Nghiên cứu khả năng sản xuất etanol sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp

Nghiên cứu khả năng sản xuất etanol sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp

MỞ ĐẦU

Ngày nay, thế giới đang đứng trước nguy cơ khủng hoảng năng lượng trầm trọng Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới, nguồn năng lượng từ các sản phẩm hoá thạch dầu mỏ sẽ bị cạn kiệt trong vòng 40- 50 năm nữa [16] Để ổn định và đảm bảo an ninh năng lượng đáp ứng cho nhu cầu con người cũng như các ngành công nghiệp, các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu tìm ra những nguồn nhiên liệu mới, trong đó nghiên cứu phát triển nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ sinh khối động, thực vật là một hướng đi có thể tạo ra nguồn nhiên liệu thay thế phần nào nguồn nhiên liệu hoá thạch đang cạn kiệt, đảm bảo an ninh năng lượng cho từng quốc gia

Sử dụng nhiên liệu sinh học mang lại các lợi ích như giảm thiểu ô nhiễm môi trường vì nguyên liệu sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học là cồn và dầu mỡ động thực vật, không chứa các hợp chất thơm, hàm lượng lưu huỳnh thấp, không chứa chất độc hại, mặt khác nhiên liệu sinh học khi thải vào đất có tốc độ phân hủy sinh học cao nhanh hơn gấp 4 lần so với nhiên liệu dầu mỏ và do đó giảm được rất nhiều tình trạng ô nhiễm nước ngầm [18]

Etanol sinh học (bio-ethanol) là một loại nhiên liệu sinh học dạng cồn, được sản xuất bằng con đường sinh học, chủ yếu bằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn, thường được sản xuất từ các loại cây nông nghiệp hàm lượng đường cao như bắp (ở Mỹ), lúa mì, lúa mạch, mía (ở Brazil) Ngoài ra, etanol sinh học còn được sản xuất từ cây cỏ có chứa hợp chất cellulose (celluloic ethanol) Celluloic ethanol đã được sản xuất thành công và đưa vào sử dụng làm nhiên liệu ở nhiều nước trên thế giới Hiện nay, việc sản xuất etanol từ các loại cây nông nghiệp có thể ăn được đang gây ra sự lo lắng về vấn đề an ninh lương thực- sự cạnh tranh giữa cây trồng làm nhiên liệu và cây lương thực Chính vì vậy, thế giới đang đi theo hướng sản xuất etanol từ các nguyên liệu chứa hợp chất cellulose

Việt Nam là một quốc gia có hơn 70% dân số làm nông nghiệp Do vậy, phụ phẩm sau thu hoạch rất lớn Theo số liệu thống kê sơ bộ năm 2008 [13], tổng diện tích

cây lúa trong cả nước khoảng 7,4 triệu ha, do vậy lượng rơm rạ phát thải sau mỗi vụ thu hoạch rất lớn (trung bình 5-6 tấn rơm rạ/ 1ha/vụ) Diện tích trồng ngô cả nước là 1,13 triệu ha.Theo phương thức sản xuất nông nghiệp truyền thống, phụ phẩm nông nghiệp sau khi thu hoạch (rơm rạ, thân cây ngô, thân cây đậu…) được chuyển về nhà và được sử dụng như một nguồn nguyên liệu chính để đun nấu trong các nông hộ, làm thức ăn chăn nuôi Cùng với sự phát triển của xã hội và nhu cầu đời sống ngày một nâng cao, ngày nay hầu hết các hộ nông dân đã sử dụng các nguồn nguyên liệu khác như than, gas, điện, cho việc nấu nướng nên phần lớn lượng phụ phẩm nông nghiệp này được người nông dân đốt ngay trên đồng ruộng tạo ra những chất độc hại như CH4, CO2, bụi, Việc đốt lượng phụ phẩm nông nghiệp trên đồng ruộng đang dần hình thành một thói quen xấu, không những gây ảnh hưởng xấu tới môi trường sinh thái mà còn rất lãng phí nguồn nguyên liệu có nguồn gốc thực vật này

Một số công trình nghiên cứu trên thế giới cho thấy, các loại phụ phẩm nông nghiệp, phế thải giàu hợp chất hydratcacbon có thể sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất etanol sinh học Thành phần của rơm rạ, thân cây ngô bao gồm phần lớn là cellulose, hemicellulose, lignin, và các nguyên tố khoáng khác.Việc nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông nghiệp giàu hợp chất cacbonhydrat làm nguyên liệu sản xuất etanol nhiên liệu có sử dụng sự trợ giúp của vi sinh vật đang là một trong những giải pháp đầy hứa hẹn cho việc tạo ra nguyên liệu thay thế cho nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, giảm thiểu các tác động xấu đến môi trường, là một hướng nghiên cứu đúng đắn thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nước

Với ý nghĩa thiết thực đó, “Nghiên cứu khả năng sản xuất etanol sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp” nhằm xác định được khả năng sản xuất etanol sinh học từ thân

cây ngô nhờ tác nhân sinh học là vi sinh vật

Để đạt được mục tiêu nêu trên, đề tài đã tiến hành các nội dung nghiên cứu sau: + Lựa chọn chủng vi sinh vật làm tác nhân cho quá trình thủy phân thân cây ngô và quá

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Sinh khối và nhiên liệu sinh học

1.1.1 Khái niệm

Sinh khối (Biomas) là các vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ sinh vật có khả năng

tái tạo như cây cối, phân gia súc… SK được xem là một phần của chu trình cacbon trong tự nhiên Cacbon từ khí quyển được biến đổi thành vật chất sinh học qua quá trình quang hợp của thực vật Khi phân giải hoặc đốt cháy, cacbon quay trở lại khí quyển hoặc đất Vì vậy cacbon khí quyển được giữ ở mức tương đối ổn định

Các vật liệu hữu cơ được tạo thành bởi các quá trình địa chất tạo than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên không được gọi là SK Nhiên liệu hoá thạch có nguồn gốc SK trong thời cổ xưa được xem là đã nằm ngoài chu trình cacbon từ rất lâu.Việc đốt cháy chúng làm hàm lượng CO2 trong khí quyển mất ổn định

Nhiên liệu sinh học là loại nhiên liệu có nguồn gốc từ SK - có thể là từ các sinh

vật sống hoặc sản phẩm phụ từ quá trình chuyển hóa của chúng (ví dụ như phân gia súc) Chúng thuộc loại năng lượng tái tạo hoàn toàn khác với các loại năng lượng khác như hóa thạch, hạt nhân

NLSH có đặc điểm là khi bị đốt cháy sẽ giải phóng ra năng lượng hóa học tiềm ẩn trong nó

1.1.2 Các dạng nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học được sử dụng ở 03 dạng chính sau [40]:

- Dạng rắn (SK rắn dễ cháy): củi, gỗ và than bùn

- Dạng lỏng: Các chế phẩm dạng lỏng nhận được trong quá trình chế biến vật

liệu nguồn gốc sinh học như:

+ Cồn sinh học - các loại cồn có nguồn gốc sinh học, ví dụ: etanol sinh học từ

đường mía, ngô đang được sử dụng làm nhiên liệu hoặc phụ gia pha xăng tại Braxin,

Mỹ và một vài nước khác; metanol sinh học (hiện đang được sản xuất chủ yếu từ khí tự

nhiên, song có thể đi từ SK)

+ Dầu mỡ các loại nguồn gốc sinh học: diezel sinh học (Biodiezel) - sản phẩm

chuyển hóa ester từ mỡ động vật hoặc dầu thực vật; Phenol và các loại dung môi, dầu nhựa thu được trong quá trình nhiệt phân gỗ, v.v…

- Dạng khí: Metan thu được từ quá trình phân hủy tự nhiên các loại phân, chất

thải nông nghiệp hoặc rác thải - biogas; Hyđrô thu được nhờ cracking hyđrocacbon, khí

hóa các hợp chất chứa cacbon (kể cả SK) hoặc phân ly nước bằng dòng điện hay thông

qua quá trình quang hóa dưới tác dụng của một số vi sinh vật; Các sản phẩm khí khác

từ quá trình nhiệt phân và khí hóa SK (các loại khí cháy thu được trong quá trình nhiệt phân gỗ)

1.1.3 Những lợi ích khi sử dụng nhiên liệu sinh học

Sử dụng NLSH sẽ giảm thiểu ô nhiễm và khí nhà kính

NLSH được sản xuất từ SK, là loại vật liệu xuất phát từ sinh vật (chủ yếu là thực vật) và là một phần trong chu trình cacbon ngắn CO2 mà cây hấp thụ từ không khí qua quá trình quang hợp sẽ quay trở lại bầu khí quyển khi chúng đã bị chuyển hóa thành năng lượng Để có thể coi đó là nguồn năng lượng tái tạo thì ít nhất kho sinh khối đó phải được duy trì không thay đổi Bởi vì trong chu trình không có lượng CO2 thừa và NLSH chạy xe phát tán ngược trở lại nên NLSH có thể được coi là yếu tố "cân bằng về

mặt môi trường" thuộc chu trình

Hiện nay, hàng năm toàn thế giới phát thải khoảng 25 tỷ tấn khí độc hại và khí nhà kính Nồng độ khí CO2, loại khí nhà kính chủ yếu, tăng trên 30% so với thời kỳ tiền công nghiệp (từ 280 ppm tăng lên 360 ppm), nhiệt độ trái đất tăng 0,2- 0,40C Nếu không có giải pháp tích cực, nồng độ khí nhà kính có thể tăng đến 400 ppm vào năm 2050 và 500 ppm vào cuối thế kỷ XXI, nhiệt độ trái đất tăng thêm 2-40C, gây ra hậu quả khôn lường về môi trường sống Sử dụng NLSH so với xăng dầu khoáng giảm được 70% khí CO2 và 30% khí độc hại, do NLSH chứa một lượng cực nhỏ lưu huỳnh, chứa 11% oxy, nên cháy sạch hơn NLSH phân huỷ sinh học nhanh, ít gây ô nhiễm nguồn nước và đất

Sử dụng NLSH sẽ góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế nông nghiệp

Ngành kinh tế nông nghiệp ngoài chức năng cung cấp lương thực thực phẩm, nguyên liệu công nghiệp, giờ đây có thêm chức năng cung cấp năng lượng sạch cho xã hội, đóng góp vào việc giảm thiểu khí nhà kính và khí độc hại Đặc biệt, khi phát triển NLSH có thể sử dụng các giống cây có dầu, chẳng hạn như J Curcas trồng trên các vùng đất hoang hoá hoặc đang sử dụng kém hiệu quả, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng đất.[18]

Kỹ thuật và kinh tế năng lượng

Sản xuất và sử dụng NLSH đơn giản hơn so với các dạng nhiên liệu hyđrô /pin nhiên liệu Khi sử dụng E20, B20 không cần cải biến động cơ, sử dụng được cho các loại ôtô hiện có, cũng không cần thay đổi hệ thống tồn chứa và phân phối hiện có NLSH và nhiên liệu khoáng có thể dùng lẫn với nhau được Công nghệ sản xuất NLSH không phức tạp, có thể sản xuất ở quy mô nhỏ (hộ gia đình) đến quy mô lớn Sự tiêu hao nhiên liệu, công suất động cơ tương tự như dùng xăng dầu khoáng Nhiều công trình nghiên cứu về cân bằng năng lượng đã cho thấy: Từ 1 đơn vị năng lượng dầu mỏ sản xuất được 0,87 đơn vị năng lượng xăng, hoặc 1,02 đơn vị năng lượng ETBE, hoặc 2,05 đơn vị năng lượng etanol Từ 1 đơn vị năng lượng dầu mỏ (dùng để cày bừa, trồng trọt, chăm sóc, vận chuyển đến chế biến) sẽ tạo ra 1,2 đơn vị năng lượng NLSH Nếu kể thêm các sản phẩm phụ (bã thải, sản phẩm phụ) thì tạo ra 2-3 đơn vị NLSH Như vậy, cân bằng năng lượng đầu ra so với đầu vào là dương Hiện tại, giá NLSH còn cao do sản xuất nhỏ, giá nguyên liệu cao Khi sản xuất quy mô lớn với công nghệ mới sẽ giảm giá thành Nếu xăng dầu không bù giá thì NLSH có giá thành thấp hơn Có thể khẳng định, NLSH sẽ đem đến đa lợi ích

1.2 Etanol sinh học

1.2.1 Tính chất lý hoá học của etanol

Tính chất lý học

Etanol hay Rượu etylic là một chất lỏng, không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 150C), sôi ở nhiệt độ 78,39 0 C, hóa rắn ở -114,150C, tan trong nước vô hạn

Độ nhớt của etanol là 1,200 cP ở 20°C Tính chất hóa học

Etanol là rượu no, đơn chức, có công thức C2H5OH Etanol mang đầy đủ tính chất của một rượu đơn chức như phản ứng thể với kim loại kiềm, phản ứng este hóa, phản ứng loại nước hay phản ứng tách nước, phản ứng oxi hóa thành andehyt, axit hay CO2 tùy theo điều kiện phản ứng Ngoài ra etanol còn có một số phản ứng riêng như sau:

Phản ứng tạo ra butadien-1,3: cho hơi rượu đi qua chất xúc tác hỗn hợp, ví dụ Cu + Al2O3 ở 380-4000C, lúc đó xảy ra phản ứng tách loại nước

2C2H5OH -> CH2=CH-CH2=CH + 2 H2O + H2

Phản ứng lên men giấm: oxi hóa rượu etylic 10 độ bằng oxi không khí có mặt men giấm ở nhiệt độ khoảng 250C

CH3-CH2-OH + O2 -> CH3-COOH + H2O

1.2.2 Phương pháp sản xuất etanol sinh học

Etanol có thể được sản xuất theo phương pháp hóa học từ nguyên liệu etan hoặc etylen bằng phương pháp hydrat hóa etylen Trên thực tế etanol thường được sản xuất bằng con đường sinh học Khi đó sản phẩm etanol được gọi là cồn sinh học hay bio-etanol Công nghệ chiếm ưu thế hiện nay là chuyển hóa SK thành etanol thông qua lên men rượu rồi chưng cất Quá trình lên men rượu này là quá trình chuyển hóa sinh hóa học SK sẽ bị men của vi khuẩn hoặc nấm men phân hủy Phương pháp lên men có thể áp dụng đối với nhiều nguồn nguyên liệu SK khác nhau

1.2.2.1 Nguyên liệu SK [28]

Nguyên liệu sản xuất etanol thích hợp nhất là đường (từ củ cải đường, mía), rỉ đường và cây lúa miến ngọt, tinh bột (khoai tây, các loại hạt lúa, lúa mỳ, ngô, đại

mạch…) Năng suất etanol trung bình dao động từ 2.100 đến 5.600 lít/ ha đất trồng trọt tùy thuộc vào từng loại cây trồng Đối với các loại hạt, năng suất etanol thu được vào khoảng 2.800 lít/ha, tức là vào khoảng 3 tấn nguyên liệu hạt sẽ thu được 1 tấn etanol

Hiện nay các hoạt động nghiên cứu và phát triển ở châu Âu về lĩnh vực etanol sinh học chủ yếu tập trung vào sử dụng các nguồn nguyên liệu cellulose (từ gỗ) Các loại cây trồng quay vòng ngắn (liễu, bạch dương, bạch đàn), các chất thải nông nghiệp (rơm, bã mía), các phế thải của công nghiệp gỗ, gỗ thải đều thích hợp để làm nguyên liệu sản xuất etanol Cứ khoảng 2 - 4 tấn vật liệu gỗ khô hoặc cỏ khô đã có thể cho 1 tấn etanol Nguyên nhân khiến người ta chuyển sang sản xuất etanol từ SK cellulose (gỗ, thân thảo) là vì các loại này sẵn có và rẻ tiền hơn so với các loại tinh bột ngũ cốc hoặc cây trồng khác, đặc biệt là với những nguồn chất thải hầu như không có giá trị kinh tế thì vấn đề càng có ý nghĩa, tuy nhiên quá trình chuyển hóa các vật liệu này sẽ khó khăn hơn Hàm lượng cellulose, hemicellulose, lignin, đường và tro trong các nguyên liệu SK được biểu hiện trong Bảng 1 và Bảng 2

Bảng 1: Thành phần cellulose, hemicellulose và lignin trong SK [42]

Bảng 2: Thành phần đường và tro trong các nguyên liệu SK [43]

Cácbon (%)

Đường 5 Cácbon (%)

Lignin (%)

Tro (%)

1.2.2.2 Công nghệ chuyển hóa etanol

- Quá trình chuyển hóa từ nguyên liệu chứa đường

Etanol có thể sản xuất từ nhiều loại nguyên liệu SK khác nhau, nhưng chỉ có một vài loại cây trồng chứa nhiều loại đường đơn giản, dễ tách nên thuận lợi cho quá trình xử lý và lên men Thông thường để tách đường hoàn toàn, quá trình tách (chiết hoặc nghiền nhỏ) cần được thực hiện lặp đi lặp lại vài lần

- Quá tình chuyển hóa từ các nguyên liệu chứa tinh bột

Các loại tinh bột ngũ cốc là các vật liệu gồm các phân tử cacbonhydrat phức tạp hơn nên phải phân hủy chúng thành đường đơn nhờ quá trình thủy phân

Hạt được xay, nghiền ướt thành dạng bột nhão Trong quá trình này đã có một lượng đường được giải phóng Nhưng để chuyển hóa tối đa lượng tinh bột thành đường, tạo điều kiện lên men rượu, bột nhão được nấu và cho thủy phân bằng enzym (ví dụ amylaza) Trong trường hợp thủy phân bằng axit thì cần rót axit loãng vào khối bột nhão trước khi đem nấu Quá trình lên men được xúc tiến mạnh khi có mặt một số chủng men rượu Để thuận lợi cho quá trình lên men, pH của dịch thủy phân cần điều chỉnh ở mức 4,8 - 5,0 Etanol sinh ra trong quá trình lên men sẽ hòa tan trong nước Quá trình lên men rượu này sinh ra CO2 Nhờ hàng loạt bước chưng cất và tinh cất để loại nước, nồng độ etanol sẽ được tăng cao tối đa (có thể đạt mức cồn tuyệt đối - etanol khan)

- Quá trình chuyển hóa từ nguyên liệu chứa celluose [28]

Quá trình chuyển hóa SK là hỗn hợp cellulose thành etanol chỉ khác với quá trình lên men tinh bột ở chỗ xử lý nguyên liệu thành đường đơn sẵn sàng cho quá trình lên men Thủy phân hỗn hợp cellulose khó hơn thủy phân tinh bột vì hỗn hợp cellulose là tập hợp các phân tử đường liên kết với nhau thành mạch dài (polyme cacbonhyđrat) gồm khoảng 40 - 60% cellulose và 20 - 40% hemicellulose, có cấu trúc tinh thể, bền Hemicellulose chứa hỗn hợp các polyme có nguồn gốc từ xylo, mano, galaeto hoặc arabino kém bền hơn cellulose Nói chung hỗn hợp cellulose khó hòa tan trong nước

Phức polyme thơm có trong gỗ là lignin (10 - 25%) không thể lên men vì khó phân hủy sinh học, nhưng có thể tận dụng vào việc khác

Quá trình xử lý sơ bộ:

Một số phương pháp xử lý sơ bộ được trình bày trong Bảng 3 sau đây:

Đường xylose và nước

Hình 1: Quá trình thủy phân để sản xuất đường từ cellulose

đi theo sau là quá trình lên men để sản xuất etanol sinh học [35]

Nguyên liệu SK ligno-cellulose

Thủy phân giải phóng xylose từ

cất thu

hồi etanol Etanol

Nồi hơi

Thủy phân cellulose giải phóng glucose Nhiệt

Lên men glucoce Bánh

lignin/ cellulose rắn

Đường glucose Và lignin rắn

Lên men cả hai

loại

Nước

Bảng 3: Các phương pháp xử lý sơ bộ [26] Phương pháp

Tài liệu tham khảo

Bằng hơi (có H2SO4, SO2 CO2)

- Hơi nước bão hòa áp suất cao và giảm áp 160-2600C (0,7- 4,8 Mpa),

- Thời gian <10 phút

Hiệu quả đối với gỗ cứng

hủy xylan - Ức chế vi

sinh vật

- Kuznetsov et al 2002

nhiệt độ và áp suất cao và giảm áp 1-2 g NH3/g SK khô ở 900C trong 30 phút

- Đường hóa nhanh đối với cây trồng thảo mộc

- Xylan mất ít hơn cách xử lý bằng hơi axit

- Không hình thành sự ức chế

quả thấp

SK chứa lignin cao - Thu hồi amoniac

- Holtzapple et al 1991

- Vlasenko et al 1997

- Đòi hỏi lượng ozon lớn - Đắt đỏ

- Roncero et al 2003

bằng axit H2SO4, HCl - Thủy phân bằng axit loãng - Điều kiện trung bình

- Năng suất cao đối với xylan thành xylose

- ăn mòn và độc tố - Thu hồi axit - Khá đắt đỏ

- Bhandari et al 1983

- Ragg et al 1987 - Carrasco et al

- Giảm DP

Thu hồi kiềm

- Fan et al 1987 - Chang et al 1998

- Kaar et al 2000 Organo-

solvolysis

MeOH, EtOH, axeton với HCl hoặc H2SO4

- Năng suất xylose cao

- Thu hồi dung môi - Đắt đỏ

- Chum et al 1990 - Vázquez et al 1997

Sinh học Nấm nâu, nấm trắng

- Phân hủy lignin hiệu quả

- Yêu cầu năng lượng thấp

- Crawford et al 1984

- Costa et al 2002

Quá trình thủy phân:

Thủy phân bằng axit

Trong ngành công nghiệp sản xuất etanol, người ta ưu tiên sử dụng công nghệ thuỷ phân bằng axit vì giá thành của enzyme cellulase quá cao Theo nguyên tắc, bất cứ axit nào cũng có thể sử dụng cho quá trình thuỷ phân, nhưng trên thực tế, axit sunfuric vẫn được dùng phổ biến nhất vì giá thành của nó rẻ và cho hiệu quả thuỷ phân tương đối cao

Axit sunfuric sử dụng có thể là axit đặc hoặc axit loãng

Thủy phân bằng axit loãng

Hình 2: Thủy phân bằng axit sunfuric loãng [39]

Giảm kích thước

Bước 1: Tiền xử lý bằng axit loãng

Bước 2: Thủy phân bằng axit loãng

Sản xuất điện/ nhiệt

Lọc etanol Thiết bị

lên men Thạch cao

Trung hòa/ Khử chất độc

Quá trình thủy phân nguyên liệu thành đường tự do sẵn sàng lên men bằng axit sunfuric loãng phải trải qua 2 bước:

- Bước 1: Thủy phân bằng axit loãng nồng độ 0,5% để phá vỡ liên kết hyđro giữa các mạch cellulose và phá vỡ cấu trúc tinh thể của chúng thực hiện ở nhiệt độ 200oC Kết quả thủy phân bước 1 sẽ chuyển hóa hemicellulose thành đường 5C và 6C (chủ yếu xylo và mano) dễ lên men tạo thành etanol đồng thời bẻ gãy cấu trúc cellulose

- Bước 2: Để chuyển hóa hoàn toàn cấu trúc cellulose đã gãy thành đường gluco C6, bước thủy phân thứ 2 sử dụng axit nồng độ 2% được thực hiện ở nhiệt độ 240oC

Thủy phân bằng axit đặc

Hình 3: Thủy phân bằng axit sunfuric đặc [38]

Tách đường và axit

H2SO4 đậm đặc Thủy phân

Thủy phân Nước

Sử dụng lignin

Thu hồi etanol Thiết bị lên men Dịch đường đã lọc

Bể trung hòa Nước

Tập trung axit

Thạch cao Chuyển đổi

Quá trình thuỷ phân vẫn được tiến hành qua hai bước, bước thứ nhất để thuỷ phân hemicelulose, được tiến hành ở 100oC, trong thời gian từ 2 – 6h, nồng độ axit cho vào là 10% Ở giai đoạn thuỷ phân thứ nhất, sau khi axit phân huỷ hemicellulose, hỗn hợp sẽ được pha loãng bằng nước, sự thuỷ phân xảy ra trong bước pha loãng thu được phần lớn đường Sau đó, hỗn hợp được lọc để thu hồi dung dịch, phần chất rắn còn lại được đem thủy phân tiếp Tại đây axit đặc phá vỡ liên kết hydro giữa các chuỗi cellulose, biến đổi chúng thành dạng vô định hình hoàn toàn Khi cellulose được decrystallization, chúng tạo thành một dạng chất lỏng, Cellulose rất dễ bị thuỷ phân ở thời điểm này Chính vì vậy, pha loãng dung dịch bằng nước ở nhiệt độ thường sẽ làm cho sự thuỷ phân glucose diễn ra nhanh chóng và hoàn toàn, với ít sự thất thoát nhất Lignin được thu hồi để tận dụng làm các sản phẩm khác (thức ăn gia súc) Trong quy trình này, người ta sử dụng màng lọc để phân tách đường và axit, hệ thống thu hồi và cô đặc axit nhằm tận dụng quay vòng lại lượng axit sunfuric trong dung dịch Tuy nhiên, hệ thống này có giá thành rất cao, do vậy người ta thường sử dụng một lượng lớn vôi để trung hoà axit trong dung dịch trước khi tiến hành lên men Sự trung hoà này tạo ra một lượng lớn thạch cao CaSO4 Ưu điểm của quy trình là hiệu quả thuỷ phân cao, có thể thu hồi được 90% cả đường của cellulose và đường của hemicellulose Quá trình thủy phân cellulose thành gluco bằng axit có thể thay thế bằng men phân hủy cellulose [26]

Thủy phân bằng enzyme [39]

Quá trình thủy phân bằng enzyme vàquá trình lên men có thế được diễn ra đồng thời với nhau hoặc tách riêng

Thuỷ phân và lên men tách riêng: Vật liệu sau khi được nghiền mịn (giảm kích thước) sẽ được Xử lý sơ bộ bằng axit loãng để thuỷ phân hemicellulose, chất rắn còn lại (cellulose, lignin) sẽ được thuỷ phân bằng enzyme Trong bước xử lý sơ bộ, chuỗi liên kết các loại đường cấu thành nên hemicellulose bị phá vỡ, các phân tử

hemicellulose sẽ bị phân huỷ thành các đường đơn Cụ thể là các đường 5C có thể hoà tan như xylose, araibinose và các đường 6C có thể hoà tan như mannose và galactose Một lượng nhỏ cellulose cũng được chuyển hoá thành glucose trong bước này Tiếp đến cần nuôi dưỡng enzyme để thuỷ phân cellulose, enzyme cellulase được sử dụng để thuỷ phân các phân tử cellulose thành đường glucose Trong phản ứng thuỷ phân cellulose, enzyme cellulase được sử dụng để phá vỡ chuỗi liên kết glucan của cellulose, giải phóng ra glucose Quá trình thuỷ phân cellulose còn được gọi là sự hoá đường cellulose Dung dịch thu được sau giai đoạn xử lý sơ bộ và giai đoạn thuỷ phân cellulose được lên men bằng vi sinh vật Sau đó người ta chưng cất để thu hồi etanol tinh khiết Trong quy trình này quá trình thuỷ phân và quá trình lên men được tiến hành tách rời

Hình 4: Sử dụng enzyme để thuỷ phân, thuỷ phân và lên men tách riêng

(SCF: separate hydrolysis and fermentation)

Thuỷ phân và lên men đồng thời: Khác với quy trình thủy phân và lên men đồng thời, ở quy trình này quá trình thuỷ phân cellulose và quá trình lên men được tiến hành đồng thời Quy trình này tuy không phải thực hiện sự thủy phân trước nhưng hạn chế của nó là làm xuất hiện các phản ứng lên men đồng thời phức tạp, và làm phát sinh

Giảm kích thước

Xử lý sơ bộ bằng axit

loãng Thủy phân lấy

đường từ hemicellulose

Thủy phân

cellulose bằng

Chế biến chất thải rắn

Lên men

Thu hồi etanol

Thủy phân với đường từ cellulose

Sản xuất enzyme

các sản phẩm của sản xuất etanol sinh học ức chế hoạt động của enzyme Quy trình này được biểu diễn ở Hình 5

Hình 5: Sử dụng enzyme để thuỷ phân, thuỷ phân và lên men đồng thời

(SSCF: simultaneous saccharification and cofermentation) 1.2.2.3 Thực trạng công nghệ và tính kinh tế [28]

Lên men đường và sản xuất etanol là công nghệ cổ truyền, đang được áp dụng trên phạm vi kinh doanh rộng Để giảm chi phí sản xuất và hạ giá thành sản phẩm hơn nữa thì cần cải tiến công nghệ và tìm kiếm các nguồn SK rẻ hơn (giá nguyên liệu chiếm 55 - 80% giá sản phẩm cuối) Các công ty của Mỹ và Canađa hiện đang tiếp tục nghiên cứu tận dụng nguồn SK, là hỗn hợp cellulose và các nguồn phế thải khác

Để dùng làm nhiên liệu, etanol phải ở dạng cồn tuyệt đối (xấp xỉ 100%), hiện nay người ta đang tiếp tục cải tiến khâu loại bỏ triệt để nước từ sản phẩm bằng cách sử dụng phương pháp lọc màng phân tử

Còn một công nghệ sản xuất etanol khác là thông qua con đường khí hóa nguyên liệu, xong rất phức tạp và không kinh tế

Chi phí đầu tư ngắn hạn cho một cơ sở sản xuất etanol từ hạt ngũ cốc tại châu Âu, dự tính 290 euro/kW nhiệt (đối với nhà máy 400 MW nhiệt) Nếu đầu tư dài hạn

Giảm kích thước

Tiền xử lý bằng axit

loãng Thủy phân lấy đường từ hemicellulose

Sản xuất enzyme

Chế biến chất thải

rắn

Đường hóa và lên men đồng thời

Thu hồi etanol

chi phí có thể giảm 40% Nếu nhà máy sản xuất etanol từ nguồn gỗ, chi phí đầu tư ngắn hạn khoảng 350 euro/ kW nhiệt, nếu đầu tư dài hạn chi phí giảm 50%

Chi phí sản xuất etanol từ đường và ngũ cốc tại châu Âu và Mỹ hiện khá cao: 15 - 25 euro/ GJ (1Giga Jun = 109 Jun) đi từ củ cải ngọt và 20 euro/ GJ đi từ ngô, tức là etanol có giá 0,32 - 0,54 euro/ lít (tương đương với 8.640- 14.580VNĐ,1 euro = 27.000 VNĐ) Nếu sản xuất từ nguồn cellulose, giá etanol còn 0,11 - 0,32 euro/ lít (tương đương với 2.970- 8.640VNĐ

1.2.3 Tình hình sản xuất và sử dụng etanol sinh học

1.2.3.1 Sản xuất và sử dụng etanol sinh học trên thế giới [24]

Hiện nay có khoảng 50 nước trên thế giới khai thác và sử dụng NLSH ở các mức độ khác nhau NLSH được dùng làm nhiêu liệu cho ngành giao thông bao gồm: Dầu thực vật sạch, etanol, diesel sinh học, dimetyl ether (DME), ethyl tertiary butyl ether (ETBE) và các sản phẩm từ chúng Năm 2006, toàn thế giới đã sản xuất khoảng 50 tỷ lít etanol (75% dùng làm nhiên liệu) so với năm 2003 là 38 tỷ lít, dự kiến năm 2012 là khoảng 80 tỷ lít; năm 2005 sản xuất 4 triệu tấn diesel sinh học (B100), năm 2010 sẽ tăng lên khoảng trên 20 triệu tấn Sản lượng etanol ở một số nước đứng đầu trên thế giới được chỉ ra ở Bảng 4

Bảng 4: Tổng sản lượng etanol hàng năm ở một số nước [28] Tổng sản lượng Etanol hàng năm của 15 nước

đứng đầu (2004-2006) (Triệu tấn gallon Mỹ)

Tổng sản lượng Etanol hàng năm 15 nước đứng đầu (2007)

(Triệu tấn gallon Mỹ)

Xếp hạng

Xếp hạng thế giới

Hiện tại, diện tích trồng mía ở Brazil là 10,3 triệu ha, một nửa sản lượng mía dùng sản xuất xăng-etanol, nửa kia dùng sản xuất đường Dự đoán là Brazil sẽ trồng 30 triệu ha mía vào năm 2020 Vì lợi nhuận khổng lồ, các công ty tiếp tục phá rừng Amazon để canh tác mía, bắp, đậu nành cho mục tiêu sản xuất xăng sinh họcvừa tiêu thụ trong nước vừa xuất khẩu Giá xăng etanol được bán bằng nửa giá xăng thường tại Brazil

Hoa kỳ sản xuất Etanol chủ yếu từ hạt bắp, hạt cao lương và thân cây cao lương ngọt, và củ cải-đường Khoảng 17% sản lượng bắp sản xuất hàng năm ở Hoa Kỳ dùng để sản xuất etanol Hoa Kỳ đặt chỉ tiêu sản xuất E10 để cung cấp 46% nhiên liệu cho xe hơi năm 2010, và 100% vào 2012 Hãng General Motor đang thực hiện dự án sản xuất E85 từ cellulose (thân bắp), và hiện có khoảng hơn 4 triệu xe hơi chạy bằng E85 Hảng Coskata đang có 2 nhà máy lớn sản xuất xăng etanol Hiện tại nông dân Hoa Kỳ chuyển hướng sản xuất lúa mì và bắp cho xăng sinh học, vì vậy số lượng xuất khẩu hạt ngũ cốc giảm từ nhiều năm nay, làm giá nông sản thế giới gia tăng Vì giá cả xăng sinh học còn cao hơn xăng thường, chính phủ Mỹ phải trợ cấp, khoảng 1,9 USD cho mỗi gallon (=3,78 lít) xăng sinh học, trợ cấp tổng cộng khoảng 7 tỷ USD/năm

Đức là nước tiêu thụ nhiều nhất xăng sinh học trong cộng đồng EU, trong đó có khoảng 0,48 triệu tấn etanol Nguyên liệu chính sản xuất etanol là củ cải đường

Pháp là nước thứ hai tiêu thụ nhiều etanol sinh học trong cộng đồng Âu châu với mức khoảng 1,07 triệu tấn etanol và diesel sinh học năm 2006 Công ty Diester sản xuất diesel sinh học và Téréos sản xuất etanol là 2 đại công ty của Pháp

Thuỵ Điển có chương trình chấm dứt hoàn toàn nhập khẩu xăng cho xe hơi vào năm 2020, thay vào đó là tự túc bằng xăng sinh học Hiện nay, 20% xe ở Thuỵ Điển chạy bằng xăng sinh học, nhất là xăng etanol Thuỵ Điển đang chế tạo xe hơi vừa có khả năng chạy bằng etanol vừa có khả năng chạy bằng điện Để khuyến khích sử dụng xăng sinh học, chính phủ Thuỵ Điển không đánh thuế xăng sinh học, và trợ cấp xăng sinh học rẻ hơn 20% so với xăng thông thường, không phải trả tiền đậu xe ở thủ đô và một số thành phố lớn, bảo hiểm xe cũng rẻ hơn

Vương quốc Anh đặt chỉ tiêu 5% xe giao thông sử dụng xăng sinh học năm 2010 Hiện tại các xe bus đều chạy xăng sinh học Hảng hàng không Virgin (Anh quốc) bắt đầu sử dụng xăng sinh học cho máy bay liên lục địa

Trung quốc đã sản xuất 920.000 tấn etanol Chỉ tiêu sản xuất 4 triệu tấn etanol vào năm 2010, và 300 triệu tấn etanol vào 2020 Hiện nay Trung quốc chỉ cho

phép trồng sắn, lúa miến ngọt và một số hoa màu không quan trọng khác trên các loại đất nghèo dinh dưỡng, không thích ứng sản xuất nông nghiệp như ở Shangdong và Xinjiang Uygur

Ở Ấn Độ, Chính phủ đã có chính sách sử dụng xăng etanol E5 hiện nay, và E10 và E20 trong những năm tới Ần Độ gia tăng diện tích trồng cây dầu lai để sản xuất diesel sinh học, và diện tích mía cho sản xuất xăng etanol

Thái Lan bắt đầu nghiên cứu sản xuất xăng sinh học từ năm 1985 Năm 2001, Thái Lan thành lập Uỷ ban NLSH để điều hành và phát triển nghiên cứu NLSH Xăng E10 đã bắt đầu bán ở các trạm xăng từ 2003

Sử dụng etanol sinh học: etanol sinh học chủ yếu được nghiên cứu sử dụng

làm nhiên liệu [28]:

Etanol có thể làm phụ gia cấp oxy cho xăng (nồng độ 3%) giảm phát thải khí CO đồng thời làm phụ gia thay thế chì tetraetyl, hoặc cũng có thể thành nguyên liệu sản xuất etylterbutyleter (ETBE)- một phụ gia cho xăng Etanol còn được dùng làm yếu tố tăng chỉ số octan cho xăng và qua đó giảm nổ và cải thiện tiếng ồn động cơ

Chỉ số octan ở etanol cao nên rất thích hợp với hệ đánh lửa động cơ đốt trong của ô tô, song chỉ số xetan thấp nên không thích hợp lắm với động cơ diezel Giải pháp kỹ thuật đối với điều này là người ta sẽ đưa vào nhiên liệu một lượng nhỏ dầu diezel hoặc là sử dụng phụ gia

Bảng 5: So sánh một số chỉ tiêu giữa etanol, xăng và ETBE

7 Khối lượng riêng (kg/l) ở 150C 0,80 0,74 75 8 Giá trị calo thấp hơn (MJ/kg) ở

150C

Chỉ số octan của etanol cao hơn xăng nên có tác dụng giảm tiếng ồn động cơ tốt hơn, hơn nữa etanol chứa oxy nên hiệu quả nhiên liệu ở động cơ được cải thiện hơn Pha trộn với tỉ lệ hợp lý giữa etanol và xăng sẽ làm tăng hiệu quả động cơ xe Các loại xe chạy nhiên liệu xăng pha etanol được gọi là xe chạy nhiên liệu gasohol Thông thường gasohol có tỉ lệ pha trộn 10% etanol 90% xăng không pha chì (E10) Nếu xe được cải thiện bộ phận đánh lửa ở động cơ, có thể chạy với nhiên liệu gasohol E85 (85% etanol và 15% xăng) Đa số các loại xe thiết kế ở Mỹ hiện nay có thể chạy nhiên liệu tùy ý cả E85 lẫn chạy hoàn toàn xăng (E0) Dùng gasohol có tỷ lệ pha trộn từ 10 - 30% etanol vào xăng thì không cần cải tiến động cơ xe

Xu hướng sản xuất etanol từ nguyên liệu SK

Theo nhận định của ông Donald Coxe, nhà chiến lược hàng đầu, của tập đoàn tài chính BMO Canada, một cuộc khủng hoảng lương thực mới đang xuất hiện và sẽ trở nên trầm trọng hơn bất kỳ cuộc khủng hoảng lương thực nào trước đây thế giới từng chứng kiến Việc sử dụng đất để trồng cây nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học có thể ảnh hưởng đến nguồn cung cấp lương thực, hoặc làm tăng giá lương thực, đặc biệt đối với các nước đang phát triển Khi nông dân trồng cây nguyên liệu có lợi hơn trồng cây lương thực sẽ làm giảm sản lượng lương thực Để giải quyết nguồn nguyên liệu SK sản xuất năng lượng sinh học, ngoài cây lương thực, các quốc gia có nguy cơ thiếu nhiều năng lượng đang tìm kiếm các nguồn cây trồng khác có thể canh tác trên đất hoang hóa, trên cạn, dưới nước, đồng thời tích cực tìm kiếm công nghệ mới thu hiệu suất cao, tiết kiệm nguyên liệu, hạ giá thành

Tính toán sản lượng lý thuyết etanol từ 1 tấn nguyên liệu khô như Bảng 6

Bảng 6: Sản lượng lý thuyết Etanol sinh ra từ 1 tấn nguyên liệu khô [20]

Sản lượng dự tính (theo lý thuyết) cho mỗi tấn nguyên liệu khô Nguyên liệu

1.2.3.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu sinh học tại Việt Nam [23]

Đứng trước cuộc khủng hoảng năng lượng trên, Việt nam cũng đã tiến hành nghiên cứu sử dụng các dạng năng lượng tái tạo Trong đó năng lượng sinh học rất được chú ý Các cuộc hội thảo diễn ra vào tháng 7/2006 tại Tp Hồ Chí Minh và tháng 10/2007 tại Hà Nội đã thu hút sự chú ý của hàng trăm nhà khoa học và kinh doanh chung quanh vấn đề xăng sinhhọc Qua các cuộc hội thảo này, một số chuyên gia và nhà kinh doanh đã đề cập đến việc sử dụng lúa gạo, mía đường, để sản xuất etanol; cây

dầu lai (miền Bắc gọi là cây dầu mè – Jatropha curcas), mỡ cá ba sa (khoảng 40.000

tấn/năm) Hội thảo cũng đề cập đến 3 lý do chính hạn chế phát triển xăng sinh học là: (i) số lượng nguyên liệu sản xuất xăng sinh học là tinh bột ngủ cốc, mật rỉ đường và mỡ cá ba sa còn hạn chế; (ii) chưa có đầu tư thích đáng vì chưa có hỗ trợ của Chính phủ, (iii) Chính phủ chưa có chính sách, chiến lược phát triển NLSH Các nhà khoa học và kinh doanh đang mong chờ Chính phủ ban hành chính sách và luật lệ rõ ràng Nhiều công ty đã sẵn sàng đầu tư nghiên cứu phát triển NLSH như mía đường Lam Sơn ở Thanh Hoá, Sài Gòn Petro, Công ty Rượu Bình Tây, Công ty Chí Hùng, v.v Tuy nhiên chưa có một nhà kinh doanh nào dám mạnh dạn đầu tư nghiên cứu khi chính phủ chưa có chính sách quy định cụ thể

“Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”

đã được Chính phủ phê duyệt vào ngày 20/11/2007 theo đó “Giai đoạn 2011-2015, sẽ phát triển mạnh sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học thay thế nhiên liệu truyền thống, mở rộng quy mô sản xuất và mạng lưới phân phối phục vụ cho giao thông và các ngành sản xuất công nghiệp khác Đến năm 2020, công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam sẽ đạt trình độ tiên tiến trên thế giới, với sản lượng đạt khoảng 5 tỷ lít xăng E10 và 500 triệu lít dầu biodiesel B10/năm”

Việt Nam với đất hẹp (diện tích canh tác khoảng 9,3 triệu ha), dân đông (85 triệu năm 2007, trung bình mỗi đầu người 0,11 ha), lại nghèo (GDP trung bình là US$726/đầu người năm 2006), vùng sản xuất nông nghiệp chính là đồng bằng Cửu Long và Sông Hồng đã quá tải Đất canh tác hiện nay phải tiếp tục sản xuất lương thực thiết yếu cho đời sống người dân Vì vậy, Việt Nam phải tìm nguồn nguyên liệu thực vật nào để sản xuất xăng sinh học mà không ảnh hưởng đến sản xuất và cung cấp lương thực Cụ thể là: (i) không ảnh hưởng đến diện tích đất trồng cây lương thực, chăn nuôi gia súc, nuôi cá tôm hiện tại; (ii) không được phá thêm rừng; (iii) thích hợp trên diện tích đất bỏ hoang cằn cổi, sa mạc hoá, tổng cộng khoảng 10 triệu ha, gồm đất đồi trọc ở Miền Bắc (4,77 triệu ha), Bắc Trung Bộ (1,9 triệu ha), phía Nam Trung Bộ (1,63 triệu ha), và Tây nguyên (1,05 triệu ha, (iv) có hiệu quả kinh tế cao; (v) tăng lợi nhuận, giúp xoá đói giảm nghèo cho nông dân

Hiện nay, cây lúa miến ngọt (sweet sorghum) là một cây trồng được quan tâm trrong nghiên cứu sản xuất etanol sinh học: Trồng cây lúa miến ngọt trong mùa hạn trên vùng ruộng sạ ở đồng bằng Cửu Long Trước 1960, sau khi gặt lúa sạ, tại An Giang Châu Đốc đất bỏ hoang từ tháng 1 đến tháng 5 dương lịch là lúc mùa khô, thiếu nước canh tác Bắt đầu khoảng sau 1965, nông dân trồng cây lúa miến trong các tháng mùa khô trên đất thiếu nước để làm thức ăn cho gia súc và cá, và lúa thuần nông trên một số ruộng đất dọc sông rạch có khả năng bơm nước Hiện nay, đa số đất còn bỏ

hoang trong mùa khô vì thiếu nước, hay không có lợi khi canh tác lúa (vì giá xăng, phân, thuốc quá cao)

Lúa miến chịu hạn hán, chịu được đất phèn, đất mặn, đất kiềm, chịu được nước ngập, ít sâu bọ bệnh tật, ít đòi hỏi phân bón, ít tốn nước tưới (chỉ bằng 1/4 nhu cầu nước của mía) Đây là loại cây trồng phù phợp với đất vùng Tứ Giác Long Xuyên

1.3 Sản xuất nông nghiệp và thực trạng sử dụng phế PPNN ở Việt Nam

1.3.1 Tình hình sản xuất nông nghiệp

Nông nghiệp Việt Nam gồm có 2 ngành chính là trồng trọt và chăn nuôi trong đó trồng trọt tập trung vào các loại cây: lúa, ngô, khoai, sắn các loại cây công nghiệp ngắn,dài ngày Diện tích gieo trồng và sản lượng một số loại cây trồng công nghiệp hàng năm được chỉ ra ở Bảng 7

Bảng 7: Diện tích gieo trồng và sản lượng một số loại cây trồng năm 2008 [13]

(nghìn ha)

Sản lượng (nghìn tấn)

Số liệu bảng 7 cho thấy cây trồng nông nghiệp chủ yếu là lúa, sau đó là ngô, các cây trồng khác chiếm tỉ lệ nhỏ hơn Như vậy, lượng PPNN (phần để lại sau thu hoạch như gốc rễ,thân, lá…) sau mỗi vụ thu hoạch rất lớn Nếu tính sơ bộ, lượng phụ phẩm chiếm 50% SK thì hàng năm cũng có tới trên 38 triệu tấn rơm rạ từ cây lúa và khoảng 16 triệu tấn thân cây ngô bị bỏ lại trên đồng ruộng Đây là lượng SK rất lớn, một nguồn nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất etanol nếu được đầu tư nghiên cứu

1.3.2 Phụ phẩm nông nghiệp và các vấn đề phát thải sau thu hoạch

1.3.2.1 Sử dụng phụ phẩm nông nghiệp

Hiện nay, PPNN (rơm rạ) thường được sử dụng làm thức ăn gia súc, trồng nấm và tận dụng làm phân bón hữu cơ Trong vài năm gần đây PPNN đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học, các ngành về tiềm năng sản xuất điện và etanol

a- Làm thức ăn gia súc

PPNN thường được làm thức ăn cho gia súc Đặc biệt được ủ với u rê làm nguyên liệu giàu dinh dưỡng, dự trữ cho mùa đông thiếu thức ăn xanh

Các PPNN thường dùng là rơm rạ, thân cây lạc, ngọn lá sắn, bã mía, v.v [14]

b- Tận dụng phế phụ phẩm làm phân bón hữu cơ

Khi được sử dụng là nguồn nguyên liệu sản xuất phân bón hữu cơ sinh học, PPNN được phối trộn lẫn với một số nguyên liệu khác như phân chuồng, đạm, chế phẩm vi sinh vật Các PPNN thường dùng là xác bã thực vật như xác rau xanh, thân cây lạc.[22]

Ngoài ra còn sử dụng một số nguồn nguyên liệu là PPNN khác như vỏ cà phê, rơm rạ…

c- Sản xuất điện

Sử dụng PPNN sản xuất điện đã và đang được nghiên cứu Các PPNN được nghiên cứu là vỏ trấu, lõi ngô, bã mía

Năm 2006, Viện Cơ điện Nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch đã hoàn thiện công nghệ sản xuất điện từ các loại PPNN Viện đã xây dựng được 7 lò sấy và phát nhiệt ở tỉnh Long An, Kiên Giang, Tp Hồ Chí Minh, Gia Lai [20,21]

Dây chuyền công nghệ sản xuất điện gồm 6 bộ phận: nồi hơi và lò đốt, tuốc bin hơi, máy phát, thiết bị trao đổi nhiệt, máy sấy tầng sôi, máy sấy thấp Nguyên lý hoạt động khá đơn giản: Nước sạch từ hệ thống cấp nước được đưa vào bộ xử lý nước rồi chảy vào bể chứa

Theo tính toán của Phạm Văn Lang, sản xuất 1 KW điện cần khoảng 3 - 4 kg chất thải là PPNN

d- Sản xuất etanol sinh học

Nghiên cứu sản xuất etanol làm nhiên liệu sinh học làm nhiên liệu từ PPNN đã được quan tâm

Các nhà khoa học Đài Loan thành công trong phòng thí nghiệm biến chế etanol từ rơm rạ, cứ mỗi 10 kg rơm rạ thu được 2 lít cồn 99,5% để pha làm xăng sinh học (Taipei Times, 19/2/2008), nhưng phải mất vài năm nữa mới có thể sản xuất quy mô thương mại Các nghiên cứu ở Trung quốc cho thấy, xăng sinh học sản xuất từ rơm rạ đắt hơn xăng dầu mỏ khoảng 250 USD/tấn Hãng General Motors của Hoa Kỳ đã hợp tác với Công ty sản xuất etanol Coskata để sản xuất thanol từ thân bắp vào cuối năm 2008, và kể từ 2011 sẽ sản xuất 50 – 100 triệu gallons/năm, với giá 1 USD/gallon [23,28]

Ở Việt Nam, theo nghiên cứu thuộc đề tài “Nghiên cứu công nghệ xử lý một số

loại PPNN bằng nước áp suất cao để thu dung dịch đường có khả năng lên men tạo thành Etanol” của Nguyễn Hoàng Dũng (Đại học Bách Khoa, TP.HCM), PPNN được sử dụng là rơm, rạ, trấu Để “biến” thành etanol, rơm, rạ, trấu được xử lý bằng thiết bị phản ứng thủy nhiệt ở quy mô phòng thí nghiệm Sau đó được tiếp tục nghiên cứu ở quy mô pilot trên thiết bị cấp hơi nước áp suất cao Thiết bị thủy nhiệt này do Trường Đại học Tokyo (Nhật Bản) cung cấp

Cả 3 loại phụ phẩm trên được xử lý hơi nước ở nhiều chế độ thí nghiệm khác nhau, sau đó chúng được phân tích bằng acid để xác lập chế độ tối ưu cho quá trình xử lý hơi nước

Trên cơ sở đó, nghiên cứu quá trình thủy phân Enzym và lên men để chứng minh khả năng chuyển hóa rơm rạ, trấu là các nguồn phế PPNN chủ yếu hiện nay thành cồn nhiên liệu Nhóm nghiên cứu đã thu được cồn nhiên liệu trên 900

1.3.2 Vấn đề phát thải sau thu hoạch

Hiện nay, PPNN không còn được sử dụng nhiều trong chăn nuôi do xu hướng sử dụng thức ăn chăn nuôi công nghiệp đang diễn ra mạnh mẽ Hơn nữa, việc sử dụng phụ phẩm theo cách thức truyền thống cho việc đun nấu không còn nữa Do vậy, người dân sau khi thu hoạch sản phẩm chính, phần còn lại (phụ phẩm) được thải bỏ tại đồng ruộng, chất đống rồi đốt Việc đốt phụ phẩm này không những gây ô nhiễm môi trường do phát thải vào không khí nhiều khí độc hại mà còn lãng phí tài nguyên và gây ra nhiều tác hại khác

Theo nghiên cứu của Ấn Độ, việc đốt rơm rạ hay tàn dư cây trồng trong vùng đồng bằng sông Hằng thải ra khoảng 0,14 triệu tấn khí metan (CH4) Số lượng này tương đương 20% của tổng khí CH4 thoát ra từ cánh đồng lúa nước trong cùng một

vùng Khí CO2 sinh ra do việc Hình 6: Đốt rơm rạ sau thu hoạch tại ruộng dùng dầu diesel để chạy máy nông nghiệp và do quá trình đốt cháy tàn dư cây trồng hoặc rơm rạ Khí N2O do đốt cháy tàn dư cây trồng sản sinh ra 40g N2O/tấn rơm rạ Nếu như giả định cả đồng bằng sông Hằng với 12 triệu ha được đốt cháy thì 2.000 tấn khí N2O đã phóng thích vào bầu khí quyển.[24]

1.3.3 Cây ngô và phụ phẩm từ cây ngô

Theo số liệu thống kê của Tổng cục thống kê Việt Nam, diện tích ngô trồng trồng từ năm 2000 đến năm 2008 được thể hiện trong Bảng 8

Bảng 8: Diện tích gieo trồng ngô trồng từ năm 2000 đến năm 2008 [13] Diện tích gieo trồng (nghìn ha)

Năm

Cả nước

Đồng bằng sông Hồng

Trung du và miền núi phía

Bắc

Bắc Trung Bộ và duyên hải

miền Trung

Tây Nguyên

Đông Nam Bộ

Đồng bằng sông Cửu Long

Phụ phẩm từ cây ngô bao gồm: thân, lá, bẹ và lõi ngô Sản phẩm và các hợp phần khác nhau của cây ngô được minh họa ở Hình 7

Hình 7: Các phụ phẩm cây ngô sau thu hoạch [4]

Hiện trạng sử dụng phụ phẩm từ cây ngô:

Thân và lá ngô

Vào mùa thu hoạch người dân thường bẻ bắp ngô riêng, còn thân và lá hầu hết được chặt và phơi ngay tại ruộng (khoảng 90%), cho đến khi khô Tùy theo từng vùng mà thân cây ngô có thể bị thải bỏ tại ruộng hoặc được vận chuyển về nhà sử dụng cho các mục đích khác nhau như làm thức ăn cho gia súc, làm chất đốt cho đun nấu trong gia đình

Thân, lá ngô được dùng làm thức ăn cho gia súc là rất tốt vì thân cây ngô hàm lượng chất xơ chiếm 31,5% (trong đó hợp chất chứa 6 cácbon 40%; hợp chất chứa 5 cácbon 24%; lignin 14%, Hình 8), protein thô chiếm 7,6%, hàm lượng đường tinh bột cao hơn so với rơm rạ [23]

Phụ phẩm: Lõi và bẹngôHạt ngô

Hình 8: Thành phần nguyên liệu SK [28]

Ash- Tro; Extractives: Các chất khác

1.4 Vai trò của vi sinh vật trong việc phân giải hợp chất hữu cơ

1.4.1 Cellulosese và vi sinh vật phân giải cellulosese

1.4.1.1 Cellulose

Cellulose là thành phần chủ yếu của vách tế bào thực vật và chiếm 505 tổng lượng hydrocacbon trên trái đất Ngoài thực vật, cellulose cũng là nguồn chủ yếu trong SK động vật, nhưng số lượng rấ ít hơn Cellulose là polysacarit gồm có anhydro- D- liên kết với nhau bằng liên kết -1,4-glucozit Mức độ polyme hóa của cellulose

rất cao tới 10000-14000 đơn vị glucoza/ phân tử Số lượng lớn liên kết hydro nội và gian phân tử làm cho phân tử cellulose có độ cứng và vững chắc [36]

Liên kết glucozit không bền với axit, cellulose dễ bị phân hủy bởi acid và tạo thành sản phẩm phân hủy không hoàn toàn là hydro- cellulose có độ bền cơ học

Hình 9: Cấu trúc cellulose

Rơm rạ Thân cây ngô Gỗ cứng Bắp ngô

Phần Trăm Khối Lượng

kém hơn cellulose nguyên thủy, còn khi thủy phân hoàn toàn thì sản phẩm tạo thành là D-glucoza

Về bản chất hóa học cellulose là một rượu đa chức có phản ứng với kiềm hay kim loại kiềm tạo thành cellulose-ancolat Nguyên tử hydro ở các ở các nhóm OH bậc một và hai trong phân tử Cellulose cũng có thể bị thay thế bởi các gốc – metyl, -etyl, … tạo ra những chất có độ kết tinh và độ hòa tan trong nước khác nhau

Cellulose cũng bị oxy hóa bởi một số tác nhân tạo thành sản phẩm oxy hóa một phần là oxy- Cellulose Tác nhân oxy hóa chọn lọc nhất là acid iodic (HIO4), và muối của nó Cellulose không tan trong nước, dung dịch kiềm làm trương phồng mạch Cellulose và hòa tan một phần Cellulose phân tử nhỏ Đặc biệt Cellulose dễ hòa tan trong dung dịch đồng amin hydrat (Cu(NH3)4(OH)2), và hàng loạt các dung dịch là các phức chất của đồng, niken, cadmi, kẽm….[37]

1.4.1.2.Vi sinh vật phân giải cellulose

Vi sinh vật có khả năng phân giải cellulose là những vi sinh vật có khả năng tổng hợp được hệ enzym celluloza Hệ enzym celluloza gồm bốn enzym khác nhau [32,34]

Cellobiohydrolaza có tác dụng cắt đứt liên kết hydro làm biến dạng celluloza tự nhiên, phân giải vùng kết tinh tạo dạng cấu trúc vô định hình

Endoglucanaza có khả năng cắt đứt các liên kết β 1-4 glucozit bên trong phân tử tạo thành những chuỗi dài

Exo- gluconaza có khả năng phân giải các chuỗi dài trên thành các disacarit gọi là xellobioza

β- gluconaza sẽ thuỷ phân xellobioza thành glucoza

Trong tự nhiên có rất nhiều nhóm vi sinh vật có khả năng phân huỷ celluloseza nhờ hệ enzym xellulaza ngoại bào [30, 36, 37]:

Nấm mốc (Aspergillus, Fusarium, Mucor, Tricoderma ) có cấu tạo dạng hệ sợi,

sinh sản chủ yếu bằng bào tử Chúng phát triển mạnh ở nhiệt độ 25-300C và pH=

6,5-7,0, chúng có khả năng phân giải cellulose mạnh nhất nhờ có khả năng sinh tổng hợp enzym rất cao

Nhiều loài vi khuẩn cũng có khả năng phân giải cellulose tuy nhiên cường độ không mạnh bằng vi nấm Nguyên nhân là do lượng enzym tiết ra môi trường ít hơn, thành phần lại không đầy đủ Ở trong đất có rất ít loài vi khuẩn có khả năng tiết ra đủ bốn loại enzym trong hệ enzym xelluloza mà thường mỗi nhóm vi sinh vật chỉ sản sinh ra một loại enzym tương ứng Do vậy các nhóm vi sinh vật phải phối hợp với nhau để phân giải cơ chất trong mối quan hệ tương hỗ, thông thường bao gồm các vi sinh vật

sau: Pseudomonas, Xellulomonas, Achromonobacter, Clostridium, Ruminococus

Xạ khuẩn cũng góp phần tích cực trong chuyển hoá cellulose Các chủng xạ

khuẩn được ứng dụng phổ biến hiện nay thuộc chi Streptomycin Các chủng xạ khuẩn

này thuộc nhóm ưa nóng sinh trưởng phát triển tốt ở nhiệt độ 45-50 0C rất thích hợp cho các quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ Ngoài ra, một số nấm men cũng có

khả năng sinh enzym phân huỷ celluloza như: Candida, Saccharomyces…

1.4.2 Hemicellulosese và vi sinh vật phân giải hemicellulosese

1.4.2.1 Hemicellulose

Hemicellulose là một phần polysacarit thường gặp trong vách tế bào thực vật với hàm lượng lớn sau cellulose Cellulose và hemicellulose được hình thành không chỉ từ một đường mà nhiều đường khác nhau, thậm chí cả từ axit urnoic của chúng Người ta gọi tên cụ thể một loại hemicellulose là dựa theo tên loại đường chủ yếu tạo nên nó Ví dụ: xylan là một hemicellulose mà thành phần chủ yếu của nó là xyloza, manan – manoza, Trong gỗ cây lá kim, chủ yếu hemicellulose được tạo thành từ loại đường 6 cacbon

Khác với cellulose, phân tử hemicellulose nhỏ hơn nhiều thông thường không quá 150 gốc đường, được nối với nhau không chỉ bằng liên kết -1,4 mà còn bằng liên kết -1,3 và -1,6 glucozit tạo ra mạch ngắn và phân nhánh