nghiên cứu công nghệ xử lý một số loài phụ phẩm nông nghiệp bằng nước áp suất cao để thu dung dịch đường có khả năng lên men tạo ethanol

4 Nghiên cứu quá trình phản ứng thuỷ nhiệt đối với các loại nguyên liệu nghiền khác nhau trên thiết bị thí nghiệm: Xác định các thông số kỹ thuật để tiến hành phản ứng nhằm thu được các

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

SỞ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÁO CÁO NGHIỆM THU

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XỬ LÝ MỘT SỐ LOẠI PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP BẰNG NƯỚC ÁP SUẤT CAO ĐỂ THU DUNG DỊCH ĐƯỜNG CÓ

KHẢ NĂNG LÊN MEN ETHANOL

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI

TS NGUYỄN HỒNG DŨNG

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

THÁNG 11/ 2008

BÁO CÁO NGHIỆM THU

Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ xử lý một số loại phụ phẩm nông nghiệp bằng nước

áp suất cao để thu dung dịch đường có khả năng lên men tạo ethanol

Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Hoàng Dũng

Cơ quan chủ trì: Trường ĐH Bách khoa, ĐHQG TP.HCM

Thời gian thực hiện đề tài: 2005-2007

Kinh phí được duyệt: 190 triệu đồng

Kinh phí đã cấp:

120 triệu đồng theo TB số :220 TBKHCN ngày 17 / 11 /2005

50 triệu đồng theo TB số : 95 TBKHCN ngày 11 / 07 /2008

20 triệu đồng : cấp sau khi nghiệm thu

Mục tiêu: Nghiên cứu thử nghiệm công nghệ xử lý các phụ phẩm từ cây lúa như: rơm, rạ,

trấu nhằm mục đích mở ra hướng sản xuất cồn nhiên liệu từ các phụ phẩm này

Nội dung: 1) Phân tích thành phần rơm, rạ, trấu

2) Nghiên cứu quá trình xử lý cơ học các nguyên liệu này để làm thuận lợi cho quá trình phản ứng thuỷ nhiệt

3) Nghiên cứu chế tạo thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt ở quy mô phòng thí nghiệm có khả năng thực hiện phản ứng ở áp suất và nhiệt độ cao (đến 300

oC)

4) Nghiên cứu quá trình phản ứng thuỷ nhiệt đối với các loại nguyên liệu nghiền khác nhau trên thiết bị thí nghiệm: Xác định các thông số kỹ thuật để tiến hành phản ứng nhằm thu được các loại đường có thể chuyển hoá thành ethanol

5) Lắp đặt, vận hành thử nghiệm thiết bị phản ứng ở quy mô pilot do Trường đại học Tokyo giúp

6) Nghiên cứu quá trình phản ứng thuỷ nhiệt đối với các loại nguyên liệu nghiền khác nhau trên thiết bị pilot nhằm hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật để tiến hành phản ứng

Những nội dung đã thực hiện:

Cơng việc dự kiến Cơng việc đã thực hiện

1) Phân tích thành phần rơm, ra

2) Nghiên cứu quá trình xử lý cơ học

(nghiền) rơm rạ

3) Nghiên cứu chế tạo thiết bị phản ứng

thuỷ nhiệt ở quy mô phòng thí nghiệm

4) Nghiên cứu quá trình phản ứng thuỷ

nhiệt đối với rơm rạ đã nghiền

5) Lắp đặt, vận hành thử nghiệm thiết bị

phản ứng ở quy mô pilot do Trường đại

học Tokyo giúp

6) Nghiên cứu quá trình phản ứng thuỷ

nhiệt đối với rơm rạ trên thiết bị pilot

nhằm hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật để

tiến hành phản ứng

7) Tiếp tục nghiên cưú theo hướng trên

đối với trấu

8) Nghiên cứu quá trình xử lý nguyên liệu

biomass ở quy mô > 10L để chuẩn bị cho

quá trình lên men

9) Phân tích đánh giá thành phần đường

để đánh giá khả năng sử dụng của chúng

vào mục đích sản xuất ethanol, đồng thời

định hướng nghiên cứu tiếp tục để sử

dụng tổng hợp nguồn tài nguyên rơm rạ

trấu nói riêng và biomass nói chung

1) Đã phân tích thành phần rơm, rạ 2) Đã nghiên cứu quá trình nghiền rơm rạ

3) Đã chế tạo thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt

ở quy mô phòng thí nghiệm 4) Đã nghiên cứu quá trình phản ứng thuỷ nhiệt đối với rơm rạ đã nghiền ở quy mô PTN

5) Lắp đặt, vận hành thử nghiệm và đưa vào sử dụng thiết bị phản ứng quy mô pilot do Trường Đại học Tokyo giúp 6) Đã nghiên cứu quá trình phản ứng thuỷ nhiệt đối với rơm rạ trên thiết bị pilot nhằm xác định, hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật phù hợp cho quá trình xử lý

7) Đã tiến hành các nghiên cưú đối với nguyên liệu trấu

8) Đã nghiên cứu quá trình xử lý nguyên liệu rơm rạ và trấu ở quy mô 10L để chuẩn bị cho quá trình lên men

9) Đã phân tích, đánh giá thành phần đường, xác định bước đầu khả năng sử dụng của chúng vào mục đích sản xuất ethanol, định hướng nghiên cứu tiếp tục để sử dụng nguồn tài nguyên rơm rạ trấu có hiệu quả cho mục đích sản xuất năng lượng

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 7

1.1 NHIÊN LIỆU CỒN 7

1.2 RƠM RẠ VÀ THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA RƠM RẠ TRẤU 7

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ RƠM RẠ, TRẤU 13

1.4 VÀI NÉT VỀ QUÁ TRÌNH LÊN MEN 22

1.5 NHẬN XÉT 24

CHƯƠNG 2 CÁC HẠNG MỤC VỀ LẮP RÁP VẬN HÀNH 25

THIẾT BỊ ĐÃ THỰC HIỆN 25

2.1 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THUỶ NHIỆT Ở QUY MÔ PHÒNG THÍ NGHIỆM 25

2.2 XÂY LẮP NHÀ XƯỞNG, TIẾP NHẬN, LẮP RÁP VÀ VẬN HÀNH THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THUỶ NHIỆT CHỊU NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CAO DO VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHIỆP - TRƯỜNG ĐẠI HỌC TOKYO HỖ TRỢ 2 6 CHƯƠNG 3 CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 30

A CÁC NGHIÊN CỨU VỀ RƠM RẠ 30

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30

3.1 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 30

3.2 NGUYÊN LIỆU 31

3.3 PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NGUYÊN LIỆU 31

3.4 KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH XỬ LÝ THUỶ NHIỆT 33

3.5 KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN ENZYME 34

3.6 THỬ NGHIỆM QUÁ TRÌNH LÊN MEN 35

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36

3.7 KHẢO SÁT THÀNH PHẦN NGUYÊN LIỆU BAN ĐẦU 36

3.8 QUÁ TRÌNH XỬ LÝ THUỶ NHIỆT 36

3.9 KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN BẰNG ENZYME 42

3.10 NGHIÊN CỨU THĂM DÒ KHẢ NĂNG LÊN MEN CỒN TỪ DUNG DỊCH ĐƯỜNG THU ĐƯỢC KHI THỦY PHÂN RƠM RẠ 44

B CÁC NGHIÊN CỨU VỀ TRẤU 46

3.11 NGUYÊN LIỆU VÀ HOÁ CHẤT CẦN THIẾT 46

3.12 CÁC DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG 48

3.13 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 49

3.15 KHẢO SÁT THÀNH PHẦN NGUYÊN LIỆU 59

3.16 KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH NỔ HƠI 60

3.17 KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN 65

3.18 KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH LÊN MEN 75

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 84

4.1 KẾT LUẬN 84

4.2 KIẾN NGHỊ 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

MỞ ĐẦU

Sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hoá thạch của thế giới có thể nói là đã được dự báo Cùng với tình hình dầu mỏ khí đốt ngày càng khan hiếm, các quốc gia nắm giứ các nguồn tài nguyên này có thể sử dụng chúng như một công cụ chính trị và giá dầu đang leo thang tương đối nhanh đã buộc các nhà khoa học và nhiều chính phủ phải nghĩ đến các phương án năng lượng khác, đặc biệt là các nguồn năng lượng tái tạo được

Trong số các nguồn năng lượng có khả năng khai thác và sử dụng cao như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thuỷ triều, địa nhiệt, năng lượng biomass thì nguồn biomass đang ngày càng thu hút được sự chú ý vì sự đa dạng, tiềm năng to lớn và vì tính chất đảm bảo cho sự phát triển bền vững của chúng

Nước ta là một nước nông nghiệp, và cây lúa có vị trí quan trọng trong toàn bộ cơ cấu nền nông nghiệp của đất nước Hiện nay, Việt Nam là một trong những nước có sản lượng gạo xuất khẩu lớn của thế giới và mang lại nguồn thu lớn, hơn 1 tỷ USD mỗi năm [1]

Sản lượng lúa gạo cao phục vụ nhu cầu lương thực trong nước và xuất khẩu đã dẫn đến tình trạng dư thừa một lượng lớn các phụ phẩm của lúa như rơm, rạ, Tuy nhiên, hầu hết rơm rạ được đốt bỏ hoặc di dời đi sau khi thu hoạch để chuẩn bị cho vụ mùa kế tiếp theo thói quen của nhà nông Rơm rạ lúa gạo này không thể được sử dụng được hoặc đưa trực tiếp vào đất do tỷ lệ C/N cao Chúng sẽ sản sinh các chất độc cho cây trong quá trình phân hủy [2]

Trong tình hình đó, việc nghiên cứu các biện pháp để có thể sử dụng có hiệu quả các phụ phẩm và chất thải nông nghiệp là quan trọng và cần thiết Hiện nay, một số nghiên cứu theo hướng này đã đạt được những kết quả nhất định Ví dụ, sản xuất than hoạt tính từ vỏ trấu, sử dụng rơm rạ để sản xuất nấm, sản xuất phân hữu cơ, chạy máy phát điện, [3] Trong số các hướng nghiên cứu có triển vọng, có thể thấy rằng nguồn cellulose và hemicellulose cao trong rơm rạ có thể được dùng để lên men cồn Việc sản xuất cồn từ nguồn phụ phẩm này sẽ giúp giải quyết phần nào sự dư thừa các phế phụ phẩm từ cây lúa, cải thiện vấn đề môi trường Không những vậy, việc sử dụng cồn nhiên liệu còn giúp làm giảm lượng khí thải cacbon monoxide của các phương tiện giao thông, các thiết bị công nghiệp có sử dụng nhiên liệu,…

Nhằm ủng hộ hướng nghiên cứu này, đồng thời đẩy mạnh sự hợp tác với các cơ sở đào tạo

và nghiên cứu ở trong và ngoài nước, đề tài “Nghiên cứu công nghệ xử lý một số loại phụ phẩm nông nghiệp bằng nước áp suất cao để thu dung dịch đường có khả năng lên men tạo ethanol” nhằm xác định khả năng đường hoá cellulose trước khi có những nghiên cứu

sâu về quá trình lên men, chưng luyện để tinh chế ethanol đến độ sạch cao có thể ứng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 NHIÊN LIỆU CỒN

Nhiều vùng khác nhau trên thế giới có lượng dư thừa các sản phẩm nông nghiệp hoặc chất thải có tiềm năng năng lượng cao có thể ứng dụng vào việc sản xuất cồn Ví dụ, cây khuynh diệp phong phú ở Bồ Đào Nha, cây thông ở Chi Lê, và cây mía ở Brazil Rất nhiều nước đang tìm kiếm con đường sử dụng các nguồn tài nguyên thiên nhiên phục vụ cho việc sản xuất cồn nhiên liệu Chính phủ Brazil thông qua việc bổ sung của chương trình rượu cồn quốc gia, đã nỗ lực phát triển xe hơi chạy bằng nhiên liệu cồn sản xuất từ đường mía Hiện nay, 40% xe hơi Brazil chạy bằng nhiên liệu cồn 100% Ngay cả xe hơi chạy bằng xăng dầu cũng sử dụng xăng trộn 22% cồn với 78% xăng

Nikolaus A Otto, người đưa ra chu trình otto, cho rằng cồn là nhiên liệu thích hợp cho động cơ đốt trong bốn kỳ Ở Mỹ, Henry Ford, cha đẻ của xe hơi, thúc đẩy việc ứng dụng cồn từ thập niên 1920 Xu hướng này được tiếp tục trong suốt thập niên 1930, trong đó hơn 2000 trạm xăng ở miền viễn Tây sử dụng xăng pha 6 – 12% cồn sản xuất từ bắp Tuy nhiên, do giá thành cao của cồn là một hạn chế lớn và vì vậy việc sử dụng cồn nhiên liệu cũng sớm kết thúc

Hiệu quả của cồn nhiên liệu so với xăng dầu

Pimentel [4] so sánh hiệu suất của cồn nhiên liệu với hiệu suất của xăng dầu dựa trên lượng nhiên liệu tiêu thụ, công suất và nhiệt độ hoạt động của động cơ Theo tính toán lý thuyết thì mức độ tiêu thụ cồn 96% (v/v) của động cơ xe hơi cao hơn 9% mức độ tiêu thụ của xăng Kết quả kiểm tra khi chạy trên đường cho thấy lượng cồn nhiên liệu tiêu thụ hơn xăng dầu vào khoảng 10 ÷ 20%

Công suất lớn hơn có thể đạt được ở cồn nhiên liệu do tỉ số nén của xăng dầu là 8:1 còn của cồn là 12:1 Tỉ số nén gia tăng cho phép bởi tính chất chống va đập của cồn Số liệu thực nghiệm chỉ ra rằng cồn nhiên liệu có thể tạo ra công suất lớn hơn 20% so với xăng dầu

Cồn nhiên liệu có áp suất hơi thấp, vì vậy sẽ gây khó khăn cho việc khởi động lạnh động

cơ khi nhiệt độ dưới 150C Để hỗ trợ trong giai đoạn này thì cần phải có một hệ thống khởi động lạnh

1.2 RƠM RẠ VÀ THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA RƠM RẠ TRẤU

Rơm ra là phế thải của sản xuất nông nghiệp, nhưng lại là nguyên liệu tốt cho công nghệ hóa học, giấy vàcellulose Chúng có độ dài xơ trung bình vào khoảng 0,5 ÷ 0,8 mm [5]

Về thành phần hóa học, hàm lượng cellulose trong rơm lúa gạo vào khoảng 34÷38%; hàm lượng lignin thấp 12% Do đó quá trình phân hủy lignin để thu nhận cellulose diễn ra dễ dàng hơn Hàm lượng hemicellulose cao Hàm lượng tro và hàm lượng silic trong rơm lúa gạo khá cao: 14 ÷ 18% đối với tro và 8% đối với silic

Trấu là một lớp vỏ cứng bao quanh hạt gạo có nhiệm vụ bảo vệ hạt gạo trong khi lúa phát triển theo mùa Nhờ có lớp lignin và lớp silica bao quanh nên trấu có cấu trúc bền, cứng, khó phá vỡ, hầu như không bị tiêu hoá nếu như con người ăn phải Khi thu hoạch, con người chỉ lấy phần hạt gạo bên trong, phần vỏ trấu thải ra ngoài, nên vỏ trấu được xem là nguồn phế phẩm trữ lượng lớn Với sản lượng 23 triệu tấn lúa thóc, sau khi thu hoạch gạo chiếm 50-60% khối lượng, còn khoảng 20-25% khối lượng là vỏ trấu [11] Hiện nay, việc ứng dụng vỏ trấu vẫn chưa được nhiều

1.2.1 Kết cấu thành tế bào

Các vật liệu lignocellulose thường gồm ba nhóm polymer: cellulose, hemicellulose, và lignin Cellulose và hemicellulose là các polysacharide của đường có khả năng lên men Cellulose là hợp chất cao phân tử của glucose, một loại đường 6 cacbon Hemicellulose thì nhiều loại hơn, nó là hỗn hợp của đường 5 và đường 6 như là: xylose, mannose, glucose, arabinose, galactose và uronic acid Lignin là một polymer của phenol do đó không thể sử dụng lên men cồn được

Cấu trúc cơ bản, tổ chức và sự tương tác giữa các phân tử có ảnh hưởng lớn tới tính chất vật lý, hóa học của toàn bộ cây Một vài chất trích ly như xáp và lipid cũng hiện diện trong thành tế bào, nhưng không ảnh hưởng tới cấu trúc Một thành phần khác, cấu tạo bởi các chất vô cơ như calcium, natri và silic, được gọi là tro, chiếm khoảng 10% thành phần rơm rạ Thành phần này cũng không được dùng để lên men

1.2.2 Cellulose

Sợi cellulose có tính bền vững cao, là một chuỗi đồng nhất có thể lên tới 12000 đơn vị liên kết b- glucose 1 > 4 Ở trạng thái tự nhiên, mạch cellulose được liên kết với nhau nhờ các cầu nối hydro giữa các phân tử [6] Các cầu nối hydro nội phân tử cũng được hình thành giữa các đơn vị glucose của cũng một chuỗi

Hiệu ứng cộng hợp của năng lượng liên kết của các nối hydro làm gia tăng sự bền chặt của cellulose và làm cho nó không tan trong hầu hết các dung môi hữu cơ Các chuỗi cellulose này kết hợp với nhau thành các vùng có trật tự cao hơn và các vùng vô định hình

ở biên được mô tả theo lý thuyết lớp biên micelle do Gerngross và cộng sự đưa ra vào năm 1932 Sự kết khối của cellulose hình thành các sợi nhỏ đóng vai trò như lõi của các vi

sợi (Hình 1.2) Trong các nguyên liệu biomass, cellulose là nguồn cung cấp chủ yếu glucose, thành phần có khả năng lên men

Hình 1.1 Cấu trúc cellulose, và liên kết β (1 → 4) glucosidic

Hình 1.2 Liên kết hydronội phân tử (intramolecular) và ngoại phân tử

(intermolecular) trong mặt cắt của cây [6]

Hình 1.3 Các thành phần trong vi sợi: C -vùng kết tinh, A- vùng vô định hình [6]

Để thủy phân hoàn toàn cellulose tự nhiên thành dạng có thể lên men được là một quá trình phức tạp vì glucose dễ bị phân hủy Cấu trúc của sợi cellulose trong đó có cả vùng vô định hình và vùng tinh thể đòi hỏi một mô hình có tính toán đến hai tốc độ phản ứng ở hai vùng Grethlein [7] mô tả động học quá trình thủy phân như sau:

Trong đó A’ biểu diễn cellulose vô định hình, A biểu diễn cellulose tinh thể, B biểu diễn các đơn phân glucose, và C là sản phẩm phân hủy từ glucose Tốc độ phản ứng tổng bị khống chế bởi tốc độ thủy phân cellulose tinh thể vì thành phần tương đối cao của cellulo tinh thể trong nguồn nguyên liệu biomass và điều kiện phản ứng để phân hủy cellulose (A > B) để làm tăng khả năng phân hủy glucose (B > C) là tương đối khó khăn

1.2.3 Hemicellulose

Hemicellulose là một polyme sinh học vô định hình Lượng đường trong hemicellulose thay đổi rất nhiều Nhìn chung, các cacbohydrate của hemicellulose bao gồm glucuronoxylan, glucomannan, và một lượng nhỏ các polysaccharide khác Glucuronoxylan (O-acetyl-4-O-methyl-glucurono-D-xylan) là thành phần chiếm ưu thế [8] Trục chính của polyme là liên kết b 1-4 của các chuỗi xylopyranose Khoảng chừng

và khoảng bảy phần mười các cacbon C-2 C-3 bị acetyl hóa Glucomannan có ít hơn trong thành phần của hemicellulose, vào khoảng 3-5% Các chuỗi heteropolymer gồm các liên kết b 1-4 của glucose và mannose với tỷ lệ trung bình là hai mannose với một glucose [6] Trong vách tế bào, hemicellulose bao quanh và liên kết với lõi cellulose của vi sợi bằng các liên kết hydro [9] Glucuronoxylan mạch nhánh làm cho cấu trúc polymer không định hình Glucomannan cũng không định hình tùy theo sự không đồng nhất của các cacbohydrate thành phần Nhìn chung, hemicellulose thủy phân nhanh chóng thành đường trong điều kiện acid êm dịu [8]

Hình 1.4 Một phần cấu trúc của O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan trong gỗ [6]

1.2.4 Lignin

Thành phần thứ ba của thành tế bào của biomass là lignin Những hiểu biết về lignin rất giới hạn bởi sự khó khăn trong việc phân lập lignin, và cũng bởi vì sự biến động nhiều của chúng trong tự nhiên Tuy nhiên, lignin được biết là một chất bền vững, có khối lượng phân tử lớn và được hình thành từ các phenyl propan (Hình 1.5) Như là một phần của cấu trúc vi sợi, lignin đóng vai trò như một chất keo điền đầy khoảng không gian giữa cellulose và hemicellulose và các polyme phức tạp khác Sự có mặt của lignin làm hạn chế đáng kể khả năng tấn công vào các phân tử cellulose và hemicellulose Hơn thế nữa, lignin cũng rất cứng, giúp cho tế bào gỗ cứng Lignin hình thành nên thành phần chính của phần giữa của phiến lá, hoặc các gian bào Như vậy, lignin đóng vai trò như là chất kết nối giữa các tế bào, cũng như là các cấu trúc hỗ trợ cho cây

Hình 1.5 Cấu tạo của lignin trong gỗ cứng và gỗ mềm

1.2.5 Cấu trúc thành tế bào

Cấu trúc của các vi sợi hình thành nên cấu trúc cơ bản của thành tế bào của biomass Các

vi sợi có hướng xác định được gắn kết tạo nên các lớp khác nhau Lớp vách tế bào đầu tiên, lớp ngoài cùng, cấu trúc sơ sợi không có hướng nhất định Các vi sợi được gắn kết theo mọi hướng hình thành mạng lưới Lớp vách tế bào thứ hai gồm ba phân lớp S1, S2 và S3 Số thứ tự này được quy định dựa trên trật tự sắp xếp các lớp từ ngoài vào trong; ví dụ: S1 là phần ngoài cùng của lớp thứ hai, ngay sau lớp thứ nhất, và S3 là phân lớp trong cùng của thành tế bào Cấu trúc vi sợi ở lớp S1 định hướng theo chiều ngang (vuông góc với trúc của thân cây), ở phân lớp S2 thì cấu trúc vi sợi định hướng theo chiều dọc (song song với trục của thân cây), và tiếp tục theo chiều ngang ở phân lớp S3

Tỷ lệ cellulose lớn nhất trong tế bào gỗ là ở vách tế bào thứ hai (Hình 1.6) Như hình vẽ cấu trúc của vi sợi , cellulose không thể bị tấn công tức thời Tuy nhiên, mặc dù giữa các lớp gắn kết chặt chẽ với nhau nhưng tế bào gỗ vẫn có các lỗ xốp [10] Các lỗ này được coi như là các mao quản bởi vì nó hình dạng dài và mảnh Sự xuất hiện của các mao quản là nhờ có sự lấp kín không hoàn toàn không gian giữa các thớ của vi sợi của lignin và các chất khoáng [11] Khe hở giữa các mao quản rất nhỏ Trong điều kiện bình thường, hầu hết các vi mao quản chỉ có thể tấn công vào đối với các phân tử có kích thước nhỏ hơn 51

A0 [10]

Hình 1.6 Phân bố cellulose, hemicellulose, và lignin trong thành tế bào gỗ điển hình [11]

Các sợi cellulose có khả năng chống lại các tác nhân hóa học cao Để có thể cắt đứt cellulose thành các glucose, các liên kết ngoại phân tử và liên kết nội phân tử, cũng như các liên kết glucosidic giữa các glucose phải được tách ra Việc tách các liên kết này có thể được thực hiện nhờ thủy phân bằng enzym hoặc acid Đối với những chất phức tạp hơn, cellulose tồn tại liên kết với hai loại polymer khác là hemicellulose và lignin Có liên kết hydrogiữa cellulose và hemicellulose Mặc dù lignin không liên kết trực tiếp với cellulose, nhưng nó hình thành liên kết liên hợp với hemicellulose

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ RƠM RẠ, TRẤU

Rơm rạ và trấu có thể được dùng làm nguyên liệu để lên men khi áp dụng các phương pháp xử lý thích hợp Để xác định hiệu quả của phương pháp xử lý, các phương pháp đó phải có những điều kiện sau: 1) Tạo ra được lượng đường lớn nhất có thể có khả năng lên men, 2) Tránh và làm giảm sự phân hủy của các cacbohyđrat, 3) Tránh và làm giảm sự hình thành các chất ức chế sự phát triển của vi khuẩn, và 4) Có khả năng thực hiện và mang lạiø hiệu quả kinh tế Như vậy, mục đích của quá trình xử lý là phá vỡ cấu trúc lignocellulose tạo thành các monosaccharide phục vụ cho quá trình lên men

Ba yếu tố chính để phá vỡ cellulose thành các monosaccharide là kích thước lỗ xốp [12], sự kết tinh của cellulose và khả năng loại bỏ lignin Để nâng cao khả năng tấn công vào các cellulose, có thể đạt được bằng cách loại bỏ hemicellulose bởi vì hemicellulose có khả năng thủy phân dễ dàng hơn nên sẽ tạo ra kích thước lỗ xốp lớn hơn trong lớp vi sợi McMillan [13] chỉ ra rằng khả năng thủy phân của enzyme tỷ lệ với việc loại bỏ hemicellulose, tồn tại sự tương quan thuận giữa kích thước lỗ xốp (hoặc bề mặt riêng) với sản lượng glucose trong quá trình thủy phân enzyme; (ví dụ như: kích thước lỗ xốp càng lớn tương ứng với sản lượng glucose càng cao)

Sự kết tinh của glucose là nhân tố thứ hai quyết định đến sản lượng glucose Độ kết tinh càng cao thì tốc độ thủy phân càng chậm Weimer và cộng sự [14] chứng minh rằng quá trình xử lý hóa chất và nhiệt có khuynh hướng làm tăng chỉ số kết tinh tương đối (RCI) của cellulose vô định hình Một nghiên cứu tương tự lại chỉ ra rằng sự gia tăng RCI không có ý nghĩa đối với sự kết tinh của cellulose

Yếu tố thứ ba là, bởi vì khả năng tấn công vào cellulose của vi sợi bị ngăn cản bởi ma trận lignin bao quanh, nên việc loại bỏ lignin sẽ giúp gia tăng đáng kể khả năng tấn công vào các polysaccharide Có một vài phương pháp xử lý biomass để chuyển hóa nguyên liệu lignocellulose thành đường có khả năng lên men Các phương pháp này bao gồm xử lý kiềm và acid loãng, thủy phân bằng acid, ammonia quá trình xử lý thuỷ nhiệt (AFEX), quá trình xử lý thuỷ nhiệt, thủy phân enzym Tuy nhiên, trong báo cáo này chỉ giới hạn ở quá trình thủy phân bằng acid và steamexplosion/ thủy phân enzyme bởi vì những phương pháp này có nhiều triển vọng hơn các phương pháp khác

1.3.1 Thủy phân acid

Thủy phân acid là phương pháp xử lý truyền thống đối với quá trình lên men lignocellulose Bracconet là người đầu tiên khám phá rằng việc xử lý gỗ bằng acid sulfuric đậm đặc sẽ tạo ra glucose vào năm 1819

Franzidis và Porteous xem xét lại tính kinh tế của quá trình thủy phân trước đây Quá trình

“Mỹ”, được biết đến là phương pháp Simosen, được sử dụng từ năm 1910 đến năm 1922 Bã của nhà máy của gỗ thông ở miền Nam nước Mỹ được thủy phân gián đoạn sử dụng 0,5% acid sulfuric và hơi nước ở áp suất 912 kPa Sản lượng ethanol của toàn bộ quá trình

vào khoảng 22 gal/ton (83,28 l/tấn), được chứng minh là không có tính kinh tế Quy trình

của Đức, do Heinrich Scholler phát triển sau đó vài năm, đã tăng sản lượng lên 52-58

gal/ton (197 l/tấn) trong 13 – 20 giờ thủy phân Quá trình Scholler sử dụng phương pháp

“thấm qua theo xung” trong đó acid sulfuric 0,8% được cho chảy qua cột nén đầy bã gỗ ở nhiệt độ 1200C đến 1800C Giai đoạn hoạt động mạnh mẽ của quá trình Scholler là suốt

triển quy trình Scholler làm tăng sản lượng ethanol lên 64,5 gal/tấn (244 l/tấn) chỉ trong 3

giờ thủy phân Việc cải tiến trong quy trình đường gỗ Madison của phòng thí nghiệm Sản phẩm Lâm nghiệp là ở chỗ dòng acid loãng là dòng liên tục và dịch thủy phân được tháo

ra liên tục, điều này làm giảm sự phân hủy của các monosaccharide Quy trình Madison chưa hề thực sự có tính kinh tế bởi vì nó không có khả năng cạnh tranh hiệu quả với cồn sản xuất từ các nguồn dầu mỏ

1.3.2 Cơ chế thủy phân acid

Lúc ban đầu, quá trình thủy phân acid xảy ra sự tấn công và phá hủy cellulose với mức độ vừa phải Chất xúc tác chính là ion hydro có kích thước 4A0 Như đã đề cập trong phần 2.2.2, các lỗ xốp trong vi sợi cho phép các phần tử có kích thước đến 51 A0 đi vào Ion hyđro, vì vậy ít bị ảnh hưởng về khả năng tấn công vào cellulose như là enzyme cellulase Hơn nữa, cơ chế cơ bản của quá trình thủy phân liên kết glucosidic tương đối đơn giản (Hình 1.7) Cơ chế này tương tự quá trình thủy phân các liên kết glucosidic khác như tinh bột (b 1 ->4 – glucose, và mạch nhánh b 1 ->6) Bước thứ ba (Hình 1.7) là bước giới hạn tốc tốc độ phản ứng bởi vì sự hình thành cấu hình nửa ghế có mức năng lượng cao do sự tuần hoàn các ion cacbonium

Tốc độ thủy phân lúc đầu thường rất nhanh Goldstein, Grethlein thực hiện các thí nghiệm để chỉ ra rằng giai đoạn đầu của phản ứng thủy phân, kích thước lỗ xốp càng lớn thì tốc độ phản ứng càng nhanh Tuy nhiên, sau khi sự thủy phân đạt đến giới hạn, tốc độ phản ứng giảm nhanh chóng Các liên kết glucosidic dễ dàng bị thủy phân là những liên kết ở bề mặt hoặc trong vùng không định hình của cellulose Tốc độ thủy phân nhanh chóng phản ánh hoạt tính của quá trình thủy phân trong các vùng này và có thể thấy được thông qua sự giảm độ trùng hợp (degree of polymerization, DP) từ vài ngàn đến khoảng 200 [15] Giá trị này được xem như là sự dừng lại của độ trùng hợp (leveling off degree of polymerization, LODP) Nếu thủy phân tiếp sẽ khó khăn hơn ở dưới LODP bởi vì độ kết tinh cao của các phân tử cellulose còn lại

Tillman và cộng sự [16] thực hiện các nghiên cứu có liên quan đến tính dẫn nhiệt của các mảnh gỗ dương nhằm tăng tốc độ thủy phân Kết quả cho thấy kích thước các phần tử càng nhỏ thì tốc độ truyền nhiệt càng nhanh, vì vậy tránh được sự biến động nhiệt độ tức thời, làm tăng tốc độ phản ứng thủy phân tổng cộng

Converse và Grethlein [17] đưa ra một nghiên cứu dựa trên việc phát triển một phương pháp xử lý bằng thủy phân acid dùng để đường hóa biomass Bản đồ sản lượng glucose và xylose được nghiên cứu để phục vụ cho việc dự đoán điều kiện phản ứng tối ưu Nó được xác định sao cho tối đa hóa lượng glucose thu được đồng thời giảm thiểu sự phân hủy,

phản ứng theo nhiều hướng của chất rắn khi đi qua thiết bị phản ứng ở nhiệt độ thấp Lượng xylose tối đa xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn so với của glucose Các nhà nghiên cứu phát triển một hệ thống dựa trên việc cải tiến thiết kế của Thompson Thiết kế của Thompson là thiết bị phản ứng liên tục một pass Thiết kế sau đó có thêm một bộ phận phun hơi trong thiết bị phản ứng Để sử dụng thiết kế của Thompson trong đó thiết bị phản ứng bắt đầu bằng việc bơm acid vào, Converse và Grethlein thấy rằng việc khuấy trộn tức thời là không khả thi Việc phun hơi vào giúp cho acid được khuấy trộn đều với hỗn hợp phản ứng ở dưới nhiệt độ phản ứng trước khi phản ứng bắt đầu Việc phun hơi cũng loại bỏ khả năng ăn mòn so với phun acid Kết quả của thiết bị phản ứng một pass cho thấy hạn chế của quá trình đường hóa và nâng sản lượng lên 50% Các thành phần sau khi thủy phân được dùng để thủy phân tiếp bằng enzyme cải thiện đáng kể sản lượng, lên đến 100% đối với rơm bắp và 90% đối với gỗ sồi

Carrasco và cộng sự [18] so sánh hiệu quả của phương pháp xử lý acid so với quá trình xử lý thuỷ nhiệt Nghiên cứu cho thấy cả hai phương pháp xử lý đều làm tăng chỉ số kết tinh cellulose (CI) Ảnh hưởng này không xuất hiện khi sử dụng Sigmacell, một loại vi tinh thể thuộc họ glucose cho các phương pháp xử lý, vì vậy cho thấy rằng sự thủy phân vùng vô định hình sẽ làm tăng chỉ số kết tinh cellulose (CI) Đối với các loại biomass được sử dụng (gỗ cứng, gỗ mềm, cỏ), quá trình thủy phân acid làm CI tăng ở mức độ ít mạnh mẽ so với quá trình xử lý thuỷ nhiệt Tuy nhiên, khi các mảnh cellulose được xử lý được dùng để thủy phân tiếp, các tác giả nhận thấy rằng xử lý bằng acid làm tăng tốc độ quá trình thủy phân trong khi quá trình xử lý thuỷ nhiệt làm giảm tốc độ

Hình 1.7 Cơ chế chính của quá trình thủy phân [6]

1.3.3 Quá trình xử lý thuỷ nhiệt

Quá trình xử lý thuỷ nhiệt được phát triển bởi W H Mason cho sản phẩm gỗ ép [19] Kể từ đó, việc ứng dụng quá trình này được mở rộng cho các sản phẩm như thức ăn gia súc, và nghiền gỗ cứng

Ứng dụng của quá trình xử lý thuỷ nhiệt trong xử lý biomass được đề cập đến từ đầu những năm của thập niên 1980 Công ty Iotech thực hiện một số nghiên cứu đầu tiên về hiệu quả của quá trình xử lý thuỷ nhiệt đối với gỗ cây dương Một báo cáo toàn diện của Iotech được gửi tới Bộ Năng lượng Mỹ mô tả ảnh hưởng của thời gian lưu và áp suất đối với sản lượng xylose và glucose Iotech tìm ra rằng, ở một áp suất nhất định, sản lượng xylose và glucose đạt cực đại ở các thời gian lưu khác nhau, và xylose thường đạt cực đại trước glucose Tương tự, sản lượng xylose và glucose lớn nhất có được ở nhưng áp suất khác nhau Kết luận cuối cùng được đề cập đến trong báo cáo là điều kiện phản ứng tối

ưu của holocellulose (xylose + glucose) là 500 – 550 psig trong thời gian 40 giây

Một vài nghiên cứu ứng dụng quá trình xử lý thuỷ nhiệt cho các loại nguyên liệu biomass khác nhau được thực hiện tiếp theo báo cáo của Iotech, Schultz và cộng sự so sánh hiệu quả của phương pháp xử lý quá trình xử lý thuỷ nhiệt trên hỗn hợp các mảnh gỗ cứng, vỏ trấu, thân cây bắp, và bã mía Quá trình xử lý thuỷ nhiệt ở 240 – 2500C và trong một phút làm tăng tốc độ thủy phân enzyme của các mảnh gỗ cứng, vỏ trấu, và bã mía lên ngang bằng tốc độ thủy phân giấy lọc Các mẫu được xử lý quá trình xử lý thuỷ nhiệt không làm tăng tốc độ thủy phân acid so với mẫu chưa xử lý Nghiên cứu cũng cho thấy không có sự khác biệt về tốc độ thủy phân đối với mẫu chứa trong 8 tháng trước khi thủy phân với mẫu được xử lý quá trình xử lý thuỷ nhiệt trước khi thủy phân

Martinez và cộng sự [20] sử dụng Onopordum nervosum và Cyanara cardunculus làm nguyên liệu Hiệu quả đường hóa (lượng glucose sinh ra sau 48 giờ thủy phân bằng enzyme/lượng glucose tối đa trong mẫu) đạt được trên 90% đối với O nervosum khi xử lý quá trình xử lý thuỷ nhiệt ở 2300C, 1 – 2 phút và C cardunculus ở 2100C, 2 – 4 phút Kết quả tương tự góp phần cũng cố về hiệu quả của quá trình quá trình xử lý thuỷ nhiệt đối với quá trình đường hóa bằng enzyme được báo cáo bởi Nunes và Pourquie [21] với gỗ cây khuynh diệp, Martin và cộng sự [22] với gỗ thông, và Moniruzzaman [23] với rơm rạ

1.3.4 Cơ chế quá trình xử lý thuỷ nhiệt

Chornet và Overend [24] mô tả quá trình xử lý thuỷ nhiệt như là một quá trình cơ – hóa – nhiệt Việc phá vỡ cấu trúc của các hợp phần được sự hỗ trợ của nhiệt dưới dạng hơi (nhiệt), lực cắt dựa trên sự giản nở của ẩm (cơ), và thủy phân các liên kết glucosidic (hóa học)

Trong thiết bị phản ứng, hơi nước có áp suất cao thấm vào cấu trúc của lignocellulosic nhờ khuyếch tán Hơi nước ngưng tụ ở áp suất cao sẽ làm ẩm vật liệu Ẩm trong biomass thủy phân các nhóm acetyl của hemicellulose, hình thành các acid hữu cơ như là acid acetic và uronic Các acid này, tiếp tục làm chất xúc tác để phân hủy mạch polyme của hemicellulose, giải phóng xylan và một phần glucan Dưới điều kiện khắc nghiệt như vậy, vùng vô định hình của cellulose có thể bị thủy phân một phần Dưới điều kiện cao hơn nữa, ví dụ như áp suất cao, nhiệt độ cao, tuy nhiên có thể xúc tiến sự phân hủy xylan thành fufural và glucose thành 5-hydroxylmethyl fufural Fufural là chất ức chế khả năng phát triển của vi sinh vật, vì vậy không có lợi đối với việc lên men

“Ẩm” trong biomass “bung ra” khi áp suất trong thiết bị phản ứng được giải phóng Một vài hiện tượng xảy ra ở thời điểm này Đầu tiên, ẩm ngưng tụ trong cấu trúc vật liệu được hóa hơi ngay lập tức do sự giảm áp suất đột ngột Sự giãn nở của nước tạo ra lực cắt trong cấu trúc bao quanh vật liệu Khi lực cắt này đủ lớn, hơi nước sẽ gây nên sự phá hủy cơ học đối với cấu trúc lignocellulose

Sự mô tả quá trình làm nổi bật điều quan trọng nhất trong việc tối ưu hai yếu tố chủ đạo: thời gian lưu và nhiệt độ Thời gian biomass nằm trong thiết bị phản ứng giúp xác định phạm vi thủy phân hemicellulose của các acid hữu cơ Quá trình thủy phân hemicellulose hỗ trợ rất nhiều cho quá trình lên men sau này Tuy nhiên, thời gian lưu dài cũng làm gia tăng các sản phẩm bị suy thoái Như đã đề cập đến trước đây, đặc biệt trong việc chuẩn bị các nguyên liệu lên men, các sản phẩm bị suy thoái phải được giảm tối thiểu

Nhiệt độ có liên quan đến áp suất hơi trong thiết bị phản ứng Nhiệt độ càng cao thì áp suất càng cao, vì vậy làm gia tăng sự chênh lệch áp suất trong thiết bị phản ứng so với bên ngoài Sự chênh lệch áp suất này tỷ lệ với lực cắt khi tạo nên sự chênh lệch áp suất đột ngột trên vật liệu

1.3.5 Yếu tố hệ số xử lý

Trong nhiều nghiên cứu khác nhau sử dụng nhiều loại biomass khác nhau do đó cần quy chuẩn các thông số của quá trình để dễ dàng so sánh Ví dụ như, một thông số chung được dùng để sắp xếp các nghiên cứu là sự giảm thiểu các sản phẩm bị suy thoái nhờ vào các điều kiện xử lý Điều này rất quan trọng để có thể liên hệ sản lượng sản phẩm thực tế so với mức độ xử lý

Những nghiên cứu trước đây trong công nghiệp bột giấy chỉ ra rằng khi nghiên cứu ảnh hưởng của xử lý hơi nước trên các thông số như là khả năng tấn công của enzyme vào bột giấy, nhiệt độ xử lý và thời gian có thể hoán đổi cho nhau Trong nghiên cứu này,

quá trình xử lý thuỷ nhiệt trong đó bao gồm ảnh hưởng của cả nhiệt độ và thời gian lưu Yếu tố mức độ xử lý trở thành một hằng số cho bất kỳ một tập hợp nhiệt độ và thời gian lưu Mô hình này dựa trên giả thiết rằng động lực của quá trình là bậc một, và tuân theo định luật Arrhenius:

/

Ea RT

k= Ae−Trong đó, k = hằng số tốc độ

A = Hệ số tuần hoàn Arrhenius

Ea = năng lượng hoạt hóa

R = hằng số khí lý tưởng (8.314 kJ/kg mol K)

T = nhiệt độ tuyệt đối (K)

Từ đó, triển khai phương trình phản ứng ta được:

0 0texp r b 14, 75

R =∫ ⎡⎣ T −T ⎤⎦dt

Trong đó,

t = Thời gian lưu (phút)

Tr = nhiệt độ phản ứng (0C)

Tb = nhiệt độ cơ sở là 1000C

(14,75 là năng lượng quy ước cho quá trình hoạt hóa toàn bộ quá trình là quá trình thủy phân và quá trình chuyển hóa bậc một)

Giá trị log của phản ứng thông thường cho ta hệ số mức độ xử lý được dùng làm cơ sở cho quá trình xử lý quá trình xử lý thuỷ nhiệt trên biomass

Severity = log10 (R0) Trong đó, Severity = hệ số mức độ xử lý

R0 = bậc tự do của phản ứng

Chronet và Overend mô tả ứng dụng của mô hình bậc tự do của phản ứng cho các dữ liệu nghiên cứu về quá trình xử lý thuỷ nhiệt trước đây Khuynh hướng thu hồi pentosan từ

Populus Tremuloides từ quá trình xử lý thuỷ nhiệt của Heitz và cộng sự được mô hình hóa

có hiệu quả như là một hàm của hệ số mức độ xử lý [24] Tương tự, Thu hồi pentosan từ

Stipa Tenacissima trong nghiên cứu của Belkacemi (1989) cũng được mô hình hóa với hệ

số mức độ xử lý

Dữ liệu được dùng bởi Chornet và Overend được dựa vào các nguyên liệu gỗ Theo nghiên cứu cách đây không lâu của Kaar và cộng sự [25] sử dụng bã mía đã xử lý quá trình xử lý thuỷ nhiệt, tuy nhiên, kết luận rằng mô hình bậc phản ứng không áp dụng phổ biến Cụ thể là, các tác giả đã tìm ra sản lượng glucose khi thủy phân bã mía bằng enzyme không phải là hằng số ở một mức độ xử lý và các khoảng nhiệt độ khác nhau

1.3.6 Các ảnh hưởng về mặt vật lý và hóa học của quá trình xử lý thuỷ nhiệt đối với

vật liệu lignocellulose

Tanahashi và cộng sự [26] nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xử lý thuỷ nhiệt lên hình thái học và tính chất vật lý của gỗ Các tác giả này chỉ ra rằng ở áp suất lớn hơn 28 kg/cm2(2300C) và thời gian lưu 16 phút , các vi sợi của Shirakaba bị tách rời ra hoàn toàn Các vi sợi trở nên ngắn hơn và dày hơn theo thời gian xông hơi Độ kết tinh tăng 1,5 lần, và bề rộng của Mixen tăng 2 lần Điều này dẫn đến kết luận rằng các cellulose vô định hình chuyển hóa thành thành các tinh thể trong suốt quá trình xông hơi Vì vậy, chỉ số kết tinh và bề rộng của Mixen của gỗ sau xử lý quá trình xử lý thuỷ nhiệt tăng theo thời gian gian xông hơi Các phân tích nhiệt cũng biểu diễn trên gỗ đã xử lý, nó mô tả rằng quá trình xử lý thuỷ nhiệt ở mức độ vừa phải sẽ xúc tiến quá trình đề-lignin hóa Tác giả quan sát sự phân hủy của lignin dựa trên sự phản chiếu của nhiệt độ chuyển hóa (Tg) của lignin Mũi đáp ứng của Tg của lignin, nguyên thủy bị mất đi trong phân tích gỗ chưa xử lý và xuất hiện trong các mẫu gỗ được quá trình xử lý thuỷ nhiệt Với cùng một nhiệt độ/áp suất, cường độ mũi Tg của lignin tăng theo thời gian xông hơi tới 2 phút Tuy nhiên, có sự giảm cường độ của mũi lignin ngay sau đó khi thời gian quá hai phút Đối với cùng một thời gian xông hơi (trong nghiên cứu này là 2 phút), cường độ mũi Tg của lignin tăng theo nhiệt độ/áp suất phản ứng Các tác giả giải thích hiện tượng này là do sự tái polyme hóa của lignin, từ đó dẫn đến kết luận về điều kiện phản ứng để tối ưu quá trình đề-lignin hóa là 28 kg/cm2, 2 phút theo Shirakaba

Một nghiên cứu tiếp theo được thực hiện bởi Tanahashi và cộng sự (1988) quan sát ảnh hưởng hóa học của quá trình quá trình xử lý thuỷ nhiệt gỗ Các mảnh hemicellulose được tìm thấy dễ dàng thủy phân tạo thành các oligo saccharide nhờ hơi nước, ở mức độ xử lý thấp (20 kg/cm2, 1 phút) Độ xử lý cao hơn sẽ thủy phân hemicellulose thành các monosaccharides, nhưng cũng làm tăng nồng độ của fufural và 5-hydroxymethyl fufural Tương tự, Excoffier [27] tìm ra rằng độ kết tinh của cellulose tăng theo việc xử lý bằng hơi nước Đó là do vùng vô định hình của cellulose trong suốt quá trình xử lý nhiệt Excoffier và cộng sự cũng tìm ra trong khi hemicellulose bị loại bỏ nhờ thủy phân thì lignin trở nên mềm dưới tác dụng của nhiệt và bị depolymer hóa

Atalla [28] nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xử lý thuỷ nhiệt lên bản thân cellulose Hình chụp X-ray của mẫu cây dương được xử lý quá trình xử lý thuỷ nhiệt bộc lộ ra là ở nhiệt độ xử lý cao sẽ làm gia tăng bậc của cấu trúc lưới cellulose, vì thế làm tăng độ kết tinh Ảnh hưởng của nhiệt độ cao với thời gian lưu ngắn không có lợi so với nhiệt độ xử lý

Raman và phổ NMR trạng thái rắn (CP/MAS) Atalla cũng khẳng định rằng tác động cơ học trong quá trình giảm áp cũng làm tăng bậc cấu trúc trong cellulose Ảnh hưởng này được suy luận từ những thực nghiệm có liên quan đến xử lý cơ học cellulose bằng máy nghiền bi và ép với sàng mịn trước đây Một phát hiện thứ hai từ phổ Raman là nhiệt độ xử lý càng cao thì càng làm gia tăng khả năng đề-lignin hóa

Focher và cộng sự [29] quan sát rơm của lúa mì bằng kính hiển vi điện tử quét (scanning electron microscopy, SEM) và phát hiện ra phạm vi giải kết sợi được mở rộng khi mức độ xử lý gia tăng Kính hiển vi điện tử còn cho thấy sự hình thành các giọt trong các sợi ở mức độ xử lý cao được coi là minh chứng thực tế về sự hình thành của lignin

Marchessault và St – Pierre [30] quan sát lớp chất đọng giống như hình cầu trong bột giấy sau khi đã xử lý bằng quá trình xử lý thuỷ nhiệt Nhiệt độ làm mềm của lignin vào khoảng

130 – 1900C Chornet và Overend cho rằng các khối cầu là kết quả của sự tạo thành hạt nhân bởi lignin khi đối tượng được xử lý ở nhiệt độ nằm trên điểm làm mềm của lignin Tóm lại, kết luận về ảnh hưởng của quá trình xử lý thuỷ nhiệt đối với vật liệu lignocellulose đã được báo cáo trong các tài liệu có những điểm chính sau:

1 Quá trình xử lý thuỷ nhiệt làm gia tăng sự kết tinh của các cellulose do thúc đẩy quá trình kết tinh của vùng vô định hình

2 Hemicellulose dễ dàng bị thủy phân trong quá trình xử lý quá trình xử lý thuỷ nhiệt

3 Các chứng cứ xác nhận quá trình xử lý thuỷ nhiệt thúc đẩy quá trình đề-lignin hóa Cả đề-lignin hóa và thủy phân hemicellulose gia tăng kích thước lỗ xốp trong tế bào thực vật và vì vậy có lợi cho việc thủy phân cellulose ngay sau đó Tuy vậy, sự gia tăng độ kết tinh của cellulose là một nhược điểm của xử lý thuỷ nhiệt Thủy phân cellulose bằng acid

bị ức chế bởi độ kết tinh cao [15]

a)

Một giống men là Saccharomyces được dùng trong sản xuất bia Nhưng giống này có hai chủng Chủng S cerevisiae, được dùng trong sản xuất rượu bia, và cũng được dùng để làm

bánh mì, rượu vang và rượu uýt-ky Loài này có khả năng chịu đựng cao và tồn tại được ở ngoài khí quyển

Chủng còn lại là S carlsbergensis (uvarum) được sử dụng cho rượu bia nhẹ và không thể

tìm thấy ở bất kỳ đâu ngoại trừ trong nơi ủ bia Loài này nhạy cảm với nhiệt độ và không thể tồn tại ở ngoài khí quyển

Nấm men sinh sản vô tính và tự nhân đôi một cách riêng lẻ trong quá trình lên men Bởi

vì men đưa vào môi trường lỏng vô trùng, dịch nha, nó có thể được sử dụng lại nhiều lần đối với những đợt lên men kế tiếp mà không sợ bị tạp nhiễm Bia là sản phẩm duy nhất được lên men trong điều kiện vô trùng

Hai chủng này khác nhau về nhiều đặc điểm hóa sinh Bảng 1.1 cho thấy một vài đặc điểm khác nhau như sau:

Bảng 1.1 Đặc tính sinh hóa của nấm men sử dụng trong sản xuất bia

S carlsbergensis S cerevisiae

Trạng thái sau khi lên men Lắng xuống đáy Nổi lên bề mặt

1.4.2 Những nét đặc trưng của S cerevisiae

S cerevisiae được sử dụng trong sản xuất ở quy mô công nghiệp Chủng này có đặc tính

sinh lý ổn định, lên men đường mãnh liệt trong bột nhào, các tế bào phân tán trong nước,

không có sự phân bào trong quá trình lên men, tốc độ sinh trưởng nhanh và sản lượng tế

bào lớn, và dễ bão quản trong quá trình lưu giữ

Trong điều kiện đầy đủ không khí, S cerevisiae sử dụng đường để gia tăng sinh khối hơn

là sản xuất cồn

Trong điều kiện hiếm khí, S cerevisiae chỉ có thể tạo ra một lượng enzyme để duy trì sự

sống Nếu nồng độ glucose trong môi trường lớn hơn 5% , các enzyme phục vụ cho sự hô

hấp bị ngừng hoạt động và cơ chế tạo ra cồn chiếm ưu thế Nồng độ glucose vào khoảng

0,1g/l là nồng độ tối đa để tăng trưởng tế bào

1.4.3 Escherichia coli KO11

Chủng Escherichia coli hoang dại không có khả năng sản xuất cồn như là sản phẩm chủ

yếu của quá trình lên men Trong nỗ lực tạo ra một chủng E.coli có khả năng tạo ra cồn,

Ingram và cộng sự [31] đã thành công trong việc đưa gen đề-cacboxyl pyruvate và gen

đề-hydrocồn II (pdc, adhB) từ Zymomonas mobilis vào E coli Kết quả là tạo được một

loại vi khuẩn tạo ra cồn nhanh và chuyển hóa được nhiều loại đường kể cả đường C-5

(pentoza)

Asghari và cộng sự [32] thực hiện một loạt thí nghiệm để xác định khả năng sinh ra cồn

của E coli KO11 Cơ chất được sử dụng trong nghiên cứu này chủ yếu là hemicellulose

thủy phân từ vỏ bắp, xơ, và rơm khô của bắp Các so sánh cũng sử dụng một hỗn hợp

đường thương mại (xylose, arabinose, glucose và galactose) mô phỏng chất thủy phân

hemicellulose Quá trình lên men chất mô phỏng sự thủy phân hemicellulose cho thấy E

coli KO11 chuyển hóa thuận lợi glucose, galactose, và arabinose Chuyển hóa xylose có

tốc độ chậm hơn các loại đường khác Khuynh hướng này cũng thấy được trong quá trình

lên men chất thủy phân thực Kết luận toàn diện từ nghiên cứu này là E coli KO11 có khả

năng chuyển hóa hiệu quả chất thủy phân từ lignocellulose

1.4.4 Quá trình đường hóa và lên men đồng thời (SSF – Simulteneous

Sacharification & Fermentation)

Đường hóa và lên men đồng thời được coi như là sự kết hợp các cơ chất trong quá trình xử lý (thường là thủy phân enzyme) và lên men trong bình phản ứng gián đoạn Khái niệm SSF rất có ý nghĩa vì nó cho phép vi sinh vật lên men trong hệ thống tiêu thụ và vì vậy làm giảm nồng độ sản phẩm cuối ức chế hoạt tính của enzym Ví dụ như, trong hệ cellulase, β- glucosidases phân hủy cellobiohydrolases ức chế exo-glucanases Sản phẩm cuối, glucose lại ức chế ngược lạiβ-glucosidases Trong quy trình SSF, vi sinh vật lên men được bổ sung vào hệ thống để chuyển hóa glucose thành sản phẩm lên men mong muốn Saddler và cộng sự [33] thực hiện nghiên cứu xác định hiệu quả của quá trình SSF trong điều kiện xử lý Nghiên cứu chỉ ra nhược điểm lớn nhất của SSF: nhiệt độ thủy phân tối ưu và nhiệt độ lên men tối ưu thường không phù hợp nhau Điển hình là, enzyme cellulolytic hoạt động khoảng 500 Trong khi vi sinh vật trong hệ thống lên men ví dụ như nấm men lại thường không thể sống quá 400C

1.5 NHẬN XÉT

Các công trình nghiên cứu về vấn đề này đã chứng tỏ được ưu điểm của việc sử dụng cồn nhiên liệu cũng như viễn cảnh của việc sản xuất cồn từ biomass Nguồn biomass phế thải là nguồn cacbon có ở khắp mọi nơi nhưng việc ứng dụng chúng đòi hỏi phải có sự đầu tư nghiên cứu về mặt kỹ thuật Các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới đã và đang nghiên cứu trên các biomass từ thiên nhiên và tính kinh tế để khai thác các nguồn năng lượng mới này Nghiên cứu thành công sẽ giúp đưa ra giải pháp quản lý rác thải nông nghiệp và lâm nghiệp đồng thời sản xuất các hóa chất và các sản phẩm khác từ chất thải Đề tài nghiên cứu này là một đóng góp nhỏ góp phần vào những nghiên cứu mang tính chất hệ thống nhằm xử lý và tận dụng nguồn sinh khối từ sản xuất nông nghiệp rất sẵn có ở Việt Nam

CHƯƠNG 2 CÁC HẠNG MỤC VỀ LẮP RÁP VẬN HÀNH

THIẾT BỊ ĐÃ THỰC HIỆN

2.1 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THUỶ NHIỆT Ở QUY MÔ PHÒNG THÍ NGHIỆM

- Yêu cầu:

+ Thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt phải chịu được áp suất cao (~ 40 atm), nhiệt độ cao (đến

3000C), đồng thời phải tạo được hiệu ứng giảm áp đột ngột sau khi phản ứng

+ Thiết bị phải có khả năng điều khiển nhiệt độ chính xác đến 10C trong vùng từ 20 đến

3000C

+ Thiết bị có khả năng chống ăn mòn

- Thiết kế và chế tạo thiết bị:

Trên cơ sở các yêu cầu kỹ thuậtđã nêu trên, chúng tôi đã chế tạo thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt với các thống số sau:

+ Cell phản ứng: F10, L= 200, vật liệu: Thép không rỉ

+ Đầu bít kín: Có khả năng bít kín và chịu áp suất , nhiệt độ cao do hãng Swagelok cung cấp

+ Số lượng: 8 cells

+ Bể ổn nhiệt: Dung tích 20 lít, vật liệu: Thép không rỉ SS304

Chất tải nhiệt: muối nóng chảy hoặc dầu nhờn Nguồn nhiệt: Cung cấp nhiệt bằng điện trở công suất 2kW

Bộ điều chỉnh nhiệt độ: Bộ điều khiển số, độ chính xác 10C

Hình 2.1 Thiết bị phản ứng chịu nhiệt độ và áp suất cao quy mô PTN

Hình 2.2 Bể điều nhiệt của hệ thống thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt điều khiển bằng số

2.2 XÂY LẮP NHÀ XƯỞNG, TIẾP NHẬN, LẮP RÁP VÀ VẬN HÀNH THỬ

NGHIỆM THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THUỶ NHIỆT CHỊU NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CAO DO VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHIỆP - TRƯỜNG ĐẠI HỌC TOKYO HỖ TRỢ

Đề tài đã tiếp nhận thiết bị thuỷ nhiệt do Trường Đại học Tokyo cung cấp Các hạng mục đã hoàn thành:

- Xây lắp nhà xưởng: Trên cơ sở xưởng pilot sẵn có của Trung tâm nghiên cứu công nghệ

Lọc Hoá Dầu, Trường Đại học Bách khoa, đề tài đã sửa chữa mái nhà bị dột, nâng cao

taăm maùi ñeơ phuø hôïp vôùi chieău cao cụa thieât bò, laĩp raùp heô thoâng ñieôn 3 pha, mua môùi vaø laĩp raùp quát laøm maùt, laĩp raùp heô thoâng oâng daên, oâng xạ hôi trong tröôøng hôïp khaơn caâp

- Laĩp raùp thieât bò: Ñeă taøi ñaõ tieâp nhaôn vaø laĩp raùp thaønh cođng thieât bò phạn öùng thuyû nhieôt

(hình 2.3.)

Hình 2.3 Chuyeđn gia Tröôøng Ñái hóc Tokyo vaø caùc caùn boô nghieđn cöùu cụa tröôøng

ÑH Baùch Khoa TP.HCM laĩp raùp thieẫt bò phạn öùng thuyû nhieôt

-Vaôn haønh thöû nghieôm vaø thieât laôp quy trình vaôn haønh:

Trên cơ sở thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt đã lắp ráp, đề tài đã vận hành thử nghiệm thiết bị, xác lập quy trình vận hành và sử dụng thiết bị vào mục đích nghiên cứu

+ Quy trình vận hành đối với thiết bị phản ứng phòng thí nghiệm:

- Cắm điện, bật công tắc nguồn về vị trí ON

- Đặt nhiệt độ cần phản ứng bằng bộ điều khiển kỹ thuật số

- Trong khi chờ ổn định nhiệt độ, cân mẫu đã nghiền nhỏ

- Mở nắp thiết bị phản ứng, cho mẫu đã cân vào thiết bị

- Cho nước vào thiết bị theo tỷ lệ, sao cho thể tích nước chiếm không quá 70% dung tích thiết bị

- Đậy nắp, vặn chặt nắp bằng tay, sau đó xiết chặt vừa phải bằng cơ-lê, vặn thêm

½ vòng

- Khi nhiệt độ đã đạt, bấm đồng hồ bấm giây và đưa thiết bị vào buồng ổn nhiệt

- Sau khoảng thời gian phản ứng xác định trước, lấy thiết bị ra khỏi buồng ổn nhiệt, nhúng ngay vào nước lạnh

- Khi thiết bị đã nguội đến nhiệt độ thường, lấy ra, lau khô, nhẹ nhàng mở nắp thiết bị bằng cơ-lê, lấy mẫu và thực hiện lọc, rửa, phân tích lượng chất tan trong nước, lượng chất tan trong axeton, lưỡng bã khô còn lại

- Vệ sinh thiết bị phản ứng, để khô Tắt điện, đậy nắp bình ổn nhiệt, chờ nguội

+ Quy trình vận hành đối với thiết bị pilot:

- Tính toán lượng mẫu và lượng nước: Thể tích nước không được vượt quá 70% dung tích bình phản ứng (Kinh nghiệm cho thấy: khối lượng rơm rạ (max) là 300 gr, thể tích nước (max) là 3000 ml

- Rơm rạ được cắt nhỏ đến kích thước 2-3 mm, cân theo khối lượng định sắn

- Mở nắp thiết bị bằng cơ-lê chuyên dụng, nhấc nắp lên bằng pa-lăng

- Kiểm tra van xả đáy của bình phản ứng để chắc chắn rằng van đã được đóng kín

- Cho mẫu rơm rạ nhẹ nhàng vào thiết bị sao cho rơm không bịt ống ra

- Sau khi cho hết mẫu, đổ nước vào theo thể tích đã tính toán

- Hạ pa-lăng, lắp zoăng, đậy nắp và siết chặt đều tay về các phía, lưu ý xiết đều hai phía đối diện

- Kiểm tra van xả đáy của bình trung gian để đảm bảo rằng van xả đã được đóng kín

- Đóng điện, lắp cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ bình phản ứng và để điều khiển nhiệt độ

- Đặt chế độ nhiệt độ phản ứng nhờ bộ điều khiển nhiệt độ bằng kỹ thuật số (Nhiệt

- Chờ hệ thống nâng nhiệt đến nhiệt độ đặt Sau khoảng thời gian phản ứng đã xác định, ngắt điện bình phản ứng (bộ đốt), mở van xả đáy bình phản ứng để giảm áp đột biến, xả hỗn hợp phản ứng vào bình chứa trung gian

- Bật quạt ở đỉnh thiết bị, chờ nhiệt độ hạ xuống đến ~600C, ngắt điện toàn bộ, tháo nắp thiết bị phản ứng, dùng pa-lăng kéo nắp lên, chuẩn bị cho mẻ tiếp theo

- Sau khi đã thu được 3 mẻ phản ứng vào bình chứa trung gian, dùng van xả đáy để tháo sản phẩm phản ứng

- Rửa, làm vệ sinh hệ thống thiết bị gồm thiết bị phản ứng, thiết bị chứa trung gian, bên ngoài thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt

- Mẫu thu được được rửa, lọc, sấy để dùng cho các nghiên cứu tiếp theo

+ Nhứng điểm cần lưu ý khi sử dụng thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt:

- Do đây là thiết bị có áp suất và nhiệt độ cao nên trước khi vận hành, người sử dụng

phải được học tập quy tắc an toàn

- Trang bị bảo hộ cần thiết: găng tay, khẩu trang, áo blu

CHƯƠNG 3 CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

A CÁC NGHIÊN CỨU VỀ RƠM RẠ

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

Mục tiêu của nghiên cứu này là khảo sát ảnh hưởng của quá trình xử lý thuỷ nhiệt để chuyển hoá cellulo thành đường, phục vụ cho việc sản xuất cồn nhiên liệu từ rơm rạ Nghiên cứu được thực hiện dựa trên cơ sở lập kế hoạch thí nghiệm và khảo sát trên hai yếu tố nhiệt độ và thời gian lưu Các thí nghiệm được thực hiện và phân tích được chia ra làm ba phần chính: ảnh hưởng của quá trình xử lý thuỷ nhiệt đối với thành phần rơm rạ, khả năng thủy phân cellulose và đánh giá khả năng sử dụng đường đã thuỷ phân được để lên men cồn

Hoạch định thí nghiệm

Thực hiện quy hoạch thực nghiệm hai yếu tố (22) đối với 2 thông số ảnh hưởng chính đến quá trình xử lý thuỷ nhiệt Hai biến độc lập của quá trình xử lý là nhiệt độ xử lý (0C) được quy định là x1 và thời gian lưu (giây) được quy định là x2 Hai biến này được mã hóa thành các biến X1 và X2 như sau:

1 1

21010

x

=Trong đó x1 và x2 là các biến trong hệ tọa độ tự nhiên và X1 và X2 là các biến trong hệ tọa độ mã hóa của nhiệt độ và thời gian lưu

Ta chọn tọa độ các điểm sao (*) sao cho a = 1 để việc hoạch định thí nghiệm so với các biến theo tỷ lệ xích tự nhiên được ổn định, dễ dàng xác định các thông số

Các thí nghiệm gồm có:

22 = 4 thí nghiệm ở các mức cơ sở

2 2 = 4 thí nghiệm điểm sao, a = 1

1 thí nghiệm ở tâm

Thực hiện thêm ba thí nghiệm lặp ở tâm phương án để lập phương sai tái sinh

Bảng 3.1 Ma trận hoạch định thí nghiệm

Tỷ lệ xích tự nhiên Hệ tọa độ mã hóa STT

Các mẫu nguyên liệu được phân tích các thành phần sau: phân tích thành phần nguyên liệu ban đầu, xác định hàm lượng bã không tan trong acid, hàm lượng tro,

3.3 PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NGUYÊN LIỆU

Phân tích độ ẩm ban đầu của rơm rạ

Độ ẩm của rơm rạ được phân tích bằng phương pháp trọng lượng: Sấy mẫu ở 1050C đến khi trọng lượng không đổi Xác định độ chênh lệch trọng lượng trước và sau khi sấy để tính hàm lượng ẩm

Phân tích lượng bã không tan trong acid và lượng tro

Thành phần bã không tan trong acid và thành phần tro được xác định theo tiêu chuẩn ASTM E1721-95 (ASTM, 1995) Acid sunfuaric (H2SO4) 72% được dùng để thủy phân 0,3g mẫu trong 2 giờ ở nhiệt độ 300C Sản phẩm sau acid hóa được lọc qua giấy lọc Lượng bã lọc được sấy ở nhiệt độ 1050C trong thời gian dài và sau đó đem cân Lượng bã lọc này sau đó được tro hóa trong lò nung ở nhiệt độ 5750C trong vòng 3 giờ và đem cân Công thức tính thành phần bã không tan trong axít và thành phần tro:

*100%

'

acidinsol ash AcidInsol

Acidinsol = phần trăm bã không tan trong acid (%)

acidinsol = khối lượng bã không tan trong acid sau sấy (g)

ash = khối lượng tro cân được sau nung ở 5750C (g)

rawmat’l = khối lượng khô ban đầu (g)

*100%

'

ash Ash

rawmat l

Trong đó:

Ash = phần trăm tro (%)

ash = khối lượng tro thu được sau khi nung ở 5750C (g)

rawmat’l = khối lượng khô ban đầu (g)

Phân tích lượng đường có khả năng lên men

Dung dịch đường thu được khi phân tích hàm lượng bã không tan được dùng để phân tích hàm lượng đường Phương pháp để phân tích đường được sử dụng là phương pháp so màu bằng chất hiện màu anthrone Thiết bị được sử dụng để phân tích là máy Elisa – Reader

Tạo đường chuẩn

1 Tạo dung dịch đường glucose chuẩn 3 mg/ml

2 Xây dựng đường chuẩn theo bảng sau:

Nồng độ đường trong mỗi ống

(mg/ml)

0 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,8

Các dung dịch xây dựng đường chuẩn được cho vào các giếng có thứ tự từ A1-A7

Phân tích mẫu

1 Cho vào mỗi giếng của thiết bị đọc một mẫu cần phân tích Lượng mẫu cần

dùng để phân tích là 50 ml

2 Cho vào mỗi giếng 100 ml dd anthrone đã pha sẵn (Nồng độ antron 2g

anthrone/1l H2SO4)

3 Đun sôi trong vòng 10 phút cho phản ứng hoàn toàn

4 Làm lạnh tới nhiệt độ thường

5 Đem đi đo OD của mẫu và đường chuẩn

6 Xác định hàm lượng đường thu được

3.4 KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH XỬ LÝ THUỶ NHIỆT

Tiến hành thí nghiệm

Rơm rạ được xử lý bằng thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt ở quy mô phòng thí nghiệm, sau đó được tiếp tục nghiên cứu ở quy mô pilot trên thiết bị cấp hơi nước áp suất cao (do Trường Đại học Tokyo cung cấp) Thông qua việc khảo sát các chế độ nhiệt độ (2000C ÷ 2400C) và thời gian lưu, có thể xác định hiệu quả của quá trình xử lý đối với rơm rạ, xây dựng mô hình hồi quy mô tả ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ, thời gian lưu lên hiệu quả của quá trình Từ đó xác lập chế độ xử lý tối ưu nhằm phục vụ cho công nghệ chế biến cồn từ rơm rạ Các thí nghiệm được thực hiện theo bảng quy hoạch thực nghiệm đã đề ra ở mục 3.1.1

Ở mỗi thí nghiệm, rơm rạ được đưa vào thiết bị xử lý thuỷ nhiệt (ở quy mô phòng thí nghiệm) Khi nhiệt độ của bể nhúng thí nghiệm đạt yêu cầu thì ta đưa ống thí nghiệm này vào bể nhúng và giữ ở các khoảng thời gian tương ứng với chế độ thí nghiệm khảo sát Khi đã đủ thời gian yêu cầu, ống thí nghiệm được lấy ra và nhúng ngay vào nước lạnh để thực hiện quá trình giảm áp đột ngột

Sau đó, hỗn hợp phản ứng được lọc, phân tích thành phần tan trong nước và tan trong axeton Phần bã lọc được phân tích và sử dụng để nghiên cứu các quá trình sau (thủy phân, lên men rượu )

Các mẫu sau khi thủy phân sẽ được phân tích tương tự như nguyên liệu thô (phân tích lượng bã không tan trong acid, lượng tro và lượng đường)

Phân tích thành phần của vật liệu (rơm rạ) sau xử lý thuỷ nhiệt

Sau khi xử lý quá trình xử lý thuỷ nhiệt thì rơm rạ được đem đi phân tích thành phần bã không tan trong acid, thành phần tro và phân tích đường tương tự như phân tích nguyên liệu ban đầu

3.5 KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN ENZYME

Rơm rạ dùng để thủy phân enzyme được xử lý thuỷ nhiệt sau khi xác định được chế độ xử lý thuỷ nhiệt thích hợp từ các nghiên cứu đã trình bày trong mục 3.4

Bảng 3.2 Ma trận kế hoạch thí nghiệm

Tỷ lệ xích tự nhiên Hệ tọa độ mã hóa

Thí nghiệm thủy phân

Rơm rạ được dùng để thủy phân là rơm rạ sau khi xử lýù thuỷ nhiệt Enzyme sử dụng trong thí nghiệm là enzyme lỏng do hãng Novozyme cung cấp

Ở mỗi thí nghiệm, cân lượng xác định rơm rạ theo chế độ thí nghiệm và cho vào becher

100 ml Nước cất được chỉnh pH đến 4,8 bằng H2SO4 và cho vào tùy theo tỷ lệ enzyme sao cho tổng thể tích là 50 ml Sau đó enzyme được cho vào và dùng đũa khuấy đều hỗn hợp

thủy phân

Tiếp theo, becher được đưa vào bể lắc ổn nhiệt ở 50 0C để thủy phân trong 24giờ

Khi thủy phân xong, dịch thủy phân được đun nóng nhằm khử tính hoạt hoá của enzyme cellulase rồi đem lọc thu dung dịch đường Dịch đường được phân tích nhằm xác định hàm lường đường glucose có trong mẫu theo phương pháp (GOD – PAP), thuốc thử của hãng Centronic GmbH/Germany

3.6 THỬ NGHIỆM QUÁ TRÌNH LÊN MEN

Chủng vi sinh vật và chuẩn bị môi trường

Chủng Saccharomyces cerevisiae ATCC 4111 được sử dụng trong nghiên cứu này Vi sinh

vật được bảo quản trong môi trường thạch ở 40C và được cấy truyền mỗi tháng để giữ giống Môi trường thạch được sử dụng làm môi trường cho quá trình tiền nuôi cấy và lên men Môi trường nuôi men (YM) gồm có: cao nấm men: 3g, cao malt: 3g, peptone: 5g, và dextrose: 10g Môi trường nuôi cấy men thích hợp cho sự phát triển của men và có tính hoạt động bề mặt tự nhiên, giúp cho ổn định các bọt khí nhỏ (Kaster, 1988) Môi trường

lên men gồm có 21g môi trường nuôi men (YM) hòa tan vào 500 ml nước cất và sau đó thêm nước cất vào định mức thành 1000 ml

Dung dịch 1 M amonium hydroxide (NH4OH) được chuẩn bị bằng cách đong 71,43 ml NH4OH đậm đặc (14 M) và định mức thành 1000 ml bằng nước cất, 0,5 M HCl được chuẩn

bị bằng cách đong 29,74 ml HCl đậm đặc và định mức thành 1000 ml bằng nước cất

Những thí nghiệm lên men sơ bộ

Trong các thí nghiệm lên men sơ bộ, chúng tôi sử dụng chủng S cerevisiae trong bình Erlen 500 ml để khảo sát đường cong sinh trưởng của nấm men Môi trường lên men được

sử dụng là môi trường Hansen lỏng, tiệt trùng ở 1210C trong 20 phút bằng nồi hơi Bình lên men được ủ ở 320C, trên bếp khuấy từ và được lấy mẫu theo thời gian

Thực hiện các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của pH (từ 4 ÷ 5) và tỷ lệ giống cho vào (từ 10% ÷ 20%) đến nồng độ cồn thu được sau 3 ngày lên men Thí nghiệm lên men được

thực hiện trong các chai nước biển nhỏ có chứa 50 ml dịch lên men và được đậy kín bằng

nút cao su đã tiệt trùng Toàn bộ quá trình lên men này được thực hiện ở nhiệt độ phòng

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.7 KHẢO SÁT THÀNH PHẦN NGUYÊN LIỆU BAN ĐẦU

Rơm rạ thí nghiệm được lấy từ ruộng thí nghiệm của Trường ĐHBK tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, TP Hồ Chí Minh Kết quả phân tích độ ẩm, hàm lượng lignin, hàm lượng cellulose được tóm tắt trong bảng 4.1

Bảng 3.3 Tóm tắt thành phần nguyên liệu ban đầu

* Hàm lượng cellulose = 100% - (%cellulose + % tro + % lignin)

Kết quả phân tích cho thấy thành phần rơm rạ đối với các giống lúa Trâu Nằm, Ngắn Ngày tương tự các số liệu đã được công bố Các thành phần này cho thấy hàm lượng cellulose tương đối cao, hàm lượng lignin thấp, là một yếu tố thuận lợi cho việc chuyển hóa rơm rạ thành cồn

3.8 QUÁ TRÌNH XỬ LÝ THUỶ NHIỆT

Tỷ lệ bã thu hồi

Trong quá trình xử lý, trọng lượng rơm rạ bị giảm do sự phân hủy cellulose và hemicellulose thành furfural và 5-hydroxymethyl furfural, … Phần tan trong nước được xác định bằng phương pháp trọng lượng Sau đó, bã lọc được hoà tan trong axeton để xác định các cấu tử tan trong dung môi hữu cơ này Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong bảng 4.2 và được biểu diễn bằng các đồ thị 4.1 và 4.2 nêu ảnh hưởng của quá trình

Kết quả nghiên cứu cho thấy lượng bã thu hồi được nằm trong khoảng từ 50% đến 80% tuỳ theo chế độ xử lý Theo nghiên cứu của Kaar và cộng sự [34] thì lượng bã thu hồi khi của bã mía ở mức độ xử lý từ 3,7 tới 4,3 trong khoảng 78% tới 99% Một nghiên cứu khác của Tina Joeh [35] trên chất thải của vải cotton ở mức độ xử lý 2,05 tới 4,96 thì lượng bã thu hồi trong khoảng 75,90% tới 100% Điều này cho thấy cấu trúc mạch cellulose của rơm rạ dễ dàng bị phân hủy hơn so với các chất khác

Bên cạnh đó, ta nhận thấy rằng khi thời gian xử lý càng tăng thì lượng bã thu hồi càng giảm và kết quả cũng cho thấy tương tự khi nhiệt độ xử lý tăng Lượng bã còn lại đặc biệt giảm mạnh ở chế độ xử lý 220 0C trong 7 phút

Trong quá trình thí nghiệm thủy phân và lên men, chúng tôi chỉ sử dụng bã sau khi thủy phân, chưa xử lý và thu hồi lượng chất tan trong nước Tuy nhiên, các cấu tử hoà tan trong nước và trong dung môi hữu cơ cần được tiếp tục nghiên cứu

Bảng 3.4 Tỷ lệ bã thu hồi được trong các thí nghiệm.

Nhiệt độ

( 0 C)

Thời gian (phút)

Khối lượng khô ban đầu (g)

Khối lượng khô sau xử lý thuỷ nhiệt (g)

% bã thu hồi (%)

Hình 3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đến % bã thu hồi

Hàm lượng đường có khả năng lên men trong các mẫu rơm rạ sau khi xử lý

Mẫu rơm rạ sau khi đã xử lý thuỷ nhiệt được đem đi phân tích để đánh giá thành phần tương tự như đối với rơm rạ ban đầu (nguyên liệu thô) Trong nghiên cứu này chỉ giới hạn

ở việc đánh giá hàm lượng chất không tan trong acid, hàm lượng tro và hàm lượng đường có khả năng lên men

Kết quả phân tích thành phần các chất được cho trong bảng 4.3

Bảng 3.5 Thành phần của rơm rạ trong các thí nghiệm

Nhiệt độ

(0C)

Thời gian (giây)

Hàm lượng đường (mg/ml)

Bã không tan trong acid

(%)

Tro (%)