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 đƣợc cải thiện hơn. Pha trộn với tỉ lệ hợp lý giữa Etanol và xăng sẽ làm tăng
xe chạy nhiên liệu gasohol. Thông thƣờng gasohol có tỉ lệ pha trộn 10% Etanol và 90% xăng không pha chì (E10). Nếu xe đƣợc 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 hồn tồn xăng (E0). Dùng gasohol có tỷ lệ pha trộn từ 10 – 30% Etanol vào xăng thì khơng cần cải tiến động cơ xe.
b. Xu hướng sản xuất Etanol từ nguyên liệu SK
Theo nhận định của ông Donald Coxe, nhà chiến lƣợc hàng đầu, của tập đồn tài chính BMO Canada, một cuộc khủng hoảng lƣơng thực mới đang xuất hiện và sẽ trở nên trầm trọng hơn bất kỳ cuộc khủng hoảng lƣơng thực nào trƣớc đây thế giới từng chứng kiến. Việc sử dụng đất để trồng cây nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học có thể ảnh hƣởng đến nguồn cung cấp lƣơng thực, hoặc làm tăng giá lƣơng thực, đặc biệt đối với các nƣớc đang phát triển. Khi nông dân trồng cây nguyên liệu có lợi hơn trồng cây lƣơng thực sẽ làm giảm sản lƣợng lƣơng thực. Để giải quyết nguồn nguyên liệu SK sản xuất năng lƣợng sinh học, ngồi cây lƣơng thực, các quốc gia có nguy cơ thiếu nhiều năng lƣợng đang tìm kiếm các nguồn cây trồng khác có thể canh tác trên đất hoang hóa, trên cạn, dƣới nƣớc, đồng thời, tích cực tìm kiếm công nghệ mới thu hiệu suất cao, tiết kiệm nguyên liệu, hạ giá thành.
Tính tốn sản lƣợng lý thuyết Etanol từ 1 tấn nguyên liệu khô nhƣ Bảng 6.
Nguyên liệu
Sản lƣợng dự tính (theo lý thuyết) cho mỗi tấn nguyên liệu khô
Gallon Lít
Hạt bắp ngơ 124,4 470,854
Thân và lá bắp ngô 113,0 427,705
Phế phẩm của bong sợi 56,8 214,988
Phế phẩm nông nghiệp 81,5 308,477
Mạt cƣa 100,8 381,528
Bã mía 111,5 422,027
Giấy vụn 116,5 439.817
Bảng 6: Sản lượng lý thuyết Etanol sinh ra từ 1 tấn nguyên liệu khô [20]
c. Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu sinh học tại Việt Nam [23]
Đứng trƣớc cuộc khủng hoảng năng lƣợng trên, Việt nam cũng đã tiến hành nghiên cứu sử dụng các dạng năng lƣợng tái tạo. Trong đó năng lƣợng sinh học rất đƣợc 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 đƣờng, 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 lƣợng nguyên liệu sản xuất xăng sinh học là tinh bột ngũ cốc, mật rỉ đƣờng và mỡ cá ba sa cịn hạn chế; (ii) chƣa có đầu tƣ thích đáng vì chƣa có hỗ trợ của Chính phủ, (iii) Chính phủ chƣa có chính sách, chiến lƣợc 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 tƣ nghiên cứu phát triển NLSH nhƣ mía đƣờng Lam Sơn ở Thanh Hố, Sài Gịn Petro, Cơng ty Rƣợu Bình Tây, Cơng ty Chí Hùng, v.v. Tuy nhiên chƣa có một nhà kinh doanh nào dám mạnh dạn đầu tƣ nghiên cứu khi chính phủ chƣa có chính sách quy định cụ thể.
“Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” đã đƣợc 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 lƣới 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 lƣợng 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 đơng (85 triệu năm 2007, trung bình mỗi đầu ngƣời 0,11 ha), lại nghèo (GDP trung bình là US$726/đầu ngƣời năm 2006), vùng sản xuất nơng nghiệp chính là đồng bằng Cửu Long và Sơng Hồng đã quá tải. Đất canh tác hiện nay phải tiếp tục sản xuất lƣơng thực thiết yếu cho đời sống ngƣời dân. Vì vậy, Việt Nam phải tìm nguồn nguyên liệu thực vật nào để sản xuất xăng sinh học mà không ảnh hƣởng đến sản xuất và cung cấp lƣơng thực. Cụ thể là: (i) khơng ảnh hƣởng đến diện tích đất trồng cây lƣơng thực, chăn nuôi gia súc, nuôi cá tôm hiện tại; (ii) không đƣợc phá thêm rừng; (iii) thích hợp trên diện tích đất bỏ hoang cằn cổi, sa mạc hố, 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 xố đói giảm nghèo cho nông dân.
Hiện nay, cây lúa miến ngọt (sweet sorghum) là một cây trồng đƣợc 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. Trƣớc 1960, sau khi gặt lúa sạ, tại An Giang Châu Đốc đất bỏ hoang từ tháng 1 đến tháng 5 dƣơng lịch là lúc mùa khô, thiếu nƣớc canh tác. Bắt đầu khoảng sau 1965, nông dân trồng cây lúa miến trong các tháng mùa khô trên đất thiếu nƣớc để làm thức ăn cho gia súc và cá, và lúa thuần nông trên một số ruộng đất dọc sơng rạch có khả năng bơm nƣớc. Hiện nay, đa số đất còn bỏ hoang trong mùa khơ vì thiếu nƣớc, hay khơng có lợi khi canh tác lúa (vì giá xăng, phân,
thuốc quá cao).
Lúa miến chịu hạn hán, chịu đƣợc đất phèn, đất mặn, đất kiềm, chịu đƣợc nƣớc ngập, ít sâu bọ bệnh tật, ít địi hỏi phân bón, ít tốn nƣớc tƣới (chỉ bằng 1/4 nhu cầu nƣớc của mía). Đây là loại cây trồng phù phợp với đất vùng Tứ Giác Long Xuyên.
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
a. Cellulose
Cellulose là thành phần chủ yếu của vách tế bào thực vật và chiếm 50% tổng lƣợng hydrocacbon trên trái đất. Ngoài thực vật, cellulose cũng là nguồn chủ yếu trong SK động vật, nhƣng số lƣợng 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 lƣợng 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 khơng hồn tồn là hydro- cellulose có độ bền cơ học kém hơn cellulose nguyên thủy, còn khi thủy phân hồn tồn thì sản phẩm tạo thành là D-glucoza.
Về bản chất hóa học, cellulose là một rƣợu 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 nƣớc 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 khơng tan trong nƣớc, dung dịch kiềm làm trƣơng 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]
b.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 đƣợc 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 vơ 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 cƣờng độ không mạnh bằng vi nấm. Nguyên nhân là do lƣợng enzym tiết ra mơi trƣờng ít hơn, thành phần lại khơng đầy đủ. Ở trong đất có rất ít lồi vi khuẩn có khả năng tiết ra đủ bốn loại enzym trong hệ enzym xelluloza mà thƣờng mỗi nhóm vi sinh vật chỉ sản sinh ra một loại enzym tƣơng ứng. Do vậy các nhóm vi sinh vật phải phối hợp với nhau để phân giải cơ chất trong mối quan hệ tƣơng hỗ, thông thƣờng 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 đƣợc ứng dụng phổ biến hiện nay thuộc chi Streptomycin. Các chủng xạ khuẩn này thuộc nhóm ƣa nóng sinh trƣởng phát triển tốt ở nhiệt độ 45-500C 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 nhƣ: Candida, Saccharomyces…
1.4.2. Hemicellulosese và vi sinh vật phân giải hemicellulosese
a. Hemicellulose
Hemicellulose là một phần polysacarit thƣờng gặp trong vách tế bào thực vật với hàm lƣợng lớn sau cellulose. Cellulose và hemicellulose đƣợc hình thành khơng chỉ từ một đƣờng mà nhiều đƣờng khác nhau, thậm chí cả từ axit urnoic của chúng. Ngƣời ta gọi tên cụ thể một loại hemicellulose là dựa theo tên loại đƣờng 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 đƣợc tạo thành từ loại đƣờng 6 Cacbon.
Khác với cellulose, phân tử hemicellulose nhỏ hơn nhiều thông thƣờng không quá 150 gốc đƣờng, đƣợc nối với nhau không chỉ bằng liên kết -1,4
Hình 7. Cấu trúc phân tử Hemicellulose
Vì độ polyme thấp, phân nhánh và hỗn hợp nhiều đƣờng nên hemicellulose khơng có cấu trúc chặt chẽ nhƣ ở cellulose và độ bền hóa lý cũng thấp hơn. Hemicellulose dễ tan trong dung dịch kiềm, trong nƣớc nóng và dễ bị phân hủy bởi acid lỗng.
Xylan là một hemicellulose phổ biến nhất trong tự nhiên chiếm 30% khối lƣợng rơm rạ, 20-25% trong gỗ cây lá rộng, 7-17% trong gỗ cây lá kim.
b. Vi sinh vật phân giải hemicellulose
Khi nghiên cứu hemicellulose, ngƣời ta thấy chúng giống với cellulose về cấu tạo, liên kết hoá học và cấu trúc đại phân tử. Nhiều tác giả cho rằng, hemixenlulose có tính chất tƣơng đồng với cellulose về cơ chế tác động, tính chất cảm ứng tổng hợp. Tuy nhiên, giữa hemixenlulose và cellulose cũng có nhiền sự khác biệt. Hemicellulose có khối lƣợng phân tử nhỏ hơn, cấu trúc đơn giản và kém bền vững hơn [27,31].
Đa số vi sinh vật có khả năng tổng hợp celluloza cũng có khả năng tổng hợp xynalaza để phân huỷ xylan. Khả năng này thƣờng thấy ở vi sinh vật sống trong dạ cỏ động vật nhai lại nhƣ: Bacillus, Bacteriodes, Butyvibrio, Ruminococus và các vi khuẩn chi Clostridium.
Ngoài ra, một số loài nấm sợi nhƣ Mycotheciumverrucria, Chactomium, Stachybtrys… một số loài nấm xốp trắng cũng có khả năng phân giải hemicellulose nhƣ: Corrodusversicolor, Polyrus anceps,
Phanerochaete, aspergillus fumigatus… và nhóm xạ khuẩn gồm Streptomyces, Pseudomonas, Bacillus… [31,36].
1.5. Vai trò của vi sinh vật trong quá trình lên men rƣợu
1.5.1. Quá trình lên men rượu
Phƣơng trình tổng quát về lên men rƣợu nhƣ sau: C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2 + Q
Theo Pasteur, sự lên men chỉ xảy ra khi có mặt của vi sinh vật. Nếu ngăn cản không cho vi sinh vật tiếp xúc với dịch đƣờng thì hiện tƣợng lên men sẽ không xảy ra.
Nhƣ vậy, sự lên men rƣợu là một q trình sinh học có lên hệ mật thiết tới hoạt động của tế bào men.
Cơ chế lên men rƣợu xảy ra nhƣ sau: Đƣờng và các chất dinh dƣỡng đƣợc hấp thụ qua bề mặt tế bào rồi thẩm thấu vào bên trong. Ở đó, các enzym sẽ tác dụng qua nhiều giai đoạn trung gian để cuối cùng tạo ra sản phẩm chính là rƣợu và khí cacbonic. Hai chất này đều khuếch tán và tan vào môi trƣờng xung quanh. Rƣợu do rất linh động nên hòa tan nhanh trong dịch lên men, cịn khí cacbonic hịa tan kém và khuếch tán chậm. Lúc đầu CO2 hòa tan hồn tồn, dần dần tạo thành các bọt khí bám quanh tế bào men và lớn dần tới mức lực đẩy Archimedes lớn hơn khối lƣợng tế bào men cộng bọt khí. Khi đó, tế bào cùng bọt khí nổi dần lên, khi tới bề mặt các bọt khí sẽ tan vỡ và tạo thành tiếng rào rào (ta quen gọi là men ăn). Bọt khí tan, tế bào men lại chìm dần, tiếp xúc với dịch đƣờng để hấp thụ và lên men rồi lại sản ra rƣợu và khí Cacbonic. Nhƣ vậy, tế bào nấm men từ chỗ là vi sinh vật không chuyển động đã biến thành tế bào ln chuyển động trong q trình lên men. Nhờ đó mà tăng nhanh tốc độ hấp thụ và chuyển hóa đƣờng thành rƣợu. Khi đƣờng và các chất dinh dƣỡng trong mơi trƣờng cịn ít, một lƣợng lớn tế bào men sẽ lắng xuống đáy thùng, dịch lên men sẽ trong dần.
nhƣng chậm. Nồng độ thích hợp cho đa số nấm men dùng trong sản xuất rƣợu là 15 đến 18%. Nồng độ cao thì áp suất thẩm thấu sẽ lớn, do đó ảnh hƣởng xấu tới hiệu quả lên men, lên men sẽ kéo dài, đƣờng sót lại trong giấm chín sẽ tăng. Nếu lên men ở nồng độ đƣờng thấp cũng khơng có lợi vì tổn thất do tạo men sẽ tăng. Ví dụ khi lên men dịch đƣờng có nồng độ 16,9% , tổn thất đƣờng do tạo men chiếm 6% so với lƣợng đƣờng có trong dung dịch; nếu nồng độ đƣờng là 8,6% thì tổn thất do tạo men chiếm tới 9,84%. Mặt khác, lên men ở nồng độ thấp sẽ làm giảm năng suất của thiết bị, tốn nhiều hơi khi chƣng cất và làm tăng tỉ lệ tổn thất rƣợu trong bã và nƣớc thải.
Khi lên men có khoảng 95% đƣờng biến thành rƣợu và CO2, còn 5% là tạo các sản phẩm khác và đƣờng sót.
Lên men thƣờng đƣợc tiến hành ở nhiệt độ 280
C - 320C và pH = 4,5- 5,2. Ở nhiệt độ cao thì tổn thất đƣờng trong quá trình lên men sẽ lớn do tạp khuẩn dễ phát triển, tạo nhiều este aldehyt. Khi lên men ở 29,50C, tổn thất do tạo men là 7,37%, ở 17,50C là 5,32% và nếu lên men dịch đƣờng ở 100C thì tổn thất do tạo men chỉ chiếm 4,42% lƣợng đƣờng có trong dung dịch. Xét về ảnh hƣởng của pH thì tổn thất sẽ ít nhất khi lên men ở pH= 4,4. Nếu tăng pH thì tổn thất sẽ tăng nhanh và nhiều hơn so với giảm pH. Khi Giảm pH từ 5,6 xuống 4,42 hiệu suất lên men tăng 2,3%.
Trên đây mới đề cập đến một vài yếu tố có ảnh hƣởng nhiều tới kết quả lên men nhƣng còn xét ở các trƣờng hợp riêng rẽ. Trong thực tế sản xuất, các yếu tố ảnh hƣởng có liên quan mật thiết và chi phối lẫn nhau. Vì vậy khi xem xét một trƣờng hợp cụ thể ta cần đặt chúng trong một thể thống nhất, phải căn cứ vào điều kiện cụ thể, trang thiết bị ở từng cơ sở sản xuất để định ra chế độ