1.3.1. Tiềm năng rơm rạ ở Việt Nam
Lúa gạo là một trong những mặt hàng nông sản quan trọng trên thế giới. Rơm rạ là các sản phẩm phụ sinh ra trong quá trình sản xuất lúa gạo. Rơm rạ thƣờng đƣợc sử dụng làm thức ăn gia súc, làm vật liệu thủ công (bện làm giỏ, làm giã đỡ lót hoa quả, đồ dễ vỡ), làm vật liệu xây dựng (phối hợp với đất sét làm gạch…) tuy nhiên sử dụng vẫn còn vẫn còn hạn chế, đa phần rơm rạ bị đốt bỏ tại chỗ gây ô nhiễm môi trƣờng, ảnh hƣởng đến sức khỏe con ngƣời dân [6].
Việt Nam theo ƣớc tính năm 2013 có khoảng 61 triệu tấn rơm rạ [14] thải bỏ ra môi trƣờng từ hoạt động sản xuất lúa gạo, mà đến nay vẫn chƣa có biện pháp sử dụng hiệu quả. Chính vì vậy, nghiên cứu chuyển hóa rơm rạ thành các sản phẩm có ích là vấn đề bức thiết ở nƣớc ta hiện nay. Phần lớn rơm rạ tập trung ở đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long.
1.3.2. Một số đặc điểm thực vật của rơm rạ
Lúa là cây thân thảo ngắn ngày có lịch sử lâu đời trên thế giới. Lịch sử cây lúa gắn liền với lịch sử phát triển của nhân dân các nƣớc Châu Á. Cây lúa thuộc loại Hòa thảo
Graminae, tộc Oryzae, loài Oryza. Trong đó, Oryza sativa L. là tên của cây lúa trồng phổ biến nhất hiện nay.
Cấu tạo cây lúa gồm có các bộ phận chính là: rễ, thân, lá, bông lúa, hạt lúa. Thân lúa cấu tạo bởi những lóng rỗng ruột, nối với nhau bởi những đốt, xung quanh đốt ở dƣới có bẹ lá lúa ôm lấy đốt (hình 1.9) [7,143].
31 Hình 1.9. Cấu tạo thân cây lúa
Cấu tạo tế bào của thân cây lúa đặc trƣng cho cây một lá mầm, gồm có các loại tế bào chỉ ra trong hình 1.10 [66]. Trên mặt cắt ngang thân cây lúa, từ ngoài vào trong, đầu tiên có một vỏ sáp curtin bao bọc bên ngoài, sau đó đến biểu bì (epidermis), lớp màng bao xung quanh (cortex), hạ bì (hypodermis), tế bào cƣơng mô (sclerenchyma), tế bào mô mềm (Parenchyma cells), bó mạch, các ống dẫn nhựa nguyên (xylem).
Hình 1.10. Cấu tạo hiển vi của thân cây lúa
Biểu bì là lớp ngoài cùng của thân lúa có chiều dày 5-9 µm. Biểu bì đƣợc sinh ra từ lớp tế bào ngoài cùng của mô phân sinh ngọn hoặc từ các tế bào khởi sinh độc lập và nối kết với các lớp mô ở bên trong. Biểu bì có chức năng hạn chế sự thoát hơi nƣớc, bảo vệ cơ học, trao đổi khí với bên ngoài qua lỗ khí khổng. Biểu bì là một hệ thống hoàn chỉnh các mô, vì vậy chúng có rất nhiều loại tế bào khác nhau. Biểu bì có các tế bào silic hầu hết chứa đầy SiO2, chất này hoá rắn thành những tinh thể với hình dạng khác nhau. Vách của tế bào biểu bì dày nên vách phía ngoài gần chạm vách phía trong biểu bì.
32 Hạ bì là phần phía dƣới biểu bì, gồm 3-4 lớp tế bào cƣơng mô. Mỗi giống lúa có thể khác nhau về số lƣợng lớp tế bào cƣơng mô. Độ dày của hạ bì cũng phụ thuộc vào số lƣợng lớp tế bào cƣơng mô này. Độ dày của hạ bì trong mẫu lúa Khang Dân của nghiên cứu này đƣợc xác định là 24 µm. Biểu bì và hạ bì là hai mô tế bào của cây lúa có chức năng cơ học chính giúp cây lúa đứng vững và cũng phản ánh khả năng chống chịu gió bão của giống lúa. Tại vị trí có lỗ khí khổng thì hạ bì bị gián đoạn bởi các tế bào mô mềm.
Tế bào cƣơng mô là những tế bào vách dày có tác dụng cơ học, nâng đỡ thân cây lúa, giúp cây lúa có thể đứng thẳng. Tế bào cƣơng mô xuất hiện ở hạ bì và bao quanh bó mạch.
Tế bào mô mềm có từ phía dƣới của lớp thụ bì cho đến tận lớp vỏ lụa của ruột lúa. Mô mềm là những tế bào vách mỏng và có những khoảng không bào lớn. Tế bào mô mềm có nhiệm vụ dự trữ năng lƣợng, chất dinh dƣỡng cho cây lúa.
Bó mạch: Mỗi bó mạch gồm 4 ống mạch. Bó mạch của cây một lá mầm đƣợc chia làm 4 loại [66] nhƣ sau: Loại 1: Chỉ có phần các mạch trung tâm, xung quanh các mạch có bó cƣơng mô với kích thƣớc gần bằng nhau; Loại 2: Chỉ có phần các mạch trung tâm, xung quanh các mạch có bó cƣơng mô, bó cƣơng mô của mạch dẫn nhựa nguyên thứ cấp (protoxylem) to hơn các bó cƣơng mô khác; Loại 3: Có 2 phần là các mạch trung tâm với bó cƣơng mô của mạch dẫn nhựa nguyên thứ cấp nhỏ hơn các bó cƣơng mô khác và một bó sợi ở phía trong; Loại 4: Có 3 phần là các mạch trung tâm với các bó cƣơng mô xung quanh và 2 bó sợi nằm ở phía trong và phía ngoài.
Các ống dẫn nhựa nguyên (xylem) (ống dẫn nhựa nguyên sơ cấp có chia ngăn, ống dẫn nhựa nguyên thứ cấp không chia ngăn) và ống dẫn nhựa luyện (libe) đều đƣợc bao quanh bởi bó tế bào cƣơng mô. Chúng có thể rất khác nhau về hình dạng, kích thƣớc ở mỗi loài lúa (hình 1.10) [66,143]
Những hiểu biết về cấu trúc của rơm rạ nhƣ một vật liệu có cấu trúc ba chiều, có cấu tạo nhiều lớp khác nhau có ý nghĩa rất lớn trong quá trình TXL cũng nhƣ thủy phân rơm rạ bằng enzyme, nhƣng từ trƣớc đến nay ít đƣợc nghiên cứu đầy đủ, mặc dù có khá nhiều nghiên cứu xử lý rơm rạ bằng các tác nhân khác nhau [66].
1.3.3. Công nghệ TXL rơm rạ hiệu quả cho sản xuất etanol sinh học
Tiền xử lý sinh khối đƣợc xem là một tác động đơn lẻ hoặc kết hợp hai hay nhiều hơn các tác động mang bản chất khác nhau (lý học, hóa học, sinh học, cơ−hóa học, lý−hóa học, sinh−hóa học)... đến sinh khối nhằm tách sinh khối thành các phần riêng biệt để thu năng lƣợng, nhiên liệu, hóa chất từ sinh khối – nguồn nguyên liệu tái tạo đầy tiềm năng có khả năng thay thế cho năng lƣợng hóa thạch đang cạn kiệt dần.
Tập hợp nhiều các công nghệ TXL khác nhau đã đƣợc đề xuất trong các thập kỷ vừa qua. Chúng có thể đƣợc phân loại thành các công nghệ TXL sinh học, vật lý, hóa học và hóa lý, tùy theo các tác nhân khác nhau hay năng lƣợng đƣợc sử dụng trong quá trình TXL. Sự kết hợp các phƣơng pháp này cũng đã đƣợc nghiên cứu [65,107,127].
Với khả năng thay thế xăng đầy tiềm năng của etanol sinh học, TXL sinh khối nhằm mục đích thu etanol nhiên liệu trên thế giới đã thu hút đƣợc sự quan tâm lớn của đông đảo
33 nhà nghiên cứu trong những thập kỷ vừa qua. Và thực tế, sản xuất etanol sinh học toàn cầu tăng mạnh trong vòng 25 năm qua, trên toàn thế giới công suất sản xuất hằng năm tăng đều đặn và dự báo đến năm 2015 sẽ đạt 115 tỷ lít [82,85].
Mỹ, Brazil, Trung Quốc, Ấn Độ là những nƣớc sản xuất etanol sinh học có sản lƣợng lớn nhất thế giới. Trong đó, sản xuất etanol sinh học có nguồn gốc từ nguyên liệu lignocellulose nhƣ các phế phụ phẩm nông, lâm nghiệp, rác thải sinh hoạt, phân gia súc… có số lƣợng ngày tăng lên (NLSH thế hệ thứ II) [104,119].
Công nghệ chuyển hóa sinh khối lignocellulose bằng cách thủy phân nguyên liệu bằng các axit vô cơ loãng ở nhiệt độ cao có từ trƣớc chiến tranh Thế giới lần I ở Nga đã cũ, nên không thể giảm thêm đƣợc giá thành công nghệ [95]. Ngày nay, chuyển hóa sinh khối lignocellulose thành nhiên liệu thƣờng sử dụng quá trình thủy phân sinh khối bằng enzyme, do tiết kiệm chi phí hơn (quá trình thủy phân diễn ra ở nhiệp độ thấp, không đòi hỏi thiết bị chuyên dụng, chịu nhiệt độ và áp suất cao). Thủy phân sinh khối bằng enzyme đòi hỏi phải xử lý sơ bộ sinh khối để làm cho phần carbohydrate dễ tiếp cận hơn với hỗn hợp các enzyme, sử dụng để thủy phân các polysaccharide thành các đƣờng có thể lên men. Quá trình TXL sinh khối có thể rất đắt, không đạt đƣợc hiệu quả cao do phân hủy carbohydrate, hình thành các chất ức chế enzyme nhƣ lignin còn lại, các hợp chất khác có nguồn gốc từ sự phân hủy carbohydrate nhƣ các axit hữu cơ… làm giảm hiệu quả của quá trình đƣờng hóa sinh khối bằng enzyme. Đây là những vƣớng mắc lớn trong quá trình chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu [35].
Công nghệ hiệu quả và thân thiện môi trƣờng chuyển hóa sinh khối rơm rạ thành nhiên liệu thƣờng sử dụng thủy phân bằng enzyme. Các công đoạn chính của quá trình chuyển hóa rơm rạ thành etanol sinh học bao gồm TXL rơm rạ, thủy phân rơm rạ sau TXL thành các loại đƣờng có thể lên men, lên men dịch đƣờng để thu etanol và tinh chế thu etanol nhiên liệu (> 99,7%).
Khác với sinh khối gỗ, trong thành phần hóa học rơm rạ, ngoài ba polyme chính là cellulose, hemicellulose và lignin, còn có chứa một lƣợng lớn các chất vô cơ [65]. Mục tiêu của TXL rơm rạ là để loại bỏ các chất vô cơ, lignin, các chất trích ly… làm tăng diện tích bề mặt, độ xốp của sinh khối rơm rạ sau TXL mà vẫn giữ đƣợc phần lớn carbohydrate cho quá trình đƣờng hóa bằng enzyme. Việc lựa chọn một kỹ thuật TXL thích hợp với rơm rạ vẫn là một trong những thách thức chính, đóng vai trò quan trọng trong quá trình nâng cao hiệu quả đƣờng hóa của bằng enzyme.
Trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu về quá trình TXL rơm rạ bằng các tác nhân khác nhau: nghiền nhỏ, nổ hơi, TXL bằng nƣớc nóng, TXL bằng các tác nhân vật lý, hóa học, TXL bằng các tác nhân sinh học nhƣ: nấm mục nâu, nấm mục trắng, vi nấm… nhƣng thƣờng gặp nhất là các quy trình TXL kết hợp hai hay nhiều tác nhân với nhau nhƣ cơ học– hóa học, cơ học–sinh học…, tuy nhiên hiệu quả còn chƣa cao [161,107,18,95].
1.3.3.1. Công nghệ TXL rơm rạ bằng axit hữu cơ
Sử dụng tác nhân tách loại lignin là dung dịch hỗn hợp của các axit hữu cơ, nhƣ axit axetic, axit focmic… để thu nhận cellulose từ nguyên liệu thân thảo ngắn ngày là phƣơng pháp Milox. Tuy nhiên việc thu hồi các hóa chất sau nấu theo các phƣơng pháp này gặp
34 những khó khăn nhất định, do thành phần chủ yếu của dịch nấu gồm nƣớc và các axit dễ bay hơi, chúng có thể tạo thành hỗn hợp đồng sôi [154].
Axit formic là một dung môi rất tốt để hòa tan và tách lignin, các chất trích ly có trong gỗ. Do vậy, các nhà khoa học Nga đã nghiên cứu và đƣa ra phƣơng pháp thu nhận bột cellulose sử dụng axit formic (Milox biến tính). Các nhà nghiên cứu đã bổ sung vào dung dịch axit formic một số chất khác nhƣ HCl, H2O2,…,tạo ra các hỗn hợp cho khả năng tách loại lignin hiệu quả hơn, đồng thời bột thu đƣợc có hiệu suất cao, độ nhớt thấp và khả năng tẩy trắng tốt [87,112]. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Axit axetic cũng là một trong những chất hữu cơ đƣợc sử dụng cho nhiều nghiên cứu đối với các dạng nguyên liệu khác nhau, nhờ có khả năng tách loại lignin mạnh. Apostol và Kozlov đã nghiên cứu ảnh hƣởng của axit axetic trong quá trình nấu gỗ bulo, họ nhận thấy rằng axit axetic có tác dụng làm trƣơng nở gỗ kém hơn so với nƣớc, nhƣng khi bị hấp phụ lên gỗ lại hầu nhƣ không làm thay đổi tỷ trọng của gỗ. Thu nhận cellulose tẩy trắng, sử dụng axit axetic có thể ngăn ngừa sự hồi màu. Khi sử dụng độc lập, bản thân axit axetic có khả năng tách loại lignin không cao, tuy nhiên khi bổ sung 1-2 % HCl, MgCl2, H2SO4 thì chúng tạo thành một hỗn hợp có khả năng tách loại lignin rất tốt.
Một số nghiên cứu đối với nguyên liệu gỗ đã cho thấy, kết quả tƣơng đối tốt có thể thu đƣợc khi sử dụng dung dịch axit axetic nồng độ 50–87,5%. Khi nấu gỗ dƣơng, bột cellulose thu đƣợc có hiệu suất đạt 50-60%, với trị số Kappa 10 – 40. Rửa bột có thể thực hiện bằng axit axetic, nƣớc hoặc tốt nhất là axeton, tránh hiện tƣợng lignin bị kết tủa sau nấu, đồng thời cho bột có khả năng hấp thụ nƣớc tốt hơn, thuận lợi cho quá trình rửa và tẩy trắng [112].
Quá trình TXL bằng axit axetic với một số dạng nguyên liệu là cây ngắn ngày đã cho bột có hiệu suất cao với chất lƣợng tốt, đồng thời không tạo ra nƣớc thải do thu hồi đƣợc axit. Ƣu điểm chủ yếu của phƣơng pháp này là có thể sử dụng nhiệt độ thấp để tách loại lignin, thu nhận bột ở áp suất khí quyển, có thể thu hồi các hóa chất bằng cách chƣng luyện. Tuy nhiên khó khăn lớn nhất của phƣơng pháp này vẫn là hiệu suất thu hồi CH3COOH chƣa cao [105,106].
Đã có một số nghiên cứu TXL bằng dung môi hữu cơ (axit foocmic/axit axetic có sử dụng xúc tác) để nấu bột giấy từ rơm lúa mì đen [9]. Kết quả cho thấy, khi kéo dài thời gian nấu từ 2 đến 4h sẽ kèm theo sự gia tăng đáng kể mức độ thủy phân các polyme tự nhiên có trong rơm lúa mì đen, làm giảm hiệu suất bột, đồng thời trị số Kappa và hàm lƣợng pentosan trong bột cũng tăng. Nếu gia tăng thời gian nấu lên trên 4 giờ, độ nhớt của bột giảm đáng kể, chỉ số Kappa tăng [3].
1.3.3.2. Công nghệ TXL rơm rạ bằng kiềm
Phƣơng pháp TXL sinh khối lignocellulose bằng kiềm đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy. Trong đó các phƣơng pháp truyền thống đƣợc sử dụng nhiều là nấu sunfat (sử dụng hỗn hợp NaOH+Na2S) cho sản xuất bột giấy Kraft [49]. Nhiệt độ thƣờng là 155-175°C và áp suất 7-11 bar, thời gian nấu từ 2 và 5 giờ. TXL sinh khối lignocellulose bằng kiềm ở các điều kiện khác nhau cũng đã đƣợc nghiên cứu.
35 Phƣơng pháp TXL sinh khối bằng kiềm gây ra những thay đổi đáng kể trong thành phần hóa học của sinh khối lignocellulose. Đó là quá trình hòa tan lignin [35], phân hủy polyme lignin bằng cách cắt các liên kết ete và este của các liên kết α−aryl và β−aryl dẫn đến quá trình phân hủy hoàn toàn của lignin. Ngoài lignin, quá trình phân hủy hemicellulose cũng diễn ra đồng thời. Quá trình TXL sinh khối bằng kiềm cũng loại bỏ nhóm acetyl− từ mạch nhánh của hemicellulose [35] làm tăng khả năng tiếp cận xylan và cellulose của hai nhóm enzyme xylanase và cellulase [131]. Điều kiện TXL sinh khối bằng kiềm cũng gây ra biến đổi nhóm axit uronic của xylan [121,54]. Do có vùng cấu trúc tinh thể nên cellulose có khả năng chống lại sự phân hủy của kiềm tốt hơn so với hemicellulose. Tuy nhiên, sự mất mát của cellulose cũng xảy ra trong điều kiện mức sử dụng kiềm tƣơng đối lớn ở điều kiện TXL thích hợp nhƣ nhiệt độ, thời gian đủ lớn bởi phản ứng “pelling” tách loại phân tử từ đầu khử của chuỗi phân tử cellulose và bởi phản ứng thủy phân kiềm của liên kết glycoside [144]. Mức độ trùng hợp của cellulose bị giảm nhẹ sau TXL bằng NaOH và bằng Ca(OH)2 [146].
Sinh khối lignocellulose sau TXL bằng kiềm có sự thay đổi lớn về cấu trúc. Chỉ số độ kết tinh của vật liệu lignocellulose tăng lên rõ rệt do đã loại bớt lignin [85]. Hàm lƣợng cellulose vô định hình và tinh thể do đó cũng đƣợc tăng theo trong TXL thân cây ngô và cây dƣơng bằng Ca(OH)2 [121]. Cellulose bị trƣơng nở và chuyển sang các dạng cấu trúc khác nhau từ cellulose I sang cellulose II, III, IV trong quá trình TXL bằng NaOH hoặc ammonia tƣơng ứng [36].
Đối với rơm rạ, đã có một số nghiên cứu TXL bằng NaOH trên thế giới, tuy nhiên hiệu quả đạt đƣợc chƣa cao, nhƣ: TXL rơm rạ cắt ngắn đến 2cm bằng NaOH ở nồng độ 1,2,3,4,5%, tỉ dịch 1/10 ở nhiệt độ 85oC trong 1h. Sau thủy phân bằng enzyme, hàm lƣợng đƣờng thu đƣợc chiếm 24,6% so với rơm rạ khô ban đầu. Sự phối hợp các điều kiện TXL không hợp lý (nồng độ kiềm cao, xử lý ở nhiệt độ trung bình trong điều kiện dƣ hóa chất dẫn đến sự phân hủy cellulose và làm giảm hàm lƣợng đƣờng thu đƣợc) [96] hay TXL rơm rạ bằng NaOH ở nồng độ từ 1,0 đến 4,0%, nhiệt độ 60 đến 100oC, thời gian từ 30 đến 90 phút. Lƣợng glucose lớn nhất là 254,5g trên 1000g rơm rạ ban đầu ở nồng độ NaOH 2,96%, nhiệt độ 81,8oC, 56,7 phút, lignin bị phân hủy 52,6%. Chính vì sự tách loại lignin