ĐỀ tài TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM sản XUẤT cồn ETHYLIC từ rơm rạ

Rơm rạ là một trong những chất thải lignocellulose dồi dào trên thế giới. Về tổng sản lượng, gạo là thứ ba vụ mùa quan trọng trên thế giới đằng sau lúa mì và ngô. Theo Thống kê của FAO, sản lượng lúa hàng năm trên thế giới năm 2007 là khoảng 650 triệu tấn. Mỗi kg hạt thu hoạch được duy trì bằng cách sản xuất 11,5 kg rơm (Maiorella, 1985). Nó cho ước tính khoảng 650 triệu tấn rơm được sản xuất mỗi năm trên toàn cầu và một phần lớn trong số này là thức ăn gia súc và nghỉ ngơi như chất thải. Các lựa chọn cho việc xử lý rơm bị giới hạn bởi mật độ khối thấp, suy thoái chậm trong đất, chứa chấp các bệnh hại thân lúa, và hàm lượng khoáng chất cao. Ngày nay, đốt ruộng là cách thực hành chính để loại bỏ rơm, nhưng nó làm tăng ô nhiễm không khí và do đó ảnh hưởng đến công chúng sức khỏe (Mussatto và Roberto, 2004). Khi biến đổi khí hậu được mở rộng một cách tích cực là mối đe dọa cho sự phát triển, ngày càng tăng quan tâm đến việc sử dụng thay thế của dư lượng nôngcông nghiệp cho năng lượng các ứng dụng. Trong bối cảnh này, rơm rạ sẽ là một ngày tiềm năng cho nhu cầu năng lượng trong tương lai của chúng ta. Đánh giá này nhằm mục đích cung cấp một cái nhìn tổng quan về các công nghệ có sẵn để sản xuất ethanol sinh học bằng cách sử dụng rơm.

TRƯỜNG CƠNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH VIỆN CƠNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨM ĐỀ TÀI SẢN XUẤT CỒN ETHYLIC TỪ RƠM RẠ GVHD: Nhóm 3: Nguyễn Tùng Khánh Lê Tiền Khôi Hồ Thị Liên Hương Nguyễn Thị Minh Xuyến Hồng Tuyết Ngân Hồ Thị Kim Yến Hoàng Thị Huyền Trang 16078721 MỤC LỤC I.NGUỒN RƠM RẠ Ở VIỆT NAM VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG RƠM RẠ Ở VIỆT NAM: II CẤU TRÚC CỦA NGUỒN NGUYÊN LIỆU VÀ KHÓ KHĂN TRONG PHÂN HỦY RƠM RẠ TẠO RA ĐƯỜNG: Cấu trúc: Khó khăn: III.NGHIÊN CỨU QUI TRÌNH SẢN XUẤT ETANOL TỪ RƠM RẠ: Quá trình tiền xử lý rơm rạ nổ để thuỷ phân tạo dịch đường: Mơ tả chế q trình nổ .9 Bã sau nổ nhiệt độ khác Nghiên cứu qui trình cơng nghệ thủy phân lên men ethanol: .11 Qui trình sản xuất etanol từ lignocellulose 11 Quá trình đường phân .18 IV.TÌNH HÌNH CHUNG: .21 Sản xuất etanol sinh học: 21 Các thành tựu nghiên cứu: 24 V TÀI LIỆU THAM KHẢO 26 I Giới thiệu Rơm rạ chất thải lignocellulose dồi giới Về tổng sản lượng, gạo thứ ba vụ mùa quan trọng giới đằng sau lúa mì ngơ Theo Thống kê FAO, sản lượng lúa hàng năm giới năm 2007 khoảng 650 triệu Mỗi kg hạt thu hoạch trì cách sản xuất 11,5 kg rơm (Maiorella, 1985) Nó cho ước tính khoảng 650 triệu rơm sản xuất năm toàn cầu phần lớn số thức ăn gia súc nghỉ ngơi chất thải Các lựa chọn cho việc xử lý rơm bị giới hạn mật độ khối thấp, suy thoái chậm đất, chứa chấp bệnh hại thân lúa, hàm lượng khoáng chất cao Ngày nay, đốt ruộng cách thực hành để loại bỏ rơm, làm tăng nhiễm khơng khí ảnh hưởng đến công chúng sức khỏe (Mussatto Roberto, 2004) Khi biến đổi khí hậu mở rộng cách tích cực mối đe dọa cho phát triển, ngày tăng quan tâm đến việc sử dụng thay dư lượng nông-công nghiệp cho lượng ứng dụng Trong bối cảnh này, rơm rạ ngày tiềm cho nhu cầu lượng tương lai Đánh giá nhằm mục đích cung cấp nhìn tổng quan cơng nghệ có sẵn để sản xuất ethanol sinh học cách sử dụng rơm  Tiềm rơm lúa để sản xuất ethanol nhiên liệu Ethanol từ sinh khối trở nên ngày phổ biến thay cho xăng Tuy nhiên, việc sản xuất ethanol sinh họctừ lương thực ngũ cốc (nhiên liệu sinh học hệ đầu tiên) dẫn đến cạnh tranh trực tiếp không mong muốn với nguồn cung cấp thực phẩm Một chuyển sang nguyên liệu thực vật không ăn nhiều giúp giảm áp lực lên lương thực Phần lớn nguyên liệu thực vật tạo thành từ carbohydrate phức tạp cellulose hemiaelluloses chuyển đổi thành đường lên men Các vi sinh vật lên men Ethanol sử dụng loại đường chuyển đổi thành ethanol Rơm lúa có số đặc điểm làm cho có tiềm nguyên liệu để sản xuất ethanol nhiên liệu Nó có cellulose cao hàm lượng hemiaelluloses dễ dàng bị thủy phân thành đường lên men Về thành phần hóa học, rơm chủ yếu chứa cellulose (32-47%), hemiaellulose (19-27%) lignin (5-24%) (Garrote et al., 2002; Maiorella, 1983; Saha, 2003; Zamora Crispin, 1995) Các pentose chiếm ưu tronghemiaellulose, xyloza loại đường quan trọng (14,8-20,2%) (Maiorella, 1983; Roberto et al., 2003sự khác biệt cụ thể nguyên liệu Chất lượng nguyên liệu thấp rơm rạ chủ yếu xác định hàm lượng tro cao (10 đá 17%) so với rơm lúa mì (khoảng 3%) silica cao hàm lượng tro (SiO2 75% gạo 55% lúa mì) (Zevenhoven,2000) Mặt khác, rơm rạ làm nguyên liệu có lợi có tổng hàm lượng kiềm tương đối thấp (Na2O K2O thường chiếm 25% tro (Baxter et al., 1996) II NGUỒN RƠM RẠ Ở VIỆT NAM VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG RƠM RẠ Ở VIỆT NAM: Sản lượng lương thực hoa màu cao đồng nghĩa với việc nước ta có nguồn phụ phẩm nơng nghiệp dồi Trung bình, để tạo gạo thải khoảng 1,2 rơm rạ Sản lượng lúa gạo năm 2007 toàn quốc đạt 36 triệu Như vậy, lượng rơm rạ thải năm vào khoảng 43 triệu Số liệu thống kê năm trình bày theo bảng Cho đến nay, phần lớn rơm rạ thường để mục hoại đồng hay đốt chỗ để trả lại khoáng chất cho đồng ruộng Phần lại đem làm thức ăn gia súc hay trồng nấm làm chất đốt phục vụ nhu cầu đun nấu gia đình Nếu sản xuất ethanol từ rơm rạ sử dụng có ích nguồn lượng từ rơm mà trả lại nguồn khoán chất cho trồng Bảng 1: Sản lượng nông nghiệp nước ta năm 2003 (FAO 2004) III CẤU TRÚC CỦA NGUỒN NGUYÊN LIỆU VÀ KHÓ KHĂN TRONG PHÂN HỦY RƠM RẠ TẠO RA ĐƯỜNG: Cấu trúc: Rơm rạ có thành phần cellulose, Lignin, Hemicellulose, chất trích ly tro Cấu trúc rơm rạ Các mạch cellulose tạo thành sợi Các sợi gắn lại với nhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi, với chiều rộng khoảng 25nm Các vi sợi bao bọc hemicellulose lignin, giúp bảo vệ cellulose khỏi cơng ezyme hóa chất trình thủy phân  Mối quan hệ cellulose – hemicellulose cấu trúc rơm rạ  Lignin polyphenol có cấu trúc mở Trong tự nhiên, lignin chủ yếu đóng vai trị chất liên kết thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose hemicellulose Rất khó để tách lignin hồn tồn  Cellulose đường polysaccharide, có cơng thức (C 6H10O5)n, mà số n biến thiên từ 7,000 đến 15,000 phân tử glucose  Hemicellulose loại polymer phức tạp phân nhánh, độ trùng hợp khoảng 70 đến 200 DP Hemicellulose chứa đường gồm glucose, mannose galactose ; đường gồm xylose arabinose Khó khăn: Động vật ăn cỏ, mối (termite) tiêu hoá cellulose nhờ vi-sinh-vật sống cọng sinh bao tử (như Cellulomonas), số vi khuẩn có khả biến cellulose đường, nhờ sản xuất enzyme cellulase biến cellulose đường Vì vậy, để biến cellulose thành rượu, bắt chước theo tiêu hoá động vật ăn cỏ mối, trước hết phải biến hoá cellulose đường đơn giản hexose, pentose, thuỷ phân (hydrolysis) nhờ số acid (như dịch vị) enzyme cellulase Hemicellulose tương đối dễ dàng biến thành đường-chứa-5C Xylose (C 5H10O5), xylose không biến chế thành ethanol Cũng vậy, với kỹ thuật tại, chưa có cách biến lignin ethanol Vì trước tiên phải loại lignin hemicellulose, lại thành phần cellulose Hiện tại, sản xuất enzyme cellulase để biến cellulose thành đường phức tạp, tốn kém, chiếm khoảng 40% chi phí sản xuất rượu Có loại cellulases thường dùng: (i) Endo-p-glucanase, 1,4-ß-D-glucan glucanohydrolase, CMCase, phá huỷ cầu chuỗi cellulose để biến thành đường glucose oligo-saccharide (ii) Exo-P-glucanase, 1,4-ß - D-glucan cellobiohydrolase, Avicelase, C1: biến thành đường cellobiose (C12) (iii) ß-glucosidase, cellobiase: thuỷ phân đường cellobiose thành glucose IV NGHIÊN CỨU QUI TRÌNH SẢN XUẤT ETANOL TỪ RƠM RẠ: Nguyên liệu Chuẩn bị Tiền xử lí Nấm men Thủy phân Nhân giống Lên men Chưng cất etanol QUI TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT BIOETANOL TỪ BIOMASS Quá trình tiền xử lý rơm rạ nổ để thuỷ phân tạo dịch đường: (Trích từ “luận văn tốt nghiệp đại học, nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ, Trần Diệu Lý, trường đại học bách khoa hcm-khoa kỹ thuật hóa học,1/2008” đề tài “ nghiên cứu công nghệ thiết bị liên tục xử lý rơm rạ nước để lên men ethanol” ThS Hoàng Minh Nam…) Phương pháp nổ nước phát triển vào năm 1925 W H Mason sản xuất gỗ ép Cơ chế q trình nổ nước Mơ tả chế trình nổ Cấu trúc sợi trước sau nổ hơi, bó sợi cellulose giải phóng khỏi lớp lignin bảo vệ sau nổ Sợi lignocellulose khơng nổ có cấu trúc sít chặt ngăn cản công enzyme, nổ 4atm, nổ 8atm( mô tả khả làm tăng kích thước lỗ xốp xơ sợi) Q trình nổ nước q trình – hóa – nhiệt Đó phá vỡ cấu trúc hợp phần với giúp đỡ nhiệt dạng (nhiệt), lực cắt giãn nở ẩm (cơ) thủy phân liên kết glycosidic (hóa) Q trình nổ có giai đoạn:  Làm ẩm nguyên liệu  Giảm áp đột ngột Trong thiết bị phản ứng, giai đoạn nước áp suất cao thâm nhập vào cấu trúc lignocellulosic trình khuếch tán làm ẩm nguyên liệu Ẩm biomass thủy phân nhóm acetyl hemicellulose hình thành nên acid hữu acetic uronic acid Các acid xúc tác q trình depolymer hóa hemicellulose, giải phóng xylan phần glucan Dưới điều kiện khắc nghiệt, vùng vơ định hình cellulose bị thủy phân đến mức độ Dưới điều kiện khắc nghiệt hơn, ví dụ nhiệt độ cao áp suất cao, thúc đẩy phân hủy xylose thành furfural glucose thành 5-hydroxymethyl furfural Furfural 5- hydroxylmethyl furfural kìm hãm phát triển vi sinh vật, khơng thuận lợi cho q trình lên men Fufural Mơ tả chế trình nổ Hydroxymethyl fufural Trong giai đoạn 2: ẩm biomass hóa đột ngột áp suất thiết bị phản ứng giải phóng hạ đột ngột từ cao khoảng vài chục atm xuống cịn áp suất khí trời Hiện tượng giống tượng nổ Nguyên liệu tống mạnh khỏi thiết bị qua lỗ nhỏ lực ép Một vài tượng xảy thời điểm Đầu tiên, ẩm ngưng tụ cấu trúc biomass bốc tức thời giảm áp đột ngột Sự giãn nở nước gây lực cắt bao quanh cấu trúc nguyên liệu Nếu lực cắt đủ lớn, nước gây phá hủy học lên cấu trúc lignocellulosic Sự mô tả trình làm bật tầm quan trọng việc tối ưu hai yếu tố: thời gian lưu nhiệt độ Thời gian biomass lưu lại thiết bị phản ứng giúp xác định phạm vi thủy phân hemicellulose acid hữu Việc thủy phân hemicellulose giúp cho trình lên men thuận lợi Theo Iotech, điều kiện xử lí tối ưu holocellulose (xylose + glucose) áp suất 500-550 psi, thời gian 40 giây Bã sau nổ nhiệt độ khác Thiết bị: thường dùng có hiệu StakeTech Rất hay dùng trường đại học viện nghiên cứu(Ths Hoang Minh Nam) Ưu nhược điểm trình nổ nước: Tăng kết tinh cellulose cách thúc đẩy kết tinh vùng vơ định hình Hemicellulose bị thủy phân trình nổ Sự nổ thúc đẩy việc khử lignin Cùng với việc gia tăng kích thước lỗ xốp, tác động (2) (3) ưu điểm trình nổ Tuy nhiên, tác động (1) lại gây khó khăn cho q trình thủy phân Ngồi nhược điểm q trình nổ là:  Tốn chi phí, lượng vận hành  Đòi hỏi thiết bị chịu nhiệt độ áp suất cao  Có thể làm phân hủy cellulose  Mất đường từ hemicellulose  Làm sinh fufural 5-hydroxymethyl fufural gây ức chế trình lên men  Tóm lại: sau thực nổ chậm nhanh hiêu suất thu hồi cellulose nổ nhanh cao hơn; rơm 2300c, %cell=53,1( theo Ths Hoàng Minh Nam) Thiết bị nổ quy mơ pilot Qui trình nổ Nghiên cứu qui trình cơng nghệ thủy phân lên men ethanol: Một số qui trình từ nguồn nguyên liệu khác nhau: CELLULOSE Sinh học/ hóa học ĐƯỜNG BÃ NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE HEMICELLULOSE Sinh học/ hóa học NGUN LIỆU HĨA CHẤT CÁC VẬT LIỆU BÃ NĂNG LƢỢNG NHIỆT CHẤT TRÍCH LY LIGNIN Qui trình sản xuất etanol từ lignocellulose lignin CELLULOSE Sinh học/ hóa học ĐƯỜNG CHẤT BÃ BIOMASS NĂNG LƢỢNG NHIỆT CHẤT TRÍCH LY NGUN LIỆU HĨA CHẤT CÁC VẬT LIỆU KHÍ SẠCH HỖN HỢP KHÍ (q trình khí hóa) KHÍ QUI TRÌNH SẢN XUẤT ETANOL TỪ NGUN LIỆU BIOMASS (1) Thủy phân axit: Quá trình xử lý gồm bước hình Nƣớc acid biomass acid Giai đoạn tiền thủy phân Nƣớc lignin bã Rửa Dịch thủy phân Giai đoạn đƣờng hóa Dịch thủy phân Trong ngành công nghiệp sản xuất etanol, người ta ưu tiên sử dụng công nghệ thuỷ phân axit giá thành enzyme cellulase cao Theo nguyên tắc, axit sử dụng cho trình thuỷ phân, thực tế, axit sunfuric dùng phổ biến giá thành rẻ cho hiệu thuỷ phân tương đối cao Axit sunfuric sử dụng axit đặc axit lỗng Q trình thủy phân biomass thực bình phản ứng Phương pháp ngâm chiết thực cách cho dòng acid thấm xuyên qua cột nhồi nhiều lớp Đây thiết bị thích hợp cho phương pháp thủy phân theo mẻ Ưu điểm thứ loại đường tạo thành Thiết bị tạo thành sản phẩm phân hủy đường chất ức chế trình lên men, tạo lượng đường lớn Điểm thứ 2, thiết bị hoạt động với tỉ lệ rắn/ lỏng cao Năm 1997 Torget cộng phát minh thiết bị phản ứng BSFT Đây thiết bị chảy qua lớp co Thiết kế nhằm giữ độ chặt lớp khơng đổi Dịng acid đưa qua thiết bị qua lớp với vận tốc bé Thời gian lưu nguyên liệu thiết bị ngắn so với phương pháp ngâm chiết Thiết bị cho suất cao Sản phẩm thu có hàm lượng chất phân hủy thấp  Thủy phân axit loãng Quá trình thủy phân nguyên liệu thành đường tự sẵn sàng lên men axit sunfuric loãng phải trải qua bước: - Bước 1: Thủy phân axit loãng nồng độ 0,5% để phá vỡ liên kết hyđro mạch o cellulose phá vỡ cấu trúc tinh thể chúng thực nhiệt độ 200 C Kết thủy phân bước chuyển hóa hemicellulose thành đường 5C 6C (chủ yếu xylo mano) dễ lên men tạo thành etanol đồng thời bẻ gãy cấu trúc cellulose - Bước 2: Để chuyển hóa hồn toàn cấu trúc cellulose gãy thành đường gluco C6, o bước thủy phân thứ sử dụng axit nồng độ 2% thực nhiệt độ 240 C  Thủy phân axit đặc Quá trình thuỷ phân tiến hành qua hai bước, bước thứ để thuỷ phân hemicelulose, tiến hành 100oC, thời gian từ – 6h, nồng độ axit cho vào 10% Ở giai đoạn thuỷ phân thứ nhất, sau axit phân huỷ hemicellulose, hỗn hợp pha loãng nước, thuỷ phân xảy bước pha lỗng thu phần lớn đường Sau đó, hỗn hợp lọc để thu hồi dung dịch, phần chất rắn lại đem thủy phân tiếp Tại axit đặc phá vỡ liên kết hydro chuỗi cellulose, biến đổi chúng thành dạng vơ định hình hoàn toàn Khi cellulose decrystallization, chúng tạo thành dạng chất lỏng, Cellulose dễ bị thuỷ phân thời điểm Chính vậy, pha lỗng dung dịch nước nhiệt độ thường làm cho thuỷ phân glucose diễn nhanh chóng hồn tồn, với thất Lignin thu hồi để tận dụng làm sản phẩm khác (thức ăn gia súc) Trong quy trình này, người ta sử dụng màng lọc để phân tách đường axit, hệ thống thu hồi cô đặc axit nhằm tận dụng quay vòng lại lượng axit sunfuric dung dịch Tuy nhiên, hệ thống có giá thành cao, người ta thường sử dụng lượng lớn vôi để trung hoà axit dung dịch trước tiến hành lên men Sự trung hoà tạo lượng lớn thạch cao CaSO Ưu điểm quy trình hiệu thuỷ phân cao, thu hồi 90% đường cellulose đường hemicellulose (2) Thủy phân enzyme:  Thủy phân: Nguồn enzyme sử dụng phổ biến từ Trichoderma reesei Aspergillus niger Hiện nay, người ta thay dần hệ enzyme chịu nhiệt, chịu điều kiện hóa học hạn Hơn hết nghiên cứu phức hợp cellulosome vi khuẩn kỵ khí dần mở đường nhằm tăng hiệu thủy phân tổ hợp loại nguyên liệu lignocellulose Hiện nay, chế thủy phân hệ enzyme cellulase chấp nhận diễn theo bước sau:  Endoglucanase thủy phân liên kết β-1,4-glycosidic vùng vơ định hình tạo nhiều đầu khơng khử  Sau exoglucanase cắt đơn vị cellobiose từ đầu không khử  β-glucosidase tiếp tục thủy phân cellobiose tạo glucose Trung tâm hoạt động enzyme cellulase chứa gốc amino acid đặc hiệu Trong cellulose chứa liên kết glycosidic Bộ electron σ đóng vai trị phân cực liên kết Hiệu ứng cảm ứng nguyên tử oxy trung tâm gây tập trung tích điện nguyên tử oxy làm cho ngun tử oxy tích điện âm Cịn ngun tử cacbon kết hợp với bị khuyết electron nên tích điện dương Sự khuyết electron liên kết bị thủy phân yếu tố quan trọng định khả thủy phân Tác dụng xúc tác enzyme phân bố electron định Quá trình thủy phân cellulose enzyme cellulase Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ trình thủy phân Tốc độ trình thủy phân cellulose cellulase chịu tác động số yếu tố Năm 2002, Lyn cộng đưa kết luận sau:  Tỉ lệ kết tinh: yếu tố ảnh hưởng đến q trình thủy phân Các mạch cellulose có tính kết tinh cao, sợi cellulose liên kết chặt chẽ Do cản trở q trình tiếp xúc enzyme với mạch cellulose bên làm giảm tốc độ trình thủy phân  Mức độ polymer hóa: mạch cellulose dài, tốc độ thủy phân chậm(Walker cộng , 1990)  Kích thước lỗ xốp: kích thước lỗ xốp phải đủ lớn cho enzyme vào Kích thước lỗ xốp lớn trình thủy phân nhanh  Bề mặt tiếp xúc: hầu hết chuỗi xenllulose giấu vi sợi- yếu tố ngăn cản cản tác động enzyme giới hạn tốc độ thủy phân Bề mặt thủy phân lớn tốc độ thủy phân nhanh Thực nghiệm cho thấy trình thủy phân tiến hành nhiệt độ 70ºC 1,5 ngày Sản phẩm thu có lượng glucose 75-95% số gốc glucose có nguyên liệu ban đầu  Lên men: Để sản xuất lượng cồn lớn, việc lựa chọn chủng nấm men thích hợp cần thiết Những giống nấm men thường sử dụng công nghiệp sản xuất cồn Saccharomyces spp mà số loài S Cerevisiea hay S.unvarum giống có khả tạo độ cồn cao (12-13%), hay đặc biệt S oviformis có khả tạo độ cồn 18% đặc biệt lồi nấm men có khả lên men nhiều đường khác glucose, manose, saccharose, maltose rafinose, nhiên khơng có khả lên men galactose Ngồi cịn có Zymononas mobilis thường sử dụng trình rượu hóa Tuy nhiên Saccharomyces Zymononas sp thiếu hồn tồn khả chuyển hóa loại đường pentose Khuynh hướng biến đổi gen giống nhằm giúp biểu khả chuyển hóa loại đường pentose phổ biến D- xylose, L – arabinose phát triển nhiều Gần đây, người ta phát thấy có số lồi nấm men Pichia stipitis, Candida shehatae Pachyhysolen tannophillus chủng có khả chuyển hóa xylose mạnh dùng sản xuất ethanol Trong P stipilis lại bật khả sản xuất hàm lượng cồn cao nhu cầu dinh dưỡng chúng không phức tạp so với giống nấm men khác Thế giới trọng xu hướng sử dụng công nghệ gen để tạo chung nấm men vừa có khả lên men đường đường Cơ chế lên men glucose: Quá trình đường phân Sau đó, pyruvate chuyển thành ethanol theo phương trình sau: Bản chất trình lên men q trình oxy hóa khử Q trình oxy hóa lại xảy thể sinh vật tác động hệ thống enzyme, người ta gọi q trình lên men q trình oxy hóa sinh học Thuỷ phân lên men tách riêng: Sử dụng enzyme để thuỷ phân, thuỷ phân lên men tách riêng (SCF: separate hydrolysis and fermentation) Vật liệu sau nghiền mịn (giảm kích thước) xử lý sơ axit loãng để thuỷ phân hemicellulose, chất rắn lại (cellulose, lignin) thuỷ phân enzyme Trong bước xử lý sơ bộ, chuỗi liên kết loại đường cấu thành nên hemicellulose bị phá vỡ, phân tử hemicellulose bị phân huỷ thành đường đơn Cụ thể đường 5C hồ tan xylose, araibinose đường 6C hoà tan mannose galactose Một lượng nhỏ cellulose chuyển hoá thành glucose bước Tiếp đến cần nuôi dưỡng enzyme để thuỷ phân cellulose, enzyme cellulase sử dụng để thuỷ phân phân tử cellulose thành đường glucose Trong phản ứng thuỷ phân cellulose, enzyme cellulase sử dụng để phá vỡ chuỗi liên kết glucan cellulose, giải phóng glucose Quá trình thuỷ phân cellulose cịn gọi hố đường cellulose Dung dịch thu sau giai đoạn xử lý sơ giai đoạn thuỷ phân cellulose lên men vi sinh vật Sau người ta chưng cất để thu hồi etanol tinh khiết Trong quy trình trình thuỷ phân trình lên men tiến hành tách rời Thuỷ phân lên men đồng thời: Khác với quy trình thủy phân lên men tách rời, quy trình trình thuỷ phân cellulose trình lên men tiến hành đồng thời Quy trình khơng phải thực thủy phân trước hạn chế làm xuất phản ứng lên men đồng thời phức tạp làm phát sinh sản phẩm sản xuất etanol sinh học ức chế hoạt động enzyme( hình 5) Quá trình thủy phân lên men đồng thời (cịn gọi q trình đường hóa lên men đồng thời) có nhiều ưu điểm:  Glucose tạo thành trình thủy phân tiêu thụ nấm men vậy, lượng cellobiose glucose tích tụ hệ thống Điều giải vấn đề ức chế enzyme nhờ tốc độ tạo glucose tăng đáng kể, lượng enzyme cần dùng nhỏ  Số thiết bị cần cho trình thủy phân lên men đồng thời số cần cho phương pháp truyền thống trình thủy phân lên men tiến hành thiết bị Điều giúp giảm vốn đầu tư  Việc ethanol tạo thành suốt trình làm giảm khả phát triển vi sinh vật tạp chất, có lợi cho quy trình liên tục  Vi sinh vật dùng cho lên men V TÌNH HÌNH CHUNG: Sản xuất etanol sinh học: Về phương diện kỹ thuật (và kinh tế), chia làm loại nguyên liệu:  Công nghệ xăng-sinh-học hệ 1: chế biến từ đường (mía, củ cải đường, sorgho- đường) tinh bột nông phẩm (từ hạt bắp, lúa mì, lúa, v.v., hay từ củ khoai tây, khoai mì, v.v.) để tạo ethanol; hay từ dầu (của hạt dừa-dầu, đậu nành, đậu phộng, v.v.) để biến chế diesel-sinh-học Kỹ thuật đơn giản kinh tế  Công nghệ xăng-sinh-học hệ 2: từ cellulose, chất xơ dư thừa thực vật (rơm, rạ, thân bắp, gỗ, mạt cưa, bã mía, v.v.), hay thực-vật-hoang (non-crop) (như cỏ voi, vetiver, lục bình) Chẳng hạn, mía cho khoảng 25 bã mía  (bagasse, xác mía sau ép), bã mía sản xuất 285 lít ethanol Kỹ thuật chưa hồn hảo, hiệu kém, men chưa hữu hiệu giá đắt,  phần cellulose lignin biến thành ethanol, nên giá thành sản xuất cịn cao  Cơng nghệ xăng-sinh-học hệ 3: từ tảo (algae), kỹ thuật phát triển Tổng sản lượng Etanol hàng năm 15 nước Tổng sản lượng Etanol hàng đứng đầu (2004-2006) (Triệu gallon Mỹ) năm 15 nước đứng đầu (2007) (Triệu gallon Mỹ) Xếp Đất hạng nƣớc giới 2006 2005 2004 Xếp Đất hạn nƣớc/Vùng gthế giới Mỹ 4.855 4.264 3.535 4.491 4.227 3.989 1.017 1.004 964 Brazil Trung Quốc Ấn Độ 502 449 462 Pháp 251 240 219 Canada 211,3 Đức 202 114 71 Thái Lan 79,2 Nga 171 198 198 Campuchia 74,9 Canad 153 61 61 Ấn Độ 52,8 Tây Ban Nha 122 93 79 Trung Mỹ 39,6 10 Nam Phi 102 103 110 10 Australia 26,4 11 Thái Lan 93 79 74 11 Thỗ Nhĩ Kỳ 15,8 12 Anh Quốc 74 92 106 12 Pakistan 9,2 71 65 66 13 Peru 7,9 Mỹ 2007 Brazil Liên minh Châu Âu Trung Quốc 6,498,6 5,019,2 570,3 486,0 a 13 Ukrai ne 14 Ba Lan 66 58 53 14 Argentina 5,2 15 Saudi Arabia 52 32 79 15 Paraguay 4,7 12.15 10.770 Tổng số Tổng số 13.48 13.101,7 Sản lượng dự tính (theo lý thuyết) cho ngun liệu khơ Ngun liệu Gallons Lít Hạt bắp ngơ 124,4 470,854 Thân bắp ngô 113,0 427,705 Rơm rạ 109,9 415,971 Phế phẩm sợi 56,8 214, 988 Phế phẩm lâm nghiệp 81,5 308,477 Mạt cƣa 100,8 381,528 Bã mía 111,5 422,027 Giấy vụn 116,5 439,817 Sản lượng lý thuyết Etanol sinh từ nguyên liệu khơ Hiện giới có 50 nước có chương trình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học Các nước APEC chọn nhiên liệu sinh học thay cho nhiên liệu hóa thạch Theo dự báo chuyên gia, đến năm 2025, giới sử dụng 12% nhiên liệu sinh học toàn nhu cầu lượng; đến năm 2020, EU sử dụng 20% nhiên liệu sinh học Trong chương trình nghị diễn đàn hợp tác Đông Á - Mỹ Latinh (FEALAC) bàn đến nội dung liên quan đến sản xuất sử dụng nhiên liệu sinh học Brazil quốc gia theo đường riêng sử dụng cồn làm nhiên liệu cho loại ô tô Khoảng 40% nhu cầu nhiên liệu nước đáp ứng bioethanol, dạng cồn điều chế từ đường mía Tuy nhiên, Biodiesel sử dụng mức độ định số loại động diesel đời Đây lý tập đoàn Shell quan tâm nhiều đến việc phát triển nhiên liệu sinh học hệ hai Để sản xuất nhiên liệu này, người ta sử dụng phận q trình sản xuất nơng nghiệp, nhiều phận chất thải rơm rạ, thân ngô, hướng dương Các thành tựu nghiên cứu: Các nhà khoa học Đài Loan thành cơng phịng thí nghiệm biến chế etanol từ rơm rạ, 10 kg rơm rạ thu lít cồn 99,5% để pha làm xăng sinh học (Taipei Times, 19/2/2008), phải vài năm sản xuất quy mơ thương mại Các nghiên cứu Trung quốc cho thấy, xăng sinh học sản xuất từ rơm rạ đắt xăng dầu mỏ khoảng 250 USD/tấn Hãng General Motors Hoa Kỳ hợp tác với Công ty sản xuất etanol Coskata để sản xuất thanol từ thân bắp vào cuối năm 2008, kể từ 2011 sản xuất 50 – 100 triệu gallons/năm, với giá USD/gallon Wood cộng báo cáo việc biểu gen tái tổ hợp endoglucanase từ Erwinia chrysanthemi P86021 vào Escherichia coli KO11 hệ thống tái tổ hợp sản xuất 3.200 IU endoglucanase/lit canh trường lỏng lên men (IU, international unit, xác định μl đường khử tạo phút sử dụng carboxymethyl cellulose làm chất) Endoglucanase E1 chịu nhiệt từ Acidothermus cellulolyticus biểu Arabidopsis thaliana Người ta sử dụng q trình lên men xylose thành ethanol Chủng tái tổ hợp E coli với gen từ Zymomonas mobilis để chuyển hóa pyruvate thành ethanol nghiên cứu Dien cộng Các plasmid tái tổ hợp với gen tổng hợp xylose reductase xylitol dehydrogenase từ Pichia stipitis gen xylulokinase từ Saccharomyces chuyển vào Saccharomyce spp cho trình lên men đồng thời xylose glucose Tuy nhiên có nhiều thách thức đặt là: o Giữ tính ổn định chủng vi khuẩn sản xuất cơng nghiệp o Tính kinh tế hệ thống o Có hệ thống tiền xử lý hiệu cao… VI KẾT LUẬN Việc sử dụng sinh khối lignocellulose để sản xuất ethanol sinh học địi hỏi cơng nghệ sản xuất phải hiệu chi phí bền vững với mơi trường Xem xét tiến hóa nhu cầu nhiên liệu sinh học hệ thứ hai, rơm rạ xuất đầy hứa hẹn ứng cử viên mạnh cho sản xuất ethanol sinh học có sẵn thành phần hấp dẫn Chuyển đổi sinh học rơm rạ thành đường lên men, sử dụng enzyme thủy phân lựa chọn thay hấp dẫn lo ngại mơi trường Mặc dù có số trở ngại đường phát triển công nghệ khả thi kinh tế phức tạp chất, hàm lượng lignin tro cao, số công việc phát triển phương pháp tiền xử lý hiệu để loại bỏ phần khơng mong muốn để có đường có sẵn thành cơng đáng kể đạt Các số liệu thống kê có sẵn cho thấy nhu cầu ethanol sinh học cho ngành vận tải đáp ứng cách sử dụng rơm rạ Phương pháp tiếp cận kỹ thuật trình kỹ thuật biến dạng phải thực để tránh khó khăn lên men xyloza glucose để cải thiện hệ thống hiệu Một kết hợp cân thơng minh q trình tiền xử lý, thủy phân lên men phải chọn cho hiệu tối đa trình Với đời di truyền men biến đổi, enzyme thủy phân tổng hợp, công nghệ tinh vi khác kết hợp hiệu chúng, trình sản xuất ethanol sinh học sử dụng rơm rạ chứng tỏ công nghệ khả thi tương lai gần VII TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Diệu Lý 2008 Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Đề tài tốt nghiệp đại học, khoa Kỹ thuật hóa học, Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh [2] Đề tài thạc sĩ “nghiên cứu sản xuất etanol từ phụ phẩm nông nghiệp” Nguyễn Thị Hằng Nga- DH khoa học tự nhiên [3]Báo cáo tóm tắt đề tài “ Nghiên cứu công nghệ thiết bị liên tục xử lý rơm rạ nước để lên men ethanol” Ths Hoàng Minh Nam [4] Binod, P., Sindhu, R., Singhania, RR, Vikram, S., Devi, L., Nagalakshmi, S., & Pandey, A (2010) Sản xuất ethanol sinh học từ rơm lúa: nhìn tổng quan Cơng nghệ sinh học , 101 (13), 4767-4774  ... xuất từ rơm rạ đắt xăng dầu mỏ khoảng 250 USD/tấn Hãng General Motors Hoa Kỳ hợp tác với Công ty sản xuất etanol Coskata để sản xuất thanol từ thân bắp vào cuối năm 2008, kể từ 2011 sản xuất. .. cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Đề tài tốt nghiệp đại học, khoa Kỹ thuật hóa học, Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh [2] Đề tài thạc sĩ “nghiên cứu sản xuất etanol từ phụ phẩm nông... TRÌNH SẢN XUẤT ETANOL TỪ RƠM RẠ: Nguyên liệu Chuẩn bị Tiền xử lí Nấm men Thủy phân Nhân giống Lên men Chưng cất etanol QUI TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT BIOETANOL TỪ BIOMASS Q trình tiền xử lý rơm rạ