CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
3.1. Rơm rạ và đặc tính sinh khối của rơm rạ
Rơm là các thân cây khô của cây ngũ cốc, sau khi đã thu hoạch các hạt. Rơm có thể là phần trên của thân các loại cây lúa đã gặt và đập hết hạt, hoặc là các loại cỏ, cây họ đậu hay cây thân thảo khác đã đƣợc cắt, sấy khô (phơi nắng).
Cũng thường gọi chung là rơm rạ, tuy nhiên nên phân biệt rạ là gốc cây lúa còn lại sau khi gặt và cắt phần thân, và khác với cỏ khô.
Tùy vào nguồn gốc của cây lúa mà phân ra các loại rơm rạ khác nhau nhƣ:
+ Rơm lúa mì;
+ Rơm lúa mạch;
+ Rơm lúa nước.
Rơm lúa mì và lúa mạch chủ yếu đƣợc thu hoạch từ trồng cây lúa mì và lúa mạch ở các nước Trung Đông, Châu Âu, Trung Quốc….Còn ở một số nước Đông Nam Á nhƣ Thái Lan, Indonesia hay Việt Nam rơm rạ chủ yếu xuất phát từ cây lúa nước.
3.1.2. Đặc tính sinh khối của rơm rạ
Theo Viện Nghiên cứu lúa Quốc tế (IRRI), trong 1 tấn rơm chứa 5-8 kg đạm, 1,2kg lân, 20 kg kali, 40 kg silic và 400 kg carbon. Tại thời điểm thu hoạch, hàm lượng ẩm của rơm rạ thường cao tới 60%, tuy nhiên trong điều kiện thời tiết khô hanh rơm rạ có thể trở nên khô nhanh đạt đến trạng thái độ ẩm cân bằng vào khoảng 10- 12%. Rơm rạ, có hàm lƣợng tro cao (trên 22%) và lƣợng protein thấp. Các thành phần hydrate cacbon chính của rơm rạ gồm lienoxenluloza (37,4%), hemicellulose (bán xenluloza - 44,9%), lignin (4,9%) và hàm lƣợng tro silica (silic dioxyt) cao (9-14%), chính điều này gây cản trở việc sử dụng loại phế thải này một cách kinh tế. Thành phần Lienoxenluloza trong rơm rạ khó hủy về mặt sinh học, vì vậy để xử lý đòi hỏi phải có bước tiền xử lý. Có thể tiến hành tiền xử lý rơm rạ bằng các phương pháp cơ học như xay, nghiền để làm giảm kích thước, hoặc xử lý nhiệt hoặc bằng hóa chất như sử dụng các axit hay bazơ thường có thể cải thiện được khả năng phân hủy.
Về cơ bản rơm rạ là một dạng vật liệu Lignocellulose là vật liệu biomass phổ biến nhất trên Trái Đất. Lignocellulose có trong phế phẩm nông nghiệp, chủ yếu ở dạng phế phẩm nông nghiệp, chủ yếu ở dạng phế phẩm của các vụ mùa; trong sản phẩm phụ của công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy; có trong rác thải rắn của thành phố….Với thành phần chính là cellulose, lignocelluloses là một nguồn nguyên liệu to lớn cho việc sản xuất bioethanol. Thành phần vật liệu lignocellulose là cellulose, hemicelluloses, lignin, các chất trích ly và tro.
Bảng 3-1. Thành phần của vài loại Lignocellulose Nguồn % Cellulose Hemicellulose
Lignin Chất trích ly Xylance Mannan Galactan Arabianan
Gỗ vân
sam 41,9 6,1 14,3 - 1,2 27,1 9,6
Gỗ thông 37,7 4,6 7,0 - - 27,5 10,8
11 Gỗ cây
bulô 38,2 18,5 1,2 - - 22,8 4,8
Gỗ dương 49,9 17,4 4,7 1,2 1,8 18,1 -
Phế phẩm
cây bắp 36,4 18,0 0,6 1,0 3,0 16,6 7,3
Rơm lúa
mì 38,2 21,2 0,3 2,5 23,4 13,0 -
Rơm lúa
nước (*) 34 – 38 32 – 40 12,0 -
(Nguồn: Hetti Palomen, 2004) (*): Hồ Sỹ Tráng, 2012 Về cơ bản, trong lignocelluloses, cellulose tạo thành khung chính và đƣợc bao bọc bởi những chất có chức năng tạo mạng lưới như hemicelluloses và kết dính như lignin. Cellulose, hemicelluloses và lignin sắp xếp gần nhau và liên kết cộng hóa trị với nhau. Các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose, galactose, acid 4-O- methylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin (Hetti Palomen, 2004).
Các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản. Các sợi này đƣợc gắn lại với nhau nhờ hemicelluloses tạo thành cấu trúc vi sợi, với chiều rộng khoảng 25nm. Các vi sợi này đƣợc bao bọc bởi hemicelluloses và lignin, giúp bảo vệ cellulose khỏi sự tấn công của enzyme cũng nhƣ các hóa chất trong quá trình thủy phân (Charles E.Wyman, 1996).
a. Cellulose
Cellulose là một polymer mạch thẳng của D-Glucose, các D-Glucose đƣợc liên kết với nhau bằng liên kết 1-4 glucosid. Cellulose là loại polymer phổ biến nhất trên trái đất, độ trùng hợp đạt đƣợc 3.500 – 10.000 DP. 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 rƣợu. Các mạch cellulose đƣợc liên kết với nhau nhờ liên kết hydro và liên kết Van Der Waals, hình thành hai vùng cấu trúc chính là kết tinh và vô định hình. Vùng kết tinh, các phân tử Cellulose liên kết chặt chẽ với nhau, vùng này khó bị tấn công bởi enzyme cũng nhƣ hóa chất. Ngƣợc lại trong vùng vô định hình, cellulose liên kết không chặt với nhau nên dễ bị tấn công (Charles E.Wyman, 1996). Có hai kiểu cấu trúc của Cellulose đã đƣợc đƣa ra nhằm mô tả vùng kết tinh và vô định (Hetti Palomen, 2004).
1/ Kiểu Fringed Fibrillar: Phân tử cellulose được kéo thẳng và định hướng theo chiều sợi. Vùng tinh thể có chiều dài 500 A và xếp xen kẽ với vùng vô định hình.
2/ Kiểu Folding chain: Phân tử cellulose gấp khú theo chiều sợi. Mỗi đơn vị lặp lại có độ trùng hợp khoảng 1000, giới hạn bởi hai điểm a và b nhƣ trên hình vẽ. Các đơn vị đó đƣợc sắp xếp thành chuỗi nhờ vào các mạch glucose nhỏ, các vị trí này rất dễ bị thủy phân. Đối với các đơn vị lặp lại, hai đầu là vùng vô định hình, càng vào giữa, tính chất kết tinh cao. Trong vùng vô định hình, các liên kết - Glucosid giữa các monomer bị thay đổi góc liên kết, ngay tại cuối các đoạn gấp, 3 phân tử monomer sắp xếp tạo sự thay đổi 1800 cho toàn mạch.
Vùng vô định hình sẽ dễ bị tấn công bởi các tác nhân thủy phân hơn vùng tinh
12
thể vì sự thay đổi góc liên kết của các liên kết cộng hóa trị ( – Glucosid) sẽ làm giảm độ bền nhiệt động của liên kết, đồng thời vị trí này không tạo đƣợc liên kết hydro.
Cellulose đƣợc bao bọc bởi hemicelluloses và lignin, điều này làm cho cellulose khá bền vững với tác động của enzyme cũng nhƣ hóa chất.
b. Hemicellulose
Hemicelluloses là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng 70 đến 200 DP. Hemicellulose chứa cả đường 6 gồm glucose, manmose và galactose và đường 5 gồm xylose và arabinose. Thành phần cơ bản của hemicelluloses là - D xylopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết - (1,4).
Cấu tạo của hemicelluloses khá phức tạp và đa dạng tùy vào nguyên liệu, tuy nhiên có một vài điểm chung gồm:
Mạch chính của hemicelluloses đƣợc cấu tạo từ liên kết -(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 từ các nhóm đơn giản, thông thường là disaccharide hoặc trisaccharide. Sự liên kết của hemicelluloses với các polysaccharide khác và với lignin là nhờ các mạch nhánh này.
Cũng vì hemicelluloses có mạch nhánh nên tồn tại dạng vô định hình và vì thế dễ bị thủy phân.
Các cấu tạo phức tạp của hemicellulose tạo nên nhiều tính chất hóa sinh và lý sinh cho cây.
c. Lignin
Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở. Trong tự nhiên, lignin chủ yếu đóng vai trò liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose và hemicelluloses. Rất khó để có thể tách lignin ra hoàn toàn.
Lignin là polymer, đƣợc cấu thành từ các đơn vị phenylpropene, vài đơn vị cấu trúc điển hình đƣợc đề nghị là: guaiacyl (G), chất gốc là rƣợu trans- coniferyl; syringly (S), chất gốc là rƣợu trans-sinapyl; p-hydroxylphenyl (H), chất gốc là rƣợu trans-p-courmary.
Cấu trúc của lignin đa dạng, tùy thuộc vào loại gỗ, tuổi của cây hoặc cấu trúc của nó trong gỗ. Ngoài việc đƣợc phân loại theo lignin của gỗ cứng, gỗ mềm và cỏ, lignin có thể đƣợc phân thành hai loại chính: guaicyl lignin và guaicyl-syringly lignin.
Gỗ mềm chứa chủ yếu là guaiacyl, gỗ cứng chứa chủ yếu syringyl. 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 syringyl lignin (Hetti Palomen, 2004).
Những nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng lignin hoàn toàn không đồng nhất trong cấu trúc. Lignin dường như bao gồm vùng vô định hình và các vùng có cấu trúc 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 đƣợc sắp xếp trật tự trên mặt phẳng thành tế bào. Ngoài ra, cả 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
13
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, ether của benzylic với các rƣợu thẳng và nhóm carbonyl. Guaicyl lignin chứa nhiều nhóm phenolic hydroxyl hơn syringyl.
Lignin có liên kết hóa học với thành phần hemicelluloses và ngay cả với cellulose (không nhiều) độ bền hóa học của những liên kết này phụ thuộc vào bản chất liên kết và cấu trúc hóa học của những liên 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. Carbon Alpha (C ) trong cấu trúc phenyl propane là nơi có khả năng tạo liên kết cao nhất với khối hemicelluloses. Ngược lại, các đường nằm ở mạch nhánh nhƣ 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 glycoxit (phản ứng giữa nhóm khử của hemicelluloses và nhóm OH phenolic của lignin).
Cấu trúc hóa học của lignin rất dễ bị thay đổi trong điều kiện nhiệt độ và pH thấp như điều kiện trong quá trình tiền xử lý bằng hơi nước. Ở nhiệt độ phản ứng cao hơn 2000C, 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 -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 nhƣ 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 (Hetti Palomen, 2004).
d. Các chất trích ly
Có rất nhiều chất thuộc nhóm thành phần này, chủ yếu là các chất dễ hòa tan. Theo định nghĩa khái quát trong sách “Kĩ thuật cellulose và giấy” ở trang 64, các chất trích ly là những chất hoặc có khả năng hòa tan trong những dung môi hữu cơ (nhƣ dietyl ether, methyl terbutyl ether, ether dầu hòa, diclormethene, acetone, ethanol, methanol, hexan, toluene, terahydrofuran) hoặc trong nước. Chính vì thế phương pháp thông dụng nhất để tách nhóm chất này trong việc phân tích thành phần sơ xợi lignocelluloses là dùng trích ly với dung môi ethanol-benzene tỉ lệ 1:2. Những chất này có thể có cả tính ƣa dầu và ưa nước và không được xem là thành phần cấu trúc của gỗ. Chất nhựa là những chất ưa dầu, có lẽ thường chiếm tỷ lệ ưu thế trong chất trích ly, nên thường chất trích ly hay đƣợc gọi là nhựa (resin).
Các chất trích ly thường có màu, mùi và vị khá đặc trưng. Chúng rất quan trọng để giữ lại những chức năng sinh học của cây. Đa phần các chất nhựa bảo vệ gỗ khỏi những tổn thương gây ra bởi vi sinh vật hay côn trùng. Terpenoid, steroid, chất béo, và những phần từ phenolic nhƣ stilbene, lignin, tanmin và flavonoid đều là những chất trích ly. Các phenolic có thuộc tính diệt nấm và ảnh hưởng đến màu gỗ. Chất béo và sáp, trong nhiều hệ thống sinh học được tận dụng nhƣ là nguồn năng lƣợng trong khi terpenoid và steroid đƣợc biết đến là nhựa dầu. Nhóm cuối cùng cũng có hoạt tính kháng vi sinh vật và côn trùng.
Một số chất trích ly là những dƣợc phẩm quan trọng. Ví dụ, flavonoid đƣợc sử dụng nhƣ là chất chống tác nhân oxy hóa và chống virus.
e. Tro
14
Trong các loại gỗ của xứ ôn đới, các nguyên tố khác so với cacbon, hydro, oxy và nito – chiếm khoảng 0,1-0,5% (so với lƣợng rắn khô trong gỗ). Với loại gỗ xứ nhiệt đới con số này có thể là 5%. Hàm lƣợng chất vô cơ đƣợc đo bằng hàm lƣợng tro của mẫu và nó trong khoảng 0,3-1,5% cho loại gỗ mềm và gỗ cứng. Hàm lượng này phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường tăng trưởng của cây và vào vị trí trong cây.
Tương tự chất trích ly, thành phần vô cơ của biomass thường thực hiện chức năng trong một vài con đường sinh học ở thực vật. Kim loại vết thường tồn tại ở dạng phức hợp nhƣ magnesium trong chlorophyll. Một số chất vô cơ từ muối kim loại tồn tại trong vách tế bào thực vật. Calcium thường là kim loại phong phú nhất, sau đó là kali và magnesium.