BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
ĐỒ ÁN
CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
THIẾT KẾ THIẾT BỊ LÊN MEN ETHANOL TỪ RƠM RẠ
Sinh viên thực hiện:Nguyễn Mai ngọc Tuyền
Nguyễn Lê Khánh Linh
Ngành: Công nghệ kĩ thuật hoá học
Niên khóa: 2012 - 2016
Tháng 9/2015
Đồ Án CNHH
GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt
THIẾT KẾ THIẾT BỊ LÊN MEN ETHANOL TỪ RƠM RẠ
Tác giả
NGUYỄN MAI NGỌC TUYỀN
NGUYỄN LÊ KHÁNH LINH
Giáo viên hướng dẫn
Th.S NGUYỄN BẢO VIỆT
Đồ Án học kì 2 năm học: 2014 – 2015
Ngành: Công nghệ kĩ thuật hóa học
Tháng 9/2015
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ
1
Đồ Án CNHH
GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt
LỜI CẢM TẠ
Lời đầu tiên, chúng em xin gửi lời tri ân chân thành sâu sắc nhất đến PGS.Ts
TRƯƠNG VĨNH đã tạo điều kiện cho chúng em được học môn Đồ Án Công nghệ
Hóa học – có thể nói đây là môn học giúp chúng em khái quá, củng cố, tổng hợp , áp
dụng các kĩ năng tính toán và thiết kế thông qua các kiến thức trong 3 năm học tập tại
BM. Công Nghệ Hóa Học.
Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô của bộ môn Công nghệ hóa
học, và đặc biệt là Th.S Nguyễn Bảo Việt, người Thầy đã trực tiếp theo sát và hướng
dẫn chúng em làm Đồ Án một cách chi tiết và rõ ràng sao cho chúng em dễ hiểu và dễ
nắm nhất.
Trong quá trình thực hiện Đồ Án, cũng như là trong quá trình làm bài báo cáo,
khó tránh khỏi sai sót, rất mong các Thầy, Cô bỏ qua. Đồng thời, do hạn chế về mặt
thời gian, kiến thức nên chúng em còn rất nhiều điều cần được các Thầy, Cô hướng
dẫn thêm để chúng em có thể hoàn thiện mình hơn trong suốt quá trình học tập cũng
như làm việc sau này!
Trân trọng !
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ
2
Đồ Án CNHH
GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt
DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Tình hình sản xuất Bioethanol của các quốc gia qua các năm.............2
Bảng 2.1: Thống kê sản lượng lúa cả nước từ năm 2000 – 2010.........................3
Bảng 2.2: Thành phần cơ bản và các nguyên tố chính của tro trong rơm rạ, trấu
gạo và rơm lúa mì.................................................................................................4
Bảng 2.3: Thành phần hóa học của rơm rạ...........................................................4
Bảng 2.4: Một số nguồn phân lập vi khuẩn Zymomonas Mobilis.....................16
Bảng 2.5: Thành phần của tế bào vi khuẩn Zymomonas Mobilis......................17
Bảng 2.6: Glucose và fructose.............................................................................19
Bảng 3.1: Tỉ lệ thành phẩn các nguyên liệu cho vào thiết bị lên men................27
Bảng 4.1: Công thức tính toán lượng nhiệt trước và sau lên men......................31
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ
3
Đồ Án CNHH
GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt
DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Cấu trúc của lignocellulose..................................................................9
Hình 2.2: Công thức hóa học của cellulose.........................................................10
Hình 2.3: Mô hình Fringed Fibrillar và mô hình chuỗi gập.............................10
Hình 2.4: Cấu trúc hóa học của hemicellulose...................................................12
Hình 2.5: Vị trí nhóm thế của hemicellulose......................................................13
Hình 2.6: Một số ví dụ về chất trích ly (a) abietic acid (oleoresin); (b)cathechin
(flavonoid); (c) palmitic acid (acid béo).............................................................16
Hình 2.7: Cơ chế quá trình thủy phân................................................................17
Hình 2.8: Quá trình đường phân.........................................................................19
Hình 2.9: Con đường Entner – Doudoroff..........................................................22
Hình 2.10: Cân bằng chung của con đường KDPG...........................................22
Hình 3.1: Quy trình sản xuất ethanol đi từ ligocllulose.....................................28
Hình 3.2: Thiết bị lên men...................................................................................32
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ
4
Đồ Án CNHH
GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt
MỤC LỤC
DANH SÁCH CÁC BẢNG............................................................................................iii
DANH SÁCH HÌNH ẢNH.............................................................................................iv
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN.............................................................................................1
1.1
Đặt vấn đề............................................................................................................1
1.2
Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol sinh học trên thế giới............................1
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU...........................................................3
2.1 Tổng quan về rơm rạ...............................................................................................3
2.2 Cấu trúc của rơm rạ.................................................................................................4
2.2.1 Cellulose..........................................................................................................5
2.2.2 Hemicellulose..................................................................................................7
2.2.4 Các chất trích ly.............................................................................................11
2.2.5 Tro..................................................................................................................12
2.3 Cơ chế quá trình thủy phân rơm rạ.......................................................................13
2.4 Nguyên liệu men giống.........................................................................................14
2.4.1 Cơ sở lý thuyết..............................................................................................14
2.4.2 Tổng quan về vi khuẩn Zymomonas Mobilis...............................................15
CHƯƠNG 3 QUY TRÌNH LÊN MEN..........................................................................22
3.1 Lựa chọn phương pháp lên men............................................................................22
3.2 Quy trình sản xuất Ethanol từ rơm rạ....................................................................24
3.3Tỉ lệ thành phần các nguyên liệu cho vào thiết bị lên men...................................27
3.4 Thiết bị lên men.....................................................................................................27
3.4.1Lựa chọn thiết bị............................................................................................27
3.4.2 Đo lường trong thiết bị lên men....................................................................28
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN THIẾT BỊ LÊN MEN.....................................30
4.1Cân bằng vật chất và năng lượng...........................................................................30
4.1.1Cân bằng vật chất...........................................................................................30
4.1.2Cân bằng năng lượng.....................................................................................31
4.2Tính toán thiết kế thiết bị.......................................................................................33
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ
5
Đồ Án CNHH
GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt
4.2.1Tính toán thể tích thiết bị lên men (V)..........................................................34
4.2.2Tính chiều dày vách, nắp, đáy, chân đỡ thiết bị:...........................................35
4.2.3 Tính toán hệ thống khuấy:...........................................................................39
4.4 Tính toán nhập liệu…………………………………………………………….45
4.4 Chọn bơm nhập liệu..............................................................................................45
4.5 Chọn bơm tháo liệu...............................................................................................47
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN...............................................................................................50
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................51
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ
6
Đồ Án CNHH
GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Theo các nhà nghiên cứu thuộc Đại học California, với trữ lượng dầu mỏ toàn cầu
1,332 tỷ thùng ( ước tính năm 2008), mức tiêu thụ 85,22 triệu thùng/ngày hiện nay
tăng 1,3% mỗi năm, dầu mỏ sẽ cạn kiệt vào năm 2041 hoặc chậm nhất vào năm 2054.
Trong khi đó, theo tính toán của các nhà nghiên cứu, các nguồn năng lượng mới chỉ có
thể thế chỗ của dầu mỏ sớm nhất là vào năm 2140.
Trong các nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ đang được sử dụng hiện nay ( năng
lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân,..) năng lượng sinh học đang là
xu thế phát triển tất yếu, nhất là các nước nông nghiệp và nhập khẩu nguyên liệu, do
các lợi ích của nó như: công nghệ sản xuất không quá phức tạp, tận dụng nguồn
nguyên liệu tại chổ,tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp, không cần thay đổi cấu trúc
động cơ cũng như cơ sở hạ tầng hiện có và giá thành cạnh tranh so với xăng dầu.
Trong tương lai, khi nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, năng lượng sinh học
(NLSH) có khả năng là nguồn thay thế.
Hiện nay nguồn nhiên liệu sinh học đang được nghiên cứu và sử dụng khá rộng rãi
như bioethanol. Có nhiều nguyên nguyên liệu để sản xuất ethanol như ngô, mía, khoai
mì, gạo… tuy nhiên việc sử dụng các nguồn nguyên liệu trên gây ra không ít tranh cãi
xoay quanh vấn đề an ninh lương thực thế giới. Vì vậy, người ta quay sang hướng
nghiên cứu bắt đầu chuyển sang rơm rạ như một nguồn nguyên liệu tiềm năng cho nhu
cầu năng lượng trong tương lai của chúng ta. Rơm rạ là một trong những nguyên liệu
dồi dào lignocellulose nhất trên thế giới. Về tổng sản lượng, lúa là cây trồng quan
trọng thứ ba sau lúa mì và ngô. Theo thống kê của FAO, sản xuất lúa gạo trung bình
thế giới năm 2007 khoảng 650 triệu tấn.
Vừa tận dụng được phế phẩm trong nông nghiệp, làm giảm ô nhiễm môi trường do
việc đốt rơm rạ hàng năm trên thế giới, không ảnh hưởng đến lương thực thế giới.
Rơm rạ là nguồn nguyên liệu phổ biến trên khắp thế giới.
1.2 Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol sinh học trên thế giới
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ
1
Đồ Án CNHH
GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt
Theo báo cáo F.O.Licht thì Bioethanol được sử dụng làm nhiên liệu đốt trong từ
năm 1860 do nha 2khoa học Nicolas Otto ( Đức) khám phá.
Đến năm 1930 thì Mỹ, Braxin, Anh, Pháp, Đức, Ý…. Đã bắt đầu sử dụng
Bioethanol thay thế xăng. Nhưng trào lưu này thực sự bùng nổ vào những năm 1970
khi nguồn nhiên liệu chính là dầu mỏ bị khủng hoảng nguồn cung ứng.
Các nước sản xuất Bioethanol lớn như Braxin, Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ, và Pháp
chiếm 84% sản lượng Bioethanol nhiên liệu toàn cầu trong năm 2005.
Năm 2006, sản lượng Bioethanol được sử dụng trên thế giới là 50 tỷ lít, trong đó
Bioethanol nhiên liệu là 38,5 tỷ lít ( chiếm 77%), Bioethanol công nghiệp là 4 tỷ lít
( chiếm 8%), Bioethanol cho đồ uống là 7,5 tỷ lít (chiếm 15%).
Bảng 1.1: Tình hình sản xuất Bioethanol của các quốc gia qua các năm
Quốc gia
Số lít sản xuất mỗi năm
BRAXIN
20,5 tỷ lít
MỸ
22,3 tỷ lít
EU
341.250.000 lít
TRUNG QUỐC
3,8 tỷ lít
ẤN ĐỘ
1,7 tỷ lít
( Nguồn: http://www.asiacreative.vn/tinh-hinh-san-xuat-va-tieu-thu-ethanol-tren-thegioi)
Hiện tại ở Việt Nam đã có những nghiên cứu bước đầu về Ethanol sinh học và từ
phụ phẩm nông nghiệp và đã có những kết quả khả quan như: “ Nghiên cứu sản xuất
ethanol từ nhiên liệu rơm rạ” ( Trần Diệu Lý – 2008), “ Nghiên cứu sản xuất ethanol từ
phụ phẩm nông nghiệp” (Nguyễn Thị Hằng Nga – 2009), “Ngiên cứu quá trình sản
xuất ethanol từ rơm rạ với sự bổ sung hệ thống enzyme thủy phân và điều kiện tối ưu
cho quá trình lên men cồn của nấm men Picha Stipis” ( Nguyễn Thị Ngọc Liễu –
2010).
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ
2
Đồ Án CNHH
GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU
2.1 Tổng quan về rơm rạ
Nguồn rơm rạ và tình hình sử dụng rơm rạ ở Việt Nam.
Sản lượng lương thực cao đồng nghĩa với việc nước ta có một nguồn phế phẩm dồi
dào. Trung bình để tạo ra 1 tấn gạo đã thải ra 1,2 tấn rơm rạ. Sản lượng rơm rạ hàng
năm thải ra khoảng 48 triệu tấn. Số liệu thống kê hàng năm được trình bày theo bảng
bên dưới
Bảng 2.1: Thống kê sản lượng lúa cả nước từ năm 2000 – 2010
Năm
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
Cả năm
32529,5
32108,4
34447,2
34568,8
36148,9
35832,9
35849,5
35942,7
38729,8
38950,2
39988,9
Sản lượng
Đông Xuân
15571,2
15474,4
16719,6
16822,7
17078,0
17331,6
17588,2
17024,1
18326,9
18695,8
19218,1
Hè Thu
8625,0
8328,4
9188,7
9400,8
10430,9
10436,2
9693,9
10140,8
11395,7
11212,2
11595,7
Lúa mùa
8333,3
8305,6
8538,9
8345,3
8640,0
8065,1
8567,4
8777,8
9007,2
9042,2
9175,1
( Nguồn: tổng cục thống kê và Bộ nông nghiệp Phát triển Nông thôn ngày 1/1/2012).
Cho đến nay, phần lớn rơm rạ được để oai mục ngoài đồng hay đốt tại chỗ để trả
lại khoáng chất cho đất. Phần còn lại đem về làm thức ăn cho gia súc hay trong nấm và
làm chất đốt phục vụ nhu cầu đun nấu trong gia đình.
2.2 Cấu trúc của rơm rạ
Về thành phần hóa học, rơm rạ chủ yếu chứa cellulose 32 – 47 %, hemicellulose
19 – 27 % và lignin 5 – 24 %, (Garrote et al, 2002; Maiorella, 1983; Saha, 2003;
Zamora và Crispin, năm 1995).
Trong hemicellulose các pentoses chiếm ưu thế, trong đó xylose và đường quan
trọng nhất chiếm 14,8 - 20,2 % (Maiorella, 1983; Roberto và cộng sự, 2003).
Bảng 2.2: Thành phần cơ bản và các nguyên tố chính của tro trong rơm rạ, trấu gạo và
rơm lúa mì
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ
3
Đồ Án CNHH
GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt
Rơm rạ
Trấu gạo
Rơm lúa mì
15,86
16,22
17,71
Chất dễ bay hơi
65,47
63,52
75,27
Tro
18,67
20,26
7,02
Thành phần tro cơ bản (%) SiO2
74,67
91,42
55,32
CaO
3,01
3,21
6,14
MgO
1,75
<0,01
1,06
Na2O
0,96
0,21
1,71
K2O
12,30
3,71
25,60
Phân tích gần đúng (% chất hô) Carbon cố định
( Nguồn: Maiorella, 1983; Roberto và cộng sự, 2003)
Tuy nhiên thành phần hóa học của rơm rạ thay đổi tùy thuộc vào vùng miền, khu
vực và điều kiện trồng trọt. Do đó, theo nghiên cứu khác cho ta thấy trong rơm rạ chứa
các thành phần chủ yếu cũng bị thay đổi.
Ngoài ra trong rơm rạ có nhiều đường pentose, thành phần chủ yếu của các
pentose là xylose tiếp theo là arabinose và hexose.
Bảng 2.3: Thành phần hóa học của rơm rạ
Lignocellulosic
Glucose
Rơm rạ
Không phải hydrate
cacbon (%)
Hydrate cacbon (%)
41,0
Mannose
1,8
Xylose
14,8
Arabinose
Galactose
4,5
0,4
Lignin
9,9
Tro
12,4
(Nguồn: Maiorella, 1985; Roberto et al, 2003)
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 cộng hóa trị với nhau.
Các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose, galactose, và acid
4-O-
methylglucuronic và các nhom thường liên kết với lignin.
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ
4
Đồ Án CNHH
GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt
Hình 2.1: Cấu trúc của lignocellulose
(Nguồn: www.intechopen.com)
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 enzyme cũng như các hóa chất trong quá trình thủy phân.
2.2.1 Cellulose
Cellulose là hợp chất hữu cơ có công thức phân tử (C 6H10O5)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. 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 2.2: Công thức hóa học của cellulose
(Nguồn: www.sci.waikato.ac.nz)
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. Ngược lại, trong vùng vô định hình, cellulose liên kết
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ
5
Đồ Án CNHH
GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt
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 bên dưới:
Hình 2.3: Mô hình Fringed Fibrillar và mô hình chuỗi gập
(Nguồn: www.chemed.chem.wisc.edu)
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 và 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 180 o cho toàn mạch. 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 β1,4Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ
6
Đồ Án CNHH
GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt
glycoside, đây 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 hiđro 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 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 (hóa gỗ).
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 (Schwarz, 2001).
2.2.2 Hemicellulose
Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng
70 đến 200 đơn phân. Hemicellulose chứa cả đường 6 carbon gồm glucose, mannose
và galactose và đường 5 carbon gồm xylose và arabinose. Thành phần cơ bản của
hemicellulose là β – D xylopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết β -(1,4).
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ
7
Đồ Án CNHH
GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt
Hình 2.4: Cấu trúc hóa học của hemicellulose
(Nguồn: www.responsiblebusiness.eu)
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 β -(1,4).
Xylose là thành phần quan trọng nhất.
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.
Nhóm thế phổ biến nhất là nhóm acetyl O – liên kết với vị trí 2 hoặc 3.
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ
8
Đồ Án CNHH
GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt
Hình 2.5: Vị trí nhóm thế của hemicellulose
(Nguồn: www.scientificpsychic.com)
Hemicellulose là polysaccharide trong màng tế bào tan trong dung dịch kiềm và có
liên kết chặt chẽ với cellulose, là một trong ba sinh khối tự nhiên chính. Cùng với
cellulose và lignin, hemicellulose tạo nên thành tế bào vững chắc ở thực vật. Về cấu
trúc, hemicellulose có thành phần chính là D-glucose, D-galactose, D-mannose,
Dxylose 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-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. Tuy nhiên, khác với hemicellulose thân gỗ,
hemicellulose ở thực vật thân cỏ lại có lượng lớn các dạng liên kết và phân nhánh phụ
thuộc vào các loài và từng loại mô trong cùng một loài cũng như phụ thuộc vào độ tuổi
của mô đó.
Tùy theo trong thành phần của hemicellulose có chứa monosaccharide nào mà nó
sẽ có những tên tương ứng như manan, galactan, glucan và xylan. Các polysaccharide
như manan, galactan, glucan hay xylan đều là các chất phổ biến trong thực vật, chủ
yếu ở các thành phần của màng tế bào của các cơ quan khác nhau như gỗ, rơm rạ,
v.v…
Trong các loại hemicellulose, xylan là một polymer chính của thành tế bào thực
vật trong đó, các gốc D-xylopyranose kết hợp với nhau qua liên kết β-1,4-DThiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ
9
Đồ Án CNHH
GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt
xylopyranose, là nguồn năng lượng dồi dào thứ hai trên trái đất. Đa số phân tử xylan
chứa nhiều nhóm ở trục chính và chuỗi bên. Các gốc thay thế chủ yếu trên khung
chính của xylan là các gốc acetyl, arabinosyl và glucuronosy. 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.
Xylan tồn tại ở dạng O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ cứng (Hình 2.6),
hay arabino-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ mềm (Hình 2.7) , hay thành phần cấu
tạo xylan là axit D-glucuronic, có hoặc không có ete 4-O-methyl và arabinose ở các
oài ngũ cốc.
2.2.3 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
carbohyrate 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.
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 200oC, lignin bị kết khối thành những phần riêng biệt và tách ra khỏi cellulose.
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ
10
Đồ Án CNHH
GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt
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 hydroxy hay ether, các nhóm này
bị oxy hóa thành carbonyl hoặc tạo cation benzylic, cation này sẽ tiếp tục tạo liên kết
C-C.
Trong dinh dưỡng động vật, lignin rất đáng quan tâm vì nó không bị tiêu hóa bởi
enzyme của cơ thể vật chủ. 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.
2.2.4 Các chất trích ly
Có rất nhiều chất thuộc nhóm thành phần này, chủ yếu là các chất dễ hòa tan.
Các chất trích ly là những chất hoặc có khả năng hòa tan trong những dung môi
hữu cơ (như diety ether, methyl terbutyl ether, ether 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-benzene 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 tỉ lệ ưu thế trong chất trích
ly, nên thường chất trích ly được gọi là nhựa (resin).
Các chất trích ly thường có màu, mùi và vị khá đặc trưng. Chúng rất quan trọng để
giữ lại những chức năng sinh học của cây. 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, tanmin và flavonoic đều là những chất trích ly.
Các phenolic có thuộc tính diệt nấm và ảnh 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
terpenoic và steroic được biết đến là nhựa dầu. Nhóm cuối cùng cũng có hoạt tính
kháng vi sinh vật và côn trùng. Một số chất trích ly là những dược phẩm quan trọng.
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ
11
Đồ Án CNHH
GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt
Ví dụ, flavonoid được sử dụng như là chất chống tác nhân oxy hóa và chống
virus.
Một số cấu trúc chất trích ly được thể hiện ở những hình sau:
Hình 2.6: Một số ví dụ về chất trích ly (a) abietic acid (oleoresin); (b)
cathechin (flavonoid); (c) palmitic acid (acid béo)
(Nguồn: www.scientificpsychic.com)
2.2.5 Tro
Tro là dư lượng còn lại của vật liệu sau khi bị đốt cháy hoàn toàn. Trong các
loại gỗ của xứ ôn đới, các nguyên tố khác so với carbon, hydro, oxy và nitơ – 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 vị trí trong cây. Tương tự chất trích
ly, thành phần vô cơ của biomass thường thực hiện chức năng trong một 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
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ
12
Đồ Án CNHH
GVHD: Th.S Nguyễn Bảo Việt
2.3 Cơ chế quá trình thủy phân rơm rạ
Quá trình thủy phân có thể được tóm tắt trong hình sau:
Hình 2.7: Cơ chế quá trình thủy phân
(Nguồn: www.scientificpsychic.com)
•
Enzyme endo-cellulase tấn công ngẫu nhiên vào mạch cellulose nhờ tạo liên
kết bằng tương tác giữa CBD với cellulose, tạo thành các oligosaccharide.
•
Enzyme exo – cellulase tấn công vào cellulose và cả oligomer từ đầu đường
khử và không khử thông qua tường tác của CBD với cellulose, tạo thành
cellobiose, cả glucose.
•
β-glucosidase tấn công cellobiose và oligosaccharide tan, tạo glucose.
Thiết kế thiết bị lên men Ethanol từ rơm rạ
13
- Xem thêm -