Đang tải... (xem toàn văn)
Phế phụ phẩm nông lâm nghiệp là nguồn sinh khối tái tạo rất dồi dào và rẻ tiền. Bioethanol từ lignocellulose do đó được quan tâm đặc biệt trong những thập kỷ gần đây vì yêu cầu cấp thiết nhân loại phải cắt giảm mức tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch. Để chuyển hóa lignocellulose thành bioethanol, một khâu có tính tiên quyết là tiền xử lý nguyên liệu này để loại bỏ lignin, phá vỡ cấu trúc chặt chẽ của phức hợp lignin-cellulose-hemicellulose nhằm tạo điều kiện cho sự tiếp xúc giữa tác nhân thủy phân và cellulose diễn ra. Trong các phương pháp tiền xử lý hiện nay, phổ biến nhất là phương pháp ngâm kiềm. Trong nghiên cứu này, dung dịch NaOH sau khi tiền xử lý mùn cưa gỗ cao su lần thứ nhất sẽ được sử dụng lần nữa với phương án bổ sung một lượng tối thiểu NaOH. Lượng NaOH bổ sung được tính toán sao cho tổng lượng NaOH trong 2 lần sử dụng sẽ giảm đi đáng kể trong khi vẫn đảm bảo hiệu quả tiền xử lý như ban đầu.
Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Kĩ thuật Công nghệ, 2(SI2):SI46-SI52 Bài nghiên cứu Open Access Full Text Article Nghiên cứu phương pháp tái sử dụng dung dịch kiềm trình tiền xử lý gỗ cao su nhằm giảm thiểu chi phí hóa chất Nguyễn Thị Liên* , Nguyễn Đình Quân, Trần Thị Tưởng An, Lê Diệp Trung Tín TĨM TẮT Use your smartphone to scan this QR code and download this article Phòng Thí nghiệm Nhiên liệu sinh học Biomass, Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM, 268 Lý Thường Kiệt, phường 14, quận 10, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam Liên hệ Nguyễn Thị Liên, Phịng Thí nghiệm Nhiên liệu sinh học Biomass, Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM, 268 Lý Thường Kiệt, phường 14, quận 10, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam Email: nguyenlien02091995@gmail.com Lịch sử • Ngày nhận: 28-3-2019 • Ngày chấp nhận: 6-11-2019 • Ngày đăng: 31-12-2019 DOI :10.32508/stdjet.v3i2.491 Bản quyền © ĐHQG Tp.HCM Đây báo công bố mở phát hành theo điều khoản the Creative Commons Attribution 4.0 International license Phế phụ phẩm nông lâm nghiệp nguồn sinh khối tái tạo dồi rẻ tiền Bioethanol từ lignocellulose quan tâm đặc biệt thập kỷ gần yêu cầu cấp thiết nhân loại phải cắt giảm mức tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch Để chuyển hóa lignocellulose thành bioethanol, khâu có tính tiên tiền xử lý nguyên liệu để loại bỏ lignin, phá vỡ cấu trúc chặt chẽ phức hợp lignin-cellulose-hemicellulose nhằm tạo điều kiện cho tiếp xúc tác nhân thủy phân cellulose diễn Trong phương pháp tiền xử lý nay, phổ biến phương pháp ngâm kiềm Trong nghiên cứu này, dung dịch NaOH sau tiền xử lý mùn cưa gỗ cao su lần thứ sử dụng lần với phương án bổ sung lượng tối thiểu NaOH Lượng NaOH bổ sung tính toán cho tổng lượng NaOH lần sử dụng giảm đáng kể đảm bảo hiệu tiền xử lý ban đầu Kết thí nghiệm cho thấy, dung dịch NaOH 2,0% KL tiền xử lý gỗ lần đầu 24 cho phép làm giàu cellulose nguyên liệu từ 41,2% KL lên 53%; lần tái sử dụng lần thứ hai bổ sung tối thiểu NaOH cho hiệu tương đương Tổng lượng kiềm sử dụng để xử lý lượng nguyên liệu giảm 30,3% lượng nước giảm 41,2% so với phương pháp truyền thống Phương pháp đề đạt mục đích cắt giảm đáng kể chi phí hóa chất, có ý nghĩa tích cực thực tế việc góp phần tiến gần tới việc giải toán kinh tế - kỹ thuật công nghệ sản xuất bioethanol hệ Từ khoá: cao su, hemicellulose, cellulose, lignin, tiền xử lý GIỚI THIỆU Trong năm gần đây, khủng hoảng dầu mỏ tượng nóng lên tồn cầu tạo động lực phát triển nguồn lượng thay thế, đặc biệt bioethanol Trên lý thuyết lẫn thực hành, nguồn carbohydrate tinh bột, glycogen, cellulose… tự nhiên nguyên liệu để lên men bioethanol Sinh khối lignocellulose nguyên liệu hữu tái sinh phong phú trái đất với lượng cung cấp hàng năm khoảng 200 tỷ lựa chọn hấp dẫn cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học Sự đa dạng, dồi rẻ tiền sinh khối lignocellulose hứa hẹn chiến lược sản xuất bioethanol có tính cách mạng, trước mắt, công nghệ chưa thể thương mại hóa cơng nghiệp chi phí cao Chuyển hóa sinh khối lignocellulose thành cồn sinh học phương pháp thủy phân lên men đồng thời hướng công nghệ thu hút nhiều nghiên cứu giới Tuy nhiên với sinh khối gỗ, nghiên cứu có phần hạn chế cấu trúc lignocellulose gỗ hoàn chỉnh, cellulose tạo thành khung bao bọc màng hemicellulose gắn kết với lignin tạo thành cấu trúc bền vững rõ ràng, dẫn đến trình tiền xử lý khó khăn khả lên men bị hạn chế Trong nhiều phương pháp tiền xử lý tiền xử lý kiềm, acid, enzyme, thủy nhiệt cao áp… tiền xử lý kiềm ưa chuộng đơn giản hiệu thành vơ định hemicellulose, lignin ngun liệu dễ bị hòa tan kiềm 4,5 Để cắt giảm chi phí tiền xử lý lignocellulose, dung dịch kiềm thải sau sử dụng lần thứ tận dụng để tiền xử lý lần sau Cơ sở ý tưởng dung dịch kiềm thải chứa lượng kiềm đáng kể với pH cao Vì vậy, lượng NaOH tính toán hợp lý, khoa học, bổ sung vào dung dịch tái sử dụng đảm bảo cho trình tiền xử lý lần sau đạt hiệu ban đầu mà không cần phải tiêu tốn NaOH nước nhiều lần thứ tận dụng cịn sử dụng lần trước 6,7 Trong nghiên cứu này, mùn cưa thương mại gỗ cao su (từ phụ phẩm cưa xẻ gỗ bìa, gỗ vụn, cành, nhánh cao su lý sau khai thác mủ) chọn làm nguyên liệu để tiến hành nghiên cứu phương pháp tiền xử lý lignocellulose dung dịch kiềm tái sử dụng có bổ sung lượng NaOH phù hợp Đây nguồn nguyên liệu lignocel- Trích dẫn báo này: Liên N T, Quân N D, An T T T, Tín L D T Nghiên cứu phương pháp tái sử dụng dung dịch kiềm trình tiền xử lý gỗ cao su nhằm giảm thiểu chi phí hóa chất Sci Tech Dev J - Eng Tech.; 2(SI2):SI46-SI52 SI46 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Kĩ thuật Công nghệ, 2(SI2):SI46-SI52 lulose lớn thường dùng làm chất đốt rẻ tiền Tính lượng kiềm bổ sung thích hợp VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Vật liệu Nguyên liệu sử dụng hỗn hợp phụ phẩm gỗ cao su xử lý thành mùn cưa đồng từ xưởng gỗ Mộc Lâm, tỉnh Bình Dương, có độ ẩm < 12% Ngun liệu sàng, rây đến kích thước mong muốn sấy khơ để tránh bị nấm mốc trước lưu trữ Trong thí nghiệm, phần khối lượng lignocellulose tính dựa khối lượng khô mẫu mùn cưa phần ẩm tính vào lượng nước dung dịch Hóa chất: dung dịch H2 SO4 98 wt%; NaOH 99,99 wt%, dung dịch HCl 37 wt% sản phẩm hãng TCL (Đài Loan) Quy trình tổng quát tiền xử lý gỗ với kiềm Quá trình ngâm nguyên liệu kiềm tiến hành với bình cầu 250 ml Các thí nghiệm tiến hành nhiệt độ phòng với dung dịch NaOH có nồng độ khác nhau, cụ thể 0,2 wt%, 0,4 wt%, 0,8 wt%, 1,0 wt%, 2,0 wt%, 3,0 wt%, 4,0 wt% 5,0 wt% Tỉ lệ khối lượng gỗ dung dịch kiềm 1:10 với 5g nguyên liệu khơ cho lần thí nghiệm 9,10 Hiệu suất tính theo (CT1) để chọn nồng độ tối ưu Khảo sát thời gian tiền xử lý gỗ thơng qua thí nghiệm giờ, giờ, giờ, 12 giờ, 18 giờ, 24 30 Quá trình tiến hành máy lắc với tốc độ 150 vịng/phút Hiệu suất tính dựa vào (CT1) để chọn mốc thời gian cho hiệu tốt Hỗn hợp sau tiền xử lọc để thu dịch kiềm dùng cho mục đích tái sử dụng Phần bã rửa nước cất trung hòa đến pH để loại bỏ kiềm dư Sau đem sấy khơ phân tích thành phần tro, lignin, hemicellulose cellulose Dung dịch kiềm lấy từ lần tiền xử lý tái sử dụng cho tỉ lệ lignocellulose/dung dịch 1/10 Hiệu tiền xử lý nghiên cứu định nghĩa mức độ loại bỏ lignin làm giàu thành phần cellulose mẫu Vì lignocellulose có nguồn gốc từ nguyên liệu rẻ tiền, nên bỏ qua thất thoát học mẫu rắn giới hạn cho phép (5-10%), hiệu tiền xử lý tính theo cơng thức sau: (1) Trong đó: Y1 tỉ lệ lignin/cellulose nguyên liệu đầu Y2 tỉ lệ lignin/cellulose sản phẩm sau tiền xử lý kiềm, xác định từ phân tích HPLC SI47 Như mô tả nghiên cứu trước 11 , giả sử dung dịch kiềm nồng độ C1 (wt%) tương đương với a (g) NaOH sử dụng lần thứ tích V1 (ml) đạt hiệu tiền xử lý H1(%) Dung dịch thu sau lần tiền xử lý tích V2 (ml), đem V2 (ml) để tiền xử lý mà không bổ sung thêm NaOH cho hiệu H2 (thấp H1) tương đương hiệu đạt dùng dung dịch nồng độ C2 wt% tương đương với b (g) NaOH Sự tương quan thể Hình với điểm A1, B1, A2 Như vậy, giả thuyết dung dịch C1 tái sử dụng muốn có hiệu H1 ban đầu phải bổ sung lượng NaOH tương đương với lượng NaOH dùng để nâng nồng độ từ dung dịch C2 wt% lên C1 wt%, lượng NaOH cịn lại tính gần theo cơng thức: Lượng NaOH cần thêm vào: madd = a − b (g) Định nghĩa hiệu tiền xử lý %H = − Y2 /Y1 Hình 1: Minh họa ý tưởng NaOH cho q trình tái sử dụng kiềm thải mơ tả với A1 tiền xử lý với dung dịch C1 wt%; B1 tiền xử lý với C1 wt% lần thứ 2; A2: tiền xử lý với dung dịch C2 wt% lần Lượng nước cần thêm vào tính theo cơng thức: Vadd = V1 −V2 (ml) Phương pháp phân tích, đánh giá kết Quá trình đo hàm lượng lignin tiến hành phương pháp đo quang phổ UV-VIS NiR V770 Jasco, Nhật Bản Lignin khơng tan tính theo cơng thức: AIR = m × 1000 mg/g M Trong đó: AIR lignin khơng tan (mg/g) Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Kĩ thuật Công nghệ, 2(SI2):SI46-SI52 m khối lượng( bã sau sấy), (g) M trọng lượng mẫu nung khô( oven-dry) (g) Lignin tan xác định sau: ( ) A.D.V mg ASL = × 1000 a.b.M g Trong đó: ASL lignin tan (mg/g) A: độ hấp thu bước sóng 205nm D: hệ số pha lỗng V: thể tích dịch lọc ( L) a: hệ số lignin, g/l cm (theo TAPPI UM 250) b: chiều dài cuvette, cm (thường 1cm) Lignin tổng = AIR + ASL (mg/g) Quá trình định lượng hemicellulose cellulose hệ thống sắc ký lỏng hiệu cao (HPLC – Liquid Chromatography Hight Performance) hãng Shimadzu, Nhật Bản Gọi m1 khối lượng đầu; m2 khối lượng ẩm % Cellulose = Ccellulose xVcellulose / (m1 – m2 ) % Hemicellulose = Chemicellulose xVhemicellulose / (m1 – m2 ) Cơng thức tính hiệu suất tiết kiệm lượng kiềm lượng nước Giả sử lượng nước lượng kiềm sử dụng cho lần tiền xử lý riêng biệt A; A; A Lượng nước kiềm cho lần tái sử dụng dung dịch kiềm A; B; C (C