Tìm hiểu các phương pháp xử lý phụ phế phẩm giàu xơ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TÌM HIỂU CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ PHỤ PHẾ
PHẨM GIÀU XƠ

Ngành

: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Sinh viên thực hiện
MSSV: 0811080034

: TRẦN NGỌC PHÚ QUÍ
Lớp: 08CSH2

TP. Hồ Chí Minh, 2011


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2010


Khoá luận tốt nghiệp 2011

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài khoá luận tốt nghiệp “Tìm hiểu các phương pháp xử lý
phụ phế phẩm giàu xơ” được thực hiện một cách trung thực. Không sao chép các đề tài
khoá luận khác.

TP.HCM, ngày 3 tháng 7 năm 2011
Sinh viên thể hiện

Trần Ngọc Phú Quí

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

Khoá luận tốt nghiệp 2011

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và dìu dắt tận tình của giảng viên hướng
dẫn trong suốt quá trình em thực hiện khoá luận này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giảng viên khoa Môi trường và công
nghệ sinh học của Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP.HCM, đã truyền dạy cho em những
kiến thức hữu ích và quý báu trong những năm học vừa qua.
Cuối cùng em xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã tạo điều kiện và động viên giúp
em hoàn thành tốt bài khoá luận này.
Do thời gian làm khoá luận có hạn cho nên còn nhiều thiếu sót về nhiều mặt. Em
rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giảng viên.

TP.HCM, ngày 3 tháng 7 năm 2011
Sinh viên thể hiện

Trần Ngọc Phú Quí

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2


Khoá luận tốt nghiệp 2011
 

MỤC LỤC
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục

Danh mục các từ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các sơ đồ, hình ảnh
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ...................................................................................................1
1.1.

Đặt vấn đề:..........................................................................................................1

1.2.

Mục tiêu:.............................................................................................................2

1.3.

Nội dung nghiên cứu: .........................................................................................2

1.4. Phương pháp thực hiện khóa luận: ..............................................................2
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHỤ PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP...........................3
2.1.

Định nghĩa phụ phế phẩm nông nghiệp:.............................................................3

2.2.

Nguồn gốc, thành phần và tính chất phụ phế phẩm nông nghiệp: .....................3

2.2.1.Nguồn gốc: ...................................................................................................... 3
2.1.1.Thành phần và tính chất: ................................................................................ 4
2. 3.1. Cấu trúc của lignocelluloses: .........................................................................6
2.3.2. Enzyme thủy phân lignocelluloses:...............................................................19

2.4.

Ứng dụng của enzyme lignocellulolytic:..........................................................25

CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ PHỤ PHẾ PHẨM GIÀU XƠ...27
3.1.

Phương pháp vật lý:..........................................................................................28

3.2.

Phương pháp hoá học: ......................................................................................29

3.3.

Phương pháp sinh học: .....................................................................................37

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2
 

i


Khoá luận tốt nghiệp 2011
 

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG PHỤ PHẨM GIÀU XƠ LÀM THỨC ĂN GIA SÚC.......38
4.1. Vai trò của đại gia súc đối với việc phát triển nông thôn:..................................38
4.1.1.Cung cấp sức kéo:

38

4.1.2.Cung cấp thực phẩm:

39

4.1.3.Cung cấp phân bón và chất đốt:

39

4.1.4.Cung cấp nguyên liệu chế biến:

40

4.2.

Tìm hiểu về khả năng sử dụng thức ăn giàu xơ của GSNL: ............................40

4.2.1.Khả năng sử dụng thức ăn giàu xơ:

40

4.2.2.Hệ vi sinh vật có trong dạ cỏ:

43

4.3.

Các qui trình chế biến phụ phẩm nông nghiệp làm thức ăn GSNL:.................49

4.3.1.Quy trình chế biến rơm lúa bằng phương pháp xử lý ure – vôi: .................. 49
4.3.2.Quy trình chế biến và sử dụng tảng ure-rỉ mật:............................................ 51
4.3.3.Quy trình chế biến thân lá cây lạc bằng phương pháp ủ chua làm thức ăn cho
lợn và trâu bò: ........................................................................................................ 53
CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG Ủ COMPOST TỪ NGUỒN PHỤ PHẨM GIÀU XƠ.......57
5.1.

Định nghĩa compost:.........................................................................................57

5.2.

Các phản ứng sinh hoá xảy ra trong quá trình ủ:..............................................57

5.2.1.Các phản ứng sinh hoá: ................................................................................ 57
5.2.2.Các phản ứng sinh học:................................................................................. 59
5.3.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ủ compost: ..............................................60

5.3.1.Các yếu tố vật lý:........................................................................................... 60
5.3.2.Các yếu tố hoá sinh:...................................................................................... 63
5.4.

Ủ compost bằng nguồn phụ phế phẩm giàu xơ: ...............................................68

5.5.

Chất lượng compost: dựa trên bốn yếu tố: .......................................................69

5.6.

Tính cần thiết của compost:..............................................................................69

CHƯƠNG 6: ỨNG DỤNG PHỤ PHẨM GIÀU XƠ TRONG VIỆC TẠO NGUỒN
NHIÊN LIỆU SẠCH (BIO-ETHANOL).......................................................................72
6.1.

Giới thiệu: .........................................................................................................72

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2
 

ii


Khoá luận tốt nghiệp 2011
 

6.2.

Cách thực hiện: .................................................................................................72

6.2.1.Bước 1: Quá trình tiền xử lý nguyên liệu:..................................................... 72
6.2.2.Bước 2: Thuỷ phân nguồn nguyên liệu bằng tổ hợp enzyme: ....................... 73
6.2.3.Bước 3: Lên men cồn từ hỗn hợp đường hoà tan: ........................................ 74
6.2.4.Bước 4: Chưng cất – khử nước:.................................................................... 75
6.3.

Kết luận: ...........................................................................................................75

Kết luận
Tài liệu tham khảo

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2
 

iii


Khoá luận tốt nghiệp 2011
 

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

VSV: Vi sinh vật.
GSNL: Gia súc nhai lại.
FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations): Tổ chức Lương thực
và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc.
NXB: Nhà xuất bản.
TDN (Total digestible nutrients): Tổng các chất dinh dưỡng tiêu hóa được.
TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam.
EM (Effective microorganisms): Là chế phẩm sinh học tập hợp các loài vi sinh vật có
ích như: vi khuẩn quang hợp, vi khuẩn lactic, nấm men, xạ khuẩn, nấm mốc,… sống
cộng sinh trong cùng môi trường.

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

 

iv


Khoá luận tốt nghiệp 2011
 

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Ước tính khối lượng các nguồn phụ phẩm nông nghiệp chính ở Việt Nam
Bảng 2.2: Giá trị dinh dưỡng của một số phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam
Bảng 2.3: Thành phần lignocellulose trong rác thải và phế phẩm phổ biến
Bảng 3.1: Ảnh hưởng của NaOH và Ca(OH)2 đến tỷ lệ tiêu hoá vật chất khô của bã mía
(Martin,1979)
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của xử lý rơm bằng dung dịch urê 4% đến thành phần dinh
dưỡng của rơm.
Bảng 5.1: Giới hạn chịu nhiệt tốt nhất của VSV
Bảng 5.2: Tỷ lệ C/N của chất thải.
Bảng 5.3: Các thông số quan trọng trong quá trình ủ compost hiếu khí
Bảng 5.4: Tiêu chuẩn ngành 10 TCVN 525 – 2002 phân hữu cơ VSV từ bã mía của Bộ
Nông Nghiệp và Phát Triển Nông Thôn.

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2
 

v

Khoá luận tốt nghiệp 2011
 

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Cấu trúc thành tế bào thực vật
Hình 2.2: Thành phần chủ yếu của lignocelluloses
Hình 2.3: Tỉ lệ % các thành phần có trong lignocelluloses
Hình 2.4: Công thức hóa học của cellulose
Hình 2.5: Mô hình Fringed fibrillar và mô hình chuỗi gập
Hình 2.6: Các đơn vị cơ bản của lignin
Hình 2.7: Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính
Hình 2.8: O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ cứng
Hình 2.9: Arabino-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ mềm
Hình 2.10: Sự phân hủy vật liệu lignocelluloses trong tự nhiên nhờ các vi sinh vật phân
hủy lignin, hemicelluloses (xylan) và cellulose tạo ta đườn cung cấp dinh dưỡng cho
những vi sinh vật khác dẫn đến sự phân hủy hoàn tòan chất hữu cơ thành CO2 và CH4
(phân hủy kị khí).
Hình 2.11: Tác dụng của từng enzyme trong cellulose
Hình 2.12: (A) Enzyme xylanolytic liên quan đến quá trình phân giải xylan. Ac: nhóm
acetyl; α-Araf: α-arabinofuranose; α-4-O-Me-GlcA: α-4-O-methylglucuronic acid. (B)
Thủy phân các xylooligosaccharide bởi enzyme β-xylosidase.

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2
 

vi

Khoá luận tốt nghiệp 2011
 

Sơ đồ 3.1: Các phương pháp xử lý phụ phẩm nông nghiệp giàu xơ
Sơ đồ 3.2: Nguyên lý xử lý thức ăn giàu xơ ( Chesson, 1986)
Hình 4.1: Những loài gia súc ăn cỏ chính
Hình 4.2: Cấu tạo đường tiêu hoá của GSNL
Sơ đồ 6.1: Qui trình sản xuất ethanol từ nguồn phế liệu lignocellulose

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2
 

vii


Khoá luận tốt nghiệp 2011

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề:
Nước ta là một nước nông nghiệp và hàng năm thải ra một lượng lớn đến hàng
triệu tấn các chất phế thải như trấu, bã mía, vỏ hạt điều, vỏ lạc, rơm, vỏ cafe,… Cụ thể,
mỗi năm nguồn sinh khối trấu của nước ta khoảng 100 triệu tấn, mùn cưa 250 triệu tấn,
vỏ lạc 4,5 triệu tấn, vỏ hạt điều, bã mía, gỗ vụn khoảng 400 triệu tấn. Trong đó, phụ
phẩm trấu tập trung chủ yếu tại Đồng bằng Sông Cửu Long, Đồng bằng Bắc Bộ và
duyên hải Nam trung bộ. Phụ phẩm mùn cưa tập trung nhiều ở Miền Trung, Tây
Nguyên, Tây Bắc. Vỏ cà phê có nhiều ở các tỉnh Tây Nguyên.
Mặt hạn chế của phụ phẩn nông nghiệp là một số loại có hàm lượng chất xơ rất
cao, thí dụ rơm lúa chứa 34% chất xơ, còn lá mía chứa 43% tính trong chất khô, nên rất
khó tiêu hóa. Mặt khác một số loại phụ phẩm lại khó chế biến và dự trữ khi thu hoạch

đồng loạt như cây lạc, dây lang, ngọn lá sắn, lá mía...
Một số nơi người nông dân sử dụng các phế thải nông nghiệp để làm chất đốt
nhưng không hiệu quả, hoặc đốt bỏ gây ô nhiễm môi trường sống nghiêm trọng, thậm
chí ở một số nơi chúng không được sử dụng rất lãng phí. Cùng với sự phát triển của nề
nông nghiệp, qui mô sản xuất ngày càng lớn và tập trung, các chế phẩm nông nghiệp
ngày càng nhiều, việc nghiên cứu sử dụng chúng phục vụ cho đời sống và công nghiệp
càng trở nên cần thiết. Những hướng ứng dụng để xử lý nguồn phụ phẩm nông nghiệp
có thể tìm hiểu được thông qua đề tài này là:
 Sử dụng làm thức ăn cho gia súc.
 Làm phân compost.
 Làm bio-ethanol.
 Nhiều ứng dụng khác:làm chất đốt, sản xuất biogas,…

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

1


Khoá luận tốt nghiệp 2011

Việc chọn đề tài: “Tìm hiểu các phương pháp xử lý phụ phế phẩm giàu xơ”
cũng là mục đích nhằm tìm hiểu rõ hơn việc làm thế nào để xử lý một cách có hiệu quả
nhất nguồn phụ phế phẩm giàu xơ trong nước.
1.2. Mục tiêu:
Tìm hiểu thành phần cấu tạo các phụ phế phẩm giàu xơ ở Việt Nam và các
phương pháp xử lý thích hợp để ứng dụng làm thức ăn đại gia súc, ủ compost làm phân
bón và sản xuất bio-ethanol.
1.3. Nội dung nghiên cứu:


Tổng quan về phụ phế phẩm giàu xơ:
 Thành phần cấu tạo phụ phế phẩm giàu xơ.
 Các enzyme phân hủy phụ phế phẩm giàu xơ.



Tổng quan về các phương pháp xử lý phụ phế phẩm giàu xơ: hóa lý
và sinh học.



Tổng quan về thức ăn gia súc nhai lại và các qui trình xử lý phụ phế
phẩm giàu xơ làm thức ăn gia súc nhai lại.



Tổng quan về các phương pháp ủ compost phụ phế phẩm giàu xơ làm
phân bón hữu cơ.



Tổng quan về phụ phế phẩm giàu xơ để sản xuất bio-ethanol.

1.4. Phương pháp thực hiện khóa luận:
Tổng hợp tài liệu
Tham khảo ý kiến chuyên gia.

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

2


Khoá luận tốt nghiệp 2011

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHỤ PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP
2.1. Định nghĩa phụ phế phẩm nông nghiệp:
Là những sản phẩm nông nghiệp không đạt tiêu chuẩn về kích thước, phẩm chất,
giá trị sử dụng... đã quy định, phải loại bỏ nhằm đảm bảo yêu cầu sử dụng hoặc chế
biến.
Phụ phẩm nông nghiệp đều là những chất hữu cơ, có thể còn non, xanh; có thể đã
xơ cứng vì silic hoá như trấu hay lignin hoá như gỗ. Chúng còn có thể được xem như là
một dạng tích trữ năng lượng từ mặt trời nhờ quá trình quang tổng hợp và các quá trình
sinh học khác trong sản xuất nông nghiệp.
2.2. Nguồn gốc, thành phần và tính chất phụ phế phẩm nông nghiệp:
2.2.1. Nguồn gốc:
Trong quá trình sản xuất nông nghiệp hay chế biến nông sản, bên cạnh những sản
phẩm chính, dù muốn hay không chúng ta cũng còn có những phần sản phẩm phụ
khác. Chẳng hạn khi trồng lúa, ngoài hạt lúa thu hoạch được, ta còn có rơm, gốc rạ; khi
xay lúa, ngoài gạo, ta còn có tấm, cám, trấu, bụi,…Khi chăn nuôi gia súc, ngoài sản
phẩm chính là thịt, trứng hay sữa, sức kéo, ta còn có phân…
Khối lượng phụ phẩm này rất lớn, riêng đối với các loại cây ngũ cốc, phần ăn
được chỉ chiếm phân nửa hay một phần ba khối lượng. Những phụ phẩm này thực sự
là nguồn tài nguyên phong phú và có giá trị; chúng còn có thể được sử dụng cho nhiều
mục đích khác nhau và có thể tạo thêm giá trị, thu nhập cho nông dân, nếu không,
chúng có thể gây nên ô nhiễm môi trường.

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

3


Khoá luận tốt nghiệp 2011

2.1.1. Thành phần và tính chất:
Ở nước ta nguồn phụ phẩm nông nghiệp được ước tính dựa trên khảo sát khối
lượng thực tế của từng loại phụ phẩm tính trên một đơn vị diện tích, sau đó ước tính
tổng khối lượng cho toàn quốc, dựa vào số liệu thống kê về diện tích gieo trồng hàng
năm. Khối lượng này được quy đổi ra chất khô để tiện cho việc so sánh, đánh giá (bảng
2.1).
Bảng 2.1: Ước tính khối lượng các nguồn phụ phẩm nông nghiệp chính ở Việt Nam
Tên phụ phẩm

Diện tích gieo trồng (triệu Khối lượng phụ phẩm
ha/ năm)

(Tr. tấn chất khô/ năm)

Rơm lúa

7,5

25,0

Cây ngô (đã thu bắp)

0,65

2,0

Dây lạc

0,27

0,48

Dây lang

0,26

0,24

Ngọn, lá sắn

0,23

0,29

Lá mía

0,28

0,42

Tổng cộng

-

28,4

(Nguồn: Số liệu thống kê 2001 – NXB Thống kê, 2002; Bùi Văn Chính, lê Viết Ly,
1996,2001)
Mặt hạn chế của phụ phẩn nông nghiệp là một số loại có hàm lượng chất xơ rất
cao, thí dụ rơm lúa chứa 34% chất xơ, còn lá mía chứa 43% tính trong chất khô, nên rất
khó tiêu hóa. Mặt khác một số loại phụ phẩm lại khó chế biến và dự trữ khi thu hoạch
đồng loạt như cây lạc, dây lang, ngọn lá sắn, lá mía...

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

4


Khoá luận tốt nghiệp 2011

Đó cũng là một lý do làm cho người nông dân chỉ sử dụng được một phần các
loại phụ phẩm này ở dạng tươi làm thức ăn cho gia súc.
Bảng 2.2: Giá trị dinh dưỡng của một số phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam
% tính trong chất khô
Tên phụ phẩm

Chất

Chất xơ

Protein

khô (%)

Tổng các chất Năng lượng trao
dinh
tiêu

dưỡng đổi - ME, (Kcal/
hóa

- kg chất khô)

TDN
Rơm lúa

90,8

34,3

5,1

45,9

1662

Cây ngô già

61,6

31,5

7,6

54,1

1958

Lá mía

28,8

42,9

8,2

49,3

1778

Dây lang

20,0

24,5

11,0

59,5

2160

Dây lạc

22,5

27,7

14,1

63,5

2289

Ngọn, lá sắn

25,5

22,7

16,9

67,5

2549

Các số liệu ở (bảng 2.2) cho thấy hàm lượng xơ của rơm lúa, cây ngô già và lá
mía khá cao; nên rất cần được chế biến bằng các tác nhân hóa học hay sinh học để
nâng cao tỷ lệ tiêu hóa chất xơ và các chất hữu cơ khác.
Nhìn chung các loại phụ phẩm đều chứa một nguồn các chất dinh dưỡng tiềm
tàng khá cao, nhưng tổng các chất dinh dưỡng tiêu hóa được (TDN) còn khá thấp. Do
đó còn nhiều khả năng nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn các chất dinh dưỡng tiềm tàng
này trong các phụ phẩm nông nghiệp nếu chúng ta tác động bằng khâu chế biến và phối

hợp khẩu phần một cách hợp lý để nâng cao tỷ lệ tiêu hóa chất hữu cơ của chúng.

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

5


Khoá luận tốt nghiệp 2011

Về nguyên tắt chất xơ trong rơm rạ và các loại thức ăn thô tương tự chủ yếu là
cellulose, hemicelluloses, và lignin, gọi chung là lignocellulose. Giữa chúng
có các liên kết hoá học tạo nên từ sự bền vững của màng tế bào thực vật.
2.3. Thành phần cấu tạo phụ phế phẩm giàu xơ
2. 3.1. Cấu trúc của lignocelluloses:
2.3.1.1. Cấu trúc thành tế bào thực vật :
Trong tự nhiên, các lớp của thành tế bào thực vật được minh họa bằng mô hình
của gỗ (Hình 3.1). Ở giữa các tế bào, có một hợp chất đóng vai trò như keo dán gắn kết
các tế bào lại với nhau, đó là lớp gian bào (middle lamella). Lớp này cấu tạo từ các
chất keo, có bản chất pectin và không có tác động về quang học. Bên trong là thành tế
bào sơ cấp (primary wall).

Hình 2.1: Cấu trúc thành tế bào thực vật
Thành tế bào sơ cấp có thể được chia thành mặt bên trong và mặt bên ngoài. Sự
sắp xếp của các vi sợi trong thành tế bào sơ cấp phân tán tăng dần từ mặt trong ra mặt
ngoài. Tiếp đến là thành tế bào thứ cấp gồm 3 lớp: lớp ngoài (S1), lớp giữa (S2) và lớp
trong (S3).
SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

6


Khoá luận tốt nghiệp 2011

Sự phân chia thành tế bào thứ cấp thành ba lớp S chủ yếu là do sự định hướng
khác nhau của các vi sợi trong ba lớp đó. Điển hình các vi sợi định hướng xoắn trong
vách tế bào. Lớp ngoài của thành tế bào thứ cấp, các vi sợi được định hướng trong cấu
trúc xoắn chéo có độ nghiêng tạo thành một góc lớn với trục dọc của tế bào. Lớp giữa
là lớp dày nhất và ở lớp giữa có góc nhỏ và độ nghiêng của sợi xoắn ốc trong khi vi sợi
trong lớp 3 được sắp xếp như ở lớp ngoài, với một góc rộng với trục dọc của tế bào.
Ngoài ra trong một số trường hợp, trên mặt trong của thành tế bào có lớp sần sùi (W).
Chức năng của thành tế bào là chống đỡ cho các cơ quan của cây đặc biệt là các vách
dày và cứng. Thành tế bào còn giữ các chức năng quan trọng chính như hấp thụ, thoát
hơi nước hay vận chuyển và bài tiết.
Lignocellulose là thành phần cấu trúc chính của thực vật thân gỗ và các thực vật
khác như cỏ, lúa, ngô…Trong tự nhiên, chúng ta có thể tìm thấy lignocellulose ở thực
vật hay các chất thải nông nghiệp, lâm nghiệp và các chất thải rắn trong thành phố.
Thành phần chủ yếu của lignocellulose là cellulose, hemicellulose và lignin (Hình 3.2).
Cellulose và hemicellulose là các đại phân tử cấu tạo từ các gốc đường khác nhau,
trong khi lignin là một polymer dạng vòng được tổng hợp từ tiền phenylpropanoid.
Thành phần cấu tạo và phần trăm của các polymer này là khác nhau giữa các loài. Hơn
nữa, thành phần cấu tạo trong cùng một cây hay các cây khác nhau là khác nhau dựa
vào độ tuổi, giai đoạn sinh trưởng, phát triển của cây và các điều kiện khác. Thành
phần của lignocellulose được trình bày ở (Bảng 3.1).

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

7

Khoá luận tốt nghiệp 2011

Hình 2.2: Thành phần chủ yếu của lignocelluloses

Hình 2.3: Tỉ lệ % các thành phần có trong lignocelluloses

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

8


Khoá luận tốt nghiệp 2011

Bảng 2.3: Thành phần lignocellulose trong rác thải và phế phẩm phổ biến
Nguồn lignocellulose

Cellulose (%)

Hemicellulose (%) Lignin (%)

Thân gỗ cứng

40-55

24-40

18-25

Thân gỗ mềm

45-50

25-35

25-35

Vỏ lạc

25-30

25-30

30-40

Lõi ngô

45

35

15

Giấy

85-99

0

0-15

Vỏ trấu

32.1

24

18

Vỏ trấu của lúa mì

30

50

15

Rác đã phân loại

60

20

20

Lá cây

15-20

80-85

0

Hạt bong

80-95

5-20

0

Giấy báo

40-55

25-40

18-30

Giấy thải từ bột giấy hóa học

60-70

10-20

5-10

Chất rắn nước thải ban đầu

8-15

-

24-29

Chất thải của lợn

6

28

-

Phân bón gia súc

1.6-4.7

1.4-3.3

2.7-5.7

Cỏ ở bờ biển Bermuda

25

35.7

6.4

Cỏ mềm

45

31.4

12.0

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

9


Khoá luận tốt nghiệp 2011

Các loại cỏ (trị số trung bình 25-40

25-50

10-30

30

18.9

cho các loại)
Bã thô

33.4

Lượng lớn lignocellulose được thải ra từ các ngành lâm nghiệp, nông nghiệp,
công nghiệp giấy và gây ra ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, lượng lớn các sinh khối
thực vật dư thừa được coi là rác thải có thể được biến đổi thành nhiều sản phẩm có giá
trị khác nhau như nhiên liệu sinh học, hóa chất, các nguồn năng lượng rẻ cho quá trình
lên men, bổ sung chất dinh dưỡng cho con người và thức ăn cho động vật.
2.3.1.2. Cellulose :
Cellulose là hợp chất hữu cơ có công thức cấu tạo (C6H10O5)n, và là thành phần
chủ yếu của thành tế bào thực vật, gồm nhiều cellobiose liên kết với nhau, 4-O- (β-DGlucopyranosyl)-D-glucopyranose (Hình 3.4). Cellulose cũng là hợp chất hữu cơ nhiều
nhất trong sinh quyển, hàng năm thực vật tổng hợp được khoảng 1011 tấn cellulose
(trong gỗ, cellulose chiếm khoảng 50% và trong bông chiếm khoảng 90%).

Hình 2.4: 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 tinh thể và vô định hình. Trong vùng tinh
thể, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau, vùng này khó bị tấn công bởi
enzyme cũng như hóa chất.

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

10


Khoá luận tốt nghiệp 2011

Ngược lại, trong vùng vô định hình, cellulose liên kết không chặt với nhau nên dễ
bị tấn công. Có hai mô hình cấu trúc của cellulose đã được đưa ra nhằm mô tả vùng
tinh thể và vô định hình như (Hình 3.5).

Hình 2.5: Mô hình Fringed fibrillar và mô hình chuỗi gập
Trong mô hình 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.
Trong mô hình chuỗi gập: phân tử cellulose gấp khúc theo chiều sợi. Mỗi đơn vị
lặp lại có độ trùng hợp khoảng 1000, giới hạn bởi hai điểm a và b như trên hình vẽ. 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 - glycoside 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 180o cho toàn mạch.

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

11


Khoá luận tốt nghiệp 2011

Vùng vô định hình 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 - glycoside) sẽ làm giảm độ bền
của liên kết, đồng thời vị trí này không tạo được liên kết hydro.
Cellulose có cấu tạo tương tự carbohydrate phức tạp như tinh bột và glycogen.
Các polysaccharide này đều được cấu tạo từ các đơn phân là glucose. Cellulose là
glucan không phân nhánh, trong đó các gốc glucose kết hợp với nhau qua liên kết β1 4- glycoside, đó chính là sự khác biệt giữa cellulose và các phân tử carbohydrate
phức tạp khác. Giống như tinh bột, cellulose được cấu tạo thành chuỗi dài gồm ít nhất
500 phân tử glucose. Các chuỗi cellulose này xếp đối song song tạo thành các vi sợi
cellulose có đường kính khoảng 3,5 nm. Mỗi chuỗi có nhiều nhóm OH tự do, vì vậy
giữa các sợi ở cạnh nhau kết hợp với nhau nhờ các liên kết hidro được tạo thành giữa

các nhóm OH của chúng. Các vi sợi lại liên kết với nhau tạo thành vi sợi lớn hay còn
gọi là bó mixen có đường kính 20 nm, giữa các sợi trong mixen có những khoảng trống
lớn. Khi tế bào còn non, những khoảng này chứa đầy nước, ở tế bào già thì chứa đầy
lignin và hemicellulose.
Cellulose có cấu trúc rất bền và khó bị thủy phân. Người và động vật không có
enzyme phân giải cellulose (cellulase) nên không tiêu hóa được cellulose, vì vậy
cellulose không có giá trị dinh dưỡng. Tuy nhiên, một số nghiên cứu cho thấy cellulose
có thể có vai trò điều hòa hoạt động của hệ thống tiêu hóa. Vi khuẩn trong dạ cỏ của
gia súc, các động vật nhai lại và động vật nguyên sinh trong ruột của mối sản xuất
enzyme phân giải cellulose. Nấm đất cũng có thể phân hủy cellulose. Vì vậy chúng có
thể sử dụng cellulose làm thức ăn.

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

12


Khoá luận tốt nghiệp 2011

2.3.1.3. Lignin :
Lignin là một phức hợp chất hóa học phổ biến được tìm thấy trong hệ mạch thực
vật, chủ yếu là giữa các tế bào, trong thành tế bào thực vật. Lignin là một trong các
polymer hữu cơ phổ biến nhất trên trái đất. Lignin có cấu trúc không gian 3 chiều, phức
tạp, vô định hình, chiếm 17% đến 33% thành phần của gỗ. Lignin không phải là
carbohydrate nhưng có liên kết chặt chẽ với nhóm này để tạo nên màng tế bào giúp
thực vật cứng chắc và giòn, có chức năng vận chuyển nước trong cơ thể thực vật (một
phần là để làm bền thành tế bào và giữ cho cây không bị đổ, một phần là điều chỉnh
dòng chảy của nước), giúp cây phát triển và chống lại sự tấn công của côn trùng và
mầm bệnh. Thực vật càng già, lượng lignin tích tụ càng lớn. Hơn nữa, lignin đóng vai

trò quan trọng trong chu trình carbon, tích lũy carbon khí quyển trong mô của thực vật
thân gỗ lâu năm, là một trong các thành phần bị phân hủy lâu nhất của thực vật sau khi
chết, để rồi đóng góp một phần lớn chất mùn giúp tăng khả năng quang hợp của thực
vật.
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. 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), trans-coniferyl alcohol; syringyl (S), trans-sinapyl
alcohol; p-hydroxylphenyl (H), trans-p-courmary alcohol (Hình 3.6).

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

13


Khoá luận tốt nghiệp 2011

Hình 2.6: 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-syringyl lignin.
Gỗ mềm chứa chủ yếu là guaiacyl, gỗ cứng chứa chủ yếu syringyl. Các nghiên
cứu đã chỉ ra rằng guaiacyl lignin hạn chế sự trương nở của xơ sợi và vì vậy loại
nguyên liệu đó sẽ khó bị tấn công bởi enzyme hơn syringyl lignin.
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 không có vùng vô định hình.
Các vòng phenyl trong lignin của gỗ mềm được sắp xếp trật tự trên mặt phẳng thành tế

bào. Ngoài ra, cả cấu trúc hóa học và cấu trúc không gian của lignin đều bị ảnh hưởng
bởi mạng polysaccharide. Việc mô hình hóa động học phân tử cho thấy rằng nhóm
hydroxyl và nhóm methoxyl trong các oligomer tiền lignin sẽ tương tác với vi sợi
cellulose cho dù bản chất của lignin là kỵ nước.

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí
Lớp: 08CSH2

14