trong 10 phút, 20 phút, 30 phút) Mỗi nghiệm thức lặp lại 3 lần, kết quả là giá trị trung bình của 3 lần đo

Thí nghiệm 8: Khảo sát tiền xử lý kết hợp NaOH + H2O2 + máy autoclave Cách tiến hành: Lấy 5 g bột gỗ cao su cho vào chai, bổ sung thêm V ml (tính theo tỉ lệ tác chất/nguyên liệu như đã khảo sát ở thí nghiệm 2) hỗn hợp của NaOH (sử dụng nồng độ thích hợp nhất như đã khảo sát ở thí nghiệm 1) và H2O2 1% w/v Sau

đó cho vào máy hấp vô trùng có áp suất 1 atm và các mức thời gian, nhiệt độ sau:

121oC (trong 10 phút, 20 phút, 30 phút, 40 phút, 50 phút, 60 phút), 130 oC (trong 10 phút, 20 phút, 30 phút, 40 phút, 50 phút, 60 phút) Mỗi nghiệm thức lặp lại 3 lần, kết quả là giá trị trung bình của 3 lần đo

Thí nghiệm 9: Khảo sát tiền xử lý kết hợp NaOH + H2O2 + máy cao áp Cách tiến hành: Lấy 5 g bột gỗ cao su cho vào ống cao áp Bổ sung thêm V ml (tính theo tỉ lệ tác chất/nguyên liệu như đã khảo sát ở thí nghiệm 2) hỗn hợp của NaOH (sử dụng nồng độ thích hợp nhất như đã khảo sát ở thí nghiệm 1) và H2O2 1%

w/v Sau đó chỉnh nhiệt độ 150 oC trong 15 phút với áp suất duy trì là 350 psi (áp suất ban đầu khi cho nguyên liệu vào là 200 psi) Nghiệm thức lặp lại 3 lần, kết quả là giá trị trung bình của 3 lần đo

2.5.2.2 Chỉ tiêu theo dõi

- Xác định hiệu suất tách lignintrong quá trình tiền xử lý theo công thức

là lignin Sản phẩm thu được đem phân tích phổ hồng ngoại IR để xác định nhóm chức

Mỗi nghiệm thức lập lại 3 lần, kết quả là giá trị trung bình của 3 lần đo

b) Thí nghiệm 2: Khảo sát điều kiện thời gian tối ưu để hiệu suất thu hồi lignin

Mỗi nghiệm thức lập lại 3 lần, kết quả là giá trị trung bình của 3 lần đo

c) Thí nghiệm 3: Khảo sát điều kiện nhiệt độ tối ưu để hiệu suất thu hồi lignin

Mỗi nghiệm thức lập lại 3 lần, kết quả là giá trị trung bình của 3 lần đo

2.5.3.3 Chỉ tiêu theo dõi

- Xác định hiệu suất thu hồi lignin theo công thức 5 ở mục 2.6.2.3

2.6 Phương pháp phân tích và tính toán

2.6.1 Phương pháp phân tích hàm lượng ẩm

Phương pháp xác định độ ẩm trong mẫu nguyên liệu là dựa trên qui trình của NREL - National Renewable Energy Laboratory, phòng thí nghiệm năng lượng quốc gia Hoa Kỳ [33]

Trình tự các bước thực hiện thí nghiệm như sau:

- Đặt cốc sấy trong tủ sấy đối lưu ở 105 ± 3 oC trong ít nhất 4 giờ Sau đó mang cốc bỏ vào bình hút ẩm và để nguội (sử dụng găng tay hoặc kẹp để di chuyển cốc) Cân chính xác khối lượng cốc đến 0,1 mg

- Cho 0,3 ± 0,1 g mẫu vào trong cốc, cân và ghi lại chính xác khối lượng mẫu đến 0,1 mg sau đó dùng bút đánh dấu mẫu Lặp lại ít nhất 3 lần đối với từng mẫu

- Đặt cốc đã chứa mẫu vào trong tủ sấy đối lưu ở 105 ± 3 oC trong ít nhất

4 giờ Sau khi sấy xong, đưa cốc từ tủ sấy sang bình hút ẩm và để nguội đến nhiệt độ phòng Cân và ghi lại cốc chứa mẫu chính xác đến 0,1 mg

- Đặt cốc vào trở lại tủ sấy đối lưu ở 105 ± 3 ºC và sấy đến khi khối lượng không đổi

Tính % ẩm:

% ẩm = 𝑚1 −𝑚 2

Trong đó:

m1: khối lượng cốc và mẫu trước khi sấy

m2: khối lượng cốc và mẫu sau khi sấy

m: khối lượng mẫu ban đầu

2.6.2 Phương pháp phân tích thành phần cellulose, lignocellulose, lignin và hàm lượng tro trong nguyên liệu biomass

2.6.2.1 Nguyên tắc của phương pháp

Phương pháp xác định các thành phần carbohydrate, lignin và tro trong mẫu nguyên liệu là dựa trên quy trình của NREL Quy trình này gồm 2 bước thủy phân acid các mạch polymer cellulose và xylan thành các monomer tương ứng Bước đầu tiên là thủy phân bằng acid H2SO4 72% w/w ở 30 oC trong 60 phút Tiếp theo là thủy phân trong acid loãng H2SO4 4,0% w/w ở 121 oC, thời gian 60 phút trong nồi hấp (autoclave) Lignin sẽ chia thành 2 phần: lignin hòa tan trong acid (ASL) và lignin không hòa tan trong acid (AIL) ASL được xác định bằng phương pháp đo UV-VIS Phần rắn còn lại sau quá trình thủy phân (AIR) bao gồm AIL và ASH (tro) sẽ được nung trong cốc sứ ở 600 oC trong 9 giờ để xác định hàm lượng tro, phần khối lượng

bị mất đi sau khi nung chính là khối lượng AIL Trải qua quá trình thủy phân mạch cellulose và xylan sẽ bị thủy phân thành các monomer glucose và xylose tương ứng, các monomer này tan trong dung dịch thủy phân Định lượng glucose bằng phương pháp DNS và cellulose bằng phương pháp Anthrone

2.6.2.2 Cách tiến hành

Quy trình phân tích xơ sợi được tóm tắt như Hình 2.2