Nghiên Cứu Công Nghệ Chuyển Hóa Gỗ (Tràm Bông Vàng) Thành Bioethanol Bằng Phương Pháp Shf

Quá trình lên men sản xuất ethanol gồm các khâu: tiền xử lý nguyên liệu và 2 giai đoạn: Thủy phân nguyên liệu đường hóa và lên men.. Phương pháp sản xuất bioethanol từ gỗ tràm bông vàng

TRẦN THỊ TƯỞNG AN (giảng viên hướng dẫn)

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017

Page 1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do bản thân thực hiện và không sao chép dưới bất kỳ hình thức nào Nghiên cứu do tôi tiến hành tại phòng thí nghiệm Nhiên liệu sinh học và Biomass, ĐH Bách Khoa, ĐH Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh Các số liệu trong đề tài có nguồn gốc rõ ràng, tuân thủ đúng nguyên tắc Kết quả trình bày trong đề tài được thu thập trong quá trình nghiên cứu là trung thực và chưa từng được công bố trước đây

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nội dung khoa học đề tài nghiên cứu này

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Văn Bảo Huy

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, xin gửi đến TS Nguyễn Đình Quân, ThS Trần Thị Tưởng An cùng anh Nguyễn Anh Duy và các bạn Nguyễn Minh Thiện, Võ Thị Thảo Trang, Trần Thị Ánh Nguyệt đang nghiên cứu và làm đồ án tại phòng thí nghiệm Nhiên liệu sinh học và Biomass, ĐH Bách Khoa, ĐH Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh lời cảm tạ sâu sắc vì đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt trong suốt thời gian qua

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý thầy cô của trường Đại học Công Nghệ Tp HCM nói chung, quý thầy cô khoa Công Nghệ Sinh Học – Thực Phẩm – Môi Trường nói riêng đã tận tình dạy dỗ, giúp em hoàn thiện kiến thức, các kỹ năng chuyên môn và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập

Đặc biệt, con xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ba mẹ đã nuôi dạy con nên người

Ba mẹ luôn là chỗ dựa vững chắc nhất để con bước đi trên con đường đời khi vấp ngã luôn có ba mẹ động viên tinh thần cho con

Vì chưa có nhiều kinh nghiệm, chỉ dựa vào kiến thức hạn hẹp cùng với thời gian ngắn ngủi nên chắc chắn không tránh khỏi những sai sót Kính mong nhận được sự góp

ý của quý thầy, cô để kiến thức của chúng em ngày càng hoàn thiện hơn, rút ra được những kinh nghiệm bổ ích cho quá trình học tập, làm việc sau này

Cuối cùng, xin kính chúc quý thầy cô của trường Đại học Công Nghệ Tp HCM dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp cao quý của mình Đồng kính chúc quý thầy cô, anh chị và các bạn của phòng thí nghiệm Nhiên liệu sinh học và Biomass,

ĐH Bách Khoa, ĐH Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh luôn dồi dào sức khỏe và đạt được nhiều thành công tốt đẹp trong cuộc sống

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Văn Bảo Huy

i

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1.1 Sơ lược về cồn sinh học 4

1.1.1 Khái niệm 4

1.1.2 Các thế hệ bioethanol 4

1.1.3 Tình hình sản xuất bioethanol thế giới và trong nước 5

1.1.4 Quy trình sản xuất bioethanol 7

1.2 Nguyên liệu lignocellulose 8

1.2.1 Khái niệm 8

1.2.2 Thành phần cấu trúc lignocellulose 9

1.3 Cây tràm bông vàng ở Việt Nam (Acacia auriculiformis) 11

1.3.1 Sơ lượt về cây tràm bông vàng 11

1.3.2 Phương pháp sản xuất bioethanol từ gỗ tràm bông vàng 13

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 23

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

2.1 Địa điểm và thời gian nghiên cứu 27

2.2 Nguyên vật liệu 27

2.2.1 Mùn cưa từ gỗ cây tràm bông vàng 27

2.2.2 Acremonium cellulase 27

2.2.3 Saccharomyces cerevisiae 28

2.2.4 Hóa chất sử dụng 28

2.3 Các thiết bị sử dụng 29

2.4 Bố trí thí nghiệm 31

ii

2.4.1 Sơ đồ quy trình 32

2.4.2 Trình tự và Bố trí thí nghiệm 33

2.5 Các phương pháp phân tích 41

2.5.1 Phương pháp phân tích hàm lượng ẩm 41

2.5.2 Phương pháp phân tích thành phần cellulose, lignocellulose, lignin và hàm lượng tro trong nguyên liệu biomass 42

2.5.3 Phương pháp cấy và giữ giống nấm men 46

2.5.4 Phương pháp nhân giống và hoạt hóa giống nấm men 46

2.5.5 Định lượng mật độ tế bào bằng phương pháp đếm khuẩn lạc 47

2.5.6 Phương pháp xác định hai loại đường và ethanol bằng máy HPLC 47

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 48

3.1 Khảo sát chủng nấm men S.cerevisiae sử dụng trong đề tài 48

3.1.1 Đặc điểm hình thái của nấm men 48

3.1.2 Đường cong sinh trưởng của S.cerevisiae 48

3.2 Phân tích mẫu nguyên liệu ban đầu 50

3.3 Tiền xử lý 50

3.3.1 Khảo sát kích thước nguyên liệu 50

3.3.2 Chọn tác chất tiền xử lý 51

3.3.3 Thành phần mẫu sau tiền xử lý với NaOH 53

3.3.4 Thời gian tiền xử lý và tỉ lệ khối lượng mẫu/ khối lượng dung dịch 54

3.4 Quá trình thủy phân 55

3.4.1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình thủy phân 55

3.4.2 Khảo sát tác động của tỷ lệ enzyme bổ sung đến quá trình thủy phân 56

3.4.3 Khảo sát pH ảnh hưởng đến quá trình thủy phân 58

3.4.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thủy phân 59

3.5 Khảo sát lên men 60

3.5.1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình lên men 60

3.5.2 Khảo sát ảnh hưởng của pH môi trường ban đầu đối với hiệu quả của quá trình lên men 61

iii

3.5.3 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình lên men 63

3.5.4 Khảo sát tỷ lệ nấm men bổ sung trong quá trình lên men 63

3.5.5 Khảo sát ảnh hưởng của thành phần chất dinh dưỡng bổ sung 64

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 66

4.1 Kết luận 66

4.2 Đề nghị 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC

iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

- CSL: Corn steep liquor

- HPLC: High Performance Liquid Chromatography

- KHV: Kính hiển vi

- STT: Số thứ tự

- SHF: Separate Hydrolysis and Fermentation

- SSF: Simultaneous Saccharification Fermentation

- SSCF: Simultaneous Saccharification and Cofermentation

- UV-VIS: Ultraviolet–visible spectroscopy

- VSV: Vi sinh vật

v

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Tình hình một số nhà máy bioethanol tại Việt Nam……… 6

Bảng 1.2 Thành phần của vài loại lignocellulose……….9

Bảng 1.3 Ưu, nhược điểm của một số phương pháp lên men……….14

Bảng 1.4 Các phương pháp tiền xử lý hiện nay……… 17

Bảng 2.1 Các hóa chất sử dụng……… …28

Bảng 2.2 Bố trí thí nghiệm xác định kích thước hạt thích hợp……… ………33

Bảng 2.3 Bố trí thí nghiệm lựa chọn tác nhân tiền xử lý………….………35

Bảng 2.4 Bố trí thí nghiệm xác định thời gian tiền xử lý………36

Bảng 2.5 Bố trí thí nghiệm xác định tỉ lệ bã/dung dịch……… ………37

Bảng 3.1 thành phần phần trăm các chất có trong mẫu mùn cưa gỗ ban đầu….50 Bảng 3.2 Thành phần phần trăm các chất có trong mẫu mùn cưa gỗ tràm bông vàng sau khi tiền xử lý với NaOH 4% 53

vi

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Quy trình sản xuất bioethanol……….8

Hình 1.2 Công thức hóa học của cellulose………9

Hình 1.3 Các dạng cấu trúc của hemicellulose …….……….10

Hình 1.4 Các đơn vị cơ bản của lignin………11

Hình 1.5 Gỗ và cây tràm bông vàng………… ……….12

Hình 1.6 Nguồn cung dăm gỗ của Việt Nam và các nước trên thế giới… ….13

Hình 1.7 Sơ đồ quy trình sản xuất bioethanol……… ……… 16

Hình 1.8 Sơ đồ đường phân……… ……….22

Hình 1.9 Sự tạo thành ethanol từ glucose……… …………23

Hình 2.1 Mùn cưa gỗ tràm bông vàng………27

Hình 2.2 Hệ thống sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC)………30

Hình 2.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm……….………32

Hình 3.1 Đặc điểm đại thể (a) và vi thể (b) của S.cerevisiae……… 48

Hình 3.2 Đường cong sinh trưởng của S.cerevisiae theo thời gian trên môi trường SDB……… ……49

Hình 3.3 Ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu đến hiệu suất tách lignin.… 51

Hình 3.4 Ảnh hưởng của các tác chất tiền xử lý đối với hiệu suất lignin tách ra ……… ….……… 52

Hình 3.5 Sự thay đổi của hiệu suất tách lignin theo thời gian………54

Hình 3.6 Sự phụ thuộc của lượng lignin tách ra vào tỉ lệ khối lượng mẫu/ khối lượng dung dịch…… ……….54

Hình 3.7 Nồng độ glucose và xylose được khảo sát theo thời gian………56

Hình 3.8 Hàm lượng glucose và xylose thay đổi khi khảo sát các tỷ lệ enzyme khác nhau từ 1% đến 9% 57

vii

Hình 3.9 Hàm lượng đường thay đổi khi khảo sát các giá trị của pH….………58

Hình 3.10 Hàm lượng glucose, xylose theo nhiệt độ thủy phân…… ……… 59

Hình 3.11 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình lên men… ……….60

Hình 3.12 Ảnh hưởng của pH môi trường ban đầu với quá trình lên men….…62

Hình 3.13 Ảnh hưởng của nhiệt độ với quá trình lên men……….……….63 Hình 3.14 Ảnh hưởng của tỉ lệ bổ sung nấm men đến quá trình SHF…………64

Hình 3.15 Hàm lượng glucose, xylose và ethanol theo chất dinh dưỡng bổ

sung……… ……65

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, thế giới đang đứng trước nguy cơ khủng hoảng năng lượng trầm trọng, Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới, nguồn năng lượng từ các sản phẩm hoá thạch dầu mỏ 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

Theo báo cáo của tổ chức Forest Trends, mỗi năm Việt Nam xuất khẩu dăm gỗ sang Nhật Bản, Trung Quốc, Đài Loan để làm bột giấy lên đến gần 10 triệu tấn khô, trong đó chiếm 70 % là dăm gỗ tràm bông vàng Từ năm 2011 đến nay, Việt Nam là quốc gia xuất khẩu dăm gỗ lớn trên thế giới và có diện tích trồng tăng từ 150.000 đến 200.000 hecta/năm Dăm gỗ và đặc biệt là mùn cưa tràm thải ra trong quá trình sản xuất là rất lớn gần 1 triệu tấn khô tập trung dễ thu gom hơn rơm rạ và các nguyên liệu tinh bột Vùng nguyên liệu dăm gỗ cụ thể là tràm bông vàng và keo lai (một loài tương

tự như tràm bông vàng) lớn nhất tập trung tại miền Trung Đây cũng là nơi có các nhà máy sản xuất cồn sinh học có quy mô lớn nhất cả nước như Dung Quất (Quảng Ngãi), nhưng các nhà máy này chỉ sử dụng nguồn nguyên liệu tinh bột khó thu mua

Dựa vào thành phần chủ yếu của tràm bông vàng là cellulose và hemicellulose, qua quá trình thủy phân và lên men, chuyển hoá cellulose trong gỗ thành Bioethanol Với những ưu điểm như rẻ tiền, phổ biến, mùn cưa gỗ tràm sẽ là một nguồn nguyên liệu tiềm năng trong quá trình nghiên cứu sản xuất Bioethanol

Vậy nên chúng ta có thể kết hợp nguyên liệu ở các vùng có cơ sở sản xuất để phát triển bioethanol thế hệ thứ 2 sẽ mang đến các ý nghĩa thiết thực sau:

Saccharomyces cerevisiae ở quy mô phòng thí nghiệm

3 Nội dung nghiên cứu

Để tối ưu khả năng chuyển hóa bioethanol từ mùn cưa tràm cần nghiên cứu:

 Đối với quá trình tiền xử lý:

- Khảo sát ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu

- Khảo sát thành phần mùn cưa gỗ ban đầu và sau tiền xử lý

- Khảo sát quá trình tiền xử lý bằng NaOH và H2SO4.

- Khảo sát thời gian tiền xử lý và tỉ lệ khối lượng mẫu/ khối lượng dung dịch

 Đối với quá trình thủy phân và lên men không đồng thời (SHF):

- Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến từng giai đoạn thủy phân và lên men

- Khảo sát ảnh hưởng của pH và nhiệt độ đến hai giai đoạn thủy phân và lên men

- Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ enzyme bổ sung vào giai đoạn thủy phân

- Khảo sát ảnh hưởng của mật độ nấm men đến giai đoạn lên men

- Khảo sát ảnh hưởng của chất dinh dưỡng bổ sung đến giai đoạn lên men

3

4 Thời gian và địa điểm nghiên cứu

Đồ án được thực hiện tại phòng thí nghiệm Nhiên liệu sinh học và Biomass, ĐH Bách Khoa, ĐH Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh trong thời gian từ tháng 03/04/2017 đến tháng 16/07/2017

5 Hạn chế của đề tài

Do quỹ thời gian không cho phép đồ án chỉ tiến hành các thí nghiệm tiền xử lý với NaOH và H2SO4 nhằm thu nhận được cellulose, chưa đa dạng được các phương pháp tiền xử lý ảnh hưởng trực tiếp đến các quá trình sau

từ các loại cây nông nghiệp hàm lượng đường cao như bắp, lúa mì, lúa mạch, mía Ngoài ra, bioethanol còn được sản xuất từ các loại cây có chứa hợp chất cellulose Hiện nay, các nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, ước tính trữ lượng dầu mỏ của thế giới đến năm 2050 sẽ cạn Trong khi đó, hoạt động sống của con người rất cần năng lượng Mặt khác, nguồn năng lượng hóa thạch khi sử dụng đã gây ra các vấn đề nghiêm trọng về ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính Chính vì vậy, nhu cầu

về nguồn nguyên liệu thay thế cho xăng dầu đang là vấn đề cấp thiết cho toàn thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng Việc đầu tư nghiên cứu “nhiên liệu sạch”- nhiên liệu sinh học bioethanol đang trở thành đề tài được quan tâm hàng đầu trên thế giới [26]

 Bioethanol thế hệ thứ hai

Nguyên liệu thô sử dụng để sản xuất bioethanol thế hệ thứ 2 được đề cập ở đây

là các sản phẩm không phải là nguồn thực phẩm, thường là sinh khối lignocellulosic

5

Các nguyên liệu này đại diện cho các hình thể chứa nhiều cacbon trên trái đất như các loại phế phẩm nông nghiệp ( rơm, bã bắp (vỏ bắp, râu bắp, cùi bắp), gỗ thải, mùn cưa, phế phẩm lâm nghiệp, bã mía, các loại cỏ… )[17]

 Bioethanol thế hệ thứ ba

Tảo biển là nguyên liệu tốt nhất trong nhóm này đòi hỏi ít đất đai canh tác và nguồn nước sạch cho trồng trọt, tiêu biểu cho nguồn sinh khối rất đáng quan tâm để sản xuất ra bioethanol [17]

1.1.3 Tình hình sản xuất bioethanol thế giới và trong nước

 Thế giới

Brazil là nước đi đầu trong việc sản xuất và ứng dụng bioethanol trên thế giới Brazil đã thành công trong việc sản xuất bioethanol theo quy mô công nghiệp từ những năm 1970 khi nước này phụ thuộc nặng nề vào dầu nhập khẩu Ngày nay, toàn bộ xe hơi ở Brazil sử dụng xăng có pha ít nhất 25% ethanol, và 60% số xe có khả năng “linh động về nhiên liệu” (có thể sử dụng 100% ethanol làm nhiên liệu) Brazil sản xuất bioethanol hầu như chỉ từ cây mía Trong mô hình này, mỗi tấn mía cho năng suất 72 lít ethanol Loại ethanol này có thể được tinh lọc thêm để pha vào xăng, hoặc dùng làm ethanol nhiên liệu tinh Rõ ràng con số này cho thấy có rất nhiều thành phần không được sử dụng trong quá trình chuyển hóa biomass thành ethanol Hầu hết những thành phần này là hemicellulose và cellulose

Nước Mỹ đang bám theo Brazil và đầu tư mạnh vào sản xuất nhiên liệu sinh học Hiện tại Mỹ đang sử dụng toàn bộ xăng có pha 10% ethanol, với những cải tiến nhằm tăng tỉ số này Trong tương lai, Colombia bắt buộc những thành phố có dân số trên 500.000 dân phải bán xăng có pha 10% ethanol Ở Venezuela, công ty dầu Quốc gia đang hỗ trợ dự án xây dựng 15 nhà máy chế cồn từ mía trong 5 năm tới khi chính phủ sắp ban hành đạo luật bắt buộc sử dụng xăng E10 (pha 10% ethanol) Ở Đông Nam Á, Thái Lan đã ban hành luật cho sử dụng xăng pha 10% ethanol bắt đầu từ 2007 [20]

6

 Việt Nam

Ở Việt Nam, công nghiệp sản xuất ethanol đã được hình thành Phần đông các nhà máy ethanol sản xuất từ rỉ đường mía, tinh bột dùng làm ethanol cho thực phẩm và công nghiệp (bảng 1.1) Tổng cộng năng suất là 25 triệu lít/năm, trong đó có 3 nhà máy sản xuất 15000 – 30000 lít/ngày là nhà máy đường Lam Sơn, nhà máy đường Hiệp Hoà và nhà máy rượu Bình Tây và hàng trăm cơ sở sản xuất 3000 – 5000 lít/ngày Tập Đoàn Dầu Khí Việt Nam (PetroVietNam) đã giao cho Tổng công ty Dầu Khí Việt Nam (Petrosetco), đơn vị thành viên của PetroVietnam việc phát triển năng lượng sinh học Ngày 09/03/2007, Petrosetco ký kết với tập đoàn Itochu Nhật Bản hợp tác thành lập liên doanh xây dựng nhà máy sản xuất bioethanol đầu tiên tại Việt Nam phục

vụ cho hoạt động công nghiệp và giao thông vận tải với công suất 100 triệu lít/năm Xăng sinh học E5 do PetroVietnam pha chế chính thức có mặt trên thị trường từ ngày 01/08/2010 và được bán tại hơn 153 điểm kinh doanh xăng dầu của PetroVietnam cũng như các đại lý tại một số tỉnh, thành phố lớn trên cả nước

Bảng 1.1 Tình hình một số nhà máy bioethanol tại Việt Nam

1 Nhà máy ethanol nhiên

liệu - Cty Đồng Xanh

130 triệu lít/năm

Đại Lộc, Quảng Ngãi

Đang sản xuất

2 Nhà máy sản xuất ethanol

nhiên liệu Cty Tùng Lâm

70 triệu lít/ năm

Đồng Nai Dừng hoạt

động

3 Nhà máy sản xuất ethanol

nhiên liệu – Cty TNHH

Đại Việt

70 triệu lít/ năm

Lô CN5 khu CN Tâm Thắng, Đắc Nông

Đang sản xuất

4 Nhà máy sản xuất ethanol

sinh học Dung Quốc (Cty

Nhiên liệu miền Trung )

100 triệu lít/ năm

Khu CN Dung Quốc, Quảng Ngãi

Dừng hoạt động

Nguồn: Khoa học và công nghệ, số 9 -08/2012

Nhà máy Ethanol Đại Tân có công suất 125 triệu lít/năm Ngày 05/08/2010, công

ty Đồng Xanh tổ chức lễ công bố xăng sinh học sản xuất ở Việt Nam với tỷ lệ cồn lên tới 99.8% Sản phẩm đã bán ra trên thị trường Việt Nam và sử dụng cho động cơ với tên thương mại xăng E5

Hiện nay nhà máy ethanol Đại Tân đã tạm dừng hoạt động kể từ tháng 6/2012, đến quý I/2013 nhà máy sản xuất ethanol Bình Phước có công suất 100 triệu lít/năm cũng đã phải tạm ngừng sản xuất do giá nguyên liệu đầu vào cao trong khi nhu cầu tiêu thụ ethanol nhiên liệu nội địa không đáng kể

1.1.4 Quy trình sản xuất bioethanol

Bioethanol có thể được sản xuất từ ba loại nguyên liệu: đường (từ mía đường, củ cải đường, mật đường và trái cây), tinh bột ( từ ngô, sắn, khoai tây) và cellulose (từ gỗ, phế thải nông nghiệp, chất thải từ bột giấy và giấy nhà máy) (hình 1.1) Trong số ba loại nguyên liệu chính, cellulose chứa trong sinh khối lignocellulosic là nguồn sinh khối toàn cầu phổ biến nhất có thể sử dụng cho sản xuất ethanol sinh học

Quá trình lên men sản xuất ethanol gồm các khâu: tiền xử lý nguyên liệu và 2 giai đoạn: Thủy phân nguyên liệu (đường hóa) và lên men

Thủy phân (đường hóa) là quá trình chuyển hoá nguyên liệu thành các đường đơn chủ yếu như glucose, xylose Lên men là quá trình chuyển hoá các phân tử đường thành ethanol Sản xuất ethanol từ mùn cưa tràm có thể thực hiện bằng phương pháp

“Thủy phân và Lên men riêng biệt” (separate hydrolysis and fermentation – SHF) hoặc bằng phương pháp “Đường hóa và Lên men đồng thời” (simultaneous saccharification and fermentation - SSF) hay phương pháp đồng đường hóa và đồng lên men (SSCF)

8

đường hóa và lên men đồng thời bởi nhiều giống vi sinh vật khác nhau Phương pháp này có nhiều đặc điểm giống SSF

Hình 1.1 Quy trình sản xuất bioethanol [4]

1.2 Nguyên liệu lignocellulose

1.2.1 Khái niệm

Lignocellulose là nguyên liệu biomass phổ biến nhất trên trái đất Lignocellulose dùng trong sản xuất bioethanol có trong phế phẩm nông nghiệp, trong sản phẩm phụ của công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy; có trong rác thải rắn của thành phố Với thành phần chính là cellulose, lignocellulose là một nguồn nguyên liệu to lớn cho việc sản xuất bioethanol (bảng 1.2) Về cơ bản, trong lignocellulose, cellulose tạo thành khung chính và được bao bọc bởi những chất có chức năng tạo mạng lưới như hemicellulose và kết dính như lignin Cellulose, hemicellulose và lignin sắp xếp gần nhau bằng liên kết cộng hóa trị [8] Gỗ tràm bông vàng là một dạng vật liệu lignocellulose

Bioethanol

và đồng sản phẩm

Chưng cất

Tinh bột

9

Bảng 1.2 Thành phần của vài loại lignocellulose

Nguồn Cellulose Xylose Mannose Galactose Arabinose Lignin

Chất trích

Hình 1.2 Công thức hóa học của cellulose

10

1.2.2.2 Hemicellulose

Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng

70 - 200 DP Hemicellulose chứa cả đường C6 gồm glucose, mannose, galactose và đường C5 gồm xylose và arabinose Thành phần cơ bản của hemicellulose là β-D xylopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết β-(1,4) [5]

H nh 1.3 Các dạng cấu trúc của hemicellulose

1.2.2.3 Lignin

Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở (hình 1.4) Trong tự nhiên, lignin chủ yếu 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 [5]

11

Hình 1.4 Các đơn vị cơ bản của lignin

Cấu trúc của lignin đa dạng, tùy thuộc vào loại gỗ, tuổi của cây hoặc cấu trúc của

nó trong gỗ Ngoài việc được phân loại theo lignin của gỗ cứng, gỗ mềm và cỏ, lignin

có thể được phân thành hai loại chính: guaicyl lignin và guaicyl-syringly lignin

Gỗ mềm chứa chủ yếu là guaiacyl, gỗ cứng chứa chủ yếu syringyl Nghiên cứu chỉ ra rằng guaiacyl lignin hạn chế sự trương nở của xơ sợi và vì vậy loại nguyên liệu

đó sẽ khó bị tấn công bởi enzyme hơn syringyl lignin

Do sự liên kết chặt chẽ của lignin với mạng cellulose và hemicellulose nên yêu cầu cần một quá trình tiền xử lý nguyên liệu ban đầu để phá vỡ cấu trúc giữa lignin – cacbohydrate giải phóng cellulose, giúp cho quá trình thủy phân bằng enzyme hay acid diễn ra dễ dàng hơn

1.3 Cây tràm bông vàng ở Việt Nam (Acacia auriculiformis)

1.3.1 Sơ lượt về cây tràm bông vàng

Gỗ tràm bông vàng là một dạng nguyên liệu lignocellulose Tràm bông vàng có

danh pháp khoa học là Acacia auriculiformis là một loài cây thuộc họ Fabaceae chi Keo (Acacia) Loài này trong tiếng Việt còn có tên gọi khác là keo lưỡi liềm, tên này

được sử dụng nhiều khi loài này mới nhập nội vào Việt Nam (thập kỷ 1960-1970), sau này người ta sử dụng rộng rãi tên gọi keo lá tràm Keo lá tràm được phân bố tự nhiên ở vùng Indonesia và Papua New Guinea Hiện tại được trồng rộng rãi tại nhiều Quốc gia

ở vùng nhiệt đới trong đó có Việt Nam

12

H nh 1.5 Gỗ và cây tràm bông vàng

Tràm bông vàng được trồng rất nhiều trên khắp cả nước và là nguồn dăm gỗ, làm giấy xuất khẩu hàng đầu của Việt Nam (hình 1.5) Từ năm 2011 đến nay, Việt Nam là quốc gia xuất khẩu dăm gỗ lớn trên thế giới và có diện tích rừng trồng tăng từ 150,000 đến 200,000 hecta/năm Hàm lượng cellulose trong tràm bông vàng cao, lên đến 42% khối lượng với sợi cellulose dài và bền, nên được sử dụng làm nguyên liệu chế biến bột giấy Mỗi năm Việt Nam xuất khẩu dăm gỗ sang Nhật Bản, Trung Quốc và Đài Loan

để làm bột giấy lên đến gần 10 triệu tấn khô (Hình 1.6), trong đó chiếm 70% là gỗ tràm bông vàng [19] Để chế biến dăm gỗ, cây được vát bỏ cành, nhánh rồi bóc vỏ trước khi băm thành những miếng gỗ dăm domino Phần cành, nhánh, vỏ cây … là phụ phẩm của quá trình sản xuất lâm nghiệm này, ước tính chiếm 20% khối lượng tổng thể của cá thể

13

cây Phần phụ phẩm này được băm nghiền thành mùn cưa để bán làm chất đốt với giá thành tương đối thấp nhưng vẫn còn lãng phí rất nhiều vì không sử dụng hết Nguồn lignocellulose này chính là nguyên liệu rất tiềm năng để chuyển hóa thành cồn sinh học Qua kết quả thống kê và thực tế, ước tính phụ phẩm mùn cưa gỗ tràm và gỗ xấu,

gỗ vụn tại Việt Nam hằng năm sẽ tối thiểu 36 tấn/hecta x 50,000 hecta/năm = 1,800,000 tấn/năm Đây là một con số rất lớn nên được tận dụng để sản xuất ethanol

Hình 1 6 Nguồn cung dăm gỗ của Việt Nam và các nước trên thế giới

1.3.2 Phương pháp sản xuất bioethanol từ gỗ tràm bông vàng

 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, 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) Ưu, nhược điềm của các phương pháp này được trình bày trong bảng 1.3

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

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

[2] Trong đề tài này sẽ sử dụng phương pháp SHF để thu bioethanol từ mùn cưa gỗ

 Phương pháp đường hóa và lên men riêng rẽ (SHF):

Thuận lợi chính của SHF là cả hai quá trình đường hóa và lên men được thực hiện trong điều kiện tối ưu của mỗi quá trình Tuy nhiên 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

Về nguyên tắc, quá trình lên men ethanol từ các nguồn nguyên liệu chứa cellulose cũng giống như từ tinh bột hay rỉ đường Bao gồm các bước cơ bản (hình 1.7):

- Xử lý thô bằng các phương pháp cơ học để loại bỏ bụi, đất, đá và làm giảm kích thước

16

- Tiền xử lý

- Thủy phân cellulose (enzyme cellulase tấn công vào cellulose kết tinh để giải phóng ra glucose)

- Lên men (chuyển hóa đường xylose và đường glucose thành ethanol)

Hình 1.7 Sơ đồ quy trình sản xuất bioethanol

1.3.2.1 Tiền xử lý

Tiền xử lý để chuyển hóa các carbohydrate (cellulose và hemicellulose) trong lignocellulose thành ethanol, các polymer phải bị bẻ gãy thành những phân tử đường nhỏ hơn trước khi vi sinh vật có thể hoàn tất quá trình chuyển hóa Tuy nhiên, bản chất

Tiền xử lý

Thủy phân

Lên men Nguyên liệu

Ethanol

17

của cellulose lại là rất bền vững trước sự tấn công của enzyme, nên bước tiền xử lý là bắt buộc để quá trình đường hóa glucose có thể diễn ra tốt Cellulose ban đầu có thể bị phá hủy bởi acid mà không cần được tiền xử lý Tuy nhiên, trong đồ án này chỉ đề cập đến việc thủy phân lignocellulose bằng enzyme

Bảng 1.4 Các phương pháp tiền xử lý hiện nay

Với acid: gồm các phương pháp xử lý với acid loãng Trong

đó, acid sulfuric đã được nghiên cứu kĩ lưỡng nhất vì nó rẻ và hiệu quả Tuy nhiên, thiết bị phải chịu được ăn mòn cao và lượng thạch cao (Na2SO4) sinh ra nhiều từ quá trình trung hòa acid với NaOH

• Với kiềm: đã có rất nhiều nghiên cứu liên quan Tuy nhiên, nhiều nhà khoa học cho rằng, dựa trên chi phí hóa chất, thì vôi tôi là hóa chất thích hợp

• Ngoài ra còn có những phương pháp như xử lý với dung môi hữu cơ: dùng dung môi như ethanol, methanol, acetone để hòa tan lignin; xử lý bằng khí SO2, khí CO2,NH3

Tiền xử

lý cơ học

Gồm các phương pháp như: nghiền nát, rọi bằng những bức xạ năng lượng cao, xử lý thủy nhiệt và nổ hơi Trong đó phương pháp nổ hơi là phương pháp quan trọng nhất, đã được phát triển, áp dụng trên quy mô pilot và được sử dụng trong đề tài nghiên cứu này

Tiền xử

lý nổ hơi

Nổ hơi nước được phát triển vào năm 1925 bởi W H Mason trong sản xuất gỗ ép [25] Tiền xử lý biomass bằng nổ hơi nước được giới thiệu từ năm 1980 Công ty Iotech Corporation

đã tiến hành một vài thí nghiệm tiên phong để tìm hiểu ảnh hưởng của nổ hơi nước lên gỗ cây dương [25]

18

Mục đích của quá trình tiền xử lý lignocellulose là để làm tăng khả năng xâm nhập của enzyme vào cấu trúc nguyên liệu lignocellulose với chi phí xử lý phù hợp Qua quá trình tiền xử lý làm giảm hàm lượng lignin, tăng diện tích bề mặt và mức độ cấu trúc vô định hình của nguyên liệu lignocellulose, làm tăng tốc độ thủy phân của enzyme vào cấu trúc cellulose và làm tăng hàm lượng đường [10]

1.3.2.2 Thủy phân

 Quá trình thủy phân

Sau quá trình tiền xử lý, cellulose và hemicellulose sẽ bị thủy phân thành các đường đơn Ở đây, ta quan tâm nhiều đến sự thủy phân cellulose, do nó là thành phần chính trong sinh khối lignocellulose Phương trình PT1 phản ứng tổng quát :

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 furan và các hợp chất vô cơ [11]

Thủy phân bằng enzyme: Các mắt xích của cellulose có thể bị phân cắt thành các phân tử đường glucose riêng lẻ bằng enzyme cellulase Enzyme cellulase là một phức

hệ enzyme có tác dụng thuỷ phân cellulose thông qua việc thuỷ phân liên kết

1,4-β-19

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 Vật liệu lignocellulose bị thủy phân bằng enzyme ở điều kiện ôn hòa (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 [11]

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 dạng tự do 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

20

 Phản ứng thủy phân cellulose

Cellulose là có cấu trúc 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 đề polymer hóa Quá trình thủy phân cellulose tạo thành glucose được thực hiện nhờ sự tác dụng cùng một lúc của 3 enzyme khác nhau:

“Endo-1,4,β-D-glucanases” (EG) hay 1,2-β-D-glucanohydrolases (EC 3.2.1.4), 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” (EG) hay 1,4-β-D-glucanohydrolases (EC 3.2.1.4), enzyme này có tác dụng giải phóng D – glucose từ 1,4-β-D-glucancellobiohydrolase (EC 3.2.1.91, enzyme này có giải phóng cellobiose từ 1,4-β-glucan

“β-D-glucosidase” hay còn gọi là β-D-glucoside glucohydrolase (EC 3.2.1.21) có tác dụng tạo thành D-glucose từ celobiose là cellodextrin, cũng như các oligomer của glucose

Quá trình thủy phân nguyên liệu lignocellulose trong tự nhiên rất chậm, bởi vì cấu trúc vững chắc của cellulose Vì vậy cần qua quá trình tiền xử lý nguyên liệu bằng phương pháp vật lý, hóa học hay sinh học để nâng cao khả năng xâm nhập của enzyme vào cấu trúc cellulose, làm tăng tốc độ thủy phân và đạt được nồng độ đường glucose

và xylose cao Quá trình thủy phân bằng enzyme được chia thành 3 giai đoạn:

Enzyme endo – cellulase tấn công ngẫu nhiên vào mạch cellulose nhờ tạo liên kết bằng tương tác giữa CBD với cellulose tạo thành oligosaccharide

Enzyme exo – cellulase tấn công vào cellulose và cả oligomer từ đầu đường khử

và không khử thông qua tương tác của CBD với cellulose tạo thành cellobiose và glucose

β – glucoside tấn công cellobiose và oligosaccharide tạo glucose

21

1.3.2.3 Lên men

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 acid 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 phương trình 3:

(PT3) 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, 48,4 phần CO2, 32,0 phần glycerin, 0,7 phần acid succinic và hai phần các sản phẩm khác Từ đó suy ra cứ

45 phần khối lượng glucose 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 Gay-Lussac còn kết luận sự lên men là quá trình sinh học có liên hệ mật thiết đến sự hoạt động của tế bào nấm men

Vào khoảng 1871-1872 Manaxemi đem nghiền tế bào nấm men với cát thạch anh rồi mới cho vào lên men dịch đường thì hiện tượng lên men vẫn xảy ra Năm 1879, Buchuer tiến hành nghiền nát tế bào nấm men rồi chiết lấy dịch trong không chứa xác nấm men rồi cho vào dịch đường thì thấy dịch chiết vẫn có khả năng lên men Từ đó người ta gọi các chất trong dịch tế bào nấm men là zymase Đây chính là hợp chất của nhiều enzyme cùng tham gia chuyển hóa đường thành ethanol và khí carbonic [25]

22

Bản chất của quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử Quá trình oxy hóa này lại xảy ra trong cơ thể sinh vật dưới tác động của hệ thống enzyme, cho nên người ta gọi quá trình lên men là quá trình oxy hóa sinh học

Quá trình đường phân thể hiện một cách chi tiết được minh họa như hình 1.8

Hình 1.8 Sơ đồ đường phân

23

Sự tạo thành bioethanol từ glucose phải trải qua nhiều giai đoạn, sơ đồ hình thành bioethanol từ glucose thể hiện ở hình 1.9

Hình 1.9 Sự tạo thành ethanol từ glucose

- Giai đoạn 1 (giai đoạn đường phân): Phân tử đường glucose trải qua một loạt phản ứng phức tạp dưới xúc tác của một loạt hệ thống enzyme, phân tử glucose ban đầu được chuyển hóa thành 2 phân tử acid pyruvic (CH3 – CO – COOH)

- Giai đoạn 2: Acid pyruvic bị decacboxyl để tạo thành acetaldehyde

- Giai đoạn 3: Acetaldehyde bị khử bởi NAD.H2 tạo thành ethanol

Nấm men thường được dùng là S.cerevisiae là loại vi sinh vật phổ biến được sử

dụng trong quá trình lên men truyền thống ở quy mô công nghiệp để sản xuất ethanol

từ đường sucrose, bột và cellulose Nấm men S.cerevisiae được công nhận là loại nấm

men an toàn và có thể lên men hiệu quả các loại đường hexose, D – glucose, D – mannose, D – galactose và các disaccharide như: sucrose và mantose và nồng độ

ethanol đạt 20 % (v/v) [6] Hơn nữa, nấm men S.cerevisiae có khả năng chịu đựng

tương đối tốt dưới sự tác động của chất ức chế có nguồn gốc từ sự phân hủy các hợp

chất trong lignocellulose Điểm bất lợi chính trong việc sử dụng nấm men S.cerevisiae

là không có khả năng lên men đường pentose (D – xylose và L – arabinose)

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Tình hình trên thế giới, công nghệ sản xuất ethanol sinh học đã được nghiên cứu

và ứng dụng thành công ở nhiều Quốc gia, trong đó có Việt Nam Tuy nhiên, nguyên

24

liệu phục vụ cho công nghệ sản xuất ethanol sinh học chủ yếu từ các cây lương thực, rơm rạ Đối với Việt Nam vấn đề này vẫn còn rất mới mẻ và đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học

Năm 1995, Sun đã nghiên cứu điều kiện tối ưu để tiền xử lý rơm lúa mì là 1,5 % NaOH, trong 144 giờ ở 20oC, kết quả thu được lượng lignin tác ra đạt 60 % và lượng hemicellulose tách ra đạt 80 % [16]

Năm 2007, Aizawa của trường Đại học Tokai Nhật Bản đã công bố kết quả nghiên cứu về sản xuất ethanol sinh học của Nhật Bản do Tokyo Fisheries Promotion Foundation đầu tư trên tạp chí Oceans 2007 Dự án sản xuất ethanol từ rong biển Sargassum horneri là một loại rong nâu, có hàm lượng carbohydratee 5,8 %, kết quả thu được 29,6 kg ethanol hoặc 38 lít ethanol trên 1 tấn rong tươi có độ ẩm 90 % [30] Năm 2008, Zhao và các đồng nghiệp cho thấy tính hiệu quả khi dụng NaOH là chất tiền xử lý hiệu quả đối với các nguyên liệu có hàm lượng lignin nhỏ hơn 26 % như rơm, lúa mì và gỗ cứng [14]

Năm 2009, Rishi Gupta và các cộng sự đã nghiên cứu sử dụng Saccharomyces cerevisiae và Pichia stipites để chuyển hóa gỗ loài Prosopis juliflora thành bioethanol

bằng phương pháp SHF với thủy phân bằng H2SO4 3 %, pH tối ưu giai đoạn lên men là 5,0 cho ra hàm lượng ethanol thu được đạt 7,13 g/L [33]

Năm 2009, Sorahi Abedinifar và các cộng sự nghiên cứu dùng Mucor indicus and Rhizopus oryzae để tạo ethanol từ các nguyên liệu rơm rạ bằng phương pháp SHF, với

quá trình thủy phân ở 45 °C và pH 5,0 Tỷ lệ mẫu nguyên liệu với lượng nước bổ sung

ảnh hưởng tương đối tới hiệu suất len men Tuy nhiên, R oryzae tạo ra axit lactic là sản

phẩm phụ của quá trình này [34]

Năm 2009, Parveen Kumar đã nghiên cứu tiền xử lý gỗ cứng bằng NaOH giúp tăng khả năng thủy phân từ 14 % lên 55 % bằng việc loại bỏ hàm lượng lignin từ (24 – 55) % xuống còn 20 % [13] Nói chung, ở nồng độ NaOH cao làm tăng khả năng loại

25

bỏ lignin, mặc dù ở nồng độ NaOH (6 – 20) % (w/w) làm hòa tan cellulose và giảm khả năng loại bỏ lignin [9]

Năm 2011, Lincai Peng đã nghiên cứu công nghệ chuyển đổi bùn giấy thành

ethanol bằng quá trình thủy phân và lên men riêng biệt (SHF) sử dụng Saccharomyces cerevisiae Thời gian tối ưu của quá trình thủy phân là 82,7 giờ, tỷ lệ chuyển đổi đường

thành ethanol là 34,2 % và sản lượng ethanol tạo thành là 190 g/kg bùn giấy khô, tương ứng với năng suất chuyển đổi tổng thể 56,3 % Carbohydrate ban đầu [31]

Năm 2013, Mathiyazhakan Kuttiraja chuyển hóa nguồn tre phế phẩm thành ethanol Pha loãng mẫu trước xử lý có hiệu quả với 63.1 % cellulose thu được Hiệu suất xử lý 43 %, khả năng tạo ra 143 lít ethanol/tấn tre[29]

Năm 2014, Raveendran Sindhu và các cộng sự đã nghiên cứu tạo bioethanol từ tre nứa Ấn Độ bằng phương pháp SHF Đây là báo cáo đầu tiên được công bố về tạo bioethanol từ tre nứa Ấn Độ Năng suất đường tối đa là 0.651 g/sinh khối, ethanol được tạo ra với hiệu quả lên men là 41,72 % [32]

Các nghiên cứu trong nước hiện nay cũng đã và đang quan tâm sản xuất ethanol nhiên liệu sinh học thế hệ II từ sinh khối (phế thải) Theo hướng này, đã có một số công trình, nhưng trong quá trình thực hiện đang còn gặp những khó khăn rất lớn Về nghiên cứu sử dụng nguồn phế thải nông nghiệp thành nhiên liệu sinh học theo 2 hướng: - Sử dụng nguồn phế thải để sản xuất ethanol sinh học - Sử dụng nguồn phế thải để sản xuất diesel - sinh học Theo hướng sử dụng nguồn phế thải nông, lâm nghiệp để sản xuất ethanol sinh học đã có một số đề tài, công trình sau:

Ethanol sinh học được sản xuất bằng phương pháp lên men và chưng cất từ các loại ngũ cốc chứa tinh bột (bắp) và đường (mía) Ngoài ra, ethanol có thể được sản xuất từ lignocellulose, từ những phụ phẩm có chứa hợp chất cellulose cao Lignocellulose là loại biomass phổ biến nhất trên thế giới Chính vì vậy, sản xuất ethanol từ biomass cụ thể là lignocellulose từ phế phẩm nông nghiệp là một giải pháp thích hợp trong bối cảnh giá nhiên liệu tăng cao, ô nhiễm môi trường ngày càng trầm

26

trọng và vấn đề an ninh lượng thực… lại càng được chú ý và tiếp tục nghiên cứu hoàn thiên trên thế giới [21]

“Sản xuất ethanol sinh học từ phế thải nông nghiệp”, Chủ nhiệm đề tài PGS TS

Vũ Nguyên Thành, Viện Công nghiệp thực phẩm, Bộ Bông Thương, (2009-2011)

“Nghiên cứu công nghệ hiện đại để sản xuất ethanol nhiên liệu từ gỗ phế liệu nguyên liệu giấy”, Thuộc Đề án thuộc Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm

2015, tầm nhìn đến năm 2025 của Bộ Bông Thương Chủ nhiệm đề tài PGS.TS Doãn Thái Hòa, ĐHBK Hà Nội (2009 - 2010)

Năm 2009, Trần Diệu Lý với đề tài “Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ Đã kết luận dùng enzyme để thủy phân phế thải để tạo đường tan nhìn chung đạt hiệu quả thấp, chưa tìm được enzyme thích hợp cho hiệu suất cao

Năm 2009, Nguyễn Thị Hẳng Nga với đề tài “ Nghiên cứu khả năng sản xuất ethanol từ phụ phẩm nông nghiệp ” đã kết luận: hiệu suất chuyển hóa của quá trình đường khử từ 70 - 75 % đối với dịch lên men có hàm lượng đường khử từ 3,0 - 5,0 g/L Hàm lượng ethanol không cao từ 1,9 - 4,2 % v/v nhưng cũng chứng tỏ là than cây ngô

là nguyên liệu tiềm năng sản xuất bioethanol [22]

Năm 2013, Võ Thị Thúy Huệ đã nghiên cứu “ sản xuất ethanol sinh học từ vỏ cacao”, quá trình tiền xử lý với HCL 1M ở 100 oC trong 4 giờ thu hồi được 21,93 % lượng đường khử, quá trình lên men đạt hiệu quả cao từ 28-30 o

C, thời gian lên men 72 giờ [18]

Năm 2013, Võ Thị Thanh Kiều đã nghiên cứu sản xuất bioethanol từ rong biển thu được 20,92 g/L cồn, hiệu suất chuyển hóa đạt 90 % [20]

2.2 Nguyên vật liệu

2.2.1 Mùn cưa từ gỗ cây tràm bông vàng

Nguyên liệu được sử dụng trong đồ án này là loại mùn cưa gỗ của cây tràm bông vàng được lấy từ nhà máy sản xuất dăm gỗ và viên gỗ nén tỉnh Bình Dương Đây là loại mùn cưa thương mại được nhà sản xuất dùng máy nghiền từ hỗn hợp cành, nhánh, dăm vụn để trồng nấm và làm chất đốt với giá thành rẽ từ 200.000 đồng/tấn tươi (độ

ẩm 40%)

Hình 2.1 Mùn cưa gỗ tràm bông vàng 2.2.2 Acremonium cellulase

Acremonium cellulase được cung cấp bởi Meiji Seika Co, (Japan) với các thông

số bao gồm:

- Nhiệt độ hoạt động tối ưu : (45 – 50)°C

- PH hoạt động tối ưu : 4,8

28

- Là enzyme chuyên dùng để thủy phân các nguyên liệu chứa nhiều cellulose thuộc nhóm cellulase

2.2.3 Saccharomyces cerevisiae

- Chủng nấm men Ethanol RedTM (Dry yeast, S.cerevisiae, Ementics, France)

- Mật độ tế bào nấm men 109 cfu/ml

Nước đề ion Sản xuất từ máy

Themo – Stat Pha động HPLC

Nước cất Sản xuất từ máy

cất nước 2 lần

Pha mẫu Tạo môi trường

Peptone Việt Nam Môi trường SDB Glucose Sigma Aldrich Dựng đường chuẩn

Glucose Trung Quốc Môi trường SDA

Môi trường SDB Xylose Sigma Aldrich Dựng đường chuẩn Dextrose Agar Việt Nam Môi trường SDA

Ethanol Sigma Aldrich Dựng đường chuẩn

Tất cả các thiết bị sử dụng được đặt tại phòng thí nghiệm Nhiên liệu sinh học

và Biomass, ĐH Bách Khoa, ĐH Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

- Máy lắc ngang HY-4A, Trung Quốc

- Máy đo độ pH Schott Lab850 của hảng SI Analytics, Đức

- Bếp khấy từ gia nhiệt C-MAG HS 7 của hãng IKA, Đức

- Cân điện tử TE 612 của hãng Sartorius, Đức

- Cân phân tích PA 214 của hãng Ohaus, Mỹ

- Kính hiển vi điện tử MT4200H của hãng Meiji, Nhật Bản

- Hệ thống bơm hút chân không Gast, Mỹ

- Lò nung nhiệt độ cao của hãng Nabertherm, Đức

- Tủ sấy HN101-1A, Trung Quốc

- Tủ ủ của hãng Memmert, Đức

- Tủ cấy an toàn sinh học cấp 2

- Nồi hấp tiệt trùng tự động của hãng ALP, Nhật Bản

- Máy ly tâm lạnh Z32HK của hãng Hermle, Đức