Nghiên cứu đề xuất quy trình công nghệ sản xuất ethanol sinh học từ cây ngô

Những kết quả nghiên cứu chính của đề - Cây ngô có hàm lượng cellulose, hemicellulose và lignin khá cao, tương ứng 37,19%; 24,07% và 17,82% tổng khối lượng chất khô được xem là nguồn ngu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN • • • •

*********

BÁO CÁO TỎNG KÉT ĐÈ TÀI

NGHIÊN CỬU ĐÈ XUẤT QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC TỪ CÂY NGÔ

MÃ SỐ: QGTĐ 09.06

Chủ trì đề tài: PGS.TS Nguyễn Xuân Cự

HÀ N Ộ I -2011

ĐẠI HỌC QUÓC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN

ic

BÁO CÁO TỎNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU ĐÈ XUẤT QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC TỪ CÂY NGÔ

MÃ SỐ: QGTĐ 09.06

Chủ trì đề tài: PGS.TS Nguyễn Xuân Cự

CÁC CÁN B ộ THAM GIA CHÍNH

TS Trần Văn Quy, PGS.TS Lun Đức Hải

TS Nguyễn Mạnh Khải; TS Dương Văn Hợp;

PGS.TS Nguyễn Văn Quảng; CN Nguyễn Xuân Huân

ThS Nguyễn Thị Hằng Nga

CHỮ VIẾT TẮT

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC B Ả N G 3

DANH MỤC CÁC HÌNH 5

BÁO CÁO TÓM TẮT BẰNG TIẾNG V IỆ T 6

ABSTRACT 9

MỞ Đ Ầ U 12

1 Chương 1 TỔNG QUAN TÀI L IỆ U 17

1.1 Năng lượng sinh h ọ c 17

1.1.1 Khái niệm và các dạng năng lượng sinh h ọ c 17

1.1.2 Ethanol sinh học 19

1.1.3 Sản xuất và sử dụng ethanol sinh h ọ c 19

1.2 Nguyên lý công nghệ sản xuất ethanol sinh học 27

1.2.1 Nguyên liệu sản xuất ethanol sinh h ọ c 27

1.2.2 Nguyên lý công nghệ sản xuất ethanol từ nguyên liệu giàu cellulose 33

1.2.3 Tiềm năng sản xuất ethanol sinh học từ nguyên liệu giàu cellu lo se 41

Chương 2 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN c ứ u 45

2.1 Lựa chọn nguyên liệu 45

2.2 Phương pháp nghiên c ứ u 45

2.2.1 Nghiên cứu thực địa 45

2.2.2 Nghiên cứu công nghệ xử lý nguyên liệu và sản xuất eth an o l 45

2.2.3 Một số phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm 46

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN c ứ u VÀ THẢO L U Ậ N 50

3.1 Sản xuất và sử dụng cây ngô ở Đ B SH 50

3.1.1 Tình hình sản xuất và phát thải nông nghiệp 50

3.1.2 Sản xuất ngô ở Đ B SH 52

3.1.3 Hiện trạng thu gom và sử dụng các phụ phẩm từ cây n eô 53

3.1.4 Tiêm năng sản xuất ethanol sinh học từ phụ phẩm cây n e ô 55

3.2 Y nghĩa của sử dụng ethanol sinh h ọ c 57

3.2.1 Y nghĩa kinh tê, xã hội và môi trường của sử dụng ethanol sinh học 57

3.2.2 Cơ hội và thách thức đối với phát triển nhiên liệu sinh học ở V N 62

3.3 Nghiên cứu công nghệ sản xuất ethanol từ cây n g ô 6 6 3.3.1 Thành phần của cây n g ô 6 6 3.3.2 Ảnh hưởng của các điều kiện môi trường đến quá trình thủy p h â n 67

3.4 Lựa chọn chủng vi sinh vật phân huỷ hydratcacbon và lên men đường 77

3.4.1 Lựa chọn chủng vi sinh vật phân huỷ hydratcacbon 77

3.4.2 Xác định điều kiện thủy phân bằng vi sinh v ật 81

3.4.3 Lựa chọn chủng vi sinh vật cho quá trình lên m en 81

3.5 Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất ethanol từ cây ngô trong phòng thí nghiệm 83

3.5.1 Tiền xử lý nguyên liệu bằng axit lo ã n g 83

3.5.2 Thuỷ phân chất rắn sau tiền xử lý (CR1) bàng axit loãng 85

3.5.3 Thuỷ phân chất rắn sau tiền xử lý (CR1) bằng vi sinh v ậ t 87

3.5.4 Đánh giá khả năng chuyển hóa hợp chất cacbonhyđrat trong thân cây ngô thành đường đ ơ n 89

3.5.5 Hiệu quả của quá trình lên m e n 90

3.6 Đe xuất quy trình công nghệ sản xuất ethanol từ thân cây n g ô 93

3.6.1 Quy trình công nghệ sản xuất ethanol với sự thuỷ phân bang enzim 94

3.6.2 Quy trình công nghệ sản xuất ethanol với sự thuỷ phân bằng a x i t 96

3.6.3 Tóm tắt quy trình công nghệ sản xuất ethanol từ thân cây n g ô 98

3.6.4 Sơ bộ tính toán giá thành sản xuất ethanol từ thân cây n g ô 98

KẾT LUẬN VÀ KIẾN N G H Ị 101

TÀI LIỆU THAM K H Ả O 103

PHỤ L Ụ C 108

PHOTOCOPY CÁC BÀI BÁO 118

PHOTOCOPY BÌA CÁC LUẬN VĂN, KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP 15 7 BẢN PHOTOCOPY ĐÈ CƯƠNG ĐỀ T À I 166

TÓM TẮT CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN cứ u CÁ N H Â N 192

SCIENTIFIC PR O JECT 200

PHIẾU ĐẢNG KÝ KÉT QUẢ NGHIÊN cứ u 2 0 2

Bảng 1 Các dự án xây dựng Nhà máy ethanol nhiên liệu tại Việt Nam 26

Bảng 16 So sánh năng lượng trong sản xuất ethanol từ switchgrass và ngô 59

Bảng 17 So sánh tiềm năng năng lượng của một số nguyên liệu khác nhau 60

Bảng 26 Thành phần các chất trong nguyên liệu trước và sau khi thủy phân 76

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 28 Mật độ tế bào và hoạt tính sinh học CMC chủng v s v nghiên cứu 78

Bảng 31 Ảnh hưởng của pH tới sự sinh trưởng và phát triển chủng ACT 06 80

Bảng 37 Thành phần các chất trong nguyên liệu sau tiền xử lý và thủy phân89

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1 Sử dụng năng lượng trên thế giới 18

Hình 21 Mô tả tác động của tiền xử lý đến cấu trúc của chất lignocellulose 83

BÁO CÁO TÓM TẤT BẰNG TIẾNG VIỆT

1 Tên đề tài: N ghiên cửu đề xu ất qu y trình công nghệ sản xu ất

eth an ol sinh học từ cây ngô

2 Chủ trì đề tài: PGS.TS Nguyễn Xuân Cự

3 Các cán bộ tham gia chính:

TS Trần Văn Quy; PGS.TS Lưu Đức Hải; TS Nguyễn mạnh Khải;

TS Dương Văn Hợp; PGS.TS Nguyễn Văn Quảng; ThS Nguyễn Thị

Hằng Nga; CN Nguyễn Xuân Huân

4 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài

- Nghiên cứu tiềm năng sử dụng cây ngô để sản xuất ethanol sinh học, góp

phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả sản xuất nông

nghiệp ở vùng đồng bằng Sông Hồng (ĐBSH)

- Đe xuất qui trình công nghệ sản xuất ethanol sinh học từ cây ngô trong

phòng thí nghiệm

N ội dung nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu đánh giá tình hình sản xuất ngô và tiềm năng sản xuất ethanol

sinh học từ cây ngô ở vùng ĐBSH

- Nghiên cứu đề xuất quy trình công nghệ sản xuất ethanol sinh học từ cây ngô trong phòng thí nghiệm:

- Phân tích hiệu quả kinh tế, xã hội và môi trường của việc sản xuất ethanol từ cây ngô

5 Các kết quả đạt được

+ Ket quả khoa học:

Nhu cầu sử dụng năng lượng của con người cho các quá trình sản xuất

và đời sống ngày càng gia tăng mạnh mẽ Nguồn năng lượng cơ bản hiện nay

cung cấp cho nhu cầu của con người vẫn là nguồn năng lượng hóa thạch đang

dần bị cạn kiệt Sản xuất ethanol từ các nguyên liệu giàu lignocellulose là vấn

đề đang được quan tâm trên thế giới Những kết quả nghiên cứu chính của đề

- Cây ngô có hàm lượng cellulose, hemicellulose và lignin khá cao, tương

ứng 37,19%; 24,07% và 17,82% tổng khối lượng chất khô được xem là

nguồn nguyên liệu có tiềm năng lớn để sản xuất ethanol sinh học v ề tiềm

năng từ phụ phẩm cây ngô trong cả nước có thể sản xuất được khoảng 4,6 tỷ lít cồn nhiên liệu/năm; nếu chỉ tính riêng vùng đồng bàng sông Hồng cũng

vào khoảng 0,4 tỷ lít

- Nồng độ axit, nhiệt độ và thời gian là những yếu tố có ảnh hưởng mạnh đến

phản ứng thủy phân các hợp chất hydratcacbon Hiệu quả cao của quá trình

thủy phân tạo đường từ các nguồn nguyên liệu giàu lignocellulose như thân

cây ngô có thể đạt được ở điều kiện nhiệt độ 132 °c, nồng độ H2SO4 2%

trong thời gian 60 phút Ở điều kiện này có thể thủy phân được 36,7% hợp

chất cellulose; 70,7% hemicellulose; 39,7% lignin

- Quá trình tiền xử lý mẫu bang H2SO4 0,5% kết hợp với thuỷ phân bằng axit

H2SO4 2% đã thủy phân được 52,49%; còn tiền xử lý mẫu bằng axit H2SO4

0,5% kết họp với thuỷ phân bàng vi sinh vật đã chuyển hóa được 68,33%

tông các hợp chat cellulose và hemicellulose trong nguyên liệu ban đầu Sử

dụng Saccharomyces Cerevisiae lên men có thể chuyển hóa khoảng 70%

lượng đường khử trong dung dịch thành ethanol

- Với kết quả nghiên cứu này cho thấy để sản xuất 1 lit ethanol cần khoảng

7,8-12.7 kg thân cây ngô sau khi thu hoạch (độ ẩm 70%), tương ứng với

2,3-3, 8 kg nguyên liệu khô

- Đã đề xuất 2 quy trình công nghệ sản xuất ethanol sinh học từ cây ngô với

quá trình thuỷ phân bằng axit loãng và thuỷ phân bằng axit loãng kết họp

với vi sinh vật áp dụng với quy mô phòng thí nghiệm

+ K ết quả ứng dụng (nếu có): Phưong án công nghệ sản xuất ethanol từ

cây ngô trong phòng thí nghiệm, đây được xem như cơ sở quan trọng cho các

nghiên cứu mở rộng trong sản xuất

+ Kết quả công bố: 3 bài báo tại Hội nghị Khoa học quốc tế về năng lượng

tái tạo; 2 bài báo đăng trong tạp chí Khoa học, Đại học Quốc gia Hà Nội

+ K ết quả đào tạo: Hướng dẫn 3 học viên cao học; dẫn 4 khoá luận tốt

nghiệp; hỗ trợ cho 1 NCS làm luận án về phụ phẩm nông nghiệp ở Hà Nội

6 Tinh hình kinh p h í của đề tài: đã sử dụng hết số kinh phí được phân bổ.

1 Project Title: S tu d y on p ro p o s a l o f tech n o lo g ica l p ro c e s s f o r b io­

e th a n o l p ro d u ctio n fr o m corn p la n t Code Number: QGTĐ.09.

2 Project Manager: Assoc Prof Dr Nguyen Xuan Cu

3 Key implementors:

Dr Tran Văn Quy; Assoc.Prof.Dr Luu Due Hai; Dr Nguyen Manh Khai;

Dr Duong Van Hop; Assoc.Prof.Dr Nguyen Van Quang; MSc Nguyen

Thi Hang Nga; BSc Nguyen Xuan Huan

4 Objective and research content

Objectives

- Investigate the potential use of com residue for ethanol production to

minimize the environmental pollution in the Red River Delta

- Study on proposal technological process for bio-ethanol production from

- Analysis o f eco-social and environmental effectiveness o f ethanol production

from com plant

5 Main results

+ Scientific results:

This study focused on evaluating the ability to converse lignocelluloses

compounds from com stover by the hydrolysis with other agents for bio­

ethanol from agricultural byproducts Com stover is rich in cellulose and

hemicelluloses content and likely to be hydrolyzed by dilute acids and

microorganisms So it should be considered as potential materials for bio­

ethanol production The main results from the study are:

- Com stover after harvest contains about 37.19% o f cellulose; 24.07% o f

hemicelluloses, 17.82% o f lignin so that it is abundant promising raw

materials for ethanol production The potential country com stover can

produce up to 4.6 billion litter o f ethanol per year, and about 0.4 billion litter

o f ethanol in the Red river Delta only

- Acid concentration, temperature and time have strong effects on the

hydrolytic processes o f com stover However, the most effective o f this

process maybe achieved at the conditions o f 132 °c, concentration o f 2%

H2SO4 and resident time o f 60 minutes In this condition, there is about 31.3

% o f cellulose; 70.7 % o f hemicellulose and 39.7 % o f lignin hydrolyzed

- The separation treatment o f com stover by 0.5% H2SO4 and microorganisms

can hydrolyze about 68,33%; but treatment by 0,5% and 2% H2SO4 only

hydrolyze 52,49% total amount o f cellulose and hemicellulose substances in

com stover The Saccharomyces Cerevisiae can convert about 70% o f total

reducing sugar to produce ethanol

- The research results showed that to produce 1 liter o f ethanol weight about

7.8-12.7 kg o f com stover after corncob harvested (70% o f moisture) coưespondence to 2.3-3.8 kg of dried biomass

- Proposed two technology processes for bio-ethanol production from com

stover with hydrolyses by dilute acid and by microorganisms applied in

laboratorial scale

+ Applied outcomes: The technological process for bio-ethanol production

from com stover applied laboratory scale, and considered as basic result for further research to extend to the practice

+ Publication: 5 articles (3 articles which in the Proceedings o f

International Workshop o f Renewable Energy; 2 articles in the Science

Journal o f Vietnam National University o f Hanoi)

+ Training: 3 master theses; 4 bachelor theses; support one graduate

student to investigate agricultural by-products in Hanoi

6 Financial situation o f the Project: the total amount o f finance is expensed

Project M anager

Assoc Prof Dr Nguyen Xuan Cu

HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE

MỞ ĐẦU

Ngày nay do thế giới phụ thuộc quá nhiều vào dầu mỏ và giá dâu biên

động liên tục theo chiều tăng và sự cạn kiệt dần nguồn năng lượng hoá thạch

và khí đốt nên việc tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế là việc làm có

tính sống còn trong những thập kỷ tới Trong thời gian gần đây giá dầu thế

giới tăng nhanh vượt ngưỡng 100 USD/thùng và với nhu cầu tiêu thụ khoảng

82,5triệu thùng/ngày Theo ủ y ban quốc gia các chính sách năng lượng của

Mỹ nếu chỉ 4% năng lượng thế giới bị ngừng trệ bởi thiên tai thì giá dầu thô có

thể lên đến 160USD/thùng

Sử dụng năng lượng trên thế giói hiện nay phụ thuộc chủ yếu vào các

dạng năng luọng hóa thạch, trong khi nguồn dụ trữ không còn nhiều: dầu mỏ

còn 39 năm, khí thiên nhiên 60 năm, than đá 111 năm Ở khu vực các nước

ASEAN, nhu cầu tiêu thụ năng lượng của khu vực năm 2002 là 280 triệu tấn

than và dự đoán sẽ tăng lên 583 triệu tấn và năm 2020 (Nguyễn Công Tạn,

2007) Indonesia là nước có nguồn năng lượng hoá thạch lớn nhất trong các

nước ASEAN, tuy nhiên hiện nay dầu mỏ dự trữ của Indonesia cũng chỉ còn

sử dụng trong khoảng 25 năm nữa, khí đốt 60 năm và than đá 150 năm

Mặt khác, trên thế giói hiện nay ô tô luôn là phương tiện giao thông

được ưa chuộng hơn cả mà nhiên liệu cho ộ tô là xăng và dầu diesel Tỷ lệ sử

dụng ô tô trên thế giới là 8 / 1 0 0 0 người và dự báo là sẽ tăng lên đáng kể trong

2 thập kỷ tới, điều đó đòi hỏi một khối lượng nhiên liệu xăng dầu tăng thêm cũng rất lớn

Một thách thức khác đối với nhân loại trong thế kỷ 21 là giảm phát thải

khí nhà kính, yếu tố quyết định gây ra biến đổi khí hậu v ấ n đề chính được đặt

ra là tìm được các nguồn năng lượng sạch để thay thế cho nguồn nhiên liệu

hóa thạch được coi là nguồn gây ô nhiễm môi trường và có nguy cơ cạn kiệt

trong tuong lai không xa Trong đó, năng lượng sinh học đang là một hướng đi

quan trọng mà nhiều quốc gia đã lựa chọn

Thế kỷ 19 và 20 được xem là thời kỳ của khoa học và kỹ thuật với

những thành tựu đã mang lại sự phát triển vượt bậc của các nước phát triển ở

Tây Âu, Nhật Bản và Mỹ Từ cuối thế kỷ 20 là thời kỳ của cuộc cách mạng

công nghệ thông tin và những cơ hội cho sự hội nhập quốc tế, tạo ra sự phát

triển mạnh mẽ của Trung Quốc, Ấn Độ và các nền kinh tế mới nổi khác Thể

kỷ 2 1, với thách thức về biến đổi khí hậu, sự suy giảm tài nguyên sẽ là thời đại

của nền công nghiệp xanh, với mục tiêu là sự tăng trưởng ít cac bon, trong đó

năng lượng xanh sẽ đóng vai trò chủ chốt Cho dù vẫn còn đó những tranh cãi

về tác động tiêu cực và lợi ích của việc phát triển nhiên liêu sinh học, nhưng

đây vẫn sẽ là một hướng đi của thế giới trong việc giải quyết nhu cầu năng

lượng cho sự phát trienr bền vững của loài người

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 [8] Đe 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 năng lượng mới, trong đó nghiên cứu phát triển nhiên liệu sinh

học có nguồn gốc từ 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

Năm 2007, thế giới đã sản xuất khoảng trên 52 tỷ lít ethanol (chủ yếu ở

Mỹ và Brasil), trong đó 75% dùng làm nhiên liệu Theo dự báo của các tập

đoàn năng lượng trên thế giới, đến năm 2 0 1 2, lượng ethanol nhiên liệu sẽ tăng

lên 79,3 tỷ lít và tỷ lệ sử dụng làm nhiên liệu tăng lên tới 85% so với hiện nay

Tiêu thụ nhiên liệu sinh học trên thế giới sẽ tăng lên gấp đôi từ 10 tỷ tấn qui ra

dầu/năm (2007) lên 22 tỷ tấn qui dầu vào năm 2050 Theo tính toán của

Zimmy Grine về nhiệt lượng thì 1,5 lít ethanol có thể thay thế 1 lít xăng Sử

dụng xăng sinh học (pha ethanol với xăng thông thường) có thể giảm lượng

xăng từ dầu mỏ 1 0 đến 15% mà công suất và hiệu suất mài mòn động cơ

không đổi

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 từ

động thực vật, không chứa các họp 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 nhanh hơn gấp 4 lần so với nhiên liệu dầu mỏ, do đó giảm được

rất nhiều tình trạng ô nhiễm nước ngầm [8]

Ethanol sinh học (bio-ethanol) là một loại nhiên liệu sinh học dạng cồn,

được sản xuất bằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứa

tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn Do vậy chúng thường được sản

xuất từ các loại cây nông nghiệp có hàm lượng đường cao như hạt ngô (ở Mỹ),

lúa mì, lúa mạch, mía (ở Brasil) Ngoài ra, ethanol sinh học còn được sản xuất

từ cây cỏ có chứa nhiều cellulose Hiện nay, việc sản xuất ethanol từ các loại

cây nông nghiệp có thể ăn được đang gây ra sự lo lang về an ninh lương thực,

dẫn đến sự cạnh tranh giữa cây trồng làm nhiên liệu và cây lương thực, làm

suy thoái đất Chính vì vậy, thế giới đang đi theo hướng sản xuất ethanol sinh học từ các nguyên liệu giàu họp chat cellulose

Một số công trình nghiên cứu trên thế giới cho thấy, các loại phụ phẩm

nông nghiệp giàu hydratcacbon có thể sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất

ethanol sinh học như rơm rạ, thân cây ngô Việc nghiên cứu sử dụng phụ

phẩm nông nghiệp giàu hợp chất cacbonhydrat làm nguyên liệu sản xuất

ethanol nhiên liệu có sử dụng sự trợ giúp của vi sinh vật đang là một trong

những giải pháp đầy hứa hẹn cho việc tạo ra nguông nhiên liệu thay thế một

phần các nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, góp phần giảm thiểu các tác

động xấu đến môi trường Đây là một hướng nghiên cứu đúng đắn thu hút

được sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nước

Việt Nam là một quốc gia có hon 70% dân sổ làm nông nghiệp Do

vậy, phụ phẩm sau thu hoạch rất lớn Theo số liệu thống kê sơ bộ năm 2008

[5], tổng diện tích cây lúa trong cả nước khoảng 7,4 triệu ha; diện tích trồng

ngô cả nước là 1,13 triệu ha, như vậy lượng phụ phẩm từ cây lúa và ngô hanhg

năm sẽ rất lớn Theo phương thức sản xuất nông nghiệp truyền thống, phụ

phẩm nông sau khi thu hoạch (rơm rạ, thân cây ngô) được sử dụng như một

nguồn chất đốt quan trọng để đun nấu trong các gia đình hoặc làm thức ăn

chăn nuôi Tuy nhiên, hiện nay với sự phát triển của xã hội, nhu cầu đời sống

ngày một nâng cao, hầu hết các hộ nông dân đã sử dụng các nguồn nguyên

liệu khác như than, gas, điện, cho việc nấu nướng nên phần lớn lượng phế

phụ phẩm nông nghiệp này được người nông dân đốt ngay trên đồng ruộng tạo

ra những chất độc hại như CH4, C 0 2, bụi, Việc đốt lượng phụ phẩm nông

nghiệp trên đồng ruộng đang dần hình thành một thói quen xấu, không những

gây ảnh hưởng xấu tới môi trường mà còn rất lãng phí nguồn nguyên liệu có

nguồn gốc thực vật này

Ở nước ta, nhu cầu sử dụng năng lượng đang gia tăng ngày càng nhanh

chóng do tốc độ phát triển kinh tế và tăng dân số Nếu năm 2000, nhu cầu tiêu

thụ năng lượng tính bình quân trên đầu người là 155kg dầu tương đương thì

đến năm 2010 là 354-377 kg dầu tương đương (tăng khoảng 2 lần) và đến năm

2020 nhu cầu năng lượng bình quân sẽ gấp khoảng 4 lần so với năm 2000 Để

đáp ứng nhu cầu đó, nguông mhiên liệu xăng dầu ở nước ta chủ yếu phải nhập

khẩu tò bên ngoài Mặc dù năm 2005, Việt Nam đã khai thác 32,4 triệu tấn

than và 18,5 triệu tấn dầu thô song cũng không đủ cung cấp cho nhu cầu sử

dụng trong nước, do đó vẫn phải dựa vào nhập khẩu các sản phẩm dầu mỏ để

đáp ứng nhu cầu năng lượng Chỉ riêng năm 2005 chúng ta đã phải nhập 11,45

triệu tấn sản phẩm dầu mỏ vẫn liên tục tăng nhanh

Nhằm giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu nhập khẩu và tiến tới

bảo đảm nhu cầu năng lượng cho đất nước, ngày 20/11/2007, Thủ tướng chính

phủ đã ký phê duyệt Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm

nhìn đến năm 2025 Mục tiêu tổng quát của đề án là “Phát triển nhiên liệu

sinh học, một dạng năng lượng mới, tái tạo được để thay thế một phần nhiên

liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường” Mục tiêu đến năm 2015, sản lượng ethanol và dầu thực vật đạt

250 nghìn tấn (pha được 5 triệu tấn E5, B5), đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu

của cả nước và đến năm 2025, đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng 5% nhu cầu xăng dầu

của cả nước

Đề tài “Nghiên cứu khả năng sản xuất ethanol sinh học từ cây ngô”

nhằm xác định được khả năng sản xuất ethanol sinh học từ thân cây ngô nhờ

tác nhân sinh học là vi sinh vật

Mục tiêu của đề tài:

- Nghiên cứu tiềm năng sử dụng cây ngô để sản xuất ethanol sinh học, góp

phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả sản xuất nông

nghiệp ở vùng đồng bằng sông Hồng

- Đe xuất quy trình công nghệ sản xuất ethanol sinh học từ cây ngô trong

phòng thí nghiệm

Chương 1 TỎNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 N ăng lư ợ n g sinh học

1.1.1 Khái niệm và các dạng năng lưọng sinh học

Năng lượng sinh học (bio-energy) là tất cả các dạng năng lượng có

nguồn gốc từ sinh khối Chúng bao gồm các nguồn năng lượng được sản xuất

từ nhiều loại sản phẩm nông nghiệp khác nhau như thân, cành, vỏ, quả cây,

các sản phẩm dư thừa khi chế biến nông, lâm sản, gỗ củi, phân gia súc, nước

thải và bã phế thải hửu cơ công nghiệp, rác thải Không giống các dạng năng

lượng hóa thạch, năng lượng sinh học là nguồn năng lượng tái tạo Hơn nữa

khi sử dụng chúng không làm tăng thêm lượng C 02 trong khí quyển Trái đất

mà chỉ khép kín chu trình các bon trong tự nhiên

Năng lượng sinh học là dạng năng lượng được tích lũy từ năng lượng

mặt trời thông qua quá trình quang hợp Năng lượng mặt trời sẽ được chuyển

hóa thành dạng năng lượng hóa học tích lũy trong các chất hữu cơ Vì vậy,

năng lượng sinh học là nguồn năng lượng tái sinh và có khả điều chỉnh theo ý

muốn của con người

Hiện nay chúng ta thường sử dụng năng lưọng sinh học dưới 3 dạng

chủ yếu: năng lượng sinh khối, khí sinh học và nhiên liệu sinh học Năng

lượng sinh khối (biomass energy) bao gồm bất kỳ một dạng chất hữu cơ nào

được đốt cháy để cung cấp năng lượng như củi, gỗ, rơm, trấu, phân và mỡ

động vật Do vậy năng lượng sinh khối thường được hiểu đon giản như

những dạng năng lượng thô Năng lượng sinh khối được sử dụng ở Việt Nam

và các nước khác trên thế giới từ ngàn xưa nhưng chỉ với quy mô nhỏ, mang

tính chât gia đình cho các hoạt động đun nấu hoặc cũng có thể có trong sản

xuât nhỏ Việc sử dụng nhiên liệu sinh khối dạng thô trong quy mô công

nghiệp là khó khăn và ít hiệu quả kinh tế do nhiệt trị nhiên liệu thấp (15-18

MJ/kg đối với củi, gỗ và 12-15MJ/kg đối với rơm, trấu) Khí sinh học

(bio (bio h o : S I A H A N Ô I

gases) bao gồm các chất khí (chủ yếu là CH4) được tạo thành do quá trình

phân hủy các hợp chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí Nhiên liệu sinh học

(bio-fuel) là nhiên liệu dạng lỏng được tạo ra từ các sinh vật

Hiện có 2 dạng nhiên liệu sinh học chủ yếu là ethanol sinh học (bio-

ethanol) và diesel sinh học (bio-diesel) Ethanol sinh học được sản xuất trước

hết từ các loại nguyên liệu giàu tinh bột và đường, chẳng hạn như hạt ngũ cốc,

mía, củ cải đường nhờ quá trình thủy phân và lên men ethanol Ngược lại,

diesel sinh học được chế biến chủ yếu từ các nguồn nguyên liệu chứa dầu và

diện hoá học diesel sinh học là methyl este của axit béo Hiện nay, để không

ảnh hưởng đến khả năng cung cấp lương thực cho con người, các công nghệ

mới sản xuất ethanol sinh học từ các nguồn nguyên liệu giàu cellulose là sản

phẩm phụ của nông nghiệp như rơm rạ rất được chú ý nghiên cứu

Sử dụng ethanol sinh học như một giải pháp thay thế một phần nhiên

liệu cho động cơ ngày càng gia tăng trên thế giới Nó giảm sự phụ thuộc vào

nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, giảm sự phụ thuộc vào nguồn

năng lượng phải nhập khẩu, tạo thêm việc làm, giảm lượng phát thải khí nhà

kính nhất là C 02 và N Ox Hiện nay, năng lượng sinh học chiếm khoảng 11 %

tổng năng lượng cung cấp cho con người (Hình 1)

0.4 %

2.

Than

■ ■ Khí tự nhiên Dầu mó

1.1.2 Ethanol sinh học

Ethanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường

được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp

hyđrat hóa etylen bằng xúc tác axít Cho etylen hợp nước ở 300 độ c , áp suất

70-80 atm với chất xúc tác là acid vvolữamic hoặc acid phosphoric Ngày nay

etylen được hyđrat hóa gián tiếp bằng phản ứng của nó với axít sulfuric đậm

đặc để tạo ra ethyl sulfat, sau đó chất này được thủy phân để tạo thành ethanol

và tái tạo axít sulfuric

Ethanol để sử dụng công nghiệp không phù họp với mục đích làm đồ

uống cho con người do có chứa một lượng nhỏ các chất độc hại (ví dụ như

methanol) hay khó chịu (ví dụ như denatonium- C2iH29N2 0*C7H5 0 2-là một

chất rất đắng, gây tê)

Ethanol sinh học hay còn gọi là cồn sinh học được sản xuất từ các

nguyên liệu như sắn, ngô, mía, gỗ là chất lỏng có thể hòa tan vô hạn trong

nước Ethanol nguyên chất (cồn khan 99,5%) có tỷ trọng khoảng 0,7917 kg/lít

ở nhiệt độ 20 °c, so với tỷ trọng 0,7291 kg/lít của xăng RON 92 Sự chênh lệch tỷ trọng không đáng kể này cho phép ethanol có thể hòa tan một cách dễ

dàng trong xăng thông dụng

Ethanol sinh học có thể phân làm 2 loại: Ethanol khan (nồng độ trên

99%) và ethanol ngậm nước (nồng độ dưới 96%) Ethanol ngậm nước được sử

dụng ở dạng nguyên chất cho động cơ đốt trong (thay thế 1 0 0% nhiên liệu hóa

thạch), trong khi ethanol khan có thể sử dụng trên động cơ dưới dạng hỗn hợp

ethanol - nhiên liệu hóa thạch (xăng sinh học)

1.1.3 Sản xuất và sử dụng ethanol sinh học

1.1.3.1 Sản xuất và sử dụng ethanol sinh học trên thế giới

Năm 1983, Gruham Quick (Mỹ) là người đầu tiên sử dụng dầu từ hạt

lanh để chạy động cơ Năm 1990 Mỹ đã ban hành “Luật không khí sạch” trong

đó ethanol được sử dụng làm chất phụ gia trong xăng thay thế MTBE, chất có thể gây ung thư cho con người đã mở đầu cho nhũng nghiên cúu quy mô lớn

về sản xuất và sử dụng ethanol sinh học Năm 2005 Mỹ có Luật năng lượng đề

ra tiêu chuẩn bắt buộc trong xăng tiêu dùng phải pha nhiên liệu sinh học với tỷ

lệ tăng dần hàng năm Năm 2007, Mỹ sản xuất khoảng 26 giga lít ethanol từ

hạt ngũ cốc

Hiện nay Mỹ có trên 200 nhà máy sản xuất nhiên liệu sinh học Hãng

dầu mỏ lớn thứ 3 nước Mỹ là Conoco Phillips sẽ đầu tư 22,5 triệu USD cho

đại học Iowa State University (ISU, Mỹ) trong 8 năm để phát triển các công nghệ sinh học mới Theo Berger (2002), hiện nay có nhiều công ty đang sản

xuất thương mại ethanol sinh học từ gỗ hoặc các nguyên liệu giàu cellulose,

đặc biệt ở các nước Bắc Mỹ

Nước sử dụng ethanol cho nhiên liệu nhiều nhất trên thế giới là Brasil

Từ năm 1975 Brasil đã có kế hoạch dùng mía làm nguyên liệu sản xuất cồn

thay thế xăng và khuyến khích sử dụng nhiên liệu sinh học bàng các biện pháp

như các loại xăng để chạy xe đều phải pha một tỷ lệ ethanol nhiên liệu, đầu tư

trồng và cải tạo giống mía để sản xuất nhiên liệu sinh học, cải tiến công nghệ

sản xuất ethanol, nghiên cứu sản xuất ô tô chạy bàng ethanol, miễn giảm thuế

sản xuất và tiêu thụ ethanol Hiện nay toàn bộ xăng chạy ô tô của Brasil đều

pha 20-25% ethanol sinh học và đã có loại ô tô chạy hoàn toàn bằng ethanol

sinh học Ethanol khan (95% ethanol và 5% nước) có thể được sử dụng làm

nhiên liệu cho trên 90% xe ôtô thế hệ mới ở Brasil Ở Mỹ, thường dùng tỷ lệ

pha trộn ethanol trong xăng là 15% (xăng E85); hoặc sử dụng tỷ lệ pha trộn

15% xăng với 85% ethanol (xăng E85)

Năm 2005 đã có 70% số ôtô ở Brasil sử dụng nhiên liệu sinh học

Lượng tiêu thụ ethnol sinh học ở Brasil đạt 12 triệu tấn năm 2005, thay thế

45% lượng tiêu thụ xăng và chiểm 1/3 tổng lượng tiêu thụ nhiên liệu cho các

loại xe, tạo công ăn việc làm cho 700.000 người Brasil có thể sán xuất được

lượng ethanol thay thế 1 0% nhu cầu xăng dầu của thế giới trong vòng 2 0 năm

tới với lượng xuất khẩu khoảng 200 tỷ liưnăm so với mức 3 tỷ lít hiện nay

Brasil là nước đi đầu thế giới trong việc chiết xuất ethanol sinh học từ

mía với giá rẻ, trong khi Mỹ là nước sản xuất bio-ethanol lớn nhất thế giới với

công nghệ từ cây ngô Theo đó, việc thống nhất được các tiêu chuân chât

lượng giữa hai nước đang sản xuất tới 70% lượng ethanol sinh học toàn cầu sẽ

giúp loại nhiên liệu này có thể giao dịch trên thị trường quốc tế như xăng dầu

thông thường với giá thành ngày càng giảm Trên 20% xe ôtô ở Brasil có khả

năng sử dụng nhiên liệu 1 0 0% ethanol, bao gồm các động cơ chỉ chạy bằng

ethanol và động cơ hỗn hợp Các động cơ hỗn hợp ỏ Brasil có khả năng sử dụng nhiên liệu ethanol thuần khiết, xăng thông thường hoặc pha trộn theo bất

kỳ tỷ lệ nào [1 0]

Ở Canada, trường đại học Lakehead hiện đang nghiên cứu chế tạo dầu

sinh học thông qua việc hoá lỏng các loại sinh khối, chất thải trong nông

nghiệp như phần thải từ cây lúa mì, ngô, Theo đó, qua một quá trình thuỷ

phân dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất cao các loại sinh khối này sẽ thu được

dầu thô sinh học (bio-crude oil) có thể dùng để phát triển biodiesel sau này

Một hướng nghiên cứu khác là thay thế ethanol bang butanol sinh học bởi nó

cung cấp nhiều năng lượng hơn khi cùng một đơn vị thể tích Một số trường

đại học, viện nghiên cứu ở Mỹ và Hàn Quốc đã nghiên cứu để chế tạo butanol

sinh học từ các loại sinh khôi

Các nước EU sử dụng đậu tương, hạt cải dầu (Brassica napus) và dầu

mỡ phế thải từ động để sản xuất nhiên liệu sinh học Thuỵ Điển dự kiến sau

2 0 2 0 ethanol sinh học từ cellulose sẽ thay thế toàn bộ nhiên liệu hoá thạch nhằm chấm dứt phụ thuộc vào dầu mỏ Trong khối EU nhiên liệu sinh học là

một ưu tiên trong chính sách môi trường và giao thông Theo ước tính của các

nhà kinh tế sử dụng nhiên liệu sinh học trong các loại hình vận tải ở châu Âu

có thể tiết kiệm được 120 triệu thùng dầu thô vào năm 2010 EU đặt mục tiêu

đến 2020 sản xuất 20% điện năng từ các nguồn năng lượng tái sinh EU qui

định các nước thành viên phải sử dụng ít nhất 1 0% nhiên liệu sinh học từ nay đến 2020 Mỹ đề ra đến 2020 sừ dụng 20% nhiên liệu sinh học trong giao

thông

ở các tỉnh Hà Nam, An Huy, Cát Lâm, Hắc Long Giang (Trung Quốc)

đã sản xuất ethanol tò lương thực tồn kho với sản lượng hàng năm đạt 1 , 0 2

triệu tấn Hắc Long Giang đã sản xuất thử ethanol đạt khối lượng 5000

tấn/năm Trung Quốc đang nghiên cửu công nghệ sản xuất ethanol tò cellulose

và hiện đã có cơ sở đạt sản lượng 600 tấn/năm Theo kế hoach đến 2010 sản

lượng nhiên liệu sinh học của Trung Quốc vào khoảng 6 triệu tấn Đen năm

2020 là 19 triệu tấn, trong đó ethanol là 10 triệu tấn và diesel 9 triệu tấn

Trong báo cáo năm 2003 của Uỷ ban phát triển nhiên liệu sinh học của

Ấn Độ cho rằng khả năng sản xuất 29 triệu lít con ethanol đủ tạo ra hỗn họp

nhiên liệu 5% ethanol Ấn Độ Độ chủ truong phát triển trồng cây cọ dầu

(Elaeis guineennsis) và cây cọc rào Ụatropha curcas L.) đe sản xuất diesel

sinh học Uỷ ban phát triển nhiên liệu sinh học của ấn Độ đề nghị trồng cọ dầu

trên diện tích 1 1 , 2 triệu ha đất thoái hoá, đất bỏ hoang và các loại đất có độ phì

thấp

Hàn Quốc đã xây dựng "Chiến lược tăng trưởng xanh, ít phát thải cac

bon" (Green, low carbon growth strategy) trong vòng 60 năm tới nhằm thay

đôi công nghệ, chính sách và lối sống Một trong những mục tiêu mà chiến

lược đề ra là đến 2050, Hàn Quốc sẽ hoàn toàn không bị phụ thuộc vào nhiên

liệu hóa thạch và giải pháp chính là tăng cường năng lượng hạt nhân, phát

triển năng lượng tái tạo Năng lượng sinh học đang được tích cực nghiên cứu,

phát triển ở Hàn Quốc với mục tiêu đến năm 2030 năng lượng tái tạo sẽ đạt

11%, trong đó năng lượng sinh học chiếm 7,12% Ngoài ra, hàn Quốc còn tập

trung phát triển các công nghệ sản xuất khí sinh học từ sinh khối, từ chất thải

chăn nuôi và từ bùn thải Theo tính toán của các nhà khoa học thì cứ 100kg

COD bùn thải (từ hệ thống xử lý nước thải) khi đi vào bê yếm khí sẽ cho ra

40-45m3 khí CH4, 5kg bùn và nước thải có chứa 10-20kg COD

Bộ Nông nghiệp và hợp tác Thái Lan đã có chính sách khuyến khích

nông dân trồng sắn để sản xuất năng lượng mới Dự án trồng sắn để sản xuất

ethanol đã được ký giữa 3 tập đoàn kinh tể lớn với nông dân Năm 2008, Thái

Lan có khoảng 2 triệu tấn sắn nguyên liệu phục vụ các nhà máy sản xuất

ethanol sinh học (Nguyễn Công Tạn, 2007) Chính phủ Thái Lan đề ra mục

tiêu năng lượng tái tạo đạt 2 0% trên tổng năng lượng tiêu thụ vào năm 2 0 2 2

Thái Lan sản xuất diesel sinh học chủ yếu từ cây cọ dầu (palm oil) với tổng

sản lượng 1,3 triệu líưngày (năm 2008) và dự kiến đến 2020 sẽ tăng lên 4,5

triệu lít/ngày Thái Lan cũng tích cực thúc đẩy việc thu mua, tái chế các loại

dầu ăn thải bỏ sau sử dụng từ các cơ sở công nghiệp thực phẩm, các nhà hàng

khách sạn, các hộ gia đình để sản xuất diesel sinh học

Ở Phillipine, luật nhiên liệu sinh học (Biofuel Act) được ban hành từ

năm 2006 với mục tiêu giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hoá thạch Hiện nay

việc sản xuất B2 và E5 là bắt buộc đối với các nhà sản xuất, phân phối nhiên

liệu ở Phillipine Philippine cũng đã đưa kế hoạch phát triển sản xuất ethanol

sinh học với mục tiêu sử dụng nhiên liệu này chiếm 5% tổng tiêu thụ nhiên

liệu của cả nước

Sản lượng bioethanol tiềm năng trên có thể thay thế 353 GL xăng dầu

(32% lượng xăng dầu tiêu thụ trên thế giới) khi mà ethanol sinh học được sử

dụng dưới dạng nhiên liệu E85 cho các loại xe kích thước trung bình Hơn

nữa, các sản phẩm phụ sau quá trình lên men ethanol các chất giàu lignin từ

phụ phẩm nông nghiệp và bã mía có thể sử dụng để tạo ra 458 TWh điện năng

(khoảng 3,6% tổng sản lượng điện thế giới) và 2,6 EJ từ hơi nước (EJ=1018 J)

Năm 2006 trên thế giới đã sản xuất là 51 giga lít ethanol sinh học, trong đó có

69% được sản xuất ở Brasil và Mỹ

Hiện nay, ethanol sinh học được sản xuất chủ yếu từ các sản phẩm cây

trồng nông nghiệp như ngô, lúa mạch, lúa miến, lúa, lúa mỳ, yến mạch và mía

nhờ quá trình lên men Ngay từ năm 1995 đã có khoảng 93% ethanol trên thế

giới được sản xuất nhờ quá trình lên men, chỉ có khoảng 7% từ quá trình tổng

hợp [8] Đe hạn chế ảnh hưởng đến sản xuất lương thực, các sinh khối giàu

lignocellulose như các phụ phẩm nông nghiệp và bã mía cũng được sử dụng

để sản xuất ethanol sinh học Tiềm năng tổng số để sản xuất ethanol từ các phụ

phẩm và chất thải nông nghiệp vào khoảng 491 tỷ lít/năm, gấp 16 lần lượng

ethanol sản xuất hiện nay Ước tính hàng năm trên thế giới đầu tư khoảng 260

triệu USD để sản xuất 50 triệu gallon ethanol từ cây cỏ Nguồn vốn đầu tư để

sản xuất 1 gallon ethanol từ sinh khối nói chung vào khoảng 2,75 USD [14]

Lượng phụ phẩm nông nghiệp (crop residues) toàn cầu ước tính vào

khoảng 4 tỷ tấn/năm với tất cả các cây trồng nông nghiệp và khoảng 3 tỷ

tấn/năm các phụ phẩm giàu lignocellulose từ các cây ngũ cốc Trung bình 1

tấn thân cây ngô có thể sản xuất 280 lít ethanol, so với 400 L từ 1 tấn hạt ngô;

1 tấn sinh khối cũng tương ứng với 18,5 GJ năng lượng Vì vậy, 3 tỷ tấn phụ

phẩm nông nghiệp sẽ tương úng với 840 tỷ lít ethanol hay 56 X 109 GJ năng

lượng [27]

Châu Á là vùng có tiềm năng lớn nhất để sản xuất ethanol sinh học từ

phụ phâm nông nghiệp, với sản lượng vào khoảng 291 tỷ lít ethanol sinh

học/năm Rơm rạ từ lúa và lúa mỳ, thân cây ngô là những nguyên liệu chủ yếu

để sản xuất ethanol sinh học ở Châu Á Tiếp theo là Châu Âu có tiềm năng sản

xuất khoảng 69,2 tỷ lít ethanol sinh học/năm, trong đó nguồn nguyên liệu chủ

yếu là phụ phẩm từ cây lúa mỳ Thân cây ngô cũng là nguồn nguyên liệu để

sản xuất ethanol chính ỏ Bắc Mỹ, với tiềm năng vào khoảng 38,4 tỷ lít ethanol

sinh học/năm Trên phạm vi toàn cầu, hàng năm có thể sản xuất 205 tỷ lít

ethanol từ rơm rạ, đây là nguồn nguyên liệu có tiềm năng lớn nhất để sản xuất

ethanol sinh học Tiếp đến là phụ phẩm từ cây lúa mỳ với tiềm năng sản xuất

khoảng 104 tỷ lít ethanol/năm [38],

Nhu cầu sản xuất và tiêu thụ ethanol sinh họa trên thế giới ngày càng

gia tăng mạnh mẽ và đây được xem là nguồn cung cấp nang lượng tái tạo đầy

tiêm năng cho loài người, nhiều nhà phân tích cho rằng nhu cầu nhiên liệu

ethanol toàn cầu đến năm 2 0 1 0 có thể đạt khoảng 80 tỷ lít, và chỉ trong vài

năm tới các con tàu khổng lồ chở ethanol sẽ xuôi ngược khẳp các đại dương, như hình ảnh tàu chở dầu hiện nay Những chiếc xe chỉ chạy được bằng xăng

sẽ phải nhường chỗ cho các thế hệ xe chạy bang ethanol Lúc đó, sẽ diễn ra sự

cạnh tranh gay gắt trong thị trường nhiên liệu và cả trong thị trường xe hơi thế

giới

1.2.3.2 Nghiên cứu p h á t triển và sử dụng ethanol sinh học ở Việt Nam

Đối với nước ta, nghiên cứu, sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học

vẫn còn khá mới mẻ Ethanol sinh học (Cồn sinh học) mới được sản xuất chủ

yếu từ nguồn nguyên liệu rỉ mía đường, với công suất từ 1 5 - 3 0 nghìn

líưngày, tập trung ở các nhà máy đường Hiệp Hoà, nhà máy đường Lam Sơn,

nhà máy bia rượu Bình Tây và hàng trăm cơ sở sản xuất có quy mô nhỏ lẻ với

công suất từ 3 - 5 nghìn líưngày Do sản xuất quy mô nhỏ, công nghệ lạc hậu

nên sản phẩm cồn sinh học của Việt Nam chưa có sức cạnh tranh cao trên thị

trường, trong khi nhu cầu cồn sinh học ngày càng tăng

Nhằm thúc đẩy các hoạt động sản xuất ethanol sinh học, ngày 20-11-

2007, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt đề án “Phát triển nhiên liệu sinh học

đến năm 2015, tầm nhìn 2025” nhằm phát triển năng lượng tái tạo để thay thế

một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng

lượng và bảo vệ môi trường Đe án đặt mục tiêu phát triển nhiên liệu sinh học

của Việt Nam là đến năm 2010 sẽ xây dựng và phát triển được mô hình sản

xuất thử nghiệm và sử dụng nhiên liệu sinh học quy mô 100 nghìn tấn E5 và

50 nghìn tấn B5/năm, bảo đảm đáp ứng 0,4% nhu cầu xăng dầu của cả nước

Giai đoạn 2011-2015, xây dựng và phát triển các cơ sở sản xuất và sử dụng

nhiên liệu sinh học trên phạm vi cả nước, đến năm 2015, sản lượng ethanol và

dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn (pha được 5 triệu tẩn E5, B5), đáp ứng 1% nhu

cầu xăng dầu của cả nước

Tháng 6-2008, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn cũng đã có

quyết định phê duyệt đề án “Nghiên cứu, phát triển và sử dụng cây cọc rào ở

Việt Nam giai đoạn 2008-2015 tầm nhìn đến năm 2020” Mục tiêu là tạo ra

một ngành sản xuất nông nghiệp mới, thông qua việc hình thành vùng nguyên

liệu gắn với phát triển công nghiệp chế biến dầu diesel sinh học có hiệu quả

cao, quy mô ngày càng lớn Chủ yếu là sử dụng đất ở các vùng hoang hóa, khô

cằn, đất trống đồi núi trọc, những nơi canh tác nông nghiệp năng suât thâp,

góp phần cải thiện đời sống của người dân ở các vùng khó khăn, đông thời bảo

vệ môi trường sinh thái

Theo dự báo của Bộ Công Thương, đến năm 2011 cả nước sẽ có 5 dự

án sản xuất ethanol nhiên liệu với tổng công suất thiết kế đủ để pha 7,3 triệu

tấn xăng E5 (Bảng 1)

Bảng I Các dự án xây dựng Nhà máy ethanol nhiên liệu tại Việt Nam

(nguôn:http://www or ientbiofuels, com vn/index.php? option

Nhìn chung các nhà máy sản xuất ethanol sinh học đã và đạng được xây

dựng ở nước ta chủ yểu lấy sắn làm nguồn nguyên liệu Khi các nhà máy sản

xuất nhiên liệu sinh học đi vào hoạt động sẽ cần một nguồn nguyên liệu rất

lớn Theo đề án phát triển nguyên liệu ethanol sinh học, đến năm 2015 Việt

Nam có thể sản xuất 750 triệu lít ethanol sẽ cần tới 4,2 triệu tấn sắn tươi

nguyên liệu Để đáp ứng nhu cầu nguyên liệu cung cấp cho các nhà máy hoạt

động, diện tích trồng sắn cả nước sẽ vào khoảng 650.000 - 700.000 ha Tuy

nhiên tổng diện tích trồng sắn trên cả nước hiện nay mới có khoảng 450.000 - 500.000 ha N hư vậy vấn đề bảo đảm nguồn nguyên liệu sắn cho sản xuất

ethanol ở nước ta cũng đang cần có các giải pháp cụ thể Đặc biệt là cần có sự

quan tâm hơn đến công nghệ sản xuất ethanol sinh học tù các phụ phẩm nông

nghiệp

Ở Việt Nam hiện nay phải nhập khẩu khoảng 3 triệu tấn xăng/năm Neu

dùng ethanol sinh học để pha vào xăng theo các tỷ lệ 5-10% (xăng E5 và xăng

E10), mỗi năm Việt Nam phải cần tới 150-300 nghìn tan ethanol.Việc đưa

xăng sinh học E5 vào phục vụ thị trường Việt Nam cũng là một phần nội dung

của “Đe án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm

2025” của Chính phủ, đánh dấu một bước phát triển mới trong ngành công

nghiệp năng lượng của Việt Nam

Xăng sinh học E5 được Petro Vietnam giới thiệu lần đầu ra thị trường

vào tháng 9/2008 Ở Hà Nội đã thí điểm xăng pha ethanol sinh học dùng cho

xe ô tô có tên thương mại Gasohol E5 c ồ n ethanol 99,7% được nhập khẩu từ

Brasil Tuy nhiên ngay sau đó việc bán nhiên liệu này đã phải tạm ngưng vì

chưa kiểm fra đầy đủ về chất lượng và chưa có quy chuẩn cho loại nhiên liệu

này theo quy định của pháp luật Từ cuối năm 2010, xăng sinh học đã đưọc bán trở lại tại thị trường Việt Nam Trước mắt, giá bán của xăng E5 sẽ rẻ hơn

xăng A92 hiện nay 500 đồng/lít, tức 15.450 đồng/lít.giá bán lẻ xăng vào thời

điểm cuối 2010 PVN sẽ cố giữ mức giá này trong 6-12 tháng với điều kiện giá xăng A92 bình ổn

1.2 N gu yên lý công nghệ sản xu ất eth an oỉ sin h học

1.2.1 Nguyên liệu sản xuất ethanol sinh học

1.2.1.1 Sản xuât ethanol sinh học từ các nguyên liệu giàu đường

Ethanol thường được sản xuất từ các họp chất đường, chủ yếu là các

đường 5-6 các bon, nhờ quá trình lên men (Hình 2) Do vậy ethanol được sản

xuất chủ yếu từ các nguyên liệu giàu đường như mía Mặc dù nấm, vi khuẩn

và nấm men đều có khả năng lên men nhưng loại nấm men Saccharomyces

cerevisiae (còn gọi là men bia Bakers’ yeast) thường được sử dụng để lên men

glucose thành ethanol, về lý thuyết, 100 gam glucose sẽ tạo được 51,4 gam ethanol và 48,8 gam CƠ2- Tuy nhiên trên thực tể, các vi sinh vật sử dụng 1

phần glucose cho tích lũy sinh khối nên hiệu quả chỉ đạt dưới 1 0 0%

Quá trình lên men bao gồm các vi sinh vật sử dụng đường làm thức ăn

và sản sinh ra ethanol và các sản phẩm phụ khác Các vi sinh vật thông thường

sử dụng các loại đường 6-các bon, phổ biến nhất là glucose Vì vậy các sinh

khối có hàm lượng glucose hoặc tiền glucose là dễ dàng chuyển hóa thành

H O-C-H H-C-OH H-C-OH CH,OH

Nguồn nguyên liệu giàu tinh bột cũng có tiềm năng cho sản xuất

ethanol sinh học Tinh bột thực chất là phân tử lớn gồm nhũng chuỗi kéo dài

của các phân tử đường (Hình 3) Do vậy, tinh bột cũng có khả nang lên men

sau khi các phân tử của nó bị bé gãy thành các phân tử đường [20], Các

nguyên liệu giàu tinh bột thưòng được sử dụng hiện nay để sản xuất ethanol

trên thể giới bao gồm bột ngũ cốc, khoai tây, khoai lang và bột sắn Sản xuất

ethanol từ tinh bột ngũ cốc rất phổ biến ở Mỹ, chủ yếu từ ngô và lúa mỳ.

Hình 3 Câu trúc phân tử tinh bột

Khoảng 475 triệu tấn ngô được sản xuất trên thế giới vào năm 1990

(riêng Mỹ là 200 triệu tấn), trong đó khoảng 8-9 triệu tấn (khoảng 4% sản

lượng ngô của Mỹ) được sử dụng để sản xuất ethanoỉ Mỗi thùng hạt ngô (25,3

kg có độ ẩm 15%) có thể sản xuất đuọc 9,4 - 10,9 lít ethanol tinh khiết.

Đe sản xuất ethanol, các nguyên liệu giàu tinh bột cần phải được thủy

phân bằng nước để phá vỡ cấu trúc phân tử thành đường (quá trình đường hóa)

sau đó sẽ thuecj hiện quá trình lên men tạo ethanol Quá trình thuỷ phân có thể

được tăng cường bởi các yếu tố như nhiệt độ, thời gian và các vi sinh vật

1.2.1.3 Sản xuất ethanol sinh học từ nguyên liệu giàu hydratcacbon

Vì tinh bột và đường đều là nguồn thức ăn quan trọng nên việc sử dụng

quá nhiều cho sản xuất ethanol sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng cung cấp

lương thục cho con người và giá thành sản xuất sẽ ngày càng tăng cao Do

vậy, các nguồn nguyên liệu giàu cellulose khác như giấy, carton, gỗ, các sản

phẩm thực vật giầu chất xơ sợi đã được nghiên cứu để sản xuất ethanol

Các nguyên liệu giàu hydratcacbon bao gồm lignin, hemicellulose và

cellulose do vậy còn được gọi là các hợp chất lignocellulose Quá trình chuyển

hóa sinh khối giàu các chất lignocellulosse thành ethanol khác với quá trình

lên men tinh bột ở chỗ xử lý nguyên liệu thành đường đon cho quá trình lên

men Thủy phân các chất lignocellulosse thành đường khó hơn thủy phân tinh

bột vì chúng là tập hợp các phân tử đường liên kết với nhau thành mạch dài

(polycacbonhydrat) Các chất giàu lignocellulose có cấu trúc tinh thể bền,

chứa khoảng 40-60% cellulose và 20-40% hemicellulose Hemicellulose chứa

hỗn hợp các polyme có nguồn gốc từ xylose, manose, galactose hoặc

arabinose kém bền hơn cellulose Nói chung hỗn hợp cellulose khó hòa tan

trong nước Phức polyme thơm có trong gỗ chủ yểu là lignin (10-25%) không

thể lên men vì khó phân hủy sinh học, nhưng có thể sử dụng cho các mục đích

khác, (Bảng 2)

Sau khi bị thủy phân, các chất này sẽ chuyển hóa thành đường, tạo điều

kiện cho quá trình lên men ethanol Sản phẩm thủy phân của các chat cellulose

trong sinh khối chủ yếu tạo ra đuòng 6-carbon, còn với hemicellulose sẽ là 5-

Vấn đề cơ bản đế sản xuất ethanol sinh học từ nguyên liệu

lignocellulose là quá trình thủy phân hydratcacbon thành đường Dung dịch

thủy phân có thể là axit, enzyme và nhiệt với các kỹ thuật khác nhau Trên

thực tế axit H2SO4 thường được sử dụng rộng rãi nhất vì giá thành rẻ và dễ sản

xuất Khi bị thủy phân, hemicellulose phân hủy hình thành chủ yểu là đường

5-carbon như xylose Một số loại nấm men và và vi sinh vật khác được nghiên

cúu sử dụng để lên men xylose và các pentose thành ethanol

Cellulose

Cellulose là thành phần chủ yếu của vách tế bào thực vật và chiếm 50%

tổng lượng hydrocacbon trên trái đất Mức độ polyme hóa của cellulose rất cao

tới 10.000-14.000 đơn vị glucose/phân tử Do có một lượng lớn các liên kết

hydro nội và gian phân tử làm cho phân tử cellulose có độ cứng và vừng chẳc

cao Tuy nhiên liên kết glucozit không bền với axit nên cellulose dễ bị phân hủy bởi axit và tạo thành sản phẩm phân hủy không hoàn toàn là hydro-

cellulose có độ bền cơ học kém hơn cellulose nguyên thủy, còn khi thủy phân

hoàn toàn thì sản phẩm tạo thành là D-glucose

Cấu trúc phân tử cellulose rất phức tạp do được hình thành từ nhũng

chuỗi dài các phân tử glucose tương tự như phân tử tinh bột (Hình 4) [43],

Đặc điểm cấu trúc này công với sự bao bọc bởi lignin làm cho chúng khó bị

thủy phân hơn tinh bột

Cấu trúc phân tử cellulose

Hình 4 Cấu trúc phân tử cellulose

Hemicellulose

Hemicellulose là một phần polysacarit thường gặp trong vách tế bào

thực vật với hàm lượng lớn sau cellulose Cellulose và hemicellulose được

hình thành không chỉ từ một đường mà nhiều đường khác nhau Người ta gọi

tên cụ thế một loại hemicellulose là dựa theo tên loại đường chù yếu tạo nên

nó; ví dụ như xylan là một hemicellulose mà thành phần chủ yếu cua nó là

xylosa, manan - manose Trong gỗ cây lá kim, chủ yếu hemicellulose được tạo

thành từ loại đường 6 cacbon Khác với cellulose, phân tư hemicellulose nhỏ

hơn nhiều, thông thường không quá 150 gốc đường được nối với nhau không

chỉ bằng liên kết -1,4 mà còn bằng liên kết -1,3 và -1,6 glucozit tạo ra mạch

ngắn và phân nhánh (Hình 5) [43]

Hình 5 Cẩu trúc phân tử hemicellulose

Vì độ polyme thấp, phân nhánh và hỗn hợp nhiều đường nên

hemicellulose không có cấu trúc chặt chẽ như ở cellulose và độ bền hóa lý

cũng thấp hơn Hemicellulose dễ tan trong dung dịch kiềm, trong nước nóng

và dễ bị phân hủy bởi acid loãng Xylan là một hemicellulose phổ biến nhất

trong tự nhiên chiếm 30% khối lượng rơm rạ, 20-25% trong gỗ cây lá rộng, 7-

17% trong gỗ cây lá kim

Hemicellulose cũng được hình thành từ những chuỗi phân tử đường với

thành phần và tỷ lệ các loại đường có sự dao động khác nhau phụ thuộc vào

loại thực vật Hemicellulose là đại phân tử được hình thành từ các đường

cacbon) Chúng có khả năng hòa tan trong nước pH 7, nhung hòa tan tốt hơn ở

dung dịch kiềm Vì đường 5-cacbon có tỷ lệ hòa tan nhiều hơn nên khả năng

lên men ethanol cũng dễ dàng hơn và cho hiệu quả cao hơn trong việc chuyển

hóa thành ethanol

Lignin:

Lignin là một chất polyme được cấu thành từ các đơn vị

phenylpropene Một trong nhũng chức năng quan trọng của lignin là tham gia

hình thành cấu trúc lớp thành bên ngoài tế bào thực vật Đây là hợp chất phức

tạp, có độ bền cao, ít được nghiên cứu Các loài thực vật thân gỗ thường có

hàm lượng lignin cao hon thân thảo (Hình 6) Lignin không chứa đường,

chúng bao bọc và liên kết chặt với các phân tử cellulose và hemicellulose gây

khó khăn cho sự tiếp xúc với chúng Do vậy, việc sản xuất ethanol sinh học từ

các nguồn nguyên liệu giàu cellulose thường có giá thành cao do công nghệ

chưa phát triển [40, 43]

Ngoài ra các thành phần chủ yếu là cellulose, hemicellulose và lignin,

trong nguyên liệu chất xơ còn có lượng nhỏ các chất trích ly và tro Các chất

trích ly chủ yếu là các chất dễ hòa tan, chúng là những chất có khả năng hòa

tan trong dung môi hữu cơ (như dietylether, acetone, toluen ) hoặc trong

nước Các chất trích ly thường có màu, mùi và vị khá đặc trưng Chúng rất

quan trọng để giữ lại những chức năng sinh học của cây Đa phần các chất

nhựa bảo vệ gỗ khỏi những tổn thương gây ra bởi vi sinh vật hay côn trùng

Tro bao gồm các chất vô cơ chứa trong sinh khối sau khi đốt, thường chiếm

khoảng 0,3-1,5% sinh khối khô của cây gỗ Hàm lượng tro phụ thuộc nhiều

vào điều kiện môi trường tăng trưởng của cây và vào vị trí trong cây

1.2.2 Nguyên lý công nghệ sản xuất ethanol từ nguyên liệu giàu cellulose

Để sản xuất ethanol tò các nguyên liệu chứa tinh bột như hạt ngũ cốc

trước hết tinh bột phải được chuyển hóa thành đường Trong quá trình thủy

phân này của tinh bột thành glucose được thực hiện nhanh chóng hơn bàng

cách xử lý nguyên liệu bàng axít loãng, enzyme hay là tổ họp của cả hai

về t i ề m n ă n g , g l u c o s e để l ê n m e n t h à n h e t h a n o l có thể t h u đ ư ợ c từ cellulose tuy nhiên đòi hỏi công nghệ phức tạp hơn Hiện nay có nhiều công

nghệ khác nhau đã và đang được nghiên cứu về các quá trình thủy phân và lên

men nhằm nâng cao hiệu quả chuyển hóa các sản phẩm giàu cellulose thành

ethanol Nhìn chung các nghiên cúu đều tập trung vào tìm các điều kiện tốt

nhất về dung dịch các chất thủy phân, nhiệt độ, thời gian, áp suất, các chủng vi

sinh vật sử dụng cho quá trình thủy phân và lên men ethanol Từ đó xây dụng

quy trình công nghệ thích hợp có khả năng vận hành trong thực tiễn

Sử dụng H2SO4 để thủy phân có thể chuyển hóa 80-90% cellulose và

hemicellulose thành đường Tuy nhiên nồng độ axít cao và quá trình thủy phân

diễn ra phức tạp nên hạn chế phần nào hiệu quả của quá trình này [2 0]

Trong quá trình sản xuất ethanol từ sinh khối, hai quá trình quan trọng

nhất là đường hóa và lên men đường tạo ethanol, v ề mặt công nghệ, hai quá

trình này có thể được tiến hành đồng thời (Simultaneous Saccharification and

Fermentation - SSF) hoặc thực hiện thủy phân và lên men riêng rẽ (Separate

Hydrolysis and Fermentation - SHF) Đe sản xuất ethanol từ thân cây ngô, sử

dụng tỷ lệ 8% sinh khối trong dung dịch Các enzyme nổi sử dụng trong thí

nghiệm này là 10FPU/g dung dịch và nồng độ nấm men Saccharomyces

cerevisiae trong SSF là 1 g/lít (chất khô) SSF tạo được ethanol cao hơn SHF

13%; tương ứng là 72,4% và 59,1% [21]

1.2.2.1 Quá trình thủy phân

Dung dịch được dùng để thủy phân các chất cellulose và cellulose được

dùng phổ biến nhất là dung dịch axit loãng hoặc dung dịch axít đặc Ở mỗi

phương pháp sử dụng dung dịch axit loãng hoặc dung dịch axít đặc lại có các

nông độ axít khác nhau Sử dụng axít loãng thường được thực hiện ở nhiệt độ

và áp suất cao trong thời gian ngắn vài giây hoặc vài phút Ví dụ dùng H2SO4

1% trong thời gian 0,22 phút và nhiệt độ 23 7 °c có thể thủy phân cellulose tạo

được trên 50% đường tiềm năng Trong trường hợp này có thể sản xuất được

189 lít ethanol thuần khiết từ 0,9 - 1,0 tấn nguyên liệu gỗ thô Tuy nhiên, do

yêu cầu của phản ứng cần có các thiết bị đặc biệt nên chi phí cho thiết bị sẽ

khá cao [8]

Hầu hết quá trình thủy phân bằng axít loãng chỉ có thể chuyển hóa được

khoảng 50% lượng đường Nguyên nhân chủ yếu là do bên cạnh quá trình

chuyển hóa cellulose thành đường, đồng thời cũng xảy ra quá trình chuyển hóa

đường thành các chất hóa học khác như furfural, một hóa chất được sử dụng

trong công nghiệp chất dẻo Hàm lượng fufural và một số sản phẩm khác tạo

thành có thể cản trở các vi sinh vật lên men ethanol Phương pháp sử dụng axít

loãng có ưu điểm là thời gian ngắn, tuy nhiên hiệu quả chuyến hóa thành

đường thấp Đe phản ứng thủy phân diễn ra thuận lợi, nguyên liệu cần được

làm nhỏ đến kích thước một vài millimet [1 2]

Vì đường 5-carbon dễ bị phân hủy hơn đường 6-carbon, nên để giảm

thiểu sự phân hủy đường quá trình này được thực hiện theo 2 bước: phản ứng

xảy ra ở điều kiện thấp để tạo đường 5-carbon, sau đó mới thực hiện ở điều

kiện cao hơn để thu hồi đường 6-carbon Tuy nhiên hiệu quả cũng chỉ thu

được vào khoảng 272 lít ethanol/tấn nguyên liệu khô

Sử dụng axít nồng độ cao, yêu cầu nhiệt độ và áp suất thấp hơn so với

s ử d ụ n g a x í t l o ã n g V í d ụ x ử l ý n g u y ê n l i ệ u t ừ c â y n g ô ở n ồ n g đ ộ a x í t H 2 S O 4 10%, nhiệt độ dưới 100°c trong 2-6 tiếng Nhiệt độ và áp suất thấp sẽ hạn chế quá trình phân hủy đường Đe thu hồi đường, các chất thủy phân ở bước thứ

nhất được ngâm trong nước và rửa một vài lần Chất rắn còn lại sau bước xử

lý thứ nhất được xử lý tiếp bằng axít nồng độ 30-40% trong 1-4 tiếng ở 100°c

[30, 37], Sử dụng axit đậm đặc sẽ thu được nhiều đường hơn, có thể đến trên

90% đường trong hemicellulose và cellulose Do thực hiện ở nhiệt độ và áp

suất không cao nên phản ứng xảy ra chậm và gặp khó khăn trong việc xử lý

axit dư thừa

Khi phân tích đường khử, arabinose, galactose, glucose và xylose trong

dịch thủy phân nguyên liệu từ cây mỳ đen ở các nồng độ axit 0,6-0,9 -1 ,2 và

1,5% và thời gian 30-60-90 phút ở 121 °c , tỷ lệ sinh khối trong dung dịch là

1 0% cho thấy nồng độ axit và thời gian thủy không ảnh hưởng nhiều đến hàm lượng glucose trong dịch thủy phân Tuy nhiên hàm lượng glucose và xylose tăng khi nồng độ axit và thời gian thủy phân tăng trong dịch thủy phân cỏ

bermudagrass Hầu hết lượng arabinan, galactan and xylan trong sinh khối đều

bị thủy phân bới dung dịch axit [42],

Đối với nguồn nguyên liệu là thân cây ngô, xử lý cellulose bằng dung

dịch nước nóng ở 160°c có khả năng hoà tan 50% các các hydratcacbon trong

20 phút Các hydratcacbon hòa tan sau quá trình này bao gồm 80% các

oligosaccharide n và 2 0% monosaccharide với 1 % các hydratcacbon bị mất do

quá trình phân hủy Chỉ có một lượng tối thiểu protein bị hòa tan, vì vậy hàm

lượng protein trong phần bã không hòa tan sẽ tăng lên

Nhiệt độ cũng có ảnh hưởng nhất định đến khả năng thủy phân các hợp

chất lignocellulose Ví dụ như sử dụng H2SO4 1% trong 0,22 phút và nhiệt độ

237°c có khoảng 50% cellulose được chuyển hóa thành đường Với 1 tấn gồ khô sẽ sản xuất được khoảng 189 lít ethanol tinh khiết [41]

Nghiên cứu về các điệu kiện để thủy phân cellulose thành glucose được

thực hiện ở 190°c, thời gian 5 phút và 2% H2SO4 Trong điều kiện trên, có tới

56,1 g trong 100 g sinh khối được chuyển hóa, tương ứng khoảng 73% lượng

đường lý thuyết Hàm lượng glucose và xylose đạt cao nhất khi thủy phân ở

130 ° c trong 40 phút, nồng độ axit 1% H 2 S O 4 Ở điều kiện này có khả năng chuyển hóa 64%, 54%, 75% và 67% tương ứng cho glucan, xylan, galactan và

arabinan [1 2]

Điều kiện tốt nhất cho quá trình thủy phân nguyên liệu từ thân cây ngô

là: 60g/lít dung dịch, nhiệt độ 195°c, thời gian 15 phút, áp suất 12 bar và 2 g/lít Na2C 0 3 Trong điều kiện trên, có khoảng 60% hemicellulose và 30%

lignin bị thủy phân, trong khi cellulose chỉ bị thủy phân 1 0% [13]

Quá trình thủy phân các hợp chat cellulose cũng có thể được thực hiện

nhờ các vi sinh vật Tuy nhiên giá thành cao và đòi hỏi phải tạo được khối

lượng lớn các vi sinh vật Phương pháp thủy phân bằng enzim cũng có thể

được thực hiện ở nhiệt độ và áp suất khác nhau [9] Trước hết nguyên liệu

được xử lý sơ bộ bàng axit loãng, sau đó được khử độc tố tạo điều kiện thuận

lợi cho vi sinh vật phát triển Lấy một phần nhỏ dung dịch này để nuôi vi sinh

vật tạo enzim cellulase, một phần khác được sử dụng để nuôi nấm men cho

quá trình lên men

1.2.2.2 Quá trình lên men ethanol

Quá trình lên men đường thành ethanol được thực hiện với sự tham gia

của một sổ loài nấm men, ví dụ như Saccharomyces cerevisiae Các nghiên

cứu ở Trường Đại học Florida (Mỹ) đã chọn lọc được chủng vi sinh vật có khả

năng lên men đồng thời cả đường 5 và 6-carbon ở các điều kiện như trình bày

ở Bảng 3 Nhìn chung vi khuẩn lên men nhanh chỉ trong vài phút so với thời

gian nhiều giờ do nấm men Do vậy trong quá trình lên men, vi khuẩn thường

được chú ý hơn do khả năng lên men nhanh hơn nấm men [14]

Bảng 3 Điều kiện đ ể lên men đồng thời cả đường 5 và 6 cac bon (SSCF)

Hiệu suất tạo ethanol từ glucose

Hiệu suất tạo ethanol từ xylose

Thủy phân và lên men có khả năng tạo ethanol 0,43-0,45 g/g xylose

tương ứng cho nguyên liệu từ thân cây ngô và bã mía Trong những điều kiện

tốt nhất kết họp với vi sinh vật và không có các chất ức chế có thể tạo được

tương ứng 0,58-0,65 g/g xylose [40], Theo Robert W ooley và nnk (1999),

các điều kiện để xử lý nguyên liệu và lên men ethanol từ sản phẩm giàu cellulose như trong Bảng 4 [37]