NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL NHIÊN LIỆU TỪ RƠM RẠ

Chia sẻ: Pham Thi Hau Hau | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

890
lượt xem 219
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Rơm rạ được cắt nhỏ và được tiền xử lý bằng phương pháp nổ hơi để phá vỡ cấu trúc. Sau đó được tiến hành thuỷ phân bằng enzyme cellulase hoặc thuỷ phân và lên men đồng thời bằng enzyme cellulase và nấm men saccharomyces cerevisiae chủng turbo yeast extra.ethanol. Luận văn này nghiên cứu quá trình sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ và được chia làm hai phần. Phần đầu nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố :% bã rắn, % enzyme, nhiệt độ, pH lên quá trình thuỷ phân và phần hai nghiên cứu quá trình thuỷ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL NHIÊN LIỆU TỪ RƠM RẠ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL NHIÊN LIỆU TỪ RƠM RẠ SVTH : TRẦN DIỆU LÝ MSSV : 60301608 CBHD : PGS.TS. PHAN ĐÌNH TUẤN BỘ MÔN: KỸ THUẬT HỮU CƠ TP. HỒ CHÍ MINH, 01/2008 i
Đại Học Quốc Gia Tp.HCM. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM. TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA. Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc. --------------- ------------- Số: ________/ BKĐT NHIỆM VỤ LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP KHOA: KỸ THUẬT HÓA HỌC. BỘ MÔN: KỸ THUẬT HỮU CƠ. HỌ VÀ TÊN: TRẦN DIỆU LÝ MSSV: 60301608 NGÀNH:kỸ THUẬT HỮU CƠ LỚP: HC03KSTN 1. Đầu đề luận án: NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL NHIÊN LIỆU TỪ RƠM RẠ 2. Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu): Nghiên cứu quá trình thuỷ phân rơm rạ đã qua tiền xử lý, sử dụng enzyme cellulase. Nghiênu quá trình thuỷ phân và lên men đồng thời rơm rạ đã qua tiền xử lý,, sử dụng enzyme cellulase và nấm men saccharomyces cerevisiae. 3. Ngày giao nhiệm vụ luận án: 15/9/2007. 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15/12/2007. 5. Họ tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn PGS TS. PHAN ĐÌNH TUẤN Toàn bộ. Nội dung và yêu cầu LATN đã được thông qua Bộ môn. Ngày 15 tháng 9 năm 2007 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN. NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH. (Ký và ghi rõ họ tên) ( Ký và ghi rõ họ tên) PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ): Đơn vị: Ngày bảo vệ: Điểm tổng kết: Nơi lưu trữ luận án: ii
LỜI CẢM ƠN Luận văn là tác phẩm của một sinh viên trước khi rời khỏi trường đại học. Để hoàn thành luận văn, sinh viên cần phải áp dụng tất cả các kiến thức và hiểu biết mà mình đã tích luỹ được trong suốt những năm học ở trường. Chính vì vậy những kiến thức mà em đã tiếp thu được trong 5 năm học tại trường Bách Khoa là nền tảng vững chắc giúp em hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa KỸ THUẬT HOÁ HỌC nói chung và các thầy cô trong bộ môn KỸ THUẬT HỮU CƠ nói riêng vì đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ em trong suốt những năm vừa qua. Em xin chân thành cảm ơn thầy Phan Đình Tuấn, thầy là người đã giúp em đến với hướng nghiên cứu này, đồng thời cũng là người tận tình chỉ bảo, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành tốt luận văn. Em cũng xin cảm ơn anh Ngô Đình Minh Hiệp vì đã nhiệt tình giúp đỡ em cả về kiến thức chuyên môn lẫn thực nghiệm trong suốt những ngày hoàn thành luận văn tại Tung tâm Lọc Hoá Dầu. Cuối cùng, em xin cảm ơn bạn bè và người thân trong gia đình, những người luôn là chỗ dựa vững chắc và luôn ủng hộ em trong mọi việc. Sinh viên thực hiện Trần Diệu Lý iii
MỤC LỤC Chương 1 MỞ ĐẦU......................................................................................................1 1.1 CÂY LÚA Ở VIỆT NAM .......................................................................................1 RƠM RẠ................................................................................................................2 1.2 1.2.1 Nguồn rơm rạ ở Việt Nam................................................................................2 1.2.2 Hiện trạng sử dụng năng lượng từ rơm rạ ở Việt Nam ....................................3 1.3 BIOETHANOL TỪ RƠM RẠ ................................................................................3 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU........................................................4 1.4 Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU...........................................................................5 2.1 NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE .................................................................5 2.1.1 Cấu trúc lignocellulose .....................................................................................5 2.1.2 Cellulose ...........................................................................................................6 2.1.3 Hemicellulose ...................................................................................................8 2.1.4 Lignin .............................................................................................................10 2.1.5 Các chất trích ly..............................................................................................12 2.1.6 Tro ..................................................................................................................13 2.2 QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL TỪ RƠM RẠ ...........................................13 2.2.1 Tổng quát........................................................................................................13 2.2.2 Tiền xử lý........................................................................................................14 2.2.3 Thủy phân.......................................................................................................20 2.2.4 Lên men ..........................................................................................................33 2.2.5 Thủy phân và lên men đồng thời....................................................................38 2.3 SƠ LƯỢC VỀ BIOFUEL VÀ ETHANOL NHIÊN LIỆU ....................................44 2.3.1 Biofuel ............................................................................................................44 2.3.2 Ethanol nhiên liệu...........................................................................................45 Chương 3 THỰC NGHIỆM ......................................................................................48 3.1 NGUYÊN LIỆU VÀ HÓA CHẤT ........................................................................48 3.1.1 Rơm rạ ............................................................................................................48 3.1.2 Enzyme ...........................................................................................................48 3.1.3 Giống nấm men ..............................................................................................49 3.2 CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG .................................................................................49 CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG.....................................................................52 3.3 3.3.1 Phương pháp phân tích thành phần xơ sợi trong biomass – rơm rạ ...............52 3.3.2 Phương pháp đo nồng độ glucose và ethanol.................................................56 3.3.3 Phương pháp xác định độ ẩm của nguyên liệu...............................................63 iv
3.3.4 Phương pháp nuôi cấy và đếm nấm men........................................................64 3.4 TRÌNH TỰ NGHIÊN CỨU.................................................................................66 3.4.1 Sơ đồ quy trình ...............................................................................................67 3.4.2 Quá trình nổ hơi – tiền xử lý rơm rạ...............................................................67 3.4.3 Quá trình thủy phân ........................................................................................68 3.4.4 Quá trình thủy phân và lên men đồng thời .....................................................69 Chương 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .....................................................................71 4.1 PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN RƠM RẠ ..............................................................71 4.1.1 Thành phần rơm rạ trước nổ hơi.....................................................................71 4.1.2 Thành phần rơm rạ sau nổ hơi........................................................................72 4.1.3 So sánh rơm rạ trước và sau nổ hơi................................................................72 4.1.4 Thành phần dịch nổ hơi. .................................................................................74 4.2 QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN.................................................................................76 4.2.1 Thành phần dịch thủy phân ............................................................................76 4.2.2 Ảnh hưởng của phần trăm bã rắn ...................................................................77 4.2.3 Ảnh hưởng của lượng enzyme cho vào..........................................................79 4.2.4 Ảnh hưởng của pH .........................................................................................84 4.2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ .................................................................................87 4.2.6 Hiệu suất thủy phân , nồng độ đường tạo thành theo thời gian......................92 4.3 QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI ..................................94 4.3.1 Thành phần dịch thủy phân và lên men đồng thời .........................................94 4.3.2 Ảnh hưởng của lượng emzyme cho vào.........................................................95 4.3.3 Ảnh hưởng của mật độ nấm men ban đầu......................................................98 4.3.4 Hiệu suất toàn quá trình theo thời gian ........................................................101 Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ....................................................................104 5.1 KẾT LUẬN QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN ...........................................................104 KẾT LUẬN QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI.............104 5.2 SO SÁNH HIỆU SUẤT TOÀN QUÁ TRÌNH CỦA THỦY PHÂN VỚI THỦY 5.3 PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI .............................................................................105 5.4 ĐỀ NGHỊ .........................................................................................................105 TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................106 PHỤ LỤC ........................................................................................................................108 v
DANH MỤC HÌNH Hình 1-1 Tỉ lệ % trong tổng giá trị sản lượng nông nghiệp .................................................1 Hình 1-2 Các nguồn biomass chính ở Việt Nam năm 2000.................................................3 Hình 2-1 Cấu trúc của lignocellulose ...................................................................................6 Hình 2-2 Mối quan hệ cellulose – hemicellulose trong cấu trúc lignocellulose ..................6 Hình 2-3 Công thức hóa học của cellulose...........................................................................7 Hình 2-4 Kiểu Fringed fibrillar và kiểu Folding chain ........................................................7 Hình 2-5 Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan.......................................................................9 Hình 2-6 Glucomannan ........................................................................................................9 Hình 2-7 Galactoglucomannan.............................................................................................9 Hình 2-8 Arabinoglucuronoxylan.......................................................................................10 Hình 2-9 Các đơn vị cơ bản của lignin...............................................................................10 Hình 2-10 Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính..................................11 Hình 2-11: Một số ví dụ về chất trích ly (a) abietic acid (oleoresin); (b) cathechin (flavonoid); (c) palmitic acid (acid béo).....................................................................13 Hình 2-12 Mô tả cơ chế quá trình nổ hơi ...........................................................................17 Hình 2-13 Fufural ...............................................................................................................18 Hình 2-14 Hydroxymethyl fufural......................................................................................18 Hình 2-15: Cấu trúc sợi trước và sau khi nổ hơi, bó sợi cellulose được giải phóng ra khỏi lớp lignin bảo vệ sau khi nổ hơi .................................................................................19 Hình 2-16: (d) sợi lignocellulose không nổ hơi có cấu trúc sít chặt ngăn cản sự tấn công của enzyme, (e) nổ hơi ở 4atm, (f) nổ hơi ở 8atm......................................................19 Hình 2-17 Tác dụng của từng enzyme trong cellulase .......................................................21 Hình 2-18 Quá trình tác động của cellobiohydrolase lên đầu vùng kết tinh của cellulose. ....................................................................................................................................25 Hình 2-19 Cơ chế tác động hiệp đồng của enzyme exo-endo và endo-endo. Enzyme endoglucanase tấn công ngẫu nhiên vào cellulose và tạo cơ chất thích hợp cho enzyme exoglucanase và sau đó khuếch tán nhanh ra khỏi bề mặt. Exoglucanse có thể tấn công từ đầu đường khử và không khử. ...........................................................26 Hình 2-20 Cơ chế quá trình thủy phân ...............................................................................27 Hình 2-21 Tốc độ phản ứng enzyme theo nhiệt độ ............................................................29 Hình 2-22 Ảnh hưởng của pH ............................................................................................30 Hình 2-23 Ảnh hưởng của nồng độ enzyme.......................................................................30 Hình 2-24 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất .......................................................................31 vi
Hình 2-25 Chất kìm hãm cạnh tranh ..................................................................................32 Hình 2-26 Chất kìm hãm không cạnh tranh .......................................................................32 Hình 2-27: Quá trình đường phân ......................................................................................34 Hình 2-28 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phát triển của nấm men..................................35 Hình 2-29: Giống nấm men Pichia stiptis và Saccharomyces cerevisiae...........................38 Hình 2-30 Nồng độ glucose (ô vuông không màu) và celllobiose (ô vuông màu đen) theo thời gian của quá trình thủy phân và lên men đồng thời. ...........................................41 Hình 2-31 Nồng độ ethanol theo thời gian trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời. ....................................................................................................................................42 Hình 3-1 Rơm chưa nổ hơi.................................................................................................48 Hình 3-2 Saccharomyces serevisiae chủng turbo yeast extra nhìn dưới kính hiển vi........49 Hình 3-3 Thiết bị nổ hơi quy mô pilot................................................................................50 Hình 3-4 Máy sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC)..............................................................50 Hình 3-5 Hình dạng buồng đếm hồng cầu dưới kính hiển vi.............................................51 Hình 3-6 Buồng đếm hồng cầu...........................................................................................51 Hình 3-7 Bộ dụng cụ soxhlet..............................................................................................54 Hình 3-8 Hệ thống phân tích NDS và ADS .......................................................................54 Hình 3-9 Grooch Crucible ..................................................................................................54 Hình 3-10 Đường chuẩn glucose........................................................................................60 Hình 3-11 Đường chuẩn ethanol ........................................................................................61 Hình 3-12 Đường chuẩn cellobiose....................................................................................62 Hình 3-13 Bộ dụng cụ thủy phân và lên men đồng thời ....................................................70 Hình 4-1 Thành phần rơm rạ trước nổ hơi .........................................................................71 Hình 4-2 Thành phần rơm rạ sau nổ hơi. ...........................................................................72 Hình 4-3 So sánh kết quả các thành phần rơm rạ trước và sau nổ hơi...............................73 Hình 4-4 Rơm trước nổ hơi ................................................................................................74 Hình 4-5 Rơm sau nổ hơi ...................................................................................................74 Hình 4-6 Nồng độ glucose, cellobiose và hiệu suất thu được theo % bã rắn cho vào .......78 Hình 4-7 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian tương ứng với các % enzyme khác nhau ............................................................................................................................80 Hình 4-8 Nồng độ cellobiose tạo thành theo thời gian ứng với các % enzyme .................81 Hình 4-9 Nồng độ glucose, cellobiose thu được và hiệu suất theo % enzyme ..................82 Hình 4-10 Tốc độ phản ứng ban đầu theo % enzyme cho vào...........................................83 Hình 4-11 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với các giá trị pH khác nhau ...85 Hình 4-12 Hiệu suất, nồng độ glucose và nồng độ cellobiose theo pH dung dịch ............86 vii
Hình 4-13 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với các giá trị nhiệt độ: nhiệt độ phòng khác nhau.........................................................................................................88 Hình 4-14 Nồng độ cellobiose theo thời gian ứng với các điều kiện nhiệt độ khác nhau. 89 Hình 4-15 Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất tại 24 giờ theo nhiệt độ.......................90 Hình 4-16 Tốc độ phản ứng ban đầu theo nhiệt độ. ...........................................................91 Hình 4-17 Nồng độ glucose, cellobiose và hiệu suất theo thời gian. .................................93 Hình 4-18 Nồng độ ethanol, glucose và hiệu suất theo % enzyme, tại 24 giờ...................96 Hình 4-19 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose và hiệu suất theo % enzyme cho vào tại 48 giờ ..........................................................................................................................97 Hình 4-20 Nồng độ ethanol, glucose và hiệu suất theo tỉ lệ mật độ nấm men cho vào tại 24 giờ ...............................................................................................................................99 Hình 4-21 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose và hiệu suất theo tỉ lệ mật độ nấm men cho vào tại 48 giờ .....................................................................................................100 Hình 4-22 Nồng độ cellobiose, glucose và ethanol tạo thành theo thời gian trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời. ..............................................................................102 viii
DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1 Cơ cấu giá trị sản lượng nông ngư nghiệp Việt Nam năm 2002 [7] ...................1 Bảng 1-2 Các nguồn biomass chính ở Việt Nam năm 2000 [8]...........................................2 Bảng 2-1 Thành phần của vài loại lignocellulose theo [10].................................................5 Bảng 2-2 Các thông số vận hành và kết quả quá trình thủy phân và lên men đồng thời được thực hiện trên nhiều nước[9] .............................................................................39 Bảng 2-3 Ảnh hưởng của ethanol, glucose và cellobiose lên enzyme cellulase và β- glucosidase..................................................................................................................39 Bảng 2-4 Kết quả quá trình thủy phân và lên men đồng thời tiến hành với rơm đã qua tiền xử lý bằng acid loãng, quá trình được tiến hành trong điều kiện kỵ khí....................40 Bảng 2-5 Ảnh hưởng của việc thêm các thành phần mới vào dịch thủy phân và lên men đồng thời lúc 80 giờ....................................................................................................43 Bảng 3-1 Thành phần dung dịch NDS ...............................................................................52 Bảng 3-2 Kết quả chạy chuẩn.............................................................................................58 Bảng 3-3 Kết quả chuẩn glucose ........................................................................................59 Bảng 3-4 Kết quả cho chuẩn ethanol.................................................................................60 Bảng 3-5 Kết quả chuẩn cellobiose ....................................................................................62 Bảng 3-6 Thành phần môi trường Hansen dùng cho việc nuôi cấy, bảo quản gống nấm men. ............................................................................................................................64 Bảng 3-7 Thành phần chất dinh dưỡng bổ sung cho dung dịch thủy phân và lên men đồng thời..............................................................................................................................69 Bảng 4-1 Thành phần rơm rạ khô trước nổ hơi..................................................................71 Bảng 4-2 Thành phần rơm rạ theo Hồ Sĩ Tráng [3] ...........................................................71 Bảng 4-3 Thành phần rơm rạ khô sau nổ hơi .....................................................................72 Bảng 4-4 So sánh thành phần rơm rạ trước và sau nổ hơi .................................................72 Bảng 4-5 Thành phần dịch nổ hơi ......................................................................................74 Bảng 4-6 Thành phần dịch thủy phân.................................................................................76 Bảng 4-7 Kết quả ảnh hưởng của phần trăm bã rắn ...........................................................77 Bảng 4-8 Nồng độ glucose theo thời gian ứng với các % enzyme khác nhau ...................79 Bảng 4-9 Nồng độ cellobiose tạo thành theo thời gian ứng với % enzyme khác nhau......80 Bảng 4-10 Hiệu suất quá trình thủy phân theo thời gian ứng với các % enzyme khác nhau ....................................................................................................................................81 Bảng 4-11 Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất và tốc độ ban đầu theo lượng enzyme cho vào........................................................................................................................82 ix
Bảng 4-12 Nồng độ glucose theo thời gian ứng với các giá trị pH ban đầu khác nhau.....84 Bảng 4-13 Hiệu suất thủy phân theo thời gian ứng với các giá trị pH ban đầu khác nhau 85 Bảng 4-14 Hiệu suất và nồng độ glucose, cellobiose theo pH dung dịch ..........................86 Bảng 4-15 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với các giá trị nhiệt độ khác nhau. ...........................................................................................................................87 Bảng 4-16 Nồng độ cellobiose tạo thành theo thời gian tương ứng các chế độ nhiệt độ khác nhau....................................................................................................................88 Bảng 4-17 Hiệu suất quá trình thủy phân theo thời gian tương ứng các nhiệt độ khác nhau ....................................................................................................................................89 Bảng 4-18 Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất và tốc độ ban đầu đạt được theo nhiệt độ ................................................................................................................................90 Bảng 4-19 Nồng độ glucose, cellobiose và hiệu suất theo thời gian..................................92 Bảng 4-20 Thành phần dịch thủy phân và lên men đồng thời............................................94 Bảng 4-21 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose và hiệu suất toàn quá trình theo % enzyme cho vào tại 24 giờ và 48 giờ..........................................................................96 Bảng 4-22 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose và hiệu suất theo mật độ nấm men cho vào ..............................................................................................................................99 Bảng 4-23 Nồng độ cellobiose, glucose và ethanol tạo thành theo thời gian trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời ...............................................................................101 x
TÓM TẮT LUẬN VĂN Rơm rạ chiếm tỉ lệ lớn trong các phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam. Với thành phần chứa hơn 40% là cellulose, rơm rạ là nguồn nguyên liệu thích hợp cho quá trình sản xuất ethanol. Luận văn này nghiên cứu quá trình sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ và được chia làm hai phần. Phần đầu nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố :% bã rắn, % enzyme, nhiệt độ, pH lên quá trình thuỷ phân và phần hai nghiên cứu quá trình thuỷ phân và lên men đồng thời. Rơm rạ được cắt nhỏ và được tiền xử lý bằng phương pháp nổ hơi để phá vỡ cấu trúc. Sau đó được tiến hành thuỷ phân bằng enzyme cellulase hoặc thuỷ phân và lên men đồng thời bằng enzyme cellulase và nấm men saccharomyces cerevisiae chủng turbo yeast extra. Kết quả cho thấy rằng, quá trình thuỷ phân diễn ra tốt nhất trong điều kiện: 11% bã rắn, 5% enzyme, 50 C và pH 4,8, tương ứng nồng độ glucose thu được là 55,08g/l và hiệu o suất đạt 81%. Quá trình thuỷ phân và lên men đồng thời đạt được kết quả tốt ở 11% bã rắn, 5% enzyme, 23,6 triệu tế bào nấm men/ml, 50 C và pH 4,8. quá trình này thu được 30,86g/l o ethanol tương ứng hiệu suất là 86,61%. Kết quả này cho thấy quá trình thuỷ phân và lên men đồng thời rất thích hợp cho việc sản xuất ethanol từ rơm rạ. xi
ABSTRACT In Viet Nam, rice straw composes the main portion in agricultural byproducts. Containing above 40% of cellulose, rice straw is such a potential feedstock for ethanol production. This thesis does research on producing ethanol form rice straw and can be divided into 2 parts. The first part studies the effects of the dry solid concentration, enzyme loading, temperature and pH on the saccharification. The second part explores the simultaneous saccharification and fermentation (SSF) process. Rice straw was pretreated by steam explosion method in order to be more accessible to enzyme. Then, the residue was introduced to hydrolyzed step or to SSF step. These steps were taken place during 2 to 3 days. The former utilized enzyme cellulase to hydrolyze cellulose in rice straw. In the latter, both the yeast saccharomyces cerevisiae and emzyme cellulase were employed. The result indicated that the optimized condition for saccharification is 11% of dry solid, 5% of enzyme, 50 C and pH 4,8. With this condition, 55,08 g/l glucose was formed o and the yield of 81% was obtained. The experiments in SSF showed that the best condition for this process includes 11% of dry solid; 5% of enzyme; 23,6 million cell/ml; 37 C and pH 4,8. 30,86g/l ethanol o was formed with the yield of 86,61%. This result indicates that SSF is such a suitable process for producing ethanol from rice straw. xii
Chương 1: MỞ ĐẦU Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1 CÂY LÚA Ở VIỆT NAM Cây lúa luôn giữ vị trí trung tâm trong nông nghiệp và kinh tế Việt Nam. Hình ảnh đất Việt thường được mô tả như là một chiếc đòn gánh khổng lồ với hai đầu là hai vựa thóc lớn là Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) và Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH). Khoảng 80% trong tổng số 11 triệu hộ nông dân tham gia sản xuất lúa gạo, chủ yếu đựa vào phương thức canh tác thủ công truyền thống. Bảng 1-1 Cơ cấu giá trị sản lượng nông ngư nghiệp Việt Nam năm 2002 [7] GTSL Tỉ lệ % trong tổng giá trị sản lượng Nông-Lâm-Ngư nghiệp Nông- Nông nghiệp Lâm Ngư Lâm-Ngư nghiệp nghiệp Lúa Tổng số Các nguồn (tỉ đồng) khác 40,3 78,3 38,0 Cả nước 3,9 17,8 154478 ĐBSH 91,6 46,3 45,3 1,0 7,4 24415 ĐBSCL 69,9 53,5 16,4 2,1 18,5 59663 Tæ leä % trong toång giaù trò saûn löôïng noâng nghieäp Ngư nghiệp Cây lúa 18% 38% Lâm nghiệp 4% Các nguồn khác 40% Hình 1-1 Tỉ lệ % trong tổng giá trị sản lượng nông nghiệp 1
Chương 1: MỞ ĐẦU Ghi chú: Các nguồn khác: % giá trị sản lượng của cây hoa màu lương thực, rau đậu, cây ăn quả, cây công nghiệp, chăn nuôi và dịch vụ nông nghiệp. Bảng số liệu và đồ thị trên cho ta thấy vai trò quan trọng của cây lúa chiếm 38% trong tổng giá trị sản lượng nông – lâm - ngư nghiệp cả nước. 1.2 RƠM RẠ Việc sản xuất lúa gạo đã tạo ra một lượng lớn phế phẩm từ cây lúa bao gồm rơm và trấu. Rơm và trấu là hai trong số nhiều nguồn biomass phổ biến và có nhiều tiềm năng ở Việt Nam. 1.2.1 Nguồn rơm rạ ở Việt Nam Rơm rạ chiếm một phần rất lớn trong các nguồn biomass ở Việt Nam. Bảng 1-2 Các nguồn biomass chính ở Việt Nam năm 2000 [8] N Lượng (triệu tấn) ăng lượng chứa STT Biomass Phần trăm(%) đựng (GJ) Gỗ thải từ nhà 1 3,1 2,6 35,960 máy cưa Gỗ đốt 12,4 186,000 13,4 2 0,015 57 0 Rác thải rắn 3 61,9 866,600 62,6 Rơm 4 5,6 63,840 4,6 Trấu 5 4,8 60,000 1,3 Vỏ bắp 6 0,6 7,500 0,5 Bã khoai mì 7 1,5 18,750 1,4 Phế phẩm cây mía 8 5,0 36,050 2,6 Bã mía 9 10 0,1 1,250 0,1 Vỏ đậu 5,8 104,400 7,5 Xơ và lá dừa 11 0,3 4,670 0,3 Vỏ hạt cafe 12 Tổng 101,1 1,385,077 100 2
Chương 1: MỞ ĐẦU goã thaûi töø nhaø Caùc nguoàn biomass chính ôû Vieät Nam naêm 2000 maùy cöa goã ñoát raùc thaûi raén rôm traáu 4.6 voû baép baõ khoai mì Pheá phaåm caây mía baõ mía voû ñaäu 62.6 xô vaø laù döøa voû haït cafe Hình 1-2 Các nguồn biomass chính ở Việt Nam năm 2000 Bảng số liệu và đồ thị trên cho thấy vị trí và tiềm năng rất lớn của rơm trong viêc sử dụng làm nguồn nguyên liệu. Rơm chiếm 62,6% trong tổng khối lượng biomass ở Việt Nam năm 2000 với lượng năng lượng chứa đựng là 866.600 GJ. Rơm hứa hẹn là một nguồn năng lượng lớn cho nước ta. 1.2.2 Hiện trạng sử dụng năng lượng từ rơm rạ ở Việt Nam Mặc dù rơm rạ là một nguồn năng lượng lớn, rơm rạ nói riêng và từ biomass nói chung không dược sử dụng một cách hiệu quả ở Việt Nam. Phần lớn rơm rạ được bón trở lại ruộng sau khi thu hoạch, sử dụng làm chất đốt cho các hộ nhà nông, làm thức ăn cho gia súc … Theo [8], biomass chỉ chiếm 3,8% trong tổng năng lượng sử dụng của thành phố Hồ Chí Minh năm 2003, trong khi đó, nguồn năng lượng này chiếm 89% trong tổng năng lượng sử dụng ở nông thôn năm 2001. Ở nông thôn, biomass chủ yếu được dùng làm chất đốt và hiệu suất sử dụng năng lượng của quá trình này chỉ được 10%. 1.3 BIOETHANOL TỪ RƠM RẠ Ngày nay sức ép từ khủng hoảng dầu mỏ và nhu cầu năng lượng luôn là vấn đề nan giải của bất cứ quốc gia nào trên thế giới. Mỹ và Brazil đã thành công trong việc sản xuất 3
Chương 1: MỞ ĐẦU ethanol từ nguồn sinh học là bắp và mía. Điều này đã khích lệ các nước khác đầu tư nghiên cứu vào lĩnh vực nhiên liệu sinh học. Bên cạnh sản xuất ethanol từ nguồn tinh bột (bắp) và đường (mía), ethanol có thể được sản xuất từ lignocellulose. Lignocellulose là loại biomass phổ biến nhất trên thế giới. Vì vậy sản xuất ethanol từ biomass cụ thể là từ nguồn lignocellulose là một giải pháp thích hợp đặc biệt là với các quốc gia nông nghiệp như Việt Nam. Nền nông nghiệp Việt Nam hằng năm tạo ra một lượng lớn phế phẩm nông nghiệp, chủ yếu là lignocellulose từ các vụ mùa. Tận dụng nguồn nguyên liệu này, cụ thể là rơm rạ để sản xuất bioethanol là phương pháp sử dụng rơm rạ một cách hiệu quả đồng thời góp phần giải quyết vấn đề năng lượng cho nước ta. 1.4 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Mục đích chính của đề tài là nghiên cứu khả năng xử lý rơm rạ để lên men ethanol. Các mục tiêu chính trong đề tài là: • Nghiên cứu quá trình thủy phân rơm đã qua tiền xử lý nổ hơi bằng enzyme cellulase, tạo ra dịch đường. • Nghiên cứu quá trình thủy phân và lên men đồng thời để chuyển hóa cellulose trong nguồn rơm rạ ban đầu thành ethanol. Các nội dung chính cần phải thực hiện để đạt được mục tiêu trên: Đối với quá trình thủy phân: • Khảo sát ảnh hưởng của lượng bã rắn đối với quá trình thủy phân. • Khảo sát ảnh hưởng của lượng enzyme cho vào đối với quá trình thủy phân. • Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch đến quá trình thủy phân. • Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thủy phân. • Khảo sát nồng độ đường tạo thành theo thời gian. Đối với quá trình thủy phân và lên men đồng thời • Khảo sát ảnh hưởng của lượng enzyme đến quá trình. • Khảo sát ảnh hưởng của lượng nấm men cho vào lên quá trình. • So sánh hiệu suất chuyển hóa quá trình thủy phân với quá trình thủy phân và lên men đồng thời. 4
Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE Lignocellulose là vật liệu biomass phổ biến nhất trên trái đất. Lignocellulose có trong phế phẩm nông nghiệp, chủ yếu ở dạng phế phẩm của các vụ mùa; trong sản phẩm phụ của công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy; có trong rác thải rắn của thành phố... Với thành phần chính là cellulose, lignocellulose là một nguồn nguyên liệu to lớn cho việc sản xuất bioethanol. Rơm rạ là một dạng vật liệu lignocellulose. 2.1.1 Cấu trúc lignocellulose Thành phần chính của vật liệu lignocellulose là cellulose, hemicellulose, lignin, các chất trích ly và tro. Bảng 2-1 Thành phần của vài loại lignocellulose theo [10] Hemicellulose Ch Lignin ất Nguồn/% Cellulose Xylane Mannan Galactan Arabianan trích ly Gỗ vân sam 41,9 6,1 14,3 - 1,2 27,1 9,6 Gỗ thông 37,7 4,6 7,0 - - 27,5 10,8 Gỗ cây bulô 38,2 18,5 1,2 - - 22,8 4,8 Gỗ dương 49,9 17,4 4,7 1,2 1,8 18,1 - Phế phẩm 36,4 18,0 0,6 1,0 3,0 16,6 7,3 cây bắp Rơm lúa mì 38,2 0,3 2,5 23,4 13,0 21,2 Rơm lúa(*) 34 – 38 32 – 40 12 (*) theo Hồ Sĩ Tráng [3] Theo [10 ] về cơ bản, trong lignocellulose, cellulose tạo thành khung chính và được bao bọc bởi những chất có chức năng tạo mạng lưới như hemicellulose và kết dính như lignin. Cellulose, hemicellulose và lignin sắp xếp gần nhau và liên kết cộng hóa trị với nhau. Các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose, galactose, và acid 4-O- methylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin. 5
Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU Hình 2-1 Cấu trúc của lignocellulose Các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản. Các sợi này được gắn lại với nhau nhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi, với chiều rộng khoảng 25nm. Các vi sợi này được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp bảo vệ cellulose khỏi sự tấn công của ezyme cũng như các hóa chất trong quá trình thủy phân. [9] Hình 2-2 Mối quan hệ cellulose – hemicellulose trong cấu trúc lignocellulose 2.1.2 Cellulose Cellulose là một polymer mạch thẳng của D-glucose, các D-glucose được liên kết với nhau bằng liên kết β 1-4 glucosid. Cellulose là loại polymer phổ biến nhất trên trái đất, độ trùng hợp đạt được 3.500 – 10.000 DP [9]. Các nhóm OH ở hai đầu mạch có tính chất 6
Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU hoàn toàn khác nhau, cấu trúc hemiacetal tại C1 có tính khử, trong khi đó OH tại C4 có tính chất của rượu. [2] Hình 2-3 Công thức hóa học của cellulose Các mạch cellulose được liên kết với nhau nhờ liên kết hydro và liên kết Van Der Waals, hình thành hai vùng cấu trúc chính là kết tinh và vô định hình. Trong vùng kết tinh, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau, vùng này khó bị tấn công bởi enzyme cũng như hóa chất. Ngược lại, trong vùng vô định hình, cellulose liên kết không chặt với nhau nên dễ bị tấn công [9]. Có hai kiểu cấu trúc của cellulose đã được đưa ra nhằm mô tả vùng kết tinh và vô định hình. [10] Hình 2-4 Kiểu Fringed fibrillar và kiểu Folding chain 1/ Kiểu Fringed Fibrillar: phân tử cellulose được kéo thẳng và định hướng theo chìều sợi. Vùng tinh thể có chiều dài 500 Å và xếp xen kẽ với vùng vô định hình. 7
Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2/ Kiểu Folding chain: phân tử cellulose gấp khúc theo chiều sợi. Mỗi đơn vị lặp lại có độ trùng hợp khoảng 1000, giới hạn bởi hai điểm a và b như trên hình vẽ. Các đơn vị đó được sắp xếp thành chuỗi nhờ vào các mạch glucose nhỏ, các vị trí này rất dễ bị thủy phân. Đối với các đơn vị lặp lại, hai đầu là vùng vô định hình, càng vào giữa, tính chất kết tinh càng cao. Trong vùng vô định hình, các liên kết β - glucosid giữa các monomer bị thay đổi góc liên kết, ngay tại cuối các đoạn gấp, 3 phân tử monomer sắp xếp tạo sự thay đổi 180 cho toàn mạch. Vùng vô định hình sẽ dễ bị tấn công bởi các tác nhân thủy phân o hơn vùng tinh thể vì sự thay đổi góc liên kết của các liên kết cộng hóa trị (β - glucosid) sẽ làm giảm độ bền nhiệt động của liên kết, đồng thời vị trí này không tạo được liên kết hydro. [4] Cellulose được bao bọc bởi hemicellulos và lignin, điều này làm cho cellulose khá bền vững với tác động của enzyme cũng như hóa chất. 2.1.3 Hemicellulose Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng 70 đến 200 DP. Hemicellulose chứa cả đường 6 gồm glucose, mannose và galactose và đường 5 gồm xylose và arabinose. Thành phần cơ bản của hemicellulose là β-D xylopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết β -(1,4). Cấu tạo của hemicellulose khá phức tạp và đa dạng tùy vào nguyên liệu, tuy nhiên có một vài điểm chung gồm: • Mạch chính của hemicellulose được cấu tạo từ liên kết β -(1,4). • Xylose là thành phần quan trọng nhất. • Nhóm thế phổ biến nhất là nhóm acetyl O – liên kết với vị trí 2 hoặc 3. • Mạch nhánh cấu tạo từ các nhóm đơn giản, thông thường là disaccharide hoặc trisaccharide. Sự liên kết của hemicellulose với các polysaccharide khác và với lignin là nhờ các mạch nhánh này. Cũng vì hemicellulose có mạch nhánh nên tồn tại ở dạng vô định hình và vì thế dễ bị thủy phân. Gỗ cứng, gỗ mềm và nguyên liệu phi gỗ có các đặc điểm hemicellulose khác nhau: Gỗ cứng chủ yếu có hai loại hemicellulose: • Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan, là một loại polymer có mạch chính gồm β-D- xylopyranose liên kết với nhau bằng liên kết β-D (1,4). Trong đó 70% các nhóm OH ở vị trí C2 và C3 bị acetyl hóa, 10% các nhóm ở vị trí C2 liên kết với acid 4- 8