Nghiên cứu và khảo sát một số phương pháp tiền xử lý thụ phẩm gỗ với mục đích lên men thành cồn sinh học

Các nghiên cứu về việc chuyển hóa sinh khối thành cồn sinh học bằng thủy phân và lên men đồng thời đã được nghiên cứu từ rất lâu trên thế giới.. Mục đích nghiên cứu Mục tiêu chính của đ

LỜI CAM ĐOAN CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐHQG TP HỒ CHÍ MINH

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá, được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Ngoài ra, trong đồ án còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung đồ án của mình Trường Đại học Công Nghệ Tp Hồ Chí Minh không liên quan

đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có)

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng 07 năm 2018

Tác giả (ký tên và ghi rõ họ tên)

Trương Kỳ Văn

để em có thể hoàn thành tốt đồ án

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Nguyễn Hoài Hương đã giúp em đến với hướng nghiên cứu này Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn tới anh Nguyễn Lê Nhật Minh đã hướng dẫn và nhiệt tình giúp đỡ trong suốt những ngày thực hiện đồ án

Cuối cùng em xin cảm ơn bạn bè, người thân trong gia đình, những người luôn là chỗ dựa tinh thần vững chắc và luôn ủng hộ em trong suốt hành trình chinh phục ước mơ của mình

Xin chân thành cảm ơn

TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2018

Sinh viên thực hiện Trương Kỳ Văn

i

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Tình hình nghiên cứu 2

3 Mục đích nghiên cứu 2

4 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

6 Các kết quả đạt được của đề tài 3

7 Kết cấu đồ án tốt nghiệp 3

1.1 Sơ lược về bioethanol 4

1.1.1 Bioethanol là gì ? 4

1.1.2 Các thế hệ xăng sinh học 4

1.1.3 Quy trình sản xuất bioethanol 5

1.1.4 Tình hình nghiên cứu sản xuất bioethanol 5

1.1.4.1 Trên thế giới 5

1.1.4.2 Ở Việt Nam 6

1.2 Nguồn nguyên liệu dùng cho sản xuất xăng sinh học thế hệ 2 7

1.2.1 Cấu trúc nguồn nguyên liệu 7

1.2.2 Cellulose 7

ii

1.2.3 Hemicellulose 8

1.2.4 Lignin 9

1.2.5 Phụ phẩm gỗ từ cây cao su 10

1.3 Quá trình sản xuất bioethanol từ mùn cưa gỗ cao su 13

1.3.1 Sơ đồ khái quát 13

1.3.2 Tiền xử lý 13

1.3.2.1 Tiền xử lý bằng phương pháp vật lý 14

1.3.2.2 Tiền xử lý bằng tác nhân hóa học 17

1.3.3 Thủy phân 21

1.3.4 Lên men 24

1.3.4.1 Cơ sở sinh hóa : 24

1.3.4.2 Một số phương pháp lên men 26

1.3.4.3 Một số loại nấm men 27

1.3.4.4 Đặc điểm sinh học của nấm men 28

1.3.4.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men 29

1.3.5 Thủy phân và lên men đồng thời 31

2.1 Địa điểm và đối tượng nghiên cứu 32

2.2 Nguyên vật liệu 32

2.2.1 Mùn cưa từ gỗ cao su 32

2.2.2 Enzyme 33

2.2.3 Nấm men Sacchromyces cereviciae 33

2.3 Hóa chất 33

2.3.1 Hóa chất thí nghiệm 33

iii

2.3.2 Môi trường nuôi cấy vi sinh vật 34

2.4 Thiết bị và dụng cụ sử dụng 34

2.4.1 Thiết bị 34

2.4.2 Dụng cụ 35

2.5 Bố trí thí nghiệm 35

2.5.1 Các thí nghiệm 35

2.5.2 Khảo sát đường cong tăng trưởng của nấm men 36

2.5.2.1 Phương pháp cấy giống và giữ giống nấm men 36

2.5.2.2 Phương pháp nhân giống và hoạt hóa giống nấm men 36

2.5.2.3 Phương pháp đếm nấm men 36

2.5.2.4 Khảo sát đường cong tăng trưởng nấm men 37

2.5.3 Phân tích thành phần mùn cưa 37

2.5.3.1 Phân tích thành phần lignin trong mùn cưa 37

2.5.3.2 Định lượng cellulose theo phương pháp Kiursher-Hoff 38

2.5.3.3 Định lượng đường khử bằng phương pháp Acid Dinitro-Salicylic (DNS) 38 2.5.4 Khảo sát ảnh hưởng của các tác nhân tiền xử lý 39

2.5.4.1 Tiền xử lý bằng H2SO4 39

2.5.4.2 Tiền xử lý bằng NaOH 39

2.5.4.3 Khảo sát thời gian tiền xử lý 39

2.5.5 Tiến hành lên men kiểm chứng hiệu quả tiền xử lý 41

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43

3.1 Khảo sát đường cong sinh trưởng của nấm men 43

3.1.1 Hình dạng vi thể của nấm men 43

iv

3.1.2 Đường cong sinh trưởng của S.Cerevisiae 43

3.2 Phân tích thành phần mùn cưa trước khi tiền xử lý 44

3.3 Ảnh hưởng kích thước hạt mùn cưa 45

3.4 Ảnh hưởng của các tác nhân tiền xử lý 46

3.4.1 Tiền xử lý bằng H 2 SO 4 46

3.4.2 Tiền xử lý bằng NaOH 48

3.4.3 Khảo sát thời gian tiền xử lý 49

3.4.3.1 Khảo sát thời gian tiền xử lý đối với tác nhân H2SO4 49

3.4.3.2 Khảo sát thời gian tiền xử lý đối với tác nhân NaOH 52

3.4.4 Khảo sát kết hợp cả 2 tác nhân tiền xử lý 53

3.5 Tiến hành lên men kiểm chứng hiệu quả tiền xử lý 54

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 56

4.1 Kết luận 56

4.2 Đề xuất 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

PHỤ LỤC 1

Phụ lục A Các phương pháp thí nghiệm 1

1 Đường chuẩn glucose 1

2 Đường chuẩn cellulose 2

3 Phương pháp phân tích hàm lượng ẩm 2

4 Công thức tính hàm lượng lignin 3

Phụ lục B Thống kê số liệu thí nghiệm 4

1 Thống kê kết quả khảo sát nồng độ H 2 SO 4 4

v

2 Thống kê kết quả khảo sát nồng độ NaOH 4

3 Thống kê khảo sát thời gian tiền xử lý với H 2 SO 4 2% 5

4 Thống kê khảo sát thời gian tiền xử lý với H 2 SO 4 2,5% 5

5 Thống kê khảo sát thời gian tiền xử lý với NaOH 1,5% 6

6 Thống kê khảo sát thời gian tiền xử lý với NaOH 2% 6

7 Thống kê khảo sát kết hợp 2 tác nhân tiền xử lý 7

vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AIR: Acid-insoluble residue

ASL: Acid-soluble lignin

CFU: Colony forming unit

kGy: kilô gray

SHF: Separate Hydrolysis and Fermentation

SSF: Simultaneous Saccharification and Fermentation

SSCF: Simultaneous Saccharification and Co-Fermentation

mmHg: milimét thủy ngân

w/v: khối lượng trên thể tích

mL: mili Lít

µL: mico Lít

SDA: Sabouraud Dextrose Agar

SDB: Sabouraud Dextrose Broth

OD: Optical Density

DNS: Acid Dinitro-Salicylic

vii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các nguồn sản xuất bioethanol……… 4

Bảng 1.2 Ưu điểm và nhược điểm phương pháp nổ hơi……… 17

Bảng 1.3 Một số phương pháp lên men……… 26

Bảng 1.4 Đặc điểm một số loại nấm men………27

Bảng 2.1 Các hóa chất sử dụng……… 33

Bảng 2.2 Môi trường hoạt hóa và nhân giống nấm men Sabouraud Dextrose Broth (SDB).34 Bảng 2.3 Môi trường nuôi cấy nấm men Sabouraud Dextrose Agar (SDA)……… 34

Bảng 2.4 Thí nghiệm khảo sát thời gian tiền xử lý với tác nhân NaOH 1,5% 40

Bảng 2.5 Thí nghiệm khảo sát thời gian tiền xử lý với tác nhân NaOH 2% 40

Bảng 2.6 Thí nghiệm khảo sát thời gian tiền xử lý với tác nhân H2SO4 2% 40

Bảng 2.7 Thí nghiệm khảo sát thời gian tiền xử lý với tác nhân H2SO4 2,5% 41

Bảng 3.1 Kết quả khảo sát kết hợp 2 tác nhân tiền xử lý………53

Bảng 3.2 Kết quả lên men kiểm chứng………54

viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cấu trúc lignocellulose……… 7

Hình 1.2 A Cấu trúc mạch đơn cellulose B Cấu trúc sợi cellulose……… 8

Hình 1.3 Cấu trúc hemicellulose……… 9

Hình 1.4 Cấu trúc lignin………9

Hình 1.5 Cây cao su……….10

Hình 1.6 Khai thác gỗ cao su……… 11

Hình 1.7 Gỗ cao su thành phẩm……… 12

Hình 1.8 Sàn phẩm bàn ghế từ gỗ cao su……….12

Hình 1.9 Sơ đồ sản xuất bioethanol………13

Hình 1.10 Vụn gỗ trong quá trình chế biến gỗ……….… 14

Hình 1.11 Máy nghiền gỗ………15

Hình 1.12 Mùn cưa……… 15

Hình 1.13 Cơ chế quá trình nổ hơi……… 16

Hình 1.14 Quy trình tiền xử lý mùn cưa……… 18

Hình 1.15 Cơ chế hoạt động của enzyme……….23

Hình 1.16 Sơ đồ quá trình đường phân………25

Hình 1.17 Quá trình hô hấp kị khí………25

Hình 1.18 Tế bào nấm men……….29

Hình 2.1 Mùn cưa gỗ cao su………32

Hình 2.2 Quy trình lên men tạo bioethanol……… 42

Hình 3.1 Nấm men dưới kính hiển vi……… 43

Hình 3.2 Đường cong sinh trưởng của S.cerevisiae theo thời gian………44

Hình 3.3 Kết quả khảo sát kích thước hạt mùn cưa………45

Hình 3.4 Kết quả khảo sát hiệu quả của H2SO4……… 46

Hình 3.5 Phần trăm lignin tách ra khỏi mẫu sau tiền xử lý……….46

Hình 3.6 Phần trăm cellulose tăng lên trong mẫu sau tiền xử lý so với mẫu ban đầu……47

Hình 3.7 Kết quả khảo sát hiệu quả của NaOH……… 48

ix

Hình 3.8 Phần trăm lignin tách ra khỏi mẫu sau tiền xử lý………48

Hình 3.9 Lượng cellulose trong mẫu sau tiền xử lý so với mẫu ban đầu……… 49

Hình 3.10 Hiệu suất tiền xử lý bằng acid 2% theo thời gian……… 50

Hình 3.11 Hiệu suất tiền xử lý bằng acid 2,5% theo thời gian……… 50

Hình 3.12 Hàm lượng đường trong mẫu tiền xử lý acid 2% theo thời gian….………… 51

Hình 3.13 Hàm lượng đường trong mẫu tiền xử lý acid 2,5% theo thời gian….…………51

Hình 3.14 Hiệu suất tiền xử lý bằng base 1,5% theo thời gian….………52

Hình 3.15 Hiệu suất tiền xử lý bằng base 2% theo thời gian………52

Phụ lục Hình 1.1 Đường chuẩn Glucose………1

Hình 2.1 Đường chuẩn Cellulose……… 2

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Vấn đề năng lượng luôn là vấn đề cấp thiết đối với từng quốc gia trên thế giới Việc nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt còn làm tăng áp lực lên vấn đề năng lượng của từng quốc gia Hiện nay, giới khoa học đang hướng tới những nguồn năng lượng mới

để giải quyết những vấn đề cấp bách Một trong những nguồn năng lượng mới được nghiên cứu đó là bioethanol

Xăng sinh học là một nguồn năng lượng mới, vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu

để dần hoàn thiện hơn Việt Nam là một nước với tài nguyên thiên nhiên phong phú, mức

độ đa dạng sinh học cao Từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu và phát triển công nghệ sản xuất bioethanol Mặc dù là nước với nền công nghiệp lúa nước phát triển, sự

đa dạng về các loại cây giàu tinh bột nhưng không thể dùng nguồn tinh bột để tạo xăng sinh học, do vấn đề về an ninh lương thực [16]

Một ý tưởng được đề xuất để cải thiện những khó khăn này đó là dùng nguồn nguyên liệu từ gỗ để sản xuất xăng sinh học thế hệ 2, cụ thể là gỗ cao su Sản lượng cây cao su ở Việt Nam là tương đối lớn cộng thêm việc những phụ phẩm được tạo ra trong quá trình tiêu thụ gỗ cao su như là dăm gỗ Dăm gỗ được xem như phế phẩm của ngành công nghiệp sản xuất gỗ, gần như không có tác dụng gì Từ những tính chất trên, ngành công nghệ sinh học

đã đưa ra phương hướng giải quyết là tận dụng nguồn phế phẩm là dăm gỗ cao su để phục

vụ cho việc sản xuất xăng sinh học

Tuy nhiên, nếu dùng dăm gỗ thì sẽ không hiệu quả do diện tích tiếp xúc của nguyên liệu khá thấp, nên cần xay, nghiền ra thành dạng mùn cưa Các nghiên cứu về việc chuyển hóa sinh khối thành cồn sinh học bằng thủy phân và lên men đồng thời đã được nghiên cứu

từ rất lâu trên thế giới Nhưng các nghiên cứu chỉ mang tính chất tương đối và không thực

sự phù hợp với tình trạng hiện tại ở Việt Nam Bởi vì thực vật ở mỗi vùng trên thế giới thì đều có những đặc tính khác nhau, nên đôi khi áp dụng những công nghệ của những nước khác trên thế giới sẽ không thực sự hiệu quả ở Việt Nam

2

Từ những lý do trên mà đề tài “Nghiên cứu và khảo sát một số phương pháp tiền xử

lý phụ phẩm gỗ với mục đích lên men thành cồn sinh học” được đề xuất thực hiện

2 Tình hình nghiên cứu

Thông qua 2 đề tài:

- Raj Kumar, Sompal Singh, Om V Singh; 2008; “Bioconversion of lignocellulosic biomass: Biochemical and molecular perspectives”, J Ind Microbiol Biotechnol, 35:377-

391

- Antonie Margeot, Barbel Hahn-Hagerdal, Maria Edlund, Rapheal slade, Frederic

Monot, 2009, “New improvements for lignocellulosic ethanol”, Current Opinion In

Biotechnology, 20:372-380

Có thể thấy lignocellulose là nguồn nguyên liệu dồi dào, không những giúp hạn chế được sự cạnh tranh nguồn đất dùng cho sản xuất thực phẩm mà còn giúp cho việc tái sử dụng các nguồn phế liệu một cách hiệu quả nhất Việc sản xuất ethanol từ nguồn này đem lại nhiều nguồn lợi nhưng sự phát triển của nó đang bị hạn chế bởi những khó khăn về mặt lợi nhuận kinh tế và kỹ thuật chưa tối ưu

3 Mục đích nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu hiệu quả quá trình tiền xử lý đối với khả năng chuyển hóa mùn cưa gỗ cao su thành ethanol bằng phương pháp thủy phân và lên men đồng thời

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Các nghiên cứu chính trong đề tài là:

- Nghiên cứu quá trình tiền xử lý mùn cưa bằng NaOH và H2SO4

- Nghiên cứu khảo sát thời gian tiền xử lý, kết hợp các tác nhân tiền xử lý với nhau

- Tiến hành lên men kiểm chứng đánh giá hiệu quả quá trình tiền xử lý

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp được sử dụng để thu thập thông tin là thu thập thông tin được công bố trên mạng internet

Phương pháp được dùng để thống kê tính toán là Microsoft Excel 2013

3

6 Các kết quả đạt được của đề tài

Tìm ra nồng độ H2SO4 tối ưu nhất cho quá trình tiền xử lý là 2,5% thời gian tiền xử

lý tối ưu là 24 giờ Còn đối với NaOH nồng độ tối ưu là 2% thời gian tối ưu là 24 giờ Bên cạnh đó còn nghiên cứu kết hợp cả 2 tác nhân tiền xử lý đem lại kết quả tiền xử lý H2SO4

trước sau đó tiền xử lý lần 2 với NaOH cho kết quả tốt hơn khi dùng 1 tác nhân nhưng hiệu suất vẫn không quá chênh lệch, lại tốn hao chi phí hơn Tiền xử lý bằng NaOH sau đó tiền

xử lý lần 2 với H2SO4 cho kết quả thấp và không hiệu quả cho quá trình tiền xử lý

Kết quả lên men thử nghiệm quy trình công nghệ cho giá trị: xuất hiện cồn trong mẫu có giá trị từ 1,1 – 1,4 độ cồn Tuy không cao nhưng vẫn có thể sinh cồn, cần nghiên cứu tối ưu quy trình công nghệ để nâng cao lượng cồn sinh ra

- Chương 3: Kết quả và thảo luận

- Chương 4: Kết luận và đề xuất

Bioethanol hay còn được gọi là cồn sinh học thu được từ việc lên men sinh khối vi sinh vật từ nguồn nguyên liệu là các phụ phẩm của ngành nông nghiệp Điều này phù hợp với một nước có nền kinh tế nghiêng về nông nghiệp như Việt Nam Với nguồn nguyên liệu phụ phẩm dồi dào từ ngành nông nghiệp, việc sản xuất xăng sinh học là hoàn toàn phù hợp Các loại nguyên liệu có thành phần cấu tạo từ các đơn phân là đường (VD: tinh bột, cellulose,…) thông qua quá trình tiền xử lý, thủy phân sẽ tạo thành nguồn đường Sử dụng nguồn đường đó để cho vi sinh vật lên men sẽ tạo ra cồn sinh học Việc làm trên vừa giúp giải quyết vấn đề phụ phế phẩm nông nghiệp vừa tạo ra nguồn nhiên liệu Đây là một dạng năng lượng tái sinh.[9],[18],[3],[4]

1.1.2 Các thế hệ xăng sinh học

Bảng 1.1 Các nguồn sản xuất bioethanol.[5]

Là nguồn thực phẩm chính nên không thích hợp dùng làm nguyên liệu sản xuất

Bioethanol thế hệ 2 Phụ phẩm ngành

nông nghiệp như

Giải quyết được vấn

đề phụ phế phẩm ngành nông nghiệp

Hiệu suất chuyển hóa thấp

5

rơm, vỏ trấu, bã mía, mùn cưa,…

Bioethanol thế hệ 3 Các loại vi tảo sống

trong nước

Hiệu suất cao mà không ảnh hưởng đến vấn đề nguồn thực phẩm

Tốn diện tích nuôi trồng lớn

1.1.3 Quy trình sản xuất bioethanol

Quy trình sản xuất bioethanol thế hệ 2, gồm các bước cơ bản như sau:

Tiền xử lý: giúp loại bỏ các chất không phải cellulose để hỗ trợ cho việc thủy phân

cellulose Việc tiền xử lý có thể dùng các tác nhân như acid, base, nổ hơi,…

Thủy phân: dùng enzyme để thủy phân cellulose thành các đơn phân là đường để cho vi

sinh vật có thể sử dụng được

Lên men: dùng nguồn đường vừa thu được để làm nguồn thức ăn cho các chủng nấm men

để chúng có thể tăng sinh khối, sau đó là lên men để sinh cồn

Tinh sạch: dùng các phương pháp như chưng cất, tách nước, để thu bioethanol

1.1.4 Tình hình nghiên cứu sản xuất bioethanol

1.1.4.1 Trên thế giới

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 Bioethanol cho đồ uống là 7,5 tỷ lít (chiếm 15%)

Brazil là nước đi đầu trên thế giới trong việc sản xuất Bioethanol nhiên liệu từ mật

6

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 [19]

1.1.4.2 Ở Việt Nam

Năm 2005, Sở Khoa Học và Công Nghệ TPHCM đồng ý hỗ trợ kinh phí ban đầu cho nhóm nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực biomass giai đoạn 2005 - 2007 do tiến sĩ

Phan Đình Tuấn, đại học Bách Khoa TPHCM phụ trách

Năm 2009, công ty cổ phần đồng xanh (GFC) đã đưa vào hoạt động nhà máy sản xuất bioethanol với độ tinh khiết 99,8%, công suất chạy thử 50 triệu lít / năm.[20]

Nhà máy Nhiên liệu sinh học Phú Thọ huyện Tam Nông, Phú Thọ, công suất khoảng

100 triệu lít ethanol nhiên liệu/năm

Nhà máy Nhiên liệu sinh học Quãng Ngãi, khu kinh tế Dung Quất, Quãng Ngãi, công suất khoảng 100 triệu lít ethanol nhiên liệu/năm

Nhà máy Nhiên liệu sinh học Quảng Nam, Bình Phước, Đồng Nai…

Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015 và tầm nhìn 2025 nêu rằng: “Việt Nam sẽ đẩy mạnh phát triển nhiên liệu sinh học và mục tiêu dự kiến đến năm 2025 sẽ sản xuất và đưa vào sử dụng xăng E5 (95% xăng khoáng và 5% ethanol) và dầu B5 (95% diesel khoáng và 5% diesel sinh học) trên phạm vi cả nước, đáp ứng đủ nhu cầu thị trường Tình hình nghiên cứu:

Năm 2008, Nguyễn Đình Minh Hiệp với đề tài thạc sỹ “Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ “, khoa kỹ thuật hóa học,Đại học Bách Khoa TP.HCM

Năm 2009, Th.S Hoàng Minh Nam báo cáo đề tài “Nghiên cứu công nghệ và thiết

bị liên tục xử lý rơm rạ bằng hơi nước để lên men ethanol”, Đại học Bách Khoa TP.HCM

Năm 2012, Phan Đình Tuấn với bài báo “Phát triển nhiên liệu sinh học hướng đến xây dựng mô hình biomass town ở Việt Nam”, Đại học Bách khoa ĐHQG TP HCM

Năm 2018, Hồ Sĩ Thoảng với bài báo “Nhiên liệu sinh học tiên tiến: hướng phát

triển bền vững của nhiên liệu tái tạo”, hội Dầu Khí Việt Nam

7

1.2 Nguồn nguyên liệu dùng cho sản xuất xăng sinh học thế hệ 2

1.2.1 Cấu trúc nguồn nguyên liệu

Nguồn nguyên liệu sử dụng ở đây là mùn cưa, thuộc nhóm nguồn nguyên liệu từ lignocellulose Lignocellulose là tên gọi chung chỉ các thực vật có cấu trúc được tạo thành

từ các thành phần chính là cellulose, hemicellulose, lignin theo tỉ lệ giảm dần

Hình 1.1 Cấu trúc lignocellulose

(Nguồn: Almarsdóttir & Gunnarsson,2009)

Các sợi cellulose xếp với nhau tạo thành dạng bó thẳng, đan xen xung quanh là mạng lưới hemicellulose, ngoài cùng được bao bọc bởi lớp lignin Cả 3 thành phần này liên kết với nhau chặt chẽ, lớp lignin có nhiệm vụ bảo vệ các thành phần ở trong, ngăn các enzyme thủy phân cellulose

Các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản Các sợi này được gắn lại với nhau nhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi, với chiều rộng khoảng 25 nm Các vi sợi này được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp bảo vệ cellulose khỏi sự tấn công của enzyme cũng như các hóa chất trong quá trình thủy phân [8]

1.2.2 Cellulose

Cellulose là một polymer mạch thẳng gồm các anhydroglucose trong mối liên kết 1,4 - glucoside Mức độ trùng hợp của cellulose tự nhiên có thể đạt 10.000 - 14.000 đơn vị

β-8

glucose trên phân tử, khối lượng tương ứng là 1,5 triệu dalton với chiều dài phân tử có thể lớn hơn hoặc bằng 5 µm

So với tinh bột, cellulose khó tan hơn nhiều Để chuyển từ trạng thái tinh thể sang

vô định hình, tinh bột cần đun nóng khoảng 60 - 700C trong nước, còn cellulose cần nhiệt

độ tới 3200C và áp suất 25 mPa Về mặt hóa học, cellulose có thể bị phân hủy thành glucose với acid ở nhiệt độ cao

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 tinh thể và vô định hình Trong vùng tinh thể, 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 [9]

Hình 1.2 A.Cấu trúc mạch đơn cellulose B Cấu trúc sợi cellulose

(Nguồn: CHEMIK 2013,67,3,241-249)

1.2.3 Hemicellulose

Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng 70 đến 200 đơn phân Hemicellulose chứa cả đường 6 gồm glucose, mannose và galactose và

Hình 1.4 Cấu trúc lignin

(Nguồn:

http://www.davidmoore.org.uk/Assets/Mostly_Mycology/Lucy_Goodeve-Docker_bioremediation_website/whatislignin.htm)

10

Cấu trúc của lignin đa dạng, tùy thuộc vào từng loại gỗ, tuổi của cây hoặc cấu trúc của nó trong gỗ Lignin có liên kết hóa học với thành phần hemicellulose và ngay cả với cellulose (không nhiều) [9]

1.2.5 Phụ phẩm gỗ từ cây cao su

Cao su (danh pháp hai phần: Hevea brasiliensis), là một loài cây thân gỗ thuộc về

họ Đại kích (Euphorbiaceae) và là thành viên có tầm quan trọng kinh tế lớn nhất trong chi Hevea Nó có tầm quan trọng kinh tế lớn là do chất lỏng chiết ra tựa như nhựa cây của nó

(gọi là mủ) có thể được thu thập lại như là nguồn chủ lực trong sản xuất cao su tự nhiên

Cây cao su có thể cao tới trên 30 m Nhựa mủ màu trắng hay vàng có trong các mạch nhựa mủ ở vỏ cây, chủ yếu là bên ngoài libe Các mạch này tạo thành xoắn ốc theo thân cây theo hướng tay phải, tạo thành một góc khoảng 30 độ với mặt phẳng

Hình 1.5 Cây cao su

(Nguồn: http://24hbinhphuoc.com.vn/dau-gia-cay-cao-su-thanh-ly-tai-binh-phuoc/)

Khi cây đạt độ tuổi 5 - 6 năm thì người ta bắt đầu thu hoạch nhựa mủ: các vết rạch vuông góc với mạch nhựa mủ, với độ sâu vừa phải sao cho có thể làm nhựa mủ chảy ra mà không gây tổn hại cho sự phát triển của cây, và nhựa mủ được thu thập trong các thùng nhỏ

11

Quá trình này gọi là cạo mủ cao su Các cây già hơn cho nhiều nhựa mủ hơn, nhưng chúng

sẽ ngừng sản xuất nhựa mủ khi đạt độ tuổi 26 - 30 năm

Gỗ từ cây cao su được sử dụng trong sản xuất đồ gỗ Nó được đánh giá cao vì có thớ

gỗ dày, ít co, màu sắc hấp dẫn và có thể chấp nhận các kiểu hoàn thiện khác nhau Nó cũng được đánh giá như là loại gỗ "thân thiện môi trường", do người ta chỉ khai thác gỗ sau khi cây cao su đã kết thúc chu kỳ khai thác

về sản lượng cao su thiên nhiên, sau Thái Lan, Indonesia, Malaysia và Ấn Độ.[21]

Phần cành, nhánh, vỏ cây…là phụ phẩm của quá trình sản xuất lâm nghiệp này, ước tính chiếm đến 20% khối lượng tổng thể của cả cây Phần phụ phẩm thường được băm nghiền thành mùn cưa để bán với giá thành tương đối thấp nhưng vẫn còn lãng phí rất nhiều

vì không được sử dụng hết Nguồn lignocellulose này chính là nguồn nguyên liệu rất tiềm năng để chuyển hóa thành cồn sinh học

12

Với lượng lớn diện tích cao su như ở Việt Nam thì nguồn phụ phẩm gỗ từ việc khai thác, chế biến gỗ cao su là rất lớn, phần phụ phẩm dư thừa ra rất nhiều mà chưa có biện pháp xử lý thỏa đáng Việc nghiên cứu dùng mùn cưa từ gỗ cao su để tạo cồn sinh học giúp vừa giải quyết vấn đề năng lượng, vừa giải quyết vấn đề phụ phẩm gỗ dư thừa

13

1.3 Quá trình sản xuất bioethanol từ mùn cưa gỗ cao su

1.3.1 Sơ đồ khái quát

Hình 1.9 Sơ đồ sản xuất bioethanol

1.3.2 Tiền xử lý

Để enzyme có thể thủy phân cellulose thành đường, việc đầu tiên cần loại bỏ đi các thành phần không phải cellulose như lignin.Lignin đóng vai trò bảo vệ bên ngoài ngăn không cho enzyme tấn công vào các phân tử cellulose Quá trình tiền xử lý sẽ giúp loại bỏ

đi lớp lignin

Quá trình tiền xử lý nhằm:

- Tăng vùng vô định hình của cellulose

- Tăng kích thước lỗ xốp trong cấu trúc sợi biomass

- Phá vỡ sự bao bọc của lignin đối với cellulose

14

1.3.2.1 Tiền xử lý bằng phương pháp vật lý

a) Phương pháp nghiền cơ học

Nghiền là phương pháp cơ học nhằm làm nhỏ nguyên liệu gỗ Mục đích để phá vỡ cấu trúc gỗ, loại bỏ đi một phần lignin Ngoài ra còn giúp tăng diện tích tiếp xúc của nguyên

liệu đối với các tác nhân tiền xử lý

Hình 1.10 Vụn gỗ trong quá trình chế biến gỗ

Vụn gỗ là loại phế phẩm còn thừa lại từ việc chế biến gỗ cao su sẽ được thu hồi lại Sau đó các vụn gỗ này sẽ được nghiền nhỏ ra thành dạng mùn cưa Để tăng tính chính xác cho quy trình thí nghiệm, nguyên liệu sau khi nghiền nhỏ còn được rây để tạo tính đồng đều về kích thước Bởi vì nếu để nguyên liệu dạng to thì diện tích tiếp xúc với tác nhân thấp, tác nhân tiền xử lý không tiếp xúc đồng đều với các hạt to nhỏ khác nhau, dẫn đến thí nghiệm cho kết quả không chính xác Nhưng nếu chỉ nghiền thì vẫn có sự chênh lệch kích thước, cần bổ sung thêm công đoạn rây để đảm bảo kích thước hạt đồng đều nhất có thế

15

Hình 1.11 Máy nghiền gỗ

(Nguồn: http://cokhisaobacviet.com/p2216498/may-nghien-go-cong-suat-lon)

Hình 1.12 Mùn cưa

16

b) Phương pháp nổ hơi

 Cơ chế quá trình nổ hơi

Nổ hơi là quá trình kết hợp cơ - nhiệt - hóa phá vỡ cấu trúc của nguyên liệu bằng nhiệt ở dạng hơi nước, lực cắt sinh ra do sự giãn nở của hơi nước và thủy phân các liên kết glycoside

Hình 1.13 Cơ chế quá trình nổ hơi

Giai đoạn 1, nước dưới áp suất cao khuếch tán vào cấu trúc lignocellulose và làm

ẩm nguyên liệu Ẩm trong nguyên liệu sẽ thủy phân các nhóm acetyl trong hemicellulose tạo thành các acid hữu cơ như acid acetic và acid uronic Các acid mới được sinh ra sẽ xúc tác quá trình depolymer hóa hemicellulose, giải phóng xylan và môt phần glucan

Giai đoạn 2, ẩm trong nguyên liệu sẽ hóa hơi đột ngột khi áp suất hạ đột ngột từ rất cao khoảng vài chục atm xuống còn áp suất khí quyển Hiện tượng này giống hiện tượng

nổ Nguyên liệu được tống mạnh ra khỏi thiết bị nổ hơi qua một lỗ nhỏ bởi lực ép Tại đây

sẽ xảy ra vài hiện tượng Đầu tiên, ẩm ngưng tụ trong nguyên liệu bốc hơi tức thời do áp suất giảm đột ngột Sự giãn nở của hơi nước sẽ gây ra lực cắt xung quanh nguyên liệu Nếu lực cắt này đủ lớn, hơi nước sẽ gây ra sự phá hủy cơ học lên cấu trúc lignocellulose.[1]

 Yếu tố ảnh hưởng

Thời gian lưu: thời gian lưu ảnh hưởng đến sự thủy phân của hemicellulose Thời

gian lưu của nguyên liệu trong thiết bị phản ứng càng dài thì hemicellulose được thủy phân

17

càng nhiều Nhưng nếu giữ nguyên liệu ở trong thiết bị quá lâu sẽ dẫn đến sự phân hủy các sản phẩm thủy phân tạo ra các sản phẩm không cần thiết Việc thủy phân hemicellulose giúp cho quá trình thủy phân cellulose diễn ra thuận lợi hơn

Nhiệt độ: nhiệt độ có mối quan hệ chặt chẽ với áp suất trong thiết bị Nhiệt độ càng

cao thì áp suất càng cao và ngược lại Sự gia tăng áp suất làm tăng sự chênh lệch giữa áp suất trong thiết bị và áp suất khí quyển Từ đó ảnh hưởng đến lực cắt của ẩm khí hóa hơi

 Ưu điểm và nhược điểm

Bảng 1.2 Ưu điểm và nhược điểm phương pháp nổ hơi

Hemicellulose bị thủy phân trong quá trình

nổ hơi

Sự nổ hơi thúc đẩy việc loại bỏ lignin

Tốn chi phí, năng lượng để vận hành thiết

bị

Có thể thủy phân cả cellulose Mất đi đường từ hemicellulose Trong giai đoạn 1 của quá trình sinh ra fufural và 5 - hydroxymethyl fufural gây ức chế vi sinh vật cản trở lên men

 Do điều kiện phòng thí nghiệm nơi thực hiện đề tài này không thể thực hiện quá trình

nổ hơi Nên chỉ sử dụng phương pháp tiền xử lý bằng tác nhân hóa học

1.3.2.2 Tiền xử lý bằng tác nhân hóa học

Các phương pháp tiền xử lý hóa học được sử dụng thường xuyên hơn các phương pháp tiền xử lý sinh học hoặc vật lý vì chúng có hiệu quả hơn và tăng cường sự phân hủy sinh học của các hợp chất phức tạp Các hóa chất thường được sử dụng trong phương pháp tiền xử lý hóa học để cải thiện hiệu suất lên men là H2SO4 và NaOH

Quy trình công nghệ tiền xử lý như hình 1.14

ăn mòn nên cần yêu cầu thiết bị cần có khả năng chống ăn mòn Ngoài ra cần phải xử lý trước khi thải ra môi trường, không thật sự hiệu quả về mặt kinh tế

Thủy phân bằng acid pha loãng đã được nghiên cứu và phát triển để xử lý vật liệu lignocellulose Các báo cáo trước đây cho thấy acid nồng độ dưới 4% cho hiệu quả cao và tiết kiệm chi phí hơn Trước đây các nhà nghiên cứu đã sử dụng H2SO4 để sản xuất thương

19

mại fufural từ vật liệu cellulose Mà fufural là chất ức chế vi sinh vật, như vậy fufural sinh

ra từ tiền xử lý bằng acid sẽ gây hại cho quá trình lên men

Tác nhân được nghiên cứu rộng rãi nhất là H2SO4 Người ta sử dụng H2SO4 loãng

để xử lý nguyên liệu gỗ và quan sát thấy rằng chỉ số kết tinh vẫn tăng lên do tác động của quá trình tiền xử lý Có thể giải thích hiện tượng này là acid đã loại bỏ các phần vô định hình chỉ chừa lại những phần tinh thể

Gần đây, tiền xử lý bằng acid loãng được tiến hành trên hàng loạt nguyên liệu khác nhau từ thân gỗ cho đến thân thảo và các phế phẩm nông nghiệp Lu và các cộng sự, đã thí nghiệm tiền xử lý trên nguyên liệu là cây ngô phơi khô với nồng độ acid là 2%, 4%, 6% ở nhiệt độ 80 oC, 60 oC và 120oC Kết quả cho thấy điều kiện tối ưu để tiền xử lý cây ngô phơi khô là ở nồng độ 2% thời gian 43 phút ở 120oC [15]

Người ta đã nghiên cứu sản xuất đường để phục vụ cho quá trình lên men từ sinh khối cây ô liu bằng cách tiền xử lý với acid loãng trong bài báo cáo của Cara và cộng sự [10] Họ tiến hành tiền xử lý bằng acid sulfuric ở các nồng độ 0,2%, 0,6%, 1%, 1,4% và nhiệt độ thay đổi trong khoảng 170 - 210oC Kết quả cho thấy ở nồng độ 1%, nhiệt độ 170oC đạt hiệu quả cao nhất, nhưng vẫn chưa nâng cao được hiệu suất thủy phân của enzyme

Mặc dù tiền xử lý bằng acid loãng có thể cải thiện đáng kể sự thủy phân cellulose Nhưng nó vẫn có những nhược điểm như tiền xử bằng acid đậm đặc Ở quy mô công nghiệp chi phí nó thường cao hơn so với phương pháp tiền xử lý bằng nổ hơi Cần phải trung hòa nguyên liệu trước khi đưa vào giai đoạn thủy phân, lên men Trước khi thải bỏ phần dịch tiền xử lý ra môi trường vẫn cần phải trung hòa pH Tiền xử lý bằng acid còn có ảnh hưởng tiêu cực tới quá trình lên men Cụ thể là sinh fufural, một hợp chất ức chế vi sinh vật.[17]

b) Tiền xử lý bằng NaOH

Tiền xử lý bằng kiểm làm tăng bề mặt tiếp xúc, giảm mức độ trùng hợp, giảm độ kết tinh của các tinh thể, phá hủy liên kết giữa lignin và các thành phần khác, phá hủy lignin

So với tiền xử lý bằng acid thì tiền xử lý bằng kiềm ít làm thất thoát đường hơn

Tiền xử lý bằng kiềm cho hiệu quả cao đối với các nguyên liệu có nồng độ lignin thấp, nguyên liệu càng chứa nhiều lignin, hiệu quả tiền xử lý càng thấp Kiềm còn giúp loại

20

bỏ các nhóm acetyl tạo hiệu quả tích cực đối với quá trình thủy phân, ngăn cản sự hình thành fufural Tuy nhiên vẫn có mối lo ngại về việc xả thải dịch tiền xử lý ra môi trường do cần phải trung hòa thì mới có thể xả thải ra môi trường

Tác nhân kiềm được nghiên cứu nhiều nhất là NaOH Bên cạnh đó vôi cũng được nghiên cứu khá phổ biến Quá trình thủy phân của enzyme đối với sinh khối được xử lý bằng vôi bị ảnh hưởng bởi các đặc điểm cấu trúc của nguyên liệu

Chang và cộng sự [11] đã có bài báo cáo nói về sự tương quan giữa khả năng thủy phân của enzyme và ba yếu tố cấu trúc: hàm lượng lignin, độ kết tinh và mức độ acetyl hóa

Họ kết luận rằng:

1 Bề mặt tiếp xúc đủ lớn thì hiệu quả cao bất kể hàm lượng acetyl hay độ kết tinh

2 Tách lignin và tách nhóm acetyl giúp loại bỏ các rào cản để enzyme dễ dàng tấn công vào vật liệu hơn

3 Mức độ kết tinh ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ thủy phân ban đầu nhưng không

ảnh hưởng nhiều đến lượng đường sau cùng

Những kết quả này cho thấy rằng quá trình tiền xử lý vật liệu lignocellulose hiệu quả nên loại bỏ tất cả các nhóm acetyl và giảm lượng lignin xuống khoảng 10% trong sinh khối

đã xử lý Do đó, tiền xử lý bằng kiềm đóng vai trò quan trọng trong việc làm lộ ra cellulose

để enzyme có thể thủy phân Việc loại bỏ đi lignin là loại bỏ đi các vị trí không thể tiếp cận đối với enzyme, giúp enzyme dễ dàng tiếp cận với cellulose

Kim và cộng sự [13], đã tiến hành thí nghiệm trên cây ngô phơi khô với tác nhân Ca(OH)2 với nồng độ 0,5g/1g sinh khối, trong điều kiện có oxy và không có oxy ở nhiệt

độ 25, 35, 45 và 55oC Kết quả cho thấy sự tách các nhóm acetyl không có sự khác biệt trong điều kiện có oxy và không có oxy ở 55oC, còn quá trình tách lignin thì rất phụ thuộc nhiệt độ và oxy

Kong và cộng sự [14] đã có báo cáo rằng kiềm loại bỏ các nhóm acetyl từ hemicellulose (chủ yếu là xylan) do đó làm tăng cường khả năng thủy phân của enzyme

Họ kết luận rằng hàm lượng đường trong quá trình thủy phân có liên quan trực tiếp đến số lượng nhóm acetyl

21

Tác nhân NaOH loãng để tiền xử lý nguyên liệu lignocellulose có hiệu quả gia tăng diện tích tiếp xúc của bề mặt bên trong, giảm mức độ trùng hợp, giảm độ kết tinh, tách liên kết giữ lignin và các thành phần khác, phá hủy cấu trúc lignin Khả năng thủy phân của enzyme đối với gỗ cứng được xử lý bằng NaOH tăng từ 14% lên 55%, hàm lượng lignin giảm từ 24 - 50% xuống còn 20%

Chosdu và cộng sự [12] sử dụng kết hợp chiếu xạ và 2% NaOH để tiền xử lý thân cây ngô, vỏ sắn và vỏ trấu Năng suất glucose của thân cây ngô là 20% trong các mẫu không

xử lý so với 43% sau khi xử lý bằng chiếu xạ ở 500 kGy và 2% NaOH, nhưng năng suất glucose của vỏ sắn và vỏ đậu phộng chỉ là 3,5% và 2,5%

 Vì vậy để tối ưu cho quá trình tiền xử lý, có thể nghiên cứu kết hợp cả tác nhân

acid và tác nhân base Tác nhân acid không thực sự hiệu quả nhưng vẫn có những hỗ trợ

nhất định cho quá trình tiền xử lý Tác nhân base thì hiệu quả với các vật liêu lignocellulose nhưng cả 2 tác nhân vẫn phải trung hòa để thải ra ngoài môi trường việc đó làm tiêu tốn thêm một lượng lớn hóa chất để có thể trung hòa sau khi tiền xử lý Nên việc kết hợp với tác nhân base đem lại nhiều lợi ích như:

- Trung hòa pH của nguyên liệu

- Trung hòa phần dịch thải

- Nâng cao hiệu suất tiền xử lý

1.3.3 Thủy phân

Sau quá trình tiền xử lý, cellulose và hemicellulose sẽ bị thủy phân thành các đường đơn (hexoses và pentoses) Ở đây, ta 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 axit thủy phân hoặc enzyme thủy phân:

- Thủy phân bằng acid: 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

22

có thể ảnh hưởng không tốt đến quá trình lên men như các acid hữu cơ có trọng lượng phân

tử thấp, dẫn xuất furan và các hợp chất vô cơ

- Thủy phân bằng enzyme: 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 Nguồn thu enzyme cellulase lớn nhất hiện nay là vi sinh vật (nấm, vi khuẩn) Nhiều

loài nấm như Trichoderma, Penicillium, Aspergillus, và T Emersonii có thể sản sinh ra một

số lượng lớn cellulase và hemicellulase ngoại bào Cơ chế xúc tác enzyme (hình 1.13) thường trải qua 3 giai đoạn theo sơ đồ sau:

E + S → ES → P + E Trong đó: E là enzyme, S là cơ chất, ES là phức hợp enzyme – cơ chất, P là sản phẩm

Các loại liên kết chủ yếu được tạo thành giữa E và S trong phức hợp ES là tương tác tĩnh điện, liên kết hydro và liên kết Van der Waals Mỗi loại liên kết đòi hỏi những điều kiện khác nhau và chịu ảnh hưởng khác nhau khi có nước

Quá trình thủy phân cellulose ở đây được thực hiện bởi enzyme Cellulase là một phức hệ enzyme có tác dụng thuỷ phân liên kết 1,4–β-glucoside trong cellulose tạo ra sản phẩm glucose Nguồn thu enzyme cellulase lớn nhất hiện nay là vi sinh vật (nấm, vi khuẩn)

Vật liệu lignocellulose bị thủy phân bằng enzyme ở điều kiện (50°C và pH ~ 5), cho phép phân cắt cellulose và hemicellulose một cách hiệu quả mà không hình thành nên các sản phẩm phụ có thể ức chế hoạt động của enzyme Giá thành của enzyme này khá cao từ 0,3 đến 0,81 dollar/gam Hiện nay, yêu cầu cụ thể đặt ra với enzyme là cellulase phải có giá thành rẻ, hoạt tính đặc hiệu cao, độ ổn định cao, chịu được pH và nhiệt độ

23

Hình 1.15 Cơ chế hoạt động của enzyme

(Nguồn:

http://hoahocvasinhhoc.blogspot.com/2015/06/nhung-yeu-to-anh-huong-toi-hoat-ong-cua.htmL)

Giai đoạn thứ nhất: enzyme kết hợp với cơ chất bằng liên kết yếu tạo thành phức hợp

enzyme – cơ chất không bền, phản ứng này xảy ra rất nhanh và đòi hỏi năng lượng hoạt hóa thấp

Giai đoạn thứ hai: xảy ra sự biến đổi cơ chất dẫn tới sự kéo căng và phá vỡ các liên kết

đồng hóa trị tham gia phản ứng

Giai đoạn thứ ba: tạo thành sản phẩm, còn enzyme được giải phóng dưới dạng tự do

24

Mặc dù phổ biến trên trái đất, cellulose lại rất bền vững và khó bị phá vỡ vì cellulose

có độ kết tinh cao, không tan trong nước, có khả năng chống lại các quá trình depolymer hóa Quá trình thủy phân cellulose tạo thành glucose được thực hiện nhờ sự tác dụng hiệp đồng của 3 enzyme khác nhau:

Endo-1,4-β-glucanases (EG) hay 1,4-β-D-glucan 4-glucanohydrolases (EC3.2.1.4),

enzyme này sẽ tấn công ngẫu nhiên vào các cơ chất 1,4-β-glucan cả tan và không tan

Exo-1,4-β-D-glucanases bao gồm 1,4-β-D-glucan glucohydrolase(EC 3.2.1.74),

enzyme này có tác dụng giải phóng glucose từ1,4-β-glucan và thủy phân chậm cellobiose; ngoài ra còn có enzyme 1,4-β-D-glucan cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91) (CBH), enzyme này sẽ giải phóng cellobiose từ 1,4-β-glucan

D-β-D-glucosidase hay còn gọi là β–D -glucoside glucohydrolase (EC 3.2.1.21) có tác

dụng tạo thành D-glucose từ cellobiose là cellodextrin, cũng như các olygomer của glucose

1.3.4 Lên men

1.3.4.1 Cơ sở sinh hóa :

Theo định nghĩa của Pasteur lên men thực chất là quá trình kỵ khí xảy ra đối với hoạt động của vi sinh vật để thu năng lượng, trong đó hydro được tách ra và chuyển đến cho chất nhận là hợp chất hữu cơ được tạo thành trong chuỗi biến đổi hóa sinh

Tuy nhiên thuật ngữ lên men đến nay được hiểu là tất cả các quá trình biến đổi do vi sinh vật được thực hiện trong điều kiện yếm khí (thiếu oxy) hay hiếu khí (có oxy) Khi nguồn đường vào trong tế bào nấm men nó sẽ xảy ra các biến đổi sinh hóa trước tiên, sau

đó mới xảy ra quá trình lên men Quá trình đầu tiên là quá trình đường phân Quá trình đường phân là một chuỗi các phản ứng sinh hóa biến đổi nguyên liệu ban đầu là glucose thành sản phẩm cuối cùng là pyruvate và năng lượng dưới dạng ATP Những sảng phẩm tạo ra từ quá trình đường phân sẽ là nguyên liệu tiếp theo cho quá trình lên men của vi sinh vật Quá trình đường phân được thể hiện qua hình 1.15

26

1.3.4.2 Một số phương pháp lên men

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

Bảng 1.3 Một số phương pháp lên men.[7]

Tốc độ đường hóa bị ảnh hưởng mạnh bởi

sự ức chế sản phẩm cuối đối với enzyme

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

Giảm lượng enzyme dùng cho quá trình

Cho hiệu suất ethanol cao

Đòi hỏi điều kiện vô trùng thấp

Thời gian lên men ngắn

Nhiệt độ tối ưu cho enzyme thủy phân và nấm men chuyển hóa đường thành ethanol hoàn toàn khác nhau

Cần phải lựa chọn được điều kiện nhiệt độ

và pH gắn với điều kiện tối ưu của mỗi quá trình riêng

Ethanol tạo thành sẽ quay lại ức chế enzyme cellulose làm cho lượng ethanol thu được không cao

Cơ chế thủy phân không hoàn toàn nên lượng glucose do enzyme cellulase tạo ra

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

Nhiệt độ của quá trình thủy phân enzyme

và lên men ethanol khác nhau đáng kể, làm cho quá trình 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

1.3.4.3 Một số loại nấm men

Có rất nhiều loại vi sinh vật khác nhau bao gồm vi khuẩn, nấm men và nấm sợi có

thể lên men đường từ quá trình thủy phân nguồn nguyên liệu lignocellulose thành ethanol

Bảng 1.4 Đặc điểm một số loại nấm men.[6]

E Coli Z mobilis S cerevisiae P stipitis

Lên men galactose và