CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về nguyên liệu 1.1 Sơ lược về nguyên liệu (lõi ngô) Lõi ngô là phần còn lại của ngô sau khi tước hết hạt, chiếm khoảng 75-85% trọng lượng ngô. Lõi ngô hiện đang được dùng để sưởi ấm ở một số vùng của châu Âu; trong khi ở Hoa Kì, lõi ngô được chú ý hơn vì khi xay xát nó trở thành sản phẩm cơ bản cho các ngành công nghiệp khác nhau (làm chất hút ẩm, chất hấp phụ dùng cho khoan dầu,. Còn ở một số vùng nông thôn Việt Nam thì lõi ngô được xay nhỏ và trộn với thức ăn để bổ sung chất xơ cho gia súc.1: Phần lõi sao khi tách hết hạt của quả ngô “Ngô lai là một trong những loại cây trồng chủ lực của huyện An Phú – Tiền Giang. Diện tích trồng ngô lai hằng năm khoảng 3000 hecta, năng suất bình quân 9,5 tấn/hecta.
Ngô lai được trồng ở nhiều nơi nhưng tập trung chủ yếu tại các xã: Khánh An, Khánh Bình, Phú Hữu,. Sau khi thu hoạch, Ngô được tách lấy hạt phơi khô rồi bán, một phần lõi ngô được sử dụng làm củi đốt, nhưng đa số là bỏ đi, gây ô nhiễm môi trường. Ước tính mỗi công, phần lõi ngô bỏ đi khoảng 200kg/vụ”. Từ một ví dụ ở một huyện thuộc miền tây nước ta, có thể thấy lượng lõi ngô thải ra hằng năm của nước ta là khá cao.
9 Lõi ngô là một trong những phụ phẩm của nông nghiệp hiện đang được sử dụng làm nhiên liệu cho quá trình đốt cháy. Do có hàm lượng Cl cao, quá trình đốt cháy phải diễn ra trong các nhà máy điện công nghiệp và được giám sát liên tục. Trong những năm gần đây, theo sự phát triển của khoa học và công nghệ, lõi ngô đã có thể ứng dụng trong công nghệ xanh. Nó có nhiều ứng dụng, chẳng hạn như cải thiện đất, xử lí nước thải, ủ phân, siêu tụ điện, pin nhiên liệu và vật liệu sinh học [3].2 Thành phần chính Thành phần chính của lõi ngô gồm 41,27% cellulose, 46% hemicellulose và 7,4% lignin.
Các thành phần khác có thể bao gồm một số hợp chất hữu cơ (acid uronic và nhóm axetyl) và các thành phần vi lượng khác như khoáng, chất sáp, chất béo, tinh bột, nhựa và chất kết dính [4].2: Cấu trúc của lignocellulose trong lõi ngô [5] 1.1 Lignocellulose Sinh khối linocellulosic (LB) là một nguồn tài nguyên dồi dào và có thể tái tạo từ thực vật chủ yếu bao gồm polysaccharid (cellulose và hemicelluloses) và một polyme thơm (lignin). LB có tiềm năng cao như một giải pháp thay thế cho các nguồn tài nguyên hóa thạch để sản xuất nhiên liệu sinh học, các hóa chất và vật liệu có nguồn gốc sinh 10 học mà không làm tổn hại đến an ninh lương thực toàn cầu. Một trong những hạn chế lớn đối với việc đánh giá LB là cellulose, hemicellulose và lignin tồn tại trong một chất nền phức tạp, có khả năng chống lại sự phân hủy của enzym rất tốt của thành tế bào thực vật. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính bền cơ của LB dẫn đến các mối liên kết chặt chẽ với nhau và khó phân ly trong tế bào.
Chúng có thể được chia thành các yếu tố cấu trúc (cellulose - cụ thể như: diện tích bề mặt, độ kết tinh cellulose, mức độ trùng hợp, kích thước và thể tích lỗ) và yếu tố hóa học (thành phần và hàm lượng trong các nhóm lignin, hemicelluloses, acetyl).3: Cấu trúc hóa học bên trong sinh khối linocellulosic [5] 1.2 Cellulose Cellulose là một trong những vật liệu sinh học phong phú nhất trên trái đất. Nó thường được tổng hợp bởi thực vật nhưng nó cũng được sản xuất bởi một số vi khuẩn. Giống như tinh bột cellulose là một homopolyme của glucose và không giống như tinh bột, các đơn phân glucose được nối bằng liên kết β-1,4. Cellulose là một polysaccharid có dạng sợi dai và không tan trong nước, đóng một vai trò không thể thiếu trong việc giữ cho cấu trúc của thành tế bào thực vật ổn định [6], [7].
Các chuỗi cellulose được sắp xếp thành các sợi nhỏ hoặc các bó polysaccarit được sắp xếp thành các sợi 11 (các bó sợi nhỏ) mà lần lượt tạo nên thành tế bào thực vật. Sự sắp xếp này không chỉ hỗ trợ sự ổn định của cấu trúc thực vật mà còn gợi ý rằng cellulose là vật liệu sinh học có độ bền cao và các đặc tính cơ học ưu việt khác. Cellulose là một polymer mạch dài tự nhiên đóng một vai trò quan trọng trong chu trình thức ăn của con người. Polymer này có ứng dụng linh hoạt trong nhiều ngành công nghiệp như thực phẩm, thú y, gỗ và giấy, sợi và quần áo, công nghiệp mỹ phẩm và dược phẩm làm tá dược.3 Hemicellulose Hemicellulose, một biopolymer được tìm thấy trong sinh khối lignocellulosic, bên cạnh lượng cellulose dồi dào.
Hemicellulose hút ẩm hơn cellulose và thu hút nhiều phân tử nước hơn do cấu trúc mở của nó. Mức độ trùng hợp của hemicellulose trong gỗ là khoảng 100 – 200 đơn vị, rất thấp khi so sánh với cellulose là 10. Hemicellulose là chất vô định hình, nó dễ dàng bị thủy phân bởi acid hoặc bazơ loãng cũng như các enzym hemicellulase. Sự khác biệt giữa sợi gỗ và sợi không phải gỗ không xuất hiện trong hàm lượng của cellulose tuy nhiên nó lại xuất hiện trong hàm lượng của hemicellulose và lignin.
Các sợi không phải gỗ như cỏ (lúa, ngô, lúa mì) chứa tới 40% hemicellulose, trong khi các sợi gỗ được cấu tạo từ 25-35% hemicellulose tính theo trọng lượng khô. Hemicelluloses hoạt động như một rào cản vật lý hạn chế khả năng tiếp cận của các enzym. Vai trò sinh học quan trọng nhất của hemicellulose là sự đóng góp của chúng vào việc củng cố thành tế bào bằng cách tương tác với cellulose bên trong thành và lignin.4 Lignin Lignin là polymer dồi dào thứ hai trong LB sau cellulose, tương ứng với 15-40% theo trọng lượng khô. Nó là một polymer vô định hình rất phức tạp.
Lignin trong thành tế bào thứ cấp của thực vật góp phần vào độ cứng và tính chất kỵ nước của các tế bào chuyên biệt, cung cấp hỗ trợ cơ học và thực hiện vận chuyển nước. Nó liên kết hemicelluloses và cellulose trong thành tế bào. Lignin cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc bảo vệ thực vật, đặc biệt là chống lại sự xâm nhập của mầm bệnh. Các ứng dụng thương mại của lignin cùng với nghiên cứu khoa học tích cực làm cầu nối cho các lĩnh vực sinh lý học thực vật và công nghệ sinh học cũng được nhấn mạnh.2 Tổng quan về nanocellulose (NC) 1.1 Giới thiệu chung về NC Hiện nay, Nanocellulose thu hút rất nhiều mối quan tâm từ các nhà nghiên cứu khoa học bởi các đặc tính độc đáo của nó: kích thước nhỏ, nhiều hình dạng, mật độ thấp và diện tích bề mặt cao gắn với các nhóm hydroxyl dễ biến đổi, khả năng hấp phụ và hấp thụ cao, kháng hóa chất cao với dung dịch loãng của acid và kiềm, dung môi hữu cơ, enzym phân giải protein, chất chống oxy hóa.
Bản chất ưa nước và không độc ở trạng thái lỏng và tương hợp sinh học nên hầu hết chúng đã được ứng dụng làm chất ổn định, chất làm đặc và chất nhũ hóa trong thực phẩm, mỹ phẩm và ngành công nghiệp dược phẩm cùng một số các hoạt chất trị liệu khác. Điều đặc biệt là các hạt nanocellulose được sử dụng rộng rãi làm chất gia cố hoặc chất độn trong các ngành công nghiệp ô tô, xây dựng, hàng không vũ trụ và y sinh để sản xuất vật liệu hiệu suất cao và kỹ thuật hạng nặng với các đặc tính quang học, cơ học tốt và độ ổn định nhiệt cao. Các tính năng cụ thể này của NC mở ra các lĩnh vực ứng dụng mới đầy hứa hẹn, đặc biệt là trong các lĩnh vực chăm sóc và chữa bệnh khác nhau như vệ sinh, mỹ phẩm, dược phẩm, y học,.Vì vậy, trong những năm gần đây, các nghiên cứu về sự đa dạng của các loại nanocellulose đang được quan tâm đáng kể, chẳng hạn như sợi nano cenllulose (cellulose nanoyarn CNY), vi khuẩn nanocellulose (bacterial nanocellulose BNC), sợi cellulose nano (cellulose nanofibrils CNF), hạt nano tinh thể (crystalline nanoparticles CNP) và hạt nano vô định hình (amorphous nanoparticles ANP). Các tế bào nano này vẫn tiếp tục là xu hướng nghiên cứu tiềm năng có lợi ích thương mại về mặt sản xuất và ứng dụng trong tương lai [8], [9].
Tùy thuộc vào kỹ thuật và điều kiện tổng hợp của nanocellulose mà xác định thành phần kích thước và tính chất của nó, nó có thể được chia thành ba loại chính: 1.1 Cellulose nanocrystals Các tinh thể nano cellulose (CNC) thường được sản xuất bằng cách sử dụng thủy phân acid vật liệu cellulose phân tán trong nước. Acid sulfuric đậm đặc thường được sử dụng, làm tan các vùng vô định hình của cellulose và cô lập các vùng tinh thể còn lại. Mặc dù kỹ thuật này tạo ra một CNC cứng giống như que với độ tinh khiết gần 90%, 13 các nhóm sulfate vẫn được gắn trên bề mặt của các sợi dưới dạng tạp chất. Chiều dài và đường kính của CNC thường thay đổi từ độ dài 200-500nm đến đường kính 3-35nm.2 Cellulose nanofibrils CNF là các sợi dài (µm) với đường kính trong phạm vi nanomet.
CNF được tạo ra bằng cách nghiền áp suất cao huyền phù bột cellulose và mạng lưới sợi nano quấn chặt vào nhau được hình thành. Không giống như CNC có độ kết tinh gần như hoàn hảo CNF chứa cả vùng cellulose vô định hình cũng như tinh thể bên trong các sợi đơn. Thông thường CNF có đường kính 5-50 nm và chiều dài vài micromet [10]. Chiết xuất CNF từ sợi cellulose có thể thu được bằng ba loại quy trình: (1) xử lý cơ học (2) xử lý hóa học và (3) sự kết hợp của các phương pháp xử lý hóa học và cơ học.3 Bacterial cellulose Cellulose vi khuẩn (BC) còn được gọi là cellulose vi sinh vật.
Nó thường được sản xuất từ vi khuẩn như một phân tử riêng biệt và không yêu cầu xử lý bổ sung để loại bỏ các chất gây ô nhiễm như lignin, pectin và hemicellulose. Hơn nữa, ngược lại với việc tổng hợp CNC và CNF, tổng hợp BC bao gồm việc bổ sung các phân tử từ các đơn vị nhỏ (Å) sang đơn vị nhỏ (nm). Trong quá trình sinh tổng hợp BC, các chuỗi glucose được cung cấp bên trong cơ thể vi khuẩn và được thải ra ngoài qua các lỗ nhỏ có trên thành tế bào. Sợi nano BC hình dải ruy băng được hình thành khi glucose kết hợp với thành tế bào.
Cấu trúc hình mạng giống như dải băng này tạo ra một hệ thống sợi nano dài 20-100 nm [10].