Nghiên cứu công nghệ chế biến rơm rạ để sản xuất cồn nhiên liệu

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - TRỊNH HOÀI THANH NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN RƠM RẠ ĐỂ SẢN XUẤT CỒN NHIÊN LIỆU Chuyên ngành: Công nghệ hóa học Mã số ngành : 2.10.00 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2007 ii CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : TS PHAN ĐÌNH TUẤN Th.S HOÀNG MINH NAM Cán chấm nhận xét : PGS.TSKH LÊ XUÂN HẢI Cán chấm nhận xét : TS NGUYỄN KÍNH Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2007 iii TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày tháng năm 2006 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRỊNH HOÀI THANH Phái: NAM Ngày, tháng, năm sinh: 28/05/1981 Nơi sinh: TP.HCM Chun ngành: CƠNG NGHỆ HĨA HỌC MSHV: 00504125 I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN RƠM RẠ ĐỂ SẢN XUẤT CỒN NHIÊN LIỆU II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu hiệu trình xử lý nước Khảo sát trình thủy phân cellulose từ bã nổ rơm rạ Khảo sát sơ trình lên men cồn từ dịch thủy phân rơm rạ III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực LV ghi Quyết định giao đề tài): IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):TS Phan Đình Tuấn, ThS Hồng Minh Nam CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN (Học hàm, học vị, họ tên chữ ký) QL CHUYÊN NGÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội đồng chuyên ngành thông qua Ngày TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH tháng năm TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH iv LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn Cha-Mẹ-gia đình tôi, Người cho sống, động viên giúp sức cho hoàn thành công trình Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Hoàng Minh Nam, thầy Phan Đình Tuấn tận tình hướng dẫn suốt trình thực nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Lê Xuân Hải, người thầy tận tình truyền đạt kiến thức cho công việc tối ưu qui hoạch thực nghiệm Tôi xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Thùy Dương môn Công nghệ sinh học tạo điều kiện làm việc phòng thí nghiệm BioLab3, Khoa Hóa, Trường Đại học Bách khoa Tôi xin chân thành cảm ơn cô Hồ Huỳnh Thùy Dương bạn Nguyễn Hoài Nghóa tạo điều kiện cho làm việc phòng thí nghiệm Sinh học phân tử, Khoa Sinh, Trường đại học Khoa học tự nhiên Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn q thầy cô Bộ Môn Máy Thiết Bị, Bộ Môn Công Nghệ Sinh Học, Bộ Môn Công Nghệ Thực Phẩm, Phòng Đào Tạo Sau Đại Học bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận văn Và cuối cùng, xin trân trọng cảm ơn ý kiến đóng góp từ phía bạn đọc để đề tài nghiên cứu hoàn thiện Trịnh Hoài Thanh v TÓM TẮT LUẬN VĂN Hiện nay, Việt Nam nước xuất gạo xuất lớn thứ hai giới Sản lượng lúa gạo cao phục vụ nước xuất dẫn đến trạng dư thừa lượng lớn phụ phẩm từ lúa rơm, rạ, Để giải vấn đề này, mục tiêu nghiên cứu nghiên cứu trình chuyển hóa rơm rạ thành cồn nhiên liệu Rơm rạ phần lại lúa sau tách hạt lúa Ba thành phần rơm rạ cellulose, hemicellulose lignin Trong đó, cellulose hemicellulose mạch polysaccharide, nguồn đường phục vụ cho trình lên men Yếu tố trình chuyển hóa rơm rạ thành cồn khả công vào mạch polysaccharide Luận văn đề cập đến trình xử lý nước áp suất cao giảm áp đột ngột (nổ hơi) để xử lý rơm rạ nhằm nâng cao khả công tác nhân thủy phân vào cellulose Các thông số ảnh hưởng đến hiệu trình xử lý nhiệt độ xử lý thời gian xử lý Đồng thời, ảnh hưởng chế độ xử lý đến tỷ lệ thu hồi bã khảo sát Hiệu trình xử lý nước đánh giá dựa vào trình thủy phân acid enzyme lên rơm rạ sau xử lý Theo chế độ xử lý nổ thích hợp xác định được, rơm rạ thủy phân enzyme Cellulosoft L NovoNordisk Dung dịch đường sau thủy phân lên men nấm men Saccharomyces cerevisiae Kết đạt cho thấy việc xử lý nổ làm tăng cường khả thủy phân rơm rạ Cụ thể xử lý nổ làm tăng gấp đôi lượng đường thu thủy phân acid gấp 113 lần thủy phân enzyme Thí nghiệm vi chế độ nổ thích hợp rơm rạ nhiệt độ 2000C thời gian phút Rơm rạ sau nổ thủy phân enzyme cho thấy hàm lượng đường thu lớn 48,78 g/l, hiệu suất trình thủy phân enzyme đạt tối đa 64,60% Chế độ thủy phân thích hợp 15% (w/v) rơm rạ 5% (v/v) enzyme Dung dịch đường sau thủy phân đem lên men Kết lên men cho thấy hiệu suất trình lên men cao, đạt 93% Chế độ lên men thích hợp xác định 15% giống pH 4,50 vii ABSTRACT Nowadays, Vietnam is the second-largest rice exporter in the world The high yield of rice lead to a large amount of residue from rice plant To solve this problem, the current research investigates the utilization of rice straw as a feedstock to produce fuel ethanol Rice straw is an agricultural byproduct, the dry stalk of a rice plant, after the seed has been removed The three main chemical constituents are cellulose, hemicellulose, and lignin Cellulose and hemicellulose are polysaccharides of primarily fermentable sugars, glucose and xylose The main issue in converting rice straw to fuel ethanol is the accessibility of the polysaccharide for hydrolytic agent This study addressed the use of steam explosion as the pretreatment method in purpose of increasing cellulose accessibility The governing factors for the effectiveness of steam explosion are steam temperature and retention times Effect of steam explosion on fiber recovery is also investigated The efficiency of the process was measured through the glucose yield of treated and untreated samples in acid hydrolysis and enzymatic hydrolysis After that, steam exploded rice straw was hydrolyzed with enzyme Cellusoft L for optimum hydrolytic condition Moreover, we also investigated the fermentative conditions to optimize Saccharomyces cerevisiae fermentation of hydrolyzed solution The results obtained from this study showed that steam explosion enhanced attachment ability of hydrolytic agent, namely two-fold for acid and 113-fold for enzyme It also showed that the optimum condition for rice straw is at 2000C and viii minutes Steam exploded rice straw was hydrolyzed by enzyme and the maximum glucose concentrate was 48,78 g/l, and the maximum hydrolysis productivity was 64,60% The optimum condition for enzyme hydrolysis is at 15% rice straw and 5% enzyme After that, hydrolysis liquid was fermented for 48 hours The fermentation output was very high, about 93% And an optimum condition for fermentation is at 15% yeast and pH 4,50 ix MUÏC LUÏC MUÏC LUÏC .ix DANH MUÏC HÌNH xiii DANH MỤC BẢNG xvi CHƯƠNG MỞ ĐẦU .1 1.1 RƠM RẠ LÚA GẠO Ở VIỆT NAM .2 1.2 ÖU ĐIỂM VỀ MÔI TRƯỜNG CỦA CỒN NHIÊN LIỆU 1.3 LÝ DO NGHIÊN CỨU NHIÊN LIỆU CỒN TỪ RƠM RẠ .5 1.4 SƠ LƯC VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU VÀ MỤC TIÊU CHƯƠNG 2.1 NHIÊN LIỆU CỒN 2.1.1 2.2 TOÅNG QUAN TÀI LIỆU Hiệu cồn nhiên liệu so với xăng dầu RƠM RẠ VÀ THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA RƠM RẠ 10 2.2.1 Kết cấu thành tế bào .10 2.2.2 Cấu trúc thành tế bào 16 2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TIỀN XỬ LÝ RƠM RẠ 18 2.3.1 Thủy phân acid .19 2.3.2 Xử lý nước áp suất cao giáng áp đột ngột (Steam Explosion) 24 x 2.4 QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN BẰNG ENZYME .33 2.4.1 Cơ chế thủy phân enzyme 35 2.4.2 So sánh trình thủy phân enzyme thủy phân acid 36 2.5 QUÁ TRÌNH LÊN MEN 37 2.5.1 Naám men (Yeast) 37 2.5.2 Escherichia coli KO11 39 2.5.3 Quá trình đường hóa lên men đồng thời (SSF) 40 2.6 NHẬN XÉT 41 CHƯƠNG NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 42 3.1 NGUYÊN LIỆU .42 3.2 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NGUYÊN LIỆU 44 3.2.1 Phân tích độ ẩm ban đầu rơm rạ 44 3.2.2 Xác định hàm lượng lignin 44 3.2.3 Đo hàm lượng cellulose sau phân hủy lignin 45 3.2.4 Phân tích lượng bã không tan acid lượng tro 46 3.3 NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BẰNG HƠI NƯỚC ÁP SUẤT CAO VÀ GIẢM ÁP ĐỘT NGỘT .47 3.3.1 Hoạch định thí nghiệm 47 3.3.2 Tiến hành thí nghiệm 49 95 87 Terashima, N., K Fukushima 1993 Chapter 10: Comprehensive Model of the Lignified Plant Cell Wall Forage Cell Wall Structure and Digestibility 247-270 88 Thompson, D R 1977 Acid Hydrolysis as a Means of Converting Municipal Refuse to Ethanol: Process Kinetics and Preliminary Plant Design Master of Engineering Thesis, Thayer School of Engineering, Dartmouth College 89 Tillman, L, M., A E Abaseed, Y Y Lee, R Torget 1989 Effect of Transient Variation of Temperature on Acid Hydrolysis of Aspen Hemicellulose Applied Biochemistry and Biotechnology 20/21: 107 - 117 90 Tina Jeoh 1998 Steam Explosion Pretreatment of Cotton gin waste for Fuel Ethanol Production Master of Engineering Thesis, Biological System Engineering Department, Virginia Tech 91 Weimer, P J., J M Hackney, A D French 1995 Effects of Chemical Treatments and Heating on the Crystallinity of Celluloses and their Implications for Evaluating the Effect of Crystallinity on Cellulose Biodegradation Biotechnology and Bioengineering 48:169-178 92 Whitten, G Z., J P Cohen, A M Kuklin 1997 Regression Modeling of Oxyfuel Effects on Ambient CO Concentrations Prepared for Renewable Fuels Association, and Oxygenated Fuels Association http://www.ethanolrfa.org/967810.html 93 Z¡ ivorad R Lazic´ 2004 Design of Experiments in Chemical Engineering Germany: Wiley – VCH 96 PHỤ LỤC A XÂY DỰNG ĐƯỜNG CHUẨN CỦA ĐƯỜNG Kết phân tích đường chuẩn đo máy Elisa Reader C (g/l) 0.3 0.6 0.9 1.2 1.8 ∆ OD620 1.6495 2.2495 3.132 3.719 5.1495 Tổng kết kết phân tích phương trình hồi quy đường chuẩn Data Analysis Excel [2][81] Regression Statistics Multiple R 0,998858 R Square 0,997716 Adjusted R Square 0,996955 Standard Error 0,074951 Observations ANOVA df SS MS F Significance F Regression 7,363163 7,363163 1310,72 4,63E-05 Residual 0,016853 0,005618 Total 7,380016 Coefficients Standard Error t Stat P-value Intercept 0,922797 0,070784 13,03686 0,000975 C (g/l) 2,351149 0,064942 36,20387 4,63E-05 97 t0 = 13,037 > t0,05 ( Pv2 = 0,001 < α = 0,05) ⇒ bác bỏ giả thuyết H0 t1 = 36,204 > t0,05 ( Pv2 = 0,000 < α = 0,05) ⇒ bác bỏ giả thuyết H0 F = 1310,72 > F0,05 ( Fs = 4,63 x 10-5 < α = 0,05) ⇒ bác bỏ giả thuyết H0 Vậy hai hệ số 0,9228 (B0) 2,351 (B1) phương trình hồi quy Y = 0,9228 + 2,351 C có ý nghóa thống kê Nói cách khác, phương trình hồi quy thích hợp (Hình A.1) delta OD 0 0.5 1.5 C (g/l) Hình A.1 Đường chuẩn đường đo phương pháp Antron 98 PHỤ LỤC B TÍNH TOÁN PHƯƠNG TRÌNH HỒI QUY B.1 Tính toán mô hình ảnh hưởng nhiệt độ thời gian xử lý đến hiệu nổ (xử lý nước áp suất cao giáng áp đột ngột) Kết thực nghiệm đo Tỷ lệ xích tự nhiên Hệ tọa độ mã hóa Hàm đáp ứng STT Nhiệt độ (0C) Thời gian (giây) X1 X2 % đường thu 200 60 - - 22,47 200 240 - + 31,86 200 420 + - 37,90 210 60 + + 26,00 210 240 - 27,51 210 420 + 33,48 220 60 - 23,90 220 240 + 18,90 220 420 0 12,09 10 210 240 0 27,41 11 210 240 0 29,63 12 210 240 0 28,99 Mô hình hồi quy tính toán theo phương pháp trực giao cấp II [4][93] Kết tính toán tính ý nghóa hệ số hồi quy tóm tắt bảng B.1 99 Bảng B.1 Hệ số phương trình hồi quy mô tả ảnh hưởng yếu tố lên trình xử lý nước Hệ số Thông số Dự đoán Giá trị - t t0,05 Ghi b0 số 0,2900 68,2403 4,3027 Nhaän b1 [X1] -0,0622 13,3267 4,3027 Nhaän b2 [X2] 0,0185 3,9636 4,3027 Loaïi b11 [X1]2 -0,0448 5,5362 4,3027 Nhận b22 [X2]2 -0,0012 0,1457 4,3027 Loại b12 [X1] x [X2] -0,0681 11,9071 4,3027 Nhận Với hệ số có ý nghóa phương trình hồi quy, ta kiểm tra tương thích phương trình hồi quy với thực nghiệm: Ta có: F = 5,6598 < F(5,2) = 19,2963 Vậy mô hình hồi quy tương thích với thực nghiệm có dạng: Y% = 29,00 – 6,22 [X1]– 4,48 [X1]2 – 6,81 [X1][X2] B.2 Tính toán mô hình trình thủy phân enzyme Từ số liệu thực nghiệm, tính toán tương tự phụ lục B.1, kết tính toán mô hình cho bảng B.2 B.3 Bảng B.2 Các hệ số phương trình hồi quy cho thấy ảnh hưởng yếu tố lên thành %cellulose chuyển hóa Hệ số Thông số Dự đoán Giá trị - t T0,05 Ghi b0 số 0,4778 79,6154 4,3027 Nhaän b1 [ROM] -0,1058 15,6237 4,3027 Nhaän b2 [ENZYME] 0,1187 17,5301 4,3027 Nhaän b11 [ROM]2 -0,0208 1,7719 4,3027 Loại 100 Hệ số Thông số Dự đoán Giá trị - t T0,05 Ghi b22 [ENZYME]2 -0,0564 4,8055 4,3027 Nhận b12 [ROM] x [ENZYME] -0,0250 3,0183 4,3027 Loại Bảng B.3 Các hệ số phương trình hàm mục tiêu Hệ số Thông số Dự đoán Giá trị - t T0,05 Ghi b0 số 0,0191 31,3235 4,3027 Nhận b1 [ROM] 0,0007 1,1542 4,3027 Loại b2 [ENZYME] 0,0077 12,6566 4,3027 Nhaän b11 [ROM]2 -0,0054 5,1629 4,3027 Nhaän b22 [ENZYME]2 -0,0029 2,7947 4,3027 Loaïi b12 [ROM] x [ENZYME] 0,0004 0,5074 4,3027 Loại Việc kiểm tra tương thích phương trình hồi quy thông qua chuẩn số Fisher cho thấy hai mô hình tương thích với thực nghiệm có dạng là: %celluose = 47,87 − 10,58 [ ROM ] +11,87 [ ENZYME ] − 5,64 [ ENZYME ] Hàm mục tiêu = 0,019145+0,007683 [ ENZYME ] − 0,005428 [ ROM ] B.3 Tính toán mô hình trình lên men Từ số liệu thực nghiệm, tính toán tương tự phụ lục B.1, kết tính toán mô hình cho bảng B.4 Bảng B.4 Các hệ số phương trình hồi quy cho thấy ảnh hưởng yếu tố lên hiệu suất lên men cồn Hệ số Thông số Dự đoán Giá trị - t T0,05 Ghi b0 số 93,78 148,3351 4,3027 Nhận b1 [PH] -2,73 4,1260 4,3027 Loại 101 Hệ số Thông số Dự đoán Giá trị - t T0,05 Ghi b2 [TLGIONG] -0,12 0,1842 4,3027 Loại b11 [PH]2 -11,10 9,6904 4,3027 Nhaän b22 [TLGIONG]2 -9,47 8,2691 4,3027 Nhận b12 [TLGIONG] x [pH] 1,36 1,6857 4,3027 Loại Việc kiểm tra tương thích phương trình hồi quy thông qua chuẩn số Fisher cho thấy mô hình tương thích với thực nghiệm có dạng là: HSLM = 93,78 − 11,10 [ PH ] − 9, 47 [ TLGIONG ] 2 ,% 102 PHUÏ LUÏC C CÁC CÔNG THỨC TÍNH TOÁN C.1 Tính toán trình xử lý nước áp suất cao (nổ – steam explosion) - Tỷ lệ thu hồi bã:  g chất rắn khô thu  % chất rắn thu hồi =   *100% g rơm rạ khô   - % đường sau xử lý:  g đường thu  % đường sau xử lý =   *100% g rơm rạ nổ   - % đường thu hồi (tính lượng rơm rạ khô ban đầu)  % đường sau xử lý  % đường thu hồi =   *100%  % chất rắn thu hồi  C.2 Tính toán trình thủy phân enzyme % cellulose chuyển hóa = g glucose thu sau thủy phân * 0,9 *100% g cellulose sau tiền xử lý % cellulose lại = 100% - % cellulose chuyển hóa 103 C.3 Tính toán trình lên men cồn - Lượng ethanol theo lý thuyết: g Ethanol lý thuyết = g cellulose *51 100 - Hiệu suất lên men cồn (theo lý thuyết): % cồn (theo lý thuyết) = g Ethanol *100% g Ethanol lý thuyết 104 PHỤ LỤC D CÁC HÌNH ẢNH TRONG THÍ NGHIỆM Hình D1 Rơm rạ trước nổ (trái) sau nổ (phải) Hình D2 Rơm rạ thủy phân acid 105 Hình D3 Mẫu sau thủy phân acid giữ lại để phân tích hàm lượng đường Hình D4 Dung dịch anthrone aliquote sang eppendof 106 Hình D5 Sử dụng pipet nhiều kênh để chuyển dung dịch màu sang đóa đo Hình D6 Bể ổn nhiệt lắc ngang để ổn định nhiệt độ thủy phân 107 Hình D7 Dịch đo hàm lượng đường glucose màu sử dụng thuốc thử GOD Hình D8 Hình chụp tế bào nấm men kính hiển vi phòng thí nghiệm 108 Hình D9 Khảo sát động học trình lên men Hình D10 Dịch thủy phân rơm rạ lên men chai nước biển TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên học viên: Trịnh Hoài Thanh Phái: Nam Ngày – tháng – năm sinh: 28-05-1981 Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh Quá trình đào tạo Từ 09/1999–02/2004 : học đại học Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Từ 09/2004-12/2006: học cao học Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Quá trình công tác Từ 07/2004 – : công tác Bộ Môn Quá Trình Thiết bị – Khoa Công nghệ hóa học Thực Phẩm – Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh ... Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC MSHV: 00504125 I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN RƠM RẠ ĐỂ SẢN XUẤT CỒN NHIÊN LIỆU II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu hiệu trình... trình sản xuất cồn nhiên liệu từ rơm rạ Việt Nam, cần phải có loạt nghiên cứu thực từ quy mô phòng thí nghiệm quy mô công nghiệp Mục đích chung nghiên cứu nhằm ra: 1) Thành phần nguyên liệu (rơm rạ) ... việc sản xuất chất polyme, hoá chất nhiên liệu Về mặt nhiên liệu, nhiều nghiên cứu tập trung vào hướng sản xuất ethanol làm phụ gia pha xăng làm nhiên liệu động Theo hướng này, nhiều công trình nghiên