nghiên cứu xác định hệ dung môi hòa tan lignocellulose trong rơm rạ

LỜI CẢM ƠN

Qua một thời gian nghiên cứu và thực tập tại trạm nghiên cứu Hòn Chồng của
Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha trang tôi đã hoàn thành luận văn tốt
nghiệp của mình. Để hoàn thành luận văn, mỗi sinh viên cần phải áp dụng tất cả các
kiến thức và hiểu biết mà mình đã tích lũy suốt những năm học tại trường, chính vì
vậy những kiến thức mà tôi tiếp thu tại trường Đại học Nha Trang là nền tảng vững
chắc giúp tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu
trường Đại học Nha Trang, Ban chủ nhiệm khoa Công nghệ thực phẩm cùng các
thầy cô trong khoa Công nghệ thực phẩm đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ tôi trong
suốt những năm vừa qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Vũ Ngọc Bội là người đã giúp tôi đến với
nghiên cứu này. Và đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Duy
Nhứt là người tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm và tạo
mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn.
Tôi cũng xin cảm ơn anh Lê Xuân Sơn và chị Nguyễn Thị Minh Tùy vì đã
nhiệt tình giúp đỡ tôi cả về kiến thức chuyên môn và thực nghiệm trong suốt quá
trình nghiên cứu.
Và cuối cùng tôi gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè luôn bên cạnh giúp đỡ
tôi trong suốt thời gian học tập cũng như trong quá trình hoàn thành luận văn.

Tôi xin chân thành cảm ơn!



BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

NHẬN XÉT HƯỚNG DẪN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

I – Đề tài: “Nghiên cứu xác định hệ dung môi hòa tan lignocellulose trong
rơm rạ”.
Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm
Họ và tên sinh viên: Văn Tiểu My Lớp: 50TP3 MSSV: 50130937
Số trang: 72 Số chương: 3 Số tài liệu tham khảo: 21
II – Người nhận xét: Tiến Sỹ Nguyễn Duy Nhứt, người hướng dẫn khoa học.
Đơn vị công tác: Nguyên là Phó Phòng Hóa phân tích và triển khai Công
nghệ tại Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha trang.
III – Nhận xét.










IV – Điểm hướng dẫn:
Nha trang, ngày… tháng….năm 2012
Cán bộ hướng dẫn



MỤC LỤC
Trang

CHƯƠNG I 1
TỔNG QUAN 1
1.1 NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE 2
1.1.1. Cellulose 4
1.1.2. Hemicellulose 5
1.1.3. Lignin 8
1.1.4. Các chất trích ly 10
1.1.5. Tro 11
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TIỀN XỬ LÝ PHÁ VỠ CẤU TRÚC
LIGNOCELLULOSE 11
1.2.1. Các phương pháp tiền xử lý vật lý. 12
1.2.2. Phương pháp sinh học 12
1.2.3. Các phương pháp tiền xử lý hóa học 13
1.3. CHẤT LỎNG ION VÀ CÁC ỨNG DỤNG CHẤT LỎNG ION XỬ
LÝ SINH KHỐI TRONG SẢN XUẤT BIOETHANOL 16
1.3.1. Tính chất của chất lỏng ion 16
1.3.2. Cấu trúc của chất lỏng ion. 17
1.3.3. Một số phản ứng nghiên cứu tiến hành trong chất lỏng ion. 17
1.3.4. Khả năng chưng cất chất lỏng ion 19
1.3.5. Ứng dụng chất lỏng ion xử lý. 20
1.4. MỘT SỐ DUNG MÔI PHÁ HỦY CẤU TRÚC LIGNOCELLULOSE
KHÔNG HÒA TAN CELLULOSE VÀ DUNG MÔI PHÁ HỦY HÒA
TAN CẤU TRÚC LIGNOCELLULOSE (INOIC LIQUID) 21
1.4.1. Dung môi NaOH – Ure 21
1.4.2. Dung môi dimethyl sulfoxide (DMSO) - Paraformaldehyde (PF). 23



1.4.3. Dung môi dimethyl sulfoxide (DMSO) - Benzalkonium chloride
(BKC) 25

1.4.4. Chất lỏng ion Inoic liquid (ILs) : dung môi hòa tan và phá hủy cấu
trúc lignocellulose 26
1.5. RƠM RẠ VÀ CÔNG ĐOẠN TIỀN XỬ LÝ. 31
1.5.1. Rơm rạ 31
1.5.2. Một số yếu tố về cấu trúc và thành phần của lignocellulose ảnh
hưởng đến khả năng chống lại sự tấn công của enzyme trong công
đoạn tiền xử lý 34
CHƯƠNG II 36
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36
2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 37
2.1.1. Nguyên liệu nghiên cứu 37
2.1.2. Hóa chất sử dụng 37
2.1.3. Thiết bị sử dụng 38
2.2. BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM. 38
2.2.1. Bố trí thí nghiệm xác định độ ẩm của rơm. 38
2.2.2. Bố trí thí nghiệm khi sử dụng dung môi NaOH–Ure 39
2.2.3. Bố trí thí nghiệm thử độ hòa tan của cellulose trong dung môi
DMSO–PF 43
2.2.4. Bố trí thí nghiệm thử độ hòa tan lignocellulose rơm rạ trong dung
môi DMSO–BKC (Benzalkonium chlorine). 44
2.2.5. Bố trí thí nghiệm hòa tan lignocelluose rơm rạ trong chất lỏng ion. 45
CHƯƠNG III 47
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 47
3.1. XÁC ĐỊNH ĐỘ ẨM RƠM RẠ 48
3.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỚI DUNG MÔI NAOH-URE 48
3.2.1. Kết quả mức độ xử lý dung môi NaOH-Ure với các khối lượng rơm
rạ xử lý khác nhau. 48

3.2.2. Kết quả thay đổi nồng độ NaOH và ure trong dung môi NaOH-Ure
xử lý rơm 53
3.2.3. Kết quả lựa chọn phương pháp xử lý nâng cao hiệu suất phá vỡ cấu
trúc lignocellulose rơm rạ. 56
3.2.4. Kết quả thí nghiệm xác định cellulose sau xử lý với dung môi NaOH-
Ure với hai phương pháp trung hòa 58
3.3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM THỬ ĐỘ HÒA TAN CỦA CELLULOSE
TRONG DUNG MÔI DMSO–PF 60
3.4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM THỬ ĐỘ HÒA TAN CẤU TRÚC
LIGNOCELLULOSE RƠM RẠ TRONG DUNG MÔI BKC VÀ
DMSO-BKC 63
3.5. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM HÒA TAN LIGNOCELLULOSE RƠM RẠ
TRONG CHẤT LỎNG ION 65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69
I. KẾT LUẬN 69
II. KIẾN NGHỊ. 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO 71




DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 1.2. Thành phần hóa học của vi sợi cellulose. 3
Hình 1.3. Công thức hóa học của cellulose 4
Hình 1.4. Mô hình Fringed Fibrillar và mô hình Folding Chain 4
Hình 1.5. Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan 6
Hình 1.6. Glucomannan 6
Hình 1.7. Galactoglucomannan 7
Hình 1.8. Arabinoglucuronoxylan. 7

Hình 1.9. Các đơn vị cơ bản của lignin 8
Hình 1.10. Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính. 9
Hình 1.11. Một số ví dụ về chất trích ly (a) abietic acid; (b) cathechin
(flavonoid); (c) palmitic acid (acid béo) 11
Hình 1.12. Một số muối lỏng cho ứng dụng hòa tan sinh khối lignocellulose. .17
Hình 1.13. Phản ứng diels-Aldaer. 18
Hình 1.14. Phản ứng andol hóa. 19
Hình 1.15. Phản ứng gắn nhóm chức flo vào chất lỏng ion 19
Hình 1.16. Mô hình di động của sodium hydroxide 22
Hình 1.17. Phản ứng tạo ure 22
Hình 1.18. Công thức cấu tạo của dimethyl sulfoxide. 24
Hình 1.19. Công thức hóa học của paraformaldehyde. 25
Hình 1.20. Cấu trúc phân tử BKC. 26
Hình 1.21. Phản ứng tạo choline chloride 28
Hình 1.22. Mô hình hóa học sự kết hợp cation và anion tạo phức 28
Hình 1.23. Mô hình hóa học sự kết hợp choline chloride và ure 30
Hình 2.1. Rơm trước và sau khi nghiền. 37
Hình 2.2. Một vài hóa chất điển hình sử dụng trong thí nghiệm. 38



Hình 2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm thử mức độ phá vỡ cấu trúc
lignocellulose rơm rạ trong dung môi NaOH–Ure. 40
Hình 2.4. Sơ đồ bố trí thí nghiệm thay đổi nồng độ Ure và NaOH sử
dụng trong dung môi NaOH–Ure 41
Hình 2.5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm lựa chọn phương pháp xử lý nâng
cao hiệu suất phá vỡ cấu trúc lignocellulose rơm rạ trong
dung môi NaOH–Ure 42
Hình 2.6. Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định cellulose sau xử lý với
dung môi NaOH–Ure với hai phương pháp trung hòa. 43

Hình 2.7. Sơ đồ bố trí thí nghiệm thử độ hòa tan của cellulose trong
dung môi DMSO–PF 44
Hình 2.8. Sơ đồ bố trí thí nghiệm thử độ hòa tan lignocellulose rơm rạ trong
dung môi DMSO–BKC. 45
Hình 2.9. Sơ đồ bố trí thí nghiệm tạo chất lỏng ion từ chorine
chloride và ure Error! Bookmark not defined.
Hình 2.10. Sơ đồ bố trí thí nghiệm sử dụng ionic liquids để xử lý lignocellulose
rơm rạ 46
Hình 3.1. Phản ứng phân hủy liên kết ete –aryl của lignin 50
Hình 3.2. Phản ứng ngưng tụ lignin trong môi trường kiềm. 50
Hình 3.3. Phản ứng peeling 51
Hình 3.4. Mức độ so sánh % chất khô bị phân hủy ở các khối lượng
khác nhau 53
Hình 3.5. Các mẫu rơm rạ sau xử lý với dung môi NaOH-Ure ở các nồng độ
khác nhau. 54
Hình 3.6. Sự thay đổi hàm lượng DM và CF (%) ở các mẫu 56
Hình 3.7. Mẫu rơm xử lý theo phương pháp xay, khuấy (a) và theo phương
pháp xay, khuấy và nâng nhiệt (b). 58
Hình 3.8. Mẫu rơm sau xử lý với phương pháp trung hòa bằng acid (a) và
trung hòa bằng chất tẩy H
2
O
2
(b). 59



Hình 3.9. So sánh khối lượng sau khi tủa và (%) NDF/ADF ở hai mẫu. 60
Hình 3.10. Cơ chế hòa tan cellulose trong DMSO-PF với hệ thống
của methylol cellulose. 63

Hình 3.11. Mẫu rơm sau xử lý với dung môi BKC (a) và DMSO–BKC (b) 65
Hình 3.12. Sự tạo chất lỏng ion từ choline chloride và ure: trước (a) và
sau (b) 66
Hình 3.13. Mẫu rơm sau khi ủ (a) và trạng thái hỗn hợp sau ủ (b) 67



DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Thành phần của một số loại lignocellulose 2
Bảng 1.2. Khả năng hòa tan cellulose của một số ionic liquid 27
Bảng 1.3. Điểm nóng chảy với tỷ lệ 1:2 QAS/ halogen kim loại tạo
chất lỏng ion 29
Bảng 1.4. Một số muối hydrate kim loại sử dụng tạo chất lỏng ion 29
Bảng 1.5. Một số acid, amide và alcohol nghiên cứu tạo acid liquid 30
Bảng 1.6. Thành phần hóa học của rơm rạ [4]. 32
Bảng 3.1. Kết quả xác định độ ẩm của rơm rạ 48
Bảng 3.2. Kết quả xác định % chất khô bị phân hủy trong các mẫu rơm rạ 49
Bảng 3.3. Kết quả (%DM và %CF) các mẫu rơm rạ sau xử lý với
dung môi NaOH-Ure ở các nồng độ khác nhau. 54
Bảng 3.4. Kết quả các mẫu xử lý với hai phương pháp xử lý khác nhau. 56
Bảng 3.5. Kết quả xác định các thông số các mẫu sau xử lý với hai
phương pháp trung hòa khác nhau (acid và chất tẩy H
2
O
2
) 58
Bảng 3.6. Kết quả thử độ hòa tan cellulose trong dung môi DMSO–PF 61
Bảng 3.7. Kết quả thử độ hòa tan rơm rạ trong dung môi BKC và DMSO–
BKC 64

Bảng 3.8. Kết quả tạo chất lỏng ion từ chorine chloride và ure của các mẫu.
Error! Bookmark not defined.




DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Angl : Anhydroglucose
ADF : Acid deterent fiber (sợi trung hòa bằng acid).
BKC : Benzalkonium chloride.
ChCl : Choline Chloride.
CF : Crude fiber (sợi thô).
DM : Dry matter (chất khô).
DMSO : Dimethyl sulfoxide
DP : Degree of Polymerization (mức độ trùng hợp).
HMF : hydroxymethylfurfural.
ILs : Inoic liquid (chất lỏng ion).
NDF : Neutral deterent fiber (sợi trung hòa bằng chất tẩy).
PF : Paraformaldehyd.
SFF :Simultaneous saccharification and fermentation (tạo đường và
lên men đồng thời).
T : Nhiệt độ (
o
C).
t : Thời gian (phút).
BMIN[BF
4
] : 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate

LỜI NÓI ĐẦU

Nhu cầu năng lượng của loài người đã hiện diện cách đây hàng ngàn năm, nó
gắn bó với đời sống con người trong bất kỳ hoạt động sống nào: dùng lửa trong
hoạt động hàng ngày, sưởi ấm… Năng lượng có vai trò quan trọng đối với sự phát
triển kinh tế - xã hội; an ninh quốc gia, an ninh kinh tế luôn gắn liền với an ninh
năng lượng của một quốc gia. Trong số các nguồn năng lượng thay thế hiện nay
(năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân ), năng lượng sinh học
đang là xu thế tất yếu, nhất là ở các nước nông nghiệp và nhập khẩu nhiên liệu;
hiện nay các nước này đang tập trung vào các nhiên liệu sinh học để tạo nguồn
năng lượng sinh học phong phú, dồi dào, tận dụng nguồn nhiên liệu sinh học dư
thừa. Thực ra, thế hệ nhiên liệu sinh học đầu tiên dựa trên đường, tinh bột và dầu
thực vật, tuy nhiên chưa thực sự có được sự ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.
Nhiều nghiên cứu trước đây đã sử dụng thế hệ này để sản xuất bioethanol ở quy
mô công nghiệp, nhưng đường và tinh bột còn được sử dụng làm thức ăn, vì vậy
nguồn nguyên liệu thô này phát triển sẽ làm giảm lượng lương thực đẫn đến giá
thành lượng thực tăng nhanh. Nhằm cải thiện sự canh tranh này, việc nghiên cứu
sản xuất bioethanol tử lignocellulose được xem là thế hệ nhiên liệu sinh học thứ
hai. Sinh khối lignocellulose được quan tâm và chú ý vì giá thành thấp và nguồn
cung cấp dồi dào, đặc biệt quá trình biến đổi sinh học các nguồn lignocellulose
thành nhiên liệu có thể mang đến các lợi nhuận về kinh tế cũng như về môi trường.
Cùng với sự phát triển của nông nghiệp, hàng năm ở nước ta hàng trăm triệu
tấn sinh khối lignocellulose bắt nguồn từ các hoạt động nông nghiệp thải ra môi
trường, đặc biệt là rơm rạ. Rơm rạ chủ yếu dùng làm nhiên liệu đốt ( hiệu quả năng
lượng thấp 10%), thức ăn gia súc đặc biệt việc đốt trực tiếp rơm rạ trên đồng sau
thu hoạch gây ô nhiễm môi trường rất lớn. Điều này không chỉ làm tăng thêm gánh
nặng môi trường mà còn làm lãng phí về các nguồn sinh khối, do đó cần phải thực

hiện nghiêm ngặt các tiêu chuẩn đối với việc thải các chất thải vào môi trường và
nghiên cứu để xử lý nguồn sinh khối này tạo sản phẩm có ích cho đời sống con



người. Tuy nhiên, cấu trúc lignocellulose rơm rạ khá phức tạp, các phương pháp
xử lý hóa học và sinh học thông thường ngày càng khó đạt được mức độ cần thiết
để loại bỏ các chất ô nhiễm này. Vì vậy cần phải triển khai những biện pháp xử lý
sao cho vừa nhanh hơn, rẻ hơn, hiệu quả hơn và đem lại lợi ích kinh tế.
Cấu trúc lignocellulose rơm rạ bao gồm các polysaccharide chủ yếu là
cellulose, hemicellulose và lignin, các thành phần cấu trúc này liên kết khá vững
chắc với nhau. Trong lignocellulose, cellulose chiếm phần lớn, khoảng từ 35-50%
khối lượng khô thực vật, phần còn lại là lignin, hemicellulose và một phần các chất
trích ly và chất tro. Tuy nhiên để tạo năng lượng sử dụng được thì toàn bộ
polysaccharide phải được chuyển thành đường – cơ chất cho nhiều quá trình tạo
sinh khối, nhiên liệu sinh học… Nhiều nghiên cứu đã chứng minh khả năng và
triển vọng sử dụng các phương pháp xử lý bằng dung môi hòa tan trực tiếp hoặc
gián tiếp cấu trúc lignocellulose rơm rạ tạo đường đơn hoặc sản phẩm trung gian
(cellulose, từ đó enzyme có thể thủy phân thành đường).
Nhằm thu được dung môi có khả năng hòa tan lignocellulose rơm rạ hiệu quả
nhất và những dung môi có khả năng giải thể cấu trúc này, tạo tiền đề cho nhiều
nghiên cứu tạo năng lượng sinh học ứng dụng trong nền kinh tế - xã hội trong khi
năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt hiện nay, tôi đã thực hiện đề tài: “ Nghiên
cứu xác định hệ dung môi hòa tan lignocellulose trong rơm rạ”.
Được sự đồng ý của Ban gián hiệu trường Đại học Nha Trang và Ban chủ
nhiệm khoa Công nghệ thực phẩm, luận văn đã được thực hiện nghiên cứu và hoàn
thành với các nội dung chính:
 Tổng quan một số hệ dung môi có khả năng phá vỡ cấu trúc
lignocellulose hoặc hòa tan trực tiếp cấu trúc này.
 Tổng quan về chất lỏng ion, loại dung môi có nhiều tiềm năng trong

việc giải thể và hòa tan lignocellulose rơm rạ.
 Khảo sát một số dung môi có khả năng hòa tan lignocellulose trong
rơm rạ.



 Đánh giá khả năng hòa tan lignocellulose từ rơm rạ trong dung môi đã
lựa chọn.
Trong quá trình thực hiện luận văn này, không tránh khỏi những thiếu sót.
Tôi rất mong những ý kiến đóng góp quý báu của bạn đọc nhằm bổ sung để luận
văn được hoàn thiện thêm.
Tôi xin chân thành cảm ơn.
Nha trang, tháng 6, năm 2012
Sinh viên thực hiện
Văn Tiểu My






1

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN




2
1.1 NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE
Lignocellulose là sinh khối phổ biến nhất trên trái đất. Lignocellulose có trong
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 của thành phố…
Với thành phần chính là cellulose, lignocellulose là một trong những nguồn nguyên
liệu to lớn cho việc sản xuất bioethanol. Với xu hướng tận dụng các nguồn phế
phẩm, rơm rạ một dạng vật liệu lignocellulose là nguyên liệu để sản xuất
bioethanol.
Thành phần chính của vật liệu lignocellulose là cellulose, hemicellulose,
lignin, các chất trích ly và tro.
Bảng 1.1. Thành phần của một số loại lignocellulose [4].
Hemicellulose
Nguồn Cellulose
Xylane

Mannan Galactan Arabianan

Lignin

Chất
trích ly

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
Gỗ cây bulo

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 34-38 32-40 12

Theo [4] về cơ bản trong lignocellulose, cellulose tạo thành khung chính và
được bao bọc bởi những chất có chức năng tạo mạng lưới như hemicellulose và kết
dính như lignin. Cellulose, hemicellulose và lignin sắp xếp gần nhau và liên kết với
nhau bởi liên kết cộng hóa trị. Các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose,
galatose và acid 4-O-methylglucuronic (C
7
H
12
O
7
) là các nhóm thường liên kết với
lignin.




3

Hình 1.1. Mô phỏng cấu trúc vách tế bào cây chứa cellulose, hemicellulose và

lignin.
Các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản. Các sợi này được gắn lại với
nhau nhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi, với chiều rộng khoảng 25nm. Các
vi sợi này được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp bảo vệ cellulose khỏi sự
tấn công của enzyme cũng như các hóa chất trong quá trình thủy phân. [5]

Hình 1.2. Thành phần hóa học của vi sợi cellulose.




4
1.1.1. Cellulose.
Cellulose là hợp chất hữu cơ có công thức cấu tạo (C
6
H
10
O
5
)n, và là thành
phần chủ yếu của thành tế bào thực vật, gồm nhiều cellobiose liên kết với nhau và
liên kết với 4-O- (β-D-Glucopyranosyl)-D-glucopyranose (Hình 1.3). Cellulose là
loại polymer phổ biến nhất trên trái đất, độ trùng hợp đạt được 3.500 – 10.000 DP
[4]. 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 rượu.[1]

Hình 1.3. Công thức hóa học của cellulose.
Các mạch cellulose được 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. Trong
vùng kết tinh, các phân tử cellulose liên kết chặc chẽ với nhau, vùng này khó bị tấn

công bởi enzyme cũng như hóa chất. Ngược lại, trong vùng vô định hình, cellulose
liên kết không chặt chẽ với nhau nên dễ bị tấn công [5]. Có hai kiểu cấu trúc của
cellulose đã được đưa ra nhằm mô tả vùng kết tinh và vô định hình. [4]

Hình 1.4. Mô hình Fringed Fibrillar và mô hình Folding Chain.




5

 Kiểu Fringed Fibrillar: phân tử cellulose được kéo thẳng và định hướng theo
chiều sợi. Vùng tinh thể có chiều dài 500A
0
và xếp xen kẻ với vùng vô định hình.
 Kiểu Folding Chain: phân tử cellulose gấp khúc theo chiều sợi. Mỗi đơn vị
lặp lại có độ trùng hợp khoảng 1000, giới hạn giữa hai điểm a và b như hình vẽ. các
đơn vị đó được sắp xếp thành chuỗi nhờ vào các mạch glucose nhỏ, các đơn vị này
rất dễ bị thủy phân. Vùng vô định hình sẽ dễ bị tấn công bởi các tác nhân thủy phân
hơn vùng tinh thể, vì sự thay đổi góc liên kết của các liên kết cộng hóa trị ( 1-4
glucosid) sẽ làm giảm độ bền nhiệt động của liên kết, đồng thời vị trí này không tạo
được liên kết hydro. [2]
Cellulose được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, điều này làm cho
cellulose khá bền vững dưới tác động của enzyme cũng như hóa chất.
1.1.2. Hemicellulose.
Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp
khoảng 70 đến 200DP. Hemicellulose chứa cả đường 6 gồm glucose, mannose và
galactose và đường 5 gồm xylose và arabinose. Thành phần cơ bản của
hemicellulose là  - D xylopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết  1-4 glucosid.
Cấu tạo của hemicellulose khá phức tạp và đa dạng tùy vào nguyên liệu, tuy

nhiên có một vài điểm chung gồm:
 Mạch chính của hemicellulose được cấu tạo từ liên kết  1-4 glucosid.
 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 hemicellulose với các polysaccharide khác và với
lignin là nhờ các mạch nhánh này. Cũng vì hemicellulose có mạch nhánh nên tồn tại
ở dạng vô định hình và vì thế dễ bị thủy phân.
Về cấu trúc, hemicellulose có thành phần chính là D-glucose, D-galactose, D-
mannose, D-xylose và L-arabinose liên kết với các thành phần khác và nằm trong
liên kết glycoside. Hemicellulose còn chứa cả axit 4-O-methylglucuronic, axit D-




6
galacturonic và axit glucuronic. Trong đó, đường D-xylose, L-arabinose, D-glucose
và D-galactose là phổ biến ở thực vật thân cỏ và ngũ cốc.
Trong các loại hemicellulose, xylan là một polymer chính của thành tế bào
thực vật, đa số phân tử xylan chứa nhiều nhóm ở trục chính và chuỗi bên [4]. Các
gốc thay thế chủ yếu trên khung chính của xylan là các gốc acetyl, arabinosyl và
glucuronosyl. Các nhóm này có đặc tính liên kết tương tác cộng hóa trị và không
hóa trị với lignin, cellulose và các polymer khác.
Cấu tạo, số lượng và vị trí của xylan ở các loài thực vật khác nhau là khác
nhau. Gỗ cứng, gỗ mềm và nguyên liệu phi gỗ có các đặc điểm hemicellulose khác
nhau:
 Gỗ cứng chủ yếu có hai loại hemicellulose:
 Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan, là một loại polymer có mạch chính
gồm -D-xylopyranose liên kết với nhau bằng liên kết -D-1,4 glucosid. Trong đó
70% các nhóm -OH ở vị trí C2 và C3 bị acetyl hóa, 10% các nhóm ở vị trí C2 liên

kết với acid 4-O-methyl-D-glucuronic. Gỗ cứng còn chứa glucomannan, polymer
này chứa một tỉ lệ bằng nhau giữa -D-glucopyranose và -D-mannopyranose. [5]

Hình 1.5. Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan.

Hình 1.6. Glucomannan




7
 Loại thứ hai có mạch chính là -D-galactopyranose, phân nhánh. Loại
hemicellulose này tạo liên kết –O tại nhóm –OH ở vị trí C6 với -L-arabinose, -D-
galactose hoặc acid -D-glucoronic. [5]
 Gỗ mềm cũng bao gồm hai loại hemicellulose chính:
 Loại quan trọng nhất là galactoglucomannan, đây là polymer cấu thành từ
các phân tử D-mannopyranose liên kết với D-glucopyranose bằng liên kết -1,4
glucosid với tỉ lệ hai monomer tương ứng là 3:1. Tuy nhiên, tỉ lệ này thay đổi tùy
theo loại gỗ [4].

Hình 1.7. Galactoglucomannan
 Arabino-4-O-methylglucuronoxylan, cấu tạo từ các D-xylopyranose, các
monomer này bị thế ở vị trí C2 bằng acid 4-O-methyl-glucuronic, ở vị trí C3 bằng
-L-arabinofuranose.[5]
Đối với cỏ, 20-40% hemicellulose là arabinoxylan. Polysaccharide này cấu tạo
từ các D-xylopyranose, nhóm -OH ở C2 bị thế bởi acid 4-O-methylglucuronic. OH
ở vị trí C3 sẽ tạo mạch nhánh với -L-arabinofuranose.[5]

Hình 1.8. Arabinoglucuronoxylan.

8
Cấu tạo phức tạp của hemicellulose tạo nên nhiều tính chất hóa sinh và lý sinh
cho cây.
1.1.3. Lignin.
Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở. Trong tự nhiên, lignin chủ yếu đóng
vai trò chất liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose
và hemicellulose. Lignin có cấu trúc không gian 3 chiều, phức tạp, vô định hình,
chiếm 17% đến 33% thành phần của gỗ. Rất khó để có thể tách lignin ra hoàn toàn.
Lignin là polymer được cấu thành từ các đơn vị phenylpropene, vài đơn vị cấu
trúc điển hình là: guaiacyl (G), chất gốc là rượu trans-coniferyl; syringly (S), chất
gốc là rượu trans-sinapyl; p-hydroxylphenyl (H), chất gốc là rượu trans-p-courmary.

Hình 1.9. Các đơn vị cơ bản của lignin.
Cấu trúc của lignin đa dạng, tùy thuộc vào loại gỗ, tuổi của cây hoặc cấu trúc
của nó trong gỗ. Ngoài việc được phân loại theo lignin của gỗ cứng, gỗ mềm và cỏ,
lignin có thể được phân thành hai loại chính: guaicyl lignin và guaicyl-syringly
lignin.
Gỗ mềm chứa chủ yếu là guaicyl, gỗ cứng chứa chủ yếu syringyl. Nghiên cứu
chỉ ra rằng guaicyl lignin hạn chế sự trương nở của xơ sợi và vì vậy loại nguyên liệu
đó sẽ khó tấn công bởi enzyme hơn syringyl lignin. [4]
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
hình 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 được sắp xếp trật tự trên

9
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 các nhóm methoxyl trong các oligomer tiền
lignin sẽ tương tác với vi sợi cellulose cho dù bản chất của lignin là kỵ nước.

Hình 1.10. Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính.
Các nhóm chức ảnh hưởng đến hoạt tính của lignin là nhóm phenolic hydroxyl
tự do, methoxyl, benzylic hydroxyl, ether của benzylic với các rượu thẳng và nhóm
carbonyl (hình 1.10). Guaicyl lignin chứa nhiều nhóm phenolic hydroxyl hơn
syringyl.
Lignin tạo liên kết hóa học với hemicellulose và ngay cả với cellulose (nhưng
không nhiều). Độ bền hóa học của những liên kết này phụ thuộc vào bản chất liên
kết, cấu trúc hóa học của lignin và các gốc đường tham gia liên kết [1]. Carbon
alpha (Cα) trong cấu trúc phenyl propane là nơi có khả năng tạo liên kết cao nhất
với khối hemicellulose. Ngược lại, các đường nằm ở mạch nhánh như 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-methyl-D-




10
glucuronic), hay glycoside (phản ứng giữa nhóm khử của hemicellulose và nhóm
OH phenolic của lignin).
Cấu trúc hóa học của lignin rất dễ bị thay đổi trong điều kiện nhiệt độ cao và
pH thấp như điều kiện trong quá trình tiền xử lý bằng hơi nước. Ở nhiệt độ phản
ứng cao hơn 200
o

C, 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 β-O-4
aryl bị phá hủy 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 α như 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 [4].
Lignin còn liên kết với nhiều polysaccharide và protein màng tế bào ngăn trở
quá trình tiêu hóa các hợp chất gỗ. Gỗ, cỏ khô và rơm rất giàu lignin nên tỷ lệ tiêu
hóa thấp trừ khi được xử lý hóa học làm cho các liên kết giữa lignin với các
carbohydrate khác bị bẻ gãy.
1.1.4. Các chất trích ly.
Có rất nhiều chất thuộc nhóm này, chủ yếu là các chất dễ hòa tan. Theo định
nghĩa khái quát trong sách “Kỹ thuật cellulose và giấy”, các chất trích ly là những
chất hoặc có khả năng hòa tan trong những dung môi hữu cơ (như dietyl ether,
methyl terbutyl ether, ete dầu hỏa, diclormethene, acetone, ethanol, methanol,
hexan, toluen, terahydrofuran) hoặc trong nước. Chính vì thế phương pháp thông
dụng nhất để tách nhóm chất này trong việc phân tích thành phần xơ sợi
lignocellulose là dùng trích ly với dung môi ethanol-benzen tỉ lệ 1:2. Những chất
này có thể có cả tính ưa 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 được gọi là nhựa (resin).
Các chất trích ly thường có màu, mùi và vị khá đặc trưng. 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 tử phenolic như stilbene, lignan và
flavonoid đều là những chất trích ly; các phenolic có thuộc tính diệt nấm và ảnh




11

hưởng đến màu của gỗ. Chất béo và sáp, trong nhiều hệ thống sinh học được tận
dụng như là nguồn năng lượng trong khi terpenoid và steroid được biết đến là nhựa
dầu. Một số chất trích ly cũng là dược phẩm quan trọng, ví dụ như flavonoid được
sử dụng như là chất chống oxy hóa và chống virus. Một số cấu trúc trích ly được thể
hiện trong hình 1.11.

Hình 1.11. Một số ví dụ về chất trích ly (a) abietic acid; (b) cathechin (flavonoid);
(c) palmitic acid (acid béo).
1.1.5. Tro.
Trong các loại gỗ của xứ ôn đới, các nguyên tố khác so với carbon, hydro,
oxy và nito chiếm khoảng 0,1-0,5% (so với lượng rắn khô trong gỗ). Với loại gỗ xứ
nhiệt đới con số này có thể là 5%. Hàm lượng chất vô cơ được đo bằng hàm lượng
tro của mẫu và nó trong khoảng 0,3-1,5% cho hai 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 các loại sinh khối thường thực
hiện chức năng trong vài 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 vách tế bào thực vật. Calcium thường là kim loại phong phú nhất,
sau đó là kali và magnesium.
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TIỀN XỬ LÝ PHÁ VỠ CẤU TRÚC
LIGNOCELLULOSE.
Hiện nay, phương pháp tiền xử lý nhằm phá vỡ cấu trúc sinh khối
lignoceellulose đang được nghiên cứu rất nhiều. Tiền xử lý có thể theo hướng trực




12
tiếp hoặc gián tiếp hòa tan cellulose, tuy nhiên có ba phương pháp tiền xử lý để phá

vỡ cấu trúc lignoceelulose: phương pháp vật lý, phương pháp hóa học và phương
pháp sinh học.
1.2.1. Các phương pháp tiền xử lý vật lý.
Các phương pháp thuộc nhóm này không sử dụng hóa chất trong quá trình xử
lý. Mục đích tiền xử lý của phương pháp này là làm giảm kích thước hạt và mức độ
kết tinh của lignocellulose nhằm gia tăng bề mặt tiếp xúc và giảm mức độ trùng
hợp. Phương pháp này chủ yếu tác dụng cơ học, áp lực, nhiệt độ để phá vỡ cấu trúc
lignocellulose gồm các phương pháp như: nghiền nát, rọi bằng những bức xạ năng
lượng cao, xử lý thủy nhiệt và nổ hơi. Trong đó phương pháp nổ hơi là phương
pháp hiện đang được áp dụng trên quy mô pilot và có hiệu quả công nghiệp.
Tuy vậy, yêu cầu về năng lượng của phương pháp tiền xử lý này tương đối cao
phụ thuộc vào kích thước hạt cuối cùng và các đặc điểm của sinh khối. Nếu tính đến
đòi hỏi cao về năng lượng cho xay nghiền và sự gia tăng liên tục giá cả của năng
lượng thì dường như quy trình này không có hiệu quả kinh tế (Hendriks và Zeeman,
2009).
1.2.2. Phương pháp sinh học.
Đây là phương pháp sử dụng khả năng thủy phân, lên men và phá vỡ cấu trúc
của một số loại vi khuẩn, nấm, vi sinh vật. Hiện nay người ta nghiên cứu sử dụng
một số loại nấm như Cyathus sp, Streptomyces viridosporus, Phelebia tremellosus,
Pleurotus florida và Peurotus cornucopiae có khả năng thủy phân lignin và hỗ trợ
một phần thủy phân nguồn nguyên liệu celulose. Tuy nhiên, thời gian xử lý kéo dài
cũng là một hạn chế lớn của phương pháp này. Theo Costa et al. 2002 và Crawford
et al. 1984, nghiên cứu sự thủy phân sinh khối lignocellulose khi sử dụng nấm nâu
và nấm trắng cho thấy sự phân hủy lignin hiệu quả, phát huy tác dụng thông qua sự
xúc tác của các enzyme phân giải lignin như enzyme peoidase và laccase yêu cầu
năng lượng thấp nhưng lại bị mất cellulose khá nhiều dẫn đến năng suất thấp.
Tiền xử lý bằng nấm mục trắng đã được kết hợp tiền xử lý sử dụng dung môi
hữu cơ trong quy trình sản xuất ethanol bằng cách tạo đường và lên men đồng thời