Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thủy phân

Tiểu luận : “Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thuûy phaân” ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN  Tiểu luận : “Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thuûy phaân” Giảng viên : GS.TS. Lê Chí Hiệp Họ và tên : Nguyễn Quốc Tấn Lớp : QLMT.2010 MSHV : 201010028 Tp.Hồ Chí Minh, tháng 5/2011 Nguyễn Quốc Tấn . MSHV: 201010028 1 Tiểu luận : “Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thủy phân” Chương 1 LỜI MỞ ĐẦU Trên thế giới ngày nay, đặc biệt là ở những nước công nghiệp phát triển, nghiên cứu sản xuất và ứng dụng các năng lượng ethanol ngày càng trở nên mạnh mẽ. Theo các thống kê gần đây, hầu hết enzym công nghiệp đều có nguồn gốc từ vi sinh vật. Quy mô sản xuất, mức độ và hiệu quả ứng dụng tùy thuộc trình độ sản xuất công nghiệp ở mỗi nước. Tuy nhiên, đa số các chế phẩm enzym hiện hữu được ứng dụng nhiều nhất trong các lónh vực công nghiệp thực phẩm, y tế và nghiên cứu khoa học. Trong đó, nghiên cứu sản xuất và ứng dụng cellulase đang được quan tâm một cách đặc biệt bởi cellulose là một nguồn nguyên liệu phong phú trên trái đất. Ở nước ta, chất thải hữu cơ có nguồn gốc thực vật thải ra môi trường hàng năm chiếm một tỷ trọng đáng kể, trong đó cellulose – loại chất hữu cơ khó phân hủy,chiếm khoảng 50%, có thể gây ô nhiễm cho môi trường, đáng chú ý nhất là bã mía, bã khoai mì sau khi chiết rút hết tinh bột… Gần đây, bã mía và bã khoai mì được khai thác tận dụng làm thức ăn cho vật nuôi, làm phân hữu cơ bón cho cây trồng nông nghiệp. Ngày nay, sức ép từ cuộc khủng hoảng dầu mỏ đang là vấn đề nan giải cho các quốc gia trên thế giới. Và nguồn nhiên liệu sinh học đang được nghiên cứu mạnh và đạt được nhiều thành tựu. Công nghệï sản xuất nhiên liệu sinh học đã và đang được áp dụng rộng rãi trên thế giới, trong đó có Việt Nam. Tiểu luận “Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thủy phân” được thực hiện nhằm nghiên cứu cơ sở khoa học cho việc tạo ra và ứng dụng năng lượng sinh học từ cellulase phế thải nơng nghiệp. Nguyễn Quốc Tấn . MSHV: 201010028 2 Tiểu luận : “Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thủy phân” Chương 2: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NGUN LIỆU II. TỔNG QUAN VỀ NGUỒN BÃ M ÍA, SẮN V À CELLULOSE II.1. Cây mía và nguồn bã mía: Về mặt tài nguyên tự nhiên như khí hậu, đất đai, Việt Nam được đánh giá là nước có tiềm năng trung bình khá để phát triển mía cây. Việt Nam có đủ đất đồng bằng, lượng mưa nói chung tốt (1400mm đến 2000mm/năm), nhiệt độ phù hợp, độ nắng 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. [1] Nguyễn Quốc Tấn . MSHV: 201010028 3 Tiểu luận : “Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thuûy phaân” Hình 1: phân bố các vùng trồng mía ở Việt Nam [1] Nguyễn Quốc Tấn . MSHV: 201010028 4 Tiểu luận : “Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thủy phân” Hình 2: Sản lượng ( triệu tấn ) và năng suất mía ( tấn/mía ) qua các vụ [1] Bảng : thành phần hố học của bã mia (%trọng lượng khơ) [2] Hiện nay mỗi năm có khoảng 1,3 triệu tấn đường được sản xuất (quy mô công nghiệp và dân tự chế biến), tức khoảng 3 triệu tấn bã mía được thải ra. Đây là nguồn nguyện liệu rất lớn cho việc sản xuất ethanol. II.2. Cây sắn: Việt Nam là nước xuất khẩu tinh bột sắn đứng thứ 3 trên thế giới, sau Indonesia và Thái Lan. Năm 2006, diện tích đất trồng sắn đạt 475.000 ha, sản lượng tinh bột sắn đạt 7.714.000 tấn. Thị trường xuất khẩu chính của Việt Nam là Trung Quốc, Đài Loan. Cùng với diện tích sắn được nâng lên, năng suất thu hoạch sắn cũng như sản lượng tinh bột sắn Nguyễn Quốc Tấn . MSHV: 201010028 5 Tiểu luận : “Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thuûy phaân” được sản xuất cũng tăng lên theo thời gian. Hình 3 mô tả tốc độ tăng trưởng về diện tích trồng sắn, năng suất và sản lượng tinh bột sắn của Việt nam. Theo hình 3, tốc độ phát triển của sản lượng tinh bột sắn cao hơn gấp nhiều lần so với sự gia tăng của diện tích trồng sắn. Hình 3: Biểu đồ tăng trưởng diện tích, năng suất và sản lượng tinh bột sắn ở nước ta. Bảng : thành phần của cám mì(sắn) [2] Nguyễn Quốc Tấn . MSHV: 201010028 6 Tiểu luận : “Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thủy phân” II.3. Cellulose: Cellulose là một polyme với khoảng 12.000 đơn vò monome là các phân tử glucose. Các phân tử glucose trong cellulose được liên kết với nhau bằng các liên kết 1-4 β. Các liên kết này là liên kết thẳng hàng không phân nhánh. Hình 4: liên kết 1,4 bêta trong cellulose [3] Có 2 liên kết chính trong cấu trúc mạch cellulose. Liên kết hydro nội phân tử giữa các phân tử glucose trong chuỗi cellulose. Bên cạnh đó liên kết hydro liên phân tử giúp liên kết các phân tử glucose giữa các chuỗi với nhau. Chính vì lí do đó nên cellulose có độ bền cơ học cao và hầu như không bò hòa tan bởi hầu hết các dung môi . Nguyễn Quốc Tấn . MSHV: 201010028 7 Tiểu luận : “Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thủy phân” Hình 5: Liên kết hydro trong cellulose [3] Cellulose tồn trại trong thành tế bào tồn tại 2 trạng thái là trạng thái kết tinh và trạng thái vô đònh hình. Trong cấu trúc của bó sợi cellulose, các phân tử glucose liênkết với nhau có trật tự và được đònh hướng sẽ tạo thành cấu trúc kết tinh của cellulose. Mặt khác khi các liên kết 1,4 βâ- glucose sắp xếp theo các hướng ngẫu nhiên thì sẽ tạo ra cấu trúc cellulose vô đònh hình. Hình 6 : Cấu trúc vùng kết tinh và vơ định hình của cellulose [3] Do cấu trúc đặc sít và có trật tự hơn cellulose vô đònh hình nên cellulose kết tinh có độ bền cơ học cao hơn và khả năng hút thấm nước kém hơn dạng vô đònh hình. Trong thành tế bào, tỉ lệ cellulose kết tinh thường cao hơn rất nhiều so với phần vô đònh Nguyễn Quốc Tấn . MSHV: 201010028 8 Tiểu luận : “Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thủy phân” hình. Phần vô đònh hình thường nằm xen kẽ trong phần cellulose kết tinh. Những nghiên 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 đònh hình và kết tinh có khả năng chuyển hóa qua lại lẫn nhau. Ở nhiệt độ thấp hơn 300 o C (áp suất hơi bão hòa) thì xu hướng cellulose chuyển từ dạng kết tinh sang dạng vô đònh hình. Trong khi đó dạng kết tinh sẽ chuyển thành vô đònh hình khi xử lý nhiệt trên 300 o C dưới áp suất hơi bão hòa [3]. CHƯƠNG 3 SỰ CHUYỂN HỐ ETHANOL Cellulase là hệ enzym xúc tác quá trình chuyển hóa cellulose thành các sản phẩm hòa tan thông qua xúc tác thủy giải liên kết β-1,4-glucoside. Hệ enzym cellulase khá phức tạp. Một mặt chúng như một enzym cảm ứng, mặt khác chúng lại chòu tác động bởi sản phẩm cuối và chòu kiểm soát bởi cơ chế kiềm chế dò hóa [4]. Trong đó, cấu trúc enzyme gồm: - Trung tâm xúc tác (CD: catalytic domain) với kích thước lớn. - Trung tâm tạo liên kết với cellulose (CBD: cellulose binding domain) có kích thước nhỏ hơn. III.1. Tính chất Cellulase thủy phân cellulose tự nhiên và các dẫn xuất như carboxymethyl cellulose (CMC) hoặc hydroxyethyl cellulose (HEC). Nguyễn Quốc Tấn . MSHV: 201010028 9 Tiểu luận : “Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thủy phân” Cellulase cắt liên kết β-1,4- βglucoside trong cellulose, lichenin và các β-D-glucan của ngũ cốc. Độ bền nhiệt và tính đặc hiệu cơ chất có thể khác nhau. Cellulase hoạt động ở pH từ 3 - 7, nhưng pH tối thích trong khoảng 4 và 5. Nhiệt độ tối ưu từ 40 – 500 0 C. Hoạt tính cellulase bò phá hủy hoàn toàn ở 80 o C trong 10 - 15 phút. Cellulase bò ức chế bởi các sản phẩm phản ứng của nó như glucose, cellobiose và bò ức chế hoàn toàn bởi Hg. Ngoài ra, cellulase còn bò ức chế bởi các ion kim loại khác như Mn, Ag, Zn nhưng ở mức độ nhẹ. III.2. Cơ chế thủy phân: Quá trình tác dụng thủy phân của cellulase có thể chia thành những giai đoạn sau: III.2.1. Quá trình hấp phụ enzyme lên xơ sợi: Có hai yếu tố quyết đònh năng lượng hấp phụ của protein lên bề mặt phân pha rắn/lỏng là bản chất của bề mặt và lực liên kết giữa các phân tử. Những tương tác này thường tạo thành do liên kết hydro, lực tónh điện hoặc là tương tác giữa các nhóm kỵ nước. Các phân tử protein hay các ion khối lượng phân tử thấp đã hấp phụ trước trên bề mặt sẽ có ảnh hưởng đến sự hấp phụ mới. Lực tónh điện góp phần vào việc hấp phụ của protein (enzyme) lên bề mặt phân pha, tuy nhiên không phải là yếu tố quyết đònh quá trình hấp phụ của protein. Protein là một polymer lưỡng cực, chứa cả điện tích dương và âm, điều này làm cho protein có bản chất của một phân tử hoạt động bề mặt. Phần Nguyễn Quốc Tấn . MSHV: 201010028 10 [...]... III.4.Sự tạo thành ethanol: Dưới tác dụng của các enzyme các cellulose, các phân tử tinh bột mì sẽ bị thuỷ phân cắt ngắn các mạch thành các phân tử có khối lượng nhỏ hơn, và cu ối cùng của phản ứng là các phân tử glucozo: Các phân tử Glucozo này tham gia phản ứng lên men tạo ethanol: 15 Nguyễn Quốc Tấn MSHV: 201010028 Tiểu luận : Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thủy phân Hình 8:... Quốc Tấn MSHV: 201010028 Tiểu luận : Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thủy phân III.3 Các yếu tố ảnh hưởng quá trình thủy phân: III.3.1 Ảnh hưởng của cấu trúc nguyên liệu: Cấu trúc tự nhiên của lignocellulose tạo ra nhiều cản trở đến quá trình tấn công của các tác nhân thủy phân Ngay cả quá trình thủy phân cellulose tinh khiết, tốc độ thủy phân cũng giảm theo thời gian Tốc độ phản... từ các cellulase thủy phân Hình 8: sơ đồ cơng nghệ sản xuất ethanol Qua sơ đồ cơng nghệ ta thấy q trình này thưc chất đã được chúng ta ứng dụng sản xuất etylic thực phẩm ở các hộ sản xuất nhỏ lẻ 16 Nguyễn Quốc Tấn MSHV: 201010028 Tiểu luận : Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thủy phân Chương IV: VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG SINH HỌC TẠI VIỆT NAM Ngày 20.11.2007, Thủ tướng Chính phủ đã ban... Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thủy phân kỵ nước trong phân tử protein là những nhóm chứa nhân thơm như trong tryptophane, phenylalanine và tyrosine Bề mặt cellulose mang bản chất kỵ nước do giữa các mạch tạo liên kết hydro (không còn nhóm phân cực tự do) Cellulose tinh khiết không chứa nhóm mang điện Trong thực tế, điện tích bề mặt của các chất sẽ được tạo thành khi có sự phân. .. phản ứng Khi nồng độ cơ chất đủ lớn, các enzyme bò bão hòa cơ chất, vì vậy, tăng nồng độ cơ chất thì tốc độ phản ứng sẽ không thay đổi đáng kể [6] 14 Nguyễn Quốc Tấn MSHV: 201010028 Tiểu luận : Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thủy phân III.3.6 Ảnh hưởng của các chất kìm hãm: Các chất kìm hãm hoạt động của enzyme thường là các chất có mặt trong các phản ứng enzyme, làm giảm hoạt... đó để sản xuất NLSH, cần phải tham vấn các nhà kinh tế học để đảm bảo khơng có một yếu tố duy ý chí nào xen vào chu trình biến NLSH thành hàng hóa Việc phát triển NLSH khơng thể nằm ngồi quy luật Tiền - Hàng, một Quy luật cơ bản của kinh tế thị trường 17 Nguyễn Quốc Tấn MSHV: 201010028 Tiểu luận : Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thủy phân Các sản phẩm được gọi là hàng hóa phải... nhiệt độ 40 – 50oC Riêng đối với enzyme cellulase, nhiệt độ tối ưu là 50oC Những enzyme khác nhau đều có nhiệt độ tối ưu khác nhau [6] Nhiệt độ tương ứng với tốc độ phản ứng enzyme cao nhất được gọi là nhiệt độ tối ưu 13 Nguyễn Quốc Tấn MSHV: 201010028 Tiểu luận : Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thủy phân Phản ứng vô hoạt của enzyme dưới tác dụng của nhiệt thường biểu diễn là phản... lâu, khi mà 18 Nguyễn Quốc Tấn MSHV: 201010028 Tiểu luận : Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thủy phân tiến trình hội nhập ngày càng sâu rộng và quyết liệt? Rất nhiều đề án trồng cây Jatropha với nhiều hecta đất từ Bắc chí Nam được đệ trình; rất nhiều đề án trồng mía, khoai mỳ để sản xuất etanol được xây dựng Tất cả các đề án đó, nhiều hay ít, đều dựa trên cơ sở miễn thuế, giảm... một số nước, người ta chỉ có thể trồng đại trà một số loại 19 Nguyễn Quốc Tấn MSHV: 201010028 Tiểu luận : Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thủy phân cây có dầu nhất định - gọi là cây chủ lực, trong khi ở Việt Nam - có rất nhiều loại cây cho hạt có dầu quanh năm, có thể sử dụng - lại chỉ tập trung chú trọng vào một loại nào đó, cho dù nó có những tính chất đặc biệt Những quan niệm... giảm của các phần cơ chất dễ thủy phân  enzyme bò bất hoạt hoặc bò giữ lại trong các lỗ xốp của cellulose Hiệu suất quá trình thủy phân bò ảnh hưởng mạnh bởi tính chất của nguồn nguyên liệu Một cách tổng quát, gỗ mềm thường khó thủy phân hơn gỗ cứng Cấu trúc của nguyên liệu và cơ chế tác động của enzyme và cơ chất là hai yếu tố chính làm hạn chế hiệu suất quá trình thủy phân Hàm lượng và sự phân bố . Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thuûy phaân” ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN  Tiểu luận : Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ. khoa học cho việc tạo ra và ứng dụng năng lượng sinh học từ cellulase phế thải nơng nghiệp. Nguyễn Quốc Tấn . MSHV: 201010028 2 Tiểu luận : Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thủy. : Sử dụng năng lượng ethanol sinh học từ các cellulase thủy phân Hình 2: Sản lượng ( triệu tấn ) và năng suất mía ( tấn/mía ) qua các vụ [1] Bảng : thành phần hố học của bã mia (%trọng lượng