n Arabianan Lignin Chất tríchly Phế phẩm cđy bắp 36,4 18 0.6 1.0 3.0 16.6 7.3 Rơm lúa mì 38.2 21.2 0.3 2.5 23.4 13.3 Rơm lúa(*) 34 - 38 32 - 40 12 (*) Theo Hồ sĩ Trâng
Trong lignocellulose, cellulose tạo thănh khung chính vă được bao bọc bởi những chất có chức năng tạo mạng lưới như hemicellulose vă kết dính như lignin. Cellulose, hemicellulose vă lignin sắp xếp gần nhau vă liín kết cộng hóa trị với nhau. Câc đường nằm ở mạch nhânh như arabinose, galactose, vă acid 4–O– methylglucuronic lă câc nhóm thường liín kết với lignin
Hình 2.1.Cấu trúc của lignocellulose
Câc mạch cellulose tạo thănh câc sợi cơ bản. Câc sợi năy được gắn lại với nhau nhờ hemicellulose tạo thănh cấu trúc vi sợi, với chiều rộng khoảng 25nm. Câc vi sợi năy được bao bọc bởi hemicellulose vă lignin, giúp bảo vệ cellulose khỏi sự tấn công của ezyme cũng như câc hóa chất trong q trình thủy phđn. [9]
Hình 2.2.Mối quan hệ cellulose – hemicellulose trong cấu trúc lignocellulose
2.1.2 Cellulose
Cellulose lă một polymer mạch thẳng của D-glucose, câc D-glucose được liín kết với nhau bằng liín kết β 1-4 glucosid. Cellulose lă loại polymer phổ biến nhất trín trâi đất, độ trùng hợp đạt được 3.500 – 10.000 DP [9]. Câc nhóm OH ở hai đầu mạch có tính chất hoăn toăn khâc nhau, cấu trúc hemiacetal tại C1 có tính khử,
trong khi đó OH tại C4 có tính chất của rượu. [2]
Hình 2.3.Cơng thức hóa học của cellulose
Câc mạch cellulose được liín kết với nhau nhờ liín kết hydro vă liín kết VanDer Waals, hình thănh hai vùng cấu trúc chính lă kết tinh vă vơ định hình. Trong vùng kết tinh, câc phđn tử cellulose liín kết chặt chẽ với nhau, vùng năy khó bị tấn cơng bởi enzyme cũng như hóa chất. Ngược lại, trong vùng vơ định hình, cellulose liín kết khơng chặt với nhau nín dễ bị tấn cơng [9]. Có hai kiểu cấu trúc của cellulose đê được đưa ra nhằm mô tả vùng kết tinh vă vơ định hình. [10]
Hình 2.4.Kiểu Fringed fibrillar vă kiểu Folding chain
1/ Kiểu Fringed Fibrillar: phđn tử cellulose được kĩo thẳng vă định hướng theo chiều sợi. Vùng tinh thể có chiều dăi 500 Ơ vă xếp xen kẽ với vùng vơ định hình.
2/ Kiểu Folding chain: phđn tử cellulose gấp khúc theo chiều sợi. Mỗi đơn vị lặp lại có độ trùng hợp khoảng 1000, giới hạn bởi hai điểm a vă b như trín hình vẽ. Câc đơn vị đó được sắp xếp thănh chuỗi nhờ văo câc mạch glucose nhỏ, câc vị trí
năy rất dễ bị thủy phđn. Đối với câc đơn vị lặp lại, hai đầu lă vùng vơ định hình, căng văo giữa, tính chất kết tinh căng cao. Trong vùng vơ định hình, câc liín kết β - glucosid giữa câc monomer bị thay đổi góc liín kết, ngay tại cuối câc đoạn gấp, 3 phđn tử monomer sắp xếp tạo sự thay đổi 180ocho toăn mạch. Vùng vơ định hình sẽ dễ bị tấn công bởi câc tâc nhđn thủy phđn hơn vùng tinh thể vì sự thay đổi góc liín kết của câc liín kết cộng hóa trị (β - glucosid) sẽ lăm giảm độ bền nhiệt động của liín kết, đồng thời vị trí năy khơng tạo được liín kết hydro. [4] Cellulose được bao bọc bởi hemicellulos vă lignin, điều năy lăm cho cellulose khâ bền vững với tâc động của enzyme cũng như hóa chất.
2.1.3 Hemicellulose
Hemicellulose lă một loại polymer phức tạp vă phđn nhânh, độ trùng hợp khoảng 70 đến 200 DP. Hemicellulose chứa cả đường 6 gồm glucose, mannose vă galactose vă đường 5 gồm xylose vă arabinose. Thănh phần cơ bản của hemicellulose lă β – D xylopyranose, liín kết với nhau bằng liín kết β -(1,4). Cấu tạo của hemicellulose khâ phức tạp vă đa dạng tùy văo ngun liệu, tuy nhiín có một văi điểm chung gồm:
- Mạch chính của hemicellulose được cấu tạo từ liín kết β -(1,4). - Xylose lă thănh phần quan trọng nhất.
- Nhóm thế phổ biến nhất lă nhóm acetyl O – liín kết với vị trí 2 hoặc 3. - Mạch nhânh cấu tạo từ câc nhómđơn giản, thơng thường lă disaccharide hoặc trisaccharide. Sự liín kết của hemicellulose với câc polysaccharide khâc vă với lignin lă nhờ câc mạch nhânh năy. Cũng vì hemicellulose có mạch nhânh nín tồn tại ở dạng vơ định hình vă vì thế dễ bị thủy phđn.Gỗ cứng, gỗ mềm vă ngun liệu phi gỗ có câc đặc điểm hemicellulose khâc nhau:
Gỗ cứng chủ yếu có hai loại hemicellulose:
Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan, lă một loại polymer có mạch chính gồm β-D- xylopyranose liín kết với nhau bằng liín kết β-D (1,4). Trong đó 70% câc nhóm OH ở vị trí C2 vă C3 bị acetyl hóa, 10% câc nhóm ở vị trí C2 liín kết với acid 4-O-methyl-D-glucuronic. Gỗ cứng cịn chứa glucomannan, polymer năy chứa
một tỉ lệ bằng nhau β-D-glucopyranose vă β-D-mannopyranose. [9]
Hình 2.5.Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan
Hình 2.6.Glucomannan
Loại thứ hai có mạch chính lăβ-D-galactopyranose, phđn nhânh. Loại hemicellulose năy tạo liín kết –O tại nhóm OH ở vị trí C6 với α-L-arabinose, β-D- galactose hoặc acid β-D-glucoronic. [9]
Gỗ mềm cũng bao gồm hai loại hemicellulose chính:
Loại quan trọng nhất lăgalactoglucomannan, đđy lă polymer cấu thănh từ
câc phđn tử D-mannopyranose liín kết với D-glucopyranose bằng liín kết β-(1,4) với tỉ lệ hai monomer tương ứng lă 3:1. Tuy nhiín, tỉ lệ năy thay đổi tùy theo loại gỗ[9].
Hình 2.7.Galactoglucomannan
monomer năy bị thế ở vị trí 2 bằng acid 4-O-methyl-glucuronic, ở vị trí 3 bằng α- L- arabinofuranose. [9]
Đối với cỏ, 20 – 40% hemicellulose lă arabinoxylan. Polysaccharide năy cấu tạo từ câc D-xylopyranose, OH ở C2 bị thế bởi acid 4-O-methylglucuronic. OH ở vị trí C3 sẽtạo mạch nhânh với α-L-arabinofuranose. [9]
Hình 2.8.Arabinoglucuronoxylan
Cấu tạo phức tạp của hemicellolose tạo nín nhiều tính chất hóa sinh vă lý sinh cho cđy.
2.1.4 Lignin
Lignin lă một polyphenol có cấu trúc mở. Trong tự nhiín, lignin chủ yếu đóng vai trị chất liín kết trong thănh tế băo thực vật, liín kết chặt chẽ với mạng cellulose vă hemicellulose. Rất khó để có thể tâch lignin ra hoăn toăn. Lignin lă polymer, được cấu thănh từ câc đơn vị phenylpropene, văi đơn vị cấu trúc điển hình được đề nghị lă:guaiacyl (G), chất gốc lă rượu trans-coniferyl; syringly (S), chất gốc lă rượu trans-sinapyl; p-hydroxylphenyl (H), chất gốc lă rượu trans-p-courmary
Hình 2.9. Câcđơn vị cơ bản của lignin
Cấu trúc của lignin đa dạng, tùy thuộc văo loại gỗ, tuổi của cđy hoặc cấu trúc của nó trong gỗ. Ngoăi việc được phđn loại theo lignin của gỗ cứng, gỗ mềm vă cỏ, lignin có thể được phđn thănh hai loại chính: guaicyl lignin vă guaicyl-syringly lignin.
Gỗ mềm chứa chủ yếu lă guaiacyl, gỗ cứng chứa chủ yếu syringyl. Nghiín cứu chỉ ra rằng guaiacyl lignin hạn chế sự trương nở của xơ sợi vă vì vậy loại ngun liệu đó sẽ khó bị tấn cơng bởi enzyme hơn syringyl lignin. [10]
Hình 2.10.Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với câc nhóm chức chính
Những nghiín cứu gần đđy chỉ ra rằng lignin hoăn toăn không đồng nhất trong cấu trúc. Lignin dường như bao gồm vùng vơ định hình vă câc vùng có cấu trúc hình thn hoặc hình cầu. Lignin trong tế băo thực vật bậc cao hơn khơng có vùng vơ định hình. Câc vịng phenyl trong lignin của gỗ mềm được sắp xếp trật tự trín mặt phẳng thănh tế băo. Ngoăi ra, cả cấu trúc hóa học vă cấu trúc không gian của lignin đều bị ảnh hưởng bởi mạng polysaccharide. Việc mơ hình hóa động học phđn tử cho thấy rằng nhóm hydroxyl vă nhóm methoxyl trong câc oligomer tiền lignin sẽ tương tâc với vi sợi cellulose cho dù bản chất của lignin lă kỵ nước.
Nhóm chức ảnh hưởng đến hoạt tính của lignin lă nhóm phenolic hydroxyl tự do, methoxy, benzylic hydroxyl, ether của benzylic với câc rượu thẳng vă nhóm carbonyl. Guaicyl lignin chứa nhiều nhóm phenolic hydroxyl hơn syringyl.
Lignin có liín kết hóa học với thănh phần hemicellulose vă ngay cả với cellulose (khơng nhiều) độ bền hóa học của những liín kết năy phụ thuộc văo bản
chất liín kết văcấu trúc hóa học của lignin vă những đơn vị đường tham gia liín kết [4]. Carbon alpha (Cα) trong cấu trúc phenyl propane lă nơi có khả năng tạo liín kết cao nhất với khối hemicellulose. Ngược lại, câc đường nằm ở mạch nhânh như arabinose, galactose, vă acid 4-O-methylglucuronic lă câc nhóm thường liín kết với lignin. Câc liín kết có thể lă ether, ester (liín kết với xylan qua acid 4-O-methyl-D- glucuronic), hay glycoxit (phản ứng giữa nhóm khử của hemicellulose vă nhóm OH phenolic của lignin).
Cấu trúc hóa học của lignin rất dễ bị thay đổi trong điều kiện nhiệt độ cao vă pH thấp như điều kiện trong quâ trình tiền xử lý bằng hơi nước. Ở nhiệt độ phản ứng cao hơn 200oC, lignin bị kết khối thănh những phần riíng biệt vă tâch ra khỏi cellulose. Những nghiín cứu trước đđy cho thấy đối với gỗ cứng, nhóm ether β-O-4 aryl bị phâ trong quâ trình nổ hơi. Đồng thời, đối với gỗ mềm, q trình nổ hơi lăm bất hoạt câc nhóm hoạt động của lignin ở vị trí α như nhóm hydroxyl hay ether, câc nhóm năy bị oxy hóa thănh carbonyl hoặc tạo cation benzylic, cation năy sẽ tiếp tục tạo liín kết C-C.[10]
2.1.5 Câc chất trích ly
Có rất nhiều chất thuộc nhóm thănh phần năy, chủ yếu lă câc chất dễ hòa tan. Theo định nghĩa khâi quât trong sâch “Kĩ thuật cellulose vă giấy” ở trang 64, câc chất trích ly lă những chất hoặc có khả năng hịa tan trong những dung mơi hữu cơ (như dietyl ether, methyl terbutyl ether, ether dầu hỏa, diclormethene, acetone, ethanol, methanol, hexan, toluen, terahydrofuran) hoặc trong nước. Chính vì thế phương phâp thơng dụng nhất để tâch nhóm chất năy trong việc phđn tích thănh phần sơ xợi lignocellulose lă dùng trích ly với dung mơi ethanol-benzene tỉ lệ 1:2. Những chất năy có thể có cả tính ưa dầu vă ưa nước vă không được xem lă thănh phần cấu trúc của gỗ. Chất nhựa lă những chất ưa dầu, có lẽ thường chiếm tỉ lệ ưu thế trong chất trích ly, nín thường chất trích ly hay được gọi lă nhựa (resin).
Câc chất trích ly thường có mău, mùi vă vị khâ đặc trưng. Chúng rất quan trọng để giữ lại những chức năng sinh học của cđy. Đa phần câc chất nhựa bảo vệ gỗ khỏi những tổn thương gđy ra bởi vi sinh vật hay côn trùng. Terpenoid, steroid,
chất bĩo, vă những phần tử phenolic như stilbene, lignan, tanmin vă flavonoid đều lă những chất trích ly. Câc phenolic có thuộc tính diệt nấm vă ảnh hưởng đến mău của gỗ. Chất bĩo vă sâp, trong nhiều hệ thống sinh học được tận dụng như lă nguồn năng lượng trong khi terpenoid vă steroid được biết đến lă nhựa dầu. Nhóm cuối cùng cũng có hoạt tính khâng vi sinh vật vă cơn trùng. Một số chất trích ly lă những dược phẩm quan trọng. Ví dụ, flavonoid được sử dụng như lă chất chống tâc nhđn oxy hóa vă chống virus. Một số cấu trúc chất trích ly được thể hiện ở những hình sau:
Hì nh 2.11.Một số ví dụ về chất trích ly (a) abietic acid (oleoresin);
(b) cathechin (flavonoid); (c) palmitic acid (acid bĩo)
2.1.6 Tro.
Trong câc loại gỗ của xứ ơn đới, câc ngun tố khâc so với carbon, hydro, oxy vă nito – chiếm khoảng 0,1-0,5% (so với lượng rắn khô trong gỗ). Với loại gỗ xứ nhiệt đới con số năy có thể lă 5%. Hăm lượng chất vô cơ được đo bằng hăm lượng tro của mẫu vă nó trong khoảng 0,3-1,5% cho hai loại gỗ mềm vă gỗ cứng. Hăm lượng năy phụ thuộc nhiều văo điều kiện mơi trường tăng trưởng của cđy vă văo vị trí trong cđy.
Tương tự chất trích ly, thănh phần vơ cơ của biomass thường thực hiện chức năng trong một văi con đường sinh học ở thực vật. Kim loại vết thường tồn tại ở dạng phức hợp như magnesium trong chlorophyll. Một số chất vô cơ từ muối kim loại tồn tại trong vâch tế băo thực vật. Calcium thường lă kim loại phong phú nhất, sau đó lă kali vă magnesium.
2.2 Q trình sản xuất ethanol từ rơm rạ.2.2.1 Tổng quât. 2.2.1 Tổng quât.
Hình 2.12.Sơ đồ quâ trình sản xuất ethanol từ rơm rạ
2.2.2 Tiền xử lý
Để chuyển hóa câc carbohydrate (cellulose vă hemicellulose) trong lignocellulose thănh ethanol, câc polymer phải bị bẻ gêy thănh những phđn tử đường nhỏ hơn trước khi vi sinh vật có thể hoăn tất q trình chuyển hóa. Tuy nhiín, bản chất của cellulose lại lă rất bền vững trước sự tấn cơng của enzyme, nín bước tiền xử lý lă bắt buộc để q trình đường hóa glucose có thể diễn ra tốt. Cellulose ban đầu có thể bị phâ hủy bởi acid mă khơng cần được tiền xử lý. Tuy nhiín, trong
Rơm rạ Tiền xử lý Thủy phđn Lín men Chưng cất Ethanol Thủy phđn vă lín men đồng thời
luận văn năy chỉ đề cập đến việc thủy phđn lignocellulose bằng enzyme.
Những yếu tố về cấu trúc vă thănh phần ảnh hưởng đến khả năng chống lại sự tấn cơng của enzyme của lignocellulose gồm có:
- Cấu trúc tinh thể của cellulose: cellulose tự nhiín hình thănh cấu trúc tinh thể chống lại được sự tấn công của enzyme. Trong một băi bâo của mình, Fan et al [9] ước tính rằng tỉ lệ cellulose tinh thể lă 50-90%. Tuy nhiín, khơng có sự liín quan giữa mức độ tinh thể của cellulose vă khả năng phđn hủy enzyme đối với rơm rạ vă bê mía.
Sự bao bọc của lignin quanh cellulose: lignin cùng với hemicellulose tạo thănh cấu trúc mơ vững chắc cực kì. Những mơ được bền hóa với lignin tương tự như nhựa được gia cố bằng sợi, trong đó lignin đóng vai trị kết dính những sợi cellulose.
Trong thiín nhiín, lignin bảo vệ cellulose khỏi những tâc động của mơi trường vă khí hậu. Lignin lă yếu tố ngăn cản sự tấn công của enzyme đến cellulose được công nhận nhiều nhất. Theo [9] có nhă nghiín cứu cho rằng khả năng thủy phđn của enzyme tăng khi 40-50% lignin bị tâch. Tuy nhiín, phải thừa nhận rằng, khơng có nghiín cứu năo tiến hănh loại bỏ lignin mă không kỉm theo sự phđn hủy hemicellulose. Ngay cả trong phương phâp tiền xử lý nguyín liệu bằng kiềm ở nhiệt độ thấp, loại bỏ được 70% lignin thì cũng có 5% hemicellulose bị hịa tan. Vì vậy, những thí nghiệm trín cũng khơng hoăn toăn cho thấy ảnh hưởng của việc loại bỏ lignin riíng lẻ.
- Bề mặt tiếp xúc tự do của cellulose: liín quan đến bề mặt tiếp xúc của cellulose với enzyme, vă thể tích xốp. Stone et al [9] giả thiết rằng tốc độ đầu của quâ trình thủyphđn lă hăm của bề mặt tiếp xúc tự do. Grethlein et al [9] cho rằng thể tích lỗ xốp chứ không phải độ kết tinh của cellulose mới ảnh hưởng đến tốc độ đầu.
Tuy nhiín, bề mặt tiếp xúc tự do năy có liín quan đến độ kết tinh vă sự bảo vệ của lignin.
Sự hiện diện của hemicellulose: cũng như lignin, hemicellulose tạo thănh lớp bảo vệ xung quanh cellulose. Knappert et al [9], trong nghiín cứu xử lý bằng acid
sulfuric với gỗ dương cho thấy khả năng thủy phđn tăng theo tỉ lệ hemicellulose bị loại bỏ. Grohman, thí nghiệm tiền xử lý rơm lúa mì bằng acid, kết quả cho thấy việc loại bỏ hemicellulose sẽ gia tăng đâng kể khả năng thủy phđn rơm rạ. Họ cho rằng, việc loại bỏ lignin lă không cần thiết, tuy rằng nếu đạt được thì rất tốt. Trong khi đó, hemicellulose được chứng minh lă ngăn cản q trình tấn cơng của enzyme văo rơm rạ [9]. Tuy nhiín, trong những thí nghiệm năy, lignin tuy khơng bị loại bỏ nhưng lại có thể bị đơng hoặc chảy ra một phần, lăm giảm khả năng bao bọc cellulose của nó. Vì thế những thí nghiệm trín chưa cho thấy được hiệu quả của việc loại bỏ riíng lẻ hemicellulose.
- Mức độ acetyl hóa của hemicelluloses: Đđy lă yếu tố ít được quan tđm, xylan, loại hemicellulose chính trong gỗ cứng vă cđy thđn cỏ bị acetyl hóa với tỉ lệ rất cao. Grohmann et al [9], nghiín cứu với rơm lúa mì vă cđy dương, cho thấy rằng khi xylan bị deacetyl hóa, tỉ lệ cellulose bị thủy phđn tăng lín 2-3 lần. Ảnh hưởng năy tồn tại đến khoảng 75% hemicellulose bị deacetyl hóa.
Nói tóm lại, q trình tiền xử lý nhằm: - Tăng vùng vơ định hình của cellulose
- Tăng kích thước lỗ xốp trong cấu trúc sợi biomass
- Phâ vỡ sự bao bọc của lignin vă hemicellulose đối với cellulose.