A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Trong số nguồn sinh khối lignocellulose đa dạng, nguồn sinh khối rơm rạ tƣơng đối dồi dào. Về tầm quan trọng, lúa lƣơng thực quan trọng thứ sau lúa mỳ ngô. Theo số liệu FAO, sản lƣợng lúa giới năm 2014 đạt khoảng 751 triệu tấn, tƣơng đƣơng với khoảng 500,8 triệu gạo. Theo tính toán, với giống lúa đƣợc canh tác nay, có khoảng – 1,5 rơm rạ tạo thành lúa thu hoạch đƣợc. Nhƣ vậy, ƣớc tính lƣợng rơm rạ hàng năm giới đạt 751 – 1126,6 triệu tấn. Trong số đó, phần nhỏ đƣợc thu gom tận dụng, phần lại thải bỏ đốt, gây lãng phí nhiều vấn đề nghiêm trọng môi trƣờng sống sức khỏe cộng đồng. Việt Nam nƣớc nông nghiệp có sản lƣợng lúa lớn. Theo Tổng cục thống kê năm 2013 diện tích lúa nƣớc 7,9 triệu hecta, với sản lƣợng đạt khoảng 44,07 triệu lúa. Nhƣ ƣớc tính có khoảng 61 triệu rơm rạ tạo thành. Thực tế cho thấy, phần lớn rơm rạ đƣợc thải bỏ tƣơi. Phƣơng thức xử lý phổ biến đốt nhƣ nay, gây ô nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng, ảnh hƣởng đến sinh hoạt đời sống cƣ dân khu vực nông thôn lẫn đô thị. Cho đến nay, việc đốt bỏ rơm rạ tiếp tục diễn phạm vi rộng mà chƣa có biện pháp giải hiệu quả, gây nên nỗi lo ngại lớn môi trƣờng, an sinh xã hội. Vì vậy, nghiên cứu tạo lập sở khoa học tận dụng hiệu rơm rạ dạng nguyên thể hay cho sản xuất sản phẩm hữu ích, vấn đề thiết, cần đƣợc tập trung nghiên cứu. Một hƣớng nghiên cứu tận dụng rơm rạ, sử dụng làm nguyên liệu cho sản xuất vật liệu hóa chất (nhƣ bột giấy, etanol, furfural…) theo phƣơng pháp chế biến sinh-hóa học. Khác với gỗ, rơm rạ dạng sinh khối lignocellulose có thành phần hóa học đặc trƣng thân thảo ngắn ngày, nên nguyên tắc, hợp chất cao phân tử chúng, nhƣ cellulose, hemicellulose lingin, dễ phân hủy sinh-hóa học so với thành phần tƣơng tự gỗ, nhiên rơm rạ lại có thành phần hóa học không ổn định, tùy thuộc vào giống lúa, thời vụ, phƣơng pháp thu gom bảo quản, đặc biệt có hàm lƣợng chất vô tƣơng đối cao (có thể chiếm 12%), yếu tố gây khó khăn cho trình chế biến sinh-hóa học. Vì để đánh giá khả chuyển hóa rơm rạ thành etanol sinh học, cần có nghiên cứu sâu hệ thống, nhằm đƣa công nghệ khả thi, đồng thời làm sáng tỏ vấn đề khoa học liên quan. Đối với lĩnh vực chuyển hóa rơm rạ thành etanol, phƣơng pháp đƣờng hóa enzyme khả thi có nhiều triển vọng, so với thủy phân axit, phƣơng pháp thân thiện môi trƣờng hơn, cho hiệu suất đƣờng cao hơn. Tuy nhiên, nhƣ dạng vật liệu lignocellulose khác, vấn đề nâng cao hiệu suất chuyển hóa carbohydrate thành đƣờng. Để thúc đẩy trình chuyển hóa sinh học sinh khối lignocellulose thành etanol, có hai cách tiếp cận vấn đề: tách “tạp chất” khác sinh khối (nhƣ lignin, chất trích ly, chất vô cơ) khỏi phần carbohydrate, phải biến đổi sinh khối thành dạng phù hợp cho trình thủy phân enzyme. Đến nay, công đoạn này, có tên gọi “tiền xử lý”, đƣợc xem “chìa khóa” công nghệ chuyển hóa sinh khối lignocellulose thành etanol. Xuất phát từ tình hình trên, đề tài “Nghiên cứu tiền xử lý rơm rạ để nâng cao hiệu suất thủy phân enzyme cho sản xuất etanol sinh học” đƣợc lựa chọn thực theo Luận án này. Mục tiêu, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu luận án Mục tiêu luận án xác định đƣợc thông số công nghệ thích hợp trình tiền xử lý rơm rạ axit kiềm, nhằm nâng cao hiệu trình đƣờng hóa hỗn hợp enzyme có hoạt lực cao; xác định làm sáng tỏ biến đổi thành phần hóa học rơm rạ trình tiền xử lý. Đối tƣợng nghiên cứu rơm rạ giống lúa Khang Dân thu gom xã Ngãi Cầu, huyện Hoài Đức, Hà Nội. Phƣơng pháp nghiên cứu Tính chất rơm rạ đƣợc phân tích phƣơng pháp nghiên cứu cấu trúc, phƣơng pháp tiêu chuẩn hóa phân tích thành phần hóa học vật liệu lignocellulose, nhƣ phƣơng pháp TAPPI, ISO, ASTM, SEM, EDX sử dụng lĩnh vực khoa học công nghệ chế biến hóa học gỗ vật liệu lignocellulose. Rơm rạ ban đầu đƣợc nghiền nhỏ, tiền xử lý axit axetic hydroxit natri có bổ sung chất trợ tách loại lignin, sau đƣợc thủy phân enzyme thƣơng phẩm. Để tối ƣu hóa hiệu suất thủy phân, tiến hành khảo sát ảnh hƣởng yêu tố công nghệ trình tiền xử lý, đƣờng hóa, tới hiệu suất đƣờng khử thu đƣợc, sử dụng phƣơng pháp thực nghiệm lĩnh vực khoa học công nghệ cellulose, phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm Box-Behnken sử dụng phần mềm Design Expert 7.0.0. Hàm lƣợng thành phần đƣờng khử dịch đƣờng, đƣợc xác định phƣơng pháp đo độ hấp thụ quang học, HPLC. Đặc điểm chuyển hóa thành phần hóa học rơm rạ, đƣợc nghiên cứu phƣơng pháp TAPPI, SEM, phƣơng pháp nhiễu xạ tia X. Phạm vi nội dung nghiên cứu luận án Nội dung nhiên cứu bao gồm: Nghiên cứu đặc điểm cấu tạo số tính chất lý−hóa học rơm rạ số giống lúa phổ biến Việt Nam; Nghiên cứu tiền xử lý rơm rạ axit axetic có bổ sung axit clohydric kiềm cho trình đƣờng hóa enzyme; Nghiên cứu tối ƣu hóa thủy phân cellulose hemicellulose hỗn hợp enzyme thƣơng phẩm Cellic® CTec2, Cellic® HTec2; Thử nghiệm lên men etanol. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn luận án Kết Luận án sở khoa học, tiền đề cho nghiên cứu xây dựng áp dụng công nghệ phù hợp để chuyển hóa nguồn nguyên liệu sinh khối lignocellulose nhƣ rơm rạ thành etanol sinh học, đồng thời tài liệu tham khảo bổ sung vào sở liệu tính chất sinh khối lignocellulose Việt Nam. Các đóng góp luận án Về mặt công nghệ, công trình Việt Nam, nghiên cứu sâu hệ thống công nghệ tiền xử lý rơm rạ axit axetic có bổ sung axit clohydric hydroxit natri, hydroxit natri có bổ sung chất trợ tách loại lignin, kết hợp đƣờng hóa enzyme hoạt lực cao. Các chế độ công nghệ thích hợp/tối ƣu đƣợc xác lập sở cho việc xây dựng quy trình công nghệ khả thi sản xuất etanol sinh học. Về sở lý luận, xác định đƣợc đặc điểm cấu tạo thành phần hóa học rơm rạ số giống lúa suất cao phổ biến Việt Nam, số đặc điểm phân hủy biến đổi cấu trúc chúng trình chuyển hóa thành etanol sinh học. Bố cục Luận án Luận án đƣợc trình bày 155 trang, 31 bảng biểu, 69 hình vẽ đồ thị, 164 tài liệu tham khảo, với bố cục gồm phần: ĐẶT VẤN ĐỀ: trang; Chƣơng I. TỔNG QUAN VỀ ETANOL SINH HỌC: 32 trang; Chƣơng II. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM: 14 trang; Chƣơng III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN: 69 trang; KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: trang; TÀI LIỆU THAM KHẢO: trang (tiếng Anh, tiếng Nga, tiếng Việt). B. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHÍNH CỦA LUẬN ĐẶT VẤN ĐỀ Trình bày tính cấp thiết đề tài nghiên cứu; Mục tiêu nội dung nhiên cứu luận án; Ý nghĩa khoa học thực tiễn nghiên cứu. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tổng quan nhiên liệu sinh học Bao gồm 03 tiểu mục, trình bày khái niệm phân loại nhiên liệu sinh học, khái quát công nghệ sản xuất etanol sinh học hệ I, II III, tình hình sản xuất sử dụng nhiên liệu sinh học giới Việt Nam. 1.2. Sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối lignocellulose Bao gồm 04 tiểu mục, trình bày khái niệm sinh khối, đồng thời tổng quan vấn đề cấu tạo sinh khối lignocellulose, từ tế bào thực vật có hình dạng kích thƣớc khác nhau, nhƣng gồm thành phần màng nguyên sinh bao bọc bên tế bào, vách tế bào, tế bào chất, nhân tế bào không bào. Vách tế bào thực vật đƣợc cấu tạo từ tổ hợp lignocellulose, bao gồm ba thành phần cellulose, hemicellulose lignin. Sự kết hợp với tỷ lệ khác ba thành phần này, tạo nên khác biệt vách tế bào thực vật chí loài. Cấu tạo hóa học phân bố thành phần hóa học vách tế bào đƣợc trình bày. Phần tiểu mục “Thủy phân sinh khối enzyme cho sản xuất etanol sinh học”, trình bày tổng quan lý thuyết ứng dụng enzyme vi sinh vật để chuyển hóa sinh khối lignocellulose thành etanol sinh học, chế tác dụng chúng đặc điểm giai đoạn biến đổi carbohydrate trình thủy phân. Trong phần “Lên men etanol từ dịch thủy phân sinh khối enzyme” trình bày tổng quan lý thuyết nghiên cứu ứng dụng lên men etanol dịch đƣờng từ nguồn sinh khối khác nhau. 1.3. Sản xuất etanol sinh học từ rơm rạ Bao gồm tiểu mục, trình bày tổng quan tiềm rơm rạ Việt Nam, số đặc điểm thực vật học (cấu tạo thân cây, cấu tạo tế bào), tình hình nghiên cứu kết nƣớc. Nội dung phần trình bày sở lý thuyết tổng quan tình hình nghiên cứu nƣớc thu nhận etanol sinh học từ rơm rạ nƣớc, tập trung vào phƣơng pháp tiền xử lý rơm rạ axit hữu kiềm, để nâng cao hiệu suất thủy phân. Kết luận tổng quan nêu rõ hạn chế tồn nghiên cứu tƣơng tự, tính thiết nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu Luận án. CHƢƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1.Vật liệu Rơm rạ Khang Dân thu gom vào vụ đông, hè năm 2011, 2012 rơm nếp thu gom Hoài Đức, Hà Nội. Rơm rạ Q5 thu gom huyện Triệu Sơn, Thanh Hóa, rơm rạ BC 15 thu gom huyện Tiền Hải, tỉnh Thái Bình, rơm rạ OM4900 thu gom huyện Hòn Đất, Kiên Giang. Rơm rạ đƣợc thu gom, loại bỏ đất cát, tạp chất, phơi khô nghiền nhỏ. Hóa chất sử dụng dạng phân tích tinh khiết (PA), xuất xứ từ Anh, Đức, Tây Ba Nha, Trung Quốc, Việt Nam. Enzyme sử dụng cho nghiên cứu dạng thƣơng phẩm Cellic® CTec2 Cellic® HTec2 hãng Novozymes, Đan Mạch. Enzyme dạng lỏng đƣợc bảo quản chai khử trùng, nhiệt độ 4oC (trong ngăn mát tủ lạnh). Chủng nấm lên men etanol Saccharomyces cerevisiae BG1 đƣợc lấy từ Bộ sƣu tập giống Phòng Công nghệ vật liệu sinh học, Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam. 2.2. Phƣơng pháp xác định thành phần sinh khối, cấu tạo giải phẫu số tính chất lý học rơm rạ. Khi xác định phần rơm rạ, lúa đƣợc cắt làm ba phần, 1/3 phía đƣợc xem rơm, hai phần lại rạ. Sau hạt thóc đƣợc tách thủ công, để khô gió xác định khối lƣợng phần. Nghiên cứu cấu tạo thô đại cấu tạo hiển vi thân lúa đƣợc tiến hành theo phƣơng pháp tạo tiêu hiển vi giải phẫu thực vật mầm sở phƣơng pháp giải phẫu gỗ Hiệp hội giải phẫu gỗ quốc tế (IAWA). Tính chất xơ sợi rơm rạ: theo phƣơng pháp tách sợi Madison: tiến hành đo kính hiển vi với mảnh có kích thƣớc 1,5x1,5x30 mm. Khối lƣợng thể tích rơm rạ (g/cm3) đƣợc xác định theo phƣơng pháp tiêu chuẩn hóa D 2395–07a, đo máy đo tỉ trọng kế điện tử MD-300S dựa theo nguyên lý Archimedes, tìm thể tích mẫu cách so sánh với thể tích nƣớc bị mẫu chiếm chỗ 4oC. Thành phần nguyên tố rơm rạ đƣợc xác định theo phƣơng pháp phổ tán sắc lƣợng (SEM– EDS). Nguyên lý hoạt động dựa việc ghi nhận tia X thu đƣợc chùm điện tử lƣợng cao tƣơng tác với vật rắn, đo thiết bị hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao HRTEM Tecnai G2 F20 hãng FEI, Phòng thí nghiệm Hiển vi điện tử vi phân tích Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ (AIST), Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Chỉ số độ kết tinh cellulose rơm rạ đƣợc xác định thông qua cƣờng độ pick phổ XRD mẫu, theo phƣơng pháp Segal L., theo số độ kết tinh cellulose rơm rạ theo công thức sau: CrI (%) = (I002 – Iam)/I002*100, I002 cƣờng độ pick góc Theta = 22,6 Iam cƣờng độ pick góc Theta = 18,7. Thành phần hóa học rơm rạ đƣợc xác định theo phƣơng pháp tiêu chuẩn hóa nguyên liệu thực vật TAPPI. 2.2. Tiền xử lý rơm rạ axit axetic Tiền xử lý rơm rạ axit axetic đƣợc tiến hành bình thủy tinh 500 ml, lắp với sinh hàn ngƣợc, gia nhiệt bể glyxerin. Mỗi mẻ tiến hành với 20 g rơm rạ khô tuyệt đối. Thành phần dịch nấu (CH3COOH, HCl), nhiệt độ thời gian xử lý đƣợc điều chỉnh tùy theo mục tiêu thực nghiệm. Sau xử lý, rơm rạ qua công đoạn ”trích ly kiềm” đề tăng cƣờng tách loại lignin, chất vô cơ… sau tiếp tục đƣợc thủy phân enzyme. 2.3. Phƣơng pháp tiền xử lý rơm rạ kiềm thiết bị hở, áp suất khí Tiền xử lý (nấu) rơm rạ với dung dịch hydroxit natri (có không bổ sung chất trợ tách loại lignin Na2S), đƣợc tiến hành bình thủy tinh 500 ml, nối với sinh hàn ngƣợc, gia nhiệt bếp điện. Mỗi mẻ tiến hành với 20 g. Phƣơng thức tiến hành, khái niệm cách tính tiêu hao hóa chất, sản phẩm tƣơng tự nhƣ nấu xút nấu sunfat, áp dụng công nghệ sản xuất cellulose. Bột thu đƣợc đánh tơi, xử lý, xác định hiệu suất bột thu đƣợc so với rơm rạ ban đầu sử dụng cho đƣờng hóa enzyme. 2.4. Phƣơng pháp tiền xử lý rơm rạ kiềm thiết bị kín (có áp suất áp suất khí bình tƣơng ứng) Quá trình tiền xử lý rơm rạ đƣợc tiến hành nồi inox kín có dung tích lít, gia nhiệt bể glyxerin. Mỗi mẻ tiến hành với khoảng 35g nguyên liệu khô tuyệt đối, thành phần dịch nấu (NaOH, Na2S), nhiệt độ thời gian xử lý đƣợc điều chỉnh tùy theo mục tiêu thực nghiệm. Rơm rạ sau xử lý sau tiếp tục đƣợc thủy phân enzyme. 2.5. Phƣơng pháp thủy phân rơm rạ sau tiền xử lý enzyme lên men etanol Thủy phân (đƣờng hóa) rơm rạ sau tiền xử lý, đƣợc tiến hành bình thủy tinh nhám có nắp dung tích 100 ml, đƣợc khử trùng 100oC 2h. Dung dịch đệm sử dụng dung dịch citrat 0,05M có pH=5,0, mức sử dụng enzyme (tỷ lệ enzyme Cellic® CTec2, Cellic® HTec2, lƣợng dùng) thời gian thủy phân đƣợc điều chỉnh tùy theo mục tiêu thực nghiệm. Sau kết thúc thời gian đƣờng hóa, dịch đƣờng đƣợc lọc để phân tích hiệu suất đƣờng khử theo phƣơng pháp đo quang sử dụng dung dịch DNS, phần bã lại đƣợc sấy khô để phân tích tính chất. Sau trình thủy phân, dịch đƣờng đƣợc đƣa lên men chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae BG1. CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Đặc điểm cấu tạo, tính chất lý học thành phần hóa học rơm rạ số giống lúa phổ biến Việt Nam Thành phần sinh khối rơm rạ đƣợc nghiên cứu đƣợc tiến hành mô phƣơng thức gặt hiên cắt lấy 1/3 thân lúa chứa hạt lúa gọi phần rơm, phần rạ toàn thân lúa lại. Xác định thành phần sinh khối rơm rạ số giống lúa cho thấy, phần rơm giống lúa khác dao động khoảng 23÷ 35%, phần rạ khoảng 65 ÷ 76% khối lƣợng thân cây. Thân lúa đƣợc cấu tạo lóng rỗng ruột, nối với đốt. Mỗi lóng dài từ cm đến 30 cm, đốt dài từ 0,1 cm đến 0,2 cm. Bẹ lúa gắn kết với thân lúa đốt bao quanh lóng. Thân lúa đƣợc cấu tạo chủ yếu 05 loại tế bào khác (hình 3.2), theo thứ tự từ vào là: biểu bì (B), hạ bì (H), tế bào mô mềm (M), tế bào cƣơng mô (C), bó mạch (T, N). Độ dày hạ bì mẫu rơm rạ Khang Dân Q5 thu đƣợc tƣơng ứng 24 µm 64 µm. Do có độ dày hạ bì lớn gấp lần, mà lúa Q5 có thân cao, to nhiều so với Khang Dân, sinh khối lớn nhiều (hình 3.3). Cấu tạo hiển vi đốt thân lúa đƣợc trình bày hình 3.4) Mặt cắt ngang Mặt cắt dọc Hình 3.2. Cấu tạo hiển vi lóng thân lúa Khang Dân (B: Biểu bì; H: hạ bì; M: tế bào mô mềm; N: tế bào bó mạch ngoài; T: tế bào bó mạch trong; C: tế bào cƣơng mô) Mặt cắt ngang Mặt cắt dọc Hình 3.3. Cấu tạo hiển vi lóng thân lúa Q5 a1 a2 b1 b2 Hình 3.4. Cấu tạo hiển vi đốt thân lúa (a: Mặt cắt ngang, b: Mặt cắt dọc, 1: Lúa Khang Dân, 2: Lúa Q5) Rơm rạ Khang Dân có kích thƣớc xơ sợi chiều dài 932, rộng 7µm, độ thon 127; rơm rạ lúa Q5 có kích thƣớc chiều dài 2380, rộng 22 µm, độ thon 108. Nhƣ vậy, xơ sợi rơm rạ Q5 lớn gấp 2,5 lần chiều rộng gấp lần so với rơm rạ Khang Dân. Tuy nhiên, độ thon gọn xơ sợi Q5 lại nhỏ Khang Dân. Ngoài ra, xơ sợi thân lúa Khang Dân có kích thƣớc đồng chiều rộng (dao động từ 6÷9 μm), nhƣng chiều dài lại có chênh lệch lớn, tùy thuộc vào vị trí khác thân lúa dao động từ 743 đến 1136 μm. Ngƣợc lại, xơ sợi rơm rạ Q5 có chênh lệch lớn chiều rộng (từ 14 đến 29 μm) chiều dài (từ 1526 đến 3055 μm). Nghiên cứu phổ XRD rơm rạ Khang Dân, cho thấy khác biệt định mức độ trật tự xếp đại phân tử cellulose, pentosan hay hexosan (cƣờng độ pick khác nhau). Chỉ số độ kết tinh rơm rạ Khang Dân 47,6%. Khối lƣợng riêng trung bình rơm rạ giống lúa Khang Dân 0,22 g/cm3, giá trị lớn 0,27 g/cm3 giá trị nhỏ 0,16 g/cm3. Không có khác biệt nhiều khối lƣợng riêng trung bình rơm rạ giống lúa khác nhau. Các giá trị khối lƣợng riêng dao động từ 0,22 đến 0,26 g/cm3. Về thành phần nguyên tố, thành phần nguyên tố nhƣ C, H, O, rơm rạ chứa lƣợng lớn chất vô nhƣ kim loại kiềm, kiềm thổ, Si, P, S . Ba thành phần rơm rạ C, O Si chiếm từ 97,3 đến 99,6 % so với khối lƣợng rơm rạ, kim loại nhóm I kim loại kiềm thổ chiếm hàm lƣợng nhỏ (khoảng 2%). Thành phần hóa học rơm rạ đƣợc trình bày bảng 3.5. Bảng 3.5. Thành phần hóa học rơm rạ số giống lúa Thành phần hóa học, % Khang Dân Cả Rơm BC15 Rạ Cả Rơm Q5 Rạ Cả Rơm Rạ Cellulose 34,50±1,2 31,05 35,32 35,98±0,91 33,05 36,20 32,90±1,30 30,15 33,08 Pentosan 18,70±1,56 18,69 21,20 21,56±1,79 22,02 21,49 22,55±0,84 23,28 22,48 Lignin 19,54±0,86 20,36 18,27 18,22±1,21 20,94 17,47 Các chất tan NaOH 50,00±1,73 53,26 1% 47,92 47,95±1,55 48,19 47,72 52,48±1,79 55,16 51,39 Các chất trích ly 3,57±0,26 etanol 3,65 3,55 5,12±0,74 Các chất tan nƣớc 19,93±1,62 23,75 nóng 18,18 18,34±1,48 19,29 17,89 24,28±1,07 23,30 24,13 Các chất tan nƣớc 16,70±1,38 14,86 lạnh 13,29 14,83±1,25 13,26 14,14 18,15±0,98 16,68 18,18 Độ tro 18,25 11,23±0,59 10,64 12,67 12,43±0,34 13,49 12,70 14,67±0,75 11,02 5,10 5,19 19,47±1,5 21,45 17,20 5,22±1,34 5,79 5,16 3.2. Tiền xử lý rơm rạ cho trình đƣờng hóa enzyme Hai phƣơng pháp tiền xử lý, xử lý axit axetic hydroxit natri không/có bổ sung chất trợ tách loại lignin đƣợc nghiên cứu, để nâng cao hiệu suất thủy phân enzyme. Mục tiêu tiền xử lý rơm rạ tách loại thành phần carbohydrate khỏi rơm rạ, để nâng cao khả phản ứng (thủy phân) chúng. Cơ chế đặc điểm chuyển hóa hóa học sinh học trình tiền xử lý thủy phân, đƣợc đánh giá qua sản phẩm tạo thành, thành phần hóa học đƣờng thu đƣợc bã rắn lại sau thủy phân enzyme hình thái xơ sợi (qua phân tích hình ảnh SEM) cấu trúc cellulose trƣớc sau xử lý. Chỉ tiêu đánh giá hiệu đƣờng hóa cellulose hiệu suất đƣờng khử, tức lƣợng đƣờng khử thu đƣợc so với nguyên liệu rơm rạ ban đầu. 3.2.1. Tiền xử lý rơm rạ axit axetic Tiền xử lý axit axetic đƣợc tiến hành hai công đoạn: nấu với dung dịch axit axetic không/có bổ sung axit clohydric trích ly kiềm. Ảnh hƣởng yếu tố công nghệ tiền xử lý (bổ sung chất tách loại lignin HCl, nhiệt độ thời gian xử lý) tới hiệu đƣờng hóa carbohydrate enzyme, đƣợc nghiên cứu để xác lập chế độ công nghệ thích hợp. Ảnh hƣởng HCl (khi bổ sung vào dịch nấu với tỉ lệ (CH3COOH:HCl) khoảng từ 100:0 đến 96:4), tới khả đƣờng hóa rơm rạ trình thủy phân enzyme đƣợc trình bày hình 3.6. Hình 3.6. Ảnh hƣởng HCl đến phân hủy rơm rạ (1) hiệu suất đƣờng khử (2) Hình 3.7-3.9. Ảnh SEM bột rơm rạ ban đầu (1) sau tiền xử lý axit axetic (2) Qua xác định đƣợc mức sử dụng axit clohydric thích hợp tỉ lệ (CH3COOH:HCl) 98:2 thể tích. Lƣợng đƣờng khử thu đƣợc đạt mức 35,3-35,9% so với rơm rạ ban đầu, tƣơng ứng với 90-92% cellulose bị đƣờng hóa. Mức độ tách loại hợp chất xơ sợi làm cho bề mặt rơm rạ không kết khối, xơ sợi “lộ diện” hơn, khoảng cách chúng lớn hơn, trình thủy phân enzyme diễn thuận lợi (hình 3.7, 3.9). Tƣơng tự, xác định đƣợc ảnh hƣởng nhiệt độ thời gian xử lý tới hiệu suất đƣờng khử (hình 3.13, 3.14). Đã xác định đƣợc nhiệt độ tiền xử lý thích hợp khoảng 100oC, thời gian thích hợp 90 phút. Hình 3.13. Ảnh hƣởng nhiệt độ xử lý đến lƣợng rơm rạ bị hòa tan (1) hiệu suất đƣờng khử (2) Hình 3.14. Ảnh hƣởng thời gian xử lý đến lƣợng rơm rạ bị hòa tan (1) hiệu suất đƣờng khử (2) Về biến đổi lignin, thấy công đoạn xử lý rơm rạ axit axetic có bổ sung axit clohydric, lignin rơm rạ bị phân hủy nhƣng khó hòa tan khuếch tán vào dung dịch, bị kết bám bề mặt xơ sợi, tạo thành lớp màng ngăn cản tiếp cận enzyme. Kết thủy phân enzyme cho hiệu suất đƣờng khử 28,0% so với rơm rạ. Công đoạn trích ly kiềm hòa tan dễ dàng lignin chất vô cơ, nâng cao 10 đƣợc hiệu suất đƣờng khử lên mức 43,1% so với rơm rạ (hình 3.15). Bằng cách tối ƣu hóa công đoạn trích ly kiềm theo hiệu suất đƣờng khử, lựa chọn đƣợc chế độ công nghệ trích ly kiềm thích hợp, với mức sử dụng NaOH 2,5% so với rơm rạ sau xử lý, nhiệt độ xử lý 70oC, thời gian xử lý 30 phút. Lƣợng lignin bị tách loại sau hai công đoạn xử lý chiếm 84,8% so với khối lƣợng ban đầu, chất vô bị tách loại tới 68,1% (hình 3.16). Hình 3.15. Ảnh hƣởng trình trích ly kiềm đến hiệu suất bột (1) hiệu suất đƣờng khử (2) Hình 3.16. Ảnh hƣởng trích ly kiềm đến mức tách loại chất vô (1) lignin (2) Kết nghiên cứu biến đổi thành phần hóa học cho thấy, chế độ công nghệ tiền xử lý thích hợp đƣợc xác lập (tỉ dịch 1:10; bổ sung axit clohydric với tỷ lệ 98:2 theo thể tích; nhiệt độ xử lý 100oC) (hình 3.17) cho thấy, chuyển hóa hòa tan rơm rạ thành phần rơm rạ (lignin, cellulose, chất vô cơ) tuân theo quy luật: đạt “ngƣỡng” hòa tan sau khoảng 90 phút. Tổn thất cellulose lớn vào khoảng < 8% so với cellulose ban đầu. Thông qua phổ XRD xác định đƣợc, trình tiền xử lý có khoảng 3,8% cellulose bị phân hủy, số có 85,5% cellulose vô định hình 14,5% cellulose tinh thể. Khoảng 68% lƣợng chất vô 85% lignin bị hòa tan, chủ yếu công đoạn trích ly kiềm. Hình 3.17. Sự biến đổi thành phần hóa học rơm rạ trình tiền xử lý axit axetic (1: Rơm rạ; 2: Lignin; 3: Các chất vô cơ; 4: Cellulose) Hình 3.18. Phổ XRD rơm rạ chƣa xử lý (1) sau tiền xử lý axit axetic (2) 11 3.2.2. Tiền xử lý rơm rạ kiềm áp suất khí Xử lý rơm rạ dung dịch NaOH (nấu xút) hỗn hợp NaOH +Na2S (nấu sunfat) với mức sử dụng kiềm hoạt tính từ 10 đến 30% so với rơm rạ, (tỉ dịch 1:10, nhiệt độ sôi dịch nấu (100oC), thời gian 120 phút) cho thấy, thành phần dịch nấu có khác nhau, nhƣng ảnh hƣởng chúng phân hủy rơm rạ trình tiền xử lý đƣờng hóa cellulose có quy luật tƣơng tự (hình 3.19). Nếu nhƣ xử lý nƣớc điều kiện làm cho khoảng 12% rơm rạ bị phân hủy, hòa tan thu đƣợc khoảng 13% đƣờng khử so với rơm rạ ban đầu, tăng mức sử dụng kiềm thúc đẩy chuyển hóa rơm rạ trình tiền xử lý, đồng thời hiệu đƣờng hóa cellulose đƣợc cải thiện rõ rệt. Khảo sát ảnh hƣởng mức sử dụng kiềm khoảng 5-25% so với rơm rạ cho thấy mức sử dụng kiềm hoạt tính thích hợp khoảng 18-20% so với rơm rạ. Ngoài ra, so với nấu xút, nấu sunfat cho hiệu suất đƣờng khử cao 2-3% (hình 3.19). Dƣới tác dụng tác nhân tiền xử lý, thành phần hóa học rơm rạ, nhƣ lignin, cellulose, chất vô .bị thay đổi đáng kể, tùy thuộc vào thành phần dịch nấu điều kiện xử lý. Ở mức sử dụng kiềm hoạt tính 18-20% so với rơm rạ, có tới 93-95% 86-88% lignin bị tách loại tƣơng ứng nấu sunfat xút. Lƣợng chất vô bị tách loại nấu sunfat xút lần lƣợt 85% 81%. Nhƣ vậy, so với phƣơng pháp tiền xử lý rơm rạ axit axetic, tiền xử lý kiềm có khả tách loại chất vô hiệu hẳn. Với mức sử dụng kiềm 18%, trình tiền xử lý rơm rạ kiềm tách loại gần nhƣ toàn chất vô có rơm rạ, tạo điều kiện tốt cho enzyme tiếp cận thủy phân cellulose. Cảm quan cho thấy, so với tiền xử lý axit axetic axit clohydric, rơm rạ sau xử lý kiềm có màu sáng hơn, xơ sợ vụn dai hơn. Hình 3.19. Ảnh hƣởng mức sử dụng Hình 3.20. Ảnh hƣởng kiềm hoạt tính tới hiệu suất bột xút (1) mức sử dụng kiềm hoạt tính bột sunfat (2); hiệu suất đƣờng khử từ tới mức tách loại lignin xút (3) bột sunfat (4) nấu sunfat (1) nấu xút (2) Hình 3.21. Ảnh hƣởng mức sử dụng kiềm đến mức tách loại chất vô nấu xút (1) nấu sunfat (2) 12 Sự thay đổi hàm lƣợng thành phần vô định hình tinh thể cellulose trình tiền xử lý, đƣợc xác định phân tích hàm lƣợng (phƣơng pháp TAPPI) phổ XRD (hình 3.22-3.24). Trong đó, mẫu sau tiền xử lý có số độ kết tinh tăng lên, phần vô định hình nhƣ hemicellulose, lignin, chất vô bị hòa tan trình tiền xử lý kiềm. Hình 3.22. Ảnh hƣởng mức dùng kiềm đến lƣợng cellulose bị hòa tan nấu xút (1) nấu sunfat (2) Hình 3.23. Phổ XRD rơm rạ ban đầu bột xút sau tiền xử lý Hình 3.24. Phổ XRD rơm rạ ban đầu bột sunfat sau tiền xử lý Tiền xử lý kiềm làm thay đổi hoàn toàn cấu trúc rơm rạ. Nếu nhƣ mẫu rơm rạ ban đầu (hình 3.25a), thành phần rơm rạ liên kết với thành khối đặc, dƣới tác dụng kiềm, bề mặt rơm rạ bị tan rã, không kết thành khối. Với mức sử dụng kiềm tăng, phần lignin, chất vô bị hòa tan lớn làm xơ sợi lộ rõ hơn, khoảng cách chúng lớn dần (hình 25b,c,d,e). a b c d e Hình 3.25. Ảnh SEM rơm rạ trƣớc sau tiền xử lý (a-Rơm rạ ban đầu; b-Bột xút 10%; cBột sunfat 10%; d-Bột xút 20%; e-Bột sunfat 20%; g-Bột xút 25%; h-Bột sunfat 25%) 3.2.3. Tiền xử lý rơm rạ kiềm theo phương pháp nấu kín Có thể thấy, tiền xử lý rơm rạ kiềm áp suất thƣờng (trong thiết bị hở, hồi lƣu khí ngƣng, có áp suất cân với áp suất bên môi trƣờng) hiệu với mức dùng kiềm cao, lên tới 18−20% so với rơm rạ khô tuyệt đối mức sử dụng kiềm thấp 10%, có 10% cellulose bị phân hủy. Ở mức dùng kiềm thích hợp đƣợc chọn 18-20% nhƣ có khoảng 17% cellulose bị phân hủy, hiệu suất đƣờng khử chƣa 13 đạt mức mong muốn. Mặc dù mức dùng kiềm cao nhƣng nấu áp suất khí quyển, áp lực thẩm thấu hóa chất vào rơm rạ không đủ lớn để cải thiện đƣợc trình tách loại lignin, chất vô cơ, chất sáp có rơm rạ. Và hiệu thủy phân rơm rạ enzyme sau tiền xử lý chƣa cao. Vì vậy, để nâng cao hiệu trình tiền xử lý rơm rạ hiệu suất thủy phân carbohydrate sau đó, nghiên cứu tập trung vào hƣớng tiền xử lý thiết bị kín, có áp suất áp suất khí bão hòa nhiệt độ tƣơng ứng. Sử dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm Box-Behnken, phƣơng pháp đáp ứng bề mặt tối ƣu hóa trình tiền xử lý rơm rạ kiềm thiết bị kín, có áp suất định, phần mềm Design Expext 7.0.0. Nghiên cứu ảnh hƣởng mức sử dụng xút (biến X1) xút có bổ sung chất trợ tách loại lignin (Na2S) trƣờng hợp nấu sunfat độ sunfua cố định 25%, nhiệt độ (biến X2) thời gian phản ứng (biến X3) đến hàm mục tiêu hiệu suất bột sau tiền xử lý (Y1) hiệu suất đƣờng khử sau thủy phân (Y2). Dựa vào kết nghiên cứu sơ bộ, thay đổi biến mức sử dụng kiềm hoạt tính (X1) khoảng 1-9% so với rơm rạ khô ban đầu, nhiệt độ (X2) khoảng từ 90-110oC, thời gian xử lý (X3) từ 90 đến 150 phút. Lập bảng quy hoạch thực nghiệm theo Box-Behnken, thu đƣợc 04 phƣơng trình hồi quy, biểu thị tƣơng quan hiệu suất bột xút, bột sunfat theo yếu tố ảnh hƣởng (1) (3). Các phƣơng trình hồi quy biểu diễn hiệu suất đƣờng khử tƣơng ứng thủy phân bột xút, sunfat (2), (4): Y1= 50,24 – 9,57X1 – 2,54X2 – 0,18X3 + 0,27 X1X2 + 1,24X1X3 + 0,55X2X3 + 8,5X12 + 0,39X22 – 0,84X32 (1) Y2= 48,69 + 3,99X1 + 1,17X2 + 0,25 X3 + 0,025 X1X2 + 0,15 X1X3− 0,68X2X3− 5,73X12−1,23X22 − 2,07X32 (2) Y1 = 56,13 – 10,74X1 – 3,4X2 – 0,33X3 + 0,43X1X2 – 0,14X1X3 – 0,42X2X3 +5,97X12 + 0,13X22 – 0,75X32 (3) Y2 = 50,63 + 11,99X1 + 2,52X2– 0,58X3– 0,85X1X2 + 0,16X1X3 + 0,49X2X3– 14,03X12 – 3,34X22– 1,71X32 (4) Tối ƣu hóa lƣợng đƣờng khử thu đƣợc, theo thông số công nghệ trình tiền xử lý rơm rạ xút xút có bổ sung Na2S theo phƣơng pháp nấu kín, cách cho phần mềm chạy tối ƣu hóa, thu đƣợc 43 phƣơng án với hệ số kỳ vọng trƣờng hợp. Trong chọn kết tối ƣu hóa số 26 cho thông số tiền xử lý: mức sử dụng xút 5,35%; nhiệt độ 102,77oC thời gian 114,00 phút cho hiệu 14 suất bột xút 48,87±1,5%, hiệu suất đƣờng khử 49,76±0,2% kết hợp với kết thực tế thí nghiệm tâm theo Box-Behnken mức dùng xút 5,0%, nhiệt độ 100oC, thời gian xử lý 120 phút cho kết gần tƣơng tự hiệu suất bột xút đạt 50,3%, hiệu suất đƣờng khử 48,7% kết tối ƣu phù hợp (hình 3.30). Tƣơng tự trƣờng hợp nấu sunfat rơm rạ: mức sử dụng kiềm hoạt tính 7,12%, nhiệt độ 100,8oC, thời gian 106,94 phút, hiệu suất đƣờng khử tƣơng ứng 52,8±1,1% so với rơm rạ khô ban đầu. Sugar Design-Expert® Software 110.00 Sugar Design-Expert® Software 110.00 Sugar 51.81 Sugar 49.27 18.32 23.02 49.76 Actual Factor C: Time = 106.94 100.00 32.3011 36.9773 41.6536 46.3298 B : T e m p e tu re B : Actual Factor C: Time = 114.00 Prediction T e m p e r a tu r e 105.00 X1 = A: Concentration X2 = B: Temperature 105.00 X1 = A: Concentration X2 = B: Temperature 95.00 100.00 29.8585 35.7382 41.6179 Prediction 52.4759 47.4976 95.00 27.6249 46.3298 23.9788 47.4976 90.00 1.00 3.00 5.00 7.00 9.00 90.00 1.00 3.00 5.00 7.00 9.00 A: Concentration A: Concentration Hình 3.30. Biểu đồ tối ƣu hóa hiệu suất đƣờng khử bột xút rơm rạ theo yếu tố ảnh hƣởng Hình 3.45. Tối ƣu hóa hiệu suất đƣờng khử sau tiền xử lý rơm rạ (NaOH+Na2S) Từ thấy, nấu xút nấu sunfat rơm rạ theo phƣơng pháp nấu kín phƣơng pháp tiền xử lý rơm rạ hiệu so với nấu hở áp suất khí quyển, nâng cao đƣợc hiệu suất đƣờng khử (trung bình khoảng 2-3%). Về biến đổi thành phần hóa học rơm rạ, tăng mức sử dụng xút nhiệt độ thúc đẩy trình tách loại thành cellulose, lignin, chất vô có rơm rạ, dẫn đến hiệu suất bột xút giảm dần (hình 3.32, 3.34, 3.35). Hình 3.32. Ảnh hƣởng tiền xử lý rơm rạ NaOH đến phân hủy cellulose (1.ở 90oC, 2. 100oC) Hình 3.34. Ảnh hƣởng NaOH đến tách loại lignin rơm rạ (1 –ở 90oC; –ở 100oC) Hình 3.35. Ảnh hƣởng NaOH đến tách loại chất vô (1. 90 oC, 2. 100 oC) 15 So sánh trình tách loại cellulose, lignin, chất vô điều kiện phƣơng pháp tiền xử lý rơm rạ NaOH tiền xử lý rơm rạ NaOH có bổ sung chất trợ tách loại lignin Na2S (nấu sunfat) (hình 3.46, 3.48, 3.49) cho thấy, điều kiện nhiệt độ, thời gian xử lý tùy theo mức dùng kiềm hoạt tính mà lƣợng cellulose phƣơng pháp nấu sunfat bị giảm so với phƣơng pháp nấu xút, lƣợng lignin, chất vô bị tách loại tƣơng đƣơng. Nói cách khác cellulose rơm rạ đƣợc bảo toàn phƣơng pháp tiền xử lý rơm rạ NaOH có bổ sung Na2S, điều dẫn đến hiệu suất bột sunfat thƣờng cao 5-7% so với hiệu suất bột xút (trong khoảng điều kiện tiền xử lý lựa chọn trên). Hình 3.46. Ảnh hƣởng mức Hình 3.48. Ảnh hƣởng sử dụng kiềm hoạt tính đến mức sử dụng sử dụng kiềm mức tách loại cellulose nhiệt hoạt tính đến mức phân hủy độ 90oC (1) 100oC (2) lignin 90oC (1) 100oC (2) Hình 3.49. Ảnh hƣởng mức sử dụng kiềm hoạt tính đến mức tách loại chất vô 90oC (1) 100oC (2) Sự biến đổi cellulose rơm rạ diễn không lƣợng mà chất. Nghiên cứu phổ XRD (hình 3.33) tính số độ kết tinh cellulose rơm rạ ban đầu sau tiền xử lý chế độ công nghệ tối ƣu bột xút cho thấy, cellulose rơm rạ ban đầu có độ kết tinh 47,6% tức có 52,4% phần vô định hình, dễ bị biến đổi phân hủy. Bột rơm rạ sau tiền xử lý xút chế độ tối ƣu có 6,2% cellulose bị phân hủy so với cellulose ban đầu có số độ kết tinh tăng lên 50,8%, tức cellulose tinh thể đƣợc “làm giàu” mẫu bột sau tiền xử lý. Quan sát hình ảnh SEM rơm rạ trƣớc sau tiền xử lý theo phƣơng pháp nấu sunfat thiết bị kín (hình 3.49) cho thấy, có thay đổi rõ rệt cấu trúc bề mặt, hình thái xơ sợi rơm rạ sau tiền xử lý, so với xử lý thiết bị hở áp suất khí quyển. Sự phân hủy thành phần hóa học rơm rạ trình tiền xử lý (NaOH+Na2S), ảnh hƣởng đến cấu trúc nó. Quan sát ảnh SEM rơm rạ trƣớc sau tiền xử lý (NaOH+Na2S) (hình 3.49) cho thấy, có thay đổi rõ rệt cấu trúc bề mặt, hình thái xơ sợi rơm rạ sau tiền xử lý. 16 Rơm rạ ban đầu b1 b5 b7 Hình 3.50. Ảnh SEM bột sunfat rơm rạ (1,5,7 mức sử dụng kiềm hoạt tính, b – nhiệt độ xử lý 100oC) Về thành phần dịch đƣờng sau tiền xử lý rơm rạ kiềm theo phƣơng pháp nấu kín cho thấy, khác biệt điều kiện tiền xử lý dẫn đến khác biết định hàm lƣợng cấu trúc cellulose bột rơm rạ sau tiền xử lý, chuyển hóa thành đƣờng có khác biệt. Kết có khác biệt lớn thành phần đƣờng thu đƣợc, hiệu suất đƣờng khử nói chung khác biệt nhiều điều kiện xử lý khác nhau. Phân tích phổ HPLC dịch đƣờng mẫu bột xút sau tiền xử lý điều kiện khác cho thấy, có khoảng 72÷73 % đƣờng lên men, đƣờng không lên men lại chủ yếu cellobiose, chiếm từ 27÷28 % tổng lƣợng đƣờng thu đƣợc (bảng 3.14). Bảng 3.14. Thành phần dịch đƣờng bột xút tối ƣu sau thủy phân enzyme Mức sử dụng NaOH, (%) Nhiệt Cellobios Glucose độ tiền e (g/l) (g/l) xử lý (oC) Xylose (g/l) Arabin Tổng ose đƣờng (g/l) (g/l) Tổng Glucose (%/ đƣờng có tổng đƣờng lên thể lên men) men (g/l) Xylose (% /tổng đƣờng lên men) 21,24 37,9 13,75 2,58 75,69 54,45 69,61 25,25 28,41 49,24 14,15 2,73 94,85 66,44 74,11 21,30 32,13 52,83 19,7 2,83 107,80 75,67 69,82 26,03 30,68 51,03 18,73 3,68 104,50 73,82 69,13 25,37 24,84 42,85 13,42 2,10 83,47 58,63 51,34 16,08 31,72 53,30 19,28 3,20 107,86 75,78 70,34 25,44 28,59 33,40 51,91 52,04 17,02 15,06 2,39 3,41 100,18 103,29 71,32 70,51 72,78 73,81 23,86 21,36 90oC 9 100oC Trong trƣờng hợp tiền xử lý rơm rạ xút thiết bị kín có áp suất áp suất khí tƣơng ứng, nhiệt độ 100oC, thay đổi mức sử dụng xút từ 3% đến 5%, có cải thiện rõ rệt hàm lƣợng thành đƣờng khử thu đƣợc sau thủy phân enzyme (hàm lƣợng glucose, xylose tăng 20%). Tiếp tục tăng mức sử dụng xút lên mức 7% 9%, hàm lƣợng 17 glucose giảm không đáng kể, nhƣng lƣợng xylose bắt đầu giảm vài phần trăm, hemicellulose dễ bị phân hủy môi trƣờng kiềm so với cellulose. Nhƣ vậy, để thu đƣợc lƣợng đƣờng khử tối đa, cần điều chỉnh trình tiền xử lý cho hạn chế đƣợc phân hủy hemicellulose. Kết nghiên cứu cho thấy, tiền xử lý rơm rạ NaOH với mức sử dụng NaOH 5% so với rơm rạ, nhiệt độ xử lý 100oC 120 phút cho kết thủy phân tốt nhất. Khi đó, hiệu suất đƣờng khử thu đƣợc 48,7% so với rơm rạ khô, thành phần có 70,3% glucose 25,4% xylose. Tăng mức dùng NaOH, lƣợng đƣờng thu đƣợc bắt đầu giảm nhẹ. Tƣơng tự, thay đổi thành phần dịch đƣờng trƣờng hợp nấu sunfat đƣợc nghiên cứu phổ HPLC, thành phần dịch đƣờng thu đƣợc tốt sau tiền xử lý với mức sử dụng kiềm hoạt tính 7%, nhiệt độ 100oC, 120 phút. Ở mức sử dụng kiềm hoạt tính 5%, tách loại lignin, chất vô chƣa hiệu nên hiệu suất đƣờng khử không cao, thành phần dịch đƣờng chứa lƣợng glucose thấp (bảng 3.18). Tăng mức sử dụng kiềm hoạt tính (NaOH+Na2S) từ lên 9% cho thấy, tổng lƣợng đƣờng thu đƣợc bắt đầu giảm nhẹ, nên chọn mức sử dụng kiềm hoạt tính 7% phù hợp với mục tiêu nghiên cứu. Bảng 3.18. Thành phần dịch đƣờng bột sunfat sau trình thủy phân Mức sử Nhiệt Cellobio Glucose, dụng độ, oC se, g/l g/l (NaOH+Na 2S), % 100oC 38,22 4,51 57,24/61,0 5,01 55,41 Xylose, Arabino Galactose Tổng se, g/l , g/l đƣờng, g/l g/l 24,36 0,93 4,53 22,97/24, 2,18/2,3 6,86/7,3 22,77 2,32 7,3 68,05 93,77/100 92,82 Từ kết nghiên cứu tiền xử lý rơm rạ theo phƣơng pháp nấu xút nấu sunfat thiết bị kín, có áp suất áp suất khí bão hòa nhiệt độ tƣơng ứng kết luận: Nấu xút nấu sunfat thiết bị kín phƣơng pháp tiền xử lý rơm rạ hiệu so với nấu hở, áp suất khí quyển, nâng cao đƣợc hiệu suất thủy phân enzyme; - Điều kiện tiền xử lý tối ƣu trƣờng hợp nấu xút: mức sử dụng NaOH 5% so với rơm rạ khô, 100oC giờ, kết hợp với thủy phân hỗn hợp enzyme thƣơng phẩm (Cellic® CTec2 Cellic® HTec2 Novozymes), cho hiệu suất đƣờng khử đạt 48,7% so với rơm rạ khô, tƣơng 18 ứng với gần 100% cellulose bị đƣờng hóa. Thành phần dịch đƣờng bao gồm 49,4% glucose; 17,9% xylose; 0,3% galactose; 3,0% arabinose; 29,4% cellobiose. Lƣợng đƣờng lên men thành etanol chiếm 72,4% dịch đƣờng thu đƣợc. Trong trình tiền xử lý, có 74,5% chất vô bị hòa tan, 65% lignin bị phân hủy tách loại. Lƣợng cellulose bị phân hủy 6,2%, chủ yếu cellulose vô định hình. - Điều kiện tiền xử lý tối ƣu trƣờng hợp nấu sunfat: mức sử dụng kiềm hoạt tính 7% so với rơm rạ khô, 100oC giờ, kết hợp với thủy phân hỗn hợp enzyme thƣơng phẩm (Cellic® CTec2 Cellic® HTec2 Novozymes), cho hiệu suất đƣờng khử đạt 52,96 % so với rơm rạ khô, tƣơng ứng với gần 100% cellulose bị đƣờng hóa. Thành phần dịch đƣờng bao gồm 61,0% glucose; 24,4% xylose; 7,3% galactose; 2,3% arabinose; 4,5% cellobiose. Lƣợng đƣờng lên men thành etanol chiếm 95,2% dịch đƣờng thu đƣợc. - Nấu sunfat cho dịch đƣờng có hàm lƣợng đƣờng lên men đƣợc cao (95,2%) so với nấu xút (chỉ 72,4%). 3.3. Tối ƣu hóa trình thủy phân rơm rạ qua tiền xử lý lên men dịch đƣờng thành etanol Từ kết nghiên cứu tiền xử lý rơm rạ điều kiện khác nhau, kết hợp với thủy phân enzyme (thƣơng phẩm) điều kiện thấy, bột từ rơm rạ thu đƣợc theo phƣơng pháp tiền xử lý khác nhau, có thành phần hóa học khác (đều có chứa lƣợng tạp chất định nhƣ lignin, chất vô cơ, chất trích ly .), phần carbohydrate bị phân hủy phần cấu trúc bột bị biến đổi khác tùy theo tác nhân hóa chất sử dụng trình tiền xử lý. Chính vậy, nghiên cứu tập trung nghiên cứu tối ƣu hóa trình thủy phân loại bột rơm rạ qua tiền xử lý hỗn hợp enzyme Cellic® CTec2 Cellic® HTec2 (nghiên cứu ảnh hƣởng mức dùng enzyme, nồng độ bột rơm rạ thời gian thủy phân). a. Tối ưu hóa trình thủy phân Nghiên cứu tối ƣu hóa trình thủy phân bột xút tẩy trắng, bột xút, bột sunfat bột axetic rơm rạ (khảo sát mức dùng enzyme (X1), nồng độ bột (X2) thời gian thủy phân (X3) quy hoạch thực nghiệm Box-Behnken, sử dụng phần mềm Design Expert 7.0.0., thu đƣợc 04 phƣơng trình hồi quy tƣơng ứng với 04 loại bột sau tiền xử lý bột xút tẩy trắng, bột xút, bột sunfat, bột axetic: 19 Y= 91,48 + 8,30X1 + 8,30X2 + 1,88X3 − 3,41X1X2 + 1,00X1X3 + 0,81X2X3 − 2,92X12 − 4,86X22−4,86X32 (Bột xút tẩy trắng) Y= 48,48+ 2,36X1 + 1,93X2 + 0,075X3 − 0,13X1X2 − 0,077X1X3 − 0,32X2X3 − 2,23X12 − 1,82X22 − 0,3X32 (Bột xút) Y = 50,30 + 1,95X1 + 1,80X2 + 0,75X3 + 0,082X1X2 + 0,14X1X3 + 0,17X2X3 − 1,64X12 + 0,26X22 − 0,39X32 (Bột sunfat) Y=45,56 + 1,27X1 − 0,98X2 + 0,36X3 − 0,64X1X2 − 0,042X1X3 − 0,0025X2X3 − 0,82X12 − 1,23X22 + 0,17X32 (Bột axetic) Các phƣơng trình hồi quy có giá trị p-value nhỏ 0,0001 chứng tỏ hàm số hội tụ hệ số tƣơng thích mô hình so với thực nghiệm lớn 70% (giá trị tƣơng thích mô hình từ 70,37 đến 97,30%). Quan sát phƣơng trình hồi quy thể ảnh hƣởng mức sử dụng enzyme, nồng độ bột, thời gian thủy phân đến hiệu suất đƣờng khử cho thấy ảnh hƣởng mạnh mức sử dụng enzyme (hệ số X1 có giá trị tuyệt đối lớn so với X2 X3) ảnh hƣởng theo tỉ lệ thuận: tăng mức sử dụng enzyme hiệu suất đƣờng hóa thu đƣợc cao. Tƣơng tự ảnh hƣởng nồng độ bột, hệ số X2 bốn phƣơng trình hồi quy có giá trị tuyệt đối lớn thứ hai có ảnh hƣởng theo tỉ lệ thuận, tăng nồng độ bột khoảng khảo sát hiệu thủy phân cao. Thời gian thủy phân có ảnh hƣởng thấp số yếu tố khảo sát khoảng biến thiên đƣợc nghiên cứu. Tiến hành tối ƣu hóa hàm mục tiêu hiệu suất đƣờng khử thu đƣợc sau tiền xử lý theo biến khảo sát phần mềm Design Expert, ta thu đƣợc thông số tối ƣu với loại bột. So sánh điều kiện tối ƣu hóa loại bột thu đƣợc sau tiền xử lý đến mục tiêu hiệu suất đƣờng khử qua bảng 3.27 cho thấy, tối ƣu hóa trình thủy phân loại bột axit bột kiềm từ rơm rạ nâng cao hiệu thủy phân, giảm bớt lƣợng enzyme đƣợc sử dụng, tiết kiệm hóa chất thời gian thủy phân so với chế độ thủy phân mặc định ban đầu. Bảng 3.27. Điều kiện tối ƣu thủy phân enzyme rơm rạ qua tiền xử lý theo phƣơng pháp khác Phƣơng pháp Hiệu suất Hiệu suất Mức sử dụng tiền xử lý rơm bột (%) đƣờng khử enzyme (U/g) rạ (%) Nấu xút kết 28,5 28,34 12,57 hợp tẩy trắng Nấu xút 50,30 49,2 15,60 Nấu sunfat 53,20 52,96 16,25 Nồng độ Thời gian Hiệu suất bột, % thủy phân, thủy phân, h % 10,38 120,0 99,43 10,77 96,0 98,20 10,98 121,0 98,10 20 b. Lên men etanol từ dịch thủy phân tối ưu: Thử nghiệm lên men dịch đƣờng để thu etanol đƣợc tiến hành với rơm rạ qua tiền xử lý theo phƣơng pháp khác nhau, sử dụng chủng giống Saccharomyces cerevisiae BG1, có khả lên men đƣờng C6. Kết thu đƣợc tất mẫu có khả lên men tốt với hiệu suất cao (bảng 3.31). Trong đó, dịch đƣờng bột xút có khả lên men etanol tốt hơn, nhiên xét tổng thể trình chuyển hóa từ rơm rạ thành etanol cần tiếp tục nghiên cứu khả chuyển hóa đƣờng pentose thành etanol nhằm nâng cao hiệu suất cuối trình. Bảng 3.31. Hiệu suất lên men etanol dịch đƣờng bột rơm rạ sau thủy phân Dịch thủy phân Hiệu suất Khối Nồng độ Đƣờng Khối Hiệu suất thu bột, % Đƣờng lƣợng cồn đƣờng sử dụng lƣợng cồn etanol (ml/ so với rơm sót (g/l) lý thuyết (g/l) (g) thực tế (g) kg rơm rạ) rạ khô (g) Bột rơm rạ sau tiền xử lý axit axetic trích ly kiềm 55,0% Bột xút Bột sunfat 29,38 3,5724 1,925 1,200 178 50,3% 24,64 3,6672 1,978 1,347 210 56,3% 26,97 3,6206 1,952 1,269 203 80,05 Với hiệu suất thu bột cao đạt 56,3%, hiệu suất sinh etanol cao đạt 203 ml/kg rơm rạ, chọn sơ đồ đề xuất trình chuyển hóa rơm rạ thành etanol sinh học chuyển hóa tác nhân sunfat (NaOH+Na2S) theo phƣơng pháp nấu kín mức dùng kiềm hoạt tính 7% so với rơm rạ khô tuyệt đối, nhiệt độ 100oC, vòng 120 phút nhƣ hình 3.69. 21 Hình 3.69. Sơ đồ chuyển hóa rơm rạ thành etanol KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu tổng quan tài liệu; tính chất rơm rạ số giống lúa phổ biến Việt Nam; trình tiền xử lý rơm rạ, đƣờng hóa enzyme, lên men etanol đặc điểm biến đổi hợp chất cao phân tử rơm rạ trình chuyển hóa thành etanol sinh học, rút kết luận sau: 1. Rơm rạ nguồn sinh khối lignocellulose tiềm có tính chất phù hợp làm nguyên liệu cho sản xuất etanol sinh học, theo nhiều phƣơng pháp công nghệ tiền xử lý khác nhau, lên men đại áp dụng, phù hợp với ứng xu hƣớng nhu cầu thiết phát triển nhiên liệu sinh học Thế giới Việt Nam; 2. Đã xác định đƣợc cấu tạo hiển vi thân lúa Khang Dân Q5, nhƣ điển hình rơm rạ, với 05 loại tế bào đặc trƣng cho mầm là: biểu bì, hạ bì, tế bào mô mềm, tế bào cƣơng mô, tế bào bó mạch ngoài; 3. Có khác biệt định đặc điểm sinh khối rơm rạ giống lúa khác nhau: khối lƣợng rơm rạ giống lúa dao động khoảng 1,37-2,22 g/cây (khảo sát 05 giống lúa); Rơm rạ hai giống lúa có chiều dài xơ sợi 932-2380 μm, chiều rộng 7-12 μm, trung bình lớn so với số dạng vật liệu tƣơng tự nhƣ thân cỏ Voi lai VA06 thân ngô. Khối lƣợng thể tích rơm rạ đạt trung bình 0,22-0,26 g/cm3. Trên 40% xơ sợi rơm rạ có cấu trúc tinh thể; 22 4. Rơm rạ 03 giống lúa khác có hàm lƣợng carbohydrate 56,565,0%, lignin 18,22-19,54%; chất vô 11,23-14,67%; chất trích ly etanol 3,45-5,30%; chất tan nƣớc 13,70-18,15%. Ngoài ra, thành phần dễ phân hủy sinh học rơm rạ chiếm 50%, cần có phƣơng pháp lƣu trữ bảo quản phù hợp sử dụng làm nguyên liệu cho sản xuất etanol nhƣ sản phẩm hữu ích khác; 5. Cũng nhƣ dạng vật liệu lignocellulose khác, tiền xử lý rơm rạ công đoạn định tính khả thi hiệu đƣờng hóa enzyme. Để nâng cao hiệu suất thủy phân, phƣơng pháp tiền xử lý nhằm mục đích tách loại lignin hiệu nhất, xử lý axit axetic hydroxit natri có bổ sung chất trợ tách loại lignin phƣơng pháp phù hợp, cho phép chuyển hóa 95-98% cellulose thành đƣờng. 6. Tiền xử lý rơm rạ (hai công đoạn) axit axetic có bổ sung axit clohydric, kết hợp với trích ly kiềm thủy phân enzyme, cho hiệu suất đƣờng khử đạt 46,9% so với rơm rạ, lên men etanol thành công với lƣợng etanol thu đƣợc 178 ml/kg rơm rạ ban đầu. Chế độ công nghệ thích hợp nhƣ sau: - Công đoạn (xử lý axit axetic bổ sung axit clohydric): Tỉ lệ (axit axetic/axit clohydric): 98/2 thể tích dung dịch dạng tinh khiết; Nhiệt độ xử lý: 100oC; Thời gian xử lý: 90 phút. - Công đoạn (trích ly kiềm): Mức sử dụng NaOH: 2,5% so với bột rơm rạ sau tiền xử lý (CH3COOH+HCl); Nhiệt độ xử lý: 70oC; Thời gian: 30 phút; - Thủy phân enzyme: nồng độ chất (rơm rạ sau tiền xử lý) 1011%; Mức sử dụng enzyme (hỗn hợp enzyme thƣơng phẩm Cellic® CTec2 Cellic® HTec2, với tỉ lệ tƣơng ứng 4:1 thể tích) 17,8 U/g; Thời gian thủy phân: 113,4 h. 7. Tiền xử lý rơm rạ dung dịch NaOH, với mức sử dụng NaOH 5% so với rơm rạ khô, nhiệt độ 100oC, 120 phút, kết hợp với thủy phân (theo chế độ công nghệ tối ƣu) với nồng độ chất (rơm rạ sau tiền xử lý) 10,7%, mức sử dụng enzyme (hỗn hợp enzyme thƣơng phẩm Cellic® CTec2 Cellic® HTec2, với tỉ lệ tƣơng ứng 4:1 thể tích) 15,6 U/g; thời gian thủy phân 94,2h, cho hiệu suất đƣờng khử đạt 49,2% so với rơm rạ, lên men etanol thành công với lƣợng etanol thu đƣợc 210 ml/ kg rơm rạ ban đầu. 8. Tiền xử lý rơm rạ dung dịch NaOH có bổ sung chất trợ tách loại lignin (Na2S), với mức sử dụng kiềm hoạt tính 7% so với rơm rạ khô, nhiệt độ 100oC, 120 phút; kết hợp với thủy phân (theo chế độ công nghệ tối ƣu) với nồng độ chất (rơm rạ sau tiền xử lý) 11,0%, mức sử dụng enzyme (hỗn hợp enzyme thƣơng phẩm Cellic® CTec2 Cellic® HTec2, với tỉ lệ 23 tƣơng ứng 4:1 thể tích) 16,2 U/g; thời gian thủy phân 114,7 h, cho hiệu suất đƣờng khử (có hàm lƣợng glucose 33,3%; xylose 13,4%, galactose 4% arabinose 1,3%) đạt 52,96% so với rơm rạ, lên men etanol thành công với lƣợng etanol thu đƣợc 203 ml/ kg rơm rạ ban đầu 9. Tiền xử lý rơm rạ theo phƣơng pháp khác nhau, có tác dụng tách loại thành phần carbohydrate, nhƣ lignin, chất vô cơ, chất trích ly, đồng thời làm biến đổi cấu trúc hình thái xơ sợi, nhờ trình thủy phân enzyme đƣợc cải thiện. Để đạt hiệu suất thủy phân cao có thể, cần tách loại khoảng 75-78% lignin sử dụng axit axetic. Đối với trƣờng hợp tiền xử lý kiềm, cần tách loại khoảng 65% lignin; 10. Tiền xử lý axit axetic kiềm kéo theo phân hủy phần carbohydrate, khoảng 4,8-6,2% so với khối lƣợng ban đầu rơm rạ chế độ công nghệ thích hợp/tối ƣu, xử lý axit gây tổn thất cellulose (khoảng 4,8%), chủ yếu lƣợng cellulose vô định hình, độ kết tinh cellulose sau tiền xử lý cao so với cellulose ban đầu. 11. Nghiên cứu tối ƣu hóa thông số trình thủy phân bột rơm rạ sau tiền xử lý hỗn hợp enzyme giúp nâng cao hiệu suất thủy phân lên từ 2,5 đến 4,9% tùy thuộc vào tính chất loại bột sau tiền xử lý, đồng thời giảm mức dùng enzyme xuống từ 29,9 đến 36,6%, giảm thời gian thủy phân, hóa chất (dung dịch đệm citrate) sử dụng. 12. Các phƣơng pháp tiền xử lý rơm rạ thủy phân enzyme cho sản xuất etanol sinh học, khả thi quy mô công nghiệp, thu hồi hóa chất để tái sử dụng, tiêu hao lƣợng. Đề xuất sơ đồ chuyển hóa etanol từ rơm rạ phƣơng pháp nấu sunfat thiết bị kín, với mức dùng kiềm hoạt tính 7%, nhiệt độ 100oC, thời gian 120 phút, trình thủy phân hệ enzyme thƣơng phẩm Cellic CTec2 Cellic HTec2 lên men với chủng Saccharomyces cerevisiae BG1. KIẾN NGHỊ NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 1. Nghiên cứu thu hồi hóa chất thu nhận sản phẩm phụ từ trình tiền xử lý rơm rạ axit axetic kiềm, đồng thời tái sử dụng nƣớc tận dụng/xử lý chất thải; 2. Mở rộng nghiên cứu thủy phân bột sau tiền xử lý sử dụng chế phẩm enzyme khác, tối ƣu hóa trình lên men etanol, đƣờng hóa lên men đồng thời; 3. Triển khai nghiên cứu chuyển hóa rơm rạ thành etanol quy mô pilot để đánh giá hiệu kinh tế, kỹ thuật môi trƣờng. 24 [...]... trình tách loại lignin, các chất vô cơ, các chất sáp có trong rơm rạ Và hiệu quả thủy phân rơm rạ bằng enzyme sau tiền xử lý còn chƣa cao Vì vậy, để nâng cao hiệu quả của quá trình tiền xử lý rơm rạ và hiệu suất thủy phân carbohydrate sau đó, các nghiên cứu tiếp theo tập trung vào hƣớng tiền xử lý ở trong thiết bị kín, có áp suất bằng áp suất hơi khí bão hòa ở nhiệt độ tƣơng ứng Sử dụng phƣơng pháp... phần hóa học của rơm rạ trong quá trình tiền xử lý bằng axit axetic (1: Rơm rạ; 2: Lignin; 3: Các chất vô cơ; 4: Cellulose) Hình 3.18 Phổ XRD của rơm rạ chƣa xử lý (1) và sau tiền xử lý bằng axit axetic (2) 11 3.2.2 Tiền xử lý rơm rạ bằng kiềm ở áp suất khí quyển Xử lý rơm rạ bằng dung dịch NaOH (nấu xút) và hỗn hợp NaOH +Na2S (nấu sunfat) với mức sử dụng kiềm hoạt tính từ 10 đến 30% so với rơm rạ, (tỉ... chuyển hóa đƣờng pentose thành etanol nhằm nâng cao hiệu suất cuối của quá trình Bảng 3.31 Hiệu suất lên men etanol dịch đƣờng bột rơm rạ sau thủy phân Dịch thủy phân Hiệu suất Khối Nồng độ Đƣờng Khối Hiệu suất thu bột, % Đƣờng lƣợng cồn đƣờng sử dụng lƣợng cồn etanol (ml/ so với rơm sót (g/l) lý thuyết (g/l) (g) thực tế (g) kg rơm rạ) rạ khô (g) Bột rơm rạ sau tiền xử lý bằng axit axetic và trích ly... là hiệu suất đƣờng khử qua bảng 3.27 cho thấy, tối ƣu hóa quá trình thủy phân các loại bột axit và bột kiềm từ rơm rạ đã nâng cao hiệu quả thủy phân, giảm bớt lƣợng enzyme đƣợc sử dụng, tiết kiệm hóa chất và thời gian thủy phân so với chế độ thủy phân mặc định ban đầu Bảng 3.27 Điều kiện tối ƣu thủy phân bằng enzyme đối với rơm rạ đã qua tiền xử lý theo các phƣơng pháp khác nhau Phƣơng pháp Hiệu suất. .. 92,82 Từ những kết quả nghiên cứu tiền xử lý rơm rạ theo phƣơng pháp nấu xút và nấu sunfat ở trong thiết bị kín, có áp suất bằng áp suất hơi khí bão hòa ở nhiệt độ tƣơng ứng có thể kết luận: Nấu xút và nấu sunfat ở trong thiết bị kín là các phƣơng pháp tiền xử lý rơm rạ hiệu quả hơn so với nấu hở, ở áp suất khí quyển, nâng cao đƣợc hiệu suất thủy phân bằng enzyme; - Điều kiện tiền xử lý tối ƣu trong trƣờng... đó xử lý bằng axit gây tổn thất cellulose ít hơn (khoảng 4,8%), chủ yếu là lƣợng cellulose vô định hình, do đó độ kết tinh của cellulose sau tiền xử lý cao hơn so với cellulose ban đầu 11 Nghiên cứu tối ƣu hóa các thông số quá trình thủy phân bột rơm rạ sau tiền xử lý bằng hỗn hợp enzyme đã giúp nâng cao hiệu suất thủy phân lên từ 2,5 đến 4,9% tùy thuộc vào tính chất của từng loại bột sau tiền xử lý, ... hóa hiệu suất đƣờng khử bột xút rơm rạ theo các yếu tố ảnh hƣởng Hình 3.45 Tối ƣu hóa hiệu suất đƣờng khử sau tiền xử lý rơm rạ bằng (NaOH+Na2S) Từ đó có thể thấy, nấu xút và nấu sunfat rơm rạ theo phƣơng pháp nấu kín là các phƣơng pháp tiền xử lý rơm rạ hiệu quả hơn so với nấu hở ở áp suất khí quyển, nâng cao đƣợc hiệu suất đƣờng khử (trung bình khoảng 2-3%) Về sự biến đổi của các thành phần hóa học. .. của rơm rạ trƣớc và sau tiền xử lý (a -Rơm rạ ban đầu; b-Bột xút 10%; cBột sunfat 10%; d-Bột xút 20%; e-Bột sunfat 20%; g-Bột xút 25%; h-Bột sunfat 25%) 3.2.3 Tiền xử lý rơm rạ bằng kiềm theo phương pháp nấu kín Có thể thấy, tiền xử lý rơm rạ bằng kiềm ở áp suất thƣờng (trong thiết bị hở, hồi lƣu khí ngƣng, có áp suất cân bằng với áp suất bên ngoài môi trƣờng) chỉ hiệu quả với mức dùng kiềm khá cao, ... giàu” trong mẫu bột sau tiền xử lý Quan sát hình ảnh SEM của rơm rạ trƣớc và sau tiền xử lý theo phƣơng pháp nấu sunfat trong thiết bị kín (hình 3.49) cho thấy, có sự thay đổi rõ rệt hơn về cấu trúc bề mặt, hình thái xơ sợi của rơm rạ sau tiền xử lý, so với xử lý ở trong thiết bị hở ở áp suất khí quyển Sự phân hủy các thành phần hóa học cơ bản của rơm rạ trong quá trình tiền xử lý bằng (NaOH+Na2S), đã... sát ảnh SEM của rơm rạ trƣớc và sau tiền xử lý bằng (NaOH+Na2S) (hình 3.49) cho thấy, có sự thay đổi rõ rệt về cấu trúc bề mặt, hình thái xơ sợi của rơm rạ sau tiền xử lý 16 Rơm rạ ban đầu b1 b5 b7 Hình 3.50 Ảnh SEM của bột sunfat rơm rạ (1,5,7 là mức sử dụng kiềm hoạt tính, b – nhiệt độ xử lý 100oC) Về thành phần dịch đƣờng sau tiền xử lý rơm rạ bằng kiềm ở theo phƣơng pháp nấu kín cho thấy, sự khác . rơm rạ. Và hiệu quả thủy phân rơm rạ bằng enzyme sau tiền xử lý còn chƣa cao. Vì vậy, để nâng cao hiệu quả của quá trình tiền xử lý rơm rạ và hiệu suất thủy phân carbohydrate sau đó, các nghiên. khối lignocellulose thành etanol. Xuất phát từ tình hình trên, đề tài Nghiên cứu tiền xử lý rơm rạ để nâng cao hiệu suất thủy phân bằng enzyme cho sản xuất etanol sinh học đã đƣợc lựa chọn. cứu, để nâng cao hiệu suất thủy phân bằng enzyme. Mục tiêu của tiền xử lý rơm rạ là tách loại các thành phần không phải là carbohydrate ra khỏi rơm rạ, để nâng cao khả năng phản ứng (thủy phân)