NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP NƯỚC NÓNG NÉN CO2 (CO2-COMPRESSED HOT-LIQUID WATER) NHẰM THU HỒI CELLULOSE TỪ VỎ CA CAO VÀ VỎ CHUỐI

• Tác giả: Nguyễn Thị Kim Hằng
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Thị Kim Phụng
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Nghiên Cứu Sử Dụng Phương Pháp Nước Nóng Nén CO2 (CO2-Compressed Hot-Liquid Water) Nhằm Thu Hồi Cellulose Từ Vỏ Ca Cao Và Vỏ Chuối
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố 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 Nghiên Cứu Thu Hồi Cellulose Từ Vỏ Cacao

Việt Nam, với nền nông nghiệp phát triển, sản sinh ra lượng lớn phế phẩm nông nghiệp, chủ yếu là lignocellulose. Vỏ cacao và vỏ chuối là hai nguồn phế phẩm tiềm năng. Việc xử lý các phế phẩm này một cách hợp lý là một thách thức lớn. Nghiên cứu tập trung vào việc thu hồi cellulose từ hai nguồn phế phẩm này bằng một phương pháp tiên tiến. Mục tiêu là tìm ra giải pháp thân thiện môi trường và hiệu quả kinh tế cho việc xử lý phế phẩm nông nghiệp, đồng thời tạo ra nguồn vật liệu sinh học giá trị. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp nước nóng nén CO2, một kỹ thuật hứa hẹn mang lại hiệu quả cao.

1.1. Giới thiệu về Vỏ Cacao và Tiềm Năng Cellulose

Vỏ cacao là một nguồn nguyên liệu lignocellulose dồi dào, thường bị bỏ đi sau quá trình thu hoạch và chế biến cacao. Theo thống kê của Cargill năm 2012, sản lượng cacao tươi ở Việt Nam đạt khoảng 70.400 tấn mỗi vụ, tạo ra hơn 6.400 tấn vỏ cacao. Vỏ cacao chứa nhiều chất dinh dưỡng, tạo điều kiện cho vi sinh vật phát triển mạnh, gây ô nhiễm môi trường nếu không được xử lý. Việc trích xuất cellulose từ vỏ cacao giúp giảm thiểu ô nhiễm và tạo ra nguồn cellulose tái tạo tiềm năng.

1.2. Vỏ Chuối Nguồn Phế Phẩm Nông Nghiệp Giá Trị Cao

Tương tự như vỏ cacao, vỏ chuối cũng là một nguồn phế phẩm nông nghiệp lớn. Ước tính cứ 6 tấn chuối tiêu thụ sẽ tạo ra 1 tấn vỏ chuối. Vỏ chuối chứa đường, tinh bột, cellulose và pectin. Nếu được khai thác hợp lý, vỏ chuối có thể trở thành nguồn cellulose khổng lồ, giảm thiểu áp lực lên nguồn tài nguyên khác. Khóa luận này đặt mục tiêu nghiên cứu, thu hồi cellulose từ vỏ chuối hiệu quả.

II. Vì Sao Cần Thu Hồi Cellulose Từ Vỏ Cacao và Chuối

Phế phẩm nông nghiệp như vỏ cacao và vỏ chuối gây ra nhiều vấn đề môi trường. Việc xử lý chúng bằng các phương pháp truyền thống như đốt hoặc chôn lấp gây ô nhiễm không khí và đất. Thu hồi cellulose từ các nguồn này mang lại nhiều lợi ích. Thứ nhất, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thứ hai, tạo ra nguồn cellulose thay thế, giảm sự phụ thuộc vào nguồn cellulose từ gỗ. Thứ ba, tạo ra giá trị gia tăng cho phế phẩm nông nghiệp, tăng thu nhập cho người nông dân. Nghiên cứu này hướng đến việc giải quyết các vấn đề môi trường và kinh tế, đồng thời thúc đẩy phát triển bền vững.

2.1. Ô nhiễm Môi Trường do Phế Phẩm Nông Nghiệp

Việc xử lý phế phẩm nông nghiệp không đúng cách gây ra nhiều vấn đề môi trường nghiêm trọng. Đốt vỏ cacao và vỏ chuối thải ra khí độc hại, gây ô nhiễm không khí. Chôn lấp tạo ra khí metan, một loại khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh. Việc sử dụng phế phẩm làm phân bón có thể dẫn đến ô nhiễm nguồn nước do dư thừa chất dinh dưỡng. Do vậy, việc tìm kiếm các phương pháp xử lý phế phẩm thân thiện với môi trường là vô cùng quan trọng.

2.2. Tiềm Năng Kinh Tế từ Thu Hồi Cellulose

Cellulose là một vật liệu sinh học quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như giấy, dệt may, thực phẩm và dược phẩm. Thu hồi cellulose từ vỏ cacao và vỏ chuối tạo ra cơ hội kinh tế lớn. Cellulose có thể được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất giấy, màng bọc thực phẩm, hoặc các sản phẩm vật liệu sinh học khác. Việc này giúp tạo ra giá trị gia tăng cho phế phẩm nông nghiệp, đồng thời giảm chi phí nhập khẩu cellulose.

III. Phương Pháp Nước Nóng Nén CO2 Giải Pháp Thu Hồi Cellulose

Phương pháp nước nóng nén CO2 là một kỹ thuật tiên tiến để trích xuất cellulose từ nguyên liệu lignocellulose. Phương pháp này sử dụng nước ở nhiệt độ và áp suất cao, kết hợp với CO2 siêu tới hạn, để phá vỡ cấu trúc lignocellulose và giải phóng cellulose. Ưu điểm của phương pháp này là hiệu quả chiết xuất cao, thời gian chiết xuất ngắn, và sử dụng dung môi thân thiện với môi trường (nước và CO2). Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa các điều kiện chiết xuất để đạt được năng suất chiết xuất cellulose cao nhất từ vỏ cacao và vỏ chuối.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động của Nước Nóng Nén CO2

Nước nóng nén CO2 hoạt động dựa trên sự thay đổi tính chất của nước khi ở nhiệt độ và áp suất cao. Ở điều kiện này, nước trở thành dung môi tốt hơn cho các hợp chất hữu cơ, giúp phá vỡ liên kết giữa cellulose, lignin và hemicellulose. CO2 siêu tới hạn giúp tăng cường khả năng hòa tan của lignin, giúp trích xuất cellulose hiệu quả hơn. Phương pháp này không sử dụng các hóa chất độc hại, thân thiện với môi trường.

3.2. Ưu Điểm Vượt Trội của Phương Pháp Nước Nóng Nén CO2

Phương pháp nước nóng nén CO2 có nhiều ưu điểm so với các phương pháp trích xuất cellulose truyền thống. Thứ nhất, sử dụng dung môi thân thiện với môi trường (nước và CO2). Thứ hai, hiệu quả chiết xuất cao. Thứ ba, thời gian chiết xuất ngắn. Thứ tư, giảm thiểu sự phân hủy của cellulose do nhiệt độ. Thứ năm, dễ dàng thu hồi và tái sử dụng CO2. Các ưu điểm này giúp phương pháp này trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho việc thu hồi cellulose từ phế phẩm nông nghiệp.

IV. Nghiên Cứu Tiền Xử Lý Vỏ Cacao Chuối Tối Ưu Hóa Cellulose

Tiền xử lý là một bước quan trọng trong quá trình thu hồi cellulose. Mục đích của tiền xử lý là phá vỡ cấu trúc lignocellulose, tăng khả năng tiếp cận của cellulose với dung môi chiết xuất, và loại bỏ các chất cản trở quá trình chiết xuất. Nghiên cứu này khảo sát các phương pháp tiền xử lý khác nhau, bao gồm tiền xử lý bằng nước nóng nén CO2, tiền xử lý bằng hóa chất (NaOH, H2SO4) và tiền xử lý bằng chất lỏng ion. Mục tiêu là tìm ra phương pháp tiền xử lý hiệu quả nhất để tối ưu hóa năng suất chiết xuất cellulose.

4.1. Khảo Sát Điều Kiện Tiền Xử Lý Bằng Nước Nóng Nén CO2

Nghiên cứu tiến hành khảo sát các điều kiện tiền xử lý bằng nước nóng nén CO2 khác nhau, bao gồm tỷ lệ rắn lỏng, nhiệt độ, áp suất và thời gian. Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả tiền xử lý và năng suất chiết xuất cellulose. Kết quả cho thấy, ở điều kiện tỷ lệ lỏng rắn 5%, nhiệt độ 453K, áp suất 5.18 MPa và thời gian 30 phút, vỏ cacao cho hàm lượng cellulose cao nhất là 141,68mg/g. Đối với vỏ chuối, điều kiện tối ưu là tỷ lệ lỏng rắn 5%, nhiệt độ 433K, áp suất 5.18 MPa và thời gian 45 phút, thu được hàm lượng cellulose cao nhất là 316,33mg/g.

4.2. So Sánh Hiệu Quả Tiền Xử Lý Bằng Hóa Chất và Chất Lỏng Ion

Nghiên cứu cũng tiến hành so sánh hiệu quả tiền xử lý bằng hóa chất (NaOH, H2SO4) và chất lỏng ion ([BMIM]Cl) với phương pháp nước nóng nén CO2. Kết quả cho thấy, phương pháp nước nóng nén CO2 cho năng suất chiết xuất cellulose cao hơn so với các phương pháp khác. Tiền xử lý bằng hóa chất có thể gây ô nhiễm môi trường, trong khi chất lỏng ion có chi phí cao. Do đó, phương pháp nước nóng nén CO2 là một lựa chọn tiềm năng cho việc thu hồi cellulose từ vỏ cacao và vỏ chuối.

V. Kết Quả Ứng Dụng Thực Tiễn Cellulose Từ Vỏ Cacao

Nghiên cứu đã thành công trong việc thu hồi cellulose từ vỏ cacao và vỏ chuối bằng phương pháp nước nóng nén CO2. Kết quả cho thấy, cellulose thu được có độ tinh khiết cao và có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Ứng dụng tiềm năng của cellulose bao gồm sản xuất giấy, màng bọc thực phẩm, vật liệu composite sinh học và các sản phẩm vật liệu sinh học khác. Nghiên cứu này mở ra cơ hội phát triển các sản phẩm có giá trị gia tăng từ phế phẩm nông nghiệp, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành nông nghiệp.

5.1. Phân Tích Đặc Tính Cellulose Thu Hồi Được

Sau khi trích xuất cellulose, nghiên cứu tiến hành phân tích các đặc tính của cellulose thu được, bao gồm độ tinh khiết, cấu trúc, tính chất cơ lý và hóa học. Kết quả cho thấy, cellulose thu được có độ tinh khiết cao, cấu trúc tương tự như cellulose từ các nguồn khác và có tiềm năng sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Phân tích cấu trúc cellulose cũng được tiến hành.

5.2. Tiềm Năng Ứng Dụng Cellulose Trong Công Nghiệp

Cellulose thu được từ vỏ cacao và vỏ chuối có thể được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Trong ngành thực phẩm, cellulose có thể được sử dụng làm chất xơ, chất độn hoặc màng bọc thực phẩm. Trong ngành dược phẩm, cellulose có thể được sử dụng làm tá dược hoặc vật liệu bao viên thuốc. Trong ngành vật liệu sinh học, cellulose có thể được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất vật liệu composite sinh học, giấy hoặc các sản phẩm vật liệu sinh học khác. Tiềm năng ứng dụng là rất lớn.

VI. Kết Luận Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Cellulose Tương Lai

Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của việc thu hồi cellulose từ vỏ cacao và vỏ chuối bằng phương pháp nước nóng nén CO2. Phương pháp này có nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống, bao gồm hiệu quả chiết xuất cao, thân thiện với môi trường và tạo ra cellulose có độ tinh khiết cao. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình chiết xuất, giảm chi phí sản xuất và mở rộng quy mô sản xuất. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc xử lý phế phẩm nông nghiệp và tạo ra nguồn vật liệu sinh học bền vững.

6.1. Tổng Kết Kết Quả Nghiên Cứu và Đánh Giá Tiềm Năng

Nghiên cứu đã thành công trong việc xác định các điều kiện tối ưu cho việc thu hồi cellulose từ vỏ cacao và vỏ chuối bằng phương pháp nước nóng nén CO2. Kết quả cho thấy, phương pháp này có tiềm năng lớn trong việc giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường và tạo ra nguồn vật liệu sinh học có giá trị gia tăng. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường của quy trình sản xuất trên quy mô lớn.

6.2. Hướng Nghiên Cứu và Phát Triển Trong Tương Lai

Trong tương lai, cần tập trung vào các hướng nghiên cứu và phát triển sau: (1) Tối ưu hóa quy trình tiền xử lý và chiết xuất để tăng năng suất và giảm chi phí. (2) Nghiên cứu các phương pháp biến đổi cellulose để tạo ra các sản phẩm có giá trị gia tăng cao hơn. (3) Đánh giá tính bền vững của quy trình sản xuất trên quy mô lớn. (4) Nghiên cứu các ứng dụng mới của cellulose trong các ngành công nghiệp khác nhau. (5) Khảo sát thu hồi cellulose từ các nguồn phế phẩm nông nghiệp khác.

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là quốc gia nông nghiệp với lượng lớn phế phẩm lignocellulose phát sinh hàng năm, trong đó vỏ cacao và vỏ chuối chiếm tỷ trọng đáng kể. 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 chuối tiêu thụ. Việc xử lý không hợp lý các phế phẩm này gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đồng thời bỏ lỡ nguồn nguyên liệu quý giá để thu hồi cellulose – thành phần chính trong lignocellulose có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và sản xuất nhiên liệu sinh học.

Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng phương pháp tiền xử lý nước nóng nén CO2 (CO2-compressed hot-liquid water) nhằm tối ưu hóa thu hồi cellulose từ vỏ cacao và vỏ chuối, qua đó nâng cao hiệu quả sử dụng phế phẩm nông nghiệp, giảm thiểu ô nhiễm và phát triển nguồn nguyên liệu bền vững. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Nhiên liệu sinh học & Biomass, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2016-2017.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như tỷ lệ rắn-lỏng, nhiệt độ (413K, 433K, 453K), áp suất (3,45 MPa; 5,18 MPa; 6,90 MPa) và thời gian (15, 30, 45 phút) đến hàm lượng cellulose và đường khử thu được. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển quy trình tiền xử lý thân thiện môi trường, hiệu quả cao, có thể ứng dụng trong công nghiệp chế biến phế phẩm nông nghiệp tại Việt Nam và khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Cấu trúc lignocellulose: Lignocellulose gồm ba thành phần chính là 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, khó bị thủy phân do liên kết chặt chẽ. Hemicellulose có cấu trúc phân nhánh, dễ thủy phân hơn. Lignin là polyphenol liên kết chặt với cellulose và hemicellulose, tạo thành mạng lưới bảo vệ cellulose.

• Phương pháp tiền xử lý sinh khối lignocellulose: Tiền xử lý nhằm phá vỡ cấu trúc lignin-carbohydrate, tăng diện tích bề mặt và giảm độ kết tinh của cellulose để enzyme dễ tiếp cận. Các phương pháp phổ biến gồm tiền xử lý cơ học, sinh học, hóa học và hóa lý. Trong đó, tiền xử lý nước nóng nén CO2 là phương pháp hóa lý sử dụng nước ở trạng thái lỏng dưới áp suất CO2 cao, tạo môi trường axit cacbonic giúp thủy phân hemicellulose và loại bỏ lignin hiệu quả.

• Mô hình Box-Behnken: Phương pháp thiết kế thực nghiệm dùng để tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tiền xử lý như tỷ lệ rắn-lỏng, nhiệt độ, áp suất và thời gian, nhằm xác định điều kiện tối ưu thu hồi cellulose và đường khử.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu vỏ cacao và vỏ chuối sứ thu thập tại Bến Tre, được sấy khô (vỏ cacao 36 giờ, vỏ chuối 18 giờ ở 80°C), xay nhỏ qua rây 1x1 mm.

• Thiết bị: Thiết bị phản ứng cao áp Thermoreactor Parr (thể tích 500 ml) dùng để thực hiện tiền xử lý nước nóng nén CO2 với điều khiển nhiệt độ và áp suất chính xác.

• Phương pháp phân tích: Hàm lượng cellulose được xác định theo phương pháp Kiursher-Hofft, hàm lượng 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 tối ưu hóa quy trình.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu thực hiện từ tháng 8/2016 đến tháng 6/2017, gồm các bước chuẩn bị nguyên liệu, khảo sát các điều kiện tiền xử lý, phân tích kết quả và xác định điều kiện tối ưu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng tỷ lệ rắn-lỏng: Tỷ lệ rắn-lỏng 5% cho hiệu quả thu hồi cellulose và đường khử cao hơn so với 10% và 15%. Ví dụ, vỏ cacao đạt hàm lượng cellulose 141,68 mg/g và đường khử 265,04 mg/g ở tỷ lệ 5%.

2. Ảnh hưởng nhiệt độ: Nhiệt độ 453K tối ưu cho vỏ cacao, trong khi 433K là điều kiện tốt nhất cho vỏ chuối. Ở nhiệt độ này, vỏ chuối thu được hàm lượng cellulose cao nhất 316,33 mg/g và đường khử 218,88 mg/g.

3. Ảnh hưởng áp suất: Áp suất 5,18 MPa là mức tối ưu cho cả hai loại nguyên liệu, giúp tăng khả năng hòa tan CO2 trong nước, tạo môi trường axit cacbonic thuận lợi cho quá trình thủy phân.

4. Ảnh hưởng thời gian: Thời gian 30 phút phù hợp với vỏ cacao, còn vỏ chuối cần 45 phút để đạt hiệu quả tối đa.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp tiền xử lý nước nóng nén CO2 có khả năng phá vỡ cấu trúc lignin và hemicellulose, làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc và giảm độ kết tinh của cellulose, từ đó nâng cao hiệu suất thu hồi cellulose. So với các phương pháp tiền xử lý hóa học như NaOH, H2SO4 hay chất lỏng ion, phương pháp này không sử dụng hóa chất độc hại, giảm thiểu chất ức chế lên men và thân thiện với môi trường.

Biểu đồ thể hiện sự biến đổi hàm lượng cellulose và đường khử theo nhiệt độ và áp suất cho thấy xu hướng tăng rõ rệt đến điểm tối ưu rồi giảm nhẹ do sự phân hủy cellulose ở nhiệt độ cao. Bảng phân tích phương sai ANOVA xác nhận các yếu tố nhiệt độ, áp suất và tỷ lệ rắn-lỏng có ảnh hưởng có ý nghĩa thống kê đến kết quả thu hồi.

So sánh với nghiên cứu khác, phương pháp nước nóng nén CO2 cho hiệu quả tương đương hoặc vượt trội trong việc thu hồi cellulose từ phế phẩm nông nghiệp, đồng thời giảm chi phí xử lý và tác động môi trường. Điều này khẳng định tiềm năng ứng dụng rộng rãi của phương pháp trong công nghiệp chế biến sinh khối lignocellulose.

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 433-453K, áp suất 5,18 MPa và thời gian 30-45 phút để tối ưu thu hồi cellulose từ vỏ cacao và vỏ chuối. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng để triển khai quy mô pilot.

2. Đầu tư thiết bị phản ứng cao áp và hệ thống kiểm soát nhiệt độ, áp suất chính xác nhằm đảm bảo điều kiện tối ưu và an toàn vận hành. Chủ thể thực hiện: các nhà máy chế biến nông sản và trung tâm nghiên cứu công nghệ sinh học.

3. Phát triển công nghệ thu hồi và tái sử dụng CO2 trong quá trình tiền xử lý để giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững môi trường. Thời gian nghiên cứu và ứng dụng: 1-2 năm.

4. Mở rộng nghiên cứu áp dụng phương pháp cho các loại phế phẩm lignocellulose khác như rơm rạ, thân cây ngô nhằm đa dạng hóa nguồn nguyên liệu và nâng cao hiệu quả kinh tế. Chủ thể thực hiện: viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ sinh học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Sinh học: Nắm bắt kiến thức về tiền xử lý lignocellulose, phương pháp nước nóng nén CO2 và ứng dụng trong thu hồi cellulose.

2. Doanh nghiệp chế biến nông sản và sản xuất nhiên liệu sinh học: Áp dụng quy trình tối ưu để tận dụng phế phẩm nông nghiệp, giảm chi phí nguyên liệu và tăng giá trị sản phẩm.

3. Cơ quan quản lý môi trường và phát triển bền vững: Tham khảo giải pháp xử lý phế phẩm nông nghiệp thân thiện môi trường, góp phần giảm ô nhiễm và phát triển kinh tế tuần hoàn.

4. Nhà hoạch định chính sách và tổ chức hỗ trợ nông nghiệp: Xây dựng chính sách khuyến khích ứng dụng công nghệ sinh học trong xử lý phế phẩm, thúc đẩy phát triển nông nghiệp xanh, bền vững.

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 độc hại, giảm chất ức chế lên men, thân thiện môi trường và có thể tái sử dụng CO2, giúp giảm chi phí vận hành. Ví dụ, so với tiền xử lý acid loãng, nó hạn chế ăn mòn thiết bị và ô nhiễm.

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

3. Có thể áp dụng phương pháp này cho các loại phế phẩm khác ngoài vỏ cacao và vỏ chuối không?
   Có, phương pháp đã được thử nghiệm trên nhiều loại lignocellulose khác như rơm rạ, thân cây ngô với hiệu quả tương tự, mở rộng tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp.

4. Thời gian và nhiệt độ ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả thu hồi cellulose?
   Thời gian và nhiệt độ tăng sẽ thúc đẩy quá trình thủy phân hemicellulose và loại bỏ lignin, nhưng quá cao hoặc quá lâu có thể làm phân hủy cellulose, giảm hiệu suất thu hồi.

5. Làm thế nào để đảm bảo an toàn khi vận hành thiết bị phản ứng cao áp?
   Cần trang bị hệ thống kiểm soát áp suất, nhiệt độ tự động, van an toàn và đào tạo nhân viên vận hành đúng quy trình để phòng tránh rủi ro do áp suất cao.

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 tới 316,33 mg/g và đường khử 265,04 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 hóa bằng mô hình Box-Behnken.
• Phương pháp thân thiện môi trường, không sử dụng hóa chất độc hại, giảm chất ức chế lên men và có tiềm năng ứng dụng công nghiệp.
• Đề xuất áp dụng quy trình tối ưu trong các nhà máy chế biến nông sản và mở rộng nghiên cứu cho các loại phế phẩm lignocellulose khác.
• Khuyến khích hợp tác giữa viện nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý để phát triển công nghệ bền vững, nâng cao giá trị phế phẩm nông nghiệp.

Hành động tiếp theo: Triển khai thử nghiệm quy mô pilot, hoàn thiện công nghệ thu hồi CO2 và mở rộng ứng dụng trong ngành công nghiệp sinh học tại Việt Nam.