Phân lập tuyển chọn và nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sinh tổng hợp xenlulaza của một số chủng vi sinh vật nhằm ứng dụng xử lý phế thải ligno xenluloza 1

I.Mở đầu
Cuộc sống ngày càng phát triển theo hớng tiến bộ với
những thành tựu về mặt khoa học kỹ thuật, cũng nh
những lợi ích to lớn về kinh tế xà hội. Nhng bên cạnh những
gì mà con ngời đợc hởng thụ thì chúng ta cũng đang đối
diện với một vấn đề hết sức nghiêm trọng. Đó chính là sự ô
nhiễm môi trờng do các thành tựu mà chúng ta đà sáng tạo
ra. Ô nhiễm môi trờng đà kéo theo sự mất cân bằng sinh
thái cũng nh phá huỷ môi trờng tự nhiên, đe doạ sức khoẻ
con ngời cũng nh các loại động thực vật khác.
Bên cạnh các nguyên nhân gây « nhiƠm m«i trêng nh
ch¸y rõng, khai th¸c rõng bõa bÃi, chảy dầu, các nhà máy
điện hạt nhân, dò rỉ phóng xạ. ... thì một nguyên nhân
hết sức to lớn trong việc gây ô nhiễm môi trờng chính là
rác thải mà trong đó rác thải hữu cơ chiếm thành phần
chủ yếu. Rác thải hữu cơ có khả năng phân huỷ, chuyển
hoá thành các dạng khác nhau. Sau một thời gian chuyển
đổi, các chất hữu cơ từ các vùng sản xuất nông nghiệp tại
các vùng nông thôn lại quay về làm ô nhiễm không chỉ
thành phố mà còn làm ô nhiễm các vùng nông thôn lân cận
thành phố. Chính vì nó có khả năng phát tán nhanh chóng,
gây ô nhiễm trong diện rộng nên nếu không đợc thu gom
và xử lý triệt để thì rác thải hữu cơ sẽ gây hậu quả rất
nghiêm trọng. Trong lợng rác thải hữu cơ thu gom đợc, các
chất ligno-xenluloza lại chiếm một lợng hết sức lớn. Đối với
động vật và con ngời, các chất ligno-xenluloza nµy thêng
1


không có mấy giá trị dinh dỡng. Trong các phế phẩm nông
nghiệp, phần không đợc sử dụng chiếm đến 50% tổng

sinh khối. Khối lợng này đợc thu gom và thải vào thiên nhiên,
vừa gây lÃng phí lại vừa gây ô nhiễm môi trờng. Tuy nhiên,
để có thể giải quyết đợc vấn đề ô nhiễm do rác hữu cơ
gây nên, chúng ta vấp phải một vấn đề phức tạp là làm
cách nào để có thể tăng khả năng thu gom và xử lý rác
thải nhanh chóng nhằm đẩy nhanh vòng tuần hoàn của rác,
không để tồn đọng và gây ô nhiễm môi trờng trong khi lợng rác thải của chúng ta ngày càng tăng lên mà các cơ sở
xử lý lại có hạn.
Hiện nay có rất nhiều phơng pháp xử lý rác nh phơng
pháp đốt, phơng pháp chôn lấp thành những bÃi chứa....
Tuy nhiên, các phơng pháp này đều không mang lại những
hiệu quả cao do lÃng phí diện tích chôn lấp, thời gian xử lý
dài gây ô nhiễm thứ cấp.... Trong khi đó, phơng pháp xử lý
rác bằng công nghệ vi sinh vật tỏ ra có nhiều u điểm nhất
cả về hiệu quả kinh tế lẫn kỹ thuật, tạo ra sản phẩm phân
bón hữu cơ dùng cho sản xuất nông nghiệp. Mặc dù vậy,
việc phân huỷ rác dựa trên các vi sinh vật tự nhiên có sẵn
trong đống rác ủ còn gặp nhiều hạn chế nh thời gian phân
huỷ quá lâu, quá trình phân huỷ cha triệt để.... Do đó,
chúng ta cần tuyển chọn những chủng vi sinh vật thích hợp
bổ sung vào bên cạnh những vi sinh vật có sẵn để có thể
giúp cho quá trình xử lý đạt kết quả tốt hơn.
Với mong muốn có thể tham gia vào quá trình phân
lập và tuyển chọn các chủng vi sinh vật có khả năng phân
2


huỷ rác thải cao phù hợp với điều kiện Việt Nam dù bằng
phần đóng góp hết sức nhỏ bé của mình, tôi đà thực hiện
đề tài Phân lập, tuyển chọn và nghiên cứu các yếu

tố ảnh hởng đến khả năng sinh tỉng hỵp xenlulaza
cđa mét sè chđng vi sinh vËt nhằm ứng dụng xử lý
phế thải ligno-xenluloza

II. Tổng quan
2.1. Sơ lợc tình hình và thành phần của rác thải
sinh hoạt ở Việt Nam
2.1.1. Sơ lợc tình hình rác thải ở Việt Nam
Rác thải từ sinh hoạt của con ngời, rác thải nông nghiệp
và rác thải công nghiệp chiếm thành phần chủ yếu trong
khối lợng rác thải thu gom đợc trên thế giới . ở Việt Nam, tuy
sản lợng công nghiệp ít và các đô thị cha phải là lớn cho
nên rác thải công nghiệp cũng nh rác thải sinh hoạt ở những
nơi tập trung dân c còn ít so với các nớc phát triển, nhng do
sự quản lý về môi trờng còn nhiều thiếu sót, ý thức giữ
gìn môi trờng của mỗi ngời dân cha cao nên vấn đề môi
3


trờng nói chung và vấn đề rác thải nói riêng là vấn đề hết
sức nan giải ở Việt Nam, đặc biệt ở các thành phố lớn.
Hàng ngày, các thành phố lớn ở Việt Nam thải ra khoảng
9100 m3 rác nhng chỉ thu gom đợc khoảng 40 50%.
Chỉ tính ba thành phố lớn ở Việt Nam, lợng rác thải
hàng ngày thu gom đợc là rất lớn. Mỗi ngày Hải Phòng thải
ra 270 tấn rác, Hà Nội khoảng 1000 tấn, Thành phố Hồ Chí
Minh khoảng 4000 tấn. Đó chỉ là số liệu trên giấy tờ mà các
công ty vệ sinh đô thị thu gom đợc. Còn số lợng rác thực tế
mà ngời dân thải bỏ thì lớn gấp nhiều lần nh thế. [15,16]
Quá trình đô thị hoá nhanh chóng trong khi hệ

thống cơ sở hạ tầng cha phát triển tơng ứng sẽ làm tăng
thêm các khó khăn hiện nay về tình hình ô nhiễm môi trờng. Cùng với quá trình đô thị hoá thì mức sống của ngời
dân cũng đợc nâng lên và kéo theo đó là lợng rác thải
ngày càng lớn.Lợng rác trung bình ở thành phố Hồ Chí Minh
tăng khoảng 20% hằng năm trong khi lợng rác ở các thành
phố lớn trên thế giới chỉ tăng trung bình dới 7%.Tuy nhiên lợng rác xử lý vẫn cha đợc bao nhiêu so với các nớc trên thế
giới. Mặc dù nớc ta đà quan tâm đến vấn đề này song còn
nhiều hạn chế.
Rác thải công nghiệp là những thành phần không thể
tham gia vào quá trình tạo nên sản phẩm hoặc bán thành
phẩm phải loại bỏ khỏi các dây chuyền sản xuất.
Rác thải sinh hoạt là những thành phần đợc loại bỏ từ
các gia đình khu công cộng hay các chợ, siêu thị...
4


Trong tất cả các loại rác kể trên thì rác thải sinh hoạt là
loại chất thải phức tạp hơn cả. Trớc hết thành phần của rác
thải sinh hoạt hết sức đa dạng, trong thành phần của chúng
các hợp chất hữu cơ mà trớc hết là xenluloza và lignin
chiếm tỷ lệ cao nhất, thông thờng là 40 50%, có nhiều trờng hợp chiếm đến 70 80%.... Bên cạnh đó do ý thức của
đại bộ phận dân chúng còn yếu, sự quản lý và các biện
pháp xử lý vẫn cha đạt đợc hiệu quả nh mong muốn, đòi
hỏi phải phù hợp với mức sống và tập tục của cộng đồng.
Ngoài ra mong muốn tận dụng rác thải sinh hoạt để tạo ra
các sản phẩm có ích cho xà hội cũng lµ mét u tè quan
träng khiÕn cho viƯc xư lý rác thải sinh hoạt còn gặp nhiều
vấn đề nan giải [2, 12, 14].
Là một nớc nông nghiệp nằm trong vùng khí hậu nhiệt
đới nên rác thải sinh hoạt của Việt Nam có những đặc

điểm riêng về thành phần và tính chất. Độ ẩm trong rác
thay đổi theo mùa trong năm - độ ẩm trung bình vào mùa
khô từ 40 45% và vào mùa ma từ 50 80%, lợng rác mỗi
ngày tăng lên một cách nhanh chóng.
Do đó việc nghiên cứu, tuyển chọn ra những chủng vi
sinh vật có những khả năng phân giải xenluloza mạnh, có
thể áp dụng vào công nghệ xử lý rác bằng vi sinh vật ở Việt
Nam là rất cần thiết và cần đợc quan tâm hơn.

2.1.2. Thành phần của các rác thải sinh hoạt ë ViÖt
Nam
5


Khác với rác thải công nghiệp, rác thải sinh hoạt là một
tập hợp không đồng nhất. Sự không đồng nhất thể hiện
ngay ở sự đầu vào của nguyên liệu ban đầu dùng cho sinh
hoạt và thơng mại. Sự không đồng nhất này tạo ra một số
đặc tính rất khác biệt trong thành phần của rác thải sinh
hoạt.
2.1.2.1.

Thành phần cơ học

Đặc điểm rõ thấy nhất ở rác đô thị của Việt Nam là
thành phần các chất hữu cơ có trong đó. Số lợng này thờng
chiếm rất cao, khoảng 55 65%. Trong thành phần rác thải
đô thị, các cấu tử phi hữu cơ (kim loại, rác xây dựng...)
chỉ chiếm khoảng 11 15%, phần còn lại là các cấu tử
khác.[5]

Bảng 1: Thành phần rác sinh hoạt ở Hải Phòng,
Hà Nội, TP Hồ Chí Minh
Thành phần rác

Hải Phòng

Hà Nội

TP Hồ Chí Minh

50,70

50,72

62,64

Giấy

2,28

2,72

0,59

Vải vụn, củi gỗ

2,27

6,27

4,25

Nhựa, cao su, da

2,02

0,71

0,46

Vỏ ốc, xơng

3,68

1,06

0,50

Thuỷ tinh

0,72

0,31

0,20

(%)
Lá cây, vỏ
hoaquả, xác
thực vật

6


Rác xây dựng

8,45

7,43

16,04

Kim loại

0,14

1,02

0,27

Tạp chất khó
phân giải

23,9

30,21

15,27

Chúng ta nhận thấy rằng thành phần rác thải hữu cơ

chiếm một tỷ lệ lớn trong rác thải sinh hoạt của Việt Nam.
So với các nớc phát triển trên thế giới thì tỷ lệ rác hữu cơ
của nớc ta khá cao.[5]
Bảng 2. Thành phần rác sinh hoạt của một số nớc
phát triển trên thế giới (1990)
Thành phần

Nhật

Pháp

Mỹ

Giấy

12,1

30,0

30-40

Thực phẩm

8,1

34,0

9,4

Vải

5,1

2,0

2,0

Gỗ, cỏ

1,9

4,0

0,5

Chất dẻo

19,8

4,0

7,0

Cao su

1,4

10,0

0,5

Kim loại

20,0

7,0

6,5

Thuỷ tinh

22,7

13,0

7,9

Những thứ

3,2

13,0

3,2

(%)

khác

2.1.2.2. Thành phần hoá học

7


Trong các cấu tử hữu cơ của rác sinh hoạt, thành phần
hoá học của chúng chủ yếu là: C, H, O, N, S và các chất tro.
[14] Thành phần này rất quan trọng trong việc nghiên cứu
xử lý, tái sinh chúng cũng nh trong việc đánh giá các tác
động đến môi trờng nếu không đợc xử lý.[5]
Ta nhận thấy rằng tuỳ thuộc vào các chất khác nhau mà
thành phần các cấu tử hữu cơ có trong các chất dao động
thay đổi trong khoảng rộng. Kết quả này đợc minh hoạ qua
bảng 3 dới đây.

Bảng 3: Thành phần hoá học của các cấu tử hữu
cơ trong
rác thải sinh hoạt.
Thành phần
Các chất

(%)
C

H

O

N

S

Tro

Thực phẩm

48,0

6,4

37,6

2,6

0,4

5,0

Giấy

43,5

6,0

44,0

0,3

0.2

6,0

Caton

44,0

5,9

44,6

0,3

0,2

5,0

Vải

55,0

6,6

31,2

1,6

0,15

-

Cao su

78,0

10,0

-

2,0

-

10,0

Nhìn qua bảng số liệu chúng ta nhận thấy rằng thành
phần của rác thải hữu cơ hết sức phức tạp. Nếu rác thải đô
8


thị phân huỷ tự do trong môi trờng tự nhiên thì môi trờng,
môi sinh và đặc biệt là các nguồn nớc sẽ bị ô nhiễm một
cách ghê gớm. Có rất nhiều biện pháp để xử lý lợng rác
khổng lồ đợc tạo ra mỗi ngày ví dụ nh thiêu đốt, chôn lấp...
nhng bằng cách này hay cách khác, chính những phơng
pháp xử lý này lại có thể gây ra ô nhiễm cho môi trờng
trong tơng lai. Chính vì vậy, phơng pháp xử lý rác bằng vi
sinh vật là sự lựa chọn tối u nhất. Nếu chúng ta kiểm soát
đợc quá trình xử lý rác thải đô thị tạo ra nguồn phân hữu
cơ thì đây chính là nguồn dinh dỡng lớn, vừa tạo ra đợc sự
cân bằng về sinh thái, lại vừa tránh đợc nguy cơ gây ô
nhiễm môi trờng.

2.2. Các phơng pháp xử lý rác bằng vi sinh vật
2.2.1. Bản chất của phơng pháp
Bản chất của quá trình xử lý rác nhờ vi sinh vật chính
là quá trình phân huỷ rác của các vi sinh vật có sẵn trong
rác cũng nh các vi sinh vật đợc bổ sung vào. Nhờ có các vi
sinh vật này mà rác đợc phân huỷ thành các thành phần
nhỏ hơn, tạo ra sinh khối các sản phẩm trao đổi chất của vi
sinh vật và các loại khí nh CO2, CH4...[4]
Các quá trình chuyển hoá này có thể xảy ra trong
điều kiện yếm khí hoặc hiếu khí.

9


- Quá trình ủ hiếu khí là quá trình phân giải các chất
hữu cơ nhờ sự có mặt của oxy tạo ra sản phẩm cuối cùng là
CO2, NH3, nớc, nhiệt và sinh khối vi sinh vật.
- Quá trình ủ yếm khí là quá trình phân giải các chất
hữu cơ vi sinh vật nhng không có oxy sản phẩm cuối cùng là
CH4, CO2, NH3 một lợng nhỏ các loại khí khác, axit hữu cơ và
sinh khối vi sinh vật.
Trong quá trình ủ rác sẽ diễn ra một loạt các quá trình
chuyển hoá khác nhau. Các quá trình này có thể theo
những hớng có lợi, cũng nh hớng không có lợi. Do đó phải làm
sao kiểm soát đợc quá trình xử lý, hạn chế những mặt có
hại cho quá trình xử lý, phát huy tối đa những mặt tích
cực với mục tiêu đặt ra là:
- Làm ổn định thành phần rác thải sau quá trình xử lý:
Chất thải hữu cơ khi đợc đa vào môi trờng sẽ còn đợc
chuyển hoá liên tục, vì thế nó cha ổn định. Quá trình lên

men sẽ ổn định chúng bằng phản ứng sinh hoá. Sản phẩm
cuối cùng của quá trình này sẽ đợc ổn định khi chúng ta sử
dụng chúng.
- Tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh:
Trong rác thải thờng chứa nhiều vi sinh vật gây bệnh.
Trong quá trình ủ rác thì các vi sinh vật này sẽ bị tiêu diệt
ở các nhiệt độ khác nhau.[6]
E.coli hÇu hÕt chÕt ë 55oC trong 1 giê, 60oC trong 15-20
phót
Shigella sp. chÕt ë 55oC trong 1 giê
1
0


Các vi sinh vật gây bệnh thờng bị tiêu diệt ở trong
khoảng nhiệt độ từ 45-60oC trong khoảng thời gian ngắn
- Cải tạo chất lợng dinh dỡng của rác thải:
Nhờ có các vi sinh vật mà các chất dinh dỡng thờng tồn
tại ở dạng hữu cơ đà đợc chuyển hoá thành các chất vô cơ
và rất thích hợp cho cây trồng. Sau khi lên men, các chất
dinh dỡng này đợc chuyển hoá thành NO3 hay P2O5 là những
chất có tác dụng làm tăng dinh dỡng của đất có lợi cho cây
trồng. Cây trồng không thể sử dụng nitơ ở dạng hữu cơ mà
chỉ có thể sử dụng ở dạng vô cơ.[5]
Tuy nhiên việc ủ rác cũng có nhiều hạn chế . Do các vi
sinh vật cần có rất nhiều thời gian để phân huỷ đống ủ
cho nên việc ủ rác thờng kéo dài, kéo theo một loạt những
vấn đề về kinh tế xà hội. Ngoài ra các đống ủ nếu không
đợc kiểm soát kỹ thì chính chúng sẽ trở thành nguồn gây
ô nhiễm ra môi trờng xung quanh.

2.2.2. Các phơng pháp xử lý rác bằng công nghệ vi
sinh vật
Có rất nhiều phơng pháp khác nhau để xử lý rác thải
sinh hoạt có chứa xenluloza và các chất hữu cơ khác. Ngời
ta thờng tóm tắt chúng vào các nhóm sau:
- Phơng pháp sản xuất khí sinh học từ rác (Biogas)
- Phơng pháp chôn lấp rác (landfill)
- Phơng pháp ủ rác (composting)

1
1


Tuỳ theo điều kiện kinh tế, xà hội và thành phần tính
chất của rác mà ngời ta áp dụng phơng pháp này hay phơng pháp kia cho phù hợp để có thể tận dụng hết các u
điểm của từng phơng pháp [6,10,11].
2.2.2.1. Phơng pháp sản xuất khí sinh học
(Biogas)
Cơ sở của phơng pháp này là nhờ sự hoạt động của
các vi sinh vật mà các hợp chất khó tan (xenluloza, lignin,
hemixenluloza, tinh bột và các hợp chất phân tử khác) đợc
chuyển hoá thành các chất dễ tan. Sau đó lại đợc chuyển
hoá thành các chất khí trong đó chủ yếu là metan (chiếm
tuyệt đại đa số >64%).
Ưu điểm của phơng pháp này là ta có thể thu đợc một
loạt khí có thể cháy đợc và cho nhiệt lợng cao, không gây ô
nhiễm môi trờng, sử dụng cho nhiều mục đích. Chất thải
sau lên men đợc chuyển hoá thành phân hữu cơ có chất lợng dinh dỡng cao. Tuy nhiên phơng pháp này có một số nhợc
điểm:
- Khó lấy các chất thải sau lên men.

- Là quá trình kỵ khí bắt buộc vì vậy việc thiết kế bể
ủ rất phức tạp, tốn kém và đòi hỏi vốn đầu t lớn.
2.2.2.2. Phơng pháp chôn lấp (landfill) _ phơng
pháp ủ rác yếm khí
Chôn lấp là phơng pháp xử lý lâu đời, ở nhiều nơi ngời ta đào một hố sâu để đổ rác xuống và lấp lại. Đây
cũng chính là u điểm của phơng pháp này, rất dễ thực
1
2


hiện. Sau một thời gian khoảng 2-3 năm rác đợc lên men và
chuyển hoá thành mùn. Nh vậy phơng pháp này ít tốn kinh
phí, dễ thực hiện nhng vẫn còn có rất nhiều khiếm
khuyết. Đó chính là:
- Đòi hỏi thời gian rất dài để phân huỷ
- Đòi hỏi nhiều diện tích đất, tốn diện tích bề mặt
- Làm giảm thể tích rác ít
- Các chất hữu cơ trong rác khi phân huỷ sẽ tạo ra các
khí độc hại nh H2S, CH4... Ngoài ra lợng nớc rác rỉ ra khó có
thể kiểm soát gây ô nhiễm cho các nguồn nớc xung quanh
đặc biệt là các nguồn nớc ngầm.
- Chịu ảnh hởng của thời tiết.
2.2.2.3. Phơng pháp ủ rác hiếu khí (aerobic
composting).
Các phơng pháp ủ rác hiếu khí rất phong phú, đợc
phân chia thành các nhiều phơng pháp khác nhau:
- Phơng pháp ủ rác thành đống lên men tự nhiên có đảo
trộn (Windrow composting): Phơng pháp này là một phơng
pháp cổ điển tuy rất dễ thực hiện nhng ngợc lại rất mất vệ
sinh, gây ô nhiễm mạnh nguồn nớc, không khí.

- Phơng pháp ủ thành đống không đảo trộn có thổi
khí (Aerated static pile composting): phơng pháp này có u
điểm là tiến hành nhanh hơn, nhiệt độ của đống rác đợc
ổn định và phù hợp với sự phát triển của vi sinh vËt.

1
3


- Phơng pháp lên men trong các thiết bị (Vessel
Composting Unit): phơng pháp này có quá trình lên men
nhanh hơn và dễ kiểm soát hơn nhờ các vi sinh vật đợc
chọn lọc kỹ khi đa vào lên men, bổ sung cho các vi sinh vật
tự nhiên có trong rác thải. Ngoài ra phơng pháp này còn
giúp chúng ta kiểm soát chặt chẽ lợng khí và lợng nớc thải
trong quá trình lên men.
- Các hệ thống xử lý rác công nghiệp (Commercial
composting systems): phơng pháp này có tính tự động hoá
cao, phân huỷ rác tốt nhng bù lại để có thể vận hành dây
chuyền xử lý thì lại rất tốn kém.
Các phơng pháp xử lý hiếu khí dễ kiểm soát, đem lại
hiệu quả xử lý và bảo vệ môi trờng khá cao. Tuy nhiên phơng pháp này đòi hỏi phải có vốn đầu t lớn cùng với các
thiết bị máy móc hiện đại.
Trong các phơng pháp xử lý rác bằng công nghệ vi sinh
vật kể trên, phơng pháp ủ hiếu khí có u điểm hơn phơng
pháp ủ yếm khí vì có thể rút ngắn quá trình phân hủy
rác, dễ cơ giới và tự động hoá. Đây là phơng pháp có khả
năng ¸p dơng tèt trong ®iỊu kiƯn kinh tÕ, x· héi của Việt
Nam hiện nay và cũng phù hợp với trào lu công nghệ trên thế
giới.

2.3. Sự phân bố và cấu trúc của xenluloza trong
tự nhiên
2.3.1. Sự phân bố của xenluloza trong tù nhiªn

1
4


Sinh khối thực vật của trái đất ớc tính khoảng 1,8.1012
tấn. Trong đó xenluloza chiếm khoảng 4.1010 tấn. Sản lợng
xenluloza đợc tổng hợp hàng năm trong tự nhiên lớn hơn bất
kỳ chất hữu cơ nào khác.
Dới dạng phế thải, xenluloza có trong các phế liệu nông
nghiệp chăn nuôi, công nghiệp, đồ hộp, công nghiệp chế
biến gỗ, trong chất thải sinh hoạt từ nhà bếp, đờng phố ...
Sự phân bố đa dạng với khối lợng lớn ở khắp nơi của
xenluloza có trong rác thải là một khó khăn và trở ngại cho
việc bảo vệ môi trờng, do đó để thu gom và xử lý triệt
để lợng chất thải hữu cơ này đòi hỏi phải có những biện
pháp và công nghệ phù hợp với từng khu vực, từng vùng.
[3,5,11,20]

Bảng 4. Hàm lợng xenluloza có trong một số
nguyên liệu.

Nguyên liệu

Xenluloz

Nguyên liệu

a (%)
Kiều mạch

42.8

Xenluloza
(%)

Vỏ h¹t

1
5

60.0


Vỏ đậu tơng

51.0

Sợi

91.0

Mía

34.0

Gỗ thông

41.0

Cây trởng thành

42.0

Giấy báo

40-80

BÃ

56.6

Rơm

44.0

Thân ngô

36.0

Lúa mì

30.5

Cỏ

28.0

Lúa mạch

34.0

Trấu lúa mì

30.5

Bông

91.0

2.3.2. Cấu trúc của xenluloza.
Xenluloza là thành phần cơ bản của tế bào thực vật.
Thông thờng, xenluloza của tế bào thực vật chiếm 50%
tổng số hydratcacbon có trên trái ®Êt cđa chóng ta. Ngêi ta
nhËn thÊy r»ng trong thiªn nhiên hầu nh không gặp
xenluloza ở dạng tinh khiết mà nó thờng tồn tại ở dạng kết
hợp với những chất khác nh hemixenluloza, lignin, pectin...
các chất này liên kết với nhau tạo nên màng tế bào thực vật
và có tên gọi chung là ligno-xenluloza. Trong đó, xenluloza
và hemixenluloza chiếm tỷ lệ cao nhất. Hai chất này đợc
bao bọc bởi một lợng lignin.Các thành phần này thờng có tỷ
lệ khác nhau trong các loại cây khác nhau tạo ra các đặc
tính hoá lý riêng cho từng loại thực vật.
Về mặt cấu tạo hoá học, xenluloza là một polime mạch
thẳng, có thành phần cấu trúc cơ bản là các Dglucopiranoza. Các gốc này nối với nhau nhờ liên kết -1,4-

1

6


glucozit. Mức độ polime hoá của phân tử xenluloza thay
đổi nhiều (từ vài trăm đến 15000) trung bình là 3000.
Các đơn phân glucoza trong xenluloza thì có cấu trúc
dạng ghế bành (hình 1).Trong công thức phối cảnh, ngời ta
biểu diễn glucoza sè ch½n, quay gãc 180 o so víi glucza số lẻ
và các nhóm hydroxyl đều nằm trên mặt phẳng nằm
ngang[11,17].
Hình 1: Cấu trúc của phân tử xenluloza
H

H

CH2OH

O

O

HO

HO

H

H
H

H

OH

OH
H
H

O
H

H

CH2OH

O

Dùng phơng pháp phân tích của Rơngen, ngời ta đÃ
chứng minh đợc rằng phân tử xenluloza có dạng sợi. Các sợi
này của xenluloza lại gắn với nhau nhờ liên kết hydro tạo
thành từng bó nhỏ gọi là các microfibrin (hình 2A).
Microfibrin có cấu trúc không đồng nhất và thờng có hai
vùng (hình 2B).
-Vùng kÕt tinh cã cÊu tróc trËt tù rÊt cao, v× thế nó rất
bền vững với tác động bên ngoài.
-Vùng vô định hình có cấu trúc trật tự không chặt do
đó kém bền vững hơn.

1
7

Hình 2: Cấu trúc bậc cao của xenluloza trong tự
nhiên

B

Vùng vô định hình
A
Vùng kết tinh

A - Bó sợi xenluloza song song với nhau nhờ liên kết
hydro
B Lát cắt bên của một sợi
Do có cấu trúc nh thế, vùng vô định hình của
xenluloza có thể hấp thụ nớc và trơng lên. Trong khi đó
vùng kết tinh, mạng lới liên kết hydrogen ngăn cản sự trơng
này. ở vùng kết tinh, enzym chỉ tác dụng lên bề mặt các sợi.
[5]
Xenluloza là một hợp chất cao phân tử có cấu trúc rất
bền vững. Nó không tan trong nớc, không đợc tiêu hoá trong
đờng tiêu hoá của ngời và động vật có dạ dày một túi. Tuy
nhiên, trong dạ dày của động vật nhai lại và trong đất có
tồn tại rất nhiều loại vi sinh vật có khả năng sinh sản
xenlulaza, là enzym thuỷ ph©n xenluloza.
1
8


Cấu trúc của xenluloza là một cấu trúc phức tạp, chặt

chẽ. Chính vì vậy mà xenluloza rất bền trong tự nhiên. Các
thành phần hợp thành xenluloza có cấu tạo và tính chất rất
khác nhau. Do đó, việc phá vỡ cấu trúc này đòi hỏi phải có
sự hiểu biết sâu sắc đặc tính riêng của từng phần tạo ra
chúng. Từ đó tìm ra những biện pháp, những chủng vi
sinh vật thích hợp để phân giải chúng. Bên cạnh
đó,xenluloza là thành phần có số lợng và cấu tạo phức tạp
hơn cả trong ligno-xenluloza . Sự tồn tại của hai vùng kết
tinh và vô định hình của xenluloza cũng đòi hỏi phải có
những biện pháp hoàn toàn khác nhau. Chính vì thế, quá
trình thuỷ phân xenluloza trong tự nhiên thờng diễn ra rất
chậm chạp. Vấn đề xử lý các chất thải có chứa xenluloza là
vấn đề không dễ dàng.[11]
2.4.Hemixenluloza
Trong tế bào thực vật, hemixenluloza đứng thứ hai về
khối lợng. Hemixenluloza là nhóm polisacarit có phân tử lợng
nhỏ hơn rất nhiều so với xenluloza. Thông thờng chúng chỉ
có 150 gốc đòng. Các gốc đòng đợc nối với nhau bằng liên
kết -1.4, -1.5, -1.6 glucozit. Chúng tạo thành mạch
ngắn và phân nhánh.
Do đó, so với xenluloza thì hemixenluloza có cấu trúc
không chặt chẽ bằng, chúng dễ dàng bị phân giải khi bị
axit loÃng tác dụng. Đôi khi hemixenluloza còn bị phân giải
trong nớc nóng và chúng dễ dàng bị phân giải bởi enzym
hemixenlulaza.

1
9

Hemixenluloza tồn tại chủ yếu ở các phần nh hạt, bẹ
ngô, cám, rơm, rạ, trấu. Trong các loại hemixenluloza thì
xylan là loại có nhiều trong tự nhiên. Trong đó nhiều nhất là
ở rơm, rạ (chiếm hơn 30%) kế đến là cây lá rộng (20
30%). ở cây lá kim, xylan ít hơn nhiều (7 17%).[5,10,20]
2.5.Lignin
Lignin là hợp chất cao phân tử ngng tụ từ ba loại rợu chủ
yếu:

rợu

trans-P-cumarylic,

trans-conyferylic

và

trans-

cynapylic.[5]
Tuy nhiên, tỷ lợng ba loại rợu nói trên trong lignin của các
loại thực vật khác nhau không giống nhau.Trong lignin các
đơn phân này thờng liên kết với nhau bằng liên kết C-O và
C-C. Trong đó kiểu liên kết aryl-glyxecol, aryl-aryl hoặc
diaryl ete là phổ biến.
Lignin của cây gỗ gồm 8% conyferylic; 14% cumarylic
vµ 6% cynapylic. Trong thùc vËt, lignin tËp trung ở các mô
hoá gỗ và vai trò nh chất liên kết tế bào, do đó mà làm
tăng độ bền cơ học, tăng khả năng chống thấm, ngăn chặn
các chất độc gây bệnh và các vi sinh vật gây bệnh cũng

nh các tác dụng khác từ bên ngoài.
Lignin không hoà tan trong nớc, trong các dung môi hữu
cơ đậm đặc kể cả axit. Chỉ có tác dụng với kiềm bisunfit
natri và axit sunfurơ, lignin mới mới lại bị phân giải từng
phần.

2
0