Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật hóa học: Nghiên cứu cải tiến kỹ thuật tiền xử lý phụ phẩm gỗ cao su trong sản xuất Bioethanol thế hệ 2 bằng phương pháp tái sử dụng và tận dụng hóa chất

Để chuyển hóa lignocellulose thành bioethanol, một khâu có tính tiên quyết là tiền xử lý để loại bỏ lignin, phá vỡ cấu trúc phức hợp lignin – cellulose – hemicellulose nhằm tạo điều kiện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

SUB-AND UTILIZING CONSUMABLE CHEMICALS

Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC Mã số ngành: 60520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2019

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Đình Quân Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Lê Thị Kim Phụng

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Hoài Hương

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM ngày 25 tháng 07 năm 2019

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Chủ tịch: TS Hoàng Minh Nam

Phản biện 1: PGS.TS Lê Thị Kim Phụng Phản biện 2: TS Nguyễn Hoài Hương Ủy Viên: PGS.TS Huỳnh Kim Lâm Thư ký: TS Nguyễn Trường Sơn

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác định của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KTHH

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : Nguyễn Thị Liên MSHV :1770450 Ngày, tháng, năm sinh : 02/09/1995 Nơi sinh : Triệu Sơn – Thanh Hóa Chuyên ngành : Kỹ Thuật Hóa Học Mã số : 60520301

TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN KỸ THUẬT TIỀN XỬ LÝ PHỤ PHẨM GỖ CAO SU TRONG SẢN XUẤT BIOETHANOL THẾ HỆ 2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÁI SỬ DỤNG VÀ TẬN DỤNG HÓA CHẤT

I NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :

- Tìm hiểu tổng quan tài liệu - Khảo sát thành phần nguyên liệu - Tiến hành tối ưu quá trình tiền xử lý (nồng độ, thời gian, nhiệt độ…) - Tái sử dụng không bổ sung và có bổ sung NaOH ; tính hiệu quả tiết kiệm - Một số tính chất của nguyên liệu trước và sau TXL : XRD, SEM, TGA, BET… - Quá trình lên men kiểm chứng

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 11/02/2019 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 06/2019

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS NGUYỄN ĐÌNH QUÂN

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được hoàn thành tại Phòng thí nghiệm nhiên liệu sinh học và Biomass Đại Học Bách Khoa- Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Để có được bài luận văn này em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến giáo viên

hướng dẫn TS Nguyễn Đình Quân đã tận tình giúp đỡ, truyền đạt cho em những kiến

thức chuyên môn, hướng dẫn kỹ thuật cũng như những kinh nghiệm hết sức quý báu và đầy tâm huyết trong quá trình thực hiện luận văn

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý thầy cô Ban Giám Hiệu trường Đại học Bách Khoa TP HCM, Ban chủ nhiệm Khoa Kỹ Thuật Hóa Học nói chung và toàn thể các anh chị trong Phòng Thí Nghiệm Nhiên liệu Sinh học & Biomass nói riêng đã dạy cho em kiến thức bổ ích, kỹ năng chuyên môn, tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian qua

Cuối cùng em xin cảm ơn bạn bè, người thân trong gia đình, những người luôn là chỗ dựa tinh thần vững chắc, luôn ủng hộ em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn

TP HCM, ngày 08 tháng 08 năm 2019 Học viên

Nguyễn Thị Liên

TÓM TẮT

Hiện nay ethanol sinh học thế hệ thứ hai sản suất từ lignocellulose là một vấn đề đang quan tâm trên nhiều quốc gia Tuy nhiên các nghiên cứu ở Việt Nam còn nhiều hạn chế về kỹ thuật cũng như quy mô, mặc dù nguồn nguyên liệu lignocellulose ở nước ta rất dồi dào đặc biệt là gỗ cao su Để chuyển hóa lignocellulose thành bioethanol, một khâu có tính tiên quyết là tiền xử lý để loại bỏ lignin, phá vỡ cấu trúc phức hợp lignin – cellulose – hemicellulose nhằm tạo điều kiện tiếp xúc giữa các tác nhân thủy phân và cellulose diễn ra Trong các phương pháp tiền xử lý hiện nay như nổ hơi nước, tiền xử lý với acid, với kiềm…phổ biến nhất là phương pháp ngâm kiềm Tuy nhiên quá trình tiền xử lý sẽ tốn nhiều kinh phí hóa chất cũng như ảnh hưởng tới môi trường, để giảm thiểu vấn đề đó thì dịch tiền xử lý sẽ được tái sử dụng cho những lần tiếp theo

Kết quả cho thấy hiệu suất tiền xử lý đạt kết quả cao nhất 53% với tác nhân tiền xử lý NaOH 2% trong 24 giờ tại nhiệt độ phòng, tốc độ lắc 150 vòng/phút Quá trình tái sử dụng không bổ sung NaOH cho hiệu suất cao nhất là ở cùng điều kiện là 24,79% Đặc biệt quá trình tái sử dụng có bổ sung NaOH cho hiệu suất tương đương với quá trình tiền xử lý đầu lần đầu tiên (hiệu suất 52%)

Lượng nước và lượng kiềm tối thiểu cần bổ sung cho tổng quá trình có bổ sung kiềm thì hàm lượng kiềm giảm 30,3% và lượng nước giảm 41,2% so với phương pháp truyền thống

Quá trình thủy phân và lên men đồng thời (SSF) thu được kết quả tốt nhất dựa vào lượng ethanol thu được cao nhất là 1,73% (tương đương hiệu suất chuyển hóa đạt 55,36%) khi tiến hành lên men trong 48 giờ, nhiệt độ môi trường 35OC, pH môi trường 5,0; bổ sung 5% nấm men và 5% pepton chất dinh dưỡng bổ sung

ABSTRACT

The second generation of bioethanol produced from lignocellulose is a big interest in many countries today Lignocellulosic biomass is especially considerable as it can be utilized from agricultural and forestry sub- and side-products and wastes In Vietnam, wood forestry every year yields out millions of tons of small branches, tree bark, leaves, wood-margin, etc In this thesis, rubber saw dust is employed as the lignocellulosic material for a study of pretreatment techniques

In order to convert lignocellulose to bioethanol, a prerequisite step is pretreatment to remove lignin, breaking lignin – cellulose – hemicellulose complex structure to liberate cellulose out of the matrix This process facilitates the contact between cellulose and hydrolysis agents Among popular chemical pretreatment methods, alkaline pretreatment is considered the most effective and simple

Currently, bioethanol production from lignocellulosic biomass is still far from commercialization due to high costs In an attempt of reducing the chemical cost in pretreatment of the biomass, reusing the alkaline solution waste after pretreatment has been suggested and studied in this context

Results showed that pretreatment efficiency achieved the highest of 53% with NaOH 2% in 24 hours at room temperature, vibration speed is 150 rpm The reused process with no addition of NaOH gives the best efficiency of 24,79% at the same condition In particular, the process with addition of NaOH gives equivalent result with the first pretreatment (efficiency of 52%)

The minimum water and alkaline quantity needed to add to the total alkaline addition process is 30,3% lower in alkaline and 41,2% in water amount compared with traditional method

Simultaneous saccharification and fermentation (SSF) obtained the best result based on the highest yield of ethanol 1,73% when conducting fermentation in 48 hours, surrounding temperature is 35OC, environmental pH is 5, addition of 5% yeast and 5% peptone nutrients

LỜI CAM ĐOAN

Nghiên cứu này được thực hiện tại phòng Nhiên liệu Sinh học & Biomass – Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ trường hợp nào

Học viên thực hiện luận văn

(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Thị Liên

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN BIOETHANOL TỪ LIGNOCELLULOSE 3

1.1 Tổng quan về nhiên liệu sinh học 3

1.2 Tổng quan về bioethanol từ lignocellulose biomass 4

1.2.1 Cấu trúc lignocellulose 5

Cellulose 7

Hemicellulose 9

Lignin 11

1.2.2 Quy trình tổng quát sản xuất bioethanol 13

1.2.3 Khó khăn trong công nghệ Bioethanol thế hệ 2 14

1.3 Quá trình tiền xử lý 15

1.4 Quá trình lên men 25

1.5 Tổng quan nguyên liệu gỗ cao su 28

1.6 Các công trình và công nghệ sản xuất bioethanol 29

1.7 Đặt vấn đề và ý tưởng cho quá trình 33

CHƯƠNG 2 : NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 36

2.1 Địa điểm và thời gian nghiên cứu 36

Phương pháp phân tích hàm lượng ẩm 43

Phương pháp phân tích hàm lượng tro 44

Phương pháp phân tích thành phần lignocellulose 44

2.5 Hiệu quả quá trình tiền xử lý lignocellulose 46

2.6 Công thức tính hiệu suất tiết kiệm lượng nước và dung dịch kiềm cho quá trình tái sử dụng 47

CHƯƠNG 3 : BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM 48

3.1 Thành phần nguyên liệu 48

3.2 Quá trình tiền xử lý 48

3.2.1 Khảo sát các điều kiện trong quá trình TXL bằng NaOH 48

Khảo sát kích thước nguyên liệu 48

Khảo sát nhiệt độ 48

3.2.1.3 Khảo sát tỉ lệ rắn/lỏng 49

Khảo sát nồng độ 49

Khảo sát thời gian 50

3.2.2 Khảo sát các điều kiện trong quá trình TXL bằng H2SO4 50

Khảo sát nồng độ 50

Khảo sát thời gian 51

3.2.3 Tiền xử lý kết hợp 51

3.2.4 Tái sử dụng dung dịch kiềm sau lần TXL đầu tiên 52

3.3 Quá trình lên men nguyên liệu TXL thành bioethanol 53

3.3.1 Khảo sát thời gian lên men 53

3.3.2 Khảo sát nhiệt độ lên men 53

3.3.3 Khảo sát tỉ lệ enzyme 54

3.3.4 Khảo sát tỉ lệ nấm men 54

CHƯƠNG 4 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 55

4.1 Nguyên liệu 55

4.1.1 Thành phần nguyên liệu trong nguyên liệu ban đầu 55

4.1.2 Khảo sát kích thước hạt mùn cưa 57

4.1.3 Khảo sát nhiệt độ tiền xử lý 61

4.1.4 Khảo sát tỉ lệ rắn/lỏng trong quá trình tiền xử lý 62

4.1.5 Khảo sát thời gian tiền xử lý bằng NaOH 63

4.1.6 Ảnh hưởng của nồng độ NaOH tới quá trình TXL 64

4.1.7 Ảnh hưởng của nồng độ H2SO4 đến quá trình tiền xử lý 65

4.1.8 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình TXL bằng H2SO4 67

4.1.9 Ảnh hưởng của việc kết hợp tiền xử lý acid và base 68

4.1.10 Hiệu suất của quá trình tái sử dụng dung dịch kiềm 70

4.2 Một số tính chất của nguyên liệu trước và sau tiền xử lý 73

4.2.1 Xác định cấu trúc bề mặt (SEM) 73

4.2.2 Xác định cấu trúc tinh thể của nguyên liệu trước và sau tiền xử lý (XRD - X-ray diffraction) 75

4.2.3 Xác định nhiệt trọng trường (TGA) 78

4.2.4 Xác định diện tích bề mặt và cấu trúc lỗ xốp (BET) 80

4.2.5 Xác định các thành phần nguyên tố C, H, N 81

4.3 Quá trình lên men 83

4.3.1 Khảo sát thời gian lên men 83

4.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình lên men 84

4.3.3 Khảo sát tỉ lệ chất dinh dưỡng bổ sung 85

4.3.4 Khảo sát ảnh hưởng của enzyme tới quá trình lên men 87

CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

TXL: tiền xử lý TSD: tái sử dụng SHF (Separate Hydrolysis and Fermentation): thủy phân và lên men riêng lẽ SSF (Simultaneous Saccharification Fermentation): thủy phân và lên men đồng thời SDA: Sabouraud Dextrose Agar

SDB: Sabouraud Dextrose Broth CSL: (Corn Steep Liquor): bột bắp AIL: hàm lượng lignin không tan ASL: hàm lượng lignin tan SEM (Scanning Electron Microsope): kính hiển vi điện tử quét XRD (X – Ray Diffraction): máy nhiễu xạ tia X

TGA (Thermogravimetric analysis): xác định nhiệt trọng trường HPLC(High Performance Liquid Chromatography):hệ thống sắc ký lỏng hiệu năng cao

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cấu trúc lignocellulose 6

Hình 1.2 Kiểu Fringed fibrillar và kiểu Folding chain 7

Hình 1.3 Cấu trúc phân tử cellulose 8

Hình 1.4 Cấu trúc của hemicellulose 9

Hình 1.5 Cấu trúc Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan 10

Hình 1.6 Cấu trúc glucomannan 10

Hình 1.7 Cấu trúc galactoglucomannan 10

Hình 1.8 Các đơn vị cơ bản của lignin 11

Hình 1.9 Quy trình tổng quát sản suất bioethanol 13

Hình 1.10 Chuyển đổi sinh khối thành nhiên liệu thông qua quá trình TXL 19

Hình 1.11 Hình ảnh cây cao su 29

Hình 1.12 Mùn cưa cao su ở xưởng chế biến tại thị xã Nam Tân Uyên, Bình Dương 29Hình 1.13 Ý tưởng bổ sung kiềm và nước cho quá trình tái sử dụng đạt hiệu quả như tiền xử lý ban đầu 35

Hình 2.1 Nguyên liệu mùn cưa gỗ cao su 36

Hình 2.2 Enzyme Acremonium Cellulase 37

Hình 2.3 Nồi hấp sinh học cao áp 39

Hình 2.4 Lò nung 39

Hình 2.5 Máy lắc ngang 40

Hình 2.6 Tủ ủ 40

Hình 2.7 Tủ cấy an toàn sinh học cấp 2 41

Hình 2.8 Thiết bị đo độ bền oxy hóa 41

Hình 2.9 Thiết bị phân tích HPLC 42

Hình 2.10 Máy phân tích nhiễu xạ tia X 42

Hình 2.11 Máy phân tích nhiệt trọng trường 43

Hình 4.1 Thành phần mùn cưa cao su ban đầu 55

Hình 4.2 Mẫu tiền xử lý với NaOH 2% trong 24 giờ, tỉ lệ rắn/lỏng là 1/10 57

Hình 4.3 Khảo sát kích thước nguyên liệu khi TXL với NaOH 2% trong 24 giờ 58

Hình 4.4 Thiết bị nghiền mùn cưa và thiết bị nổ hơi 59

Hình 4.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ (1) 270C; (2) 500C; (3) 900C đến quá trình tiền xử lý với NaOH 2% tại các mốc thời gian khác nhau, tỉ lệ rắn/lỏng là 1/10 61Hình 4.6 Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn/lỏng tới quá trình TXL 62Hình 4.7 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình tiền xử nguyên liệu khi dùng dung dịch NaOH (1) 0,2 wt%; (2) 2 wt%; (3) 4 wt% với tỉ lệ rắn/lỏng là 1/10 63Hình 4.8 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch kiềm đến quá trình tiền xử lý với NaOH trong 24 giờ, tỉ lệ rắn/lỏng là 1/10 64Hình 4.9 Ảnh hưởng của nồng độ đến quá trình tiền xử lý với H2SO4 trong 24 giờ, tỉ lệ rắn/lỏng là 1/10 65Hình 4.10 Hiệu quả lignin tách ra khỏi mẫu khi TXL bằng H2SO4 với các nồng độ khác nhau trong 24 giờ 66Hình 4.11 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình tiền xử lý bằng H2SO4. 67Hình 4.12 Khảo sát ảnh hưởng của việc kết hợp hai tác chất tiền xử lý H2SO4 trước xong đến NaOH với tỉ lệ nồng độ tác chất khác nhau 69Hình 4.13 Khảo sát ảnh hưởng của việc kết hợp hai tác chất tiền xử lý NaOH trước xong đến H2SO4 với tỉ lệ nồng độ khác nhau 69Hình 4.14 Khảo sát ảnh hưởng của dung dịch sau lần TXL NaOH lần 1 70Hình 4.15 Hiệu quả của quá trình tái sử dụng và bổ sung kiềm cho quá trình tiền xử lý với (1) TXL; (2) Tái sử dụng không nổ sung kiềm; (3) Tái sử dụng có bổ sung kiềm 72

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần lignocellulose của một số nguyên liệu [14] 6

Bảng 1.2 Các phương pháp sản xuất Bioethanol [4, 5] 14

Bảng 1.3 Sự tác động của các phương pháp tiền xử lý khác nhau lên cấu trúc lignocellulose [3] 18

Bảng 1.4 Một số phương pháp tiền xử lý thông thường [7] 20

Bảng 1.5 Một số công trình nghiên cứu quá trình TXL lignocellulose đã được công bố 21

Bảng 1.6 Một số phương pháp lên men [8] 26

Bảng 1.7 Tình hình sản xuất, xuất nhập khẩu cao su của Việt Nam (2014 – 2016) 30

Bảng 3.1 Các hóa chất sử dụng 37

Bảng 3.2 Môi trường hoạt hóa và nhân giống nấm men Sabouraud Dextrose Broth (SDB) 38

Bảng 3.3 Môi trường nuôi cấy nấm men Sabouraud Dextrose Agar (SDA) 38

Bảng 4.1 Thành phần nguyên liệu sau khi tiền xử lý với NaOH 2% 57

Bảng 4.2 Nồng độ NaOH còn lại sau tiền xử lý 68

Bảng 4.3 Nồng độ H2SO4 còn lại sau quá trình tiền xử lý 68

Bảng 4.4 Số liệu NaOH và lượng nước cần thêm cho quá trình TXL 71

Bảng 4.5 Xác định độ bán rộng của nguyên liệu 77

Bảng 4.6 Nhiệt phân hủy lignin và cellulose 79

Bảng 4.7 Diện tích bề mặt và cấu trúc lỗ xốp 80

Bảng 4.8 Thành phần nguyên tố C, H, N 81

MỞ ĐẦU

Năng lượng đóng vai trò thiết yếu đối với phát triển kinh tế xã hội và góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống Hiện nay năng lượng hóa thạch là nguồn năng lượng quan trọng nhất nhưng vì thời gian tái tạo rất lâu, dự trữ có lớn nhiều cũng cạn kiệt

Trong những năm gần đây, giá khí đốt tăng cao và mối quan tâm về môi trường đã tạo ra động lực cho việc phát triển các nguồn năng lượng thay thế, đặc biệt là bioethanol Hiện nay, lignocellulose là nguồn nhiên liệu sinh học đang được nghiên cứu và phát triển để cung cấp một nguồn carbohydrate cho quá trình lên men, bioethanol thế hệ thứ hai là nhiên liệu tiềm năng được quan tâm rất nhiều [1]

Năm 2017, ngành chế biến gỗ của Việt Nam sử dụng 5,12 triệu m3 cao su nguyên liệu; trong đó nguồn cung trong nước khoảng 5,09 triệu m3 (đại điền 4,69 triệu m3; tiểu điền 0,4 triệu m3), nhập khẩu gần 30.000 m3 gỗ Cả nước hiện có khoảng 970.000 ha cao su Dựa trên chu kỳ khai thác diện tích thanh lý bình quân mỗi năm là trên 25.000 ha và thu được hơn 4,5 triệu m3 gỗ Các vườn cao su đại điền, phần lớn thuộc các Công ty trong Tập đoàn Cao su cung cấp trên 92% lượng gỗ khai thác Tính đến năm 2007 diện tích Cao Su ở Đông Nam Bộ (339.000 ha), Tây Nguyên (113.000 ha), Trung tâm phía Bắc (41.500 ha) và Duyên Hải miền Trung (6.500 ha)

Trong thành phần gỗ cao su chứa hơn 20% lignin, đây là hợp chất cao phân tử có nhiều tính chất đáng quý, có khả năng ứng dụng vào nhiều lĩnh vực Lignin đã được nghiên cứu ứng dụng vào một số vật liệu như composite [1,2], chất kết dính, phụ gia bê tông [3], … Đến nay, công trình công bố về tách lignin từ gỗ cao su rất ít, phần lớn là những công trình công bố về phương pháp tách lignin từ rơm rạ, lúa mì và một số loại gỗ khác

Nghiên cứu chuyển hóa sinh khối thành cồn sinh học bằng phương pháp thủy phân và lên men đồng thời là một nghiên cứu phổ biến trên thế giới Với sinh khối là gỗ, các nghiên cứu có phần hạn chế vì lignocellulose từ gỗ khá rắn chắc, buộc phải qua bước tiền xử lý phức tạp, trong đó phương pháp tiền xử lý bằng kiềm rất phổ biến, nhưng việc sử dụng kiềm với số lượng lớn rất ảnh hưởng đến môi trường và kinh phí hóa chất Lên men mùn cưa gỗ tạo ethanol vừa không tiêu hao nguồn lương thực của con người vừa

loại bỏ phế phẩm nông nghiệp một cách thân thiện với môi trường và có thể hy vọng thu được nhiều ethanol với quy mô lớn với hiệu suất cao mà giá thành sản xuất giảm

Vì vậy phương pháp tái sử dụng dung dịch kiềm trong quá trình tiền xử lý là một

vấn đề nên được quan tâm

Với mục tiêu này, dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Đình Quân tôi sẽ tiến hành đề tài luận văn có nội dung “Nghiên cứu cải tiến kỹ thuật tiền xử lý phụ phẩm

gỗ cao su trong sản xuất bioethanol thế hệ 2 bằng phương pháp tái sử dụng và tận dụng hóa chất (Study On Innovated Technques To Pretreat Rubber Wood Sub-

Product In The 2nd Generation Bioethanol Production By Re-Using And Utilizing

Consumable Chemicals)

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN BIOETHANOL TỪ

LIGNOCELLULOSE

1.1 Tổng quan về nhiên liệu sinh học

Nhu cầu năng lượng của con người đã hiện diện cách đây hàng trăm ngàn năm kể từ khi con người biết dùng lửa cho tới ngày nay năng lượng có vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế - xã hội Vì vậy trong chính sách phát triển kinh tế, xã hội bền vững thì chính sách năng lượng nên được đặt lên hàng đầu

Hiện nay nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng nhiều do đó nguồn nhiên liệu

sinh học ngày càng phát triền Nhiên liệu sinh học là loại nhiên liệu được hình thành từ

các hợp chất có nguồn gốc động thực vật (sinh học) như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa, ), ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương ), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ,mùn cưa, phân, )[1, 5]

 Nhiên liệu sinh học được phân thành nhiều loại:

 Diesel sinh học (biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương tự và có

thể sử dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống Biodiesel được điều chế bằng cách dẫn xuất từ một số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ động vật), thường được thực hiện thông qua quá trình transester hóa bằng cách cho phản ứng với các loại rượu phổ biến nhất là methanol Mức độ phát thải của diesel và diesel sinh học: theo đánh giá mức độ phát thải các loại khí từ loại ddiessel sinh học so sánh với dầu ddiessel từ dầu mỏ cho thấy lượng khí CO giảm 40%, khí SO2 giảm 98,5%, khí NO2

giảm 99,1% [5, 6]

Ưu điểm: diesel sinh học có ưu điểm như giảm ô nhiễm môi trường, là chất không

độc, dễ bị phân hủy sinh học, sử dụng trực tiếp, kéo dài tuổi thọ cho động cơ

 Khí sinh học (biogas) là một loại khí hữu cơ gồm methane và các đồng đẳng khác

biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ phế thải nông nghiệp, chủ yếu là cellulose, tạo thành sản phẩm ở dạng khí Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí gas từ sản phẩm dầu mỏ

Ứng dụng của biogas trong đời sống: cung cấp nguồn nhiên liệu đốt trong sử dụng đun nấu; tạo nguồn năng lượng thay thế để thắp sáng, sưởi ấm; sử dụng để phát

điện ở quy mô gia đình; cung cấp một lượng phân bón hữu cơ thay cho phân bón hóa học [6]

 Xăng sinh học là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử dụng ethanol như là một

loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ gia chì Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, cellulose, lignocellulose, mật rỉ đường và các phế phẩm nông nghiệp khác Ethanol được pha chế với tỷ lệ thích hợp với xăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thế hoàn toàn cho loại xăng sử dụng phụ gia chì truyền thống [6]

Việc sử dụng xăng sinh học giúp cải thiện tính năng động cơ, mang lợi ích cho người tiêu dùng và xã hội, giúp quá trình cháy trong động cơ xảy ra triệt để hơn, tăng công suất, đồng thời giảm thiểu chất thải độc hại trong khí hại động cơ

Đó là lý do vì sao nhiên liệu sinh học được coi là nhiên liệu sinh học của tương lai, được cả thế giới quan tâm

 Bất cập về sản xuất xăng sinh học hiện nay [6, 7]: Việc sản xuất cồn sinh học từ các nguồn tinh bột hoặc các cây thực phẩm được cho là không bền vững do ảnh hưởng tới an ninh lương thực Khả năng sản xuất với quy mô lớn cũng còn kém do nguồn cung cấp không ổn định vì phụ thuộc vào thời tiết và nông nghiệp

Bên cạnh đó, giá thành sản xuất nhiên liệu sinh học vẫn cao hơn nhiều so với nhiên liệu truyền thống từ đó việc ứng dụng và sử dụng nhiên liệu sinh học vào đời sống chưa thể phổ biến rộng

1.2 Tổng quan về bioethanol từ lignocellulose biomass

 Lịch sử phát triển

Nguyên mẫu đầu tiên của động cơ đốt trong được đưa ra bởi Samuel Morey – USA, 1826 Điều này được xem là sự bắt đầu của động cơ gasoline nhưng thực tế ông sử dụng ethanol để cung cấp nguồn năng lượng cho động cơ

Năm 1908, Henry Ford xây dựng mô hình nổi tiếng về xe ô tô chạy bằng ethanol Cuối cùng, công nghiệp dầu mỏ “chiến thắng” trong sự cạnh tranh với bioethanol Sự thúc đẩy “thương mại hóa” ethanol trong giao thông vận tải được phát triển trong suốt thập niên 1970

Cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973 và cuộc cách mạng của người Iran vào năm 1978 làm cho giá của dầu gia tăng một cách nhanh chóng, ảnh hưởng lớn đến vấn đề an ninh năng lượng quốc gia Ethanol nhiên liệu trở nên có giá trị Tại thời điểm này, cơ quan bảo vệ môi trường (EPA) đã tìm kiếm một chất thay thế cho chì trong gasoline để gia tăng chỉ số octane, ethanol sớm thiết lập một chỗ đứng vững mạnh trong việc gia tăng chỉ số octane Một động cơ khác thúc đẩy công nghệ sản xuất ethanol ở Mỹ trong suốt những năm 80 đó là khi giá bắp hạ thấp, họ xem sản xuất ethanol từ bắp là một phương tiện để ổn định thu nhập của nông nghiệp [2, 8]

 Bioethanol:

Bioethanol (ethanol sinh học) là một nhiên liệu sinh học dạng cồn và được sản xuất bằng con đường sinh học Sử dụng phương pháp lên men và chưng cất từ loại nguyên liệu chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn như bắp, lúa mì, lúa mạch, mía Ngoài ra, bioethanol còn được sản xuất từ các loại cây có chứa hợp chất cellulose

Hiện nay, các nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, ước tính trữ lượng dầu mỏ của thế giới đến năm 2025 sẽ cạn Trong khi đó hoạt động sống của con người rất cần năng lượng Mặt khác, nguồn năng lượng hóa thạch khi sử dụng đã gây ra các vấn đề nghiêm trọng về môi trường, hiệu ứng nhà kính Trong tương lai nhiên liệu sinh học đáng được phát triển với những lợi ích mà nó mang lại như [9]:

- Dùng trong ngành hóa chất, làm dung môi pha sơn, ngành in ấn - Dùng để pha chế xăng sinh học E5, E10

- Dùng trong nghành vệ sinh công nghiệp tẩy rửa - Dùng trong pha chế đồ uống, rượu bia

- Dùng trong ngành in ấn - Dùng trong ngành y tế, sát trùng

1.2.1 Cấu trúc lignocellulose

Lignocellulose là một chất hữu cơ tái tạo và là thành phần cấu trúc chính của thành tế bào thực vật Lignocellulose bao gồm ba thành phần chính: cellulose, hemicellulose và lignin Ngoài ra, có một số thành phần khác như protein, pectin và tro [10] Tỷ lệ giữa các thành phần là khác nhau tùy thuộc vào nguồn lignocellulose Ngoài ra, tỷ lệ đó còn phụ thuộc vào tuổi, giai đoạn và điều kiện sinh trưởng của từng loại gỗ khác nhau [10]

Theo Hetti Palonen, về cơ bản trong cấu trúc phân tử của lignocellulose, cellulose tạo thành khung chính và được bao bọc bởi những chất có chức năng tạo mạng lưới như hemicelllose và chất kết dính như lignin Cellulose, hemicellulose và lignin sắp xếp gần nhau và hình thành liên kết cộng hóa trị với nhau [11, 12]

Hình 1.1 Cấu trúc lignocellulose

Các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản Các sợi này được gắn lại với nhau nhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi, với chiều rộng khoảng 25nm Các vi sợi này được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp bảo vệ cellulose khỏi sự tấn công của enzyme cũng như các hóa chất trong quá trình thủy phân [13]

Bảng 1.1 Thành phần lignocellulose của một số nguyên liệu [14]

Nguyên liệu

Thành phần (% chất khô) Cellulose Hemicellulose Lignin

Cellulose

Cellulose là thành phần chính của vật liệu lignocellulose, công thức tổng quát là (C6H10O5) n Cellulose là một polymer mạch thẳng của D-glucose, các D-glucose được liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4-glucoside Bên cạnh đó liên kết hydro liên phân tử giúp liên kết các phân tử glucose giữa các bó chuỗi với nhau Cellulose là polymer có nhiều trong tự nhiên, là thành phần cấu trúc chính trong thành tế bào thực vật, giúp mô thực vật có độ bền cơ học và tính đàn hồi Cellulose có nhiều trong bông (95-98%), đay, gai, tre, nứa và chiếm 39-42% khối lượng khô của tế bào gỗ mềm [5, 14, 15]

Hình 1.2 Kiểu Fringed fibrillar và kiểu Folding chain

Kiểu Fringed Fibrillar: phân tử cellulose được kéo thẳng và định hướng theo

chìều sợi Vùng tinh thể có chiều dài 500 Å và xếp xen kẽ với vùng vô định hình

Folding chain: phân tử cellulose gấp khúc theo chiều sợi Mỗi đơn vị lặp lại

có độ trùng hợp khoảng 1000, giới hạn bởi hai điểm a và b như trên hình vẽ Các đơn vị đó được sắp xếp thành chuỗi nhờ vào các mạch glucose nhỏ, các vị trí này rất dễ bị thủy phân Đối với các đơn vị lặp lại, hai đầu là vùng vô định hình, càng vào giữa, tính chất kết tinh càng cao Trong vùng vô định hình, các liên kết β –glucosid giữa các monomer bị thay đổi góc liên kết, ngay tại cuối các đoạn gấp, 3 phân tử monomer sắp xếp tạo sự thay đổi 1800 cho toàn mạch Vùng vô định hình sẽ dễ bị tấn công bởi các tác nhân thủy

phân hơn vùng tinh thể vì sự thay đổi góc liên kết của các liên kết cộng hóa trị (β – glucosid) sẽ làm giảm độ bền nhiệt động của liên kết, đồng thời vị trí này không tạo được liên kết hydro Cellulose được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, điều này làm cho cellulose khá bền vững với tác động của enzyme cũng như hóa chất

Cellulose là một polysaccharide đồng nhất bao gồm những đơn vị lặp lại cellobiose một dimmer của 𝛽,D-glucose Có dạng mạch thẳng, không xoắn Độ trùng hợp của cellulose khoảng từ 3500 đến 10000 DP [15] Các đơn vị glucose liên kết với nhau bằng liên kết 𝛽-1,4- glucosidic Các nhóm OH ở hai đầu mạch có tính chất hoàn toàn khác nhau, cấu trúc hemiacetal tại C1 có tính khử, trong khi đó OH tại C4 có tính

chất của rượu [16]

Hình 1.3 Cấu trúc phân tử cellulose

Giữa các chuỗi cellulose có rất nhiều gốc –OH tạo nên rất nhiều liên kết hydro giúp ổn định cellulose, làm cho sợi cellulose rất bền vững, khó thủy phân Các mạch cellulose được liên kết với nhau nhờ liên kết hydro, hình thành hai vùng cấu trúc chính là kết tinh và vô định hình Trong vùng kết tinh, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau nên khó bị tấn công bởi enzyme cũng như hóa chất Ngược lại, trong vùng vô định hình, cellulose liên kết không chặt chẽ nên dễ bị tấn công [16, 17] So với tinh bột, cellulose khó tan hơn nhiều Để chuyển từ trạng thái tinh thể sang vô định hình, tinh bột cần đun nóng khoảng 60-700C trong nước, còn cellulose cần nhiệt độ tới 3200C và áp suất 25mPa.Về mặt hóa học, cellulose có thể bị phân hủy thành glucose với acid ở nhiệt độ cao

Hemicellulose

Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng 70 đến 200 DP Hemicellulose là một polymer phức tạp và phân nhánh có các thành phần chính: pentose (β-D-xylose, α-L-arabinose), hexoses (β-D-mannose), β-D-glucose, α-D-galactose) và urgonic acids (α-D-glucuronic, α-D-4-O-methyl-galacturonic) và α-D-galacturinic acid) [18]

Hình 1.4 Cấu trúc của hemicellulose

Cấu tạo của hemicellulose khá phức tạp và đa dạng tùy vào nguyên liệu, tuy nhiên có một vài điểm chung gồm [18]:

 Mạch chính của hemicellulose được cấu tạo từ liên kết 𝛽 -1,4  Xylose là thành phần quan trọng nhất

 Nhóm thế phổ biến nhất là nhóm acetyl liên kết với vị trí 2 hoặc 3  Mạch nhánh được cấu tạo từ các mạch đơn giản, thông thường là disaccharide hoặc

trisaccharide Sự liên kết của hemicellulose với các polysaccharide khác và với lignin là nhờ các mạch nhánh này Cũng vì hemicellulose có mạch nhánh nên tồn tại ở dạng vô định hình và vì thế dễ bị thủy phân

Gỗ cứng và gỗ mềm, nguyên liệu gỗ có các đặc điểm hemicellulose khác nhau:  Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan là một polymer có mạch chính gồm B, D-

xylopyranose liên kết với nhau bằng liên kết 𝛽,D-1,4 Trong đó 70% các nhóm OH ở vị trí C2 và C3 bị acetyl hóa, 10% các nhóm ở vị trí C2 liên kết với acid 4-O-methyl-D-glucuronic Gỗ cứng còn chứa glucomannan, polymer này chứa một tỉ lệ bằng nhau 𝛽,D-glucopyranose và 𝛽,D- mannopyranose[19]

Gỗ mềm cũng bao gồm 2 loại hemicellulose chính:  Loại quan trọng nhất là galactoglucomannan, đây là polymer cấu thành phân tử D-

mannopyranose liên kết với D-glucopyranose bằng liên kết 𝛽-1,4 tỉ lệ 2 monomer tương ứng là 3:1[19, 20]

Hình 1.7 Cấu trúc galactoglucomannan

 Arabino-4-O-methylglucoronoxylan cấu tạo từ các D-xylopyranose, các monomer này bị thế ở vị trí 2 bằng acid 4-O-methylglucoronic, ở vị trí 3 bằng 𝛼,L-arabinofuranose [20]

Trong cấu trúc thành tế bào, hemicellulose có chức năng liên kết và định vị các bó sợi cellulose với nhau Bên cạnh đó hemicellulose còn có chức năng liên kết các peptit Ngoài ra còn là cầu nối liên kết giữa các phân tử lignin và các bó sợi cellulose tạo nên cấu trúc vững chắc cho thành tế bào thực vật [20]

Lignin

Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở, có đặc tính thơm và kị nước Trong tự nhiên, lignin chủ yếu đóng vai trò chất liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose và hemicellulose

Rất khó để có thể tách lignin ra hoàn toàn Thông qua nghiên cứu xác định độ trùng hợp của lignin, người ta thấy có sự phân đoạn trong quá trình chiết và phân tử có chứa nhiều loại tiền chất xuất hiện lặp đi lặp lại một cách ngẫu nhiên [21]

Lignin là polymer, được cấu thành từ các đơn vị phenylpropene, vài đơn vị cấu trúc điển hình được đề nghị là: guaiacyl (G), chất gốc là rượu trans-coniferryl, syringly (S), chất gốc là rượu trans-sinapyl, p-hydroxylphenyl (H), chất gốc là rượu trans-p-courmary [21] Tùy thuộc vào từng loại thực vật mà phân tử lignin có các tỉ lệ G:S:H khác nhau Ví dụ lignin của cây vân sam có tỉ lệ G:S:H = 94:1:5 hoặc lignin gỗ thông có G:S:H= 86:2:13 [21] Thông thường trong công nghiệp bột giấy lignin thường được tách loại bằng kiềm hoặc sulfit Công thức cấu tạo các monome của lignin được trình bày ở hình 1.8 dưới đây

Hình 1.8 Các đơn vị cơ bản của lignin

Cấu trúc của lignin đa dạng, tùy thuộc vào loại gỗ, tuổi của cây hoặc cấu trúc của nó trong gỗ Ngoài việc được phân loại theo lignin của gỗ cứng, gỗ mềm và cỏ, lignin có thể được phân thành 2 loại chính: guaicyl lignin và guaicyl-syringly lignin

Gỗ mềm chứa chủ yếu là guiacyl, gỗ cứng chứa chủ yếu syringyl Nghiên cứu chỉ ra rằng guiacyl lignin hạn chế sự trương nở của sơ sợi và vì vậy loại nguyên liệu đó sẽ khó bị tấn công bởi enzyme hơn syringyl lignin[21]

Nhóm chức ảnh hưởng đến hoạt tính của lignin là nhóm phenolic hydroxyl tự do, methoxy, benzylic hydroxyl, ether của benzylic với các rượu thẳng và nhóm carboxyl Guiacyl lignin chứa nhiều nhóm phenolic hydroxyl hơn syringyl

Lignin có liên kết hóa học với thành phần hemicellulose và ngay cả với cellulose độ bền hóa học của những liên kết này phụ thuộc vào bản chất và cấu trúc hóa học của lignin và những đơn vị đường tham gia liên kết Carbon alpha trong cấu trúc phenyl propane là nơi có khả năng tạo liên kết cao nhất với khối hemicellulose

Ngược lại các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose, galactose, và acid methylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin Các liên kết có thể là ether, ester (liên kết với xylan qua acid 4-O-methylglucuronic), hay glycoxit (phản ứng giữa nhóm khử của hemicellulose và nhóm OH phenolic của lignin) [21]

4-O-Những nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng lignin hoàn toàn không đồng nhất trong cấu trúc Lignin dường như bao gồm vô định hình và các vùng có cấu trúc hình thuôn hoặc hình cầu

Lignin trong tế bào thực vật bậc cao hơn không có vùng vô định hình Các vòng phenyl trong lignin của gỗ mềm được sắp xếp trật tự trên mặt phẳng thành tế bào Ngoài ra, cấu trúc hóa học và cấu trúc không gian của lignin đều bị ảnh hưởng bởi mạng polysaccharide Việc mô hình hóa động học phân tử cho thấy rằng nhóm hydroxyl và nhóm methoxyl trong các oligomer tiền lignin sẽ tương tác với vi sợi cellulose cho dù bản chất của lignin là kỵ nước [22]

Cấu trúc hóa học của lignin rất dễ bị thay đổi trong điều kiện nhiệt độ cao và pH thấp như điều kiện trong quá trình tiền xử lý bằng hơi nước Ở nhiệt độ phản ứng cao hơn 2000C, lignin bị kết khối thành những phần riêng biệt và tách ra khỏi cellulose

1.2.2 Quy trình tổng quát sản xuất bioethanol

Hình 1.9 Quy trình tổng quát sản suất bioethanol

Bảng 1.2 Các phương pháp sản xuất Bioethanol [4, 5]

1

Bioethanol thế hệ 1

-Hạt giống hoặc các loại

ngũ cốc như lúa mì, tinh bột

-Mật rỉ đường

Hiệu suất chuyển hóa cồn cao, chi

phí thấp

Đe dọa nguồn cung cấp thực phẩm và đa dạng sinh học

2

Bioethanol thế hệ 2

Jatropha, phế phẩm nông nghiệp như rơm rạ, trấu, lá

cây, bã mía, mùn cưa…

Nguồn nguyên liệu dồi dào và

tiềm năng Tận dụng nguồn phế phẩm giá rẻ

Chi phí sản xuất cao

3

Bioethanol thế hệ 3

Các loại vi tảo và tảo

Sinh ra nhiều năng lượng

Không ảnh hưởng đến nguồn nước ngọt (sử dụng

biển và nước thải), phân hủy

dễ dàng

Tốn diện tích nuôi tảo, gây

bẩn mặt thoáng Bị các loại vi sinh vật

khác cạnh tranh Giá thành cao

1.2.3 Khó khăn trong công nghệ Bioethanol thế hệ 2

Ethanol thế hệ thứ hai sử dụng các loại vật liệu lignocellulose khác nhau làm chất nền Hiện nay, chỉ có một lượng nhỏ ethanol sinh học thế hệ thứ hai được sản xuất thử nghiệm theo quy mô công nghiệp ở một số nhà máy trên thế giới, nhưng chưa khả thi về mặt thương mại Năm 2012, công ty Borregaard ở Na Uy tuyên bố là nhà sản xuất ethanol thế hệ 2 lớn nhất với sản lượng hàng năm là 20.000 m3 [23]

Về cơ bản, quá trình sản xuất bioethanol thế hệ 2 không gặp khó khăn về nguồn cung cấp nguyên liệu, khi mà khối lượng nguồn vật liệu lignocellulose hằng năm lên đến 7 – 18 tỷ tấn [23] Thay vào đó, quá trình sản xuất hiện bị hạn chế bởi các vấn đề kỹ thuật và lợi ích kinh tế mang lại (chi phí nguyên liệu lignocellulose, bao gồm chi phí vận chuyển, giá thành nguyên liệu thô ở các chuỗi cung ứng…), các thách thức này có thể chia thành 3 nhóm:

Thách thức đầu tiên là do tái sử dụng sinh khối nên cần phải có quá trình tiền xử lý thích hợp với từng loại nguyên liệu nhằm tránh hình thành các hợp chất ức chế, gây cản trở quá trình lên men

Thách thức thứ hai là sản xuất các enzyme để thủy phân cellulose, với chi phí cạnh tranh so với enzyme thủy phân thế hệ đầu tiên

Thách thức thứ 3 là nồng độ ethanol phải đủ cao để giảm chi phí chưng cất và xử lý nước thải [24]

Một số vật liệu lignocellulose cũng giải phóng một lượng lớn đường pentose trong quá trình thủy phân Ví dụ: rơm rạ, lúa mì, cỏ…có hàm lượng xylan trên 20% và hơn 50% hàm lượng glucan [24] Đã có rất nhiều nghiên cứu về quy trình sản xuất bioethanol thế hệ 2, tuy kết quả có triển vọng nhưng vẫn cần cải tiến

1.3 Quá trình tiền xử lý

Cellulose trong nguyên liệu cần phải được phân giải thành đường thì vi sinh vật mới có thể sử dụng để lên men tạo bioethanol Tuy nhiên, một phần do cellulose là đại phân tử khó bị cắt đứt, một phần do trong cấu tạo của lignocellulosse, cellulose bị hemicellulose và lignin bao bọc bên ngoài, vì vậy enzyme khó có thể tác động Chính vì vậy, tiền xử lý là công đoạn quan trọng cần được thực hiện nhằm tạo ra các biến đổi cần thiết giúp tăng khả năng thủy phân cellulose bởi enzyme

Những yếu tố về cấu trúc và thành phần ảnh hưởng đến khả năng chống lại sự tấn công của enzyme của lignocellulose gồm có:

- Chỉ số kết tinh của cellulose: mức độ kết tinh của cellulose đƣợc coi là một trong các

nhân tố quan trọng quyết định tốc độ thủy phân cellulose, mặc dù các phức hợp enzyme cellulase có khả năng thủy phân cả cellulose dạng tinh thể [25] Các nghiên cứu động học quá trình thủy phân cellulose TXL bằng các phương pháp khác nhau cho thấy, một

phần cellulose được thủy phân rất nhanh (vài giờ) bởi enzyme, trong khi đó một phần khác lại cần thời gian dài (tới 6 ngày) để có thể thủy phân triệt để

- Sự bao bọc của lignin quanh cellulose: lignin cùng với hemicellulose tạo thành cấu

trúc mô vững chắc cực kì Những mô được bền hóa với lignin tương tự như nhựa được gia cố bằng sợi, trong đó lignin đóng vai trò kết dính những sợi cellulose Trong thiên nhiên, lignin bảo vệ cellulose khỏi những tác động của môi trường và khí hậu, lignin là yếu tố ngăn cản sự tấn công của enzyme đến cellulose được công nhận nhiều nhất Tuy nhiên quá trình loại bỏ lignin thường kèm theo sự phân hủy hemicellulose Ngay cả trong phương pháp tiền xử lý nguyên liệu bằng kiềm ở nhiệt độ thấp, loại bỏ được 70% lignin thì cũng có 5% hemicellulose bị hòa tan [25, 26]

- Bề mặt tiếp xúc tự do của cellulose: liên quan đến bề mặt tiếp xúc của cellulose với

enzyme, và thể tích xốp Tuy nhiên, bề mặt tiếp xúc tự do này có liên quan đến độ kết tinh và sự bảo vệ của lignin [25]

- Sự hiện diện của hemicellulose: cũng như lignin, hemicellulose tạo thành lớp bảo vệ

xung quanh cellulose

- Mức độ acetyl hóa của hemicelluloses: đây là yếu tố ít được quan tâm, xylan, loại

hemicellulose chính trong gỗ cứng và cây thân cỏ bị acetyl hóa với tỉ lệ rất cao

Mục đích của quá trình tiền xử lý là làm thay đổi cấu trúc của lignocellulose, phá vỡ sự bao bọc của lignin và hemicellulose bao bên ngoài cellulose, tăng khả năng tác động của enzyme tới cellulose, giải phóng cellulose làm tăng vùng vô định hình của cellulose, tăng cường độ xốp và giảm kích thước vi sợi cellulose dưới tác dụng của các yếu tố vật lý, hóa học hay sinh học Làm giảm lượng lignin, tăng diện tích bề mặt và tăng tốc độ thủy phân của enzyme [25]

Việc tiền xử lý phải đáp ứng theo các yêu cầu sau:  Chi phí hoạt động và vốn thấp

 Hiệu quả trên một phạm vi rộng và nguyên liệu có nguồn gốc từ lignocellulose  Kết quả thu hồi các thành phần lignocellulose trong hình thức sử dụng được  Cần chuẩn bị/ xử lý sơ bộ các bước trước khi TXL để giảm kích thước tối thiểu  Tránh tạo thành các sản phẩm phụ bị ức chế đối với quá trình thủy phân và lên

men tiếp theo

 Nhu cầu năng lượng thấp hoặc thực hiện theo cách đầu tư năng lượng có thể sử dụng cho các mục đích khác như nhiệt thứ cấp

 Cải thiện sự tạo thành các loại đường hoặc khả năng hình thành từ các loại đường bằng quá trình thủy phân

 Tránh phá hủy hoặc tổn thất các cacbohydrate Theo luận văn cao học của thầy Trịnh Hoài Thanh, thời gian xử lý và nhiệt độ xử lý đối với gỗ càng tăng thì lượng gỗ thu hồi được càng giảm Khi xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đối với lượng đường có khả năng lên men, nhiệt độ xử lý ở mức độ vừa phải sẽ làm tăng khả năng thủy phân, tăng lượng đường và do đó sẽ làm tăng lượng cồn thu được Điều này có thể được giải thích là do sự đề – lignin hóa do tác động của nhiệt độ và sự phân hủy của hemicellulose làm giải phóng và gia tăng kích thước lỗ xốp Tuy nhiên khi nhiệt độ xử lý cao hơn 2100C, lượng đường thu được do thủy phân có xu hướng giảm xuống vì cellulose bị phân hủy

Khi thời gian xử lý tăng thì lượng đường có khả năng lên men được tăng do khả năng tấn công vào cellulose đã được cải thiện, bên cạnh đó việc ẩm có trong biomass sẽ làm thủy phân các nhóm acetyl của hemicellulose hình thành nên các acid hữu cơ như acetic và uronic acid Các acid này lần lượt xúc tác quá trình depolymer hóa hemicellulose, giải phóng xylan và một phần glucan Xylose chuyển thành furfural và glucose thành 5-hydroxymethyl furfural Furfural và 5-hydroxylmethyl furfural là hai chất kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật, do đó điều này không thuận lợi cho quá trình lên men [25-27]

Bảng 1.3 Sự tác động của các phương pháp tiền xử lý khác nhau lên cấu trúc

lignocellulose [3]

2 Mức độ suy giảm cấu trúc vô định hình của cellulose

Hình 1.10 Chuyển đổi sinh khối thành nhiên liệu thông qua quá trình TXL

 Các phương pháp tiền xử lý

Sinh khối lignocellulose

Lignin Hemicellulose

Cellulose

Vật lý (cơ học)

-Máy ép đùn -Máy nghiền -Lò vi sóng -Máy siêu âm -Nhiệt phân -Lĩnh vực điện áp xung

Sinh học

-Nấm: nấm nâu, nấm trắng, nấm mục mềm -Vi khuẩn

Hóa học

-Acid loãng -Kiềm -Giải ozon -Dung môi hữu cơ

-Chất lỏng ion

Hóa lý

-Nổ hơi -Nổ sợi Amoniac

Tuy có nhiều phương pháp tiền xử lý nhưng một số phương pháp được sử dụng phổ biến, cụ thể được thể hiện trong bảng 1.4

Bảng 1.4 Một số phương pháp tiền xử lý thông thường [7]

Vật lý

Nghiền cơ học

-Đơn giản, dễ thực hiện -Tăng kích thước tiếp xúc

Tốn nhiều năng lượng

Ép đùn

Phá vỡ cấu trúc lignocellulose, làm sợi cellulose ngắn lại và làm tăng khả năng xâm nhập

của enzyme vào cấu trúc

Làm thay đổi cấu trúc hóa lý của cellulose

Nổ hơi

-Tăng sự kết tinh của cellulose bằng cách thúc đẩy sự kết tinh của vùng vô định hình

-Thúc đẩy việc khử lignin và thủy phân hemicellulose

-Đòi hỏi thiết bị chịu nhiệt, áp suất cao

-Phân hủy đường sinh ra fufura ức chế hoạt động nấm men

-Có thể làm phân hủy cellulose và mất đường từ hemicellulose

-Tốn nhiều năng lượng

Hóa học

Acid

- Chi phí thấp - Thiết bị chịu được sự ăn mòn cao

Độc hại - Lượng CaSO4 sinh ra nhiều trong quá trình trung hòa H2SO4 với Ca(OH)2

- Đòi hỏi thời gian tiền xử lý dài - Hình thành hợp chất muối sau khi trung hòa làm ảnh hưởng đến quá trình lên men

Sinh học

Nấm vi sinh vật

- An toàn, thân thiện với môi trường

- Tốc độ phản ứng thủy phân chậm

Bảng 1.5 Một số công trình nghiên cứu quá trình TXL lignocellulose đã được công bố

Năm

Tác giả Nguyên

liệu

Phương pháp thực hiện

Kết quả

2010

Alhassan Muhammad

et al

Gỗ cao su

Tiền xử lý acid citric + NaOH

SSF: Thủy phân bằng enzyme 21ellulose

β-glucosidase

Hiệu suất chuyển hóa glucose đạt được 95%

2011 Josefin

Axelsson Gỗ vân

sam

SHF Khảo sát nhiệt độ, nồng độ enzyme, pH: 4,5-5

Nồng độ glucose tối đa (46,4 g/l) thời gian ủ là 48h, 45,7°C và nồng độ enzyme 15 FPU/g

2011

Aloia Romaní, Gil Garrote, Juan Carlos Parajó

Gỗ bạch đàn

Tiền xử lý nhiệt và lên men bằng SSF

Lượng ethanol thu được là 291 L ethanol / 1000 kg

cellulose

2012 M Saritha,

Anju Arora, Lata

Gỗ cứng và gỗ

mềm

TXL sinh học với xạ khuẩn và nấm mục trắng

Hiệu suất loại lignin với gỗ mềm 23,5 % và gỗ cứng 10,5%

Goshadro et

al

Gỗ cây dương

TXL với acid phosphoric

Lên men bằng phương pháp NSSF

Hiệu suất chuyển hóa ethanol tăng lên 72% với nguyên liệu được TXL, trong khi

chỉ 5,9% đối với gỗ không được xử lý

2014 Yug Saraswat

và Nikita Chokshi

Phế phẩm

nông nghiệp

SSF, SSCF, CBP

TXL: ngâm trong NaOH 8% ở nhiệt độ phòng trong 10phút,

điều nhiệt 0oC trong 2h

SSF: thủy phân bằng cellulase + B-glucosidase Sử dụng

S.cerevisiae Bổ sung

tween -20

Hiệu suất TXL: 71,5%

Hiệu suất lên men: 57,3%

2016 Junidah

Lamaming et

al

Gỗ cao su

Thủy phân bằng acid Hàm lượng

cellulose tăng lên đến 63% từ 52% Dựa vào phổ FT-IR cho thấy không còn lignin và các chất chiết xuất khác trong quá trình thủy phân acid

Hiệu suất TXL: 41,27%

hiệu suất lên men:

tenacissima

SHF: thủy phân bằng

(pectinase, hemicellulase, cellulase); sử dụng

Vỏ sơ dừa xanh

Xử lý bằng kiềm, thủy phân enzyme

và lên men ethanol với

Saccharomyces cerevisiae

alkaline: hiệu quả loại lignin 80% Hiệu suất quá trình thủy phân enzyme đạt 87% quá trình lên men, hiệu quả chuyển hóa ethanol là 59,6%

2017 Wei-Chuan

Chen et al

bụi gỗ, mùn cưa

TXL: 1) chất lỏng siêu tới hạn: CO2 ở 120-180oC,

2) Ngâm trong H2SO4

4% trong 2g, sau đó đem đi nổ hơi

SSCF: thùy phân bằng endo-1,4-β-glucanase; exo-1,4-β-glucanase; 1,4-β-glucosidase;

T.reesei; A.niger; Z.mobilis

1)Hiệu suất chuyển hóa đường 20,72%, hàm lượng ethanol 0,069g/g

2) hiệu suất chuyển hóa đường 24,39%,

Hiệu suất ethanol: 14,1% (dựa trên

mongolica

(SCWH) (380oC, 0,01-0,1% H2SO4)

a

TXL thủy nhiệt ở 96OC, 54 phút

SHF: thủy phân bằng

(pectinase, hemicellulase, cellulase); lên men bằng

S.cerevisiae trong 24h, pH 5, 30oC

Hiệu suất TXL

đường: 33,55g/kg hiệu suất lên men: 88,66%

13,8545kg biofuel từ 1 tấn nguyên liệu

2017

Quân Đình Nguyễn, Thị

Kim Phụng Lê, Tường An Thị Trấn

Rơm rạ

Rơm rạ được nổ hơi trước khi TXL bằng NaOH, lên men bằng

S.cerevisiae trong 24h, pH 5, 30oC

Hiệu quả tái sử dụng kiềm cho hai lần TXl giảm còn 70%

2017

Thanh Yen Nguyen, Charles M Cai, Rajeev Kumar, and Charles E

Wyman

Thân cây ngô

Tiền xử lý phân đoạn lignocellulose tăng cường dung môi (CELF) và lên men glucose theo đợt bởi S cerevisiae D5A

Lượng ethanol ở mức trên 90%

Nhận xét về các công trình nghiên cứu:

 Đối tượng nghiên cứu là các loại gỗ sản lượng nhiều tại địa phương, đều là phế phụ phẩm sau quá trình khai thác (gỗ sồi, gỗ cút, mùn cưa ) Hàm lượng cellulose và lignin trong mẫu tương đối cao (≥40%) Gỗ sau khi mang về đều được xử lý xay nhỏ, ray về kích thước phù hợp mới tiến hành quá trình tiền xử lý, thủy phân và lên men để thu nhận bioethanol

 Rất nhiều phương pháp TXL đã được nghiên cứu, từ các phương pháp đơn giản như nổ hơi, dùng dung môi kiềm (NaOH), acid (H2SO4, CH3COOH); đến các phương pháp hiện đại hơn như dùng thủy nhiệt, dùng chất lỏng siêu tới hạn Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng đã được đề cập trong bảng Tuy nhiên, do tính chất mỗi loại gỗ khác nhau mà kết quả thu được về hiệu suất TXL là khác nhau và chưa có phương pháp nào là tối ưu nhất

 Phương pháp thủy phân và lên men trong các bài nghiên cứu hầu như là dùng phương pháp SHF hoặc SSF, chỉ khác biệt ở enzyme thủy phân và nấm men Kết quả thu được tuy khả quan về mặt lý thuyết nhưng chưa thực hiện được trên quy mô pilot, kèm theo các hạn chế về thành phần môi trường, thời gian thủy phân, sự khác biệt giữa các giống nấm men

1.4 Quá trình lên men

Sau quá trình tiền xử lý, cellulose và hemicellulose bị phân cắt thành đường đơn (hexoses và pentoses), cung cấp đường cho nấm men sinh trưởng và lên men Thành phần chính trong sinh khối lignocellulose là cellulose

Do đó có phương trình thủy phân (PT1):

(C6H10O5) n + nH2O enzyme cellulase- nC6H12O6 (PT1) Quá trình thủy phân cellulose được thực hiện bởi thủy phân bằng acid hoặc thủy phân bằng enzyme[28]

Bản chất của quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử diễn ra trong cơ thể sinh vật dưới tác động của hệ thống enzyme là quá trình oxy hóa sinh học Có rất nhiều phương pháp lên men để tạo bioethanol

Bảng 1.6 Một số phương pháp lên men [8]

TT Phương pháp

1

Đường hóa và lên men riêng

Sự tích tụ các chất ức chế cản trở hoạt động của enzyme thủy phân cellulose làm cho quá trình biến đổi kém hiệu quả và gây tốn kém (phải bổ sung một lượng lớn enzyme)

Dễ nhiễm các vi sinh vật khác do thời gian ủ dài ở quá trình thủy phân

2

Đường hóa và lên men đồng

thời (SSF)

Tăng tỷ lệ thủy phân và giảm ức chế ngược khi sản phẩm tạo thành Giảm lượng enzyme dùng cho quá trình Cho hiệu suất ethanol cao

Đòi hỏi điều kiện vô trùng thấp

Thời gian lên men ngắn

Nhiệt độ tối ưu cho enzyme thủy phân và nấm men chuyển hóa đường thành ethanol hoàn toàn khác nhau

Cần phải lựa chọn được điều kiện nhiệt độ và pH gắn với điều kiện tối ưu của mỗi quá trình riêng

Ethanol tạo thành sẽ quay lại ức chế enzyme cellulose làm cho lượng ethanol thu được không cao