Luận văn thạc sĩ Công nghệ sinh học: Sản xuất Bioethanol từ nguyên liệu lõi bắp

Tại hội nghị quốc tế về năng lượng do APEC tổ chức từ ngày 27-29 tháng 4 năm 2005 tại Canada, nhiên liệu sinh học đã được chọn để sử dụng cho ngành năng lượng cũng như giao thông vận tải

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-TRƯƠNG QUỐC TRUNG

SẢN XUẤT BIOETHANOL TỪ NGUYÊN LIỆU

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

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Đức Lượng

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRƯƠNG QUỐC TRUNG MSHV: 10310619 Ngày, tháng, năm sinh: 24/08/1984 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: Công nghệ Sinh học Mã số : 60 42 80

I TÊN ĐỀ TÀI:

Sản xuất bioethanol từ nguyên liệu lõi bắp

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nâng cao hiệu quả sản xuất bioethanol từ nguồn nguyên liệu lõi bắp Bao gồm 3 nội dung chính:

- Khảo sát ba quá trình tiền xử lý, để chọn được phương pháp thích hợp nhất cho quá trình thủy phân

- Khảo sát một số điều kiện thủy phân bằng enzyme thương phẩm - Khảo sát một số điều kiện lên men bằng nấm men thương phẩm

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05/2011 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/2012 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS NGUYỂN ĐỨC LƯỢNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Xin cảm ơn các Thầy và Anh Chị - Trung tâm nghiên cứu công nghệ lọc hóa dầu – Đại Học Bách Khoa TP HCM đã tạo điều kiện cho tôi thực hiện đề tài và chia sẽ các kinh nghiệm quý báu

Sau cùng, tôi xin gởi lời cám ơn đến Quý Thầy Cô Bộ môn Công Nghệ Sinh Học và các bạn học viên cao học, đặc biệt là bạn Liêu Mỹ Đông và Nguyễn Phan Khánh Hòa đã động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn này

Trương Quốc Trung

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Phế phẩm nông nghiệp là nguồn nguyên liệu dồi dào và đầy tiềm năng cho việc sản xuất bioethanol, đặc biệt từ lõi bắp Lõi bắp chứa 37.24% hàm lượng cellulose, 35.57% hàm lượng hemicellulose và 12.09% hàm lượng lignin Nghiên cứu này nhằm tìm ra phương pháp tiền xử lý thích hợp nhất, làm tiền đề cho giai đoạn thủy phân và lên men, đánh giá hiệu suất lên men bioethanol từ nguyên liệu lõi bắp

Quá trình tiền xử lý lõi bắp được thực hiện với ba phương pháp: xử lý bằng acid sulfuric loãng, ngâm trong ammonia dung dịch 15% (SAA) và nổ hơi nước

và tỉ lệ lõi bắp:ammonia 10% (w/v) được xem là phương pháp tiền xử lý thích hợp nhất Phương pháp này thu hồi lại hơn 96% cellulose, 84% hemicellulose và loại bỏ được 81% lignin

Quá trình thủy phân bằng enzyme Cellic Ctec2 với tỉ lệ enzyme:cơ chất 5%

C, pH 5.2 đạt được hàm lượng đường khử 30.14 g/l, hiệu suất chuyển hóa 52.75% sau 48 giờ thủy phân

Quá trình lên men tiến hành bằng nấm men Saccharomyces cerevisiae

(giống Thermosacc Dry Yeast) Hàm lượng bioethanol đạt được 14.4 g/l và hiệu

C, pH 4.8 Dựa trên kết quả khảo sát thu được, khối lượng lõi bắp nguyên liệu cần để sản xuất 1 lít bioethanol là

7.39 kg

Agro-wastes which are corn cobs especially, are currently abundant and potential materials for bioethanol production Corn cobs were analysed for chemical compositions: cellulose 37.24%, hemicellulose 35.57%, lignin 12.09% This study was carried out to find out the optimal pretreatment method Then, enzymatic hydrolysis and fermentation were performed to assess bioethanol efficiency from corn cobs

soaking in aqueous ammonia 15wt% (SAA), steam explosion The best

for 24h and 10% of solid to liquid ratio The pretreated corn cobs retained about 96% of cellulose, 84% of hemicellulose and removed 81% of lignin.The pretreated corn cobs was enzymatically hydrolysed by Cellic Ctec2 Hydrolysis was carried out at 50ºC for 48h , pH 5.2 with enzyme:solid 5% (v/w) and solid:acetate buffer solition 13% (w/v) to obtain reducing sugar concentration 30.14 g/l and maximun yield 52.75% Fermentation was performed by Thermosacc Dry Yeast After

concentration and ethanol yield were obtained 14.4 g/l and 93.48%, respectively Preliminary, volume of corn cobs material was 7.39 kg to produce a liter of bioethanol

MỤC LỤC

Chương 1: Mở đầu 1

Chương 2: Tổng quan tài liệu 3

2.1 Tình hình nghiên cứu và sản xuất nhiên liệu sinh học thế giới và trong nước 3

2.1.1 Tình hình nghiên cứu và sản xuất trên thế giới 3

2.1.2 Các nghiên cứu bước đầu về nhiên liệu sinh học trong nước 5

2.1.3 Tình hình sản xuất bioethanol trong nước 6

2.2 Bioethanol 7

2.2.1 Giới thiệu 7

2.2.2 Ưu và nhược điểm của bioethanol 8

2.3 Nguyên liệu lõi bắp 9

2.4 Nguyên liệu lignocellulose 10

2.5 Công nghệ sản xuất bioethanol 15

2.5.1 Nguyên liệu sinh khối 15

2.5.2 Các phương pháp sản xuất bioethanol 15

2.5.2.1 Phương pháp truyền thống 15

2.5.2.1 Phương pháp sản xuất từ nguyên liệu lignocellulose 16

2.5.3 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất bioethanol từ lõi bắp 17

2.5.3.1 Quá trình tiền xử lý 18

2.5.3.2 Quá trình thủy phân 26

2.5.3.3 Quá trình lên men 29

Chương 3: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 33

3.1 Vật liệu 33

3.2.2.3 Quá trình thủy phân 37

3.2.2.4 Quá trình lên men 39

Chương 4: Kết quả và thảo luận 40

4.1 Phân tích thành phần nguyên liệu 40

4.1.1 Lõi bắp trước khi xử lý 40

4.1.2 Lõi bắp sau khi xử lý bằng H2SO4 loãng 41

4.1.3 Lõi bắp sau khi xử lý bằng phương pháp SAA 46

4.1.4 Lõi bắp sau khi xử lý bằng phương pháp nổ hơi nước 51

4.1.5 Hàm lượng đường khử trong dịch lọc sau các quá trình tiền xử lý 55

4.2 Quá trình thủy phân bằng enzyme 57

4.2.1 Khảo sát phương pháp tiền xử lý thích hợp nhất 57

4.2.2 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình thủy phân 59

4.2.3 Ảnh hưởng của tỉ lệ enzyme đến quá trình thủy phân 60

4.2.4 Ảnh hưởng của tỉ lệ nguyên liệu đến quá trình thủy phân 62

4.3 Quá trình lên men 64

4.3.1 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình lên men 64

4.3.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ nấm men đến quá trình lên men 67

4.3.3 Đề xuất quy trình sản xuất bioethanol từ lõi bắp 68

4.3.3.1 Tính toán năng suất bioethanol thực tế sản xuất từ lõi bắp 68

4.3.3.2 Quy trình sản xuất bioethanol từ lõi bắp được đề xuất 69

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Tính chất lý hóa của ethanol 7

Bảng 2.2: Diện tích gieo trồng và sản lượng bắp của cả nước qua các năm 9

Bảng 2.3: Thành phần lignocellulose của một số nguồn phụ phẩm khác nhau 10

Bảng 2.4: Những ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp tiền xử lý 25

Bảng 3.1: Các điều kiện tiền xử lý và số lượng mẫu tương ứng 37

Bảng 4.1: Giá trị pH của dịch lọc và bã rắn lõi bắp sau xử lý bằng H2SO4 loãng 42

Bảng 4.2: Sự thay đổi các thành phần trong lõi bắp khi xử lý bằng H2SO4 loãng 43

Bảng 4.3: Giá trị pH của dịch lọc và bã rắn lõi bắp sau xử lý bằng SAA 47

Bảng 4.4: Sự thay đổi các thành phần trong lõi bắp khi xử lý bằng SAA 48

Bảng 4.5: Giá trị pH của dịch lọc và bã rắn lõi bắp sau xử lý nổ hơi nước 52

Bảng 4.6: Sự thay đổi các thành phần trong lõi bắp khi xử lý bằng nổ hơi nước 52

Bảng 4.7: Nồng độ đường khử và hiệu suất chuyển hóa cellulose các mẫu đã tiền xử lý sau 72 giờ thủy phân 58

Bảng 4.8: Các giá trị pH của dịch sau khi lên men 66

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2.1: Sản lượng ethanol trên thế giới qua các năm 3

Hình 2.2: Hình ảnh chụp lõi bắp (a) hình dáng bên ngoài (b) mặt cắt ngang 10

Hình 2.3: Cấu trúc lignocellulose 11

Hình 2.4: Liên kết β-1,4 trong cellulose 12

Hình 2.5: Vùng kết tinh và vùng vô định hình trong cellulose 12

Hình 2.6: Một số monomer của hemicellulose 13

Hình 2.7: Một số monomer của lignin 14

Hình 2.8: Sơ đồ sản xuất bioethanol theo phương pháp khí hóa-lên men 16

Hình 2.9: Sơ đồ sản xuất bioethanol theo phương pháp lên men, ester hóa và hydro hóa 17

Hình 2.10: Quy trình tổng quát sản xuất bioethanol từ lõi bắp 17

Hình 2.11: Một số IL cho ứng dụng hòa tan sinh khối 21

Hình 2.12: Cơ chế tác động của từng enzyme cellulase 27

Hình 3.1: Nấm men S cerevisiae thương mại Thermosacc Dry Yeast (vật kính 40x) 33

Hình 3.2: Quy trình tiến hành thí nghiệm 35

Hình 3.3: Quy trình tiền xử lý 36

Hình 3.4: Quy trình thủy phân 37

Hình 3.5: Quy trình lên men 39

Hình 4.1: Thành phần phần trăm lõi bắp trước khi xử lý 40

Hình 4.2: Thành phần phần trăm lõi bắp theo S Prasad và cộng sự 41

Hình 4.3: Lõi bắp trước (a) và sau khi xử lý bằng H2SO4 1%, 121oC, 1atm tại các thời gian 30, 60, 90 và 120 phút (b) 41

Hình 4.4: Hiệu suất thu hồi sinh khối sau khi tiền xử lý bằng H2SO4 loãng 44

Hình 4.5: Hiệu suất thu hồi cellulose sau khi tiền xử lý bằng H2SO4 loãng 45

Hình 4.6: Hiệu suất thu hồi hemicellulose sau khi tiền xử lý bằng H2SO4 loãng 45

Hình 4.7: Hiệu suất loại bỏ lignin sau khi tiền xử lý bằng H2SO4 loãng 46

Hình 4.8: Lõi bắp trước (a) và sau khi xử lý SAA 15%, 60oC tại các thời gian 12,

24, 36 và 48 giờ (b) 46

Hình 4.9: Hiệu suất thu hồi sinh khối sau khi tiền xử lý bằng SAA 49

Hình 4.10: Hiệu suất thu hồi cellulose sau khi tiền xử lý bằng SAA 49

Hình 4.11: Hiệu suất thu hồi hemicellulose sau khi tiền xử lý bằng SAA 50

Hình 4.12: Hiệu suất loại bỏ lignin sau khi tiền xử lý bằng SAA 50

Hình 4.13: Lõi bắp trước (a) và sau khi xử lý bằng nổ hơi nước (b) 51

Hình 4.14: Hiệu suất thu hồi và loại bỏ các thành phần sau quá trình tiền xử lý bằng nổ hơi nước 53

Hình 4.15: Hàm lượng đường khử trong các mẫu dịch lọc sau khi xử lý bằng H2SO4 55

Hình 4.16: Hàm lượng đường khử trong các mẫu dịch lọc sau khi xử lý bằng SAA 55

Hình 4.17: Hàm lượng đường khử trong các mẫu dịch sau khi xử lý bằng nổ hơi nước 56

Hình 4.18: Hàm lượng đường và hiệu suất chuyển hóa cellulose theo thời gian trong quá trình thủy phân bằng enzyme Cellic Ctec2 59

Hình 4.19: Hàm lượng đường thay đổi theo thời gian với các tỉ lệ enzyme khác nhau 60

Hình 4.20: Hiệu suất chuyển hóa theo thời gian với các tỉ lệ enzyme khác nhau 61

Hình 4.21: Ảnh hưởng của tỉ lệ enzyme đến hàm lượng đường và hiệu suất chuyển hóa cellulose tại thời điểm 48 giờ 61

Hình 4.22: Hàm lượng đường theo thời gian với các tỉ lệ nguyên liệu khác nhau 62

Hình 4.23: Hiệu suất chuyển hóa cellulose với các tỉ lệ nguyên liệu khác nhau 63

Hình 4.24: Ảnh hưởng của tỉ lệ nguyên liệu đến hàm lượng đường và hiệu suất chuyển hóa cellulose tại thời điểm 48 giờ 63

Hình 4.25: Ảnh hưởng của thời gian đến các thông số quá trình lên men 65

Hình 4.26: Hiệu suất chuyển hóa đường và hiệu suất lên men theo thời gian lên men 66

Hình 4.27: Ảnh hưởng của tỉ lệ nấm men đến các thông số quá trình lên men 67 Hình 4.28: Sơ đồ quy trình sản xuất bioethanol từ lõi bắp đề xuất 69

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

Thế giới đang trong nhu cầu cấp bách về các nguồn nhiên liệu mới cho giao thông vận tải, nhằm giải quyết các vấn đề quan trọng về chiến lược kinh tế và môi trường Mặc dù các sản phẩm từ dầu mỏ vẫn đang là nguồn cung cấp nhiên liệu chính nhưng các nghiên cứu gần đây cho thấy việc sử dụng dầu mỏ hiện nay đã đạt gần mức một nữa trữ lượng dầu mỏ còn lại trên thế giới Từ đó, cho thấy rõ khả năng hiện tại của nguồn nguyên liệu này sẽ không theo kịp với nhu cầu trong tương lai

Sự phát triển ngày càng nhanh của các nước như Trung Quốc, Ấn Độ cũng như các nước đang phát triển kéo theo lượng dầu mỏ sử dụng ngày càng lớn Trên

chính gây ra hiệu ứng nhà kính, làm ảnh hưởng đến sự biến đổi khí hậu

Trong những năm gần đây, cùng với dầu diesel sinh học, ethanol sinh học (bioethanol) đã trở thành nguồn nhiên liệu có triển vọng nhất hiện nay và được xem là sự thay thế khả thi cho nhiên liệu giao thông từ hóa thạch ở Châu Âu, Mỹ và khắp nơi trên thế giới Bioethanol được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc thực vật, có khả năng tái sinh và trung tính về carbon Điều này tạo nên một lợi thế

khác

Bên cạnh việc sản xuất bioethanol từ nguồn tinh bột và đường, nhiều quốc gia trên thế giới đang nghiên cứu và phát triển kỹ thuật mới để sản xuất bioethanol từ nguồn lignocellulose, như bã mía, rơm rạ, bã sắn, lõi bắp… Lignocellulose là nguồn nguyên liệu phổ biến nhất trên thế giới, được thải ra từ phế liệu nông nghiệp và lâm nghiệp Do đó, chúng là nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm, giúp giảm giá thành ethanol khá nhiều

Đề tài “Sản xuất bioethanol từ nguyên liệu lõi bắp” được thực hiện dựa trên

cơ sở đó, nhằm chỉ ra tầm quan trọng của quá trình tiền xử lý lõi bắp, thảo luận về

sự cần thiết phải tiến hành công nghệ này để sản xuất nhiên liệu chi phí thấp thông qua xử lý sinh khối theo hướng sinh học.

Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu điều kiện sản xuất thích hợp nhất trong quá trình chuyển hóa từ nguyên liệu lõi bắp cho đến sản phẩm bioethanol

Các nội dung của đề tài:

với nguyên liệu lõi bắp

thương phẩm

nhất

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Tình hình nghiên cứu và sản xuất nhiên liệu sinh học trên thế giới và trong nước

2.1.1 Tình hình nghiên cứu và sản xuất trên thế giới

Việc nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học đã trở thành xu thế phát triển tất yếu ở nhiều quốc gia trên thế giới, để dần thay thế cho xăng dầu trong thế kỷ mới

Tại hội nghị quốc tế về năng lượng do APEC tổ chức từ ngày 27-29 tháng 4 năm 2005 tại Canada, nhiên liệu sinh học đã được chọn để sử dụng cho ngành năng lượng cũng như giao thông vận tải của các nước OPEC trong lộ trình sản xuất nhiên liệu thay thế xăng dầu

Để giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đảm bảo an ninh năng lượng lâu dài và phát triển bền vững, nhiều quốc gia trong vòng 2-3 thập kỷ qua đã tập trung nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học, thay thế một phần xăng dầu và tiến tới xây dựng ngành “xăng dầu sạch”

Brazil là quốc gia đi tiên phong trong việc sử dụng ethanol làm nhiên liệu thay thế Từ năm 1970, để đối phó với cuộc khủng hoảng dầu mỏ, chương trình quốc gia Pro-alcohol ra đời Ban đầu pha 5% ethanol trong xăng để tăng trị số

Octan, ngày nay đã pha đến 25% Các phương tiện vận tải của Brazil có thể dùng xăng, ethanol độc lập hoặc dùng hỗn hợp xăng ethanol Hàng năm sản xuất 13-14

ethanol dùng trong nước và xuất khẩu [10] Tại Mỹ, chính phủ đã áp dụng nhiều chính sách như giảm thuế 0.5 USD/galon nhiên liệu sinh học, giảm thuế sau nhập khẩu, hỗ trợ các nhà sản xuất

học Hiện 30% xăng tại Mỹ được pha nhiên liệu sinh học Các nhà khoa học của Mỹ vừa tuyên bố đã nghiên cứu thành công quy trình kỹ thuật sản xuất bioethanol với khối lượng lớn nhưng không cần dùng nguyên liệu là những loại cây lương thực mà là từ cỏ, thậm chí từ những bãi phế liệu Tại trường đại học Michigan, quy trình AFEX (quy trình nổ sợi bằng ammonia) đã được cấp bằng sáng chế về xử lý sơ bộ phế thải của ngô trước khi chuyển hóa thành bioethanol có thể giúp làm giảm chi phí sản xuất nhiên liệu sinh học từ cellulose Quy trình dựa trên cơ sở sử dụng ammonia để phân hủy cellulose và hemicellulose trong thực vật với hiệu quả cao hơn 75% so với khi chỉ sử dụng các enzyme truyền thống Nghiên cứu cho biết, ta có thể sử dụng quy trình AFEX để xử lý sơ bộ phế thải của cây ngô (lõi, thân cây và lá ngô), thủy phân và lên men để tạo ra ethanol mà không cần bổ sung các thành phần dinh dưỡng vào phối liệu lên men [4]

Ấn Độ là quốc gia bắt buộc sử dụng thí điểm xăng chứa 5% ethanol tại 9 bang và 4 tiểu vùng kể từ năm 2003 Các bang còn lại sẽ sử dụng xăng pha ethanol ở giai đoạn 2 Quyết định này thể hiện nỗ lực của Chính phủ Ấn Độ nhằm giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ nhập từ nước ngoài (1 triệu thùng/ngày) và đem lại lợi ích cho ngành trồng mía (diện tích mía 4.6 triệu ha)

Thái Lan đã thành lập Ủy ban quốc gia về ethanol nhiên liệu để chỉ đạo thực hiện, thúc đẩy chủ trương phát triển nhiên liệu sinh học Dự án Hoàng gia sản xuất xăng pha ethanol được triển khai từ năm 1985 với sự tham gia của các trường đại học, viện nghiên cứu và các doanh nghiệp Để phục vụ cho chương trình sản xuất và sử dụng ethanol là nhiên liệu sinh học, các chính sách nhằm tăng cường diện tích trồng mía và sắn đã được ban hành Niên vụ 2002-2003, Thái Lan có khoảng 20

triệu tấn sắn tươi Thái Lan đang phấn đấu đến năm 2015 sử dụng trên 2.5 triệu m3ethanol chiếm khoảng 10% lượng xăng dầu trong nước

2.1.2 Các nghiên cứu bước đầu về nhiên liệu sinh học trong nước

Việt Nam là một nước được thiên nhiên ưu đãi, hội đủ các nguồn tài nguyên năng lượng Tuy nhiên, khả năng khai thác, chế biến và sử dụng nguồn tài nguyên năng lượng còn hạn chế Nhiều công trình nghiên cứu về nhiên liệu sinh học đã được tiến hành: sản xuất diesel từ đậu tương, vừng, dầu phế thải; sản xuất ethanol từ mật rỉ, mía, ngô, lúa, sắn,… Việc nghiên cứu và sản xuất nhiên liệu sạch sử dụng cho giao thông vận tải đã được giao cho một số cơ quan như Petrolimex, Petro Việt Nam, Đại học Kĩ thuật Đà Nẵng…

Bộ Khoa Học và Công Nghệ đã giao cho Công ty APP chủ trì đề tài cấp nhà nước: “Nghiên cứu công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học pha ethanol và một số hợp chất có nguồn gốc từ thực vật” Công ty đã nghiên cứu thành công trong phòng thí nghiệm và đang thử nghiệm cho các phương tiện giao thông trên quy mô lớn

Nhiều đơn vị trong đó có APP, Sài Gòn Petro, Công ty mía đường Lam Sơn đã lên kế hoạch pha chế thử nghiệm và tiến tới sản xuất ethanol ở mô quy phù hợp và đưa vào sử dụng Tổng công ty xăng dầu Việt Nam (Petrolimex) đã phối hợp với các trường đại học lớn như Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Bách Khoa TP HCM tiến hành nhiều nghiên cứu về việc sử dụng nhiên liệu sinh học, trong đó chứng minh việc sử dụng xăng pha ethanol thay thế xăng thông thường tốt hơn cho động cơ xăng Đi tiên phong trong việc xây dựng và phân phối nhiên liệu sinh học là Tổng công ty Dầu Việt Nam (PVOil)

Trung tâm khuyến nông tỉnh Đồng Nai phối hợp với Đại học Nông Lâm TP HCM đã chuyển giao công nghệ sản xuất bioethanol từ trái điều phế phẩm cho 120 hộ trồng điều ở huyện Cẩm Mỹ để sản xuất bioethanol vào năm 2008 Theo công nghệ này, mỗi tấn trái điều sau khi lấy hạt đưa vào xử lý chưng cất sẽ thu được 80 lít bioethanol 80%

2.1.3 Tình hình sản xuất bioethanol trong nước

Từ năm 2005 trở đi, hàng loạt các nhà máy sản xuất ethanol được xây dựng Công ty TNHH Sơn Hà xây dựng nhà máy công suất 300 triệu lít/năm tại Hậu Giang

Công ty đường Biên Hòa và công ty Fair Energy Asia Ltd - Singapore đã hợp tác đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất ethanol với công suất 50000 tấn/năm Nhà máy xây dựng tại cụm công nghiệp phía tây Vàm Cỏ Đông, tỉnh Tây Ninh

Công ty cổ phần Sinh học Việt Nam đang xây dựng nhà máy sản xuất ethanol từ khoai mì với công suất khoảng 66 triệu lít/năm tại tỉnh Đăklăk Để đảm bảo nguồn nguyên liệu ổn định, công ty đã có kế hoạch triển khai trồng cây tinh bột Tiboca trên 4000 ha đất dự án

Nhà máy sản xuất bioethanol đã được xây dựng tại tỉnh Bình Phước với công suất gần 100 triệu lít/năm, từ nguyên liệu sản xuất từ sắn lát và tinh bột Sản phẩm thu được với độ tinh khiết 99.8% Nhà máy được đầu tư bởi liên doanh giữa PVOil và ITOCHU, hình thành Công ty TNHH Nhiên liệu Sinh học Phương Đông (OBF) và đang đi vào hoạt động

Cuối năm 2010, nhà máy sản xuất bioethanol tại khu kinh tế Dung Quất đã được đầu tư xây dựng bởi Tổng công ty dịch vụ dầu khí (Petrosetco), BSR, PVFC hình thành Công ty cổ phần Nhiên liệu sinh học Dầu khí Việt Nam (PCB) Nhà máy được xây dựng trên diện tích từ 30-50 ha, sản xuất bioethanol 99.8% (thể tích), công suất 150 triệu lít/năm với nguồn nguyên liệu sắn lát

PVB (Công ty cổ phần Hóa dầu và Nhiên liệu sinh học Dầu khí) đã đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất bioethanol tại tỉnh Phú Thọ với tổng vốn đầu tư khoảng 80 triệu USD Công suất nhà máy khoảng 100 triệu lít/năm, sản xuất từ nguồn nguyên liệu sắn lát và cây mía Nhà máy đã đi vào hoạt động vào cuối năm 2011

2.2 Bioethanol

2.2.1 Giới thiệu

M=46 Ethanol là chất lỏng không màu, dễ cháy với ngọn lửa màu xanh nhạt và được biết đến với cái tên cồn hoặc rượu

tải lạnh trong các thiết bị làm lạnh trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp Do khả năng hòa tan tốt nhiều chất hữu cơ, không độc hại cho con người và môi trường, ethanol còn được dùng làm dung môi để hòa tan, trích ly các chất hữu cơ trong công nghiệp thực phẩm đặc biệt là dược phẩm

Ethanol được sử dụng đầu tiên trong động cơ đốt trong vào năm 1908, do Henry Ford thiết kế cho mô hình xe Ford Model T Nhưng công nghiệp dầu mỏ đã chiến thắng trong sự cạnh tranh với ethanol Tới khi các cuộc khủng hoảng và chiến tranh dầu mỏ xảy ra vào những thập niên 80 thế kỷ 20, làm giá dầu tăng nhanh và ảnh hưởng đến vấn đề an ninh năng lượng, ngày càng nhiều các quốc gia đã bắt đầu

sử dụng ethanol như là nguồn nguyên liệu thay thế [6, 10]

Bảng 2.1: Tính chất lý hóa của ethanol [6]

2.2.2 Ưu và nhược điểm của bioethanol

Ưu điểm

Ethanol là chất dễ bắt cháy và có nhiệt trị cao (31.1 MJ/Kg bằng khoảng 70% so với xăng, nhiệt trị của xăng là 44.4 MJ/Kg), ethanol có thể được sử dụng cho các động cơ đốt trong để thay thế một phần hay hoàn toàn xăng [5]

Chỉ số octan cao hơn xăng (chỉ số octan của ethanol = 116) cho phép động cơ ethanol làm việc với tỉ số nén cao so với động cơ chạy bằng xăng, đồng thời tạo ra moment xoắn lớn hơn và hiệu suất sử dụng năng lượng hiệu quả hơn [5]

Bioethanol có tính chất trung tính về carbon Điều này có nghĩa là carbon

cây trồng tái hấp thụ thông qua quá trình quang hợp Những cây trồng này sau đó được thu hoạch để tiếp tục sản xuất bioethanol Vòng tuần hoàn khép kín này tạo

kính

Giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn dầu mỏ, giảm lượng xăng dầu nhập ngoại bằng nguồn nhiên liệu cung cấp trong nước, cải thiện cán cân thương mại Ngoài ra, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế nông nghiệp Ngành kinh tế nông nghiệp ngoài chức năng cung cấp lương thực thực phẩm, nguyên liệu công nghiệp giờ có thêm chức năng cung cấp năng lượng sạch cho xã hội

Nhược điểm

Động cơ chạy bằng ethanol tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn động cơ xăng khoảng 30% khi cùng công suất Do đó bình chứa nhiên liệu cũng phải lớn hơn khoảng 30% cho phù hợp [5]

Vấn đề về nguồn nguyên liệu cung cấp để sản xuất bioethanol, phải đảm bảo không cạnh tranh lương thực, ổn định và giá cả hợp lý Năng lượng tiềm tàng trong các cây trồng là khác nhau, không phải giống cây trồng nào cũng thích hợp Đặc biệt với nguồn nguyên liệu từ sinh khối lignocellulose, đòi hỏi trình độ khoa học kỹ thuật cao và đầu tư lớn

2.3 Nguyên liệu lõi bắp

Theo số liệu của Tổng cục thống kê Việt Nam, diện tích gieo trồng và sản lượng bắp tăng dần theo hàng năm được thể hiện ở Bảng 2.2

Năm Diện tích (nghìn ha) Sản lượng (nghìn tấn)

Theo ước tính, nếu sản lượng bắp đạt 4.6 triệu tấn (năm 2010) thì sẽ thải ra một lượng đáng kể lõi bắp, khoảng 1-1.2 triệu tấn (chiếm 20-25%) Đây là một lượng phụ phẩm rất lớn, là nguyên liệu đầy tiềm năng cho sản xuất bioethanol

Lõi bắp thu họach có trọng lượng nhẹ nhưng khá cứng Quan sát mặt cắt của lõi bắp, có thể thấy các tế bào nhu mô mềm nằm ở phần lõi ngay giữa tâm Bên ngoài lõi là vùng chứa các tế bào cương mô cứng Nằm rải rác giữa hai vùng này là một hệ thống mạch nhánh các loại mô khác nhau [16]

Bảng 2.2: Diện tích gieo trồng và sản lượng bắp của cả nước qua các năm [43]

Sinh khối lõi bắp là dạng vật liệu lignocellulose bao gồm các cấu trúc cellulose, hemicellulose, lignin, các chất trích ly và tro [16]

Nguyên liệu Cellulose (%) Hemicellulose (%) Lignin (%)

Hình 2.2: Hình ảnh chụp lõi bắp (a) hình dáng bên ngoài (b) mặt cắt ngang

(I) phần lõi, (II) vùng cương mô hay vòng hóa gỗ, (III) vùng rạ, (IV) vùng mày

Bảng 2.3: Thành phần lignocellulose của một số nguồn phụ phẩm [5, 19]

Về cơ bản trong lignocellulose, cellulose tạo thành khung chính và được bao bọc bởi những chất có chức năng tạo mạng lưới như hemicellulose và kết dính như lignin Giữa cellulose và hemicellulose được liên kết với nhau bởi liên kết hydro Mặc dù lignin không liên kết trực tiếp với cellulose nhưng lại liên kết cộng hóa trị với hemicellulose Các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose, galactose và acid 4-O-methyl glucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin Các nghiên cứu đều thống nhất rằng cấu trúc hemicellulose được xếp song song với các sợi cellulose [14, 16]

2.4.2 Cellulose

Cellulose là một polymer mạch thẳng của D-glucose, các D-glucose được liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4 glucosid Cellulose là loại polymer phổ biến nhất trên trái đất, chiếm hơn 50% tổng lượng hydrocarbon trên trái đất, có độ trùng hợp (DP) từ 7000 – 15000 đơn vị glucose 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 [41]

Hình 2.3: Cấu trúc lignocellulose [9]

Có 2 liên kết chính trong cấu trúc mạch cellulose Liên kết hydro nội phân tử giữa các phân tử glucose trong một chuỗi cellulose và liên kết hydro liên phân tử giúp liên kết các phân tử glucose giữa các bó chuỗi với nhau Vì vậy, cellulose có độ bền cơ học cao và hầu như không bị hòa tan bởi hầu hết các dung môi [6, 13]

Cellulose tồn tại trong thành tế bào tồn tại 2 trạng thái là kết tinh và vô định hình Trong cấu trúc của bó sợi cellulose, các phân tử glucose liên kết với nhau có trật tự và được định hướng sẽ tạo thành cấu trúc kết tinh của cellulose Mặt khác khi các liên kết β-1,4 glucosid sắp xếp theo các hướng ngẫu nhiên thì sẽ tạo ra cấu trúc cellulose vô định hình

Do cấu trúc đặc khít và có trật tự hơn, cellulose kết tinh có độ bền cơ học cao hơn và khả năng hút thấm nước kém hơn dạng vô định hình Trong thành tế bào, tỉ lệ cellulose kết tinh thường cao hơn rất nhiều so với dạng vô định hình Dạng vô định hình là phần nối và thường nằm xen kẽ trong cellulose kết tinh Những nghiên

Hình 2.4: Liên kết β-1,4 trong cellulose

Hình 2.5: Vùng kết tinh và vùng vô định hình trong cellulose

cứu gần đây cho thấy khi được xử lý ở nhiệt độ cao và áp suất cao với sự có mặt của hơi nước, dạng vô định hình và kết tinh có khả năng chuyển hóa qua lại lẫn nhau [13]

2.4.3 Hemicellulose

Hemicellulose là một polymer có số đơn vị monomer khoảng 70-200 tùy thuộc vào loại thực vật Thành phần cơ bản của hemicellulose là β-D xylopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết β -1,4 Không đơn giản như cellulose, hemicellulose là polymer của hỗn hợp các loại đường bao gồm đường 6 (glucose, galactose, mannose), đường 5 (xylose, arabinose) và các acid hữu cơ như acid glucuronoic, acid galacturonic… Trong đó, xylose chiếm hàm lượng cao nhất trên tổng các loại đường của hemicellulose Xylose thường chiếm khoảng 15-30% trong gỗ cứng và 7-10% trong thảo mộc Trong hemicellulose, ngoài các liên kết ether giữa các phân tử đường còn có các liên kết ester giữa phân tử đường và acid [6, 14]

Các gốc đường của hemicellulose được nối với nhau không chỉ bằng liên kết β-1,4 glucosid mà còn bằng liên kết -1,3 và -1,6 tạo ra mạch ngắn và phân nhánh Do đó, hemicellulose không có có cấu trúc chặc chẽ như cellulose và kém bền với những tác nhân tấn công từ bên ngoài như enzyme hay acid loãng

Hình 2.6: Một số monomer của hemicellulose [11]

2.4.4 Lignin

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 [14]

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-coniferyl; Syringyl (S), chất gốc là rượu trans-sinapyl và p-hydroxylphenyl (H), chất gốc là rượu trans-p-courmary 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 Trong công nghiệp bột giấy, lignin thường được tách bằng kiềm hoặc sulfit Một nghiên cứu đã cho thấy lignin của các loại gỗ mềm có khả năng chống lại kiềm tốt hơn gỗ cứng [14]

2.4.5 Các chất trích ly và tro

Chất trích ly là chất có thể tách ra được từ mô thực vật nhờ nước hoặc các dung môi hữu cơ (acetone, ether, toluen, ethanol, methanol…) Các chất này có mặt trong tất cả các loài thực vật và thân thảo Các loại gỗ nhiệt đới chứa nhiều chất trích ly (20-40% khối lượng) và nhiều hơn gỗ ôn đới từ 3-4% Những chất này có thể có cả tính ưa dầu và ưa nước và không được xem là thành phần cấu trúc của gỗ Rất khó phân loại các chất trích ly theo thành phần bởi chúng rất phong phú về chức năng và thành phần hóa học [34]

Hình 2.7: Một số monomer của lignin

Trong các loại gỗ ôn đới, các nguyên tố (không phải là C, H, O và N) chiếm khoảng 0.1-0.5 % (so với lượng rắn khô trong gỗ) Với loại gỗ nhiệt đới con số này có thể là 5% Hàm lượng chất vô cơ được đo bằng hàm lượng tro của mẫu, từ 0.3-1.5 % cho hai loại gỗ mềm và gỗ cứng Hàm lượng này phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường sinh trưởng của cây và vào vị trí trong cây [34]

2.5 Công nghệ sản xuất bioethanol

2.5.1 Nguyên liệu sinh khối

Nguyên liệu sản xuất bioethanol thích hợp nhất là đường (củ cải đường, mía, rỉ đường và cây lúa miến ngọt), sau đó là tinh bột (khoai tây, các loại hạt lúa, lúa mỳ, ngô, đại mạch…) Năng suất bioethanol trung bình dao động từ 2100 đến 5600 lít/ ha đất trồng trọt tùy thuộc vào từng loại cây trồng

Hiện nay, các hoạt động nghiên cứu và phát triển trên thế giới về lĩnh vực bioethanol chủ yếu tập trung vào sử dụng các nguồn nguyên liệu lignocellulose Các loại cây trồng quay vòng ngắn (liễu, bạch dương, bạch đàn), các chất thải nông nghiệp (rơm, bã mía, bã sắn…), các phế thải của công nghiệp gỗ, gỗ thải đều thích hợp để làm nguyên liệu sản xuất bioethanol Cứ khoảng 2-4 tấn vật liệu gỗ khô hoặc cỏ khô đã có thể cho 1 tấn bioethanol Nguyên nhân khiến người ta chuyển sang sản xuất ethanol từ sinh khối lignocellulose là vì các loại này sẵn có và rẻ tiền hơn so với các loại tinh bột ngũ cốc hoặc cây trồng khác, đặc biệt là với những nguồn chất thải hầu như không có giá trị kinh tế thì vấn đề càng có ý nghĩa, tuy nhiên quá trình chuyển hóa các vật liệu này sẽ khó khăn hơn

2.5.2 Các phương pháp sản xuất bioethanol 2.5.2.1 Phương pháp truyền thống

Phương pháp này sản xuất bioethanol từ tinh bột và đường, sử dụng enzyme α-amylase và gia nhiệt trong dung môi nước để hồ hóa tinh bột Sau đó, dùng glucoamylase để đường hóa Tiếp theo, nấm men được sử dụng để lên men đường thành ethanol và tiến hành chưng cất để thu được bioethanol nồng độ cao [19]

2.5.2.2 Phương pháp sản xuất từ nguyên liệu lignocellulose

Phương pháp này tiến hành khí hóa nguồn nguyên liệu lignocellulose như cỏ switchgrass, các phế phẩm nông nghiệp… Sản phẩm khí tạo thành bao gồm CO,

tác sinh học Quy trình kết hợp giữa khí hóa và lên men mang lại triển vọng cho khả năng sản xuất bioethanol từ nguồn lignocellulose của sinh khối Ưu điểm chính của quy trình này là thành phần lignin giàu carbon (chiếm khoảng hơn 50% so với nguồn carbon từ carbohydrate có thể lên men được) được chuyển hóa thành khí và sau đó thành bioethanol Giai đoạn tiền xử lý và đường hóa sinh khối được thay thế bằng giai đoạn khí hóa [19, 26]

Đây là quy trình mới được đề xuất để sản xuất bioethanol từ sinh khối Quá trình bao gồm các giai đoạn lên men, ester hóa và hydro hóa Trong suốt giai đoạn đầu, monosaccharide được lên men tạo thành acid acetic với hiệu suất gần 100%

Bioethanol 95 - 99.5%

Lên men Khí hóa

Năng lượng hơi nước

Dinh dưỡng

Tro Nguyên liệu sinh khối

Khí hóa toàn toàn và thu hồi

nhiệt lượng

Nước tái sử dụng

Hình 2.8: Sơ đồ sản xuất bioethanol theo phương pháp khí hóa-lên men

tính theo carbon bởi vi sinh vật homoacetogenic Trong giai đoạn hai, acid acetic tham gia phản ứng ester hóa với rượu để tạo ester Trong khi ở giai đoạn thứ ba, ester tạo thành bị hydro hóa để tạo bioethanol [19]

Trong quy trình này, 3 mol bioethanol được tạo ra từ 1 mol glucose, do đó cải thiện được 50% so với quy trình thông thường Năng lượng để tạo ra mol bioethanol thứ ba được cung cấp bởi hydro được tạo ra từ quá trình khí hóa sinh khối

2.5.3 Quy trình công nghệ sản xuất ethanol từ lõi bắp Hình 2.9: Sơ đồ sản xuất bioethanol theo phương pháp lên men, ester hóa

và hydro hóa [26]

Tiền xử lý Thủy phân Lên men Chưng cất

Ethanol Nấm men

Enzyme Lõi bắp

Hình 2.10: Sơ đồ tổng quát quy trình sản xuất bioethanol từ lõi bắp

2.5.3.1 Quá trình tiền xử lý

Bản chất của cellulose rất bền vững trước sự tấn công của enzyme do chứa phần lớn các cấu trúc kết tinh, nên bước tiền xử lý là bắt buộc để quá trình thủy phân thành đường có thể diễn ra tốt Cellulose ban đầu có thể bị phá hủy bởi acid mà không cần được tiền xử lý

Do các nguyên liệu lignocellulose khác nhau có đặc tính lý hóa khác nhau, nên cần áp dụng những kỹ thuật tiền xử lý thích hợp cho từng loại nguyên liệu Thêm vào đó, sự lựa chọn một công nghệ tiền xử lý nhất định có tác động lớn đến tất cả các bước tiếp theo của toàn bộ quá trình chuyển đổi như: khả năng bị phân giải của cellulose, sự phát sinh các chất độc ức chế nấm men, năng lượng cần thiết cho quy trình tiếp theo và những yêu cầu về xử lý nước thải [3]

Mục đích quá trình tiền xử lý nhằm:

xâm nhập của tác nhân thủy phân

Các yêu cầu của một quá trình tiền xử lý hiệu quả:

trình thủy phân và lên men (furfural, HMF, hợp chất phenol…)

trên 10%, để bảo đảm thu được nồng độ ethanol đủ cho quá trình thu hồi và chi phí đầu ra

thiểu; thiết bị có kích thước hợp lý và sử dụng vật liệu trong nước; năng lượng vận hành cần ở mức thấp hoặc có thể tái sử dụng được phần năng lượng thải ra [2]

a) Phương pháp sinh học

Việc tiền xử lý bằng nấm đã được khảo sát trước đây nhằm biến đổi nguyên liệu lignocellulose trong sản xuất thức ăn gia súc hay trong công nghiệp giấy Vi sinh vật sử dụng thường là các loại nấm mục trắng, mục nâu và mục mềm Các loại

nấm mục trắng như: Phanerochaete chrysosporium, Ceriporia lacerata, Cyathus

stercolerus, Pycnoporus cinnarbarinus và Pleurotus ostreaus đã được đánh giá có

hiệu suất phân giải lignin cao trong các sinh khối lignocellulose [18]

Phương pháp này sử dụng vi sinh vật, không sử dụng thêm hóa chất nên giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiêu tốn ít năng lượng Nhưng nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là thời gian tiến hành dài do tốc độ phân giải thấp (có thể kéo dài vài ngày)

b) Phương pháp vật lý

 Nghiền cơ học

giảm kích thước hạt và độ kết tinh của cellulose trong hệ lignocellulose, giúp tăng bề mặt tiếp xúc Yêu cầu về năng lượng của phương pháp này tương đối cao, phụ thuộc vào kích thước hạt cuối cùng [2]

 Phương pháp đẩy

Đây là phương pháp mới và nhiều triển vọng Nguyên liệu được nghiền nhỏ và xử lý với nhiệt độ dọc theo suốt chiều dài của ống đẩy trong thiết bị Tốc độ đẩy và nhiệt độ trong lòng ống giúp phá vỡ cấu trúc lignocellulose, tạo ra các cấu trúc sợi ngắn, dễ thủy phân hơn [12] Trong các nghiên cứu gần đây, người ta kết hợp quy trình này với enzyme cellulase để sản xuất ethanol

c) Phương pháp hóa học

 Xử lý bằng kiềm

Phương pháp này hiệu quả với các sinh khối chứa ít lignin (chất thải nông nghiệp, cây thân cỏ) Phương pháp này giúp tăng khả năng thủy phân cellulose do hòa tan tốt lignin Điều kiện xử lý tương đối ôn hòa nhưng đòi hòi thời gian xử lý kéo dài [2]

NaOH làm trương nở vật liệu, tăng diện tích bề mặt bên trong của cellulose, giảm mức độ polymer hóa và mức độ kết tinh Theo các công bố, NaOH giúp tăng khả năng thủy phân gỗ cứng từ 14% lên 55%, bằng cách giảm hàm lượng lignin từ 55% xuống 20% [18]

lignin và các nhóm acetyl của hemicellulose làm giảm sự ức chế lập thể với các

đạt hiệu quả khá tốt

 Xử lý bằng acid

Mục đích chủ yếu của phương pháp này hòa tan hemicellulose và giúp tăng cường khả năng tiếp xúc của enzyme với bề mặt cellulose Tiền xử lý này có thể được tiến hành với acid đậm đặc hay loãng, nhưng việc sử dụng acid đậm đặc trong sản xuất ethanol ít được quan tâm do tạo thành nhiều chất ức chế, vấn đề ăn mòn thiết bị và việc thu hồi acid khó khăn [28]

Tùy vào nhiệt độ của quá trình, một số hợp chất ức chế biến đổi từ đường và lignin như furfural, HMF, các hợp chất vòng thơm… sẽ được tạo thành và ảnh hưởng đến sự chuyển hóa của vi sinh vật trong các bước sau [2, 3]

Acid vô cơ được nghiên cứu nhiều nhất và sử dụng rộng rãi hiện nay là

nghiệm Gần đây, người ta đạt năng suất ethanol cao 0.47g/g glucose khi lên men

C trong 15 phút [28] Các acid hữu cơ như fumaric hay maleic cũng là một phương án thay thế trong sản xuất ethanol Các kết quả khảo sát cho thấy, các acid hữu cơ có thể tiền xử lý rơm lúa mạch với hiệu suất cao và trong đó acid maleic cho hiệu quả cao hơn [2]

 Dung môi hữu cơ

Là một phương pháp hứa hẹn vì nó đã cho thấy tiềm năng với nguyên liệu lignocellulose Người ta có thể sử dụng nhiều hỗn hợp dung môi hữu cơ bao gồm

methanol, ethanol, aceton, ethylen glycol và cồn tetrahydrofurfuryl để hòa tan lignin và tạo ra cellulose thích hợp cho phản ứng thủy phân bằng enzyme So với các phương pháp tiền xử lý hóa học khác thì ưu thế chính của quy trình sử dụng dung môi hữu cơ là thu hồi được sản phẩm phụ lignin tương đối tinh khiết

 Các chất lỏng ion (Ionic liquid-IL)

Gần đây, việc sử dụng các IL như là các dung môi cho tiền xử lý sinh khối chứa cellulose đã nhận được nhiều sự chú ý Các IL là các muối, điển hình bao gồm các cation hữu cơ lớn và các anion vô cơ nhỏ, tồn tại dưới dạng chất lỏng ở nhiệt độ tương đối thấp, thường là nhiệt độ phòng Đặc điểm dung môi của chúng có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh anion và các nhóm alkyl của cation Những ưu điểm này bao gồm khả năng bền vững với nhiệt độ và hóa chất, không gây cháy, áp suất hơi thấp và xu hướng giữ trạng thái lỏng ở dãy nhiệt động rộng [2]

Hầu hết các khảo sát cho thấy hiệu quả của IL thu được khi sử dụng cellulose dạng kết tinh, và khả năng ứng dụng của nó với các phức hợp của các thành phần

Hình 2.11: Một số IL cho ứng dụng hòa tan sinh khối

d) Phương pháp hóa lý

 Phương pháp nổ hơi nước

Là phương pháp tiền xử lý thủy nhiệt khi cho sinh khối tiếp xúc với hơi nước áp suất cao trong khoảng thời gian từ vài giây đến vài phút và sau đó giảm áp suất đột ngột Phương pháp tiền xử lý này kết hợp các lực cơ học và các hiệu ứng hóa học do sự tự thủy phân của các nhóm acetyl có trong hemicellulose Sự tự thủy phân diễn ra khi nhiệt độ cao thúc đẩy sự hình thành acid acetic từ các nhóm acetyl; hơn nữa, nước còn có thể hoạt động như một acid ở nhiệt độ cao Hiệu ứng cơ học gây ra bởi áp suất giảm đột ngột và các sợi bị tách nhau ra nhờ sự giải nén bùng phát Cùng với sự tự thủy phân và hòa tan một phần hemicellulose thì lignin cũng được tái phân bố và bị loại bỏ ở mức độ nhất định khỏi nguyên liệu Sự loại bỏ hemicellulose sẽ bộc lộ bề mặt cellulose và gia tăng khả năng xâm nhập của enzyme vào các vi sợi cellulose [23]

Quy trình nổ hơi nước áp suất cao có nhiều ưu điểm khi so sánh với các công nghệ tiền xử lý khác Bao gồm: giảm vốn đầu tư, nhiều tiềm năng về hiệu quả năng lượng hơn, các hóa chất và điều kiện của quy trình ít độc hại và thu hồi đường hoàn toàn [2, 6]

Nhược điểm chính của tiền xử lý nổ hơi nước áp suất cao là sự thoái biến một phần hemicellulose và hình thành một số chất ức chế có thể ảnh hưởng đến sự thủy phân và các bước lên men tiếp theo Các chất ức chế được tạo thành và số lượng của chúng phụ thuộc vào nguyên liệu và sự khắc nghiệt của tiền xử lý Do đó, cần sử dụng chủng ổn định trong bước lên men tiếp theo Các yếu tố ức chế chính là các dẫn xuất của furan, các acid yếu và các hợp chất phenol Các dẫn xuất chính của furan là furfural và HMF được tạo ra lần lượt từ sự thoái biến pentose và hexose Cả hai đều được xem như là các chất ức chế do kéo dài pha thích nghi trong quá trình lên men Các acid yếu được tạo thành trong quá trình nổ hơi nước áp suất cao chủ yếu là acid acetic, hình thành từ các nhóm acetic có mặt trong thành phần hemicellulose và các acid formic, levulinic tạo thành từ sự thoái biến tiếp tục của furfural và HMF Nhiều loại hợp chất phenol được tạo thành do sự phá vỡ lignin có

sự khác nhau nhiều giữa các nguyên liệu khác nhau Một số phương pháp khử ức chế đã được nghiên cứu để làm giảm hiệu ứng ức chế gây ra bởi những hợp chất này đối với các enzyme và nấm men Tuy nhiên, do chi phí phát sinh đối với toàn bộ quy trình nên cần tránh việc áp dụng nếu có thể [2, 3]

 Phương pháp nổ sợi ammonia (AFEX)

Là phương pháp tương tự với phương pháp nổ hơi Trong quy trình AFEX, sinh khối được xử lý bằng ammonia khan dạng lỏng ở nhiệt độ từ 60-100°C với áp suất cao trong thời gian khác nhau Sau đó, áp suất được giảm đột ngột dẫn đến sự lan tỏa nhanh chóng của khí ammonia để gây ra sự trương phồng và phá vỡ cấu trúc vật lý các sợi của sinh khối và khử một phần cellulose kết tinh Trong khi một số phương pháp tiền xử lý như nổ hơi nước, sản phẩm tạo thành dạng bùn có thể phân tách thành pha rắn và lỏng, còn với AFEX chỉ tạo thành dạng bã rắn

AFEX làm giảm mức độ kết tinh của cellulose và phá vỡ các liên kết carbohydrate AFEX loại bỏ tối thiểu các nhóm acetyl từ những loại nguyên liệu lignocellulose nhất định Quá trình thủy phân cần đến cả enzyme cellulase và hemicellulase do một lượng đáng kể hemicellulose còn lại trong nguyên liệu đã qua tiền xử lý [2, 3]

lignin-Tiền xử lý AFEX hiệu quả đối với các sản phẩm nông nghiệp và thực vật thân cỏ và có hiệu quả hạn chế ở các sinh khối dạng gỗ và các nguyên liệu có hàm lượng lignin cao Ở điều kiện tối ưu, AFEX có thể chuyển tới 90% cellulose và hemicellulose thành các đường với các vật liệu chứa lignocellulose như cỏ linh lăng, rơm lúa mì, rơm lúa gạo, bã mía, phế thải từ bắp… [2, 5] Mặc dù sự loại bỏ lignin hay hemicellulose thấp trong quy trình AFEX, sự phân giải nhờ enzyme với hàm lượng sử dụng thấp lại cho ra kết quả rất cao khi so sánh với các phương pháp tiền xử lý khác Giảm nồng độ ammonia và lượng enzym cần sử dụng, trong khi vẫn duy trì được mức chuyển hóa cao cellulose và hemicellulose có thể làm giảm giá thành tổng thể của sản xuất ethanol bằng quy trình AFEX [15]

Một trong những ưu điểm chính của tiền xử lý này là không tạo thành các chất ức chế trong các quá trình sinh học diễn ra sau đó Tuy nhiên, nhược điểm còn

tồn tại là một số phân đoạn chứa phenol của lignin và các chất khác của thành tế bào trên bề mặt của cellulose; đồng thời, hầu hết hemicellulsoe qua xử lý AFEX đều còn ở dạng oligomer Có thể thu hồi và tái sử dụng ammonia tuy nhiên quy trình phức tạp và giá thành có thể làm tăng chí phí sản xuất [2, 12]

 Phương pháp ngâm hồi lưu ammonia (ARP)

Là một quá trình khác dựa trên ammonia, trong đó ammonia dung dịch 15% khối lượng) được cho đi qua sinh khối Nhiệt độ sử dụng từ 140-210°C, thời gian phản ứng đến 90 phút và sự tốc độ hồi lưu khoảng 5ml/phút ARP có thể hòa tan hemicellulose nhưng cellulose vẫn không bị biến đổi Nó tạo ra nguyên liệu cellulose mạch ngắn với hàm lượng glucan cao [2] Ammonia trong dung dịch ngậm nước và ở nhiệt độ cao phân hủy lignin nhưng hầu như không có ảnh hưởng đến carbohydrate [31]

(5-Một trở ngại quan trọng của ARP là cần làm giảm lượng chất lỏng sử dụng và giảm nhiệt độ của quy trình để giảm chi phí về năng lượng Vì vậy, phương pháp ngâm ammonia dung dịch (SAA) là biện pháp thay thế khả thi vì được tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn (30–75°C) và là một trong số ít các phương pháp tiền xử lý mà cả glucan và xylan vẫn còn lại trong phần rắn Nhờ đó, phương pháp SAA tạo thành nguồn nguyên liệu rất tốt để sử dụng với các vi sinh vật lên men đường pentose Hơn nữa, lượng xylose thu hồi cao ở nhiệt độ thấp nên lượng chất ức chế được giải phóng từ sự thoái biến đường thấp hơn Gần đây, người ta thu được sản lượng ethanol cao tới 89.4% so với lượng lý thuyết từ trấu lúa mạch được xử lý bằng SAA

trong quy trình đường hóa và lên men đồng thời (SSCF) sử dụng E coli tái tổ hợp

KO11 [31]

 Phương pháp nổ CO2

tới hạn của nó Các điều kiện tiền xử lý siêu tới hạn có thể loại bỏ một cách hiệu quả lignin và làm tăng khả năng bị phân giải của cơ chất Trong dung dịch với

polymer Các phân tử CO2 có kích thước tương đương với phân tử nước và ammonia và chúng có thể xâm nhập vào các lỗ của lignocellulose Cơ chế này được tăng cường nhờ áp suất cao Sau khi giảm đột ngột áp suất CO2, người ta nhận thấy sự phá vỡ của cellulose và hemicellulose và kết quả là diện tích tiếp xúc bề mặt của cơ chất để enzyme tiến hành xúc tác tăng lên [3, 12]

Được tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn so với các phương pháp khác, hạn chế được sự thoái biến của các đường đơn, nhưng so với phương pháp nổ hơi nước và

tế hơn so với AFEX và sự tạo thành các chất ức chế thấp hơn so với phương pháp nổ hơi nước [2, 3]

hemicellulose - Nhu cầu năng lượng thấp

- Tốn nhiều thời gian

, thu hồi được đường xylose - Mạch cellulose được tách khỏi hệ lignocellulose tốt

- Chi phí cao cho hóa chất và thu hồi

- Ăn mòn thiết bị - Sinh các chất ức chế

hemicellulose tốt

- Tốn nhiều thời gian - Muối được tạo ra nhiều Dung môi hữu

hòa tan hemicellulose - Có hiệu quả kinh tế

- Sinh ra nhiều chất ức chế - Mất đi nhiều hemicellulose - Tăng mức độ kết tinh cellulose

mặt với enzyem - Tạo thành ít chất ức chế

- Không hiệu quả với sinh khối có lignin cao

- Chi phí hóa chất cao

mặt với enzyme - Tạo thành ít chất ức chế

- Không tác động lên cấu trúc lignin và hemicellulose

- Điều kiện áp suất cao

Bảng 2.4: Tóm tắt những ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp tiền xử lý

2.5.3.2 Quá trình thủy phân a) Enzyme cellulase

Cellulase chủ yếu được sản xuất nhờ các loại nấm mốc và vi khuẩn Mặc dù,

các chủng vi khuẩn kỵ khí Clostridium thermocellum và Bacteroides cellulosolvens

tổng hợp được cellulase hoạt tính cao nhưng do tốc độ sinh trưởng chậm và điều kiện nuôi cấy kỵ khí nên hầu hết các nghiên cứu cho sản xuất cellulase thương mại đều tập trung vào nấm mốc Một vài loài nấm mốc được ứng dụng gồm

Trichoderma, Aspergillus, Penicillium…

 Phân loại

Mặc dù là loại polymer sinh học phong phú, cellulose lại rất bền vững và khó bị phá vỡ vì cellulose có độ kết tinh cao, không tan trong nước, có khả năng chống lại các quá trình depolymer hóa Quá trình thủy phân cellulose tạo thành glucose được thực hiện nhờ hoạt động kết hợp của 3 nhóm enzyme đặc trưng khác nhau:

 Endo-1,4-β-glucanase (EG) hay 1,4-β-D-glucan 4-glucanohydrolase (EC 3.2.1.4)

 Exo-1,4-β-D-glucanase bao gồm 1,4-β-D-glucan glucohydrolase (EC 3.2.1.74) và 1,4-β-D-glucan cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91)

 β-D-glucosidase hay β-D-glucoside glucohydrolase (EC 3.2.1.21) [6, 22]

Lý thuyết được nhiều nhà khoa học chấp nhận đối với cơ chế làm việc của enzyme cellulase trong quá trình thủy phân cellulose diễn ra như sau: enzyme endo-glucanase cắt đứt các liên kết 1,4-β-glucoside trong vùng cellulose vô định hình nhằm gia tăng đầu tự do của cellulose, sau đó enzyme exo-glucanase tiếp tục tháo gỡ các đầu tự do của vùng cellulose kết tinh để tạo thành các đơn phân cellobiose Cellobiose sau đó được chuyển hóa tiếp thành glucose bằng enzyme β-glucosidase

Mạch cellulose

Vùng bị tác động

Cellulose đã tiền xử lý

Liên kiết trong vùng vô định

hình bị đứt

Tạo ra các cellobiose và

oligomer

Tạo ra đường glucose

Hình 2.12: Cơ chế tác động của từng enzyme cellulase