Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu thu hồi cellulose từ vỏ ca cao và vỏ chuối bằng phương pháp nước nóng nén CO2

• Tác giả: Nguyễn Thị Kim Hằng
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Thị Kim Phụng
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Sử Dụng Phương Pháp Nước Nóng Nén CO2 Nhằm Thu Hồi Cellulose Từ Vỏ Ca Cao Và Vỏ Chuối
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về vỏ cacao
• 1.1.1. Giới thiệu về Theobroma cacao
• 1.1.2. Sản lượng cacao trên thế giới hiện nay
• 1.1.3. Tình hình sản xuất và tiêu thụ cacao trên thế giới
• 1.1.4. Tình hình sản xuất và xuất khẩu cacao trong nước
• 1.2. Tổng quan về vỏ chuối
• 1.2.1. Giới thiệu về chuối Musa Paradisiaca
• 1.2.2. Diện tích và sản lượng chuối ở Việt Nam
• 1.2.3. Tình hình sản xuất và xuất khẩu chuối ở Việt Nam và trên thế giới
• 1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ THU CELLULOSE TỪ NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE
• 1.3.1. Cấu trúc của nguyên liệu lignocellulose
• 1.3.2. Hiệu quả và đánh giá quá trình xử lý lignocellulose thu cellulose
• 1.3.3. Các phương pháp tiền xử lý
• 1.3.4. Ứng dụng dẫn xuất cellulose từ cellulose
• 1.3.4.1. Dẫn xuất của cellulose là carboxylmethyl cellulose (CMC)
• 1.3.4.2. Ứng dụng CMC trong đời sống
• 1.4. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.5. Nội dung nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU
• 2.1. Địa điểm và đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Nguyên liệu, dụng cụ, thiết bị và phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Nguyên liệu và hóa chất
• 2.2.2. Thiết bị và dụng cụ sử dụng
• 2.2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3. Cách tiến hành khảo sát phương pháp tiền xử lý bằng hóa chất: NaOH, H2SO4
• 2.4. Phương pháp tiền xử lý bằng chất lỏng ion
• 2.4.1. Xử lý vỏ chuối bằng [BMIM]Cl tổng hợp
• 2.4.2. Xử lý vỏ chuối bằng [BMIM]Cl thương mại
• 2.4.3. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tách cellulose từ vỏ chuối
• 2.5. Phương pháp phân tích kết quả
• 2.5.1. Xác định độ ẩm cân bằng
• 2.5.2. Định lượng cellulose theo phương pháp Kiursher-Hofft
• 2.5.3. Định lượng đường khử bằng phương pháp Miller
• 2.5.4. Tối ưu hóa quy trình tiền xử lý
• 2.5.5. Phương pháp xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Nguyên liệu khô làm thí nghiệm
• 3.2. Thành phần hóa học ban đầu của vỏ cacao và vỏ chuối
• 3.3. Kết quả thí nghiệm tiền xử lý bằng phương pháp nước nóng nén CO2 đối với vỏ cacao
• 3.3.1. Kết quả khảo sát tỷ lệ rắn-lỏng tách cellulose và đường khử
• 3.3.2. Kết quả khảo sát nhiệt độ tách cellulose và đường khử
• 3.3.3. Kết quả khảo sát áp suất tách cellulose và đường khử
• 3.3.4. Kết quả khảo sát thời gian tách cellulose và đường khử
• 3.3.5. Nhận xét chung
• 3.4. Kết quả thí nghiệm tiền xử lý bằng phương pháp nước nóng nén CO2 đối với vỏ chuối
• 3.4.1. Đối với hàm lượng cellulose
• 3.4.2. Đối với hàm lượng đường khử
• 3.5. Xác định điều kiện tối ưu
• 3.6. Kết quả thí nghiệm phương pháp tiền xử lý bằng hóa chất: NaOH, H2SO4
• 3.7. Kết quả thí nghiệm phương pháp tiền xử lý chất lỏng ion đối với vỏ chuối
• 3.7.1. Kết quả khảo sát nhiệt độ tách cellulose
• 3.7.2. Kết quả phân tích đường khử và cellulose với mẫu xử lý bằng [BMIM]Cl thương mại
• 3.7.3. So sánh kết quả xử lý bằng NaOH và [BMIM]Cl thương mại
• 3.8. So sánh kết quả thí nghiệm giữa các phương pháp tiền xử lý
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

I. Tổng quan về nghiên cứu thu hồi cellulose từ vỏ ca cao và vỏ chuối

Nghiên cứu thu hồi cellulose từ vỏ ca cao và vỏ chuối đang trở thành một xu hướng quan trọng trong lĩnh vực tái chế và bảo vệ môi trường. Vỏ ca cao và vỏ chuối là những phế phẩm nông nghiệp có tiềm năng lớn trong việc cung cấp cellulose. Việc sử dụng phương pháp nước nóng nén CO2 không chỉ giúp thu hồi cellulose hiệu quả mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu này sẽ trình bày chi tiết về quy trình và kết quả thu hồi cellulose từ hai loại nguyên liệu này.

1.1. Tại sao nên thu hồi cellulose từ vỏ ca cao và vỏ chuối

Việc thu hồi cellulose từ vỏ ca cao và vỏ chuối giúp giảm thiểu lượng rác thải nông nghiệp. Cellulose có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và vật liệu sinh học. Sử dụng phế phẩm nông nghiệp để sản xuất cellulose không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn bảo vệ môi trường.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng phương pháp nước nóng nén CO2

Phương pháp nước nóng nén CO2 (CO2-compressed hot-liquid water) mang lại nhiều lợi ích trong việc thu hồi cellulose. Phương pháp này giúp tăng hiệu suất thu hồi và giảm thiểu thời gian xử lý. Ngoài ra, nó còn giúp bảo toàn các tính chất của cellulose, làm cho sản phẩm thu hồi có giá trị cao hơn.

II. Vấn đề và thách thức trong việc thu hồi cellulose

Mặc dù việc thu hồi cellulose từ vỏ ca cao và vỏ chuối có nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức. Các vấn đề như hiệu suất thu hồi thấp, chi phí xử lý cao và sự biến đổi chất lượng của cellulose là những yếu tố cần được xem xét. Nghiên cứu này sẽ phân tích các thách thức và đề xuất giải pháp để cải thiện quy trình thu hồi.

2.1. Hiệu suất thu hồi cellulose từ vỏ ca cao

Hiệu suất thu hồi cellulose từ vỏ ca cao thường bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như nhiệt độ, áp suất và thời gian xử lý. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các điều kiện này có thể giúp tăng hiệu suất thu hồi lên đáng kể.

2.2. Chi phí và tính khả thi của quy trình thu hồi

Chi phí xử lý là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính khả thi của quy trình thu hồi cellulose. Việc sử dụng các phương pháp tiết kiệm chi phí và hiệu quả sẽ giúp tăng tính khả thi của quy trình này trong thực tế.

III. Phương pháp thu hồi cellulose hiệu quả từ vỏ ca cao và vỏ chuối

Phương pháp nước nóng nén CO2 đã được chứng minh là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để thu hồi cellulose từ vỏ ca cao và vỏ chuối. Quy trình này bao gồm các bước tiền xử lý và tối ưu hóa điều kiện thu hồi. Nghiên cứu sẽ trình bày chi tiết về quy trình này.

3.1. Quy trình tiền xử lý nguyên liệu

Tiền xử lý nguyên liệu là bước quan trọng trong quy trình thu hồi cellulose. Việc sấy mẫu và xử lý bằng nước nóng nén CO2 giúp làm giảm độ ẩm và tăng khả năng tách cellulose từ vỏ ca cao và vỏ chuối.

3.2. Tối ưu hóa điều kiện thu hồi cellulose

Tối ưu hóa điều kiện thu hồi bao gồm việc điều chỉnh tỷ lệ rắn-lỏng, nhiệt độ, áp suất và thời gian xử lý. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các yếu tố này có thể giúp đạt được hàm lượng cellulose cao nhất.

IV. Kết quả nghiên cứu thu hồi cellulose từ vỏ ca cao và vỏ chuối

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng phương pháp nước nóng nén CO2 có thể thu hồi cellulose với hàm lượng cao từ cả vỏ ca cao và vỏ chuối. Các điều kiện tối ưu đã được xác định và sẽ được trình bày chi tiết trong phần này.

4.1. Kết quả thu hồi cellulose từ vỏ ca cao

Dưới điều kiện tối ưu, hàm lượng cellulose thu hồi từ vỏ ca cao đạt 141,68 mg/g. Kết quả này cho thấy hiệu quả của phương pháp nước nóng nén CO2 trong việc thu hồi cellulose.

4.2. Kết quả thu hồi cellulose từ vỏ chuối

Tương tự, hàm lượng cellulose thu hồi từ vỏ chuối đạt 316,33 mg/g. Kết quả này chứng minh rằng vỏ chuối cũng là một nguồn nguyên liệu tiềm năng cho việc thu hồi cellulose.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu thu hồi cellulose từ vỏ ca cao và vỏ chuối bằng phương pháp nước nóng nén CO2 đã mở ra nhiều triển vọng cho việc sử dụng phế phẩm nông nghiệp. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc thu hồi cellulose không chỉ có lợi cho môi trường mà còn có thể tạo ra giá trị kinh tế cao.

5.1. Tầm quan trọng của việc thu hồi cellulose

Việc thu hồi cellulose từ phế phẩm nông nghiệp giúp giảm thiểu ô nhiễm và tạo ra nguồn nguyên liệu bền vững cho ngành công nghiệp. Điều này có thể góp phần vào sự phát triển bền vững của nền kinh tế.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp thu hồi cellulose hiệu quả hơn và mở rộng ứng dụng của cellulose trong các lĩnh vực khác nhau như thực phẩm, dược phẩm và vật liệu sinh học.

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là quốc gia nông nghiệp với lượng lớn phế phẩm lignocellulose từ các mùa vụ như vỏ cacao và vỏ chuối, gây ô nhiễm môi trường nếu không được xử lý hợp lý. Theo ước tính, mỗi vụ thu hoạch cacao tại Việt Nam tạo ra hơn 6.400 tấn vỏ trái cacao, trong khi vỏ chuối chiếm khoảng 30% khối lượng quả, tạo ra nguồn nguyên liệu dồi dào cho việc thu hồi cellulose. Cellulose là thành phần chính của lignocellulose, có giá trị ứng dụng cao trong công nghiệp và sản xuất nhiên liệu sinh học. Tuy nhiên, tính bền vững của cellulose đòi hỏi các phương pháp tiền xử lý hiệu quả để phá vỡ cấu trúc lignocellulose, tăng khả năng thu hồi cellulose và đường khử.

Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng phương pháp nước nóng nén CO2 (CO2-compressed hot-liquid water) để tối ưu hóa quá trình thu hồi cellulose từ vỏ cacao và vỏ chuối, khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như tỷ lệ rắn-lỏng, nhiệt độ, áp suất và thời gian xử lý. Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Nhiên liệu sinh học & Biomass, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2016-2017. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ xử lý phế phẩm nông nghiệp thân thiện môi trường, nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn nguyên liệu tái tạo, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm nông thôn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết cấu trúc lignocellulose gồm ba thành phần chính: cellulose, hemicellulose và lignin. Cellulose là polymer β-D-glucose liên kết β-1,4-glycoside, có cấu trúc tinh thể và vô định hình, trong đó vùng vô định hình dễ bị thủy phân hơn. Hemicellulose là polymer phân nhánh, dễ bị phân hủy bởi acid và kiềm, còn lignin là polyphenol liên kết chặt với cellulose và hemicellulose, tạo thành mạng lưới bảo vệ cellulose.

Phương pháp tiền xử lý nước nóng nén CO2 tận dụng khả năng hòa tan CO2 trong nước tạo thành axit cacbonic, giúp thủy phân hemicellulose và loại bỏ lignin, làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc và giảm độ kết tinh của cellulose. Mô hình Box-Behnken được sử dụng để thiết kế thí nghiệm với bốn yếu tố: tỷ lệ rắn-lỏng (5%, 10%, 15%), nhiệt độ (413K, 433K, 453K), áp suất (3,45 MPa; 5,18 MPa; 6,90 MPa) và thời gian (15, 30, 45 phút). Các khái niệm chính bao gồm: lignocellulose, tiền xử lý sinh khối, cellulose, đường khử, và phương pháp tối ưu hóa quy trình.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ nguyên liệu vỏ cacao và vỏ chuối sứ tại Bến Tre, được sấy khô (80°C, 36 giờ với cacao; 18 giờ với chuối), xay nhỏ qua rây 1x1 mm. Thí nghiệm tiền xử lý thực hiện trên thiết bị Thermoreactor Parr thể tích 500 ml, với mẫu 15g, 30g, 45g tương ứng tỷ lệ rắn-lỏng 5%, 10%, 15%. CO2 tinh khiết 99.1% được nén vào thiết bị, điều chỉnh áp suất và nhiệt độ theo thiết kế thí nghiệm, khuấy đều trong thời gian 15-45 phút. Sau xử lý, mẫu được làm lạnh, tách dịch rắn-lỏng.

Phân tích hàm lượng cellulose theo phương pháp Kiursher-Hofft và đường khử theo phương pháp Miller. Phân tích phương sai ANOVA và mô hình hồi quy được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng các yếu tố và xác định điều kiện tối ưu. Thời gian nghiên cứu từ tháng 8/2016 đến 6/2017, với cỡ mẫu đủ để đảm bảo độ tin cậy thống kê.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng tỷ lệ rắn-lỏng: Tỷ lệ 5% rắn-lỏng cho hiệu quả thu hồi cellulose và đường khử cao nhất. Với vỏ cacao, hàm lượng cellulose đạt 141,68 mg/g và đường khử 265,04 mg/g; vỏ chuối đạt 316,33 mg/g cellulose và 218,88 mg/g đường khử.

2. Ảnh hưởng nhiệt độ: Nhiệt độ tối ưu cho vỏ cacao là 453K, trong khi vỏ chuối là 433K. Tăng nhiệt độ giúp phá vỡ cấu trúc lignin và hemicellulose, tăng khả năng tiếp cận enzyme, nhưng quá cao có thể gây phân hủy cellulose.

3. Ảnh hưởng áp suất: Áp suất 5,18 MPa là mức tối ưu cho cả hai nguyên liệu, giúp CO2 hòa tan hiệu quả tạo axit cacbonic, thúc đẩy quá trình thủy phân hemicellulose.

4. Ảnh hưởng thời gian: Thời gian xử lý 30 phút với vỏ cacao và 45 phút với vỏ chuối cho kết quả tốt nhất, cân bằng giữa hiệu quả thu hồi và chi phí năng lượng.

Kết quả được minh họa qua đồ thị thể hiện sự biến đổi hàm lượng cellulose và đường khử theo các điều kiện nhiệt độ và áp suất, cho thấy xu hướng tăng rõ rệt đến điểm tối ưu rồi giảm nhẹ do phân hủy. So sánh với các phương pháp tiền xử lý hóa học (NaOH, H2SO4) và chất lỏng ion, phương pháp nước nóng nén CO2 cho hàm lượng cellulose cao hơn, đồng thời giảm thiểu chất ức chế lên men.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả cao là do CO2 hòa tan trong nước tạo thành axit cacbonic, làm giảm pH và thúc đẩy thủy phân hemicellulose, đồng thời làm mềm lignin, giúp phá vỡ cấu trúc bảo vệ cellulose. So với tiền xử lý acid loãng, phương pháp này giảm thiểu sự hình thành các sản phẩm phân hủy độc hại như furfural và HMF, thuận lợi cho quá trình lên men sinh học tiếp theo.

Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về tiền xử lý nước nóng nén CO2 trên các loại sinh khối lignocellulose khác, đồng thời khẳng định tính khả thi và hiệu quả của phương pháp trong điều kiện Việt Nam. Việc tối ưu hóa các yếu tố giúp giảm chi phí năng lượng và tăng hiệu suất thu hồi cellulose, góp phần phát triển công nghệ sinh học bền vững.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng quy trình tiền xử lý nước nóng nén CO2 với tỷ lệ rắn-lỏng 5%, nhiệt độ 453K (vỏ cacao) và 433K (vỏ chuối), áp suất 5,18 MPa, thời gian 30-45 phút nhằm tối ưu hóa thu hồi cellulose, giảm chi phí năng lượng. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: các nhà máy chế biến nông sản và trung tâm nghiên cứu.

2. Phát triển thiết bị phản ứng cao áp quy mô pilot và công nghiệp để mở rộng ứng dụng phương pháp, đảm bảo kiểm soát chính xác nhiệt độ, áp suất và khuấy trộn. Thời gian: 1-2 năm, chủ thể: doanh nghiệp công nghệ sinh học và viện nghiên cứu.

3. Kết hợp tiền xử lý nước nóng nén CO2 với quá trình enzym thủy phân và lên men sinh học để sản xuất ethanol sinh học từ cellulose thu hồi, nâng cao giá trị sản phẩm. Thời gian: 1-3 năm, chủ thể: các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất nhiên liệu sinh học.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho các vùng trồng cacao và chuối trọng điểm như Bến Tre, Đăk Lăk, Bình Phước nhằm tận dụng phế phẩm nông nghiệp, giảm ô nhiễm môi trường và tạo nguồn nguyên liệu tái tạo. Thời gian: 1 năm, chủ thể: các cơ quan quản lý nông nghiệp và tổ chức đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ sinh học: Nắm bắt phương pháp tiền xử lý lignocellulose tiên tiến, ứng dụng mô hình tối ưu hóa quy trình, phục vụ nghiên cứu và phát triển công nghệ.

2. Doanh nghiệp chế biến nông sản và sản xuất nhiên liệu sinh học: Áp dụng công nghệ tiền xử lý nước nóng nén CO2 để nâng cao hiệu quả thu hồi cellulose từ phế phẩm nông nghiệp, giảm chi phí và tăng giá trị sản phẩm.

3. Cơ quan quản lý môi trường và nông nghiệp: Tham khảo giải pháp xử lý phế phẩm nông nghiệp thân thiện môi trường, giảm thiểu ô nhiễm nông thôn, thúc đẩy phát triển kinh tế xanh.

4. Nhà đầu tư và phát triển công nghệ xanh: Đánh giá tiềm năng công nghệ tiền xử lý sinh khối lignocellulose, mở rộng quy mô sản xuất nhiên liệu sinh học và vật liệu sinh học từ nguồn nguyên liệu tái tạo.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp nước nóng nén CO2 có ưu điểm gì so với các phương pháp tiền xử lý khác?
   Phương pháp này không sử dụng hóa chất ăn mòn, giảm thiểu chất ức chế lên men, nhiệt độ thấp hơn so với tiền xử lý hơi nước, giúp bảo toàn cellulose và giảm chi phí xử lý môi trường.

2. Tại sao tỷ lệ rắn-lỏng 5% lại tối ưu cho quá trình tiền xử lý?
   Tỷ lệ này đảm bảo đủ lượng dung môi để hòa tan CO2 và tạo axit cacbonic hiệu quả, đồng thời tránh quá loãng làm giảm hiệu suất xử lý và tăng chi phí năng lượng.

3. Có thể áp dụng phương pháp này cho các loại phế phẩm nông nghiệp khác không?
   Có, phương pháp phù hợp với nhiều loại lignocellulose như rơm rạ, thân cây ngô, vỏ cà phê, nhờ khả năng phá vỡ cấu trúc lignin và hemicellulose hiệu quả.

4. Thời gian xử lý ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả thu hồi cellulose?
   Thời gian quá ngắn không đủ để phá vỡ cấu trúc lignocellulose, quá dài có thể gây phân hủy cellulose, do đó cần tối ưu để cân bằng hiệu quả và chi phí.

5. Phương pháp này có thân thiện với môi trường không?
   Rất thân thiện vì không sử dụng hóa chất độc hại, CO2 có thể tái sử dụng, giảm phát thải và ô nhiễm, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững.

Kết luận

• Phương pháp tiền xử lý nước nóng nén CO2 hiệu quả trong thu hồi cellulose từ vỏ cacao và vỏ chuối với hàm lượng cellulose đạt lần lượt 141,68 mg/g và 316,33 mg/g.
• Các yếu tố tỷ lệ rắn-lỏng, nhiệt độ, áp suất và thời gian ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất thu hồi, được tối ưu bằng mô hình Box-Behnken.
• Phương pháp này vượt trội so với tiền xử lý hóa học và chất lỏng ion về hiệu quả và thân thiện môi trường.
• Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ xử lý phế phẩm nông nghiệp tại Việt Nam, góp phần giảm ô nhiễm và phát triển năng lượng tái tạo.
• Đề xuất triển khai ứng dụng quy mô pilot và kết hợp với quá trình enzym thủy phân để sản xuất nhiên liệu sinh học trong tương lai gần.

Hành động tiếp theo là triển khai nghiên cứu mở rộng quy mô và chuyển giao công nghệ cho các vùng trồng cacao, chuối trọng điểm nhằm khai thác hiệu quả nguồn nguyên liệu tái tạo này.