Rơm rạ, bã mía, vỏ trấu… (gọi chung là sinh khối) chứa một lượng lớn cellulose

Rơm rạ, bã mía, vỏ trấu… (gọi chung là sinh khối) chứa một lượng lớn cellulose, là nguồn tài nguyên carbon tái tạo dồi dào thay thế dầu mỏ. Trong công nghiệp hoá chất xanh hiện đại, cellulose không chỉ dừng lại ở việc sản xuất giấy hay vải sợi mà được thủy phân bằng enzyme hoặc acid để tạo thành glucose. Từ glucose, người ta tiếp tục áp dụng công nghệ chuyển hoá sinh học để sản xuất các “hoá chất nền” như lactic acid (nguyên liệu làm nhựa phân hủy sinh học polylactic acid – PLA). Để đánh giá một quy trình sản xuất lactic acid (CH₃–CH(OH)–COOH) từ rơm rạ, người ta tiến hành thí nghiệm sau:
– Giai đoạn 1: Thủy phân 4,500 kg rơm rạ chứa a% cellulose về khối lượng (còn lại là tạp chất trơ không chứa carbohydrate) trong dung dịch H₂SO₄ loãng, đun nóng. Sau phản ứng, trung hòa acid dư, loại bỏ tạp chất thu được dung dịch X chỉ chứa glucose. Biết hiệu suất của giai đoạn thủy phân này đạt 80%.
– Giai đoạn 2: Cho dung dịch X lên men lactic với sự tham gia của vi khuẩn Lactobacillus ở 40°C theo phương trình hóa học: C₆H₁₂O₆ → 2CH₃-CH(OH)-COOH Sau đó, người ta phải bổ sung liên tục bột đá vôi (CaCO₃). Kết thúc quá trình, lọc bỏ tạp chất rắn, thu được dung dịch Y chứa muối calcium lactate [CH₃CH(OH)COO]₂Ca.
– Giai đoạn 3: Cho dung dịch H₂SO₄ vừa đủ vào dung dịch Y để giải phóng lại lactic acid tự do, đồng thời thu được 2,176 kg CaSO₄ (sau khi sấy khô). Biết hiệu suất của quá trình lên men và thu hồi sản phẩm đạt 90%.
a) Biết rằng vi khuẩn Lactobacillus hoạt động tối ưu trong môi trường trung tính hoặc acid yếu. Giải thích vai trò của việc thêm bột đá vôi ở Giai đoạn 2.
b) Tính giá trị a.
c) Lượng lactic acid thu được từ quy trình trên đem trùng ngưng toàn bộ để sản xuất nhựa PLA theo phương trình phản ứng sau với hiệu suất đạt 95%: nCH₃-CH(OH)-COOH → [-O-CH(CH₃)-CO-]_n + nH₂O
Tính khối lượng (kg) PLA thu được và thể tích (lít) khí CO₂ (đkc) tối thiểu mà cây lúa đã phải hấp thụ qua quá trình quang hợp để tạo ra lượng cellulose trong 4,500 kg rơm rạ ở trên. Biết quá trình quang hợp chuyển hoá CO₂ thành cellulose đạt hiệu suất 100%.