ĐỒ án tốt NGHIỆP tổng hợp glucozo từ bã mía sử dụng chất xúc tác

Trường ĐHCN Tp. HCM

Đồ án tốt nghiệp _K16

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ
CƠ SỞ THANH HÓA

----------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài: Tổng hợp Glucozo từ bã mía sử dụng chất xúc tác
axit rắn C-SO3H làm từ mùn cưa.

Giảng viên HD: Th.s Nguyễn Hữu Toàn
Sinh viên

: Nguyễn Văn Tú

MSSV

: 14000713

Lớp

: CDHO16AKSTH

Thanh Hóa, 6/2017
SVTH: Nguyễn Văn Tú

1

Trường ĐHCN Tp. HCM

Đồ án tốt nghiệp _K16

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ 4
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 7
1. Lý do chọn đề tài............................................................................................. 7
2. Mục đích nghiên cứu....................................................................................... 8
3. Nội dung nghiên cứu. ...................................................................................... 8
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN .................................................................................. 9
1.1. Khái quát chung về bã mía........................................................................... 9
1.3. Thành phần của bã mía. ............................................................................. 11
1.4. Nguyên liệu lignocellulose ........................................................................ 12
1.4.1 Cấu trúc lignocellulose. ........................................................................ 12
1.4.2. Cenlulose.............................................................................................. 14
1.5. Quá trình tiền xử lý bã mía. ....................................................................... 16
1.5.1. Tiền xử lý bã mía cơ học. .................................................................... 17
1.5.2. Phương pháp tiền xử lý hóa học. ......................................................... 17
1.5.3. Phương pháp tiền xử lý bã mía theo phương pháp nổ hơi................... 17
CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP VÀ THỰC NGHIỆM ...................................... 21
2.1. Các phương pháp định lượng đường gluocse ............................................ 21
2.2. Xác định thành phần của bã mía. ............................................................... 23
2.2.1. Xác định độ ẩm. ................................................................................... 24
2.2.2.Xác định hàm lượng còn lại. ................................................................. 24
2.3. Dụng cụ và thiết bị. .................................................................................... 25
2.4. Hóa chất. ................................................................................................... 25
CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................... 30

SVTH: Nguyễn Văn Tú

2


Trường ĐHCN Tp. HCM

Đồ án tốt nghiệp _K16

3.1. Thành phần của bã mía. ............................................................................. 30
3.2. Nồng độ glucose sau khi thủy phân với xúc tác. ....................................... 30
TÀI LIỆU THAM KHẢO. ................................................................................... 36

SVTH: Nguyễn Văn Tú

3


Trường ĐHCN Tp. HCM

Đồ án tốt nghiệp _K16

DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1. Phân bố các vùng trồng mía ở Việt Nam .......................................... 9
Hình 1. 2. Cấu trúc của lignocellulose [4] ....................................................... 13
Hình 1. 3. Mối quan hệ cellulose - hemicellulose............................................ 14
Hình 1. 4. Công thức hóa học của cellulose..................................................... 15
Hình 1. 5. Ảnh hưởng của quá trình tiền xử lý đến quy trình biến đổi
lignocellulose thành ethanol [3] ....................................................................... 16
Hình 1. 6. Cơ chế tiền xử lý bã mía theo phương pháp nổ hơi [2] ................ 18

Hình 1. 7. Cấu trúc sợi trước và sau khi nổ hơi, bỏ sợi xellulose được giải
phóng ra khỏi lớp lignin bảo vệ sau khi nổ hơi [2] .......................................... 18
Hình 1. 8. Sợi lignocellose không nổ hơi có cấu trức sít chặt ngăn cản sự tấn
công của enzyme, nổ hơi ở 4atm, nổ hơi ở 8atm [2] ....................................... 18
Hình 1. 9. Bã mía sau nổ hơi ở các nhiệt độ khác nhau ................................... 20
Hình 2. 1. Sơ đồ quy trình................................................................................26
Hình 2. 2. Bộ hoàn lưu thủy phân .................................................................... 28
Hình 2. 3. Dung dịch sau thủy phân ................................................................. 29
Hình 2. 4. Chuẩn độ dung dịch ........................................................................ 29
Hình 3. 1. Kết quả so sánh giữa nồng độ thu được và thời gian thủy phân

32

Hình 3. 2. Kết quả so sánh nồng độ glucose sau khi thủy phân với hai chất xúc
tác C-SO3H và H2SO4 ...................................................................................... 33
Hình 3. 3. Kết quả so sánh hiệu suất khi thủy phân cùng xúc tác C-SO3H với
bã mía và xenlulozo ......................................................................................... 34

SVTH: Nguyễn Văn Tú

4


Trường ĐHCN Tp. HCM

Đồ án tốt nghiệp _K16

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1. Thành phần theo khối lượng của các nguồn sinh khối ................... 10
Bảng 1. 2. Thành phần của vài loại lignocellulose .......................................... 13

Bảng 3. 1. Thành phần hóa học của bã mía….................................................30
Bảng 3. 2. Kết quả khi thủy phân glucose bã mía với xúc tác C-SO3H .......... 31
Bảng 3. 3. Kết quả khi thủy phân glucose bã mía với H2SO4.......................... 31
Bảng 3. 4. Kết quả thủy phân xenlulozo với xúc tác C-SO3H ......................... 31
Bảng 3. 5 . Kết quả thủy phân tinh bột với xúc tác H2SO4 .............................. 31

SVTH: Nguyễn Văn Tú

5


Trường ĐHCN Tp. HCM

Đồ án tốt nghiệp _K16

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ,
đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.s Nguyễn Hữu Toàn, người đã
tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm khoá luận.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Công nghệ trường Đại học Công nghiệp TPHCM đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn
đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết
vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập.
Tôi xin cảm ơn các chuyên gia và tổ chức JICA đã hỗ trợ chúng tôi về
thiết bị và hóa chất để chúng tôi hoàn thành tốt đồ án này.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo
điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và
hoàn thành khoá luận tốt nghiệp.
Thanh Hóa, tháng 06 năm 2017.
Sinh Viên Thực Hiện

Nguyễn Văn Tú

SVTH: Nguyễn Văn Tú

6


Trường ĐHCN Tp. HCM

Đồ án tốt nghiệp _K16

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.
Ngày nay sức ép từ khủng hoảng dầu mỏ và nhu cầu năng lượng luôn là
vấn đề nan giải của bất cứ quốc gia nào trên thế giới. Mỹ và Brazil đã thành
công trong việc sản xuất ethanol từ nguồn sinh học là bắp và mía. Điều này đã
khích lệ các nước khác đầu tư nghiên cứu lĩnh vực nhiên liệu sinh học.
Bên cạnh sản xuất ethanol từ nguồn tinh bột (bắp) và đường (mía),
ethanol có thể được sản xuất từ lignocellulose là loại biomass phổ biến nhất
trên thế giới. Vì vậy sản xuất ethanol từ biomass cụ thể là nguồn
lignocellulose là một giải pháp thích hợp đặc biệt là các quốc gia nông nghiệp
như Việt Nam. Một mặt mang lại hiệu quả kinh tế, mặt khác giải quyết các
vấn đề về ô nhiễm môi trường.
Việt Nam hằng năm tạo ra một lượng lớn phế phẩm nông nghiệp, chủ yếu
là lignocellulose từ các vụ mùa và ngành công nghiệp sản xuất mía đường.
Tận dụng nguồn nguyên liệu này, cụ thể là bã mía để sản xuất bioethanol là
một phương pháp sử dụng bã mía một cách hiệu quả đồng thời góp phần giải
quyết vấn đề năng lượng cho nước ta.
Hiện nay việc sản xuất glulose sử dụng nguyên liệu là tinh bột và chất

xúc tác không đồng nhất chủ yếu là H2SO4. Sử dụng nguồn nguyên liệu tinh
bột ảnh hưởng tới an ninh lương thực, chi phí tốn kém. Nguồn đất trồng đang
dần bị thu hẹp do sự nổi lên nhiều của các nhà máy cũng như các khu đô thị.
Nguồn xúc tác H2SO4 ảnh hưởng đến môi trường, sử dụng xúc tác với trang
thiết bị lớn, gây hao mòn thiết bị cao và lãng phí hóa chất. Vì vậy, cần có một
nguồn nguyên liệu và chất xúc tác thay thế. Hiện nay đã có một số tác giả cả
SVTH: Nguyễn Văn Tú

7


Trường ĐHCN Tp. HCM

Đồ án tốt nghiệp _K16

trong và ngoài nước nghiên cứu về vấn đề thủy phân celulose (hoặc các chất
có chứa cellulose) thành glucose, tuy nhiên các nghiên cứu của những tác giả
trong nước thì vẫn đang dùng chất xúc tác là enzim (Trần Đình Toại và cộng
sự, 2011) , còn các tác giả Trần Diệu Lý và Nguyễn Đình Tiến thì tiến hành nổ
hơi trước khi lên men và cách mà tôi đang thực hiện cũng rất khả dụng vì chi
phí thấp và khá thân thiện với môi trường. Từ những lợi ích trên chất xúc tác
axit rắn C-SO3H làm từ mùn cưa đang được hướng đến là một thay thế nhằm
giảm ô nhiễm môi trường ít chi phí tốn kém và không gây lãng phí hóa chất.
2. Mục đích nghiên cứu.
Từng bước nghiên cứu xây dựng quy trình và các điều kiện tối ưu tổng
hợp glucozo từ bã mía sử dụng xúc tác C-SO3H làm từ mùn cưa ở các vùng
nông thôn trên địa bàn thanh hóa dùng để sản xuất ethnol.
3. Nội dung nghiên cứu.
- Nghiên cứu thành phần của bã mía
- Điều kiện ảnh hưởng quá trình thủy phân

- Nghiên cứu điều kiện ảnh hưởng đến hiệu suất

SVTH: Nguyễn Văn Tú

8


Trường ĐHCN Tp. HCM

Đồ án tốt nghiệp _K16

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Khái quát chung về bã mía.
Về mặt tài nguyên tự nhiên như khí hậu, đất đai, Việt Nam được đánh giá
là nước có tiềm năng trung bình khá để phát triển mía cây. Việt Nam có đủ đất
đồng bằng, lượng mưa nói chung tốt (1400 mm đến 2000 mm/năm), nhiệt độ
phù hợp, độ nắng thích hợp. Trên phạm vi cả nước, các vùng tây nguyên và
vùng Đông Nam Bộ, đặc biệt là duyên hải Nam Trung Bộ có khả năng trồng
mía đường tốt.
Hiện nay mỗi năm có khoảng 1.3 triệu tấn đường được sản xuất (quy mô
công nghiệp và dân tự chế biến), tức khoảng 3 triệu tấn bã mía được thải ra.
Đây là nguồn nguyện liệu rất lớn cho việc sản xuất ethanol. Mặc dù bã mía là
nguồn năng lượng lớn thì nguồn bã mía nói riêng và nguồn biomass nói chung
đã không được sử dụng một cách hiệu quả ở Việt Nam.

Hình 1. 1. Phân bố các vùng trồng mía ở Việt Nam

SVTH: Nguyễn Văn Tú

9

Trường ĐHCN Tp. HCM

Đồ án tốt nghiệp _K16

Nếu lúc trước chúng ta chỉ biết dùng mía để lấy đường, sau khi lấy xong
thì bã mía sẽ được bỏ như loại rác thải không cần thiết thì nay người dân Việt
Nam đã biết được nhiều công dụng khác của bã mía. Bã mía có thể được ép
thành viên và được dùng làm nguyên liệu đốt thay thế củi, cồn. Là nguồn
nguyên liệu quan trọng để sản xuất bột giấy, ván ép, tầm trần. Viên nén bã mía
có thể dùng làm nệm lót chuồng trại chăn nuôi, làm vật liệu lọc nước tự nhiên,
hấp thụ kim loại nặn, ủ lên men thì có thể làm thức ăn cho gia súc thay thế
rơm, cỏ.
Bảng 1. 1. Thành phần theo khối lượng của các nguồn sinh khối

Trong hội thảo về chiến lược tăng tốc trong lĩnh vực hạ nguồn do Hội
Dầu Khí Việt Nam tổ chức ngày 11/9/2010 tại Hà Nội đã có rất nhiều ý kiến
về vấn đề này nhưng tập trung nhất là trong tham luận của TS.Võ Thị Hạnh,
phòng Vi sinh, Viện Sinh Học Nhiệt Đới. Theo TS.Võ Thị Hạnh, đối với
nguồn nguyên liệu thì nước ta là một nước nông nghiệp nên có rất nhiều thuận
SVTH: Nguyễn Văn Tú

10


Trường ĐHCN Tp. HCM

Đồ án tốt nghiệp _K16

lợi. Nước ta đã có quy hoạch phát triển ngành mía đường, đến năm 2010 diện
tích trồng mía dự kiến đạt khoảng 30x104 ha, năng suất 65 tấn/ha. Phụ phẩm
của mía đường rất dồi dào, chất lượng cao, thích hợp cho sản xuất nhiên liệu
sinh học
1.2. Hiện trạng sử dụng năng lượng từ bã mía ở Việt Nam.
Mặc dù bã mía là nguồn năng lượng lớn thì nguồn bã mía nói riêng và
nguồn biomass nói chung đã không được sử dụng một cách hiệu quả ở Việt
Nam. Phần lớn bã mía được sử dụng làm chất đốt, làm thức ăn cho gia súc,…
1.3. Thành phần của bã mía.
Bã mía là một dạng biomass, chiếm khoảng 62,6% trong tổng khối lượng
biomass ở Việt Nam. Bã mía có thành phần bao gồm các chất cấu tạo nên
thành tế bào: xenlulozơ, hemixenlulozơ, lignin và các chất trong tế bào: chất
béo, dầu, nhựa, photpholipit, glyconlipit, xetoit ...
Sau quá trình ép bỏ, phần thân cây mía chính là bã mía được thải ra . Bã
mía chiếm hơn 50% tổng trọng lượng cây mía. Thành phần hóa học và thành
phần nguyên tố của bã mía cụ thể như sau:


Thành phần hóa học

+

Xenlulozơ (~60%), hemixenlulozơ (~25%), lignin (~14%), chất béo

(~1,9%) và protein (~3,4%).
+

Hơi ẩm: thông thường chiếm khoảng 10% khối lượng. Tuy nhiên, nước

tự do có trong bã mía thay đổi tùy thuộc vào điều kiện bảo quản và điều kiện

môi trường.

SVTH: Nguyễn Văn Tú

11


Trường ĐHCN Tp. HCM

+

Đồ án tốt nghiệp _K16

Các hợp chất trích ly bao gồm: chất béo, sáp, phenolic, pectin, chất nhầy,

nhựa,…có thể được tách bằng các dung môi.
+

Các chất vô cơ như: Si, Na, K, Mg,…



Thành phần nguyên tố (% khối lượng)

+

C ~ 44%, H ~ 5%, N ~ 0,92%, O ~ 49%.

+

Còn lại là các nguyên tố vi lượng có hàm lượng không đáng kể. Do bản

chất khác nhau giữa xenlulozơ, hemixenlulozơ và lignin nên trong quá trình
nhiệt phân sẽ cho các loại sản phẩm khác nhau, điều này rất quan trọng trong
việc phát triển và xây dựng hệ xúc tác cho quá trình chuyển hóa bã mía để tạo
thành các sản phẩm mong muốn với các mục đích khác nhau.
1.4. Nguyên liệu lignocellulose
Lignocellulose là vật liệu biomass 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 rắn của thành phố... Với thành phần chính là cellulose,
lignocellulose là một nguồn nguyên liệu to lớn cho việc sản xuất bioethanol.
Rơm rạ là một dạng vật liệu lignocellulose.
1.4.1 Cấu trúc lignocellulose.
Thành phần chính của vật liệu lignocellulose là cellulose, hemicellulose,
lignin, các chất trích ly và tro.

SVTH: Nguyễn Văn Tú

12


Trường ĐHCN Tp. HCM

Đồ án tốt nghiệp _K16

Hình 1. 2. Cấu trúc của lignocellulose [4]
Bảng 1. 2. Thành phần của vài loại lignocellulose

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 cộng
hóa trị với nhau.
SVTH: Nguyễn Văn Tú

13


Trường ĐHCN Tp. HCM

Đồ án tốt nghiệp _K16

Hình 1. 3. Mối quan hệ cellulose - hemicellulose
trong cấu trúc lignocellulose [4]
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 25
nm. Các vi sợi này được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp bảo vệ
cellulose khỏi sự tấn công của ezyme cũng như các hóa chất trong quá trình
thủy phân
1.4.2. Cenlulose.
Cellulose là một polymer mạch thẳng của D-glucose, các D-glucose được
liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4 glucoside. Cellulose là loại polymer phổ
biến nhất trên trái đất, độ trùng hợp đạt được 3500 - 104 DP [7]. 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.

SVTH: Nguyễn Văn Tú

14

Trường ĐHCN Tp. HCM

Đồ án tốt nghiệp _K16

Hình 1. 4.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 vùng kết tinh và vùng
vô định hình. Trong vùng kết tinh, các phân tử cellulose liên kết chặt 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 với nhau nên dễ bị tấn
công. Có hai kiểu cấu trúc của cellulose đã được đưa ra nhằm mô tả vùng kết
tinh và vô định hình.
a. Kiểu Fringed Fibrillar:
Phân tử cellulose được kéo thẳng và định hướng theo chiều sợi. Vùng
tinh thể có chiều dài 500 Å và xếp xen kẽ với vùng vô định hình.
b. Kiểu Folding chain:
Phân tử cellulose gấp khúc theo chiều sợi. Mỗi đơn vị lặp lại có độ
trùng hợp khoảng 1000. Các đơn vị đó được 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 càng cao.
Trong vùng vô định hình, các liên kết β-glucoside 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 cho toàn mạch. 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 (β-glucoside) sẽ làm giảm độ bền nhiệt động của liên kết, đồng
thời vị trí này không tạo được liên kết hydro. Cellulose được bao bọc bởi
SVTH: Nguyễn Văn Tú

15

Trường ĐHCN Tp. HCM

Đồ án tốt nghiệp _K16

hemicellulose và lignin, điều này làm cho cellulose khá bền vững với tác động
của enzyme cũng như hóa chất.
1.5. Quá trình tiền xử lý bã mía.

Hình 1. 5: Ảnh hưởng của quá trình tiền xử lý đến quy trình biến đổi
lignocellulose thành ethanol [3]
Để chuyển hóa các carbohydrate (cellulose và hemicellulose) trong
lignocellulose thành ethanol, các polymer phải bị bẻ gãy thành những phân tử
đường nhỏ hơn trước khi vi sinh vật có thể hoàn tất quá trình chuyển hóa. Tuy
nhiên, bản chất của cellulose lại là rất bền vững trước sự tấn công của enzyme,
nên bước tiền xử lý là bắt buộc để quá trình đường hóa glucose có thể diễn ra
tốt. Cellulose ban đầu có thể bị phá hủy bởi acid mà không cần được tiền xử
lý. Tuy nhiên, trong luận văn này chỉ đề cập đến việc thủy phân lignocellulose
bằng enzyme.
SVTH: Nguyễn Văn Tú

16


Trường ĐHCN Tp. HCM

Đồ án tốt nghiệp _K16

1.5.1. Tiền xử lý bã mía cơ học.

Bã mía khi được lấy về, ta đem đi phơi khô, nghiền. Tiếp tục ta đi sấy
khô ở 800C để làm nguyên liệu cho quá trình thủy phân.
1.5.2. Phương pháp tiền xử lý hóa học.
Sử dụng tác động của hóa chất trong quá trình. Gồm có các quá trình
chính:
•

Với acid: gồm các phương pháp xử lý với acid loãng, bơm hơi nước có

acid và nổ hơi có acid. Trong đó, acid sulfuric đã được nghiên cứu kĩ lưỡng
nhất, hiển nhiên vì nó rẻ và hiệu quả. Tuy nhiên, vấn đề gặp phải trong xử lý
acid là thiết bị phải chịu được ăn mòn cao và lượng thạch cao (CaSO 4) sinh ra
nhiều từ quá trình trung hòa acid với CaOH.
•

Với kiềm: đã có rất nhiều nghiên cứu liên quan, chủ yếu là về xút hoặc

xút cùng các hóa chất khác. Tuy nhiên, nhiều nhà khoa học cho rằng, dựa trên
chi phí hóa chất, thì vôi tôi là hóa chất thích hợp. Detroy et al cho thấy rằng
amonia lỏng có phần hiệu quả trong việc tăng khả năng thủy phân bã rắn,
nhưng ethylenediamine có thể còn hiệu quả hơn.
•

Ngoài ra, còn có những phương pháp như xử lý với dung môi hữu cơ:

dùng dung môi như ethanol, methanol, acetone để hòa tan lignin; xử lý bằng
khí SO2, khí CO2, NH3 … Các quy trình này hiện nay chỉ được sử dụng ở quy
mô phòng thí nghiệm.
1.5.3. Phương pháp tiền xử lý bã mía theo phương pháp nổ hơi.

SVTH: Nguyễn Văn Tú

17


Trường ĐHCN Tp. HCM

Đồ án tốt nghiệp _K16

Hình 1. 6. Cơ chế tiền xử lý bã mía theo phương pháp nổ hơi [2]

Hình 1. 7. Cấu trúc sợi trước và sau khi nổ hơi, bỏ sợi xellulose được giải
phóng ra khỏi lớp lignin bảo vệ sau khi nổ hơi [2]

Hình 1. 8. Sợi lignocellose không nổ hơi có cấu trức sít chặt ngăn cản sự tấn
công của enzyme, nổ hơi ở 4atm, nổ hơi ở 8atm [2]
- Quá trình nổ hơi là một quá trình cơ – hóa – nhiệt. Đó là phá vỡ cấu trúc
các hợp phần với sự giúp đỡ của nhiệt ở dạng hơi, lực cắt do giãn nở của ẩm
và thủy phân các liên kết glycosidic.
- Quá trình nổ hơi có 2 giai đoạn:
SVTH: Nguyễn Văn Tú

18


Trường ĐHCN Tp. HCM

Đồ án tốt nghiệp _K16

+ Ở giai đoạn 1 nước dưới áp suất cao thâm nhập vào cấu trúc lignocellulosic

bởi quá trình khuếch tán và làm ẩm nguyên liệu. Ẩm trong biomass thủy phân
các nhóm acetyl của hemicellulose hình thành nên các acid hữu cơ như acetic
và uronic acid. Các acid này lần lượt xúc tác quá trình depolymeer hóa
hemicellulose, giải phóng xylan và một phần glucan. Dưới điều kiện khắc
nghiệt, vùng vô định hình của cenllulose có thể bị thủy phân đến một mức độ
nào đó. Dưới điều kiện khắc nghiệt hơn.
+ Ở giai đoạn 2: ẩm trong biomass sẽ hóa hơi đột ngột ra khi áp suất trong
thiết bị phản ứng được giải phóng và hạ đột ngột từ rất cao khoảng vài chục
atm xuống còn áp suất khí trời. Hiện tượng này cũng giống như hiện tượng nổ.
Nguyên liệu được tổng mạnh khỏi thiết bị qua một lỗ nhỏ bởi lực ép. Một vài
hiện tượng xảy ra tại thời điểm này. Đầu tiên, ẩm ngưng tụ trong cấu trúc
biomass bốc hơi tức thời do giảm áp đột ngột. Sự giản nở của hơi nước gây ra
lực cắt bao quanh cấu trúc nguyên liệu. Nếu lực cắt này đủ lớn, hơi nước sẽ
gây ra sự phá hủy cơ học lên cấu trúc lignocellulose. Sự mô tả quá trình làm
nổi bật tầm quan trọng của việc tối ưu hai yếu tố: thời gian lưu và nhiệt độ.
Thời gian biomass lưu lại trong thiết bị phản ứng giúp xác định phạm vi thủy
phân hemicellulose bởi các acid hữu cơ. Việc thủy phân hemicellulose giúp
cho quá trình lên men thuận lợi hơn. Theo lotech, điều kiện tối ưu của
holocellulose( xylose + glucose) là áp suất 500-550 psi, thời gian 40s.

SVTH: Nguyễn Văn Tú

19


Trường ĐHCN Tp. HCM

Đồ án tốt nghiệp _K16

Hình 1. 9. Bã mía sau nổ hơi ở các nhiệt độ khác nhau

-

Ưu điểm của quá trình nổ hơi nước:

+

Tăng sự kết tinh của cellulose bằng cách thúc đẩy sự kết tinh của vùng vô

định hình
+

Hemicellulose bị thủy phân trong quá trình nổ hơi.

+

Sự nổ hơi thúc đẩy việc khử lignin

-

Nhược điểm:

+

Tốn chi phí, năng lượng vận hành

+

Đòi hỏi thiết bị chịu được nhiệt độ và áp suất cao.

+

Có thể làm phân hủy cellulose

+

Mất đi đường từ hemicellulose

+

Làm sinh ra fufural và 5- hydroxymethyl fufural gây ức chế quá trình.

SVTH: Nguyễn Văn Tú

20


Trường ĐHCN Tp. HCM

Đồ án tốt nghiệp _K16

CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP VÀ THỰC NGHIỆM
2.1. Các phương pháp định lượng đường glucose
2.1.1. Phương pháp UV-Vis
Có vài tác nhân được sử dụng để định lượng đường nhờ các đặc tính khử
của đường. 3,5- Dinitrosalicylic acid (DNS) có màu vàng trong dung dịch
kiềm sẽ bị khử thành acid 3-amino-5-nitrosalicylic có màu đỏ cam.

Chỉ pha chế dung dịch thuốc thử DNS dùng cho phản ứng trước khi sử
dụng, dung dịch này cần phải được giữ trong chai nâu và tránh CO2.


Hút 3ml dung dịch mẫu có chứa đường vào một ống nghiệm.



Thêm vào 1 ml thuốc thử DNS.



Chuẩn bị ống thử không bằng cách thêm 1 ml thuốc thử DNS vào 3 ml

nước cất.


Dùng một miếng nilon sạch bịt kín đầu ống nghiệm, đặt vào nồi nước sôi

đang sôi trong 5 phút.


Làm lạnh về nhiệt độ phòng và đo độ hấp thu OD ở bước sóng 540 nm.

Dùng ống thử không để chuẩn độ truyền suốt về 100%. Chú ý là tất cả các ống
nghiệm cần phải được làm lạnh về nhiệt độ phòng trước khi đo bởi vì độ hấp
thu rất nhạy với nhiệt độ.
SVTH: Nguyễn Văn Tú

21


Trường ĐHCN Tp. HCM



Đồ án tốt nghiệp _K16

Dựa vào đường chuẩn suy ra nồng độ đường có trong dung dịch.

2.1.2. Phương pháp HPLC.
Dung dịch chuẩn: Dung dịch chuẩn của glucozo trong nước ở nồng độ

-

10 g/l.
Thiết bị HPLC: Gồm có bơm HPLC, cột HPLC, detector ELSD

-

Cột HPLC: Cột trao đổi cation polystyren-divinylbenzen đã sulfonat

hóa ở dạng canxi, cỡ hạt 10 m, dài 30 cm, đường kính trong 6,5 mm. Có
thể sử dụng các cột có kích thước khác nếu cho các kết quả tương tự.
-

Dung môi: Dung dịch canxi dinatri-EDTA 0,1 mmol/l trong 1 lít nước
loại dùng cho HPLC

-

Phân tích hàm lượng glucose bằng máy HPLC.

+

xây dựng đường chuẩn S = f(C)

+

(1V dịch đường + 9V nước cất) → mẫu (máy HPLC, pha động là dung
dịch H2SO4 0.1N, nhiệt độ 60oC, tốc độ 1ml/phút) → S → C (g/ml)

2.1.3. Phương pháp hóa học
Đầu tiên Iod sẽ Phản ứng với NaOH theo phản ứng sau:
I2 + NaOH  NaI + NaIO +H2O (1)
Tiếp đó glucose mới bị oxy hóa theo phản ứng:
IO- + CH2OH –(CHOH)4-CHO  CH2OH-(CHOH)4-COOH +I- (2)
Axít hóa bằng dung dich H2SO4 để lượng iod dư dưới dang IO- sẽ
chuyển thành I2.
SO42- +
SVTH: Nguyễn Văn Tú

6H+ +

2 IO- →

I2 + SO32-

+

3H2O (3)
22

Trường ĐHCN Tp. HCM

Đồ án tốt nghiệp _K16

Chuẩn độ lượng dư I2 này bằng dd Na2S2O3. Ta xác định được thể tích
Iod ban đầu đã biết là 10 ml sẽ xác định được thể tích dung dịch Iod đã phản
ứng với dung dịch glucose.
2 Na2S2O3 + I2  Na2S2O4

+

2NaI (4)

Nồng độ glucose:
P = m/V = ( n.M )/ V = ( CM . V2. M)/ V1 (g/l)
Nồng độ IO- đã phản ứng:
Ta có: CNa2S2O3 . VNa2S2O3

=

CI2 . VI2

Từ phương trình (3) ta có: Na2S2O3 = 1/2I2


CI2 = (CNa2S2O3 . VNa2S2O3) / 2VI2

Từ phương trình (4) ta có: IO- = 1/2I2

 CIodư = (CNa2S2O3 . VNa2S2O3 ) / VI2
Mặt khác: CIO đã phản ứng =
CIO đã phản ứng =

0.1 - CIodư

Cglucose

 Pglucose = [( CNaIO - VNa2S2O3 . CNa2S2O3 / Vmẫu ) .V2.M] / V1
Chú thích: V1: Lượng dung dịch glucose lấy ở thời điểm khác nhau.
V2: Lượng dung dịch hỗn hợp sau phản ứng khử đường
2.2. Xác định thành phần của bã mía.
Phân tích thành phần hóa học của các mẫu rơm rạ đều được thực hiện
theo phương pháp chuẩn của TAPPI (Hiệp hội Công nghiệp giấy và bột giấy
toàn cầu). Các phép cân có độ chính xác 0,0001g.
SVTH: Nguyễn Văn Tú

23


Trường ĐHCN Tp. HCM

Đồ án tốt nghiệp _K16

2.2.1. Xác định độ ẩm.
-

m1 (g) mẫu + cốc, cân tạo ra m2 + sấy, cân ở 1050c trong 1h được m3
Độ ẩm = (m2 – m3)*100/m1

-

Xác định hàm lượng chất béo: mẫu (sấy 105oC, nghiền, cân) → m4 (gói

vào giấy lọc, cân) → m5 (cho vào hệ thống chưng cất bằng dung môi
Etanol/Benzen (tỉ lệ 1:2) ở 80oC trong 6h → gói mẫu (sấy 105oC, cân) → m6
% chất béo = (m5 – m6)*100/m4
2.2.2. Xác định hàm lượng còn lại.
-

(1g mẫu + 1g Na2SO3 + 5ml C10H18 + 200ml dung dịch NDS) → hệ

thống chưng cất đun sôi 1h, lọc) → rắn A (rửa bằng nước cất sôi 3 lần) → rắn
B ( rửa 2 lần bằng Aceton) → rắn C (sấy 105oC trong 8h, cân) → m7 (nung
550oC trong 3h, cân) → m8
% chất xơ = (m7 – m8)*100
-

(1g mẫu + 2ml C10H18 + 100ml dung dịch ADS) → (hệ thống chưng cất

đun sôi 1h, lọc) → rắn D (rửa bằng nước cất sôi 2 lần) → rắn E (rửa bằng
Aceton đến sạch, không còn màu) → rắn F (sấy 105oC trong 8h, cân) → m9
(hòa tan bằng dung dịch H2SO4 72%, trên 4h, lọc) → rắn G (rửa bằng nước cất
sôi, sấy 105oC trong 8h, cân) → m10 (nung 550oC trong 3h, cân) → m11
-

Phễu (rửa sạch, sấy khô, cân) → m12

% lignin = (m10 – m11)*100 ; % cellulose = (m9 – m10)*100
% hemicellulose = (m7 – m10)*100 = %chất xơ - %lignin - %cellulose

% tro = (m11 – m12)*100
%chất trích ly = 100 - độ ẩm - %chất béo - %chất xơ.

SVTH: Nguyễn Văn Tú

24


Trường ĐHCN Tp. HCM

Đồ án tốt nghiệp _K16

2.3. Dụng cụ và thiết bị.
STT

Dụng cụ, thiết bị

1

Ống chịu nhiệt f24 , cốc nhựa , bộ lọc chân không

2

Bercher 100 ml, 250 ml, 500 ml , chén sứ nung, chén niken

3

Bình định mức 50 ml, 100 ml, 250 ml , ống nhỏ giọt , bóp
cao su

4

Eppendorf , giá để ống nghiệm , kẹp ống nghiệm

5

Micro pipette 200-1000 ul , đũa thủy tinh , bộ cối chày

6

Hệ thống kẹp Burette , bếp điện, hệ thống kẹp burret

7

Máy nghiền

8

Máy HPLC

9

Máy ly tâm

2.4. Hóa chất.

STT

Hóa chất

1

NaOH 2N

2

Etanol/benzen (tỉ lệ 1:2)

3

Aceton

4

Dd ADS

5

Dd H2SO4 72 %

SVTH: Nguyễn Văn Tú

25