Tổng quan nghiên cứu

Sinh khối, đặc biệt là lõi ngô, là nguồn tài nguyên dồi dào và giá thành thấp, được xem là tiền chất quan trọng để tổng hợp các vật liệu cacbon và nhiên liệu sinh học có giá trị cao như furfural, ethanol, và 5-hydroxylmethylfurfural. Lõi ngô chứa khoảng 36% cellulose, 34% hemicellulose và 18% lignin, là nguồn nguyên liệu tiềm năng để sản xuất furfural từ xylose có trong hemicellulose. Tuy nhiên, cấu trúc phức tạp của sinh khối và sự liên kết chặt chẽ giữa các thành phần làm hạn chế hiệu quả chuyển hóa, gây khó khăn trong việc sản xuất furfural với hiệu suất cao.

Mục tiêu nghiên cứu là phát triển quy trình tổng hợp furfural từ lõi ngô bằng phương pháp thủy phân có hỗ trợ enzyme xylanase và xúc tác dị thể dựa trên sulfonated graphene oxide (C-SGO). Nghiên cứu tập trung khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện thủy phân (thời gian, hàm lượng enzyme, nhiệt độ) đến hiệu suất tách xylose, đồng thời tổng hợp và đặc trưng vật liệu xúc tác C-GO, C-SGO và C-MSGO, khảo sát các yếu tố phản ứng ảnh hưởng đến hiệu suất tổng hợp furfural, chọn lọc furfural và chuyển hóa xylose. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2021-2022.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tận dụng phụ phẩm nông nghiệp lõi ngô để sản xuất furfural thân thiện môi trường, góp phần phát triển công nghệ xúc tác dị thể hiệu quả, giảm chi phí và nâng cao hiệu suất sản xuất furfural, đáp ứng nhu cầu ứng dụng trong dược phẩm, thực phẩm, sản xuất mực in và nhựa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: (1) Cơ chế thủy phân sinh khối bằng enzyme xylanase, trong đó enzyme xúc tác phân cắt liên kết β–1,4–glycosidic trong hemicellulose để tạo thành xylose và các oligosaccharide; (2) Cơ chế tổng hợp furfural từ xylose qua phản ứng khử nước xúc tác bởi các nhóm axit sulfonic trên bề mặt vật liệu sulfonated graphene oxide.

Ba khái niệm chuyên ngành quan trọng gồm:

  • Xylanase: enzyme thủy phân xylan thành xylose, có tính đặc hiệu cao và hoạt động tối ưu ở pH 4-5, nhiệt độ 50-60°C.
  • Sulfonated graphene oxide (C-SGO): vật liệu xúc tác dị thể có nhóm −SO3H, giúp tăng cường hiệu suất và độ chọn lọc trong tổng hợp furfural.
  • Quy trình hai bước tổng hợp furfural: thủy phân sinh khối thành xylose bằng enzyme, sau đó khử nước xylose thành furfural trong hệ xúc tác dị thể.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tại phòng thí nghiệm Key CEPP Lab, Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM. Cỡ mẫu gồm các mẫu lõi ngô được xử lý tiền xử lý bằng hỗn hợp axit axetic băng và H2O2 để loại bỏ lignin, sau đó thủy phân bằng enzyme xylanase với các biến số: thời gian (1-6 giờ), hàm lượng enzyme (0,5-3% w/w), nhiệt độ (40-60°C). Phương pháp phân tích gồm: đo hàm lượng xylose bằng phương pháp sắc ký, đặc trưng vật liệu bằng SEM, FTIR, XRD, Raman, TGA, EDS, XPS và NH3-TPD.

Vật liệu xúc tác C-GO được tổng hợp từ cellulose lõi ngô bằng phương pháp nhiệt nung với các điều kiện thời gian nung và tỷ lệ cellulose:ferrocene khác nhau. Vật liệu C-GO được sulfo hóa bằng axit sulfuric để tạo C-SGO với các nồng độ axit khác nhau. Vật liệu oxit sắt từ/sulfonated graphene oxide (C-MSGO) được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt từ C-SGO và Fe3O4.

Phân tích ảnh hưởng các yếu tố phản ứng (nhiệt độ, thời gian, lượng xúc tác, nồng độ xylose, nồng độ NaCl) đến hiệu suất tổng hợp furfural, độ chọn lọc và chuyển hóa xylose được thực hiện bằng phương pháp luân phiên từng biến. Khả năng tái sử dụng xúc tác được khảo sát qua 5 chu kỳ liên tiếp và đánh giá khả năng tái sinh xúc tác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng điều kiện thủy phân đến hiệu suất tách xylose:

    • Thời gian thủy phân 4 giờ, hàm lượng enzyme 2% và nhiệt độ 50°C cho hiệu suất tách xylose cao nhất, đạt khoảng 85%.
    • Hàm lượng xylose thu được tăng từ 12% lên 28% khi tăng hàm lượng enzyme từ 0,5% đến 2%, sau đó hiệu suất ổn định.

  2. Hiệu suất tổng hợp furfural từ vật liệu C-GO và C-SGO:

    • Vật liệu C-GO tổng hợp ở điều kiện tối ưu (thời gian nung 8 giờ, tỷ lệ cellulose:ferrocene 1:1) đạt hiệu suất furfural khoảng 45%.
    • Sau sulfo hóa, vật liệu C-SGO với nồng độ axit sulfuric 2M (C-SGO2M) nâng hiệu suất furfural lên đến 72%, đồng thời tăng độ chọn lọc furfural lên 85%.

  3. Ảnh hưởng các yếu tố phản ứng đến hiệu suất tổng hợp furfural trên C-SGO2M:

    • Nhiệt độ phản ứng 170°C và thời gian 60 phút là điều kiện tối ưu, đạt hiệu suất furfural 75% và chuyển hóa xylose gần 95%.
    • Lượng xúc tác 0,1 g/mL và nồng độ xylose 0,5 M tối ưu cho hiệu suất và độ chọn lọc furfural cao nhất.
    • Bổ sung NaCl 0,1 M làm tăng hiệu suất furfural thêm 8% so với không có muối.

  4. Khả năng tái sử dụng xúc tác:

    • Vật liệu C-SGO2M giữ được hơn 80% hiệu suất sau 5 chu kỳ sử dụng liên tiếp.
    • Vật liệu C-MSGO có khả năng tái sử dụng tốt hơn, giữ trên 85% hiệu suất sau 5 chu kỳ, thuận tiện cho việc thu hồi bằng từ tính.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất tách xylose cao nhờ điều kiện thủy phân enzyme được tối ưu, phù hợp với đặc tính hoạt động của xylanase. Việc loại bỏ lignin qua tiền xử lý giúp tăng khả năng tiếp cận enzyme với hemicellulose, nâng cao hiệu quả thủy phân. So với các nghiên cứu trước, hiệu suất tách xylose đạt mức cao hơn khoảng 10-15%, chứng tỏ quy trình tiền xử lý và thủy phân được cải tiến hiệu quả.

Vật liệu C-SGO với nhóm sulfonic acid trên bề mặt tăng cường khả năng xúc tác khử nước xylose thành furfural, nâng cao hiệu suất và độ chọn lọc so với vật liệu C-GO chưa sulfo hóa. Các phân tích FTIR, XRD và XPS xác nhận sự thành công của quá trình sulfo hóa và cấu trúc ổn định của vật liệu.

Ảnh hưởng của các yếu tố phản ứng phù hợp với cơ chế xúc tác axit dị thể, trong đó nhiệt độ và thời gian phản ứng cân bằng giữa tốc độ chuyển hóa và hạn chế phản ứng phụ tạo humin. Việc bổ sung NaCl làm giảm pH và tạo tương tác với xylose, thúc đẩy quá trình chuyển hóa thành xylulose trung gian, từ đó tăng hiệu suất furfural, phù hợp với báo cáo của ngành về vai trò của muối clorua trong xúc tác.

Khả năng tái sử dụng xúc tác C-MSGO vượt trội nhờ tính từ tính giúp thu hồi dễ dàng, giảm chi phí và ô nhiễm môi trường, mở ra hướng ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất tách xylose theo thời gian và hàm lượng enzyme, biểu đồ hiệu suất furfural theo nhiệt độ và thời gian phản ứng, cùng bảng so sánh hiệu suất tái sử dụng xúc tác C-SGO và C-MSGO.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình thủy phân enzyme:

    • Áp dụng điều kiện thủy phân với thời gian 4 giờ, enzyme xylanase 2% và nhiệt độ 50°C để đạt hiệu suất tách xylose tối đa.
    • Chủ thể thực hiện: các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất sinh học, thời gian áp dụng: 6-12 tháng.

  2. Phát triển xúc tác sulfonated graphene oxide (C-SGO):

    • Sử dụng sulfo hóa với axit sulfuric 2M để tạo vật liệu xúc tác có hiệu suất cao, ổn định và dễ tái sử dụng.
    • Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu xúc tác, thời gian: 12 tháng.

  3. Ứng dụng vật liệu oxit sắt từ/sulfonated graphene oxide (C-MSGO):

    • Triển khai xúc tác C-MSGO trong quy trình tổng hợp furfural để tận dụng khả năng thu hồi bằng từ tính, giảm chi phí thu hồi xúc tác.
    • Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp công nghiệp hóa chất, thời gian: 18 tháng.

  4. Khảo sát và kiểm soát các yếu tố phản ứng:

    • Kiểm soát nhiệt độ phản ứng ở 170°C, thời gian 60 phút, lượng xúc tác 0,1 g/mL, nồng độ xylose 0,5 M và bổ sung NaCl 0,1 M để tối ưu hiệu suất và độ chọn lọc furfural.
    • Chủ thể thực hiện: kỹ sư quy trình và nhà nghiên cứu, thời gian: 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học:

    • Học hỏi quy trình tổng hợp furfural từ sinh khối, kỹ thuật tổng hợp và đặc trưng vật liệu xúc tác dị thể, phương pháp thủy phân enzyme.

  2. Doanh nghiệp sản xuất hóa chất sinh học và nhiên liệu tái tạo:

    • Áp dụng công nghệ xúc tác sulfonated graphene oxide và quy trình hai bước để nâng cao hiệu quả sản xuất furfural, giảm chi phí và ô nhiễm môi trường.

  3. Chuyên gia phát triển vật liệu xúc tác:

    • Nghiên cứu thiết kế và tổng hợp vật liệu xúc tác dựa trên graphene oxide sulfonated và oxit sắt từ, đánh giá khả năng tái sử dụng và hiệu suất xúc tác.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường:

    • Tham khảo giải pháp công nghệ xanh trong chuyển hóa sinh khối, thúc đẩy phát triển công nghiệp hóa chất bền vững, giảm phát thải và sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên nông nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn lõi ngô làm nguyên liệu chính?
    Lõi ngô chứa hàm lượng cellulose và hemicellulose cao (36% và 34%), giá thành thấp và sẵn có dồi dào, phù hợp để tách xylose làm tiền chất tổng hợp furfural với hiệu suất cao.

  2. Ưu điểm của xúc tác sulfonated graphene oxide là gì?
    C-SGO có độ bền cơ học và nhiệt cao, nhóm −SO3H giúp xúc tác hiệu quả phản ứng khử nước xylose thành furfural, dễ thu hồi và tái sử dụng, thân thiện môi trường.

  3. Tại sao sử dụng enzyme xylanase trong thủy phân?
    Enzyme xylanase có tính đặc hiệu cao, hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ và pH thấp, giúp thủy phân hemicellulose thành xylose với độ chọn lọc cao, giảm tiêu hao năng lượng và sản phẩm phụ.

  4. Làm thế nào để tái sử dụng xúc tác hiệu quả?
    Vật liệu C-MSGO có tính từ tính giúp thu hồi dễ dàng bằng nam châm, giữ được hiệu suất trên 85% sau 5 chu kỳ, giảm chi phí và ô nhiễm so với xúc tác không từ tính.

  5. Ảnh hưởng của NaCl trong phản ứng tổng hợp furfural?
    NaCl làm giảm pH môi trường, tạo tương tác với xylose thúc đẩy chuyển hóa thành xylulose trung gian, từ đó tăng hiệu suất và độ chọn lọc furfural, đồng thời giảm hình thành sản phẩm phụ humin.

Kết luận

  • Đã phát triển thành công quy trình tổng hợp furfural từ lõi ngô qua thủy phân enzyme và xúc tác sulfonated graphene oxide với hiệu suất furfural đạt trên 70%.
  • Vật liệu xúc tác C-SGO và C-MSGO được tổng hợp và đặc trưng chi tiết, chứng minh tính hiệu quả và khả năng tái sử dụng cao.
  • Các yếu tố phản ứng như nhiệt độ, thời gian, lượng xúc tác, nồng độ xylose và NaCl được tối ưu để nâng cao hiệu suất và độ chọn lọc furfural.
  • Khả năng tái sử dụng xúc tác C-MSGO vượt trội, thuận tiện cho ứng dụng công nghiệp nhờ tính từ tính.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô sản xuất và ứng dụng xúc tác trong các hệ sinh khối khác, đồng thời phát triển quy trình thân thiện môi trường.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp áp dụng quy trình và vật liệu xúc tác này để nâng cao hiệu quả sản xuất furfural, góp phần phát triển công nghiệp hóa chất sinh học bền vững.