Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ

Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL

NHIÊN LIỆU TỪ RƠM RẠ

NHÓM 7

I NGUỒN RƠM RẠ Ở VIỆT NAM VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG RƠM RẠ Ở VIỆT NAM:

Sản lượng lương thực và hoa màu cao đồng nghĩa với việc nước ta có một nguồn phụ phẩm nông nghiệp rất dồi dào Trung bình, để tạo ra 1 tấn gạo đã thải

ra khoảng 1,2 tấn rơm rạ Sản lượng lúa gạo năm 2007 toàn quốc đạt 36 triệu tấn Như vậy, lượng rơm rạ thải ra hằng năm vào khoảng 43 triệu tấn Số liệu thống

kê hằng năm được trình bày theo bảng 1

Cho đến nay, phần lớn rơm rạ thường được để mục hoại ngoài đồng hay đốt tại chỗ để trả lại khoáng chất cho đồng ruộng Phần còn lại được đem về làm thức ăn gia súc hay trồng nấm và làm chất đốt phục vụ nhu cầu đun nấu trong gia đình Nếu có thể sản xuất được ethanol từ rơm rạ sẽ có thể sử dụng có ích nguồn năng lượng từ rơm mà vẫn trả lại được nguồn khoán chất cho cây trồng

Bảng 1: Sản lượng nông nghiệp nước ta năm 2003 (FAO 2004)

II CẤU TRÚC CỦA NGUỒN NGUYÊN LIỆU VÀ KHÓ KHĂN TRONG PHÂN HỦY RƠM RẠ TẠO RA ĐƯỜNG:

II.1 Cấu trúc:

Rơm rạ có thành phần chính là cellulose, Lignin, Hemicellulose, các chất trích ly

và tro

Cấu trúc của rơm rạ

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

Mối quan hệ cellulose – hemicellulose trong cấu trúc rơm rạ

 Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở Trong tự nhiên, lignin chủ yếu đóng vai trò chất liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose và hemicellulose Rất khó để có thể tách lignin ra hoàn toàn

 Cellulose là đường polysaccharide, có công thức (C6H10O5)n, mà số n biến thiên

từ 7,000 đến trên 15,000 phân tử glucose

 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 ; đường 5 gồm xylose và arabinose

II.2 Khó khăn:

Động vật ăn cỏ, mối (termite) tiêu hoá được cellulose nhờ vi-sinh-vật sống

cọng sinh trong bao tử (như Cellulomonas), một số vi khuẩn có khả năng biến

cellulose ra đường, nhờ sản xuất enzyme cellulase biến cellulose ra đường Vì vậy,

để biến cellulose thành rượu, bắt chước theo bộ tiêu hoá của động vật ăn cỏ và mối, trước hết phải biến hoá cellulose ra đường đơn giản như hexose, pentose, bằng thuỷ phân (hydrolysis) nhờ một số acid (như trong dịch vị) và enzyme

cellulase

Hemicellulose tương đối dễ dàng biến thành đường-chứa-5C như Xylose (C5H10O5), nhưng xylose không biến chế thành ethanol được Cũng vậy, với kỹ thuật hiện tại, chưa có cách biến lignin ra ethanol Vì vậy trước tiên phải loại lignin và hemicellulose, chỉ còn lại thành phần cellulose

Hiện tại, sản xuất enzyme cellulase để biến cellulose thành đường khá phức tạp, tốn kém, chiếm khoảng 40% chi phí sản xuất rượu

Có 3 loại cellulases thường dùng:

(i) Endo-p-glucanase, 1,4-ß-D-glucan glucanohydrolase, CMCase, phá huỷ các cầu của chuỗi cellulose để biến thành đường glucose và 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

III NGHIÊN CỨU QUI TRÌNH SẢN XUẤT ETANOL TỪ RƠM RẠ:

III.1 Quá trình tiền xử lý rơm rạ bằng nổ hơi để thuỷ phân tạo ra dịch

 Cơ chế quá trình nổ hơi nước

Mô tả cơ chế quá trình nổ hơi

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

Sợi lignocellulose không nổ hơi có cấu trúc sít chặt ngăn cản sự tấn công của enzyme, nổ hơi ở 4atm, nổ hơi ở 8atm( mô tả khả năng làm tăng kích thước lỗ xốp trong xơ sợi)

Quá trình nổ hơi nước là một quá trình cơ – hóa – nhiệt Đó là phá vỡ cấu trúc các hợp phần với sự giúp đỡ của nhiệt ở dạng hơi (nhiệt), lực cắt do sự giãn nở của

ẩm (cơ) và thủy phân các liên kết glycosidic (hóa)

Quá trình nổ hơi có 2 giai đoạn:

 Làm ẩm nguyên liệu

 Giảm áp đột ngột

Trong thiết bị phản ứng, ở giai đoạn 1 nước dưới áp suất cao thâm nhập vào cấu trúc lignocellulosic bởi quá trình khuếch tán và làm ẩm nguyên liệu Ẩm trong biomass thủy phân các nhóm acetyl của hemicellulose hình thành nên các acid hữu cơ như acetic và uronic acid Các acid này lần lượt xúc tác quá trình depolymer hóa hemicellulose, giải phóng xylan và một phần glucan Dưới điều kiện khắc nghiệt, vùng

vô định hình của cellulose có thể bị thủy phân đến một mức độ nào đó Dưới điều kiện khắc nghiệt hơn, ví dụ như nhiệt độ cao và áp suất cao, có thể thúc đẩy sự phân hủy xylose thành furfural và glucose thành 5-hydroxymethyl furfural Furfural và 5-hydroxylmethyl furfural kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật, do đó nó không thuận lợi cho quá trình lên men

Fufural Hydroxymethyl fufural

Mô tả cơ chế quá trình nổ hơi

Trong giai đoạn 2: ẩm trong biomass sẽ hóa hơi đột ngột ra khi áp suất trong thiết bị phản ứng được giải phóng và hạ đột ngột từ rất cao khoảng vài chục atm xuống còn áp suất khí trời Hiện tượng này cũng giống như hiện tượng nổ Nguyên liệu được tống mạnh khỏi thiết bị qua một lỗ nhỏ bởi lực ép Một vài hiện tượng xảy

ra tại thời điểm này Đầu tiên, ẩm ngưng tụ trong cấu trúc biomass bốc hơi tức thời

do giảm áp đột ngột Sự giãn nở của hơi nước gây ra lực cắt bao quanh cấu trúc

nguyên liệu Nếu lực cắt này đủ lớn, hơi nước sẽ gây ra sự phá hủy cơ học lên cấu trúc lignocellulosic Sự mô tả quá trình làm nổi bật tầm quan trọng của việc tối ưu hai yếu tố: thời gian lưu và nhiệt độ Thời gian biomass lưu lại trong thiết bị phản ứng giúp xác định phạm vi thủy phân hemicellulose bởi các acid hữu cơ Việc thủy phân hemicellulose giúp cho quá trình lên men thuận lợi hơn

Theo Iotech, điều kiện xử lí tối ưu của holocellulose (xylose + glucose) là

áp suất 500-550 psi, thời gian 40 giây

Bã sau nổ hơi ở các nhiệt độ khác nhau

 Thiết bị: thường dùng và có hiệu quả nhất là StakeTech Rất hay được dùng

trong các trường đại học và viện nghiên cứu(Ths Hoang Minh Nam)

 Ưu nhược điểm của quá trình nổ hơi nước:

1 Tăng sự kết tinh của cellulose bằng cách thúc đẩy sự kết tinh của vùng

vô định hình

2 Hemicellulose bị thủy phân trong quá trình nổ hơi

3 Sự nổ hơi thúc đẩy việc khử lignin

Cùng với việc gia tăng kích thước lỗ xốp, tác động (2) và (3) là 3 ưu điểm của quá trình nổ hơi Tuy nhiên, tác động (1) lại gây ra khó khăn cho quá trình thủy phân Ngoài ra những nhược điểm chính của quá trình nổ hơi là:

 Tốn chi phí, năng lượng vận hành

 Đòi hỏi thiết bị chịu được nhiệt độ và áp suất cao

 Có thể làm phân hủy cellulose

 Mất đi đường từ hemicellulose

 Làm sinh ra fufural và 5-hydroxymethyl fufural gây ức chế quá trình lên men

 Tóm lại: sau khi thực hiện nổ hơi chậm và nhanh thì hiêu suất thu hồi cellulose của

nổ hơi nhanh cao hơn; rơm tại 2300c, %cell=53,1( theo Ths Hoàng Minh Nam).

Thiết bị nổ hơi quy mô pilot Qui trình nổ hơi

III.2 Nghiên cứu qui trình công nghệ thủy phân và lên men ethanol:

Một số qui trình từ các nguồn nguyên liệu khác nhau:

Qui trình sản xuất etanol đi từ lignocellulose

CELLULOSE Sinh học/ hóa học

NGUYÊN LIỆU HÓA CHẤT CÁC VẬT LIỆU

BÃ

NĂNG LƢỢNG NHIỆT CHẤT TRÍCH LY

ĐƯỜNG

HEMICELLULOSE Sinh học/ hóa học

NGUYÊN LIỆU

LIGNOCELLULOSE

BÃ

(1) Thủy phân bằng axit:

Quá trình xử lý cơ bản gồm 2 bước như hình dưới

CELLULOSE Sinh học/ hóa học

CHẤT BÃ

NĂNG LƯỢNG NHIỆT CHẤT TRÍCH LY

Nước Nước

Rửa Giai đoạn tiền thủy phân Giai đoạn đường hóa

Trong ngành công nghiệp sản xuất etanol, người ta ưu tiên sử dụng công nghệ thuỷ

phân bằng axit vì giá thành của enzyme cellulase quá cao Theo nguyên tắc, bất cứ axit

nào cũng có thể sử dụng cho quá trình thuỷ phân, nhưng trên thực tế, axit sunfuric vẫn

được dùng phổ biến nhất vì giá thành của nó rẻ và cho hiệu quả thuỷ phân tương đối

cao Axit sunfuric sử dụng có thể là axit đặc hoặc axit loãng

Quá trình thủy phân biomass có thể thực hiện trong các bình phản ứng

Phương pháp ngâm chiết có thể thực hiện bằng cách cho dòng acid thấm xuyên qua

các cột nhồi nhiều lớp Đây là thiết bị khá thích hợp cho phương pháp thủy phân

theo mẻ Ưu điểm thứ nhất là loại đường ngay khi nó được tạo thành Thiết bị này

ít tạo thành các sản phẩm phân hủy đường và các chất ức chế quá trình lên men, tạo

ra lượng đường lớn Điểm thứ 2, thiết bị có thể hoạt động với tỉ lệ rắn/ lỏng khá

cao

Năm 1997 Torget và các cộng sự phát minh ra thiết bị phản ứng BSFT Đây là

thiết bị chảy qua lớp co Thiết kế nhằm giữ độ chặt của lớp không đổi Dòng acid

được đưa qua thiết bị và đi qua các lớp với vận tốc bé Thời gian lưu của nguyên

liệu trong thiết bị ngắn hơn so với phương pháp ngâm chiết Thiết bị cho năng

suất cao Sản phẩm thu được có hàm lượng chất phân hủy thấp

 Thủy phân bằng axit loãng

Quá trình thủy phân nguyên liệu thành đường tự do sẵn sàng lên men bằng axit

sunfuric loãng phải trải qua 2 bước:

- Bước 1: Thủy phân bằng axit loãng nồng độ 0,5% để phá vỡ liên kết

hyđro giữa các mạch cellulose và phá vỡ cấu trúc tinh thể của chúng thực hiện ở nhiệt độ 200oC Kết quả thủy phân bước 1 sẽ chuyển hóa hemicellulose thành

đường 5C và 6C (chủ yếu xylo và mano) dễ lên men tạo thành etanol đồng thời bẻ gãy cấu trúc cellulose

- Bước 2: Để chuyển hóa hoàn toàn cấu trúc cellulose đã gãy thành đường gluco C6, bước thủy phân thứ 2 sử dụng axit nồng độ 2% được thực hiện ở nhiệt độ 240oC

 Thủy phân bằng axit đặc

Quá trình thuỷ phân vẫn được tiến hành qua hai bước, bước thứ nhất để thuỷ phân hemicelulose, được tiến hành ở 100oC, trong thời gian từ 2 – 6h, nồng độ axit cho vào là 10% Ở giai đoạn thuỷ phân thứ nhất, sau khi axit phân huỷ hemicellulose, hỗn hợp sẽ được pha loãng bằng nước, sự thuỷ phân xảy ra trong bước pha loãng thu được phần lớn đường Sau đó, hỗn hợp được lọc để thu hồi dung dịch, phần chất rắn còn lại được đem thủy phân tiếp Tại đây axit đặc phá vỡ liên kết hydro giữa các chuỗi

cellulose, biến đổi chúng thành dạng vô định hình hoàn toàn Khi cellulose được decrystallization, chúng tạo thành một dạng chất lỏng, Cellulose rất dễ bị thuỷ phân ở thời điểm này Chính vì vậy, pha loãng dung dịch bằng nước ở nhiệt độ thường sẽ làm cho sự thuỷ phân glucose diễn ra nhanh chóng và hoàn toàn, với ít sự thất thoát nhất Lignin được thu hồi để tận dụng làm các sản phẩm khác (thức ăn gia súc) Trong quy trình này, người ta sử dụng màng lọc để phân tách đường và axit, hệ thống thu hồi và

cô đặc axit nhằm tận dụng quay vòng lại lượng axit sunfuric trong dung dịch Tuy nhiên, hệ thống này có giá thành rất cao, do vậy người ta thường sử dụng một lượng lớn vôi để trung hoà axit trong dung dịch trước khi tiến hành lên men Sự trung hoà này tạo ra một lượng lớn thạch cao CaSO4 Ưu điểm của quy trình là hiệu quả thuỷ phân cao, có thể thu hồi được 90% cả đường của cellulose và đường của hemicellulose

(2) Thủy phân bằng enzyme:

Hiện nay, cơ chế thủy phân của hệ enzyme cellulase được chấp nhận diễn ra theo các bước sau:

 Endoglucanase thủy phân liên kết β-1,4-glycosidic trong vùng vô định hình tạo ra nhiều đầu không khử

 Sau đó exoglucanase cắt các đơn vị cellobiose từ đầu không khử

 β-glucosidase tiếp tục thủy phân cellobiose tạo ra glucose

Trung tâm hoạt động của enzyme cellulase chứa các gốc amino acid đặc hiệu Trong khi đó cellulose chứa các liên kết glycosidic Bộ electron σ đóng vai trò phân cực liên kết Hiệu ứng cảm ứng của nguyên tử oxy trung tâm gây ra một sự tập trung tích điện trên nguyên tử oxy làm cho nguyên tử oxy tích điện âm Còn các nguyên tử cacbon kết hợp với nó bị khuyết electron nên sẽ tích điện dương Sự khuyết electron trong liên kết bị thủy phân là yếu tố quan trọng quyết định khả năng thủy phân Tác dụng xúc tác của enzyme do sự phân bố electron quyết định

Quá trình thủy phân cellulose bằng enzyme cellulase

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ quá trình thủy phân

Tốc độ quá trình thủy phân cellulose bằng cellulase chịu tác động của một số các yếu tố Năm 2002, Lyn và cộng sự đưa ra kết luận như sau:

 Tỉ lệ kết tinh: đây là yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình thủy phân Các mạch cellulose có tính kết tinh cao, các sợi cellulose liên kết rất chặt chẽ

Do đó sẽ cản trở quá trình tiếp xúc của enzyme với các mạch cellulose bên trong và làm giảm tốc độ quá trình thủy phân

 Mức độ polymer hóa: mạch cellulose càng dài, tốc độ thủy phân càng

chậm(Walker và cộng sự , 1990)

 Kích thước lỗ xốp: kích thước của các lỗ xốp phải đủ lớn cho các enzyme đi vào Kích thước lỗ xốp càng lớn quá trình thủy phân càng nhanh

 Bề mặt tiếp xúc: hầu hết các chuỗi xenllulose được giấu trong các vi sợi- yếu

tố ngăn cản cản sự tác động của enzyme và giới hạn tốc độ thủy phân Bề mặt thủy phân càng lớn thì tốc độ thủy phân càng nhanh

Thực nghiệm cho thấy quá trình thủy phân tiến hành ở nhiệt độ 70ºC trong 1,5 ngày Sản phẩm thu được có lượng glucose bằng 75-95% số gốc glucose có trong nguyên liệu ban đầu

Ngoài ra còn có Zymononas mobilis cũng thường được sử dụng trong quá trình rượu hóa Tuy nhiên cả Saccharomyces và Zymononas sp đều thiếu hoàn toàn khả

năng chuyển hóa các loại đường pentose Khuynh hướng biến đổi gen của 2 giống này nhằm giúp biểu hiện khả năng chuyển hóa 2 loại đường pentose phổ biến nhất là D-xylose, và L – arabinose cũng đã được phát triển nhiều

Gần đây, người ta phát hiện thấy có một số loài nấm men như Pichia stipitis, Candida shehatae và Pachyhysolen tannophillus là những chủng có khả năng chuyển hóa xylose mạnh và đã được dùng trong sản xuất ethanol Trong đó P stipilis lại nổi

bật bởi khả năng sản xuất hàm lượng cồn cao và nhu cầu dinh dưỡng của chúng không quá phức tạp so với các giống nấm men khác

Thế giới hiện nay rất chú trọng xu hướng sử dụng công nghệ gen để tạo chung nấm men vừa có khả năng lên men đường 5 và đường 6

Cơ chế lên men glucose:

Quá trình đường phân

Sau đó, pyruvate sẽ chuyển thành ethanol theo các phương trình sau:

Bản chất của quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử Quá trình oxy hóa này lại xảy ra trong cơ thể sinh vật dưới tác động của hệ thống enzyme, cho nên người ta gọi quá trình lên men là quá trình oxy hóa sinh học

Thuỷ phân và lên men tách riêng:

Vật liệu sau khi được nghiền mịn (giảm kích thước) sẽ được xử lý sơ bộ bằng axit loãng để thuỷ phân hemicellulose, chất rắn còn lại (cellulose, lignin) sẽ được

Sử dụng enzyme để thuỷ phân, thuỷ phân và lên men tách riêng

(SCF: separate hydrolysis and fermentation)

thuỷ phân bằng enzyme

Trong bước xử lý sơ bộ, chuỗi liên kết các loại đường cấu thành nên hemicellulose bị phá vỡ, các phân tử hemicellulose sẽ bị phân huỷ thành các đường đơn Cụ thể là các đường 5C có thể hoà tan như xylose, araibinose và các đường 6C có thể hoà tan như mannose và galactose Một lượng nhỏ cellulose cũng được chuyển hoá thành glucose trong bước này Tiếp đến cần nuôi dưỡng enzyme để thuỷ phân cellulose, enzyme cellulase được sử dụng để thuỷ phân các phân tử cellulose thành đường glucose Trong phản ứng thuỷ phân cellulose, enzyme cellulase được sử dụng để phá vỡ chuỗi liên kết glucan của cellulose, giải phóng ra glucose

Quá trình thuỷ phân cellulose còn được gọi là sự hoá đường cellulose Dung dịch thu được sau giai đoạn xử lý sơ bộ và giai đoạn thuỷ phân cellulose được lên men bằng vi sinh vật Sau đó người ta chưng cất để thu hồi etanol tinh khiết Trong quy trình này quá trình thuỷ phân và quá trình lên men được tiến hành tách rời

Khác với quy trình thủy phân và lên men tách rời, ở quy trình này quá trình thuỷ phân cellulose và quá trình lên men được tiến hành đồng thời Quy trình này tuy không phải thực hiện sự thủy phân trước nhưng hạn chế của nó là làm xuất hiện các