Luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ

Rơm rạ chiếm tỉ lệ lớn trong các phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam. Với thành phần chứa hơn 40% là cellulose, rơm rạ 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 rơm rạ và được chia làm hai phần. Phần đầu nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố :% bã rắn, % enzyme, nhiệt độ, pH lên quá trình thuỷ phân và phần hai nghiên cứu quá trình thuỷ phân và lên men đồng thời. Rơm rạ được cắt nhỏ và được tiền xử lý bằng phương pháp nổ hơi 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 chủng turbo yeast extra.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL NHIÊN LIỆU TỪ RƠM RẠ SVTH : TRẦN DIỆU LÝ MSSV : 60301608 CBHD : PGS.TS PHAN ĐÌNH TUẤN BỘ MƠN: KỸ THUẬT HỮU CƠ TP HỒ CHÍ MINH, 01/2008 i Đại Học Quốc Gia Tp.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc - - Số: / BKĐT NHIỆM VỤ LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP KHOA: KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN: KỸ THUẬT HỮU CƠ HỌ VÀ TÊN: TRẦN DIỆU LÝ MSSV: 60301608 NGÀNH: KỸ THUẬT HỮU CƠ LỚP: HC03KSTN Đầu đề luận án: NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL NHIÊN LIỆU TỪ RƠM RẠ Nhiệm vụ (yêu cầu nội dung số liệu ban đầu): Nghiên cứu trình thuỷ phân rơm rạ qua tiền xử lý, sử dụng enzyme cellulase Nghiên cứu trình thuỷ phân lên men đồng thời rơm rạ qua tiền xử lý,, sử dụng enzyme cellulase nấm men saccharomyces cerevisiae Ngày giao nhiệm vụ luận án: 15/9/2007 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15/12/2007 Họ tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn PGS TS PHAN ĐÌNH TUẤN Toàn Nội dung yêu cầu LATN thông qua Bộ môn Ngày 15 tháng năm 2007 CHỦ NHIỆM BỘ MƠN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH (Ký ghi rõ họ tên) ( Ký ghi rõ họ tên) PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ): Đơn vị: Ngày bảo vệ: Điểm tổng kết: Nơi lưu trữ luận án: ii LỜI CẢM ƠN Luận văn tác phẩm sinh viên trước rời khỏi trường đại học Để hoàn thành luận văn, sinh viên cần phải áp dụng tất kiến thức hiểu biết mà tích luỹ suốt năm học trường Chính kiến thức mà em tiếp thu năm học trường Bách Khoa tảng vững giúp em hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa KỸ THUẬT HỐ HỌC nói chung thầy mơn KỸ THUẬT HỮU CƠ nói riêng tận tình giảng dạy, giúp đỡ em suốt năm vừa qua Em xin chân thành cảm ơn thầy Phan Đình Tuấn, thầy người giúp em đến với hướng nghiên cứu này, đồng thời người tận tình bảo, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm tạo điều kiện thuận lợi để em hồn thành tốt luận văn Em xin cảm ơn anh Ngơ Đình Minh Hiệp nhiệt tình giúp đỡ em kiến thức chuyên mơn lẫn thực nghiệm suốt ngày hồn thành luận văn Tung tâm Lọc Hoá Dầu Cuối cùng, em xin cảm ơn bạn bè người thân gia đình, người ln chỗ dựa vững ủng hộ em việc Sinh viên thực Trần Diệu Lý iii MỤC LỤC Chương 1.1 MỞ ĐẦU CÂY LÚA Ở VIỆT NAM .1 1.2 RƠM RẠ 1.2.1 Nguồn rơm rạ Việt Nam 1.2.2 Hiện trạng sử dụng lượng từ rơm rạ Việt Nam 1.3 BIOETHANOL TỪ RƠM RẠ 1.4 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Chương TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE 2.1.1 Cấu trúc lignocellulose .5 2.1.2 Cellulose 2.1.3 Hemicellulose 2.1.4 Lignin .10 2.1.5 Các chất trích ly 12 2.1.6 Tro 13 2.2 QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL TỪ RƠM RẠ 13 2.2.1 Tổng quát 13 2.2.2 Tiền xử lý 14 2.2.3 Thủy phân .20 2.2.4 Lên men 33 2.2.5 Thủy phân lên men đồng thời 38 2.3 SƠ LƯỢC VỀ BIOFUEL VÀ ETHANOL NHIÊN LIỆU 44 2.3.1 Biofuel 44 2.3.2 Ethanol nhiên liệu 45 Chương THỰC NGHIỆM 48 3.1 NGUYÊN LIỆU VÀ HÓA CHẤT 48 3.1.1 Rơm rạ 48 3.1.2 Enzyme 48 3.1.3 Giống nấm men 49 3.2 CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG 49 3.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG 52 3.3.1 Phương pháp phân tích thành phần xơ sợi biomass – rơm rạ .52 3.3.2 Phương pháp đo nồng độ glucose ethanol 56 3.3.3 Phương pháp xác định độ ẩm nguyên liệu .63 iv 3.3.4 Phương pháp nuôi cấy đếm nấm men 64 3.4 TRÌNH TỰ NGHIÊN CỨU .66 3.4.1 Sơ đồ quy trình .67 3.4.2 Quá trình nổ – tiền xử lý rơm rạ .67 3.4.3 Quá trình thủy phân 68 3.4.4 Quá trình thủy phân lên men đồng thời .69 Chương KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .71 4.1 PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN RƠM RẠ 71 4.1.1 Thành phần rơm rạ trước nổ 71 4.1.2 Thành phần rơm rạ sau nổ 72 4.1.3 So sánh rơm rạ trước sau nổ 72 4.1.4 Thành phần dịch nổ .74 4.2 QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN .76 4.2.1 Thành phần dịch thủy phân 76 4.2.2 Ảnh hưởng phần trăm bã rắn 77 4.2.3 Ảnh hưởng lượng enzyme cho vào 79 4.2.4 Ảnh hưởng pH 84 4.2.5 Ảnh hưởng nhiệt độ 87 4.2.6 Hiệu suất thủy phân , nồng độ đường tạo thành theo thời gian 92 4.3 QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI 94 4.3.1 Thành phần dịch thủy phân lên men đồng thời 94 4.3.2 Ảnh hưởng lượng emzyme cho vào .95 4.3.3 Ảnh hưởng mật độ nấm men ban đầu 98 4.3.4 Hiệu suất toàn trình theo thời gian 101 Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 104 5.1 KẾT LUẬN QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN 104 5.2 KẾT LUẬN QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI 104 5.3 SO SÁNH HIỆU SUẤT TỒN Q TRÌNH CỦA THỦY PHÂN VỚI THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI .105 5.4 ĐỀ NGHỊ 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 PHỤ LỤC 108 v DANH MỤC HÌNH Hình 1-1 Tỉ lệ % tổng giá trị sản lượng nông nghiệp Hình 1-2 Các nguồn biomass Việt Nam năm 2000 .3 Hình 2-1 Cấu trúc lignocellulose Hình 2-2 Mối quan hệ cellulose – hemicellulose cấu trúc lignocellulose Hình 2-3 Cơng thức hóa học cellulose Hình 2-4 Kiểu Fringed fibrillar kiểu Folding chain Hình 2-5 Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan .9 Hình 2-6 Glucomannan Hình 2-7 Galactoglucomannan Hình 2-8 Arabinoglucuronoxylan .10 Hình 2-9 Các đơn vị lignin .10 Hình 2-10 Cấu trúc lignin gỗ mềm với nhóm chức 11 Hình 2-11: Một số ví dụ chất trích ly (a) abietic acid (oleoresin); (b) cathechin (flavonoid); (c) palmitic acid (acid béo) 13 Hình 2-12 Mơ tả chế q trình nổ 17 Hình 2-13 Fufural .18 Hình 2-14 Hydroxymethyl fufural 18 Hình 2-15: Cấu trúc sợi trước sau nổ hơi, bó sợi cellulose giải phóng khỏi lớp lignin bảo vệ sau nổ 19 Hình 2-16: (d) sợi lignocellulose khơng nổ có cấu trúc sít chặt ngăn cản cơng enzyme, (e) nổ 4atm, (f) nổ 8atm 19 Hình 2-17 Tác dụng enzyme cellulase .21 Hình 2-18 Quá trình tác động cellobiohydrolase lên đầu vùng kết tinh cellulose 25 Hình 2-19 Cơ chế tác động hiệp đồng enzyme exo-endo endo-endo Enzyme endoglucanase công ngẫu nhiên vào cellulose tạo chất thích hợp cho enzyme exoglucanase sau khuếch tán nhanh khỏi bề mặt Exoglucanse công từ đầu đường khử không khử .26 Hình 2-20 Cơ chế trình thủy phân .27 Hình 2-21 Tốc độ phản ứng enzyme theo nhiệt độ 29 Hình 2-22 Ảnh hưởng pH 30 Hình 2-23 Ảnh hưởng nồng độ enzyme .30 Hình 2-24 Ảnh hưởng nồng độ chất .31 vi Hình 2-25 Chất kìm hãm cạnh tranh 32 Hình 2-26 Chất kìm hãm không cạnh tranh .32 Hình 2-27: Quá trình đường phân 34 Hình 2-28 Ảnh hưởng nhiệt độ đến phát triển nấm men 35 Hình 2-29: Giống nấm men Pichia stiptis Saccharomyces cerevisiae 38 Hình 2-30 Nồng độ glucose (ơ vng khơng màu) celllobiose (ô vuông màu đen) theo thời gian trình thủy phân lên men đồng thời .41 Hình 2-31 Nồng độ ethanol theo thời gian trình thủy phân lên men đồng thời 42 Hình 3-1 Rơm chưa nổ 48 Hình 3-2 Saccharomyces serevisiae chủng turbo yeast extra nhìn kính hiển vi 49 Hình 3-3 Thiết bị nổ quy mô pilot 50 Hình 3-4 Máy sắc kí lỏng hiệu cao (HPLC) 50 Hình 3-5 Hình dạng buồng đếm hồng cầu kính hiển vi 51 Hình 3-6 Buồng đếm hồng cầu 51 Hình 3-7 Bộ dụng cụ soxhlet 54 Hình 3-8 Hệ thống phân tích NDS ADS .54 Hình 3-9 Grooch Crucible 54 Hình 3-10 Đường chuẩn glucose 60 Hình 3-11 Đường chuẩn ethanol 61 Hình 3-12 Đường chuẩn cellobiose 62 Hình 3-13 Bộ dụng cụ thủy phân lên men đồng thời 70 Hình 4-1 Thành phần rơm rạ trước nổ 71 Hình 4-2 Thành phần rơm rạ sau nổ .72 Hình 4-3 So sánh kết thành phần rơm rạ trước sau nổ .73 Hình 4-4 Rơm trước nổ 74 Hình 4-5 Rơm sau nổ 74 Hình 4-6 Nồng độ glucose, cellobiose hiệu suất thu theo % bã rắn cho vào .78 Hình 4-7 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian tương ứng với % enzyme khác 80 Hình 4-8 Nồng độ cellobiose tạo thành theo thời gian ứng với % enzyme 81 Hình 4-9 Nồng độ glucose, cellobiose thu hiệu suất theo % enzyme 82 Hình 4-10 Tốc độ phản ứng ban đầu theo % enzyme cho vào 83 Hình 4-11 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với giá trị pH khác 85 Hình 4-12 Hiệu suất, nồng độ glucose nồng độ cellobiose theo pH dung dịch 86 vii Hình 4-13 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với giá trị nhiệt độ: nhiệt độ phòng khác .88 Hình 4-14 Nồng độ cellobiose theo thời gian ứng với điều kiện nhiệt độ khác 89 Hình 4-15 Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất 24 theo nhiệt độ .90 Hình 4-16 Tốc độ phản ứng ban đầu theo nhiệt độ .91 Hình 4-17 Nồng độ glucose, cellobiose hiệu suất theo thời gian .93 Hình 4-18 Nồng độ ethanol, glucose hiệu suất theo % enzyme, 24 96 Hình 4-19 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose hiệu suất theo % enzyme cho vào 48 97 Hình 4-20 Nồng độ ethanol, glucose hiệu suất theo tỉ lệ mật độ nấm men cho vào 24 .99 Hình 4-21 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose hiệu suất theo tỉ lệ mật độ nấm men cho vào 48 .100 Hình 4-22 Nồng độ cellobiose, glucose ethanol tạo thành theo thời gian trình thủy phân lên men đồng thời 102 viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1 Cơ cấu giá trị sản lượng nông ngư nghiệp Việt Nam năm 2002 [7] Bảng 1-2 Các nguồn biomass Việt Nam năm 2000 [8] Bảng 2-1 Thành phần vài loại lignocellulose theo [10] .5 Bảng 2-2 Các thông số vận hành kết trình thủy phân lên men đồng thời thực nhiều nước[9] .39 Bảng 2-3 Ảnh hưởng ethanol, glucose cellobiose lên enzyme cellulase βglucosidase 39 Bảng 2-4 Kết trình thủy phân lên men đồng thời tiến hành với rơm qua tiền xử lý acid lỗng, q trình tiến hành điều kiện kỵ khí 40 Bảng 2-5 Ảnh hưởng việc thêm thành phần vào dịch thủy phân lên men đồng thời lúc 80 43 Bảng 3-1 Thành phần dung dịch NDS .52 Bảng 3-2 Kết chạy chuẩn 58 Bảng 3-3 Kết chuẩn glucose 59 Bảng 3-4 Kết cho chuẩn ethanol .60 Bảng 3-5 Kết chuẩn cellobiose 62 Bảng 3-6 Thành phần môi trường Hansen dùng cho việc nuôi cấy, bảo quản gống nấm men 64 Bảng 3-7 Thành phần chất dinh dưỡng bổ sung cho dung dịch thủy phân lên men đồng thời 69 Bảng 4-1 Thành phần rơm rạ khô trước nổ 71 Bảng 4-2 Thành phần rơm rạ theo Hồ Sĩ Tráng [3] 71 Bảng 4-3 Thành phần rơm rạ khô sau nổ .72 Bảng 4-4 So sánh thành phần rơm rạ trước sau nổ 72 Bảng 4-5 Thành phần dịch nổ 74 Bảng 4-6 Thành phần dịch thủy phân .76 Bảng 4-7 Kết ảnh hưởng phần trăm bã rắn 77 Bảng 4-8 Nồng độ glucose theo thời gian ứng với % enzyme khác 79 Bảng 4-9 Nồng độ cellobiose tạo thành theo thời gian ứng với % enzyme khác 80 Bảng 4-10 Hiệu suất trình thủy phân theo thời gian ứng với % enzyme khác 81 Bảng 4-11 Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất tốc độ ban đầu theo lượng enzyme cho vào 82 ix Bảng 4-12 Nồng độ glucose theo thời gian ứng với giá trị pH ban đầu khác 84 Bảng 4-13 Hiệu suất thủy phân theo thời gian ứng với giá trị pH ban đầu khác 85 Bảng 4-14 Hiệu suất nồng độ glucose, cellobiose theo pH dung dịch 86 Bảng 4-15 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với giá trị nhiệt độ khác .87 Bảng 4-16 Nồng độ cellobiose tạo thành theo thời gian tương ứng chế độ nhiệt độ khác 88 Bảng 4-17 Hiệu suất trình thủy phân theo thời gian tương ứng nhiệt độ khác 89 Bảng 4-18 Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất tốc độ ban đầu đạt theo nhiệt độ 90 Bảng 4-19 Nồng độ glucose, cellobiose hiệu suất theo thời gian 92 Bảng 4-20 Thành phần dịch thủy phân lên men đồng thời 94 Bảng 4-21 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose hiệu suất toàn trình theo % enzyme cho vào 24 48 96 Bảng 4-22 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose hiệu suất theo mật độ nấm men cho vào 99 Bảng 4-23 Nồng độ cellobiose, glucose ethanol tạo thành theo thời gian trình thủy phân lên men đồng thời .101 x Chương 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 8,403 8,639 10 9,518 11 9,867 12 10,979 13 12,354 14 12,735 15 13,213 16 13,888 17 15,502 Arabinose 8,525 Acid lactic 9,579 Acid acetic 11,108 Ethanol 15,565 Thành phần dịch thủy phân lên men đồng thời gồm có 17 chất Trong đó, giải đốn chất, riêng xylose giải đoán phương pháp thêm chuẩn vào mẫu Có thể lý giải sau: cellobiose glucose enzyme tạo thành nấm men chưa chuyển hóa hết thành ethanol Xylose arabinose đường pentose có từ q trình thủy phân hemicellulose, chủng nấm men sử dụng saccharomyces cerevisiae có khả lên men đường hexose, vậy, đường cịn lại dịch Ngồi ra, q trình lên men tạo thành acid hữu aldehyde, số acid hữu giải đốn acid acetic acid lactic Các acid khác aldehyde không chạy chuẩn nên giải đoán Ethanol sản phẩm tạo thành trình 4.3.2 Ảnh hưởng lượng emzyme cho vào Thực khảo sát ảnh hưởng lượng enzyme cho vào lên trình thủy phân lên men đồng thời Các thí nghiệm tiến hành điều kiện : nhiệt độ 37oC; % bã rắn: 11%; pH: 4,8; mật độ nấm men 23,6 triệu tế bào/ml Lượng enzyme cho vào thời gian lấy mẫu trình bày mục 3.4.4 Kết trình bày đồ thị bảng sau 95 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Bảng 4-21 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose hiệu suất tồn q trình theo % enzyme cho vào 24 48 STT % enzyme Thời gian (giờ) Nồng độ ethanol (g/l) Nồng độ glucose còn(g/l) Nồng độ cellobiose (g/l) Hiệu suất (%) 3% 24 15,70 1,87 9,08 47,12 48 17,09 3,32 4,75 53,17 24 18,31 11,03 51,76 48 27,61 2,47 78,05 24 24,77 2,24 4,73 73,26 48 24,49 3,65 1,76 74,52 24 24,31 1,84 1,98 71,26 48 21,34 1,81 0,55 62,83 5% 7% 9% Đồ thị thu 24 30 100 24.77 25 80 70 71.26 60 15.70 15 51.76 47.12 Ethanol 50 Glucose 40 Hiệu suất 10 Hiệu suất (%) 73.26 18.31 20 Nồng độ (g/l) 90 24.31 30 20 1.87 2.24 0.00 1.84 10 0 % enzyme 10 Hình 4-18 Nồng độ ethanol, glucose hiệu suất theo % enzyme, 24 96 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Vẽ đồ thị, nồng độ ethanol, glucose, cellobiose hiệu suất 48 theo lượng enzyme cho vào để thấy ảnh hưởng lượng enzyme lên trình thủy phân lên men đồng thời 100 27.61 Ethanol Glucose Cellobiose Nồng độ (g/l) 78.05 Hiệu suất 20 90 24.49 80 21.34 74.52 70 62.83 17.09 15 60 53.17 50 40 Hiệu suất (%) 25 10 30 20 3.65 4.75 3.32 2.47 1.76 0.00 0 % enzyme 10 1.81 0.55 10 Hình 4-19 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose hiệu suất theo % enzyme cho vào 48 NHẬN XÉT Khi lượng enzyme tăng từ 3% đến 5% nồng độ ethanol hiệu suất tổng cộng trình tăng Tuy nhiên lượng enzyme cho vào tăng từ 5% đến 9%, lượng ethanol hiệu suất tồn q trình giảm (chênh lệch nồng độ 6,27g/l; chênh lệch hiệu suất 15%).(Hình 4-19) Thủy phân lên men đồng thời bao gồm hai trình diễn song song, thủy phân cellulose thành glucose lên men glucose thành ethanol Phản ứng thủy phân phản ứng dị thể rắn/lỏng, phản ứng lên men phản ứng đồng thể Quá trình lên men diễn dễ dàng trình thủy phân trình khuếch tán glucose từ dung dịch đến tế bào nấm men dễ dàng trình hấp phụ khuếch tán enzyme đến sợi cellulose, mà enzyme có ảnh hưởng mạnh lên trình Tương tự trình thủy phân, với lượng chất định, cần lượng xác định enzyme thủy phân hiệu Vì vấn đề hạn chế lượng cellulose bị thủy phân hết Việc dùng lượng enzyme nhiều không cho hiệu đáng kể Ngoài ra, khảo sát này, lượng enzyme tăng cao (7% 9%) lượng ethanol tạo thành hiệu suất chuyển hóa lại giảm Đồ thị biểu diễn theo 24 cho thấy 97 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 24 đầu, lượng ethanol glucose tương ứng với 7% 9% lớn 5% Sau ethanol lại bị giảm 48 Có thể giải thích rằng, tích tụ lớn sản phẩm sau 24 ức chế hoạt động nấm men (ethanol) enzyme (glucose) mà khoảng thời gian tiếp theo, hoạt động enzyme nấm men hai thí nghiệm khơng tốt 5%, tạo giảm quan sát thấy đồ thị Ngồi ra, ethanol bị chuyển hố thành acid diện vi sinh vật khác dung dịch, làm cho nồng độ ethanol bị giảm sau 24 7% 9% enzyme Đồng thời % enzyme 3%, 7% 9%, tồn lượng glucose đáng kể 48 giờ, điều cho thấy hoạt tính nấm men sử dụng không cao Đây yếu tố ảnh hưởng đến tồn q trình Vì nấm men tiêu thụ glucose làm chuyển dịch cân tạo glucose enzyme cellulase, hoạt tính nấm men khơng cao ảnh hưởng tới việc tạo ethanol đồng thời lượng glucose tích tụ dung dịch ảnh hưởng đến tác dụng làm chuyển dịch cân enzyme Từ loạt thí nghiệm này, kết luận % enzyme thích hợp cho trình thủy phân lên men đồng thời rơm rạ tạo ethanol 5% 4.3.3 Ảnh hưởng mật độ nấm men ban đầu Thực khảo sát ảnh hưởng mật độ nấm men cho vào lên trình thủy phân lên men đồng thời Các thí nghiệm tiến hành điều kiện: nhiệt độ 37oC; % bã rắn: 11%; pH: 4,8; % enzyme 5% Mật độ nấm men cho vào thời gian lấy mẫu trình bày mục 3.4.4 Để tiện việc trình bày kết theo dõi kết quả, mật độ nấm men 23,6 triệu tế bào/ml chọn làm gốc, mật độ khác biểu diễn dạng tỉ lệ với mật độ Tỉ lệ mật độ nấm men = mật độ nấm men sử dụng (triệu tế bào /ml)/ 23,6 98 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Bảng 4-22 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose hiệu suất theo mật độ nấm men cho vào STT Mật độ nấm men (triệu tế bào/ml) Tỉ lệ mật độ nấm men 11,8 0,5 23,6 35,4 1,5 47,2 2 Thời gian (giờ) Nồng độ ethanol (g/l) Nồng độ glucose còn(g/l) Nồng độ Hiệu suất cellobiose (%) (g/l) 24 19,11 1,79 5,97 57,94 48 25,60 1,96 72,60 24 18,31 11,03 51,76 48 27,61 2,47 78,05 24 18,42 1,79 8,51 54,91 48 26,06 2,27 74,01 24 23,04 1,72 4,62 67,72 48 28,80 0,27 81,52 Vẽ đồ thị mối quan hệ 24 25 100 23.04 80 18.42 18.31 70 Nồng độ (g/l) 67.72 15 57.94 60 51.76 54.91 10 Ethanol 50 Glucose 40 Hiệu suất Hiệu suất (%) 19.11 20 90 30 20 1.79 2.59 10 1.72 0.00 0 0.5 1.5 2.5 Tỉ lệ mật độ nấm men Hình 4-20 Nồng độ ethanol, glucose hiệu suất theo tỉ lệ mật độ nấm men cho vào 24 99 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 28.80 100.00 27.61 81.52 78.05 72.60 Nồng độ (g/l) 20.00 80.00 74.01 70.00 60.00 15.00 50.00 40.00 10.00 Ethanol Hiệu suất (%) 25.00 90.00 26.06 25.60 30.00 Glucose Cellobiose 5.00 1.96 2.47 Hiệu suất 2.27 20.00 10.00 0.27 0.00 0.00 0.5 1.5 2.5 Tỉ lệ mật độ nấm men Hình 4-21 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose hiệu suất theo tỉ lệ mật độ nấm men cho vào 48 NHẬN XÉT Nhìn chung, mật độ nấm men cho vào tăng lên, lượng ethanol tạo thành tăng hiệu suất tồn q trình tăng Tuy nhiên, mức độ chênh lệch không nhiều, khoảng 3,2 g/l nồng độ ethanol 8,92% hiệu suất (hình 4-21) Lượng cellobiose tích tụ thời điểm cuối có giá trị gần tỉ lệ nấm men 0,5; 1; 1,5 khơng có cellobiose tích tụ tỉ lệ nấm men (hình 4-21) Như vậy, mật độ nấm men tăng lên, hiệu suất tạo ethanol tăng, Tuy nhiên điều với khoảng định, vượt ngưỡng giá trị, tăng mật độ nấm men không làm tăng hiệu suất chuyển hóa ethanol Lý với mật độ nấm men lớn, nấm men sử dụng đường tạo thành trình thủy phân để tăng sinh khối, lượng ethanol sinh giảm theo [1] Nấm men sử dụng nhiều tạo chuyển dịch cân bằng, làm cho cellobiose glucose bị tiêu thụ mạnh tương ứng lượng tích tụ hai chất dùng tỉ lệ nấm men cao Như quan sát hình 4-21, tỉ lệ nấm men khơng cịn cellobiose Thí nghiệm cho thấy, q trình lên men khơng đóng vai trị lớn thủy phân lên men đồng thời trình thủy phân Khi mật độ nấm men thay đổi, hiệu suất chuyển hóa q trình khơng thay đổi mạnh % enzyme thay đổi 100 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Đối với thí nghiệm này, chọn mật độ nấm men thích hợp 23,6 triệu tế bào/ml Mật độ gấp lần (47,2 triệu tế bào/ml) cho hiệu suất ethanol lớn không nhiều mặt khác sử dụng lượng nấm men gấp đôi nên hiệu qủa không cao 4.3.4 Hiệu suất tồn q trình theo thời gian Sau thí nghiệm khảo sát yếu tố trên, tìm điều kiện thích hợp cho q trình thủy phân lên men đồng thời là: mật độ nấm men 23,6 triệu tế bào/ml; % enzyme 5%; pH 4,8; nhiệt độ 37oC; % bã rắn 11% Tiến hành thí nghiệm khảo sát nồng độ ethanol tạo thành, nồng độ glucose cellobiose trình thủy phân lên men đồng thời giá trị kể Bảng 4-23 Nồng độ cellobiose, glucose ethanol tạo thành theo thời gian trình thủy phân lên men đồng thời STT Thời gian (giờ) Nồng độ cellobiose(g/l) Nồng độ glucose (g/l) Nồng độ ethanol (g/l) Hiệu suất (%) 0,00 0,00 0,00 0,00 2 9,96 6,73 1,73 14,58 21 4,59 1,87 22,10 65,10 24 4,21 1,79 24,73 72,40 26 3,13 1,89 25,49 74,68 51 0,72 29,23 82,53 74 0,88 30,68 86,61 101 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Từ số liệu vẽ đồ thị sau 90 30 29.23 25.49 24.73 22.10 Nồng độ (g/l) 25 20 30.68 80 70 60 50 Ethanol 15 10 Glucose 40 Cellobiose Hiệu suất 30 Hiệu suất (%) 35 20 10 1.73 0.00 0 10 20 30 40 50 Thời gian (giờ) 60 70 80 Hình 4-22 Nồng độ cellobiose, glucose ethanol tạo thành theo thời gian trình thủy phân lên men đồng thời NHẬN XÉT Trong thời gian đầu (2 giờ), glucose cellobiose tạo thành nhanh, ethanol tạo thành không nhiều (hình 4-22) Nồng độ clellobiose dung dịch định tốc độ thuỷ phân enzyme endo, exo tốc độ tiêu thụ cellobiose enzyme βglucosidase Nồng độ glucose định tốc độ tạo phản ứng thuỷ phân enzyme cellulase tốc độ lên men nấm men Tuỳ thuộc vào mối quan hệ tốc độ này, cellobiose glucose dung dịch có giá trị nồng độ khác Như đề cập [9] giai đoạn đầu, nấm men không lên men kịp tốc độ tạo thành glucose từ phản ứng thủy phân cellulose enzyme Ngoài ra, chất giai đoạn mới, bề mặt dễ cơng cịn nhiều, enzyme chưa bị ức chế Vì tồn glucose cellobiose tích tụ dung dịch giai đoạn Hoạt động nấm men giai đoạn yếu, glucose khơng bị tiêu thụ mạnh, lượng glucose tích tụ thời điểm làm hạn chế tốc độ thủy phân enzyme β-glucosidase Sau đó, 24 tiếp theo, nấm men thích nghi với môi trường tăng sinh khối đáng kể phản ứng lên men tạo ethanol diễn nhanh trình thủy phân tạo glucose trở thành giai đoạn định tốc độ phản ứng Lúc này, lượng glucose 102 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN khơng cịn đủ để ức chế enzyme β-glucosidase nữa, phản ứng thủy phân diễn nhanh hơn, tác dụng chuyển dịch cân trình thuỷ phân lên men đồng thời thể giai đoạn Từ 24 đến 51 giờ, nồng độ ethanol tiếp tục tăng chậm, nồng độ cellobiose glucose dần giảm tới Từ 51 đến 74 giờ, ethanol tạo thành với tốc độ chậm, lượng glucose cellobiose khơng cịn đáng kể Tuy nhiên, trình bày mục 2.2.5.2, hiệu suất trình đạt đến 86,61% Lý có phần cellulose khơng thể bị công enzyme 103 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1 KẾT LUẬN Q TRÌNH THỦY PHÂN Từ thí nghiệm khảo sát yếu tố, rút điểm tốt cho trình thủy phân rơm rạ enzyme % bã rắn 11% % enzyme 5% Nhiệt độ 50oC pH 4,8 Nồng độ glucose đạt 55,08 g/l Hiệu suất 81,23% Như vậy, tiến hành thủy phân điều kiện này, kg rơm thô thu 204,16g glucose 5.2 KẾT LUẬN QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI Từ thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng yếu tố, kết luận điểm tốt cho trình thủy phân lên men đồng thời Mật độ nấm men 23,2 triệu tế bào/ml % enzyme 5% % bã rắn 11% Nhiệt độ 37oC pH 4,8 Nồng độ ethanol đạt 30,68 g/l Nồng độ glucose tích tụ g/l Hiệu suất 86,61% Nếu tiến hành trình thủy phân lên men đồng thời điều kiện này, kg rơm thô thu 113,72 g ethanol tương đương 144 ml ethanol Trong thí nghiệm tiến hành với rơm qua tiền xử lý acid yếu, Keikhosro Karimi cộng [13], kg rơm cho 172g ethanol tương ứng 218ml ethanol quy trình sử dụng nấm men S.cerevisiae 104 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.3 SO SÁNH HIỆU SUẤT TỒN Q TRÌNH CỦA THỦY PHÂN VỚI THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI Như trình bày trên, hiệu suất trình thủy phân thường yếu tố định lên hiệu suất toàn trình Vì trình lên men thường đạt hiệu suất cao (99%) phản ứng lên men đồng thể nên dễ xảy Trong enzyme thường khơng thủy phân hết lượng cellulose có rơm rạ Hiệu suất tồn q trình thường nhỏ hiệu suất trình thủy phân Hiệu suất trình thủy phân lên men đồng thời đạt 86,62% ( 74 giờ), lớn so với hiệu suất q trình thủy phân 81% Như vậy, trình thủy phân lên men đồng thời cho hiệu suất cao trình thủy phân thơng thường, hay nói cách khác cao trình thủy phân lên men tách biệt Bên cạnh đó, q trình tiến hành thời gian ngắn (48 – 72 giờ, so với ngày (144 giờ) q trình thơng thường) Các thiết bị giảm từ hai thiết bị sử dụng thủy phân lên men đồng thời 5.4 ĐỀ NGHỊ Để trình sản xuất bioethanol từ rơm rạ từ nguồn nguyên liệu lignocellulose có hiệu hơn, tác giả đưa số đề nghị sau: Quá trình thủy phân lên men đồng thời có ý nghĩa cơng nghiệp sản xuất bioethanol từ nguồn nguyên liệu lignocellulose chung từ rơm rạ nói riêng Những kết từ nghiên cứu phần chứng minh tính khả thi q trình Tuy nhiên, nghiên cứu cịn nhiều hạn chế Việc nghiên cứu kỹ trình thủy phân lên men đồng thời có ý nghĩa việc sản xuất bioethanol Hiệu suất trình thủy phân thủy phân lên men đồng thời đạt đến ngưỡng 80% Cellulose đóng vai trị lớn vào hạn chế Có phần cellulose khơng thể bị cơng enzyme, làm ảnh hưởng tới hiệu suất toàn trình Nghiên cứu để nâng cao hiệu trình tiền xử lý cần thiết Kết phân tích dịch thủy phân thủy phân lên men đồng thời rằng, dịch có tồn đường pentose gồm xylose arabinose, nấm men saccharomyces cerevisiae lên men đường Một quy trình đề dịch sau lên men đường hexose loại ethanol (chưng cất…) sau tiếp tục lên men đường Quá trình lên men lần hai tiến hành chủng nấm men Pichia Stipitis Như tận dụng hết lượng chất 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cao Đình Khánh Thảo, Nghiên cứu thử nghiệm khả xử lý rơm rạ để lên men ethanol, Luận văn Đại học, Bộ môn Công Nghệ Sinh Học – Khoa Cơng Nghệ Hóa Học, 01/2007 [2] TS Nguyễn Thị Ngọc Bích, Kỹ thuật cellulose giấy, Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2003 [3] Hồ Sĩ Tráng, Cơ sở hoá học gỗ cellulose, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, trang 30-81 [4] TS Nguyễn Đức Lượng, Công nghệ enzyme, Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2001 [5] TS Nguyễn Đức Lượng, Công nghệ sinh học, Nhà xuất Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2001 [6] Th.S Trịnh Hồi Thanh, Nghiên cứu q trình xử lý rơm rạ để chế biến cồn nhiên liệu, Luận văn Thạc sĩ, Bộ mơn Máy Thiết bị - Khoa Cơng nghệ Hóa học [7] Nguyễn Ngọc Quế, Trần Đình Thao, Báo cáo tổng quan ngành hàng lúa gạo Việt Nam, Viện Chính sách Chiến lược Phát triển Nông Nghiệp Nông Thôn, 2005 [8] TS Nguyễn Thế Bảo, TS.Bùi Tuyên, Điều tra quy hoạch dạng lượng địa bàn Tp Hồ Chí Minh, Sở Khoa học Cơng Nghệ Tp Hồ Chí Minh, 2001 [9] Charles E.Wyman, Handbook on Bioethanol: Product and Utilization, Taylor&Francis, 1996 p 119-285 [10] Hetti Palonen, Role of lignin in the enzymatic hydrolysis of lignocellulose, VTT Biotechnology, 2004, p 11-39 [11] M.Roehr, The Biotechnology of ethanol classical and future application, Weinheim, WILEY-VCH Verlag GmbH, 2001 Ilona Sárvári Horváth, Carl Johan Franzén, Mohammad J Taherzadeh, [12] Claes Niklasson, Gunna Lidén, Effect of Fufural on the Respiratory Metabolism of Saccharomyces Cerevisiae in Glucose-Limited Chemostats, American Scociety for Microbiology vol.69, 07/2004, p.4076-4086 [13] Keikhosro Karimi, Giti Emtiazi, Mohammad J Taharzadeh, Ethanol production from dilute-acid pretreated rice straw by simultaneous saccharification 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO and fermentation with Mucor indicus, Rhizopus oryzae, Saccharomyces cerevisiae, Science Direct, Enzyme and microbial Technology 40, 2006, p 138-144 [14] Lonnie O Ingram, Joy B.Doran, Conversion of cellulosic materials to ethanol, FEMS Microbiology Reviews, 1995 [15] Carlo N Hamelinck, Greertje van Hooijdonk, André PC Faaij, Ethanol from lignocellulosic biomass: techno-economic performance in short-, middle- and long-term, Science Direct, Biomass and bioenergy 28, 2005, p.384-410 [16] M Clark Dale Mark Moelhman, Enzymatic Simultaneous saccharification and fermentation of biomass to ethanol in a pilot 130 liter multistage continuous reaction separator [17] Haagensen F., Ahring B.K., Enzymatic hydrolysis and glucose fermentation of wet oxidized sugarcane bagasse and rice straw for bioethanol production, Environment Microbiology & Biotechnology Research Group, Technical University of Denmark [18] Seungdo Kim, Bruce E Dale, Global potential bioethanol production from wasted crops, Science Direct, Biomass and Bioenergy 26, 2004, p.361-375 [19] Jeibing li, Gunnar Henriksson, Goran Gellerstedt, Lignin depolymerization/ repolymerization and its critical role for deligninfication of aspen wood by steam exposion, Science Direct, Bioresource Technology 98, 2007, p 3061-3068 [20] Muhammad Ibrahim Rajoka, The enzymatic hydrolysis and fermentation of pretreated wheat straw and bagasse to ethanol, ATDF Journal Volume 2, Issue 2, p.29-35 [21] Ghasem Najafpour, Habibollah Younesi, Ku Syahidah Ku Ismail, Ethanol fermentation in an immobilized cell reactor, Science Direct, Bioresource Technology 92, 2004, p.251-260 [22] Luiz Pereira Ramous, The chemistry involved in the steam treatment of lignocellulosic materials, Quin Nova, 2003 [23] Karin Ohgren, Oskar Bengtsson, Marie F.Gorwa-Grauslund, Simultaneous saccharification and co-fermentation of glucose and xylose in steam-pretreated corn stover at high fiber content with Saccharomyces cerevisiae TMB3400, Science Direct [24] Jesper Norgard, Ethanol production from biomass – optimization of simultaneous saccharification and fermentation with respect to stirring and heating, Department of Chemical engineering, Lund Institute of Technology 107 PHỤ LỤC PHỤ LỤC TÍNH HIỆU SUẤT Một số kí hiệu sử dụng: Khối lượng bã sử dụng mrom (g) Hàm ẩm a% Phần trăm cellulose bã b% Khối lượng cellulose có bã mcellulose-1 (g) Thể tích dung dịch V (ml) Nồng độ glucose dung dịch Cglucose (g/l) Khối lượng mol cellulose 162×n (g) Khối lượng mol glucose 180 (g) Khối lượng cellulose phản ứng mcellulose-2 (g) Nồng độ ethanol dung dịch Cethanol (g/l) Khối lượng cellulose bị lên men mcellulose-3 (g) HIỆU SUẤT Q TRÌNH THUỶ PHÂN Khối lượng cellulose có bã ban đầu mcellulose −1 = mrom × (100 − a ) × b (g) 10.000 (4) Khối lượng cellulose thủy phân mcellulose− = C glu cos e × V 1000 × C glu cos e × V 162 M cellulose = × (g) 1000 180 n × M glu cos e (5) Hiệu suất phản ứng thuỷ phân H= mcellulose −2 × 100% mcellulose −1 (6) HIỆU SUẤT QUÁ TRÌNH THUỶ PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI Tính khối lượng cellulose có bã ban đầu theo (4) Tính khối lượng cellulose bị thuỷ phân ứng với nồng độ glucose dung dịch 108 PHỤ LỤC Khối lượng cellulose tham gia phản ứng lên men mcellulose −3 = C ethanol × V M cellulose C ×V 162 × × = ethanol (g) 1000 × n × M ethanol 1000 × 46 (7) Hiệu suất q trình thủy phân lên men đồng thời H= mcellulose − + mcellulose −3 × 100% mcellulose −1 (8) TÍNH TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG BAN ĐẦU Từ giá trị nồng độ glucose đo ứng với thời điểm ban đầu: 0; 0,5; 1; 2; Tiến hành vẽ đồ thị nồng độ glucose – thời gian Từ đồ thị, dùng phương pháp bình phương cực tiểu nội suy dạng đường thẳng qua điểm Giá trị hệ số góc đường thẳng nội suy tốc độ phản ứng ban đầu 109 ... 40% cellulose, rơm rạ nguồn nguyên liệu thích hợp cho q trình sản xuất ethanol Luận văn nghiên cứu trình sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ chia làm hai phần Phần đầu nghiên cứu ảnh hưởng yếu... .1 1.2 RƠM RẠ 1.2.1 Nguồn rơm rạ Việt Nam 1.2.2 Hiện trạng sử dụng lượng từ rơm rạ Việt Nam 1.3 BIOETHANOL TỪ RƠM RẠ 1.4 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ... NHIÊN LIỆU TỪ RƠM RẠ Nhiệm vụ (yêu cầu nội dung số liệu ban đầu): Nghiên cứu trình thuỷ phân rơm rạ qua tiền xử lý, sử dụng enzyme cellulase Nghiên cứu trình thuỷ phân lên men đồng thời rơm rạ qua