NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ CELLULOSE GIẢM CẤP VỚI CÁC TRỌNG LƯỢNG PHÂN TỬ KHÁC NHAU TỪ PHẾ LIỆU NÔNG LÂM NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
****************

LÊ THANH THUỲ

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ CELLULOSE GIẢM CẤP VỚI
CÁC TRỌNG LƯỢNG PHÂN TỬ KHÁC NHAU
TỪ PHẾ LIỆU NÔNG LÂM NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT

Thành phố Hồ Chí Minh
Tháng 08/2010


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
****************

LÊ THANH THUỲ

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ CELLULOSE GIẢM CẤP VỚI
CÁC TRỌNG LƯỢNG PHÂN TỬ KHÁC NHAU
TỪ PHẾ LIỆU NÔNG LÂM NGHIỆP

Chuyên ngành: Kỹ thuật máy, thiết bị và công nghệ gỗ, giấy
Mã số

: 605224

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT
Hướng dẫn khoa học:
1. TS. NGUYỄN CỬU KHOA
2. TS. HOÀNG THỊ THANH HƯƠNG

Thành phố Hồ Chí Minh
Tháng 08/2010


NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ CELLULOSE GIẢM CẤP VỚI
CÁC TRỌNG LƯỢNG PHÂN TỬ KHÁC NHAU
TỪ PHẾ LIỆU NÔNG LÂM NGHIỆP
LÊ THANH THÙY

Hội đồng chấm luận văn:
1. Chủ tịch:

PGS.TS. HỒ XUÂN CÁC
Hội khoa học Lâm nghiệp

2. Thư ký:

TS. PHẠM NGỌC NAM
Trường ĐH Nông Lâm Tp.Hồ Chí Minh

3. Phản biện 1: PGS.TS. ĐẶNG ĐÌNH BÔI
Trường ĐH Nông Lâm Tp.Hồ Chí Minh
4. Phản biện 2: TS. HOÀNG XUÂN NIÊN
Trường ĐH Lâm Nghiệp cơ sở II
5. Ủy viên:

TS. HOÀNG THỊ THANH HƯƠNG
Trường ĐH Nông Lâm Tp.Hồ Chí Minh

ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HỒ CHÍ MINH
HIỆU TRƯỞNG

i


LÝ LỊCH CÁ NHÂN
Tôi tên là: Lê Thanh Thùy, sinh ngày 11 tháng 11 năm 1982 tại xã An Điền,
huyện Bến Cát, tỉnh Bình Dương. Con ông Lê Văn Hồng và Bà Đoàn Thị Khanh.
Tốt nghiệp tú tài tại Trường Trung học phổ thông Bình Phú, tỉnh Bình
Dương, năm 2000.
Tốt nghiệp đại học ngành Chế biến lâm sản hệ chính quy tại Đại học Nông
lâm Thành phố Hồ Chí Minh.
Sau đó làm việc tại bộ môn Công nghệ giấy & Bột giấy, chức vụ Giảng viên.
Tháng 9 năm 2006 theo học cao học ngành Kỹ thuật máy, thiết bị và công
nghệ gỗ giấy tại Đại học Nông lâm, Thủ Đức, thành phố Hồ Chí Minh.
Tình trạng gia đình: Chồng Lê Văn Tiến năm kết hôn 2006, con Lê Tiến
Dũng, sinh năm 2009.
Địa chỉ liên lạc: Bộ môn Công nghệ giấy & Bột giấy, Trường Đại học Nông
lâm Thành phố Hồ Chí Minh.
Điện thoại: 0907405682
Email:

ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.
Ký tên

Lê Thanh Thùy

iii


CẢM TẠ
Luận văn này đã được thực hiện tại phòng Hóa Hữu Cơ và polymer, viện
Công nghệ hóa học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Tôi xin chân thành cảm ơn:
-

Thầy TS.Nguyễn Cửu Khoa, Viện trưởng Viện hóa học – Viện Khoa học và
Công nghệ Việt Nam. Người thầy đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt cho tôi
nhiều kiến thức chuyên môn và những kinh nghiệm nghiên cứu quý báu giúp tôi
hoàn thành luận văn này.

-

Cô TS. Hoàng Thị Thanh Hương, Phó khoa Khoa Lâm nghiệp, Trường Đại học
Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh đã truyền đạt cho tôi nhiều kiến thức chuyên môn
và nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tôi học tập và thực hiện luận văn
này.

-

Phòng sau Đại học Trường Đại học Nông lâm Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo
mọi điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian tôi học tập và thực hiện luận văn
này.

-

Trung tâm Công Nghệ và Quản lý Môi Trường và Tài Nguyên, Trường Đại học
Nông lâm Tp.Hồ Chí Minh.

-

KS.Trần Hữu Nghị, nhân viên phòng Hóa Hữu cơ – Polymer.

-

Cô Thủy, viện Sinh học Nhiệt đới - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã
giúp đỡ tôi trong việc đo mẫu.

-

Các bạn phòng Hóa học Hữu cơ – Polymer, và tất cả các bạn bè, đồng nghiệp đã
nhiệt tình giúp đỡ, chỉ dẫn, động viên tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận
văn này.
Xin chân thành cảm ơn.

iv


TÓM TẮT

Đề tài: “Nghiên cứu điều chế Cellulose giảm cấp với các trọng lượng phân tử
khác nhau từ phế liệu nông lâm nghiệp” được tiến hành tại viện Công nghệ hóa học
– Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, thời gian từ tháng 2 năm 2010 đến tháng
8 năm 2010.
Đề tài dùng phương pháp thủy phân giảm cấp cellulose (rơm: 68,72% cell,
5,12% lignin, 26,16% hemicellulose và các chất khác; mùn cưa gỗ cao su: 72,53%
cell, 14,67% lignin, 12,8% hemicellulose và các chất khác) trong môi trường acid
HCl 7,3% và ZnCl2 70% với các nhiệt độ và thời gian. Sự giảm cấp của cellulose
được xác định thông qua chiều dài xơ sợi trước và sau khi thủy phân được đo trên
kính hiển vi điện tử XSP – 106EV như sau: trước khi thủy phân (200 – 300 µm đối
với mẫu rơm và 100 – 200 µm đối với mẫu mùn cưa), sau khi thủy phân chiều dài
xơ sợi giảm đi còn (< 1µm đối với mẫu rơm và 1 – 5 µm đối với mẫu mùn cưa).
Sau khi thủy phân xong, acid HCl 7,3% và ZnCl2 70% đã giảm cấp cellulose
thành đường glucose. Xác định được hàm lượng đường hòa tan và hàm lượng
đường khử tốt nhất theo phương pháp phenol – H2SO4 đó là thực hiện phản ứng
màu so với đường chuẩn và theo phương pháp Schaffer Hartmann. Hàm lượng
đường hòa tan đạt được là 0,1775% (đối với mẫu rơm) ứng với nHCl 7,3% = 0,5 mol,
mcell = 1g, mZnCl2 = 1g, t = 2h, T = 150oC và 0,1922% (đối với mẫu cellulose từ
mùn cưa gỗ cao su) ứng với nHCl 7,3% = 0,5 mol, mcell = 1g, mZnCl2 = 1g, t = 2h,
T = 150oC; hàm lượng đường khử đạt được 0,263% (đối với mẫu rơm) ứng với nHCl
7,3%

= 0,3mol, mcell = 1g, mZnCl2 = 1g, t = 2h, T = 70oC và 0,303% (đối với mẫu

mùn cưa gỗ cao su) ứng với nHCl 7,3% = 0,3 mol, mcell = 1g, mZnCl2 = 1g, t = 2h,
T = 100oC.

v

ABSTRACT
The thesis: “Research making Cellulose degradation with vary molecular
weights from agriculture and forestry wastes" was realized at the Institute of
Chemical Technology - Institute of Science and Technology of Vietnam, from
February to August 2010.
In the topic, raw materials (straw: 68,72% cell, 5,12% lignin, 26,16%
hemicellulose and other substances; rubber wood sawdust: 72,53% cell, 14,67%
lignin, hemicellulose and 12,8% other substances) were hydrolized to degraded
cellulose in medium HCl 7,3% and ZnCl2 70% with various temperatures and
various times. Determination of the degradation of cellulose by measure the fibers’
length before and after hydrolysis on electronic microscope XSP - 106EV as
follows: before hydrolysis (200 to 300 μm for the straw and 100 to 200 μm for the
sawdust), after hydrolysis, these was decrease of the fibers’ length (< 1μm for the
straw samples and 1 – 5 μm for samples sawdust).
After complete hydrolysis, HCl 7,3% and ZnCl2 70% had degraded cellulose
into glucose. The best method to determine soluble sugar content and reducing
sugar content is the phenol - H2SO4 which is the performance of color reaction and
the comparison with standard line follow in the method Hartmann - Schaffer.
Soluble sugar content reached was 0,1775% (for straw) with nHCl 7,3% = 0,5 mol,
mcell = 1g, mZnCl2 = 1g, t = 2 hours, and 0,1922 T = 150oC % (for rubber wood
sawdust) with nHCl 7,3% = 0,5 mol, mcell = 1g, mZnCl2 = 1g, t = 2 hours, T =
150oC; reducing sugar content reached was 0,263% (for straw) with nHCl 7,3% = 0,3
mol, mcell = 1g, mZnCl2 = 1g, t = 2 hours, T = 70oC and 0,303% (for rubber wood
sawdust) with nHCl 7,3% = 0,3 mol, mcell = 1g, mZnCl2 = 1g, t = 2 hours, T =
100oC.

vi


MỤC LỤC

CHƯƠNG

TRANG

TRANG TỰA
TRANG CHUẨN Y .................................................................................................... i 
LÝ LỊCH CÁ NHÂN ................................................................................................. ii 
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iii 
CẢM TẠ ................................................................................................................... iv 
TÓM TẮT ...................................................................................................................v 
MỤC LỤC ................................................................................................................ vii 
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................x 
DANH SÁCH CÁC HÌNH ....................................................................................... xi 
DANH SÁCH CÁC BẢNG ..................................................................................... xii 
DANH SÁCH CÁC SƠ ĐỒ ................................................................................... xiv 
DANH SÁCH CÁC BIỂU ĐỒ .................................................................................xv 
Chương 1. MỞ ĐẦU .................................................................................................1 
1.1- Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................1 
1.2- Mục tiêu, mục đích nghiên cứu ...........................................................................1 
1.3- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .............................................................2 
Chương 2. TỔNG QUAN .........................................................................................3 
2.1- Giới thiệu sơ lược về nguyên liệu ........................................................................3 
2.1.1- Giới thiệu về mùn cưa gỗ cao su ......................................................................3 
2.1.2- Giới thiệu về rơm rạ ........................................................................................12 
2.2- Các phương pháp giảm cấp cellulose ................................................................12 
vii


2.2.1- Phản ứng thuỷ phân ........................................................................................12 
2.2.2- Phản ứng nhiệt phân .......................................................................................15 

2.2.3- Oxy hoá và tia năng lượng cao .......................................................................17 
2.2.4- Bằng phương pháp sinh học (Enzym) ............................................................18 
2.3- Tình hình nghiên cứu biến đổi cellulose............................................................18 
2.3.1- Tình hình nghiên cứu trên thế giới .................................................................18 
2.3.2- Tình hình nghiên cứu trong nước ...................................................................21 
Chương 3. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...........................23 
3.1- Nội dung nghiên cứu..........................................................................................23 
3.1.1- Nguyên liệu .....................................................................................................23 
3.1.2- Giảm cấp cellulose ..........................................................................................27 
3.1.3- Xác định kích thước cellulose trước và sau thủy phân ...................................28 
3.1.4- Xác định hàm lượng đường hòa tan................................................................30 
3.1.5- Xác định hàm lượng đường khử .....................................................................30 
3.2- Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................30 
3.2.1- Phương pháp tiếp cận tài liệu..........................................................................30 
3.2.2- Phương pháp xác định thành phần cơ bản của nguyên liệu............................30 
3.2.3- Phương pháp thủy phân cellulose bằng muối ZnCl2 với xúc tác acid HCl.....30 
3.2.4- Phương pháp đo UV-vis để xác định độ hấp thu của dung dịch mẫu ............32 
3.2.5- Phương pháp Phenol - H2SO4 để xác định hàm lượng đường hòa tan ...........33 
3.2.6- Phương pháp xác định hàm lượng đường khử ................................................33 
3.3- Hoá chất, dụng cụ, thiết bị thí nghiệm ...............................................................34 
3.3.1- Hóa chất ..........................................................................................................34 
3.3.2- Dụng cụ ...........................................................................................................34 
viii


3.3.3- Thiết bị ............................................................................................................35 
Chương 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................36 
4.1- Chiều dài cellulose sau thủy phân .....................................................................36 
4.1.1- Chiều dài cellulose mẫu rơm ..........................................................................36 
4.1.2- Chiều dài của mẫu mùn cưa ............................................................................39 

4.2- Hàm lượng đường hòa tan ................................................................................41 
4.2.1- Xây dựng đồ thị đường chuẩn ........................................................................41 
4.2.2- Xác định hàm lượng đường hòa tan................................................................43 
4.3- Hàm lượng đường khử .......................................................................................49 
4.3.1- Xây dựng đường chuẩn ...................................................................................49 
4.3.2- Xác định hàm lượng đường khử .....................................................................51 
Chương 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................58 
5.1- Kết luận ..............................................................................................................58
5.2- Kiến nghị……………………………………………………………………...59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................60 
DANH MỤC PHỤ LỤC..........................................................................................63 

ix


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DP

: Độ trùng hợp

DS

: Mức độ thế

đđ

: Đậm đặc

dd

: Dung dịch

t

: Thời gian

T

: Nhiệt độ

h

: Giờ

n

: số mol HCl

m

: Khối lượng

ΔV

: Độ chênh lệch thể tích

KH

: Ký hiệu

HLĐHT

: Hàm lượng đường hòa tan

HLĐK

: Hàm lượng đường khử

NL

: Nguyên liệu

NXB

: Nhà xuất bản

x


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 3.1. Cellulose rơm sau xử lý ............................................................................26 
Hình 3.2. Cellulose mùn cưa sau xử lý ...................................................................26 
Hình 3.3. Kính hiển vi quang học và máy chụp ảnh kỹ thuật số.............................29 
Model: 80i & DS – 5M – LI – NIKON.....................................................................29 
Hình 3.4. Kính hiển vi điện tử XSP – 106EV ..........................................................29 
Hình 3.5. Hệ thống phản ứng thủy phân ..................................................................31 

Hình 3.6. Dung dịch đường glucose .........................................................................32 
Hình 3.7. Cellulose rơm và mùn cưa sau khi thủy phân ..........................................32 

xi


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 2.1. Thành phần hóa học của gỗ ........................................................................3 
Bảng 3.1. Kích thước mẫu rơm và mùn cưa sau xử lý .............................................25 
Bảng 3.2. Các thành phần hóa học của mẫu rơm và mùn cưa sau xử lý ..................26 
Bảng 3.3. Chế độ thí nghiệm ở 70oC ........................................................................27 
Bảng 3.4. Chế độ thí nghiệm ở 100oC ......................................................................27 
Bảng 3.5. Chế độ thí nghiệm theo thời gian .............................................................28 
Bảng 3.6. Chế độ thí nghiệm theo nhiệt độ ..............................................................28 
Bảng 4.1. Chiều dài cellulose mẫu rơm khảo sát theo số mol HCl ở 70oC ..............36 
Bảng 4.2. Chiều dài cellulose mẫu rơm khảo sát theo số mol HCl ở 100oC ............37 
Bảng 4.3. Chiều dài cellulose của mẫu rơm khảo sát theo thời gian ........................38 
Bảng 4.4. Chiều dài cellulose của mẫu rơm khảo sát theo nhiệt độ .........................38 
Bảng 4.5. Chiều dài cellulose mùn cưa khảo sát theo số mol HCl 70oC..................39 
Bảng 4.6. Chiều dài cellulose mùn cưa khảo sát theo số mol HCl ở 100oC ............40 
Bảng 4.7. Chiều dài cellulose mùn cưa khảo sát theo thời gian ...............................40 
Bảng 4.8. Chiều dài cellulose mùn cưa khảo sát theo nhiệt độ ................................41 
Bảng 4.9. Độ hấp thu của dung dịch đường chuẩn ...................................................42 
Bảng 4.10. Hàm lượng đường hòa tan mẫu rơm khảo sát theo số mol HCl ở nhiệt độ
70oC, thời gian 2h......................................................................................................43 
Bảng 4.11. Hàm lượng đường hòa tan mẫu rơm khảo sát theo số mol HCl ở nhiệt độ

100oC, thời gian 2h....................................................................................................43 
Bảng 4.12. Hàm lượng đường hòa tan mẫu rơm khảo sát theo thời gian, nhiệt độ
70oC; 0,5 mol HCl .....................................................................................................44 
Bảng 4.13. Hàm lượng đường hòa tan mẫu rơm khảo sát theo nhiệt độ, thời gian 2h,
0,5 mol HCl ...............................................................................................................45 
Bảng 4.14. Hàm lượng đường hòa tan mẫu mùn cưa khảo sát theo số mol HCl ở
nhiệt độ 70oC, thời gian 2h, 0,5 mol HCl..................................................................46 
xii


Bảng 4.15. Hàm lượng đường hòa tan mẫu mùn cưa khảo sát theo số mol HCl ở
nhiệt độ 100oC, thời gian 2h, 0,5 mol HCl................................................................47 
Bảng 4.16. Hàm lượng đường hòa tan mẫu mùn cưa khảo sát theo thời gian; nhiệt
độ 70oC; 0,5 mol HCl ................................................................................................48 
Bảng 4.17. Hàm lượng đường hòa tan mẫu mùn cưa khảo sát theo nhiệt độ; thời
gian 2h; 0,5 mol HCl .................................................................................................48 
Bảng 4.18. Chênh lệch thể tích của dd Na2S2O3 N/200 ...........................................50 
Bảng 4.19. Hàm lượng đường khử mẫu rơm khảo sát theo số mol HCl ở nhiệt độ
70oC, thời gian 2h......................................................................................................51 
Bảng 4.20. Hàm lượng đường khử mẫu rơm khảo sát theo số mol HCl ở nhiệt độ
100oC, thời gian 2h....................................................................................................52 
Bảng 4.21. Hàm lượng đường khử mẫu rơm khảo sát theo thời gian; nhiệt độ 70oC;
0,5 mol HCl ...............................................................................................................53 
Bảng 4.22. Hàm lượng đường khử mẫu rơm khảo sát theo nhiệt độ 70oC; thời gian
2h; 0,5 mol HCl .........................................................................................................54 
Bảng 4.23. Hàm lượng đường khử mẫu mùn cưa khảo sát theo số mol HCl ở nhiệt
độ 70oC; thời gian 2h ................................................................................................55 
Bảng 4.24. Hàm lượng đường khử mẫu mùn cưa khảo sát theo số mol HCl ở nhiệt
độ 100oC; thời gian 2h ..............................................................................................55 
Bảng 4.25. Hàm lượng đường khử mẫu mùn cưa khảo sát theo thời gian nhiệt độ

70oC; 0,5 mol HCl .....................................................................................................56 
Bảng 4.26. Hàm lượng đường khử mẫu mùn cưa khảo sát theo nhiệt độ; thời gian
2h; 0,5 mol HCl .........................................................................................................57 

xiii


DANH SÁCH CÁC SƠ ĐỒ
SƠ ĐỒ

TRANG

Sơ đồ 2.1. Cơ chế thủy phân cellulose......................................................................13 
Sơ đồ 2.2. Nhiệt phân cellulose ................................................................................16 
Sơ đồ 3.1. Quy trình xử lý nguyên liệu.....................................................................24 

xiv


DANH SÁCH CÁC BIỂU ĐỒ
BIỂU ĐỒ

TRANG

Biểu đồ 4.1. Đường chuẩn để xác định hàm lượng đường hòa tan ..........................42 
Biểu đồ 4.2. Ảnh hưởng của số mol HCl đến hàm lượng đường hòa tan mẫu rơm .44 
Biểu đồ 4.3. Ảnh hưởng của thời gian đến hàm lượng đường hòa tan mẫu rơm .....45 
Biểu đồ 4.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng đường hòa tan mẫu rơm ......46 
Biểu đồ 4.5. Ảnh hưởng của số mol HCl đến hàm lượng đường hòa tan mùn cưa .47 
Biểu đồ 4.6. Ảnh hưởng của thời gian đến hàm lượng đường hòa tan mùn cưa ......48 

Biểu đồ 4.7. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng đường hòa tan mùn cưa .......49 
Biểu đồ 4.8. Đường chuẩn để xác định hàm lượng đường khử ................................51 
Biểu đồ 4.9. Ảnh hưởng của số mol HCl đến hàm lượng đường khử mẫu rơm ......52 
Biểu đồ 4.10. Ảnh hưởng của thời gian đến hàm lượng đường khử mẫu rơm.........53 
Biểu đồ 4.11. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng đường khử mẫu rơm ..........54 
Biểu đồ 4.12. Ảnh hưởng của số mol HCl đến hàm lượng đường khử mùn cưa .....55 
Biểu đồ 4.13. Ảnh hưởng của thời gian đến hàm lượng đường khử mùn cưa .........56 
Biểu đồ 4.14. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng đường khử mùn cưa ..........57 

xv


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1- Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam là nước nông nghiệp nên hàng năm có lượng phế thải nông nghiệp
rất lớn (rơm, rạ, bã mía…). Nguồn phế thải này đã góp phần gây ra ô nhiễm môi
trường nếu như chúng ta không xử lý kịp thời. Bên cạnh đó, ngành công nghiệp chế
biến gỗ với bước phát triển vượt bậc trong những năm gần đây cũng đã tạo ra lượng
mùn cưa dồi dào. Trước đây, nguồn phế thải này chủ yếu được dùng làm chất đốt.
Gần đây, chúng được tận dụng trong sản xuất ván dăm, ván sợi và cũng là nguồn
nguyên liệu chính để trồng các loại nấm. Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu khoa
học gần đây cho thấy, đó còn là nguồn nguyên liệu cellulose phong phú để sử dụng
trong các ngành công nghiệp giấy, ngành thực phẩm, ngành y tế và một số ngành
công nghiệp khác. Ví dụ, cellulose có trọng lượng phân tử thấp được sử dụng làm
tăng cường độ mịn bề mặt giấy. Với cellulose có trọng lượng phân tử rất nhỏ được
dùng làm thực phẩm chức năng chống béo phì, hoặc thực phẩm chức năng phòng
ngừa các bệnh đường ruột. Với cellulose có cấu trúc kết tinh vi tinh thể được dùng
làm tá dược trong quá trình tạo và dập viên thuốc… Vì vậy, việc nghiên cứu nhằm
đa dạng hóa việc ứng dụng cũng như nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn phế thải

nông lâm nghiệp là vấn đề cần thiết và có ý nghĩa nhiều mặt.
1.2- Mục tiêu, mục đích nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu: tiến hành giảm cấp cellulose tạo ra nguyên liệu cho
ngành công nghiệp thực phẩm, y tế và năng lượng…
− Thủy phân cellulose từ nguyên liệu mùn cưa gỗ cao su.

1


− Thủy phân cellulose từ nguyên liệu rơm.
Mục đích nghiên cứu: nhằm tạo ra các polysaccarit có trọng lượng phân tử
khác nhau dùng làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp giấy, ngành thực phẩm, y
tế,…
1.3- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài: “Nghiên cứu điều chế cellulose giảm cấp với các trọng lượng phân
tử khác nhau từ phế liệu nông lâm nghiệp” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn như
sau:
− Xây dựng cơ sở lý thuyết về điều chế giảm cấp cellulose với các trọng lượng
phân tử khác nhau.
− Với nghiên cứu này sẽ là tài liệu tham khảo cho các thành viên trong ngành
giấy, ngành thực phẩm, y tế…
− Ứng dụng cellulose trong nhiều lĩnh vực khác nhau, góp phần làm phong
phú, đa dạng chủng loại sản phẩm.
− Góp phần làm tăng hiệu quả sử dụng nguồn phế thải nông lâm nghiệp.

2


Chương 2
TỔNG QUAN

2.1- Giới thiệu sơ lược về nguyên liệu
2.1.1- Giới thiệu về mùn cưa gỗ cao su
Theo Nguyễn Thị Ngọc Bích (2003); Lê Xuân Tình (1998); Hồ Sĩ Tráng
(2004), mùn cưa gỗ cao su là vật liệu không đồng nhất - về kết cấu, tính chất vật lý,
tính chất hóa học, nó có khả năng bị phân hủy dưới tác kích của nấm, vi sinh vật và
nhiệt. Đặc biệt các thành phần hóa học có trong mùn cưa gỗ cao su là rất phức tạp.
Phần lớn hợp chất của mùn cưa gỗ cao su là hợp chất cao phân tử. Các hợp chất này
không phải là một hỗn hợp cơ học, mà là một hệ thống gồm các chất có thể tương
tác với nhau về mặt hóa lý hoặc hóa học.
Theo Lê Xuân Tình (1998), thành phần hóa học trong gỗ lá kim và lá rộng
như sau:
Bảng 2.1. Thành phần hóa học của gỗ
Thành phần hóa học

Gỗ lá kim

Gỗ lá rộng

Cellulose

41- 44%

40 - 53%

Hemicellulose

25 - 30%

27 - 40%

Lignin

26 - 33%

16 - 30%

Nhìn chung, so với gỗ lá kim, gỗ lá rộng có hàm lượng cellulose và
hemicellulose cao hơn và hàm lượng lignin thấp hơn.

3


2.1.1.1- Cellulose
Cellulose là một polyme sinh học quan trọng và phổ biến nhất trên thế giới.
Trọng lượng phân tử từ 250000 – 1000000 hoặc lớn hơn. Mỗi phân tử có khoảng
1500 – 3000 gốc glucose. Mặc dù, cellulose đã được sử dụng từ lâu nhưng thông tin
về cấu trúc và tính chất của nó thì còn khá mới mẻ, đặc biệt là tính chất cao phân tử
hầu như là chưa được nhắc đến.
Bằng một số phương pháp hoá học, ta tách được gần như hoàn toàn lignin và
xem như xơ sợi cấu tạo từ cellulose tinh.
Về cấu tạo, phân tử cellulose có cấu tạo mạch thẳng, bao gồm những đơn vị
D-glucopyrano, liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4-glucoxit nghĩa là các vòng
glucopyrano quay ngược nhau một góc 1800.
Cellulose không tan trong nước, trong kiềm hay acid loãng. Nhưng có thể bị
phân huỷ bằng phản ứng thuỷ phân và bị oxy hoá bởi dung dịch kiềm đặc ở nhiệt độ
trên 1500C.

CH2OH
O
O

O

OH

O

O

OH

OH

O
CH2OH

O

O
OH

OH

OH

CH2OH
O

OH

CH2OH
O

OH

OH

O
CH2OH

OH

Ngoài ra, có một số định nghĩa khác dựa trên độ bền kiềm là α, β, γ-cellulose
+ α - cellulose: là polysacharide chỉ chứa các đơn vị glucose, có độ trùng hợp
cao (DP > 2000 đơn vị glucose) và không tan trong dung dịch NaOH nguội
17%.
+ β - cellulose: là phần hemicellulose độ trùng hợp thấp (DP = 15 - 90), có
khả năng hòa tan trong dung dịch NaOH nguội 17,5% nhưng sau đó sẽ kết
tủa khi chuyển sang môi trương acid.

4


+ γ - cellulose: là phần hemicellulose vẫn hòa tan sau khi chuyển dung dịch
sang môi trường acid. γ - cellulose thực ra là phần hemicellulose có độ
trùng hợp thấp (DP < 15), được cấu tạo từ những đơn vị đường khác với
glucose.
Cellulose vi tinh thể: là cellulose đã bị thủy phân một phần, phần kết tinh
phân lập từ chuỗi sợi cellulose dựa trên phản ứng thủy phân cellulose tinh khiết
trong môi trường acid. Cellulose thu được có màu trắng, DP thấp, không tan trong

nước, phân tán trong nước cho gel, bền vững với hóa học, sinh học và là tá dược
quan trọng trong điều chế dược phẩm.
a. Tính chất vật lý
Cellulose là chất rắn, màu trắng, không tan trong nước ngay cả khi đun nóng,
không tan trong dung môi hữu cơ thông thường như alcol, ether, benzene,…
Cellulose có thể hòa tan vào trong dung dịch kiềm như amoniac đồng, dung dịch
kiềm của một số muối amonium tứ cấp. Các dung dịch acid H2SO4 72%, HCl đậm
đặc, một số dung dịch muối, đặc biệt là dung dịch perclorat berilium là dung môi tốt
nhất cho cellulose.
b. Tính chất hóa học
− Phản ứng với NaOH

CH2OH
O
O

CH2ONa
O
O

NaOH

OH

O

O
ONa

OH

ONa

Cellulose kiềm
Khi xử lý với dung dịch NaOH lớn hơn 12% thì cellulose chuyển thành
cellulose kiềm. Đây là một trong những phản ứng quan trọng nhất của cellulose vì
sản phẩm cellulose kiềm được dùng như là chất trung gian trong nhiều phản ứng

5


tổng hợp sợi visco, các eter cellulose như metylcellulose (MC), etylcellulose (EC),
CMC, HEC,…
Trong công nghiệp điều chế cellulose kiềm, người ta thường dùng bột giấy
được khuấy trộn và cắt ngắn trong dung dịch bão hoà 50% trở lên để bột giấy có thể
tan hoàn toàn, tạo ra được sản phẩm có mức độ thế và hiệu suất cao.
− Phản ứng xanthogenate tạo xanthogenate cellulose
Cellulose được xử lý với dung dịch NaOH 18% ở 15 – 300C tạo cellulose
kiềm sau đó cho hỗn hợp trên phản ứng với cacbondisulfit ở 20 – 350C trong
khoảng 3 giờ. Sản phẩm thu được là cellulose xanthogenate có DS = 0,5. Đây là
chất trung gian trong sản xuất sợi nhân tạo, cellophane, cellulose tái sinh.

CH2ONa
O
O

CH2OCSSNa
O
O

CS2

O

OH

O
OH

OH

OH

Cellulosexanthogenat
− Phản ứng eter hóa tạo eter cellulose
Cellulose eter được tạo thành khi xử lý cellulose kiềm với alkyl, aryl halogen
hoặc sulfate, các dẫn xuất α, β, γ halogen của acid cacboxylic hoặc muối của chúng.
Một số dẫn xuất của cellulose được điều chế theo phương pháp eter hóa với mức độ
thế gần bằng 3 như MC, EC, CMC, HEC.

CH2ONa
O
O

CH2OR
O
O

RCl

O

OH

O
OH

OH

OH

Monoalkylcellulose
6


CH2ONa
O

CH2OCH2CH2OH
O
O

O

O

O
OH

O

OH

OH

OH

Hydroxiethylcellulose
− Phản ứng tạo ester (gồm ester vô cơ và ester hữu cơ)
+ Ester vô cơ

CH2OH
O

...
O

HNO3

O
...

OH

H2SO4

CH2ONO2
O

...
O

O
...

OH
OH

OH

Mononitrat cellulose
Cellulose được cho phản ứng trực tiếp với các acid mạnh (H2SO4, HNO3,
H3PO4) và nước. Trong công nghiệp điều chế cellulose trinitrate (mức độ thế DS
gần bằng 3) người ta cho cellulose phản ứng với hỗn hợp acid H2SO4 66%, HNO3
22% và 12% H2O. Tùy mức độ thế mà cellulose nitrate được dùng trong các lĩnh
vực khác nhau: DS = 1 - 2,3 là chất dẻo và tạo màng trong sơn; DS > 2,3 dễ cháy nổ
nên làm thuốc súng, thuốc nổ không khói…
+ Ester hữu cơ
Khi cho cellulose phản ứng với các acid hữu cơ, anhydride, clorua acid với
xúc tác acid sulfuric, sản phẩm thu được là các ester hữu cơ của cellulose như:
acetate cellulose, acetobutinate cellulose…

7


CH2OH
O

...
O

O
OH

...

Ac2O

...

CH2OCOCH3
O
O

O
OH

...

OH

OH

Monoacetat cellulose

Cellulose acetate là một trong những dẫn xuất phổ biến của cellulose. Tùy
theo mức độ phản ứng, người ta có thể thu được các dẫn xuất monoacetate,
diacetate và triacetate. Các dẫn xuất trên có nhiều ứng dụng trong công nghiệp như:
sợi chất dẻo, sợi acetate (lụa nhân tạo), phim ảnh…
− Phản ứng oxy hóa
Trong công nghiệp sản xuất giấy để tẩy trắng bột giấy người ta thường dùng

các chất oxy hóa mạnh để tẩy trắng, trong quá trình đó các nhóm OH bậc 1 và 2 của
phân tử cellulose hay hemicellulose sẽ dễ bị oxy hóa với tác nhân này. Khi oxy hóa
với H2O2 có một lượng nhỏ xúc tác như Fe, Mn thì có sự tạo thành gốc tự do HO*.
Chính gốc tự do trên tham gia vào quá trình phản ứng trên mạch cellulose. Quá
trình tạo gốc tự do trên mạch cellulose trong giai đoạn (A) là cơ sở cho nhiều phản
ứng tạo copolymer ghép. Quá trình oxy hóa sâu cellulose có thể tạo thành acid
ascorbic, acid glucuronic.

CH2OH
O
O

CH2OH
O
O

HO*
(A)

OH

O

O
OH

OH

*
OH

O2

CH2OH
O
O

CH2OH
O
O

OH

H+
O2*

O
ONa O2*
OH

O

8

O