Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ

Giới thiệu về ethanol và rơm rạ 7 III.1.2 Ethanol sử dụng trong nhiên liệu động cơ đốt trong 8 III.2.5 Cấu trúc của cellulo và vai trò trong tế bào thực vật 16 III.3.4 Những biến đổi tro

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGÔ ĐÌNH MINH HIỆP

NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT

ETHANOL NHIÊN LIỆU TỪ RƠM RẠ

Chuyên ngành : Công nghệ hóa học

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Phan Đình Tuấn

TS K.L.Nguyễn

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

- -oOo -

Tp HCM, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: NGÔ ĐÌNH MINH HIỆP .Giới tính : Nam / Nữ Ngày, tháng, năm sinh : 22/06/1983 Nơi sinh : Đăklăk

Chuyên ngành : Công Nghệ Hóa học

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2006

1- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ……….

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

1 Nghiên cứu hoàn thiện quy trình nổ hơi, tính toán chi phí nổ hơi 2 Khảo sát quá trình thủy phân riêng lẻ 3 Nghiên cứu quá trình thủy phân và lên men đồng thời ………

……….

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 30/12/2007

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/06/2008

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị):

PGS TS Phan Đình Tuấn

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CÁM ƠN

Luận văn thạc sỹ là một đánh giá quan trọng về quá trình làm việc và học tập của một học viên cao học Để vượt qua được 2 năm học tập cũng như như quá trình làm luận văn tôi đã nhận được sự giúp đỡ và động viên rất nhiều từ gia đình, thầy cô, bạn bè…

Tôi xin chân thành gởi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình tôi đã động viên và tạo điều kiện cho tôi học tập Xin cám ơn thầy hướng dẫn PGS.TS Phan Đình Tuấn

và thầy GS.TS K.L.Nguyễn đã tạo điều kiện, động viên và hướng dẫn tận tình cho tôi trong quá trình học tập cũng như làm luận văn Xin gởi lời cám ơn sâu sắc đến các thầy cô đã tận tình dậy dỗ, các bạn trong lớp cũng như các bạn sinh viên đã giúp

đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn này

Và cuối cùng tôi xin trân trọng cám ơn các ý kiến đóng góp từ phía bạn đọc

để đề tài nghiên cứu ngày càng được hoàn thiện hơn

Ngô Đình Minh Hiệp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGÔ ĐÌNH MINH HIỆP

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN CÔNG

NGHỆ SẢN XUẤT ETHANOL NHIÊN LIỆU TỪ

MỤC LỤC

Trang

II.1 Tình hình nguyên liệu rơm rạ trong nước và đồng bằng Sông Cửu Long 3

II.1.1 Nguồn tài nguyên rơm rạ trong nước và đồng bằng Sông Cửu Long 3

II.1.2 Lợi ích của ethanol sử dụng cho nhiên liệu động cơ đốt trong 4

II.2 Tình hình sản xuất ethanol từ rơm rạ trên thế giới 5

III.1 Giới thiệu về ethanol và rơm rạ 7

III.1.2 Ethanol sử dụng trong nhiên liệu động cơ đốt trong 8

III.2.5 Cấu trúc của cellulo và vai trò trong tế bào thực vật 16

III.3.4 Những biến đổi trong quá trình nổ hơi biomass 27

III.4.2 Ảnh hưởng của nổ hơi đến quá trình thủy phân bằng ezyme 29

III.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men 32

IV NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 41

IV.1.3 Giống nấm men 41

IV.3 Các phương pháp phân tích nguyên liệu và sản phẩm 45

IV.3.1.3 Phân tích thành phần NDS (thành phần trích ly) 46

IV.3.1.7 tính toán các thành phần trong phân tích sợi 48

V.2.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng xé tơi rơm rạ 60

V.2.2.2 Mối quan hệ giữa chi phí năng lượng và nhiệt độ nổ hơi 63 V.2.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ thu hồi rơm sau nổ hơi 65

V.2.3.1 Ảnh hưởng của chế độ nổ hơi đến hiệu suất thủy phân 67 V.2.3.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ nổ hơi đến hiệu suất thủy phân 67 V.2.3.1.2 Ảnh hưởng của Ro đến hiệu suất thủy phân rơm rạ 69

V.2.4 Tính toán chi phí năng lượng và năng suất thiết bị nổ hơi 73

V.3 Quá trình thủy phân 75

V.3.2 ảnh hưởng nồng độ enzyme tới tốc độ thủy phân bã nổ hơi 76

V.3.3 Ảnh hưởng tỉ lệ bã rắn đến hiệu suất quá trình 77

V.4 Quá trình thủy phân và lên men đồng thời (SSF) 79

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Sản lượng nông nghiệp nước ta năm 2003 (FAO 2004)

Bảng 3.1 Tính chất hoá lý của ethanol

Bảng 3.2 Thành phần hóa học của rơm rạ

Bảng 3.3 Thành phần các loại đường trong rơm rạ ở Thái lan

Bảng V.2 thành phần nguyên liệu tham khảo

Bảng V 3 Thành phần rơm rạ sau khi tiến hành nổ hơi

Bảng V.4 So sánh thành phần rơm rạ trước và sau khi tiến hành nổ hơi chậm Bảng V.5 Mức đánh giá sự rời rạc của rơm rạ

Bảng V.6 đánh giá rơm rạ sau nổ hơi nhanh

Bảng V.7 So sánh chi phí năng lượng khi thay đổi nhiệt độ nổ hơi

BảngV.8 Tỉ lệ nước hóa hơi sau khi nổ hơi tại các nhiệt độ khác nhau

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 2.1 Sản lượng lúa gạo cả nước từ 1997- 2007

Hình 3.1 Rơm rạ và các phần trên cây lúa

Hình 3.2 Cấu trúc của tế bào và thành tế bào của thảo mộc

Hình 3.3 Hình dáng của các tế bào trên mặt cắt

ngang của một chiếc lá tuyết tùng

Hình 3.4 Tổng thể cấu trúc của thành tế bào thực vật

Hình 3.5 Cấu trúc của lớp S1 (trên thành tế bào)

Hình 3.6 Thành phần hóa học các lớp khác

nhau trên thành tế bào

Hình 3.7 Đồng phân α-gluco và β-gluco

Hình 3.8 Phân bố các bó sợi cellulo trong thành tế bào thực vật

Hình 3.9 liên kết 1,4β trong cellulo

Hình 3.10 Liên kết hydro trong cellulo

Hình 3.11 Cellulo kết tinh

Hình 3.12 Vùng kết tinh và vùng vô định hình trong cellulo

Hinhg 3.13 Cấu trúc của hemicellulo

Hình 3.14 Vị trí hemicellulo quanh các bó sợi cellulo

Hinhg 3.15 Các monome của lignin

Hình 3.16 Hình ảnh minh họa tác động của

tiền xử lý đến cấu trúc sợi

Hình 3.17 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phát triển của nấm men

Hình 3.18 Ảnh SEM nấm men Saccharomyces cerevisiae

Hình 3.19 Ảnh SEM nấm men Pichia stipitis

Hình 3.20 Thay đổi nồng độ gluco, cellobio và ethanol trong quá trình SSF Hình 4.1 Nấm men saccharomyces cerevisiae chủng Turbo yeast extra

Hình 4.2 Thiết bị nổ hơi rơm rạ

Hình 4.3 Thiết bị cung cấp nước nóng áp suất cao

Hình 4.4 Bể lắc điều nhiệt

Hình 4.5 HPLC shimadzu

Hình 4.6 Thiết bị soxhlet dùng tách béo khỏi rơm rạ

HÌnh 4.7 Thiết bị phân tích ADS và NDF (đun hoàn lưu)

Hinhg 4.8 Gooch Crucible

Hình 4.9 Buồng đếm (trên) và ô đếm (dưới) dùng để đếm nấm men

Hình 4.10 Quy trình tiến hành thực nghiệm

Hình V.1 So sánh thành phần và khối lượng rơm rạ trước và sau nổ hơi

Hình V.2 Rơm rạ trước và sau nổ hơi chậm ở nhiệt độ 220oC

Hình V.3 Rơm rạ nổ hơi ở các nhiệt độ khác nhau

Hình V.4 Bã nổ hơi tại nhiệt độ 230oC, 87% ẩm

Hình V.5 Đồ thị biễu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ nổ hơi và tỉ lệ hóa hơi nước Hình V.6 giản đồ nhiệt độ-áp suất-enthapy của hơi nước bão hòa

Hình V.7 Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và hiệu suất thu hồi rơm

Hình V.8 Ảnh hưởng của Ro đến hiệu suất thu hồi rơm rạ sau nổ hơi

Hình V.9 Ảnh hưởng nhiệt độ nổ hơi đến hiệu suất thủy phân rơm rạ sau nổ hơi

Hình V.10 Hiệu suất thu hồi gluco theo nhiệt độ nổ hơi

Hình V.11 Ảnh hưởng của Ro đến hiệu suất thủy phân

Hình V.12 Ảnh hưởng của ẩm đến hiệu suất thu hồi bã

Hình V.13 Ảnh hưởng của ẩm đến hiệu suất thu hồi gluco

Hình V.14 Nổ hơi với 87% ẩm (trái) và 60% ẩm (phải)

Hình V.15 Tháo bã nổ hơi và lọc rửa

Hình V.16 đường cong tốc độ thủy phân với các mẫu nổ hơi khác nhau

Hình V.17 Nồng độ gluco và cellobio trong dung dịch khi thủy phân với nồng độ enzym

khác nhau

Hình V.18 Ảnh hưởng của nồng độ enzym đến tốc độ thủy phân

Hình V.19 Ảnh hưởng của nồng độ enzym đến hoạt tính enzym khi thủy phân CMC Hình V.20 Ảnh hưởng của tỉ lệ bã rắn đến hiệu suất thủy phân

Hình V.21 Ảnh hưởng của gluco đến tốc độ thủy phân cellobio

Hình V.22 Ảnh hưởng nhệt độ đến hoạt tính enzym

Hình V.23 Nồng độ gluco và ethanol tạo thành sau 24h của quá trình SSF

Hình V.24 Ảnh hưởng của mật độ nấm men

Hình V.25 đường cong tốc độ quá trình SSF

TÓM TẮT LUẬN VĂN

“Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ”

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài nhằm nghiên cứu các thông số công nghệ về sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nội dung nghiên cứu gồm 3 phần chính: nghiên cứu quá trình nổ hơi, thủy phân, thủy phân và lên men đồng thời

Cellulo là thành phần có khả năng thủy phân thành gluco để sản xuất ethanol chiếm 37.87% trong rơm rạ Quy trình nổ hơi nhanh được tiến hành với thời gian lưu 2 phút

ở nhiệt độ 230oC trong môi trường hơi nước bão hòa 70% ẩm để tạo cấu trúc xốp cho cellulo Chi phí năng lượng nhiệt cần cung cấp cho quá trình nổ hơi với 70% ẩm là 2826kJ/kg rơm rạ Năng suất nổ hơi của thiết bị vào khoảng 1.6kg rơm/h cho 1 lít dung tích nồi nổ hơi Nhiệt độ nổ hơi được tiến hành trên 225oC và thấp hơn 240oC Trên 240oC quá trình tái ngưng tụ lignin xảy ra làm giảm hiệu suất thủy phân của rơm

rạ

Enzyme cellusoftL được sử dụng cho quá trình thủy phân với các điều kiện nhiệt độ

và tỉ lệ sơ sợi khác nhau Thủy phân với 7% rơm rạ cho tối đa 83.1% cellulo chuyển hóa thành gluco (tính trên lượng cellulo của rơm rạ ban đầu) Hoạt tính của enzym phụ thuộc vào nồng độ enzym trong dịch thủy phân Tiến hành thủy phân với nồng độ enzym thấp cho hiệu suất cao nhưng tốc độ thủy phân lại thấp và ngược lại Gluco và cellobio có tác dụng ức chế mạnh đến enzyme trong quá trình thủy phân Do đó dể thu được dung dịch thủy phân có nồng độ gluco cao cần tiêu tốn nhiều enzyme hơn dung dịch có nồng độ thấp (lượng enzym tiêu tốn trên một đơn vị gluco) Do đó để hạn chế tác dụng ức chế của gluco cũng như cellobio quá trình thủy phân và lên men đồng thời được tiến hành khảo sát

Thủy phân và lên men đồng thời giúp tiêu thụ lượng gluco trong dung dịch thủy phân, hạn chế sự ức chế của gluco từ đó thúc đẩy quá trình thủy phân rơm rạ và tiết kiệm enzyme Quá trình thuỷ phân và lên men đồng thời đạt được kết quả tốt ở 11% bã rắn, 5% enzyme, 23,6 triệu tế bào nấm men/ml, 37oC và pH 4,8 Quá trình này thu được 30,86g/l ethanol

ABSTRACT

The current research investigates the utilization of rice straw as feedstock to produce fuel ethanol Rice straw is the lignocelluloses material and is the main agriculture residue in Vietnam Rice straw is containing about 37.87% cellulose This is main component and can be converted to glucose by enzymatic Glucose is fermented to ethanol after that Raw materials were pretreated by steam explosion method in order to be more accessible cellulose to enzyme Then, the residue was introduced to sacchrificated or SSF step The fast steam explosion is researched to modified and compared with slow one This studies are focused on fast steam explosion pretreatment method The best conditions for this

accessibility

Energy consume is calculated for pilot equipment with 2826kJ/kg energy losing for rice straw steam process and 1.6kg/1liter volume capacity reactor for each hours The result is

from raw materials can be converted to glucose with 4.2% glucose concentration in saccharificated solution Cellobiose and glucose are high enzymes inhibiting must be reduce from hydrolysis solution So that more enzymes losing for higher glucose

concentration Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF) process is study for improvement results The results obtained from this study showed that the glucose

concentration in solution less than 0.5% during SSF process and 30g/liter ethanol

concentration can be got The conclusions drawn from this study are the following: steam explosion was able to improve both glucose yields from enzyme hydrolysis and ethanol yields from fermentation However, when analyzed on starting material basis, it was found that the fiber loss incurred during steam explosion treatment negated the gain in ethanol yield SSF process is necessary for enzymes save and high ethanol concentration

I LỜI MỞ ĐẦU

Nước ta là một nước nông nghiệp với sản lượng gạo hằng năm trên 35 triệu tấn Đồng bằng Sông hồng, khu vực trung du và đồng bằng Sông cửu long là 3 khu vực sản xuất lúa gạo chính của nước ta Từ đó có thể thấy sản lượng rơm rạ trên cả nước hằng năm

là rất lớn và tập trung Việc giá dầu mỏ tăng lên từng ngày cùng với tình trạng ô nhiễm môi trường đang dần trở thành một thách thức lớn cho việc sử dụng nhiên liệu trong tương lai Nguồn rơm rạ dồi dào nhưng những ứng dụng lại hạn chế Phần lớn rơm rạ được để hoai mục tự nhiên hay đốt bỏ ngoài đồng Sự lãng phí nguồn năng lượng cùng với ô nhiễm môi trường do việc sử dụng rơm rạ không đúng cách như hiện nay đang dần trở thành mối quan tâm của nhiều nhà khoa học và quản lý

Ethanol được đánh giá nguồn cung cấp nhiên liệu tốt cho tương lai vì con người có khả năng sản xuất với sản lượng lớn, không gây ô nhiễm môi trường và có thể thay thế được hoàn toàn cho xăng Ethanol làm nhiên liệu này hoàn toàn có thể sản suất được

từ nguồn cellulo thực vật như rơm rạ Theo đánh giá sơ bộ, lượng rơm rạ hằng năm trên cả nước nếu được chuyển thành ethanol hoàn toàn có khả năng thay thế toàn bộ nhu cầu xăng dầu cả nước như hiện nay

Mục tiêu của đề tài nhằm mục đích nghiên cứu hoàn thiện hơn các thông số kỹ thuật sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm Việc nghiên cứu bên cạnh tìm hiểu, tiếp thu những kết quả trên thế giới là những thí nghiệm cụ thể để kiểm chứng và từng bước hoàn thiện những kết quả nghiên cứu trong nước

II GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI VÀ TÌNH HÌNH

(1000 tấn) Sản xuất Nhập khẩu (1000 tấn) khẩu(1000 Xuất

tấn)

tiêu thụ nội địa(1000 tấn)

Bảng 2.1 Sản lượng nông nghiệp nước ta năm 2003 (FAO 2004) [1]

Sản lượng luơng thực và hoa màu cao đồng nghĩa với việc nước ta có một nguồn phụ phẩm nông nghiệp rất dồi dào Trung bình, để tạo ra 1 tấn gạo đã thải ra khoảng 1.2 tấn rơm rạ Sản lượng lúa gạo năm 2007 toàn quốc đạt 36 triệu tấn [2] Như vậy,

lượng rơm rạ thải ra hằng năm vào khoảng 43 triệu tấn Số liệu thống kê hằng năm được trình bày theo bảng sau:

Hình 2.1 Sản lượng lúa gạo cả nước từ 1997- 2007 [4]

Cho đến nay, phần lớn rơm rạ thường được để mục hoai ngoài đồng hay đốt tại chỗ để trả lại khoáng chất cho đồng ruộng Phần còn lại được đem về làm thức ăn gia súc hay trồng nấm và làm chất đốt phục vụ nhu cầu đun nấu trong gia đình

Với dân số cả nước 87 triệu năm 2007 [3] trong đó đồng bằng Sông Cửu Long chiếm 22% dân số cả nước (với số dân 19 triệu, 2007) cùng với diện tích vùng đồng bằng 3.96 triệu hecta (trong đó 65% được dùng để phát triển nông nghiệp) Đây là khu vực

có sản lượng lương thực lớn nhất nước Sản lượng gạo năm 2007 ở đồng bằng Sông Cửu Long vào khoảng 17 triệu tấn, chiếm ½ sản lượng toàn quốc Đi đôi với sản lượng lúa gạo là trữ lượng rơm rạ thải ra hằng năm cũng vào khoảng 20 triệu tấn

Như vậy có thể thấy vùng đồng bằng Sông Cửu Long và các vùng đồng bằng trung

du, bắc bộ là nơi tập trung sản lượng gạo và cũng là nơi tập trung rơm rạ thải ra hằng năm Việc tập trung này là một thuận lợi lớn cho thu gom và tận dụng nguồn rơm rạ phục vụ cho nhu cầu năng lượng cả nước

II.1.2 Lợi ích của ethanol sử dụng cho nhiên liệu động cơ đốt trong

Ethanol có thể dùng làm nhiên liệu cũng như hóa chất trong các nghành công nghiệp Khi làm nhiên liệu, ethanol có thể được sử dụng để thay thế một phần (5%-95%) hay thay thế hoàn toàn cho xăng Ở Brazil và Mỹ ethanol nhiên liệu được pha

vào xăng với tỉ lệ 20% đến 95% Khi pha ethanol vào xăng dùng cho động cơ sẽ giảm khoảng 14% CO trong quá trình làm cháy (Whitten et al (1997)) Ethanol không tạo

ra SOx hay NOx cũng như các hydrocarbon thừa như ở động cơ xăng khi đốt cháy

Do đó ethanol được xem là nhiên liệu thân thiện với môi trường và được đánh giá là nguồn nhiên liệu tiềm năng trong tương lai [5]

Ngoài việc giảm được hiệu ứng nhà kính do CO2 gây ra khi sử dụng nhiên liệu ethanol, khác với nhiện liệu truyền thống như xăng dầu, ethanol là nhiên liệu tái sinh Điều này có nghĩa là ethanol có thể được tái sản xuất với sản lượng lớn mà không bị cạn kiệt Dưới sức ép về ô nhiễm môi trường cũng như tình trạng nóng lên toàn cầu những năm gần đây, các hãng ôtô lớn trên thế giới như Ford, Honda, Chrysler đã đưa

ra giới thiệu những mẫu xe chạy bằng nhiên liệu ethanol từ rất sớm (những năm 1982)

http://www.amoco.com/dynamic/imrel.arc/1995/30795171014.html

II.2 Tình hình sản xuất ethanol từ rơm rạ trên thế giới

Cho đến nay, trên thế giới việc sản xuất ethanol từ biomass nói chung và từ rơm rạ nói riêng vẫn chưa được thực hiện với quy mô công nghiệp mặc dù đã được nghiên cứu từ những năm 1950 Lý do lớn nhất của vấn đề này là hiệu quả kinh tế mang lại của việc sản suất nhiên liệu ethanol so với nhiên liệu truyền thống như xăng dầu Trước tình hình giá cả nhiên liệu tăng cao như hiện nay và ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng, đặc biệt là ô nhiễm không khí ở những khu đô thị lớn do khí thải ô tô gây ra, việc sản xuất ethanol từ biomas lại được chú ý và tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện trên thế giới Ở các nước có nguồn biomass phụ phẩm nông nghiệp dồi dào như Canada và

Mỹ, Nhật những dự án sản xuất ethanol từ rơm rạ với quy mô bán công nghiệp (vài chục tấn một ngày) đang dần được nghiên cứu và triển khai Các nước bắc Âu như Hà lan, Thụy điển cũng đang có các dự án xây dựng nhà máy sản suất và tinh chế ethanol dùng cho động cơ Trong khi đó đối với những nước đang trên đà phát triển và có nguồn rơm rạ dồi dào như Việt nam thì việc sản xuất này cũng đang dần được quan tâm

Ở Việt Nam, đã có một vài nghiên cứu ban đầu về việc sản suất ethanol từ biomass nói chung và rơm rạ nói riêng của trường ĐH Bách khoa TpHCM Hằng năm, ethanol cũng được sản suất trong nước với sản lượng khoảng 25 triệu lít mỗi năm Trong đó

chủ yếu là làm từ mật rỉ, ngô, gạo và khoai mì, chủ yếu phục vụ cho các nghành công nghiệp thực phẩm và hóa chất Tuy nhiên, tình hình lương thực đang ngày càng khan hiếm Với dân số tăng cao và quỹ đất dành cho sản xuất nông nghiệp ngày càng bị thu hẹp thì việc sản xuất cồn từ các nguyên liệu truyền thống trên rất khó được mở rộng

để đáp ứng cho nhu cầu nhiên liệu ngày một tăng cao như hiện nay

Ngày nay sự lệ thuộc vào dầu mỏ của con người ngày càng cao dẫn đến tình trạng suy thoái kinh tế khi xảy ra khủng hoảng dầu mỏ Chính vì thế nên ngày càng nhiều những

dự án nghiên cứu và triển khai sử dụng năng lượng địa phương để thay thế dần dầu

mỏ Trong tình hình đó ethanol là một giải pháp được đánh giá cao cho khả năng thay thế nhiên liệu hóa thạch trong tương lai Tiềm năng lớn và thân thiện với môi trường

là 2 ưu điểm lớn của loại nhiên liệu này

II.3 Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ luận văn

Với những vấn đề đã được nêu trên, những nghiên cứu trong luận văn này mong muốn góp phần làm rõ hơn những vấn đề xung quanh việc “nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất ethanol làm nhiên liệu từ rơm rạ” với quy mô trong phòng thí nghiệm

Đề tài có sự tham khảo những nghiên cứu của những nghiên cứu trước ở trong và ngoài nước, có sự hỗ trợ về mặt thiết bị và kinh nghiệm các chuyên gia từ đại học Tokyo Những thí nghiệm được tiến hành nhằm làm rõ hơn những vấn đề công nghệ trong quy trình sản xuất ethanol từ rơm rạ Mục tiêu hướng tới là xây dựng những cơ

sở dữ liệu và thiết bị cho quy trình sản xuất liên tục ethanol nhiên liệu từ rơm rạ sau

này

Nhiệm vụ cụ thể của đề tài bao gồm các nội dung cơ bản sau:

1 Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình nổ hơi đến hiệu suất thủy phân rơm rạ bằng enzyme cellulase trên cơ sở cải thiện những nghiên cứu trước theo hướng liên tục hóa quá trình thực hiện

2 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng và hiệu quả của quá trình thủy phân rơm

rạ đã qua xử lý bằng nổ hơi ( Steam explosion fiber (SEF))

3 Nghiên cứu quá trình thủy phân và lên men đồng thời nhằm cải thiện quy trình thủy phân

III TỔNG QUAN TÀI LIỆU

III.1 Giới thiệu về ethanol và rơm rạ

III.1.1 Giới thiệu về ethanol

Ethanol là một alcol có công thức phân tử là C2H5OH Khối lượng phân tử M=46 Ethanol là chất lỏng không màu, dễ cháy với ngọn lửa màu xanh nhạt và được biết đến

từ rất lâu với cái tên cồn hoặc rượu Trong cuộc sống, ethanol được dùng như là một thức uống giải khát, giúp giảm mệt mỏi dưới dạng bia hoặc rượu Từ xa xưa các bậc vương giả vốn đã rất thích sử dụng loại đồ uống này và trở thành một trong những đồ uống phổ biến nhất hiện nay

Nhiệt độ nóng chảy của ethanol là -114oC do đó ethanol được dùng làm chất tải lạnh trong các thiết bị làm lạnh trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp Do khả năng hòa tan tốt nhiều chất hữu cơ, không độc hại cho con người và môi trường, ethanol còn được dùng làm dung môi để hòa tan, trích ly các chất hữu cơ trong công nghiệp thực phẩm đặc biệt là dược phẩm Ngoài ra, ethanol cũng được dùng như một nhiên liệu trong sinh hoạt phục vụ nấu nướng và chất diệt trùng trong y tế…

Tính chất hóa lý của ethanol:

Công thức phân tử CH3CH2OH Khối lựơng mol 46.06 g/mol

Trạng thái chất lỏng không màu Khối lượng riêng 0.789 g/cm³ Nhiệt độ nóng chảy −114.3 °C (158.8 K) Nhiệt độ sôi 78.4 °C (351.6 K) Khả năng tan trong nước tan vô hạn Hằng số acid (pKa) 15.9

Độ nhớt động học 1.200 mPa·s (cP) at 20.0 °C Mômen phân cực 5.64 fC·fm (1.69 D) (khí) Phân loại (Châu âu) dễ bốc cháy (F) Điểm chớp cháy 286.15 K (13 °C hoặc 55.4 °F)

Bảng 3.1 Tính chất hoá lý của ethanol

III.1.2 Ethanol sử dụng trong nhiên liệu động cơ đốt trong

Cuộc khủng hoảng dầu mỏ năm 1973 do cuộc chiến Ramnda (Iran) bắt đầu từ 10/1973

và kéo dài suốt thập kỷ 70 đã làm cho các quan chức chính phủ Mỹ và Châu âu lo ngại

về tình hình an ninh năng lượng Ethanol đã được nghiên cứu sử dụng sau đó với mục tiêu thay thế dần vai trò của dầu lửa trong tương lai và góp phần nâng cao chỉ số octan trong xăng Năm 1978 những mẫu xe sử dụng hỗn hợp nhiên liệu xăng-cồn (gasohol) lần đầu tiên được giới thiệu rộng rãi trên thế giới [10]

Bên cạnh đó việc hạ giá ngô ở Mỹ vào những năm 1980 đã giúp người Mỹ trở thành quốc gia hàng đầu trong việc sản xuất ethanol từ nguồn nguyên liệu ngô Gasohol (gasoline alcohol) 85% ethanol (E85) sau đó trở nên phổ biến khắp nước Mỹ

Bắt đầu bằng việc trợ cấp 40% giá nhiên liệu gasohol khi khủng hoảng dầu mỏ xảy ra, chính phủ Brazil đã chính thức đưa gasohol vào sử dụng vào những năm 1978 và thúc đẩy nền công nghiệp sản xuất ethanol nhiên liệu [11] Kể từ đó gasohol được phát triển rộng rãi ở Brazil với thành phần 24% ethanol và 76% xăng

Từ đó đến nay Brazil và Mỹ là 2 nước dẫn đầu trong công nghiệp sản xuất ethanol (Brazil sản xuất từ đường mía, Mỹ làm từ ngô) Tổng sản lượng ethanol 2 quốc gia này chiếm hơn 70% sản lượng ethanol toàn thế giới Trong đó, hơn 90% được dùng cho nhiên liệu động cơ (E24 ở Brasil và E85 ở mỹ) Hiện nay nhiều nước đang dần quan tâm đến ethanol nhiên liệu đặc biệt là những nước có nền nồng nghiệp phát triển như Ấn độ, Trung quốc cũng như một số nước châu Âu Sản lượng ethanol trong tương lai sẽ tăng rất nhanh trong tình hình khan hiếm nhiên liệu như hiện nay

Ethanol là chât dễ bắt cháy và có nhiệt trị cao (31.1MJ/Kg bằng khoảng 70% so với xăng, nhiệt trị của xăng là 44.4MJ/Kg), ethanol có thể được sử dụng cho các động cơ đốt trong để thay thế một phần hay hoàn toàn xăng Khi sử dụng 100% ethanol (E100) cho động cơ, mức tiêu thụ nhiên liệu tăng lên 34% so với xăng [8] Chỉ số octan cao hơn xăng (chỉ số octan của ethanol = 116) cho phép động cơ ethanol làm việc với tỉ số nén cao so với động cơ chạy bằng xăng đồng thời tạo ra momen xoắn lớn hơn và hiệu suất sử dụng năng lượng hiệu quả hơn [9] Tuy nhiên như đã đề cập trên, động cơ chạy bằng ethanol tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn động cơ xăng khoảng 30% khi cùng công suất Do đó bình chứa nhiên liệu cũng phải lớn hơn khoảng 30% cho phù hợp

Một nghiên cứu của đại học MIT năm 2004 [9] thấy rằng sẽ hiệu quả hơn trong việc

sử dụng nhiên liệu nếu sử dụng đồng thời ethanol và xăng cho động cơ Mặc dù có nhiệt trị thấp, chỉ số octan cao của ethanol cho phép giảm được va đập động cơ trong quá trình tăng tốc hay thay đổi tốc độ đột ngột Đồng thời nghiên cứu cũng chỉ ra rằng lượng CO2 thải ra của động cơ chạy bằng ethanol giảm 30% so với chạy xăng Do chứa hàm lượng ôxy trong thành phần nhiên liệu nên gasolhol (xăng pha ethanol) có thể cháy triệt để hơn, sạch hơn, giảm được tình trạng sương mù do khói thải ôtô ở các thành phố lớn có khí hậu lạnh

Như vậy với một tỉ lệ nhất định ethanol pha vào trong xăng ngoài việc giảm lượng khí thải nhà kính còn giúp tăng hiệu suất sử dụng năng lượng do tăng tỉ số nén nhờ chỉ số octan cao Ở các nước sản xuất nhiều ethanol như Brazil hay Mỹ các loại xăng pha ethanol với hàm lượng 10% đến 85% rất phổ biến (E10, E85) Khi sử dụng xăng pha 10% ethanol thì chi phí năng lượng của động cơ sẽ tăng lên không đáng kể (khoảng 3%) Tuy nhiên chi phí này sẽ rất lớn nếu sử dụng E85 như ở Mỹ Chi phí này đã được khắc phục bằng việc trợ giá gasohol ở các nước này

Khủng hoảng dầu mỏ những năm gần đây cùng với sức ép từ vấn đề ô nhiễm môi trường đã đẩy một số nước bắt tay vào con đường sản xuất ethanol dùng làm nhiên liệu Có thể kể đến những nước đi đầu như Mỹ, brazil, Canada, Trung quốc, Nhật bản,

Ấn độ, Thái lan Một số nước Bắc Âu cũng đi theo con đường khí hóa nhiên liệu biomass … Một điều đáng chú ý là những nghiên cứu gần đây chú trọng nhiều vào việc sản xuất ethanol nhiên liệu từ các nguồn rác thải và phế phẩm nông nghiệp như: rơm rạ, trấu, bã mía, rác sinh hoạt,…

III.2 TÍNH CHẤT CÁC THÀNH PHẦN TRONG RƠM RẠ

III.2.1 Rơm rạ

Hình 3.1 Rơm rạ và các phần trên cây lúa Rơm rạ là thành phần còn lại của cây lúa sau khi thu hoạch lấy hạt lúa Ngoại trừ phần hạt và rễ thì tất cả các phần khác của cây lúa đều được coi là rơm rạ Đối với cây lúa, tùy theo từng loại giống khác nhau, nhưng trung bình khối lượng rơm rạ/ khối lượng gạo xấp xỉ 1.2 Do đó từ sản lượn gạo có thể tính được lượng rơm rạ tạo ra hằng năm

Đi đôi với sản lượng gạo, lượng rơm rạ thải ra hằng năm cả nước rất lớn khoảng 43 triệu tấn Ngoài những ứng dụng nhỏ lẻ như làm nguyên liệu trồng nấm, làm thức ăn cho trâu bò, giữ ẩm cho cây trồng, làm chất đốt phục vụ đun nấu thì phần lớn rơm rạ hiện nay được đốt bỏ ngoài đồng hay để hoai mục tự nhiên để trả lại một phần khoáng chất cho đồng ruộng Nếu đốt bỏ sẽ gây ra ô nhiễm không khí do khói bụi Để hoai mục tự nhiên bên cạnh việc cải tạo độ phì cho đất là sự ô nhiễm nguồn nước do các chất hữu cơ và vô cơ sau phân hủy đi sâu vào nguồn nước ngầm Tuy nhiên cả đốt bỏ

và để hoai mục tự nhiên đều gây lãng phí nguồn năng lượng hóa học trong rơm rạ do quá trình quang hợp tạo ra Sẽ rất có ích nếu nguồn năng lượng đó được sử dụng vào

các mục đích có ích thay vì đốt bỏ Nếu có thể sản xuất được ethanol từ rơm rạ sẽ có thể sử dụng có ích nguồn năng lượng từ rơm mà vẫn trả lại được nguồn khoáng chất cho cây trồng

Bị cuốn hút bởi trữ lượng lớn và rất dễ thu gom, ở các nước phát triển nghề trồng lúa như Nhật bản, Trung quốc, Ấn độ, đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu trên rơm

rạ những năm gần đây Có thể chỉ ra một số ví dụ sau: nghiên cứu khả năng cung cấp năng lượng của rơm rạ ở nhật bản (Yukihiko Matsumura) [12], sản xuất ethanol bằng phương pháp thủy phân với acid loãng [13] [14], nghiên cứu sản xuất ethanol bằng phương pháp nổ hơi và thủy phân bằng enzyme [15] [16]… Bước đầu những nghiên cứu này đã thành công và những xưởng sản xuất thực nghiện đã được đưa vào hoạt động nhằm đánh giá tính hiệu quả kinh tế của nguồn nguyên liệu này ở Mỹ, Nhật hay Canada [17]…

III.2.2 Thành phần hóa học của rơm rạ

Cũng như thành phần của nhiều vật liệu lignocellulose khác, rơm rạ có thành phần chủ yếu là cellulo, hemicellulo và lignin Đối với các loại thực vật dạng thân gỗ thường chứa khoảng 40% -60% cellulo, 20%-40% hemicellulo và 10%-25% lignin Tuy nhiên đối với thực vật dạng thảo mộc hàm lượng lignin thường thấp hơn 20% [18] Thành phần trong rơm rạ được nghiên cứu và trình bày bởi nhiều tác giả Ở mỗi điều kiện phát triển và giống khác nhau thì thành phần trong rơm rạ cũng khác nhau Nhìn chung thành phần rơm rạ được trình bày bởi một số tác giả như sau:

Bảng 3.3 Thành phần các loại đường trong rơm rạ ở Thái lan (Hiroyuki Inoue) [19]

Một nghiên cứu mới đây đối với rơm rạ vùng Củ Chi cho kết quả như sau: [20]

Bảng 3.4 Thành phần rơm rạ vùng Củ Chi Một thống kê khác về thành phần lignocellulo của các nguồn phụ phẩm nông nghiệp khác nhau được trình bày ở bảng sau:

Hàm lượng lignocellulo của các nguồn phụ phẩm nông nghiệp khác nhau

Bảng 3.5 Thàn phần lignocellulo của các nguồn phụ phẩm nông nghiệp khác nhau [56], [57]

Bên cạnh thành phần hóa, tính chất các thành phần trong rơm rạ, cấu trúc tế bào thực vật cũng quan trọng không kém trong việc nghiên cứu xử lý rơm rạ Cấu trúc và tính chất các thành phần trong rơm rạ được giới thiệu ở phần sau đây:

III.2.3 Cấu trúc của tế bào thực vật

Cũng giống như động vật, cơ thể thực vật cũng được xây dựng từ các tế bào Do không được bảo vệ bằng cơ chế phản xạ và miễn dịch, tế bào thực vật được bảo vệ kỹ trong lớp vỏ rắn chắc Về cấu trúc, các tế bào thực vật được sắp xếp đặc khít và liên kết với nhau rất bền vững Rắn chắc là yếu tố tạo nên sự bền vững của thực vật trong

tự nhiên Khi tế bào thực vật chết đi, khối lượng khô của tế bào chủ yếu tập trung ở thành tế bào Thành tế bào là hệ lignocellulo bao gồm 3 thành phần chính là cellulo,

hemicellulo và lignin Cấu tạo tế bào và cấu trúc lớp vỏ cây thảo mộc được minh họa

ở hình sau

Hình 3.2 Cấu trúc của tế bào và thành tế bào của thảo mộc

Đa số các loài thực vật đều chứa hàm lượng cellulose, hemicellulo và lignin đáng kể, tập trung chủ yếu trong cấu trúc thành tế bào Cellulo là polyme của đường 6-gluco Hemicellulo là polyme của hỗn hợp các loại đường 5 và đường 6 như xylose,

mannose, glucose, arabinose, galactose và acid uronic Lignin là polyme của các hợp chất chứa vòng thơm, rất bền vững với các hệ enzym, hóa chất và vi sinh vật

Ngoài 3 thành phần chính như đã nêu trên (cellulo, hemicellulo và lignin, được gọi chung là lignocellulo) tế bào thực vật còn chứa các chất hữu cơ như lipid, protein, bên cạnh đó còn có các muối vô cơ như canxi, magiê, kali, lưu huỳnh, phốt pho, silic… Những muối kim loại không bay hơi sau khi đốt được tính vào trong thành phần tro Những tế bào hạt hay củ thường chứa nhiều tinh bột hay lipid trong khi đó tế bào thân thường chứa chủ yếu là lignocellulo

Hình 3.3 Hình dáng của các tế bào trên mặt cắt ngang của một chiếc lá tuyết tùng Cấu tạo của thành tế bào được chia làm 3 lớp cơ bản S1: lớp ngoài cùng (primary wall), S2: lớp giữa (secondary wall), S3: là lớp trong cùng của thành tế bào Giữa tế bào thực vật cây gỗ và thảo mộc có sự khác nhau nhiều về cấu trúc và thành phần của lớp S2 Hơn nữa lớp S2 còn quy định hình dáng và kích thước của tế bào thực vật Hình sau mô tả chi tiết cấu trúc của các lớp của thành tế bào

Hình 3.4 Tổng thể cấu trúc của thành tế bào thực vật [21]

Hình 3.5 Cấu trúc của lớp S1 (trên thành tế bào) [21]

Hình 3.6 Thành phần hóa học các lớp khác nhau trên thành tế bào [22]

Có thể thấy rằng cấu trúc cơ bản của thành tế bào được định vị bởi các sợi micro cellulo Giữa cellulo và hemicellulo được liên kết với nhau bởi liên kết hydro [22] Mặc dù lignin không liên kết trực tiếp với cellulo nhưng lại liên kết cộng hóa trị với hemicellulo (Terashima and Fukushima 1993) Như vậy cellulo, hemicellulo và lignin liên kết lẫn nhau tạo thành hệ composit bền vững cho vách tế bào

chính cho giới sinh vật Các quá trình đồng hóa, dị hóa cũng như sinh tổng hợp cơ chất của các vi sinh vật đều thông qua con đường gluco Do đó gluco và các hợp chất của gluco là hợp chất phổ biến nhất trong cấu trúc tế bào thực vật và cũng chiếm một phần đáng kể trong tế bào động vật

Về cấu trúc hóa học, gluco có 2 dạng đồng phân là α-gluco và β-gluco (xem hình 3.7) Trong tự nhiên cả hai cấu trúc này của gluco đều phổ biến như β-gluco thường gặp trong cellulo và hemicellulo Trong khi đó α-gluco lại thường gặp trong tinh bột

Hình 3.7 Đồng phân α-gluco và β-gluco

Sự khác nhau chủ yếu của tinh bột và cellulo chính là liên kết 1,4 α-gluco ở tinh bột

và 1,4 β-gluco ở cellulo Ngoài ra không giống như cellulo chỉ bao gồm mạch thẳng song song, tinh bột còn có cả mạch nhánh và có số lượng monome trong phân tử ít hơn cellulo Do đó cellulo có độ bền cơ học rất cao trong khi tinh bột độ bền cơ rất kém

Enzym đặc hiệu để cắt liên kết 1,4 α-gluco là hệ enzyme amylaza và glucoamylza Trong khi đó, hệ enzyme cellulas lại đặc hiệu cho liên kết 1,4 β-gluco Trong thực tế cũng như công nghiệp để thủy phân tinh bột người ta dùng hệ enzym amylaza và glucoamylaza, thủy phân cellulo lại dùng xellulas Cả hai quá trình trên đều thu được gluco

III.2.5 Cấu trúc của cellulo và vai trò trong tế bào thực vật

Với bề dày khoảng 200nm, thành tế bào thường chiếm khoảng 75% khối lượng khô của tế bào thân cây hay chồi lá Trong đó cellulo thường chiếm khoảng ½ Đối với tế bào quả hay hạt tỉ lệ này thấp hơn nhiều như các hạt đậu, ngô hay gạo thành phần chủ yếu lại là tinh bột… Với cấu trúc dạng bó sợi, cellulo có độ bền cơ học rất cao Được

OH

H

OH H

OH

CH2OH H

OH

CH2OH

H

H OH

β- D -glucose

2 3

4 5 6

6 5

4

nằm trong lớp liên kết bởi lignin và hemicellulo, giúp cho cellulo càng có tính bền vững (kết cấu composit) [23] Do đó tế bào thực vật có độ bền cơ học rất cao so với tế bào động vật vốn không chứa cellulo

Hình 3.8 Mô tả cấu trúc lớp của tế bào thực vật [24] Ở lớp S1 (primary wall) có cấu trúc composit lignocellulo, lignin chủ yếu tập trung ở lớp này giúp cho tế bào có thể chống được các tác nhân phân hủy của hóa chất và enzym Lớp S2 (secordary wall) tập trung nhiều bó sợi cellulo được liên kết bởi hemicellulo giúp chống lại các tác động cơ học từ bên ngoài bảo vệ tế bào chất và nhân bên trong [24]

Hình 3.8 Phân bố các bó sợi cellulo trong thành tế bào thực vật [24]

Cellulo là một polyme với khoảng 12.000 đơn vị monome là các phân tử gluco Các phân tử gluco trong cellulo được liên kết với nhau bằng các liên kết 1→4 β Các liên kết này là liên kết thẳng hàng không phân nhánh

Liên ket 1,4 beta trong cellulose

H O

OH

H

OH H

OH

CH 2 OH

H

O H

OH H OH

CH 2 OH

H O

H H O

O H

OH H OH

CH 2 OH H

H O

H

OH H OH

CH 2 OH H

H OH

H O

O H

OH H OH

CH 2 OH

H O

1 6 5 4 3 1 2

Hình 3.9 liên kết 1,4β trong cellulo

Có 2 liên kết chính trong cấu trúc mạch cellulo Liên kết hydro nội phân tử

(intramolcular hydrogen bond) giữa các phân tử gluco trong một chuỗi cellulo (Fengel and Wegener 1984) Bên cạnh đó liên kết hydro liên phân tử (intermolcular hydrogen bond) giúp liên kết các phân tử gluco giữa các bó chuỗi với nhau (Fengel and

Wegener 1984) Chính vì lí do đó nên cellulo có độ bền cơ học cao và hầu như không

bị hòa tan bởi hầu hết các dung môi [22]

Hình 3.10 Liên kết hydro trong cellulo

III.2.6 Cellulo kết tinh và cellulo vô định hình: (crystalline and amorphous

cellulose)

Cellulo tồn trại trong thành tế bào tồn tại 2 trạng thái là trạng thái kêt tinh và trạng thái

vô định hình Trong cấu trúc của bó sợi cellulo, các phân tử gluco liên kết với nhau có trật tự và được định hướng sẽ tạo thành cấu trúc kết tinh của cellulo Mặt khác khi các liên kết 1,4 β-gluco sắp xếp theo các hướng ngẫu nhiên thì sẽ tạo ra cấu trúc cellulo vô định hình Có thể xem hình ảnh minh họa dưới đây:

Hình 3.11 Cellulo kết tinh

Hình 3.12 Vùng kết tinh và vùng vô định hình trong cellulo

Do cấu trúc đặc sít và có trật tự hơn cellulo vô định hình, cellulo kết tinh có độ bền cơ học cao hơn và khả năng hút thấm nước kém hơn dạng vô định hình Trong thành tế bào, tỉ lệ cellulo kết tinh thường cao hơn rất nhiều so với phần vô định hình Phần vô định hình là phần nối và thường nằm xen kẽ trong phần cellulo kết tinh Những nghiên cứu gần đây cho thấy khi được xử lý ở nhiệt độ cao và áp suất cao với sự có mặt của hơi nước, dạng vô định hình và kết tinh có khả năng chuyển hóa qua lại lẫn nhau [25] [26] [27] Ở nhiệt độ thấp hơn 300oC (áp suất hơi bão hòa) thì xu hướng cellulo

chuyển từ dạng kết tinh sang dạng vô định hình Trong khi đó dạng kết tinh sẽ chuyển thành vô định hình khi xử lý nhiệt trên 300oC dưới áp suất hơi nước bão hòa

III.2.7 Hemicellulo

Hemicellulo là một polymer có số đơn vị monome khoảng 70-200 tùy thuộc vào loại thực vật (fengel and weneger 1983) Không đơn giản như cellulo, hemicellulo là polyme của hỗn hợp các loại đường bao gồm đường 6 (gluco, galacto), đường 5 (xylo, arabino, manno) và các acid hữu cơ như mannoroic, glucoronoic, galactoronic… Liên kết trong hemicellulo ngoài các liên kết ete giữa các phân tử đường còn có các liên kết este giữa phân tử đường và acid Trong đó xylose chiếm hàm lượng cao nhất trên tổng các loại đường của hemicellulo Xylo thường chiếm khoảng 15-30% trong gỗ cứng và 7-10% trong thảo mộc[24]

Các liên kết 1,4 β-gluco tạo thành mạch thẳng không phân nhánh trong phân tử

cellulo Trong khi đó phân tử hemicellulo lại có tính liên kết phân nhánh và ngẫu nhiên Chính vì sự ngẫu nhiên và mất trật tự này làm cho hemicellulo kém bền với những tác nhân tấn công từ bên ngoài như enzyme hay acid loãng Do có chứa các mối liên kết 1,4 β nên hemicellulo cũng bị phân hủy gần như hoàn toàn bởi enzyme cellulas trong quá trình thủy phân cellulo Hình ảnh dưới đây minh họa cấu trúc của hemicellulo

Hinhg 3.13 Cấu trúc của hemicellulo

Trong cấu trúc thành tế bào, hemicellulo có chức năng liên kết và định vị các bó sợi cellulo với nhau Bên cạnh đó hemicellulo còn có chức năng liên kết các peptit Ngoài

ra còn là cầu nối liên kết giữa các phân tử lignin và các bó sợi cellulo tạo nên cấu trúc vững chắc cho thành tế bào thực vật Hình ảnh sau mô tả chi tiết vị trí của hemicellulo xung quanh các bó sợi cellulo

Hình 3.14 Vị trí hemicellulo quanh các bó sợi cellulo

III.2.8 Lignin

Lignin là polyme của các monome vòng thơm Trong tự nhiên, lignin là một phần không thể thiếu trong thành phần của tế bào thực vật Lignin được liên liên kết với các chuỗi cellulo bởi hemicellulo, tạo nên cấu trúc vững chắc cho thành tế bào Lignin rất bền với các tác nhân hóa chất và thời tiết do đó còn có tác dụng bảo vệ cellulo và hemicellulo khỏi sự tấn công của các tác nhân từ môi trường ngoài như enzyme của các vi sinh vật hay thời tiết

Các monome của lignin chủ yếu là các phenylpropen Có 3 loại monome chính sau: Guaiacyl (G), Siringyl (S) và p-hydroxyphenyl (H) Tùy thuộc vào từng loại thực vật

mà phân tử lignin có các tỉ lệ G:S:H khác nhau Ví dụ lignin của cây vân sam có tỉ lệ G:S:H = 94:1:5 (Ericksion, 1973) hoặc lignin gỗ thông có G:S:H= 86:2:13 (glasser, 1981) Thông thường trong công nghiệp bột giấy lignin thường được tách loại bằng kiềm hoặc sulfit Ramos (Ramos, 1982) đã nhận thấy rằng lignin của các loại gỗ mềm

có khả năng chống lại kiềm tốt hơn gỗ cứng [28] Công thức cấu tạo các monome của lignin được trình bày ở hình dưới

Hinhg 3.15 Các monome của lignin Liên kết chính trong cấu trúc của lignin là liên kết ete giữa các phenol Trong đó liên kết arylglyceron-β-aryl ete chiếm đa số Các nhóm chức trong lignin bao gốm các loại như hydroxyl phenolic, methoxyl, hydroxyl benzylic, benzyl ahcohol, noncrylic benzyl và các nhóm carbonyl (sjostron, 1981)

Lignin có thể bị biến đổi cấu trúc dưới tác động của nhiệt độ cao trong môi trường acid như trong quá trình nổ hơi (steam explosion) Khi nhiệt độ lên trên 200oC lignin bắt đầu bị kết tụ và tách khỏi bề mặt của cellulo Ở điều kiện này một phần

hemicellulo cũng bị thủy phân, do đó bề mặt các bó sợi cellulo được giải phóng

(Tanahashi,1983) Những nghiên cứu gần đây cho thấy các liên kết β-O-4 aryl ete bị

bẽ gãy trong quá trình nổ hơi để tạo thành các phân tử phenolic nhỏ hơn

(Marchessault 1981) [34] [35]

Lignin bị tác dụng bởi các gốc sulfit tạo thành các hợp chất lignosulfonat khi cho phản ứng với SO2 hay HSO3- Ngoài ra các tác nhân kiềm mạnh ở nhiệt độ cao cũng là tác nhân hòa tan tốt lignin (Kraft và Sjostrom , 1981)

III.3 TIỀN XỬ LÝ RƠM RẠ

Như đã trình bày ở phần trên, hệ lignocellulo có cấu trúc rất rất bền chặt Do đó các tác nhân từ bên ngoài khó có thể tác dụng tới lớp sợi cellulo bên trong Quá trình tiền

xử lý là công đoạn làm họat hóa bề mặt của cellulo giúp cho các tác nhân như enzyme hay acid có thể dễ dàng cắt đứt mạch cellulo trong quá trình thủy phân hoặc thuận lợi cho quá trình lên men Có nhiều phương pháp tiền xử lý với nhiều mức độ hiệu quả

khác nhau Tuy nhiên, một quá trình tiền xử lý hiệu quả phải đạt được những mục tiêu sau [22]

1 Tối đa hóa hiệu suất thủy phân tạo ra cellulo

2 Giảm tối thiểu sự phân hủy các carbonhydrat

3 Giảm thiểu sự tạo thành các tác nhân gây ức chế vi sinh vật như furan hay HMF

4 Phải có tính kinh tế cao

Trong một số quá trình, sản phẩm của giai đoạn tiền xử lý là các monosacharid như quá trình tiền xử lý bằng acid Để thuận lợi cho quá trình lên men và thủy phân bằng enzym, theo một số tác giả quá trình tiền xử lý cần đạt được 3 mục tiêu sau: mức độ tơi xốp của cellulo (Grous, 1986 [46]), mức độ kết tinh cellulo (Goldstein 1983 [32])

và mức độ loại bỏ lignin (Dekker 1988 [47])

Mức độ tơi xốp của cellulo liên quan đến mức độ thủy phân cắt mạch hemicellulo Khi hemicellulo bị tách khỏi liên kết với cellulo sẽ tạo ra những khoảng trống lớn trên

bề mặt cellulo làm tăng độ tơi xốp (McMillan 1994 [54]) McMillan đã nhân thấy rằng khả năng phân giải cellulo của enzym tăng lên tỉ lệ với mức độ hemicellulo bị loại bỏ Grous (1986) đã chỉ ra mối quan hệ giữa hiệu suất tạo thành gluco trong quá trình thủy phân bằng enzyme với kích thước lỗ xốp của cellulo

Mức độ kết tinh của cellulo là yếu tố ảnh hưởng thứ 2 đến hiệu suất tạo thành gluco sau độ tơi xốp Khi tăng mức độ kết tinh cellulo sẽ làm giảm tốc độ thủy phân cellulo bởi enzyme ( Goldstein 1983 [32]) Weiner (1995 [33]) đã chứng minh rằng các nhân tốc như nhiệt độ, hóa chất có khuynh hướng làm tăng chỉ số kết tinh RCI (relative crystalline index) của cellulo vô định hình Những nghiên cứu tương tự cũng chỉ ra rằng không có sự thay đổi nào của chỉ số RCI đối với cellulo kết tinh sau khi nổ hơi

Yếu tố quan trọng thứ ba là mức độ bao bọc cellulo của lignin Việc loại bỏ lignin sẽ giúp quá trình tiếp cận cellulo của enzyme thuận lợi hơn Có nhiều phương pháp loại

bỏ sự bao bọc của lignin như tiền xử lý bằng kiềm hay acid loãng, thủy phân bằng acid, nổ hơi bằng amoniac (AFEX), nổ hơi nước, thủy phân bằng enzyme… Tuy

nhiên trong giới hạn của phần tổng quan chỉ đề cập đến quá trình tiền xử lý bằng nổ hơi kết hợp thủy phân bằng enzyme

Hình 3.16 Hình ảnh minh họa tác động của tiền xử lý đến cấu trúc sợi [58]

III.3.1 Tiền xử lý bằng nổ hơi

Nổ hơi là quá trình gia tăng nhiệt độ và áp suất của rơm rạ sau đó hạ áp đột ngột nhằm tác động về mặt cơ học lẫn hóa học Được phát triển từ những năm 1925 bởi W.H Manson phục vụ cho việc sản xuất ván ép (Mason 1926) Sau đó phương pháp này được áp dụng vào việc chế biến thức ăn gia súc và công nghiệp giấy [31]

Nổ hơi thực sự được áp dụng vào việc xử lý biomass phục vụ cho quá trình lên men ethanol vào những năm 1980 Những báo cáo đầu tiên thuộc lĩnh vực này của công ty trình bày về ảnh hưởng của thời gian lưu và áp suất hơi bão hòa tới hiệu suất gluco và xylo (Foody 1980) [29] Kết quả cho thấy trong quá trình nổ hơi xylo bị thủy phân trước gluco khi thay đổi thời gian lưu của quá trình Báo cáo kết luận rằng: để thu được tối đa lượng gluco + xylo thì nên tiến hành trong điều kiện 500-550 Psi với thời gian lưu là 40s

Nhiều nghiên cứu sau đó đã được tiến hành trên các đối tượng biomass khác nhau Schultz (1984 [30]) đã so sánh hiệu suất nổ hơi của các nguyên liệu dăm gỗ, vỏ trấu, lõi bắp và bã mía Với những vật liệu này, nổ hơi ở nhiệt độ 240-250oC, thời gian lưu

1 phút làm sẽ tăng tốc độ thủy phân bằng enzyme tương đương với thủy phân giấy lọc

Tuy nhiên nếu thủy phân bằng acid thì nổ hơi không có tác dụng đáng kể trong việc tăng tốc độ thủy phân

Những kết quả tương tự được công bố về ảnh hưởng của nổ hơi trên các nguyên liệu khác nhau như gỗ tràm (Nunes và Pourquie 1996 [36]), gỗ thông (Martin 1985 [37]),

vỏ trấu (Moniruzaman 1996 [16])…

Bảng dưới đây thống kê đặc điểm của các phương pháp tiền xử lý khác nhau:

Bảng 3.6 So sánh các phương pháp tiền xử lý khác nhau [59]

III.3.2 Cơ chế nổ hơi

Theo Chornet và Overend (1988 [38]) nổ hơi là một quá trình nhiệt-cơ-hóa

(thermomechanochemical) Nhiệt độ (khi có mặt của hơi nước) tham gia vào quá trình phá vỡ cấu trúc các polyme (thermo) Lực xé nhỏ cấu trúc của hơi nước khi giảm áp đột ngột (mechano) Thủy phân các liên kết polyme trong môi trường acid (chemical)

Dưới tác động của nhiệt độ và áp suất hơi nước xâm nhập vào sâu bên trong cấu trúc của lignocellulo bởi sự khuyếch tán Sau đó ngưng tụ trong vật liệu làm hàm ẩm của vật liệu tăng dần (vì nhiệt độ bên trong vật liệu thấp hơn môi trường ngoài nên có sự ngưng tụ do truyền nhiệt) Dưới tác động nhiệt độ và áp suất, hơi nước sẽ thủy phân các gốc acetyl trong hemicellulo để tạo ra các acid như acid acetic, acid uronic Những acid này làm giảm PH của môi trường sẽ tiếp tục xúc tác cho quá trình cắt mạch hemicellulo giải phóng các xylan và glucan Nếu tiến hành trong nhiệt độ cao (trên

240oC) một phần cellulo vô định hình sẽ bị thủy phân tạo thành mạch nhỏ hơn Bên

cạnh đó, nhiệt độ và áp suất cao cùng với xúc tác acid làm xylo chuyển dần thành fufuran và gluco chuyển thành 5-hydroxyl methyl fufuran (HMF) Fufuran là chất ức chế vi sinh vật mạnh do đó cần được loại bỏ trong quá trình lên men [22]

Khi nhiệt độ đủ cao, quá trình giáng áp đột ngột sẽ tạo lực xé đủ mạnh để phá vỡ cấu trúc sơ sợi của rơm rạ cũng như giải phóng các bó sợi cellulo Khi tiến hành nổ hơi, 2 yếu tố quan trọng là nhiệt độ (áp suất) và thời gian lưu của rơm rạ Khi tăng thời gian lưu sẽ tăng mức độ thuỷ phân hemicellulo và càng thuận lợi cho các giai đoạn thủy phân sau Tuy nhiên, tăng thời gian lưu đồng nghĩa với việc phân hủy cellulo và tạo ra nhiều sản phẩm phụ Do đó cần xác định hợp lý nhiệt độ và thời gian lưu cần thiết thực hiện quá trình để đạt được mục tiêu mong muốn

III.3.3 Hệ số mức độ (severity factor SF)

Khi tiến hành những nghiên cứu các chế độ nổ hơi trên các đối tượng khác nhau, các tác giả Free (1965), Monzie (1984) và Foody (1984) đã nhận thấy có mối liên hệ qua lại giữa nhiệt độ tiến hành nổ hơi và thời gian lưu đến hiệu quả của nổ hơi Từ những quan sát này, nhằm đưa ra một thông số đại diện chung cho 2 tác nhân , đồng thời để làm thước đo cho tác động của yếu tố nổ hơi, Oven và Chornet (1987 [38]) đã xây dựng thông số SF cho quá trình nổ hơi SF sau đó trở thành thước đo đại diện cho nhiệt độ và thời gian trong trong quá trình nổ hơi đối với những nghiên cứu sau đó

Mô hình được xây dựng với giả thiết quá trình xảy ra là quá trình đơn giản và bậc 1 trên cơ sở phương trình nhiệt động Arrhenius

từ đó Ro được xác định như sau:

750 14 / ) ( 0

Tb Tr

te

Khi đó:

0 10

logR

SF =

RT Ea

Ae

Trong đó:

k: hằng số tốc độ

t: thời gian thực hiện quá trình (phút)

Tr: Nhiệt độ tiến hành nổ hơi (oC)

Ea: năng lượng hoạt hóa của quá trình thủy phân (kJ/kg mol)

R: hằng số khí lý tưởng (8.314 kJ/g mol K)

Tb: nhiệt độ hơi bão hòa sau nổ hơi (Tb= 100oC)

14.75: hệ số chuyển đổi năng lượng

Trên cơ sở giả thiết chỉ số SF Oven và Chornet đã được kiểm chứng các kết quả thí nghiệm trước đó của Heitz (1988 [39]) và các kết quả của Belkacemi đưa ra (1989 [40]) là hoàn toàn phù hợp với nhau [22] Tuy nhiên, những nghiên cứu của Kaar sau này (1998) cho thấy chỉ số SF chỉ áp dụng được trong một số trường hợp nào đó Kaar

đã làm thí nghiệm trên bã mía với nhiều chế độ nổ hơi khác nhau Ông nhận thấy rằng hiệu suất gluco thủy phân được bằng enzyme bị thay đổi khi tiến hành ở cùng một giá trị SF nhưng ở những nhiệt độ khác nhau [41]

III.3.4 Những biến đổi trong quá trình nổ hơi biomass

Trong nghiên cứu của Tanahashi (1983) về những biến đổi cấu trúc lignocellulo trong quá trình nổ hơi, Tanahashi nhận thấy rằng những bó sợi cellulo trở nên bé hơn và ngắn hơn khi tăng thời gian lưu của biomass Những thông số khác như chỉ số kết tinh cũng tăng lên cho phép ông kêt luận rằng cellulo chuyển từ dạng vô định hình sang dạng kết tinh trong quá trình xử lý Excofier (1988) cũng nhận thấy rằng mức độ kết tinh của cellulo sau khi sử lý tăng lên Có nghĩa là có sự tái kết tinh của cellulo vô định hình

Đối với lignin, Tanahashi cũng nhận thấy rằng khi nhiệt độ tiến hành trên 230oC và thời gian lưu trên 2 phút sẽ có sự tái polyme hóa lignin gây khó khăn cho việc loại lignin ra khỏi bề mặt cellulo [42]

Nhưng nghiên cứu tiếp theo của Tanahashi (1988) trên hemicellulo cho thấy sự thủy phân của hemicellulo tạo thành các ologosacharide bắt đầu xảy ra khi nhiệt độ trên

212oC, 1 phút Khi tăng áp suất và nhiệt độ các monosacharide (đường đơn) sẽ được tạo thành Nồng độ của fufuran, HMF do đó cũng tăng theo

Như vậy, quá trình nổ hơi sẽ làm tăng mức độ kết tinh của cellulo, hemicellulo dễ dàng bị thủy phân ở nhiệt độ và áp suất cao, lignin bị loại bỏ một phần trong quá trình này Viêc loại bỏ lignin và hemicellulo sẽ làm tăng mức độ tơi xốp của cellulo, tăng khả năng thủy phân cho enzym Tuy nhiên, việc kết tinh cellulo vô định hinh là một bất lợi trong quá trình này vì sẽ gây khó khăn cho quá trình thủy phân cellulo về sau [43]

III.4 THỦY PHÂN

III.4.1 Quá trình hủy phân bằng enzyme cellulas

Cellulas là một nhóm các enzym thủy phân cellulo Enzym cellulas là tổ hợp của 3 loại enzym sau: endoglucanas, exoglucanas, β glucosidas [44] Mỗi một loại enzyme

có một chức năng và nhiệm vụ riêng biệt trong chuỗi chuyển hóa cellulo thành gluco

Một số quan điểm cho rằng luôn tồn tại một thành phần C1 nào đó trong hệ enzyme cellulas có vai trò xúc tiến cho các quá trình thủy phân cellulo ở dạng kết tinh Nhận xét này được đưa ra bởi Reese, Siu, và Levinson (1950) Tuy nhiên vẫn chưa có một phương pháp nào có thể cô lập hay định định lượng được thành phần C1 như Reese đã nói Sau đó, Wood và McCrae (1978) đã khảo sát kỹ về thành phần C1 này và nhận thấy có nhiều điểm tương đồng về mặt cấu trúc protein của C1 với enzym exoglucanas

có trong cellulas Những quan điểm mới nhất hiện nay về hệ enzyme cellula không còn công nhận rằng có tồn tại một thành phần C1 riêng biệt nữa Mặc dù có nhiều ý kiến khác nhau nhưng có rất nhiều nhà khoa học xem C1 là enzym exoglucanas Có một sự thống nhất rằng cellulo kết tinh phải được chuyển hóa thành dạng vô định hình trước khi tạo thành gluco

Nidetsky (1995) nghiên cứu trên cellulas của Tricodema reseei và nhận thấy rằng có

sự phối hợp chặt chẽ giữa endoglucanas và exoglucanas trên những phần cellulo kết tinh Điều này cho phép ông nhận định rằng giữa endo và exoglucanas có thể tạo thành liên kết phức khi tham gia thủy phân cellulo kết tinh [44]