Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ, vỏ trấu giai đoạn tiền xử lý và thủy phân

1 TÁC GIẢ: Phạm Thị Thùy Loan Nguyễn Thị Hồng Nhung TÓM TẮT Ngày nay, sức ép tò khủng hoảng dầu mỏ nhu cầu lượng vấn đề nan giải quốc gia giới Trong thời điểm nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày trở nên đắt đỏ gần cạn kiệt, nước giới không ngừng tập trung nghiên cứu tìm kiếm nguồn lượng thay Ethanol đánh giá nguồn cung cấp nhiên liệu tốt cho tưomg lai nhờ khả tái tạo thân thiện với môi trường, thay hoàn toàn cho xăng sản xuất với lượng lớn Vì vậy, người ta nghĩ đến việc sản xuất nhiên liệu lỏng từ cellulose rơm rạ, phế phẩm khác, gọi chung biomass, thải giới năm lên đến hàng tỷ Nếu thủy phân cellulose thành glucose người có nguồn nguyên Hệu vô tận tốn để tạo nhiên liệu.Giải pháp sản xuất ethanol từ phế phẩm nông nghiệp đặc biệt thích hợp với quốc gia nông nghiệp Việt Nam Mục tiêu nghiên cứu đề tài nhằm nghiên cứu thông số công nghệ sản xuất ethanol nhiên liệu từ Biomass Nội dung nghiên cứu gồm phần chính: nghiên cứu trình nổ hơi, trình thủy phân gián đọan, thủy phân liên tục Cellulose thành phần có khả thủy phân thảnh glucose để sản xuất ethanol chiếm 37.87% rơm rạ 33.03% trấu Quy trình nổ nhanh tiến hành với thời gian lưu phút nhiệt độ 230°c (đối với rơm) 240°c (đối với trấu) môi trường nước bão hòa 70% ẩm để tạo cấu trúc xốp tối ưu cho cellulose Enzyme cellusoftL sử dụng cho trình thủy phân với điều kiện nhiệt độ tỉ lệ xơ sợi khác Thủy phân với 5% nguyên liêu cho tối đa 81.19% cellulose chuyển hóa thảnh glucose (tính lượng cellulose rơm rạ ban đầu) 52.38% cellulose chuyển hóa thành glucose (tính lượng cellulose trấu ban đầu) Thủy phân lên men đồng thời (SSF) giúp tiêu thụ lượng glucose dung dịch thủy phân, hạn chế ức chế glucose từ thúc đẩy trình thủy phân tiết kiệm enzyme Quá trình SSF thực hiên liên tục thiết bị khác đề nghị để khắc phục ảnh hưởng nhiệt độ Đồng thời áp dụng kỹ thuật cố định tế bào nấm men vào giai đoạn lên men quy trình sản xuất liên tục Đối với trình thủy phân trên, nồng độ Gluco khoảng 0.5 -> 1.2 %, lượng Enzym sử dụng thời gian thủy phân đạt hợp lý mặt kinh tế MỤC LỤC I Đătvấn đề Đối tượng nghiên cứu 1.1 Giới thiệu biomass 1.2 Quá trình chuyển hóa biomass thành ethanol 1.2.1 Giai đoạn tiền xử lý phương pháp nổ 1.2.2 Quá trình thủy phân enzyme cellulase 1.2.3 Quá trình lên men 1.3 Quá trình thủy phân lên men đồng thòi Tình hình sản xuất ethanol nhiên liệu từ biomass nước Những vấn đề tồn cần nghiên cứu II Giải vấn đề Mục tiêu công trình Phương pháp nghiên cứu 2.1 Thiết bị sử dụng 2.2 Phân tích thành phần Xtf sợi rơm rạ 2.2.1 Phân tích độ ẩm 2.2.2 Phân tích thành phần béo 2.2.3 Phân tích thành phần trích ly NDS 10 2.2.4 Phân tích thành phần ADS 10 2.2.5 Phân tích thành phần ADL 11 2.2.6 Phân tích tro 11 2.3 Phân tích nồng độ Glucose Ethanol thu 11 2.3.1 Phân tích nồng độ dung dịch đường 11 2.3.2 Phân tích nồng độ ethanol 11 2.3.3 Phân tích dịch thủy phân 12 Nội dung nghiên cứu 12 3.1 Thí nghiệm nỗ hoi 12 3.1.1 Trình tự tiến hành nổ chậm 12 r 14 Các kêt đạt được, 4.1 Thành phần nguyên liệu trước nổ hoi 14 4.2 Quá trình nỗ hoi 14 4.2.1 Nổ chậm 14 4.2.2 Nổ nhanh 15 4.3 Quá trình thủy phân 19 4.3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ nổ đến hiệu suất tạo Glucose 19 4.3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ nổ đến khả chuyển hóa Cellulose nguyên liệu ban đầu thành Gluco se - H3 20 m Kết luận 23 TÀI LIÊU THAM KHẢO 26 PHỤ LỤC 29 I Đặt vấn đề Đối tượng nghiên cứu 1.1 Giới thiệu bĩomass Biomas tập hợp hợp chất hữu có nguồn gốc từ thực vật (rễ, thân, lá) động vật (chất thải động vật, vi sinh vật) mà chúng sử dụng làm nhiên liệu hay đưa vào sản xuất cổng nghiệp Các nguồn cung cấp biomass phổ biến là: - Chất thải nông nghiệp: rơm, ttấu, bã mía, mía, phân gia súc, gia cầm, - Vật liệu từ gỗ: gỗ thải xây dựng, mùn cưa, dăm bào, - Các nguồn chất thải công nghiệp: công nghiệp giấy, công nghiệp chế biến lương thực thực phẩm - Nguồn tinh bột từ trồng: lúa, bắp, khoai mì, Có nhiều dạng nhiên liệu cố thể thu từ bỉomass kể rắn, lỏng, khí khỉ biogas, khí hydro nhờ lên men yếm khí bỉomass, hỗn hợp co H2 thu nhiệt phân biomass, methanol, ethanol, biodiesel Tuy nhiên, trước tình hình nhu cầu lượng ngày cao mà nguồn cung cấp từ nhiên liệu hóa thạch, dầu mỏ, khí đát ngày cạn kiệt, công dụng quan trọng bỉomass tổng hợp ethanol Đây nguồn nhiên liệu dồi thay nhiên liệu hóa thạch tương lai Hìnhl: Các phương pháp chuyển đổi từ biomass 1.2 Quá trình chuyền hóa biomass thành ethanol Hình 2: Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất ethanol từ biomass 1.2.1 Gỉaỉđoạn tiền xử lý phương pháp nể hơỉ Theo Chornet Overend (1988) nổ trình nhiệt-cơ-hóa (thermomechanochemical) Nhiệt độ (khỉ có mặt nước) tham gia vào trình phá vỡ cẩu trúc polymer (thermo) Lực xé nhỏ cấu trúc nước giảm áp đột ngột (mechano) Thủy phân liên kết polyme môi trường acid (chemical) ligrunceJIulosa Khi cận Xuảl hiộrí Cnng Vật Bệụ bậ bàng im sưầt lực giám áp Hình ỉ Mô tả ché trình nổ 1.2.2 Quá trình thủy phân enzyme celỉulase Quá trình thủy phân acid ban đầu phá vỡ cấu trúc cellulose mức độ định Quá trình thủy phân diễn theo bước sau: Bước 1: Acid xâm nhập vào mạng lưới vi sợi biomass Bước 2: Xúc tác trình thủy phân Bước 3: Giới hạn tốc độ trình thủy phân 1.2.3 Quá trình lên men Bản chất trình lên men trình oxy hóa chậm glucose Quá trình xảy thể sinh vật (cụ thể nấm men) với xúc tác hệ enzym zymase, trình gọi trình ôxy hóa sinh học.Có nhiều hệ enzym tham gia ôxy hóa glucose, có nhiều sản phẩm trung gian tạo thành Quá trình thủy phân lên men đồng thời Trong trình thủy phân gián đoạn, cellobio gây ức chế enzyme exoglucanas Glucose lại gây ức chế ß-glucosidas Do nồng độ glucose tăng cao làm cho nồng độ cellobio tăng theo, kết trình thủy phân diễn chậm dần dừng lại nồng độ glucose tăng lên Việc chuyển hóa glucose thành ethanol thúc đẩy nhanh trình phân giải cellobio, từ trình thủy phân cellulose diễn nhanh theo Trên sở nhận định Saddler (1982) nghiên cứu trình thủy phân lên men đồng thời biomass nổ Ông nhận thấy khác biệt lớn trình yếu tố nhiệt độ Trong nhiệt độ làm việc tốt cho trình thủy phân 50°C55°C với đa số chủng nấm men sống sót nhiệt độ lên đến 40°c Yếu tố thứ tác giả đề cập yếu tố ức chế nấm men Khi so sánh hiệu suất lên men gỗ nổ rửa nước kiềm, tác giả thấy sản phẩm nổ không rửa trước tiến hành SSF cho kết hẳn so với rửa nước hay kiềm trước lên men 1.3 Mức độ ức chế Enzyme Cellobiose exoglucanas K1B=5.85 g/1 ức chế mạnh ß-glucosidase Glucose K1G=53.16 g/1 Yếu Ethanol K1E=50.35 g/1 Trung bình Km= 10.56 g/1 K2G=0.62g/l chất ức chế mạnh Không ức chế Bảng 1: Mức độ ức chế enzym sản phẩm Tình hình sản xuấtethanol nhiên liệu từ biomass nước Cho đến nay, giới việc sản xuất ethanol từ biomass nói chung từ rơm rạ, vỏ trấu nói riêng chưa thực với quy mô công nghiệp nghiên cứu từ năm 1950 Lý lớn vấn đề hiệu kinh tế mang lại việc sản suất nhiên liệu ethanol so với nhiên liệu truyền thống xăng dầu Trước tình hình giá nhiên liệu tăng cao ô nhiễm môi trường ngày trầm trọng, đặc biệt ô nhiễm không khí khu đô thị lớn khí thải ô tô gây ra, việc sản xuất ethanol từ biomas lại ý tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện giới Ở nước có nguồn biomass phụ phẩm nông nghiệp dồi Canada Mỹ, Nhật dự án sản xuất ethanol từ rơm rạ với quy mô bán công nghiệp (vài chục ngày) dần nghiên cứu triển khai Các nước bắc Âu Hà lan, Thụy điển có dự án xây dựng nhà máy sản suất tinh chế ethanol dùng cho động Trong nước đà phát triển có nguồn rơm rạ dồi Việt nam việc sản xuất dần quan tâm Ở Việt Nam, có vài nghiên cứu ban đầu việc sản suất ethanol từ biomass nói chung rơm rạ nói riêng trường ĐH Bách khoa TpHCM Hằng năm, ethanol sản suất nước với sản lượng khoảng 25 triệu lít năm Trong đóchủ yếu làm từ mật rỉ, ngô, gạo khoai mì, chủ yếu phục vụ cho nghành công nghiệp thực phẩm hóa chất Tuy nhiên, tình hình lương thực ngày khan Với dân số tăng cao quỹ đất dành cho sản xuất nông nghiệp ngày bị thu hẹp việc sản xuất cồn từ nguyên liệu truyền thống khó mở rộng để đáp ứng cho nhu cầu nhiên liệu ngày tăng cao Ngày lệ thuộc vào dầu mỏ người ngày cao dẫn đến tình trạng suy thoái kinh tế xảy khủng hoảng dầu mỏ Chính nên ngày nhiều dự án nghiên cứu triển khai sử dụng lượng địa phương để thay dần dầu mỏ Trong tình hình ethanol giải pháp đánh giá cao cho khả thay nhiên liệu hóa thạch tương lai Tiềm lớn thân thiện với môi trường ưu điểm lớn loại nhiên liệu Những vấn đề tồn cần nghiên cứu Từ kết nghiên cứu trước đây, thấy, trình thủy phân lên men đồng thời cho hiệu suất cao so với việc tiến hành riêng rẽ Bên cạnh ưu điểm giải vấn đề ức chế hoạt động emzym tiến hành riêng rẽ glucose tạo thành tiêu thụ lập tức, giúp nâng cao tốc độ tạo glucose hiệu suất thủy phân; trì hàm lượng cellobio, glucose dung dịch thấp, lượng enzym sử dụng giảm xuống; ethanol tạo thành suốt trình làm giảm khả phát triển vi sinh vật, điều có lợi cho quy trình liên tục; giảm số thiết bị sử dụng trình tiến hành thiết bị; trình thủy phân lên men đồng thời tồn nhược điểm cần phải khắc phục Đó khác biệt nhiệt độ tiến hành trình thủy phân lên men Trong nhiệt độ làm việc tốt cho trình thủy phân 50 - 55°c hầu hết chủng nấm men sống sót nhiệt độ lên đến 40°c Việc tiến hành thủy phân lên men đồng thời khoảng nhiệt độ trung bình (37 - 38°C) gây cản trở cho trình Vì nghiên cứu theo hướng tiếp tục cải thiện nghiên cứu trước nước theo định hướng nghiên cứu nước nhằm hoàn thiện mặt thông tin công nghệ việc sản suất ethanol nhiên liệu từ rơm trấu II Giải vấn đề Mục tiêu công trình 4- Khảo sát trình xử lý rơm rạ - vỏ trấu thiết bị liên tục nước áp suất cao có giảm áp đột biến 4- Nghiên cứu ảnh hưởng trình nổ đến hiệu suất thủy phân rơm rạ enzyme cellulase sở cải thiện nghiên cứu trước theo hướng liên tục hóa trình thực 4- Nghiên cứu khả thủy phân rơm rạ - vỏ trấu xử lý Enzym Cellulase thiết bị liên tục Phương pháp nghiên cứu 2.1 Thiết bị sử dụng Thiết bị nổ có trung tâm nghiên cứu công nghệ lọc hóa dầu Thiết bị gồm có: * Bộ phận nổ tích lít có hệ thống gia nhiệt xung quanh để trì nhiệt độ.trong buồng nổ Rơm rạ nạp vào gián đoạn, mẻ nạp tối đa 500g rơm Thiết bị làm việc với áp suất tối đa 150bar, nhiệt độ tối đa 300°c Thiết bị nhả sản suất PARR instruments company USA cung cấp * Bộ phận xả: thiết bị hình trụ, tích lm3 nhằm tạo giảm áp đột ngột sau mở van tháo rơm khỏi bồn nạp liệu Hệ thống cấp nước nóng: có khả cài đặt tự động điều chỉnh nhiệt độ áp suất Nhiệt độ tối đa nước nóng cung cấp thiết bị 270°c, áp suất làm việc tối đa 50bar, lưu lượng thay đổi từ lOOml/phút - lOOOml/phút bơm nhập liệu áp suất cao 4- Bổ lắc điều nhiệt : sử dụng nước làm chất tải nhiệt Nhiệt độ làm việc 40 °c - 90°c 4- Máy sắc kí lỏng hiệu cao (HPLC) SHIMADZU * Đầu dò RID - 10A * Bơm cao áp LC - 20AD * Bộ phận tách khí DGU - 20 A3 * Bộ phận dò cột CTO - 20A * Bộ xử lý máy in c - R8A * Cột sử dụng phân tích SUGAR SH101, 8mmIDx300mml Pha tĩnh coopolymer styrene divinylbenzene, pha động dung dịch H2S04 0.05M 4- Cân phân tích 4- Cân kỹ thuật Shimadzu BX420H, max 420g Tủ sấy 4- Lò nung, Phân tích thành phần xơ sợi rơm rạ Tiến hành thí nghiệm phân tích thành phần chất béo, chất trích ly, hemicellulose, cellulose, lignin có nguyên liệu trước sau nổ để đánh giá hiệu trình tiền xử lý 2.2 2.2.1 Phân tích đô ẩm « Cân xác mj g nguyên liệu (trước sau nổ hơi) cho vào chén sứ đem sấy 105°c Sau cân lại khối lượng, ghi nhận giá trị m2 Độ ẩm nguyên liệu tính sau: %am=^?xl00 ml 2.2.2 Phân tích thành phần béo Nguyên liệu sau sấy khô đem nghiền nhỏ rây qua rây 250pm Cân lOg mẫu cho vào Glass Fiber Filter (GFF), cân khối lượng GFF mẫu W’,.Chuẩn bị 300 ml hệ dung môi Ethanol/Benzene với tỷ lệ 1:2 cho vào bình cầu có dung tích 500ml Đặt GFF có chứa mẫu vào Soxhlet Đun sôi dung môi (80°C) khoảng Lấy GFF khỏi Soxhlet, sấy tủ sấy nhiệt độ 105°c vòng Cân lại khối lượng GFF, W’2 = (các thành phần khác rơm rạ + GFF) Thành phần chất béo tách tính sau: W’ = w\ - W’2 10 2.2.3 Phân tích thành phần trích ly NDS Bước phân tích nhằm xác định tổng lượng xơ sợi (cellulose, hemicellulose, lignin) biomass cách cho nguyên liệu sau tách thành phần béo tác dụng với dung dịch NDS Dung dịch NDS là hệ chất có tác dụng tẩy rửa, hòa tan chất trích ly, lại xơ sợi tro, có thành phần sau: STT Hóa chất Nước cất EDTA Natri tetraborat decahydrate Natri dodecyl sulfate - ethoxyethanol Dinatri hydrophosphate Lượng dùng lít 18,61g 6,81g 30g 10ml 4,56g Bảng 2: Thành phần dung dịch NDS Tiến hành thí nghiệm sau: Cho 100ml dung dịch NDS, 2ml decahydronaphtalene 0,5g natri sulfite vào 0,5g mẫu (cân xác khối lượng mẫu ml) Đun hỗn hợp sôi (thường cần - phút ban đầu để chỉnh bếp đun) giữ cho hỗn hợp sôi vòng 60 phút Lọc dung dịch phễu Gooch Crucible, sau rửa nước sôi (vài lần) acetone (2 lần) Sấy khô Crucible nhiệt độ 105°c vòng 8h sau cân khối lượng crucible (Wt) WỊ = xơ sợi (cellulose + cellulose + lignin) + tro + crucible Nung Crucible lò nung (500~550°C) giờ, sau để nguội lò nung cân lại khối lượng Crucible (W2) w2 = tro + crucible Tính khối lượng xơ sợi: xơ sợi (cellulose + hemicellulose + lignin) = W, - w2 2.2.4 Phân tích thành phần ADS Phân tích ADS cho biêt tổng thành phần lignin cellulose rơm rạ Dung dịch ADS có tác dụng hòa tan hemicellulose thành phần dễ hòa tan khác Dung dịch ADS có thành phần sau: • Acid sulfuric (96 - 98%): 49.06g • CTAB (Cetyl TrimethylAmmonium Bromide): 20g • Nước cất: định mức đến lít Cân xác lg mẫu khô m2 cho vào bình cầu với 100ml dung dịch ADS, 2ml decahydronaphtalene Đun sôi tuần hoàn vòng 60 phút Lọc hỗn hợp phễu Gooch 18 Vì vậy, cần xem xét, đánh giá song song với hiệu suất thu hồi Cellulose nguyên liệu sau nổ hiệu suất thủy phân bã sau nổ Từ đó, tính toán đánh giá hiệu tổng cộng trình 4.2.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ nồ đến hàm lượng Cellulose nguyên liệu sau nỗ 55 ĩ? _ £ 50 ọ Ui 0 ọ O) Ị 40 ã '1 35 215 30 225 235 245 255 Nhiệt độ (oC) Hình 8: Đồ thị quan hệ nhiệt độ hàm lượng Cellulose bã rơm ưẩu nổ Hình 9: Biểu đồ so sánh % Cell bã Trẩu Rơm sau nể Tóm lai: • Quá trình tiền xử lý cần thiết cho nguyên liệu làm tăng % Cellulose làm tơi xốp cấu trúc sợi Cellulose thuận lợi cho trình thủy phân • Qúa trình nổ nhanh cho hiệu xử lý xem thích hợp cho hiệu thu hồi Cellulose sau nổ là: 19 o Trấu, 240°c, % Cell = 42.56 o Rơm, 230°c, % Cell = 53.10 • Đe đánh giá mức độ hiệu phương pháp nổ nhanh, ta tiến hành khảo sát trình thủy phân Cellulose thành Glucose 4.3 Quá trình thủy phân 4.3.1 Ảnh hưởng nhỉêt đô nể đến hỉêu suất tao Glucose 4.3.1.1 Hiệu suất tạo Gluco tỉnh bã thủy phẫnị hiệu suất thủy phân bã - HI ) Nhận xét: Khi nhiệt độ nổ tăng, hiệu suất thủy phân bã tăng Hiệu suất thủy phân bã đạt giá trị tốt tại: o Trấu, 240°c, Hj = 43.09 % o Rơm, 230°c, Hx = 85.61 % Khi nhiệt độ nổ vượt qua giá trị tối ưu này, hiệu suất bắt đầu giảm Hiệu suất thủy phân bã rơm cao trấu 4.3.1.2 Hiệu suất tạo Gluco tính nguyên liệu ban đầuịhỉệu suất thủy phân tổng cộng - H ) Khi tính toán hiệu trình, hiệu suất tổng hợp (bao gồm hiệu suất thủy phân hiệu suất nổ hơi) phải tính đến Hiệu suất thu hồi Gluco tính nguyên liệu thô ban đầu cho đồ thị sau đây: 20 Hình 11: Đồ thị quan hệ nhiệt độ hiệu suất thu hồi Glucose tính nguyên liệu rơm trẩu ban đầu Hiệu suất tổng cộng có kể đến hiệu suất thu hồi bã nổ (như trình bày trên) Như vậy, điều kiện nổ tốt Hiệu suất tổng cộng thu là: o Trấu, 240°c, H2 = 28.77 % o Rơm, 230°c, H2 = 48.77 % Theo kết trên, o Từ Trấu nguyên liệu thô, ta thu 287.7 kg Glucose o Từ Rơm nguyên liệu thô, ta thu 487.7 kg Glucose 4.3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ nể đến khả chuyển hóa Celỉulose nguyên liệu ban đầu thành Gluco - H3 80 70 60 s? 50 40 30 20 10 210 220 230 240 250 260 T(oC) Hình 12: Đồ thị quan hệ nhiệt độ hiệu suất chuyển hóa CeỉỉNLtrẩ„ thành Gluco Dựa vào đồ thị trên, hiệu suất chuyển hóa Cellulose nguyên liệu ban đầu thảnh Glucose điều kiện tối ưu có giá trị: o Trấu, 240°c, H2 = 52.38 % 21 o Rơm, 230°C,H2 = 81.19% Tóm lai; Khi nhiệt độ nổ tăng, hiệu suất thủy phân bã, hiệu suất thủy phân tính nguyên liệu thô khả chuyển hóa Celluỉo thành Gluco tính Cellulo nguyên liệu thô tăng Chế độ nổ tốt cho trình thủy phân sau: • Trấu Tai 240°c Nồng độ Hiệu suất thủy Gluco(%) Hiệu suất thủy phân tính nguyên liệu thô (%) phân bã(%) 2.155 43.09 Độ chuyển hóa CellNL> Gluco (%) 28.77 52.38 • Rơm Tai 230°c Nồng độ Gluco(%) Hiệu suất thủy phân bã (%) 4.28 Hiệu suất thủy phân tính nguyên liệu thô(%) 85.6 Độ chuyển hóa CellNL> Gluco(%) 48.77 81.19 Nguyên liệu Rơm cho nồng độ Gluco hiệu suất thủy phân toàn tốt hẳn sơ với Trấu -ỳ Từ thấy Rơm nguồn nguyên liệu sản xuất ethanol hiệu Trấu Nguyên liệu Rom Nồng độ Gluco(%) Hiệu suất thủy phân bã(%) Hiệu suất thủy phân tính nguyên liệu thô(%) Độ chuyển hóa CellNL^ Gluco(%) 4.28 85.6 48.77 81.19 22 Trấu 2.155 43.09 28.77 52.38 % □ Rorm □ Trấu N ồng độ Hiệu suất thủy phân bã Hiệu suất thủy Dộ chuyển hóa phân tmh Cell NL thành nguycn liệu thô Gluco Hình 13: Đồ thị so sánh hiệu trình thủy phân trấu rơm sau nổ Như vậy, so với số liệu từ nghiên cứu trước thiết bị nổ chậm, ta thấy thiết bị nổ nhanh cho hiệu thủy phân tốt ❖ Trấu Nổ hoi chậm Nổ hoi nhanh Nồng độ Gluco (%) 1.76 2.155 Độ chuyển hóa CellNL-> Gluco (%) 30.67 52.38 23 □ Nồng độ Gluco (%) ■ Độ chuyển hóa Cell NL thành Gluco (%) ❖ Rơm Hình 14: Đồ thị so sánh hiệu thủy phân trấu nổ phương pháp nỗ chậm so với nỗ nhanh Nồng độ Gluco (%) Độ chuyển hóa CellNL-> Gluco (%) Nỗ hoi chậm 3.6 69.2 Nỗ hoi nhanh 4.28 81.19 □ Nồng độ Gluco (%) □ Độ chuyển hóa Cell NI thành Gluco (%) Ilình 15: Đồ thị so sánh hiệu trình thủy phân rơm nể phương pháp nỗ chậm so với nỗ nhanh 24 III Kết luận Việc khảo sát trình xử lý rơm - vỏ trấu thiết bị nổ nhanh cho phép xác định điều kiện nổ cho giai đoạn thủy phân có hiệu suất cao nhất: Nhiệt độ tốt cho trình nổ nhanh, thời gian lưu phút với 70% ẩm o Trấu : 240°c o Rơm : 230°c Quá trình thủy phân nguyên liệu sau nổ với Enzym cellusoftL có khả chuyển hóa: • 52.38 % Cellulose trấu ban đầu thảnh Gluco (tính cho trình nổ thủy phân) • 81.19 % Cellulose rơm ban đầu thảnh Gluco (tính cho trình nổ thủy phân) So vơi trình nổ chậm trước đây, việc nghiên trình nổ nhanh co ta nhận định sau: • Cho hiệu suất thủy phân tốt • Giúp tiết kiệm lượng nâng cao suất thiết bị Từ làm tăng tính kinh tế cho quy trình sản xuất Ethanol từ Biomass Quá trình thủy phân lên men đồng thời (SSF) làm cho nồng độ gluco dung dịch giữ mức thấp làm giảm ức chế enzyme gluco cellobio Tuy nhiên khó khăn lớn SSF chênh lệch nhiệt độ làm việc trình lên men (35°C) thủy phân (50°C) Với ý tưởng trình SSF cần tiếp tục nghiên cứu nhằm khắc phục bất lợi khác biệt nhiệt độ trình lên men thủy phân gây Quá trình SSF thiết bị khác đề nghị để khắc phục ảnh hưởng nhiệt độ Đồng thời áp dụng kỹ thuật cố định tế bào nấm men vào giai đoạn lên men quy trình sản xuất liên tục Mô hình sản xuất ethanol nhiên liệu bán liên tục đề nghị sau: 25 WieTs Hình 16: Mô hình nổ liên tục đề nghị Difrt cflurtfl cil Ịrtĩ Mki VỊỊTU1 Hình 17: Mô Mnh quy trình SSF liên tục đề nghị 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://faostat.fao.org/ [2] http://www.vietnamshipsxom/news/?id=2066 [3] http://en.wikipedia.org/wiki/Vietnam [4] Báo cáo thường niên ngành hàng gạo Việt Nam 2007 Và triển vọng 2008 [5] Ethanol fuel, http://iourneytoforever.Org/ethanol.html#E [6] Trần Diệu Lý, Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ, Luận văn tốt nghiệp, DHBK ĐHQG TPHCM, 2008 [7] Huỳnh Ngọc Vi, Nghiên cứu sản xuất ethanol từ bã khoai mì, Luận văn tốt nghiệp, DHBK ĐHQG TPHCM,2008 [8] Ngô Đình Minh Hiệp, Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ biomass, Seminar chuyên ngành, Đại Học Bách Khoa, TPHCM, 2006 [9] Whittaker, R.H., G.E, Biomass từ nguồn thể giới, 1975 [10] Yukihiko Matsumuraa, Tomoaki Minowab, Hiromi Yamamoto, Amount, availability, and potential use of rice straw (agricultural residue) biomass as an energy resource in Japan,2005 [11] Keikhosro Karimi a,b, Giti Emtiazi c, Mohammad J Taherzadeh d, Ethanol production from dilute-acid pretreated rice straw by simultaneous saccharification and fermentation with Mucor indicus,Rhizopus oryzae, and Saccharomyces cerevisiae, 2006 [12] Keikhosro Karimia, Shauker Kheradmandiniaa, Mohammad J Taherzadehb, Conversion of rice straw to sugars by dilute-acid hydrolysis, 2004 [13] Yoshitoshi Nakamura, Tatsuro Sawadal, Eiichi Inoue, Enhanced ethanxrtproduction from enzymatically treated steam-exploded rice straw using extractive fermentation, 2001 [14] Mohammet Moniuzaman, Effect of Steam Explosion on the Physicochemical Properties and Enzymatic Saccharification of Rice Straw, 1996 [15] http://www.energy.ca.gov/ethanol/biofuel cec history.html [16] http://www.freepatentsonline.com/5693296 [17] Hiroyuki Inoue, Sutipa Tanapongpipat, Akira Kosugi, Shinichi Yano, Biomass-asia- workshop, 2005 [18] Cao Đinh Khánh Thảo, Nghiên cứu khả xủa lý rơm rạ để lên men ethanol, Luận Văn Tốt Nghiệp, Đại Học Bách Khoa ĐHQG TPHCM, 2007 [19] Tina Jeoh, Steam Explosion Pretreatment of Cotton Gin Waste for Fuel Ethanol Production, 1999 27 [20] Foody; Method for increasing the accessibility of cellulose in lignocellulosic materials, particularly hardwoods agricultural residues and the like; 1980 [21] Shultz, T P., M C Templeton, C J Biermann, and G D Me Ginnis, Steam Explosion of Mixed Hardwood Chips, Rice Hulls, Corn Stalks, and Sugar Cane Bagasse Journal of Agricultural and Food Chemistry 32:1166-1172, 1984 [22] Mason, W H 1926 U.S Patent #1,578,609 [23] Goldstein, I S, Acid Processes for Cellulose Hydrolysis and Their mechanisms In E J Soltes (Ed.) Wood and Agricultural Residues (pp 315-328), New York, NY: Academic Press, Inc, 1983 [24] Weimer, P J., J M Hackney, A D French, Effects of Chemical Treatments and Heating on the Crystallinity of Celluloses and their Implications for Evaluating the Effect of Crystallinity on Cellulose Biodegradation Biotechnology and Bioengineering 48:169-178, 1995 [25] Nunes, A P., J Pourquie, Steam Explosion Pretreatment And Enzymatic Hydrolysis of Eucalyptus Wood Bioresource Technology 57: 107-110, 1996 [26] Martin, R S., C Perez, and R Briones, Simultaneous Production of Ethanol And Kraft Pulp From Pine (Pinus Radiata) Using Steam Explosion Bioresource Technology 53: 217 - 223, 1995 [27] Overend, R P., and E Chornet, Fractionation of Lignocellulosics by Steam- Aqueous Pretreatments Philosophical Transactions of the Royal Society of London 321: 523-536, 1987 [28] Tanahashi, M., S Takada, T Aoki, T Goto, T Higuchi, S Hanai, Characterization of Explosion Wood Structure and Physical Properties Wood Research 69:36-51, 1983 [29] Nidetzky, B., W Steiner, M Claeyssens, Synergistic Interaction of Celluloses from Trichoderma reesei During Cellulose Degradation In J N Saddler, M H Penner (Eds.), Enzymatic Degradation of Insoluble Carbohydrates: 90-112 American Chemical Society, Washington, D.C, 1995 [30] Caulfield, D F., W E Moore, Wood Science 6: 375, 1974 [31] Grous, W R., A O Converse, H E Grethlein, Effect of Steam Explosion Pretreatment on Pore Size and Enzymatic Hydrolysis of Poplar Enzyme Microb Tech 8, 1986 [32] Dekker, R F H., A F A Wallis, Enzymic Saccharification of Sugarcane Bagasse Pretreated by Autohydrolysis-Steam Explosion Biotechnology and Bioengineering 25:3027- 3048, 1983 [33] Saddler, J N., C Hogan, M K -H Chan, G Louis-Seize, Ethanol Fermentation of Enzymatically Hydrolysed Pretreated Wood Fractions Using Trichoderma cellulases, Zymomonas mobilis, and Saccharomyces cerevisiae Canadian Journal of Microbiology 28: 1311-1319, 1982 28 [34] Nguyễn Đình Thưởng, Nguyễn Thanh Hằng, Công nghệ sản xuất kiểm tra cồn etyỉic, Nhà xuất khoa học kĩ thuật Hà Nội, trang 244 - 255, 2005 [35] Charles E.Wyman, Handbook on Bioethanol: Product and Utilization, Taylor&Francis, 1996 p 119-285 [36] Lương Đức Phẩm, Nấm men công nghiệp, NXB khoa học kỹ thuật, 2006 [37] McMillan, J D, Pretreatment of Lignocellulosic Biomass In M.E Himmel, J.O Baker, R p Overend (Eds.), Enzymatic Conversion of Biomass for Fuels Production: 292 - 324 American Chemical Society, Washington, D.c, 1994 [38] McKendry p, Energy production from biomass (part I): overview of biomass Bioresour Technol 83:37-46, 2002 [38] Prasad s , Singh A., Joshi HC, Ethanol as an alternative fuel from agricultural, industrial and urban residues Resources, Conservation and Recycling 50: - 39, 2007 [40] 1980 Hsu TA, Ladisch MR, Tsao GT, Alcohol from cellulose Chemical Technology 10: 315-319, [41] Hans p Blaschek and Thaddeus c E z e j i ; Chapter Science of A1ternative Feeds tocks 29 PHỤ LU c Công thức tính: Một số kí hiệu sử dụng: • Độ thu hồi : X (%) • Khối lượng bã khô thu sau nổ hơi: niba (g) • Phần trăm bã sử dụng thủy phân: Cba (%) • Hàm ẩm nguyên liệu thô: a % • Khối lượng nguyên liệu thô đem nổ : MNL (g) • Phần trăm cellulose nguyên liệu trước nổ hơi: y (% ) • Nồng độ glucose dung dịch: Cg[ucose (%) • Khối lượng cellulose có nguyên liệu: mceU _ NL (g) • Khối lượng cellulose có nguyên liệu chuyển h óa thành Gluco: mceU CH (g) • Khối lượng mol cellulose: 162xn (g) • Khối lượng mol glucose: 180 (g) • Hiệu suất trình thuỷ phân bã sau nổ H • = -ậũ-xioo% c Glu Hiệu suất thu hồi Glucose tổng cộng (tính nguyên liêu thô ban đâu) H2 = H • Ỉ X X Hiệu suất chuyển hóa Cellulose nguyên liệu ban đầu thành Glucose o Khối lượng Cellulose có nguyên liêu thô ban đầu: m ceii-NL ~ M NL X (100 — a)x ỵ 30 o Khối lượng Cellulose có nguyên liêu thô ban đầu chuyên hóa thành Glucose: m Cell-CH = mba xH J X 162 180 H = xioo mCeU CH - m Cell-NL Bảng số liệu cho hình Hỉêu suât thu hồi bã • Nhiêt đô “c> rơm (%) Hiệu suât thu hồi bã trấu (%) 71.097 70.089 69.098 226 228 230 232 234 61.28 59.98 57.1 56.97 51.05 49.98 230 232 234 236 238 240 242 244 236 238 240 47.45 45.71 42.86 246 248 250 53.73 50.39 45.75 Nhỉêt đô