Nghiên cứu công nghệ chuyển hóa gỗ (tràm bông vàng) thành bioethanol bằng phương pháp shf (separate hydrolysis and fermentation)​

Dựa vào thành phần chủ yếu của tràm bông vàng là cellulose và hemicellulose,qua quá trình thủy phân và lên men, chuyển hoá cellulose trong gỗ thành Bioethanol.Với những ưu điểm như rẻ ti

TRÂ= N THỊ TƯƠNG AN (giảng viên hướng dẫn)

Tp Hồ= Chí Minh, tháng 7 năm 2017

Pảge 1

Đồ án tốt nghiệp

LỜI CAM ĐOAN

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

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

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Văn Bảo Huy

LỜI CẢM ƠN

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

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

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

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

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

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

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

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

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Văn Bảo Huy

Đồ án tốt nghiệp

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1.1 Sơ lược về cồn sinh học 4

1.1.1 Khái niệm 4

1.1.2 Các thế hệ bioethanol 4

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

1.1.4 Quy trình sản xuất bioethanol 7

1.2 Nguyên liệu lignocellulose 8

1.2.1 Khái niệm 8

1.2.2 Thành phần cấu trúc lignocellulose 9

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

1.3.1 Sơ lượt về cây tràm bông vàng 11

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

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 23

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

2.1 Địa điểm và thời gian nghiên cứu 27

2.2 Nguyên vật liệu 27

2.2.1 Mùn cưa từ gỗ cây tràm bông vàng 27

2.2.2 Acremonium cellulase 27

2.2.3 Saccharomyces cerevisiae 28

2.2.4 Hóa chất sử dụng 28

2.3 Các thiết bị sử dụng 29

2.4 Bố trí thí nghiệm 31

i

Đồ án tốt nghiệp

2.4.1 Sơ đồ quy trình 32

2.4.2 Trình tự và Bố trí thí nghiệm 33

2.5 Các phương pháp phân tích 41

2.5.1 Phương pháp phân tích hàm lượng ẩm 41

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

2.5.3 Phương pháp cấy và giữ giống nấm men 46

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

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

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

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 48

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

3.1.1 Đặc điểm hình thái của nấm men 48

3.1.2 Đường cong sinh trưởng của S.cerevisiae 48

3.2 Phân tích mẫu nguyên liệu ban đầu 50

3.3 Tiền xử lý 50

3.3.1 Khảo sát kích thước nguyên liệu 50

3.3.2 Chọn tác chất tiền xử lý 51

3.3.3 Thành phần mẫu sau tiền xử lý với NaOH 53

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

3.4 Quá trình thủy phân 55

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

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

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

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

3.5 Khảo sát lên men 60

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

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

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

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

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

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 66

4.1 Kết luận 66

4.2 Đề nghị 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC

iii

Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

- CSL: Corn steep liquor

- HPLC: High Performance Liquid Chromatography

- SHF: Separate Hydrolysis and Fermentation

- SSF: Simultaneous Saccharification Fermentation

- SSCF: Simultaneous Saccharification and Cofermentation

- UV-VIS: Ultraviolet–visible spectroscopy

DANH MỤC BẢNG

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

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

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

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

Bảng 2.1 Các hóa chất sử dụng……… …28

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

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

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

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

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

v

Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC HÌNH

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

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

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

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

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

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

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

Hình 1.8 Sơ đồ đường phân……… ……….22

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Hình 3.9 Hàm lượng đường thay đổi khi khảo sát các giá trị của pH….………58 Hình 3.10 Hàm lượng glucose, xylose theo nhiệt độ thủy phân…… ……… 59 Hình 3.11 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình lên men… ……….60 Hình 3.12 Ảnh hưởng của pH môi trường ban đầu với quá trình lên men….…62 Hình 3.13 Ảnh hưởng của nhiệt độ với quá trình lên men……….……….63 Hình 3.14 Ảnh hưởng của tỉ lệ bổ sung nấm men đến quá trình SHF…………64 Hình 3.15 Hàm lượng glucose, xylose và ethanol theo chất dinh dưỡng bổ

sung……… ……65

vii

Đồ án tốt nghiệp

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, thế giới đang đứng trước nguy cơ khủng hoảng năng lượng trầm trọng,Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới, nguồn năng lượng từ các sản phẩmhoá thạch dầu mỏ sẽ bị cạn kiệt trong vòng 40 - 50 năm nữa Để ổn định và đảm bảo anninh năng lượng đáp ứng cho nhu cầu con người cũng như các ngành công nghiệp, cácnhà khoa học đang tập trung nghiên cứu tìm ra những nguồn nhiên liệu mới Trong đó,nghiên cứu phát triển nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ sinh khối động, thực vật làmột hướng đi có thể tạo ra nguồn nhiên liệu thay thế phần nào nguồn nhiên liệu hoáthạch đang cạn kiệt; đảm bảo an ninh năng lượng cho từng quốc gia

Theo báo cáo của tổ chức Forest Trends, mỗi năm Việt Nam xuất khẩu dăm gỗsang Nhật Bản, Trung Quốc, Đài Loan để làm bột giấy lên đến gần 10 triệu tấn khô,trong đó chiếm 70 % là dăm gỗ tràm bông vàng Từ năm 2011 đến nay, Việt Nam làquốc gia xuất khẩu dăm gỗ lớn trên thế giới và có diện tích trồng tăng từ 150.000 đến200.000 hecta/năm Dăm gỗ và đặc biệt là mùn cưa tràm thải ra trong quá trình sảnxuất là rất lớn gần 1 triệu tấn khô tập trung dễ thu gom hơn rơm rạ và các nguyên liệutinh bột Vùng nguyên liệu dăm gỗ cụ thể là tràm bông vàng và keo lai (một loài tương

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

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

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

- Phù hợp với xu hướng phát triển của sản xuất bioethanol nói riêng và ngành năng lượng nói chung.

- Nếu thành công thì sẽ tận dụng được nguồn mùn cưa, phế phụ phẩm lâm nghiệp khổng lồ hiện nay

- Phù hợp với an ninh lương thực thế giới thay thế nguyên liệu tinh bột và đường bằnglignocellulose trong công nghiệp sản xuất bioethanol

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích của đề tài là nghiên cứu khảo sát thực nghiệm hướng đến xây dựngcông nghệ chuyển hóa gỗ (tràm bông vàng) thành bioethanol bằng phương pháp thủyphân và lên men không đồng thời (SHF) sử dụng Acremomium cellulase và

Saccharomyces cerevisiae ở quy mô phòng thí nghiệm.

3 Nội dung nghiên cứu

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

 Đối với quá trình tiền xử lý:

- Khảo sát ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2

Đồ án tốt nghiệp

4 Thời gian và địa điểm nghiên cứu

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

5 Hạn chế của đề tài

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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Sơ lược về cồn sinh học

1.1.1 Khái niệm

Bioethanol (ethanol sinh học) là một loại nhiên liệu sinh học dạng cồn, được sảnxuất bằng con đường sinh học, chủ yếu bằng phương pháp lên men và chưng cất cácloại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn, thường được sản xuất

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

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

 Bioethanol thế hệ thứ hai

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

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

4

Đồ án tốt nghiệp

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

 Bioethanol thế hệ thứ ba

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

1.1.3 Tình hình sản xuất bioethanol thế giới và trong nước

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

Nước Mỹ đang bám theo Brazil và đầu tư mạnh vào sản xuất nhiên liệu sinh học.Hiện tại Mỹ đang sử dụng toàn bộ xăng có pha 10% ethanol, với những cải tiến nhằmtăng tỉ số này Trong tương lai, Colombia bắt buộc những thành phố có dân số trên500.000 dân phải bán xăng có pha 10% ethanol Ở Venezuela, công ty dầu Quốc giađang hỗ trợ dự án xây dựng 15 nhà máy chế cồn từ mía trong 5 năm tới khi chính phủsắp ban hành đạo luật bắt buộc sử dụng xăng E10 (pha 10% ethanol) Ở Đông Nam Á,Thái Lan đã ban hành luật cho sử dụng xăng pha 10% ethanol bắt đầu từ 2007 [20]

 Việt Nam

Ở Việt Nam, công nghiệp sản xuất ethanol đã được hình thành Phần đông các

nhà máy ethanol sản xuất từ rỉ đường mía, tinh bột dùng làm ethanol cho thực phẩm vàcông nghiệp (bảng 1.1) Tổng cộng năng suất là 25 triệu lít/năm, trong đó có 3 nhà máysản xuất 15000 – 30000 lít/ngày là nhà máy đường Lam Sơn, nhà máy đường Hiệp Hoà

và nhà máy rượu Bình Tây và hàng trăm cơ sở sản xuất 3000 – 5000 lít/ngày

Tập Đoàn Dầu Khí Việt Nam (PetroVietNam) đã giao cho Tổng công ty Dầu KhíViệt Nam (Petrosetco), đơn vị thành viên của PetroVietnam việc phát triển năng lượngsinh học Ngày 09/03/2007, Petrosetco ký kết với tập đoàn Itochu Nhật Bản hợp tácthành lập liên doanh xây dựng nhà máy sản xuất bioethanol đầu tiên tại Việt Nam phục

vụ cho hoạt động công nghiệp và giao thông vận tải với công suất 100 triệu lít/năm.Xăng sinh học E5 do PetroVietnam pha chế chính thức có mặt trên thị trường từ ngày01/08/2010 và được bán tại hơn 153 điểm kinh doanh xăng dầu của PetroVietnam cũngnhư các đại lý tại một số tỉnh, thành phố lớn trên cả nước

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

1 Nhà máy ethanol nhiên 130 triệu Đại Lộc, Quảng Đang sản xuất

2 Nhà máy sản xuất ethanol 70 triệu Đồng Nai Dừng hoạt

3 Nhà máy sản xuất ethanol 70 triệu Lô CN5 khu CN Đang sản xuất

nhiên liệu – Cty TNHH lít/ năm Tâm Thắng, Đắc

4 Nhà máy sản xuất ethanol 100 triệu Khu CN Dung Dừng hoạtsinh học Dung Quốc (Cty lít/ năm Quốc, Quảng Ngãi độngNhiên liệu miền Trung )

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

6

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

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

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

1.1.4 Quy trình sản xuất bioethanol

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

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

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

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

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

Đường

Lên men

Tinh bột

BioethanolThủy phân Lên men Chưng

và đồngcất

sản phẩmCellulose

Tiền xử lý Thủy phân Lên men

Hình 1.1 Quy trình sản xuất bioethanol [4].

1.2 Nguyên liệu lignocellulose

1.2.1 Khái niệm

Lignocellulose là nguyên liệu biomass phổ biến nhất trên trái đất Lignocellulosedùng trong sản xuất bioethanol có trong phế phẩm nông nghiệp, trong sản phẩm phụcủa công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy; có trong rác thải rắn của thành phố Vớithành phần chính là cellulose, lignocellulose là một nguồn nguyên liệu to lớn cho việcsản xuất bioethanol (bảng 1.2) Về cơ bản, trong lignocellulose, cellulose tạo thànhkhung chính và được bao bọc bởi những chất có chức năng tạo mạng lưới như

hemicellulose và kết dính như lignin Cellulose, hemicellulose và lignin sắp xếp gầnnhau bằng liên kết cộng hóa trị [8] Gỗ tràm bông vàng là một dạng vật liệulignocellulose.

8

Bảng 1.2 Thành phần của vài loại lignocellulose.

ChấtNguồn Cellulose Xylose Mannose Galactose Arabinose Lignin trích

Hình 1.2 Công thức hóa học của cellulose

9

1.2.2.2 Hemicellulose

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

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

1.2.2.3 Lignin

Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở (hình 1.4) Trong tự nhiên, lignin chủyếu đóng vai trò chất liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạngcellulose và hemicellulose, rất khó để có thể tách lignin ra hoàn toàn [5]

10

Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.4 Các đơn vị cơ bản của lignin

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

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

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

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

đó sẽ khó bị tấn công bởi enzyme hơn syringyl lignin

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

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

1.3.1 Sơ lượt về cây tràm bông vàng

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

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

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

ở vùng nhiệt đới trong đó có Việt Nam

H nh 1.5 Gỗ và cây tràm bông vàng

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

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

12

Đồ án tốt nghiệp

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

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

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

1.3.2 Phương pháp sản xuất bioethanol từ gỗ tràm bông vàng

 Một số phương pháp lên men

Bản chất của quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử diễn ra trong cơ thể sinhvật dưới tác động của hệ thống enzyme là quá trình oxy hóa sinh học Có rất nhiềuphương pháp lên men để tạo bioethanol, bước cuối để biến đổi sinh khối lignocellulosethành ethanol là thủy phân và lên men có thể được thực hiện một cách độc lập (SHF),đồng thời (SSF) hay đồng thời kết hợp nhiều chủng vi sinh vật (SSCF) Ưu, nhượcđiềm của các phương pháp này được trình bày trong bảng 1.3

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

trong điều kiện tối ưu động của enzyme thủy phân cellulose làm

Tăng tỷ lệ thủy phân Nhiệt độ tối ưu cho enzyme thủy phân và

và giảm ức chế nấm men chuyển hóa đường thànhngược khi sản phẩm ethanol hoàn toàn khác nhau

tạo thành Cần phải lựa chọn được điều kiện nhiệtGiảm lượng enzyme độ và pH gắn với điều kiện tối ưu của mỗiĐường hóa dùng cho quá trình quá trình riêng

2 và lên men Cho hiệu suất ethanol Ethanol tạo thành sẽ quay lại ức chế

đồng thời cao enzyme cellulose làm cho lượng ethanol(SSF) Đòi hỏi điều kiện vô thu được không cao

trùng thấp Cơ chế thủy phân không hoàn toàn nênThời gian lên men lượng glucose do enzyme cellulase tạo ra

ngắn chỉ đủ để cho nấm men tăng trưởng hơn là

việc lên men đường thành ethanol

14

Đường hóa

và lên menđồng thờihexoses vàpentoses3

bởi nhiềugiống visinh vậtkhác nhau(SSCF)

Cải tiến của phương Nhiệt độ của quá trình thủy phân enzymepháp SSF và lên men ethanol khác nhau đáng kể,Chi phí thấp làm cho quá trình tối ưu hóa đồng thời haiThời gian xử lý ngắn, hoạt động rất khó

giảm nguy cơ ô Quá trình SSCF phải được vận hành ởnhiễm và tác dụng ức nhiệt độ thấp hơn để phù hợp tăng trưởngchế ít của vi khuẩn và lên men ethanol

Hiệu suất lên menbioethanol cao và lênmen cả đường 5 và 6carbon

[2]

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

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

Thuận lợi chính của SHF là cả hai quá trình đường hóa và lên men được thực hiệntrong điều kiện tối ưu của mỗi quá trình Tuy nhiên sự tích tụ các chất ức chế cản trởhoạt động của enzyme thủy phân cellulose và glucose Điều này làm cho quá trình biếnđổi kém hiệu quả và gây tốn kém (phải bổ sung một lượng lớn enzyme) Dễ nhiễm các

vi sinh vật khác do thời gian ủ dài ở quá trình thủy phân

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

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

15

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

Bảng 1.4 Các phương pháp tiền xử lý hiện nay

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

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

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

nghiên cứu này

Nổ hơi nước được phát triển vào năm 1925 bởi W H MasonTiền xử trong sản xuất gỗ ép [25] Tiền xử lý biomass bằng nổ hơi

lý nổ nước được giới thiệu từ năm 1980 Công ty Iotech Corporationhơi đã tiến hành một vài thí nghiệm tiên phong để tìm hiểu ảnh

hưởng của nổ hơi nước lên gỗ cây dương [25]

17

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

1.3.2.2 Thủy phân

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

(PT1)Quá trình thủy phân cellulose được thực hiện bởi axit thủy phân hoặc enzymethủy phân

Thủy phân bằng acid: vào cuối thế kỉ XIX và đầu thế kỉ XX, quá trình thủy phânđược thực hiện bởi phản ứng giữa cellulose với acid Acid loãng được sử dụng dướiđiều kiện nhiệt độ cao và áp suất cao, còn acid đậm đặc được sử dụng ở nhiệt độ thấp

và áp suất khí quyển Quá trình thủy phân bằng acid loãng xảy ra ở điều kiện nhiệt độ

và áp suất cao dẫn đến sự tạo thành các chất độc hại có thể ảnh hưởng không tốt đếnquá trình lên men như các acid hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp, dẫn xuất furan vàcác hợp chất vô cơ [11]

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

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

1,4-β-18

Đồ án tốt nghiệp

glucoside trong cellulose tạo ra sản phẩm glucose Nguồn thu enzyme cellulase lớn

nhất hiện nay là vi sinh vật (nấm, vi khuẩn) Nhiều loài nấm như Trichoderma, Penicillium, Aspergillus, và T Emersonii có thể sản sinh ra một số lượng lớn cellulase

và hemicellulase ngoại bào Vật liệu lignocellulose bị thủy phân bằng enzyme ở điềukiện ôn hòa (50°C và pH ~ 5), cho phép phân cắt cellulose và hemicellulose một cáchhiệu quả mà không hình thành nên các sản phẩm phụ có thể ức chế hoạt động củaenzyme [11]

Giai đoạn thứ hai: xảy ra sự biến đổi cơ chất dẫn tới sự kéo căng và phá vỡ cácliên kết đồng hóa trị tham gia phản ứng

Giai đoạn thứ ba: tạo thành sản phẩm, còn enzyme được giải phóng dạng tự do Các loại liên kết chủ yếu được tạo thành giữa E và S trong phức hợp ES là tươngtác tĩnh điện, liên kết hydro và liên kết Van der Waals Mỗi loại liên kết đòi hỏi những điều kiện khác nhau và chịu ảnh hưởng khác nhau khi có nước

 Phản ứng thủy phân cellulose

Cellulose là có cấu trúc rất bền vững và khó bị phá vỡ vì cellulose có độ kết tinhcao, không tan trong nước, có khả năng chống lại các quá trình đề polymer hóa Quátrình thủy phân cellulose tạo thành glucose được thực hiện nhờ sự tác dụng cùng mộtlúc của 3 enzyme khác nhau:

“Endo-1,4,β-D-glucanases” (EG) hay 1,2-β-D-glucanohydrolases (EC 3.2.1.4),enzyme này sẽ tấn công ngẫu nhiên vào các cơ chất 1,4-β-glucan cả tan và không tan

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

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

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

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

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

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

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

β – glucoside tấn công cellobiose và oligosaccharide tạo glucose

20

Đồ án tốt nghiệp

1.3.2.3 Lên men

Lý thuyết quá trình lên men đã được nhiều nhà sinh học nghiên cứu từ rất lâu.Năm 1769, Lavoisier phân tích sản phẩm lên men rượu và nhận thấy khi lên men,đường không chỉ tạo thành ethanol và CO2 mà còn tạo ra acid acetic

Năm 1810, Gay-Lussac nhận thấy rằng cứ 45 phần khối lượng đường sẽ chuyển thành 23 phần ethanol và 22 phần khí carbonic Trên cơ sở đó ông đưa ra phương trìnhtổng quát như phương trình 3:

(PT3)Năm 1857, Louis Pasteur tiếp tục nghiên cứu và thu nhận kết quả sau: cứ 100phần đường saccharose khi lên men sẽ tạo ra 51,1 phần ethanol, 48,4 phần CO2, 32,0phần glycerin, 0,7 phần acid succinic và hai phần các sản phẩm khác Từ đó suy ra cứ

45 phần khối lượng glucose khi lên men sẽ tạo ra 21,8 phần ethanol chứ không phải 23phần như Gay-Lussac đã tính Tuy nhiên phương trình lên men do Gay-Lussac đưa ra

vẫn đúng và dùng làm cơ sở lý thuyết để tính hiệu suất thu hồi rượu theo lý thuyết.Gay-Lussac còn kết luận sự lên men là quá trình sinh học có liên hệ mật thiết đến sựhoạt động của tế bào nấm men

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

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

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

Hình 1.8 Sơ đồ đường phân

22

Đồ án tốt nghiệp

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

Hình 1.9 Sự tạo thành ethanol từ glucose

- Giai đoạn 1 (giai đoạn đường phân): Phân tử đường glucose trải qua một loạt

phản ứng phức tạp dưới xúc tác của một loạt hệ thống enzyme, phân tử glucoseban đầu được chuyển hóa thành 2 phân tử acid pyruvic (CH3 – CO – COOH)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

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

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

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

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

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

bằng phương pháp SHF với thủy phân bằng H2SO4 3 %, pH tối ưu giai đoạn lên men là5,0 cho ra hàm lượng ethanol thu được đạt 7,13 g/L [33]

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

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

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

phẩm phụ của quá trình này [34]

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

24

Đồ án tốt nghiệp

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

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

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

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

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

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

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

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