Nghiên cứu khả năng chuyển đổi cenlulose từ phụ phẩm nông nghiệp thành etanol Nguyễn Quang Vinh Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn ThS Chuyên ngành: Khoa học Môi trường; Mã số 6
Trang 1Nghiên cứu khả năng chuyển đổi cenlulose từ
phụ phẩm nông nghiệp thành etanol
Nguyễn Quang Vinh
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn ThS Chuyên ngành: Khoa học Môi trường; Mã số 60 85 02
Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải
Năm bảo vệ: 2013
Abstract Tổng quan về thực trạng sử dụng và nhu cầu năng lượng trong tương lai,
phế phẩm nông nghiệp và tiềm năng sản xuất nhiên liệu sinh học, công nghệ sản xuât etanol sinh học Nghiên cứu quá trình thủy phân rơm đã qua tiền xử lý bằng enzyme cellulase, tạo ra dịch đường Nghiên cứu quá trình thủy phân và lên men đồng thời để
chuyển hóa cellulose trong nguồn rơm rạ ban đầu thành ethanol
Keywords Cenlulose; Phụ phẩm nông nghiệp; Chất thải tái chế; Etanol; Ô nhiễm môi trường
Content
MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài
Trong bối cảnh hiện nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của quá trình công nghiệp hóa là sự khai thác quá mức những nguồn tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt là nguồn nhiên liệu hóa thạch, điều đó đã khiến cho nguồn năng lượng truyền thống (dầu mỏ, than đá, khí thiên nhiên) ngày càng cạn kiệt Theo báo cáo “Triển vọng năng lượng thế giới 2013” của Cơ quan Thông tin Năng lượng Mỹ (EIA) thì lượng tiêu thụ năng lượng trên thế giới tăng từ 534.1024
năm 2010 lên 820.1024
Btu (trong đó 10 24 Btu tương đương 172 triệu thùng dầu thô) Dự báo
năng lượng tái tạo và năng lượng hạt nhân sẽ là những nguồn năng lượng tăng trưởng nhanh nhất với tốc độ tăng dự kiến lên tới 2,5% mỗi năm
Trước tình hình đó, nhiên liệu sinh học được xem như một dạng năng lượng mới đầy tiềm năng bởi khả năng tái tạo của nó và hơn hết đây là nguồn năng lượng “sạch”, không độc
Trang 2hại và dễ dàng phân hủy trong tự nhiên Hiện có 2 dạng năng lượng sinh học chủ yếu là ethanol sinh học và diesel sinh học
Ethanol được coi là một nhiên liệu sạch có khả năng tái tạo và trong tương lai có thể thay thế một phần cho các nguồn nguyên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt như than đá
và dầu mỏ Nguồn nguyên liệu cellulose thực sự dồi dào, trong khi vấn đề nghiên cứu sản xuất ethanol từ cellulose vẫn ít được khai thác Với tổng sản lượng sinh khối thực vật toàn cầu hàng năm vào khoảng 200 tỷ tấn và 90% trong số đó là lignocellulose và có khoảng 8 – 20 tỷ tấn trên thực tế có thể sử dụng để sản xuất ethanol
Ethanol sinh học được sản xuất bằng phương pháp lên men và chưng cất từ các loại ngũ cốc chứa tinh bột (bắp) và đường (mía) Ngoài ra, ethanol có thể được sản xuất từ lignocellulose, từ những phụ phẩm có chứa hợp chất cellulose cao Lignocellulose là loại biomass phổ biến nhất trên thế giới Chính vì vậy, sản xuất ethanol từ biomass cụ thể là lignocellulose từ phế phẩm nông nghiệp là một giải pháp thích hợp trong bối cảnh giá nhiên liệu tăng cao, ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng và vấn đề an ninh lượng thực… lại càng được chú ý và tiếp tục nghiên cứu hoàn thiên trên thế giới [7]
Việt Nam là một quốc gia mà nông nghiệp có một vị trí rất quan trọng và luôn được
ưu tiên trong chiến lược phát triển kinh tế - xã hội của đất nước Hàng năm, sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam tạo ra một lượng lớn phế phẩm nông nghiệp, chủ yếu là lignocellulose từ các mùa vụ Phế phụ phẩm nông nghiệp có tiềm năng năng lượng lớn, nhưng việc sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp dưới dạng nhiên liệu sinh học vẫn còn hạn chế và đây được coi là một hướng nghiên cứu mới và cần thiết tại Việt Nam
Trên thế giới đã có những công trình nghiên cứu ứng dụng khả năng sử dụng phụ phẩm từ nông nghiệp (nguồn nguyên liệu có chứa hàm lượng Cellulose khá lớn) làm nguyên liệu sản xuất ethanol sinh học Đây một loại nguyên liệu rẻ tiền, phổ biến và có khả năng phát triển rất nhanh
Đẩy mạnh việc nghiên cứu, tiến tới sản xuất nguồn nhiên liệu sinh học nói chung và entanol sinh học nói riêng từ phế phụ phẩm nông nghiệp tại Việt Nam được xem là một hướng nghiên cứu đang bắt đầu hình thành, được nhiều nhà khoa học quan tâm và có triển vọng, góp phần trong việc hạn chế sử dụng nhiên liệu hoá thạch, đảm bảo an ninh năng lượng cho quốc gia và hướng tới sự phát triển bền vững Với ý nghĩa thiết thực đó, đề tài luận văn
“Nghiên cứu khả năng chuyển đổi cenlulose từ phụ phẩm nông nghiệp thành etanol” được
lựa chọn và góp phần nghiên cứu vấn đề này
Trang 32 Mục tiêu của đề tài:
Đánh giá được khả năng và hiệu quả chuyển đổi cellulose thành ethanol từ phụ phẩm nông nghiệp
3 Nội dung nghiên cứu của đề tài:
- Nghiên cứu quá trình thủy phân rơm đã qua tiền xử lý bằng enzyme cellulase, tạo ra dịch đường
- Nghiên cứu quá trình thủy phân và lên men đồng thời để chuyển hóa cellulose trong nguồn rơm rạ ban đầu thành ethanol
Reference
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1 Nguyễn Thị Ngọc Bích (2003), Kỹ thuật cellulose và giấy, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia
Thành phố Hồ Chí Minh
2 Nguyễn Thế Bảo, Bùi Tuyên (2001), Điều tra quy hoạch các dạng năng lượng mới trên
địa bàn Tp Hồ Chí Minh, Sở Khoa học và Công Nghệ Tp Hồ Chí Minh
3 Bộ Công Thương (2006) Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2006-2015,
Hà Nội
4 Trần Hưng (2013), Hiện trạng và giải pháp cho phát triển năng lượng tái tạo Việt Nam,
Trung tâm tiết kiệm năng lượng và sản xuất sạch hơn Hải Phòng
5 Nguyễn Đức Lượng (2001), Công nghệ sinh học, Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia Thành
phố Hồ Chí Minh
6 Nguyễn Đức Lượng (2001), Công nghệ enzyme, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Thành
phố Hồ Chí Minh
7 Hoàng Minh Nam (2009): Nghiên cứu công nghệ và thiết bị liên tục xử lý rơm rạ bằng hơi
nước để lên men etanol ĐH Bách Khoa- Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
8 Niên giám thống kê 2004 (2005), NXB Thống Kê Hà Nội
9 Nguyễn Văn Tặng (2012): Tổng quan về sản xuất etanol sinh học từ rơm rạ Khoa CN
Thực phẩm – ĐH Nha Trang
10 Trịnh Hoài Thanh (2007), Nghiên cứu quá trình xử lý rơm rạ để chế biến cồn nhiên liệu,
Luận văn Thạc sĩ, Bộ môn Máy Thiết bị - Khoa Công nghệ Hóa học Đại học Bách Khoa – ĐHQG TPHCM
11 Vũ Nguyên Thành (2010), Nghiên cứu công nghệ và hệ thống thiết bị sản xuất cồn nhiên
liệu từ phế phụ phẩm nông nghiệp Đề tài nghiên cứu cấp nhà nước Viện Công nghiệp
Thực phẩm
Trang 412 Cao Đình Khánh Thảo (2007), Nghiên cứu thử nghiệm khả năng xử lý rơm rạ để lên men
ethanol, Luận văn Đại học, Bộ môn Công Nghệ Sinh Học – Khoa Công Nghệ Hóa Học
13 Hồ Sĩ Tráng (2006), Cơ sở hoá học gỗ và cellulose, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật
Hà Nội, trang 30-81
14 Trung tâm Thông tin KH&CN Quôc gia (2013), Tổng luận “Năng lượng thế giới đến năm
2013”
Trang 5Tiếng Anh
15 Hetti Palonen (2004), Role of lignin in the enzymatic hydrolysis of lignocellulose, VTT
Biotechnology, pp 11-39
16 Charles E.Wyman (1996), Handbook on Bioethanol: Product and Utilization, Taylor &
Francis, pp 119-285
17 Scott PT Rood JI (1989) Electroporation- medical transformation of lysostaphin-treated
Clostridium perfringens Gene 82: pp 327-333
18 Keikhosro Karimi, Giti Emtiazi, Mohammad J Taharzadeh (2006), Ethanol production
from dilute-acid pretreated rice straw by simultaneous saccharification and fermentation with Mucor indicus, Rhizopus oryzae, Saccharomyces cerevisiae, Science Direct, Enzyme
and microbial Technology 40, pp 138-144
19 M.Roehr (2001), The Biotechnology of ethanol classical and future application,
Weinheim, WILEY-VCH Verlag GmbH
20 Ilona Sárvári Horváth, Carl Johan Franzén, Mohammad J Taherzadeh, Claes Niklasson,
Gunna Lidén (2004), Effect of Fufural on the Respiratory Metabolism of Saccharomyces
Cerevisiae in Glucose-Limited Chemostats, American Scociety for Microbiology vol.69,
pp.4076-4086
21 Lonnie O Ingram, Joy B.Doran (1995), Conversion of cellulosic materials to ethanol,
FEMS Microbiology Reviews
22 Carlo N Hamelinck, Greertje van Hooijdonk, André PC Faaij (2005), Ethanol from
lignocellulosic biomass: techno-economic performance in short-, middle- and long-term,
Science Direct, Biomass and bioenergy 28, pp.384-410
23 M Clark Dale và Mark Moelhman (2001), Enzymatic Simultaneous saccharification and
fermentation of biomass to ethanol in a pilot 130 liter multistage continuous reaction separator
24 Haagensen F., Ahring B.K.(2005), Enzymatic hydrolysis and glucose fermentation of wet
oxidized sugarcane bagasse and rice straw for bioethanol production, Environment
Microbiology & Biotechnology Research Group, Technical University of Denmark
25 Seungdo Kim, Bruce E Dale (2004), Global potential bioethanol production from wasted
crops, Science Direct, Biomass and Bioenergy 26, pp.361-375
26 Jeibing li, Gunnar Henriksson, Goran Gellerstedt (2007), Lignin depolymerization/
repolymerization and its critical role for deligninfication of aspen wood by steam exposion, Science Direct, Bioresource Technology 98, pp 3061-3068
27 Muhammad Ibrahim Rajoka (2008), The enzymatic hydrolysis and fermentation of
pretreated wheat straw and bagasse to ethanol, ATDF Journal Volume 2
28 Ghasem Najafpour, Habibollah Younesi, Ku Syahidah Ku Ismail (2004), Ethanol
fermentation in an immobilized cell reactor, Science Direct, Bioresource Technology 92,
pp.251-260
29 Luiz Pereira Ramous (2003), The chemistry involved in the steam treatment of
lignocellulosic materials, Quin Nova
30 Karin Ohgren, Oskar Bengtsson, Marie F.Gorwa-Grauslund (2008), Simultaneous
Trang 6saccharification and co-fermentation of glucose and xylose in steam-pretreated corn stover at high fiber content with Saccharomyces cerevisiae TMB3400, Science Direct
Jesper Norgard (2009), Ethanol production from biomass – optimization of simultaneous
saccharification and fermentation with respect to stirring and heating, Department of
Chemical engineering, Lund Institute of Technology