Sản xuất glucose và HMF từ rơm rạ

Tình hình sản xuất và tiêu thụ

Hợp chất HMF (5-Hydroxymethylfurfural) là sản phẩm dehydrat hóa của đường glucose hoặc fructose, nó được coi là hóa chất nền và là chìa khóa trong công nghệ chế biến chế phẩm biomass thành các hóa chất phục vụ công nghiệp dược phẩm, chất dẻo trong tương lai.

Trên thế giới, các nghiên cứu ứng dụng tổng hợp HMF từ rơm rạ cho thấy, việc sử dụng xúc tác là các ion kim loại chuyển tiếp trong chất lỏng ion có thể thu được HMF trực tiếp từ cellulose, nhưng gặp khó khăn trong vấn đề tái sinh xúc tác, khi phải sử dụng các dung môi để thu hồi chất lỏng ion (ionic liquids) và muối kim loại. Xu hướng trong những năm gần đây là chế tạo xúc tác cho phản ứng này trên cơ sở ionic liquids (chất lỏng ion) mang trên chất mang polystyrene (PS) hoặc mang trên polystyrene-oxit kim loại có từ tính (PS-Fe₃O₄) để thu được HMF từ cellulose và glucose, bước thu hồi và tái sinh xúc tác trở nên đơn giản hơn rất nhiều. Tuy nhiên đi từ glucose thì hiệu suất cao hơn nhiều so với đi từ cellulose.

Theo xu hướng này, Việt Nam cũng đang phát triển công nghệ chuyển hóa biomass bằng con đường xúc tác để sản xuất nhiên liệu sinh học và các hóa chất có giá trị kinh tế cao trên cơ sở nguồn nguyên liệu rơm rạ sẵn có.

Theo thống kê, hàng năm sản xuất nông nghiệp nước ta thải ra hơn 101 triệu tấn biomas và các chất thải khác, trong đó rơm rạ chiếm đến 62,2%, lượng biomass này được vứt bỏ, đốt bỏ gây ô nhiễm môi trường. Hiệu quả sử dụng biomass hiện nay chỉ được 10% so với năng lượng mà biomass 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.

Vì vậy, việc tổng hợp chất xúc tác có từ tính và ứng dụng cho quá trình thủy phân cellulose thành glucose và chuyển hóa glucose thành HMF từ rơm rạ được phát triển trong nước, có thể áp dụng vào thực tế sản xuất, góp phần làm tăng giá trị thặng dư của các chế phẩm nông nghiệp, tạo tiền đề cho ngành nông nghiệp phát triển bền vững, hiệu quả kinh tế, thân thiện môi trường.

Quy trình và phương pháp thực hiện

Quy trình chuyển hóa cellulose trong rơm rạ thành glucose bằng xúc tác

Sơ đồ quy trình:

Nguyên liệu và hóa chất sử dụng:

- Cellulose thu được từ rơm rạ sau khi thực hiện quá trình loại bỏ hemicellulose và lignin.

- Xúc tác rắn trên cơ sở C có gắn nhóm chức SO₃H (C-SO₃H) hoặc Fe₃O₄/C-SO₃H.

- Máy nghiền có điều chỉnh tốc độ.

- Nước được sử dụng như là dung môi cho quá trình thủy phân cellulose thành glucose.

Mô tả quy trình:

Sản xuất 1,8 kg glucose từ 6 kg rơm rạ và 0,45 kg xúc tác thêm vào 90 kg H₂O, thủy phân ở 100⁰C trong 2 giờ. Từ 6 kg rơm rạ sau khi xử lý bằng nổ hơi nước ở 200⁰C trong 5 phút, sau đó chiết lignin bằng dung dịch NaOH 3% trong 6 giờ, thu được 2,25 kg cellulose và 0,45 kg xúc tác rắn C-SO₃H hoặc Fe₃O₄/C-SO₃H. Nghiền hỗn hợp cellulose và xúc tác (tỉ lệ 80:20%) trong thời gian 2 giờ, ở tốc độ 360 vòng/phút.

Tiến hành thủy phân hỗn hợp trên trong Autoclave ở 100⁰C, trong 2 giờ, với 90 kg H₂O. Sau phản ửng thủy phân, hỗn hợp được lọc rửa để thu hồi xúc tác và cellulose còn lại không phản ứng. Dung dịch sau phản ứng được làm sạch màu bằng than hoạt tính, sau đó được cô ở 50⁰C dưới áp suất thấp để thu hồi glucose. Sản phẩm thu được là glucose (C₂H₁₂O₆.H₂O).

Quy trình chuyển hóa trực tiếp cellulose thành HMF

Sơ đồ quy trình:

Nguyên liệu và hóa chất sử dụng:

Nước bão hòa NaCl, dung môi THF sử dụng là dung môi cho chuyển hóa cellulose thành HMF.

Mô tả quy trình:

Quy trình áp dụng cho việc sản xuất 1,125 kg HMF từ 6 kg rơm rạ, 0,45 kg xúc tác và 90 kg hỗn hợp của dung môi H₂O(NaCl):THF = 1:3. Phản ứng dehydrat hóa glucose thành HMF xảy ra ở 170⁰C trong 2 giờ. Từ 6 kg rơm rạ sau khi xử lý bằng nổ hơi nước ở 200⁰C trong 5 giờ sau đó chiết lignin bằng dung dịch NaOH 3% trong 6 giờ, thu được 2,25 kg cellulose. Trộn hỗn hợp gồm 2,25 kg cellulose và 0,45 kg xúc tác rắn C-SO₃H hoặc Fe₃O₄/C-SO₃H trong máy nghiền bi và nghiền hỗn hợp trong 2 giờ ở tốc độ nghiền 360 vòng/phút.

Tiến hành phản ứng dehyrat hóa hỗn hợp trên trong Autoclave ở 170⁰C, trong 3 giờ, và 90 kg dung môi (bao gồm 22,5 kg H₂O bão hòa muối NaCl + 67,5 kg THF). Sau phản ứng hỗn hợp được lọc rửa để thu hồi xúc tác và cellulose còn lại không phản ứng. Dung dịch sau phản ứng được tiến hành tách chiết (bằng hỗn hợp dung môi 2-butanol + HMF tỉ lệ 1:4) và chưng cất phân đoạn để thu hồi dung môi THF (ở nhiệt độ 66⁰C), 2-butanol (ở điểm sôi 99⁰C) và sản phẩm HMF.

Ưu điểm của công nghệ, hiệu quả kinh tế

Xúc tác Fe₃O₄/C-SO₃H được chế tạo bằng phương pháp cacbon hóa thủy nhiệt (HTC) sử dụng dịch chiết lignin từ rơm rạ có từ tính với độ axit 1,3 mmol/g được dùng 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 chế tạo được có khả năng tái sử dụng 5 lần, ít có sự thay đổi về hoạt tính xúc tác. 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, HMF.

Chi phí giá thành cho sản xuất glucose và HMF tạm tính như sau:

- Để sản xuất được 20 kg glucose cần 70 kg rơm rạ, với chi phí sản xuất:

Như vậy, giá thành sản xuất 1 kg glucose tạm tính = 570.000/20/22.700 = 1,25 USD/kg.

- Để sản xuất được 12,5 kg HMF cần 70 kg rơm rạ, với chi phí sản xuất:

Như vậy, giá thành sản xuất 1 kg HMF tạm tính = 820.000/12,5/22.700 = 2,89 USD/kg.

Thông tin chuyên gia, hỗ trợ

1. PGS.TS. Nguyễn Đình Thành

ĐT: 0918190991. Email: dinhthanhng@yahoo.com.vn

2. Viện Khoa học Vật liệu ứng dụng

Địa chỉ: 1A 29 Thạnh Lộc, Phường Thạnh Lộc, Q.12, TP.HCM. Điện thoại: 028 38243057.