Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ bã mía

CBHD: TS. LÊ ĐỨC TRUNG KS. LÊ THỊ QUỲNH TRÂM SVTH: NGUYỄN ĐÌNH TIẾN MSSV: 60604423 TP HỒ CHÍ MINH, 1/2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL NHIÊN LIỆU TỪ BÃ MÍA iii LỜI CẢM ƠN 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 và Tài 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 các vấn đề liên quan, cung cấp hóa chất và một số tài liệu có ích trong suốt thời gian tôi thực hiện luận văn. TS. Huỳnh Ngọc Oanh - Bộ môn Công nghệ Sinh học, Đại học Bách Khoa Tp HCM - đã tạo một không gian làm việc hết sức thuận lợi trong suốt thời gian tôi thực hiện luận 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 tôi thực hiện luận văn. Các cán bộ phòng thí nghiệm 102, 108, 117 của Bộ môn Công nghệ Sinh Học, Đại học Bách Khoa Tp HCM đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể sử dụng các trang thiết bị và dụng cụ thí nghiệm. Tất cả các thầy cô giáo - Bộ môn Công nghệ Sinh học, Đại học Bách Khoa Tp HCM - 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! iv TÓM TẮT Bã mía chiếm tỉ lệ lớn trong các phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam. Với thành phần chứa hơn 45% là cellulose, bã mía là nguồn nguyên liệu thích hợp cho quá trình sản xuất ethanol. Luận văn này nghiên cứu quá trình sản xuất ethanol nhiên liệu từ bã mía và được chia làm hai phần. Phần đầu: nghiên cứu quá trình thuỷ phân. Và phần hai: nghiên cứu 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% bã rắn, 5% enzyme, pH 4.8 và các mẫu được lắc với vận tốc 100 rpm trong 28 giờ ở 50 0 C. 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 48 giờ ở 37 0 C. Quá trình này thu được 32.7 g/l ethanol tương ứng hiệu suất là 87.13%. Kết quả này cho thấy quá trình thuỷ phân và lên men đồng thời rất thích hợp cho việc sản xuất ethanol từ bã mía. v ABSTRACT In Viet Nam, bagasse composes the main portion in agricultural byproducts. Containing above 45% of cellulose, bagasse is such a potential feedstock for ethanol production. This thesis does research on producing ethanol form bagasse and can be divided into 2 parts. The first part: studies the saccharification. The second part: explores the 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 utilize d 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 dry solid, 5% of enzyme, pH 4.8 and samples were shaken at 100 rpm for 28 hours at 50 0 C. 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 includes 10% of dry solid, 5% of enzyme, 10% of yeast, pH 4.8, and samples were shaken at 100 rpm for 48 hours at 37 0 C. 32.7 g/l ethanol was formed with the yield of 87.13%. This result indicates that SSF is such a suitable process for producing ethanol from bagasse. vi 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 vii 2.4.5 Quá trình thủy phân và lên men đồng thời 29 CHƯƠNG 3: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31 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 viii 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 ix DANH MỤC BẢNG 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 x 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 đồng thời 72 Bảng 4.16 Số liệu thu được ở thí nghiệm khảo sát tỷ lệ giống. 74 Bảng 4.17 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của % giống đến quá trình thủy phân và lên men đồng thời 74 Bảng 4.18 Số liệu thu được ở thí nghiệm khảo sát pH. 76 Bảng 4.19 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình thủy phân và lên men đồng thời 76 Bảng 4.20 Số liệu thu được ở thí nghiệm khảo sát thời gian 79 Bảng 4.21 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình thủy phân và lên men đồng thời 79 xi DANH MỤC HÌNH 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 . CBHD: TS. LÊ ĐỨC TRUNG KS. LÊ THỊ QUỲNH TRÂM SVTH: NGUYỄN ĐÌNH TIẾN MSSV: 60604423 TP HỒ CHÍ MINH, 1/2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ. 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. 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 bioethanol dùng phương