BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TẠO ETHANOL SINH HỌC TỪ RƠM RẠ VÀ BÃ MÍA

TÓM TẮT Tình hình sử dụng các nguồn nguyên liệu hóa thạch đang đi đến ngõ cụt, khi mà trữ lượng ngày một giảm và sẽ cạn kiệt trong vài chục năm tới, việc tái tạo phải chờ trong khoảng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP

TẠO ETHANOL SINH HỌC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP

TẠO ETHANOL SINH HỌC

TỪ RƠM RẠ VÀ BÃ MÍA

Tháng 07/2011

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành cảm ơn:

Ba và Mẹ là người đã sinh ra, nuôi dưỡng tôi nên người và tất cả những người thân yêu trong gia đình đã luôn luôn bên cạnh động viên và tạo mọi điều kiện cho tôi

ăn học cho đến ngày hôm nay

Ban giám hiệu Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh, ban chủ nhiệm Bộ môn Công nghệ Sinh học cùng tất cả các quý Thầy Cô trong và ngoài trường đã truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học tại trường

Sự hỗ trợ kinh phí cũng như cơ sở vật chất để thực hiện nghiên cứu thông qua đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học và dự án hợp tác giữa Việt Nam - Thụy Điển về Công nghệ Sinh học (VS - BT04)

TS Bùi Minh Trí đã tận tình giúp đỡ, dìu dắt, động viên và hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp

ThS Trương Phước Thiên Hoàng và ThS Võ Thị Thúy Huệ đã tận tình giúp đỡ

và dành cho tôi những hỗ trợ cần thiết cũng như cung cấp nhiều kiến thức vô cùng quý báu khi thực hiện đề tài

Các Anh Chị Bộ môn Công nghệ Sinh học Thực Vật đã luôn bên cạnh trong những lúc khó khăn nhất

Cùng toàn thể lớp DH07SH đã hỗ trợ, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian học tập cũng như thời gian làm đề tài tốt nghiệp

Xin chân thành cảm ơn

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2011

Phan Quốc Đĩnh

TÓM TẮT

Tình hình sử dụng các nguồn nguyên liệu hóa thạch đang đi đến ngõ cụt, khi mà trữ lượng ngày một giảm và sẽ cạn kiệt trong vài chục năm tới, việc tái tạo phải chờ trong khoảng thời gian dài

Nguồn sinh khối lignocellulose (rơm rạ, bã mía) vô cùng tiềm năng, phong phú tại Việt Nam Với hướng nghiên cứu mới, sử dụng các nguồn lignocellulose tạo ethanol phục vụ nhu cầu người sử dụng và làm nhiên liệu trong các phương tiện giao thông, nhà máy xí nghiệp mà không ảnh hưởng tới nguồn lương thực - thực phẩm và đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia

Tất cả những điều đó đã thúc đẩy việc nghiên cứu và xác định những điều kiện thích hợp nhất trong việc chuyển hóa rơm rạ, bã mía thành ethanol sinh học

Quá trình nghiên cứu gồm các nội dung sau: khảo sát so sánh tác động của hai hóa chất NH4OH ở các nồng độ 2, 5, 10, 15, 20% và NaHCO3 ở 1, 5, 10% để xác định nồng độ thích hợp nhất cho việc tiền xử lý; khảo sát lượng enzyme cellulase 30, 70,

140 mg/g và thời gian 6, 24, 48, 72 giờ tối ưu cho việc tạo đường; khảo sát liều lượng nấm men 1, 2, 3 ml/g và thời gian 3, 6 ngày thích hợp cho việc tạo ethanol; xác định

và so sánh hàm lượng đường, ethanol tạo thành từ hai nguồn cơ chất rơm rạ và bã mía Kết quả bước đầu đã xác định được: tiền xử lý đạt hiệu suất thu hồi cellulose cao

ở nồng độ NH4OH 5% và NaHCO3 10% Thủy phân tối ưu ở: enzyme cellulase 30 - 70 mg/g, nhiệt độ 50oC, 24 - 48 giờ, với rơm rạ: NH4OH 5%, đường thu được 19,56 (g/l), hiệu suất 54,19%, với NaHCO3 10%, đường tạo thành 17,75 (g/l) và hiệu suất 49,18% Đối với bã mía: NH4OH 10%, đường thu được 19,57 (g/l), hiệu suất 58,91%, với NaHCO3 10%, đường tạo thành 18,66 (g/l) và hiệu suất 56,16% Lên men hiệu quả ở nhiệt độ 30oC, lượng nấm men 1 ml/g trong 3 ngày, hiệu suất đạt được: rơm rạ 47,7%,

bã mía 47,17%

Lignocellulose biomass resources (rice straw, bagasse) were potential, abundant

in Vietnam In new research, using sources of lignocellulose to produced ethanol and supplied for consumer and fuel in the transport, factories without affecting the food supply - and assure nation energy of security

All of which prompted the study and determined the most appropriate conditions for transformation of rice straw, bagasse into bioethanol

The process of research include: the concentrations surveyed of NH4OH 2, 5, 10,

15, 20% and NaHCO3 1, 5, 10% suitable for pretreatment; surveyed of enzyme cellulases 30, 70, 140 mg/g and time 6, 24, 48, 72 hours the optimal for creating sugar; surveyed of yeast 1, 2, 3 ml/g and time 3, 6 days suitable for creating ethanol; identified and compared sugar, ethanol made from both of biomass sources were rice straw and bagasse

Initial results have identified: effective pretreatment of high cellulose at NH4OH 5% and NaHCO3 10% Optimal hydrolysis: enzyme cellulases 30 - 70 mg/g, temperature 50oC, 24 to 48 hours, rice straw: NH4OH 5%, sugar obtained 19.56 (g/l), efficiency 54.19%; for NaHCO3 10%, sugar obtained 17.75 (g/l) and efficiency 49.18% Bagasse: NH4OH 10%, sugar obtained 19.57 (g/l), efficiency 58.91%; for NaHCO3 10%, sugar obtained 18.66 (g/l) and efficiency 56.16% Optimal fermentation at temperature 30oC, 1 ml/g of yeast in three days, efficiency: rice straw 47.7% and bagasse 47.17%

Keywords: Biofuels, bioethanol, lignocellulose biomass, rice straw, bagasse

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

SUMMARY iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH SÁCH CÁC BẢNG ix

DANH SÁCH CÁC HÌNH x

Chương 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Yêu cầu 2

1.3 Nội dung thực hiện 2

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

2.1 Nguồn phế thải nông nghiệp Việt Nam 3

2.1.1 Phế thải nông nghiệp 3

2.1.2 Hiện trạng và tình hình sử dụng phế thải nông nghiệp Việt Nam 3

2.2 Cấu trúc và thành phần các nguồn sinh khối 4

2.2.1 Polysaccharide 5

2.2.1.1 Cellulose 5

2.2.1.2 Hemicellulose 6

2.2.1.3 Hợp chất pectic 8

2.2.2 Protein 9

2.2.3 Hợp chất phenolic 9

2.2.3.1 Lignin 9

2.2.3.2 Tanin 10

2.2.3.3 Hợp chất phenolic 11

2.2.4 Chất khoáng 11

2.3 Nhiên liệu sinh học 11

2.3.1 Khái niệm 11

2.3.2 Lịch sử 11

2.3.3 Phân loại 12

2.3.3.1 Dựa vào bản chất sản phẩm 12

2.3.3.2 Dựa vào nguồn gốc nguyên liệu 12

2.3.4 Công dụng 13

2.4 Tình hình sử dụng và nghiên cứu 13

2.4.1 Chính sách phát triển nhiên liệu sinh học tại Việt Nam 13

2.4.2 Tình hình sử dụng trên thế giới 14

2.5 Ethanol sinh học 15

2.5.1 Giới thiệu chung về ethanol 15

2.5.2 Xăng sinh học 16

2.5.3 Ưu và nhược điểm xăng sinh học 17

2.5.3.1 Ưu điểm 17

2.5.3.2 Nhược điểm 17

2.5.4 Tình hình phát triển ethanol sinh học 17

2.5.4.1 Trên thế giới 17

2.5.4.2 Tại Việt Nam 19

2.6 Quy trình sản xuất ethanol từ lignocellulose 20

2.6.1 Quy trình sản xuất 20

2.6.2 Tiền xử lý 21

2.6.2.1 Tiền xử lý bằng phương pháp vật lý 21

2.6.2.2 Tiền xử lý bằng phương pháp hóa học 21

2.6.3 Quá trình thủy phân 22

2.6.3.1 Cơ chế quá trình thủy phân 22

2.6.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân 22

2.6.4 Lên men dịch đường 23

2.6.4.1 Cơ sở lý thuyết 23

2.6.4.2 Cơ chế quá trình lên men 24

2.6.5 Chưng cất và thu nhận ethanol 24

Chương 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25

3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 25

3.2 Vật liệu nghiên cứu 25

3.2.1 Thu thập mẫu 25

3.2.2 Thiết bị và hóa chất sử dụng 25

3.2.2.1 Dụng cụ và thiết bị 25

3.2.2.2 Hóa chất sử dụng 26

3.3 Phương pháp nghiên cứu 26

3.3.1 Tiền xử lý nguyên liệu 26

3.3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng NH4OH đến cellulose và lignin trước và sau tiền xử lý 26

3.3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng NH4OH và NaHCO3 đến cellulose trước và sauTXL 29

3.3.2 Thủy phân tạo đường 30

3.3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến đường và ethanol tạo thành 30

3.3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của enzyme cellulase đến đường và ethanol tạo thành 31

3.3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến đường và ethanol tạo thành 31

3.3.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến đường và ethanol tạo thành 32

3.3.3 Lên men tạo ethanol 33

3.3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của cơ chất đến hàm lượng ethanol tạo thành 33

3.3.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của lượng nấm men đến hàm lượng ethanol tạo thành 33

3.3.4 Chưng cất thu nhận ethanol 34

3.3.4.1 Mục đích 34

3.3.4.2 Cách thức thực hiện 34

3.3.4.3 Chỉ tiêu theo dõi 34

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34

4.1 Tiền xử lý nguyên liệu 35

4.1.1 Ảnh hưởng của NH4OH đến cellulose và lignin trước và sau TXL rơm rạ 35

4.1.2 Ảnh hưởng của NH4OH đến cellulose và lignin trước và sau TXL bã mía 35

4.1.3 Ảnh hưởng của NH4OH và NaHCO3 đến cellulose trước và sau TXL rơm rạ 36

4.1.4 Ảnh hưởng của NH4OH và NaHCO3 đến cellulose trước và sau TXL bã mía 37

4.2 Thủy phân tạo đường 37

4.2.1 Ảnh hưởng của thời gian đến đường và ethanol tạo thành ở rơm rạ 37

4.2.2 Ảnh hưởng của thời gian đến đường và ethanol tạo thành ở bã mía 39

4.2.3 Ảnh hưởng của enzyme cellulase đến đường và ethanol tạo thành ở rơm rạ 40

4.2.4 Ảnh hưởng của enzyme cellulase đến đường và ethanol tạo thành ở bã mía 41

4.2.5 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến đường và ethanol tạo thành ở rơm rạ 42

4.2.6 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến đường và ethanol tạo thành ở bã mía 43

4.2.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đường và ethanol tạo thành ở rơm rạ 44

4.2.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đường và ethanol tạo thành ở bã mía 45

4.3 Lên men tạo ethanol 46

4.3.1 Ảnh hưởng của cơ chất đến hàm lượng ethanol tạo thành ở rơm rạ 46

4.3.2 Ảnh hưởng của cơ chất đến hàm lượng ethanol tạo thành ở bã mía 47

4.3.3 Ảnh hưởng của lượng nấm men đến hàm lượng ethanol tạo thành ở rơm rạ 48

4.3.4 Ảnh hưởng của lượng nấm men đến hàm lượng ethanol tạo thành ở bã mía 49

4.4 Chưng cất thu nhận ethanol 50

Chương 5 KẾT KUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 51

5.1 Kết luận 51

5.2 Đề nghị 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 PHỤ LỤC

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

B100 : 100% diesel sinh học

B2 : 2% diesel sinh học và 98% dầu

B5 : 5% diesel sinh học và 95% dầu

BE (bioethanol) : Ethanol sinh học

Biofuel (NLSH) : Nhiên liệu sinh học

Ctv : Cộng tác viên

DE (biodiesel) : Diesel sinh học

E10 : 10% ethanol sinh học và 90% xăng

E100 : 100% ethanol sinh học

E5 : 5% ethanol sinh học và 95% xăng

E85 : 85% ethanol sinh học và 15% xăng

EU : European Union - liên minh châu Âu

NEC : Ủy ban ethanol nhiên liệu quốc gia

PAH : Polycyclic Aromatic Hydrocarbon

PCDDs : PolyChlorinated dibenzo-p-dioxin

PCDFs : Dibenzofuran clo hóa

SAA : Soaking in aqueous ammonia

TOE : Per tons of oil equivalent

TXL : Tiền xử lý

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Tỉ lệ thành phần lignocellulose 10 

Bảng 2.2 Tổng quan tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới 14

Bảng 2.3 Tính chất ethanol 16

Bảng 2.4 Sản lượng xăng sinh học trên thế giới năm 2008 17

Bảng 2.5 Tỉ lệ các nguồn năng lượng sử dụng tại Mỹ 18

Bảng 2.6 Sản lượng BE của Mỹ từ năm 1998 đến 2006 18

Bảng 2.7 Sản lượng BE của EU từ năm 2000 đến 2005 19

Bảng 4.1 Ảnh hưởng của thời gian và enzyme cellulase tới hàm lượng đường và ethanol tạo thành 38

Bảng 4.2 Ảnh hưởng của thời gian và enzyme cellulase tới hàm lượng đường và ethanol tạo thành 39

Bảng 4.3 Ảnh hưởng của enzyme cellulase và cơ chất tới hàm lượng đường và ethanol tạo thành 40

Bảng 4.4 Ảnh hưởng của enzyme cellulase và cơ chất tới hàm lượng đường và ethanol tạo thành 41

Bảng 4.5 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất và thời gian tới hàm lượng đường và ethanol tạo thành 42

Bảng 4.6 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất và thời gian tới hàm lượng đường và ethanol tạo thành 43

Bảng 4.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian tới hàm lượng đường và ethanol tạo thành 44

Bảng 4.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian tới hàm lượng đường và ethanol tạo thành 45

Bảng 4.9 Ảnh hưởng của cơ chất và thời gian tới hàm lượng ethanol tạo thành 46

Bảng 4.10 Ảnh hưởng của cơ chất và thời gian tới hàm lượng ethanol tạo thành 47

Bảng 4.11 Ảnh hưởng của nấm men và thời gian tới hàm lượng ethanol tạo thành 48

Bảng 4.12 Ảnh hưởng của nấm men và thời gian tới hàm lượng ethanol tạo thành 49

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Cấu trúc cellulose 6 

Hình 2.2 Các loại đường tạo nên cấu trúc hemicelluloses 6 

Hình 2.3 Cấu trúc galactan 7 

Hình 2.4 Cấu trúc araban 8 

Hình 2.5 Cấu trúc xylan trong cây gỗ mềm và gỗ cứng 8 

Hình 2.6 Cấu trúc monolignols 9 

Hình 2.7 Thành phần tanin 10 

Hình 2.8 Quy trình sản xuất ethanol 20

Hình 2.9 Cấu trúc lignocellulose trước và sau tiền xử lý 21

Hình 3.1 Rơm rạ nghiền nhỏ 25

Hình 3.2 Bã mía nghiền nhỏ 25

Hình 3.3 Dụng cụ và thiết bị 26

Hình 4.1 Ảnh hưởng của các nồng độ NH4OH, NaHCO3 đến trung bình khối lượng và phần trăm cellulose sau tiền xử lý 36

Hình 4.2 Ảnh hưởng của các nồng độ NH4OH, NaHCO3 đến trung bình khối lượng và phần trăm cellulose sau tiền xử lý 37

Hình 4.3 Ethanol từ rơm rạ 50

Hình 4.4 Ethanol từ bã mía 50

Chương 1 MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Việt Nam đang từng bước công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, xã hội càng phát triển giúp đời sống của con người càng nâng cao, nhà máy xí nghiệp cũng như xu hướng sử dụng các phương tiện giao thông tăng lên rõ rệt Việc sử dụng nguồn nguyên liệu hóa thạch để làm nhiên liệu cho các động cơ sẽ thải ra một lượng khí nhà kính như

CO2, HFCs, PFCs, … gây ô nhiễm môi trường; hơn nữa, nguồn nguyên liệu này sẽ không tồn tại vĩnh viễn mà sẽ cạn kiệt trong vài chục năm tới, cụ thể vào năm 2025 (http://www.onetech.vn/tin-tuc/xa-hoi/nguy-co-thieu-hut-nang-luong-4765e.htm) Đây thật sự là một thách thức to lớn đối với ngành năng lượng thế giới trong đó có Việt Nam Vì vậy, tìm nguồn nguyên liệu mới thay thế cho nguyên liệu truyền thống là điều

mà nhiều nhà khoa học trên thế giới và Việt Nam đang quan tâm nghiên cứu

Để giải quyết vấn đề đó, nhiên liệu sinh học (NLSH, biofuel) đã ra đời và sẽ góp vai trò quan trọng trong việc hạn chế đến mức tối đa việc thải các khí gây ô nhiễm và thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt Khi đó, nhiên liệu sinh học chính là nguồn năng lượng trong tương lai

Ethanol sinh học được sản xuất từ nhiều nguồn cơ chất như cơ chất giàu đường (rỉ đường, nước mía); tinh bột (lúa mì, gạo, ngô, sắn, …); phức hợp lignocellulose (gỗ, rơm rạ, bã mía, thân và cùi bắp, …) Việc sản xuất ethanol từ các nguồn nguyên liệu lignocellulose là vấn đề khá mới với nhiều nước trên thế giới cũng như Việt Nam Hiện nay, nước ta chưa có một nhà máy nào sản xuất ethanol từ các nguồn nguyên liệu chứa cellulose như: rơm rạ, cây cỏ, mùn cưa, bã mía, … Ethanol được sản xuất ở Việt Nam chủ yếu là từ các nguồn nguyên liệu chứa tinh bột (gạo, ngô, sắn) và từ rỉ đường

Vì vậy, nghiên cứu xây dựng quy trình và xác định những điều kiện thích hợp nhất trong việc chuyển hóa nguồn nguyên liệu lignocellulose thành ethanol là một việc làm cần được triển khai nghiên cứu và ứng dụng

Chính vì những điều đó, đề tài “Bước đầu nghiên cứu giải pháp tạo ethanol sinh học từ rơm rạ và bã mía” đã được thực hiện

1.2 Yêu cầu

Nghiên cứu xây dựng quy trình và xác định những điều kiện thích hợp nhất trong việc chuyển hóa rơm rạ, bã mía thành ethanol sinh học

1.3 Nội dung thực hiện

Xác định nồng độ NH4OH và NaHCO3 thích hợp cho việc tiền xử lý

Xác định liều lượng enzyme cellulase và thời gian xử lý tối ưu tới hàm lượng đường tạo thành

Xác định liều lượng nấm men và thời gian xử lý thích hợp cho việc tạo ethanol Xác định, so sánh hàm lượng đường, ethanol tạo thành từ rơm rạ và bã mía

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Nguồn phế thải nông nghiệp Việt Nam

2.1.1 Phế thải nông nghiệp

Sản xuất nhiên liệu sinh học có thể qua nhiều đường khác nhau như sử dụng trực tiếp các nguyên liệu: tinh bột ngũ cốc, mật rỉ đường, ngô để sản xuất ethanol và dùng dầu động - thực vật để sản xuất diesel sinh học (thế hệ thứ nhất), nhưng phương thức này đã ảnh hưởng lớn đến nguồn lương thực - thực phẩm Với công nghệ mới (thế hệ thứ hai), người ta có thể sản xuất ethanol sinh học từ các phế thải nông - lâm nghiệp (phức hợp lignocellulose), đem lại những hướng nghiên cứu mới và tạo tiền đề cho mục tiêu phát triển trong vài năm tới

Tiềm năng của năng lượng sinh khối bao gồm gỗ, củi, rơm rác, phụ phẩm nông nghiệp, của Việt Nam khoảng 43 - 46 triệu TOE (tương đương tấn dầu/năm), trong

đó khoảng 60% là năng lượng gỗ củi (26 - 27 triệu TOE) và 40% năng lượng rơm rác, phụ phẩm nông nghiệp (17 - 19 triệu TOE) (http://greenbiz.vn/tin-tuc/581/Phat-trien-nang-luong-tai-tao-Da-phan-la-nghien-cuu-khao-sat.html)

Việc khai thác hợp lý các nguồn sinh khối sẽ giúp cho nông dân vừa tận dụng được những phế thải sẵn có ở hộ gia đình, vừa đảm bảo nguồn năng lượng mà không ảnh hường đến nguồn lương thực - thực phẩm Hơn nữa, sử dụng các nguồn sinh khối

từ phụ phẩm nông nghiệp để làm nhiên liệu không đòi hỏi những kỹ thuật quá hiện đại, phức tạp mà còn góp phần tích cực làm giảm khí thải gây hại môi trường

2.1.2 Hiện trạng và tình hình sử dụng phế thải nông nghiệp Việt Nam

Tuy các nguồn sinh khối rơm rạ, bã mía, cỏ, bắp, … là tiềm năng, nhưng thực tế trong khoảng vài chục năm trở lại đây tình hình không cho thấy được hiệu quả của nó

Phần lớn các phế thải này đều bị bỏ đi, ít khi được tận dụng

Rơm rạ: chủ yếu được người dân đốt bỏ ngoài đồng ruộng để bổ sung chất khoáng cho đất, dùng làm thức ăn cho trâu bò Việc đốt rơm rạ ngoài đồng không những làm lãng phí nguồn nguyên liệu mà còn góp phần làm tăng thêm các khí gây ô nhiễm môi trường tiêu biểu là hydrocacbon thơm đa vòng (PAH): PCDDs, PCDFs, gây ảnh

hưởng đến sức khỏe người dân nhất là người già, trẻ em

Tận dụng và xử lí: ở nước ta, trồng nấm rơm đã có từ lâu đời nên tận dụng nguồn rơm rạ, bã mía có sẵn để phục vụ cho trồng nấm là điều cần thiết, vì theo các nhà khoa học thì nấm rơm là thực phẩm nhiều dinh dưỡng mà không làm tăng lượng cholesterol trong máu

Sản xuất phân hữu cơ vi sinh: thay vì sử dụng phân hóa học khiến cấu tượng đất bị thay đổi nhanh chóng, mất dần độ phì nhiêu và tác động xấu vào môi trường; khi đó, tận dụng nguồn rơm rạ, bã mía để làm phân hữu cơ, làm cho đất đai thêm màu mỡ, môi trường an toàn, Ngoài việc dùng làm nấm, sản xuất phân bón hữu cơ, rơm rạ còn dùng làm nguyên liệu đốt thay cho than, vật liệu xây dựng, bê tông siêu nhẹ, đệm lót vận chuyển hàng hóa dễ vỡ

2.2 Cấu trúc và thành phần các nguồn sinh khối

Glucoside là hợp chất tự nhiên thường gặp trong cơ thể động vật, thực vật và vi sinh vật; là thành phần quan trọng trong sản xuất rượu bao gồm tinh bột và một số đường Trong động vật, lượng glucoside không vượt quá 2% nhưng trong thực vật glucoside chiếm tới 80 - 88% chất khô Công thức tổng quát của glucoside là

Cn(H2O)n, glucoside được chia làm 2 nhóm lớn:

Monosaccharide là đường đơn từ 3 đến 9 carbon: là những gluxit đơn giản không thể thủy phân được Trong tự nhiên phổ biến nhất là hai loại hexose và pentose Hexose là gluxit lên men được, dưới tác dụng của nấm men đa số hexose biến thành rượu và CO2 Pentose thuộc gluxit không lên men được gồm arabinose, ribose, … không có khả năng chuyển hóa thành rượu bằng nấm men

Polysaccharide là đường đa gồm 2 đến nhiều gốc đường đơn kết hợp với nhau Tùy thuộc vào số lượng các gốc đường đơn trong phân tử, người ta chia polysaccharide thành 2 phân nhóm: oligosaccharide và polysaccharide

• Oligosaccharide bao gồm không quá 10 gốc monosaccharide kết hợp với nhau: trong thiên nhiên phổ biến nhất là oligo chứa 2 hoặc 3 mono và còn gọi là disaccharide hay trisaccharide Đại diện cho disaccharide là mantose và saccharose còn đại diện cho trisaccharide là rafinose Mantose và saccharose dễ dàng chuyển hóa thành rượu và CO2dưới tác dụng của nấm men, rafinose chỉ lên men được 1/3

• Polysaccharide là polymer được cấu tạo bởi nhiều hơn 10 gốc monosaccharide kết hợp với nhau (Trần Thị Lệ Minh, 2009)

2.2.1 Polysaccharide

Thành tế bào thực vật là một lớp cấu trúc dày khoảng 0,1 - 10 µm, bao gồm chủ yếu là polysaccharide (cellulose, hemicellulose, pectin) và lignin Trong đó lignocellulose: cellulose, hemicellulose, lignin là thành phần chủ yếu trong sinh khối của cây

Polysaccharide được cấu tạo 3 thành phần chủ yếu sau: cellulose chiếm tỉ lệ cao nhất và ổn định dưới tác dụng của các loại hóa chất; hemicellulose là cấu trúc bao bọc lấy cellulose và chúng được loại bỏ bởi dung dịch bazơ mạnh hay bị phân hủy bởi axit loãng; petic polysaccharide được tách ra khỏi hỗn hợp bởi axit, bazơ yếu hay nước nóng (Mojtaba Zahedifar, 1996)

2.2.1.1 Cellulose

Cellulose được phát hiện vào 1838 bởi nhà hóa học người Pháp (Anselme Payen) Đến 1920, Hermann Staudinger xác định được cấu trúc polymer của cellulose Cellulose là thành phần chủ yếu của polysaccharide, là một hợp chất hữu cơ cao phân tử với công thức (C6H10O5)n trong đó n có thể nằm trong khoảng 5.000 - 14.000 Cellulose là chuỗi mạch thẳng, các mạch cellulose được liên kết với nhau nhờ liên kết hydro và liên kết Van Der Waals, hình thành hai vùng cấu trúc chính là kết tinh

và vô định hình Trong vùng kết tinh, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau, vùng này khó bị tấn công bởi enzyme cũng như hóa chất Ngược lại, trong vùng vô định hình, cellulose liên kết không chặt với nhau nên dễ bị tấn công (Trần Diệu Lý, 2008)

Tính chất: chất màu trắng, không mùi, không vị Cellulose không tan trong nước

và các dung môi hữu cơ thông thường, bị thủy giải thành dạng hòa tan trong một số dung dịch axit vô cơ mạnh: HCl, HNO3, một số dung dịch muối: ZnCl2, PbCl2, … Khoảng 33% của thành phần của tế bào thực vật là cellulose, chúng thường liên kết với các chất khác như lignin, hemicellulose, pectin Cellulose dạng sợi nhỏ liên kết với nhau thành bó gọi là micelle Giữa các micelle có những khoảng trống và khi hóa

gỗ các khoảng trống này chứa đầy lignin Celluose có nhiều trong sợi bông vải (95 - 98%), lanh (80 - 90%), đay (85 - 90%), gỗ (40 - 50%), lá (15 - 20%)

Khi thủy phân bằng axit đậm đặc, cellulose cho các gốc đường β Trong cấu trúc phân tử cellulose, các gốc này liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4 gycoside (Trần Thị

D-Hình 2.2 Các loại đường tạo nên cấu trúc hemicelluloses

(http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-2998-114756/unrestricted/e-body1.pdf)

Hemicellulose có nhiều trong phần gỗ của cây, trong rơm rạ, lõi ngô, … chúng liên kết với lignin bởi D-galactose, D-xylose, D-arabinose bằng liên kết glycosidic (Mojtaba Zahedifar, 1996) Hemicellulose ở dạng polymer mạch nhánh, không hòa tan trong nước nhưng tan trong dung dịch kiềm, chúng được tạo thành bởi phân tử đường

5 carbon: xylose, arabinose và đường 6 carbon: galactose, mannose Thành phần cơ bản của hemicellulose là β-D xylopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết β-(1,4) Hemicellulose bị thủy phân dễ dàng hơn cellulose cho ra các hexose hoặc pentose như arabinose, xylose Hemicellulose còn có tên gọi tương ứng như galactan, mannan, araban hay xylan

• Galactan: có nhiều trong cây, tham gia vào thành phần của màng tế bào trong vỏ

và hạt Cấu tạo của các galactan tương đối khác nhau và chưa được nghiên cứu nhiều Galactan của hạt đậu lupin là một trong những galactan điển hình gồm 100

- 120 gốc β-galactopiranose, kết hợp với nhau bằng liên kết 1 - 4 (Trần Thị Lệ Minh, 2009)

Hình 2.3 Cấu trúc galactan (Deepak Radhakrishin Keshwani, 2009)

• Mannan: là những polysaccharide được tạo thành từ các gốc mannose Mannan tham gia vào thành phần cấu tạo của màng tế bào thực vật cũng như vi sinh vật (nấm mốc, nấm men)

• Araban: là những polysaccharide được tạo thành từ các gốc arabinose thường là L-arabinofuranose với trọng lượng phân tử khoảng 6.000 kết hợp với nhau bởi liên kết 1 - 5 Mỗi gốc arabinose thứ 2 trong chuỗi còn được kết hợp thêm một phân tử arabinose khác bằng liên kết 1 - 3 (Trần Thị Lệ Minh, 2009)

Hình 2.4 Cấu trúc araban (Deepak Radhakrishin Keshwani, 2009)

• Xylan: có trong gỗ, rơm rạ, … là thành phần của thành tế bào của một số cơ quan thực vật Trong gỗ của một số loại cây lá rộng, hàm lượng xylan chiếm đến 25% còn trong gỗ cây lá kim có khoảng 12% Xylan được tạo thành do các gốc β-D-xylopyranose liên kết 1 - 4 (Trần Thị Lệ Minh, 2009)

Hình 2.5 Cấu trúc xylan trong cây gỗ mềm và gỗ cứng

(http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-2998-114756/unrestricted/e-body1.pdf)

2.2.1.3 Hợp chất pectic

Hợp chất này lần đầu tiên được mô tả bởi Henri Braconnot (1825), pectin là một polysaccharide có chứa axit liên kết 1,4-α-D-galactosyluronic Ba thành phần chủ yếu của polysaccharide pectic là homogalacturonans, galacturonans, rhamnogalacturonans Trong thực vật pectin ở 2 dạng

• Dạng không hòa tan (propectin): có ở trong thành tế bào

• Dạng hòa tan có trong dịch tế bào: có khả năng làm đông thành keo các dung dịch đường nồng độ cao khi có mặt các axit hữu cơ Tính chất này được sử dụng trong kỹ nghệ bánh kẹo khi sản xuất mứt, nước quả

Khi quả chín dưới tác dụng của enzyme protopectinase hoặc các axit hữu cơ trong quả làm cho protopectin chuyển thành pectin hòa tan làm mềm quả Các pectin còn có trong sợi thực vật (đay, gai) làm các sợi gắn lại với nhau Khi ngâm đay, gai trong điều kiện yếm khí, các vi sinh vật tiết ra enzyme phân giải pectin làm các sợi rời ra (Trần Thị Lệ Minh, 2009)

2.2.2 Protein

Là một thành phần nhỏ của vách tế bào, chúng tạo liên kết cộng hóa trị với lignin

và polysaccharide Extensins (Hydroxyproline giàu glycoprotein - bản chất là một enzyme) là những protein phổ biến nhất trong thành tế bào thực vật; thành tế bào sơ cấp của thực vật hai lá mầm có chứa từ 5 đến 10% extensin (Mojtaba Zahedifar, 1996)

2.2.3 Hợp chất phenolic

2.2.3.1 Lignin

Thuật ngữ này đã được giới thiệu năm 1819 bởi De Candolle và có nguồn gốc từ

tiếng latinh là lignum (có nghĩa là gỗ) Là hợp chất hữu cơ tự nhiên không phải là

carbonhydrate, chúng hình thành chủ yếu bởi liên kết C-C và C-O-C nên khó bị tác động bởi hóa học Lignin là polymer, được cấu thành từ các đơn vị là phenylpropene

luôn luôn gắn với hemicellulose bởi liên kết cộng hóa trị Có ba monomer

(monolignols): coniferyl alcohol, sinapyl alcohol và p-coumaryl alcohol (Mojtaba Zahedifar, 1996)

Hình 2.6 Cấu trúc monolignols (Deepak Radhakrishin Keshwani, 2009)

Lignin khác nhau chủ yếu ở tỷ lệ của 3 loại monomer này Gỗ mềm được tạo thành từ khoảng 80% coniferyl, 14% p-coumaryl và 6% sinapyl alcohol Ngược lại, lignin gỗ cứng bao gồm 56% coniferyl, 4% p-coumaryl và 40% sinapyl alcohol (Mojtaba Zahedifar, 1996)

2.2.3.2 Tanin

Tất cả các tanin đều có bản chất là polyphenolic, hiện diện ở không bào của vách

tế bào thực vật có trọng lượng phân tử cao: MW = 500 - 3000 Sự hiện diện của chúng

trên cây gây nên một vị đắng, ảnh hưởng đến hương vị khi ăn

Phân loại: tanin có thể được chia thành tanin ở dạng cô đặc và dạng dễ thủy phân

• Tanin cô đặc (proanthocyanidins): có mặt rộng rãi trong cây có mạch và được tạo thành bởi sự cô đặc của hydroxyflavans, leucoanthocyanidin (flavan-3 ,4-diol) và catechin (flavan-3-ol)

• Tanin dạng dễ thủy phân (hydrolysable): chiếm tỉ lệ nhỏ ở thực vật hạt kín cây hai

lá mầm và thường chứa đường như một lõi trung tâm (Mojtaba Zahedifar, 1996)

Hình 2.7 Thành phần tanin

(http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-2998-114756/unrestricted/e-body1.pdf)

2.2.3.3 Hợp chất phenolic

Là những thành phần cấu trúc nên lõi lignin ở thành tế bào thực vật Sự hiện diện

của chúng trong các nguồn thực phẩm có liên quan đến chất làm se, sự đổi màu và chất chống oxy hóa Các nhóm carboxyl và phenol trong axit phenol cho phép chúng liên kết với lignin và carbohydrate bởi liên kết ete hoặc este (Mojtaba Zahedifar, 1996)

2.2.4 Chất khoáng

Trong các loại gỗ của xứ ôn đới, các nguyên tố vô cơ như carbon, hydro, oxy

và nitơ chiếm khoảng 0,1 - 0,5% (so với lượng rắn khô trong gỗ) Với loại gỗ xứ nhiệt đới con số này có thể là 5% Hàm lượng chất vô cơ được đo bằng hàm lượng tro của mẫu và nằm trong khoảng 0,3 - 1,5% cho hai loại gỗ mềm và gỗ cứng Một

số chất vô cơ từ muối kim loại tồn tại trong vách tế bào thực vật Canxi thường là kim loại phong phú nhất, sau đó là kali và magiê.Hàm lượng này phụ thuộc vào điều kiện môi trường tăng trưởng của cây và vào vị trí trong cây (Trần Diệu Lý, 2008)

2.3 Nhiên liệu sinh học

2.3.1 Khái niệm

Nhiên liệu sinh học (NLSH, Biofuel, Agrofuel): theo quyết định số 177/2007/QĐ

-TTg ngày 20/11/2007 thì NLSH là nhiên liệu có nguồn gốc từ sinh khối (biomass) tức

là từ thực vật, động vật và các sản phẩm phụ của chúng

Nhiên liệu sinh học có thể ở dạng lỏng, rắn hay khí; ở thể rắn như than củi, than đá; thể lỏng (như xăng sinh học, diesel sinh học); hay thể khí như khí CH4 sinh học (sản xuất từ lò ủ chất phế thải) Nhiên liệu ở thể lỏng được ưa chuộng hơn vì có độ tinh khiết cao, chứa nhiều năng lượng, dễ dàng chuyên chở, dễ tồn trữ và bơm vào bình nhiên liệu của xe (http://ttntt.free.fr/archive/Trandanghong.html)

2.3.2 Lịch sử

Nhiên liệu sinh học ở thể rắn (gỗ, củi, phế thải thực và động vật) đã được loài người sử dụng từ khi khám phá ra lửa Ngày nay có khoảng 2 tỷ dân đốt NLSH ở thể rắn như gỗ, củi, rơm rạ, Mặc dầu chứa carbon tái tạo, nhưng dạng nhiên liệu cho nhiều khói, tro bụi, bù hóng nên làm ô nhiễm môi trường

Động cơ nổ đầu tiên trên thế giới do Nikolaus August Otto (Đức) thiết kế sử dụng nhiên liệu sinh học thể lỏng là ethanol, Rudolf Diesel (Đức) phát minh động

cơ diesel thiết kế chạy bằng dầu đậu phộng và Henry Ford (Mỹ) thiết kế xe hơi chạy bằng dầu thực vật (1903 - 1926) chế biến từ dầu chứa trong hạt và thân cây cần sa Khủng hoảng xăng dầu năm 1972 do khối OPEC gây ra, làm một số quốc gia

có chủ trương tự túc nhiên liệu bằng cách sản xuất xăng sinh học từ tiềm năng nông nghiệp đồ sộ của mình Braxin tiêu biểu cho chính sách này

Kể từ năm 2000, các quốc gia trên thế giới tuân thủ thỏa hiệp Rio de Janeiro (1992), rồi Nghị định thư Kyoto (1997) tìm cách hạn chế sa thải khí nhà kính (CO2,

CH4, N2O) của nhiên liệu cổ sinh và thay thế bằng năng lượng xanh - nhiên liệu sinh học (http://ttntt.free.fr/archive/Trandanghong.html)

¾ Cồn sinh học (bioalcohol): bioethanol, biobutanol, biomethanol, trong đó nổi bật

là ethanol sinh học (bioethanol) viết tắt là BE: dạng nhiên liệu được sản xuất thông qua quá trình lên men

¾ Nhiên liệu sinh học rắn (solid biofuel): dạng cô đặc của các nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật, trong đó nổi bật là gỗ viên (wood pellet)

¾ Khí sinh học (biogas, biohydrogen): dạng khí được tạo ra sau các giai đoạn ủ

hoặc chuyển hóa sinh học

2.3.3.2 Dựa vào nguồn gốc nguyên liệu

¾ Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất: làm từ sản phẩm nông lâm nghiệp vốn là lương thực - thực phẩm như đường (mía, củ cải đường), tinh bột (bắp, lúa, khoai tây, khoai mì) để tạo ethanol; từ dầu (dầu dừa, đậu nành, đậu phộng) để tạo diesel sinh học

¾ Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai: từ cellulose, chất xơ của thực vật (rơm rạ, thân

bắp, mạt cưa, bã mía), hạt cọc rào (Jatropha curcas L.), cỏ kê Mỹ (Switchgrass),

cỏ trâu (Buchloe dactyloides ), …

¾ Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba: từ tảo (algae) - là nguồn thực vật đầy hứa hẹn để phát triển nhiên liệu sinh học

Các nhà khoa học đang hi vọng và tin tưởng vào con đường phát triển nhiên liệu sinh học từ các nguồn như rác thải, cỏ, đặc biệt là từ các loại tảo - mang lại hiệu quả vô cùng cao Khi đó, nhiên liệu sinh học chính là nguồn năng lượng của tương lai (Geoffrey M Horn 2010)

2.3.4 Công dụng

Khác với nhiên liệu hóa thạch (than, xăng, dầu, ), nhiên liệu sinh học là dạng năng lượng có thể tái tạo được (renewable energy) NLSH có các công dụng rất to lớn bao gồm: góp phần quan trọng vào đảm bảo an ninh năng lượng trên thế giới, giảm lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt dần; góp phần vào bảo vệ môi trường và giảm thiểu biến đổi khí hậu (giảm ít nhất 60% lượng carbon thải ra so với nhiên liệu hoá thạch, riêng BD làm giảm 50% lượng CO và 78% lượng CO2 thải ra so với nhiên liệu hóa thạch)

Nguy cơ: bên cạnh những công dụng cũng như lợi ích có được từ NLSH thì cũng

có những nguy cơ mà chúng ta cần thận trọng - nguy cơ về an ninh lương thực Ở nước

ta, an ninh lương thực là ưu tiên số một trong chính sách sử dụng đất, nên cần sáng suốt chọn lọc hướng phát triển NLSH Vì vậy, khuyến khích sản xuất NLSH thế hệ thứ hai và thứ ba, chỉ sản xuất NLSH thứ nhất với chừng mực hợp lý Hơn nữa nên hạn chế dùng đất nông nghiệp để trồng nguyên liệu cho NLSH (trong 20 năm qua đã có 3% đất nông nghiệp bị lấy để phát triển công nghiệp, dự báo đến 2020 con số này là 10%) Việc trồng cây cho NLSH cần tận dụng đất hoang hóa (khoảng 9,3 triệu hecta), đất đồi núi chưa sử dụng (khoảng 4,3 triệu hecta) Ngoài ra, hiện nay có 8,1 triệu hecta đất lâm nghiệp đã được giao phân tán, do đó cần có chính sách và phương thức thích hợp tích tụ đất lâm nghiệp để trồng cây năng lượng Nếu được như vậy, sẽ tốt nhiều

(http://www.secoin.vn/PortletBlank.aspx/3D2C3B098A0545E9AB7A8049C2D29ADA/View /Biodiesel-Bioethanol/PHAT_TRIEN_NHIEN_LIEU_SINH_HOC/?print=813071520)

2.4 Tình hình sử dụng và nghiên cứu

2.4.1 Chính sách phát triển nhiên liệu sinh học tại Việt Nam

¾ Đẩy mạnh việc triển khai ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất, khuyến khích thực hiện chuyển giao công nghệ và tạo lập môi trường đầu

tư phát triển sản xuất nhiên liệu sinh học

¾ Tăng cường đầu tư và đa dạng hóa các nguồn vốn

¾ Tăng cường xây dựng cơ sở vật chất kỹ thuật và đào tạo nguồn nhân lực

¾ Hoàn thiện hệ thống cơ chế, chính sách, văn bản pháp luật

¾ Mở rộng và tăng cường hợp tác quốc tế để học hỏi kinh nghiệm

¾ Nâng cao nhận thức cộng đồng về phát triển nhiên liệu sinh học

(http://vanban.moit.gov.vn/chienluoc/index.asp?tieuchi=3&ma=5)

2.4.2 Tình hình sử dụng trên thế giới

Bảng 2.2 Tổng quan tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới

Nguyên liệu (4)

Sản lượng (5)

Sản phẩm (6)

Nguyên liệu (7) Châu Mỹ

200 gallons

Bảng 2.2(tt) Tổng quan tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới

ML: million litres (Annie Dufey, 2006)

Hơn 50 nước trên thế giới cũng đã đầu tư vào việc nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học mà tiêu biểu nhất Braxin, Mỹ là 2 nước đi đầu trong lĩnh vực này

2.5 Ethanol sinh học

2.5.1 Giới thiệu chung về ethanol

Ethanol còn gọi là rượu etylic (cồn) Nó là một hợp chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đẳng của rượu metylic, dễ cháy, không màu, công thức hóa học là C2H5OH

Ethanol tinh khiết lần đầu tiên được Johann Tobias Lowits thu hồi vào năm 1796 bằng phương pháp chưng cất qua than củi

Antoine Lavoiser đã mô tả ethanol là hợp chất của hydro, cacbon và oxy Năm

1808, Nicola - Théodere de Saussure đã xác định được công thức hóa học Ethanol lần đầu tiên được Henry Hennel (Anh) và Sérullas (Pháp) tổng hợp nhân tạo vào năm

1826 Năm 1858, Archibald Scolt Couper công bố công thức cấu tạo

Tính chất: rượu etylic là chất lỏng, không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay, tan vô hạn trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn so với este hay aldehit có cùng số cacbon là

do có sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử với nhau và với nước

Bảng 2.3 Tính chất ethanol

Công thức phân tử C2H5OH hay C2H6O

Phân tử gam 46,07 g/mol

Cảm quan Chất lỏng trong suốt, dễ cháy

2.5.3 Ưu và nhược điểm xăng sinh học

2.5.3.1 Ưu điểm

¾ Thải ra lượng khí nhà kính ít và thân thiện với môi trường

¾ Giảm nỗi lo về nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dần dần cạn kiệt

¾ Tăng khả năng đảm bảo đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia, tận dụng được nguồn nguyên liệu, phế thải sẵn có

¾ Giúp nông dân ở các vùng núi bớt nghèo và có thêm thu nhập

(C.N Ibeto, A.U Ofoeful và K.E Agbo, 2011)

đã cạn kiệt thì phải cần nhiều thời gian để có thể tái tạo lại Còn NLSH lại khác, chúng

có thể phục hồi tái tạo lại được (Geoffrey M Horn, 2010)

Bảng 2.4 Sản lượng xăng sinh học trên thế giới năm 2008

MG: million gallons (Geoffrey M Horn, 2010)

Braxin: trong những năm 1970, Braxin rơi vào tình cảnh vô cùng khó khăn khi

phải nhập khẩu hơn 80% nguồn năng lượng từ các nước khác, chính vì nguyên nhân

đó nên Braxin đã quyết định tìm nguồn nguyên liệu khác thay thế cho dầu mỏ, than đá (Geoffrey M Horn, 2010) Cũng từ 1970 trở đi, nhờ chương trình PROALCOOL Braxin khuyến khích nông dân trồng các loại mía đường để sử dụng cho mục đích sản xuất ethanol và đã cho ra đời sản phẩm có tên là xăng sinh học (bioethanol) Năm

1979, chính phủ Braxin cho phép dùng ethanol như một nhiên liệu thay thế Từ năm

1985, sản lượng ethanol nhiên liệu đạt bình quân 10 triệu tấn/năm, thay thế lũy kế cho

200 tấn dầu mỏ Năm 2005, có 70% ô tô đã sử dụng nhiên liệu sinh học Hiện nay toàn

bộ xăng chạy ô tô của Braxin đều pha 20 - 25% ethanol sinh học

Năng lượng hạt nhân

Nguồn năng lượng tái tạo (7%)

Mặt trời Nước Đất Gió NLSH

NLSH: nhiên liệu sinh học (Geoffrey M Horn, 2010)

Bảng 2.6 Sản lượng BE của Mỹ từ năm 1998 đến 2006

Năm Sản lượng (triệu lít) Năm Sản lượng (triệu lít)

Dự kiến, Mỹ chủ trương dùng BE10 cho tất cả các xe vào năm 2010 Năm 2012

sẽ cung cấp trên 28 tỷ lít ethanol và diesel sinh học, chiếm 3,5% lượng xăng dầu sử

dụng Đến năm 2017, mỗi năm Mỹ có thể sản xuất 132 tỷ lít nhiên liệu sinh học để đáp ứng 20% lượng xăng dầu tiêu thụ

Các nước liên minh châu Âu (EU): đã cam kết đến năm 2020, có 20% năng

lượng sử dụng từ các nguồn năng lượng có thể tái tạo được (Geoffrey M Horn, 2010)

Bảng 2.7 Sản lượng BE của EU từ năm 2000 đến 2005

Năm Sản lượng (tấn) Năm Sản lượng (tấn)

Canada: mục tiêu đến năm 2010 sẽ dùng BE10 cho 45% tổng tiêu thụ nhiên liệu

toàn quốc Chính phủ Canada dành 2 tỉ đô la Canada hỗ trợ phát triển NLSH, trong đó

(http://www.secoin.vn/PortletBlank.aspx/3D2C3B098A0545E9AB7A8049C2D29ADA/View /Biodiesel-Bioethanol/PHAT_TRIEN_NHIEN_LIEU_SINH_HOC/?print=813071520).

Ấn Độ: Chính phủ có chính sách sử dụng xăng ethanol E5 hiện nay, sẽ tăng lên

E10 và E20 trong những năm tới

Thái lan: Từ năm 1985, Thái Lan đã bắt đầu nghiên cứu sản xuất xăng sinh học

Năm 2001, thành lập ủy ban nhiên liệu sinh học để điều hành và xăng E10 đã bắt đầu bán ở các trạm xăng từ 2003 (http://ttntt.free.fr/archive/Trandanghong.html)

Trung Quốc: đến năm 2010, Trung Quốc sẽ sản xuất khoảng 6 triệu tấn dầu

nhiên liệu sinh học (5 triệu tấn BE và 1 triệu tấn DE), đến năm 2020 sản lượng dầu nhiên liệu sinh học sẽ đạt tới 19 triệu tấn (10 triệu tấn BE và 9 triệu tấn DE) (http://www.sinhhocvietnam.com/vn/modules.php?name=News&file=article&sid=961)

2.5.4.2 Tại Việt Nam

Ngay từ những năm đầu của thế kỷ này, một số nhà khoa học Việt Nam đã để tâm nghiên cứu về NLSH như: Nguyễn Văn Trương, Thái Xuân Du, Lê Võ Định Tường, Nguyễn Công Tạn, …

Theo dự báo thì tỷ lệ pha ethanol bắt buộc là 5% trong giai đoạn 2012 - 2014 và 10% cho giai đoạn 2015 - 2025 Năm 2012, nhu cầu ethanol là 300 triệu lít, đến năm

2015 là 457 triệu lít, và năm 2025 là 1 tỷ lít

Để thực hiện dự án sản xuất xăng sinh học E5 theo “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” của Chính phủ, hiện tại Tập đoàn Dầu khí Việt Nam PVN đã đầu tư 240 triệu USD xây dựng 3 nhà máy sản xuất ethanol

ở Bù Đăng (Bình Phước), Tâm Nông (Phú Thọ) và Dung Quất (Quảng Ngãi), mỗi nhà máy có công suất 100 triệu lít/năm, sử dụng 720 nghìn tấn sắn lát khô và sẽ đi vào sản xuất trong năm 2011 Đến năm 2012, các nhà máy này sẽ cung cấp 240 triệu lít ethanol mỗi năm, phục vụ cho nhu cầu sản xuất xăng sinh học E5 cho thị trường cả nước (http://beta.dantri.com.vn/c76/s83-416314/san-xuat-xang-sinh-hoc-e5-hang-van-nong-dan-duoc-huong-loi.htm)

2.6 Quy trình sản xuất ethanol từ lignocellulose

2.6.1 Quy trình sản xuất

Quy trình sản xuất ethanol sinh học từ nguồn cơ chất lignocellulose được nhiều phòng thí nghiệm nghiên cứu và sử dụng, nhưng trên nguyên tắc vẫn theo các bước như sau:

OligosaccharideEthanol, nước và các tạp chất

2.6.2 Tiền xử lý

Thành phần của lignocelluose chủ yếu bao gồm có cellulose, hemicellulose và lignin tạo nên cấu trúc bền vững giúp cây có thể đứng vững và ít chịu ảnh hưởng của các tác nhân lý hóa bên ngoài Cellulose là phần lõi bên trong, hemicellulose gắn kết các phần tử cellulose, lignin là lớp bên ngoài và rất khó phân hủy

Để đạt hiệu quả cao trong sản xuất ethanol, phải loại bỏ hoàn toàn lignin và thu nguồn cellulose tinh khiết Mặc dù hemicellulose cũng góp phần vào việc tăng hiệu quả sản xuất ethanol, nhưng trong quá trình tiền xử lý loại bỏ lignin thì phải kết hợp giữa biện pháp hóa học và cơ học nên không ít hemicellulose cũng bị phân hủy theo

Hình 2.9 Cấu trúc lignocellulose trước và sau tiền xử lý (Parveen Kumar và ctv, 2009)

Như vậy, mục đích cơ bản của tiền xử lý là: phá vỡ cấu trúc hemicellulose và lignin bao bọc lấy cellulose, thu nhận cellulose tinh khiết Để có được điều đó, cần có các phương pháp tiền xử lý như sau:

2.6.2.1 Tiền xử lý bằng phương pháp vật lý

Nghiền: bằng cách sử dụng máy xay có công suất nhỏ để nghiền nhỏ nguyên liệu, làm tăng diện tích tiếp xúc giữa nguyên liệu với hóa chất cũng như enzyme Để đạt hiệu quả cao, cần tiến hành lặp đi lặp lại nhiều lần, nguyên liệu trở nên mịn và có sự đồng nhất cao Phương pháp này có thể được sử dụng cho nhiều nguyên liệu và cơ chất khác nhau

2.6.2.2 Tiền xử lý bằng phương pháp hóa học

Xử lý bằng axit: nhằm thu cellulose với hiệu suất cao cần loại bỏ gần như hết

các lignin, hemicellulose; như vậy, phải dùng các hóa chất có tính tẩy rửa mạnh để

thực hiện tiền xử lý Axit sulfuric (H2SO4) là hóa chất điển hình, tuy nhiên việc dùng axit sulfuic có một số bất lợi như ăn mòn thiết bị, trung hòa axit khó khăn, thải ra môi

trường ngoài gây ô nhiễm

Xử lý bằng bazơ: NaOH, Ca(OH)2 đã được nghiên cứu sử dụng rộng rãi, loại bỏ được hầu hết các chất vô định hình như lignin, các nhóm acetyl từ hemicellulose, làm tăng chỉ số mức độ kết tinh, nhưng cũng gặp không ít khó khăn như gây ăn mòn thiết

bị, ô nhiễm môi trường

Để giải quyết những vấn đề đó, hiện nay việc tiền xử lý các nguồn sinh khối để thu hồi cellulose đạt hiệu suất cao để sản xuất ethanol thì đang ưu tiên sử dụng các loại axit, bazơ yếu: NH4OH, CH3COOH, NaHCO3, … vừa tiết kiệm chi phí bảo dưỡng cũng như sửa chữa, hiệu quả cao lại ít gây tổn hại đến môi trường

2.6.3 Quá trình thủy phân

Cellulase được dùng để thủy phân cellulose, enzyme này là tập hợp của nhiều enzyme bao gồm:

9 Endo-p-glucanase (1,4-β-D-glucan glucanohydrolase, CMCase): tấn công từ bên trong mạch cellulose, phá hủy các cầu nối của chuỗi cellulose để biến thành đường oligosaccharide

9 Exo-p-glucanase (1,4-β-D-glucan cellobiohydrolase, Avicelase, C1): tấn công

từ hai đầu mạch tạo đường cellobiose (C12)

9 β-glucosidase: thủy phân đường oligosaccharide và cellobiose tạo glucose

2.6.3.1 Cơ chế quá trình thủy phân

Enzyme cellulase là tập hợp của nhiều enzyme, chúng sẽ tấn công ngẫu nhiên và

có hiệu quả vào cơ chất theo nguyên tắc sản phẩm của enzyme này là cơ chất của enzyme kia cho đến khi tạo sản phẩm cuối cùng là cellulose

2.6.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân

a Ảnh hưởng của cấu trúc nguyên liệu

Hiệu suất của quá trình thủy phân bị ảnh hưởng mạnh bởi tính chất của nguyên liệu, cấu trúc tự nhiên của lignocellulose gây nhiều cản trở đến quá trình tấn công của các enzyme trong khi thủy phân

Ngoài ra quá trình thủy phân cellulose tinh khiết, tốc độ thủy phân cũng giảm theo thời gian do: sự ức chế enzyme do sản phẩm; sự giảm của các phần cơ chất dễ

thủy phân; enzyme bị bất hoạt hoặc bị giữ lại trong các lỗ xốp của cellulose

Nếu cơ chất không được tiền xử lý, hiệu quả thủy phân thấp Hiệu suất thủy phân thu được khá cao đối với các nguyên liệu đã được loại bỏ gần hết lignin

b Ảnh hưởng của 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 Nhiệt độ tương ứng với tốc

độ phản ứng enzyme cao nhất được gọi là nhiệt độ tối ưu Phần lớn enzyme hoạt động mạnh nhất ở nhiệt độ 40 - 50oC Riêng đối với enzyme cellulase, nhiệt độ tối

2.6.4 Lên men dịch đường

Đây là công đoạn chính trong việc tạo ethanol Mục đích của công đoạn này là lên men đường đường và các đường khác sinh ra từ quá trình tiền xử lý thành ethanol nhờ vi sinh vật

Để cho quá trình lên men diễn ra tốt phải chọn men phù hợp, một vài loại tiêu

biểu như Zymomonas mobils, Saccharomyces cerevisiae, … Trong quá trình lên men,

các loại nấm men được dùng như một xúc tác sinh học, làm tăng khả năng lên men của glucose và xylose thành ethanol

2.6.4.1 Cơ sở lý thuyết

Lý thuyết quá trình lên men đã được nhiều nhà sinh học nghiên cứu từ rất lâu Năm 1769, Lavoisier phân tích sản phẩm lên men rượu và nhận thấy khi lên men, đường không chỉ tạo thành ethanol và CO2 mà còn tạo ra axit acetic

Năm 1810, Gay - Lussac nhận thấy rằng cứ 45 phần khối lượng đường sẽ chuyển thành 23 phần ethanol và 22 phần khí carbonic Trên cơ sở đó, ông đưa ra phương trình tổng quát như sau: C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + Q

Năm 1857, Louis Pasteur tiếp tục nghiên cứu và thu nhận kết quả sau: cứ 100 phần đường saccharose khi lên men sẽ tạo ra 51,1 phần ethanol và 48,4 phần CO2

Từ đó suy ra cứ 45 phần khối lượng đường khi lên men sẽ tạo ra 21,8 phần ethanol chứ không phải 23 phần như Gay - Lussac đã tính Tuy nhiên phương trình lên men do Gay - Lussac đưa ra vẫn đúng và dùng làm cơ sở lý thuyết để tính hiệu suất thu hồi rượu theo lý thuyết (Trần Diệu Lý, 2008)

2.6.4.2 Cơ chế quá trình lên men

Đường và các chất dinh dưỡng được hấp thụ qua bề mặt tế bào rồi thẩm thấu vào bên trong Ở đó các enzyme sẽ tác dụng qua nhiều giai đoạn trung gian để cuối cùng tạo ra sản phẩm chính là rượu và khí carbonic Rượu là chất linh động nên hòa tan nhanh trong dịch lên men còn khí carbonic hòa tan kém và khuếch tán chậm Lúc đầu

CO2 hòa tan hoàn toàn dần dần tạo thành bọt khí bám quanh tế bào nấm men và lớn dần tới mức lực đẩy Archimedes lớn hơn khối lượng tế bào nấm men cộng bọt khí Lúc đó tế bào cùng bọt khí nổi dần lên, khi tới bề mặt các bọt khí sẽ tan vỡ và tạo thành tiếng rào rào (men ăn) Bọt khí tan, tế bào men lại chìm dần tiếp xúc với dịch đường để hấp thụ và lên men rồi lại sản xuất ra rượu và khí carbonic Như vậy, nấm men từ chỗ là vi sinh vật không chuyển động đã biến thành tế bào luôn luôn chuyển động trong quá trình lên men Nhờ đó tăng tốc độ chuyển hóa đường thành rượu (Nguyễn Thị Hằng Nga, 2009)

Nấm men có thể lên men trong dịch đường có nồng độ 25 - 30% nhưng chậm Nồng độ thích hợp cho đa số nấm men hoạt động là 15 - 18%

¾ Nồng độ cao thì áp suất thẩm thấu sẽ lớn ảnh hưởng xấu đến hiệu quả lên men, lên men kéo dài, đường sót lại trong hỗn hợp ethanol thu được sẽ tăng

¾ Nồng độ thấp sẽ làm giảm năng suất của thiết bị, tốn nhiều hơi khi chưng cất và làm tăng tỉ lệ tổn thất ethanol trong quá tình lên men (Trần Diệu Lý, 2008)

2.6.5 Chưng cất và thu nhận ethanol

Hỗn hợp ethanol sau khi lên men thu được là một hỗn hợp rất phức tạp, gồm có chất rắn lơ lửng không hòa tan, chất hòa tan, rượu, nước và các tạp chất bay hơi khác Như vậy, để thu được ethanol 95,57% ta cần thực hiện 3 bước chính: loại bỏ các tạp chất rắn, không tan (bã rượu) tạo cồn thô có nồng độ 35 - 40%; loại bỏ các tạp chất dễ bay hơi như các aldehyt, axit; loại bỏ nước để nâng nồng độ ethanol lên 95,57% (nồng

độ tại đó tạo hỗn hợp đẳng phí ethanol - nước)

Chương 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu

Đề tài được thực hiện từ tháng 01/2011 - 07/2011 tại Viện Công Nghệ Sinh Học

và Môi Trường - Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh

3.2 Vật liệu nghiên cứu

Bình hút ẩm (Trung Quốc) Bộ chưng cất cồn (Trung Quốc)

Bộ chạy sinh hàn (Trung Quốc) Buồng đếm hồng cầu, bồn ủ (Đức) Bình tam giác 50, 250 ml (Trung Quốc) Chai 250 ml (Đức)

Cân điện tử (Thụy Sĩ) Lò nung, tủ lạnh 4oC (Nhật)

Máy nghiền mẫu, chén sứ (Việt Nam) Máy và bình hút chân không (Đức)