Phân Lập Và Tuyển Chọn Nấm Men Chịu Nhiệt Để Sản Xuất Cồn Sinh Học Từ Phế Phụ Phẩm Nông Nghiệp

Những tiến bộ vềkhoa học và công nghệ của nhân loại đang đặt ra cho các nước trên thế giớiphải quan tâm đến việc sản xuất và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạoNLTT và quan tâm đến bảo

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA MÔI TRƯỜNG

Giáo viên hướng dẫn : T.S NGUYỄN THỊ MINH

HÀ NỘI - 2016

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC BẢNG iv

DANH MỤC HÌNH v

MỞ ĐẦU 1

Chương 1.TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Tổng quan về phế phụ phầm nông nghiệp 3

1.1.1 Định nghĩa phế phụ phẩm nông nghiệp 3

1.1.2 Nguồn gốc phát sinh của phế phụ phẩm nông nghiệp 3

1.1.3 Thành phần, tính chất của phế phụ phẩm nông nghiệp 4

1.1.4 Tác động của phế phụ phẩm nông nghiệp đến môi trường 8

1.1.5 Các biệp pháp xử lí phế phụ phẩm 9

2.2 Tổng quan cồn sinh học 11

2.2.1 Khái niệm 11

2.2.2 Tình hình sản xuất cồn sinh học trên thế giới và tại Việt Nam 12

13

16

2.2.3 Cơ sở khoa học của việc sản xuất cồn sinh học từ phế phụ phẩm nông nghiệp 17

2.2.4 Tình hình nghiên cứu sản xuất cồn sinh học từ phế phụ phẩm nông nghiệp trên thế giới và ở Việt Nam 19

2.3 Giới thiệu chung về nấm men 22

2.3.1 Khái niệm nấm men 22

2.3.2 Phân loại nấm men 23

2.3.3 Hình thức sinh sản của nấm men 23

2.3.4 Cơ chế hóa sinh học của quá trình lên men tạo cồn 24

2.3.5 Vai trò và ứng dụng của nấm men trong sản xuất cồn sinh học 27

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

2.1 Đối tượng nghiên cứu 29

2.2 Phạm vi nghiên cứu 29

2.3 Nội dung 29

2.4 Phương pháp nghiên cứu 29

2.4.1 Vật liệu nghiên cứu 29

2.4.2 Phương pháp lấy mẫu 30

2.4.3 Phân lập các chủng nấm men từ các mẫu nghiên cứu theo phương pháp pha loãng Koch trên các môi trường chuyên tính bán rắn (Môi trường YPD, Hansen, Sabouroud…) 31

2.4.4 Phân tích thành phần chủ yếu của phế phụ phẩm sau sản xuất tinh bột sắn theo các phương pháp thông dụng hiện hành: 31

2.4.5 Xác định hàm lượng đường do nấm men tiêu thụ 31

2.4.6 Phương pháp định lượng vi khuẩn bằng phương pháp đếm số khuẩn lạc trên thạch đĩa 32

2.4.7 Tuyển chọn các chủng giống vi sinh vật bằng phương pháp đánh giá trực tiếp đặc tính sinh học và khả năng phân giải chuyển hóa, lên men chất hữu cơ trong phế thải 32

2.4.8 Phương pháp phân loại giống vi sinh vật 34

2.4.9 Thí nghiệm xử lý thử bã sắn sau chế biến tinh bột và đánh gía hiệu quả lên men cồn của các chủng nấm men lựa chọn 34

2.4.10 Phân tích hiệu quả chuyển hóa phế thải của VSV 35

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37

3.1 Kết quả phân lập các chủng giống vi sinh vật 37

3.2 Kết quả tuyển chọn nấm men chịu nhiệt 39

3.2.1 Đánh giá khả năng lên cồn 39

3.2.2 Đánh giá khả năng phân giải enzyme của các chủng giống nấm men 40

3.2.3 Đánh giá khả năng chịu nhiệt của các chủng giống nấm men 43

3.2.4 Đánh giá khả năng sinh trưởng trên các nguồn dinh dưỡng cacbon của các chủng g nấm men 44

3.2.5 Đánh giá khả năng sinh trưởng trên các nguồn dinh dưỡng Nito của các chủng giống

nấm men 45

3.2.6 Đánh giá khả năng thích ứng pH của các chủng nấm men 47

3.2.7 Đánh giá khả năng kháng kháng sinh của các giống nấm men 48

3.2.8 Đánh giá tính đối kháng của các chủng nấm men đã chọn 49

3.2.9 Các chủng nấm men được tuyển chọn 50

3.3 Phân tích thành phần chủ yếu của phế phụ phẩm sau sản xuất tinh bột sắn 52

3.4 Đánh giá hiệu quả chuyển hóa phế thải của VSV 53

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57

1 Kết luận 57

2 Kiến nghị 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Ước tính khối lượng các nguồn phụ phẩm nông nghiệp chính ở Việt Nam 4

Bảng 1.2 Lượng phế phụ phẩm phát sinh để thu được 1 tấn nông sản sau thu hoạch 6

Bảng 1.3 Thành phần hóa học của một số thực vật 6

Bảng 1.1.Dự tính sản lượng ethanol toàn cầu từ năm 2008 đến năm 2012 14

Bảng 2.1.Thành phần môi trường 30

Bảng 2.2: Môi trường xác định hoạt tính enzyme 32

Bảng 2.3: Phương pháp đánh giá chất lượng của bã thải 36

Bảng 3.1: Kết quả phân lập các chủng nấm men 38

Bảng 3.2: Hàm lượng đường do nấm men sử dụng 39

Bảng 3.3 : Đánh giá hoạt tính phân giải enzyme của các chủng nấm men 41

Bảng 3.4: Khả năng chịu nhiệt của các chủng nấm men 43

Bảng 3.5: Đánh giá sinh trưởng trên các nguồn dinh dưỡng Cacbon (C) 45

Bảng 3.6: Đánh giá khả năng sinh trưởng trên các nguồn dinh dưỡng Nito (N) 46

Bảng 3.7: Đánh giá khả năng thích ứng pH của các chủng nấm men (CFU/ml×106) 47

Bảng 3.8: Đánh giá khả năng kháng kháng sinh của các chủng vi sinh vật 49

Bảng 3.9: Các chủng nấm men được tuyển chọn 51

Bảng 3.10: Tính chất của bã sắn sau chế biến tinh bột 53

Bảng 3.11 : Hiệu quả sản xuất cồn sinh học từ lên men phế thải (bã sắn) bằng tổ hợp VSV 54

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sản lượng ethanol của một số quốc gia 13

Hình 1.2 Trao đổi thương mại ethanol giữa các quốc gia trên thế giới 16

Hình 2.1: Tế bào nấm men dưới kính hiển vi điện tử 23

Hình 2.1 : Quy trình lên men sơ bộ (Nguyễn Thị Minh và cs, 2012) 35

Hình 3.1 :Vòng phân giải xenlulo của một số chủng nấm men 42

Hình 3.2 : Vòng phân giải protein của một số chủng nấm men 42

Hình 3.3: Vòng phân giải tinh bột của một số chủng nấm men 43

Hình 3.4: Khuẩn lạc của chủng Đ2 và M2 ở nhiệt độ 400C 44

Hình 3.5: Khả năng sinh trưởng trên các nguồn dinh dưỡng nito, cacbon của một số chủng nấm men 47

Hình 3.6: Khả năng thích ứng pH của một số giống nấm men 48

Hình 3.7: Tính đối kháng giữa các giống nấm men tuyển chọn 50

HÌnh 3.8: Khuẩn lạc và tế bào giống V1 52

Hình 3.9: Khuẩn lạc và tế bào giống V2 52

Hình 3.10: Khuẩn lạc và tế bào giống M1 52

Hình 3.11: Bã sắn trước khi lên men 55

Hình 3.12: Bã sắn sau 7 ngày lên men 55

Hình 3.13: Bã sắn của CT1 và CT2 sau 7 ngày 56

PHỤ LỤC 63

Hình 1: Khuẩn lạc của một số chủng nấm men 63

Hình 2: Nhân giống các chủng nấm men 63

Hình 3: Xác định lượng đường do nấm men tiêu thụ bằng đường kế 64

Hình 4: Ống giống của một số chủng nấm men 64

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài

Là một quốc gia đang trong quá trình công nghiệp hoá và hiện đại hoá,nhu cầu về năng lượng sử dụng cho các ngành công nghiệp và cho sinh hoạt ởViệt Nam ngày càng tăng; trong khi các nguồn năng lượng truyền thống (thủyđiện, than đá, dầu mỏ ) đang ngày càng khan hiếm Sự phụ thuộc quá nhiềuvào năng lượng hoá thạch gây ra những vấn đề về an toàn nguồn năng lượng,hiệu ứng nhà kính do khí thải và sự bất ổn về đời sống Những tiến bộ vềkhoa học và công nghệ của nhân loại đang đặt ra cho các nước trên thế giớiphải quan tâm đến việc sản xuất và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo(NLTT) và quan tâm đến bảo vệ môi trường

Theo tính toán của Viện Năng lượng Việt Nam, tổng nguồn sinh khốivào khoảng 118 triệu tấn/năm bao gồm khoảng 40 triệu tấn rơm rạ, 8 triệu tấntrấu, 6 triệu tấn bã mía và trên 50 triệu tấn vỏ cà phê, vỏ đậu, phế thải gỗ Theo Viện Năng lượng - Bộ Công Thương, tiềm năng năng lượng sinh khối

từ phụ phẩm nông nghiệp của nước ta gồm rơm, rạ, trấu, bã mía và các loạinông sản khác lên đến gần 53,5 triệu tấn, tương đương với 12,8 triệu tấn dầuthô Ðặc biệt nguồn năng lượng này sẽ liên tục được tái sinh và tăng trưởngđều đặn trong vòng 30 năm.Nếu không được quản lý tốt nguồn phụ phẩm nàychúng sẽ biến thành lượng rác thải rất lớn và gây ô nhiễm môi trường.Việc ápdụng đưa nguồn năng lượng sinh khối vào sử dụng không chỉ thay thế nguồnnăng lượng hoá thạch mà còn góp phần xử lý chất thải rắn trong môi trườnghiện nay

Cồn sinh học là một trong những nguồn nguyên liệu rất hữu ích và thânthiện với môi trường đã và đang được quan tâm nghiên cứu sản xuất Hơn thế

nữa, cồn sinh học còn trở thành nguồn nguyên liệu cho ngành công nghiệpkhác như dùng để sản xuất xăng sinh học, góp phần giảm thiểu hiệu ứngnhà kính, một trong những nguyên nhân chính gây nên sự biến đổi khí hậu,đang là vấn đề cần giải quyết cấp bách mang tính toàn cầu

Mặc dù sản xuất cồn sinh học từ phế thải nông nghiệp có mặt hạn chếbởi lợi nhuận kinh tế chưa cao so với sử dụng nguồn nguyên liệu ban đầu từngũ cốc nhưng tiềm năng sản xuất cồn sinh học từ phế thải nông nghiệp lại rấtlớn và là một hướng đi đầy gợi mở đang thu hút sự nghiên cứu của các nhàkhoa học trên thế giới Việc ứng dụng công nghệ sinh học trong xử lý và tậndụng phế thải nông nghiệp để sản xuất cồn sinh học mang lại nhiều lợi ích có

ý nghĩa như giúp cho việc tái sử dụng các nguồn phế thải một cách hiệu quảnhất (Nguyễn Thị Minh và cộng sự, 2012).Do vậy, việc nghiên cứu sử dụngphụ phẩm nông nghiệp để phân lập, tuyển chọn nấm men sản xuất cồn sinhhọc đang là một trong những giải pháp đầy hứa hẹn cho việc tạo ra nguyênliệu thay thế cho nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt đồng thờigiảm thiểu các tác động xấu đến môi trường và là một hướng nghiên cứu đúngđắn thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nước Với

ý nghĩa thiết thực đó, chúng tôi thực hiện đề tài : “ Phân lập và tuyển chọn nấm men chịu nhiệt để sản xuất cồn sinh học từ phế phụ phẩm nông nghiệp”, nhằm tuyển chọn được giống nấm men có khả năng chịu nhiệt và

lên men cồn cao phục vụ cho sản xuất cồn sinh học từ phế phụ phẩm nôngnghiệp

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Phân lập và tuyển chọn được một số giống nấm men có khả năng chịunhiệt và lên men cồn cao ứng dụng để sản xuất cồn sinh học từ phế phụ phẩmnông nghiệp

Chương 1.TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về phế phụ phầm nông nghiệp

1.1.1 Định nghĩa phế phụ phẩm nông nghiệp

Phế phụ phẩm nông nghiệp là chất thải phát sinh trong quá trình hoạtđộng nông nghiệp Phế phụ phẩm nông nghiệp bao gồm tàn dư thực vật được

để lại sau khi thu hoạch các sản phẩm trồng trọt và phế thải sau quá trình chếbiến nông sản bao gồm các hợp chất hydratcacbon, protein, phôt khó tan vàmột số các hợp chất hữu cơ khác

Sản phẩm sau quá trình phân hủy ngoài tác dụng cung cấp chất dinhdưỡng cần thiết cho cây trồng còn có khả năng làm cho đất tơi xốp, cải thiệncác đặc tính của đất, nhất là khả năng giữ nước

Lượng phế phụ phẩm nông nghiệp sau khi thu hoạch được người nôngdân sử dụng như một nguồn nguyên liệu chính để đun nấu, tuy nhiên hiện nayhầu hết các hộ nông dân sử dụng các nguồn nguyên liệu khác nhau như than,gas, điện…cho việc nấu nướng nên phần lớn lượng phế phụ phẩm nôngnghiệp sau khi thu hoạch được người dân đem đốt ngay trên đồng ruộng, việcđốt lượng phế phụ phẩm nông nghiệp trên đồng ruộng đang dần hình thànhthói quen không tốt, không những gây ảnh hưởng xấu tới môi trường sinh thái

mà còn lãng phí nguồn nguyên liệu có nguồn gốc thực vật này

1.1.2 Nguồn gốc phát sinh của phế phụ phẩm nông nghiệp

Việt Nam là một quốc gia có trên 70% dân số sống bằng nghề nôngnghiệp với diện tích đất cây trồng có hạt trên 8355,3 nghìn ha, trong đó73322,3 nghìn ha là lúa, 1033 nghìn ha ngô còn lại là các loại cây khác

Phế phẩm nông nghiệp chủ yếu được phát sinh trong quá trình chế biếncác loại cây công nghiệp, cây lương thực, sản xuất hoa quả, thực phẩm…

1.1.3 Thành phần, tính chất của phế phụ phẩm nông nghiệp

Ở nước ta nguồn phụ phẩm nông nghiệp được ước tính dựa trên khảo sátkhối lượng thực tế của từng loại phụ phẩm tính trên một đơn vị diện tích, sau

đó ước tính tổng khối lượng cho toàn quốc, dựa vào số liệu thống kê về diệntích gieo trồng hàng năm.Khối lượng này được quy đổi ra chất khô để tiệncho việc so sánh, đánh giá (bảng 1.1)

Bảng 1.1: Ước tính khối lượng các nguồn phụ phẩm nông nghiệp

chính ở Việt Nam

Tên phụ phẩm Diện tích gieo

trồng(triệu ha/năm)

Khối lượng phụphẩm (triệu tấn chấtkhô/năm)

(Nguồn: Bùi Văn Chính, Lê Viết Ly, 2006)

- Thành phần của phế phụ phẩm nông nghiệp phần lớn là xenlulozo,hemixenluloxo, tinh bột, ligin;dầu,mỡ và protein

Khả năng phân giải sinh học sẽ tăng dần từ ligin, hemixenlulozo,xenlulozo, protein đến tinh bột và đường Lượng phế phụ phẩm phát sinh để

thu được 1 tấn nông sản và thành phần hóa học của một số hợp chất chínhtrong tự nhiên được tổng hợp trong bảng 1.2 và bảng 1.3

Bảng 1.2 Lượng phế phụ phẩm phát sinh để thu được 1 tấn nông sản

sau thu hoạch

Tên nông sản Loại phế phụ phẩm Khối lượng (kg)

Protein Mỡ Hemixenlulozo Xenlulozo lignin

8,77,5

2,78,5

3128

18

614178

-*3

*

Khoai tây

(Nguồn : Lê Văn Khoa và cộng sự, 1996.)

1.1.4 Tác động của phế phụ phẩm nông nghiệp đến môi trường

Nước ta là một nước có khí hậu nhiệt đới nóng ẩm và mưa nhiều, tạođiều kiện thuận lợi cho các thành phần hữu cơ phân hủy, thúc đẩy nhanh quátrình lên men, thối rữa chất thải hữu cơ gây mùi hôi, khó chịu cho con người.Các chất khí: H2S, NH4, SO2 phát sinh trong quá trình phân hủy chất thải hữu

cơ nông nghiệp ngay trên đồng ruộng, trong chuồng trại hoặc tại những đống

ủ phân xanh là các tác nhân chủ yếu gây tác động đến môi trường

Nếu như trước đây các phụ phẩm nông nghiệp được tận dụng chủ yếu đểlàm nguyên nhiên liệu đốt cho nấu nướng, thì hiện nay cuộc sống ngày càngđược nâng cao, chỉ một phần phế phụ phẩm được sử dụng như: trồng nấm,làm ván ép, một phần còn lại đốt trực tiếp ngoài đồng ruộng, khí đốt phát sinhchỉ yếu là CH4, CO2 gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường không khí.Mặt khác, sau vụ mùa rơm, rạ đốt nhiều gây ra khói bụi ảnh hưởng đến môitrường xung quanh : khói phủ trên diện rộng tại Hà Nội đêm 16/10/2005,khiến nhiều nơi ở Hà Nội trong tình trạng mù mịt Đây không phải lần đầutiên hiện tượng khói mỏng bao trùm Hà Nội Năm 2004, vào cuối tháng 6, HàNội cũng có hiện tượng khói phủ mờ Khi đó nhiều chuyên gia đã dự đoánnguyên nhân do người dân ở các khu vực lân cần Hà Nội đốt rơm rạ sau thuhoạch cộng với lượng khói bụi đọng lâu trong khí quyển gây nên (Theo Ciren

Bộ tài nguyên và môi trường.Trung tâm thông tin)

Việc xử lý không hợp lý như đốt đồng còn làm cấu trúc đất thayđổi.Tình trạng đốt rơm rạ diễn ra phổ biến sau mùa gặt gây ra những ảnhhưởng không nhỏ tới môi trường và sức khỏe của người dân.Theo các chuyêngia, khói bụi khi đốt rơm rạ làm ô nhiễm môi trường không khí, gây tác hạilớn đối với sức khỏe con người.Trẻ em, người già và người có bệnh hô hấp,bệnh mãn tính dễ bị ảnh hưởng nhất Ngoài ra, nếu không kịp thời xử lý phụphẩm nông nghiệp có nguy cơ làm cây trồng bị ngộ độc hữu cơ gây thiệt hại

kinh tế Trong quá trình phân hủy phụ phẩm nông nghiệp tạo ra khí H2S gâyngộ độc cây trồng, đây cũng là một trong những nguyên nhân của bênh vàng

lá và nghẽn rễ sinh lý trên cây lúa

1.1.5 Các biệp pháp xử lí phế phụ phẩm

Những ứng dụng để xử lý nguồn phụ phẩm nông nghiệp hiện nay:

- Sử dụng làm thức ăn cho gia súc : Ở nước ta bãi cỏ tự nhiên và đất

trồng cỏ ngày càng bị thu hẹp bởi sự gia tăng dân số, đô thị hoá và mở rộngcác hoạt động kinh tế khác Đất nông nghiệp còn lại được giành ưu tiên chủyếu để trồng cây lương thực và rau màu cho nhu cầu tiêu thụ trực tiếp của conngười Do vậy gia súc nhai lại vốn và ngày càng phải phụ thuộc nhiều hơnvào các phụ phẩm trồng trọt Điều này ngày càng trở nên rõ ràng hơn khi màtrong những năm gần đây giá xăng dầu thế giới tăng lên nhanh chóng làm chogiá thành sản xuất thức ăn tinh tăng theo Trầm trọng hơn, do giá các loạinhiên liệu hoá thạch ngày càng tăng cao hiện nay các nước đang đua nhau sảnxuất nhiên liệu (cồn) sinh học từ bột đường để thay thế nên càng đẩy giá thức

ăn tinh tăng cao Việt Nam có một khối lượng lớn phụ phẩm có thể làm thức

ăn cho gia súc nhai lại Số lượng gia súc nhai lại ở Việt Nam còn rất ít so vớinguồn thức ăn sẵn có này và nếu được sử dụng tốt thì có thể tăng gấp đôi sốlượng đầu con mà không phải sử dụng đến các nguồn thức ăn của các loài dạdày đơn (Orskov, 2001) Điều này có thể thực hiện được vì nhờ những kiếnthức tích luỹ được trong vài thập kỷ qua trong lĩnh vực sinh lý dinh dưỡng giasúc nhai lại, cùng với việc hoàn thiện các kỹ thuật dinh dưỡng mới Bây giờcác loại thức ăn thô vốn được coi là có chất lượng thấp như rơm rạ vẫn có thểkhai thác được ở mức tối đa để làm thức ăn cho trâu bò và các gia súc nhai lạikhác (PGS.TS Nguyễn Xuân Trạch,2004)

- Làm phân compost: Theo trung tâm Thông Tin Công nghiệp và

Thương Mại – Bộ Công Thương Trong năm 2010 tổng lượng cung phân bóncho ngành nông nghiệp Việt Nam khoảng 6,108 triệu tấn Trong đó lượngphân bón sản xuất trong nước đạt 2,59 triệu tấn Lượng phân bón nhập khẩucủa Việt Nam năm 2010 đạt 3,518 triệu tấn Như vậy nhu cầu tiêu thụ phânbón trong nước là rất lớn Hơn nữa phân bón sản xuất cũng như nhập khẩuchủ yếu là phân bón hóa học nên về lâu dài sẽ ảnh hưởng đến độ phì nhiêucủa đất và làm xói mòn đất Do vậy, việc nghiên cứu công nghệ sản xuấtcompost từ phế phụ phẩm nông nghiệp để phục vụ cho nông nghiệp mangtính cấp thiết và phù hợp với nhu cầu phát triển của ngành nông nghiệp ViệtNam trong giai đoạn hiện nay và tương lai

- Làm bio-ethanol: Ngày nay sự phát triển của các quốc gia trên thế giới

đang phải đối mặt với những thách thức hết sức to lớn đó là đảm bảo an ninhlương thực và an ninh năng lượng cho quá trình phát triển đồng thời giảmthiểu các tác hại tiêu cực tới môi trường trên phạm vi toàn cầu do chính cáchoạt động phát triển kinh tế mang lại, đặc biệt là việc khai thác và sử dụng tàinguyên thiên nhiên với tốc độ quá cao, vượt quá khả năng tái tạo của thiênnhiên Để giải quyết những thách thức này, nhiều quốc gia trên thế giới đã đề

ra chiến lược phát triển các loại năng lượng sạch có khả năng tái tạo đượctrong đó có nhiên liệu sinh học Trong thời gian gần đây, ethanol sinh học –một loại nhiên liệu sinh học được sản xuất ở quy mô công nghiệp đang ngàycàng trở nên quan trọng trong việc góp phần giải quyết tình trạng khủnghoảng nhiên liệu, bảo vệ môi trường trên toàn thế giới, và đang được sử dụngrộng rãi tại hơn 60 quốc gia và vùng lãnh thổ ở khắp các châu lục

-Nhiều ứng dụng khác:Phụ phẩm nông nghiệp đều là dạng dự trữ năng

lượng nên có thể được dùng để sản xuất năng lượng sinh học như phân giasúc và tàn dư thừa thực vật có thể được dùng sản xuất khí sinh học (biogas),

biogas có thể dùng để đốt trực tiếp để nấu nướng hoặc làm gas đốt cho máyphát điện Các kỹ sư cơ khí đã điều chỉnh được động cơ diesel để chạy đượcbằng biogas, đó là thuận lợi rất tốt để kinh doanh năng lượng ở nông thôn,nhất là ở các vùng sâu, vùng xa.Ngoài ra, nhiều loại phụ phẩm nông nghiệpngày nay được dùng làm nguyên liệu cho các ngành nghề tiểu thủ côngnghiệp hoặc công nghiệp, đem lại thêm việc làm và thu nhập cao cho xã hội;như: rơm dùng làm hài, nón, chổi rơm; bẹ chuối sứ, lục bình (bèo tây) dùng

để đan lát thảm, bàn, ghế có giá trị xuất khẩu; bẹ bắp (ngô) là loại vỏ cho sợidai, có thể dùng để xe sợi và chế tạo thảm, giỏ…; xơ dừa có rất nhiều côngdụng, mùn dừa trước đây thường bị bỏ phí và gây ô nhiễm môi trường nay đã

là một nguyên liệu quí trong sản xuất đất sạch xuất khẩu cho những ngườitrồng cây, hoa kiểng ở các đô thị trong và ngoài nước

Cụ thể như nghề trồng nấm rơm là nghề có mức đầu tư ban đầu thấp,nhanh có thu nhập, lãi suất cao, dễ thu hồi vốn, thị trường tiêu thụ ổn định vàthu hút được nhiều lao động ở mọi lứa tuổi, thành phần Nguyên liệu trồngnấm là các phế phẩm từ nông nghiệp có sẵn như rơm rạ, bông phế liệu, mùncưa, lõi ngô… và không quá phức tạp nên hầu hết các hộ đều có khả năngtham gia trồng nấm Đối với hộ thuần nông, với nguồn nguyên liệu có sẵn nếubiết tận dụng thì ngoài nguồn thu từ sản xuất chăn nuôi, nguồn thu từ trồngnấm rơm cho thu nhập khá cao (Theo TTXVN, 2016)

Do vậy, lượng phế phụ phẩm nông nghiệp thực sự là nguồn tài nguyênphong phú và có giá trị; chúng còn có thể được sử dụng cho nhiều mục đíchkhác nhau, tăng hiệu quả kinh tế và góp phần bảo vệ môi trường xung quanh

2.2 Tổng quan cồn sinh học

2.2.1 Khái niệm

Etanol sinh học (bio-ethanol) là một loại nhiên liệu sinh học dạng cồn,được sản xuất bằng con đường sinh học, chủ yếu bằng phương pháp lên men

và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đườngđơn, thường được sản xuất từcác loại cây nông nghiệp hàm lượng đường caonhư bắp (ở Mỹ), lúa mì, lúa mạch, mía (ở Brazil) Ngoài ra, etanol sinh họccòn được sản xuất từ cây cỏ có chứa hợp chất cellulose (celluloic ethanol).

2.2.2 Tình hình sản xuất cồn sinh học trên thế giới và tại Việt Nam

- Trên thế giới, việc nghiên cứu sử dụng ethanol để thay thế chất phụ giamethyl t-butyl ether (MTBE) trong xăng dầu đã được tiến hành trong nhiềunăm qua Ở Mỹ, Chính phủ nước này công bố cấm sử dụng methyl t-butylether vào đầu năm 2003 do nhiều công trình nghiên cứu về sự ô nhiễm nguồnnước, môi trường không khí và sức khỏe con người của việc sử dụng methylt-butyl ether Việc sản xuất cồn sinh học được các nước có nền công nghiệpphát triển quan tâm và là mục tiêu hướng tới của đa số quốc gia có nhu cầutiêu thụ năng lượng lớn Chương trình ethanol nhiên liệu được nhiều nướcquan tâm và đầu tư xây dựng chiến lược để phát triển các nhà máy sản xuấtethanol từ các loại ngũ cốc như ngô, sắn, mía đường…để đáp ứng nhu cầucung cấp nhiên liệu tái tạo trong tương lai Đây là chương trình phát triểnnông nghiệp nông thôn nhằm khai thác tiềm năng sẵn có về lao động, đất đai

và nguồn nông sản ở mỗi quốc gia

Theo Petrovietnam, hiện nay 47% ethanol trên thế giới được sản xuất từmía đường và 53% được sản xuất từ nguyên liệu chứa tinh bột Năm 2003,toàn thế giới đã sản xuất được 38,5% tỷ lít etanol (trong đó châu Mỹ chiếmkhoảng 70%, châu Á 17%, châu Âu 10%) trong đó 70% được dùng làm nhiênliệu, 30% được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, y tế, hoá chất Đếnnăm 2007, lượng etanol sản xuất tăng lên 56 tỷ lít, tỉ lệ sử dụng làm nhiên liệutăng lên 75%.Trên thế giới, Brazil, Mỹ và Trung Quốc là 3 quốc gia đứng đầu

về sản xuất và sử dụng etanol Ở khu vực Đông Nam Á, Thái Lan là quốc gia

phát triển rất nhanh về sản xuất và sử dụng xăng pha cồn sản xuất từ phế phụphẩm của sắn, hạt ngô, cây ngô, đường và bã mía

Hình 1.1 Sản lượng ethanol của một số quốc gia

Braxin: Là quốc gia sản xuất và sử dụng cồn nhiên liệu lớn nhất thếgiới Hiện có trên 60.000 đồn điền trồng mía với 6,5 triệu hecta và trên 500nhà máy sản xuất đường, cồn chủ yếu dùng trong nước và xuất khẩu (tươngđương với 220.000 thùng dầu/ngày) hàng năm tiết kiệm được trên 2 tỷ USDchi cho việc nhập dầu Cả nước có trên 3 triệu ôtô sử dụng hoàn toàn cồnkhan làm nhiên liệu và 17 triệu ôtô sử dụng xăng pha 24 % cồn Ngành côngnghiệp mía - đường - cồn và các ngành liên quan của Braxin hàng năm códoanh thu khoảng 8,3 tỷ USD, giải quyết việc làm cho trên 1 triệu lao động

Từ năm 1975, Chính phủ Braxin đã thực thi chương trình mang tên Proalcool

mà sau này trở thành mẫu hình được nhiều quốc gia học tập để phát triểnnhiên liệu sinh học.Năm 2004, Braxin sản xuất cồn ở mức kỷ lục với 15,2 tỷlít, tăng 3,4 % so với năm 2003, năm 2009, sản lượng này lên tới 19,8 tỷ lít(Bảng 1.1)

Mỹ: Là quốc gia tiêu thụ hàng năm 25 % năng lượng trên thế giới (trongkhi chỉ có 6 % trữ lượng dầu mỏ), hơn 60 % dầu mỏ phải nhập từ bên ngoài

Sự thâm hụt cán cân thương mại năng lượng lên đến trên 80 tỷ USD Năm

1998, Tổng thống Mỹ B Clinton đã ký sắc lệnh 13101 về sử dụng sản phẩmsinh học thay thế một phần dầu mỏ.Năm 2004, Mỹ đã sản xuất trên 13 triệum3 cồn.Tương lai, Mỹ có thể vượt Braxi là nước sản xuất ethanol lớn nhấttrên thế giới hiện nay.

Bảng 1.1.Dự tính sản lượng ethanol toàn cầu từ năm 2008 đến năm 2012.

Dự tính sản lượng ethanol toàn cầu 2008 -2012 (Tỉ lít)

Trung Quốc: Là quốc gia sản xuất và sử dụng cồn nhiên liệu lớn thứ 3sau Braxin và Mỹ Năm 2004, nước này đã đưa vào hoạt động nhà máy sảnxuất cồn lớn nhất thế giới với công suất 600.000 tấn/năm tại Cát Lâm (mỗinăm tiêu thụ 1,9 triệu tấn ngô làm nguyên liệu), tăng sản lượng cồn ethanol cảnước trên 3,5 triệu m3 Từ tháng 6/2002, nước này đã quyết định sử dụngxăng pha 10 % cồn khan (E - 10) ở 5 thành phố và đến cuối năm 2006 tăngthêm 27 thành phố đông dân khác

Thái Lan: Cũng là một trong những quốc gia tích cực đầu tư vào nhiênliệu sinh học Năm 2004, nước này đã sản xuất trên 280.000 m3 cồn, đầu tưthêm 20 nhà máy đến năm 2015 có trên 2,5 tỉ lit cồn dùng làm nhiên liệu

Trước đó Chính phủ nước này có kế hoạch tăng sản lượng ethanol nhiên liệulên tới 650 triệu lít vào năm 2003 từ nguyên liệu chính là sắn, ngô và míađường

Tây Ban Nha: Trở thành nhà sản xuất ethanol sinh học lớn nhất ở châu

Âu vào năm 2004, khi nhà máy thứ 3 và là nhà máy lớn nhất của nước này đivào hoạt động

Ấn Độ: Là nước thứ 3 trong khu vực châu Á bắt đầu sản xuất ethanolnhiên liệu Ấn Độ đã sử dụng xăng pha 5 % cồn ở 9 bang và 4 tiểu vùng từngày 1/1/2003, các bang còn lại sử dụng ở giai đoạn 2, giai đoạn 3 sẽ tăng 10

% cồn pha trong xăng Hiện nay, công nghiệp ethanol của nước này mới đạt1,8 tỷ lít Ấn Độ phụ thuộc chủ yếu vào lượng dầu nhập khẩu, năm 2001lượng dầu nhập khẩu là 75 triệu tấn, trị giá 17,5 tỷ USD cho thấy nhu cầu vềethanol nhiên liệu là rất lớn Số liệu của tiến sĩ Christoph Beng trong báo cáo

"Công nghiệp sản xuất ethanol thế giới năm 2001" cho biết: Tổng nhu cầuethanol nhiên liệu của Ấn Độ ước tính khoảng 3,2 tỷ lít/ năm Nhu cầuethanol tăng cao dẫn đến hình thành thị trường xuất nhập khẩu ethanol nhiênliệu giữa các nước

Một số nước công nghiệp như Nhật Bản, Hàn Quốc… phải nhập khẩulượng lớn ethanol từ một số quốc gia sản xuất cồn nhiên liệu (Hình 1.4) Theo

dự tính, từ năm 2008 đến năm 2012 sản lượng ethanol trên toàn cầu tăng từ

61 đến 82 tỷ lít và sản lượng ethanol của các nước đều tăng

Hình 1.2 Trao đổi thương mại ethanol giữa các quốc gia trên thế giới

- Tình hình sản xuất ở Việt Nam: cồn được sản xuất chủ yếu từ nguồnnguyên liệu rỉ mía đường Mỗi năm tổng công suất sản xuất cồn trên cả nướcđều tăng tập trung ở 3 nhà máy lớn có công suất từ 15.000 – 30.000 lít/ngày lànhà máy đường Hiệp Hoà, Lam Sơn, nhà máy bia rượu Bình Tây… và hàngtrăm cơ sở sản xuất có quy mô nhỏ lẻ với công suất từ 3.000 đến 5.000 lít/ngày.Sản lượng cồn Việt Nam hiện nay còn rất nhỏ, công suất sản xuất của mỗi nhàmáy cũng nhỏ, các đơn vị sản xuất cồn đang gặp nhiều khó khăn do nguồn 20nguyên liệu không ổn định, công nghệ sản xuất lạc hậu và tốn nhiều chi phí sảnxuất nên sản phẩm không có sức cạnh tranh Do nhu cầu thị trường tiêu thụ cồntrong nước ngày càng tăng, các đơn vị sản xuất cồn trong nước đẩy mạnh sảnxuất, đồng thời mở rộng thêm nhiều nhà máy mới (Công ty cổ phần mía đườngBiên Hoà đầu tư xây dựng nhà máy công suất 50.000 tấn/năm, Công ty ĐồngXanh đầu tư xây dựng nhà máy công suất 60.000 lít/ngày, Công ty cổ phần Cồnsinh học Việt Nam đầu tư nhà máy 66.000 m3 /năm tại Đắc Lắc, BIDV đầu tưnhà máy công suất 100.000 tấn/năm tại Quảng Nam… Dự án đầu tư xây dựngNhà máy sản xuất Bioethanol khu vực phía Bắc do PVB làm Chủ đầu tư là dự ánnằm trong Đề án phát triển nhiên liệu sinh học của Việt Nam đến năm 2015, tầm

nhìn đến năm 2025 được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định số177/2007/QĐ-TTg ngày 20/11/2007 Đây là nhà máy sản xuất nhiên liệu sinhhọc đầu tiên được xây dựng ở miền Bắc Việt Nam có quy mô đầu tư lớn, côngnghệ tiên tiến và thiết bị hiện đại với tổng mức đầu tư khoảng 80 triệu USD,công suất 100.000 m3 ethanol/năm, tại huyện Tam Nông, tỉnh Phú Thọ, sử dụngnguyên liệu sắn và mía để sản xuất ethanol.

- Nhu cầu sử dụng cồn sinh học của Việt Nam: để đảm bảo an ninh nănglượng, bảo vệ môi trường và thúc đẩy phát triển kinh tế nông thôn tại cácvùng sâu, vùng xa, ngày 20-11-2007, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt “Đề

án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 20225” Đề án baogồm hoạt động của các cơ quan chính phủ và doanh nghiệp nhằm xây dựng lộtrình sử dụng nhiên liệu sinh học của Việt Nam, khung pháp lý, các chínhsách khuyến khích sản xuất, xây dựng mô hình thử nghiệm sản xuất và phânphối nhiên liệu sinh học cũng như các dự án đầu tư của Chính phủ để pháttriển nhiên liệu sinh học đến năm 2025

Việt Nam sẽ đẩy mạnh phát triển nhiên liệu sinh học và mục tiêu dựkiến đến năm 2025 sẽ sản xuất và đưa vào sử dụng xăng E5 (95% xăngkhoáng và 5% etanol) và dầu B5 (95% diezel khoáng và 5% diezen sinh học)trên phạm vi cả nước, đáp ứng đủ nhu cầu thị trường Do vậy, việc đẩy mạnhsản xuất cồn sinh học là giải pháp thay thế một phần nhiên liệu hóa thạchtruyền thống hiện nay, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môitrường (Đinh Văn Kha,2016)

2.2.3 Cơ sở khoa học của việc sản xuất cồn sinh học từ phế phụ phẩm nông nghiệp

Trong số những nguồn nguyên liệu sinh học có thể sử dụng cho sản xuấtethanol, nguyên liệu cellulose thực sự dồi dào và ít được khai thác Sản lượng

sinh khối thực vật toàn cầu hàng năm vào khoảng 200 tỷ tấn, và 90 % trong số

đó là lignocellulose Có khoảng 8 - 20 tỷ tấn trên thực tế có thể sử dụng đểsản xuất ethanol Mặc dù đã có nhiều cố gắng, việc sản xuất ethanol từ nguồntài nguyên tái sinh này trên quy mô công nghiệp còn gặp nhiều khó khăn.Sinh khối thực vật giàu lignocellulose là nguyên liệu phức tạp hơn nhiều sovới tinh bột Thành phần chủ chốt của chúng bao gồm cellulose,hemicellulose và lignin gắn kết chặt chẽ với nhau bởi những liên kết hydro vàliên kết đồng hóa trị Để có thể sản xuất ethanol, các polymer sinh học nàycần được phân huỷ thành đường đơn và sau đó hỗn hợp đường hexose (chủyếu là glucose) và pentose (chủ yếu là xylose) sẽ được lên men thành ethanol.Việc thủy phân lignocellulose theo con đường hóa học và enzyme đều khôngđơn giản Ngoài ra, trong quá trình thủy phân sử dụng axit (một công đoạnkhông thể thiếu trong các công nghệ hiện có) còn phân hủy một lượng đáng

kể các đường tạo thành (tới 60% tùy theo chế độ thủy phân) và sản sinhnhững chất độc hại như furfuran đối với vi sinh vật trong công đoạn lên mentiếp theo Quá trình lên men chính là quá trình chuyển hóa các chất đường vàdextrin thấp phân tử trong dịch lên men thành C2H5OH, CO2 và một số chấthữu cơ khác nhờ hoạt động của nấm men Đồng thời lên men còn tạo ra cácsản phẩm phụ như este, axit hữu cơ, rượu bậc cao, aldehit, gyxerin…hòa tanvào dịch lên men Bản thân việc lên men đường xylose (chiếm 20 - 30 %lượng đường tạo ra) thành ethanol cũng gặp nhiều khó khăn bởi có rất ít cácchủng vi sinh vật có khả năng thực hiện công đoạn này một cách hiệu quả

Để sản xuất ethanol từ nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp có được tính cạnhtranh, nhiều giai đoạn công nghệ còn cần được cải thiện (PGS.TS NguyễnĐình Thường, TS.Nguyễn Thanh Hằng, 2005)

2.2.4 Tình hình nghiên cứu sản xuất cồn sinh học từ phế phụ phẩm nông nghiệp trên thế giới và ở Việt Nam

2.2.4.1 Tình hình nghiên cứu sản xuất cồn sinh học từ phế phụ phẩm nông nghiệp trên thế giới.

Trong Chiến tranh Thế giới lần thứ II khi mà điều kiện thời chiến làmthay đổi một số ưu tiên nhất định, một số nhà máy sản xuất ethanol từcellulose đã được xây dựng và đưa vào hoạt động nhằm cung cấp nguồn nhiênliệu thay thế tại nhiều quốc gia và vùng lãnh thổ trong đó có Đức, Liên Xô,Trung Quốc, Hàn Quốc, Thụy Sỹ, Hoa Kỳ Sau chiến tranh, sự cạnh tranh giá

cả của ethanol sản xuất theo con đường tổng hợp hóa học đã khiến một loạtnhững nhà máy này phải đóng cửa Từ tháng 4/2004, nhà máy thử nghiệm sảnxuất ethanol nhiên liệu từ lignocellulose đầu tiên được đưa vào hoạt động tạiCanada, mục tiêu sản xuất 100 triệu lít ethanol tới năm 2006 Những thànhquả này có được là do sự cải thiện của quá trình xử lý nguyên liệu cũng nhưviệc lên men các loại đường pentose Ethanol từ cellulose cũng được sản xuấttại một số nước có mặt bằng giá ethanol và nhiên liệu đắt đỏ

Mùa hè năm 2005, nhà máy sản xuất cồn từ mùn cưa được đưa vào hoạtđộng tại Ornskoldsvik, Thụy Điển.Mặc dù trong trạng thái khởi động nhưngtriển vọng sản xuất ở đây khá lạc quan Con số các nhà máy sản xuất cồnnhiên liệu sẽ còn tăng nhanh, đặc biệt từ một số nước đang phát triển và cónhu cầu nhiên liệu cao như Trung Quốc, Ấn Độ Như vậy, có thể nói mặc dùviệc sản xuất cồn nhiên liệu từ phế phụ phẩm nông nghiệp chưa thật sự cạnhtranh về mặt thương mại ở thời điểm hiện tại, nhưng tương lai của ngành nàyrất to lớn với hiệu quả sản xuất tương đối lớn Sử dụng phế phụ phẩm nôngnghiệp cho việc sản xuất cồn không chỉ giải quyết triệt để hơn vấn đề về nănglượng mà không ảnh hưởng tới các nhu cầu lương thực, thực phẩm mà còngiải quyết 25 được nhiều vấn đề về môi trường và xã hội Theo những dựđoán tích cực nhất, với sự cải thiện về công nghệ, cồn nhiên liệu từ phế phụ

phẩm nông nghiệp sẽ có giá thành thấp hơn so với sản xuất cồn từ mía đường

và từ tinh bột Riêng Bộ Năng lượng Hoa kỳ đặt mục tiêu tới năm 2020 sẽ ổnđịnh được công nghệ sản xuất cồn từ sinh khối ở mức bằng giá từ nông sản vàtới năm 2030 thì việc sản xuất cồn từ phế liệu nông nghiệp sẽ thực sự mangtính thương mại trên diện rộng và không cần sự hỗ trợ của chính phủ

(PGS.TS Nguyễn Đình Thường, TS.Nguyễn Thanh Hằng, 2005)

2.2.4.2 Tình hình nghiên cứu sản xuất cồn sinh học từ phế phụ phẩm nông tại Việt Nam.

Ở nước ta, giới khoa học đã quan tâm nghiên cứu nhiên liệu sinh họchơn một thập kỷ qua như các cơ quan thuộc ngành GTVT, công nghiệp, nănglượng, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam và các trường đại học… Tháng 6/2004, Công ty Phát triển Phụ gia và Sản phẩm Dầu mỏ (APP)

đã dự thảo "Đề án phát triển nhiên liệu sinh học ở Việt Nam" (xăng/diesel phacồn ethanol và diesel sinh học) gửi Chính phủ và một số bộ/ngành Dự án đềnghị thực hiện trong 2 giai đoạn: giai đoạn I (2006 - 2010) hoàn thiện côngnghệ pha chế thử nghiệm và xây dựng mô hình đầu tư thấp kết hợp sản xuấtcồn khan với pha chế sử dụng sản phẩm quy mô 100.000 m3 xăng phacồn/năm thay thế một phần xăng khoáng (thực hiện ở các đô thị đông dân cưnhư thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội ), xây dựng chính sách để phát triểnvùng nguyên liệu sản xuất cồn sử dụng làm nhiên liệu; giai đoạn II (2010-2020) với mục tiêu pha chế khoảng 2 triệu m 3 nhiên liệu thay thế đáp ứngkhoảng 15 % lượng xăng dầu thiếu hụt và xây dựng quy hoạch để phát triểnlớn hơn cho các năm tiếp theo Bộ Công nghiệp cũng đang hoàn tất "Đề ánquốc gia về nhiên liệu sinh học" giai đoạn 2006 - 2020 để trình Chính phủ Ngày 6/4/2005, Sở Khoa học và Công nghệ (KH-CN) TP.HCM đã đồng

ý hỗ trợ 30.000 USD như là kinh phí ban đầu cho nhóm nghiên cứu đề tàinghiên cứu khoa học trong lĩnh vực Biomass giai đoạn 2005 – 2007 Nhómnghiên cứu đề tài Biomass, xử lý phế phẩm nông nghiệp, do TS Phan Đình

Tuấn, trường ĐH Bách khoa TP.HCM phụ trách Biomass là đề tài của nghiêncứu công nghệ xử lý các phế phẩm trong sản xuất nông nghiệp như rơm, rạ,trấu… nhằm sản xuất Bio-ethanol (cồn nguyên liệu), tiến tới xây dựng môhình “Thị trấn Biomass” tại Việt Nam Theo kế họach, nhóm nghiên cứuchương trình Biomass sẽ phải xây dựng cơ sở dữ liệu về việc sản xuất và sửdụng 21 biomass tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, TP.HCM nhằm phục vụ choviệc thiết kế mô hình “Thị trấn Biomass” Ngoài ra, nhóm nghiên cứu phảinghiên cứu hai công nghệ: công nghệ thuỷ nhiệt xử lý phế liệu rơm rạ - trấuphục vụ cho việc lên men sản xuất ethanol - cồn nhiên liệu, và công nghệ xử

lý khí độc H2S trong biogas trước khi đưa vào sử dụng

Đã có khá nhiều thành tựu trong công nghệ sản xuất cồn tuyệt đối.Trong số những thành quả đạt được phải ghi nhận những đóng góp của nhómnghiên cứu do ThS Vũ Bá Minh, Ðại Học Bách Khoa TP HCM Hồ ChíMinh thực hiện từ những năm 1983 với công nghệ “Chưng cất trích ly để sảnxuất cồn tuyệt đối” hoặc nhóm nghiên cứu do TS Vũ Đào Thắng, Khoa Côngnghệ Hoá học, Đại học Bách khoa Hà Nội chủ trì trong công nghệ sản xuấtcồn tuyệt đối và cồn làm khô nhiên liệu Bằng phương pháp sử dụng chất hấpphụ chọn lọc, tại Bộ môn Hóa - Khoa Công nghệ Hóa học - Trường đại họcBách khoa Hà Nội đã thiết lập được công nghệ và dây chuyền sản xuất cồntuyệt đối đạt nồng độ 99,5 % với công suất 50 lít/ ngày Đây là một công nghệđơn giản, thiết bị được chế tạo trong nước, nguyên liệu tự nhiên sẵn có và giáthành thấp Sản phẩm của công nghệ này sử dụng tốt trong các phòng thínghiệm, làm dung môi pha sơn, vecni và đặc biệt sử dụng làm nhiên liệu rấttốt cho sản xuất xăng sạch và điêzen sạch

Ngoài ra, Bộ môn Hóa - Trường đại học Bách khoa Hà Nội đã hoànthiện công nghệ sản xuất cồn khô từ năm 2002 ở quy mô công nghiệp, năngsuất 300 kg/ca Như vậy để có được cồn tuyệt đối từ cồn 96% là việc hoàntoàn khả thi tại Việt Nam Trong những năm 2001-2004, PGS TS Ngô Tiến

Hiển và ThS Nguyễn Thúy Hường đã phụ trách đề tài nhánh cấp nhà nước vềsản xuất cồn nhiên liệu từ nguyên liệu rỉ đường trong khuôn khổ đề tàiKC.07.14 “Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ và thiết bị chế biến một số nôngsản với quy mô vừa và nhỏ” do TS Vũ Thị Đào (Viện công nghiệp thựcphẩm) làm chủ nhiệm Thành quả là nhóm đề tài đã tìm được phương phápkhử độc hiệu quả dịch rỉ đường, lựa chọn được chủng giống nấm men và điềukiện lên men thích hợp, chế tạo và đưa vào vận hành hệ thống lên men liêntục dịch rỉ đường cho sản xuất cồn với nồng độ cồn trong dấm sau lên men là11,5% Mô hình này đã được triển khai vào sản xuất tại Công ty Đường HòaBình với hệ thống lên men quy mô 50 m3 Tương tự như vậy, đề tài “Nghiêncứu tạo chế phẩm enzyme tái tổ hợp thủy phân lignocellulose phục vụ sảnxuất cồn nhiên liệu” KC.04.22/06-10 do PGS TS Tô Kim Anh, Trường ĐạiHọc Bách Khoa Hà Nội làm chủ nhiệm đã hứa hẹn tạo ra những enzyme cókhả năng ứng dụng cao trong thủy phân cơ chất lignocellulose.(PGS.TS VũNguyên Thành, 2010)

2.3 Giới thiệu chung về nấm men

2.3.1 Khái niệm nấm men

Nấm men là loài nấm đơn bào Chúng phân bố rộng rãi trong thiênnhiên, nhất là các môi trường có chứa đường, pH thấp như trong hoa quả, mậtmía, rỉ đường, mật ong, trong đất trồng ruộng mía, đất vườn cây ăn quả, …Nấm men sinh sôi nhanh, tế bào chứa nhiều vitamin, acid amin khôngthể thay thế, hàm lượng protein chiếm 50% trọng lượng khô của tế bào chứanhiều loại axit amin, vì thế được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuấtprotein, sản xuất thức ăn phục vụ cho chăn nuôi

Các loài nấm men hoại sinh đóng vai trò quan trọng trong chu trìnhtuần hoàn vật chất và năng lượng trong thiên nhiên, nó là yếu tố quan trọnglàm tăng độ phì nhiêu của đất

Hình 2.1: Tế bào nấm men dưới kính hiển vi điện tử

(Nguồn: Nguyễn Lân Dũng và Đào Thị Lương, 2006)

2.3.2 Phân loại nấm men

Chủ yếu nấm men có hai lớp : nấm men thật (Ascomyces) và lớp nấmmen gải (Fungi imporfecti)

-Lớp nấm men thật (lớp Ascomyces- lớp nấm túi): Phần lớn nấm mendùng trong công nghệ thuộc lớp Ascomyces, đa số thuộc giốngSaccharomyces, Giống Endomyces, Giống Schizosaccharomyces

- Lớp nấm giả (Fungi imporecti – nấm men bất toàn): Crytococus(toscula, tornlopsis), Mycoderm, Eandida, Geotrichum ( đã được xếp vào lớpnấm mốc), Rhodotorula

(Nguyễn Lân Dũng và Đào Thị Lương, 2006)

2.3.3 Hình thức sinh sản của nấm men.

Nảy chồi là cách sinh sản vô tính điển hình của nấm men Khi đó thành

tế bào mở ra để tạo ra một chồi (bud) Chồi phát triển thành tế bào con và cóthể tách khỏi tế bào mẹ ngay từ khi còn nhỏ hoặc cũng có thể vẫn không tách

ra ngay cả khi lớn bằng tế bào mẹ Nhiều khi nhiều thế hệ vẫn dính vào một tếbào đầu tiên nẩy chồi và tạo thành một cành nhiều nhánh tế bào trong giốngnhư cây xương rồng Chồi có thể mọc ra theo bất kỳ hướng nào (nẩy chồi đacực- multilateral budding) hoặc chỉ nẩy chồi ở hai cực (nẩy chồi theo hai cực-Bipolar budding) hoặc chỉ nảy chồi ở một cực nhất định (nẩy chồi theo mộtcực – monopolar budding) Nấm men còn có hình thức sinh sản phân cắt như

vi khuẩn Có thể hình thành một hay vài vách ngăn để phân cắt tế bào mẹthành những tế bào phân cắt (fission cells) Điển hình cho kiểu phân cắt này làcác nấm men thuộc chiSchizosaccharomyces

Dạng sinh sản hữu tính ở nấm men là dạng các bào tử túi (ascospore)được sinh ra từ các túi (asci) Có thể xảy ra sự tiếp hợp (conjugation) giữa hai

tế bào nấm men tách rời hoặc giữa tế bào mẹ và chồi Còn có cả sự biến nạptrực tiếp trong 1 tế bào sinh dưỡng (vegetative cell), tế bào này biến thành túikhông qua tiếp hợp (unconjugated ascus) Thường trong mỗi túi có 4 hay đôikhi có 8 bào tử túi Trong một số trường hợp lại chỉ có 1-2 bào tử túi Bào tửtúi ở chiSaccharomycescó dạng hình cầu, hình bầu dục; ởchiHanseniasporavà loàiHansenula anomala có dạng hình mũ; ởloàiHansenula saturnusbào tử túi có dạng quả xoài giữa có vành đai nhưdạng Sao Thổ Một số bào tử túi có dạng kéo dài hay hình xoắn…Bề mặt bào

tử túi có thể nhẵn nhụi, có thể xù xì hoặc có gai… Bào tử màng dày (hay bào

tử áo- chlamydospore) là dạng bào tử giúp nấm men vượt qua được điều kiệnkhó khăn của ngoại cảnh, chứ không phải là hình thức sinh sản Một số nấmmen còn có thể sinh vỏ nhày

(Nguyễn Lân Dũng và Đào Thị Lương, 2006)

2.3.4 Cơ chế hóa sinh học của quá trình lên men tạo cồn

- Do xúc tác của glucokinase, glucose kết hợp với gốc phosphate củaphân tử ATP (adenoxintriphosphat) trong tế bào nấm men để tạo thànhglucose-6-phosphat và ADP:

C6H12O6 + ATP → CH2O(H2PO3)(CHOH)4CHO + ADP

- Gluco-6-phosphat do tác dụng của enzyme đồng phân gluco phosphateisomerase sẽ biến thành fructo phosphat:

CH2O(H2PO3)(CHOH)4CHO

CH2O(H2PO3)(CHOH)3COCH2OH

- Dưới tác dụng của enzyme phosphofructokinase, phân tử ATP thứ hai

sẽ đính them một gốc phosphat nữa vào fructo-6-phosphat để tạo thànhfructo-1,6-diphosphat và phân tử ADP thứ hai:

CH2O(H2PO3)COCH2OH

CH2O(H2PO3)CHOHCHO

- Hai phân tử aldehyde phosphoglyceric bị oxi hóa Phản ứng này có sựtham gia của các acid phosphoric trong canh trường nhờ xúc tác của enzymetriphosphatdehydronase, coenzyme của nó là NAD (Nicotinamid-Adenin-dinucleotid) Phân tử 3-phosphoglyceroaldehyde kết hợp với phosphate, cònhidro chuyển sang coenzyme NAD:

2CH2O(H2PO3)CHOHCHO + 2H3PO4 + 2NAD

→ 2CH2O(H2PO3)CHOHCOO~H2PO3+ 2NADH2

(Năng lượng được giải phóng do oxy hóa 3-phosphoglyceroaldehyde sẽtích tụ trong lien kết cao năng của acid 1,3-diphosphoglyceric mới tạo thành)

- Với sự tham gia của phosphoglyceratkinase, gốc phosphate chứa caonăng của acid 1,3-diphosphoglyceric sẽ chuyển vào phân tử Kết quả 3-phosphoglyceric được tạo thành, còn ADP nhận thêm năng lượng và biếnthành ATP:

2CH2O(H2PO3)CHOHCOO~H2PO3+ 2ADP

2CH2O(H2PO3)CHOHCOOH + 2ATP

- Dưới tác dụng của enzyme phosphoglyceromutase, gốc acidphosphoric sẽ chueyenr từ vị trí cacbon thứ ba sang cacbon thứ hai Kết quả là3-phosphoglyceric biến thành acid 2- phosphoglyceric theo phản ứng:

- Acid phosphopyrovic rất không bền nên dễ bị mất gốc acid phosphoric

do enzyme pyrovatkinase và do đó acid pyrovic được tạo thành:

2CH3CO(H2PO3)COOH + 2ADP 2CH3CO-COOH + 2ATP

- Acid pyrovic bị decacbocyl để tạo thành aldehyde acetic:

2CH3CO-COOH 2CO2 + 2CH3CHO

- Aldehyde acetic bị khử bởi NADH2:

2CH3CHO + 2NADH2 2CH3CH2OH + 2NAD

Tóm lại, phương rình tổng quát của quá trinh lên men diễn ra như sau:C6H12O6 2CO2 + 2CH3CH2OH

(PGS TS Nguyễn Đình Thưởng, TS Nguyễn Thanh Hằng, 2005)

2.3.5 Vai trò và ứng dụng của nấm men trong sản xuất cồn sinh học

- Đường là chất nền phổ biến nhất của quá trình lên men, kết quả sau khilên men trong các sản phẩm như axit lactic, lactose, ethanol và hydro.Đối vớiquá trình lên men cồn Khi các chủng nấm men nhất định, chẳng hạn nhưSaccharomyces cerevisiae chuyển hóa đường, các tế bào nấm men chuyển đổicác nguyên liệu đầu vào sản xuất ethanol và carbon dioxide Các phương trìnhhóa học dưới đây tóm tắt các chuyển đổi:

C6H12O6 → 2CH3CH2OH + 2CO2

CH12H22O11 + H2O → 4CH3CH2OH + 4CO2

Tìm kiếm nguồn năng lượng tái tạo với chi phí sản xuất thấp là mộttrong những mối quan tâm lớn của tất cả các quốc gia trong giai đoạn hiệnnay Cồn sinh học được xem là một trong những nguồn năng lượng tái tạosạch thay thế cho nhiên liệu hóa thạch.Tuy nhiên sử dụng nguồn nguyên liệugiàu đường glucose từ cây trồng sẽ ảnh hưởng lớn đến an ninh lương thực Vìvậy các nhà nghiên cứu cần tìm những đường hướng cho phép đạt được hiệuquả kinh tế cao hơn nữa

Một nghiên cứu gần đây đã ghi nhận thành công trong một tiến bộ tạo rađược dòng nấm men cho phép cải thiện khả năng chịu đựng cao cùng khảnăng biến dưỡng đường xylose đó là nấm men S cerevisiae

Nấm men S cerevisiae dạng nấm men đơn bào mang nhiều đặc điểmphong phú về sinh trưởng và phát triển, tế bào dạng hình cầu, bầu dục, elip,hoặc hơi dài, với kích thước 3 - 7 x 4 – 12 cm, khuẩn lạc nhẵn bóng, tròn,màu kem Nấm men S.cerevisiae có đặc điểm sinh trưởng kị khí không bắtbuộc, chúng vừa có khả năng hô hấp và lên men ethanol Nấm men S.cerevisiae có thể lên men nhiều đường đơn như glucose, galactose, đường đôinhư sucrose hoặc đường ba như raffinose Mỗi chủng nấm men có khả năngchịu được nồng độ cồn khác nhau, một số chủng chỉ chịu được cồn ở nồng độthấp như: Hansenula, Alanama Nhưng nấm men S.cerevisiae lại có khả

năng chịu cồn tới 18 - 20 % Trong quá trình lên men rượu, nồng độ cồn tăngdần sẽ ức chế không chỉ các hoạt động của nấm men mà còn kìm hãm hoạtđộng của nhiều loại enzyme chuyển hóa đường thành rượu Các chủng nàythường lên men ethanol với độ cồn đạt được từ 10 – 15 % ở pH 3,5 - 4,0 trongdải nhiệt độ từ 32 – 38oC.Với năng lực lên men cao và là đối tượng được tìmhiểu kỹ nhất, nấm men S cerevisiae là ứng cử viên tiềm năng nhất cho côngđoạn chuyển hóa glucose thành ethanol trong sản xuất cồn.(Vũ NguyênThành,2010)

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

- Các chủng nấm men chịu nhiệt

- Phế phụ phẩm nông nghiệp

2.2 Phạm vi nghiên cứu

- Loại phế phụ phẩm: bã sắn sau chế biến tinh bột

- Đất phân lập: đất trồng các loại cây ăn quả, đất trồng mía, ngô

- Vật liệu nghiên cứu: 1 giống nấm mốc Tricoderma, 1 giống xạ khuẩn Streptomyces sp lấy tại bộ môn vi sinh vật, Học Viện Nông Nghiệp

- Thời gian: tháng 1- 5/2016

- Địa điểm: Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam

2.3 Nội dung

+ Phân lập giống nấm men từ các nguồn phế phụ phẩm khác nhau

+ Tuyển chọn giống nấm men chịu nhiệt có khả năng lên men cồn cao.+ Tính chất của bã sắn sau chế biến tinh bột

+ Đánh giá hiệu quả lên men tạo cồn sinh học từ bã sắn sau chế biếntinh bột của chủng vi sinh vật tuyển chọn

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Vật liệu nghiên cứu

Bảng 2.1.Thành phần môi trường

Môi trường phân lập Hóa chất Định lượng

Môi trường phân

Môi trường xác định hoạt tính enzyme amilaza

Môi trường xác định hoạt tính enzyme proteaza

2.4.2 Phương pháp lấy mẫu