Nghiên cứu đề xuất quy trình công nghệ sản xuất ethanol sinh học từ cây ngô

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự• NHIÊN • • • ********* BÁO CÁO TỎNG KÉT ĐÈ TÀI NGHIÊN CỬU ĐÈ XUẤT QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC TỪ CÂY NGÔ MÃ SỐ: QGTĐ 09.06 Chủ trì đề tài: PGS.TS Nguyễn Xuân Cự HÀ N Ộ I -2011 ĐẠI HỌC QUÓC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN ic BÁO CÁO TỎNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ĐÈ XUẤT QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC TỪ CÂY NGƠ MÃ SỐ: QGTĐ 09.06 Chủ trì đề tài: PGS.TS Nguyễn Xuân Cự CÁC CÁN B ộ THAM GIA CHÍNH TS Trần Văn Quy, PGS.TS Lun Đức Hải TS Nguyễn Mạnh Khải; TS Dương Văn Hợp; PGS.TS Nguyễn Văn Quảng; CN Nguyễn Xuân Huân ThS Nguyễn Thị Hằng Nga HÀ N Ộ I - 1 CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt CFU Chữ viết đầy đủ Colony Forming Unit (Đơn vị hình thành khuẩn lạc) CMC Cacbon Methyl Cellulose CT Cơng thức thí nghiệm ĐBSH Đồng sông Hồng ETBE Ethyl Tertiary Butyl Ether LM Lên men NLSH Nhiên liệu sinh học PPNN Phụ phẩm nông nghiệp SK Sinh khối USD Đô la Mỹ VNĐ Việt Nam đồng v sv Vi sinh vật MỤC LỤC DANH MỤC CÁC B Ả N G DANH MỤC CÁC HÌNH BÁO CÁO TÓM TẮT BẰNG TIẾNG V IỆ T ABSTRACT MỞ Đ Ầ U .12 Chương TỔNG QUAN TÀI L IỆ U 17 1.1 Năng lượng sinh h ọ c 17 1.1.1 Khái niệm dạng lượng sinh h ọ c .17 1.1.2 Ethanol sinh học .19 1.1.3 Sản xuất sử dụng ethanol sinh học 19 1.2 Nguyên lý công nghệ sản xuất ethanol sinh học 27 1.2.1 Nguyên liệu sản xuất ethanol sinh h ọ c 27 1.2.2 Nguyên lý công nghệ sản xuất ethanol từ nguyên liệu giàu cellulose 33 1.2.3 Tiềm sản xuất ethanol sinh học từ nguyên liệu giàu cellulose 41 Chương NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN c ứ u 45 2.1 Lựa chọn nguyên liệu 45 2.2 Phương pháp nghiên c ứ u 45 2.2.1 Nghiên cứu thực địa .45 2.2.2 Nghiên cứu công nghệ xử lý nguyên liệu sản xuất ethanol 45 2.2.3 Một số phương pháp phân tích phòng thí nghiệm 46 Chương KẾT QUẢ NGHIÊN c ứ u VÀ THẢO L U Ậ N 50 3.1 Sản xuất sử dụng ngô Đ BSH 50 3.1.1 Tình hình sản xuất phát thải nơng nghiệp 50 3.1.2 Sản xuất ngô Đ BSH 52 3.1.3 Hiện trạng thu gom sử dụng phụ phẩm từ neô 53 3.1.4 Tiêm sản xuất ethanol sinh học từ phụ phẩm n e ô 55 3.2 Y nghĩa sử dụng ethanol sinh h ọ c 57 3.2.1 Y nghĩa kinh tê, xã hội môi trường sử dụng ethanol sinh học 57 3.2.2 Cơ hội thách thức phát triển nhiên liệu sinh học V N 62 3.3 Nghiên cứu công nghệ sản xuất ethanol từ n g ô 6 3.3.1 Thành phần n g ô 6 3.3.2 Ảnh hưởng điều kiện mơi trường đến q trình thủy p h â n 67 3.4 Lựa chọn chủng vi sinh vật phân huỷ hydratcacbon lên men đường 77 3.4.1 Lựa chọn chủng vi sinh vật phân huỷ hydratcacbon 77 3.4.2 Xác định điều kiện thủy phân vi sinh vật 81 3.4.3 Lựa chọn chủng vi sinh vật cho trình lên m en 81 3.5 Nghiên cứu quy trình cơng nghệ sản xuất ethanol từ ngơ phòng thí nghiệm 83 3.5.1 Tiền xử lý nguyên liệu axit lo ãn g 83 3.5.2 Thuỷ phân chất rắn sau tiền xử lý (CR1) bàng axit loãng .85 3.5.3 Thuỷ phân chất rắn sau tiền xử lý (CR1) vi sinh v ậ t 87 3.5.4 Đánh giá khả chuyển hóa hợp chất cacbonhyđrat thân ngô thành đường đ n 89 3.5.5 Hiệu trình lên m e n .90 3.6 Đe xuất quy trình cơng nghệ sản xuất ethanol từ thân n g ô 93 3.6.1 Quy trình cơng nghệ sản xuất ethanol với thuỷ phân bang enzim 94 3.6.2 Quy trình cơng nghệ sản xuất ethanol với thuỷ phân a x it .96 3.6.3 Tóm tắt quy trình công nghệ sản xuất ethanol từ thân n g 98 3.6.4 Sơ tính tốn giá thành sản xuất ethanol từ thân n g ô 98 KẾT LUẬN VÀ KIẾN N G H Ị 101 TÀI LIỆU THAM K H Ả O .103 PHỤ LỤ C 108 PHOTOCOPY CÁC BÀI BÁO .118 PHOTOCOPY BÌA CÁC LUẬN VĂN, KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP 15 BẢN PHOTOCOPY ĐÈ CƯƠNG ĐỀ T À I 166 TĨM TẮT CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN u CÁ NH ÂN 192 SCIENTIFIC PROJECT 200 PHIẾU ĐẢNG KÝ KÉT QUẢ NGHIÊN u 2 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Các dự án xây dựng Nhà máy ethanol nhiên liệu Việt Nam 26 Bảng Thành phần đường tro nguyên liệu sinh khối 30 Bảng Điều kiện để lên men đồng thời đường 37 cac bon (SSCF) Bảng Các điều kiện cho phản ứng tiền xử lý nguyên liệu gỗ 38 Bảng Quan hệ áp suất, nhiệt độ nồng độ cồn 40 Bảng Sản lượng lý thuyết sản xuất ethanol từ chất khô 41 Bảng Thành phần chất ngô (% chất khô) 42 Bảng Sản xuất ngơ nước có sản lượng cao giới 44 Bảng Diện tích gieo trồng sản lượng số trồng năm 2008 50 Bảng 10 Khối lượng phụ phẩm từ lúa, ngô, lạc ĐBSH 51 Bảng 11 Diện tích trồng ngơ từ năm 2000 đến 2008 nước ta 52 Bảng 12 Tỷ lệ sử dụng phụ phẩm ngô Phúc Thọ (Hà Nội) 55 Bảng 13 Tỷ lệ phụ phẩm so với phẩm từ lúa, ngơ, lạc 56 Bảng 14 Khối lượng trung bình phụ phẩm từ ngô 56 Bảng 15 Sản lượng ethanol thu từ thân ngô 57 Bảng 16 So sánh lượng sản xuất ethanol từ switchgrass ngô 59 Bảng 17 So sánh tiềm năng lượng số nguyên liệu khác 60 Bảng 18 So sánh số tiêu ethanol, xăng ETBE 61 Bảng 19 Thành phần chất ngô 67 Bảng 20 Ảnh hưởng nồng độ axit đến hàm lượng đường khử (g/1) 67 Bảng 21 Ảnh hưởng thời gian đến trình thuỷ phân 69 Bảng 22 Ảnh hưởng nhiệt độ đến lượng đường khử (g/1) 70 Bảng 23 Ảnh hưởng nhiệt độ nồng độ axit đến lượng đường khử 71 Bảng 24 Ảnh hưởng nhiệt độ, áp suất thời gian đến đường khử 73 Bảng 25 Ảnh hưởng nhiệt độ, áp suất nồng độ axit tới đường khử 75 Bảng 26 Thành phần chất nguyên liệu trước sau thủy phân 76 Bảng 27 Hiệu chuyển hóa chất sau thủy phân bàng axit loãng 77 Bảng 28 Mật độ tế bào hoạt tính sinh học CMC chủng v s v nghiên cứu 78 Bảng 29 Hoạt tính sinh học CMC chủng xạ khuẩn ACT 06 79 Bảng 30 Ảnh hượng nhiệt độ tới sinh trưởng chủng ACT 06 80 Bảng 31 Ảnh hưởng pH tới sinh trưởng phát triển chủng ACT 06 80 Bảng 32 Mật độ xạ khuẩn hàm lượng đường khử theo thời gian 81 Bảng 33 Khả chuyển hóa chất q trình xử lý sơ 84 Bảng 34 Khả chuyển hydratcacbon trình thủy phân axit 87 Bảng 35 Mật độ vi sinh vật hàm lượng đường khử theo thời gian 88 Bảng 36 Khả chuyển hoá hydratcacbon sau thủy phân ACT 06 88 Bảng 37 Thành phần chất nguyên liệu sau tiền xử lý thủy phân89 Bảng 38 Ket theo dõi thay đổi pH dịch lên men 92 Bảng 39 Hiệu suất chuyển hóa đường khử q trình lên men 92 Bảng 40 Hàm lượng ethanol dịch sau lên men 93 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình Sử dụng lượng giới 18 Hình Cấu trúc phân tử số loại đường 28 Hình Cấu trúc phân tử tinh bột 29 Hình Cấu trúc phân tử cellulose 31 Hình Cấu trúc phân tò hemicellulose 32 Hình Cấu trúc phân tử lignin 33 Hình Cây ngô nguyên liệu tiềm để sản xuất ethanol sinh học 43 Hình Thân ngơ sau phơi khơ tự nhiên 45 Hình Ruộng ngô lúc trổ cờ thu hoạch ĐBSH 53 Hình 10 Sản phẩm thu hoạch từ ngơ hình thức sử dụng 54 Hình 11 Sử dụng ngơ đồng sơng Hồng 55 Hình 12 Lượng khí nhà kính phát thải từ nguồn nhiên liệu khác 62 Hình 13 Ảnh hưởng nồng độ axit đển lượng đường khử 68 Hình 14 Ảnh hưởng thời gian thuỷ phân đến lượng đường khử 69 Hình 15 Ảnh hưởng nhiệt độ đến đường khử 70 Hình 16 Ảnh hưỏng nhiệt độ nồng độ axit đến lượng đường khử 72 Hình 17 Ảnh hưởng thời gian áp suất đến lượng đường khử 74 Hình 18 Ảnh hưởng nhiệt độ, áp suất nồng độ axit dến đường khử 75 Hình 19 Đường kính vòng phân giải CMC chủng ACT06 sau ngày Hình 20 Ket hinh thành khí C ống Durham 79 82 Hình 21 Mơ tả tác động tiền xử lý đến cấu trúc chất lignocellulose 83 Hình 22 Lượng đường khử tạo thành sau tiền xử lý mẫu 85 Hình 23 Lưọng đưòng khử tạo thành sau thuỷ phân bàng axit lỗng 86 Hình 24 Quy trình sản xuất ethanol từ nguyên liệu giàu hydratcacbon 94 Hỉnh 25 Quy trình sản xuất ethanol với thuỷ phân bàng enzim 95 Hình 26 Quy trình sản xuất ethanol với thuỷ phân axit lỗng 97 BÁO CÁO TĨM TẤT BẰNG TIẾNG VIỆT Tên đề tài: N ghiên cửu đề xuất quy trình cơng nghệ sản xuất ethanol sinh học từ ngô M ã sổ: QGTĐ.09.06 Chủ trì đề tài: PGS.TS Nguyễn Xuân Cự Các cán tham gia chính: TS Trần Văn Quy; PGS.TS Lưu Đức Hải; TS Nguyễn mạnh Khải; TS Dương Văn Hợp; PGS.TS Nguyễn Văn Quảng; ThS Nguyễn Thị Hằng Nga; CN Nguyễn Xuân Huân Mục tiêu nội dung nghiên cứu Mục tiêu đề tài - Nghiên cứu tiềm sử dụng ngô để sản xuất ethanol sinh học, góp phần giảm thiểu nhiễm mơi trường nâng cao hiệu sản xuất nông nghiệp vùng đồng Sông Hồng (ĐBSH) - Đe xuất qui trình cơng nghệ sản xuất ethanol sinh học từ ngơ phòng thí nghiệm Nội dung nghiên cứu đề tài - Nghiên cứu đánh giá tình hình sản xuất ngô tiềm sản xuất ethanol sinh học từ ngô vùng ĐBSH - Nghiên cứu đề xuất quy trình cơng nghệ sản xuất ethanol sinh học từ ngơ phòng thí nghiệm: - Phân tích hiệu kinh tế, xã hội môi trường việc sản xuất ethanol từ ngô Các kết đạt + Ket khoa học: Nhu cầu sử dụng lượng người cho trình sản xuất đời sống ngày gia tăng mạnh mẽ Nguồn lượng cung cấp cho nhu cầu người nguồn lượng hóa thạch dần bị cạn kiệt Sản xuất ethanol từ nguyên liệu giàu lignocellulose vấn đề quan tâm giới Những kết nghiên cứu đề - Cây ngơ có hàm lượng cellulose, hemicellulose lignin cao, tương ứng 37,19%; 24,07% 17,82% tổng khối lượng chất khô xem nguồn nguyên liệu có tiềm lớn để sản xuất ethanol sinh học v ề tiềm từ phụ phẩm ngơ nước sản xuất khoảng 4,6 tỷ lít cồn nhiên liệu/năm; tính riêng vùng đồng bàng sơng Hồng vào khoảng 0,4 tỷ lít - Nồng độ axit, nhiệt độ thời gian yếu tố có ảnh hưởng mạnh đến phản ứng thủy phân hợp chất hydratcacbon Hiệu cao trình thủy phân tạo đường từ nguồn nguyên liệu giàu lignocellulose thân ngơ đạt điều kiện nhiệt độ 132 °c, nồng độ H 2SO 2% thời gian 60 phút Ở điều kiện thủy phân 36,7% hợp chất cellulose; 70,7% hemicellulose; 39,7% lignin - Quá trình tiền xử lý mẫu bang H 2SO 0,5% kết hợp với thuỷ phân axit H 2SO 2% thủy phân 52,49%; tiền xử lý mẫu axit H 2SO 0,5% kết họp với thuỷ phân bàng vi sinh vật chuyển hóa 68,33% tơng hợp chat cellulose hemicellulose nguyên liệu ban đầu Sử dụng Saccharomyces Cerevisiae lên men chuyển hóa khoảng 70% lượng đường khử dung dịch thành ethanol - Với kết nghiên cứu cho thấy để sản xuất lit ethanol cần khoảng 7,8-12.7 kg thân ngô sau thu hoạch (độ ẩm 70%), tương ứng với 2,3-3 ,8 kg nguyên liệu khô - Đã đề xuất quy trình cơng nghệ sản xuất ethanol sinh học từ ngơ với q trình thuỷ phân axit lỗng thuỷ phân axit loãng kết họp với vi sinh vật áp dụng với quy mơ phòng thí nghiệm + Kết ứng dụng (nếu có): Phưong án cơng nghệ sản xuất ethanol từ ngơ phòng thí nghiệm, xem sở quan trọng cho nghiên cứu mở rộng sản xuất 21 Tài liệu tham khảo để viêí đề cương - Tài liệu tiếng Việt [1] Nguyen Cong Hao, Ly Kim Bảng, Dương Anh Tuân, Côn? nghệ xử lý dịch hèm sản xuất cồn từ từ rỉ đường, Tuyển tập báo cáo khoa học HN Mơi trường tồn quốc, Hà nội, 9-10/12/1999 [2 ] Dương Van Họp, Nguyên Lân Dũng, Sử dụng glucoamilaza từ Aspergllus niger vả tê bào nâm men bất động lên men cồn từ tinh bột sắn sống, TC Sinh học 1990, V.12N0.4 [3] Nguyên Đức Lượng, Nguyễn Phượng hải, Giống vi sinh vật Biovina xử lý chât thải hữu CO' có chứa lignocellulose Báo cáo Hội thảo khoa học tồn quốc Cơng nghệ thực phẩm Công nghệ Môi trường, Tp HCM 11/2000 [4] Võ Hông Nhân, Trần Tuấn Đức, Thủy phân vỏ chuối enzyme cellulase TC Khoa học Công nghệ, 1993, số [5] Vũ Đào Thắng, Tạ Ngọc Đôn, Hồng Trọng m, Nghiên cứu nâng cao chất lượng băng phương pháp hâp thụ zeolit tông hợp từ cao lanh, Hóa học írna, dụng 2004, No.4 [5a] http://www.vista.gov.vn/pls/portal/PORTAL.wwv_media.show [5b] http://vaas.org.vn/download/khoahoc/ngo [5c] http://vietnamnet.vn/khoahoc/quocte/2006/02/542832/ - Tài liệu tiếng Anh ■( [6 ] "ABCs of Biopower." Office of Energy Efficiency and Renewable Energy Department of Energv http://wwvv.eere.energy.gov/biomass/abcs_biopovver.html July , 2005 [7] "Anaerobic Digestion." BioGasWorks.com http://www.biogasworks.com/Reports/3bca-itt2.htm July 4, 2005 [ ] "B io e n e rg y " Montana Green P ow er National Center for Appropriate Technology May 12, 2005 http://www.montanagreenpower.com/renevvables/bioenergy/ [9] Bridgwater, Tony B iom ass for energy, Journal o f the Science o f Food and Agriculture, Vol.8 : June 2006 [10] "Definition o f Term s: From Whessoe V arec Product Catalogue 1996." University of Adelaide, School of Earth and Environmental Sciences http://w vvvv.ees.adelaide.edu.aU /pharris/biogas/glossary.htm l#top [11] Đỗ Huy Định, 2003 Bio-fuel-Ethanol, nguồn nhiên liệu tường lai Khoa học Công nghệ , số 1-2/2003, tr.78 [12 ] E n erg y Information Administration, Form E I A - B (19 99), "Annual Electric Generator Report - Nonutility 1999." [ 3] "G row th in B io m a ss Could Put u s on the R oad to Independence." Ron Waili Media Relations Oak Ridge National Laboratory Press Release April 21, 2005 21 ttp://www.ornl.gov/info/press_releases/get_press_release.cfm?ReleaseNumber=rmr 0050421-01 [3a] Kiran L Kadam and James D M cM illan (2003), Bioresources Technolog)-, 'ol 88 May-2003, Elsevier Science Ltd pp 17-25 14] Lin Y , Tanaka s., Ethanol fermentation from biomass resources: Current state nd prospects, Appl Microbiol Biotechnol, 2006-69 (6 ) 15] Pessoa Jr A., Roberto IC., Menossi M., D os Santos R R , Filho s o , P e n n a T C., erspective on bioenergy and biotechnology in Brasil, Appl Biotechnol 2005, tr 21-124 [6] "Pyrolysis." C PEO org June 2002 ttp://w w w cpeo.org/techtree/ttdescript/pyrols.htm Ju ly 2, 2005 17] U.S Department of Energy: ttp://www.eia.doe.gov/l