Nghiên cứu khả năng chuyển đổi cenlulose từ phụ phẩm nông nghiệp thành etanol.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  NGUYỄN QUANG VINH NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHUYỂN ĐỔI CENLULOSE TỪ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP THÀNH ETANOL LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG Mã số: 60 85 02 HÀ NỘI – 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu khả chuyển đổi Cenlulose từ phụ phẩm nông nghiệp thành etanol” thực chép tác giả hay tổ chức ngồi nước Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm nội dung trình bày đề tài! Hà Nội, ngày 15 tháng 12 năm 2013 Học viên Nguyễn Quang Vinh LỜI CẢM ƠN! Luận văn sản phẩm trình nghiên cứu khoa học miệt mài giải đáp cho khía cạnh nhỏ kiện khoa học quan tâm – Sản xuất ethanol từ phụ phẩm nông nghiệp nguồn lượng thay Để hồn thành luận văn, tơi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn khoa học – PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải giúp đến với hướng nghiên cứu này, đồng thời người tận tình hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành tốt luận văn Xin cảm ơn đồng nghiệp Viện Nước, Tưới tiêu Môi trường Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam tạo điều kiện sở vật chất, trang thiết bị tận tình giúp đỡ tơi suốt q trình học tập làm luận văn Cuối xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, người thân bạn bè chăm sóc, giúp đỡ động viên tơi suốt q trình học tập Hà Nội, ngày 15 tháng 12 năm 2013 Học viên Nguyễn Quang Vinh Môc lôc Trang LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu đề tài: Nội dung nghiên cứu đề tài…… Chƣơng TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Thực trạng sử dụng nhu cầu lƣợng tƣơng lai………… 1.1.1 Thực trạng nguồn lượng 1.1.2 Thực trạng sử dụng nhu cầu lượng giới tương lai 1.1.3 Thực trạng sử dụng nhu cầu lượng Việt Nam 1.2 Tổng quan phế phẩm nông nghiệp tiềm sản xuất nhiên liệu sinh học 1.2.1 Phế phụ phẩm nông nghiệp trạng sử dụng 1.2.2 Nhiên liệu sinh học tình hình sản xuất nhiên liệu sinh học 11 1.2.3 Tiềm sản xuất nhiên liệu sinh học từ phế phẩm nông nghiệp 15 1.3 Công nghệ sản xuât etanol sinh học 19 1.3.1 Giới thiệu nguyên liệu Lignocellulose 19 1.3.2 Công nghệ sản xuất etanol từ nguyên liệu Lignocellulose 22 Chƣơng ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu 32 2.1.1 Lựa chọn đối tượng nghiên cứu 32 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 33 2.2.1 Nghiên cứu tổng quan ………………… 33 2.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm.…………………… 33 2.2.3 Phân tích phịng thí nghiệm 38 Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết trình thủy phân 40 3.1.1 Thành phần dịch thủy phân 40 3.1.2 Ảnh hưởng phần trăm bã rắn 41 3.1.3 Ảnh hưởng lượng enzyme cho vào 43 3.1.4 Ảnh hưởng pH 48 3.1.5 Ảnh hưởng nhiệt độ 51 3.1.6 Hiệu suất thủy phân nồng độ đường tạo thành theo thời gian 56 3.2 Quá trình thủy phân lên men đồng thời 58 3.2.1 Thành phần dịch thủy phân lên men đồng thời 58 3.2.2 Ảnh hưởng lượng emzyme cho vào 59 3.2.3 Ảnh hưởng mật độ nấm men ban đầu 62 3.3.4 Hiệu suất tồn q trình theo thời gian 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN 68 ĐỀ NGHỊ 68 PHỤ LỤC 70 DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1: Dự báo tiêu thụ lượng giới từ 2015-2030…………… Bảng 2: Khả khai thác nguồn lượng tái tạo Việt Nam… Bảng 3: Thống kê sản xuất hai loại lương thực Việt Nam 10 Bảng 4: Sản lượng etanol toàn cầu từ năm 2007 đến 2012………………… 13 Bảng 5: Phế phụ phẩm nông nghiệp tiềm năng lượng……………… 18 Bảng 6: Các thơng số vận hành kết q trình thủy phân lên men đồng thời số nước…………………………………………………… 30 Bảng 7: Kết trình thủy phân lên men đồng thời với rơm qua tiền xử lý acid lỗng, điều kiện kỵ khí…………………………… Bảng 8: Hàm lượng thành phần cấu tạo số phế phẩm nông nghiệp… 30 32 Bảng 9: Thành phần dịch thủy phân………………………………………… 40 Bảng 10: Kết ảnh hưởng phần trăm bã rắn………………………… 41 Bảng 11: Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với % enzyme khác nhau…………………………………………………………………………… 43 Bảng 12: Nồng độ cellobiose tạo thành theo thời gian ứng với % enzyme khác nhau…………………………………………………………………………… 44 Bảng 13: Hiệu suất trình thủy phân theo thời gian ứng với % enzyme khác nhau…………………………………………………………………… 45 Bảng 14: Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất tốc độ ban đầu theo lượng enzyme cho vào thời gian 72 giờ………………………………… 46 Bảng 15: Nồng độ glucose theo thời gian ứng với giá trị pH ban đầu khác nhau…………………………………………………………………………… 48 Bảng 16: Hiệu suất thủy phân theo thời gian với giá trị pH ban đầu khác nhau…………………………………………………………………………… Bảng 17: Hiệu suất nồng độ glucose, cellobiose theo pH dung dịch……… 49 50 Bảng 18: Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian với nhiệt độ khác nhau…………………………………………………………………………… 51 Bảng 19: Nồng độ Cellobiose tạo thành theo thời gian với nhiệt độ khác nhau…………………………………………………………………………… 52 Bảng 20: Hiệu suất trình thủy phân theo thời gian với nhiệt độ khác nhau………………………………………………………………………… 53 Bảng 21: Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất tốc độ phản ứng ban đầu đạt theo nhiệt độ………………………………………………… 54 Bảng 22: Nồng độ glucose, cellobiose hiệu suất theo thời gian………… 56 Bảng 23: Thành phần dịch thủy phân lên men đồng thời……………… 59 Bảng 24: Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose hiệu suất tồn q trình theo % enzyme cho vào 24 48 giờ……………………………… 60 Bảng 26: Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose hiệu suất theo mật độ nấm men cho vào…………………………………………………………… 63 Bảng 27: Nồng độ cellobiose, glucose ethanol tạo thành theo thời gian trình thủy phân lên men đồng thời…………………………… 65 DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1: Tiêu thụ lượng giới: nước thuộc OECD OECD từ năm 1980 dự báo đến 2030 ………………………………… Hình 2: Dự báo tiêu thụ lượng Mỹ, Trung Quốc Ấn Độ từ năm 1990 đến 2030 ………………… ………………… ……………………… Hình 3: Tiêu thụ lượng giới theo dạng lượng từ năm 1980 dự báo đến 2030 ………………… ………………… …………………… Hình 4: Tình hình sử dụng etanol hoạt động KT-XH giới 12 Hình 5: Thị trường xuất, nhập etanol nhiên liệu giới………… 14 Hình 6: Cấu trúc lignocellulose………………… …………………… 19 Hình 7: Cơng thức hóa học cấu trúc khơng gian cellulose………… 20 Hình 8: Cấu trúc thành phần Hemicellulose………………………… 20 Hình 9: a - Cấu trúc tổng quát; b - Các đơn vị lignin………… 21 Hình 10: Quy trình sản xuất etanol từ nguyên liệu lignocellulose………… 22 Hình 11: Một số vi sinh vật điển hình có khả sinh tổng hợp cellulose 24 Hình 12: Tốc độ phản ứng enzyme theo nhiệt độ………………………… 25 Hình 13: Ảnh hưởng pH………………… …………………………… 26 Hình 14: Ảnh hưởng nồng độ enzyme………………………………… 26 Hình 15: Ảnh hưởng nồng độ chất………………………………… 27 Hình 16: Trình tự tiến hành tiền xử lý rơm rạ……………………………… 34 Hình 17: Sơ đồ trình thủy phân Rơm rạ enzyme ……………… 35 Hình 18: Quy trình thủy phân lên men đồng thời……………………… 36 Hình 19: Bộ dụng cụ thủy phân lên men đồng thời…………………… 36 Hình 20: Hệ thống phân tích HPLC………………… …………………… 36 Hình 21: Nồng độ glucose, cellobiose hiệu suất thu theo % bã rắn cho vào………………… ………………… ……………………………… 42 Hình 22: Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với % enzyme khác nhau………………… ………………… …………………………… Hình 23: Nồng độ Cellobiose tạo thành theo thời gian ứng với % enzyme khác ………………… ………………… ………………………… 44 Hình 24: Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất theo % enzyme………… 45 46 Hình 25 : Tốc độ phản ứng ban đầu theo % enzyme cho vào …………… 47 Hình 26: Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với pH khác ………………… ………………… ……………………………… 49 Hình 27 : Hiệu suất, Nồng độ glucose nồng độ Cellobiose theo pH dung dịch ………………… ………………… ………………………………… 50 Hình 28: Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian với nhiệt độ khác ………………… ………………… ……………………………… 52 Hình 29: Nồng độ Cellobiose tạo thành theo thời gian với nhiệt độ khác ………………… ………………… ……………………………… Hình 30: Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất 24 theo nhiệt độ 53 54 Hình 31: Tốc độ phản ứng theo nhiệt độ ………………………………… 55 Hình 32: Nồng độ glucose, cellobiose hiệu suất theo thời gian………… 57 Hình 33: Nồng độ ethanol, glucose hiệu suất theo % enzyme, 24 60 Hình 34: Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose hiệu suất theo % enzyme cho vào 48 ………………… ………………… ………………… 61 Hình 35: Nồng độ ethanol, glucose hiệu suất theo tỉ lệ mật độ nấm men cho vào 24 ………………… ………………… ………………… 63 Hình 36: Nồng độ ethanol, glucose hiệu suất theo tỉ lệ mật độ nấm men cho vào 48 giờ…………………… ………………… ………………… 64 Hình 37: Nồng độ cellobiose, glucose ethanol tạo thành theo thời gian trình thủy phân lên men đồng thời ………………………… 66 Trường đại học Khoa học Tự nhiên Khoa Mơi trường MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong bối cảnh nay, với phát triển mạnh mẽ q trình cơng nghiệp hóa khai thác mức nguồn tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt nguồn nhiên liệu hóa thạch, điều khiến cho nguồn lượng truyền thống (dầu mỏ, than đá, khí thiên nhiên) ngày cạn kiệt Theo báo cáo “Triển vọng lượng giới 2013” Cơ quan Thông tin Năng lượng Mỹ (EIA) lượng tiêu thụ lượng giới tăng từ 534.1024 năm 2010 lên 820.1024 Btu (trong 1024 Btu tương đương 172 triệu thùng dầu thơ) Dự báo lượng tái tạo lượng hạt nhân nguồn lượng tăng trưởng nhanh với tốc độ tăng dự kiến lên tới 2,5% năm Trước tình hình đó, nhiên liệu sinh học xem dạng lượng đầy tiềm khả tái tạo hết nguồn lượng “sạch”, không độc hại dễ dàng phân hủy tự nhiên Hiện có dạng lượng sinh học chủ yếu ethanol sinh học diesel sinh học Ethanol coi nhiên liệu có khả tái tạo tương lai thay phần cho nguồn nguyên liệu hóa thạch ngày cạn kiệt than đá dầu mỏ Nguồn nguyên liệu cellulose thực dồi dào, vấn đề nghiên cứu sản xuất ethanol từ cellulose khai thác Với tổng sản lượng sinh khối thực vật toàn cầu hàng năm vào khoảng 200 tỷ 90% số lignocellulose có khoảng – 20 tỷ thực tế sử dụng để sản xuất ethanol Ethanol sinh học sản xuất phương pháp lên men chưng cất từ loại ngũ cốc chứa tinh bột (bắp) đường (mía) Ngồi ra, ethanol sản xuất từ lignocellulose, từ phụ phẩm có chứa hợp chất cellulose cao Lignocellulose loại biomass phổ biến giới Chính vậy, sản xuất ethanol từ biomass cụ thể lignocellulose từ phế phẩm nông nghiệp giải pháp thích hợp bối cảnh giá nhiên liệu tăng cao, ô nhiễm môi trường ngày Nguyễn Quang Vinh Luận văn Thạc sỹ khoa học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa Môi Trường 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 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 Ngoài 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% 3.2.3 Ảnh hƣởng 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 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 23,6 (triệu tế bào /ml) Nguyễn Quang Vinh 62 Luận văn Thạc sỹ Khoa học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa Môi Trường Bảng 25: Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose hiệu suất theo mật độ nấm men cho vào Mật độ Tỷ lệ nấm men mật độ (triệu nấm tb/ml) men STT 11,8 0,5 23,6 35,4 1,5 47,2 Thời Nồng gian độ (giờ) ethanol (g/l) 24 19,11 Nồng độ glucose (g/l) 1,79 Nồng độ cellobiose (g/l) Hiệu suất (%) 5,97 57,70 48 22,60 1,22 1,96 66,92 24 18,31 11,30 52,76 48 26,61 2,47 76,68 24 18,42 1,79 8,51 55,72 48 24,06 1,18 2,27 71,07 24 23,04 1,72 4,62 68,93 48 23,80 1,09 0,27 70,19 Vẽ đồ thị mối quan hệ 24 sau: 40 70,00 57,70 55,72 52,76 30 60,00 25 23,04 20 19,11 18,31 50,00 40,00 18,42 15 30,00 10 20,00 1,79 1,79 1,72 Hiệu suất (%) Nồng độ (g/l) 35 80,00 68,93 10,00 10 20 30 40 50 Mật độ nấm men (triệu tb/ml) Nồng độ Etanol (g/l) Nồng độ Glucose (g/l) Hiệu suất (%) Hình 35: Nồng độ ethanol, glucose hiệu suất theo mật độ nấm men 24 Nguyễn Quang Vinh 63 Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nồng độ (g/l) 40 Khoa Môi Trường 76,68 71,07 66,92 80,00 70,19 35 70,00 30 60,00 26,61 25 24,06 22,6 23,8 50,00 20 40,00 15 30,00 10 20,00 1,22 1,18 1,09 Hiệu suất (%) Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 10,00 10 20 30 40 50 Mật độ nấm men (triệu tb/ml) Nồng độ Etanol (g/l) Nồng độ Glucose (g/l) Hiệu suất (%) Hình 36: Nồng độ ethanol, glucose hiệu suất theo mật độ nấm men 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 2,7 g/l nồng độ ethanol 9,2% hiệu suất 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 35,36) 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 khơng 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 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, tỉ lệ nấm men khơng cịn cellobiose Nguyễn Quang Vinh 64 Luận văn Thạc sỹ Khoa học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa Mơi Trường 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 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 3.3.4 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 Kết hiệu suất trình thủy phân lên men đồng thời theo thời gian sau: Bảng 26: Nồng độ cellobiose, glucose ethanol tạo thành theo thời gian trình thủy phân lên men đồng thời STT Thời gian Nồng độ Nồng độ Nồng độ Hiệu suất (giờ) cellobiose glucose ethanol (%) (g/l) (g/l) (g/l) 0,00 0,00 0,00 0,00 2 9,96 6,73 1,73 14,90 21 4,59 1,87 18,10 54,91 24 4,21 1,79 21,73 65,25 26 3,13 1,89 22,49 - 51 0,72 1,67 24,23 72,28 72 0,88 1,35 25,68 75,99 Từ đồ thị vẽ đồ thị sau: Nguyễn Quang Vinh 65 Luận văn Thạc sỹ Khoa học Khoa Môi Trường 40 Nồng độ (g/l) 35 75,99 72,28 65,25 30 54,91 25 21,73 18,1 20 25,68 24,23 15 6,73 10 14,90 1,87 1,79 -0 0 1,67 1,35 1,73 10 20 30 40 50 60 70 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 - Hiệu suất (%) Trường Đại học Khoa học Tự nhiên 80 Thời gian (giờ) Nồng độ Etanol (g/l) Nồng độ Glucose (g/l) Hiệu suất (%) Hình 37: Nồng độ 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 Nồng độ clellobiose dung dịch định tốc độ thuỷ phân enzyme endo, exo tốc độ tiêu thụ cellobiose enzyme β- glucosidase 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 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 cịn yếu, glucose khơng bị tiêu thụ mạnh, lượng glucose tích tụ thời điểm làm hạn chế tốc độ thủy phân enzyme β-glucosidase Nguyễn Quang Vinh 66 Luận văn Thạc sỹ Khoa học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa Mơi Trường Sau đó, 24 tiếp theo, nấm men thích nghi với mơi 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 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 xuống thấp Từ 51 đến 74 giờ, ethanol tạo thành với tốc độ chậm, lượng glucose cellobiose khơng cịn đáng kể, hiệu suất trình đạt đến 75,99% Lý có phần cellulose khơng thể bị công enzyme Nguyễn Quang Vinh 67 Luận văn Thạc sỹ Khoa học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa Môi Trường KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Đề tài tập trung nghiên cứu hiệu q trình chuyển hóa cellulose từ rơm rạ thành ethanol hai trình trình thủy phân enzyme trình thủy phân lên men đồng thời Đồng thời khảo sát số yếu tố ảnh hưởng để rút kết luận điều kiện tối ưu trình Cụ thể sau: - Đối với q trình thủy phân: Từ thí nghiệm khảo sát yếu tố, rút điểm tốt cho trình thủy phân rơm rạ enzyme với % bã rắn 11%; % enzyme 5%; Nhiệt độ 50oC, điều kiện pH 4,8; Nồng độ glucose đạt 51,76 g/l với hiệu suất chuyển hóa đạt 76,23% - Kết luận trình thủy phần 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 đạt 23,6 triệu tế bào/ml; % enzyme 5%; % bã rắn 11%; Nhiệt độ 37oC; điều kiện pH 4,8; Nồng độ ethanol đạt 26,61 g/l; Nồng độ glucose tích tụ 1,35 g/l; Hiệu suất chuyển hóa đạt 76,68% 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 trình Tuy nhiên, nghiên cứu 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 gần 80% Cellulose đóng vai trị lớn vào hạn Nguyễn Quang Vinh 68 Luận văn Thạc sỹ Khoa học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa Mơi Trường chế Có phần cellulose khơng thể bị công enzyme, làm ảnh hưởng tới hiệu suất tồn q 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 Như tận dụng hết lượng chất Nguyễn Quang Vinh 69 Luận văn Thạc sỹ Khoa học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa Môi Trường PHỤ LỤC 1, Do dung dịch chuẩn xây dựng đƣờng chuẩn Chuẩn bị dung dịch chuẩn ethanol, glucose chất khác để khảo sát quan hệ chất – thời gian lưu, nồng độ – diện tích peak a) Thời gian lưu chất Các chất chuẩn pha xác theo nồng độ định trước, đo máy HPLC để xác định thời gian lưu Kết thu được, trình bày bảng sau: Bảng: Kết xác định thời gian lưu số chất chuẩn STT Chuẩn Nồng độ (g/l) Thời gian lƣu Diện tích (giây) Acid oxalic 3,856 Acid lactic 16,168 Acid acetic 6,74 Cellobiose 5,96 Glucose 0,96 Saccharose 4,825 Xylose 5,86 Ethanol 10,55 2,541,980,00 357,48 7,721,543,00 585,54 1,992,774,00 666,48 3,088,465,00 390,36 786,892,00 453,48 7,695,230,00 463,32 3,799,992,00 479,58 3,656,818,00 933,90 b) Chuẩn glucose Các dung dịch chuẩn glucose pha theo nồng độ định trước, đo máy HPLC Kết trình bày bảng sau: Bảng: Diện tích peak thu ứng với nồng độ glucose chuẩn STT Ký hiệu Nồng độ (g/l) C1 0,2 138,571,00 C2 0,39 139,076,00 C3 0,597 421,409,00 C4 0,797 562,458,00 Nguyễn Quang Vinh 70 Diện tích Luận văn Thạc sỹ Khoa học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa Môi Trường C5 709,680,00 C6 1,18 917,332,00 C7 1,38 1,066,170,00 C8 1,57 1,217,408,00 C9 1,8 1,400,696,00 10 C10 2,01 1,566,539,00 11 C11 2,18 1,639,969,00 12 C12 2,36 1,794,044,00 13 C13 2,84 2,138,592,00 14 C14 3,10 2,291,589,00 Từ bảng số liệu trên, vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ nồng độ glucose – diện tích peak Hình: Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ nồng độ glucose – diện tích peak, Từ đồ thị nội suy phương trình sau S = 786637×C – 54489 Phương trình cho phép tính nồng độ glucose biết diện tích peak Nguyễn Quang Vinh 71 Luận văn Thạc sỹ Khoa học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa Môi Trường c) Chuẩn ethanol Các dung dịch ethanol pha theo nồng độ định trước đo máy HPLC Kết trình bày bảng sau: STT Ký hiệu Nồng độ (g/l) Diện tích E1 9,56 2,890,448,00 E2 4,78 1,387,166,00 E3 4,30 1,245,487,00 E4 3,83 1,092,224,00 E5 3,33 927,311,00 E6 2,99 823,560,00 E7 2,48 656,040,00 E8 1,99 498,059,00 E9 1,46 326,814,00 10 E10 0,99 186,844,00 Từ bảng số liệu trên, vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ nồng độ ethanol – diện tích peak Từ nội suy phương trình sau: S = 316430×C – 126371 Phương trình cho phép tính nồng độ ethanol biết diện tích peak Hình: Biểu đồ xây dựng biểu diễn mối quan hệ nồng độ ethanol – diện tích peak Nguyễn Quang Vinh 72 Luận văn Thạc sỹ Khoa học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa Mơi Trường Tính tốn hiệu suất q trình a Các thơng số tính toán: - Khối lượng rơm rạ sử dụng: m rơm (g) -Hàm ẩm a = 14,17 (%) -Phần trăm cellulose bã b = 56,3 % -Khối lượng cellulose có bã m cellulose-1 (g) -Thể tích dung dịch V = 750 (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 m cellulose-2 (g) -Nồng độ ethanol dung dịch Cethanol (g/l) -Khối lượng cellulose bị lên men m cellulose-3 (g) b Hiệu suất q trình thủy phân - Khối lượng cellulose có bã ban đầu m cellulose-1 (g) = (m rơm (g) x (100 – a) x b)/10.000 (g) - Khối lượng cellulose thủy phân: m cellulose-2 (g) = (Cglucose (g/l) x V x M celsulose )/ (n M glucose x 1000) (g) - Hiệu suất phản ứng thủy phân: H = m cellulose-2 (g) / m cellulose-1 (g) (%) c Hiệu suất trình thủy phân lên men đồng thời: - Khối lượng cellulose có bã ban đầu m cellulose-1 (g) = (m rơm (g) x (100 – a) x b)/10.000 (g) - Khối lượng cellulose thủy phân: m cellulose-2 (g) = (Cglucose (g/l) x V x M celsulose )/ (n M glucose x 1000) (g) - Hiệu suất phản ứng thủy phân: H = m cellulose-2 (g) / m cellulose-1 (g) (%) Nguyễn Quang Vinh 73 Luận văn Thạc sỹ Khoa học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa Môi Trường TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Thị Ngọc Bích (2003), Kỹ thuật cellulose giấy, Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Nguyễn Thế Bảo, Bùi Tuyên (2001), Điều tra quy hoạch dạng lượng địa bàn Tp Hồ Chí Minh, Sở Khoa học Cơng Nghệ Tp Hồ Chí Minh Bộ Cơng Thương (2006) Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2006-2015, Hà Nội Trần Hưng (2013), Hiện trạng giải pháp cho phát triển lượng tái tạo Việt Nam, Trung tâm tiết kiệm lượng sản xuất Hải Phòng Nguyễn Đức Lượng (2001), Công nghệ sinh học, Nhà xuất Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh Nguyễn Đức Lượng (2001), Công nghệ enzyme, Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Hồng Minh Nam (2009): Nghiên cứu công nghệ thiết bị liên tục xử lý rơm rạ nước để lên men etanol ĐH Bách Khoa- Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Niên giám thống kê 2004 (2005), NXB Thống Kê Hà Nội Nguyễn Văn Tặng (2012): Tổng quan sản xuất etanol sinh học từ rơm rạ Khoa CN Thực phẩm – ĐH Nha Trang 10 Trịnh Hồi Thanh (2007), Nghiên cứu q trình xử lý rơm rạ để chế biến cồn nhiên liệu, Luận văn Thạc sĩ, Bộ môn Máy Thiết bị - Khoa Cơng nghệ Hóa học Đại học Bách Khoa – ĐHQG TPHCM 11 Vũ Nguyên Thành (2010), Nghiên cứu công nghệ hệ thống thiết bị sản xuất cồn nhiên liệu từ phế phụ phẩm nông nghiệp Đề tài nghiên cứu cấp nhà nước Viện Công nghiệp Thực phẩm 12 Cao Đình Khánh Thảo (2007), 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 13 Hồ Sĩ Tráng (2006), Cơ sở hoá học gỗ cellulose, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, trang 30-81 14 Trung tâm Thông tin KH&CN Quôc gia (2013), Tổng luận “Năng lượng giới đến năm 2013” Nguyễn Quang Vinh 74 Luận văn Thạc sỹ Khoa học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa Môi Trường Tiếng Anh 15 Hetti Palonen (2004), Role of lignin in the enzymatic hydrolysis of lignocellulose, VTT Biotechnology, pp 11-39 16 Charles E.Wyman (1996), Handbook on Bioethanol: Product and Utilization, Taylor & Francis, pp 119-285 17 Scott PT Rood JI (1989) Electroporation- medical transformation of lysostaphin-treated Clostridium perfringens Gene 82: pp 327-333 18 Keikhosro Karimi, Giti Emtiazi, Mohammad J Taharzadeh (2006), Ethanol production from dilute-acid pretreated rice straw by simultaneous saccharification and fermentation with Mucor indicus, Rhizopus oryzae, Saccharomyces cerevisiae, Science Direct, Enzyme and microbial Technology 40, pp 138-144 19 M.Roehr (2001), The Biotechnology of ethanol classical and future application, Weinheim, WILEY-VCH Verlag GmbH 20 Ilona Sárvári Horváth, Carl Johan Franzén, Mohammad J Taherzadeh, Claes Niklasson, Gunna Lidén (2004), Effect of Fufural on the Respiratory Metabolism of Saccharomyces Cerevisiae in Glucose-Limited Chemostats, American Scociety for Microbiology vol.69, pp.4076-4086 21 Lonnie O Ingram, Joy B.Doran (1995), Conversion of cellulosic materials to ethanol, FEMS Microbiology Reviews 22 Carlo N Hamelinck, Greertje van Hooijdonk, André PC Faaij (2005), Ethanol from lignocellulosic biomass: techno-economic performance in short-, middleand long-term, Science Direct, Biomass and bioenergy 28, pp.384-410 23 M Clark Dale Mark Moelhman (2001), Enzymatic Simultaneous saccharification and fermentation of biomass to ethanol in a pilot 130 liter multistage continuous reaction separator 24 Haagensen F., Ahring B.K.(2005), 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 25 Seungdo Kim, Bruce E Dale (2004), Global potential bioethanol production from wasted crops, Science Direct, Biomass and Bioenergy 26, pp.361-375 26 Jeibing li, Gunnar Henriksson, Goran Gellerstedt (2007), Lignin depolymerization/ repolymerization and its critical role for deligninfication of aspen wood by steam exposion, Science Direct, Bioresource Technology 98, pp Nguyễn Quang Vinh 75 Luận văn Thạc sỹ Khoa học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Khoa Môi Trường 3061-3068 27 Muhammad Ibrahim Rajoka (2008), The enzymatic hydrolysis and fermentation of pretreated wheat straw and bagasse to ethanol, ATDF Journal Volume 28 Ghasem Najafpour, Habibollah Younesi, Ku Syahidah Ku Ismail (2004), Ethanol fermentation in an immobilized cell reactor, Science Direct, Bioresource Technology 92, pp.251-260 29 Luiz Pereira Ramous (2003), The chemistry involved in the steam treatment of lignocellulosic materials, Quin Nova 30 Karin Ohgren, Oskar Bengtsson, Marie F.Gorwa-Grauslund (2008), Simultaneous saccharification and co-fermentation of glucose and xylose in steam-pretreated corn stover at high fiber content with Saccharomyces cerevisiae TMB3400, Science Direct Jesper Norgard (2009), Ethanol production from biomass – optimization of simultaneous saccharification and fermentation with respect to stirring and heating, Department of Chemical engineering, Lund Institute of Technology Nguyễn Quang Vinh 76 Luận văn Thạc sỹ Khoa học ... văn ? ?Nghiên cứu khả chuyển đổi cenlulose từ phụ phẩm nông nghiệp thành etanol” lựa chọn góp phần nghiên cứu vấn đề Mục tiêu đề tài: Đánh giá khả hiệu chuyển đổi cellulose thành ethanol từ phụ phẩm. .. nghiên cứu rơm rạ để phát triển hướng nghiên cứu khả chuyển đổi cellulose thành ethanol 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu đề tài tiến hành sau: 2.2.1 Nghiên cứu tổng quan: - Nghiên. .. phế phẩm nông nghiệp, chủ yếu lignocellulose từ mùa vụ Phế phụ phẩm nơng nghiệp có tiềm năng lượng lớn, việc sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp dạng nhiên liệu sinh học hạn chế coi hướng nghiên cứu