Nghiên cứu chuyển hóa rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrate thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học (Luận án tiến sĩ)

Nghiên cứu chuyển hóa rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrate thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu chuyển hóa rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrate thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu chuyển hóa rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrate thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu chuyển hóa rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrate thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu chuyển hóa rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrate thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu chuyển hóa rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrate thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu chuyển hóa rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrate thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu chuyển hóa rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrate thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học (Luận án tiến sĩ)

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả được nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất

kỳ công trình nào khác

Hà Nội, 2015

ii

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận án này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ quý báu của các thầy cô giáo, các nhà khoa học thuộc nhiều lĩnh vực cùng đồng nghiệp và bạn bè

Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Ngô Quốc Anh và PGS.TS

Đỗ Quang Kháng đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành bản luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Hóa Học, Phòng Quản lý Tổng hợp, anh chị em phòng Công nghệ Vật liệu và Môi trường – Viện Hóa Học các đồng nghiệp trong và ngoài Viện đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi thực hiện luận án và hoàn thành mọi thủ tục cần thiết

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân và bạn bè đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận án

iii

MỤC LỤC MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1- TỔNG QUAN 3

1.1 VAI TRÒ VÀ TIỀM NĂNG CỦA ETHANOL SINH HỌC 3

1.1.1 Vai trò của ethanol sinh học 3

1.1.2 Tiềm năng sản xuất ethanol sinh học 5

1.1.3 Sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học 6

1.1.4 Các nguyên liệu thường dùng để sản xuất ethanol ngày nay 6

1.1.5 Lên men sản xuất ethanol 10

1.2 RONG BIỂN 12

1.2.1 Giới thiệu chung 12

1.2.2 Hình thái - Phân loại các loài rong biển ở Việt Nam 12

1.2.3 Phân bố, khai thác sản xuất rong biển 14

1.2.4 Tổng quan về rong nâu 16

1.3 PHẾ THẢI NÔNG NGHIỆP: RƠM, RẠ Ở VIỆT NAM 23

1.3.1 Phế thải nông nghiệp 23

1.3.2 Thành phần hóa học của phế thải nông nghiệp 23

1.4 VI SINH VẬT TRONG XÚC TÁC QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN 29

1.4.1 Vi sinh vật 29

1.4.2 Xúc tác sinh học trong quá trình thủy phân 31

1.5 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC THUỘC LĨNH VỰC CỦA LUẬN ÁN 39

1.5.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 39

1.5.2 Các nghiên cứu trong nước 43

Chương 2 - NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 47

2.1 NGUYÊN VẬT LIỆU 47

iv

2.1.1 Các nguyên vật liệu chứa cellulose 47

2.1.2 Các chủng vi sinh 48

2.1.3 Hóa chất 50

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 51

2.2.1 Phương pháp hypoclorit tách cellulose từ rơm rạ 51

2.2.2 Phương pháp xác định độ ẩm của rong biển khô 52

2.2.3 Xác định protein tổng số bằng phương pháp Kieldahl 52

2.2.4 Phương pháp xác định hàmlượng tro 53

2.2.5 Xác định hàm lượng lipid tổng số bằng phương pháp Folch 54

2.2.6 Phương pháp định lượng đường khử theo phương pháp acid dinitrosalicylic (DNS) 55

2.2.7 Phương pháp tiền xử lý phế thải rong nâu 57

2.2.8 Phương pháp xử lí số liệu 60

2.3 XÂY DỰNG QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU 61

2.3.1 Quy trình thủy phân carbohydrate trong rong nâu và phế thải nông nghiệp 61

2.3.2 Quy trình dự kiến lên men dịch đường tạo ethanol sinh học 64

2.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình thủy phân carbohydrate trong rong nâu 65

2.3.4 Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình lên men tạo ethanol 70

Chương 3- KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 75

3.1 Nghiên cứu và chuẩn bị nguyên vật liệu sản xuất nhiên liệu sinh học 75

3.1.1 Xác định hàm lượng carbohydrate trong rong nâu thu tại Nha Trang và Hải Phòng 75

3.1.2 Xác định hàm lượng cellulose tách từ rơm rạ 76

3.1.3 Nghiên cứu thu nhận xúc tác sinh học cho sản xuất bioethanol 78

3.2 Nghiên cứu quá trình thủy phân carbohydrate từ các nguồn nguyên liệu thành saccharide hòa tan 81

3.2.1 Thủy phân carbohydrate trong rong nâu 81

3.2.2 Nghiên cứu thủy phân cellulose tách chiết từ rơm rạ 91

3.2.3 Đánh giá chung về quá trình thủy phân chuyển hóa carbohydrate trong rong biển, phế thải nông nghiệp thành đường 106

v

3.3 Nghiên cứu quá trình lên men các sản phẩm trung gian hòa tan 108

3.3.1 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men rong nâu và phế thải nông nghiệp 110

3.3.2 Nghiên cứu lên men bằng sản phẩm trung gian glucose từ quá trình thủy phân rơm rạ bởi chủng Saccharomyces cerevisiae V7028 116

3.4 Chuyển hóa phế thải rong nâu thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học kết hợp với acid 118

3.4.1 Hàm lượng cellulose có trong phế thải rong nâusau quá trình tách alginate 118 3.4.2 Hiệu quả quá trình thủy phân và lên men 119

Nhận xét 120

KẾT LUẬN 126

CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 128

TÀI LIỆU THAM KHẢO 130 PHỤ LỤC

Đỗ Trung Sỹ

iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

11 IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry

16 SPSS Statistical Package for the Social Sciences

17 SSF Simultaneous saccharification and fermentation

18 UV – VIS Ultraviolet–visible spectroscopy

Đỗ Trung Sỹ

v

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tính chất hoá lý quan trọng của một số nhiên liệu 4

Bảng 1.2 Sản lượng ethanol trên thế giới 6

Bảng 1.3 Một số dự án sản xuất ethanol tại Việt Nam 7

Bảng 1.4 Các dạng carbohydrate trong 3 ngành rong biển 14

Bảng 1.5 Thành phần hóa học của phế thải nông nghiệp (%) 23

Bảng 1.6 Cellulose tinh khiết trong nguyên liệu 24

Bảng 1.7 Vi sinh vật phân huỷ lignocellulose 31

Bảng 2.1 Các loài rong nâu được thu hái để nghiên cứu 48

Bảng 2.2 Các chủng vi sinh vật để thủy phân cellulose 49

Bảng 2.3 Các chủng vi sinh vật cho lên men ethanol 49

Bảng 2.4 Các hóa chất được sử dụng trong luận án 50

Bảng 2.5 Mật độ quang của dãy dung dịch chuẩn glucose theo phương pháp DNS 57

Bảng 3.1 Kết quả xác định thành phần sinh hóa của 4 loài rong nâu 75

Bảng 3.2 Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy phân rong nâu bởi các lượng enzyme Cellic HTech2 khác nhau 81

Bảng 3.3 Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy phân rong nâu bởi enzyme Cellic HTech2 ở các giá trị pH khác nhau 83

Bảng 3.4 Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy phân rong nâu bởi enzyme Cellic HTech2 ở các nhiệt độ khác nhau 85

Bảng 3.5 Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành tại các thời điểm khác nhau trong quá trình thủy phân rong nâu bởi enzyme Cellic HTech2 87

Bảng 3.6 Kết quả xác định hàm lượng đường khử trong dịch thủy phân rong nâu đã qua xử lí acid kết hợp với enzyme Cellic HTech2 89

Đỗ Trung Sỹ

vi

Bảng 3.7 Kết quả xác định hàm lượng cellulose và glucose tại các thời điểm

khác nhau trong quá trình thủy phân cellulose bởi dịch lên men của

chủng vi khuẩn C32 92Bảng 3.8 Kết quả xác định hàm lượng cellulose và glucose tại các thời điểm

khác nhau trong quá trình thủy phân cellulose bởi dịch lên men của

chủng vi khuẩn C36 92Bảng 3.9 Kết quả xác định hàm lượng cellulose và glucose tại các thời điểm

khác nhau trong quá trình thủy phân cellulose bởi dịch lên men

của chủng vi khuẩn Hud 4-1 93Bảng 3.10 Kết quả xác định hàm lượng cellulose và glucose tại các thời điểm

khác nhau trong quá trình thủy phân cellulose bởi dịch lên men

của chủng xạ khuẩn 7P 93Bảng 3.11 Kết quả xác định hàm lượng cellulose và glucose tại các thời điểm

khác nhau trong quá trình thủy phân cellulose bởi dịch lên men

của chủng nấm A terreus 93

Bảng 3.12 Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulose bởi một

số chủng vi sinh của Việt Nam 94Bảng 3.13 Hiệu suất thủy phân cellulose của các chủng vi sinh 95Bảng 3.14 Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình

thủy phân cellulose bởi dịch enzyme của nấm Aspergillus terreus

tại các thời điểm khác nhau và ở các giá trị pH khác nhau 99Bảng 3.15 Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình

thủy phân cellulose bởi enzyme của nấm Aspergillus terreus tại

nhiệt độ khác nhau 100Bảng 3.16 Ảnh hưởng của lượng cellulose và enzyme ban đầu tới lượng

glucose thu được 101Bảng 3.17 Ma trận kế hoạch thực nghiệm và kết quả 101Bảng 3.18 Xác địnhh giá trị tối ưu cho hàm lượng glucose nhận được 104

Đỗ Trung Sỹ

vii

Bảng 3.19 Kết quả xác định hàm lượng đường khử trước và sau khi thay đổi

tỷ lệ nấm men trong quá trình lên men bằng chủng nấm men

Saccharomyces cerevisiae V7028 110

Bảng 3.20 Kết quả xác định hàm lượng đường khử trước và sau khi lên men

của nấm Saccharomyces cerevisiae V7028 ở các giá trị pH khác

nhau 113Bảng 3.21 Kết quả xác định hàm lượng đường khử trước và sau khi lên men

bằng nấm Saccharomyces cerevisiae V7028 tại các thời điểm khác

nhau 115Bảng 3.22 Các thông số động học của quá trình lên men ethanolbởi chủng

Saccharomyces cerevisiae V7028 117

Bảng 3.23 Ảnh hưởng của nồng độ acid loãng tới hàm lượng khử tạo thành

trong quá trình thủy phân 119

Đỗ Trung Sỹ

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Công thức Haworth của hai gốc polymer trong phân tử acid alginic 19

Hình 1.2 Công thức cấu tạo của alginate 19

Hình 1.3 Cấu trúc của alginate 20

Hình 1.4 Cấu trúc hóa học của một loại fucoidan được chiết tách từ rong nâu 21

Hình 1.5 Cấu trúc của một phân đoạn fucoidan 21

Hình 1.6 Cấu trúc của phân tử cellulose và hemicellulose 25

Hình 1.7 Cấu trúc không đồng nhất của phân tử cellulose 26

Hình 1.8 Cấu trúc của lignin 28

Hình 1.9 Đường cong sinh trưởng của vi sinh vật trong nuôi cấy gián đoạn 29

Hình 1.10 Cơ chế thủy phân cellulose 36

Hình 1.11 Sơ đồ thủy phân cellulose bằng hệ enzyme cellulase 36

Hình 1.12 Cơ chế thủy phân glycoside bằng enzyme -glucosidase 37

Hình 1.13 Sơ đồ thiết bị thủy phân bằng phương pháp acid tại Brazil , 39

Hình 2.1 Các mẫu rong nghiên cứu 47

Hình 2.2 Phế thải nông nghiệp (rơm, rạ) trước và sau khi xử lý cơ học 48

Hình 2.3 Phương pháp Hypoclorit tách cellulose từ rơm rạ 51

Hình 2.4 Đường chuẩn tương quan giữa nồng độ glucose và độ hấp thụ 57

Hình 2.5 Sơ đồ thí nghiệm kết hợp thủy phân bằng acid và enzyme 60

Hình 2.6 Sơ đồ quá trình thủy phân carbohydrate trong rong nâu 61

Hình 2.7 Sơ đồ quá trình thuỷ phân carbohydrate trong phế thải nông nghiệp 63

Hình 2.8 Quy trình dự kiến sản xuất ethanol 64

Hình 2.9 Sơ đồ thí nghiệm xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân 66

Hình 2.10 Sơ đồ thí nghiệm kết hợp thủy phân bằng acid và enzyme 70

Đỗ Trung Sỹ

ix

Hình 2.11 Sơ đồ xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men tạo ethanol

71Hình 3.1 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng carbohydrate trong 4 loài rong nâu thu tại

Hải Phòng và Nha Trang 76Hình 3.2 Ảnh cellulose tách được từ rơm, rạ (trái) và phổ IR của cellulose thu

được (phải) 77Hình 3.3 Ảnh của một số chủng vi sinh vật và vòng phân giải của chúng 79Hình 3.4 Chủng Saccharomyces cerevisiae V7028 do phía Nga chuyển giao 79Hình 3.5 Ảnh các hạt xúc tác tạo thành từ các chủng vi sinh vật được cố định trên

PVA (trái) và hình ảnh sử dụng các tế bào cố định này để thủy phân cellulose thành glucose (phải) 80Hình 3.6 Tế bào nấm men cố định trên PVA (trái) và tế bào nấm men cố định

trên PVA tham gia vào lên men ethanol (bên phải) 81Hình 3.7 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy

phân rong nâu bởi các lượng enzyme Cellic HTech2 khác nhau 82Hình 3.8 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy

phân rong nâu bởi enzyme Cellic HTech2 ở các giá trị pH khác nhau 84Hình 3.9 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy

phân rong nâu bởi enzyme Cellic HTech2 ở các nhiệt độ khác nhau 85Hình 3.10 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử tạo thành tại các thời điểm

khác nhau trong quá trình thủy phân rong nâu bằng enzyme Cellic HTech2 87Hình 3.11 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử trong dịch thủy phân rong nâu

đã qua xử lí acid kết hợp với enzyme Cellic HTech2 90Hình 3.12 Sơ đồ quá trình thủy phân cellulose bằng dịch enzyme của các chủng vi

sinh vật 92Hình 3.13 So sánh thủy phân cellulose bằng các chủng vi sinh 94Hình 3.14 Hiệu suất thủy phân cellulose thành glucose bằng các chủng vi sinh 95Hình 3.15 Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulosebằng enzyme

cellulase của nấm A terreus 96

Đỗ Trung Sỹ

x

Hình 3.16 Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulosebằng enzyme

cellulase của vi khuẩn C32 97Hình 3.17 Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulosebằng enzyme

cellulase của xạ khuẩn 7P 97Hình 3.18 Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulosebằng enzyme

cellulase của vi khuẩn Hud 4-1 97Hình 3.19 Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulosebằng enzyme

cellulase của vi khuẩn C36 98Hình 3.20 Ảnh hưởng của pH tới hàm lượng glucose tạo thành trong quá trình

thủy phân cellulose bằng chủng nấm Aspergillus terreus 99Hình 3.21 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng glucose tạo thành trong quá

trình thủy phân cellulose bằng nấm A terreus 100Hình 3.22 Đồ thị xác định giá trị tối ưu của glucose thu được từ quá trình thủy

phân cellulose 105Hình 3.23 Cơ chế chuyển hóa đường thành ethanol 110Hình 3.24 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử còn lại khi thay đổi tỷ lệ nấm

men trong quá trình lên men bằng chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae V7028 111Hình 3.25 Biểuđồ biểu diễn hàm lượng đường khử còn lại sau khi lên men của

nấm Saccharomyces cerevisiae V7028 ở các giá trị pH khác nhau 114Hình 3.26 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử còn lại sau khi lên men bằng

Saccharomyces cerevisiae V7028 tại các thời điểm khác nhau 115Hình 3.27 Sự biến đổi các thành phần trong quá trình lên men ethanol bằng chủng

Saccharomyces cerevisiae V7028 (của Nga) 117Hình 3.28 Ảnh hưởng của nồng độ acid loãng đến hàm lượng đường trong quá

trình thủy phân phế thải rong 120

1

MỞ ĐẦU

Nền kinh tế thế giới cho đến nay phụ thuộc rất nhiều vào nhiên liệu hóa thạch, nhu cầu năng lượng cũng không ngừng gia tăng theo sự phát triển kinh tế - xã hội, an ninh quốc phòng của mỗi quốc gia Theo tính toán của các chuyên gia năng lượng, dầu mỏ và khí đốt hiện chiếm khoảng 60-80% cán cân năng lượng thế giới Với tốc độ tiêu thụ năng lượng như hiện nay và trữ lượng dầu mỏ hiện có, nguồn năng lượng này sẽ nhanh chóng bị cạn kiệt trong vòng 40-50 năm tới Hơn nữa, các chất đốt hóa thạch làm tăng lượng carbon dioxide trong khí quyển, là một trong những nguyên nhân làm nhiệt độ trái đất ngày càng nóng lên, đây là một vấn đề

mà nhiều tổ chức, quốc gia muốn tìm cách hạn chế trong nhiều năm qua Do đó, nhiệm vụ tìm kiếm nguồn thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đã được đặt ra trong gần nửa thế kỷ qua và ngày càng trở nên cấp thiết

Một trong những hướng đi để giải quyết nhiệm vụ này là sản xuất nhiên liệu sinh học bằng cách sử dụng sinh khối, tức là các vật liệu có nguồn gốc hữu cơ để đốt trực tiếp, nhằm tạo ra nhiệt năng, điện năng hoặc chuyển hóa sang các chất mang năng lượng dạng khí hoặc nhiên liệu lỏng Nhiên liệu sinh học được sản xuất

từ thực vật và phế thải ví dụ như: các loại cây nông nghiệp, chất thải đô thị hay phụ phẩm nông lâm nghiệp [35]

Ethanol có thể được sản xuất từ thực vật bao gồm đường, tinh bột và lignocellulose Ethanol được sản xuất từ những vật liệu như đường và tinh bột được coi như là thế hệ đầu tiên của nhiên liệu sinh học Phần lớn nhiên liệu sinh học ngày nay trên thế giới là từ thế hệ đầu tiên Tuy nhiên, việc sử dụng các nguyên liệu thế

hệ này dẫn đến nhiều vấn đề nảy sinh bao gồm an ninh lương thực và việc thay thế đất nông nghiệp do nhu cầu về nhiên liệu sinh học ngày càng cao [104]

Thế hệ thứ hai của nhiên liệu sinh học là sử dụng phế thải có chứa cellulose làm nguyên liệu do có số lượng lớn và chi phí thấp Việc sử dụng các phế thải có thể làm giảm đáng kể áp lực về nhu cầu đất đai và đáp ứng nhu cầu nhiên liệu sinh học trên thế giới [96] Hiện tại, nguyên liệu được nghiên cứu trong sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai phần lớn là phế thải nông nghiệp từ vụ mùa, thực vật tươi hoặc đã qua chế biến [52], rơm rạ [102], ngô mía [111] với hàm lượng hemicellulose cao [72] Trong nguồn nguyên liệu có nguồn gốc từ biển,

2

Sargassum là loại rong nâu được sử dụng trong sản xuất alginate, mannitol Việc

sử dụng các loài rong như một nguyên liệu thay thế để sản xuất nhiên liệu sinh học

đã được nghiên cứu [123] Tuy nhiên vẫn còn rất ít các nghiên cứu về việc dùng rong nâu làm nguyên liệu sản xuất ethanol Trong khi đó, hàng năm một lượng lớn các phế thải rong được tạo ra từ công nghiệp sản xuất alginate, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do khả năng tái chế thấp Các phế thải rong từ ngành công nghiệp chế biến rong nâu có hàm lượng cellulose cao, hàm lượng hemicellulose và lignin thấp Vì vậy nó có tiềm năng cao trong quy trình chuyển hóa thành ethanol sinh học

Từ tình hình thực tế trên, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu chuyển hóa

rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrate thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học” làm đề tài nghiên cứu cho luận án của mình

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là:

 Xác định được thành phần lý hóa, sinh của rong biển và phế thải nông nghiệp, lựa chọn được loài rong biển có hàm lượng carbohydrate cao cho quá trình nghiên cứu luận án

 Xác định được các điều kiện tối ưu để chuyển hóa carbohydrate từ rong biển và phế thải nông nghiệp thành ethanol sinh học

Để thực hiện được các mục tiêu trên, các nội dung nghiên cứu đã được thực hiện bao gồm:

1 Xác định hàm lượng carbohydrate trong các rong nâu và trong phế thải nông nghiệp

2 Xác định các điều kiện tối ưu của quá trình thủy phân rong nâu bằng acid

sulfuric loãng kết hợp với enzyme Cellic HTech2

3 Lựa chọn các chủng vi sinh vật thủy phân rơm, rạ thành các sản phẩm trung gian sau đó nghiên cứu xây dựng quy trình thủy phân tối ưu

4 Xác định điều kiện tối ưu trong quá trình lên men ethanol từ dịch thủy phân của rong biển và phế thải nông nghiệp

5 Đánh giá hiệu quả của các quá trình chuyển hóa carbohydrate từ rong biển

và phế thải nông nghiệp thành ethanol sinh học

3

Chương 1- TỔNG QUAN

1.1 VAI TRÒ VÀ TIỀM NĂNG CỦA ETHANOL SINH HỌC

1.1.1 Vai trò của ethanol sinh học

Hiện nay, các nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, ước tính trữ lượng dầu mỏ của thế giới đến năm 2050 sẽ cạn Trong khi đó, hoạt động sống của con người rất cần năng lượng Mặt khác, nguồn năng lượng hóa thạch đã gây ra các vấn đề nghiêm trọng về ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính Chính vì vậy, nhu cầu về nguồn nguyên liệu thay thế cho xăng dầu đang là vấn đề cấp thiết cho toàn thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng Việc đầu tư nghiên cứu “nhiên liệu sạch”- nhiên liệu sinh học ethanol sinh học đang trở thành đề tài được quan tâm hàng đầu trên thế giới [18]

Nhiên liệu sinh học là nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật trong đó bao gồm: ngũ cốc, chất thải nông nghiệp, sản phẩm thải trong công nghiệp Nhiên liệu sinh học được biết đến với nhiều lợi thế: là một trong những biện pháp giảm thiểu hiện tượng nóng lên toàn cầu, giúp các quốc gia chủ động, không bị lệ thuộc vào vấn đề nhập khẩu nhiên liệu, đặc biệt đối với các quốc gia không có nguồn dầu mỏ và than đá, ổn định tình hình năng lượng cho thế giới [7] Nhiên liệu sinh học có thể được phân loại thành các nhóm chính như sau:

- Diesel sinh học (Biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có thể sử dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống

- Xăng sinh học (Biogasoline) là loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử dụng ethanol như một loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay cho phụ gia chì Ethanol được sản xuất thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, cellulose, lignocellulose Ethanol được pha chế với tỷ lệ thích hợp với xăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thế loại xăng sử dụng phụ gia chì truyền thống

- Khí sinh học (Biogas) có thành phần chủ yếu là CH4 (50-60%) và CO2 (>30%) còn lại là các chất khác như hơi nước, O2, N2, CO Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ, phế thải nông nghiệp tạo thành sản phẩm dạng khí

Cho tới nay, ethanol sinh học được coi là nguồn năng lượng thay thế số một cho dầu mỏ [8] Để chứng minh rằng, ethanol thực chất có thể làm nhiên liệu thay

Luận án đủ ở file: Luận án full