Nghiên cứu qui trình chế tạo glucose và HMF (5- Hydroxymethylfurfural) từ biomass (rơm rạ) bằng các xúc tác khác nhau

0
9606

(Cesti.gov.vn)Đề tài do tác giả Nguyễn Đình Thành và cộng sự (Viện Khoa học Vật liệu ứng dụng) thực hiện nhằm phát triển công nghệ chuyển hóa có xúc tác phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ) thành hóa chất nền cho công nghiệp chất dẻo, dược phẩm trên cơ sở xúc tác có hoạt độ và độ chọn lọc cao; xây dựng quy trình chế tạo có thể triển khai được trong điều kiện Việt Nam, góp phần tạo ra sản phẩm có giá trị kinh tế cao nhằm xây dựng nền nông nghiệp phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.

Việt Nam là một nước nông nghiệp, đã khẳng định được vị thế của mình trong việc xuất khẩu gạo khoảng 6.5 triệu tấn/năm. Theo thống kê, hàng năm sản xuất nông nghiệp nước ta đã thải ra hơn 101 triệu tấn biomas và các chất thải khác, trong đó rơm rạ chiếm đến 62,2%, cho đến nay lượng biomas này được vứt bỏ, đốt bỏ gây ô nhiễm môi trường, phá vỡ cân bằng sinh thái các dòng sông suối hoặc sử dụng làm nhiên liệu đốt. Hiệu quả sử dụng biomass hiện nay chỉ được 10% so với năng lượng mà biomas có thể sinh ra. Trong khi đó, nguồn phế phụ phẩm này được đánh giá là một trong những nguồn nguyên liệu đầy tiềm năng cho sản xuất năng lượng khi định hướng cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học và các hóa chất nền cho công nghiệp chất dẻo, dược phẩm.

Trong đề tài này, nhóm tác giả nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ tổng hợp glucose từ biomass (rơm rạ) bằng kỹ thuật tổ hợp lý – hóa – cơ – xúc tác thông qua quá trình lên men vi sinh vật. Từ glucose nhận được, tổng hợp các hóa chất nền HMF cho công nghiệp dược phẩm và công nghiệp chất dẻo.

Kết quả đã tổng hợp được chất xúc tác có từ tính và không từ tính mang nhóm chức – SO3H ứng dụng cho phản ứng thủy phân cellulose thành glucose và chuyển hóa glucose thành HMF; xây dựng được qui trình thủy phân cellulose thành glucose và qui trình chuyển hóa glucose thành HMF có thể áp dụng được trong thực tế.

Cụ thể, rơm rạ được xử lý bằng nổ hơi nước (RE) ở 2000C, thời gian lưu 5 phút tiếp tục được xử lý với dung dịch NaOH 3% trong thời gian 6 giờ để loại bỏ lignin. Rơm rạ sau các bước xử lý trên có hàm lượng cellulose cao được sử dụng trực tiếp làm nguyên liệu cho tổng hợp Glucose và HFM. Tổng hợp thành công xúc tác cacbon mang nhóm chức SO3H bằng phương pháp cacbon hóa thủy nhiệt (HTC) từ tiền chất glucose và

 

các nguồn cacbon phế phẩm. Tổng hợp thành công xúc tác Fe3O4/C-SO3H có từ tính với độ axit 1,3 mmol/g có thể được ứng dụng làm xúc tác trong giai đoạn tổng hợp HMF từ glucose, thay thế xúc tác đắt tiền đi từ MPR và ionic liquid chứa kim loại.

Xúc tác tổng hợp được từ tiền chất cacbon gắn nhóm chức SO3H có hoạt tính tốt trong phản ứng thủy phân rơm rạ sau xử lý SE thành glucose (hiệu suất đường khử đạt 80%) bằng việc sử dụng hỗn hợp xúc tác – cellulose (tỉ lệ 15-85%) kết hợp với nghiền bi (360 vòng/phút, 2 giờ) sau đó thủy phân trong môi trường nước ở nhiệt độ 1000C, 2 giờ. Phương pháp nghiền và kết hợp xúc tác tỏ ra hiệu quả cho quá trình thủy phân cellulose và glucose hơn là thủy phân trong dung môi hữu cơ DMF. Phản ứng chuyển hóa glucose thành HMF trên các hệ dung môi khác nhau (DMSO, THF, nước và hệ dung môi 2 pha nước: dung môi) cho thấy trên các hệ dung môi đơn pha phản ứng xảy ra với độ chuyển hóa và hiệu suất HMF thấp hơn khi sử dụng hệ dung môi 2 pha nước: dung môi. Cụ thể trên hệ dung môi 2 pha nước: DMSO (1:3) phản ứng chuyển hóa glucose thành HMF hiệu suất ~ 98% và hiệu suất HMF > 60% ở nhiệt độ 1700C trong 3 giờ. Đối với hệ dung môi 2 pha nước: THF (10:30) phản ứng cũng đạt độ chuyên  hóa và hiệu suất tương tự HMF trên 60%.

Tương tự như quá trình thủy phân cellulose thành glucose, nhóm nghiên cứu thực hiện quá trình chuyển hóa cellulose trong rơm rạ sau quá trình tách lignin thành HMF với hiệu suất > 50% bằng việc thực hiện quá trình nghiền hỗn hợp (cellulose + xúc tác với tỉ lệ M xúc tác : cellulose = 20%) trong máy nghiền tốc độ quay 360 vòng/phút trong  2 giờ sau đó phản ứng trong hệ dung môi H2O (NaCl): THF (10:30) ở 1700C trong 3 giờ. Đây là cơ sở để tiếp tục cải tiến việc chế tạo HMF trực tiếp trừ cellulose trong biomass rơm rạ không cần thiết phải đi qua quá trình trung gian tạo glucose.

Xúc tác từ tính Fe3O4/C-SO3H chế tạo được có khả năng tái sử dụng 5 lần, ít có sự thay đổi về hoạt tính xúc tác. Sử dụng dịch chiếc lignin từ rơm rạ, nhóm tác giả đã thực hiện thành công việc chế tạo xúc tác Fe3O4/C-SO3H bằng phương pháp HTC (cacbon hóa thủy nhiệt). Đây là giải pháp triệt để giải quyết vấn đề thu hồi lignin và sử dụng nó cho quá trình chuyển hóa cellulose (từ rơm rạ) thành glucose thành HMF.