Khoá luận tốt nghiệp 2011

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 1
Lớp: 08CSH2
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề:
Nước ta là một nước nông nghiệp và hàng năm thải ra một lượng lớn đến hàng
triệu tấn các chất phế thải như trấu, bã mía, vỏ hạt điều, vỏ lạc, rơm, vỏ cafe,… Cụ thể,
mỗi năm nguồn sinh khối trấu của nước ta khoảng 100 triệu tấn, mùn cưa 250 triệu tấn,
vỏ lạc 4,5 triệu tấn, vỏ hạt điều, bã mía, gỗ vụn khoảng 400 triệu tấn. Trong đó, phụ
phẩm trấu tập trung chủ yếu tại Đồng bằng Sông Cửu Long, Đồng bằng Bắc Bộ và
duyên hải Nam trung bộ. Phụ phẩm mùn cưa tập trung nhiều ở Miền Trung, Tây
Nguyên, Tây Bắc. Vỏ cà phê có nhiều ở các tỉnh Tây Nguyên.
Mặt hạn chế của phụ phẩn nông nghiệp là một số loại có hàm lượng chất xơ rất
cao, thí dụ rơm lúa chứa 34% chất xơ, còn lá mía chứa 43% tính trong chất khô, nên rất
khó tiêu hóa. Mặt khác một số loại phụ phẩm lại khó chế biến và dự trữ khi thu hoạch
đồng loạt như cây lạc, dây lang, ngọn lá sắn, lá mía
Một số nơi người nông dân sử dụng các phế thải nông nghiệp để làm chất đốt
nhưng không hiệu quả, hoặc đốt bỏ gây ô nhiễm môi trường sống nghiêm trọng, thậm
chí ở một số nơi chúng không được sử dụng rất lãng phí. Cùng với sự phát triển của nề
nông nghiệp, qui mô sản xuất ngày càng lớn và tập trung, các chế phẩm nông nghiệp
ngày càng nhiều, việc nghiên cứu sử dụng chúng phục vụ cho đời sống và công nghiệp
càng trở nên cần thiết. Những hướng ứng dụng để xử lý nguồn phụ phẩm nông nghiệp
có thể tìm hiểu được thông qua đề tài này là:
 Sử dụng làm thức ăn cho gia súc.
 Làm phân compost.
 Làm bio-ethanol.
 Nhiều ứng dụng khác:làm chất đốt, sản xuất biogas,…

Khoá luận tốt nghiệp 2011


SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 3
Lớp: 08CSH2
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHỤ PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP
2.1. Định nghĩa phụ phế phẩm nông nghiệp:
Là những sản phẩm nông nghiệp không đạt tiêu chuẩn về kích thước, phẩm chất,
giá trị sử dụng đã quy định, phải loại bỏ nhằm đảm bảo yêu cầu sử dụng hoặc chế
biến.
Phụ phẩm nông nghiệp đều là những chất hữu cơ, có thể còn non, xanh; có thể đã
xơ cứng vì silic hoá như trấu hay lignin hoá như gỗ. Chúng còn có thể được xem như là
một dạng tích trữ năng lượng từ mặt trời nhờ quá trình quang tổng hợp và các quá trình
sinh học khác trong sản xuất nông nghiệp.
2.2. Nguồn gốc, thành phần và tính chất phụ phế phẩm nông nghiệp:
2.2.1. Nguồn gốc:
Trong quá trình sản xuất nông nghiệp hay chế biến nông sản, bên cạnh những sản
phẩm chính, dù muốn hay không chúng ta cũng còn có những phần sản phẩm phụ
khác. Chẳng hạn khi trồng lúa, ngoài hạt lúa thu hoạch được, ta còn có rơm, gốc rạ; khi
xay lúa, ngoài gạo, ta còn có tấm, cám, trấu, bụi,…Khi chăn nuôi gia súc, ngoài sản
phẩm chính là thịt, trứng hay sữa, sức kéo, ta còn có phân…
Khối lượng phụ phẩm này rất lớn, riêng đối với các loại cây ngũ cốc, phần ăn
được chỉ chiếm phân nửa hay một phần ba khối lượng. Những phụ phẩm này thực sự
là nguồn tài nguyên phong phú và có giá trị; chúng còn có thể được sử dụng cho nhiều
mục đích khác nhau và có thể tạo thêm giá trị, thu nhập cho nông dân, nếu không,
chúng có thể gây nên ô nhiễm môi trường. Khoá luận tốt nghiệp 2011

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 4
Lớp: 08CSH2
2.1.1. Thành phần và tính chất:

Bảng 2.2: Giá trị dinh dưỡng của một số phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam

% tính trong chất khô

Tên phụ phẩm Chất
khô (%)
Chất xơ Protein Tổng các chất
dinh dưỡng
tiêu hóa -
TDN
Năng lư
ợng trao
đổi - ME, (Kcal/
kg chất khô)
Rơm lúa 90,8 34,3 5,1 45,9 1662
Cây ngô già 61,6 31,5 7,6 54,1 1958
Lá mía 28,8 42,9 8,2 49,3 1778
Dây lang 20,0 24,5 11,0 59,5 2160
Dây lạc 22,5 27,7 14,1 63,5 2289
Ngọn, lá sắn 25,5 22,7 16,9 67,5 2549
Các số liệu ở (bảng 2.2) cho thấy hàm lượng xơ của rơm lúa, cây ngô già và lá
mía khá cao; nên rất cần được chế biến bằng các tác nhân hóa học hay sinh học để
nâng cao tỷ lệ tiêu hóa chất xơ và các chất hữu cơ khác.
Nhìn chung các loại phụ phẩm đều chứa một nguồn các chất dinh dưỡng tiềm
tàng khá cao, nhưng tổng các chất dinh dưỡng tiêu hóa được (TDN) còn khá thấp. Do
đó còn nhiều khả năng nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn các chất dinh dưỡng tiềm tàng
này trong các phụ phẩm nông nghiệp nếu chúng ta tác động bằng khâu chế biến và phối
hợp khẩu phần một cách hợp lý để nâng cao tỷ lệ tiêu hóa chất hữu cơ của chúng.
Khoá luận tốt nghiệp 2011


Chức năng của thành tế bào là chống đỡ cho các cơ quan của cây đặc biệt là các vách
dày và cứng. Thành tế bào còn giữ các chức năng quan trọng chính như hấp thụ, thoát
hơi nước hay vận chuyển và bài tiết.
Lignocellulose là thành phần cấu trúc chính của thực vật thân gỗ và các thực vật
khác như cỏ, lúa, ngô…Trong tự nhiên, chúng ta có thể tìm thấy lignocellulose ở thực
vật hay các chất thải nông nghiệp, lâm nghiệp và các chất thải rắn trong thành phố.
Thành phần chủ yếu của lignocellulose là cellulose, hemicellulose và lignin (Hình 3.2).
Cellulose và hemicellulose là các đại phân tử cấu tạo từ các gốc đường khác nhau,
trong khi lignin là một polymer dạng vòng được tổng hợp từ tiền phenylpropanoid.
Thành phần cấu tạo và phần trăm của các polymer này là khác nhau giữa các loài. Hơn
nữa, thành phần cấu tạo trong cùng một cây hay các cây khác nhau là khác nhau dựa
vào độ tuổi, giai đoạn sinh trưởng, phát triển của cây và các điều kiện khác. Thành
phần của lignocellulose được trình bày ở (Bảng 3.1). Khoá luận tốt nghiệp 2011

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 8
Lớp: 08CSH2

Hình 2.2: Thành phần chủ yếu của lignocelluloses

Hình 2.3: Tỉ lệ % các thành phần có trong lignocelluloses
Khoá luận tốt nghiệp 2011

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 9
Lớp: 08CSH2

Bã thô 33.4 30 18.9
Lượng lớn lignocellulose được thải ra từ các ngành lâm nghiệp, nông nghiệp,
công nghiệp giấy và gây ra ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, lượng lớn các sinh khối
thực vật dư thừa được coi là rác thải có thể được biến đổi thành nhiều sản phẩm có giá
trị khác nhau như nhiên liệu sinh học, hóa chất, các nguồn năng lượng rẻ cho quá trình
lên men, bổ sung chất dinh dưỡng cho con người và thức ăn cho động vật.
2.3.1.2. Cellulose :
Cellulose là hợp chất hữu cơ có công thức cấu tạo (C
6
H
10
O
5
)
n,
và là thành phần
chủ yếu của thành tế bào thực vật, gồm nhiều cellobiose liên kết với nhau, 4-O- (β-D-
Glucopyranosyl)-D-glucopyranose (Hình 3.4). Cellulose cũng là hợp chất hữu cơ nhiều
nhất trong sinh quyển, hàng năm thực vật tổng hợp được khoảng 10
11
tấn cellulose
(trong gỗ, cellulose chiếm khoảng 50% và trong bông chiếm khoảng 90%).

Hình 2.4: Công thức hóa học của cellulose
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.
Khoá luận tốt nghiệp 2011


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 hidro 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 bó 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.
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. Khoá luận tốt nghiệp 2011

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 13
Lớp: 08CSH2
2.3.1.3. 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
carbohydrate 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


Khoá luận tốt nghiệp 2011

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 15
Lớp: 08CSH2

Hình 2.7: Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính
Các nhóm chức ảnh hưởng đến hoạt tính của lignin bao gồm nhóm phenolic
hydroxyl tự do, methoxyl, benzylic hydroxyl, ether của benzylic với các rượu mạch
thẳng và nhóm carbonyl (Hình 3.7). Guaicyl lignin chứa nhiều nhóm phenolic
hydroxyl hơn syringyl.
Lignin tạo liên kết hóa học với hemicellulose và ngay cả với cellulose (nhưng
không nhiều). Độ bền hóa học của những liên kết này phụ thuộc vào bản chất liên kết,
cấu trúc hóa học của lignin và các gốc đường tham gia liên kết. Carbon alpha (Cα)
Khoá luận tốt nghiệp 2011

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 16
Lớp: 08CSH2
trong cấu trúc phenyl propane là nơi có khả năng tạo liên kết cao nhất với khối
hemicellulose. Ngược lại, các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose, galactose, và
acid 4-O-methylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin. Các liên kết có thể
là ether, ester (liên kết với xylan qua acid 4-O-methyl-D-glucuronic), hay glycoside
(phản ứng giữa nhóm khử của hemicellulose và nhóm OH phenolic của lignin)
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 200
o
C, lignin bị kết khối thành những phần riêng biệt và tách ra khỏi cellulose.
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

trúc, hemicellulose có thành phần chính là D-glucose, D-galactose, D-mannose, D-
xylose 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.
Khoá luận tốt nghiệp 2011

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 18
Lớp: 08CSH2
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-D-
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 glucuronosyl. 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 3.8),
hay arabino-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ mềm (Hình 3.9), hay thành phần cấu
tạo xylan là axit D-glucuronic, có hoặc không có ete 4-O-methyl và arabinose ở các
loài ngũ cốc.

Hình 2.8: O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan ở cây gỗ cứng
Khoá luận tốt nghiệp 2011

lượng khác. Thí dụ như từ các chất thải nhà máy giấy như các sản phẩm từ bột giấy và
giấy có thể thu nguồn năng lượng như ethanol.
Liên kết chủ yếu trong cấu trúc của cellulose là β-(14) glucoside. Nói chung, để
phá hủy hoàn toàn cấu trúc của polysaccharide này cần có các enzyme cellulase với
những tác động đặc trưng riêng biệt. Dựa theo nghiên cứu về hệ enzyme cellulase của
nấm Trichoderma reesei, hệ enzyme thủy phân gồm 3 loại hoạt tính enzyme (Hình
3.10):
 Endoglycanase hoặc 1,4-β-D-glucan glucanohydrolase (EC 3.2.1.4):
Enzyme nội bào endoglycanase hoặc 1,4-β-D-glucan glucanohydrolase là enzyme
thủy phân nội bào liên kết 1,4-β-D-glucosidic trong phân tử cellulose bởi tác dụng
ngẫu nhiên trong chuỗi polymer hình thành các đầu chuỗi khử tự do và các chuỗi
oligosaccharide ngắn. Các endoglucanase không thể thủy phân cellulose tinh thể hiệu
quả nhưng nó sẽ phá vỡ các liên kết tại khu vực vô định hình tương đối dễ tiếp cận.
 Exoglucanase:
Enzyme ngoại bào exoglucanase gồm cả 1,4-beta-D-glucan glucanohydrolase
(EC 3.2.1.74), giải phóng D-glucose từ β-glucan và cellodextrin và 1,4-beta-D-glucan
cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91) mà giải phóng D-cellobiose. Tỷ lệ thủy phân của
enzyme cellobiohydrolase ngoại bào bị hạn chế bởi sự sẵn có các đầu chuỗi cellulose.
 β-glucosidase hay β-D-glucoside glucohydrolase (EC 3.2.1.21):
Khoá luận tốt nghiệp 2011

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 22
Lớp: 08CSH2
β-glucosidase hay β-D-glucoside glucohydrolase giải phóng phân tử D-glucose
từ đường cellodextrin hòa tan và một loạt các glucoside khác.

Hình 2.11: Tác dụng của từng enzyme trong cellulose
3.3.2.2. Enzyme xylanolytic :
Do tính không đồng nhất của xylan, sự thủy phân của nó đòi hỏi các ảnh hưởng
của một hệ thống enzyme phức tạp. Enzyme này thường bao gồm hai loại: enzyme

Mặc dù enzyme arabinosidase đóng vai trò quan trọng trong quá trình thủy phân
xylan, chỉ có một vài enxyme đã được cô lập và mô tả. Có hai loại enzyme arabinase,
các enzyme α-L-arabinofuranosidase ngoại bào (EC 3.2.1.55) hoạt hóa ngược lại với p-
nitrophenly-α-L-arabinofuranoside và trên các arabinan phân nhánh, và các enzyme
1,5-alpha-L-arabinase nội bào (EC3.2.1.99), chỉ hoạt hóa các arabinan dạng thẳng.
α-L-Arabinofuranosidase có khả năng thủy phân cả hai liên kết 1,3- và 1,5-α-L-
arabinofuranosyl trong arabinoxylolan đã được báo cáo trong A. ninger và B. subtilis.
Enzyme này đặc hiệu cao đối với arabinoxylan và có thể giải phóng mỗi arabinose từ
arabinoxylan. Khi giải phóng arabinose, mạch chính xylan không bị thủy phân và
không tạo ra xylooligosaccharide. Enzyme này không tác động đối với α-L-1,3 hoặc α-
1,5 liên kết arabinose từ arabinan, arabinogalactan, hoặc p-nitrophenyl-alpha-L-
arabinofuranoside.
 α-Glucuronidase:
α-D-Glucuronidase phân giải liên kết α-1,2 giữa axit glucuronic và gốc xylose
trong phân tử glucuronoxylan. Tính đặc hiệu của α-glucuronidase là khác nhau phụ
thuộc vào nguồn gốc của enzyme.
 Esterase acetylxylan:
Enzyme esterase acetylxylan là enzyme có thể cắt đứt giữa các nhóm acetyl với
2 hoặc 3 vị trí của gốc xylose và góp phần đóng vai trò thủy phân xylan trong tự nhiên.
Khoá luận tốt nghiệp 2011

SVTH: Trần Ngọc Phú Quí 25
Lớp: 08CSH2
Trong các nghiên cứu trước đó đã chứng minh được enzyme này được chứng minh là
sinh ra từ một số loài vi khuẩn và nấm.
3.3.2.3. Enzyme phân hủy lignin (ligninase):
Lignin peroxidase (LiP) được trích ly từ nấm mục trắng Phanerochaete
chrysosporium và Manganese peroxidase (MnP) được trích ly từ Lentinula edodes. Các
enzyme này phân hủy các hợp chất có vòng thơm, trong đó có lignin. Cho đến nay
chúng chưa được nghiên cứu nhiều, nhiều vi sinh vật có khả năng tiết enzyme này