Khảo sát tối ưu hóa một số thông số quá trình lên men bioethanol từ vỏ chuối bằng phương pháp SSCF sử dụng saccharomyces cerevisiae kết hợp với pichia anomal

Để ổn định và đảm bảo an ninh năng lượng đáp ứng cho nhu cầu con người cũng như các ngành công nghiệp, các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu tìm ra những nguồn nhiên liệu mới, trong

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Giảng viên hướng dẫn : Th.S Trần Thị Tưởng An Sinh viên thực hiện: Đoàn Thị Diễm Phương MSSV: 1151110026 Lớp: 11DSH01

quá trình lên men bioethanol từ vỏ chuối bằng phương pháp SSCF sử dụng

Saccharomyces cerevisiae kết hợp với Pichia anomala.”là công trình nghiên cứu

thực sự của cá nhân tôi, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, kiến thức

và dựa trên sự hướng dẫn của Th.S Trần Thị Tưởng An

Các số liệu sử dụng trong đồ án là trung thực và có nguồn gốc cụ thể, rõ ràng Nội dung đồ án có kham khảo và sử dụng các tài liệu thông tin được đăng tải trên các sách, tác phẩm, tạp chí và các trang web theo danh mục tài liệu của đồ án

Phẩm- Môi Trường đã tạo điều kiện cho em được thực hiện bài khóa luận này Em xin cảm ơn toàn thể thầy cô trong Bộ môn Công Nghệ Sinh Học đã truyền đạt các kiến thức và kỹ năng chuyên sâu để em có thể hoàn thành bài khóa luận này

Trong suốt khoảng thời gian làm khóa luận tốt nghiệp tại phòng thí nghiệm Năng Lượng Sinh Học – Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến:

Th.S Trần Thị Tưởng An, trường Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh Cô luôn luôn theo sát, tận tình chỉ bảo, truyền đạt các kiến thức, kinh nghiệm chuyên môn, hướng dẫn, động viên em trong suốt quá trình em thực hiện đề tài

Em xin gửi lời cảm ơn đến các anh, các chị làm việc trong phòng thí nghiệm

đã nhiệt tình hỗ trợ em trong suốt thời gian làm việc ở đây

Cảm ơn bố mẹ, người đã luôn luôn bên cạnh động viên tinh thần em trong những lúc em cảm thấy khó khăn nhất

Cuối cùng, cảm ơn tất cả các bạn trong phòng thí nghiệm những người bạn đã luôn bên cạnh và giúp đỡ em trong mọi việc

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn

MỤC LỤC



LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH ẢNH vi

LỜI MỞ ĐẦU 8

1 Đặt vấn đề 8

2 Mục tiêu đề tài 9

3 Nội dung nghiên cứu 9

4 9

5 Bố cụ 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 11

1.1 Giới thiệu về bioethanol 11

1.1.1 Các thế hệ của bioethanol 14

1.1.2 Khái niệm 11

1.1.3 Nguồn nguyên liệu lignocellulose để sản xuất bioethanol 15

1.1.4 Ứng dụng lợi ích và hạn chế của Bioethanol 17

1.1.5 Quy trình sản xuất bioethanol từ nguồn lignocellulose 18

1.1.6 Tình hình sản xuất và tiêu thụ Bioethanol ở tại Việt Nam và trên thế giới 26 1.1.7 Tình hình nghiên cứu bioethanol tại Việt Nam và trên thế giới 30

1.2 Giới thiệu về cây chuối sứ 1

1.2.1 ối 1

1.2.2 Thành phần hóa học và giá trị dinh dưỡng của vỏ trái chuối 1

1.2.3 Tình hình sản xuất, diện tích và sản lượng chuối tại Việt Nam 2

1.2.4 Tình hình sản xuất và sản lượng chuối trên thế giới 4

1.3 Giới thiệu chủng nấm men lên men bioethanol 5

1.3.1 Chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae 5

1.3.2 Chủng nấm men Pichia anomala 7

2.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 9

2.3 Vật liệu 9

2.3.1 Nguyên vật liệu 9

2.3.2 Hóa chất sử dụng 9

2.3.3 Thiết bị ứu 10

2.4 Phương pháp 11

2.4.1 Bố trí thí nghiệm 11

2.4.2 Tiến hành thực hiện 12

2.5 Phương pháp phân tích 15

2.5.1 Phương pháp vi sinh 15

2.5.2 Phương pháp hóa lý 17

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24

3.1 Khảo sát giống nấm men 24

3.1.1.1 Nấm men Saccharomyces cerevisiae 24

3.1.1.2 Nấm men Saccharomyces cerevisiae 25

3.2 Khảo sát một số thành phần hóa học của vỏ chuối khô 27

3.3 Khảo sát tiền xử lý nguyên liệu bằng acid acetic 4% 28

3.4 Khảo sát thủy phân và lên men đồng thời (SSCF) 29

3.4.1 Khảo sát thời gian lên men 30

3.4.2 Khảo sát nhiệt độ lên men 34

3.4.3 Khảo sát tỷ lệ nấm men 37

3.4.4 Khảo sát tỷ lệ enzyme 40

3.4.5 Khảo sát ảnh hưởng của pH 42

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

chromatography

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thông số của bioethanol so với xăng 12

Bảng 1.2 Ước tính chi phí sản xuất bioethanol so với xăng 12

Bảng 1.3 Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp tiền xử lý 20

Bảng 1.4 Một số nhà máy sản xuất bioethanol đang hoạt động ở Việt Nam [34] 28 Bảng 1.5 Một số công trình nghiên cứu bioethanol từ phụ phẩm trái cây trên thế giới 30

Bảng 1.6 Tình hình nghiên cứu sản xuất bioethanol từ vỏ chuối 1

Bảng 3.1 Bố trí các nghiệm thức thí nghiệm 14

Bảng 3.1 Thành phần hóa học của vỏ chuối 27

Bảng 3.2 Một số thành phần hóa học của vỏ chuối khô sau khi tiền xử lý với acid acetic 4% 29

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Nguồn nguyên liệu sản xuất bioethanol 11

Hình 1.2 Giá dầu năm năm gần đây 13

Hình 1.3 Quy trình chuyển đổi sinh khối lignocellulose thành bioethanol 19

Hình 1.4 Tiền xử lý lignocellulose giải phóng cellulose 20

Hình 1.5 Chuối sứ 1

Hình 1.6 Saccharomyces cerevisiae 5

Hình 1.7 Pichia anomala 8

Hình 3.1 Nấm men Saccharomyces cerevisiae 24

Hình 3.2 Nấm men Pichia anomala 24

Hình 3.3 Đường cong sinh trưởng Saccharomyces cerevisiae trong môi trường SDB 25

Hình 3.4 Đường cong sinh trưởng Pichia anomala trong môi trường SDB 26

Hình 3.6a Thay đổi độ cồn theo thời gian lên men 32

Hình 3.6c Sự thay đổi đường khử theo thời gian lên men 32

Hình 3.6d Sự thay đổi hàm lượng cellulose theo thời gian lên men 33

Hình 3.7a Sự thay đổi nồng độ cồn theo nhiệt độ lên men 35

Hình 3.7b.Sự thay đổi mật độ tế bào theo nhiệt độ lên men 35

Hình 3.7c Thay đổi hàm lượng đường khử và cellulose theo nhiệt độ lên men 36

Hình 3.8a Thay đổi độ cồn theo tỷ lệ nấm men 38

Hình 3.8b Thay đổi mật độ tế bào theo tỷ lệ nấm men 38

Hình 3.8c Sự thay đổi đường khử và cellulose theo tỷ lệ nấm men 39

Hình 3.9b Thay đổi mật độ tế bào theo tỷ lệ enzyme 41

Hình 3.9c Sự thay đổi đường khử và cellulose theo tỷ lệ enzyme 41

Hình 3.10a Sự thay đổi độ cồn theo pH 43

Hình 3.10b Thay đổi mật độ tế bào theo pH 43

Hình 3.10c.Sự thay đổi đường khử và cellulose theo pH 44

Hình 3.11a Sự thay đổi độ cồn theo tốc độ khuấy đảo 45

Hình 3.11b Sự thay đổi mật độ tế bào theo tốc độ khuấy đảo 45Hình 3.11c Sự thay đổi hàm lượng đường khử và cellulose theo tốc độ khuấy đảo 46

LỜI MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Hiện nay, thế giới đang đứng trước nguy cơ khủng hoảng năng lượng trầm trọng Như chúng ta đã biết, dầu mỏ và khí đốt hiện chiếm 60 – 80 % nguồn năng lượng thế giới Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới, với tốc độ tiêu thụ như hiện nay và trừ lượng dầu mỏ hiện có, nguồn năng lượng này sẽ bị cạn kiệt trong vòng 40 – 50 năm nữa Để ổn định và đảm bảo an ninh năng lượng đáp ứng cho nhu cầu con người cũng như các ngành công nghiệp, các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu tìm ra những nguồn nhiên liệu mới, trong đó nghiên cứu phát triển nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ sinh khối động, thực vật là một hướng đi có thể tạo ra nguồn nhiên liệu thay thế phần nào nguồn nhiên liệu hoá thạch đang cạn kiệt, đảm bảo an ninh năng lượng cho từng quốc gia

Sử dụng nhiên liệu sinh học mang lại các lợi ích như giảm thiểu ô nhiễm môi trường vì nguyên liệu sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học không chứa các hợp chất thơm, hàm lượng lưu huỳnh thấp, không chứa chất độc hại, mặt khác nhiên liệu sinh học khi thải vào đất có tốc độ phân hủy sinh học cao nhanh hơn gấp 4 lần so với nhiên liệu dầu mỏ và do đó giảm được rất nhiều tình trạng ô nhiễm nước ngầm Bioethanol là nguồn nhiên liệu đầy hứa hẹn trong tương lai thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch, bởi nó là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo Bioethanol tồn tại ở dạng lỏng có thể được sử dụng thích nghi như nguồn nhiên liệu mới cho tương lai Tuy nhiên, những sản phẩm bioethanol có nguồn gốc từ tinh bột dễ bị biến động do tinh bột là nguồn lương thực của con người Việc sử dụng tinh bột hoặc nguyên liệu giàu đường sẽ lập tức đẩy giá của lương thực và bioethanol tăng cao hơn so với sản xuất bằng con đường hóa học Trong khi đó, giá của vật liệu phải chi trả 40 – 75 % tổng chi phí của sản xuất ethanol Vì vậy, việc thay thế nguồn nguyên liệu là yêu cầu cho việc sản xuất bioethanol Như các nguồn nguyên liệu là các phụ phẩm của ngành nông nghiệp: rơm rạ, bã mía, vỏ cacao, vỏ chuối

Vỏ chuối là nguồn phế phẩm nông nghiệp giàu lignocellulose nên có thể sử

dụng để lên men tạo bioethanol rất hiệu quả, tận dụng được nguồn vỏ phế phẩm

Hiện nay, một phần vỏ chuối phế thải sau khi bóc ruột từ các nhà máy sản xuất các sản phẩm từ chuối, các quán xá, các khu chợ được thải loại đi như rác là tác nhân gây hại cho môi trường, hoặc chỉ 1 phần được sử dụng làm thức ăn gia súc mang lại hiệu quả kinh tế không cao Với tình hình phế phẩm vỏ chuối như vậy, và qua nghiên cứu những công trình liên quan của các tác giả đi trước về bioethanol, vỏ chuối chứa hàm lượng glucid cao nên việc sử dụng để chuyển hóa thành đường glucose để lên men tạo rượu ethanol là rất có hiệu quả Và những ưu điểm như rẻ tiền, phổ biế ối sẽ là một nguồn nguyên liệu tiềm năng trong quá trình nghiên cứu sản xuất ethanol sinh học

Chính vì ý nghĩa thực tế trên đề tài tiến hành khảo sát tối ưu hóa một số thông

số quá trình lên men bioethanol từ vỏ chuối bằng phương pháp SSCF lên men và

thủy phân đồng thời sử dụng kết hợp hai chủng nấm men Saccharomyces

cerevisiace và Pichia anomala

2 Mục tiêu đề tài

Khảo sát tối ưu hóa một số thông số quá trình lên men bioethanol từ vỏ chuối sử dụng phương pháp SSCF lên men nguồn phế phẩm vỏ chuối để thu bioethanol có

hiệu quả

3 Nội dung nghiên cứu

Đề tài: “Khảo sát tối ưu hóa một số thông số quá trình lên men bioethanol từ vỏ

chuối bằng phương pháp SSCF sử dụng Saccharomyces cerevisiae kết hợp với

Pichia anomala” với nội dung nghiên cứu sau:

- Khảo sát một số thành phần hóa học của vỏ chuối

- Khảo sát điều kiện tối ưu tiền xử lý vỏ chuối bằng acid acetic

- Khảo sát tối ưu hóa một số thông số cho quá trình lên men SSCF sử dụng

kết hợp Saccharomyces cerevisiace và Pichia anomala

4

-

- Khảo sát một số thành phần hóa học của vỏ chuối

- Khảo sát thành phần hóa học của vỏ chuối sau khi tiền xử lý

- Tìm ra thông số tối ưu nhất cho quá trình lên men SSCF đạt nồng độ cồn cao nhất: thời gian 45 giờ, nhiệt độ 350C, tỷ lệ nấm men (SC:PA): (1:4) Tỷ

lệ enzyme 0,7% pH 5,5 ,tốc độ khuấy đảo 150 vòng/phút

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Giới thiệu về bioethanol

1.1.1 Khái niệm

Bioethanol là rượu ethanol sinh học thu được từ quá trình lên men vi sinh các loại nguyên liệu chứa đường hoặc từ tinh bột, cellulose nhờ vào phản ứng trung gian thủy phân thành đường của vi sinh Bioethanol được tổng hợp thông qua quá trình sinh học, vi sinh sử dụng nguồn nguyên liệu đường làm thức ăn để thực hiện

hô hấp kỵ khí và thải ra ethanol và khí CO2 Trong khi đó, ethanol có nguồn gốc dầu

mỏ thì được tổng hợp thông qua quá trình hoá học, không có mặt tham gia của cơ thể sống trong quá trình tạo ethanol

Bioethanol được tạo ra từ rất nhiều nguyên liệu nông nghiệp khác nhau được thể hiện qua hình 1.1

Hình 1.1: Nguồn nguyên liệu sản xuất bioethanol

Quá trình lên men đường tạo thành ethanol và carbon dioxide thể hiện qua PT1:

C6H12O6  2C2H6O + 2CO2 (PT1) Ethanol dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong sẽ bị đốt cháy hòa trộn với oxygen trong động cơ tạo ra carbon dioxide, nước và nhiệt lượng dựa vào PT2:

C2H6O + 3O2  2CO2 + 3H2O + nhiệt lượng (PT2) Tổng hợp 2 phương trình PT1 và PT2 trên ta có:

C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O + nhiệt (PT3) Nhiệt lượng sinh ra trong quá trình dùng để chạy máy CO2 được sinh ra trong quá trình này là carbon trung tính khác với loại khí carbon được tạo thành sau khi đốt các nhiên liệu hóa thạch Carbon được tạo ra sau khi đốt các nhiên liệu hóa thạch không nằm trong chu trình carbon nên việc đốt chúng sẽ làm tăng hàm lượng carbon trong không khí gây hiệu ứng nhà kính

Bioethanol có thể được sử dụng như một nhiên liệu lỏng trong động cơ đốt trong do nó có chỉ số octane cao (129), chỉ số octane càng cao thì chỉ số chống gõ tránh được những tiếng gõ làm tổn thương lòng máy Có thể sử dụng bioethanol nguyên chất hoặc pha chung với xăng dầu Thông số của bioethanol so với xăng được thể hiện qua bảng 1.1

Bảng 1.1 Thông số của bioethanol so với xăng

Tỷ trọng (kg/L)

Độ nhớt (mm2/s)

Điểm chớp cháy

Năng lượng (20OC)

Năng lượng (MJ/L)

Chỉ số octane

Nhiên liệu tương đương

Bioethanol 0,79 1,5 <21 26,8 21,17 129 0,65

( Nguồn: Paul & Kemnitz 2)

Bảng 1.2 Ước tính chi phí sản xuất bioethanol so với xăng

Nguồn sinh khối Chi phí sản xuất (€/L)

Lúa mì Châu Âu 0,27 – 0,43

Củ cải đường Châu Âu 0,32 – 0,54

(Nguồn: www.eubia.org; Sassner et al, 2008; Abbas, personal communicatio)

Để Bioethanol có thể cạnh tranh về kinh tế với nhiên liệu hóa thạch thì chi phí sản xuất phải không lớn hơn 0,2 €/L so với xăng Theo bảng 1.2 cho thấy nguồn sinh khối lignocellulose có tiềm năng rất lớn trong sản xuất nguồn năng lượng thay thế

(Nguồn: http://oil-price.net/dashboard.php?lang=en)

Hình 1.2 Giá dầu năm năm gần đây

Việc sản xuất từ những nguồn nguyên liệu này dễ thực hiện do các phân tử tinh bột dễ được phân cắt và lên men Tuy nhiên những nguồn nguyên liệu kể trên cũng đồng thời là thức ăn cho người và vật nuôi Do những lo ngại xung quanh vấn đề về

an ninh lương thực, đặc biệt sự thiếu hụt lương thực còn dai dẳng ở nhiều nước trên thế giới, nhất là các quốc gia Châu Phi, việc sản xuất ethanol từ các nguyên liệu này vấp phải sự phản đối gay gắt của dư luận ở nhiều nơi

Hạn chế tiếp theo của việc sản xuất bioethanol thế hệ thứ nhất là tạo gánh nặng cho sản xuất nông nghiệp Đất nông nghiệp ngày một giảm, không thể cung cấp đủ cho việc sản xuất bioethanol mà không ảnh hưởng đến nguồn cung cấp thực phẩm trong nước và việc cạnh tranh chi phí với các nguồn năng lượng hóa thạch

1.1.2.2 Thế hệ thứ hai

Để khắc phục nhược điểm của bioethanol thế hệ thứ nhất, người ta đã sử dụng nguồn nguyên liệu phế thải hay các loại nguồn nguyên liệu không phải là thực phẩm với khả năng cung cấp bền vững, chi phí thấp và có lợi ích cho môi trường Bioethanol thế hệ thứ hai được sản xuất từ sinh khối lignocellulose (bộ khung tạo nên tính chất “gỗ” của thực vật) đang trở thành xu hướng hiện nay

Nguồn cung cấp chủ yếu là than cây, rơm rạ cũng như các loại cây trồng không phải cây lương thực như cỏ, jatropha… hay các phế phẩm trong sản xuất nông nghiệp như vỏ chuối, vỏ cacao… với hàm lượng lignocellulose cao

Tuy nhiên, loại nhiên liệu này cung cấp nguồn năng lượng hiệu suất thấp so với dầu mỏ Tiết kiệm được chi phí nguyên liệu ban đầu nhưng lại tiêu tốn chi phí cho quá trình tiền xử lý

1.1.2.3 Bioethanol thế hệ thứ ba

Từ rong biển hay còn gọi là tảo người ta có thể sản xuất ra 19000 lít cồn, tức là gấp 5 lần sản xuất cồn từ ngô, và gấp 2 lần năng suất sản xuất cồn từ mía đường Trong khi ngô hay mía đều đòi hỏi những diện tích canh tác và nguồn nước ngọt lớn, cạnh tranh với các nguồn lực trong nông nghiệp Tảo mặt khác có thể sinh trưởng trong nước mặn, có hàm lượng đường cao Chỉ cần sử dụng chưa tới 3 % diện tích mặt nước ở vùng ven biển là có thể sản xuất đủ lượng tảo để sản xuất cồn Đặc điểm nổi bật của nhiên liệu từ tảo là không ảnh hưởng đến nguồn nước ngọt, có thể sản xuất bằng cách sử dụng nước biển và nước thải, tương đối vô hại cho môi trường Nhưng chi phí cho các dự án sản xuất rất cao nên chỉ dừng ở mức thử nghiệm

1.1.3 Nguồn nguyên liệu lignocellulose để sản xuất bioethanol

Xuất phát từ điều kiện Việt Nam là một nước nông nghiệp có sản phẩm nông nghiệp rất phong phú nên có thể sản xuất ethanol từ các nguồn nguyên liệu khác nhau trong đó lignocellulose là nguồn nguyên liệu phong phú nhất

Các loại cây trồng quay vòng ngắ ạch dương, bạch đàn), các chất thải nông nghiệp (rơm, bã mía, fruit watse ), các phế thả ệp gỗ, gỗ thả

ợp để làm nguyên liệu sản xuất bioethanol

Cứ khoảng 2 - 4 tấn vật liệu gỗ khô hoặ ể cho 1 tấn bioethanol [1] Nguyên nhân khiến người ta chuyển sang sản xuất bioethanol từ sinh khối lignocellulose là vì các loại này sẵn có và rẻ ới các loại tinh bột ngũ cốc hoặc cây trồng khác, đặc biệt là vớ ồn chất thải hầ

liệu này sẽ khó khăn hơn

Nguyên liệu chứa lignocellulose khác nhau có thành phần cấu tạo chất không giống nhau nhưng về cơ bản chúng được cấu tạo từ 3 hợp chất cellulose,

hemicellulose, lignin Các thành phần cấu tạo nên lignocellulose (cellulose, hemicellulose, lignin) là các đối tượng khó bị phân hủy Tính khó phân hủy gia tăng lên nhiều lần khi liên kết với nhau và với các thành phần khác nữa tạo thành một thể cấu trúc chặt chẽ và phức tạp

Các vi sợi cellulose, lignin, hemicellulose được sắp xếp theo những nguyên tắc nhất định để hình thành nên cấu trúc vi sợi Với cấu trúc nhiều lớp, gồm nhiều thành phần có bản chất hóa học khác nhau như vậy, lignocellulose có độ bền vật lý cao, rất khó xâm nhập đối với các vi sinh vật và enzyme Hơn nữa để phân hủy bất cứ thành phần nào của phức hợp một cách hiệu quả và triệt để cần phải tác động đến nhiều thành phần khác Ví dụ, để phân giải lignocellulose thì cần đồng thời tác động của lignin, cellulose và hemicellulose

Cellulose chiếm 40-60% trọng lượng khô Công thức phân tử (C6H10O5)n Là thành phần cấu tạo chủ yếu của màng tế bào thực vật và là hợp chất chính của nguyên liệu chứa cellulose để sản xuất ethanol Nguyên liệu càng giàu cellulose thì sản xuất ethanol càng đạt hiệu quả cao

Hemicellulose chiếm 20-40% trọng lượng khô, dễ bị thủy phân hơn so với cellulose Khi thủy phân đến cùng, hemicellulose tạo ra các monosaccaride chủ yếu

là hexose, pentose Trong đó hexose có khả năng lên men tạo ethanol còn pentose không có khả năng này

Lignin chiếm 10-25% trọng lượng khô, lignin là một polyphenol có cấ

ự ếu đóng vai trò chất liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose và hemicellulose Rất khó để có thể tách lignin ra hoàn toàn trong quá trình sản xuất ethanol từ cellulose thì nó hoàn toàn không bị thủy phân để tạo các hợp chất có khả năng lên men tạo ethanol Vì vậy lignin là thành phần không mong muốn trong quá trình sản xuất ethanol từ cellulose.[2]

1.1.4 Ứng dụng lợi ích và hạn chế của Bioethanol

1.1.4.1 Ứng dụng và lợi ích của bioethanol

Bioethanol được sử dụng làm nhiên liệu do khi đốt cháy bioethanol cho nhiệt lượng tương đối cao mà không sản sinh ra các chất độc hại Ngày nay, vấn đề môi trường đang là vấn đề cấp bách, do đó cần có nguồn nhiên liệu sạch để hạn chế vấn

đề ô nhiễm.Trong đó xăng sinh học là nguồn nhiên liệu đầy triển vọng trong tương lai

ếu được nghiên cứu sử ệu, có thể được sử

ới dạng nguyên chất (E100), hoặc có thể pha trộn với xăng để tạo ra xăng sinh học Nế ệ pha trộn dưới 10% ethanol thì không cần thay đổi các động cơ

xe thông thường Xăng sinh học đượ ự “E” kèm theo một con

số ố phầ ọc được pha trộn trong xăng đó, các loại xăng sinh học như E5, E20, E95… tức là xăng sinh học chứa 5%, 20%, 95% ethanol

Bioethanol là nguồn nhiên liệu có khả năng tái sinh vì được sản xuất từ cây nông nghiệp thu hoạch hàng năm, sử ợng mặt trời là chính Bioethanol

có nguồn gốc thực vật nên CO2 sinh ra khi đốt được cây cối hấ ại tạo nên sự

ợng CO2, do đó không gây nên hiệu ứng nhà kính

1.1.4.2 Hạn chế của bioethanol

Bên cạnh những ưu điểm đã biết, quá trình sản xuất bioethanol cũng có một số hạn chế

- Vấn đề kinh tế: bioethanol cho hiệu quả về năng lượng thấp hơn xăng (đạt 70% so với năng lượng khi xử dụng xăng), vì vậy sẽ cần một lượng bioethanol lớn hơn để đạt hiệu quả ngang bằng với xăng [3]

- Vấn đề kỹ thuật : Quá trình sản xuất bioethanol từ nguồn biomass đòi hỏi kỹ thuật cao và đầu tư lớn

- Vấn đề nguồn nguyên liệu: sản xuất bioethanol phải đảm bảo không cạnh tranh lương thực, cũng như bình ổn giá cả Bên cạnh đó hạn chế cơ bản của Bioethanol chính là khả năng hút ẩm cao nên cần phải được tồn trữ và bảo quản đặc biệt

Tuy việc sử dụng Bioethanol cũng gây ra nhiều tranh cãi giữa mặt lợi và mặt hại, nhưng mặt lợi có phần lớn hơn nên thế giới vẫn tiếp nghiên cứu để tìm ra phương thức sản xuất nào tối ưu nhất trong sản xuất bioethanol

1.1.5 Quy trình sản xuất bioethanol từ nguồn lignocellulose

Có rất nhiều nguồn nguyên liệu để sản xuất bioethanol trong đó nguồn nguyên liệu lignocellulose là nguồn nguyên liệu phong phú để sản xuất bioethanol Sau đây

là quy trình sản xuất bioethanol từ nguồn lignocellulose được thể hiện qua sơ đồ hình 1.3

Hình 1.3 Quy trình chuyển đổi sinh khối lignocellulose thành bioethanol

Quá trình lên men ethanol từ các nguồn nguyên liệu lignocellulose cũng giống như từ tinh bột hay rỉ đường Bao gồm bốn bước cơ bản:

- Tiền xử lý nguyên liệu

- Thủy phân nguyên liệu

- Lên men

- Tinh chế sản phẩm (chưng cất, tách nước, bốc hơi, tách lỏng rắn) tùy vào nồng độ cồn mà có phương pháp tinh chế khác nhau Quá trình này phụ thuộc nhiều vào công nghệ hóa học nên trong giới hạn của đề tài xin được không trình bày

1.1.5.1 Phương pháp tiền xử lý

Do cấu trúc phân tử lớn, có độ kết tinh cao lại liên kết chặt chẽ với lignin và hemicelluloses, phân tử cellulose rất khó bị tác động bởi enzyme thủy phân Vì vậy,

việc tiền xử lý là rất cần thiết

Mục đích của quá trình tiền xử lý là để loại bỏ lignin và hemicellulose, giảm kích thước vi sợi cellulose và tăng độ xốp của vật liệu lignocellulose (hình 1.4) Tiền xử lý cũng giúp cho cellulose dễ tiếp cận hơn với enzyme cellulase trong quá trình thủy phân tiếp sau đó, do đó yêu cầu enzyme sử dụng sẽ giảm, dẫn tới chi phí cũng sẽ giảm [4] Quá trình tiền xử lý phải trong sinh khối Lignocellulose thì cellulose là thành phần chính để lên men đáp ứng những yêu cầu:

- Nâng cao được hiệu quả của quá trình thủy phân tiếp theo

- Hạn chế sự mất mát hydrocarbon

- Tránh sự tạo thành các sản phẩm phụ làm ức chế quá trình thủy phân và quá trình lên men

- Tiết kiệm được chi phí

Hình 1.4 Tiền xử lý lignocellulose giải phóng cellulose

Có nhiều phương pháp tiền xử lý lignocellulose khác nhau, ưu và nhược điểm của chúng được tóm tắt trong bảng 1.3 Lựa chọn phương pháp tiền xử lý phù hợp phụ thuộc vào thành phần cấu tạo của sinh khối lignocellulose và sản phẩm phụ sinh

ra trong quá trình tiền xử lý

Bảng 1.3 Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp tiền xử lý

Chia nhỏ vật liệu (xay,

Phân hủy và biến đổi cấu trúc các hydro carbon; tạo

không thích hợp cho vật liệu

chứa nhiều lignin

Nổ CO2 Tăng độ xốp, chi phí thấp,

không tạo ra hợp chất ức chế

Hemicellulose và lignin ít

bị biến đổi Ozon (O3) Giảm hàm lượng lignin,

không tạo ra chất ức chế

Cần lượng lớn ozon, tốn

nhiều chi phí

Acid thủy phân Thủy phân hemicellulose

thành Xylose, thay đổi cấu trúc lignin

Chi phí cao; ăn mòn thiết bị;

tạo ra các hợp chất ức chế Kiềm thủy phân Loại bỏ lignin và

hemicellulose; tăng độ xốp

Thời gian phản ứng dài; muối sinh ra sẽ liên kết chặt

chẽ với vật liệu Dung môi hữu cơ Lignin và hemicellulose

được thủy phân

Khó loại bỏ và thu hồi dung

môi; chi phí cao Nhiệt phân Tạo sản phẩm ở dạng khí

và dạng lỏng

Nhiệt độ cao; tạo thành tro

Điện từ trường Thiết bi đơn giản; phá hủy

được tế bào thực vật

Phương pháp đang trong quá trình nghiên cứu

Sinh học Loại bỏ lignin; tiêu tốn ít

năng lượng; thân thiện với môi trường

Hiệu quả còn thấp

Có rất nhiều phương pháp tiền xử lý, thường dùng nhất là phương pháp hóa học

, acid vô cơ này sử dụng phương pháp hóa học, thay thế acid vô cơ như H2SO4, HCl, bằng acid hữu cơ như acid acetic Do

ra cellulose , không tạo ra các chất ức chế quá trình lên men sau

đó,

1.1.5.2 Phương pháp thủy phân

Sau quá trình tiền xử lý, cellulose và hemicellulose sẽ bị thủy phân thành các đường đơn (hexose và pentose) Ở đây, quan tâm nhiều đến sự thủy phân cellulose,

do nó là thành phần chính trong sinh khối lignocellulose Quá trình thủy phân cellulose được thực hiện bởi acid thủy phân hoặc enzyme thủy phân

 Quá trình thủy phân bằng acid

Vào cuối thế kỉ 19 và đầu thế kỉ 20, quá trình thủy phân được thực hiện bởi phản ứng giữa cellulose với acid Acid loãng được sử dụng dưới điều kiện nhiệt độ cao và áp suất cao, còn acid đậm đặc được sử dụng ở nhiệt độ thấp và áp suất khí quyển Quá trình thủy phân bằng acid loãng xảy ra ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao dẫn đến sự tạo thành các chất độc hại có thể ảnh hưởng không tốt đến quá trình lên men như các acid hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp, dẫn xuất furfuran và các hợp chất vô cơ

 Quá trình thủy phân bằng enzyme

Các mắt xích của cellulose có thể bị phân cắt thành các phân tử đường glucose riêng lẻ bằng cellulase Vì cellulase là một phức hệ enzyme có tác dụng thuỷ phân cellulose thông qua việc thuỷ phân liên kết 1,4-β-glucoside trong cellulose tạo ra sản phẩm glucose

1.1.5.3 Phương pháp lên men

Trong quá trình lên men, các sản phẩm của quá trình thủy phân bao gồm đường hexose (glucose, mannose và galactose) và pentose (xylose và arabinose) sẽ được

lên men thành ethanol nhờ nấm men Saccharomyces cerevisiae, tổ hợp nhiều loại nấm men hoặc vi khuẩn (vi khuẩn Zymomonas spp)

Bản chất của quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử diễn ra trong cơ thể sinh vật dưới tác động của hệ thống enzyme là quá trình oxy hóa sinh học

Có rất nhiều phương pháp lên men để tạo bioethanol, bước cuối để biến đổi sinh khối lignocellulose thành ethanol là thủy phân và lên men có thể được thực hiện một cách độc lập (SHF), đồng thời (SSF), hay đồng thời kết hợp nhiều chủng vi sinh vật (SSCF)

 Phương pháp thủy phân và lên men riêng lẻ (SHF)

 Ưu điểm :

- Thủy phân và lên men được thục hiện trong điều kiện tối ưu của mỗi quá trình, không phụ thuộc vào nhau.[5]

 Nhược điểm:

- Sự tích tụ các chất ức chế cản trở hoạt động của enzyme thủy phân cellulose

và glucose Điều này làm cho quá trình biến đổi kém hiệu quả, và gây tốn kém (phải bổ sung một lượng lớn enzyme)

- Dễ nhiễm các vi sinh vật khác do thời gian ủ dài ở quá trình thủy phân

 Phương pháp thủy phân và lên men đồng thời (SSF)

Các sản phẩm cuối của quá trình thủy phân sẽ được trực tiếp chuyển đổi thành ethanol ngay nhờ vi sinh vật [6]

 Ưu điểm:

- Tăng tỉ lệ thủy phân và giảm ức chế ngược khi sản phẩm tạo thành

- Giảm lượng enzyme dùng cho quá trình

- Cho hiệu suất ethanol cao

- Đòi hỏi điều kiện vô trùng thấp

- Cơ chế thủy phân không hoàn toàn nên lượng đường do enzyme cellulase tạo

ra chỉ đủ để cho nấm men tăng trưởng hơn là việc lên men đường sinh ethanol

 Phương pháp thủy phân và lên men đồng thời sử dụng kết hợp hai chủng vi sinh vật (SSCF)

Việc sản xuất bioethanol từ nguồn cellulose bao gồm ba bước như đường hóa các thành phần của cellulose (SA), lên men hexose (HF), và lên men pentose (PF) Các quá trình này được kết hợp với nhau để đơn giản hóa các bước và tăng cường sản lượng ethanol.[7]

SSF là quá trình đồng thời đồng thời đường hóa các thành phần của cellulose (SA) và lên men hexose (HF) nhưng không diễn ra quá trình lên men pentose (PF) SSCF là quá trình đồng thời của SA,HF Và PF

Như vậy SSCF là quá trình cùng lúc đường hóa các thành phần của cellulose và lên men đường 5 carbon và 6 carbon nhờ vi sinh vật

Các vi sinh vật thường được áp dụng để sản xuất ethanol sinh học không thể sử dụng tất cả các nguồn đường có nguồn gốc từ quá trình thủy phân Ví dụ S.cerevisiae không thể sử dụng đường pentose , và điều này sẽ làm lãng phí sinh khối và làm giảm sản lượng ethanol sinh học Do đó trong SSCF sẽ sử dụng kết hợp các chủng vi sinh có khả năng sử dụng đường 5 carbon và chủng vi sinh có khả năng sử dụng đường 6 carbon

 Ưu điểm:

- Cải tiến của phương pháp SSF

- Chi phí thấp, thời gian xử lý ngắn, giảm nguy cơ ô nhiễm và tác dụng ức chế

ít

- Hiệu suất lên men bioethanol cao và lên men được cả đường 5 carbon và 6 carbon

 Nhược điểm:

- Nhiệt độ của quá trình thủy phân enzyme và lên men ethanol khác nhau đáng

kể , làm cho việc tối ưu hóa đồng thời hai hoạt động rất khó

- Quá trình SSCF phải được vận hành ở nhiệt độ thấp hơn để phù hợp tăng trưởng của vi khuẩn và lên men ethanol

- Đề tài này tiến hành phương pháp SSCF để thủy phân và lên men thu bioethanol

1.1.5.4 Các giống vi sinh vật trong lên men bioethanol

Nấm men là đối tượng lên men chủ yếu Tế bào nấm men có dạng hình ovan, sinh sản bằng cách nảy chồi hay tạo bào tử, sống k khí không bắt buộc, có khả năng lên men các loại đường khác nhau Trong điều kiện hiếu khí, nấm men oxy hóa hoàn toàn đường thành CO2 và H2O, gia tăng sinh khối, ngược lại trong điều kiện k khí, nấm men sẽ không tăng sinh khối vì không tổng hợp được sterol cần cho cấu trúc tế bào, nấm men tiến hành lên men đường để thu năng lượng

ờ

Saccharomyces cerevisiae hoặc Zymomonas mobilis, không thể lên men các loại đường pentose thành ethanol hiệu quả Nếu chỉ

đường hexose từ sinh khối lignocellulose được lên men, với các loại đường pentose

bỏ lạ ụ nguyên liệu cho sản xuất ethanol sinh họ

Saccharomyces cerevisiae là một loài nấm men được biết đến nhiều nhất có

trong bánh mì nên thường gọi là men bánh mì Đây là một loại vi sinh vật thuộc chi

Saccharomyces, lớp nấm nang (Ascomycetes), ngành nấm Loài này có thể xem là

loài nấm hữu dụng nhất trong đời sống con người từ hàng ngàn năm trước đến nay

Nó được dùng rộng rãi trong quá trình lên men làm bánh mì, rượu và bia

Trong quá trình thủy phân cellulose có tạo ra đường 5 carbon - xylose thì chủng

men Saccharomyces cerevisiae không thể sử dụng để lên men tạo ethanol nên hiệu

suất tạo ethanol không cao

glucose thành ethanol và CO2 Ngoài ra, Z mobilis có thể chịu được nồng độ cao

như 120 g / L ethanol, cao hơn nhiều so với các vi khuẩn khác, và sinh khối của nó thường được công nhận là an toàn (GRAS) cho thức ăn gia súc, làm cho loài này thích hợp cho kỹ thuật chuyển hóa với khả năng lên men pentose

và xylose để chuyể

1.1.6 Tình hình sản xuất và tiêu thụ Bioethanol ở tại Việt Nam và trên thế giới

1.1.6.1 Tại Việt Nam

Nhiên liệu sinh học đã được các nhà khoa học

ethanol sinh học

Từ sau năm 2000 đã có một số xí nghiệp, công ty, đơn vị nghiên cứu tổ chức sản xuất nhiên liệu sinh học dưới dạng pilot như công ty Minh Tú (Cần Thơ), ĐH Bách khoa TP Hồ Chí Minh, Viện Hóa Công Nghiệp Hà Nội, Viện khoa học

Ngày 20/11/2007, "Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm

nhìn đến năm 2025" đã được Thủ tướng Chính phủ ký quyết định

số177/2007/QĐ-TTG với mục tiêu phát triển năng lượng, một dạng năng lượng mới, tái tạo được thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường Đến năm 2015, sản lượng bioethanol sinh học và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn, đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu của cả nước Và tầm nhìn đến năm 2025, công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học ở nước ta đạt trình độ tiên tiến trên thế giới Sản lượng bioethanol và dầu thực vật đạt 1.8 triệu tấn, đáp ứng khoảng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước

Để thực hiện chiến lược này, PetroVietNam dự kiến từ 2011 đến 2015 sẽ đưa 3 nhà máy ethanol sinh học ở Quảng Ngãi, Phú Thọ, Bình Phước vào hoạt động với tổng công suất 230.000 tấn/năm và từ sản phẩm này sẽ pha thành nhiên liệu E5-E10, đáp ứng khoảng 20% tổng nhu cầu tiêu thụ xăng sinh học cả nước.[8]

Theo

n tháng 3/2012, cả nước có 5 nhà máy sản xuất ethanol nhiên liệu đi vào hoạt động ổn định với công suất thiết kế đạt khoảng 435.000 triệu lít ethanol/năm (bảng 1.4) Trong số 4 nhà máy đang hoạt động mới chỉ có 03 nhà máy của Công ty CP Đồng Xanh, Cty TNHH Tùng Lâm và Công ty CP Nhiên liệu sinh học miền Trung là sản xuất được ethanol nồng độ 99,5% đạt tiêu chuẩn để pha xăng sinh học

Sản phẩm được tiêu thụ trong nước khoảng 20% để phối trộn xăng E5 và bán theo hệ thống phân phối của Tập đoàn Dầu khí quốc gia Việt Nam (PVN) Phần còn lại khoảng 80% sản lượng sản xuất trong năm 2011 được xuất khẩu cho các nước như Nhật Bản, Hàn Quốc, Philippine ở dạng 99,5% và 96% ethanol [9]

Sản xuất nhiên liệu sinh học Bioethanol ở Việt Nam cũng được nhiều đối tác nước ngoài rất quan tâm Đáng chú ý trong số này là các Dự án JICA - Nhật Bản hỗ trợ Việt Nam nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh học sử dụng các loại phế phẩm bã mía, rơm rạ; dự án do Chính phủ Hà Lan tài trợ sử dụng trấu, vỏ cà phê, trái điều,

vỏ điều, rong biển

sản xuất diesel sinh học và các hóa chất tinh khiết thân thiện với môi trường từ dầu thực vật

Bảng 1.4 Một số nhà máy sản xuất bioethanol đang hoạt động ở Việt Nam [10]

Theo báo cáo F.O Licht thì bioethanol được sử dụng làm nhiên liệu đốt trong

từ năm 1860 do nhà khoa học Nicolas August Otto (Đức) khám phá

Đến sau 1930 thì Mỹ, Brazil, Anh, Pháp, Đức, Ý, Thuỵ Điển… đã bắt đầu sử dụng Bioethanol thay thế xăng Nhưng trào lưu này thực sự bùng nổ vào những năm

1970 khi nguồn nhiên liệu chính là dầu mỏ bị khủng hoảng nguồn cung

Cũng theo báo cáo trên thì 47 % bioethanol nhiên liệu trên thế giới được sản xuất từ mía đường, 53% là từ cây có chứa tinh bột (bắp, sắn lát và lúa mì) Sản lượng bioethanol sản xuất năm 2006 khoảng 50 tỷ lít Nhu cầu Bio-Ethanol nhiên liệu trên toàn thế giới vào năm 2015 sẽ cao gấp hơn 2 lần sản lượng năm 2006 (100

tỷ lít)

Trước đó, Brazil là quốc gia đứng đầu về sản xuất và tiêu thụ bioethanol Đến năm 2006, Mỹ vượt qua Braxin và trở thành nước sản xuất bioethanol nhiên liệu lớn nhất thế giới Các quốc gia sản xuất bioethanol lớn như Braxin, Mỹ, Trung Quốc,

Ấn Độ và Pháp chiếm 84% sản lượng bioethanol nhiên liệu của toàn thế giới trong

năm 2005 [7]

Brazil: là nước đi đầu trên thế giới trong việc sản xuất bioethanol nhiên liệu từ mật rỉ trong năm 2004 và đến cuối năm 2007, Braxin đã sản xuất được 20.5 tỷ lít, chiếm 34 % sản lượng bioethanol toàn thế giới Nhóm các nước nhập khẩu bioethanol nhiên liệu từ Braxin là Mỹ, Ấn Độ, Hàn Quốc , Nhật Bản, Thụy Điển và

Hà Lan

Hoa Kỳ: năm 2006, Mỹ đã vượt qua Braxin trở thành quốc gia lớn nhất thế giới

về sản xuất bioethanol nhiên liệu, chiếm 37 % sản lượng toàn thế giới Theo chương trình phát triển năng lượng quốc gia, Mỹ sẽ sản xuất 25.7 tỷ lít bioethanol vào năm

2010 Nguồn nhiên liệu chính để sản xuất bioethanol nhiên liệu tại Mỹ là ngô

EU: năm 2006, sản lượng bioethanol của EU là 341.250.000 lít, trong đó Pháp

là quốc gia sản xuất bioethanol nhiên liệu lớn nhất châu Âu (114 triệu lít, chiếm 33

%), Tây Ban Nha 47.8 triệu lít ( chiếm 14 %) và Đức 44.4 triệu lít ( chiếm 13 %)

Trung Quốc: là nước sản xuất bioethanol lớn nhất khu vực Châu Á Năm 2005, tổng sản lượng bioethanol của quốc gia này xấp xỉ 3.8 tỷ lít (trong đó 1.3 tỷ lít là

bioethanol nhiên liệu), chiếm gần 8 % sản lượng toàn thế giới

Các quốc gia khác đã có những thành tựu đáng kể trong việc sản xuất

bioethanol đó là Ấn Độ, Thái Lan và một số quốc gia khác:

Ấn Độ: đây là quốc gia đứng thứ 2 ở châu Á về sản xuất bioethanol sau Trung Quốc Năm 2005 sản lượng bioethanol của Ấn Độ là 1.7 tỷ lít, trong đó 200 triệu lít

là bioethanol nhiên liệu

 Tình hình tiêu thụ

Năm 2006, sản lượng Bioethanol được sử dụng trên thế giới là 50 tỷ lít, trong

đó bioethanol nhiên liệu là 38.5 tỷ lít (chiếm 77 %), Bioethanol công nghiệp là 4 tỷ lít (chiếm 8 %) và Bio-Ethanol cho đồ uống là 7.5 tỷ lít (chiếm 15 %) [11]

1.1.7 Tình hình nghiên cứu bioethanol tại Việt Nam và trên thế giới

1.1.7.1 Tại Việt Nam

ệ đã nghiên cứu “sản xuất ethanol sinh học từ

ử lý vớ 0C trong 4 giờ thu hồi được 21,93% lượng đường khử, quá trình lên men đạt hiệu quả cao nhấ -300C, thời gian lên men 72 giờ [12]

ứu sản xuất biethanol từ rong biể

ử 2SO4 1,5%, nhiệt độ ử 0

enzyme cellulase 12,18%, nồng độ enzyme β-glucosidase 4,8%, nhiệt độ

500C, pH 5, tốc độ lắc 200 rpm, thờ ờ Sau đó lên men vớ

ấm men được chuyển giao từ USDA (Bộ nông nghiệp Mỹ 0C trong 72 giờ thu được 20,92 g/l cồn, hiệu suất quá trình đạt 90% [13]

Kết quả Tài liệu tham khảo

164, 2011

khô

Ethanol theo SSF: 20.67 %

% (v/v)

Cam 1.32

%(v/v) Chanh 1.46%(v/v)

Journal of Yeast and Fungal Research Vol 3(2), p: 12 - 17, March 2012

ethanol

Biotechnology for Biofuels,

2013

7.45 % (v/v)

International Journal of Environmental Science and Development, Vol 4, No 2, April 2013

136, p: 213-22, May 2013

2014

Masahide

SpringerPlus journal, 2014 http://www.springerplus.com/content/3/1/333

Bảng 1.6 Tình hình nghiên cứu sản xuất bioethanol từ vỏ chuối

Năm Tác giả Đối tượng Pp lên

men Kết quả Tài liệu tham

1.2 Giới thiệu về cây chuối sứ

Tên khoa học: Musa Paradisiaca

Giới (regnum): Plantae

Ngành (phylum): Magnoliophyta

Phân lớp (subfamilia): Zingiberiadae

Bộ(ordo): Zingiberales

Họ (familia): Musaceae

1.2.2 Thành phần hóa học và giá trị dinh dưỡng của vỏ trái chuối

Những nghiên cứu khoa học đã và đang được thực hiện đều hướng đến sự phát triển bền vững của xã hội Một trong những sự phát triển bền vững đó là sử dụng nguồn cung cấp đường từ vỏ chuối chuyển hóa vi sinh để tạo ra ethanol sinh học Điều đó sẽ giải quyết các vấn đề về ô nhiễm môi trường và chất thải nông nghiệp

Bảng 1.7 Thành phần hóa học của vỏ chuối

Ghi chú: “-“: không có số liệu

1.2.3 Tình hình sản xuất, diện tích và sản lượng chuối tại Việt Nam

Chuối sứ thường được trồng ở các vùng trung du, miền núi, cây mọc khỏe, cao

to, lá dài rộng, cuống lá có phấn trắng trái to, ngắn, mập, vỏ mỏng, khi chín có màu vàng tươi, vị ngọt, kém thơm Khả năng vận chuyển bảo quản kém

Ở nước ta, chuối là loại cây lương thực có diện tích và sản lượng cao Tuy nhiên diện tích trồng chuối lại không tập trung Do đặc điểm là loại cây ngắn ngày, nhiều công dụng và ít tốn diện tích nên chuối được trồng ở rất nhiều nơi trong các vườn cây ăn trái và hộ gia đình

Một số tỉnh miền trung và miền nam có diện tích trồng chuối khá lớn (Thanh Hóa, Nghệ An, Khánh Hòa, Đồng Nai, Sóc Trăng, Cà Mau có diện tích từ 3.000 ha đến gần 8.000 ha) trong khi đó các tỉnh miền bắc có diện tích trồng chuối lớn nhất như: Hải Phòng, Nam Định, Phú Thọ chưa đạt đến 3.000 ha

Bảng 1.8 Diện tích trồng chuối theo các vùng (đơn vị: ha)

Bắc Trung bộ 15400 15500 6300 9021 16400 Duyên hải Nam Trung bộ 10200 10500 10642 10713 11400

Đông Nam bộ 12100 12300 12689 12653 12800 Đồng bằng sông Cửu

(nguồn: luận văn nghiên cứu sản xuất nectar chuối)

Bảng 1.9 Sản lượng trồng chuối theo vùng (Đơn vị: tấn)

Hồng 359500 342700 426161 352181 403500 Đông Bắc bộ 95900 65200 100575 98517 96600 Tây Bắc bộ 19300 25400 27285 30691 30600 Bắc Trung bộ 80800 98300 102966 205666 110800 Duyên hải Nam

Trung bộ 66000 103500 99636 99504 111800 Tây Nguyên 33900 41400 44262 53027 58300 Đông Nam bộ 114800 146400 150717 165596 175800 Đồng bằng sông Cửu

Long 310200 274800 330203 351629 366900

(nguồn: luận văn nghiên cứu sản xuất nectar chuối)

1.2.4 Tình hình sản xuất và sản lượng chuối trên thế giới

Theo số liệu của FAO hàng năm toàn thế giới sản xuất trên 88 triệu tấn chuối Chuối được trồng chủ yếu ở các nước đang phát triển trên thế giới Khoảng 98% sản lượng chuối được trồng ở các nước đang phát triển và xuất khẩu tới các nước đang phát triển Năm 2004 tổng cộng có 130 nước xuất khẩu chuối mười nước sản xuất chính chiếm đến 75% sản lượng thế giới Trong đó Ấn Độ, Equador, Brazil và Trung Quốc chiếm 1 nửa của toàn thế giới

Bảng 1.10 Sản lượng chuối hằng năm của các nước trên thế giới

Stt Quốc gia Sản lượng ( triệu tấn)

(Nguồn: Theo bảng thống kê của tổ chức FAO năm 2011)

Như vậy, vỏ chuối chiếm 20-30% khối lượng trái nên ở Việt Nam trung bình mỗi năm có tới ~ 350.000 tấn vỏ phế phẩm Trên thế giới lượng vỏ chuối thải ra hàng năm ~ 24 triệu tấn Để giải quyết vấn đề môi trường các nước phải cấp chi phí cho việc xử lí rác thải Tuy nhiên, nếu lượng rác thải được tận dụng vào mục đích hợp lí khác thì vừa giữ vệ sinh môi trường, vừa đỡ tốn kém, vừa tạo thêm sản phẩm

có thêm thu nhập Và hiện nay xu hướng cho vấn đề này chính là lên men sản xuất ethanol sinh học

1.3 Giới thiệu chủng nấm men lên men bioethanol

1.3.1 Chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae

1.3.1.1 Phân loại khoa học

Loài (species) S cerevisiae

1.3.1.2 Đặc điểm hình thái

Hình 1.6 Saccharomyces cerevisiae

Tế bào nấm men Saccharomyces cerevisiae có dạng hình cầu hay hình trứng, có

kích thuớc từ 5-6µm đến 10-14µm, sinh sản bằng cách tạo chồi và tạo bào tử Nguồn dinh dưỡng carbon chủ yếu của chúng là đường glucose, galactose,

saccharose, maltose Chúng sử dụng acid amin và muối amoni như nguồn nitơ chính

Saccharomyces cerevisiae thuộc loại nấm men chìm có đặc điểm:

- Nấm men chìm chỉ phát triển trong môi trường lên men, chúng không tạo thành bọt dày trên bề mặt, lắng nhanh khi lên men kết thúc

- Đặc điểm nổi bậc của nấm men chìm là một số chủng có chứa enzyme α - galactosidase nên lên men hoàn toàn đường rafinose, còn đối với nấm men nổi thì một số ít chủng có khả năng chuyển hóa đường rafinose thành CO2 và

celluluse, dextrin

- Dinh dưỡng nitơ s.cerevisiae: ồng hoá các hợ ữu cơ ở dạ

ữu cơ Nguồn nitơ vô cơ được S cerevisiae sử dụ

ặc biệt là amonium sulfate Nguồn nitơ hữu cơ thường được S

cerevisiae sử dụ

ợtoàn không sử dụng được protein

- Dinh dưỡng các nguyên tố vô cơ: ớn trong các