2.3.2.1 Lịch sử ethanol nhiên liệu
Nguyên mẫu đầu tiên của động cơ đốt trong được đưa ra bởi Samuel Morey. USA. 1826. Điều này được xem là sự bắt đầu của động cơ gasoline nhưng thực tế ơng sử dụng ethanol để cấp nguồn năng lượng cho động cơ. Năm 1908, Henry Ford xây dựng mơ hình nổi tiếng về xe ơ tơ chạy bằng ethanol. Cuối cùng, cơng nghiệp dầu mỏ “chiến thắng” trong sự cạnh tranh với ethanol. Sự thúc đẩy “thương mại hĩa” ethanol trong giao thơng vận tải phát triển trong suốt thập niên 1970. Cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973 và cuộc cách mạng của người Iran vào năm 1978 làm cho giá của dầu gia tăng một cách nhanh chĩng, ảnh hưởng lớn đến vấn đề an ninh năng lượng quốc gia. Ethanol nhiên liệu trở nên cĩ giá trị. Tại thời điểm này, cơ quan bảo vệ mơi trường (EPA) đã tìm kiếm một chất thay thế cho chì trong gasoline để gia tăng chỉ số octane. Ethanol sớm thiết lập một chỗ đứng vững mạnh trong việc gia tăng chỉ số octane. Một động cơ khác thúc đẩy cơng nghệ sản xuất ethanol ở Mỹ trong suốt những năm 80, đĩ là khi giá bắp hạ thấp. Các nhà
lập pháp Mỹ xem ethanol từ bắp là một phương tiện để ổn định thu nhập của nơng nghiệp(1).
2.3.2.2 Ứng dụng của ethanol nhiên liệu
Gasohol cịn gọi là xăng sinh học được chế tạo từ hỗn hợp ethanol khan 99,5% pha xăng tỷ lệ 5, 10, 20 hoặc 40% ethanol khan, với hỗn hợp ethanol trong gasohol khoảng 10-20% thì khơng cần cải tạo động cơ.
Khi xem xét ứng dụng hiện nay của bioethanol, hiển nhiên cần bắt đầu từ Brazil. Brazil đã thành cơng trong việc sản xuất bioethanol theo quy mơ cơng nghiệp từ những năm 1970 khi nước này phụ thuộc nặng nề vào dầu nhập khẩu. Lệnh cấm vận dầu mỏ của Trung Đơng đã bắt buộc Brazil phải tìm kiếm những những nguồn nhiên liệu vững bền hơn cho nhu cầu năng lượng của đất nước. Tuy rằng cĩ những vấn đề nảy sinh, nhưng chương trình này của Brazil được xem như một mơ hình thành cơng trong việc phát triển bền vững. Ngày nay, tồn bộ xe hơi ở Brazil sử dụng xăng cĩ pha ít nhất 25% ethanol, và 60% số xe cĩ khả năng “linh động về nhiên liệu” (cĩ thể sử dụng 100% ethanol làm nhiên liệu).
Brazil sản xuất bioethanol hầu như chỉ từ cây mía. Trong mơ hình này, mỗi tấn mía cho năng suất 72 lít ethanol. Loại ethanol này cĩ thểđược tinh lọc thêm để pha vào xăng, hoặc dùng làm ethanol nhiên liệu tinh. Rõ ràng con số này cho thấy cĩ rất nhiều thành phần khơng được sử dụng trong quá trình chuyển hĩa biomass thành ethanol. Hầu hết những thành phần này là hemicellulose và cellulose.
Nước Mỹđang bám theo Brazil và đầu tư mạnh vào sản xuất nhiên liệu sinh học. Hiện tại Mỹ đang sử dụng tồn bộ xăng cĩ pha 10% ethanol, với những cải tiến nhằm tăng tỉ số này. Đa phần mọi phương tiện bán ở Mỹđều phải cĩ động cơ linh hoạt về nhiên liệu. Liên minh Châu Âu cũng đã tiến đến việc khuyến khích năng lượng tái sinh cho tương lai với những đạo luật vềđiều khoản sử dụng phương tiện giao thơng tối thiểu cho các nước thành viên.
Trong tương lai, Colombia bắt buộc những thành phố cĩ dân số trên 500.000 dân phải bán xăng cĩ pha 10% ethanol. Ở Venezuela, cơng ty dầu quốc gia đang hỗ trợ dự án xây dựng 15 nhà máy chế cồn từ mía trong 5 năm tới khi chính phủ sắp ban hành đạo luật bắt buộc sử dụng xăng E10 (pha 10% ethanol). Chính phủ Canada nhắm đến việc 45%
trình bioethanol đã kêu gọi người dân sử dụng xăng E5 trên cả nước, tiến tới việc sử dụng xăng E10 và E20.
2.3.2.3 Tình hình ethanol nhiên liệu ở Việt Nam
Ở Việt Nam, cơng nghiệp sản xuất ethanol đã được hình thành từ rất lâu. Phần đơng ethanol sản xuất từ rỉđường mía, dùng làm ethanol cho thực phẩm và cơng nghiệp. Tổng cộng năng suất là 25 triệu Lit/năm, trong đĩ cĩ 3 nhà máy sản xuất 15000 – 30000 Lit/ngày là nhà máy đường Lam Sơn, nhà máy đường Hiệp Hồ và nhà máy rượu Bình Tây và hàng trăm cơ sở sản xuất 3000 – 5000 Lit/ngày.
Cho đến thời điểm này, ethanol nhiên liệu vẫn chưa được tiêu thụ trên thị trường. Tuy nhiên, cĩ rất nhiều nghiên cứu được thực hiện trong lĩnh vực này. Điển hình là sự hợp tác giữa Cơng ty rượu Bình Tây, Saigon Petro và Cơng ty Nguyễn Chí từ năm 2005. Các doanh nghiệp này đã triễn khai 5 đề tài: gasohol từ cồn cơng nghiệp (cồn 96%), gasohol từ cồn khan (cồn 99,5%), đầu tư nhà máy sản xuất gasohol, đầu tư nhà máy sản xuất cồn cơng nghiệp, đầu tư nhà máy sản xuất cồn khan. Tất cả nhằm mục đích đưa xăng sinh học với tỉ lệ 10-12% vào thị trường năng lượng.
2.3.2.4 Triển vọng ethanol tương lai
Cần cĩ những nghiên cứu để tăng hiệu quả của bioethanol cũng như của quá trình chuyển hĩa biomass thành nhiên liệu bền vững để thay thế xăng dầu. Điều này cĩ liên quan đến việc giảm chi phí chuyển hĩa, tăng năng suất và tăng sựđa dạng của các nguồn nguyên liệu cĩ thể sử dụng. Hướng đi cho những nghiên cứu để phát triển và cải tiến bioethanol là tìm những phương pháp chuyển hĩa hemicellulose thành đường để lên men. Một khía cạnh rất thú vị, và cũng được nghiên cứu trong đề tài này, là quá trình đường hĩa và lên men đồng thời (SSF). Những phương pháp hiện nay cĩ thểđạt được hiệu suất 50 – 72% ethanol cho mỗi gam glucose, giới hạn bởi khả năng chịu ảnh hưởng của nấm men đối với ethanol. Điều này dẫn đến hướng khả thi nghiên cứu những chủng nấm men cĩ khả năng chịu ức chế tốt hơn. Ở khía cạnh này, cơng nghệ sinh học và vi sinh sẽđĩng vai trị rất quan trọng trong cơng nghệ gene, khơng chỉ ở việc phát triển nấm men, mà cịn ở việc phát triển những giống vi sinh vật khác cĩ khả năng chuyển hĩa cellulose và lignin tạo thành đường và lên men ethanol. .
Chương 3 THỰC NGHIỆM
3.1 NGUYÊN LIỆU VÀ HĨA CHẤT
3.1.1 Rơm rạ
Rơm rạ sử dụng trong nghiên cứu này được lấy từ xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, thành phố Hồ Chí Minh.
Hình 3-1 Rơm chưa nổ hơi
3.1.2 Enzyme
Enzyme được sử dụng là enzyme cellusoft L cĩ nguồn gốc từ Novo Nordisk – Đan Mạch.
Enzyme này được chúng tơi mua tại cơng ty TNHH Nam Giang, 133/11 Hồ Văn Huê, quận Phú Nhuận với tên thương mại là Cellusoft L, cĩ dạng lỏng, màu nâu đỏ. Đây là một chế phẩm cellulase điều chế bằng phương pháp lên men chìm với hoạt tính biểu thị 1500 NCU/g. Hoạt tính biểu thị này được xác định theo phương pháp phân tích của Novo Nordisk, AF 187.2.
Các thơng số của enzyme Cellusoft L: Nhiệt độ hoạt động tối ưu 500C pH hoạt động tối ưu 4.8
3.1.3 Giống nấm men
Giống nấm men được sử dụng là saccharomyces cerevisiae với chủng Turbo yeast extra do hãng Fermtech Wholasale của Anh cung cấp.
Hình 3-2 Saccharomyces serevisiae chủng turbo yeast extra nhìn dưới kính hiển vi
Chủng này đã được hoạt hĩa và cấy truyền trên thạch nghiêng, bảo quản ở 4oC và được cấy truyền hàng tháng để giữ giống.
3.2 CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG
• Thiết bị nổ hơi hiện cĩ tại trung tâm nghiên cứu cơng nghệ lọc hĩa dầu. Thiết bị gồm cĩ:
¾ Bộ phận nạp liệu và gia nhiệt: cĩ thể tích 5l. Biomass và nước được nạp liệu vào bộ phận này. Bộ phận là một thiết bị hình trụ. Xung quanh thành cĩ các điện trở để gia nhiệt cho nguyên liệu bên trong. Phía dưới bộ phận cĩ van xả áp để tạo sự giảm áp đột ngột, giúp phá vỡ cấu trúc nguyên liệu.
¾ Bộ phận xả: thiết bị hình trụ, cĩ thể tích 1m3 nhằm tạo sự giảm áp đột ngột. Đồng thời là bộ phận chứa nguyên liệu sau nổ hơi. Hai nên bộ phận cĩ hai cửa trịn, phía dưới cĩ một cửa tháo liệu.
Hình 3-3 Thiết bị nổ hơi quy mơ pilot
• Bể lắc điều nhiệt : sử dụng nước làm chất tải nhiệt
- Đầu dị RID – 10A
- Bơm cao áp LC – 20AD
- Bộ phận tách khí DGU – 20 A3
- Bộ phận lị cột CTO – 20A
¾ Cột sử dụng phân tích là SUGAR SH101, H312039. Thành phần chính của cột là copolymer của styrene divinylbenzene.
¾ Kích thước cột: 8mmID×300mml
¾ Pha động cĩ thể sử dụng là nước, acetonitril, ethanol ở dạng đơn chất hoặc là hỗn hợp. Pha động thường hay được sử dụng là H2SO4 0.01N
- Bộ xử lý và máy in C – R8A • Nồi hấp tiệt trùng y tế • Kính hiển vi • Buồng đếm hồng cầu Hình 3-5 Hình dạng buồng đếm hồng cầu dưới kính hiển vi Hình 3-6 Buồng đếm hồng cầu
• Máy đo pH 220K METTER TOLEDO • Máy sục oxy
• Máy ly tâm MIKRO 120 • Cân phân tích
• Lị nung
3.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG
3.3.1 Phương pháp phân tích thành phần xơ sợi trong biomass – rơm rạ
3.3.1.1 Nguyên lý
Xử lý biomass với lần lượt với các loại hĩa chất khác nhau nằm loại bỏ lần lượt các thành phần trong biomass. Thơng qua đĩ, giúp xác định các thành phần xơ sợi chính trong biomass gồm cellulose, hemicellulose và lignin.
3.3.1.2 Hĩa chất sử dụng a) Tách chất béo
Dung dịch ethanol/benzene với tỷ lệ 1:2
b) Dung dịch NDS ( Neutral detergent solution)
Bảng 3-1 Thành phần dung dịch NDS
STT Hĩa chất Lượng
1 Nước cất 1L
2 EDTA 18,61 g
3 Natri tetraborat decahydrate 6.81 g
4 Natri dodecyl Sulfate 30 g
5 2 – ethoxyethanol 10 ml
6 Dinatri hydrophosphate 4,56 g
Trước tiên hịa tan 2 và 3 vào 1; sau đĩ hịa tan 4 và 5 vào dung dịch vừa pha, cuối cùng hịa tan 6 vào dung dịch. Dung dịch thu được cĩ pH trung tính (6.9-7.1)
c) Dung dịch ADS Gồm cĩ
d) Các hĩa chất khác
• Decahydronaphtalene (hỗn hợp của cis và trans) • Natri sulfite
• Acetone
3.3.1.3 Trình tự tiến hành a) Chuẩn bị mẫu
Sấy khơ biomass trong tủ sấy ở nhiệt độ 105oC.
Cắt nhỏ mẫu, sử dụng máy nghiền. Trong đề tài này, rơm rạđược cắt nhỏđến kích thước cần thiết bằng cối xay thịt.
Rây mẫu đã qua nghiền, sử dụng rây cĩ kích thước 250μm.
Chiết tách các chất béo cĩ trong mẫu, sử dụng soxhlet với hệ dung mơi Ethanol/Benzene.
Làm khơ dung mơi.
Sấy mẫu trong tủ sấy ở nhiệt độ 105oC
b) Tách chất béo bằng dung mơi ethanol/benzene
Cân 10g mẫu đã được cắt nhỏ và sấy khơ, cho vào Glass fiber filter (GFF), cân khối lượng GFF cĩ mẫu W’1 = (các thành phần khác của biomass + GFF + chất béo)
Chuẩn bị 300 ml hệ dung mơi Ethanol/Benzene với tỷ lệ 1:2. Cho vào bình cầu cĩ dung tích 500ml
Đặt bộ lọc sợi thủy tinh vào soxhlet, lắp bộ soxhlet (như hình 3.7) Đun cho dung mơi sơi (80oC) trong vịng 6 giờ.
Lấy GFF ra khỏi soxhlet, sấy trong tủ sấy ở nhiệt độ 105oC trong vịng 8 giờ. Cân lại khối lượng GFF, W’2 = (các thành phần khác của biomass + GFF) Tính lượng chất béo đã tách ra
W’ = W’1 – W’2
Bước phân tích này nhằm đo tổng lượng xơ sợi (hemcellulose, cellulose và lignin) trong biomass. Bằng cách cho biomass phản ứng với NDS, NDS là một hệ chất cĩ tác dụng tẩy rửa, hịa tan các chất trích ly, cịn lại xơ sợi và tro.
Các bước thực hiện:
Cho 100ml dung dịch NDS, 2ml decahydronaphtalene và 0,5g natri sulfite vào 0,5g mẫu. (cân chính xác khối lượng mẫu m1)
Lắp hệ thống gồm sinh hàn như hình 3.8
Hình 3-7 Bộ dụng cụ soxhlet Hình 3-8 Hệ thống phân tích
NDS và ADS Hình Crucible 3-9 Grooch
Đun hỗn hợp sơi (thường cần 5 – 10 phút ban đầu để chỉnh bếp đun) giữ cho hỗn hợp sơi trong vịng 60 phút.
Lọc dung dịch bằng phễu Gooch Crucible, sau đĩ rửa bằng nước sơi (vài lần) và bằng acetone (2 lần)
Sấy khơ Crucible ở nhiệt độ 105oC trong vịng 8h sau đĩ cân khối lượng crucible (W1)
Tính khối lượng xơ sợi: xơ sợi(cellulose + hemicellulose + lignin) = W1 – W2
d) Phân tích thành phần ADS
Bước này nhằm xác định phần cellulose và lignin trong biomass. Bằng cách cho biomass phản ứng với dung dịch ADS, acid trong ADS sẽ thủy phân hemicellulose, CTAB và acid sẽ hịa tan các chất trích ly, phần cịn lại là cellulose, lignin, tro.
Cho 100ml dung dịch ADS, 2ml decahydronaphtalene vào 1g mẫu. Cân chính xác lại khối lượng mẫu m2.
Lắp dụng cụ giống với bước làm NDS.
Đun nĩng hỗn hợp đến sơi , giữở trạng thái sơi trong 60 phút.
Lọc hỗn hợp bằng phễu Gooch Crucible, đồng thời nghiền bã trên phễu lọc bằng đủa thủy tinh và rửa bã bằng nước sơi 2 lần. Sau đĩ rửa bằng acetone đến khi acetone sau rửa khơng màu.
Sấy khơ Crucible ở 105oC, sau 8h, cân khối lượng bã W4 W4 = cellulose + lignin + tro + crucible.
e) Phân tích thành phần ADL
Bước này nhằm xác định thành phần lignin trong biomass. Bằng cách xử lý bã sau ADS bằng H2SO4 72%, acid này sẽ hịa tan cellulose, chỉ cịn lại lignin và tro.
Sau khi xác định khối lượng phần ADF (W4), thêm 10ml H2SO4 72% khối lượng vào phễu crucible, đảo trộn và nghiền bằng đủa thủy tinh tạo dạng paste. Sau đĩ tiếp tục khuấy trộn trong vịng 1 giờ. Để acid và dung dịch H2SO4 và các chất hịa tan chảy tự do xuống, nếu tất cả acid đều chảy xuống trước 1 giờ, cho thêm 10ml acid.
Sau khi tất cả acid đã chảy xuống sau 1 giờ, cho thêm 10ml H2SO4. Tiếp tục bước trên 3 lần nữa (3 giờ).
Sau đĩ rửa bã trên crucible với lượng dư nước sơi.
Sấy khơ crucible trong tủ sấy ở 105oC trong vịng 8 giờ, sau đĩ cân khối lượng crucible W6
W5 = lignin + tro + crucible
Đun crucible trong lị nung, nhiệt độ 500 – 550oC, trong 3 giờ, sau đĩ cân lại crucible
W6 = tro + crucible
f) Phân tích tro
Cân 1g mẫu đã qua cắt nhỏ, rây, sấy khơ ở 105oC đến khối lượng khơng đổi. Cân chính xác khối lượng mẫu và ghi lại (m3)
Cho mẫu vào cốc nung và cân khối lượng cốc nung m4.
Đem cốc nung ở 500 – 550oC trong 3 giờ, sau đĩ cân lại khối lượng cốc m5
3.3.1.4 Tính kết quả
% chất béo= ' ×100%
mau
m W
với mmau là khối lượng mẫu chính xác cân được. % các thành phần xơ sợi
% lignin = ADL =(1-%chất béo) 100%
2 6 5 − × × m W W
% cellulose = ADF - ADL = (1-%chất béo) 100%
2 5 4 − × × m W W % hemicellulose = NDF – ADF =(1-%chất béo) lignin cellulose m W W % % % 100 1 2 1 − × − − × % tro = 100% 3 5 4− × m m m % chất trích ly = 100% - % xơ sợi - % tro
3.3.2 Phương pháp đo nồng độ glucose và ethanol 3.3.2.1 Nguyên lý
Glucose và ethanol được đo nồng độ bằng máy sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) sử dụng pha động là acid sulfuric 0,01N. Mẫu và chuẩn được chạy ở chếđộ: nhiệt độ cột: 60oC, tốc độ pha động 1ml/phút.
vào bản chất của các cấu tử. Những cấu tử như nhau (thuộc cùng một chất) sẽ cĩ thời gian lưu như nhau, nhờ vào đĩ máy HPLC cĩ thể tách hỗn hợp nhiều chất ra khỏi nhau. Do diện tích bề mặt tiếp xúc của pha tĩnh lớn, HPLC cĩ độ phân tách khá cao.
Cột được sử dụng là SH1011, cột này cĩ thểđo đường, acid hữu cơ, fufural và các dẫn xuất, các aldehyde và rượu.
3.3.2.2 Chuẩn bị máy HPLC a) Chuẩn bị pha động
• Hĩa chất gồm acid H2SO4 95% tinh khiết 400μl Nước cất 1000 ml
• Lọc nước cất bằng màng lọc cellulose acetate, kích thước lỗ là 0.45μm.
• Cho 1000ml nước cất đã được lọc vào bình chứa, cho 400 μl H2SO4 95% vào và khuấy kĩ.
• Loại khí trong pha động, bằng cách hút chân khơng bình chứa pha động, vừa hút vừa khuấy trộn kĩ. Thực hiện quá trình này trong 20 – 30 phút đến khi khơng cịn thấy bọt khí trong bình.
b) Start – up hệ thống
• Kiểm tra lại thể tích pha động trong bình.
• Đặt bình chứa pha động vào vị trí, nhúng đầu hút vào bình.