Tài liệu Luận văn khảo sát quá trình lên men bioethanol sử dụng nguyên liệu vỏ chuối (musa paradisiaca)​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH LÊN MEN BIOETHANOL SỬ DỤNG NGUYÊN LIỆU VỎ CHUỐI (MUSA PARADISIACA) Ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Giảng viên hướng dẫn : TS. LÊ THỊ KIM PHỤNG Th.S TRẦN THỊ TƯỞNG AN Sinh viên thực hiện MSSV: 1051110086 : CHÂU NHẬT HUY Lớp: 10DSH01 TP. Hồ Chí Minh, 2014 Đồ án tốt nghiệp LỜI CAM ĐOAN ĐÂY LÀ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐƯỢC THỰC HIỆN TẠI ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của ThS. Trần Thị Tưởng An. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo. Ngoài ra, trong đồ án còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc. Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung đồ án của mình. Trường đại học Công nghệ TP.HCM không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có). TP. Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 7 năm 2014 Sinh viên thực hiện Châu Nhật Huy Đồ án tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu tại Phòng nghiên cứu Năng lượng sinh học tại trường ĐH Bách Khoa TP.HCM, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và quan tâm của quý thầy cô. Xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc. Ngoài ra, chúng em cũng cảm ơn đến các anh chị là cán bộ phòng thí nghiệm năng lượng sinh họcđã giúp đỡ, hướng dẫn, và giải đáp những thắc mắc trong quá trình thực tập. Xin trân trọng cảm ơn: • Th.S Trần Thị Tưởng An , Bộ môn Quá Trình & Thiết Bị, Khoa Kỹ Thuật Hóa Học, Trường Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh. Xin cảm ơn cô là người trực tiếp hướng dẫn, tạo điều kiện cũng như giúp đỡ, hỗ trợ kinh phí cho tôi thực hiện đề tài này . • TS Nguyễn Đình Quân – cảm ơn thầy đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình thực hiện và giải đáp một số thắc mắc giúp tôi. • Chị Trần Phước Nhật Uyên, Chị Vũ Lê Vân Khánh, Anh Phan Đình Đông, anh Hải, anh Thiên và Chú Nguyễn Văn Khanh– đã sẵn sàng giải đáp, trao đổi các thắc mắc trong quá trình thực tập tại xưởng. Cũng xin cám ơn các bạn sinh viên đến từ các trường ĐH Bách Khoa, Tôn Đức Thắng và ĐH Lạc Hồng, trong thời gian thực hiện các bạn đã giúp đỡ nhiệt tình. Một lần nữa xin chân thành cám ơn quý thầy cô và các bạn! Sinh viên thực hiện Châu Nhật Huy Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................. v DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................ vii MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .......................................................... 4 1.1. Bioethanol.............................................................................................. 4 1.1.1. Giới thiệu chung về bioethanol...................................................... 4 1.1.2. Phân loại bioethanol....................................................................... 6 1.1.2.1. Bioethanol thế hệ thứ nhất ..................................................... 6 1.1.2.2. Bioethanol thế hệ thứ hai ....................................................... 6 1.1.2.3. Bioethanol thế hệ thứ ba......................................................... 7 1.1.3. Nguồn nguyên liệu cho sản xuất ................................................... 7 1.1.3.1. Sucrose.................................................................................... 7 1.1.3.2. Tinh bột................................................................................... 8 1.1.3.3. Lignocellulose ........................................................................ 8 1.1.3.4. Cellulose ................................................................................. 9 1.1.3.5. Hemicellulose ......................................................................... 10 1.1.3.6. Lignin...................................................................................... 10 1.1.4. Ưu và nhược điểm của bioethanol ................................................. 10 1.1.4.1. Ưu điểm .................................................................................. 11 1.1.4.2. Nhược điểm ............................................................................ 11 1.1.5. Tình hình sản xuất và tiêu thụ bioethanol trên thế giới và Việt Nam ....................................................................................... 12 i Đồ án tốt nghiệp 1.1.5.1. Trên thế giới ........................................................................... 12 1.1.5.2. Tại Việt Nam ....................................................................................... 14 1.1.6. Các công trình nghiên cứu sản xuất bioethanol ............................ 16 1.1.6.1. Trên thế giới ........................................................................... 16 1.1.6.2. Ở Việt Nam............................................................................. 18 1.1.7Các phương pháp sản xuất bioethanol ............................................. 20 1.1.7.1. Khái niệm cơ bản ..................................................................... 20 1.1.7.2. Sản xuất bioethanol từ nguyên liệu lignocelluloses ............... 21 1.1.7.3. Quá trình và các phương pháp tiền xử lý ............................... 21 1.1.7.4. Quá trình thủy phân ................................................................. 25 1.1.7.1. Quá trình lên men ..................................................................... 26 1.1.7.5. So sánh ưu và nhược điểm của phương pháp SSF và SHF ..... 29 1.1.7.6. Quá trình chưng cất và tinh chế ............................................... 30 1.2.Nguyên liệu ............................................................................................ 32 1.2.1. Giới thiệu về chuối......................................................................... 32 1.2.2 Diện tích và sản lượng chuối ở Việt Nam ...................................... 32 1.23. Tình hình sản xuất chuối trên thế giới ............................................ 33 1.3. Lựa chọn chủng nấm men trong sản xuất ethanol ................................ 34 CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................... 35 2.1. Thời gian và địa điểm nghiên cứu......................................................... 35 2.2. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................ 35 2.3. Vật liệu nghiên cứu ............................................................................... 35 2.3.1. Nguyên vật liệu .............................................................................. 35 2.3.2. Thiết bị và dụng cụ dùng trong nghiên cứu................................... 35 ii Đồ án tốt nghiệp 2.4. Tiến hành thí nghiệm............................................................................. 35 2.4.1Lên men riêng (SHF) ....................................................................... 32 2.4.1.1. Thí nghiệm 1: Tiền xử lý........................................................ 34 2.4.1.2. Thí nghiệm 2: Thuỷ phân ....................................................... 34 2.4.1.3. Thí nghiệm 3: Lên men .......................................................... 36 2.4.2. Thuỷ phân và Lên men đồng thời (Simultaneous saccharification and fermemtation, SSF) ............................................................................... 37 2.5.Bố trí thí nghiệm..................................................................................... 38 2.6. Các phương pháp phân tích ................................................................... 40 2.6.1. Phương pháp hóa lý ....................................................................... 40 2.6.1.1. Phương pháp xác định độ ẩm ................................................. 40 2.6.1.2. Phương pháp xác định đường khử bằng phương pháp DNS . 40 2.6.1.3. Phương pháp xác định lượng cellulose bằng Anthrone ......... 41 2.6.1.4. Phương pháp xác định hoạt tính enzyme ............................... 41 2.6.1.5. Xác định pH, độ rượu và tổng số chất khô hòa tan ............... 43 2.6.2. Phương pháp vi sinh ...................................................................... 43 2.6.2.1. Phương pháp nuôi cấy nấm men ............................................ 43 2.6.2.2 Phương pháp đếm khuẩn lạc ................................................... 44 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................... 47 3.1. Kết quả khảo sát các phương pháp thuỷ phân ...................................... 46 3.1.1. Thuỷ phân bằng H2SO4 .................................................................. 47 3.1.2. Thuỷ phân bằng Cellulase ............................................................. 48 3.2 Kết quả khảo sát các phương pháp lên men .......................................... 48 3.2.1. Kết quả khảo sát thời gian lên men SHF ....................................... 48 iii Đồ án tốt nghiệp 3.2.2. Kết quả khảo sát nhiệt độ lên men SHF ........................................ 52 3.2.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH trong lên men SHF .............. 54 3.2.4. Kết quả khảo sát tỉ lệ giống nấm men trong lên men SHF ........... 56 3.2.5. Kết quả khảo sát thời gian lên men SSF........................................ 57 3.2.6. Kết quả khảo sát nhiệt độ lên men SSF ......................................... 60 3.2.7. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH trong lên men SSF .............. 61 3.3. Kết quả đo hoạt tính enzyme ................................................................. 62 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................... 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 65 PHỤ LỤC A.Cách xây dựng đường chuẩn định lượng đường khử (glucose) PHỤ LỤC B.Cách xây dựng đường chuẩn định lượng cellulose PHỤ LỤC C.Quy trình nhân giống nấm men PHỤ LỤC D.Bảng số liệu kết quả iv Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc chính của linocellulose ...........................................................8 Hình 1.2. Chuỗi mạch thẳng của cellulose ............................................................10 Hình 1.3. Chuối musha paradisiaca .......................................................................16 Hình 2.1. Quy trình lên men SHF..........................................................................32 Hình 2.2. Quy trình lên men SSF ..........................................................................37 Hình 3.1. Hàm lượng glucose và cellulose thuỷ phân bằng cellulase 1 ngày ......47 Hình 3.2. Hàm lượng glucose và cellulose thuỷ phân bằng cellulase 2 ngày ......47 Hình 3.3. Hàm lượng glucose và cellulose thuỷ phân bằng cellulase 3 ngày ......48 Hình 3.4. Hàm lượng glucose và cellulose thuỷ phân bằng H2SO4 ............................... 48 Hình 3.5. Sự thay đổi độ cồn theo thời gian trong lên men SHF..........................49 Hình 3.6. Sự thay đổi độ Brix theo thời gian trong lên men SHF ........................50 Hình 3.7. Sự thay đổi hàm lượng glucose theo thời gian trong lên men SHF......51 Hình 3.8. Sự thay đổi độ cồn và Brix theo nhiệt độ trong lên men SHF ..............53 Hình 3.9. Sự thay đổi hàm lượng glucose và cellulose theo nhiệt độ trong lên men SHF...........................................................................................................53 Hình 3.10. Sự thay đổi độ cồn và Brix theo pH trong lên men SHF ....................54 Hình 3.11. Sự thay đổi hàm lượng glucose và cellulose theo pH trong lên men SHF................................................................................................................... …55 Hình 3.12. Sự thay đổi độ cồn và Brix theo tỉ lệ giống trong lên men SHF ........56 Hình 3.13. Sự thay đổi hàm lượng glucose và cellulose theo tỉ lệ giống trong lên men SHF...........................................................................................................56 Hình 3.14. Sự thay đổi độ cồn và độ Brix theo thời gian trong lên men SSF ......57 Hình 3.16. Sự thay đổi hàm lượng glucose theo thời gian trong lên men SSF ....58 v Đồ án tốt nghiệp Hình 3.16. Sự thay đổi độ cồn và brix theo nhiệt độ trong lên men SSF .............60 Hình 3.17. Sự thay đổi độ cồn và Brix theo pH trong lên men SSF .....................60 vi Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT SSF ...................................................... Thuỷ phân và lên men đồng thời SHF...................................................... Thuỷ phân và lên men riêng biệt SSCF ................................................... Đồng đường hoá và đồng lên men vii Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1.Sản lượng ethanol theo khu vực ............................................................13 Bảng 2.2.Một số nhà máy sản xuất ethanol ở Việt Nam.......................................14 Bảng 2.3.Diện tích trồng chuối theo các vùng ......................................................31 Bảng 2.4.Sản lượng trồng chuối theo vùng ...........................................................32 Bảng 2.5.Thành phần hóa học của chuối...............................................................33 viii Đồ án tốt nghiệp MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài Đã từ rất lâu, dầu mỏ luôn giữ một vai trò quan trọng trong chiến lược phát triển kinh tế của mỗi quốc gia. Hơn 90% lượng dầu mỏ khai thác được phục vụ cho nhu cầu năng lượng như xăng nhiên liệu, nhiên liệu phản lực, diesel, nhiên liệu đốt lò Có thể nói dầu mỏ là nền tảng của sự tăng trưởng và phát triển kinh tế của bất kì một quốc gia nào. Trong những năm gần đây, với sự leo thang của giá xăng dầu gây nhiều tác động tiêu cực đến nền kinh tế thế giới. Vì vậy việc tìm kiếm những nguồn năng lượng sạch, có khả năng tái tạo để thay thế một phần xăng dầu trở thành một vấn đề cấp thiết và được nhiều quốc gia quan tâm. Một trong những hướng đi hiệu quả là sử dụng ethanol để pha vào xăng vừa làm tăng chỉ số octane, vừa làm giảm ô nhiễm môi trường nên xăng pha cồn ngày càng trở nên phổ biến trên toàn thế giới. Hơn nữa, nước ta là một nước nông nghiệp có nguồn nguyên liệu để sản xuất ethanol là rất phong phú. Việt Nam sở hữu hai đồng bằng rộng lớn là đồng bằng Sông Hồng và đồng bằng Sông Cửu Long. Đây là vùng nguyên liệu lí tưởng, là tiền đề cho sự ra đời của nhà máy sản xuất ethanol từ cellulose. Ngày nay, thế giới đang đứng trước nguy cơ khủng hoảng năng lượng trầm trọng. Như chúng đã biết, dầu mỏ và khí đốt hiện chiếm 60-80% nguồn năng lượng thế giới. Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới, với tốc độ tiêu thụ như hiện nay và trừ lượng dầu mỏ hiện có, nguồn năng lượng này sẽ bị cạn kiệt trong vòng 4050 năm nữa. Để ổn định và đảm bảo an ninh năng lượng đáp ứng cho nhu cầu con người cũng như các ngành công nghiệp, các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu tìm ra những nguồn nhiên liệu mới, trong đó nghiên cứu phát triển nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ sinh khối động, thực vật là một hướng đi có thể tạo ra nguồn nhiên liệu thay thế phần nào nguồn nhiên liệu hoá thạch đang cạn kiệt, đảm bảo an ninh năng lượng cho từng quốc gia. 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 không chứa các hợp 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 sinh học cao nhanh hơn gấp 4 lần so với nhiên liệu dầu mỏ và do đó giảm được rất nhiều tình trạng ô nhiễm nước ngầm. Bioethanol là nguồn nhiên liệu đầy hứa hẹn trong tương lai thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch, bởi nó là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo. Bioethanol tồn tại ở dạng lỏng có thể được sử dụng thích nghi như nguồn nhiên liệu mới cho tương lai. Tuy nhiên, những sản phẩm bioethanol có nguồn gốc từ tinh bột dễ bị biến động do tinh bột là nguồn lương thực của con người. Nếu sử dụng lương thực để sản xuất bioethanol sẽ 1 Đồ án tốt nghiệp làm cho giá của lương thực tăng cao. Như vậy, sẽ làm bất bình ổn giá của lương thực, tác động xấu đến thị trường lương thực trong nước. Việc sử dụng tinh bột hoặc nguyên liệu giàu đường sẽ lập tức đẩy giá của lương thực và bioethanol tăng cao hơn so với sản xuất bằng con đường hóa học. Trong khi đó, giá của vật liệu phải chi trả 40 – 75% tổng chi phí của sản xuất ethanol. Vì vậy, việc thay thế nguồn nguyên liệu là yêu cầu cho việc sản xuất bioethanol. Như các nguồn nguyên liệu là các phụ phẩm của ngành nông nghiệp: rơm rạ, bã mía, vỏ cacao, vỏ cam chanh, phụ phẩm trái cây… Với những lí do như trên, đề tài này là bước đi hỗ trợ việc sản xuất ethanol phục vụ cho nhu cầu năng lượng ngày càng tang ở nước ta. 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài Đề tài được thực hiện nhằm khảo sát và qua đó rút ra được điều kiện tối ưu của các phương pháp lên men bioethanol sử dụng nguyên liệu vỏ chuối. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu Đề tài tập trung vào những nghiên cứu: 3.1. Khảo sát và so sánh kết quả thuỷ phân vỏ chuối bằng enzyme và H2SO4. 3.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men SHF như: thời gian, nhiệt độ, pH và tỉ lệ giống. 3.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men SSF như: thời gian, nhiệt độ và pH. 3.4. Thực hiện thí nghiệm xác định hoạt tính enzyme. 4. Phương pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng các phương pháp và phần mềm: 5.1. Phương pháp xác định đường khử bằng phương pháp DNS. 5.2. Phương pháp xác định lượng cellulose bằng thuốc thử Anthrone. 5.3. Phương pháp xác định pH, độ rượu và tổng số chất khô hòa tan. 5.4. Phương pháp nuôi cấy nấm men. 5.5. Phương pháp đếm khuẩn lạc. 5.6. Phần mềm Statgraphics Centurion XV. 2 Đồ án tốt nghiệp 5. Các kết quả đạt được của đề tài 5.1. Kết quả thuỷ phân bằng cellulase nồng độ 5% trong 1 ngày là tối ưu nhất. 5.2. Phương pháp SHF 5.2.1. Khảo sát thời gian cho kết quả lên men trong 18 giờ đạt độ cồn cao nhất 4.8%. 5.2.2. Khảo sát nhiệt độ cho kết quả lên men ở 370C là tối ưu nhất. 5.2.3. Khảo sát pH cho kết quả lên men ở pH 5 là thích hợp nhất. 5.2.4. Khảo sát tỉ lệ giống cho kết quả lên men với tỉ lệ giống 5% là thích hợp và tiết kiệm nhất. 53. Phương pháp SSF 5.3.1. Khảo sát thời gian cho kết quả lên men trong 38 giờ đạt độ cồn cao nhất 5.1%. 5.3.2. Khảo sát nhiệt độ cho kết quả lên men ở 370C là tối ưu nhất. 5.3.3. Khảo sát pH cho kết quả lên men ở pH 5 là thích hợp nhất. 6. Kết cấu của đồ án Đồ án gồm 4 chương: Chương 1. Tổng quan tài liệu. Chương 2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu. Chương 3. Kết quả và thảo luận. Chương 4. Kết luận và kiến nghị. 3 Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Bioethanol 1.1.1. Giới thiệu chung về bioethanol Bioethanol là rượu ethanol sinh học thu được từ quá trình lên men vi sinh các loại nguyên liệu chứa đường hoặc từ tinh bột, cellulose nhờ vào phản ứng trung gian thủy phân thành đường của vi sinh. Bioethanol được tổng hợp thông qua quá trình sinh học, vi sinh sử dụng nguồn nguyên liệu đường làm thức ăn để thực hiện hô hấp kỵ khí và thải ra ethanol và khí CO2. Trong khi đó, ethanol có nguồn gốc dầu mỏ thì được tổng hợp thông qua quá trình hóa học, không có mặt tham gia của cơ thể sống trong quá trình tạo ethanol. Đặc tính của ethanol [4] Công thức phân tử: C2H5OH Khối lượng phân tử: 46.07 g/mol Trạng thái: lỏng, không màu (từ -117 oC – 78 oC) Tỉ trọng: 0.789 kg/l Điểm sôi: 78.5 oC Điểm đông đặc: -1170C Giới hạn nổ: dưới 3.5% v/v; trên 19% v/v Áp suất hơi: 38 oC, 50mmHg pKa: 15.9 Độ nhớt: 1.200 mPa.s (20 oC) Bioethanol có thể sử dụng để tạo ra ethanol khối gel để sử dụng làm năng lượng nấu ăn ( sử dụng trong nhà bếp), làm nhiên liệu phát điện, sử dụng làm dung môi trong chiết suất dược liệu. Ethanol tuyệt đối được ứng dụng để làm phụ gia khi thêm vào ETBE, polyethylenterephtalate trong sản xuất bao bì và chai nhựa, pha vào xăng để tăng chỉ số octane của xăng. 4 Đồ án tốt nghiệp Bioethanol là nguồn năng lượng tái tạo và không đóng góp vào việc làm tăng hiệu ứng nhà kính. Nếu như ta đốt cháy các sinh khối sẽ sinh ra CO2 thì tác động xấu tới môi trường mà không có hiệu quả kinh tế. Các nguồn sinh khối có nguồn gốc thực vật, được tổng hợp thông qua quá trình tổng hợp quang học. Tổng hợp bioethanol từ nguồn sinh khối là chuyển nguồn năng lượng tổng hợp quang học thành nguồn năng lượng có giá trị và nhiều ứng trong thực tế. Sinh khối thực vật không phải thực phẩm là nguồn nguyên liệu thuộc “thế hệ thứ hai” được sử dụng để chuyển hóa thành bioethanol với sự kết hợp công nghệ hóa học hiện đại và công nghệ sinh học, đó là nguồn phụ phẩm của ngành nông nghiệp như rơm rạ, vỏcacao … . Với sự phát triển của ngành sản xuất ethanol sinh học từ nguồn sinh khối thực vật sẽ thúc đẩy các hộ nông dân trồng trọt tăng diện tích cây trồng cung cấp nguồn lương thực cho con người và tận dụng sinh khối. Như vậy, sẽ tạo ra diện tích cây xanh nhiều hơn giúp cân bằng hệ sinh thái, giảm hiện tượng hiệu ứng nhà kính. 1.1.2. Phân loại bioethanol 1.1.2.1.Bioethanol thế hệ thứ nhất Ethanol sinh học thếhệ thứ nhất là ethanol sinh học làm từđường, tinh bột, bằng cách sửdụng công nghệ thông thường.Các nguyên liệu cơ bản để sản xuất ethanol sinh học thếhệđầu tiên thường là hạt giống hoặc các loại ngũ cốc như lúa mì, tinh bột được lên men thành ethanol sinh học. 1.1.2.2. Bioethanol thế hệ thứ hai Quy trình sản xuất ethanol sinh học thế hệ đầu tiên có ích, nhưng hạn chế: không thể sản xuất đủ ethanol sinh học mà không đe dọa nguồn cung cấp thực phẩm và đa dạng sinh học và việc phải cạnh tranh về chi phí với nhiên liệu hóa thạch như xăng. Ethanol sinh học thế hệ thứ hai có thể giúp giải quyết những vấn đề này và có thể cung cấp một lượng nhiên liệu bền vững,chi phí thấp, và với những lợi ích lớn hơn về môi trường. Ethanol sinh học thế hệ thứ hai được sản xuất bằng cách lên men thực vật có nguồn gốc đường để sản xuất ethanol,bằng cách sử dụng một quá trình tương tự như 5 Đồ án tốt nghiệp được sử dụng trong bia và rượu.Điều này đòi hỏi việc sử dụng cây trồng như mía, ngô, lúa gạo, lúa mì, và củ cải đường. Ethanol sinh học cũng có thể sản xuất từ phụ phẩm của các loại cây trồng hiện nay, như thân cây, rơm rạ, lá và trấu cũng như các loại cây trồng khác mà không được sử dụng cho các mục đích thực phẩm (không phải cây lương thực), như cỏ, jatropha và ngũ cốc v.v… 1.1.2.3. Bioethanol thế hệ thứ ba Sản xuất nhiên liệu sinh học nói chung (dầu thực vật, biodiesel, bioethanol, biogas, biomethanol, biobutanol và nhiên liệu sinh học khác), ethanol sinh học nói riêng từ tảo.Trong số các đặc điểm hấp dẫn nhiên liệu từ tảo: không ảnh hưởng đến nguồn nước ngọt, có thể được sản xuất bằng cách sử dụng biển và nước thải, được phân hủy và tương đối vô hại cho môi trường.Trong quá trình quang hợp, tảo và các sinh vật khác sử dụng carbon dioxide và ánh sáng mặt trời và chuyển nó thành oxy và nhiên liệu sinh học. 1.1.3. Nguồn nguyên liệu cho sản xuất Công nghệ chiếm ưu thế hiện nay trong sản xuất bioethanol là chuyển hoá sinh khối thành ethanol thông qua lên men rượu rồi chưng cất. Quá trình lên men rượu này là quá trình chuyển hoá sinh hoá học, sinh khối sẽ được vi khuẩn hoặc nấm men phân huỷ. Phương pháp lên men có thể áp dụng đối với nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau. 1.1.3.1Sucrose Đường mía, ở dạng dịch ép hoặc rỉ đường, là nguồn nguyên liệu quan trọng nhất ở các nước nhiệt đới, cận nhiệt đới để sản xuất bioethanol. Ở các nước Châu Âu, đường từ củ cải đường được sử dụng. Bên cạnh đó, cây lúa miến ngọt cũng là nguồn nguyên liệu thô triển vọng, phần than có thể được chiết tách tạo ra dịch trích chứa nồng độ sucrose cao, hạt của nó chứa lượng lớn tinh bột, phần bã là nguồn lignocelluloses quan trọng. Quá trình chuyển hoá sucrose thành ethanol dễ hơn so với tinh bột và sinh khối lognocellulose vì không cần qua quá trình tiền xử lý, tế bào nấm men có thể thuỷ phân 6 Đồ án tốt nghiệp disaccharide, thêm vào đó là điều kiện lý tưởng của dịch đường và rỉ đường cho quá trình lên men. Đánh giá hiệu quả kinh tế của Maiorella và cs (1984) thì chi phí nguyên liệu lên đến 70% chi phí sản xuất bioethanol nếu sử dụng rỉ đường làm nguyên liệu. 1.1.3.2. Tinh bột Tinh bột là một polysaccharide carbohydrate chứa hỗn hợp amylose và amylopectin. Chúng đều là các polymer carbohydrate phức tạp của glucose. Để chuyển hoá tối đa lượng tinh bột thành đường, tạo điều kiện lên men rượu, bột nhão được nấu và cho thuỷ phân bằng enzyme hoặc acid loãng. Quá trình lên men được thực hiện khi có mặt một số chủng men rượu. Để thuận lợi cho quá trình lên men, pH của dịch thuỷ phân cần điều chỉnh ở mức 4,8 – 5. Bioethanol sinh ra trong quá trình lên men sẽ hoà tan trong nước. Nhờ hàng loạt các bước chưng cất để loại nước, nồng độ bioethanol sẽ được tăng cao tối đa. Đối với các loại hạt, năng suất ethanol thu được vào khoảng 2.800 lít/ha, tức khoảng 3 tấn nguyên liệu hạt sẽ thu được 1 tấn bioethanol. 1.1.3.3. Lignocellulose Hình 1.1.Cấu trúc chính của linocellulose Lignocellulose là một chất hữu cơ tái tạo và là thành phần cấu trúc chính của thành tế bào thực vật.Lignocellulose bao gồm ba thành phần chính: cellulose, hemicellulose và lignin.Ngoài ra, có một số thành phần khác như protein, pectin, và 7 Đồ án tốt nghiệp tro.Tỉ lệ giữa các thành phần là khác nhau tùy thuộc vào nguồn lignocellulose.Ngoài ra, tỉ lệ đó còn phụ thuôc vào tuổi, giai đoạn tăngtrưởng, điều kiện sinh trưởng. Các thành phần cấu tạo nên lignincellulose (lignin, cellulose, hemicellulose) là các đối tượng khó bị phân hủy.Tính khó phân hủy lại gia tăng lên nhiều lần khichúng liên kết với nhau và với các thành phần khác nữa tạo thành một thể cấu trúcchặt chẽ và phức tạp.Các vi sợi cellulose, lignin, hemicellulose được sắp xếp theo những quy tắc nhất định để hình thành nên cấu trúc vi sợi.Với cấu trúc nhiều lớp, gồm nhiều thànhphần có bản chất hóa học khác nhau như vậy, lignocellulose có độ bền vật lý cao, rấtkhó xâm nhập đối với các vi sinh vật và enzyme.Hơn nữa để phân hủy bất cứ thànhphần nào của phức hợp một cách hiệu quả và triệt để cần phải tác động đến thànhphần khác.Ví dụ như, để phân giải lignocellulose thì cần đồng thời tác động của lignin, cellulose và hemicellulose. Nhưng do cả ba điều có tính chất hóa học khácnhau nên cơ chế tác động và điều kiện tiến hành cũng khác nhau. 1.1.3.4. Cellulose Cellulose là thành phần cơ bản của thực vật. Chúng là một homopolimer mạch thẳng, được cấu tạo bởi các β-D glucose-pyranose. Các glucose này liên kết với nhau bằngliên kết α-1, 4 glucoside. Cellulose chứa các glucose không phân nhánh. Các gốcglucose trong cellulose thường lệch một góc 1800và có dạng như một chiếc ghế bành. Cellulose thường chứa 10.000-14.000 gốc đường và được cấu tạo như hình. Hình 1.2.Chuỗi mạch thẳng của cellulose trong không gian Trọng lượng phân tử của cellulose khoảng từ 50.000 – 2.500.000 dalton.Các phân tử cellulose kết hợp với nhau nhờ lực hút “Van der waals” và “liên kết hydro”. Các phân tử celluose tạo nên sợi sơ cấp có đường kính khoảng 3nm.Các sợi sơ cấp kết hợp với nhau tạo thành vi sợi (microfibri ).Và hemicellulose và lignin bao xung quanh các vi sợi đó. 8 Đồ án tốt nghiệp 1.1.3.5. Hemicellulose Hemicellulose là thành phần chính thứ hai của sinh khối lignocellulose, với hàm lượng lớn sau cellulose.Hemicellulose là một polymer không đồng nhất (hỗn tạp), được cấu tạo từ các loại đường khác nhau như pentoses (bao gồm xylose vàarabinose), hexose (chủ yếu là mannose, ngoài ra còn có glucose và galactose) vàthậm chí cả từ acid uronic của chúng (ví dụ như 4-omethylglucuronic, d-glucuronic,và dgalactouronic axít). Người ta gọi tên cụ thể một loại hemicellulose dựa theotên một loại đường nào đó chiếm tỷ lượng lớn trong thành phần của hemicellulose.Ví dụ như xylan-loại hemicellulose dễ gặp nhất trong thiên nhiên.Xylan là một hemicellulose mà thành phần chủ yếu của nó là xylose, mannose,…trong đó xylose chiếm tỷ lượng lớn nhất.Xylan thường thấy nhiều trong rơm, rạ (chiếm khoảng 30%), cây lá rộng (chiếm khoảng 20-25%).Ở những cây lá kim thường chứa ít xylan. Phân tử lượng của hemicellulose nhỏ hơn phân tử lượng của cellulose rất nhiều.Hemicellulose thường được cấu tạo từ 150 gốc đường.Các gốc đường này được nối với nhau bằng các liên kết β-1,4; β-1,3; β-1,6 glucoside.Chúng thường là những mạch ngắn, phân nhánh. Trong tế bào thực vật, hemicellulose thường nằm xen kẽ giữa các bó sợi cellulose tạo nên một dạng cấu trúc bền vững. 1.1.3.6. Lignin Lignin là một hợp chất cao phân tử đặc biệt của thực vật, thường tập trung ởnhững mô hóa gỗ, là chất kết dính tế bào, làm tăng độ bền cơ học, chống thấm nướcqua vách tế bào mô xylem, ngăn cản sự xâm nhập của vi sinh vật gây bệnh. Khác với cellulose và hemicellulose, lignin hình thành từ các dẫn xuất của phenyl, propan, một sốchất thơm có mạch nhánh. Nói cách chi tiết hơn, lignin làsản phẩm ngưng tụ chủ yếu của ba loại rượu thơm:coniferyl (guaiacyl propanol),sinapyl (syringyl alcohol) và p-coumaryl (p-hydroxyphenyl propanol) theo tỷ lệkhác nhau tùy loại thực vật. Trong đại phân tử lignin, các đại cấu trúc nối với nhau bằng rất nhiều liên kếtvà loại liên kết, trong đó liên kết chủ yếu chiếm 50-60% số liên kết giữa cácmonome là kiểu liên kết aryl-glyxerol-aryl ete.Ngoài ra còn có các kiểu liên kết phenyl- coumaryl, biphenyl. 9