ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------------------------

ĐỖ HOÀNG THẮNG

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH TỔNG HỢP FURFURAL
TỪ LÕI NGƠ VÀ BÃ MÍA

Chun ngành : Q Trình và Thiết Bị Cơng nghệ Hóa học
Mã số: 60.52.77

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Mai Thanh Phong ..................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Trần Tấn Việt .........................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Nguyễn Thái Hoàng ...............................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 05
tháng 01 năm 2013.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch hội đồng: PGS. TS. Phan Đình Tuấn
2. Ủy viên, phản biện 1: TS. Trần Tấn Việt
3. Ủy viên, phản biện 2: TS. Nguyễn Thái Hoàng
4. Ủy viên: PGS. TS. Mai Thanh Phong
5. Ủy viên, thư ký: TS. Nguyễn Hữu Hiếu

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau
khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

PGS. TS. Phan Đình Tuấn

Trưởng khoa Kỹ thuật Hóa học


 

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Đỗ Hoàng Thắng

MSHV: 10290151

Ngày, tháng, năm sinh: 21/09/1987

Nơi sinh: Khánh Hịa

Chun ngành: Q trình và Thiết bị Cơng nghệ hóa học

Mã số : 60.52.77

I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu quy trình tổng hợp Furfural từ lõi ngơ và bã mía

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Khảo sát, phân tích thành phần ngun liệu lõi ngơ và bã mía, đặc biệt chú ý đến
hàm lượng pentosan.
- Nghiên cứu công nghệ điều chế furfural từ lõi ngơ và bã mía trên thiết bị phản ứng
cao áp gián đoạn qui mơ phịng thí nghiệm, làm cơ sở cho việc tính tốn thiết kế hệ
thống thiết bị làm việc liên tục ở qui mô pilot (hoặc công nghiệp) trong tương lai.
- Khảo sát và lựa chọn các yếu tố công nghệ phù hợp để thu hồi Furfural cao nhất.
- Xây dựng quy trình sản xuất Furfural trong công nghiệp.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

04/07/2011

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

15/12/2012

V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :

PGS. TS. Mai Thanh Phong

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HĨA HỌC

 



 

LỜI CÁM ƠN
Trước tiên tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến người Thầy hướng dẫn của
tôi là PGS. TS. Mai Thanh Phong, người Thầy đã tận tình chỉ bảo, chia sẻ, động
viên, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất trong suốt q trình hồn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ mơn Q trình và Thiết bị,
trong Khoa Kỹ thuật Hóa học đã truyền đạt kiến thức cũng như đóng góp những ý
kiến vơ cùng q báu trong q trình học tập, nghiên cứu để giúp tơi hồn thiện tốt
hơn luận văn của mình.
Xin cảm ơn các anh chị trong Phịng thí nghiệm Trọng Điểm CNHH và Dầu
Khí, Phịng thí nghiệm Chế Biến Dầu Khí đã tạo điều kiện cho tơi sử dụng các thiết
bị và dụng cụ thí nghiệm, cảm ơn các bạn sinh viên cùng tham gia tiến hành các thí
nghiệm cùng với tơi trong suốt q trình hồn thành luận văn.
Tơi muốn gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã
động viên tơi trong suốt q trình học tập, là chỗ dựa tinh thần vơ cùng to lớn trong
suốt chương trình học tập của tôi.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG Thành Phố
Hồ Chí Minh đã tạo môi trường học tập và nghiên cứu khoa học tốt trong thời gian
học tập tại Trường.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2012
Học viên thực hiện luận văn

Đỗ Hoàng Thắng

i 
 


 


ABSTRACT
Furfural is universally made from agricultural raw materials rich in pentosan. By
aqueous acid catalysis, the pentosan is hydrolyzed to pentose, and this pentose is
dehydrated to furfural in a unified process. Using corncobs and baggases as raw
materials on manufacturing furfural has been attractive to researchers because of
high pentosan content compared to the others. In this study, corncobs and baggases
were hydrolyzed – dehydrated in a high-pressure stainless-steel reactor using
superheated water and diluted sulfuric acid as catalyst to obtain furfural. In order to
analyzed effects of process parameters on yields of furfural, a reaction period of 2
hours was chosen and others parameters were varied (temperature: 140-200 oC,
sulfuric acid concentration: 0.05-0.4 mol/l, liquid/solid ratio: 15, 20, 25 w/w). The
yield of furfural becomes higher at low acid concentration. In particular, the higher
liquid/solid ratio, the higher yield of furfural. High temperatures and high mineral
acid concentrations damage the hydrolysed residues and decreases furfural yields,
due to side reactions. In this study, Furfural production technology from the
bagasses was suggested.

ii 
 


 

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Furfural được điều chế từ nguồn nguyên liệu từ nông nghiệp giàu pentosan, cùng
với xúc tác acid, pentosan bị thủy phân thành đường pentose và đường pentose bị
khử nước thành thành Furfural. Sử dụng một số phụ phẩm nơng nghiệp như lõi ngơ
và bã mía để thu nhận Furfural có giá trị kinh tế cao là rất cần thiết vì hàm lượng
pentosan cao trong hai loại nguyên liệu này so với các loại phụ phẩm nông nghiệp

khác. Trong nghiên cứu này, nguyên liệu trải qua quá trình kép thủy phân – khử
nước trong thiết bị phản ứng cao áp sử dụng hơi nước bão hòa với xúc tác acid
sunfuric để thu Furfural. Nghiên cứu ảnh hưởng của các q trình lên sản lượng
Furfural để chọn các thơng số tối ưu cho quá trình, cố định thời gian phản ứng
trong 2 giờ, nhiệt độ khảo sát trong khoảng 140-200 oC, nồng độ xúc tác acid
sunfuric 0,05-0,4 mol/l, tỷ lệ lỏng/rắn 15, 20 , 25 theo khối lượng. Sản lượng
Furfural thu được cao khi nồng độ acid thấp. Tỉ lệ lỏng/rắn càng cao thì sản lượng
Furfural thu được càng cao. Nhiệt độ cao và nồng độ acid cao làm giảm sản lượng
Furfural do các phản ứng phụ. Từ đó đưa ra công nghệ sản xuất Furfural từ nguyên
liệu bã mía.

iii 
 


 
MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN ..................................................................................................................................... i
ABSTRACT ....................................................................................................................................... ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH ......................................................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................................................... ix
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu đề tài......................................................................................................................................... 2
1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn................................................................................................................. 2
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN.............................................................................................................. 4
2.1. Tổng quan về công nghệ sản xuất Furfural ............................................................................................ 4
2.1.1. Các công trình đã nghiên cứu................................................................................................ 4
2.1.2. Giới thiệu sơ lược về một số quy trình sản xuất trong thực tế ............................................ 19

2.2. Tính chất và ứng dụng của Furfural ...................................................................................................... 23
2.2.1. Tính chất của furfural .......................................................................................................... 23
2.2.2. Ứng dụng của furfural ......................................................................................................... 24
2.2.2.1. Furfuryl Alcohol .............................................................................................................. 24
2.2.2.2. Tetrahydrofurfuryl Alcohol .............................................................................................. 25
2.2.2.3. Acetylfuran....................................................................................................................... 27
2.2.2.4. Acid Furoic ...................................................................................................................... 27
2.2.2.5. Methyl Furan .................................................................................................................... 28
2.2.2.6. Tetrahydrofuran ............................................................................................................... 29
2.3. Tổng quan về nguyên liệu ..................................................................................................................... 30
2.3.1. Cấu trúc của tế bào thực vật ................................................................................................ 30
2.3.1.1. Glucose............................................................................................................................. 32
2.3.1.2. Cellulose........................................................................................................................... 33
2.3.1.3. Hemicellulose................................................................................................................... 37
2.3.1.4. Các pentose ...................................................................................................................... 39
2.3.1.5. Các hexose ....................................................................................................................... 40
2.3.1.6. Lignin ............................................................................................................................... 41
2.3.2. Nguyên liệu lõi ngô ............................................................................................................. 43
2.3.2.1. Sơ lược về cây ngô ........................................................................................................... 43
2.3.2.2. Lõi ngơ ............................................................................................................................. 44
2.3.2.3. Thành phần hóa học trong lõi ngơ.................................................................................... 46
iv 
 


 
2.3.3. Nguyên liệu bã mía ............................................................................................................. 46
2.3.3.1. Sơ lược về cây mía ........................................................................................................... 47
2.3.3.2. Bã mía .............................................................................................................................. 48
2.3.3.3. Thành phần hóa học của bã mía ....................................................................................... 49

2.4. Giới thiệu về quá trình thủy phân.......................................................................................................... 50
2.4.1. Các phương pháp thủy phân................................................................................................ 50
2.4.2. Thủy phân pentosan thành Furfural .................................................................................... 53
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ..............................................................................55
3.1. Dụng cụ, thiết bị thí nghiệm .................................................................................................................. 55
3.2. Quy trình thực nghiệm điều chế Furfural trong phịng thí nghiệm ....................................................... 58
3.3. Phân tích nồng độ pentosan trong nguyên liệu ..................................................................................... 59
3.4. Phân tích độ ẩm ..................................................................................................................................... 60
3.5. Phân tích Thành phần béo (%Fat) ......................................................................................................... 61
3.6. Phân tích thành phần NDF, ADF, ADL, Ash (tro) trong lõi ngơ .......................................................... 63
3.6.1. Phân tích thành phần NDS (thành phần trích ly) ................................................................ 63
3.6.2. Phân tích thành phần ADS (hemicellulo)............................................................................ 68
3.6.3. Phân tích thành phần ADL (lignin) ..................................................................................... 71
3.7. Phân tích Furfural bằng phương pháp quang phổ đo quang ................................................................. 72
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC .............................................................................................74
4.1. Đường chuẩn xylose.............................................................................................................................. 74
4.2. Đường chuẩn furfural ............................................................................................................................ 74
4.3. Các thành phần hóa học trong lõi ngô ................................................................................................... 76
4.3.1. Thành phần pentosan trong lõi ngơ ..................................................................................... 76
4.3.2. Thành phần hóa học lõi ngơ ở ĐăkLăk ............................................................................... 76
4.3.3. Thành phần lõi ngô ở Đồng Nai .......................................................................................... 77
4.3.4. Thành phần lõi ngô ở Bà Rịa Vũng Tàu ............................................................................. 78
4.4. Các thành phần hóa học trong bã mía ................................................................................................... 80
4.4.1. Thành phần pentosan trong bã mía ..................................................................................... 80
4.4.2. Thành phần bã mía ở Tây Ninh ........................................................................................... 80
4.4.3. Thành phần bã mía ở Đồng Nai .......................................................................................... 81
4.4.4. Thành phần bã mía ở Long An............................................................................................ 82
4.5. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên sản lượng Furfural với nguyên liệu lõi ngô ............................... 84
4.6. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ lỏng/rắn lên sản lượng Furfural với nguyên liệu lõi ngô ....................... 86
4.7. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên sản lượng Furfural với nguyên liệu lõi ngô ............... 90

v 
 


 
4.8. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên sản lượng Furfural với nguyên liệu bã mía ................................ 91
4.9. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ lỏng/rắn lên sản lượng Furfural với nguyên liệu bã mía........................ 93
4.10. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác lên sản lượng Furfural với nguyên liệu bã mía ............. 97
4.11. Đánh giá, so sánh ảnh hưởng của nhiệt độ lên sản lượng Furfural đối với hai nguyên liệu ............... 99
4.12. Đánh giá, so sánh ảnh hưởng của tỷ lệ lỏng/rắn lên sản lượng Furfural đối với hai nguyên
liệu.............................................................................................................................................................. 100
4.13. Đánh giá, so sánh ảnh hưởng của nồng độ xúc tác lên sản lượng Furfural đối với hai
nguyên liệu ................................................................................................................................................. 102
4.14. Khảo sát ảnh hưởng tương hỗ của các yếu tố công nghệ lên sản lượng Furfural từ bã mía ............. 104
4.15. Xây dựng quy trình sản xuất Furfural từ ngun liệu bã mía trong công nghiệp ............................. 108
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.........................................................................................................113
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................................115
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG.............................................................................................................118

vi 
 


 

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Quy trình sản xuất Furfural của nhà máy QUAKER OATS .............................................19 
Hình 2.2: Mơ hình sản xuất Furfural cơng nghiệp của Trung Quốc .................................................20 
Hình 2.3: Quy trình sản xuất Furfural liên tục của ESCHER WYSS ...............................................21 
Hình 2.4: Quy trình sản xuất Furfural liên tục của ROSENLEW .....................................................22 

Hình 2.5: Cấu trúc của tế bào và thành tế bào của thảo mộc ............................................................30 
Hình 2.6: Tổng thể cấu trúc của thành tế bào thực vật......................................................................31 
Hình 2.7: Cấu trúc của lớp S1 ...........................................................................................................32 
Hình 2.8: Đồng phân α-glucose và β-glucose ...................................................................................33 
Hình 2.9: Phân bố các bó sợi cellulose trong thành tế bào thực vật..................................................34 
Hình 2.10: Liên kết 1,4 β trong cellulose ..........................................................................................35 
Hình 2.11: Liên kết hydro trong cellulose ........................................................................................35 
Hình 2.12: Cellulose kết tinh ............................................................................................................36 
Hình 2.13: Vùng kết tinh và vùng vơ định hình trong cellulose .......................................................37 
Hình 2.14: Cấu trúc của hemicellulose .............................................................................................38 
Hình 2.15 : Vị trí hemicellulose quanh các bó sợi cellulose .............................................................39 
Hình 2.16: Các pentose .....................................................................................................................39 
Hình 2.17: Các hexose ......................................................................................................................40 
Hình 2.18: Lignin ..............................................................................................................................42 
Hình 2.19: Các monomer của lignin .................................................................................................42 
Hình 2.20: Sơ đồ giá trị kinh tế của cây mía ....................................................................................47 
Hình 2.21: Cây mía Việt Nam

Hình 2.22: Sản xuất ván ép từ bã mía ở BISUCO ...................48 

Hình 2.23: Các thành phần hố học chính của bã mía ......................................................................50 
Hình 2.24: Phản ứng chuyển đổi pentosans thành furfural ...............................................................54 
Hình 3.1: Thiết bị phản ứng cao áp ...................................................................................................55 
Hình 3.2: Máy quang phổ hấp thu T70+ UV-VIS ............................................................................56 
Hình 3.3: Hệ thống chưng cất ...........................................................................................................56 
Hình 3.4: Bộ lọc chân khơng.............................................................................................................57 
Hình 3.5: Glass fiber filter

Hình 3.6: Gooch Crucible


Hình 3.8: Bình chiết Soxhlet  
Hình 3.10: Tủ sấy 

Hình 3.7: Cân điện tử .....................57 

Hình 3.9: Dụng cụ hồn lưu và bình cầu ba cổ .........................57 

Hình 3.11: Bơm tạo chân khơng....................................................................58 

Hình 3.12: Sơ đồ quy trình thực nghiệm điều chế Furfural trong phịng thí nghiệm ........................58 
Hình 3.13: Quy trình phân tích thành phần béo của nguyên liệu ......................................................62 
Hình 3,14: Quy trình phân tích các thành phần ngun liệu .............................................................65 
Hình 3.15: Dung dịch Furfural sau 1 giờ tạo màu với thuốc thử ......................................................73 
Hình 4.1: Đường chuẩn của D-xylose ...............................................................................................74 
Hình 4.2: Phổ hấp phụ của Furfural ..................................................................................................75 
vii 
 


 
Hình 4.3: Đường chuẩn của Furfural ................................................................................................75 
Hình 4.4: Thành phần của ngun liệu lõi ngơ ở ĐăkLăk ................................................................77 
Hình 4.5: Thành phần của ngun liệu lõi ngơ ở Đồng Nai .............................................................78 
Hình 4.6: Thành phần của nguyên liệu lõi ngô ở Vũng Tàu .............................................................79 
Hình 4.7: Thành phần của ngun liệu bã mía ở Tây Ninh ..............................................................81 
Hình 4.8: Thành phần của nguyên liệu bã mía ở Đồng Nai ..............................................................82 
Hình 4.9: Thành phần của ngun liệu bã mía ở Long An ...............................................................83 
Hình 4.10: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên sản lượng furfural với nguyên liệu lõi ngơ ........................85 
Hình 4.11: Ảnh hưởng của tỷ lệ lỏng rắn lên sản lượng furfural với nguyên liệu lõi ngơ ở nồng độ
acid 0,063 mol/l.................................................................................................................................88 

Hình 4.12: Ảnh hưởng của tỷ lệ lỏng rắn lên sản lượng furfural với nguyên liệu lõi ngơ ở nồng độ
acid 0,079 mol/l.................................................................................................................................88 
Hình 4.13: Ảnh hưởng của tỷ lệ lỏng rắn lên sản lượng furfural với ngun liệu lõi ngơ ở nồng độ
acid 0,159 mol/l.................................................................................................................................89 
Hình 4.14: Ảnh hưởng của tỷ lệ lỏng rắn lên sản lượng furfural với nguyên liệu lõi ngô ở nồng độ
acid 0,4 mol/l.....................................................................................................................................89 
Hình 4.15: Ảnh hưởng của nồng độ lên sản lượng furfural với nguyên liệu lõi ngô ở hai nhiệt độ
khác nhau ..........................................................................................................................................91 
Hình 4.16: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên sản lượng furfural với ngun liệu bã mía.........................93 
Hình 4.17: Ảnh hưởng của tỷ lệ lỏng rắn lên sản lượng furfural với ngun liệu bã mía ở nồng độ
acid 0,063 mol/l.................................................................................................................................95 
Hình 4.18: Ảnh hưởng của tỷ lệ lỏng rắn lên sản lượng furfural với nguyên liệu bã mía ở nồng độ
acid 0,079 mol/l.................................................................................................................................95 
Hình 4.19: Ảnh hưởng của tỷ lệ lỏng rắn lên sản lượng furfural với nguyên liệu bã mía ở nồng độ
acid 0,159 mol/l.................................................................................................................................96 
Hình 4.20: Ảnh hưởng của tỷ lệ lỏng rắn lên sản lượng furfural với nguyên liệu bã mía ở nồng độ
acid 0,4 mol/l.....................................................................................................................................96 
Hình 4.21: Ảnh hưởng của nồng độ lên sản lượng furfural với nguyên liệu bã mía ở hai nhiệt độ
khác nhau ..........................................................................................................................................98 
Hình 4.22: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên sản lượng furfural với hai loại nguyên liệu.....................100 
Hình 4.23: Ảnh hưởng của tỷ lệ lỏng rắn lên sản lượng furfural với hai loại nguyên liệu .............102 
Hình 4.24: Ảnh hưởng của nồng độ lên sản lượng furfural với hai loại nguyên liệu......................104 
Hình 4.25: Đồ thị ba chiều thể hiện ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng – nồng độ acid lên sản lượng
furfural điều chế từ bã mía ..............................................................................................................107 
Hình 4.26. Đồ thị ba chiều thể hiện ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng – tỷ lệ lỏng/rắn lên sản lượng
furfural điều chế từ bã mía ..............................................................................................................107 
Hình 4.27. Đồ thị ba chiều thể hiện ảnh hưởng của nồng độ acid – tỷ lệ lỏng/rắn lên sản lượng
furfural điều chế từ bã mía ..............................................................................................................108 
Hình 4.28: Quy trình sản xuất furfural từ ngun liệu bã mía trong cơng nghiệp ..........................109 


viii 
 


 

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Sản lượng furfural từ bã rượu ở 120 oC [mg/mL].............................................................. 4 
Bảng 2.2: Sản lượng furfural từ bã rượu ở 140 oC [mg/mL].............................................................. 5 
Bảng 2.3: Sản lượng furfural từ xơ ngô ở 120 oC [mg/mL] ............................................................... 6 
Bảng 2.4: Sản lượng furfural từ xơ ngô ở 140 oC [mg/mL] ............................................................... 7 
Bảng 2.5: Sản lượng hóa học khi thủy phân xúc tác SO2 .................................................................. 8 
Bảng 2.6: So sánh sản lượng trung bình của furfural ở nồng độ khác nhau của HCl và H2SO4 và
thời gian phản ứng khác nhau ............................................................................................................ 9 
Bảng 2.7: Ảnh hưởng của nồng độ acid sulfuric lên sản lượng furfural trong quá trình một giai
đoạn ...................................................................................................................................................11 
Bảng 2.8: Ảnh hưởng của chất xúc tác lên sản lượng furfural trong quá trình hai giai đoạn ở 125°C
...........................................................................................................................................................11 
Bảng 2.9: Ảnh hưởng của thời gian tiền thủy phân lên sản lượng furfural trong quá trình sản xuất
hai giai đoạn ở 110°C ........................................................................................................................12 
Bảng 2.10: Ảnh hưởng chất xúc tác lên sản lượng furfural trong quá trình hai giai đoạn ở 110 °C .13 
Bảng 2.11: Tóm tắt các cơng trình nghiên cứu sản xuất Furfural từ sinh khối .................................14 
Bảng 2.12: Tính chất của furfural .....................................................................................................23 
Bảng 2.13: Tính chất của furfuryl alcohol ........................................................................................25 
Bảng 2.14: Tính chất của tetrahydrofurfuryl alcohol ........................................................................26 
Bảng 2.15: Tính chất của acetylfuran ...............................................................................................27 
Bảng 2.16: Tính chất của acid furoic ................................................................................................28 
Bảng 2.17: Tính chất của methyl furan .............................................................................................28 
Bảng 2.18: Tính chất của tetrahydrofuran.........................................................................................29 
Bảng 2.19: Hàm lượng pentosan và sản lượng furfural trong một số nguyên liệu ...........................45 

Bảng 2.20: Hàm lượng pentosan và sản lượng furfural trong một số nguyên liệu ...........................46 
Bảng 2.21: Thành phần của lõi ngô ..................................................................................................46 
Bảng 2.22: Thành phần hố học của bã mía .....................................................................................49 
Bảng 2.23. So sánh thủy phân acid và thủy phân bằng enzyme .......................................................51 
Bảng 3.1: Hóa chất sử dụng trong NDF ............................................................................................64 
Bảng 3.2. Hóa chất sử dụng trong ADF ............................................................................................69 
Bảng 4.1: Độ hấp thu A của xylose theo nồng độ .............................................................................74 
Bảng 4.2: Độ hấp thu A của Furfural theo nồng độ ..........................................................................75 
Bảng 4.3: Tỷ lệ thành phần pentosan trong lõi ngô thu thập ở các địa phương khác nhau ...............76 
Bảng 4.4: Thành phần nguyên liệu lõi ngô ở ĐăkLăk ......................................................................77 
Bảng 4.5: Thành phần nguyên liệu lõi ngô ở Đồng Nai....................................................................78 
Bảng 4.6: Thành phần nguyên liệu lõi ngô ở Vũng Tàu ...................................................................79 
Bảng 4.7: Tỷ lệ thành phần pentosan trong bã míathu thập ở các địa phương khác nhau ................80 
Bảng 4.8: Thành phần nguyên liệu bã mía ở Tây Ninh ....................................................................81 
ix 
 


 
Bảng 4.9: Thành phần nguyên liệu bã mía ở Đồng Nai ....................................................................82 
Bảng 4.10: Thành phần nguyên liệu bã mía ở Long An ...................................................................83 
Bảng 4.11: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên sản lượng Furfural .............................................................84 
Bảng 4.12: Ảnh hưởng của tỷ lệ lỏng/rắn đến sản lượng furfural .....................................................87 
Bảng 4.13: Ảnh hưởng của nồng độ lên sản lượng Furfural .............................................................90 
Bảng 4.14: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên sản lượng Furfural với nguyên liệu bã mía .......................92 
Bảng 4.15: Ảnh hưởng của tỷ lệ lỏng/rắn đến sản lượng furfural .....................................................94 
Bảng 4.16: Ảnh hưởng của nồng độ lên sản lượng Furfural .............................................................97 
Bảng 4.17: Lượng Furfural thu được theo nhiệt độ phản ứng...........................................................99 
Bảng 4.18: Lượng furfural thu được theo tỷ lệ lỏng/rắn theo khối lượng .......................................101 
Bảng 4.19: Lượng furfural thu được theo nồng độ acid ..................................................................103 

Bảng 4.20. Bảng mơ tả các thí nghiệm quy hoạch thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố
công nghệ bao gồm nhiệt độ phản ứng Z1 (oC), nồng độ acid sulfuric Z2 (mol/L) và tỉ lệ lỏng rắn Z3
(%kl/kl) lên sản lượng furfural .......................................................................................................105 

x 
 


 

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
L/R

Lỏng/Rắn

THFA

Tetrahydrofurfuryl alcohol

BISUCO

Công ty Cổ phần Đường Bình Định

ARN

Acid Ribonucleic

AND

Acid desoxyribonucleic


ATP

Adenosine triphosphate

GTP

Guanosine triphosphate

w/w

Khối lượng/khối lượng

CNHH

Cơng nghệ Hóa học

NDS

Thành phần trích ly

ADF

Acid Detergent Fiber

ADL

Acid Detergent Lignin

Ash


Tro

GFF

Bộ lọc thủy tinh

FAT

Thành phần béo

xi 
 


CHƯƠNG 1
 

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Sự cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên đặc biệt là tài nguyên không tái tạo và
những tác động của việc sử dụng những tài nguyên này đối với môi trường gây ra
hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu, ngập lụt và nhiều tác động khác gây nguy hiểm
cho môi trường sống đang dần trở thành một thách thức lớn cho việc sử dụng nhiên
liệu. Cùng với sự thiếu hụt các hóa chất và nhiên liệu được sản xuất từ sinh khối,
một nguyên liệu có thể tái tạo, được gia tăng với số lượng đáng kể, trong số đó tiêu
biểu là việc sản xuất Furfural.
Furfural được sản xuất từ sinh khối phế phẩm nơng nghiệp có chứa pentosan, là loại
đường aldose, gồm những vòng nhỏ tạo thành từ mạch ngắn 5 carbon, tạo thành
một lớp carbohydrat phức tạp, có mặt trong cellulose của nhiều loại cây thân gỗ

như lõi ngơ, bã mía, trấu và vỏ yến mạch.
Furfural có nhiều ứng dụng khác nhau trong các ngành cơng nghiệp có tốc độ phát
triển nhanh chóng như là một hóa chất trung gian để sản xuất nylon, pyrrole,
pyrrolidine, dihydropyran, lysine, furfuryl và rượu tetrahydrofurfuryl. Nhiều dẫn
xuất furfural đã được sử dụng như dược phẩm, thuốc diệt nấm và thuốc diệt cỏ.
Furfural cũng thường được sử dụng nhiều nhất như dung môi trong các ngành cơng
nghiệp lọc dầu, gốc aldehyde và vịng furan làm cho phân tử Furfural có những tính
chất nổi bật để sử dụng như một dung mơi chọn lọc. Furfural có khả năng hình
thành liên kết đơi phức tạp với các phân tử có chứa liên kết đơi, do đó được sử
dụng trong công nghiệp để tách các chất thơm từ các loại dầu bôi trơn và nhiên liệu
diesel hoặc các hợp chất khơng bão hịa từ dầu thực vật. Là một chất chống cháy
trong các sản phẩm nhựa. Furfural được sử dụng như thuốc diệt nấm và giun tròn ở
nồng độ tương đối thấp. Lợi thế thêm nữa của chất hóa học nơng nghiệp Furfural là
chi phí thấp, an tồn, dễ dàng ứng dụng và tương đối ít độc đối với con người.

1 
 


CHƯƠNG 1
 

Vì vậy việc “Nghiên cứu quy trình tổng hợp Furfural từ lõi ngơ và bã mía” thực sự
cần thiết và có ý nghĩa rất quan trọng.
1.2. Mục tiêu đề tài
Mục tiêu của đề tài đặt ra là:
•

Nghiên cứu cơng nghệ điều chế furfural từ lõi ngô (bắp) và bã mía trên thiết
bị phản ứng cao áp gián đoạn qui mơ phịng thí nghiệm, làm cơ sở cho việc

tính tốn thiết kế hệ thống thiết bị làm việc liên tục ở qui mơ pilot (hoặc cơng
nghiệp) trong tương lai.

•

Khảo sát và lựa chọn các yếu tố công nghệ phù hợp để thu hồi Furfural cao
nhất

1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học
Nghiên cứu nhằm thiết kế hệ thống thí nghiệm sản xuất furfural từ lõi ngơ và
bã mía, xem xét những điều kiện ảnh hưởng đến quá trình thủy phân nhằm tìm ra
các điều kiện sản xuất thích hợp cho ngun liệu phụ phẩm nơng nghiệp ở Việt
Nam. Với những kết quả có thể thu được, nghiên cứu này hy vọng sẽ là một đóng
góp quan trọng trong cơ sở dữ liệu liên quan đến Biomass và sản xuất Furfural từ
Biomass thơng qua q trình thủy phân và qua đây vạch ra nhiều hướng nghiên cứu
mới cho các nghiên cứu tiếp theo.
Đề tài tạo còn cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu tìm ra sản phẩm hóa chất
mới các nguồn nguyên liệu biomass khác nhau như trấu, mùn cưa...
Ý nghĩa thực tiễn
Ở một nước nông nghiệp phát triển như Việt Nam, năng lượng sinh khối từ phụ
phẩm nông nghiệp chiếm khoảng 30 triệu tấn/năm, nếu không tận dụng nguồn phụ
phẩm này sẽ gây ra ô nhiễm mơi trường nghiêm trọng. Ngồi việc tận dụng nó để
tạo thành biodiesel thì đề tài cịn mở ra một hướng đi mới cho việc tận dụng phụ
phẩm nông nghiệp để tạo thành hóa chất bền vững như Furfural. Góp phần thúc đẩy
2 
 


CHƯƠNG 1

 

phát triển kinh tế và chống ô nhiễm môi trường.
Trong chiến lược phát triển làng nghề và tiểu thủ công nghiệp, lĩnh vực chế
biến nông sản sau thu hoạch được Nhà nước quan tâm khuyến khích đầu tư phát
triển nhằm nâng cao giá trị nông sản, giải quyết việc làm cho người lao động. Vì
vậy đề tài phù hợp với chiến lược phát triển của Nhà nước.

3 
 


CHƯƠNG 2
 

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1. Tổng quan về công nghệ sản xuất Furfural
2.1.1. Các cơng trình đã nghiên cứu
H. Noureddini, J. Byun (Mỹ) đã nghiên cứu sự thủy phân xúc tác acid
sulfuric để chuyển hóa bã rượu và xơ bắp thành furfural. Nhóm nghiên cứu đã
khảo sát sự phụ thuộc của quá trình vào nguồn nguyên liệu, tải sinh khối, nồng
độ acid và nhiệt độ. Các thí nghiệm được tiến hành trong thiết bị phản ứng cao
áp, ở điều kiện : tải sinh khối 5, 10, 15 và 20% ; nồng độ acid 0,5; 1,0; 1,5% thể
tích, thể tích acid sulfuric 98% trên tổng thể tích dung dịch ; và ở nhiệt độ 120,
140°C. [19]
Bảng 2.1: Sản lượng furfural từ bã rượu ở 120 oC [mg/mL]
Nồng

độ


acid

(vol.%)

0,5

Chất tải rắn (wt.%)

5

1

1,5

10

15

20

5

10

15

20

5


10

15

20

Thời gian phản ứng (phút)
0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0


0

5

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

10


0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

15

0

0


0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

20

0

0

0

0


0

0

0

0

0

0

0

0,1

30

0

0

0

0

0

0


0

0

0

0,1

0,1 0,1

45

0

0

0

0,1 0

0,1 0,1 0,1 0

0,1

0,1 0,1

60

0


0

0,1 0,1 0

0,1 0,1 0,1 0,1 0,1

0,1 0,2

4 
 


CHƯƠNG 2
 

Bảng 2.2: Sản lượng furfural từ bã rượu ở 140 oC [mg/mL]

Nồng

độ

acid

(vol%)

0,5

Chất tải rắn (wt.%)


5

1

1,5

10

15

20

5

10

15

20

5

10

15

20

0


0

0

0

0

0

0

Thời gian phản ứng (phút)
0

0

0

0

0

0

5

0

0


0

0

0,1 0,2 0

10

0

0,1 0

0

0,1 0,3 0,2 0,3 0,1 0,4 0,4 0,3

15

0,1 0,1 0,1 0,3 0,2 0,6 0,4 0,4 0,4 0,6 0,9 0,6

20

0,1 0,3 0,2 0,5 0,3 0,8 0,6 0,7 0,5 0,8 1

30

0,2 0,4 0,4 0,7 0,4 1

45


0,3 0,6 0,8 1,1 0,6 1,2 1,4 2,1 0,8 1,4 2,2 2,4

60

0,5 0,8 1,3 1,6 0,8 1,5 1,9 2,6 1

5 
 

1

0,1 0,1 0,3 0,2 0,1

1

1,1 0,6 1,1 1,5 1,5

1,6 2,6 3


CHƯƠNG 2
 

Bảng 2.3: Sản lượng furfural từ xơ ngô ở 120 oC [mg/mL]

Nồng độ acid (vol.%)

0,5


Chất tải rắn (wt.%)

5

1

1,5

10

15

20

5

10

15

20

5

10

15

20


Thời gian phản ứng (phút)
0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

5

0


0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

10

0

0

0


0

0

0

0,1 0

0

0

0,1 0,1

15

0

0

0

0,1 0

0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1

20

0


0

0

0,1 0

0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,2 0,2

30

0

0,1 0,1 0,2 0,1 0,2 0,2 0,1 0,1 0,2 0,3 0,3

45

0,1 0,1 0,1 0,3 0,1 0,3 0,3 0,2 0,2 0,2 0,4 0,4

60

0,1 0,1 0,2 0,3 0,1 0,4 0,4 0,2 0,3 0,3 0,5 0,5

6 
 


CHƯƠNG 2
 


Bảng 2.4: Sản lượng furfural từ xơ ngô ở 140 oC [mg/mL]

Nồng độ acid (vol.%)

0,5

Chất tải rắn (wt.%)

5

1

1,5

10

15

20

5

10

15

20

5


10

15

20

0

0

0

0

0

0

0

Thời gian phản ứng (phút)
0

0

0

0

0


0

5

0

0

0

0

0,1 0,1 0,1 0,2 0,1 0,3 0,2 0,6

10

0,1 0,1 0,1 0,2

0,1 0,2 0,4 0,6 0,3 0,3 0,6 1

15

0,1 0,1 0,2 0,5

0,2 0,5 0,6 0,8 0,5 0,8 1

20

0,2 0,2 0,4 1


0,4 0,7 0,9 1,2 0,7 1,2 1,3 1,9

30

0,3 0,5 0,8 1,4

0,5 1,1 1,6 1,8 1

45

0,5 0,9 1,2 2

0,8 1,4 2,4 2,4 1,5 2,1 2,8 3,2

60

0,7 1,2 1,5 2,4

1,2 1,7 2,9 3,1 2

1,4

1,6 1,9 2,5

2,6 3,5 3,8

Kết quả thí nghiệm nêu trong bảng 2.1 đến 2.4, đã cho thấy sản lượng
furfural khi tải sinh khối 20%, nồng độ acid 1,5%, và nhiệt độ 140°C cao hơn ở
những điều kiện khác, cũng như sản lượng khi thủy phân xơ ngô cũng cao hơn đối

với bã rượu.
Theo Morris Wayman, Andres Tallevi và Beatrice Winsborrow (đại học
Toronto, Canada) đã nghiên cứu thủy phân một vài loại sinh khối cellulosic, như
mùn cưa của gỗ thơng, vỏ bào cây bạch dương, bã mía, rơm rạ và lõi ngơ khi có
mặt SO2 làm chất xúc tác. Ban đầu các tác giả thực hiện tiền thủy phân trong 20
phút ở 150°C với dung dịch SO2 0,5 hoặc 0,75%. Sau đó rửa sạch với nước và
tiếp tục thủy phân trong dung dịch SO2 0,25% ở 190°C trong 16 phút. Ngay sau
đó làm lạnh ngay và lại rửa sạch. Thí nghiệm đun nóng, làm lạnh và rửa sạch
được lặp lại trong 4 lần. Từ kết quả ghi được ở bảng 2.5 Nhóm nghiên cứu đã
7 
 


CHƯƠNG 2
 

nhận thấy thủy phân mùn thông đỏ cho sản lượng nhiên liệu cao, trong khi đó,
sản lượng furfural thu được nhiều khi thủy phân lõi ngô và rơm rạ. [20]
Bảng 2.5: Sản lượng hóa học khi thủy phân xúc tác SO2
Sản lượng các chất (l.mg-1 nguyên liệu khô) khi thủy phân hai giai đoạn trong
SO2
Mùn
gỗ

cưa Vỏ

bào Bã mía

Lõi ngơ


Rơm rạ

thông cây bạch

đỏ

dương

Ethanol

324

185

135

135

130

Butanol-

252

220

196

276


257

28

73

80

138

126

acetone-ethanol
Furfural

Trong nghiên cứu của Sajid Latif và Fiyyaz Ahmad Chughtai (đại học nông
nghiệp, Faisalabab, Pakistan) [21], lõi ngô được thủy phân trong H2SO4 và HCl
ở nồng độ 16 và 18% có thêm xúc tác muối NaCl, CaCl2, AlCl3, ZnCl2 (2%) với
tỷ lệ 1:3 và 1:5 (w/v) cho các khoảng thời gian khác nhau (100 phút và 140
phút). Kết quả nghiên cứu được trình bày trong bảng số liệu sau :

8 
 


CHƯƠNG 2
 

Bảng 2.6: So sánh sản lượng trung bình của furfural ở nồng độ khác nhau của
HCl và H2SO4 và thời gian phản ứng khác nhau

Muối

Nồng

xúc

độ

tác

acid

Acid

100 phút

140 phút

1:3 (w/v)

1:5 (w/v)

1:3 (w/v)

1:5 (w/v)

Furfural(%) Furfural(%) Furfural(%) Furfural(%)
NaCl

14%


13,2

14

16,6

17,4

CaCl2

13,7

14,6

16,5

17,4

AlCl3

16

16,52

16,8

17,52

ZnCl2


11,8

12,2

14,3

15,8

NiI

11,3

11,8

13,8

14,2

12

11,2

13

12,8

CaCl2

9,3


9,8

10,7

11,3

AlCl3

10,4

11,4

11,3

12

ZnCl2

10,5

11,7

12,2

12,8

NiI

8,4


8,8

9,3

9,8

12,9

13,6

12,6

12,8

CaCl2

12,8

14,3

12,7

13,1

AlCl3

14,7

15,3


14,5

14,2

ZnCl2

9,8

11

10,6

10,8

NiI

10,5

11

9,2

11,7

10,7

11,4

11,7


12,9

9,5

10,32

11,2

11,7

NaCl

NaCl

NaCl
CaCl2

H2SO4

HCl

16%

H2SO4

HCl

9 
 



CHƯƠNG 2
 

AlCl3

10,8

11,7

12,8

13

ZnCl2

11,5

12,32

12,9

13,4

NiI

8,4

9,7


10,8

11,4

Các tác giả đã cho biết sản lượng cao nhất của furfural (17,52%) thu được khi
thủy phân trong H2SO4 14%, thời gian phản ứng 140 phút, có sử dụng xúc tác
AlCl3, sản lượng của furfural khi thủy phân trong HCl 16% chỉ là 13,4% khi có
mặt xúc tác ZnCl2. Acid sulfuric cho sản lượng furfural cao hơn HCl cả ở hai nồng
độ, giai đoạn phản ứng và tỷ lệ lỏng/rắn, có thể do tính hút nước của H2SO4 Năng
suất của furfural tăng khi có sự gia tăng nồng độ acid tới một giới hạn nhất định,
sau đó năng suất furfural sẽ giảm.
Nhóm tác giả Héctor D. Mansilla, Jaime Baeza, Sergio Urzúa, Gabriel
Maturana, Jorge Villasenor (Chile) & Nelson Duran (Brazil) đã nghiên cứu quá
trình sản xuất furfural một và hai giai đoạn, phản ứng được thực hiện trong thiết bị
phản ứng cao áp. Trong quá trình một giai đoạn, sự khử trùng hợp pentosan trong
xylose và khử nước tạo thành furfural diễn ra đồng thời. Cịn ở cơng nghệ hai giai
đoạn, sự hòa tan và khử trùng hợp pentosan diễn ra trong điều kiện êm dịu, sau đó
khử nước của xylose thành furfural. Các tác giả đã khảo sát sản lượng furfural tại
những nồng độ xúc tác, tỷ lệ lỏng rắn, với nhiều chất xúc tác khác nhau. Kết quả
được đưa ra trong bảng 22 đến bảng 25. [22]

10 
 


CHƯƠNG 2
 

Bảng 2.7: Ảnh hưởng của nồng độ acid sulfuric lên sản lượng furfural trong

quá trình một giai đoạn
[H2SO4] (wt%)

Furfural (wt%)

3

1,1

5

1,3

7

1,9

10

2,3

15

3,2

20

3,3

25


3

30

2,2

35

0,7

Thí nghiệm trên được tiến hành ở nhiệt độ trung bình, áp suất thấp và thời gian
phản ứng ngắn (125 oC; 1,5atm; 30 phút), và tỷ lệ lỏng rắn 25 (v/w). Sản lượng
furfural chỉ đạt giá trị cao nhất tại nồng độ acid 20%. Các tác giả cho rằng furfural
đã không thu được khi thời gian phản ứng tăng và nồng độ vượt quá 20% có thể do
sự suy giảm của furfural bởi phản ứng phụ không mong muốn.
Bảng 2.8: Ảnh hưởng của chất xúc tác lên sản lượng furfural trong q trình
hai giai đoạn ở 125°C
Xúc tác

Furfural (wt%)

Khơng sử dụng xúc tác

3,3

AlCl3

3,4


ZnO

3,4

ZrO2

3,4

TiO2

4,3

ZnCl2

3,1

125°C; 1,5 atm; [H2SO4]: 15% (w/w), Tỷ lệ L/R: 25
ml.g-1

11