Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ bã mía

2.1.2 Trên thế giới Trong những thập niên gần đây, có rất nhiều nghiên cứu về quá trình sản xuấtbioethanol từ biomass ở nhiều nơi trên thế giới và đã thu được những thành công nhấtđịnh,

Trang 1

CBHD: TS LÊ ĐỨC TRUNG KS LÊ THỊ QUỲNH TRÂM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL NHIÊN LIỆU

TỪ BÃ MÍA

Trang 2

Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của:

TS Lê Đức Trung - Trưởng phòng Công nghệ Môi trường, Viện Môi Trường vàTài Nguyên Tp HCM; KS Lê Thị Quỳnh Trâm - Cán bộ phòng Công nghệ Môi trường,Viện Môi Trường và Tài Nguyên Tp HCM - đã gợi ý đề tài, hướng dẫn tận tình về cácvấn đề liên quan, cung cấp hóa chất và một số tài liệu có ích trong suốt thời gian tôi thựchiện luận văn

TS Huỳnh Ngọc Oanh - Bộ môn Công nghệ Sinh học, Đại học Bách Khoa TpHCM - đã tạo một không gian làm việc hết sức thuận lợi trong suốt thời gian tôi thực hiệnluận văn

PGS TS Nguyễn Thúy Hương - Bộ môn Công nghệ Sinh học, Đại học Bách Khoa

Tp HCM - đã cung cấp giống vi sinh vật và một số tài liệu có ích trong suốt thời gian tôithực hiện luận văn

Các cán bộ phòng thí nghiệm 102, 108, 117 của Bộ môn Công nghệ Sinh Học, Đạihọc Bách Khoa Tp HCM đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể sử dụng các trangthiết bị và dụng cụ thí nghiệm

Tất cả các thầy cô giáo - Bộ môn Công nghệ Sinh học, Đại học Bách Khoa TpHCM - đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi thực hiện luận văn

Các bạn sinh viên lớp HC06BSH - Đại học Bách Khoa Tp HCM - đã cùng học tập,trao đổi kinh nghiệm và giúp đỡ tôi trong quá trình làm việc

Xin gởi đến những người kể trên lời cảm ơn chân thành!

Trang 3

TÓM TẮT

Bã mía chiếm tỉ lệ lớn trong các phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam Với thànhphần chứa hơn 45% là cellulose, bã mía là nguồn nguyên liệu thích hợp cho quá trình sảnxuất ethanol Luận văn này nghiên cứu quá trình sản xuất ethanol nhiên liệu từ bã mía vàđược chia làm hai phần Phần đầu: nghiên cứu quá trình thuỷ phân Và phần hai: nghiêncứu quá trình thuỷ phân và lên men đồng thời

Bã mía được cắt nhỏ và được tiền xử lý bằng NaOH để phá vỡ cấu trúc Sau đó,được tiến hành thuỷ phân bằng enzyme cellulase hoặc thuỷ phân và lên men đồng thời

bằng enzyme cellulase và nấm men Saccharomyces cerevisiae.

Kết quả cho thấy rằng, quá trình thuỷ phân diễn ra tốt nhất trong điều kiện: 10% bãrắn, 5% enzyme, pH 4.8 và các mẫu được lắc với vận tốc 100 rpm trong 28 giờ ở 500C.Với điều kiện này thì nồng độ glucose thu được là 62.32 g/l và hiệu suất đạt 83.72%

Quá trình thuỷ phân và lên men đồng thời đạt được kết quả tốt ở 10% bã rắn, 5%enzyme, 10% giống nấm men, pH 4.8 và các mẫu được lắc với vận tốc 100 rpm trong 48giờ ở 370C Quá trình này thu được 32.7 g/l ethanol tương ứng hiệu suất là 87.13% Kếtquả này cho thấy quá trình thuỷ phân và lên men đồng thời rất thích hợp cho việc sản xuấtethanol từ bã mía

Trang 4

Containing above 45% of cellulose, bagasse is such a potential feedstock for ethanolproduction This thesis does research on producing ethanol form bagasse and can bedivided into 2 parts The first part: studies the saccharification The second part: exploresthe simultaneous saccharification and fermentation (SSF) process.

Bagasse was pretreated by NaOH in order to be more accessible to enzyme Then,the residue was introduced to hydrolyzed step or to SSF step The former utilized enzyme

cellulase to hydrolyze cellulose in bagasse In the latter, both the yeast saccharomyces cerevisiae and enzyme cellulase were employed.

The result indicated that the optimized condition for saccharification is 10% of drysolid, 5% of enzyme, pH 4.8 and samples were shaken at 100 rpm for 28 hours at 500C.With this condition, 62.32 g/l glucose was formed and the yield of 83.72% was obtained

The experiments in SSF showed that the best condition for this process includes10% of dry solid, 5% of enzyme, 10% of yeast, pH 4.8, and samples were shaken at 100rpm for 48 hours at 370C 32.7 g/l ethanol was formed with the yield of 87.13% Thisresult indicates that SSF is such a suitable process for producing ethanol from bagasse

Trang 5

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG ix

DANH MỤC HÌNH xi

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu cần đạt 1

1.3 Nội dung nghiên cứu 2

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

2.1 Tình hình sản xuất bioethanol trên thế giới và trong nước 3

2.1.1 Lịch sử của bioethanol 3

2.1.2 Trên thế giới 3

2.1.3 Trong nước 5

2.1.4 Triển vọng phát triển của bioethanol 7

2.2 Nguyên liệu lignocellulose 7

2.2.1 Cấu trúc lignocellulose 7

2.2.2 Cellulose 9

2.2.3 Hemicellulose 10

2.2.4 Lignin 11

2.2.5 Các chất trích ly 13

2.2.6 Tro 14

2.3 Bã mía 15

2.3.1 Nguồn bã mía ở Việt Nam 15

2.3.2 Hiện trạng sử dụng năng lượng từ bã mía ở Việt Nam 16

2.4 Quá trình sản xuất ethanol từ bã mía 17

2.4.1 Tổng quát 17

2.4.2 Quá trình tiền xử lý 18

2.4.3 Quá trình thủy phân 23

2.4.4 Quá trình lên men 27

Trang 6

3.1 Nguyên liệu và hóa chất 31

3.1.1 Bã mía 31

3.1.2 Enzyme 32

3.1.3 Giống nấm men 32

3.2 Các thiết bị sử dụng chính 33

3.3 Các phương pháp sử dụng 33

3.3.1 Phương pháp xác định độ ẩm 33

3.3.2 Phương pháp phân tích thành phần xơ sợi trong biomass - bã mía 33

3.3.3 Phương pháp định lượng đường khử 39

3.3.4 Phương pháp xác định độ cồn 42

3.3.5 Phương pháp nuôi cấy và đếm nấm men 43

3.4 Trình tự nghiên cứu 46

3.4.1 Sơ đồ quy trình 46

3.4.2 Quá trình tiền xử lý bằng NaOH 47

3.4.3 Quá trình thủy phân bằng enzyme 47

3.4.4 Quá trình thủy phân và lên men đồng thời bằng enzyme và nấm men 50

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 53

4.1 Quá trình tiền xử lý 53

4.1.1 Tiền xử lý bã mía bằng NaOH 53

4.1.2 Thành phần xơ sợi trong bã mía trước tiền xử lý 55

4.1.3 Thành phần xơ sợi trong bã mía sau tiền xử lý 56

4.1.4 So sánh bã mía trước và sau tiền xử lý 58

4.2 Quá trình thủy phân 59

4.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của % bã rắn đến quá trình thủy phân 59

4.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của % enzyme đến quá trình thủy phân 61

4.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của giá trị pH đến quá trình thủy phân 63

Trang 7

4.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thủy phân 65

4.2.5 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình thủy phân 67

4.3 Quá trình thủy phân và lên men đồng thời 69

4.3.1 Đường cong sinh trưởng của tế bào nấm men 69

4.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ enzyme đến nồng độ ethanol 71

4.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ giống nấm men đến nồng độ ethanol 73

4.3.4 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến nồng độ ethanol 76

4.3.5 Hiệu suất toàn quá trình thủy phân và lên men đồng thời theo thời gian 78

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82

5.1 Kết luận 82

5.2 Kiến nghị 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

PHỤ LỤC 88

Trang 8

Bảng 2.1 Thành phần của vài loại lignocellulose .8

Bảng 2.2 Thành phần theo khối lượng của các nguồn sinh khối trong đó có bã mía 16

Bảng 2.3 Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp tiền xử lý [18] .22

Bảng 2.4 Các thông số vận hành và kết quả quá trình thủy phân và lên men đồng thời được thực hiện trên nhiều nước 29

Bảng 3.1 Thành phần dung dịch NDS 34

Bảng 3.2 Kết quả đồ thị chuẩn 41

Bảng 3.3 Thành phần môi trường Hansen .43

Bảng 3.4 Điểm bắt đầu nghiên cứu cho quá trình thủy phân 48

Bảng 3.5 Thành phần các chất bổ sung vào dịch thủy phân và lên men đồng thời 50

Bảng 4.1 Thông số tiến trình của quá trình tiền xử lý bã mía bằng NaOH .53

Bảng 4.2 Các giá trị thu được khi phân tích thành phần xơ sợi bã mía trước tiền xử lý 55

Bảng 4.3 Thành phần xơ sợi bã mía của nhà máy đường NIVL trước tiền xử lý .55

Bảng 4.4 Thành phần xơ sợi bã mía trong các nghiên cứu khác .56

Bảng 4.5 Các giá trị thu được khi phân tích thành phần xơ sợi bã mía sau tiền xử lý .57

Bảng 4.6 Thành phần xơ sợi bã mía nhà máy đường NIVL sau tiền xử lý .57

Bảng 4.7 So sánh thành phần biomass của bã mía trước và sau tiền xử lý .58

Bảng 4.8 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của % bã mía đến quá trình thủy phân .59

Bảng 4.9 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của % enzyme đến quá trình thủy phân 62

Bảng 4.10 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình thủy phân 63

Bảng 4.11 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thủy phân 65

Bảng 4.12 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình thủy phân .67

Trang 9

Bảng 4.13 Kết quả mật độ tế bào nấm men và độ hấp thu theo thời gian .69 Bảng 4.14 Số liệu thu được ở thí nghiệm khảo sát tỷ lệ enzyme 71 Bảng 4.15 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của % enzyme đến quá trình thủy phân và lên men

Trang 10

Hình 2.1 Cấu trúc của lignocellulose 7

Hình 2.2 Mối quan hệ cellulose - hemicellulose trong cấu trúc lignocellulose 8

Hình 2.3 Công thức hóa học của cellulose 9

Hình 2.4 Các đơn vị cơ bản của lignin 11

Hình 2.5 Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính 12

Hình 2.6 Một số ví dụ về chất trích ly 14

Hình 2.7 Phân bố các vùng trồng mía ở Việt Nam 15

Hình 2.8 Sơ đồ chuyển hóa bã mía thành ethanol .17

Hình 2.9 Ảnh hưởng của quá trình tiền xử lý đến quy trình biến đổi lignocellulose thành ethanol .19

Hình 2.10 Tác dụng của từng enzyme .25

Hình 2.11 Sơ đồ hình thành ethanol từ glucose 27

Hình 2.12 Giống nấm men Pichia stiptis và Saccharomyces cerevisiae 28

Hình 3.1 Bã mía lấy từ công ty Cổ phần NILV, tỉnh Long An .31

Hình 3.2 Saccharomyces serevisiae chủng Turbo yeast extra nhìn dưới kính hiển vi 32

Hình 3.3 Bã mía sau khi qua máy nghiền 35

Hình 3.4 Hệ thống phân tích NDS và ADS .36

Hình 3.5 Bộ dụng cụ soxhlet……… 36

Hình 3.6 Đồ thị đường chuẩn glucose .41

Hình 3.7 Sơ đồ quy trình sản xuất ethanol sinh học từ bã mía 46

Hình 3.8 Mô hình tiền xử lý bã mía được sử dụng trong nghiên cứu này 47

Hình 3.9 Các mẫu bã mía trước và sau quá trình thủy phân với tỉ lệ bã khác nhau .48

Trang 11

Hình 3.10 Các mẫu bã mía đã thủy phân trước và sau khi ly tâm thu dịch thủy phân với tỉ

lệ bã khác nhau .48

Hình 3.11 Bộ dụng cụ thủy phân và lên men đồng thời .50

Hình 3.12 Bộ dụng cụ TP và LM đồng thời được đặt trong bể lắc điều nhiệt .51

Hình 4.1 Bã mía trong quá trình tiền xử lý bằng NaOH theo thời gian .54

Hình 4.2 Bã mía sau khi ép khô 54

Hình 4.3 Dịch thu được sau tiền xử lý 54

Hình 4.4 Đồ thị biểu diễn thành phần xơ sợi trong bã mía trước tiền xử lý 56

Hình 4.5 Đồ thị biểu diễn thành phần xơ sợi trong bã mía sau tiền xử lý 57

Hình 4.6 Đồ thị so sánh kết quả các thành phần rơm rạ trước và sau tiền xử lý 58

Hình 4.7 Đồ thị biểu diễn nồng độ glucose thu được ứng với % bã mía .60

Hình 4.8 Đồ thị biểu diễn hiệu suất quá trình thủy phân ứng với % bã mía .60

Hình 4.9 Đồ thị biểu diễn nồng độ glucose thu được ứng với % enzyme 62

Hình 4.10 Đồ thị biểu diễn hiệu suất quá trình thủy phân ứng với % enzyme 62

Hình 4.11 Đồ thị biểu diễn nồng độ glucose thu được ứng với giá trị pH .64

Hình 4.12 Đồ thị biểu diễn hiệu suất quá trình thủy phân ứng với giá trị pH .64

Hình 4.13 Đồ thị biểu diễn nồng độ glucose thu được ứng với nhiệt độ 65

Hình 4.14 Đồ thị biểu diễn hiệu suất quá trình thủy phân ứng nhiệt độ 66

Hình 4.15 Đồ thị biểu diễn nồng độ glucose thu được theo thời gian 67

Hình 4.16 Đồ thị biểu diễn hiệu suất quá trình thủy phân theo thời gian 68

Hình 4.17 Mật độ tế bào và độ hấp thu theo thời gian nuôi cấy 70

Hình 4.18 Đồ thị biểu diễn nồng độ glucose, ethanol trong dung dịch theo % enzyme 72

Hình 4.19 Đồ thị biểu diễn hiệu suất quá trình TP và LM đồng thời theo % enzyme .72

Hình 4.20 Đồ thị biểu diễn nồng độ glucose và ethanol trong dung dịch theo % giống 74

Trang 12

Hình 4.23 Đồ thị biểu diễn hiệu suất quá trình TP và LM đồng thời theo pH .77 Hình 4.24 Đồ thị biểu diễn nồng độ glucose và ethanol trong dung dịch theo thời gian .80 Hình 4.25 Đồ thị biểu diễn hiệu suất quá trình TP và LM đồng thời theo thời gian 80

Trang 13

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay sức ép từ khủng hoảng dầu mỏ và nhu cầu năng lượng luôn là vấn đề nangiải của bất cứ quốc gia nào trên thế giới Mỹ và Brazil đã thành công trong việc sản xuấtethanol từ nguồn sinh học là bắp và mía Điều này đã khích lệ các nước khác đầu tưnghiên cứu lĩnh vực nhiên liệu sinh học

Bên cạnh sản xuất ethanol từ nguồn tinh bột (bắp) và đường (mía), ethanol có thểđược sản xuất từ lignocellulose là loại biomass phổ biến nhất trên thế giới Vì vậy sảnxuất ethanol từ biomass cụ thể là nguồn lignocellulose là một giải pháp thích hợp đặc biệt

là các quốc gia nông nghiệp như Việt Nam Một mặt mang lại hiệu quả kinh tế, mặt khácgiải quyết các vấn đề về ô nhiễm môi trường

Việt Nam hằng năm tạo ra một lượng lớn phế phẩm nông nghiệp, chủ yếu làlignocellulose từ các vụ mùa và ngành công nghiệp sản xuất mía đường Tận dụng nguồnnguyên liệu này, cụ thể là bã mía để sản xuất bioethanol là một phương pháp sử dụng bãmía một cách hiệu quả đồng thời góp phần giải quyết vấn đề năng lượng cho nước ta

1.2 Mục tiêu cần đạt

 Mục đích chung của đề tài: nghiên cứu khả năng xử lý bã mía để lên men ethanol

 Mục tiêu chính trong đề tài là:

 Nghiên cứu quá trình thủy phân bã mía bằng enzyme cellulase, tạo ra dịchđường

 Nghiên cứu quá trình thủy phân và lên men đồng thời để chuyển hóacellulose trong nguồn bã mía ban đầu thành ethanol

 So sánh hiệu suất chuyển hóa quá trình thủy phân với quá trình thủy phân

và lên men đồng thời

Trang 14

1.3 Nội dung nghiên cứu

Các nội dung chính cần phải thực hiện để đạt được mục tiêu trên:

 Đối với quá trình thủy phân:

+ Khảo sát ảnh hưởng của lượng bã rắn đối với quá trình thủy phân.+ Khảo sát ảnh hưởng lượng enzyme đối với quá trình thủy phân.+ Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình thủy phân

+ Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thủy phân

+ Khảo sát nồng độ đường tạo thành theo thời gian

 Đối với quá trình thủy phân và lên men đồng thời:

+ Khảo sát ảnh hưởng của lượng enzyme đến quá trình

+ Khảo sát ảnh hưởng của lượng nấm men lên quá trình

+ Khảo sát ảnh hưởng của pH lên quá trình

+ Khảo sát nồng độ ethanol tạo thành theo thời gian

Trang 15

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU2.1 Tình hình sản xuất bioethanol trên thế giới và trong nước

2.1.1 Lịch sử của bioethanol

Nguyên mẫu đầu tiên của động cơ đốt trong được đưa ra bởi Samuel Morey tại

Mỹ năm 1826 Điều này được xem là sự bắt đầu của động cơ gasoline nhưng thực tếông sử dụng ethanol để cấp nguồn năng lượng cho động cơ Năm 1908, Henry Fordxây dựng mô hình nổi tiếng về xe ô tô (Ford Model T) chạy bằng ethanol [22] Cuốicùng, công nghiệp dầu mỏ “chiến thắng” trong sự cạnh tranh với ethanol Sự thúc đẩy

“thương mại hóa” bioethanol trong giao thông vận tải phát triển trong suốt thập niên

1970 Cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973 và cuộc cách mạng của người Iran vàonăm 1978 làm cho giá của dầu gia tăng một cách nhanh chóng, ảnh hưởng lớn đến vấn

đề an ninh năng lượng quốc gia Bioethanol nhiên liệu trở nên có giá trị [29]

2.1.2 Trên thế giới

Trong những thập niên gần đây, có rất nhiều nghiên cứu về quá trình sản xuấtbioethanol từ biomass ở nhiều nơi trên thế giới và đã thu được những thành công nhấtđịnh, tạo cơ sở khoa học cần thiết cho sự phát triển của công nghệ sản xuất bioethanol

Tại Rio de Janeriro (Brazil), Elba P.S Bon và Maria Antonieta Ferrara đã tiếnhành nghiên cứu quá trình sản xuất bioethanol từ biomass bằng thủy phân bởi enzyme[10] Đặc biệt gần đây tại Sao Paulo (Brazil), nhóm nghiên cứu gồm Marcia A.Ribeiro, Vanessa M Cardoso, Manoel N Mori, Jaime Finguerut, Celia M A Galvao

và Celina L Duarte đã tiến hành nghiên tận dụng nguồn bã mía để sản xuất bioethanoldùng phương pháp tiền xử lý bằng chiếu xạ điện tử [14]

Tại Malaysia, A.B.M.S Hossain, A.A Saleh, S Aishah, A.N Boyce, P.P.Chowdhury và M Naquiddin cũng đã tiến hành nghiên cứu sản xuất bioethanol từ cácloại phế phẩm nông nghiệp của tảo, cây ăn quả, cá, gà Kết quả nghiên cứu cho thấyquá trình hiệu quả hơn khi dùng phụ phẩm của cây dứa so với phụ phẩm của tảo và cá[12]

Tại trường đại học Michigan (Mỹ), quy trình thủy phân amoni (AFEX) đã đượccấp bằng sáng chế về xử lý sơ bộ phế thải của ngô trước khi chuyển hóa thànhbioethanol có thể giúp làm giảm chi phí sản xuất nhiên liệu sinh học này từ cellulose

Trang 16

Quy trình dựa trên cơ sở sử dụng amoni để phân hủy cellulose và hemicellulose trongthực 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 thủy phân amoni để xử lý sơ bộ phếthải của cây ngô (lõi bắp, thân cây và lá ngô), sau đó thủy phân và lên men để tạo raethanol mà không cần bổ sung các thành phần dinh dưỡng vào phối liệu lên men [36].

Các nhà khoa học của Mỹ vừa tuyên bố đã nghiên cứu thành công quy trình kỹthuật sản xuất bioethanol với khối lượng lớn nhưng không cần dùng nguyên liệu lànhững loại cây lương thực mà là từ cỏ, thậm chí từ những bãi phế liệu Nữ giáo sưtrường đại học Georgia, Joy Peterson, đồng thời là Trưởng khoa Năng lượng sinh học

cho biết: “Sản xuất bioethanol từ nguồn năng lượng sinh học tái sinh biomass là vô cùng cần thiết và hữu ích vì chúng rất dồi dào và sẵn có” Công trình nghiên cứu trên

đã được Quỹ Nghiên cứu khoa học của Trường Đại học Georgia cấp bằng sáng chế[28]

Hiện Brazil là nước sản xuất bioethanol hàng đầu thế giới Brazil đã thành côngtrong việc sản xuất bioethanol theo quy mô công nghiệp từ những năm 1970 khi nướcnày phụ thuộc nặng nề vào dầu nhập khẩu Tuy rằng có những vấn đề nảy sinh, nhưngchương trình này của Brazil được xem như một mô hình thành công trong việc pháttriển bền vững Ngày nay, toàn bộ xe hơi ở Brazil sử dụng xăng có pha ít nhất 25%bioethanol, và 60% số xe có khả năng “linh động về nhiên liệu” (có thể sử dụng 100%bioethanol làm nhiên liệu), mỗi năm tiết kiệm được trên 2 tỷ USD do không phải nhậpdầu mỏ Hiện tại, ở nước này có 3 triệu ôtô sử dụng hoàn toàn bioethanol và trên 17triệu ôtô sử dụng E25 [33] Brazil sản xuất bioethanol hầu như chỉ từ cây mía Loạibioethanol này có thể được tinh lọc thêm để pha vào xăng, hoặc dùng làm bioethanolnhiên liệu tinh

Mỹ cũng đang đầu tư nhiều cho việc tăng sản lượng bioethanol, hiện chiếm 5%khối lượng nhiên liệu bán ra ở Mỹ [24] Đồng thời, Mỹ hiện là quốc gia sản xuấtbioethanol lớn nhất thế giới (năm 2006 đạt gần 19 tỷ lít, trong đó 15 tỷ lít dùng làmnhiên liệu - chiếm khoảng 3% thị trường xăng) Năm 2012 dự kiến sẽ cung cấp trên 28

tỷ lít bioethanol và biodiesel, chiếm 3.5% lượng xăng dầu sử dụng [33]

Năm 2005, 721 nghìn tấn bioethanol được sản xuất nhằm phục vụ nhu cầu nhiênliệu vận chuyển ở Châu Âu, tăng khoảng 50% so với năm 2004 [9] Liên minh châu Âu(EU) đang khuyến khích việc sử dụng nhiên liệu sinh học và hướng tới mục tiêu nhiênliệu sinh học chiếm 5.75% trong tổng lượng xăng dầu bán ra vào năm 2010 [31]

Trang 17

5

Trong tương lai, Colombia bắt buộc những thành phố có dân số trên 50x104 dânphải bán xăng có pha 10% bioethanol [33] Ở Venezuela, công ty dầu quốc gia đang hỗtrợ dự án xây dựng 15 nhà máy chế bioethanol từ mía trong 5 năm tới khi chính phủsắp ban hành đạo luật bắt buộc sử dụng xăng E10 (pha 10% bioethanol) Chính phủCanada nhắm đến việc 45% xăng trong cả nước có pha 10% bioethanol vào năm 2010[32]

Tại Trung Quốc, đầu năm 2003, xăng E10 (10% bioethanol và 90% xăng) đãchính thức được sử dụng ở 5 thành phố lớn và sắp tới sẽ mở rộng thêm tại 9 tỉnh đôngdân cư khác Dự kiến, bioethanol nhiêu liệu sẽ tăng trên 2 tỷ lít vào năm 2010, khoảng

10 tỷ lít vào năm 2020 (năm 2005 là 1.2 tỷ lít) [33] Ở Đông Nam Á, Thái Lan đã banhành luật cho việc sử dụng xăng pha 10% bioethanol bắt đầu từ 2007 Ở Ấn Độ, mộtchương trình bioethanol đã kêu gọi người dân sử dụng xăng E5 trên cả nước, tiến tớiviệc sử dụng xăng E10 và E20 [6]

2.1.3 Trong nước

Ngày 6/4/2005, Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM đã đồng ý hỗ trợ 30,000USD như là kinh phí ban đầu cho nhóm nghiên cứu đề tài nghiên cứu khoa học tronglĩnh vực Biomass giai đoạn 2005 - 2007

Nhóm nghiên cứu đề tài Biomass, xử lý phế phẩm nông nghiệp, do TS PhanĐình Tuấn, trường đại học Bách khoa TP.HCM phụ trách Biomass là đề tài của nghiêncứu công nghệ xử lý các phế phẩm trong sản xuất nông nghiệp như rơm, rạ, trấu…nhằm sản xuất bioethanol (cồn nguyên liệu), tiến tới xây dựng mô hình “Thị trấnBiomass” tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, Tp.HCM [25]

Trung tâm khuyến nông tỉnh Đồng Nai phối hợp với Đại học Nông Lâm Tp.HCM vừa chuyển giao công nghệ sản xuất bioethanol từ trái điều phế phẩm cho 120 hộtrồng điều ở huyện Cẩm Mỹ để sản xuất bioethanol Theo công nghệ này, mỗi tấn tráiđiều sau khi lấy hạt đưa vào xử lý chưng cất sẽ thu được 80 lít bioethanol 800[34]

Trong khoảng thời gian tháng 04/2007 - 12/2009, PGS.TS Vũ Nguyên Thành

thực hiện đề tài: “Nghiên cứu công nghệ và hệ thống thiết bị sản xuất bioethanol nhiên liệu từ phế phụ phẩm nông nghiệp (biomass)” với mục tiêu thiết kế được quy trình

công nghệ sản xuất bioethanol nhiên liệu từ phế phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ, lõingô, thân gỗ, bã mía…) và mô hình hệ thống thiết bị sản xuất bioethanol nhiên liệu từphế phụ phẩm nông nghiệp nhằm triển khai áp dụng tại các cơ sở sản xuất [37]

Trang 18

Tại Viện Môi trường và Tài nguyên hiện NCS Nguyễn Thanh Phong đang thực

hiện đề tài Tiến sĩ “Nghiên cứu xử lý bùn thải công nghiệp giấy có chứa hàm lượng cellulose cao theo hướng thu hồi nhiên liệu sinh học” giai đoạn 2009-2011, và đề tài cấp Đại Học Quốc Gia Tp HCM “Nghiên cứu tạo chế phẩm enzyme để xử lý thành phần cellulose của bã mía tạo đường khử sử dụng trong công nghiệp sản xuất ethanol”

do TS Lê Đức Trung chủ trì, thời gian thực hiện 04 năm 2010 đến tháng 04 năm 2011

Nhà máy sản xuất bioethanol đang xây dựng tại tỉnh Bình Phước với công suấthàng năm khoảng 105 m3 Nguồn nguyên liệu sản xuất từ sắn lát và tinh bột Sản phẩmthu được với độ tinh khiết 99.8% (thể tích) Nhà máy được đầu tư bởi liên doanh giữaPVOil và ITOCHU, hình thành Công ty TNHH Nhiên liệu Sinh học Phương Đông(OBF) Hiện tại, nhà đầu tư đang tiến hành nghiên cứu tính khả thi của dự án

Nhà máy sản xuất bioethanol tại khu kinh tế Dung Quất sẽ được đầu tư xâydựng 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 trêndiện tích từ 30 - 50 ha, sản xuất bioethanol 99.8% (thể tích), công suất 105 m3/năm vớinguồn nguyên liệu sắn lát Nhà máy dự kiến xây dựng vào cuối năm 2010 [27]

PVB (Công ty Cổ phần Hóa dầu và Nhiên liệu sinh học Dầu khí) đã đầu tư xâydựng nhà máy sản xuất bioethanol tại tỉnh Phú Thọ (cách Hà Nội khoảng 80 Km).Tổng vốn đầu tư khoảng 80 triệu USD Công suất nhà máy khoảng 105 m3

bioethanol/năm Nguồn nguyên liệu nhà máy chủ yếu là từ sắn lát và cây mía Dự ánmong chờ đi vào hoạt động khoảng giữa năm 2011 [32]

Công ty cổ phần Đồng Xanh (GFC) đã đầu tư xây dựng nhà máy sản xuấtbioethanol tại xã Đại Tân, huyện Đại Lộc, Quảng Nam từ nguồn nguyên liệu chủ yếu

từ củ khoai mì (sắn) và tinh bột Nhà máy sản xuất bioethanol với độ tinh khiết 99.8%(thể tích), có công suất chạy thử khoảng 50 triệu lít/năm Sau đó, tiến hành mở rộng và

dự kiến công suất đạt khoảng 100 triệu lít/năm Sau hơn hai năm thi công, ngày02/9/2009 Công ty cổ phần Đồng Xanh đã đi vào hoạt động [35]

Trang 19

7

2.1.4 Triển vọng phát triển của bioethanol

Hiện nay vấn đề sử dụng bioethanol vào đời sống còn nhiều hạn chế do chưa hạđược giá thành sản xuất xuống thấp hơn so với nhiên liệu truyền thống Nhưng vượtlên trên hết, rõ ràng bioethanol vẫn mang lại những lợi ích to lớn, không thể tranh cãinhằm đảm bảo an ninh năng lượng của mỗi quốc gia, xoá đói, giảm nghèo cho ngườidân và góp phần chung vào công cuộc giữ gìn, bảo vệ môi trường chung trên thế giới

Vì vậy, mặc dù vẫn còn nhiều tranh cãi về sản xuất bioethanol giữa các nhà kinh tế,hoạch định chính sách, khoa học, bảo vệ môi trường xung quanh vấn đề giải phápphòng ngừa, hạn chế, khắc phục những nhược điểm, nhưng tất cả đều đồng ý kết luận:

“Phát triển sản xuất bioethanol là tất yếu, nhưng cần nhận thức rõ được cả hai mặt của quá trình này và tiến hành hết sức cẩn trọng, nếu không những lợi ích hứa hẹn gặt hái từ bioethanol sẽ không còn”.

Lignocellulose là vật liệu biomass phổ biến nhất trên trái đất Lignocellulose cótrong phế phẩm nông nghiệp, chủ yếu ở dạng phế phẩm của các vụ mùa; trong sản phẩmphụ của công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy; có trong rác thải rắn của thành phố Vớithành phần chính là cellulose, lignocellulose là một nguồn nguyên liệu to lớn cho việc sảnxuất bioethanol Bã mía là một dạng vật liệu lignocellulose

2.2.1 Cấu trúc lignocellulose

Hình 2.1 Cấu trúc của lignocellulose

Thành phần chính của vật liệu lignocellulose là cellulose, hemicellulose, lignin,các chất trích ly và tro

Trang 20

Bảng 2.1 Thành phần của vài loại lignocellulose.

Nguồn/% Cellulose Xylane Mannan Galactan Arabianan Hemicellulose Lignin trích ly Chất

Hình 2.2 Mối quan hệ cellulose - hemicellulose trong cấu trúc lignocellulose.

Trang 21

9

Các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản Các sợi này được gắn lại với nhaunhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi, với chiều rộng khoảng 25 nm Các vi sợinày được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp bảo vệ cellulose khỏi sự tấncông của ezyme cũng như các hóa chất trong quá trình thủy phân [7]

2.2.2 Cellulose

Cellulose là một polymer mạch thẳng của D-glucose, các D-glucose được liênkết với nhau bằng liên kết β-1,4 glucoside Cellulose là loại polymer phổ biến nhất trêntrái đất, độ trùng hợp đạt được 3500 - 104 DP [7] Các nhóm OH ở hai đầu mạch cótính chất hoàn toàn khác nhau, cấu trúc hemiacetal tại C1 có tính khử, trong khi đó OHtại C4 có tính chất của rượu [1]

Hình 2.3 Công thức hóa học của cellulose

Các mạch cellulose được liên kết với nhau nhờ liên kết hydro và liên kếtVan Der Waals, hình thành hai vùng cấu trúc chính là vùng kết tinh và vùng vôđịnh hình Trong vùng kết tinh, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau,vùng này khó bị tấn công bởi enzyme cũng như hóa chất Ngược lại, trong vùng

vô định hình, cellulose liên kết không chặt với nhau nên dễ bị tấn công [7] Có haikiểu cấu trúc của cellulose đã được đưa ra nhằm mô tả vùng kết tinh và vô địnhhình: [11]

a Kiểu Fringed Fibrillar: phân tử cellulose được kéo thẳng và địnhhướng theo chiều sợi Vùng tinh thể có chiều dài 500 Å và xếp xen kẽvới vùng vô định hình

b Kiểu Folding chain: phân tử cellulose gấp khúc theo chiều sợi Mỗi đơn vịlặp lại có độ trùng hợp khoảng 1000 Các đơn vị đó được sắp xếp thànhchuỗi 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, tínhchất kết tinh càng cao Trong vùng vô định hình, các liên kết β-glucoside

Trang 22

giữa các monomer bị thay đổi góc liên kết, ngay tại cuối các đoạn gấp, 3phân tử monomer sắp xếp tạo sự thay đổi 1800 cho toàn mạch Vùng vôđịnh 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-glucoside) sẽ làmgiảm độ bền nhiệt động của liên kết, đồng thời vị trí này không tạo đượcliên kết hydro.[2]

Cellulose được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, điều này làm cho cellulosekhá bền vững với tác động của enzyme cũng như hóa chất

 Nhóm thế phổ biến nhất là nhóm acetyl-O- liên kết với vị trí 2 hoặc 3

 Mạch nhánh cấu tạo từ các nhóm đơn giản, thông thường là disaccharidehoặc trisaccharide Sự liên kết của hemicellulose với các polysaccharidekhác và với lignin là nhờ các mạch nhánh này Cũng vì hemicellulose cómạch nhánh nên tồn tại ở dạng vô định hình và vì thế dễ bị thủy phân

Gỗ cứng, gỗ mềm và nguyên liệu phi gỗ có các đặc điểm hemicellulose khácnhau:

 Gỗ cứng chủ yếu có hai loại hemicellulose:

 Acetyl-4-O-methyglucuronoxylan, là một loại polymer có mạch chính

gồm β-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 chứaglucomannan, polymer này chứa một tỉ lệ bằng nhau β-D-glucopyranose

và β-D-mannopyranose.[7]

Trang 23

11

 Loại thứ hai có mạch chính là β-D-galactopyranose, phân nhánh Loạihemicellulose này tạo liên kết -O tại nhóm OH ở vị trí C6 với α-L-arabinose, β-D-galactose hoặc acid β-D-glucoronic.[7]

 Gỗ mềm cũng bao gồm hai loại hemicellulose chính:

 Loại quan trọng nhất là galactoglucomannan, đây là polymer cấu thành

từ các phân tử D-mannopyranose liên kết với D-glucopyranose bằngliên kết β-(1,4) với tỉ lệ hai monomer tương ứng là 3:1 Tuy nhên , tỉ lệnày thay đổi tùy theo loại gỗ.[7]

 Arabino-4-O-methylglucuronoxylan, cấu tạo từ các D-xylopyranose,các monomer này bị thế ở vị trí 2 bằng acid 4-O-methyl-glucuronic, ở vịtrí 3 bằng α-L-arabinofuranose.[7]

 Đối với cỏ, 20-40% hemicellulose là arabinoxylan Polysaccharide nàycấu tạo từ các D-xylopyranose, OH ở C2 bị thế bởi acid 4-O-methylglucuronic OH ở vị trí C3 sẽ tạo mạch nhánh với α-L-arabinofuranose.[7]

Cấu tạo phức tạp của hemicellulose tạo nên nhiều tính chất hóa sinh và lý sinhcho cây

2.2.4 Lignin

Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở Trong tự nhiên, lignin chủ yếu đóngvai 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

Hình 2.4 Các đơn vị cơ bản của lignin

Trang 24

Lignin là polymer, được cấu thành từ các đơn vị phenylpropene, vài đơn vị cấutrúc điển hình được đề nghị là: guaiacyl (G), chất gốc là rượu trans-coniferyl;syringly (S), chất gốc là rượu trans-sinapyl; p-hydroxylphenyl (H), chất gốc là rượutrans-p-courmary.

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

Gỗ mềm chứa chủ yếu là guaiacyl, gỗ cứng chứa chủ yếu syringyl Nghiêncứu chỉ ra rằng guaiacyl lignin hạn chế sự trương nở của xơ sợi và vì vậy loạinguyên liệu đó sẽ khó bị tấn công bởi enzyme hơn syringyl lignin.[11]

Hình 2.5 Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính

Những nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng lignin hoàn toàn không đồng nhấttrong cấu trúc Lignin dường như bao gồm vùng vô định hình và các vùng có cấutrúc hình thuôn hoặc hình cầu Lignin trong tế bào thực vật bậc cao hơn không cóvùng vô định hình Các vòng phenyl trong lignin của gỗ mềm được sắp xếp trật tựtrên mặt phẳng thành tế bào Ngoài ra, cả cấu trúc hóa học và cấu trúc không giancủa lignin đều bị ảnh hưởng bởi mạng polysaccharide Việc mô hình hóa động học

Trang 25

13

phân tử cho thấy rằng nhóm hydroxyl và nhóm methoxyl trong các oligomer tiềnlignin sẽ tương tác với vi sợi cellulose cho dù bản chất của lignin là kỵ nước

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 nhómcarbonyl Guaicyl lignin chứa nhiều nhóm phenolic hydroxyl hơn syringyl

Lignin có liên kết hóa học với thành phần hemicellulose và ngay cả vớicellulose (không nhiều) độ bền hóa học của những liên kết này phụ thuộc vào bản chấtliên kết và cấu trúc hóa học của lignin và những đơn vị đường tham gia liên kết [2].Carbon alpha (Cα) trong cấu trúc phenyl propane là nơi có khả năng tạo liên kết caonhất với khối hemicellulose Ngược lại, các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose,gllactose, và acid 4-O-methylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin Cácliên kết có thể là ether, ester (liên kết với xylan qua acid 4-O-methyl-D-glucuronic),hay glycoxit (phản ứng giữa nhóm khử của hemicellulose và nhóm OH phenolic củalignin)

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 ứngcao hơn 2000C, lignin bị kết khối thành những phần riêng biệt và tách ra khỏicellulose Những nghiên cứu trước đây cho thấy đối với gỗ cứng, nhóm ether β-O-4aryl bị phá trong quá trình nổ hơi Đồng thời, đối với gỗ mềm, quá trình nổ hơi làmbất hoạt các nhóm hoạt động của lignin ở vị trí α như nhóm hydroxyl hay ether, cácnhóm này bị oxy hóa thành carbonyl hoặc tạo cation benzylic, cation này tiếp tục tạoliên kết C-C.[11]

2.2.5 Các chất trích ly

Có rất nhiều chất thuộc nhóm thành phần này, chủ yếu là các chất dễ hòa tan.Theo định nghĩa khái quát trong sách “Kĩ thuật cellulose và giấy” ở trang 64, các chấttrích ly là những chất hoặc có khả năng hòa tan trong những dung môi hữu cơ(như dietyl ether, methyl terbutyl ether, ether dầu hỏa, diclormethene, acetone,ethanol, methanol, hexan, toluen, terahydrofuran) hoặc trong nước Chính vì thếphương pháp thông dụng nhất để tách nhóm chất này trong việc phân tích thànhphần sơ xợi lignocellulose là dùng trích ly với dung môi ethanol-benzene tỉ lệ 1:2.Những chất này có thể có cả tính ưa dầu và ưa nước và không được xem là thànhphần cấu trúc của gỗ Chất nhựa là những chất ưa dầu, có lẽ thường chiếm tỉ lệ ưu thếtrong chất trích ly, nên thường chất trích ly hay được gọi là nhựa (resin)

Trang 26

Các chất trích ly thường có màu, mùi và vị khá đặc trưng Chúng rất quan trọng

để giữ lại những chức năng sinh học của cây Đa phần các chất nhựa bảo vệ gỗ khỏinhững tổn thương gây ra bởi vi sinh vật hay côn trùng Terpenoid, steroid, chất béo,

và những phần tử phenolic như stilbene, lignan, tanmin và flavonoid đều là nhữngchất trích ly Các phenolic có thuộc tính diệt nấm và ảnh hưởng đến màu của gỗ Chấtbéo và sáp, trong nhiều hệ thống sinh học được tận dụng như là nguồn năng lượngtrong khi terpenoid và steroid được biết đến là nhựa dầu Nhóm cuối cùng cũng cóhoạt tính kháng vi sinh vật và côn trùng Một số chất trích ly là những dược phẩmquan trọng Ví dụ, flavonoid được sử dụng như là chất chống tác nhân oxy hóa vàchống virus Một số cấu trúc chất trích ly được thể hiện ở những hình sau:

Hình 2.6 Một số ví dụ về chất trích ly: (a) abietic acid (oleoresin); (b) cathechin

(flavonoid); (c) palmitic acid (acid béo)

Tương tự chất trích ly, thành phần vô cơ của biomass thường thực hiện chứcnăng trong một vài con đường sinh học ở thực vật Kim loại vết thường tồn tại ở dạngphức hợp như magnesium trong chlorophyl Một số chất vô cơ từ muối kim loại tồntại trong vách tế bào thực vật Calcium thường là kim loại phong phú nhất, sau đó làkali và magnesium

Trang 27

15

2.3 Bã mía

Ngành công nghiệp sản xuất mía đường đã tạo ra một lượng lớn phế phẩm từ câymía (bã mía) Bã mía chiếm 25-30% trọng lượng mía đem ép Trong bã mía chứa trungbình 49% là nước, 48% là xơ (trong đó chứa 45-55% cellulose) 2.5% là chất hoà tan(đường) [26] Bã mía là một trong số nhiều nguồn biomass phổ biến và có nhiều tiềmnăng ở Việt Nam

2.3.1 Nguồn bã mía ở Việt Nam

Về mặt tài nguyên tự nhiên như khí hậu, đất đai, Việt Nam được đánh giá lànước có tiềm năng trung bình khá để phát triển mía cây Việt Nam có đủ đất đồngbằng, lượng mưa nói chung tốt (1400 mm đến 2000 mm/năm), nhiệt độ phù hợp, độnắng thích hợp Trên phạm vi cả nước, các vùng tây nguyên và vùng Đông Nam Bộ,đặc biệt là duyên hải Nam Trung Bộ có khả năng trồng mía đường tốt [30]

Hình 2.7 Phân bố các vùng trồng mía ở Việt Nam [30].

Hiện nay mỗi năm có khoảng 1.3 triệu tấn đường được sản xuất (quy mô côngnghiệp và dân tự chế biến), tức khoảng 3 triệu tấn bã mía được thải ra Đây là nguồnnguyện liệu rất lớn cho việc sản xuất ethanol

Trong hội thảo về chiến lược tăng tốc trong lĩnh vực hạ nguồn do Hội Dầu KhíViệt Nam tổ chức ngày 11/9/2010 tại Hà Nội đã có rất nhiều ý kiến về vấn đề này

15

2.3 Bã mía

Duyên Hải Nam Trung Bộ 18%

Đông Nam Bộ 20%

Bắc Trung Bộ 17%

15

2.3 Bã mía

Duyên Hải Nam Trung Bộ 18%

Tây Nguyên 9%

Đông Nam Bộ 20%

Trang 28

nhưng tập trung nhất là trong tham luận của TS.Võ Thị Hạnh, phòng Vi sinh, ViệnSinh Học Nhiệt Đới Theo TS.Võ Thị Hạnh, đối với nguồn nguyên liệu thì nước ta làmột nước nông nghiệp nên có rất nhiều thuận lợi Nước ta đã có quy hoạch phát triểnngành mía đường, đến năm 2010 diện tích trồng mía dự kiến đạt khoảng 30x104 ha,năng suất 65 tấn/ha Phụ phẩm của mía đường rất dồi dào, chất lượng cao, thích hợpcho sản xuất nhiên liệu sinh học.

Bảng 2.2 Thành phần theo khối lượng của các nguồn sinh khối trong đó có bã mía.

Thành phần Nguồn sinh

2.3.2 Hiện trạng sử dụng năng lượng từ bã mía ở Việt Nam

Mặc dù bã mía là nguồn năng lượng lớn thì nguồn bã mía nói riêng và nguồnbiomass nói chung đã không được sử dụng một cách hiệu quả ở Việt Nam Phần lớn bãmía được sử dụng làm chất đốt, làm thức ăn cho gia súc,…

Trang 29

17

2.4 Quá trình sản xuất ethanol từ bã mía

2.4.1 Tổng quát

Hình 2.8 Sơ đồ chuyển hóa bã mía thành ethanol.

Quá trình chuyển hóa bao gồm sự thủy phân các thành phần chính của bã mía đểtạo ra những loại đường có thể lên men và thực hiện việc lên men chúng để tạo raethanol Giai đoạn tiền xử lý là cần thiết để nâng cao hiệu quả quá trình thủy phâncellulose thành đường Quá trình thủy phân thường được thực hiện bởi acid hoặcenzyme cellulase, và quá trình lên men được thực hiện bởi vi khuẩn hoặc nấm men.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân cellulose bao gồm độ xốp của vật liệu,kích thước vi sợi cellulose, và sự có mặt của lignin, hemicellulose trong vật liệu [15]

Sự hiện diện của lignin và hemicellulose làm cho hoạt động của enzyme cellulase trở

Trang 30

nên khó khăn hơn, do đó hiệu suất của quá trình thủy phân sẽ thấp Tiền xử lý là cầnthiết để thay đổi cấu trúc và kích thước của sinh khối, cũng như thành phần hóa họccủa nó, sao cho quá trình thủy phân các hydrocarbon thành các loại đường đơn diễn ranhanh chóng và đạt hiệu quả cao Quá trình thủy phân sẽ đạt hiệu quả cao bằng việcloại bỏ lignin và hemicellulose, giảm kích thước vi sợi cellulose, tăng cường độ xốpthông qua quá trình tiền xử lý [15].

Ở quá trình thủy phân, các loại đường đơn sẽ được tạo ra bằng việc phân cắt cácmắc xích của cellulose, trước khi chúng được lên men sản xuất rượu Quá trình thủyphân cellulose được thực hiện bởi acid hoặc enzyme thủy phân Các mắt xích củacellulose có thể bị phân cắt thành các phân tử đường glucose riêng lẻ bằng enzymecellulase Nguồn thu enzym cellulase lớn nhất hiện nay là vi sinh vật (nấm, vi khuẩn)[18]

Các loại đường sáu carbon (hexoses) như glucose, galactose, và mannose dễdàng lên men thành ethanol bởi hoạt động tự nhiên của nhiều sinh vật Nấm men

Saccharomyces cerevisiae đã được sử dụng từ lâu trong nền công nghiệp sản xuất bia

để tạo ra ethanol từ hexoses

Hai bước cuối để biến đổi bã mía thành ethanol (thủy phân và lên men) có thểđược thực hiện một cách độc lập hoặc đồng thời

Thu hồi ethanol từ dịch lên men bằng quá trình chưng cất hoặc kết hợp quá trìnhchưng cất với quá trình hấp phụ Các thành phần khác, bao gồm lignin, cellulose vàhemicellulose không phản ứng, và enzyme thì tích lũy ở dưới đáy của tháp chưng cất

2.4.2 Quá trình tiền xử lý

Để chuyển hóa các carbohydrate (cellulose và hemicellulose) tronglignocellulose thành ethanol, các polymer phải bị bẻ gãy thành những phân tử đườngnhỏ hơn trước khi vi sinh vật có thể hoàn tất quá trình chuyển hóa Tuy nhiên, bảnchất của cellulose lại là rất bền vững trước sự tấn công của enzyme, nên bước tiền

xử lý là bắt buộc để quá trình đường hóa glucose có thể diễn ra tốt Cellulose banđầu có thể bị phá hủy bởi acid mà không cần được tiền xử lý Tuy nhiên, trongluận văn này chỉ đề cập đến việc thủy phân lignocellulose bằng enzyme

Trang 31

 Cấu trúc tinh thể của cellulose: cellulose tự nhiên hình thành cấu trúc tinh thểchống lại được sự tấn công của enzyme Trong một bài báo của mình, Fan vàcộng sự [7] ước tính rằng tỉ lệ cellulose tinh thể là 50-90% Tuy nhiên, không

có sự liên quan giữa mức độ tinh thể của cellulose và khả năng phân hủyenzyme đối với rơm rạ và bã mía

 Sự bao bọc của lignin quanh cellulose: lignin cùng với hemicellulose tạothành cấu trúc mô vững chắc cực kì Những mô được bền hóa với lignintương tự như nhựa được gia cố bằng sợi, trong đó lignin đóng vai trò kết dínhnhững sợi cellulose Trong thiên nhiên, lignin bảo vệ cellulose khỏi những tác

Trang 32

động của môi trường và khí hậu Lignin là yếu tố ngăn cản sự tấn công củaenzyme đến cellulose được công nhận nhiều nhất Theo [7] có nhà nghiêncứu cho rằng khả năng thủy phân của enzyme tăng khi 40-50% lignin bị tách.Tuy nhiên, phải thừa nhận rằng, không có nghiên cứu nào tiến hành loại bỏlignin mà không kèm theo sự phân hủy hemicellulose Ngay cả trong phươngpháp tiền xử lý nguyên liệu bằng kiềm ở nhiệt độ thấp, loại bỏ được 70%lignin thì cũng có 5% hemicellulose bị hòa tan Vì vậy, những thí nghiệm trêncũng không hoàn toàn cho thấy ảnh hưởng của việc loại bỏ lignin riêng lẻ.

 Bề mặt tiếp xúc tự do của cellulose: liên quan đến bề mặt tiếp xúc củacellulose với enzyme, và thể tích xốp Stone và cộng sự [7] giả thiết rằng tốc

độ đầu của quá trình thủy phân là hàm của bề mặt tiếp xúc tự do Grethlein vàcộng sự [7] cho rằng thể tích lỗ xốp chứ không phải độ kết tinh của cellulosemới ảnh hưởng đến tốc độ đầu Tuy nhiên, bề mặt tiếp xúc tự do này có liênquan đến độ kết tinh và sự bảo vệ của lignin

 Sự hiện diện của hemicellulose: cũng như lignin, hemicellulose tạo thành lớpbảo vệ xung quanh cellulose Knappert và cộng sự [7], trong nghiên cứu xử lýbằng acid sulfuric với gỗ dương cho thấy khả năng thủy phân tăng theo tỉ lệhemicellulose bị loại bỏ Grohman, thí nghiệm tiền xử lý rơm lúa mì bằngacid, kết quả cho thấy việc loại bỏ hemicellulose sẽ gia tăng đáng kể khảnăng thủy phân rơm rạ Họ cho rằng, việc loại bỏ lignin là không cần thiết,tuy rằng nếu đạt được thì rất tốt Trong khi đó, hemicellulose được chứngminh là ngăn cản quá trình tấn công của enzyme vào rơm rạ [7] Tuy nhiên,trong những thí nghiệm này, lignin tuy không bị loại bỏ nhưng lại có thể bịđông hoặc chảy ra một phần, làm giảm khả năng bao bọc cellulose của nó Vìthế những thí nghiệm trên chưa cho thấy được hiệu quả của việc loại bỏ riêng

lẻ hemicellulose

 Mức độ acetyl hóa của hemicellulose: Đây là yếu tố ít được quan tâm, xylan loại hemicellulose chính trong gỗ cứng và cây thân cỏ - bị acetyl hóa với tỉ lệrất cao Grohmann và cộng sự [7], nghiên cứu với rơm lúa mì và cây dương,cho thấy rằng khi xylan bị deacetyl hóa, tỉ lệ cellulose bị thủy phân tăng lên2-3 lần Ảnh hưởng này tồn tại đến khoảng 75% hemicellulose bị deacetylhóa

-Nói tóm lại, thành phần hữu ích nhất của sinh khối lignocellulose đối vớimục đích sinh học là cellulose Trong sinh khối lignocellulose thì cellulose rất khó

bị phân hủy vì phân tử của nó rất lớn, có độ kết tinh cao và nó liên kết chặt chẽ vớilignin và hemicellulose Vì vậy việc tiền xử lý là cần thiết với mục đích: tăng vùng

Trang 33

21

vô định hình của cellulose, tăng kích thước lỗ xốp trong cấu trúc sợi biomass, phá

vỡ sự bao bọc của lignin và hemicellulose đối với cellulose (Hình 2.5)

2.4.2.2 Phương pháp tiền xử lý

Các phương pháp tiền xử lý vật liệu lignocellulose :

- Vật lý (xay, nghiền và nhiệt phân)

- Hóa lý (nổ hơi nước, amoniac, CO2)

- Hóa chất (kiềm, axit, ozon,H2O2 và dung môi hữu cơ)

- Sinh học

- Điện trường

Có nhiều phương pháp tiền xử lý lignocellulose khác nhau, ưu và nhượcđiểm của chúng được tóm tắt trong bảng 2.3 Lựa chọn phương pháp tiền xử lý phùhợp phụ thuộc vào thành phần cấu tạo của sinh khối lignocellulose và sản phẩmphụ sinh ra trong quá trình tiền xử lý Ngoài ra yếu tố chi phí cũng ảnh hưởng rấtlớn đến việc lựa chọn phương pháp phù hợp Đã có một số báo cáo so sánh cácphương pháp tiền xử lý sinh khối lignocellulose để sản xuất nhiên liệu sinh học[19,20,21] Rosgaard và cộng sự [19] cho rằng, sau khi tiền xử lý rơm lúa mì vàrơm lúa mạch bằng phương pháp acid và nổ hơi nước, đem chúng đi thủy phânbằng hệ enzyme cellulase ,thì hiệu quả thủy phân được nâng cao, có nghĩa là nồng

độ đường thu được trong quá trình thủy phân rơm lúa mì và rơm lúa mạch có quaquá trình tiền xử lý thì cao hơn khi không qua quá trình tiền xử lý

Silverstein và cộng sự [20] đã đánh giá hiệu quả của việc tiền xử lý bằng acidsunfuric, sodium hydroxide, và ozon cho quá trình chuyển hóa thân cây bông thànhethanol Tiền xử lý bằng H2SO4, NaOH đậm đặc cho thấy lignin bị phân hủy mộtlượng đáng kể và tạo ra một lượng đường lớn, do đó quá trình thủy phân diễn rađược nhanh chóng bằng Celluclast 1.5 L và Novozym 188 Còn xử lý bằng ozon thì

ít gây biến đổi lignin và hầu như không biến đổi hemicellulose, cellulose Wyman

và cộng sự [21] đã nghiên cứu các công nghệ tiền xử lý khác nhau cho cây bắp vàrút ra được kết luận là các công nghệ khác nhau mang lại kết quả khác nhau, việclựa chọn công nghệ tiền xử lý tùy thuộc vào thành phần của sinh khối muốn chuyểnđổi

Trang 34

Bảng 2.3 Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp tiền xử lý [18].

PP Ưu điểm Nhược điểm

Chia nhỏ vật liệu (xay,

nghiền) Giảm kích thước vi sợicellulose, tăng bề mặt tiếp xúc Tiêu tốn nhiều năng lượng

Nổ hơi nước (tăng giảm

áp lực đột ngột) Loại bỏ hemicellulose, biến đổilignin; chi phí thấp Phân hủy và biến đổi cấutrúc các hydro carbon; tạo

ra các hợp chất ức chế

Nổ amoniac (AFEX) Tăng độ xốp, không tạo ra hợp

chất ức chế Việc loại bỏ lignin vàhemicellulose bị giới hạn,

không thích hợp cho vật liệu chứa nhiều lignin.

Nổ CO 2 Tăng độ xốp, chi phí thấp,

không tạo ra hợp chất ức chế Hemicellulose và lignin ít bịbiến đổi

Ozon (O 3 ) Giảm hàm lượng lignin, không

tạo ra chất ức chế Cần lượng lớn ozon, tốnnhiều chi phí

Acid thủy phân Thủy phân hemicellulose thành

Xylose, thay đổi cấu trúc lignin Chi phí cao; ăn mòn thiết bị;tạo ra các hợp chất ức chế

Kiềm thủy phân Loại bỏ lignin và hemicellulose;

tăng độ xốp Thời gian phản ứng dài;muối sinh ra sẽ liên kết chặt

chẽ với vật liệu

Dung môi hữu cơ Lignin và hemicellulose được

thủy phân Khó loại bỏ và thu hồi dungmôi; chi phí cao

Nhiệt phân Tạo sản phẩm ở dạng khí và

Điện từ trường Thiết bi đơn giản; phá hủy được

tế bào thực vật Phương pháp đang trongquá trình nghiên cứu

Sinh học Loại bỏ lignin; tiêu tốn ít năng

lượng; thân thiện với môi trường Hiệu quả còn thấp

Các phương pháp tiền xử lý như vật lý, hóa lý, hóa chất hay điện trường chokết quả tốt nhưng đòi hỏi dụng cụ mắc tiền hoặc trang thiết bị có yêu cầu năng

Trang 35

23

lượng cao vì thế sẽ tốn nhiều chi phí, nhiều năng lượng và có thể tạo thành các sảnphẩm phụ làm ức chế quá trình thủy phân và quá trình lên men tiếp theo Cònphương pháp sinh học, bằng việc sử dụng các loại nấm mốc, là phương phápkhông gây hại và thân thiện với môi trường, đang ngày càng được ủng hộ Quátrình tiền xử lý bằng phương pháp sinh học không đòi hỏi năng lượng cao để có thểloại bỏ lignin ra khỏi sinh khối lignocellulose, nhưng việc loại bỏ lignin lại cầnthời gian dài [17]

Trong luận văn này quá trình tiền xử lý được thực hiện bằng phương phápkiềm (NaOH)

2.4.3 Quá trình thủy phân

2.4.3.1 Khái quát

Quá trình thủy phân cellulose được thực hiện bởi axit thủy phân hoặc enzyme thủyphân Vào cuối thế kỉ 19 và đầu thế kỉ 20, quá trình thủy phân được thực hiện bởi phảnứng giữa cellulose với axit Axit loãng được sử dụng dưới điều kiện nhiệt độ cao và ápsuất cao, còn axit đậm đặc được sử dụng ở nhiệt độ thấp và áp suất khí quyển Quá trìnhthủy phân bằng axit loãng xảy ra ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao dẫn đến sự tạo thànhcác chất độc hại có thể ảnh hưởng không tốt đến quá trình lên men như các acid hữu cơ cótrọng lượng phân tử thấp, dẫn xuất furan và các hợp chất vô cơ Các mắt xích củacellulose có thể bị phân cắt thành các phân tử đường glucose riêng lẻ bằng enzymecellulase

b Yêu cầu đối với cellulase

Sự phát triển của quá trình chuyển hóa biomass - một nguồn nguyên liệuthô, ít giá trị, thành bioethanol thông qua quá trình lên men đặt ra yêu cầu một

Trang 36

số bước đặc biệt là việc sản xuất enzyme cellulase cần phải được tối ưu Sảnxuất cellulase quan trọng vì việc thủy phân cellulose có hiệu quả cần một lượnglớn enzyme cellulase (1kg cellulase cho 50 kg cellulose) Giá của enzyme nàykhá cao 0.3 - 0.81 dollar/gam Hiện nay, yêu cầu cụ thể đặt ra với enzyme làcellulase có giá thành rẻ, hoạt tính đặc hiệu cao, độ ổn định cao, chịu được pH

và nhiệt độ [7]

c Nhóm enzyme cellulase

Mặc dù là loại polymer sinh học phong phú, cellulose lại rất bền vững vàkhó bị phá vỡ vì cellulose có độ kết tinh cao, không tan trong nước, có khảnăng chống lại các quá trình depolymer hóa Quá trình thủy phân cellulose tạothành glucose được thực hiện nhờ sự tác dụng hiệp đồng của 3 nhóm enzymeđặc trưng khác nhau [7]:

+ “Endo-1,4-β-glucanases” (EG) hay 1,4-β-D-glucan 4-glucanohydrolases(EC 3.2.1.4), enzyme này sẽ tấn công ngẫu nhiên vào các cơ chất 1,4-β-glucan cả tan và không tan [7]

+ “Exo -1,4-β-D-glucanases” bao gồm 1,4-β-D-glucan glucohydrolase (EC3.2.1.74), enzyme này có tác dụng giải phóng D-glucose từ 1,4-β-D-glucan

và thủy phân chậm D-cellobiose; ngoài ra còn có enzyme 1,4-β-D-glucancellobiohydrolase (EC 3.2.1.91) (CBH), enzyme này sẽ giải phóngcellobiose từ 1,4-β-glucan [7]

+ “β-D-glucosidase” hay còn gọi là β-D-glucoside glucohydrolase (EC3.2.1.21) có tác dụng tạo thành D-glucose từ celobiose là cellodextrin, cũngnhư các olygomer của glucose [7]

Vì vậy, enzyme cellulase là một phức hệ enzyme rất phức tạp, các loạienzyme lần lượt cắt phân tử cellulose để tạo ra sản phẩm cuối cùng là glucose[3] Trong luận văn này, để tiện việc trình bày nên gọi chung nhóm 3 enzymenày là cellulase

Trang 37

25

Hình 2.10 Tác dụng của từng enzyme.

d Các nguồn sản xuất cellulase

Enzyme cellulase là hệ enzym khá phổ biến ở hầu hết các loài vi sinh vật

có trong tự nhiên, bao gồm nấm mốc, xạ khuẩn và cả vi khuẩn Người ta thống

kê được có hơn 60 loại nấm mốc có khả năng tạo cellulase, gồm có các loạichính là soft-rot, brown-rot và white-rot Các loại nấm mốc thuộc nhóm cuốicùng (white-rot) có thể phân hủy cả cellulose và lignin [7]

e Cấu trúc enzyme cellulase

Trong những năm 1970, nhờ những phát triển trong lĩnh vực hóa sinh vàsinh học phân tử, người ta có thể nghiên cứu được cấu trúc của cellulase thông

qua giống nấm mốc Trichoderma reesi Đây là chủng nấm mốc phổ biến sản

sinh ra enzyme cellulase [7] Vào cuối những năm 1980, Abuja và cộng sự đã

đề nghị cấu trúc bậc 3 của Trichoderma reesei CBH I (enzyme thủy phân

cellobiose I - cellobiohydrolase I) và CBH II [7] Trong đó, enzyme gồm:

+ Trung tâm xúc tác (CD: catalytic domain) với kích thước lớn [7]

Trang 38

+ Trung tâm tạo liên kết với cellulose (CBD: cellulose binding domain) cókích thước nhỏ hơn Nghiên cứu cấu trúc của trung tâm tạo liên kết vớicellulose CBD của CBH I cho thấy đây là một chuỗi polypeptide gồm có 36amino acid và có một mặt thể hiện tính chất kỵ nước mạnh Về mặt lýthuyết, có thể kết luận rằng CBD có vai trò quan trọng trong việc ổn định sựliên kết tạm thời giữa cellulase và bề mặt cellulose Trên bề mặt cellulose cóvùng kỵ nước là do sự sắp xếp chặt chẽ và do liên kết hydrogen mạnh giữacác mạch cellulose, góp phần ngăn cản, không cho các phân tử lớn nhưnước xâm nhập vào cấu trúc này Chính tương tác giữa hai vùng có tính chất

kỵ nước của cellulose và CBD mà enzyme được liên kết với cellulose [7].+ Cầu nối peptide: có tác dụng liên kết hai trung tâm này lại với nhau Đối vớienzyme cellulase, cầu nối peptide là một vùng ái đường, được cấu tạo bởicác amino acid serine, threonin và praline [7]

Đối với T reesei CBH II, lõi protein có tác dụng phá vỡ cấu trúc vi sợi

của cellulose Sản phẩm thủy phân của CHB I giữ nguyên cấu trúc lập thể củaC1(C chứa nhóm OH hemiacetal), trong khi đó CBH II tạo sự nghịch đảo cấuhình của C1 thành đồng phân α [7]

Cellulase có nguồn gốc từ các giống nấm mốc khác cũng như từ vikhuẩn đều có cấu trúc tương tự [7]

f Cơ chế tác dụng của enzyme

Khi có sự tham gia xúc tác của các enzyme, cơ chất sẽ được hoạt hóamạnh Cơ chất tương tác với enzyme do sự cực hóa, sự chuyển dịch của cácelectron, sự biến dạng các liên kết Từ đó làm thay đổi động năng, thế năng dẫntới cơ chất trở nên dễ dàng tham gia vào các phản ứng hơn Quá trình xúc táccủa enzyme xảy ra qua ba giai đoạn [3]:

E +S  ES  E + PTrong đó: E - enzyme; S - cơ chất; P - sản phẩm

 Enzyme sẽ kết hợp với cơ chất bằng những liên kết yếu, nhờ đó sẽ tạo raphức hợp ES, phức này không bền Giai đoạn thường này xảy ra rất nhanh

và đòi hỏi một ít năng lượng [3]

Trang 39

27

 Cơ chất bị biến đổi, dẫn tới làm căng, phá vỡ các liên kết đồng hóa trị [3]

 Sản phẩm được tạo thành, tách ra khỏi enzyme, enzyme được giải phóng vàtrở lại trạng thái tự do [3]

2.4.4 Quá trình lên men

2.4.4.1 Khái niệm

Bản chất của quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử Quá trình oxy hóanày lại xảy ra trong cơ thể sinh vật dưới tác động của hệ thống enzyme, cho nênngười ta gọi quá trình lên men là quá trình oxy hóa sinh học

C6H12O62C2H5OH + 2CO2 + QTrong quá trình lên men, dịch đã đường hóa chuyển hóa thành bioethanol

bởi xúc tác sinh học như men Saccharomyces cerevisiae hoặc vi khuẩn Zymomonas Saccharomyces cerevisiae và các loại men cùng họ có khả năng

chuyển hóa nhiều loại đường như glucose, fructose, sucrose, galactose, maltose vàmaltotriose để tăng hiệu suất thu bioethanol [13]

Sự tạo thành bioethanol từ glucose phải trải qua nhiều giai đoạn, sơ đồ hìnhthành bioethanol từ glucose (Hình 2.11):

Hình 2.11 Sơ đồ hình thành ethanol từ glucose.

Trang 40

2.4.4.2 Các loại giống nấm men

Nấm men tiến hành lên men đường tạo thành ethanol Lignocellulose được

cấu tạo từ đường 5 và đường 6 Nấm men Saccharomyces cerevisiae có thể lên

men đường 6 (glucose) hiệu quả nhưng vẫn chưa tìm được chủng nấm men thíchhợp để lên men đường 5 (xylose)

Nấm men thích hợp cho quá trình lên men cần có một số tính chất sau: hiệusuất lên men cao; chịu được ethanol; chịu được các sản phẩm phụ của quá trìnhthuỷ phân; lên men ở pH thấp, có thể tiêu thụ nhiều cơ chất khác nhau Có haichủng nấm men đang được sử dụng phổ biến:

+ Saccaromyces cerevisiae là loại nấm men được sử dụng phổ biến cho lên men glucose S.cerevisiae có các ưu điểm như: chịu được nồng độ

ethanol cao, ít sản phẩm phụ, tốc độ lên men cao trong môi trường acid,chịu được acid acetic Tuy nhiên, nấm men này không có khả năng lênmen đường 5 cụ thể là không thể lên men xylose

+ Pichia stipitis: là loại nấm men phổ biến nhất trong các chủng nấm men

có thể lên men đường 5 Pichia stipitis có các ưu điểm như cho hiệu suất

tiêu thụ xylose cao, chịu được nhiệt độ và nồng độ cơ chất cao Tuy nhiênlại bị ức chế bởi ethanol nồng độ cao

Hình 2.12 Giống nấm men Pichia stiptis và Saccharomyces cerevisiae.

Ngày nay, thế giới có xu hướng sử dụng công nghệ gene để kết hợp cácchủng nấm men vừa có khả năng lên men đường 6, vừa có khả năng lên menđường 5 Trong nghiên cứu này, chỉ nghiên cứu quá trình lên men đường 6

(hexose) nên chúng tôi chỉ sử dụng nấm men Saccharomyces cerevisiae.

Định dạng
Số trang	103
Dung lượng	4,99 MB