Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành ethanol sinh học

Etanol sinh học Bio-Etanol là một loại nhiên liệu sinh học, được sảnxuất chủ yếu bằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứatinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn, th

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 7

1.1 Sinh khối và nhiên liệu sinh học 7

1.1.1 Khái niệm 7

1.1.2 Các dạng nhiên liệu sinh học 7

1.1.3 Những lợi ích khi sử dụng nhiên liệu sinh học 8

1.2 Etanol sinh học 10

1.2.1 Tính chất lý hoá học của Etanol 10

1.2.2 Phương pháp sản xuất Etanol sinh học 10

1.2.3 Tình hình sản xuất và sử dụng Etanol sinh học 20

1.4 Vai trò của vi sinh vật trong việc phân giải hợp chất hữu cơ 28

1.4.1 Cellulosese và vi sinh vật phân giải cellulosese 28

1.4.2 Hemicellulosese và vi sinh vật phân giải hemicellulosese 30

1.5 Vai trò của vi sinh vật trong quá trình lên men rượu 32

1.5.1 Quá trình lên men rượu 32

1.5.2 Nấm men dùng trong sản xuất rượu etylic 33

1.6 Bèo tây và thực trạng sử dụng bèo tây ở Việt Nam 34

1.6.1 Đặc điểm của bèo tây 34

1.6.2 Sự phân bố bèo tây ở Việt Nam 34

1.6.3 Thực trạng sử dụng bèo tây ở Việt Nam 35

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37

2.1 Đối tượng nghiên cứu 37

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 37

2.2 Phương pháp nghiên cứu 37

2.2.1 Phương pháp tiền xử lý 37

2.2.2 Phương pháp thủy phân 37

2.2.3 Phương pháp xác định hàm lượng đường khử 37

2.2.4 Phương pháp lên men 38

2.2.5 Phương pháp xác định hàm lượng Etanol 39

Trang 1

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 40

3.1 Thành phần và khả năng phát triển của bèo tây 40

3.1.1 Thành phần lý hóa học của bèo tây 40

3.1.2 Khả năng phát triển của bèo tây 41

3.2 Kết quả thí nghiệm thủy phân chuyển hóa bèo tây thành đường 42

3.2.1 Ảnh hưởng của thời gian 42

3.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ axit 43

3.2.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng 44

3.2.4 Thành phần của bã bèo sau quá trình thuỷ phân 46

3.3 Khả năng chuyển hóa sản phẩm thủy phân thành Etanol 47

3.3.1 Xây dựng đường chuẩn Etanol 47

3.3.2 Phân tích nồng độ Etanol trong các mẫu 48

3.3.3 So sánh với các nghiên cứu trước đây 51

3.4 Đề xuất quy trình sản xuất Etanol từ bèo tây 53

3.5 Đánh giá về khả năng phát triển sản xuất Etanol sinh học từ bèo tây 53

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 55

KẾT LUẬN 55

KHUYẾN NGHỊ 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

Trang 2

Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Thành phần cellulose, hemicellulose và lignin trong SK [42] 11

Bảng 2: Thành phần đường và tro trong các nguyên liệu SK [43] 12

Bảng 3: Các phương pháp xử lý sơ bộ [26] 15

Bảng 4: Tổng sản lượng Etanol hàng năm ở một số nước [28] 22

Bảng 5: So sánh một số chỉ tiêu giữa Etanol, xăng và ETBE 24

Bảng 6: Sản lượng lý thuyết Etanol sinh ra từ 1 tấn nguyên liệu khô [20] 26

Bảng 7 Thành phần khối lượng bèo tây 40

Bảng 8 Sản lượng và độ che phủ của bèo tây 41

Bảng 9 Ảnh hưởng của yếu tố thời gian đến khả năng thủy phân 42

Bảng 10 Ảnh hưởng của nồng độ axit đến khả năng thủy phân 43

Bảng 11 Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng đến khả năng thủy phân 44

Bảng 12 Thành phần chất rắn còn lại sau quá trình thuỷ phân 46

Bảng 13 Khả năng chuyển hoá hydratcacbon trong quá trình thuỷ phân 47

Bảng 14 Hàm lượng Etanol tạo ra sau quá trình lên men 49

Bảng 15 Hàm lượng Etanol và đường khử trong quá trình lên men 50

Bảng 16 Dự kiến sản lượng Etanol ứng với diện tích mặt nước của thành phố 54

Trang 3

DANH MỤC HÌNH

Hình 1: Quá trình thủy phân và lên men để sản xuất Etanol sinh học [35] 13

Hình 2: Thủy phân bằng axit sunfuric loãng [39] 16

Hình 3: Thủy phân bằng axit sunfuric đặc [38] 17

Hình 4 Sử dụng enzyme để thuỷ phân, thuỷ phân và lên men tách riêng 19

Hình 5 Sử dụng enzyme để thuỷ phân, thuỷ phân và lên men đồng thời 20

Hình 6 Cấu trúc cellulose 28

Hình 7 Cấu trúc phân tử Hemicellulose 31

Hình 8 Ảnh hưởng của yếu tố thời gian đến khả năng thủy phân 43

Hình 9 Ảnh hưởng của nồng độ axit đến khả năng thủy phân 44

Hình 10 Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng đến khả năng thủy phân 45

Hình 11 Đường chuẩn Etanol 48

Hình 12 Sắc ký đồ mẫu phân tích Etanol qua các ngày 49

Hình 13 Hàm lượng Etanol tạo ra sau quá trình lên men 50

Hình 14 Mối quan hệ giữa hàm lượng Etanol và đường khử trong quá trình lên men 51

Hình 15 Quy trình sản xuất Etanol từ bèo tây 53

Trang 4

Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

MỞ ĐẦU

Ngày nay, thế giới đang đứng trước nguy cơ khủng hoảng năng lượngtrầm trọng Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới, nguồn nănglượng từ các sản phẩm hoá thạch dầu mỏ sẽ bị cạn kiệt trong vòng 40- 50năm nữa Để ổn định và đảm bảo an ninh năng lượng đáp ứng cho nhu cầucon người cũng như các ngành công nghiệp, các nhà khoa học đang tập trungnghiên cứu tìm ra những nguồn nhiên liệu mới, trong đó nghiên cứu pháttriển nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ sinh khối động, thực vật là mộthướng đi có thể tạo ra nguồn nhiên liệu thay thế phần nào nguồn nhiên liệuhoá thạch đang cạn kiệt, đảm bảo an ninh năng lượng cho từng quốc gia

Sử dụng nhiên liệu sinh học có những ưu điểm như giảm thiểu ô nhiễmkhí thải độc hại từ động cơ, tiết kiệm nguồn nhiên liệu hóa thạch dầu mỏ, tănghiệu suất của động cơ, mặt khác nhiên liệu sinh học khi thải vào đất có tốc độphân hủy sinh học cao nhanh hơn gấp 4 lần so với nhiên liệu hóa thạch

Etanol sinh học (Bio-Etanol) là một loại nhiên liệu sinh học, được sảnxuất chủ yếu bằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứatinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn, thường được sản xuất từ cácloại cây nông nghiệp hàm lượng đường cao như ngô (ở Mỹ), lúa mì, lúamạch, mía (ở Brazil) Ngoài ra, Etanol sinh học còn được sản xuất từ cây cỏ

có chứa hợp chất cellulose Etanol từ cellulose đã được sản xuất thành công

và đưa vào sử dụng làm nhiên liệu ở nhiều nước trên thế giới Hiện nay, việcsản xuất Etanol từ các loại cây lương thực đang gây ra sự lo ngại về vấn đề anninh lương thực trên thế giới Chính vì vậy, thế giới đang đi theo hướng sảnxuất Etanol từ các nguyên liệu chứa hợp chất cellulose

Việt Nam là một quốc gia nằm ở vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm,điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của các loài tảo, bèo tây Trên thế giới đã

có những công trình nghiên cứu ứng dụng khả năng hấp thụ kim loại nặngcủa bèo tây để làm sạch môi trường nước mặt Bên cạnh đó, bèo tây cũng đã

Trang 5

được nghiên cứu trong lĩnh vực sản xuất Etanol sinh học Dựa vào thànhphần hóa học của bèo tây chủ yếu là cellulose và hemicellulose, qua quá trìnhthủy phân và lên men nhờ vi sinh vật, chuyển hoá cellulose trong bèo tâythành Etanol sinh học Với những ưu điểm như rẻ tiền, phổ biến và có khảnăng phát triển rất nhanh, bèo tây sẽ là một nguồn nguyên liệu tiềm năngtrong quá trình nghiên cứu sản xuất Etanol sinh học Chính vì ý nghĩa thiếtthực đó, luận văn đã tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu khả năngchuyển đổi bèo tây (Eichnoria) thành Etanol sinh hoc””

Để đạt được mục tiêu nêu trên, đề tài đã tiến hành các nội dung nghiêncứu sau:

- Nghiên cứu một số điều kiện tối ưu trong quá trình thủy phân bèo tây thành đường đơn bằng tác nhân hóa học

- Xác định hàm lượng Etanol tạo ra sau quá trình lên men bởi vi khuẩn Klebsiella oxytoca THLC0109, phân lập từ quá trình ủ phâncừu và cỏ Napiergrass khô

- Đề xuất quy trình sản xuất Etanol từ bèo tây và xây dựng kịch bản

áp dụng cho một thủy vực thiên nhiên

Trang 6

Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

1.1 Sinh khối và nhiên liệu sinh học

1.1.1 Khái niệm

Sinh khối (SK) là các vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ sinh vật có khảnăng tái tạo như cây cối, phân gia súc… SK được xem là một phần của chutrình cacbon trong tự nhiên Cacbon từ khí quyển được biến đổi thành vậtchất sinh học qua quá trình quang hợp của thực vật Khi phân giải hoặc đốtcháy, cacbon quay trở lại khí quyển hoặc đất Vì vậy cacbon khí quyển đượcgiữ ở mức tương đối ổn định

Các vật liệu hữu cơ được tạo thành bởi các quá trình địa chất tạo than

đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên không được gọi là SK Nhiên liệu hoá thạch cónguồn gốc SK trong thời cổ xưa được xem là đã nằm ngoài chu trình cacbon

từ rất lâu.Việc đốt cháy chúng làm hàm lượng CO2 trong khí quyển mất ổnđịnh

Nhiên liệu sinh học (NLSH) là loại nhiên liệu có nguồn gốc từ SK - có

thể là từ các sinh vật sống hoặc sản phẩm phụ từ quá trình chuyển hóa củachúng (ví dụ như phân gia súc) Chúng thuộc loại năng lượng tái tạo hoàntoàn khác với các loại năng lượng khác như hóa thạch, hạt nhân

1.1.2 Các dạng nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học được sử dụng ở 03 dạng chính sau [40]:

- Dạng rắn (SK rắn dễ cháy): củi, gỗ và than bùn.

- Dạng lỏng: Các chế phẩm dạng lỏng nhận được trong quá trình chế

biến vật liệu nguồn gốc sinh học như:

+ Cồn sinh học - các loại cồn có nguồn gốc sinh học, ví dụ: Etanol sinh học từ đường mía, ngô đang được sử dụng làm nhiên liệu hoặc phụ gia pha xăng tại Braxin, Mỹ và một vài nước khác; mEtanol sinh học (hiện

đang được sản xuất chủ yếu từ khí tự nhiên, song có thể đi từ SK)

Trang 7

+ Dầu mỡ các loại nguồn gốc sinh học: diezel sinh học (Biodiezel) sản phẩm chuyển hóa ester từ mỡ động vật hoặc dầu thực vật; Phenol và cácloại dung môi, dầu nhựa thu được trong quá trình nhiệt phân gỗ, v.v…

Dạng khí: Metan thu được từ quá trình phân hủy tự nhiên các loại

phân, chất thải nông nghiệp hoặc rác thải - Biogas; Hydro thu được nhờcracking hyđrocacbon, khí hóa các hợp chất chứa cacbon hoặc phân ly nướcbằng dòng điện hay thông qua quá trình quang hóa dưới tác dụng của một số

vi sinh vật; các sản phẩm khí khác từ quá trình nhiệt phân và khí hóa SK (các loại khí cháy thu được trong quá trình nhiệt phân gỗ)

1.1.3 Những lợi ích khi sử dụng nhiên liệu sinh học

Sử dụng NLSH sẽ giảm thiểu ô nhiễm và khí nhà kính

NLSH được sản xuất từ SK, là loại vật liệu xuất phát từ sinh vật (chủyếu là thực vật) và là một phần trong chu trình cacbon ngắn CO2 mà cây hấpthụ từ không khí qua quá trình quang hợp sẽ quay trở lại bầu khí quyển khichúng đã bị chuyển hóa thành năng lượng Để có thể coi đó là nguồn nănglượng tái tạo thì ít nhất kho sinh khối đó phải được duy trì không thay đổi.Bởi vì trong chu trình không có lượng CO2 thừa và NLSH chạy xe phát tánngược trở lại nên NLSH có thể được coi là yếu tố "cân bằng về mặt môitrường" thuộc chu trình

Hiện nay, hàng năm toàn thế giới phát thải khoảng 25 tỷ tấn khí độc hại

và khí nhà kính Nồng độ khí CO2, loại khí nhà kính chủ yếu, tăng trên 30%

so với thời kỳ tiền công nghiệp (từ 280 ppm tăng lên 360 ppm), nhiệt độ tráiđất tăng 0,2- 0,40C Nếu không có giải pháp tích cực, nồng độ khí nhà kính cóthể tăng đến 400 ppm vào năm 2050 và 500 ppm vào cuối thế kỷ XXI, nhiệt

độ trái đất tăng thêm 2-40C, gây ra hậu quả khôn lường về môi trường sống

Sử dụng NLSH so với xăng dầu khoáng giảm được 70% khí CO2 và 30% khíđộc hại, do NLSH chứa một lượng cực nhỏ lưu huỳnh, chứa 11%

Trang 8

Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

oxy, nên cháy sạch hơn NLSH phân huỷ sinh học nhanh, ít gây ô nhiễmnguồn nước và đất

Sử dụng NLSH sẽ góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế nông nghiệp

Ngành kinh tế nông nghiệp ngoài chức năng cung cấp lương thực thựcphẩm, nguyên liệu công nghiệp, giờ đây có thêm chức năng cung cấp nănglượng sạch cho xã hội, đóng góp vào việc giảm thiểu khí nhà kính và khí độchại Đặc biệt, khi phát triển NLSH có thể sử dụng các giống cây có dầu,chẳng hạn như J Curcas trồng trên các vùng đất hoang hoá hoặc đang sửdụng kém hiệu quả, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng đất.[18]

Kỹ thuật và kinh tế năng lượng

Sản xuất và sử dụng NLSH đơn giản hơn so với các dạng nhiên liệuhyđrô /pin nhiên liệu Khi sử dụng E20, B20 không cần cải biến động cơ, sửdụng được cho các loại ôtô hiện có, cũng không cần thay đổi hệ thống tồnchứa và phân phối hiện có NLSH và nhiên liệu khoáng có thể dùng lẫn vớinhau được Công nghệ sản xuất NLSH không phức tạp, có thể sản xuất ở quy

mô nhỏ (hộ gia đình) đến quy mô lớn Sự tiêu hao nhiên liệu, công suất động

cơ tương tự như dùng xăng dầu khoáng Nhiều công trình nghiên cứu về cânbằng năng lượng đã cho thấy: Từ 1 đơn vị năng lượng dầu mỏ sản xuất được0,87 đơn vị năng lượng xăng, hoặc 1,02 đơn vị năng lượng ETBE, hoặc 2,05đơn vị năng lượng Etanol Từ 1 đơn vị năng lượng dầu mỏ (dùng để cày bừa,trồng trọt, chăm sóc, vận chuyển đến chế biến) sẽ tạo ra 1,2 đơn vị nănglượng NLSH Nếu kể thêm các sản phẩm phụ (bã thải, sản phẩm phụ) thì tạo

ra 2-3 đơn vị NLSH Như vậy, cân bằng năng lượng đầu ra so với đầu vào làdương Hiện tại, giá NLSH còn cao do sản xuất nhỏ, giá nguyên liệu cao Khisản xuất quy mô lớn với công nghệ mới sẽ giảm giá thành Nếu xăng dầukhông bù giá thì NLSH có giá thành thấp hơn Có thể khẳng định, NLSH sẽđem đến đa lợi ích

Trang 9

Độ nhớt của Etanol là 1,200 cP ở 20°C

b Tính chất hóa học

Etanol là rượu no, đơn chức, có công thức C2H5OH Etanol mang đầy

đủ tính chất của một rượu đơn chức như phản ứng thế với kim loại kiềm,phản ứng este hóa, phản ứng loại nước hay phản ứng tách nước, phản ứngoxi hóa thành andehyt, axit hay CO2 tùy theo điều kiện phản ứng Ngoài raEtanol còn có một số phản ứng riêng như sau:

- Phản ứng tạo ra Butadien-1,3: Cho hơi rượu đi qua chất xúc tác hỗn hợp Cu + Al2O3 ở 380 - 4000C , lúc đó xảy ra phản ứng tách loại nước

2C2H5OH → CH2=CH-CH2=CH + 2 H2O + H2

- Phản ứng lên men giấm: Oxi hóa rượu Etylic 10 độ bằng khí O2 có mặt men giấm ở nhiệt độ khoảng 250C

CH3-CH2-OH + O2→ CH3-COOH +

H2O 1.2.2 Phương pháp sản xuất Etanol sinh học

Etanol có thể được sản xuất theo phương pháp hóa học từ nguyên liệuEtan hoặc Etylen bằng phương pháp hydrat hóa Etylen Trên thực tế, Etanolthường được sản xuất bằng con đường sinh học Khi đó sản phẩm Etanolđược gọi là cồn sinh học hay Bio- Etanol Công nghệ chiếm ưu thế hiện nay

là chuyển hóa SK thành Etanol thông qua lên men rượu rồi chưng cất Quátrình lên men rượu này là quá trình chuyển hóa sinh hóa học SK sẽ bị mencủa vi khuẩn hoặc nấm men phân hủy Phương pháp lên men có thể áp dụng

Trang 10

Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

đối với nhiều nguồn nguyên liệu SK khác nhau

Hiện nay, các hoạt động nghiên cứu và phát triển ở châu Âu về lĩnh vựcEtanol sinh học chủ yếu tập trung vào sử dụng các nguồn nguyên liệucellulose (từ gỗ) Các loại cây trồng quay vòng ngắn (liễu, bạch dương, bạchđàn), các chất thải nông nghiệp (rơm, bã mía), các phế thải của công nghiệp

gỗ, gỗ thải đều thích hợp để làm nguyên liệu sản xuất Etanol Cứ khoảng 2

- 4 tấn vật liệu gỗ khô hoặc cỏ khô đã có thể cho 1 tấn Etanol Nguyên nhânkhiến các nhà nghiên cứu chuyển sang sản xuất Etanol từ SK cellulose (gỗ,thân thảo) là vì các loại này sẵn có và rẻ tiền hơn so với các loại tinh bột ngũcốc hoặc cây trồng khác, đặc biệt là với những nguồn chất thải hầu nhưkhông có giá trị kinh tế thì vấn đề càng có ý nghĩa Tuy nhiên, quá trìnhchuyển hóa các vật liệu này sẽ khó khăn hơn Hàm lượng cellulose,hemicellulose, lignin, đường và tro trong các nguyên liệu SK được biểu hiệntrong Bảng 1 và Bảng 2

Bảng 1: Thành phần cellulose, hemicellulose và lignin trong SK [42]

Trang 11

Bảng 2: Thành phần đường và tro trong các nguyên liệu SK [43]

Nguyên liệu

Gỗ cứng

Gỗ mềmPhụ phẩmnông nghiệp

b Công nghệ chuyển hóa Etanol

- Quá trình chuyển hóa từ nguyên liệu chứa đường

Etanol có thể sản xuất từ nhiều loại nguyên liệu SK khác nhau, nhưngchỉ có một vài loại cây trồng chứa nhiều loại đường đơn giản, dễ tách nênthuận lợi cho quá trình xử lý và lên men Thông thường để tách đường hoàntoàn, quá trình tách (chiết hoặc nghiền nhỏ) cần được thực hiện lặp đi lặp lạinhiều lần

- Quá tình chuyển hóa từ các nguyên liệu chứa tinh bột

Các loại tinh bột ngũ cốc là các vật liệu gồm các phân tử cacbonhydratphức tạp hơn nên phải phân hủy chúng thành đường đơn nhờ quá trình thủyphân

Hạt được xay, nghiền ướt thành dạng bột nhão Trong quá trình này đã cómột lượng đường được giải phóng Nhưng để chuyển hóa tối đa lượng tinh bộtthành đường, tạo điều kiện lên men rượu, bột nhão được nấu và cho thủy phânbằng enzym (ví dụ amylaza) Trong trường hợp thủy phân bằng axit thì cần rótaxit loãng vào khối bột nhão trước khi đem nấu Quá trình lên men được xúctiến mạnh khi có mặt một số chủng men rượu Để thuận lợi cho quá trình lênmen, pH của dịch thủy phân cần điều chỉnh ở mức 4,8 - 5,0 Etanol sinh ra trongquá trình lên men sẽ hòa tan trong nước Quá trình lên men rượu này sinh ra khí

CO2 Sau một chuỗi các bước chưng cất và tinh cất để loại

Trang 12

Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

nước, nồng độ Etanol sẽ được tăng cao tối đa (có thể đạt mức cồn tuyệt đối Etanol khan)

Quá trình chuyển hóa từ nguyên liệu chứa cellulose [28]

Nguyên liệu sinh

khối ligno-cellulose

Thủy phân giải phóng xylose từ hemicellulose

Nhiệt

Nồi hơi

Hình 1: Quá trình thủy phân và lên men để sản xuất Etanol sinh học [35]

với quá trình lên men tinh bột ở chỗ xử lý nguyên liệu thành đường đơn sẵnsàng cho quá trình lên men Thủy phân hỗn hợp cellulose khó hơn thủy phântinh bột vì hỗn hợp cellulose là tập hợp các phân tử đường liên kết với nhauthành mạch dài (polymer cacbonhydrat) gồm khoảng 40 – 60% cellulose và

20 – 40% hemicellulose, có cấu trúc tinh thể, bền Hemicellulose chứa hỗnhợp các polymer có nguồn gốc từ xylo, mano, galaeto hoặc arabino kém bền

Trang 13

Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

hơn cellulose Nói chung hỗn hợp cellulose khó hòa tan trong nước

Phức polyme thơm có trong gỗ là lignin (10 - 25%) không thể lên men

vì khó phân hủy sinh học, nhưng có thể tận dụng vào việc khác

c Các giai đoạn trong sản xuất Etanol sinh học

(i) Quá trình xử lý sơ bộ:

Một số phương pháp xử lý sơ bộ được trình bày trong Bảng 3 sau đây:

* Thủy phân bằng axit

Trong ngành công nghiệp sản xuất Etanol, người ta ưu tiên sử dụngcông nghệ thuỷ phân bằng axit vì giá thành của enzyme cellulase quá cao.Theo nguyên tắc, bất cứ axit nào cũng có thể sử dụng cho quá trình thuỷ phân,nhưng trên thực tế, axit sunfuric vẫn được dùng phổ biến nhất vì giá thànhcủa nó rẻ và cho hiệu quả thuỷ phân tương đối cao Axit sunfuric sử dụng cóthể là axit đặc hoặc axit loãng

Thủy phân bằng axit loãng

Quá trình thủy phân nguyên liệu thành đường tự do sẵn sàng lên menbằng axit sunfuric loãng phải trải qua 2 bước:

- Bước 1: Thủy phân bằng axit loãng nồng độ 0,5% để phá vỡ liên kếthyđro giữa các mạch cellulose và phá vỡ cấu trúc tinh thể của chúng thựchiện ở nhiệt độ 2000C Kết quả thủy phân bước 1 sẽ chuyển hóahemicellulose thành đường 5 Cacbon và 6 Cacbon (chủ yếu xylo và mano) dễlên men tạo thành Etanol đồng thời bẻ gãy cấu trúc cellulose

- Bước 2: Để chuyển hóa hoàn toàn cấu trúc cellulose đã gãy thànhđường Gluco Cacbon, bước thủy phân thứ 2 sử dụng axit nồng độ 2% được

Trang 15

Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

thực hiện ở nhiệt độ 2400C

Nguyên liệu

Thuỷ phân bằng axit loãng (2%)

Tận dụng chất rắn

Trung hoà

ethanol

Thạch cao

Hình 2: Thủy phân bằng axit sunfuric loãng [39]

Quá trình thủy phân nguyên liệu thành đường tự do sẵn sàng lên menbằng axit sunfuric loãng phải trải qua 2 bước:

- Bước 1: Thủy phân bằng axit loãng nồng độ 0,5% để phá vỡ liên kếthyđro giữa các mạch cellulose và phá vỡ cấu trúc tinh thể của chúng thựchiện ở nhiệt độ 2000C Kết quả thủy phân bước 1 sẽ chuyển hóahemicellulose thành đường 5 Cacbon và 6 Cacbon (chủ yếu xylo và mano) dễlên men tạo thành Etanol đồng thời bẻ gãy cấu trúc cellulose

- Bước 2: Để chuyển hóa hoàn toàn cấu trúc cellulose đã gãy thànhđường Gluco Cacbon, bước thủy phân thứ 2 sử dụng axit nồng độ 2% đượcthực hiện ở nhiệt độ 240oC

Thủy phân bằng axit đặc

Trang 16

Nguyên liệu

Cô đặc axit

Hình 3: Thủy phân bằng axit sunfuric đặc [38]

Quá trình thuỷ phân vẫn được tiến hành qua hai bước, bước thứ nhất đểthuỷ phân hemicelulose, được tiến hành ở 100oC, trong thời gian từ 2 – 6h, nồng

độ axit cho vào là 10% Ở giai đoạn thuỷ phân thứ nhất, sau khi axit phân huỷhemicellulose, hỗn hợp sẽ được pha loãng bằng nước, sự thuỷ phân xảy ra trongbước pha loãng thu được phần lớn đường Sau đó, hỗn hợp được lọc để thu hồidung dịch, phần chất rắn còn lại được đem thủy phân tiếp Tại đây axit đặc phá

vỡ liên kết hydro giữa các chuỗi cellulose, biến đổi chúng thành dạng vô địnhhình hoàn toàn Khi cellulose được decrystallization, chúng tạo thành một dạngchất lỏng dễ bị thuỷ phân Chính vì vậy, pha loãng dung dịch bằng nước ở nhiệt

độ thường sẽ làm cho sự thuỷ phân glucose diễn ra nhanh chóng và hoàn toàn,với ít sự thất thoát nhất Lignin được thu hồi để tận dụng làm các sản phẩm khác(thức ăn gia súc) Trong quy trình này, người ta sử dụng màng lọc để phân táchđường và axit, hệ thống thu hồi và cô

Phạm Công Minh K15 Cao học Môi trường

Trang 17

đặc axit nhằm tận dụng quay vòng lại lượng axit sunfuric trong dung dịch Tuynhiên, hệ thống này có giá thành rất cao, do vậy người ta thường sử dụng mộtlượng lớn vôi để trung hoà axit trong dung dịch trước khi tiến hành lên men Sựtrung hoà này tạo ra một lượng lớn thạch cao CaSO4 Ưu điểm của quy trình làhiệu quả thuỷ phân cao, có thể thu hồi được 90% lượng đường của cellulose vàđường của hemicellulose Quá trình thủy phân cellulose thành gluco bằng axit

có thể thay thế bằng men phân hủy cellulose [26]

* Thủy phân bằng enzyme [39]

Quá trình thủy phân bằng enzyme và quá trình lên men có thế đượcdiễn ra đồng thời với nhau hoặc tách riêng

Thuỷ phân và lên men tách riêng: Vật liệu sau khi được nghiền mịn

(giảm kích thước) sẽ được xử lý sơ bộ bằng axit loãng để thuỷ phânhemicellulose, chất rắn còn lại (cellulose, lignin) sẽ được thuỷ phân bằngenzyme Trong bước xử lý sơ bộ, chuỗi liên kết các loại đường cấu thành nênhemicellulose bị phá vỡ, các phân tử hemicellulose sẽ bị phân huỷ thành cácđường đơn Cụ thể là các đường 5 Cacbon có thể hoà tan như xylose,araibinose và các đường 6 Cacbon có thể hoà tan như mannose và galactose.Một lượng nhỏ cellulose cũng được chuyển hoá thành glucose trong bướcnày Tiếp đến cần nuôi dưỡng enzyme để thuỷ phân cellulose, enzymecellulase được sử dụng để thuỷ phân các phân tử cellulose thành đườngglucose Trong phản ứng thuỷ phân cellulose, enzyme cellulase được sử dụng

để phá vỡ chuỗi liên kết glucan của cellulose, giải phóng ra glucose Quátrình thuỷ phân cellulose còn được gọi là sự hoá đường cellulose Dung dịchthu được sau giai đoạn xử lý sơ bộ và giai đoạn thuỷ phân cellulose được lênmen bằng vi sinh vật Sau đó người ta chưng cất để thu hồi Etanol tinh khiết.Trong quy trình này quá trình thuỷ phân và quá trình lên men được tiến hànhtách rời

Trang 18

Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

Sản xuấtenzyme

Giảm kích thước nguyên liệu

Lên men

Thu hồi etanol

Hình 4 Sử dụng enzyme để thuỷ phân, thuỷ phân và lên men tách riêng

(SCF: separate hydrolysis and fermentation)

Thuỷ phân và lên men đồng thời: Khác với quy trình thủy phân và lên

men đồng thời, ở quy trình này quá trình thuỷ phân cellulose và quá trình lên

men được tiến hành đồng thời Quy trình này tuy không phải thực hiện sự thủy

phân trước nhưng hạn chế của nó là làm xuất hiện các phản ứng lên men đồng

thời phức tạp, và làm phát sinh các sản phẩm của sản xuất Etanol sinh học ức

chế hoạt động của enzyme Quy trình này được biểu diễn ở Hình 5

nguyên liệu

Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

Hình 5 Sử dụng enzyme để thuỷ phân, thuỷ phân và lên men đồng thời

(SSCF: simultaneous saccharification and cofermentation)

d Thực trạng công nghệ và tính kinh tế [28]

Trên thế giới, sản xuất Etanol đã được các nước tiên tiến đầu tư vàphát triển từ thập niên 70 của thế kỷ 20 Để giảm chi phí sản xuất và hạ giáthành sản phẩm hơn nữa thì cần cải tiến công nghệ và tìm kiếm các nguồn SK

rẻ hơn (giá nguyên liệu chiếm 55 - 80% giá sản phẩm cuối) Các công ty của

Mỹ và Canađa hiện đang tiếp tục nghiên cứu tận dụng nguồn SK, là hỗn hợpcellulose và các nguồn phế thải khác

Ngoài ra, các nhà khoa học trên thế giới cũng tìm ra một công nghệ sảnxuất Etanol khác là thông qua con đường khí hóa nguyên liệu, xong rất phứctạp và không kinh tế

Để dùng làm nhiên liệu, Etanol phải ở dạng cồn tuyệt đối (xấp xỉ

100%), hiện nay người ta đang tiếp tục cải tiến khâu loại bỏ triệt để nước từsản phẩm bằng cách sử dụng phương pháp lọc màng phân tử

Chi phí đầu tư ngắn hạn cho một cơ sở sản xuất Etanol từ hạt ngũ cốctại châu Âu, dự tính 290 euro/kW nhiệt (đối với nhà máy 400 MW nhiệt), nếuđầu tư dài hạn chi phí có thể giảm 40% Nếu nhà máy sản xuất Etanol từnguồn gỗ, chi phí đầu tư ngắn hạn khoảng 350 euro/ kW nhiệt, nếu đầu tưdài hạn chi phí giảm 50%

Chi phí sản xuất Etanol từ đường và ngũ cốc tại châu Âu và Mỹ hiện khácao: 15 – 25 euro/ GJ (1Giga Jun = 109 Jun) đi từ củ cải ngọt và 20 euro/ GJ đi

từ ngô, tức là Etanol có giá 0,32 – 0,54 euro/ lít (tương đương với 8.640

– 14.580 VNĐ,1 euro = 27.000 VNĐ) Nếu sản xuất từ nguồn cellulose, giá Etanol còn 0,11 - 0,32 euro/ lít (tương đương với 2.970 – 8.640VNĐ)

1.2.3 Tình hình sản xuất và sử dụng Etanol sinh học

a Sản xuất và sử dụng Etanol sinh học trên thế giới [24]

Hiện nay có khoảng 50 nước trên thế giới khai thác và sử dụng NLSH

Trang 20

ở các mức độ khác nhau NLSH được dùng làm nhiêu liệu cho ngành giaothông bao gồm: Dầu thực vật sạch, Etanol, diesel sinh học, dimetyl ether(DME), etyl tertiary butyl ether (ETBE) và các sản phẩm từ chúng Năm

2006, toàn thế giới đã sản xuất khoảng 50 tỷ lít Etanol (75% dùng làm nhiênliệu) so với năm 2003 là 38 tỷ lít, dự kiến năm 2012 là khoảng 80 tỷ lít; năm

2005 sản xuất 4 triệu tấn diesel sinh học (B100), năm 2010 sẽ tăng lênkhoảng trên 20 triệu tấn Sản lượng Etanol ở một số nước đứng đầu trên thếgiới được chỉ ra ở Bảng 4

3

4 5 6 7 8 9 10 11 12

Phạm Công Minh K15 Cao học Môi trường

Trang 21

13 14 15 Tổng số

Bảng 4: Tổng sản lượng Etanol hàng năm ở một số nước [28]

(Ghi chú: 1 gallon Mỹ = 3,785 lít)

Năm 2005, Brazil sản xuất 16 tỷ lít Etanol, chiếm 1/3 sản xuất toàn cầu.Năm 2006, Brazil đã có trên 325 nhà máy Etanol và khoảng 60 nhà máy khácđang xây dựng, để sản xuất xăng Etanol từ mía (đường, nước mật, bả mía), vàbắp; đã sản xuất 17,8 tỷ lít Etanol, dự trù sẽ sản xuất 38 tỷ lít vào năm 2013

Hiện tại, diện tích trồng mía ở Brazil là 10,3 triệu ha, một nửa sảnlượng mía dùng sản xuất xăng – Etanol, nửa kia dùng sản xuất đường Dựđoán là Brazil sẽ trồng 30 triệu ha mía vào năm 2020 Các công ty tiếp tục

mở rộng diện tích canh tác mía, bắp, đậu nành cho mục tiêu sản xuất xăngsinh học vừa tiêu thụ trong nước vừa xuất khẩu Giá xăng Etanol được bánbằng nửa giá xăng thường tại Brazil

Hoa kỳ sản xuất Etanol chủ yếu từ hạt bắp, hạt cao lương và thân câycao lương ngọt, và củ cải đường Khoảng 17% sản lượng bắp sản xuất hàngnăm ở Hoa Kỳ dùng để sản xuất Etanol Hoa Kỳ đặt chỉ tiêu sản xuất E10 đểcung cấp 46% nhiên liệu cho xe hơi năm 2010, và 100% vào 2012 HãngGeneral Motor đang thực hiện dự án sản xuất E85 từ cellulose (thân bắp), vàhiện có khoảng hơn 4 triệu xe hơi chạy bằng E85 Hảng Coskata đang có 2nhà máy lớn sản xuất xăng Etanol Hiện tại nông dân Hoa Kỳ chuyển hướngsản xuất lúa mì và bắp cho xăng sinh học, vì vậy, số lượng xuất khẩu hạt ngũcốc giảm từ nhiều năm nay, làm giá nông sản thế giới gia tăng Vì giá cả xăngsinh học còn cao hơn xăng thường nên chính phủ Mỹ phải trợ cấp, khoảng1,9 USD cho mỗi gallon (=3,78 lít) xăng sinh học, trợ cấp tổng cộng khoảng

7 tỷ USD/năm

Trang 22

Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

Đức là nước tiêu thụ nhiều nhất xăng sinh học trong cộng đồng EU,trong đó có khoảng 0,48 triệu tấn Etanol Nguyên liệu chính sản xuất Etanol

là củ cải đường

Pháp là nước thứ hai tiêu thụ nhiều Etanol sinh học trong cộng đồngchâu Âu với mức khoảng 1,07 triệu tấn Etanol và diesel sinh học năm 2006.Công ty Diester sản xuất diesel sinh học và Téréos sản xuất Etanol là 2 đạicông ty của Pháp trong lĩnh vực sản xuất nhiên liệu sinh học

Thuỵ Điển có chương trình chấm dứt hoàn toàn nhập khẩu xăng cho xehơi vào năm 2020, thay vào đó là tự túc bằng xăng sinh học Hiện nay, 20%

xe ở Thuỵ Điển chạy bằng xăng sinh học, nhất là xăng Etanol Thuỵ Điểnđang chế tạo xe hơi vừa có khả năng chạy bằng Etanol vừa có khả năng chạybằng điện Để khuyến khích sử dụng xăng sinh học, chính phủ Thuỵ Điểnkhông đánh thuế xăng sinh học, và trợ cấp xăng sinh học rẻ hơn 20% so vớixăng thông thường, không phải trả tiền đậu xe ở thủ đô và một số thành phốlớn, bảo hiểm xe cũng rẻ hơn

Vương quốc Anh đặt chỉ tiêu 5% xe giao thông sử dụng xăng sinh họcvào năm 2010 Hiện tại các xe bus đều chạy xăng sinh học Hãng hàng khôngVirgin (Anh quốc) bắt đầu sử dụng xăng sinh học cho máy bay liên lục địa

Trung quốc đã sản xuất 920.000 tấn Etanol Chỉ tiêu sản xuất 6 triệutấn Etanol vào năm 2013, và 300 triệu tấn Etanol vào 2020 Hiện nay Trungquốc chỉ cho phép trồng sắn, lúa miến ngọt và một số hoa màu không quantrọng khác trên các loại đất nghèo dinh dưỡng, không thích ứng sản xuấtnông nghiệp như ở Shangdong và Xinjiang Uygur

Ở Ấn Độ, Chính phủ đã có chính sách sử dụng xăng Etanol E5 hiệnnay, và E10 và E20 trong những năm tới Ấn Độ gia tăng diện tích trồng câydầu lai để sản xuất diesel sinh học, và diện tích mía cho sản xuất xăng Etanol

Thái Lan bắt đầu nghiên cứu sản xuất xăng sinh học từ năm 1985 Năm

2001, Thái Lan thành lập Uỷ ban NLSH để điều hành và phát triển nghiên

Trang 23

cứu NLSH Xăng E10 đã bắt đầu bán ở các trạm xăng từ 2003.

Sử dụng Etanol sinh học: Etanol sinh học chủ yếu được nghiên cứu sửdụng làm nhiên liệu [28]: Etanol có thể làm phụ gia cấp oxy cho xăng (nồng

độ 3%) giảm phát thải khí CO đồng thời làm phụ gia thay thế chì tetraetyl,hoặc cũng có thể thành nguyên liệu sản xuất etyl ter-butyl eter (ETBE) – mộtphụ gia cho xăng Etanol còn được dùng làm yếu tố tăng chỉ số octan choxăng và qua đó giảm nổ và cải thiện tiếng ồn động cơ

Chỉ số octan ở Etanol cao nên rất thích hợp với hệ đánh lửa động cơđốt trong của ô tô, song chỉ số xetan thấp nên không thích hợp lắm với động

cơ diezel Giải pháp kỹ thuật đối với điều này là người ta sẽ đưa vào nhiênliệu một lượng nhỏ dầu diezel hoặc là sử dụng phụ gia

6 Áp lực bay hơi Reid là chỉ số đo độ

bay hơi của nhiên liệu (kPa) ở

150C

7 Khối lượng riêng (kg/l) ở 150C

8 Giá trị calo thấp hơn (MJ/kg) ở

150C

Bảng 5: So sánh một số chỉ tiêu giữa Etanol, xăng và ETBE

Chỉ số octan của Etanol cao hơn xăng nên có tác dụng giảm tiếng ồnđộng cơ tốt hơn, hơn nữa Etanol chứa oxy nên hiệu quả nhiên liệu ở động cơ

đƣợc cải thiện hơn Pha trộn với tỉ lệ hợp lý giữa Etanol và xăng sẽ làm tănghiệu quả động cơ xe Các loại xe chạy nhiên liệu xăng pha Etanol đƣợc gọi là

Trang 24

xe chạy nhiên liệu gasohol Thông thường gasohol có tỉ lệ pha trộn 10%Etanol và 90% xăng không pha chì (E10) Nếu xe được cải thiện bộ phậnđánh lửa ở động cơ, có thể chạy với nhiên liệu gasohol E85 (85% Etanol và15% xăng) Đa số các loại xe thiết kế ở Mỹ hiện nay có thể chạy nhiên liệutùy ý cả E85 lẫn chạy hoàn toàn xăng (E0) Dùng gasohol có tỷ lệ pha trộn từ

10 – 30% Etanol vào xăng thì không cần cải tiến động cơ xe

b Xu hướng sản xuất Etanol từ nguyên liệu SK

Theo nhận định của ông Donald Coxe, nhà chiến lược hàng đầu, củatập đoàn tài chính BMO Canada, một cuộc khủng hoảng lương thực mớiđang xuất hiện và sẽ trở nên trầm trọng hơn bất kỳ cuộc khủng hoảng lươngthực nào trước đây thế giới từng chứng kiến Việc sử dụng đất để trồng câynguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học có thể ảnh hưởng đến nguồn cungcấp lương thực, hoặc làm tăng giá lương thực, đặc biệt đối với các nướcđang phát triển Khi nông dân trồng cây nguyên liệu có lợi hơn trồng câylương thực sẽ làm giảm sản lượng lương thực Để giải quyết nguồn nguyênliệu SK sản xuất năng lượng sinh học, ngoài cây lương thực, các quốc gia cónguy cơ thiếu nhiều năng lượng đang tìm kiếm các nguồn cây trồng khác cóthể canh tác trên đất hoang hóa, trên cạn, dưới nước, đồng thời, tích cực tìmkiếm công nghệ mới thu hiệu suất cao, tiết kiệm nguyên liệu, hạ giá thành

Tính toán sản lượng lý thuyết Etanol từ 1 tấn nguyên liệu khô nhưBảng 6

Phạm Công Minh

Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

Bảng 6: Sản lượng lý thuyết Etanol sinh ra từ 1 tấn nguyên liệu khô [20]

c. Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu sinh học tại Việt Nam [23]

Đứng trước cuộc khủng hoảng năng lượng trên, Việt nam cũng đã tiếnhành nghiên cứu sử dụng các dạng năng lượng tái tạo Trong đó năng lượngsinh học rất được chú ý Các cuộc hội thảo diễn ra vào tháng 7/2006 tại Tp

Hồ Chí Minh và tháng 10/2007 tại Hà Nội đã thu hút sự chú ý của hàng trămnhà khoa học và kinh doanh chung quanh vấn đề xăng sinhhọc Qua các cuộchội thảo này, một số chuyên gia và nhà kinh doanh đã đề cập đến việc sửdụng lúa gạo, mía đường, để sản xuất Etanol; cây dầu lai (miền Bắc gọi làcây dầu mè – Jatropha curcas), mỡ cá ba sa (khoảng 40.000 tấn/năm) Hộithảo cũng đề cập đến 3 lý do chính hạn chế phát triển xăng sinh học là: (i) sốlượng nguyên liệu sản xuất xăng sinh học là tinh bột ngũ cốc, mật rỉ đường

và mỡ cá ba sa còn hạn chế; (ii) chưa có đầu tư thích đáng vì chưa có hỗ trợcủa Chính phủ, (iii) Chính phủ chưa có chính sách, chiến lược phát triểnNLSH Các nhà khoa học và kinh doanh đang mong chờ Chính phủ ban hànhchính sách và luật lệ rõ ràng Nhiều công ty đã sẵn sàng đầu tư nghiên cứuphát triển NLSH như mía đường Lam Sơn ở Thanh Hoá, Sài Gòn Petro,Công ty Rượu Bình Tây, Công ty Chí Hùng, v.v Tuy nhiên chưa có một nhàkinh doanh nào dám mạnh dạn đầu tư nghiên cứu khi chính phủ chưa cóchính sách quy định cụ thể

“Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm2025” đã được Chính phủ phê duyệt vào ngày 20/11/2007 theo đó “Giai đoạn

Trang 26

2011-2015, sẽ phát triển mạnh sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học thaythế nhiên liệu truyền thống, mở rộng quy mô sản xuất và mạng lưới phânphối phục vụ cho giao thông và các ngành sản xuất công nghiệp khác Đếnnăm 2020, công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam sẽ đạt trình độtiên tiến trên thế giới, với sản lượng đạt khoảng 5 tỷ lít xăng E10 và 500 triệulít dầu Biodiesel B10/năm”.

Việt Nam với đất hẹp (diện tích canh tác khoảng 9,3 triệu ha), dân đông(85 triệu năm 2007, trung bình mỗi đầu người 0,11 ha), lại nghèo (GDP trungbình là US$726/đầu người năm 2006), vùng sản xuất nông nghiệp chính làđồng bằng Cửu Long và Sông Hồng đã quá tải Đất canh tác hiện nay phảitiếp tục sản xuất lương thực thiết yếu cho đời sống người dân Vì vậy, ViệtNam phải tìm nguồn nguyên liệu thực vật nào để sản xuất xăng sinh học màkhông ảnh hưởng đến sản xuất và cung cấp lương thực Cụ thể là: (i) khôngảnh hưởng đến diện tích đất trồng cây lương thực, chăn nuôi gia súc, nuôi cátôm hiện tại; (ii) không được phá thêm rừng; (iii) thích hợp trên diện tích đất

bỏ hoang cằn cổi, sa mạc hoá, tổng cộng khoảng 10 triệu ha, gồm đất đồi trọc

ở Miền Bắc (4,77 triệu ha), Bắc Trung Bộ (1,9 triệu ha), phía Nam Trung Bộ(1,63 triệu ha), và Tây nguyên (1,05 triệu ha, (iv) có hiệu quả kinh tế cao; (v)tăng lợi nhuận, giúp xoá đói giảm nghèo cho nông dân

Hiện nay, cây lúa miến ngọt (sweet sorghum) là một cây trồng đượcquan tâm trrong nghiên cứu sản xuất Etanol sinh học: Trồng cây lúa miếnngọt trong mùa hạn trên vùng ruộng sạ ở đồng bằng Cửu Long Trước 1960,sau khi gặt lúa sạ, tại An Giang Châu Đốc đất bỏ hoang từ tháng 1 đến tháng

5 dương lịch là lúc mùa khô, thiếu nước canh tác Bắt đầu khoảng sau 1965,nông dân trồng cây lúa miến trong các tháng mùa khô trên đất thiếu nước đểlàm thức ăn cho gia súc và cá, và lúa thuần nông trên một số ruộng đất dọcsông rạch có khả năng bơm nước Hiện nay, đa số đất còn bỏ hoang trongmùa khô vì thiếu nước, hay không có lợi khi canh tác lúa (vì giá xăng, phân,

Trang 27

Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

thuốc quá cao)

Lúa miến chịu hạn hán, chịu được đất phèn, đất mặn, đất kiềm, chịuđược nước ngập, ít sâu bọ bệnh tật, ít đòi hỏi phân bón, ít tốn nước tưới (chỉbằng 1/4 nhu cầu nước của mía) Đây là loại cây trồng phù phợp với đất vùng

Tứ Giác Long Xuyên

1.4 Vai trò của vi sinh vật trong việc phân giải hợp chất hữu cơ

1.4.1 Cellulosese và vi sinh vật phân giải cellulosese

a Cellulose

Cellulose là thành phần chủ yếu của vách tế bào thực vật và chiếm 50%tổng lượng hydrocacbon trên trái đất Ngoài thực vật, cellulose cũng là nguồnchủ yếu trong SK động vật, nhưng số lượng ít hơn Cellulose là polysacaritgồm có anhydro- D- liên kết với nhau bằng liên kết -1,4-glucozit Mức độpolyme hóa của cellulose rất cao tới 10000-14000 đơn vị glucoza/ phân tử Sốlượng lớn liên kết hydro nội và gian phân tử làm cho phân tử cellulose có độcứng và vững chắc [36]

Liên kết glucozit không bền với axit, cellulose dễ bị phân hủy bởi acid

và tạo thành sản phẩm phân hủy không hoàn toàn là hydro- cellulose có độbền cơ học kém hơn cellulose nguyên thủy, còn khi thủy phân hoàn toàn thìsản phẩm tạo thành là D-glucoza

Hình 6 Cấu trúc cellulose

Trang 28

Về bản chất hóa học, cellulose là một rượu đa chức có phản ứng vớikiềm hay kim loại kiềm tạo thành cellulose-ancolat Nguyên tử hydro ở các ởcác nhóm OH bậc một và hai trong phân tử Cellulose cũng có thể bị thay thếbởi các gốc – metyl, -etyl,… tạo ra những chất có độ kết tinh và độ hòa tantrong nước khác nhau.

Cellulose cũng bị oxy hóa bởi một số tác nhân tạo thành sản phẩm oxyhóa một phần là oxy- Cellulose Tác nhân oxy hóa chọn lọc nhất là acid iodic(HIO4), và muối của nó Cellulose không tan trong nước, dung dịch kiềmlàm trương phồng mạch Cellulose và hòa tan một phần Cellulose phân tửnhỏ Đặc biệt Cellulose dễ hòa tan trong dung dịch đồng amin hydrat(Cu(NH3)4(OH)2), và hàng loạt các dung dịch là các phức chất của đồng,niken, cadmi, kẽm….[37]

b.Vi sinh vật phân giải cellulose

Vi sinh vật có khả năng phân giải cellulose là những vi sinh vật có khảnăng tổng hợp được hệ enzym celluloza Hệ enzym celluloza gồm bốn enzymkhác nhau [32,34]

CelloBiohydrolaza có tác dụng cắt đứt liên kết hydro làm biến dạngcelluloza tự nhiên, phân giải vùng kết tinh tạo dạng cấu trúc vô định hình

Endoglucanaza có khả năng cắt đứt các liên kết β 1-4 glucozit bêntrong phân tử tạo thành những chuỗi dài

Exo-gluconaza có khả năng phân giải các chuỗi dài trên thành cácdisacarit gọi là xelloBioza β-gluconaza sẽ thuỷ phân xelloBioza thànhglucoza

Trong tự nhiên có rất nhiều nhóm vi sinh vật có khả năng phân huỷcelluloseza nhờ hệ enzym xellulaza ngoại bào [30, 36, 37]:

Nấm mốc (Aspergillus, Fusarium, Mucor, Tricoderma ) có cấu tạodạng hệ sợi, sinh sản chủ yếu bằng bào tử Chúng phát triển mạnh ở nhiệt độ25-300C và pH= 6,5 - 7,0, chúng có khả năng phân giải cellulose mạnh nhất

Trang 29

Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học

nhờ có khả năng sinh tổng hợp enzym rất cao

Nhiều loài vi khuẩn cũng có khả năng phân giải cellulose tuy nhiêncường độ không mạnh bằng vi nấm Nguyên nhân là do lượng enzym tiết ramôi trường ít hơn, thành phần lại không đầy đủ Ở trong đất có rất ít loài vikhuẩn có khả năng tiết ra đủ bốn loại enzym trong hệ enzym xelluloza màthường mỗi nhóm vi sinh vật chỉ sản sinh ra một loại enzym tương ứng Dovậy các nhóm vi sinh vật phải phối hợp với nhau để phân giải cơ chất trongmối quan hệ tương hỗ, thông thường bao gồm các vi sinh vật sau:Pseudomonas, Xellulomonas, Achromonobacter, Clostridium, Ruminococus

Xạ khuẩn cũng góp phần tích cực trong chuyển hoá cellulose Cácchủng xạ khuẩn được ứng dụng phổ biến hiện nay thuộc chi Streptomycin.Các chủng xạ khuẩn này thuộc nhóm ưa nóng sinh trưởng phát triển tốt ởnhiệt độ 45-500C rất thích hợp cho các quá trình phân huỷ các hợp chất hữu

cơ Ngoài ra, một số nấm men cũng có khả năng sinh enzym phân huỷcelluloza như: Candida, Saccharomyces…

1.4.2 Hemicellulosese và vi sinh vật phân giải

hemicellulosese a Hemicellulose

Hemicellulose là một phần polysacarit thường gặp trong vách tế bàothực vật với hàm lượng lớn sau cellulose Cellulose và hemicellulose đượchình thành không chỉ từ một đường mà nhiều đường khác nhau, thậm chí cả

từ axit urnoic của chúng Người ta gọi tên cụ thể một loại hemicellulose làdựa theo tên loại đường chủ yếu tạo nên nó Ví dụ: xylan là mộthemicellulose mà thành phần chủ yếu của nó là xyloza, manan – manoza, Trong gỗ cây lá kim, chủ yếu hemicellulose được tạo thành từ loại đường 6Cacbon

Khác với cellulose, phân tử hemicellulose nhỏ hơn nhiều thông thườngkhông 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

Trang 30