1.4.1. Giới thiệu chung về ethanol sinh học
Ethanol (C2H5OH) là một chất lỏng không màu, sôi ở 78,3 0C và là một dung môi hữu cơ đa dụng, có thể sản xuất từ dầu khí thông qua phản ứng hydrat hóa ethylene (ethanol tổng hợp, không sử dụng vào mục đích năng lượng) hoặc từ nguyên liệu sinh học (ethanol sinh học, sử dụng chủ yếu vào mục đích năng lượng).
Ethanol sinh học có khả năng thay thế hoàn toàn xăng sản xuất từ dầu mỏ hoặc có thể pha trộn với xăng để tạo ra xăng sinh học. Xăng sinh học là hỗn hợp của xăng truyền thống và cồn sinh học (bio-ethanol), được sử dụng làm nhiên liệu cho các loại động cơ đốt trong như xe gắn máy, ôtô. Được ghi danh bằng kí tự E kèm theo một con số chỉ số % của ethanol sinh học được pha trộn trong xăng đó.
Trên thị trường người ta thường gặp các loại xăng sinh học như E5, E20, E95…tức là xăng chứa 5%, 20%, 95% ethanol.
Công thức hóa học của ethanol: C2H5OH, CH3-CH2-OH, viết tắt là C2H6O. Ethanol là một loại nhiên liệu thay thế dạng cồn, được sản xuất bằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn, như bắp, lúa mì, lúa mạch, mía, cử cải đường, sắn, các phế phẩm nông nghiệp. Ngoài ra, ethanol còn được sản xuất từ cây, cỏ có chứa cellulose, gọi là ethanol sinh học [28].
1.4.2. Tiềm năng sản xuất ethanol sinh học
Ethanol sinh học trộn với xăng chế biến từ dầu thô để chạy xe. Sản xuất đủ Ethanol thì thế giới sẽ giải quyết được một vấn đề nhức nhối là lệ thuộc vào các nước sản xuất dầu hỏa, và về lâu dài giải quyết một vấn đề lớn cho
nhân loại là đến một lúc nào đó các kho dầu mỏ khô cạn. Ngoài ra Ethanol khi cháy thải ít khí nhà kiếng vào bầu khí quyển hơn là xăng chế biến từ dầu mỏ.
Ethanol là chất phụ gia để tăng trị số Octane (trị số đo khả năng kích nổ) và giảm khí thải độc hại của xăng. Trong chính sách năng lượng của mình, từ khối EU đến Mỹ, Trung Quốc, Australia, Nhật Bản… đều chú trọng đến ứng dụng ethanol.
Người ta dự báo nhu cầu nhiên liệu ethanol toàn cầu đến năm 2010 có thể tăng gấp 4 lần, lên khoảng 80 tỷ lít, và chỉ trong 2 đến 3 năm nữa, các con tàu khổng lồ chở ethanol sẽ xuôi ngược khắp các đại dương, như hình ảnh tàu chở dầu hiện nay. Những chiếc xe chỉ chạy được bằng xăng sẽ mất nhường chỗ cho các thế hệ xe chạy bằng ethanol. Lúc đó, sẽ diễn ra sự cạnh tranh gay gắt trong thị trường nhiên liệu và cả trong thị trường xe hơi thế giới…
Từ hơn một năm qua, giá xăng dầu tiếp tục tăng dần trên thế giới và hiện tại vẫn chưa có chỉ dấu nào cho thấy sự sụt giảm trong tương lai gần đây. Có những nguyên do chính để giải thích hiện tượng này. Đó là tình hình chính trị chung trên thế giới đang bất ổn với cuộc chiến tranh Iraq, và cuộc chiến chống khủng bố. Nhưng nếu nhìn xa hơn nữa, thế giới đang lo ngại trữ lượng toàn cầu đang có nguy cơ bị cạn kiệt. Trữ lượng dầu hỏa trên thế giới, qua nhiều thăm dò và nghiên cứu của những cơ quan khác nhau như: Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (1997), Báo Washington Post (1996), Kỷ yếu Năng lượng quốc tế 1998 (International Energy Annual), Phòng Thống kê LHQ (1994). Hầu hết đều kết luận là trữ lượng dầu thô hiện chiếm vào khoảng 1.000 tỷ thùng (barrel) hay 151.011 m3. Cũng cần biết : 1 barrel = 42 Gallon = 159 lít = 0,16 m3. Cũng theo ước tính của Cơ quan Địa chất Hoa Kỳ (US GS) thì với trữ lượng này, nhân loại chỉ có triển vọng sử dụng trong vòng 50 năm tới mà thôi.
Rượu ethanol đã được điều chế từ gạo, nếp, bắp...từ hàng ngàn năm trước qua sự lên men rượu do vi khuẩn. Hiện nay, với nhu cầu giải quyết nạn khan hiếm năng lượng xăng dầu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường, ethanol
quả thật là một nhu cầu cấp bách cho thế giới..Ngoài ra, sự có mặt của ethanol trong xăng không chỉ giảm thiểu được một phần lượng xăng nhập khẩu mà còn góp phần không nhỏ vào việc giảm thiểu lượng lớn khí thải độc hại ra môi trường, hạn chế ô nhiễm môi trường, góp phần tăng khả năng đảm bảo an ninh năng lượng của một quốc gia, nhất là các quốc gia không có nguồn dầu mỏ [29].
1.4.3. Các nguyên liệu thường dùng để sản xuất ethanol hiện nay
Hiện nay, 95% ethanol được sản xuất bằng cách lên men từ các loại rỉ đường như từ củ cải đường, mật mía, dịch thủy phân từ gỗ (chủ yếu từ hemixenluloza, xenluloza), trái cây…Các loại hạt củ chứa nhiều tinh bột như ngũ cốc, ngô, sắn, khoai tây, các loại gạo nếp, gạo tẻ, tấm, hạt mì, cao lương… (trong đó lên men từ đường chiếm 61%) và 5% ethanol được tổng hợp được từ dầu mỏ, gas, than … Ethanol đang được xem là nguồn nhiên liệu thay thế quan trọng và được quan tâm đặc biệt trong chiến lược phát triển nguồn năng lượng của nhiều quốc gia [4, tr.96-97].
Bảng 1.2.Sản lượng ethanol theo lí thuyết [30].
Nguyên liệu Sản lượng ước tính cho mỗi tấn nguyên liệu khô (lít) Hạt bắp 471 Giấy vụn 440 Thân và lá bắp 428 Bã mía 422 Rơm rạ 416 Mạt cưa 382 Phế phẩm lâm nghiệp 308 Phế phẩm của bông sợi 215
Lựa chọn loại nguyên liệu nào phù hợp để sản xuất ethanol tùy thuộc vào điều kiện đất đai, khí hậu, chính sách phát triển của mỗi quốc gia. Các nguyên liệu chủ lực để sản xuất ethanol ở các nước như sau: Mỹ: bắp, Brazil: mía, Pháp: củ cải đường, Ấn độ: mía, Việt Nam: sắn…Tính theo diện tích canh tác, hiệu quả sản xuất ethanol từ củ cải đường cao nhất, có thể đạt 7.000 lít/ha, kế đến là mía và bắp. Tuy nhiên, sẽ thu được nhiều ethanol hơn khi lên men từ bắp, gần 400 lít/tấn hạt, trong khi củ cải đường chỉ đạt 100 lít/tấn [30].
Dầu diesel sinh học được chế biến từ dầu thực vật và mỡ động vật.Vì vậy, nhiều nước đã tiến hành nghiên cứu trồng các loài cây nông, lâm nghiệp để cung cấp nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học.
Các loài cây sau đây đang được sử dụng để cung cấp nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học. Với ưu thế về diện tích canh tác, Mỹ sử dụng ngô để sản xuất ethanol. Ấn Độ dùng cây Cọ dầu (Elaeis guineennsis) và Jatropha curcas L để sản xuất diesel sinh học. Uỷ ban phát triển nhiên liệu sinh học của Ấn Độ đề nghị trồng Cọ dầu trên diện tích 11,2 triệu ha đất thoái hoá, đất bỏ hoang và các loại đất khác.
Từ năm 1975 Braxin đã có kế hoạch dùng mía làm nguyên liệu sản xuất cồn thay thế xăng và khuyến khích sử dụng nhiên liệu sinh học bằng các biện pháp như: sử dụng xăng để chạy xe phải pha một tỷ lệ ethanol nhiên liệu, đầu tư trồng và cải tạo giống mía để sản xuất nhiên liệu sinh học, cải tiến công nghệ sản xuất ethanol, nghiên cứu sản xuất ô tô chạy bằng ethanol, miễn giảm thuế sản xuất và tiêu thụ ethanol.
Các nước EU sử dụng đậu tương, hạt cải dầu (Brassica napus) và dầu mỡ phế thải từ động, thực vật để sản xuất nhiên liệu sinh học.
Thuỵ Điển dự kiến sau 2020 ethanol sinh học từ xenlulose sẽ thay thế toàn bộ nhiên liệu hoá thạch nhằm chấm dứt phụ thuộc vào dầu mỏ [31].
Cách đây không lâu tại Indonesia chiếc xe ô tô đầu tiên chạy bằng 100% nhiên liệu sinh học chế biến từ hạt cây Jatropha đã hoàn tất cuộc chạy
thử 3200 km ở tỉnh Tây Timor. Ngoài Cọ dầu họ còn chú ý tới cây Jatropha vì Cọ dầu phải trồng trên đất màu mỡ nên đã chiếm dụng một phần không nhỏ diện tích đất canh tác trong lúc đó Jatrophacó thể trồng được ở những vùng đất khô cằn. Kinh phí lập một đồn điền Jatropha chỉ bằng 1/10 đồn điền Cọ dầu. Mặt khác trồng Cọ dầu phải mất 4 năm mới cho thu hoạch trong lúc đó Jatropha chỉ mất 1 năm, vì vậy Manurung và nhiều nhà khoa học cho rằng Jatropha sẽ sớm choán ngôi Cọ dầu. Mới đây 1 công ty của Hà Lan đã đặt mua 1 triệu tấn dầu Jatropha nguyên chất của Indonesia. Uỷ ban Quốc gia về nghiên cứu phát triển nhiên liệu sinh học của nước này đã trình Chính phủ dành 5 triệu ha đồi trọc để trồng Jatropha, mía và sắn để sản xuất nhiên liệu sinh học. Hiện nay nước này đã trồng được 20 ngàn ha cây Jatropha
Malaysia sử dụng Jatropha để sản xuất diesel sinh học, hiện nay nước này đã trồng được 10 ngàn ha cây Jatropha.
Trung Quốc đang triển khai sản xuất dầu ethanol sinh học từ cây Jatropha, Hòang liên mộc (Pistacia chinensis Bunge),Văn quan (Xanthoceras sorbifolia Bunge). Hiện nay quốc gia này đã có 9 tỉnh có trạm xăng ethanol và đã trồng được 40 ngàn ha cây Jatropha.
Bộ Nông nghiệp và hợp tác Thái đã có chính sách khuyến khích nông dân trồng sắn để sản xuất năng lượng mới. Dự án trồng sắn để sản xuất ethanol đã được ký giữa 3 tập đoàn kinh tế lớn với nông dân. Dự kiến quý 1/2008 có khoảng 2 triệu tấn sắn nguyên liệu phục vụ các nhà máy.
Như vậy, hiện nay trên thế giới cũng như trong khu vực các loài cây mía, sắn thường được dùng để sản xuất ethanol sinh học còn Cọ dầu và Jatropha dùng để sản xuất diesel sinh học, trong đó Jatropha đang được quan tâm ở nhiều nước [31].
1.5. Tìm hiểu về nấm men lên men ethanol
Trong sản xuất rượu người ta thường dùng những nhóm vi sinh vật sau: - Nấm men, để lên men địch đường thành rượu.
- Nấm mốc, để thủy phân dịch hồ tinh bột thành đường.
- Vi khuẩn lactic, dùng để acid hóa dịch đường trước khi lên men.
Trường hợp dùng vi khuẩn lactic không phải là phổ biến, nhưng thực tế sản xuất đã cho thấy dùng nhóm vi khuẩn này đảm bảo quá trình lên men thuận lợi hơn, nâng cao được dinh dưỡng cho nấm men ( vi khuẩn lactic tích tụ các hợp chất nitơ dễ được nấm men đồng hóa) và tăng được hiệu quả tạo ethanol.
Trong sản xuất ethanol, người ta thường dùng những nòi nấm men thuộc giống Saccharomyces cerevisiae. Giữa các nòi này có các đặc điểm khác nhau. Các nòi lên men ethanol cần phải có những đặc điểm sau:
+ Có sức phát triển mạnh trong dịch đường lên men.
+ Có khả năng tiết ra hệ enzyme zyma để lên men nhanh chóng và hoàn toàn.
+ Có thể lên men ở nhiệt độ tương đối cao của mùa hè.
+ Có khả năng chịu được độ cồn cao trong qua trình lên men. + Chịu được môi trường có độ acid cao.
Nhiệt độ tối thích đối với sinh trưởng cho nấm men trong khoảng 25 – 30 0C, còn nhiệt độ tối thiểu khoảng 2 -3 0C. Ở nhiệt độ 40 0C, sinh trưởng ngừng lại và men bị chết. Trong môi trường có nồng độ đường cao nấm men ngừng các quá trình sống. Đối với các nòi nấm men khác nhau thì nồng độ đường thích hợp cũng khác nhau. Các giống men rượu đều thuộc giống nấm men nổi có khả năng lên men mạnh, có thể lên men được mon và disaccarit, cũng như một phần dextrin ( chủ yếu là dextrin cuối).
Các loài lên men rượu đều thuộc giống nấm men Saccharomyce. Các nòi men này được chia làm hai loại: men nổi và men chìm.
+ Men nổi là chủng nấm men khi lên men hay phát triển trong dịch nuôi cấy, chúng tạo thành từng đám với từng bọt tương đối dầy và duy trì
trong suốt thời gian lên men. Sau khi kết thúc chúng ( những tế bào nấm men) mới lắng dần xuống đáy và tạo thành một lớp xác men không chặt chẽ.
+ Men chìm là chủng nấm men khi lên men hay phát triển trong dịch nuôi cấy, lên men không tạo thành lớp bọt dầy trên bề mặt dịch và các tế bào lắng dần xuống đáy thùng tạo thành lớp cặn men khá chặt chẽ. Đặc biệt của men chím là lắng nhanh tạo cho dịch có độ trong sáng và các nòi men có enzyme α- galactozidaza nên có thể dùng hoàn toàn đường rafinoza cho lên men, còn các nòi men nổi chỉ có một số là đồng hóa được 1/3 rafinaza thành rượu và CO2.
Đa số các nòi nấm men bia và rượu vang đều thuộc men chìm, còn các nòi men rượu, men bánh mì và một ít nòi men bia thuộc men nổi.
Yêu cầu chung đối với men rượu dùng trong sản xuất là phải có lực lên men mạnh, biến đường thành rượu nhanh và càng triệt để càng tốt, có khả năng chịu được các chất kháng khuẩn và biến động các điều kiện nuôi cấy ( t0, pH, O2...) [4,tr.102-104].
1.6. Các nghiên cứu trong và ngoài nước thuộc lĩnh vực đề tài 1.6.1. Các nghiên cứu ngoài nước 1.6.1. Các nghiên cứu ngoài nước
Trên thế giới, công nghệ sản xuất ethanol sinh học đã được nghiên cứu và ứng dụng thành công ở nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam. Tuy nhiên, nguyên liệu phục vụ cho công nghệ sản xuất ethanol sinh học chủ yếu từ các cây lương thực, rơm rạ[11][18][1] còn từ nguồn rong biển chưa được nghiên cứu và ứng dụng nhiều. Đối với Việt Nam vấn đề này vẫn còn rất mới mẻ và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học.
Rong biển là sinh vật tự dưỡng nhờ quá trình quang hợp mà sinh trưởng, phát triển nên sản lượng rong biển trên thế giới rất dồi dào. Theo số liệu của tổ chức FAO, năm 2006 thống kê, nguồn rong biển tự nhiên ở các vùng biển trên thế giới rất lớn, có thể sử dụng nguồn này để sản xuất ethanol sinh học thay thế cho các nguồn lương thực khác, như Trung Quốc sản lượng
rong tươi hằng năm là 323 nghìn tấn/năm, Chile là 305 nghìn tấn/năm, NaUy là 145 nghìn tấn/năm, Nhật Bản là 113 nghìn tấn/năm, Pháp là 75 nghìn tấn/năm và Ireland là 29 nghìn tấn/năm. Ngoài ra, tổ chức FAO cũng thống kê các nước trồng rong lớn nhất thế giới thuộc vào các nước Châu Á, như Trung Quốc là 10,800 nghìn tấn/năm, Philippin là 1,300 nghìn tấn/năm, Indonesia là 900 nghìn tấn/năm và những nước khác là 2,000 nghìn tấn/năm.[14]
Những nguyên liệu có thể dùng để sản xuất ethanol là đường, tinh bột và nguyên liệu chứa cellulose ( Bailey and Ollis, 1986). Đường có thể biến đổi trực tiếp thành ethanol nhưng tinh bột phải được thủy phân thành đường dưới tác dụng của enzyme rồi mới lên men thành ethanol, còn cellulose cũng phải biến đổi thành đường trước khi lên men bằng acid vô cơ (Bashir and Lee, 1994). Sở dĩ có thể dùng rong biển để sản xuất ethanol vì nhiều loài rong biển có chứa hàm lượng cacbohydrat cao, có thể dùng để chuyển hóa lên men rượu. Đã có nhiều tài liệu nước ngoài công bố về vấn đề này như rong Nâu
Laminaria ở vùng biển Ireland được đất nước này khai thác để sản xuất ethanol sinh học có chứa 6% cellulose, 23% alginates, 12% mannitol, fucoidan 5%, laminaran 14%, proteins 2%, lipid 2%, không thấy hàm lượng tinh bột, hemicellulose và lignin. Khác với rong Nâu, rong lục có hàm lượng ẩm cao hơn rất nhiều, chiếm đến 85%, hàm khoáng 24%, protein 19%, lipid 2%, cellulose 18%, ulvan 20%, tinh bột 2%, hợp chất sunfat 8% và chất màu nhỏ hơn 1% [10][14].
Alginate là một polysaccharide trong rong Nâu không thể lên men nhờ những vi sinh vật truyền thống, mà muốn lên men được phải qua xử lý ở nhiệt độ cao trước khi lên men hoặc dùng những vi sinh vật lên men thích ứng. Ở NaUy, Horn và cộng sự năm 2004 đã tìm ra chủng nấm men P. angophorae
để lên men rong Nâu nhưng hiệu suất lên men không cao, còn các nhà nghiên cứu của trường đại học quốc gia Ireland (NUIG) đã tách được một enzyme từ
nấm kỵ khí Talaromyces emersonii được xem là cắt đứt rất tốt các hợp chất đường phức tạp để tạo ra đường đơn giản [14].
Năm 2007, nhóm tác giả Aizawa, M; Asaoka, K; Atsumi, M; Sakou, T của trường Đại học Tokai Nhật Bản đã công bố kết quả nghiên cứu về sản xuất ethanol sinh học của Nhật Bản do Tokyo Fisheries Promotion