Bước đầu nghiên cứu đánh giá khả năng sản xuất bioethanol từ nguyên liệu bùn thải nhà máy giấy

Tuy nhiên, bùn thải từ các nhà máy giấy có thành phần chứa khá nhiều chất hữu cơ như cellulose, hemicellulose… có thể xem như là mô ̣t nguồn nguyên liê ̣u thích hợp để sả

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành tốt luận văn này, tôi đã nhâ ̣n được sự giúp đỡ rất tâ ̣n tình của: Tiến Sĩ Lê Đức Trung – Viện Tài Nguyên Môi Trường , thuô ̣c Đa ̣i Ho ̣c Quốc Gia TPHCM – đã gợi ý đề tài , hướng dẫn tâ ̣n tình về hướng đi cũng như các vấn đề có liên quan đến đề tài và hỗ trợ kinh phí để tôi có thể làm tốt luâ ̣n văn này

Kỹ sư Lê Thị Quỳnh Trâm – Viện Tài Nguyên Môi Trường , thuô ̣c Đa ̣i Ho ̣c Quốc Gia TPHCM – đã hướng dẫn tâ ̣n tình và luôn đ ộng viên tinh thần tôi trong suốt thời gian làm việc

PGS.TS Nguyễn Thúy Hương – Bộ môn Công nghệ Sinh Học, Đại học Bách Khoa Tp HCM – đã hướng dẫn tận tình về các vấn đề có liên quan và tặng giống vi sinh vâ ̣t dùng trong đề tài

TS Lê Phi Nga – Bộ môn Hóa Sinh , Đại học Khoa Ho ̣c Tự Nhiên Tp HCM – đã nhiê ̣t tình hướng dẫn và góp ý , chia sẻ những nô ̣i dung liên quan đến đề tài

TS Lê Thị Thủy Tiên và cán bộ các phòng thí nghiệm 102, 108, 117 – Bộ môn Công nghệ Sinh Học, Đại học Bách Khoa Tp HCM – đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi có thể sử dụng các trang thiết bị và dụng cụ thí nghiệm Cha me ̣, anh chi ̣ em tôi đã luôn bên ca ̣nh và hỗ trợ tôi về vâ ̣t chất và tinhthần khi cần thiết, giúp tôi hoàn thành tốt luận văn này

Các bạn sinh viên lớp HC06BSH – Đại học Bách Khoa Tp HCM –

đã cùng học tập, trao đổi kinh nghiệm và giúp đỡ tôi trong quá trình làm việc

Xin gởi đến những người kể trên lời cảm ơn chân thành nhất và sâu sắc nhất!

KÍ HIỆU VIẾT TẮT

− TXL : Tiền xử lý

− CMC : Carboxymethyl cellulose

− DNS : Acid 3, 5_ Dinitrosalicylic

− NDS : Neutral detergent solution)

− CTAB : Cetyl trimethylammonium bromide

− GFF : Glass fiber filter

− SSF: Simultaneous saccharification and fermentation

− PS: Paper sludge

− SHF : Separate hydrolysis and fermentation

TÓM TẮT

Mẫu bùn giấy được lấy từ nhà máy giấy New Toyo, Bình Dương với thành phần chứa khoảng 34% cellulose, 16% hemicelluloses và 37% tro Sau đó, được xử lý với acid phosphoric loãng ở chế độ 1210C, 1,5atm trong 60 phút Sử dụng enzyme Cellusoft L của hãng Novo Nordisk để khảo sát quá trình thủy phân bùn giấy Đồng thời, sử dụng hai chủng giống vi sinh vật lên men bao gồm S cerevisiae và Z mobilis để khảo sát quá trình thủy phân và lên men đồng thời từ bùn giấy Tế bào tự do của chủng Z mobilis không thể tạo ethanol trong suốt 48 giờ lên men bởi vì tác động ức chế của ion kim loại có trong bùn giấy Trong khi đó, quá trình thủy phân và lên men đồng thời bằng chủng Z mobilis được cố định trong gel Ca-alginate cho kết quả 13,1 g/l ethanol trong vòng 60 giờ ở hàm lượng bùn giấy là 200 g/l Đồng thời, tế bào tự do nấm men S cerevisiae cũng cho kết quả 16,6 g/l ethanol trong vòng 72 giờ ở cùng hàm lượng bùn giấy Kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình thủy phân và lên men đồng thời chỉ đạt hiệu suất khoảng 60%, thấp hơn so với quá trình thủy phân và lên men riêng lẻ

ABSTRACT

Paper sludge(PS) sample was taken from the paper mill in New Toyo, Binh Duong with components containing about 34% cellulose, 16% hemicellulose and 37% ash Then, pretreated PS with dilute phosphoric acid at 1210C mode, 1.5 atm for 60 minutes Using enzyme Cellusoft L from Novo Nordisk to survey paper sludge hydrolysis By the way, using two strains of microorganisms including S cerevisiae and Z mobilis to investigate the simultaneous saccharification and fermentation (SSF)

of paper sludge Free cells of Z mobilis resulted in no ethanol production even after

24 h of incubation because cells’ growthwas inhibited by metal ions contained in the paper sludge The application of SSF with Ca-alginate-immobilized cells of Z mobilis was performed and 13,1 g/L of ethanol was obtained after 60 h of incubation at an initial paper sludge concentration of 200 g/L Free cells of S cerevisiae was performed 16,6 g/L of ethanol was obtained after 72 h of incubation at the same initial paper sludge concentration Our work suggests that ethanol production from SSF has a lower productivity than separate hydrolysis and fermentation (SHF)

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

KÍ HIỆU VIẾT TẮT ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC HÌNH ix

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

2.1 Bioethanol 3

2.1.1 Lịch sử phát triển của bioethanol 3

2.1.2 Ưu, nhược điểm của bioethanol 3

2.1.3 Ứng dụng hiện nay của bioethanol 4

2.1.4 Triển vọng phát triển của bioethanol 6

3.2 Các phương pháp sản xuất bioethanol 6

3.2.1 Phương pháp truyền thống 7

3.2.2 Phương pháp khác 7

3.3 Tình hình nghiên cứu bioethanol từ bùn thải giấy trên thế giơ ́ i và trong nước 9 3.4 Quy trình sản xuất giấy 10

3.5 Bùn giấy 15

3.5.1 Nguồn gốc và các thành phần chủ yếu trong bùn gi ấy 15

3.5.2 Các phương pháp tiền xử lý bùn giấy 22

3.6 Quá tri ̀nh thủy phân bùn giấy 27

3.6.1 Enzyme cellulase 27

3.6.2 Phân loại 28

3.6.3 Cấu trúc và tính chất enzyme cellulase 28

3.6.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân 31

3.7 Quá trình lên men 34

3.7.1 Cơ sở sinh hóa của quá trình lên men 34

3.7.1.1 Cơ chất là glucose 34

3.7.1.2 Cơ chất là Xylose 37

3.7.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men : 38

3.7.3 Vi sinh vật sử du ̣ng trong lên men 39

3.7.3.1 Nấm men Saccharomyces cerevisiae 39

3.7.3.2 Vi khuẩn Zymomonas mobilis 40

CHƯƠNG III: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 42

3.1 Vâ ̣t liê ̣u 42

3.1.1 Bùn thải giấy 42

3.1.2 Enzyme 42

3.1.3 Giống vi sinh vật lên men 42

3.2 Phương pha ́ p 43

3.2.1 Phương pháp phân tích thành phần xơ sợi trong bù n thải giấy 43

3.2.2 Phương pháp xác định độ ẩm trong bùn giấy 48

3.2.3 Phương pháp xác định hàm lượng đường khử DNS 49

3.2.4 Phương pháp nuôi cấy và giữ giống nấm men 50

3.2.5 Phương pháp nhân giống nấm men 50

3.2.6 Phương pháp xác định mật độ tế bào nấm men 50

3.2.7 Phương pháp hoạt hóa và giữ giống Zymomonas mobilis 51

3.2.8 Phương pháp nhân giống vi khuẩn 52

3.2.9 Phương pháp xác định mật độ tế bào vi khuẩn 53

3.3 Trình tự nghiên cứu 54

3.3.1 Sơ đồ nội dung thí nghiệm 54

3.3.2 Khảo sát quá trình tiền xử lý bằng acid 55

3.3.3 Khảo sát quá trình thủy phân bùn giấy 56

3.3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy phân 56

3.3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của % bã rắn: 56

3.3.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của % enzyme: 57

3.3.4 Quá trình thủy phân và lên men đồng thời 57

CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 61

4.1 Phân ti ́ch thành phần xơ sơ ̣i trong bùn giấy 61

4.2 Quá trình thủy phân 65

4.2.1 Ảnh hưởng của thời gian 65

4.2.2 Ảnh hưởng của phần trăm bã rắn 67

4.2.3 Ảnh hưởng của nồng độ enzyme cho vào 68

4.2.4 Hiệu suất toàn quá trình thủy phân theo thời gian 69

4.3 Quá trình thủy phân và lên men đồng thời 70

4.3.1 Khảo sát ảnh hưởng giữa cố định và không cố định vi sinh vật 71

4.3.2 Khảo sát ảnh hưở ng của thời gian 72

4.3.3 Khảo sát ảnh hưở ng của pH 74

4.3.4 Khảo sát ảnh hưở ng của nhiê ̣t đô ̣ 75

4.3.5 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ enzyme 76

4.3.6 Hiệu suất toàn quá trình theo thời gian 77

CHƯƠNG V: NHẬN XÉT VÀ ĐỀ NGHI ̣ 80

5.1 Nhận xét 80

5.2 Một số đề nghị 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

PHỤ LỤC 86

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Các bộ phận sản xuất và các quy trình vận hành tương ứng 11 Bảng 3.1: Thành phần chất dinh dưỡng bổ sung cho dung dịch thủy phân và lên men

đồng thời 57

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Quy trình chuyển hóa bioethanol bằng phương pháp khí hóa và lên men 8

Hình 2.2 : Sơ đồ quy trình tổng quát quá trình sản xuất giấy 12

Hình 2.3 : Cấu trúc của lignocellulose 16

Hình 2.4: Mối quan hệ cellulose – hemicellulose - lignin trong cấu trúc lignocellulose 17

Hình 2.5 : Cấu trúc của cellulose 17

Hình 2.6 : Kiểu Fringed fibrillar và kiểu Folding chain 18

Hình 2.7: Cấu tạo hóa học các đơn phân của hemicellulose 20

Hình 2.8 : Cấu tạo hóa học của đại diện hemicellulose 20

Hình 2.9 : Ba tiền chất phenyl – propane của lignin 21

Hình 2.10: Cấu trúc lignocelluloses trước và sau khi tiền xử lý 23

Hình 2.11: Mô tả cơ chế quá trình nổ hơi 26

Hình 2.12 : Các amino acid liên kết CD và CBD 29

Hình 2.13 : Cơ chế thủy phân cellulose của enzyme cellulase 31

Hình 2.14 : Ảnh hưởng của nồng độ enzyme 32

Hình 2.15: Cơ chế của quá trình lên men ethanol [1] 36

Hình 2.16: Sơ đồ chuyển hóa glucose và xylose thành ethanol [15] 37

Hình 2.17: Nấm men Saccharomyces cerevisiae quan sát dưới kính hiển vi 39

Hình 2.18: Vi khuẩn Zymomonas mobilis quan sát dưới kính hiển vi 41

Hình 3.1 : Saccharomyces serevisiae nhìn dưới kính hiển vi 43

Hình 3.2: Zymomonas mobilis nhìn dưới kính hiển vi 43

Hình 3.3: Zymomonas mobilis cấy trải trên đĩa thạch 53

Hình 3.4 : Sơ đồ quy trình thí nghiệm 55

Hình 3.5: Bộ dụng cụ thủy phân và lên men đồng thời 58

Hình 4.1: Thành phần bùn giấy trước tiền xử lý 61

Hình 4.2: Thành phần bùn giấy trước tiền xử lý theo Y Yamashita và cộng sự (2008). 61

Hình 4.3: Thành phần bùn giấy trước và sau khi xử lý bằng acid 64

Hình 4.4: Bùn giấy trước và sau khi xử lý bằng acid 65

Hình 4.5: Khảo sát thời gian thủy phân bùn giấy 65

Hình 4.6: Khảo sát hàm lượng bã rắn 67

Hình 4.7: Khảo sát nồng độ enzyme thủy phân 68

Hình 4.8: Hiê ̣u suất toàn quá trình thủy phân 70

Hình 4.9: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đối với chủng nấm men S cerevisiae 73

Hình 4.10: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đối với chủng vi khuẩn Z mobilis 73

Hình 4.11: Hiê ̣u suất toàn quá trình thủy phân và lên men đồng thời đối với chủng Saccharomyces cerevisiae 78

Hình 4.12: Hiê ̣u suất toàn quá trình thủy phân và lên men đồng thời đối với chủng Zymomonas mobilis 78

CHƯƠNG 1:

MỞ ĐẦU1.1 Tính cần thiết của đề tài

Qua nhiều năm liên tục thực hiện công nghiệp hóa, hiện đại hóa, công nghiệp tỉnh Bình Dương đạt được nhiều thành tích đáng kể, tình hình kinh tế - xã hội của tỉnh trong năm 2010 tiếp tục có những chuyển biến tích cực, đạt mức tăng trưởng khá Lũy

kế 5 tháng đầu năm 2010, giá trị sản xuất công nghiệp ước đạt 36.587 tỷ đồng, tăng 17,2% so với cùng kỳ năm 2009; trong đó: khu vực kinh tế trong nước đạt 11.935 tỷ đồng, tăng 23,3% và khu vực có vốn đầu tư nước ngoài đạt 24.652 tỷ đồng tăng 14,5% (Báo cáo tình hình kinh tế - xã hội, Quốc phòng - an ninh tháng 05/2010).[26] Bên cạnh những lợi ích kinh tế - xã hội, sự tăng trưởng vượt bậc về công nghiệp kéo theo ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, đặc biệt là đối với ngành công nghiê ̣p sản xuất giấy Tính đến hết tháng 6/2005, Bình Dương có khoảng hơn 97 nhà máy sản xuất giấy và các sản phẩm giấy, tất cả các nhà máy này đều được xây dựng từ sau năm 1994 Đến nay, đa số các nhà máy đều có hệ thống xử lý nước thải, tuy nhiên

do đặc thù nước thải của ngành sản xuất này có lưu lượng và tải lượng các chất gây ô nhiễm cao, công nghệ xử lý nước thải đa dạng nhưng do công tác phòng ngừa ô nhiễm chưa được thực hiện tốt, ý thức vận hành của các doanh nghiệp còn kém, vận hành không đúng quy trình, thiếu sự kiểm tra, bảo dưỡng định kỳ hệ thống… dẫn đến chi phí vận hành cao, xử lý không hiệu quả và không đạt tiêu chuẩn môi trường Việt Nam theo quy định Các nhà máy sản xuất giấy đ ều tiềm tàng nhiều khả năng gây ô nhiễm môi trường, là một trong các ngành làm suy giảm chất lượng môi trường nước mặt của tỉnh Đặc biệt bùn thải từ các nhà máy giấy là những chất khó phân hủy, tồn lưu bền trong môi trường và gây tác hại nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng

Tuy nhiên, bùn thải từ các nhà máy giấy có thành phần chứa khá nhiều chất hữu cơ như cellulose, hemicellulose… có thể xem như là mô ̣t nguồn nguyên liê ̣u thích hợp để sản xuất bioethanol hay biogas Bên ca ̣nh đó, bùn thải giấy lại rẻ tiền, khối lượng hàng

năm rất lớn, không có tính cạnh tranh với lương thực thế giới và góp phần làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường do đốt bỏ hay thải bỏ các nguồn nguyên liệu này Do vậy,

em cho ̣n thực hiê ̣n đề tài : “Bước đầu nghiên cứu đánh giá khả năng sản xuất

bioethanol từ nguyên liê ̣u bùn thải nhà máy giấy”

Kết quả của đề tài này sẽ có ý nghĩa vô cùng quan trọng, hỗ trợ cho công tác bảo vê ̣ môi trường và sử du ̣ng hợp lý nguồn bùn thải từ các nhà máy giấy ta ̣i Bình Dương Đồng thời, góp phần đảm bảo phát triển bền vững cho tỉnh Bình Dương nói riêng và vùng kinh

tế trọng điểm phía Nam nói chung

1.2 Mục tiêu của đề tài

 Khảo sát thành phần và số lượng bùn thải tại một số nhà máy giấy trên địa bàn tỉnh Bình Dương

 Khảo sát biện pháp tiền xử lý bùn thải giấy thích hợp nhằm nâng cao hiê ̣u quả quá trình thủy phân phục vụ sản xuất bioethanol

 Tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình thủy phân và lên men đồng thời từ nguyên liê ̣u bùn thải giấy

 So sánh kết quả giữa hai quá trình thủy phân , lên men riêng rẻ và quá trình thủy phân và lên men đồng thời từ bùn thải giấy Đồng thời đưa ra nhận xét về tính khả thi của đề tài, làm tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo

1.3 Giới ha ̣n và pha ̣m vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là bù n thải tại các nhà máy sản xuất giấy công nghiệp đang hoạt động trên địa bàn tỉnh Bình Dương

CHƯƠNG II:

TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Bioethanol

2.1.1 Lịch sử phát triển của bioethanol

Nguyên mẫu đầu tiên của động cơ đốt trong được đưa ra bởi Samuel Morey tại

Mỹ năm 1826 Điều này được xem là sự bắt đầu của động cơ gasoline nhưng thực tế ông sử dụng ethanol để cấp nguồn năng lượng cho động cơ Năm 1908, Henry Ford tiến hành xây dựng mô hình nổi tiếng về xe ô tô (Ford Model T) chạy bằng ethanol [21] Nhưng cuối cùng, công nghiệp dầu mỏ đã “chiến thắng” trong sự cạnh tranh với ethanol Sự thúc đẩy “thương mại hóa” bioethanol trở la ̣i trong giao thông vận tải phát triển trong suốt thập niên 1970 Cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973 và cuộc cách mạng của ngườ i Iran vào năm 1978 làm cho giá của dầu gia tăng một cách nhanh chóng, ảnh hưở ng lớn đến vấn đề an ninh năng lươ ̣ng quốc gia và thế giới Và do vậy, bioethanol nhiên liệu trở nên có giá trị [22]

2.1.2 Ưu, nhươ ̣c điểm của bioethanol

2.1.2.1 Ưu điểm

Nhiên liệu sinh học có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệu hóa thạch

truyền thống (dầu mỏ, khí thiên nhiên, than đá):

− Bioethanol có tính chất trung tính về carbon Điều này có nghĩa là carbon được thải ra (dưới dạng CO2) trong quá trình đốt cháy để cung cấp năng lượng được cây trồng tái hấp thụ thông qua quá trình quang hợp Vòng tuần hoàn khép kín này tạo nên

sự ổn định hàm lượng CO2 trong khí quyển, vì thế góp phần giảm hiệu ứng nhà kính

− Có nguồn gốc từ hoạt động sản xuất nông nghiệp và có thể tái sinh

− Bioethanol là hợp chất có chứa oxy dùng làm phụ gia pha xăng, có chỉ số octane ((R+M)/2 = 96 – 113) cao hơn so với các loại xăng đang sử dụng hiện nay (A92), nên giảm hiện tượng kích nổ - nhiên liệu tự phát nổ, cháy sớm trước khi bộ phận đánh lửa tạo tia lửa điện, nên tăng tuổi thọ động cơ xăng

− Giảm sự lệ thuộc vào nguồn dầu mỏ, tham gia cân đối nhiên liệu, giảm lượng xăng dầu nhập ngoại bằng nguồn nhiên liệu cung cấp trong nước, cải thiện cán cân thương mại

− Góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế nông nghiệp

2.1.2.2 Nhươ ̣c điểm

− Bioethanol là một nhiên liệu kém hiệu quả hơn xăng, chỉ chứa năng lượng bằng 70% so với xăng Vì vậy, khi được dùng làm nhiên liệu, cần lượng bioethanol lớn hơn để có hiệu quả giống như xăng, hay có nghĩa là tiêu tốn cho nhiên liệu cũng nhiều hơn, chi phí vận chuyển cao hơn

− Vấn đề về nguồn nguyên liệu cung cấp để sản xuất bioethanol, phải đảm bảo không cạnh tranh lương thực, ổn định và giá cả hợp lý

− Năng lượng tiềm tàng trong các cây trồng là khác nhau, không phải giống cây trồng nào cũng thích hợp Khí hậu và địa lý sẽ quyết định loại cây trồng ở từng khu vực

− Việc chuyển hóa từ biomass thành bioethanol đòi hỏi trình độ khoa học kỹ thuật cao và đầu tư lớn

2.1.3 Ứng dụng hiện nay của bioethanol

2.1.3.1 Trên thế giới

Hiện nay, Brazil là một trong những nước sản xuất bioethanol hàng đầu thế giới Brazil đã thành công trong việc sản xuất bioethanol theo quy mô công nghiệp từ những năm 1970 khi nước này phụ thuộc nặng nề vào nguồn dầu nhập khẩu Hiê ̣n ở Brazil có khoảng 3 triệu ôtô sử dụng hoàn toàn bioethanol, 17 triệu ôtô sử dụng E25 và toàn bộ

xe hơi ở Brazil sử dụng xăng có pha ít nhất 25% bioethanol, 60% số xe này có khả năng sử dụng 100% bioethanol làm nhiên liệu, ước tính mỗi năm tiết kiệm đươ ̣c trên 2

tỷ USD do không phải nhập dầu mỏ [23]

Mỹ cũng đang đầu tư nhiều cho việc tăng sản lượng bioethanol, hiện chiếm 5% khối lượng nhiên liệu bán ra ở Mỹ [24] Đồng thời, Mỹ hiện là quốc gia sản xuất bioethanol lớn nhất thế giới (năm 2006 đạt gần 19 tỷ lít, trong đó 15 tỷ lít dùng làm

nhiên liệu – chiếm khoảng 3% thị trường xăng) Năm 2012 dự kiến sẽ cung cấp trên 28

tỷ lít bioethanol và biodiesel, chiếm 3.5% lượng xăng dầu sử dụng [23]

Liên minh châu Âu (EU) đang khuyến khích việc sử dụng nhiên liệu sinh học và hướng tới mục tiêu nhiên liệu sinh học chiếm 5,75% trong tổng lượng xăng dầu bán ra vào năm 2010 [26] Chính phủ Canada nhắm đến việc 45% xăng trong cả nước có pha 10% bioethanol vào năm 2010 [28] Ở Đông Nam Á, Thái Lan đã ban hành luật cho việc sử dụng xăng pha 10% bioethanol bắt đầu từ 2007 Tại Trung Quốc, đầu năm

2003, xăng E10 (10% bioethanol và 90% xăng) đã chính thức được sử dụng ở 5 thành phố lớn và sắp tới sẽ mở rộng thêm tại 9 tỉnh đông dân cư khác Dự kiến, bioethanol nhiêu liệu sẽ tăng trên 2 tỷ lít vào năm 2010, khoảng 10 tỷ lít vào năm 2020 (năm 2005

là 1,2 tỷ lít) [23]

2.1.3.2 Ở Việt Nam

Theo TS Đặng Tùng, Vụ trưởng Vụ Khoa học và Công nghệ (Bộ Công Thương), năm 2007, nhiều nhà máy sản xuất cồn công nghiệp để sản xuất nhiên liệu sinh học đã được dồn dập triển khai ở Việt Nam Cụ thể:

Nhà máy sản xuất bioethanol từ sắn lát và tinh bột đang xây dựng tại tỉnh Bình Phước với công suất hàng năm khoảng 100,000 m3 Sản phẩm thu được với độ tinh khiết 99.8% (thể tích) Nhà máy được đầu tư bởi liên doanh giữa PVOil và ITOCHU, hình thành Công ty TNHH Nhiên liệu Sinh học Phương Đông (OBF) Với công suất này, nhà máy sẽ sử dụng lượng nguyên liệu khoảng 300 ngàn tấn khoai mì lát mỗi năm

và mới đáp ứng 1/7 nhu cầu hiện tại (hiện nay mỗi năm ta phải nhập 7 triệu tấn xăng) Theo Petro Vietnam, trong tương lai, sẽ xây dựng thêm ít nhất 6 nhà máy sản xuất ethanol nữa từ nguồn nguyên liệu đầu vào không chỉ là khoai mì lát mà còn từ rỉ đường, bắp và gạo[10]

Nhà máy sản xuất bioethanol tại khu kinh tế Dung Quất sẽ được đầu tư xây dựng bởi Tổng công ty dịch vụ dầu khí (Petrosetco), BSR, PVFC hình thành Công ty cổ phần Nhiên liệu sinh học Dầu khí Việt Nam (PCB) Nhà máy được xây dựng trên diện tích từ 30 – 50 ha, sản xuất bioethanol 99.8% (thể tích), công suất 100,000 m3/năm với nguồn nguyên liệu sắn lát Nhà máy dự kiến xây dựng vào cuối năm 2010 [21]

Công ty cổ phần Đồng Xanh (GFC) đã đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất bioethanol tại xã Đại Tân, huyện Đại Lộc, Quảng Nam từ nguồn nguyên liệu chủ yếu

từ củ khoai mì (sắn) và tinh bột Nhà máy sản xuất bioethanol với độ tinh khiết 99.8% (thể tích), có công suất chạy thử khoảng 50 triệu lít/năm Sau đó, tiến hành mở rộng và

dự kiến công suất đạt khoảng 100 triệu lít/năm Sau hơn hai năm thi công, ngày 02/9/2009 Công ty cổ phần Đồng Xanh đã đi vào hoạt động [13]

Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015 và tầm nhìn 2025 nêu rằng:

“Việt Nam sẽ đẩy mạnh phát triển nhiên liệu sinh học và mục tiêu dự kiến đến năm

2025 sẽ sản xuất và đưa vào sử dụng xăng E5 (95% xăng khoáng và 5% ethanol) và dầu B5 (95% diesel khoáng và 5% diessel sinh học) trên phạm vi cả nước, đáp ứng đủ nhu cầu thị trường.”

3.1.1 Triển vo ̣ng phát triển của bioethanol

Hiện nay vấn đề sử dụng bioethanol vào đời sống còn nhiều hạn chế do chưa hạ được giá thành sản xuất xuống thấp hơn so với nhiên liệu truyền thống Nhưng vượt lên trên hết, rõ ràng bioethanol vẫn mang lại những lợi ích to lớn, không thể tranh cãi nhằm đảm bảo an ninh năng lượng của mỗi quốc gia, xoá đói, giảm nghèo cho người dân và góp phần chung vào công cuộc giữ gìn, bảo vệ môi trường chung trên thế giới

Vì vậy mặc dù vẫn còn nhiều tranh cãi về sản xuất bioethanol giữa các nhà kinh tế, hoạch định chính sách, khoa học, bảo vệ môi trường xung quanh vấn đề giải pháp phòng ngừa, hạn chế, khắc phục những nhược điểm, nhưng tất cả đều đồng ý kết luận: phát triển sản xuất bioethanol là tất yếu, nhưng cần nhận thức rõ được cả hai mặt của quá trình này và tiến hành hết sức cẩn trọng, nếu không những lợi ích hứa hẹn gặt hái

từ bioethanol sẽ không còn

3.2 Các phương pháp sản xuất bioethanol

Giá thành nguyên liệu ảnh hưởng rất lớn đến chi phí sản xuất bioethanol và việc lựa chọn nguồn nguyên liệu có sẵn, giá rẻ trở thành vấn đề then chốt của tính kinh tế quá trình sản xuất bioethanol Nhiều nghiên cứu đang được thực hiện với rất nhiều phương pháp khác nhau để có thể sản xuất bioethanol từ các nguồn nguyên liệu thay thế như lignocellulose [15]

3.2.1 Phương pha ́ p truyền thống

Phương pháp này sản xuất bioethanol từ tinh bột và đường, sử dụng enzyme amylase và gia nhiệt trong dung môi nước để hồ hóa tinh bột Sau đó, dùng glucoamylase để đường hóa Tiếp theo sử dụng men để lên men đường thành bioethanol, rồi tiến hành chưng cất để sản xuất bioethanol nồng độ cao [15]

α-Phương pháp này đã được ứng dụng ở quy mô công nghiệp Tuy nhiên, khi sử dụng lignocellulose làm nguyên liệu sản xuất bioethanol thì có vài nhược điểm liên quan đến sự phức tạp của thành phần của thành tế bào lignocellulose, đòi hỏi cần có biện pháp tiền xử lý thích hợp [15]

3.2.2 Phương pháp khác

3.2.2.1 Quá trình đường hóa và lên men đồng thời (SSF)

Đây là phương pháp tiến hành quá trình đường hóa và lên men trong cùng một thiết bị phản ứng sinh học Lượng đường tạo ra khi đường hóa được chuyển hóa liên tục nhờ khả năng lên men của nấm men, làm giảm các chất ức chất quá trình đường hóa cellulose So sánh quá trình đường hóa và lên men riêng biệt, SSF có nhiều ưu điểm như giúp làm giảm nguy cơ ô nhiễm, giảm lượng enzyme cần dùng, tốc độ phản ứng thủy phân nhanh hơn, hiệu suất cao hơn và giảm chi phí vận hành [15]

3.2.2.2 Khí hóa và lên men

Phương pháp này tiến hành khí hóa nguồn nguyên liệu biomas như switch grass (cỏ dại), Miscanthus (cỏ bông lau ), phế phẩm nông nghiệp… Sản phẩm khí tạo thành bao gồm CO, CO2, H2 và N2 được đem đi lên men tạo bioethanol và các loại acid thông qua xúc tác sinh học Những nghiên cứu gần đây của Datar và cô ̣ng sự (2004) và Ahmed & Lewis (2007) đã chứng minh khả năng kết hợp thiết bị khí hóa dạng tầng sôi với thiết bị lên men để tận dụng nguồn khí tổng hợp syngas từ biomass để sản xuất bioethanol Quy trình kết hợp giữa khí hóa và lên men mang lại triển vọng cho khả năng sản xuất bioethanol từ nguồn lignocellulose của biomass Ưu điểm chính của quy trình này là thành phần lignin giàu carbon (chiếm khoảng hơn 50% so với nguồn carbon từ carbohydrate có thể lên men được) được chuyển hóa thành khí và sau đó

thành bioethanol Giai đoạn tiền xử lý và đường hóa biomass được thay thế bằng giai đoạn khí hóa [15]

Hình 2.1: Quy trình chuyển hóa bioethanol bằng phương pháp khí hóa và lên men 3.2.2.3 Lên men, ester va ̀ hydro hóa

Đây là quy trình mới đươ ̣c đề xuất để sản xuất bioethanol từ biomass Quá trình bao gồm các giai đoạn lên men, ester hóa và hydro hóa Trong suốt giai đoạn đầu, monosaccharide đươ ̣c lên men t ạo thành acid acetic với hiệu suất gần 100% tính theo carbon bởi vi sinh vật homoacetogenic Trong giai đoạn hai, acid acetic tham gia phản ứng ester hóa với rươ ̣u đ ể tạo ester Trong khi ở giai đoạn thứ ba, ester tạo thành bị hydro hóa để tạo bioethanol [15] Lên men (fermentation) → esterification (ester hóa)

→ hydrogenolysis (hydro hóa) → bioethanol

Lên men : C6H12O6 → 3CH3COOH (acid acetic)

Ester hóa : 3CH3COOH + 3ROH → 3CH3COOR (acetate ester) + 3H2O Thủy phân : 3CH3COOR + 6H2 → 3C2H5OH + 3ROH (alcohol)

Tổng quát: C6H12O6 + 6H2 → 3C2H5OH + 3H2O

Biomass : chế phẩm nông

nghiê ̣p, chất thải đô ̣ng

vâ ̣t, thực phẩm thừa…

Thiết bi ̣ khí hóa: chuyển

hóa biomass, tạo khí (H2,

CO2, CH4, CO, N2)

Thiết bi ̣ phản ứng sinh học : lên men bioethanol (và các sản phẩm có giá trị khác)

Clostridium ljungdahlii, C.Autobioethanolnogenum, C.Carboxidivorans P7 T

Bioethanol

Trong quy trình này , 3 mol bioethanol được t ạo ra từ 1 mol glucose, do đó cải thiện được 50% so với quy trình thông thường khi từ 1 mol glucose chỉ tạo ra được 2 mol bioethanol Năng lượng để tạo ra mol bioethanol thứ ba đươ ̣c cung c ấp bởi hydro đươ ̣c tạo ra từ quá trình khí hóa biomass [15]

3.3 Tình hình nghiên cứu bioethanol từ bùn tha ̉ i giấy trên thế giới và trong nước 3.3.1 Trên thế giơ ́ i

Năm 1999, Kent M Pope đã bắt đầu quan tâm đến nguồn phê thải bùn giấy từ ngành công nghiệp giấy và đánh giá tiềm năng sản xuất năng lượng từ nguồn phế thải này trong bố i cảnh giá cả năng lượng leo thang và hiê ̣u ứng nhà kính do các nguồn nhiên liê ̣u hóa tha ̣ch ta ̣o ra

Yamashita và cô ̣ng sự (2008) đã nghiên cứu chuyển hóa bùn giấy thành bioethanol bằng phương pháp thủy phân và lên men đồng thời sử du ̣ng chủng

Zymomonas mobilis NBRC 13756 Yamashita nhận thấy rằng lên men tế bào Z mobilis tư ̣ do không phát hiê ̣n thấy ethanol do sự sinh trưởng của Z mobilis bị ức chế bởi các ion kim loa ̣i có trong bùn giấy Tuy nhiên, lên men với tế bào Z mobilis cố

đi ̣nh trong Ca-alginate thu được 18g/L ethanol sau 48h nuôi cấy với hàm lượng bã ban đầu là 200g/L, đa ̣t hiê ̣u suất chuyển hóa glucose 48% Qua đó , cho thấy lên men

ethanol từ bùn giấy bằng chủng Z mobilis cố đi ̣nh trong Ca -alginate là hiê ̣u quả , nếu tăng hàm lượng bã ban đầu thì lượng ethanol thu được sẽ tăng lên nữa vì Z mobilis

không bi ̣ ức chế với nồng đô ̣ ethanol cao.[18]

Yuya Yamashita và Sasaki (2009) nghiên cứu phương pháp tiền xử lý bùn giấy để lên men ethanol Tiền xử lý kết hợp phương pháp nghiền trong hai phút , sau đó xử lý với H3PO4 trong 1h sẽ làm tăng hiê ̣u quả đường hóa và hàm lượng đường khử lên đến 81.4 % và 28.1 mg/g/h Tiến hành thủy phân và lên men đồng thời với phương pháp tiền xử lý như trên thu được 81.5% hiê ̣u suất chuyển hóa et hanol so với 54.3% khi thủy phân và lên men đồng thời với bùn giấy chưa tiền xử lý Qua đó cho thấy phương pháp nghiền cơ ho ̣c và làm phồng nở bằng hóa chất giúp làm tăng hiê ̣u quả của quá trình đường hóa và lên men ethanol từ bùn giấy

3.4 Quy trình sản xuất giấy

3.4.1 Giới thiệu chung

Giấy là một sản phẩm của nền văn minh nhân loại với lịch sử lâu đời hàng nghìn năm Thành phần chính của giấy là cellulose, một loại polymer mạch thẳng và dài

có trong gỗ, bông và các loại cây khác Trong gỗ, cellulose bị bao quanh bởi một mạng lignin cũng là polymer Để tách cellulose ra khỏi mạng polymer đó người ta phải sử dụng phương pháp nghiền cơ học hoặc xử lý hóa học Dư lượng lignin trong bột giấy làm cho giấy có màu nâu, vì vậy muốn sản xuất giấy trắng vàng chất lượng cao thì phải loại bỏ hết lignin [4]

3.4.2 Ngành giấy và bột giấy ở Việt Nam

Theo thống kê của Hiệp hội giấy Việt Nam, ngành giấy đạt tốc độ tăng trưởng cao và liên tục trong những năm vừa qua Từ năm 1990 đến 1999, tốc độ tăng trưởng bình quân là 16%/năm, 3 năm sau đó (2000, 2001 và 2002) đạt 20%/năm Dự báo tốc độ tăng trưởng 5 năm tiếp theo là 28%/năm [4]

Với tốc độ tăng trưởng cao như vậy, cùng với gia tăng sản phẩm giấy nhập khẩu,

đã giúp định suất tiêu thụ giấy trên đầu người củaViệt Nam tăng từ 3,5kg/người/năm trong năm 1995 lên 7,7kg/người/năm trong năm 2000, 11,4 kg/người trong năm 2002

và khoảng 16 kg/người/năm trong năm 2005 Để đáp ứng được mức độ tăng trưởng trên, ngành giấy Việt Nam đã có chiến lược phát triển từ nay đến 2010, sản lượng giấy sản xuất trong nước sẽ đạt tới 1,38 triệu tấn giấy/năm (trong đó khoảng 56% là nhóm

giấy công nghiệp bao bì và 25% là nhóm giấy vệ sinh) và 600.000 tấn bột giấy

Hiện tại, bên cạnh khó khăn về chủ động nguồn bột giấy, ngành giấy Việt Nam đang đối mặt với các thách thức về quy mô, trình độ công nghệ và các vấn đề về xử lý môi trường Nước thải và lignin là những vấn đề môi trường chính đối với ngành sản xuất giấy Việc xử lý là bắt buộc trước khi thải ra môi trường Bên cạnh đó, phát thải khí từ nồi hơi, chất thải rắn của quá trình nấu, bùn thải của hệ thống xử lý nước thải cũng là những vấn đề môi trường cần được quan tâm [4]

3.4.3 Mô tả quy trình sản xuất

Nguyên liệu thô được dùng trong sản xuất giấy và bột giấy ở Việt Nam gồm hai nguồn căn bản là từ rừng (tre và gỗ mềm) và giấy tái chế Bột giấy được dùng để sản xuất những loại sản phẩm khác nhau như giấy viết, giấy bao bì, bìa các- tông, v.v là khác nhau Tuy nhiên có thể pha trộn bột giấy được tạo ra từ những nguyên liệu thô khác nhau để có được những đặc tính mong muốn cho thành phẩm Các bộ phận sản xuất khác nhau và quy trình vận hành của từng bộ phận được liệt kê trong Bảng 1

Bảng 2.1: Các bộ phận sản xuất và các quy trình vận hành tương ứng

Bô ̣ p

hâ ̣

n

Danh mu ̣c nguyên liê ̣u thô Các công đoạn sản xuất

Chuẩn bi ̣ nguy

ên liê ̣u

Có nguồn gốc từ rừng (tre) Băm nhỏ, làm sạch, tách loại mảnh lớn, cát Có nguồn gốc từ giấy thải Loại bỏ kim loại, dây, thủy tinh, gỗ, sơ ̣i vải,

giấy sáp Sản xuất

bô ̣t

Có nguồn gốc từ rừng (tre) Nấu, nghiền, rửa bô ̣t, nghiền đĩa, tẩy, làm

sạch, cô đă ̣c Có nguồn gốc từ giấy thải Thường giống như công đoa ̣n xử lý nguyên

liê ̣u có nguồn gốc từ rừng Chuẩn bi ̣

phối liê ̣u

bô ̣t

Có nguồn gốc từ rừng (tre) Nghiền đĩa, ly tâm, phối trô ̣n, pha bô ̣t Có nguồn gốc từ giấy thải Nghiền đĩa, ly tâm, phối trô ̣n, pha bô ̣t Xeo Có nguồn gốc từ rừng (tre)

Tách nước, sấy Có nguồn gốc từ giấy thải

Khu vực phụ trơ ̣

Có nguồn gốc từ rừng (tre) Hê ̣ thống nén khí, hê ̣ thống nồi hơi, hê ̣ thống

hơi nước, hê ̣ thống cung cấp nước sản

xuất

Có nguồn gốc từ giấy thải Thu hồi

hóa chất Có nguồn gốc từ rừng (tre) Nồi hơi thu hồi, lò nung vôi, thiết bi ̣ bốc hơi Có nguồn gốc từ giấy thải Không có

Hình 2.2 : Sơ đồ quy trình tổng quát quá trình sản xuất giấy 3.4.3.1 Chuẩn bị nguyên liệu thô

Nguyên liệu thô được sử dụng là tre, các loại gỗ mềm khác, giấy phế liệu hoặc tái chế, v.v… Trường hợp là gỗ thì sau khi đã cân trọng lượng, gỗ xếp đống trong sân chứa và sau đó được mang đi cắt thành mảnh

Nguyên liê ̣u thô (tre, nứa, gỗ mềm…) Chă ̣t, băm, cắt

Hoàn tất Nước

Hóa chất

Nước thảiThu hồi hóa chất

Nước thảiHóa chất

Nước

CHUẨN BI ̣ NGUYÊN LIỆU

NGHIỀN BỘT

CHUẨN BI ̣ BỘT

XEO GIẤY

Với loa ̣i tre mỏng thì dùng máy cắt mảnh 3 lưỡi, dày thì 6 lưỡi Kích cỡ của mảnh được tạo ra là từ 15-35 mm Các mảnh quá to và quá nhỏ sẽ được loại ra Mảnh có kích cỡ thích hợp sẽ được chuyển đến khu vực sản xuất bột giấy để nấu

Khi sử dụng các nguyên liệu thô như giấy thải, thì giấy thải sẽ được sàng lọc để tách các loại tạp chất như vải sợi, nhựa, giấy sáp hoặc giấy có cán phủ Các tạp chất này sẽ được thải ra như chất thải rắn và phần nguyên liệu còn lại sẽ được chuyển đến công đoạn sản xuất bột giấy

3.4.3.2 Sản xuất bột

 Nấu

Gỗ thường gồm 50% xơ, 20-30% đường không chứa xơ, và 20-30% lignin Lignin là một hợp chất hóa học liên kết các xơ với nhau Các xơ được tách ra khỏi lignin bằng cách nấu với hóa chất ở nhiệt độ và áp suất cao trong nồi nấu Quá trình nấu được thực hiện theo mẻ với kiềm (NaOH) và hơi nước Lượng NaOH được sử dụng khoảng 10-14% của nguyên liệu thô Sau nấu, các chất nằm trong nồi nấu được xả ra nhờ áp suất đi vào tháp phóng Bột thường được chuyển qua các sàng để tách mấu trước khi rửa

 Rửa

Trong quá trình rửa, bột từ tháp phóng và sàng mấu được rửa bằng nước Dịch đen loãng từ bột được loại bỏ trong quá trình rửa và được chuyển đến quá trình thu hồi hóa chất Bột được tiếp tục rửa trong các bể rửa Quá trình rửa này kéo dài khoảng 5-6 giờ

 Sàng

Bột sau khi rửa thường có chứa tạp chất là cát và một số mảnh chưa được nấu Tạp chất này được loại bỏ bằng cách sàng và làm sạch li tâm Phần tạp chất tách loại từ quá trình sàng bột khi sản xuất giấy viết và giấy in sẽ được tái chế làm giấy bao bì (không tẩy trắng) Phần tạp chất loại ra từ thiết bị làm sạch ly tâm thường bị thải bỏ Sau sàng, bột giấy thường có nồng độ 1% sẽ được làm đặc tới khoảng 4% để chuyển sang bước tiếp theo là tẩy trắng

 Tẩy trắng

Công đoạn tẩy trắng được thực hiện nhằm đạt được độ sáng và độ trắng cho bột giấy Công đoạn này được thực hiện bằng cách sử dụng các hóa chất Loại và lượng hóa chất sử dụng phụ thuộc vào loại sản phẩm sẽ được sản xuất từ bột giấy đó

3 bước tẩy trắng bột truyền thống là:

Bước 1: Clo hóa bột giấy bằng khí clo, khí này sẽ phản ứng với lignin để tạo

ra các hợp chất tan trong nước hoặc tan trong môi trường kiềm

Bước 2: Lignin đã oxi hóa được loại bỏ bằng cách hòa tan trong dung dịch kiềm

Bước 3: Đây là giai đoạn tẩy trắng thực sự khi bột được tẩy trắng bằng dung dịch hypochlorite

Sau tẩy trắng, bột sẽ được rửa bằng nước sạch và nước trắng (thu hồi từ máy xeo)

3.4.3.3 Chuẩn bị phối liệu bột

Bột giấy đã tẩy trắng sẽ được trộn với các loại bột khác từ giấy phế liệu hoặc bột nhập khẩu Sự pha trộn phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu và loại giấy cần sản xuất Hỗn hợp bột được trộn với chất phụ gia và chất độn trong bồn trộn Thông thường, các hóa chất dùng để trộn là nhựa thông, phèn, bột đá, thuốc nhuộm (tùy chọn), chất tăng trắng quang học và chất kết dính, …, gồm các bước sau:

 Trộn bột giấy và chất phụ gia để tạo ra dịch bột đồng nhất và liên tục

 Nghiền đĩa để tạo ra được chất lượng mong muốn cho loại giấy cần sản xuất

 Hồ (để cải thiện cảm giác và khả năng in cho giấy) và tạo màu (thêm pigments, chất màu và chất độn) để đạt được thông số chất lượng như mong muốn

3.4.3.4 Xeo giấy

Bột giấy đã trộn lại được làm sạch bằng phương pháp ly tâm để loại bỏ chất phụ gia thừa và tạp chất, được cấp vào máy xeo thông qua hộp đầu Về tách nước

và xeo giấy thì máy xeo có 3 bước phân biệt:

 Bước tách nước trọng lực và chân không (phần lưới)

 Bước tách nước cơ học (phần cuốn ép)

 Bước sấy bằng nhiệt (các máy sấy hơi gián tiếp)

Ở phần lưới của máy xeo, quá trình tách nước khỏi bột diễn ra do tác dụng của trọng lực và chân không Nước từ mắt lưới được thu vào hố thu bằng máy bơm cánh quạt và liên tục được tuần hoàn để pha loãng bột tại máy rửa ly tâm Ở một số máy xeo, lưới được rửa liên tục bằng cách phun nước sạch Nước được thu gom và

xơ được thu hồi từ đó nhờ biện pháp tuyển nổi khí (DAF) Nước trong từ quá trình tuyển nổi khí DAF, còn gọi là nước trắng, được tuần hoàn cho nhiều điểm tiêu thụ khác nhau Các nhà máy không có DAF thì sẽ hoặc thải bỏ nước rửa lưới ra cống thải hoặc tuần hoàn một phần sử dụng cho quá trình rửa bột

Sau phần lưới là phần cắt biên để có được độ rộng như ý Phần biên cắt đi của tấm bột giấy rơi xuống một hố dài dưới lưới và được tuần hoàn vào bể trước máy xeo Ở cuối của phần lưới máy xeo, độ đồng đều của bột tăng đến khoảng 20% Người ta tiếp tục tách nước bằng cuộn ép để tăng độ đồng đều lên khoảng 50% Cuối cùng, giấy được làm khô bằng máy sấy hơi gián tiếp đạt khoảng 94%

độ cứng và được cuốn thành từng cuộn thành phẩm

3.5 Bùn giấy

3.5.1 Nguồn gốc va ̀ các thành phần chủ yếu trong bùn giấy

Bùn thải giấy là một phế phẩm của ngành công nghiệp sản xuất giấy Nguồn chính của bùn thải giấy là cặn của bể lắng và cặn từ tầng làm khô của trạm xử lý nước thải Bên cạnh đó, cũng có một lượng lớn bột giấy từ quá trình xeo giấy được thải ra và trộn lẫn với bùn của bể lắng Do đó, trong thành phần bùn giấy chứa khá nhiều cellulose Lượng bùn thải giấy này của các công ty là khác nhau phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như quy mô hoạt động, thành phần nguyên liệu thô, v.v và rất khó ước tính

Tuy nhiên, nếu tính trung bình thì ở Việt Nam khi sản xuất ra 1 tấn giấy sẽ sinh

ra một lượng bùn thải giấy chiếm khoảng từ 45-85 kg Tuy nhiên, lượng đó chưa bao gồm các phế liệu như biên giấy, v.v là phần sẽ được tuần hoàn trở lại sản xuất

Theo một số nghiên cứu của trường đại học Shizuoka University tại Nhật Bản thì thành phần chính của bùn thải giấy gồm có 65% là nước, 24,5% cellulose, 10,5% là tro và các chất khác Hemicellulose chiếm rất ít và hầu như không có lignin

Tuy vậy, bùn giấy cũng là một dạng vật liệu lignocellulose bao gồm các thành phần chính là: cellulose, hemicellulose và lignin Các thành phần trong lignocellulose liên kết với nhau chặt chẽ tạo nên một cấu trúc hết sức vững chắc Do đó lignocellulose rất khó để phân huỷ Ngoài ra trong bùn giấy còn có tro và một số chất trích ly như acid resin, acid béo, những hợp chất turpenoid, cồn… với hàm lượng thấp

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 loại đường nằm ở mạch nhánh như arabinose, galactose, và acid 4-Omethylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin

Hình 2.3 : 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

Hình 2.4: Mối quan hệ cellulose – hemicellulose - lignin trong cấu trúc lignocellulose 3.5.1.1 Cellulose

Cellulose là một polymer mạch thẳng của D-glucose được liên kết với nhau bởi liên kết β -1,4-glycoside Liên kết glycoside tạo dạng sợi khó cắt và bản chất không tan trong nước bởi vì cấu tạo này bảo đảm mỗi đơn vị glucose được định hướng “ trans” với glucose bên cạnh Cellulose là loại polymer phổ biến nhất trên trái đất, có

độ trùng hợp đạt được khoảng 3500 – 10000 DP Mạch đại phân tử cellulose có cấu trúc dạng thẳng và cấu hình dạng ghế Chiều dài mạch phân tử từ 5,2 -7,7mm Các nhóm hydroxyl ở mỗi đầu mạch cellulose có đặc điểm khác nhau C1 ở đầu mạch cellulose chứa nhóm aldehyde có tính khử, trong khi đó nhóm hydroxyl ở vị trí C4

cuối mạch không có tính chất của rượu

Hình 2.5 : Cấu trúc của cellulose

Ở trạng thái tự nhiên, 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 Có 2 dạng liên kết hydro : liên kết hydro liên phân t ử giữa các chuỗi và liên kết hydro nội phân tử giữa các đơn vị glucose của cùng một chuỗi

Trong vùng kết tinh, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau một cách có định hướng tạo cấu trúc trật tự cao, vùng này khó bị tấn công bởi enzyme cũng như hóa chất hoặc dung môi Ngược lại, trong vùng vô định hình, cellulose liên kết không chặt chẽ với nhau tạo cấu trúc lộn xộn xen lẫn với vùng kết tinh Do đó vùng vô định hình nên dễ bị tấn công bởi các tác nhân thủy phân Có khoảng 65 -73% phần cellulose là ở trạng thái kết tinh Ngoài ra, cellulose được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, điều này làm cho cellulose khá bền vững với tác động của enzyme cũng như hóa chất Có hai kiểu cấu trúc của cellulose đã được đưa ra nhằm mô tả vùng kết tinh và vô định hình [10]

Hình 2.6 : 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 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 - glucoside 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 1800C cho toàn mạch Vùng vô định hình sẽ dễ bị tấn công bởi các tác nhân thủy phân hơn vùng tinh thể vì sự thay đổi góc liên kết của các liên kết cộng hóa trị (β - glucoside) sẽ làm giảm độ bền nhiệt động của liên kết, đồng thời vị trí này không tạo được liên kết hydro [4]

3.5.1.2 Hemicellulose

Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng 70 đến 200 đơn phân Công thức tổng quát của nó là (C5H8O4)n Hemicellulose là một polysaccharide phức tạp có thể tan được trong cả kiềm và acid Hemicellulose chứa cả đường hexose (D-glucose, D-mannose, D-galactose) hoặc đường pentose (D-xylose, L-arabinose, và D-arabinose), deoxyhexose Thành phần cơ bản của hemicellulose là β – D xylopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết β -(1,4) glucoside Arabinose là thành phần có số lượng lớn thứ 2 trong hemicellulose Các thành phần còn lại thường chỉ chiếm với số lượng ít

Độ bền hóa học và bền nhiệt của hemicellulose thấp hơn so với cellulose vì chúng có độ kết tinh và trùng hợp thấp hơn So với cellulose, nó dễ bị thủy phân hơn rất nhiều lần trong môi trường kiềm hay acid do hemicellulose thường tồn tại ở dạng mạch nhánh với cấu trúc ngẫu nhiên, vô định hình, trái với cấu trúc kết tinh, không phân nhánh của cellulose, do đó dễ bị tấn công hơn

Cấu tạo của hemicellulose phức tạp tùy theo dạng nguyên liệu, nhưng có một số điểm chung:

 Cấu tạo gồm hai phần: Mạch chính gồm các  - D xylopyranose liên kết với nhau bằng liên kết -(1,4)-xylanase 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

 Nhóm thế phổ biến nhất là nhóm acetyl O – liên kết với vị trí 2 hoặc 3

Hình 2.7: Cấu tạo hóa học các đơn phân của hemicellulose

Hình 2.8 : Cấu tạo hóa học của đại diện hemicellulose

3.5.1.3 Lignin

Trong tế bào thực vật, các xơ sợi được kết dính với nhau nhờ một vật liệu nội bào gọi là lignin Lignin là một polymer phân nhánh tìm thấy trong thành tế bào thực vật, có khả năng chống lại sự phát triển của vi sinh vật Cấu trúc phức tạp, ngẫu nhiên, lộn xộn, và chứa chủ yếu là các vòng thơm của lignin sẽ làm tăng tính đàn hồi, mềm dẻo cho việc kết dính cellulose và hemicellulose, tạo nên một hàng rào phòng thủ mạnh mẽ nhằm chống lại sự tấn công của enzyme và các hoá chất khác, bằng cách gắn chặt và làm cứng các sợi cellulose lại với nhau

Thành phần chủ yếu của lignin là các đơn vị phenylpropane ( C9).Vòng thơm chứa trong lignin rất nhiều, do bởi enzyme xúc tác phản ứng polymer hoá 3 đơn vi phenyl-propane là:guaiacylpropane, syringylpropane, p-hydroxyphenylpropane, với các tiền chất tương ứng là rượu coniferyl, rượu sinapyl, và rượu p-coumaryl Hàm lượng tiền chất của lignin phụ thuộc vào nguồn gốc lignin Chẳng hạn như, gỗ mềm chứa chủ yếu là coniferyl alcohol, trong khi đó gỗ cứng thì chứa coniferyl alcohol và sinapyl alcohol với hàm lượng ngang nhau Còn para-coumaryl alcohol hầu hết chỉ tìm thấy trong cỏ

Hình 2.9 : Ba tiền chất phenyl – propane của lignin

Lignin có cấu trúc không đồng nhất, chứa đựng các vùng vô định hình và các vùng hình cầu hoặc dài Cấu trúc và thành phần hoá học của mỗi lignin được tạo thành có mối tương quan mạnh mẽ với bản chất của chất kết dính polysaccharide Mặc

dù lignin kỵ nước, nhưng sự mô hình hoá phân tử đã cho thấy được nhóm hydroxyl và methoxyl trong tiền chất lignin với vi sợi cellulose có tác động lẫn nhau Các vi sợi cellulose có thể giữ được một lượng nước đáng kể trong các vùng rỗng và vô định hình

Toàn bộ phân tử lignin là một cơ cấu phức tạp, ba chiều, chứa đựng hàng ngàn đơn vị phenyl-propane, được tạo nên bởi sự polymer hoá không có hệ thống của các C6-C3, dẫn tới sự vững chắc của thành tế bào thực vật, và gây khó khăn cho sự thuỷ phân sau này

Tuy nhiên, cấu trúc hóa học của lignin rất dễ bị thay đổi trong điều kiện nhiệt độ cao và pH thấp như điều kiện trong quá trình tiền xử lý bằng hơi nước Ở nhiệt độ cao hơn 2000 C, lignin bị kết khối thành những phần riêng biệt và tách ra khỏi cellulose

3.5.1.4 Chất trích ly

Có rất nhiều chất thuộc nhóm thành phần này, chủ yếu là các chất dễ hòa tan Các chất trích ly là những chất hoặc có khả năng hòa tan trong những dung môi hữu cơ (như dietyl ether, methyl terbutyl ether, ether dầu hỏa, diclormethene, acetone,

ethanol, methanol, hexan, toluen, chiếm tỉ lệ ưu thế trong chất trích ly, nên thường chất trích ly hay được gọi là nhựa (resin)

3.5.1.5 Chất tro

Về thành phần hóa ho ̣c , bùn giấy ướt chứa khoảng 10,5% chất tro Đây cũng là một bất lợi khi sử du ̣ng bùn giấy trong các quá trình chuyển hóa sinh ho ̣c bằng vi sinh

vâ ̣t hay enzyme

3.5.2 Các phương pháp tiền xử lý bùn giấy

3.5.2.1 Mục đích của tiền xử lý

Nhiên liệu sinh học từ nguyên liệu lignocellulose, được xem là thế hệ ethanol sinh học thứ hai với ưu thế về năng lượng , kỹ thuật và môi trường so với ethanol sinh học từ đường và tinh bột Tuy nhiên, các hàng rào lý hóa do sự liên kêt chặt chẽ của các thành phần chính trong sinh khối lignocellulose đã cản trở sự thủy phân của cellulose và hemicellulose để tạo thành các đường có thể lên men Mục tiêu của tiền

xử lý là tăng khả năng xâm nhập của các enzyme để cải thiện khả năng phân giải của cellulose Vì các nguyên liệu lignocellulose khác nhau có các đặc tính lý hóa khác nhau, nên cần áp dụng những công nghệ tiền xử lý thích hợp theo các đặc điểm của sinh khối lignocellulose ở từng nguyên liệu

Hơn nữa, sự lựa chọn một công nghệ tiền xử lý nhất định có tác động lớn đến tất

cả các bước tiếp theo của toàn bộ quá trình chuyển đổi như là khả năng bị phân giải của cellulose, sự phát sinh các chất độc có khả năng ức chế nấm men, năng lượng cần thiết cho quy trình tiếp theo và những yêu cầu về xử lý nước thải (Galbe và Zacchi, 2007) Các nghiên cứu khác mô tả một số chỉ số (sự thu hồi pentose, kích cỡ cần thiết của mảnh, nồng độ các chất độc hình thành trong tiền xử lý và tiêu hao năng lượng thấp) như là các yếu tố quyết định của một công nghệ tiền xử lý hiệu quả (Sun và Cheng, 2002)

Mục đích cụ thể của quá trình tiền xử lý là:

− Phá bỏ cấu trúc bao bọc của lignin và hemicellulose đối với cellulose

− Giảm cấu trúc kết tinh của cellulose, tăng cấu trúc vô định hình

− Tăng trạng thái xốp của nguyên liệu, qua đó tăng diện tích tiếp xúc bên ngoài và bên trong của nguyên liệu, thuận lợi cho sự xâm nhập của các tác nhân thủy phân

− Phân tách hemicellulose/ lignin khỏi cellulose tùy theo mục đích tiền xử lý

Hình 2.10: Cấu trúc lignocelluloses trước và sau khi tiền xử lý

Có một số đặc điểm then chốt cần lưu ý để có một quy trình tiền xử lý tiên tiến

và tiết kiệm (Yang và Wyman, 2008):

− Nhiều công nghệ tiền xử lý được biết là phù hợp hơn với những nguyên liệu đặc hiệu

− Lượng các chất độc sinh ra ít nhất

− Làm giảm kích thước sinh khối là không cần thiết

− Tiến hành trong các lò phản ứng kích thước phù hợp và giá cả vừa phải

− Hiệu quả tiền xử lý thấp với nguyên liê ̣u có độ ẩm thấp

− Thu được nồng độ đường cao Nồng độ của các đường từ hai quá trình tiền xử

lý và thủy phân bằng enzym cần đạt được trên 10%

− Sự tương thích của quá trình lên men với sự lựa chọn vi sinh vật có thể lên men các loại đường

− Yêu cầu tối thiểu nhiệt lượng và năng lượng

3.5.2.2 Các phương pháp tiền xử lý hóa học

Các phương pháp thuộc nhóm này sử dụng tác động của hóa chất trong quá trình Phương pháp hóa học là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay Gồm

có các phương pháp chính:

a Tiền xử lý bằng acid

Mục đích chủ yếu của các phương pháp tiền xử lý bằng axit là để hòa tan phần lớ n hemicellulose của sinh khối và để làm cho phần cellulose có nhiều khả năng tiếp xúc với enzym hơn Loại tiền xử lý này có thể được tiến hành với axit đặc hay loãng nhưng việc sử dụng axit đặc trong sản xuất ethanol ít được chú ý hơn do sự tạo thành các chất

ức chế Hơn nữa, vấn đề ăn mòn thiết bị và thu hồi axit là những nhược điểm quan trọng khi sử dụng các phương pháp tiền xử lý bằng axit đặc Chi phí vận hành và bảo dưỡng cao làm giảm sự quan tâm đến việc áp dụng phương pháp tiền xử lý bằng axit đặc ở quy mô thương mại (Wyman, 1996)

Ưu điểm: Nhanh, dễ dàng về mặt công nghệ với nhiều loại thiết bị phản ứng, có

thể tiền xử lý vật liệu có độ bền cao

Nhược điểm: Tốn kém chi phí về thiết bị chịu acid và hóa chất (đặc biệt với acid

nồng độ cao), khả năng hình thành các chất ức chế hoạt động vi sinh vật trong quá trình tiền xử lý

Phương pháp tiền xử lý bằng axit loãng dường như là phương pháp được lựa chọn hơn cho các ứng dụng công nghiệp và đã được nghiên cứu để tiền xử lý nhiều loại sinh khối lignocellulose Nhiều loại reactor khác nhau như reactor chiết ngâm, dòng chảy theo vòi, shrinking-bed, mẻ và đối lưu đã được áp dụng để tiền xử lý các nguyên liệu lignocellulose (Taherzadeh và Karimi, 2008) Nó có thể được tiến hành ở nhiệt độ cao (ví dụ 180 °C) trong khoảng thời gian ngắn; hay ở nhiệt độ thấp hơn (ví

dụ 120 °C) trong khoảng thời gian dài hơn (30–90 phút) Nó cho thấy ưu thế về hòa tan hemicellulose, chủ yếu là xylan và còn chuyển đổi hemicellulose thành các đường

có khả năng lên men Tuy nhiên, tùy vào nhiệt độ của quy trình mà một số hợp chất thoái biến đường như furfural và HMF và các hợp chất vòng thơm thoái biến lignin có thể được phát hiện và ảnh hưởng đến chuyển hóa của vi sinh vật trong bước lên men (Saha và cs., 2005) Tuy nhiên, phương pháp tiền xử lý này phát sinh ít các sản phẩm thoái biến hơn so với các phương pháp tiền xử lý bằng axit đặc

Đã có báo cáo về việc thu được nhiều sản phẩm thủy phân khi tiền xử lý các nguyên liệu lignocellulose bằng H2SO4 loãng, một loại axit được nghiên cứu nhiều nhất Axit chlorhydric, phosphoric và nitric cũng đã được thử nghiệm (Mosier và cộng sự, 2005a) Sản phẩm của quá trình đường hóa thu được cao tới 74% khi rơm cây lúa mạch được xử lý bằng H2SO4 0.75% về thể tích ở nhiệt độ 121 °C trong thời gian 1h (Saha và cộng sự , 2005) Gần đây, người ta đạt được sản lương ethanol cao tới 0.47 g/g glucose trong phản ứng lên men của bã quả đào lộn hột được tiền xử lý bằng

H2SO4 loãng ở 121 °C trong thời gian 15 phút (Rocha và cộng sự, 2009)

b Tiền xử lỳ bằng kiềm

Mục đích của phương pháp là loại bỏ và thay đổi cấu trúc thành phần lignin dẫn đến tăng khả năng tiếp cận của các tác nhân thủy phân cellulose và giảm độ hấp phụ của enzyme lên thành phần lignin Phương pháp này có thể thực hiện ở nhiệt độ phòng trong 1-2 ngày hoặc ở nhiệt độ cao trong thời gian ngắn Các loại kiềm thường dùng là NaOH, KOH, Ca(OH)2, và NH4OH… NaOH có thể làm phồng nở cấu trúc cellulose, tăng diện tích tiếp xúc của cellulose và làm giảm độ trùng hợp cũng như độ kết tinh của cellulose NaOH đã được chứng minh tăng hiệu suất thủy phân gỗ cứng từ 14% lên 55% bằng cách giảm hàm lượng lignin từ 24-55% xuống còn 20% (Kumar và cộng sự,2009) Ngoài ra Ca(OH)2 cũng đang được nghiên cứu rộng rãi vì nó có giá thành rẻ, không tốn kém thiết bị yêu cầu độ an toàn cao và có thể tái phục hồi bằng phản ứng với CO2.

Ưu điểm : Hiệu quả cao, ít hòa tan cellulose và hemicellulose hơn so với xử lý

bằng acid hoặc bằng nhiệt, ít hình thành chất kìm hãm hoạt động của vi sinh vật, ít bị thất thoát lượng đường lên men được

Nhược điểm: Tiền xử lý tốt với các loại vật liệu phế thải nông nghiệp tuy nhiên

khả năng tiền xử lý kém với các loại gỗ cứng

c Phương pháp khác

Cũng có thể sử dụng những phương pháp khác như xử lý với dung môi hữu cơ: dùng dung môi như ethanol, methanol, acetone để hòa tan lignin; hay sử dụng các loại hóa chất khác: ozone, ure, KmnO4 , dioxane, EDTA …

3.5.2.3 Các phương pháp tiền xử lý vật lý

Các phương pháp thuộc nhóm này không sử dụng hóa chất trong quá trình xử lý Gồm các phương pháp như: nghiền nát, rọi bằng những bức xạ năng lượng cao, xử lý thủy nhiệt và nổ hơi Trong đó phương pháp nổ hơi là phương pháp quan trọng nhất,

đã đươ ̣c phát triển, áp dụng trên quy mô pilot [17]

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)

Hình 2.11: Mô tả cơ chế quá trình nổ hơi

Trong thiết bị phản ứng, nước dưới áp suất cao thâm nhập vào cấu trúc lignocellulose bởi quá trình khuếch tán và làm ẩm nguyên liệu 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 quyển Nguyên liệu được tống mạnh khỏi thiết bị qua một lỗ nhỏ bởi lực ép Nhiệt độ càng cao thì áp suất càng cao, do đó càng làm gia tăng sự khác nhau giữa áp suất trong thiết bị phản ứng so với áp suất khí quyển Sự chênh lệch về áp suất tỷ lệ với lực cắt của ẩm hóa hơi

Phương pháp này tăng độ xốp của nguyên liệu, phá hủy phần lớn cấu trúc hemicellulose và lignin Tuy nhiên, tiêu tốn nhiều năng lượng và hình thành các chất gây kiềm hãm là những hạn chế lớn của phương pháp này [37]

3.5.2.4 Phương pháp tiền xử lý sinh học

Trong các phương pháp khác nhau kể trên thì các phương pháp hóa ho ̣c và nhiê ̣t hóa học hiện nay là có hiệu quả nhất và có tính khả thi hơn cả về công nghệ trong việc

ứng dụng vào quá trình sản xuất ethanol công nghiê ̣p Tuy nhiên xử lý bằng phương pháp hóa học gây nhiều tốn kém và ảnh hưởng nặng đến môi trường, do đó hiện nay phương pháp sinh học đang dần được được hoàn thiện để thay thế toàn phần hay sử dụng kết hợp với các phương pháp hóa học Bằng cách sử dụng loại nấm mục nâu,

trắng và mềm như Phanerochaete chrysosporium, Ceriporia lacerate, Pycnoporus

cinnarbarinus, Cyathus sp, Streptomyces viridosporus, Phelebia tremellosus, Pleurotus florida và Peurotus cornucopiae có khả năng thủy phân lignin và hỗ trợ một

phần thủy phân nguồn nguyên liệu cellulose Phương pháp này không sử dụng thêm hóa chất nào nên thân thiện môi trường, tiêu tốn ít năng lượng, giảm chi phí đầu tư Tuy nhiên, thời gian xử lý kéo dài và hiệu quả thủy phân thấp là hạn chế lớn của phương pháp này

3.5.2.5 Hướng phát triển trong tương lai của quá trình tiền xử lý

− Giảm sử dụng hóa chất để không gây hại môi trường

− Tận dụng những loại sản phẩm phụ của quá trình để tăng tính kinh tế cho quá trình sản xuất bioethanol

− Tận dụng hemicellulose cho sản xuất bioethanol và sử dụng lignin làm nhiên liệu đốt hoặc là nguồn tổng hợp các chất khác

− Loại bỏ hoàn toàn lignin để chỉ còn hemicellulose và cellulose lên men đồng thời thành bioethanol

3.6 Quá tri ̀nh thủy phân bùn giấy

Quá trình thủy phân bùn giấy là quá trình chuyển hóa cellulose và hemicellulose

có trong nguyên liệu thành các loại đường khử có thể lên men tạo bioethanol Quá trình này được thực hiện chủ yếu nhờ sự tham gia của phức hợp enzyme cellulase

3.6.1 Enzyme cellulase

Cellulase là phức hệ enzyme có tác dụng xúc tác cho quá trình thủy phân cơ chất cellulose thông qua việc thủy phân liên kết β-1,4- glucoside trong cellulose Enzyme cellulase có thể được thu nhận từ vi khuẩn, nấm mốc, protozoan và một số động, thực vật Enzyme cellulase thu nhận từ các nguồn khác nhau sẽ có thành phần khác nhau

3.6.2 Phân loa ̣i

Dựa vào đặc điểm của cơ chất và cơ chế phân cắt, enzyme cellulase đƣợc chia làm ba loại chủ yếu:

3.6.2.1 Exoglucanase (EC 3.2.1.9.1)

Enzyme này còn có các tên gọi khác nhƣ: exo-β-1,4-glucanase, cellobiohydrolase, cellobiosidase, avicelase, CBH1, exo-cellobiohydrolase, exo-β-glucancellobiohydrolase, cellulase C1, β -1,4-glucan cellobiosidase…

Exoglucanase thủy phân liên kết β -1,4-glucoside từ đầu không khử của chuỗi cellulose tạo thành cellobiose hoặc glucose Exoglucanase từ một số vi sinh vật còn có thể thủy phân từ cả đầu khử và không khử của cellulose ( CBH I và CBH II từ Trichoderma)

3.6.2.2 Endoglucanase (EC.3.2.1.4)

Enzyme này còn có các tên gọi khác nhƣ: endo- β -1,4-glucanase; endocellulase, CMCase, Cx, β -1,4-glucanase, β -1,4-endoglucan hydrolase, celludextrinase, cellulosin AP, cellulase A alkali cellulase, avicelase, pancellase SS Endocellulase thủy phân liên kết β -1,4 glucoside một cách ngẫu nhiên bên trong chuỗi cellulose để giải phóng cellodextrin và cellobiose Enzyme này tác động mạnh đến cellulose vô định hình nhƣng tác động yếu đến cellulose kết tinh

3.6.2.3 β -glucosidase (EC.3.2.1.21)

Enzyme này còn có các tên gọi khác nhƣ: cellobiase β Dglucosidase, β 1,6-glucosidase, p-nitrophenyl β -glucosidase, salicilinase… Enzym này thủy phân cellobiose và các cello-oligosaccharit mạch ngắn tạo thành glucose; β-glucosidase không tấn công cellulose hoặc các cellodextrin khác

-3.6.3 Cấu trúc và tính chất enzyme cellulase

3.6.3.1 Cấu trúc enzyme cellulase

Abuja và cô ̣ng sự (1980) đã đề nghị cấu trúc bậc 3 củaTrichoderma reesei

CBH I (enzyme thủy phân cellobiose I – cellobiohydrolase I) và CBH II Trong đó, enzyme gồm:

Trung tâm xúc tác (CD: catalytic domain): có kích thước lớn

Trung tâm tạo liên kết với cellulose (CBD: cellulose binding domain): có

kích thước nhỏ hơn Nghiên cứu cấu trúc của trung tâm tạo liên kết với cellulose CBD của CBH I cho thấy đây là một chuỗi polypeptide gồm có 36 amino acid và có một mặt thể hiện tính chất kỵ nước mạnh Về mặt lý thuyết, có thể kết luận rằng CBD có vai trò quan trọng trong việc ổn định sự liên kết tạm thời giữa cellulase và bề mặt cellulose Trên bề mặt cellulose có vùng kỵ nước là do sự sắp xếp chặt chẽ và do liên kết hydrogen mạnh giữa các mạch cellulose, góp phần ngăn cản, không cho các phân tử lớn như nước xâm nhập vào cấu trúc này Chính tương tác giữa hai vùng có tính chất kỵ nước của cellulose và CBD mà enzyme được liên kết với cellulose

Cầu nối peptide: có tác dụng liên kết hai trung tâm này lại với nhau Đối với

enzyme cellulase, cầu nối peptide là một vùng ái đường, được cấu tạo bởi các amino acid serine, threonin và proline

Hình 2.12 : Các amino acid liên kết CD và CBD

Đối với T reesei CBH II, lõi protein có tác dụng phá vỡ cấu trúc vi sợi của cellulose Sản phẩm thủy phân của CHB I giữ nguyên cấu trúc lập thể của C1 (C chứa nhóm OH hemiacetal), trong khi đó CBH II tạo sự nghịch đảo cấu hình của C1 thành đồng phân α Cellulase có nguồn gốc từ các giống nấm mốc khác cũng như từ vi khuẩn đều có cấu trúc tương tự

3.6.3.2 Tính chất của enzyme cellulase

Cellulase thủy phân cellulose tự nhiên và các dẫn xuất như carboxymethyl

cellulose (CMC) hoặc hydroxyethyl cellulose (HEC) Cellulase cắt liên kết β 1,4-glucoside trong cellulose, lichenin và các β -D-glucan của ngũ cốc

-Độ bền nhiệt và tính đặc hiệu cơ chất có thể khác nhau Cellulase hoạt động ở pH

từ 3 - 7, nhưng pH tối thích trong khoảng 4 và 5 Nhiệt độ tối ưu vào khoảng 40 –

500C Hoạt tính cellulase bị phá hủy hoàn toàn ở 800C trong 10 - 15 phút

Cellulase bị ức chế bởi các sản phẩm phản ứng của nó như glucose, cellobiose và

bị ức chế hoàn toàn bởi Hg Ngoài ra, cellulase còn bị ức chế bởi các ion kim loại khác như Mn, Ag, Zn nhưng ở mức độ nhẹ

Trọng lượng của enzym cellulase thay đổi từ 30 - 110 KDa (Begunin, 1990; Gilkes và cộng sự, 1991)

3.6.4 Cơ chế tác đô ̣ng của enzyme cellulase lên cellulose

Quá trình enzyme cellulase xúc tác thủy phân cơ chất cellulose có thể chia thành

ba giai đoạn sau:

− Quá trình enzyme hấp phụ lên xơ sợi

− Quá trình tạo liên kết giữa cellulase và cellulose

− Quá trình thủy phân phối hợp của phức hệ enzyme cellulose

Sự tương trợ của hê ̣ enzyme thủy phân cellulose có thể được tóm tắt như sau:

 Quá trình thủy phân sơ cấp ( xảy ra trên bề mặt của cơ chất rắn) :

− Enzyme endo-cellulase tấn công ngẫu nhiên vào mạch cellulose nhờ tạo liên kết bằng tương tác giữa CBD với cellulose, tạo thành các oligosaccharide

− Enzyme exo – cellulase tấn công vào cellulose và cả oligomer từ đầu đường khử và không khử thông qua tương tác của CBD với cellulose, tạo thành cellobiose và glucose giải phóng vào pha lỏng

 Quá trình thủy phân thức cấp (pha lỏng) :

− β-glucosidase tấn công cellobiose và oligosaccharide tan trong pha lỏng, tạo glucose