Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình sản xuất bioethanol từ bã mía

Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình sản xuất bioethanol từ bã mía

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn

(Ký và ghi rõ họ tên)

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 4

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

4 Phương pháp nghiên cứu 4

5 Bố cục đề tài 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 6

1.1.TỔNG QUAN VỀ BIOETHANOL 6

1.1.1.Nhiên liệu sinh học 6

1.1.2.Ethanol nhiên liệu 7

1.1.3.Tình hình sản xuất và sử dụng bioethanol 10

1.2.QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT BIOETHANOL 13

1.2.1.Sản xuất ethanol từ tinh bột 13

1.2.2.Sản xuất ethanol từ rỉ đường 14

1.2.3.Sản xuất ethanol từ nguyên liệu có nguồn gốc lignocellulose 16

1.3.KỸ THUẬT SIÊU ÂM 32

1.3.1.Giới thiệu 32

1.3.2.Cơ chế 33

1.3.3.Các yếu tố ảnh hưởng 35

1.4.QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM 36

1.4.1.Vai trò của quy hoạch thực nghiệm 36

1.4.2.Các phương pháp quy hoạch thực nghiệm 36

1.4.3.Các bước quy hoạch thực nghiệm cực trị 37

1.4.4.Phần mềm Design Expert 37

CHƯƠNG 2 NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 39

2.3 THIẾT BỊ 40

2.3.1 Cân điện tử 40

2.3.2 Nồi hấp tiệt trùng 40

2.3.3 Máy đo pH 40

2.3.4 Thiết bị đồng hóa siêu âm 40

2.3.5 Bể siêu âm 40

2.3.6 Thiết bị hồng ngoại biến đổi chuỗi Fourier (FT- IR) 41

2.3.8 Thiết bị sắc ký khí (GC) 41

2.3.9 Thiết bị sắc ký lỏng hiệu quả cao (HPLC) 41

2.3.10 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 42

2.3.11 Tủ sấy 42

2.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 42

2.4.1 Phương pháp xác định độ ẩm của nguyên liệu 42

2.4.2 Phương pháp xác định đường khử 42

2.4.3 Phương pháp xác định thành xơ sợi 43

2.4.4 Phương pháp nhiễu xạ tia X 44

2.4.5 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét 45

2.4.6 Phương pháp phổ hồng ngoại chuỗi Fourier 45

2.4.7 Phương pháp xác định hàm lượng ethanol bằng GC 47

2.5 TRÌNH TỰ NGHIÊN CỨU 47

2.5.1 Quy trình thực hiện 47

2.5.2 Quá trình tiền xử lý 49

2.5.3 Quá trình thủy phân 50

2.5.4 Quá trình lên men 51

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 53

3.1.2 Thủy phân dịch thu được trước khi xử lý bã mía 54

3.1.3 Tối ưu điều kiện tiền xử lý 56

3.1.4 Ảnh hưởng của quá trình tiền xử lý đến hình thái bề mặt của nguyên liệu bã mía 62

3.1.5 Ảnh hưởng của quá trình tiền xử lý đến sự thay đổi thành phần các nhóm chức trong nguyên liệu bã mía 63

3.1.6 Ảnh hưởng của quá trình tiền xử lý đến mức độ kết tinh của nguyên liệu bã mía 66

3.2 QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN 67

3.2.1 Đường chuẩn glucose 67

3.2.2 Nồng độ glucose sau quá trình thủy phân 68

3.3 QUÁ TRÌNH LÊN MEN 69

3.3.1 Đường chuẩn ethanol 69

3.3.2 Nồng độ ethanol sau quá trình lên men 70

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

CÁC KÝ HIỆU:

Kpl Hệ số pha loãng

Cm Nồng độ trong mẫu đã pha loãng

X Nồng độ trong mẫu không pha loãng

EU Liên minh Châu Âu (European Union)

E85 Xăng sinh học gồm 15% xăng và 85% ethanol tinh khiết

E5 Xăng sinh học gồm 95% xăng và 5% ethanol tinh khiết

FT- IR Phổ hồng ngoại biến đổi chuỗi Fourier (Fourier Transform

InfraRed)

GC Sắc ký khí (Gas Chromatography)

HPLC Sắc ký lỏng hiệu quả cao (High Performance Liquid

Chromatography)MTBE Metyl Tert Butyl Ether

NGK Nước giải khát

OECD Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (Organization for

Economic Cooperation and Development)PTHQ Phương trình hồi qui

SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electronic Microscope)

VSSA Hiệp hội mía đường Việt Nam

XRD Nhiễu xạ tia X (X- ray diffraction)

Số hiệu

bảng

1.1 Thành phần lignocellulose trong rác thải và phụ phế phẩm

nông nghiệp phổ biến

18

1.2 Ưu nhược điểm của các phương pháp tiền xử lý 232.1 Bước sóng đặc trưng của một số nhóm chức 472.2 Thành phần dưỡng chất cho nấm men phát triển 52

3.2 Thành phần bã mía theo số liệu Hiệp hội Mía đường Việt

Nam

55

3.4 Kết quả đo nồng độ glucose trong dịch thủy phân trước

khi xử lý bã

57

3.5 Mức, khoảng biến thiên của các yếu tố 573.6 Thành phần bã mía sau quá trình tiền xử lý 583.7 Kết quả quá trình tiền xử lý bã mía theo từng thí nghiệm 60

3.12 Kết quả đo nồng độ glucose sau quá trình thủy phân 69

3.14 Kết quả đo ethanol sau quá trình lên men 71

Số hiệu

1.3 Phân bố các vùng trồng mía ở Việt Nam 211.4 Sơ đồ của quá trình thủy phân và lên men tách biệt 241.5 Sơ đồ của quá trình thủy phân và lên men đồng thời 25

1.7 Giống nấm men Pichia stipitis và Saccharomyces

Cerevisiae

33

1.8 Tác động của sóng siêu âm: Quá trình hình thành, phát

triển và vỡ tung của bọt khí trong môi trường lỏng

35

1.9 Giao diện của phần mềm Design Expert 7.0 392.1 Nấm men S Cerevisiae nhìn dưới kính hiển vi 402.2 Quy trình nghiên cứu sản xuất bioethanol từ bã mía 49

2.4 Tiền xử lý bã mía bằng NaOH kết hợp siêu âm 50

2.6 (a) Bã mía sau khi rửa, lọc; (b) Bã mía sau khi ép khô 512.7 (a) Bã mía trước khi thủy phân; (b) Dịch thu được sau

quá trình thủy phân

52

3.1 Thành phần (% khối lượng) của bã mía trước khi xử lý 54

3.3 Kết quả tính hệ số b theo phần mềm Design Expert v7.0 613.4 Kết quả tối ưu bằng phần mềm Design Expert v7.0 63

3.6 FT- IR của mẫu chưa xử lý 643.7 FT- IR của mẫu đã xử lý: 1% NaOH, 300C, 15phút,

3.10 XRD của: (a) Mẫu chưa xử lý; (b) Mẫu đã xử lý: 3%

NaOH, 300C và siêu âm trong 25phút

67

3.13 (a) Lên men dịch thủy phân có siêu âm; (b) Lên men

dịch thủy phân không có siêu âm; (c) Nước vôi trong bị

đục bởi CO2

71

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nhiên liệu hóa thạch là loại nhiên liệu có ưu thế vượt trội trong nền kinh

tế toàn cầu từ cách mạng công nghiệp cuối thế kỷ 18, đặc biệt là trong nửa sauthế kỷ 20 khi thế giới đã trải qua những tiến bộ mạnh mẽ trong công nghệ vàcông nghiệp hóa Tuy nhiên, nhiên liệu hóa thạch không phải vô hạn và sẽ cạnkiệt vào khoảng 40- 50 năm nữa Trong điều kiện cạn kiệt nhiên liệu hoáthạch và các vấn đề khí thải liên quan gây ô nhiễm môi trường từ việc sửdụng nguồn nhiên liệu này, việc tìm kiếm và phát triển các nguồn năng lượngsạch thay thế là cần thiết và cấp bách Trong số các nguồn năng lượng tái tạo,sinh khối là nguồn năng lượng quan trọng nhất

Các nguồn năng lượng tái tạo và dự báo [4]

Loại năng lượng

Tổng năng lượng tái tạo 1 364,5 1 682,5 3 416 4 844 -

Nhiên liệu sinh học (ethanol sinh học và diesel sinh học) là các nguồnnăng lượng được sản xuất từ sinh khối Nhìn chung, nhiên liệu sinh học cónhiều ưu điểm: giảm khí thải nhà kính, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóathạch, tăng sự an toàn về năng lượng quốc gia, góp phần phát triển nông thôn

và là một nguồn năng lượng bền vững trong tương lai Ngược lại, loại nhiên

liệu này cũng có một số hạn chế: nguồn nguyên liệu phải được tái tạo nhanh,công nghệ sản xuất phải được thiết kế và tiến hành sao cho cung cấp lượngnhiên liệu lớn nhất với giá thấp nhất và mang lại lợi ích về môi trường nhất.Ethanol sinh học hay còn gọi là bioethanol có thể sản xuất từ bất kỳ chấthữu cơ có nguồn gốc sinh học chứa hàm lượng đường nhất định và các vậtchất có thể chuyển đổi sang dạng đường như tinh bột hoặc cellulose Míađường, củ cải đường, lúa miến ngọt là những ví dụ về sản phẩm chứađường Lúa mì, lúa mạch và ngô…là các sản phẩm chứa tinh bột Một phầnđáng kể các cây lấy gỗ và cây thân thảo có thành phần chủ yếu là cellulose cóthể được chuyển đổi sang đường Tất cả các loại cây này/vật liệu này đều cóthể sử dụng cho sản xuất ethanol.

Gần đây, nhiều cố gắng nghiên cứu của các cá nhân và các tổ chức đangtập trung vào việc sản xuất ethanol từ rơm rạ, cỏ,… Tuy nhiên, theo nhậnđịnh của nhiều chuyên gia, bên cạnh các nguyên liệu phổ biến kể trên thì bãmía là lựa chọn mới cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học, phù hợp với nềnnông nghiệp Việt Nam, nhất là lượng bã mía hiện thải bỏ khá lớn Đơn cử lànhà máy Đường Bourbon (Tây Ninh) với công suất chế biến 8000 tấnmía/ngày, nhà máy thải ra lượng bã mía khoảng 2800 tấn/ngày Công tyĐường Biên Hòa (Đồng Nai) có 3 nhà máy, trong đó 2 nhà máy sử dụng míalàm nguyên liệu với tổng công suất 5000 tấn mía/ngày [32] Do đó, việc sửdụng bã mía để sản xuất bioethanol sẽ góp phần giảm bớt áp lực cho các loạinguyên liệu sinh học từ bắp, khoai mì,… đồng thời sẽ giảm thiểu sự cạnhtranh trong sử dụng đất trồng giữa cây nhiên liệu và cây lương thực, thựcphẩm

Sinh khối có nguồn gốc lignocellulose có thành phần chính gồmcellulose, hemicellulose, lignin Sự sắp xếp của các thành phần bên trong sinhkhối làm cho nó có cấu trúc vô cùng phức tạp Chỉ cellulose và hemicellulose

có thể được chuyển đổi thành đường lên men Do đó, cần có quá trình tiền xử

lý để phá vỡ lignin xung quanh các phân tử cellulose, làm tăng khả năng tácđộng của enzyme thủy phân cellulose thành đường

Có rất nhiều phương pháp tiền xử lý như phương pháp vật lý (giảm kíchthước, nổ hơi…), phương pháp hóa học (axit, kiềm…), phương pháp sinhhọc… tuy nhiên, các phương pháp tiền xử lý bằng kiềm giúp sự hòa tan củalignin tốt hơn, ít hòa tan cellulose và hemicellulose hơn so với các quy trìnhaxit hay thủy nhiệt

Tiền xử lý bằng kiềm có thể được tiến hành ở nhiệt độ phòng, ít gây ra

sự thoái biến đường hơn so với tiền xử lý bằng axit và cho hiệu quả cao hơn ởcác sản phẩm nông nghiệp Thường sử dụng natri hydroxit, canxi hydroxit,kali hydroxit và amoni hydroxit Tiền xử lý bằng Ca(OH)2 có chi phí thấp vàyêu cầu về an toàn ít hơn so với tiền xử lý bằng NaOH nhưng khả năng hòatan Ca(OH)2 trong nước kém, khó tách ra khỏi bã rắn sau quá trình tiền xử lý.Việc ứng dụng kỹ thuật siêu âm sẽ cải thiện một loạt các quá trình sinhhọc và có tiềm năng được sử dụng trong sản xuất ethanol từ nguyên liệulignocellulose Kỹ thuật siêu âm được áp dụng như một quá trình hỗ trợ việcphá hủy liên kết lignin tạo điều kiện cho quá trình thủy phân, gia tăng vậnchuyển cơ chất, kích thích tế bào sống và enzyme giúp gia tăng sản lượng cácchất trao đổi, đẩy nhanh quá trình lên men

Với những lý do trên, tôi đã chọn đề tài luận văn cao học:

“Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhằm nâng cao hiệu quả của quá

trình sản xuất bioethanol từ bã mía”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng sóng siêu âm để tăng cường hiệu quả của quá trìnhtiền xử lý, thuỷ phân và lên men nhằm nâng cao năng suất của quá trình sảnxuất bioethanol từ bã mía của nhà máy đường

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Bã mía của nhà máy đường

- Qui trình và các thông số công nghệ của quá trình sản xuất bioethanol từ

bã mía của nhà máy đường

- Kỹ thuật siêu âm

3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Các điều kiện tiền xử lý, thủy phân và lên men

- Xử lý số liệu thống kê, quy hoạch thực nghiệm với hàm mục tiêu là tối

đa hiệu suất loại bỏ lignin ở quá trình tiền xử lý

4 Phương pháp nghiên cứu

- Áp dụng các phương pháp phân tích hoá học trong việc xác định hàmlượng cellulose và lignin trong thành phần của bã mía

- Áp dụng các phương pháp vật lý và hóa lý như:

+ Phương pháp chụp ảnh bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để xácđịnh sự thay đổi cấu trúc của bã mía trước và sau quá trình tiền xử lý

+ Phương pháp phổ hồng ngoại chuỗi Fourier (FT- IR) để đánh giá đến

sự thay đổi thành phần các nhóm chức trong nguyên liệu bã mía

+ Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định độ kết tinh củacellulose trong bã mía trước và sau quá trình tiền xử lý

+ Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) để xác định hàmlượng glucose thu được sau quá trình thủy phân

+ Phương pháp sắc ký khí (GC) để xác định hàm lượng ethanol thu đượcsau quá trình lên men

- Phương pháp toán học: Các phương pháp xử lý số liệu thống kê, quy

hoạch thực nghiệm, sử dụng phần mềm Design Expert để xác định phươngtrình hồi qui

5 Bố cục đề tài

Sau phần mở đầu, luận văn gồm 3 chương:

Chương 1 Tổng quan về đề tài

Tổng quan về nhiên liệu sinh học, ethanol nhiên liệu, tình hình sản xuất

và sử dụng cũng như nguyên liệu và các công nghệ sản xuất bioethanol, kỹthuật siêu âm, cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng, quy hoạch thực nghiệm

Chương 2 Những nghiên cứu thực nghiệm

Giới thiệu về nguyên liệu, hóa chất, thiết bị sử dụng trong nghiên cứunày, trình bày các phương pháp nghiên cứu và trình tự nghiên cứu

Chương 3 Kết quả và thảo luận

Trình bày kết quả phân tích thành phần bã mía trước khi tiền xử lý, kếtquả phân tích dịch thủy phân thu được trước khi tiền xử lý, thành phần bã saukhi tiền xử lý, tối ưu các điều kiện tiền xử lý, phân tích các kết quả SEM, FT-

IR, XRD, kết quả quá trình thủy phân và lên men riêng biệt

Cuối cùng là phần kết luận và kiến nghị của đề tài

1.1 TỔNG QUAN VỀ BIOETHANOL

1.1.1 Nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học theo định nghĩa rộng là những nhiên liệu rắn, lỏnghay khí được chuyển hóa từ sinh khối Tuy nhiên, trong nghiên cứu này chỉ đềcập chính đến nhiên liệu sinh học dạng lỏng

Nhìn chung, nhiên liệu sinh học có nhiều ưu điểm: giảm khí thải nhàkính, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, tăng sự an toàn về năng lượngquốc gia, góp phần phát triển nông thôn và là một nguồn năng lượng bềnvững trong tương lai Ngược lại, loại nhiên liệu này cũng có một số hạn chế:nguồn nguyên liệu phải được tái tạo nhanh, công nghệ sản xuất phải đượcthiết kế và tiến hành sao cho cung cấp lượng nhiên liệu lớn nhất với giá thấpnhất và mang lại lợi ích về môi trường nhất

Nhiên liệu sinh học và những dạng nhiên liệu tái tạo khác nhằm hướngđến một chu trình tuần hoàn khí CO2 Điều đó có nghĩa là CO2 được thải ratrong quá trình đốt cháy nhiên liệu để cung cấp năng lượng vận chuyển haysinh điện năng được tái hấp thụ và cân bằng với lượng CO2 hấp thụ bởi câycối Những cây này sau đó lại được thu hoạch để tiếp tục sản xuất nhiên liệu.Nhiên liệu sinh học có thể được phân loại thành các nhóm chính như sau [33]:

- Diesel sinh học (Biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương

tự và có thể sử dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống Biodiesel đượcđiều chế bằng cách ester hóa một số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡđộng vật…) thông qua phản ứng của nó với các loại rượu, phổ biến nhất làmethanol

- Xăng sinh học (Biogasoline) là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sửdụng ethanol như là một loại phụ gia pha trộn vào xăng thay phụ gia chì

Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ nhưtinh bột, rỉ đường, lignocellulose Ethanol được pha chế theo tỷ lệ thích hợpvới xăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thế hoàn toàn cho loại xăng sửdụng phụ gia chì truyền thống.

- Khí sinh học (Biogas) là một loại khí hữu cơ gồm methane và các đồngđẳng khác Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sản phẩm hữu cơphế thải nông nghiệp, chủ yếu là cellulose, tạo thành sản phẩm ở dạng khí.Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí gas từ sản phẩmdầu mỏ

1.1.2 Ethanol nhiên liệu

a Lịch sử hình thành

Nguyên mẫu đầu tiên của động cơ đốt trong được đưa ra bởi SamuelMorey, USA, 1826 Điều này được xem là sự bắt đầu của động cơ xăngnhưng thực tế ông sử dụng ethanol để cấp nguồn năng lượng cho động cơ.Năm 1908, Henry Ford xây dựng mô hình nổi tiếng về xe ô tô chạy bằngethanol Cuối cùng, công nghiệp dầu mỏ “chiến thắng” trong sự cạnh tranhvới ethanol Sự thúc đẩy “thương mại hóa” ethanol trong giao thông vận tảiphát triển trong suốt thập niên 1970 Cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm

1973 và cuộc cách mạng của người Iran vào năm 1978 làm cho giá của dầugia tăng một cách nhanh chóng, ảnh hưởng lớn đến vấn đề an ninh nănglượng quốc gia Ethanol nhiên liệu trở nên có giá trị Tại thời điểm này, cơquan bảo vệ môi trường (EPA) đã tìm kiếm một chất thay thế cho chì trongxăng để gia tăng chỉ số octane Ethanol sớm thiết lập một chỗ đứng vữngmạnh trong việc gia tăng chỉ số octane Một động cơ khác thúc đẩy công nghệsản xuất ethanol ở Mỹ trong suốt những năm 80, đó là khi giá bắp hạ thấp.Các nhà lập pháp Mỹ xem việc sản xuất ethanol từ bắp là một phương tiện để

ổn định thu nhập của nông nghiệp [6]

b Lợi ích và hạn chế khi sử dụng ethanol nhiên liệu

- Lợi ích

Phát triển ethanol nhiên liệu giúp các quốc gia chủ động, không bị lệthuộc vào vấn đề nhập khẩu nhiên liệu, đặc biệt đối với những quốc gia không

có nguồn dầu mỏ và than đá Đồng thời, kiềm chế sự gia tăng giá xăng dầu,

ổn định tình hình năng lượng cho Thế giới Do được sản xuất từ nguồnnguyên liệu tái tạo, ethanol thật sự là một lựa chọn ưu tiên cho các quốc giatrong vấn đề an ninh năng lượng

Việc sản xuất ethanol tương đối đơn giản hơn so với các dạng nhiên liệumới khác như: hydro, pin nhiên liệu, … Nhìn chung, công nghệ sản xuấtethanol không phức tạp, có thể sản xuất ở quy mô nhỏ đến quy mô lớn Ngoài

ra, ethanol có trị số octane cao và có thể dùng để nâng trị số octane của xăng.Trong thực tế, ở mức hàm lượng thấp (<5%) trong hỗn hợp với xăng, ethanol

có vai trò như là phụ gia cải thiện chất lượng nhiên liệu

Ở phạm vi toàn cầu, khí thải ô tô chiếm gần 20% tổng khí thải gây hiệuứng nhà kính phát tán ra từ các quá trình liên quan tới năng lượng Ethanolbảo đảm giảm đáng kể phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính Kết quả các côngtrình nghiên cứu cho thấy, ethanol sản xuất từ ngũ cốc giảm được 40% phátthải khí nhà kính so với xăng, giảm tới 100% đối với ethanol sản xuất từnguyên liệu cellulose và từ mía Hàm lượng các khí thải độc hại khác như

CO, NOx, SOx, hydrocarbon đều giảm đi đáng kể khi sử dụng ethanol nhiênliệu

Thông qua nguyên liệu đầu vào của các nhà máy là sản phẩm nôngnghiệp, do đó có thể kích thích sản xuất nông nghiệp và mở rộng thị trườngcho sản phẩm nông nghiệp trong nước Việc sản xuất ethanol từ một số câytrồng như: mía, ngô, sắn, … mở ra thị trường mới cho nông dân, tăng thunhập hoặc tăng năng lực sản xuất của đất canh tác hiện có, tận dụng các vùng

đất hoang hóa và tạo thêm công ăn việc làm cho người dân Bên cạnh đó, việctận dụng các nguồn phụ, phế phẩm nông nghiệp như rơm rạ, vỏ trấu, bãmía… để sản xuất ethanol cũng sẽ nâng cao giá trị của sản phẩm nông nghiệp.

- Hạn chế

Việc phát triển sản xuất ethanol sẽ gây nên sự cạnh tranh giữa an ninhnăng lượng và an ninh lương thực Hiện nay nguồn nguyên liệu chính để sảnxuất ethanol là nông sản, nó là nguồn lương thực- thực phẩm cho con người

và là nguồn thức ăn cho các loại gia súc trong chăn nuôi Do vậy việc sử dụngnông sản làm thực phẩm như sắn, ngô, … để sản xuất ethanol gây ra sự tranhcãi gay gắt giữa các nhà nghiên cứu về vấn đề an ninh lương thực

Ngoài ra việc phát triển trồng cây năng lượng sẽ tạo sự cạnh tranh đấtcanh tác giữa đất trồng cây lương thực và đất trồng cây năng lượng Hơn nữa

do sự canh tranh về giá, việc trồng cây năng lượng có thể mang lại nhiều lợinhuận cho người nông dân hơn việc trồng cây lương thực, dẫn đến sự chuyểnđổi cây trồng và tình trạng độc canh Việc trồng duy nhất một loại cây trongthời gian dài trên cùng diện tích đất sẽ làm cho đất bị cằn cỗi, không thể tiếptục canh tác được

Bên cạnh đó, hạn chế cơ bản của ethanol nhiên liệu là tính hút nước của

nó Ethanol có khả năng hút ẩm và hoà tan vô hạn trong nước Nên ethanolphải được tồn trữ và bảo quản trong hệ thống bồn chứa đặt biệt

Vì nhiệt trị của ethanol nói riêng (26,8 MJ/kg) và các loại alcohol khácnói chung đều thấp hơn so với xăng (42,5 MJ/kg) nên khi dùng ethanol để phatrộn vào xăng sẽ làm giảm công suất động cơ so với khi dùng xăng Tuy nhiên

sự giảm công suất này là không đáng kể nếu ta pha với số lượng ít [1]

Tóm lại, việc sử dụng ethanol nhiên liệu có nhiều ưu điểm nhưng cũng

có những mặt hạn chế Tuy nhiên khi phân tích tương quan giữa các mặt lợi

và hại người ta vẫn thấy mặt lợi lớn hơn, mang ý nghĩa chiến lược hơn

Các quốc gia sản xuất ethanol lớn như Brazil, Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ vàPháp chiếm 84% sản lượng ethanol nhiên liệu của toàn thế giới trong năm2005.

Brazil

Là nước đi đầu trên thế giới trong việc sản xuất ethanol nhiên liệu từ mật rỉtrong năm 2004 và đến cuối năm 2007, Braxin đã sản xuất được 20,5 tỷ lít,chiếm 34% sản lượng ethanol toàn thế giới Nhóm các nước nhập khẩuethanol nhiên liệu từ Braxin là Mỹ, Ấn Độ, Hàn Quốc, Nhật Bản, Thụy Điển

và Hà Lan

Mỹ

Năm 2006, Mỹ đã vượt qua Brazil trở thành quốc gia lớn nhất thế giới vềsản xuất ethanol nhiên liệu, chiếm 37% sản lượng toàn thế giới Theo chươngtrình phát triển năng lượng quốc gia, Mỹ sản xuất 25,7 tỷ lít bioethanol vàonăm 2010 Nguồn nhiên liệu chính để sản xuất bioethanol nhiên liệu tại Mỹ làngô

EU

Năm 2006, sản lượng bioethanol của EU là 341 250 000 lít, trong đóPháp là quốc gia sản xuất ethanol nhiên liệu lớn nhất châu Âu (114 triệu lít,chiếm 33%), Tây Ban Nha 47,8 triệu lít (chiếm 14%) và Đức 44,4 triệu lít(chiếm 13%)

Trung Quốc

Là nước sản xuất ethanol lớn nhất khu vực Châu Á Năm 2005, tổng sảnlượng ethanol của quốc gia này xấp xỉ 3,8 tỷ lít (trong đó 1,3 tỷ lít là ethanolnhiên liệu), chiếm gần 8% sản lượng toàn thế giới

Các quốc gia khác đã có những thành tựu đáng kể trong việc sản xuấtethanol đó là Ấn Độ, Thái Lan và một số quốc gia khác

Ấn Độ

Đây là quốc gia đứng thứ 2 ở châu Á về sản xuất ethanol sau TrungQuốc Năm 2005 sản lượng ethanol của Ấn Độ là 1,7 tỷ lít, trong đó 200 triệulít là ethanol nhiên liệu

Thái Lan

Là quốc gia Đông Nam Á đi tiên phong trong việc sản xuất ethanolnhiên liệu Năm 2007, Thái Lan có 9 nhà máy sản xuất ethanol nhiên liệu vớitổng công suất gần 400 triệu lít/năm, trong khi đó chỉ có duy nhất nhà máyThai Nguan sản xuất ethanol từ sắn lát

- Tình hình tiêu thụ [35]

Năm 2006, sản lượng ethanol được sử dụng trên thế giới là 50 tỷ lít,trong đó ethanol nhiên liệu là 38,5 tỷ lít (chiếm 77%), ethanol công nghiệp là

4 tỷ lít (chiếm 8%) và ethanol cho đồ uống là 7,5 tỷ lít (chiếm 15%)

Nhu cầu sử dụng ethanol để tăng chỉ số octan ngày càng lớn ở nhiềuquốc gia, đặc biệt là Mỹ (sau khi MTBE bị cấm sử dụng vì lý do ô nhiễm môitrường nước) Hiện nay, các loại phương tiện giao thông với động cơ được cảitiến để có thể sử dụng được cả ethanol tinh khiết đang được nghiên cứu vàphát triển

Tại thời điểm này có khoảng 40 quốc gia sử dụng các loại xăng sinh họclàm nhiên liệu cho động cơ Từ năm 2007, xăng E85 đã được chính thức sửdụng tại Áo, Pháp và Đức từ năm 2008 Mỹ có khoảng 250 triệu phương tiện

sử dụng xăng và trong số chừng 170 ngàn trạm bán xăng thì có hơn 2000 trạmbán xăng E85 Mỹ cũng là nước tiêu thụ ethanol lớn nhất với khoảng 60%tổng sản lượng của thế giới.

Tại Nam Mỹ, 4 quốc gia sản xuất ethanol nhiên liệu là Brazil, Colombia,Paraguay và Argentina, trong đó chỉ có Brazil là xuất khẩu, 3 nước còn lạiđều chỉ sản xuất để tiêu thụ trong nước

Tại Châu Âu, những nước có sản lượng ethanol lớn nhất là Pháp, Đức vàTây Ban Nha Tổng mức tiêu thụ nhiên liệu ethanol trong EU ước đạt 3500ngàn tấn và nhịp độ tăng trưởng hàng năm là 23% Ngoài số tự sản xuất được,nguồn nhập khẩu chính ethanol là từ Brazil

b Ở Việt Nam [36]

Ngày 20/11/2007, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt “Đề án phát triểnnhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025” Đề án bao gồm hoạt độngcủa các cơ quan chính phủ và doanh nghiệp nhằm xây dựng lộ trình sử dụngnhiên liệu sinh học của Việt Nam, khung pháp lý, các chính sách khuyếnkhích, xây dựng mô hình thử nghiệm sản xuất và phân phối nhiên liệu sinhhọc cũng như các dự án đầu tư của Chính phủ để phát triển đến năm 2025.Việt Nam sẽ đẩy mạnh phát triển bioethanol và mục tiêu dự kiến đếnnăm 2025 sẽ sản xuất và đưa vào sử dụng xăng E5 (95% xăng khoáng và 5%ethanol) Việc đẩy mạnh phát triển bioethanol là giải pháp thay thế một phầnnhiên liệu hóa thạch truyền thống hiện nay, góp phần đảm bảo an ninh nănglượng và bảo vệ môi trường

Một số dự án liên quan đến ethanol đã và đang triển khai trong nước: + Nghiên cứu và sản xuất nhiên liệu sạch đã được Petrolimex, PetroVietNam triển khai và đã có những kết quả

+ Đại học Bách Khoa TP.HCM đã pha chế, thử nghiệm để chứng minhethanol có thể thay thế xăng dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong

+ Viện Nghiên cứu Rượu- Bia- NGK cũng đã nghiên cứu và đưa ra cáckết quả về sử dụng ethnol làm nhiên liệu thay thế cho một số loại động cơ.+ Viện Công nghệ thực phẩm đã và đang nghiên cứu sản xuất ethanol từphế thải nông nghiệp, Nhiều đơn vị trong đó có Sài Gòn Petro, Công tyMía đường Lam Sơn, đã lên kế hoạch pha chế thử nghiệm và tiến tới sảnxuất ở quy mô phù hợp và đưa vào sử dụng.

+ Công ty Cổ phần Cồn sinh học Việt Nam đã đầu tư xây dựng nhà máysản xuất cồn công nghiệp với công suất 66000 m3/năm tại Đắc Lắc Để đảmbảo nguyên liệu, công ty đã lên kế hoạch trồng 4000 ha cây tinh bột Tiboca.+ Bên cạnh đó là các dự án hợp tác đầu tư liên doanh liên kết giữa Công

ty đường Biên Hoà với Công ty của Singapore ký kết hợp tác tháng 8/2007đầu tư nhà máy sản xuất cồn sinh học công suất 50000 tấn/năm; dự án hợp tácCông ty Petrosetco Việt Nam và Itochu Nhật Bản đầu tư khoảng 100 triệuUSD để xây nhà máy ethanol công suất 100 triệu lít/năm từ nguyên liệu sắnlát tại Khu công nghiệp Phước Hiệp- TP.HCM Dự kiến, khoảng 99,8% sảnphẩm ethanol sẽ được cung ứng cho thị trường phục vụ sản xuất xăng sinhhọc

+ Mới đây, nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng sản phẩm phế thải nông,lâm nghiệp như rơm rạ thành ethanol sinh học đã được triển khai ở Viện Côngnghệ Sinh học- Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam, Đại học Bách khoa

Hà Nội… Tuy nhiên kết quả đạt được còn khiêm tốn, chưa thể áp dụng triểnkhai sản xuất lớn và thương mại hóa

1.2 QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT BIOETHANOL

1.2.1 Sản xuất ethanol từ tinh bột

a Nguyên liệu

Tinh bột là glucide dự trữ phổ biến nhất trong thực vật Nó là chất keoháo nước điển hình, cấu tạo từ amyloza mạch thẳng và amylopectin Ngoài ra

trong tinh bột còn chứa một lượng nhỏ các chất khác như muối khoáng, chấtbéo, protit… Hàm lượng chung của chúng khoảng 0,2 đến 0,7% Dưới tácdụng của của acide hoặc amylaza tinh bột sẽ bị thủy phân Khi đun với acide,tinh bột sẽ biến thành glucose, còn dưới tác dụng của amylaza thóc mầm thìdịch thủy phân gồm 70 đến 80% mantoza và 30 đến 20% dextrin Nếu dùngamylaza của một số nấm mốc hay nấm men thì dịch thủy phân chứa tới 80đến 90% là glucose.

b Quá trình sản xuất

Nguyên liệu được đưa đi xử lý bởi các công đoạn như làm sạch sơ bộ đểtách các tạp chất, nghiền mịn thành bột, hòa trộn với nước tạo thành dungdịch Tiếp theo là quá trình nấu có thể sử dụng hơi trực tiếp hoặc gián tiếp.Dịch sau khi nấu được đưa qua công đoạn đường hóa với sự có mặt củaenzyme nhằm mục đích chuyển hóa tinh bột thành đường lên men Sau khiđường hóa, dịch này được đưa vào thùng lên men chuyển hóa thành rượu.Dịch ra khỏi thùng lên men gọi là giấm chín Giấm chín sẽ được chuyểnđến khu vực chưng cất bao gồm tháp chưng cất thô và tháp chưng cất tinh Ởtháp chưng cất thô, ethanol được tách ra khỏi giấm chín, nâng nồng độ lênkhoảng 40- 70%v/v Ethanol sau khi ra khỏi tháp chưng cất thô sẽ được đưaqua tháp chưng cất tinh để tách tạp chất và nâng nồng độ cồn lên khoảng95%v/v

Để sản xuất ethanol nhiên liệu, sau khi chưng cất, ethanol được đưa quatháp tách nước để nâng nồng độ ethanol lên khoảng 99,9%

1.2.2 Sản xuất ethanol từ rỉ đường

a Nguyên liệu

Rỉ đường là nguyên liệu chứa các loại đường không tinh khiết thu đượctrong quá trình sản xuất đường, tỷ lệ rỉ đường chiếm 3÷3,5% trọng lượngnước mía

Rỉ đường là nguồn nguyên liệu quan trọng để sản xuất rượu, nó phù hợpvới 4 điều kiện để sản xuất rượu:

Trong rỉ đường, lượng P2O5 chiếm 0,02- 0,05%, rất cần cho sự phát triểncủa nấm men Ngoài ra còn có các loại vi sinh vật gây ảnh hưởng rất lớn đếnchất lượng của rỉ đường

Vậy việc sử dụng rỉ đường để sản xuất rượu góp phần sử dụng triệt đểphụ phế phẩm, mặt khác hạn chế việc sử dụng các loại lương thực chứa tinhbột như: sắn, ngô, khoai để sản xuất rượu

b Quá trình sản xuất

Sản xuất ethanol từ mật rỉ hay từ các phế liệu chứa rỉ đường về cơ bảncũng giống như sản xuất ethanol từ tinh bột Nó bao gồm các công đoạn sau:

- Chuẩn bị dịch lên men

- Gây men giống

- Lên men

- Chưng cất và tinh chế

Nếu như chuẩn bị dịch lên men từ nguyên liệu tinh bột gồm nghiền, nấu,đường hóa thì việc chuẩn bị dịch lên men từ rỉ đường mang tính đặc thù của

nguyên liệu Trước tiên, rỉ đường sẽ được pha loãng và điều chỉnh pH Sau đótiến hành lên men, chuyển hóa đường thành ethanol Dịch đi ra khỏi thùng lênmen gọi là giấm chín có nồng độ cồn thấp được chuyển qua khu chưng cấtbao gồm tháp chưng cất thô và tháp chưng cất tinh để nâng nồng độ ethanollên và thu ethanol thành phẩm Cuối cùng, để sản xuất ethanol nhiên liệu thìphải tiến hành tách nước.

1.2.3 Sản xuất ethanol từ nguyên liệu có nguồn gốc lignocellulose

a Nguyên liệu

Lignocellulose là thành phần cấu trúc chính của thực vật thân gỗ và cácthực vật khác như cỏ, lúa, ngô, mía,… Trong tự nhiên, chúng ta có thể tìmthấy lignocellulose ở thực vật hay các chất thải nông nghiệp, lâm nghiệp vàcác chất thải rắn trong thành phố Thành phần chủ yếu của lignocellulose làcellulose, hemicellulose và lignin

Hình 1.1 Cấu trúc của lignocellulose

Các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản Các sợi này được gắn lạivới nhau nhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi Các vi sợi này được baobọc bởi lignin, giúp bảo vệ cellulose khỏi sự tấn công của enzyme cũng nhưcác hóa chất trong quá trình thủy phân.

Bảng 1.1 Thành phần lignocellulose trong rác thải và phụ phế phẩm

nông nghiệp phổ biến

Nguồn lignocellulose Cellulose, % Hemicellulose,% Lignin, %

Giấy thải từ bột giấy hóa học 60- 70 10- 20 5- 10

là khác nhau giữa các loài Hơn nữa, thành phần cấu tạo trong cùng một câyhay các cây khác nhau là khác nhau dựa vào độ tuổi, giai đoạn sinh trưởng,phát triển của cây và các điều kiện khác Lượng lớn lignocellulose được thải

ra từ các ngành lâm nghiệp, nông nghiệp, công nghiệp giấy và gây ra ô nhiễm

môi trường có thể được biến đổi thành các sản phẩm có giá trị khác như nhiênliệu sinh học… Thành phần của lignocellulose được trình bày ở bảng 1.1.

- Cellulose

Cellulose là hợp chất hữu cơ có công thức cấu tạo (C6H10O5)n, và là thànhphần chủ yếu của thành tế bào thực vật Cellulose cũng là hợp chất hữu cơnhiều nhất trong sinh quyển, hàng năm thực vật tổng hợp được khoảng 1011tấn cellulose (trong gỗ, cellulose chiếm khoảng 50% và trong bông chiếmkhoảng 90%)

Hình 1.2 Công thức hóa học của cellulose

Cellulose có cấu trúc rất bền và khó bị thủy phân Người và động vậtkhông có enzyme phân giải cellulose (cellulase) nên không tiêu hóa đượccellulose, vì vậy cellulose không có giá trị dinh dưỡng

Cellulose có thể tham gia phản ứng thủy phân tạo glucose Cellulose cóthể bị thủy phân với tốc độ chậm trong môi trường nước ở nhiệt độ cao Dướitác dụng của acide hoặc enzyme, quá trình thủy phân xảy ra với tốc độ lớnhơn

Phản ứng thủy phân được biểu diễn theo phương trình tổng quát:

(C6H10O5)n + nH2O nC6H12O6

- Hemicellulose

Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợpkhoảng 70 đến 200 Hemicellulose là polysaccharide, có liên kết chặt chẽ vớicellulose, là một trong ba sinh khối tự nhiên chính Cùng với cellulose vàlignin, hemicellulose tạo nên thành tế bào vững chắc ở thực vật

Hemicellulose chứa cả đường 6 carbon gồm glucose, mannose và galactose

và đường 5 gồm xylose và arabinose Cấu tạo của hemicellulose khá phức tạp

và đa dạng tùy vào nguyên liệu

- Lignin

Lignin là một hợp chất phổ biến được tìm thấy trong hệ mạch thực vật,chủ yếu là giữa các tế bào, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose vàhemicellulose, rất khó để có thể tách lignin ra hoàn toàn

Lignin là một trong các polymer hữu cơ phổ biến nhất trên trái đất Nó

có cấu trúc không gian 3 chiều, phức tạp, vô định hình, chiếm 17% đến 33%thành phần của gỗ Lignin không phải là carbohydrate nhưng có liên kết chặtchẽ với nhóm này để tạo nên màng tế bào giúp thực vật cứng chắc và giòn, cóchức năng vận chuyển nước trong cơ thể thực vật (một phần là để làm bềnthành tế bào và giữ cho cây không bị đổ, một phần là điều chỉnh dòng chảycủa nước), giúp cây phát triển và chống lại sự tấn công của côn trùng và mầmbệnh Thực vật càng già, lượng lignin tích tụ càng lớn Hơn nữa, lignin đóngvai trò quan trọng trong chu trình carbon, tích lũy carbon khí quyển trong môcủa thực vật thân gỗ lâu năm, là một trong các thành phần bị phân hủy lâunhất của thực vật sau khi chết, đóng góp một phần lớn chất mùn giúp tăng khảnăng quang hợp của thực vật

Cấu trúc hóa học của lignin rất dễ bị thay đổi trong điều kiện nhiệt độcao và pH thấp như điều kiện trong quá trình tiền xử lý bằng hơi nước Ởnhiệt độ phản ứng cao hơn 200oC, lignin bị kết khối thành những phần riêngbiệt và tách ra khỏi cellulose

Trong luận văn này, đối tượng nghiên cứu để sản xuất ethanol là bã một trong những nguyên liệu có nguồn gốc lignocellulose

mía-Mía là cây lấy đường quan trọng của ngành công nghiệp đường Đường

là một loại thực phẩm cần có trong cơ cấu bữa ăn hàng ngày của nhiều quốc

gia trên thế giới, cũng như là loại nguyên liệu quan trọng của nhiều ngành sảnxuất công nghiệp nhẹ và hàng tiêu dùng như bánh kẹo

Về mặt kinh tế chúng ta nhận thấy trong thân mía chứa khoảng 80- 90%nước dịch, trong dịch đó chứa khoảng 16- 18% đường Vào thời kì mía chingià người ta thu hoạch mía rồi đem ép lấy nước Nước dịch mía được chế lọc

và cô đặc thành đường Ngoài sản phẩm chính là đường, những phụ phẩm củacây mía bao gồm: bã mía, rỉ đường, bùn lọc Trong đó, bã mía chiếm 25- 30%trọng lượng mía đem ép Trong bã mía chứa trung bình 49% là nước, 48% là

xơ (trong đó chứa 45- 55% cellulose), 2,5% là chất hoà tan (đường) [28]

Về mặt tài nguyên tự nhiên như khí hậu, đất đai, Việt Nam được đánhgiá là nước có tiềm năng trung bình khá để phát triển cây mía Việt Nam có

đủ đất đồng bằng, lượng mưa nói chung tốt (1400 mm đến 2000 mm/năm),nhiệt độ, độ nắng thích hợp Trên phạm vi cả nước, các vùng Bắc Trung Bộ

và vùng Đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt là duyên hải miền Trung có khảnăng trồng mía đường tốt

Theo số liệu của Tổng cục Thống kê, tổng diện tích trồng mía cả nước

vụ 2012/13 đạt khoảng 309,3 ngàn ha, tăng 3,8% so với niên vụ trước Sảnlượng mía đạt hơn 20 triệu tấn và năng suất mía bình quân cả nước đạt 64,7tấn/ha [7] Hiện nay, theo Hiệp hội Mía đường Việt Nam (VSSA), mỗi nămcác nhà máy đường ép trên 15 triệu tấn mía, phát sinh ra 4,5 triệu tấn bã mía[29] Đây là nguồn nguyên liệu dồi dào cho việc sản xuất ethanol

Hình 1.3 Phân bố các vùng trồng mía ở Việt Nam [7]

b Quá trình sản xuất

- Tiền xử lý

Đây là bước quyết định trong quá trình biến đổi lignocellulose thànhethanol, và là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tếcủa quá trình Vì các nguyên liệu lignocellulose khác nhau có các đặc tính lýhóa khác nhau, nên cần áp dụng những công nghệ tiền xử lý thích hợp ở từngnguyên liệu Hơn nữa, sự lựa chọn một công nghệ tiền xử lý nhất định sẽ tácđộng lớn đến các bước tiếp theo của toàn bộ quá trình chuyển đổi như là khảnăng bị phân giải của cellulose, sự phát sinh các chất độc có khả năng ức chếnấm men, năng lượng cần thiết cho quy trình tiếp theo và những yêu cầu về

xử lý nước thải

+ Mục đích của quá trình tiền xử lý:

 Tăng vùng vô định hình của cellulose

 Tăng kích thước lỗ xốp trong cấu trúc sợi biomass

 Phá vỡ sự bao bọc của lignin và hemicellulose đối với cellulose+ Đặc trưng và yêu cầu của quá trình tiền xử lý:

 Công nghệ tiền xử lý được áp dụng phải phù hợp với nguồnnguyên liệu

 Cellulose từ quá trình tiền xử lý cần có khả năng bị phân giải caovới sản phẩm thu được trên 90% trong thời gian dưới 5 ngày (tốt nhất là 3ngày)

 Lượng các chất độc sinh ra tối thiểu

 Thu được nồng độ đường cao

 Sự phân bố của việc thu hồi đường giữa tiền xử lý và thủy phânenzyme tiếp theo cần tương thích với sự lựa chọn loại sinh vật để lên men cácpentose (arabinose và xylose) trong hemicellulose

 Lignin và các thành phần khác được thu hồi để đơn giản hóa quátrình xử lý tiếp theo và chuyển đổi thành các sản phẩm có giá trị

 Yêu cầu năng lượng tiêu tốn là thấp nhất

Bảng 1.2 Ưu nhược điểm của các phương pháp tiền xử lý

Sinh học - Phân hủy hiệu quả lignin và

hemicellulose

- Nhu cầu năng lượng thấp

Tốc độ thủy phân thấp

Nghiền xay Giảm độ kết tinh của cellulose Nhu cầu năng lượng cao

Nổ hơi - Thay đổi cấu trúc lignin và

hòa tan hemicellulose

- Chi phí thấp

- Hiệu suất thu glucose cao

- Sinh ra các chất ức chế

- Phân hủy 1 phần hemicellulose

AFEX - Tăng khả năng tiếp cận bề

mặt

- Không hiệu quả với nguyên liệu có hàm lượng

- Sự tạo thành chất ức chế thấp lignin cao

- Chi phí cao do lượng lớn ammonia

Bung sợi CO2 - Chi phí thấp

- Nhu cầu năng lượng thấp (tỏa nhiệt)

- Không tác động lên lignin

và hemicellulose

- Đòi hỏi áp suất caoOxy hóa ướt - Loại bỏ lignin hiệu quả

- Sinh ra ít chất ức chế

- Tiêu tốn năng lượng thấp

Chi phí cao cho xúc tác oxy hóa và kiềm

- Tạo thành các chất ức chế ít

- Sinh ra các sản phẩm phụ

- Cho nồng độ đường thấpKiềm - Loại bỏ lignin hiệu quả

Hình 1.4 Sơ đồ của quá trình thủy phân và lên men tách biệt

Hình 1.5 Sơ đồ của quá trình thủy phân và lên men đồng thời

Hình 1.6 Quá trình phân giải của cellulose

Quá trình thủy phân cellulose được diễn ra theo các bước sau:

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

+ Exoglucanase cắt các đơn vị cellobiose từ đầu không khử

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

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ thủy phân:

+ Cấu trúc nguyên liệu

 Tỉ lệ kết tinh: Đây là yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình thủyphân Các mạch cellulose có tính kết tinh cao, các sợi cellulose liên kết rấtchặt chẽ, do đó sẽ cản trở quá trình tiếp xúc của enzyme với các mạchcellulose bên trong và làm giảm tốc độ quá trình thủy phân

 Mức độ polymer hóa: mạch cellulose càng dài, tốc độ thủy phâncàng chậm

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

 Bề mặt tiếp xúc: hầu hết các chuỗi cellulose bị giấu trong các visợi- yếu tố cản trở sự xâm nhập của enzyme và giới hạn tốc độ thủy phân Bềmặt tiếp xúc càng lớn thì càng thuận lợi cho quá trình thủy phân.

+ Nhiệt độ

Tốc độ phản ứng thủy phân tăng theo nhiệt độ, tuy nhiên đến một nhiệt

độ nhất định, tốc độ phản ứng sẽ giảm dần và đến mức triệt tiêu Phần lớnenzyme hoạt động mạnh nhất ở nhiệt độ 40- 50oC Những enzyme khác nhauđều có nhiệt độ tối ưu khác nhau

Nếu đưa nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tối ưu, hoạt tính enzyme sẽ bị giảm

và không có khả năng phục hồi Ngược lại khi ở nhiệt độ 0oC, enzyme bị hạnchế hoạt động rất mạnh, nhưng khi đưa nhiệt độ lên từ từ, hoạt tính củaenzyme sẽ tăng dần đều đến mức tối ưu

+ Độ pH

pH môi trường thường ảnh hưởng đến mức độ ion hóa cơ chất, enzyme

và đặc biệt ảnh hưởng đến độ bền của enzyme

Nhiều enzyme hoạt động rất mạnh ở pH trung tính Tuy nhiên cũng cónhiều enzyme hoạt động ở môi trường acide yếu Một số enzyme khác lạihoạt động mạnh ở pH kiềm và cả pH acide

+ Nồng độ enzyme

Khi nồng độ enzyme tăng, tốc độ phản ứng tăng theo đường thẳng Tuynhiên, khi nồng độ enzyme đạt đến một ngưỡng nào đó, nồng độ cơ chất sẽtrở thành yếu tố hạn chế tốc độ phản ứng Khi đó, tốc độ phản ứng sẽ khôngtăng nữa mà là một đường nằm ngang

+ Nồng độ cơ chất

Nồng độ cơ chất tăng, tốc độ phản ứng enzyme tăng, vì sẽ có nhiều cơchất va chạm với enzyme tiến hành phản ứng Khi nồng độ cơ chất đủ lớn,

các enzyme bị bão hòa cơ chất, vì vậy, tăng nồng độ cơ chất thì tốc độ phảnứng sẽ không thay đổi đáng kể.

+ Các chất kìm hãm

Các chất kìm hãm hoạt động của enzyme thường là các chất có mặt trongcác phản ứng, làm giảm hoạt tính enzyme nhưng lại không bị enzyme làmthay đổi tính chất, cấu tạo hóa học và tính chất vật lý của chúng

Các chất gây kìm hãm hoạt động của enzyme bao gồm các ion, các phần

tử vô cơ, các chất hữu cơ và cả protein Các chất kìm hãm có ý nghĩa rất lớntrong điều khiển quá trình trao đổi ở tế bào sinh vật Tùy thuộc vào bản chấtchất kìm hãm người ta chia ra 2 loại sau [6]:

 Chất kìm hãm cạnh tranh: là những chất có cấu trúc tương tự nhưcấu trúc của cơ chất, thường là những chất kìm hãm thuận nghịch, có khảnăng kết hợp với trung tâm hoạt động của enzyme Khi đó chúng sẽ chiếm vịtrí của cơ chất trong trung tâm hoạt động và vì vậy, cơ chất không còn cơ hộitiếp cận với trung tâm này Cơ chế loại trừ lẫn nhau của chất kìm hãm vàtrung tâm hoạt động làm giảm số lượng các enzyme kết hợp với cơ chất Kếtquả là hoạt động của enzyme sẽ giảm

 Chất kìm hãm không cạnh tranh: chất kìm hãm không chiếm trungtâm hoạt động của enzyme mà là ở một vị trí ngoài trung tâm hoạt động củaenzyme Kết quả sự kết hợp này, chất kìm hãm làm thay đổi cấu trúc khônggian của phân tử enzyme theo chiều hướng bất lợi cho hoạt động xúc tác Vìthế các chất kìm hãm làm giảm hoạt động của enzyme

không xảy ra Như vậy, sự lên men rượu là một quá trình sinh học có liên hệmật thiết tới hoạt động của tế bào men.

Cơ chế lên men rượu xảy ra như sau: Đường và các chất dinh dưỡngđược hấp thụ qua bề mặt tế bào rồi thẩm thấu vào bên trong Ở đó các nấmmen sẽ tác động qua nhiều giai đoạn trung gian để cuối cùng tạo ta sản phẩmchính là rượu và khí cacbonic Hai chất này đều khuyếch tán và tan vào môitrường xung quanh Rượu do rất linh động nên hòa tan trong dịch lên men,còn khí CO2 hòa tan kém và khuếch tán chậm Lúc đầu CO2 hòa tan hoàntoàn, dần dần tạo thành các bọt khí bám quanh tế bào men và lớn dần tới mứclực đẩy Archimedes lớn hơn khối lượng tế bào men cộng bọt khí Lúc đó tếbào cùng bọt khí nổi dần lên, khi tới bề mặt các bọt khí sẽ tan vỡ và tạo thànhtiếng rào rào Bọt khí tan, tế bào men lại chìm dần, tiếp xúc với dịch đường đểhấp thụ và lên men rồi lại sản sinh ra rượu và khí CO2 Như vậy tế bào nấmmen từ chỗ là vi sinh vật không chuyển động đã biến thành tế bào luônchuyển động trong quá trình lên men Nhờ đó mà tăng nhanh tốc độ hấp thụ

và chuyển hóa đường thành rượu Khi đường và các chất dinh dưỡng trongmôi trường còn ít, một lượng lớn tế bào men sẽ lắng xuống đáy thùng, dịchlên men sẽ trong dần

Nấm men có thể lên men trong dịch đường có nồng độ 25- 30% nhưngchậm Nồng độ thích hợp cho đa số nấm men dùng trong sản suất rượu là 15-18% Nồng độ cao thì áp suất thẩm thấu sẽ lớn, do đó ảnh hưởng xấu đến hiệuquả lên men, lên men sẽ kéo dài, đường sót lại trong giấm chín sẽ tăng Nếulên men ở nồng độ đường thấp cũng không có lợi vì tổn thất do tạo men sẽtăng Ví dụ khi lên men dịch đường có nồng độ 16,9%, tổn thất đường do tạomen chiếm 6% so với lượng đường có trong dung dịch, nếu nồng độ đường là8,6% thì tổn thất do tạo men chiếm tới 9,84% Mặt khác, lên men ở nồng độ

thấp sẽ làm giảm năng suất của thiết bị, tốn nhiều hơi khi chưng cất và làmtăng tỉ lệ tổn thất rượu trong bã và nước thải.

Khi lên men có khoảng 95% đường biến thành rượu và CO2, còn 5% làtạo các sản phẩm khác và đường sót

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men:

+ Nhiệt độ

Mỗi vi sinh vật đều có một khoảng nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển củachúng Ở nhiệt độ cao, hoạt tính của nấm men giảm nhanh, dễ bị nhiễm visinh vật khác, tạo nhiều sản phẩm phụ như ester, aldehyd và tổn thất ethanoltheo CO2 sẽ tăng

+ Độ pH

Nồng độ ion H+ có khả năng làm thay đổi điện tích của vỏ tế bào, làmtăng hoặc giảm mức độ thẩm thấu của các chất dinh dưỡng cũng như chiềuhướng của quá trình lên men

Trong điều kiện lên men ethanol, pH tối ưu là 4,5- 5,2 Nếu pH thấpkhoảng 3,0- 4,0 nấm men còn hoạt động được và vi khuẩn bị ức chế pH hơicao hơn thì sẽ tạo ra sản phẩm có độ chua thấp, sản phẩm dễ bị nhiễm khuẩn

và các sản phẩm phụ trong quá trình lên men sẽ tạo nhiều hơn, lên men cóhiệu suất thấp

+ Nồng độ của dịch lên men

Nếu nồng độ dịch đường quá cao sẽ dẫn đến làm tăng áp suất và làm mấtcân bằng trạng thái sinh lý của nấm men Kết quả là ethanol nhiều sẽ ức chếkhông những các tạp khuẩn mà cả nấm men Mặt khác đường nhiều sẽ dẫnđến tổn hao nguồn nguyên liệu và phải kéo dài thời gian lên men Mặt khácnếu nồng độ đường của dịch lên men thấp thì sẽ làm giảm năng suất thiết bịlên men và làm cho nấm men không đủ chất dinh dưỡng để phát triển Thông

thường nồng độ dịch đường được giới hạn ở 22% khối lượng hoặc ít hơn (nếucao hơn thành tế bào có thể bị vỡ).

+ Thời gian

Thời gian cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của sảnphẩm Thời gian lên men phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ lên men,nồng độ đường, chủng nấm men, … Thời gian lên men được tính bắt đầu từkhi cấy chủng nấm men vào môi trường lên men, nhưng thời gian kết thúc thìtùy thuộc vào từng môi trường lên men cụ thể và tùy thuộc vào mục đích lênmen mà ta dừng quá trình lên men

Trong giai đoạn đầu của quá trình lên men phải cho dịch đường tiếp xúcvới oxy Lúc này nấm men cần oxy để tích lũy một lượng sinh khối cần thiếtcho quá trình lên men Tiếp theo, để chuyển hóa đường thành ethanol, nấmmen phải được phát triển trong điều kiện yếm khí hoàn toàn Vì trong môitrường này, sự hô hấp của nấm men bị ức chế và bắt đầu phải tìm năng lượngcần thiết bằng con đường lên men Để đáp ứng năng lượng cần thiết thì nấmmen cần phân hủy một lượng đường lớn và đường sẽ chuyển hóa thànhethanol và CO2 Đó là nguyên nhân muốn có ethanol nhiều thì không đượcthoáng khí môi trường Nếu có oxy thì trong giai đoạn này rượu sẽ tiếp tụcchuyển hóa thành acide acetic làm sản phẩm bị chua

+ Nồng độ CO2 trong môi trường

CO2 được hình thành trong quá trình lên men rượu từ đường Một phần

sẽ tồn tại trong môi trường; một phần tách lên trên bề mặt môi trường; phầncòn lại tích tụ lại thành một lớp ngăn cách giữa không khí và môi trường CO2tích tụ lại trong môi trường chỉ làm giảm khả năng sinh sản của nấm men,nhưng không thể làm cho khả năng lên men của nấm men yếu đi

Trong môi trường có hàm lượng đường cao sẽ cản trở CO2 thoát rangoài, dẫn đến ức chế sinh sản của nấm men và sự lên men có hiệu suất thấp

CO2 nằm trong khoảng không giữa bề mặt môi trường và không khí có tácdụng kiềm chế sự phát triển của những vi sinh vật hiếu khí gây hại Do vậy,các thùng lên men phải có nút đặc biệt chỉ cho phép CO2 bay ra mà không chokhông khí vào

+ Thành phần các chất dinh dưỡng của môi trường lên men

Môi trường nuôi cấy cần phải có đầy đủ các thành phần dinh dưỡng chủyếu là glucide ở dạng monosaccharide và disaccharide, nitơ ở dạng acideamin, các muối vô cơ, trừ dạng muối nitrit, nitrat, các vitamin và muốikhoáng

+ Hàm lượng giống nấm men

Nấm men là nhân tố tạo ra quá trình lên men, chuyển hóa đường thànhethanol và khí carbonic Mỗi loài nấm men có khả năng lên men khác nhau.Cùng loài nấm men, nhưng ở những điều kiện lên men khác nhau thì khảnăng lên men khác nhau và sản phẩm của quá trình lên men cũng khác nhau + Các loại giống nấm men

Nấm men thích hợp cho quá trình lên men cần có một số tính chất sau:hiệu suất lên men cao, chịu được ethanol, chịu được các sản phẩm phụ củaquá trình thuỷ phân, lên men ở pH thấp, có thể tiêu thụ nhiều cơ chất khácnhau Có hai chủng nấm men đang được sử dụng phổ biến:

 Saccharomyces Cerevisiae là loại nấm men được sử dụng phổ biến

cho lên men glucose S.cerevisiae có các ưu điểm như: chịu được nồng độethanol cao, ít sản phẩm phụ, tốc độ lên men cao trong môi trường acide, chịuđược acide acetic Tuy nhiên, nấm men này không có khả năng lên menđường 5 cụ thể là không thể lên men xylose

 Pichia stipitis là loại nấm men phổ biến nhất trong các chủng nấm

men có thể lên men đường 5 Pichia stipitis có các ưu điểm như cho hiệu suất