Nghiên cứu sản xuất Ethanol từ rơm rạ

TÓM TẮT LUẬN VĂN Rơm rạ chiếm tỉ lệ lớn trong các phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam. Với thành phần chứa hơn 40% là cellulose, rơm rạ là nguồn nguyên liệu thích hợp cho quá trình sản xuất ethanol. Luận văn này nghiên cứu quá trình sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ và được chia làm hai phần. Phần đầu nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố :% bã rắn, % enzyme, nhiệt độ, pH lên quá trình thuỷ phân và phần hai nghiên cứu quá trình thuỷ phân và lên men đồng thời. MỤC LỤC Chương 1 MỞ ĐẦU 1 1.1 CÂY LÚA Ở VIỆT NAM .1 1.2 RƠM RẠ 2 1.2.1 Nguồn rơm rạ ở Việt Nam 2 1.2.2 Hiện trạng sử dụng năng lượng từ rơm rạ ở Việt Nam 3 1.3 BIOETHANOL TỪ RƠM RẠ 3 1.4 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4 Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU .5 2.1 NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE .5 2.1.1 Cấu trúc lignocellulose .5 2.1.2 Cellulose .6 2.1.3 Hemicellulose .8 2.1.4 Lignin .10 2.1.5 Các chất trích ly 12 2.1.6 Tro 13 2.2 QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL TỪ RƠM RẠ .13 2.2.1 Tổng quát 13 2.2.2 Tiền xử lý 14 2.2.3 Thủy phân .20 2.2.4 Lên men 33 2.2.5 Thủy phân và lên men đồng thời 38 2.3 SƠ LƯỢC VỀ BIOFUEL VÀ ETHANOL NHIÊN LIỆU 44 2.3.1 Biofuel 44 2.3.2 Ethanol nhiên liệu .45 Chương 3 THỰC NGHIỆM 48 3.1 NGUYÊN LIỆU VÀ HÓA CHẤT 48 3.1.1 Rơm rạ 48 3.1.2 Enzyme .48 3.1.3 Giống nấm men 49 3.2 CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG .49 3.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG .52 3.3.1 Phương pháp phân tích thành phần xơ sợi trong biomass – rơm rạ .52 3.3.2 Phương pháp đo nồng độ glucose và ethanol .56 3.3.3 Phương pháp xác định độ ẩm của nguyên liệu .63 v 3.3.4 Phương pháp nuôi cấy và đếm nấm men 64 3.4 TRÌNH TỰ NGHIÊN CỨU .66 3.4.1 Sơ đồ quy trình .67 3.4.2 Quá trình nổ hơi – tiền xử lý rơm rạ .67 3.4.3 Quá trình thủy phân 68 3.4.4 Quá trình thủy phân và lên men đồng thời .69 Chương 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .71 4.1 PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN RƠM RẠ 71 4.1.1 Thành phần rơm rạ trước nổ hơi .71 4.1.2 Thành phần rơm rạ sau nổ hơi 72 4.1.3 So sánh rơm rạ trước và sau nổ hơi 72 4.1.4 Thành phần dịch nổ hơi. .74 4.2 QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN .76 4.2.1 Thành phần dịch thủy phân 76 4.2.2 Ảnh hưởng của phần trăm bã rắn .77 4.2.3 Ảnh hưởng của lượng enzyme cho vào 79 4.2.4 Ảnh hưởng của pH .84 4.2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ .87 4.2.6 Hiệu suất thủy phân , nồng độ đường tạo thành theo thời gian 92 4.3 QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI 94 4.3.1 Thành phần dịch thủy phân và lên men đồng thời .94 4.3.2 Ảnh hưởng của lượng emzyme cho vào .95 4.3.3 Ảnh hưởng của mật độ nấm men ban đầu 98 4.3.4 Hiệu suất toàn quá trình theo thời gian 101 Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 104 5.1 KẾT LUẬN QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN .104 5.2 KẾT LUẬN QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI .104 5.3 SO SÁNH HIỆU SUẤT TOÀN QUÁ TRÌNH CỦA THỦY PHÂN VỚI THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI .105 5.4 ĐỀ NGHỊ .105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 PHỤ LỤC 108 vi DANH MỤC HÌNH Hình 1-1 Tỉ lệ % trong tổng giá trị sản lượng nông nghiệp .1 Hình 1-2 Các nguồn biomass chính ở Việt Nam năm 2000 .3 Hình 2-1 Cấu trúc của lignocellulose .6 Hình 2-2 Mối quan hệ cellulose – hemicellulose trong cấu trúc lignocellulose 6 Hình 2-3 Công thức hóa học của cellulose .7 Hình 2-4 Kiểu Fringed fibrillar và kiểu Folding chain 7 Hình 2-5 Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan .9 Hình 2-6 Glucomannan 9 Hình 2-7 Galactoglucomannan .9 Hình 2-8 Arabinoglucuronoxylan .10 Hình 2-9 Các đơn vị cơ bản của lignin .10 Hình 2-10 Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính 11 Hình 2-11: Một số ví dụ về chất trích ly (a) abietic acid (oleoresin); (b) cathechin (flavonoid); (c) palmitic acid (acid béo) .13 Hình 2-12 Mô tả cơ chế quá trình nổ hơi .17 Hình 2-13 Fufural .18 Hình 2-14 Hydroxymethyl fufural 18 Hình 2-15: Cấu trúc sợi trước và sau khi nổ hơi, bó sợi cellulose được giải phóng ra khỏi lớp lignin bảo vệ sau khi nổ hơi .19 Hình 2-16: (d) sợi lignocellulose không nổ hơi có cấu trúc sít chặt ngăn cản sự tấn công của enzyme, (e) nổ hơi ở 4atm, (f) nổ hơi ở 8atm 19 Hình 2-17 Tác dụng của từng enzyme trong cellulase .21 Hình 2-18 Quá trình tác động của cellobiohydrolase lên đầu vùng kết tinh của cellulose. 25 Hình 2-19 Cơ chế tác động hiệp đồng của enzyme exo-endo và endo-endo. Enzyme endoglucanase tấn công ngẫu nhiên vào cellulose và tạo cơ chất thích hợp cho enzyme exoglucanase và sau đó khuếch tán nhanh ra khỏi bề mặt. Exoglucanse có thể tấn công từ đầu đường khử và không khử. .26 Hình 2-20 Cơ chế quá trình thủy phân .27 Hình 2-21 Tốc độ phản ứng enzyme theo nhiệt độ 29 Hình 2-22 Ảnh hưởng của pH 30 Hình 2-23 Ảnh hưởng của nồng độ enzyme .30 Hình 2-24 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất .31 vii Hình 2-25 Chất kìm hãm cạnh tranh 32 Hình 2-26 Chất kìm hãm không cạnh tranh .32 Hình 2-27: Quá trình đường phân 34 Hình 2-28 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phát triển của nấm men 35 Hình 2-29: Giống nấm men Pichia stiptis và Saccharomyces cerevisiae .38 Hình 2-30 Nồng độ glucose (ô vuông không màu) và celllobiose (ô vuông màu đen) theo thời gian của quá trình thủy phân và lên men đồng thời. .41 Hình 2-31 Nồng độ ethanol theo thời gian trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời. 42 Hình 3-1 Rơm chưa nổ hơi .48 Hình 3-2 Saccharomyces serevisiae chủng turbo yeast extra nhìn dưới kính hiển vi 49 Hình 3-3 Thiết bị nổ hơi quy mô pilot 50 Hình 3-4 Máy sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC) 50 Hình 3-5 Hình dạng buồng đếm hồng cầu dưới kính hiển vi .51 Hình 3-6 Buồng đếm hồng cầu .51 Hình 3-7 Bộ dụng cụ soxhlet 54 Hình 3-8 Hệ thống phân tích NDS và ADS .54 Hình 3-9 Grooch Crucible 54 Hình 3-10 Đường chuẩn glucose 60 Hình 3-11 Đường chuẩn ethanol 61 Hình 3-12 Đường chuẩn cellobiose 62 Hình 3-13 Bộ dụng cụ thủy phân và lên men đồng thời 70 Hình 4-1 Thành phần rơm rạ trước nổ hơi .71 Hình 4-2 Thành phần rơm rạ sau nổ hơi. .72 Hình 4-3 So sánh kết quả các thành phần rơm rạ trước và sau nổ hơi .73 Hình 4-4 Rơm trước nổ hơi 74 Hình 4-5 Rơm sau nổ hơi .74 Hình 4-6 Nồng độ glucose, cellobiose và hiệu suất thu được theo % bã rắn cho vào .78 Hình 4-7 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian tương ứng với các % enzyme khác nhau 80 Hình 4-8 Nồng độ cellobiose tạo thành theo thời gian ứng với các % enzyme .81 Hình 4-9 Nồng độ glucose, cellobiose thu được và hiệu suất theo % enzyme 82 Hình 4-10 Tốc độ phản ứng ban đầu theo % enzyme cho vào .83 Hình 4-11 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với các giá trị pH khác nhau .85 Hình 4-12 Hiệu suất, nồng độ glucose và nồng độ cellobiose theo pH dung dịch 86 viii Hình 4-13 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với các giá trị nhiệt độ: nhiệt độ phòng khác nhau .88 Hình 4-14 Nồng độ cellobiose theo thời gian ứng với các điều kiện nhiệt độ khác nhau. 89 Hình 4-15 Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất tại 24 giờ theo nhiệt độ .90 Hình 4-16 Tốc độ phản ứng ban đầu theo nhiệt độ. .91 Hình 4-17 Nồng độ glucose, cellobiose và hiệu suất theo thời gian. .93 Hình 4-18 Nồng độ ethanol, glucose và hiệu suất theo % enzyme, tại 24 giờ .96 Hình 4-19 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose và hiệu suất theo % enzyme cho vào tại 48 giờ 97 Hình 4-20 Nồng độ ethanol, glucose và hiệu suất theo tỉ lệ mật độ nấm men cho vào tại 24 giờ .99 Hình 4-21 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose và hiệu suất theo tỉ lệ mật độ nấm men cho vào tại 48 giờ .100 Hình 4-22 Nồng độ cellobiose, glucose và ethanol tạo thành theo thời gian trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời. 102 ix DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1 Cơ cấu giá trị sản lượng nông ngư nghiệp Việt Nam năm 2002 [7] .1 Bảng 1-2 Các nguồn biomass chính ở Việt Nam năm 2000 [8] .2 Bảng 2-1 Thành phần của vài loại lignocellulose theo [10] .5 Bảng 2-2 Các thông số vận hành và kết quả quá trình thủy phân và lên men đồng thời được thực hiện trên nhiều nước[9] .39 Bảng 2-3 Ảnh hưởng của ethanol, glucose và cellobiose lên enzyme cellulase và β- glucosidase 39 Bảng 2-4 Kết quả quá trình thủy phân và lên men đồng thời tiến hành với rơm đã qua tiền xử lý bằng acid loãng, quá trình được tiến hành trong điều kiện kỵ khí 40 Bảng 2-5 Ảnh hưởng của việc thêm các thành phần mới vào dịch thủy phân và lên men đồng thời lúc 80 giờ 43 Bảng 3-1 Thành phần dung dịch NDS .52 Bảng 3-2 Kết quả chạy chuẩn .58 Bảng 3-3 Kết quả chuẩn glucose 59 Bảng 3-4 Kết quả cho chuẩn ethanol .60 Bảng 3-5 Kết quả chuẩn cellobiose 62 Bảng 3-6 Thành phần môi trường Hansen dùng cho việc nuôi cấy, bảo quản gống nấm men. 64 Bảng 3-7 Thành phần chất dinh dưỡng bổ sung cho dung dịch thủy phân và lên men đồng thời 69 Bảng 4-1 Thành phần rơm rạ khô trước nổ hơi 71 Bảng 4-2 Thành phần rơm rạ theo Hồ Sĩ Tráng [3] .71 Bảng 4-3 Thành phần rơm rạ khô sau nổ hơi .72 Bảng 4-4 So sánh thành phần rơm rạ trước và sau nổ hơi .72 Bảng 4-5 Thành phần dịch nổ hơi 74 Bảng 4-6 Thành phần dịch thủy phân .76 Bảng 4-7 Kết quả ảnh hưởng của phần trăm bã rắn .77 Bảng 4-8 Nồng độ glucose theo thời gian ứng với các % enzyme khác nhau .79 Bảng 4-9 Nồng độ cellobiose tạo thành theo thời gian ứng với % enzyme khác nhau 80 Bảng 4-10 Hiệu suất quá trình thủy phân theo thời gian ứng với các % enzyme khác nhau 81 Bảng 4-11 Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất và tốc độ ban đầu theo lượng enzyme cho vào 82 x Bảng 4-12 Nồng độ glucose theo thời gian ứng với các giá trị pH ban đầu khác nhau .84 Bảng 4-13 Hiệu suất thủy phân theo thời gian ứng với các giá trị pH ban đầu khác nhau 85 Bảng 4-14 Hiệu suất và nồng độ glucose, cellobiose theo pH dung dịch 86 Bảng 4-15 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với các giá trị nhiệt độ khác nhau. .87 Bảng 4-16 Nồng độ cellobiose tạo thành theo thời gian tương ứng các chế độ nhiệt độ khác nhau 88 Bảng 4-17 Hiệu suất quá trình thủy phân theo thời gian tương ứng các nhiệt độ khác nhau 89 Bảng 4-18 Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất và tốc độ ban đầu đạt được theo nhiệt độ 90 Bảng 4-19 Nồng độ glucose, cellobiose và hiệu suất theo thời gian 92 Bảng 4-20 Thành phần dịch thủy phân và lên men đồng thời 94 Bảng 4-21 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose và hiệu suất toàn quá trình theo % enzyme cho vào tại 24 giờ và 48 giờ 96 Bảng 4-22 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose và hiệu suất theo mật độ nấm men cho vào 99 Bảng 4-23 Nồng độ cellobiose, glucose và ethanol tạo thành theo thời gian trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời .101

pdf121 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Ngày: 28/12/2012 | Lượt xem: 7665 | Lượt tải: 54download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Nghiên cứu sản xuất Ethanol từ rơm rạ, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
i ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL NHIÊN LIỆU TỪ RƠM RẠ SVTH : TRẦN DIỆU LÝ MSSV : 60301608 CBHD : PGS.TS. PHAN ĐÌNH TUẤN BỘ MÔN: KỸ THUẬT HỮU CƠ TP. HỒ CHÍ MINH, 01/2008 ii Đại Học Quốc Gia Tp.HCM. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM. TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA. Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc. --------------- ------------- Số: ________/ BKĐT NHIỆM VỤ LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP KHOA: KỸ THUẬT HÓA HỌC. BỘ MÔN: KỸ THUẬT HỮU CƠ. HỌ VÀ TÊN: TRẦN DIỆU LÝ MSSV: 60301608 NGÀNH: KỸ THUẬT HỮU CƠ LỚP: HC03KSTN 1. Đầu đề luận án: NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL NHIÊN LIỆU TỪ RƠM RẠ 2. Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu): Nghiên cứu quá trình thuỷ phân rơm rạ đã qua tiền xử lý, sử dụng enzyme cellulase. Nghiên cứu quá trình thuỷ phân và lên men đồng thời rơm rạ đã qua tiền xử lý,, sử dụng enzyme cellulase và nấm men saccharomyces cerevisiae. 3. Ngày giao nhiệm vụ luận án: 15/9/2007. 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15/12/2007. 5. Họ tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn PGS TS. PHAN ĐÌNH TUẤN Toàn bộ. Nội dung và yêu cầu LATN đã được thông qua Bộ môn. Ngày 15 tháng 9 năm 2007 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN. NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH. (Ký và ghi rõ họ tên) ( Ký và ghi rõ họ tên) PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ): Đơn vị: Ngày bảo vệ: Điểm tổng kết: Nơi lưu trữ luận án: iii LỜI CẢM ƠN Luận văn là tác phẩm của một sinh viên trước khi rời khỏi trường đại học. Để hoàn thành luận văn, sinh viên cần phải áp dụng tất cả các kiến thức và hiểu biết mà mình đã tích luỹ được trong suốt những năm học ở trường. Chính vì vậy những kiến thức mà em đã tiếp thu được trong 5 năm học tại trường Bách Khoa là nền tảng vững chắc giúp em hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa KỸ THUẬT HOÁ HỌC nói chung và các thầy cô trong bộ môn KỸ THUẬT HỮU CƠ nói riêng vì đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ em trong suốt những năm vừa qua. Em xin chân thành cảm ơn thầy Phan Đình Tuấn, thầy là người đã giúp em đến với hướng nghiên cứu này, đồng thời cũng là người tận tình chỉ bảo, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành tốt luận văn. Em cũng xin cảm ơn anh Ngô Đình Minh Hiệp vì đã nhiệt tình giúp đỡ em cả về kiến thức chuyên môn lẫn thực nghiệm trong suốt những ngày hoàn thành luận văn tại Tung tâm Lọc Hoá Dầu. Cuối cùng, em xin cảm ơn bạn bè và người thân trong gia đình, những người luôn là chỗ dựa vững chắc và luôn ủng hộ em trong mọi việc. Sinh viên thực hiện Trần Diệu Lý iv MỤC LỤC Chương 1 MỞ ĐẦU......................................................................................................1 1.1 CÂY LÚA Ở VIỆT NAM .......................................................................................1 1.2 RƠM RẠ................................................................................................................2 1.2.1 Nguồn rơm rạ ở Việt Nam................................................................................2 1.2.2 Hiện trạng sử dụng năng lượng từ rơm rạ ở Việt Nam ....................................3 1.3 BIOETHANOL TỪ RƠM RẠ................................................................................3 1.4 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU........................................................4 Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU...........................................................................5 2.1 NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE .................................................................5 2.1.1 Cấu trúc lignocellulose .....................................................................................5 2.1.2 Cellulose ...........................................................................................................6 2.1.3 Hemicellulose ...................................................................................................8 2.1.4 Lignin .............................................................................................................10 2.1.5 Các chất trích ly..............................................................................................12 2.1.6 Tro ..................................................................................................................13 2.2 QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL TỪ RƠM RẠ ...........................................13 2.2.1 Tổng quát........................................................................................................13 2.2.2 Tiền xử lý........................................................................................................14 2.2.3 Thủy phân.......................................................................................................20 2.2.4 Lên men ..........................................................................................................33 2.2.5 Thủy phân và lên men đồng thời ....................................................................38 2.3 SƠ LƯỢC VỀ BIOFUEL VÀ ETHANOL NHIÊN LIỆU ....................................44 2.3.1 Biofuel ............................................................................................................44 2.3.2 Ethanol nhiên liệu...........................................................................................45 Chương 3 THỰC NGHIỆM ......................................................................................48 3.1 NGUYÊN LIỆU VÀ HÓA CHẤT ........................................................................48 3.1.1 Rơm rạ ............................................................................................................48 3.1.2 Enzyme ...........................................................................................................48 3.1.3 Giống nấm men ..............................................................................................49 3.2 CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG .................................................................................49 3.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG.....................................................................52 3.3.1 Phương pháp phân tích thành phần xơ sợi trong biomass – rơm rạ ...............52 3.3.2 Phương pháp đo nồng độ glucose và ethanol .................................................56 3.3.3 Phương pháp xác định độ ẩm của nguyên liệu...............................................63 v 3.3.4 Phương pháp nuôi cấy và đếm nấm men........................................................64 3.4 TRÌNH TỰ NGHIÊN CỨU.................................................................................66 3.4.1 Sơ đồ quy trình ...............................................................................................67 3.4.2 Quá trình nổ hơi – tiền xử lý rơm rạ...............................................................67 3.4.3 Quá trình thủy phân ........................................................................................68 3.4.4 Quá trình thủy phân và lên men đồng thời .....................................................69 Chương 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .....................................................................71 4.1 PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN RƠM RẠ ..............................................................71 4.1.1 Thành phần rơm rạ trước nổ hơi.....................................................................71 4.1.2 Thành phần rơm rạ sau nổ hơi........................................................................72 4.1.3 So sánh rơm rạ trước và sau nổ hơi ................................................................72 4.1.4 Thành phần dịch nổ hơi. .................................................................................74 4.2 QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN.................................................................................76 4.2.1 Thành phần dịch thủy phân ............................................................................76 4.2.2 Ảnh hưởng của phần trăm bã rắn ...................................................................77 4.2.3 Ảnh hưởng của lượng enzyme cho vào..........................................................79 4.2.4 Ảnh hưởng của pH .........................................................................................84 4.2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ .................................................................................87 4.2.6 Hiệu suất thủy phân , nồng độ đường tạo thành theo thời gian......................92 4.3 QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI ..................................94 4.3.1 Thành phần dịch thủy phân và lên men đồng thời .........................................94 4.3.2 Ảnh hưởng của lượng emzyme cho vào.........................................................95 4.3.3 Ảnh hưởng của mật độ nấm men ban đầu......................................................98 4.3.4 Hiệu suất toàn quá trình theo thời gian ........................................................101 Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ....................................................................104 5.1 KẾT LUẬN QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN...........................................................104 5.2 KẾT LUẬN QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI.............104 5.3 SO SÁNH HIỆU SUẤT TOÀN QUÁ TRÌNH CỦA THỦY PHÂN VỚI THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI .............................................................................105 5.4 ĐỀ NGHỊ .........................................................................................................105 TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................106 PHỤ LỤC ........................................................................................................................108 vi DANH MỤC HÌNH Hình 1-1 Tỉ lệ % trong tổng giá trị sản lượng nông nghiệp .................................................1 Hình 1-2 Các nguồn biomass chính ở Việt Nam năm 2000.................................................3 Hình 2-1 Cấu trúc của lignocellulose ...................................................................................6 Hình 2-2 Mối quan hệ cellulose – hemicellulose trong cấu trúc lignocellulose ..................6 Hình 2-3 Công thức hóa học của cellulose...........................................................................7 Hình 2-4 Kiểu Fringed fibrillar và kiểu Folding chain ........................................................7 Hình 2-5 Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan.......................................................................9 Hình 2-6 Glucomannan ........................................................................................................9 Hình 2-7 Galactoglucomannan.............................................................................................9 Hình 2-8 Arabinoglucuronoxylan.......................................................................................10 Hình 2-9 Các đơn vị cơ bản của lignin...............................................................................10 Hình 2-10 Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính..................................11 Hình 2-11: Một số ví dụ về chất trích ly (a) abietic acid (oleoresin); (b) cathechin (flavonoid); (c) palmitic acid (acid béo).....................................................................13 Hình 2-12 Mô tả cơ chế quá trình nổ hơi ...........................................................................17 Hình 2-13 Fufural ...............................................................................................................18 Hình 2-14 Hydroxymethyl fufural......................................................................................18 Hình 2-15: Cấu trúc sợi trước và sau khi nổ hơi, bó sợi cellulose được giải phóng ra khỏi lớp lignin bảo vệ sau khi nổ hơi .................................................................................19 Hình 2-16: (d) sợi lignocellulose không nổ hơi có cấu trúc sít chặt ngăn cản sự tấn công của enzyme, (e) nổ hơi ở 4atm, (f) nổ hơi ở 8atm......................................................19 Hình 2-17 Tác dụng của từng enzyme trong cellulase .......................................................21 Hình 2-18 Quá trình tác động của cellobiohydrolase lên đầu vùng kết tinh của cellulose. ....................................................................................................................................25 Hình 2-19 Cơ chế tác động hiệp đồng của enzyme exo-endo và endo-endo. Enzyme endoglucanase tấn công ngẫu nhiên vào cellulose và tạo cơ chất thích hợp cho enzyme exoglucanase và sau đó khuếch tán nhanh ra khỏi bề mặt. Exoglucanse có thể tấn công từ đầu đường khử và không khử. ...........................................................26 Hình 2-20 Cơ chế quá trình thủy phân ...............................................................................27 Hình 2-21 Tốc độ phản ứng enzyme theo nhiệt độ ............................................................29 Hình 2-22 Ảnh hưởng của pH ............................................................................................30 Hình 2-23 Ảnh hưởng của nồng độ enzyme.......................................................................30 Hình 2-24 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất .......................................................................31 vii Hình 2-25 Chất kìm hãm cạnh tranh ..................................................................................32 Hình 2-26 Chất kìm hãm không cạnh tranh .......................................................................32 Hình 2-27: Quá trình đường phân ......................................................................................34 Hình 2-28 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phát triển của nấm men..................................35 Hình 2-29: Giống nấm men Pichia stiptis và Saccharomyces cerevisiae...........................38 Hình 2-30 Nồng độ glucose (ô vuông không màu) và celllobiose (ô vuông màu đen) theo thời gian của quá trình thủy phân và lên men đồng thời. ...........................................41 Hình 2-31 Nồng độ ethanol theo thời gian trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời. ....................................................................................................................................42 Hình 3-1 Rơm chưa nổ hơi .................................................................................................48 Hình 3-2 Saccharomyces serevisiae chủng turbo yeast extra nhìn dưới kính hiển vi........49 Hình 3-3 Thiết bị nổ hơi quy mô pilot................................................................................50 Hình 3-4 Máy sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC)..............................................................50 Hình 3-5 Hình dạng buồng đếm hồng cầu dưới kính hiển vi .............................................51 Hình 3-6 Buồng đếm hồng cầu...........................................................................................51 Hình 3-7 Bộ dụng cụ soxhlet..............................................................................................54 Hình 3-8 Hệ thống phân tích NDS và ADS .......................................................................54 Hình 3-9 Grooch Crucible ..................................................................................................54 Hình 3-10 Đường chuẩn glucose........................................................................................60 Hình 3-11 Đường chuẩn ethanol ........................................................................................61 Hình 3-12 Đường chuẩn cellobiose....................................................................................62 Hình 3-13 Bộ dụng cụ thủy phân và lên men đồng thời ....................................................70 Hình 4-1 Thành phần rơm rạ trước nổ hơi .........................................................................71 Hình 4-2 Thành phần rơm rạ sau nổ hơi. ...........................................................................72 Hình 4-3 So sánh kết quả các thành phần rơm rạ trước và sau nổ hơi. ..............................73 Hình 4-4 Rơm trước nổ hơi ................................................................................................74 Hình 4-5 Rơm sau nổ hơi ...................................................................................................74 Hình 4-6 Nồng độ glucose, cellobiose và hiệu suất thu được theo % bã rắn cho vào .......78 Hình 4-7 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian tương ứng với các % enzyme khác nhau ............................................................................................................................80 Hình 4-8 Nồng độ cellobiose tạo thành theo thời gian ứng với các % enzyme .................81 Hình 4-9 Nồng độ glucose, cellobiose thu được và hiệu suất theo % enzyme ..................82 Hình 4-10 Tốc độ phản ứng ban đầu theo % enzyme cho vào...........................................83 Hình 4-11 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với các giá trị pH khác nhau ...85 Hình 4-12 Hiệu suất, nồng độ glucose và nồng độ cellobiose theo pH dung dịch ............86 viii Hình 4-13 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với các giá trị nhiệt độ: nhiệt độ phòng khác nhau.........................................................................................................88 Hình 4-14 Nồng độ cellobiose theo thời gian ứng với các điều kiện nhiệt độ khác nhau. 89 Hình 4-15 Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất tại 24 giờ theo nhiệt độ.......................90 Hình 4-16 Tốc độ phản ứng ban đầu theo nhiệt độ. ...........................................................91 Hình 4-17 Nồng độ glucose, cellobiose và hiệu suất theo thời gian. .................................93 Hình 4-18 Nồng độ ethanol, glucose và hiệu suất theo % enzyme, tại 24 giờ...................96 Hình 4-19 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose và hiệu suất theo % enzyme cho vào tại 48 giờ ..........................................................................................................................97 Hình 4-20 Nồng độ ethanol, glucose và hiệu suất theo tỉ lệ mật độ nấm men cho vào tại 24 giờ ...............................................................................................................................99 Hình 4-21 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose và hiệu suất theo tỉ lệ mật độ nấm men cho vào tại 48 giờ .....................................................................................................100 Hình 4-22 Nồng độ cellobiose, glucose và ethanol tạo thành theo thời gian trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời. ..............................................................................102 ix DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1 Cơ cấu giá trị sản lượng nông ngư nghiệp Việt Nam năm 2002 [7] ...................1 Bảng 1-2 Các nguồn biomass chính ở Việt Nam năm 2000 [8]...........................................2 Bảng 2-1 Thành phần của vài loại lignocellulose theo [10].................................................5 Bảng 2-2 Các thông số vận hành và kết quả quá trình thủy phân và lên men đồng thời được thực hiện trên nhiều nước[9] .............................................................................39 Bảng 2-3 Ảnh hưởng của ethanol, glucose và cellobiose lên enzyme cellulase và β- glucosidase..................................................................................................................39 Bảng 2-4 Kết quả quá trình thủy phân và lên men đồng thời tiến hành với rơm đã qua tiền xử lý bằng acid loãng, quá trình được tiến hành trong điều kiện kỵ khí....................40 Bảng 2-5 Ảnh hưởng của việc thêm các thành phần mới vào dịch thủy phân và lên men đồng thời lúc 80 giờ....................................................................................................43 Bảng 3-1 Thành phần dung dịch NDS ...............................................................................52 Bảng 3-2 Kết quả chạy chuẩn.............................................................................................58 Bảng 3-3 Kết quả chuẩn glucose ........................................................................................59 Bảng 3-4 Kết quả cho chuẩn ethanol.................................................................................60 Bảng 3-5 Kết quả chuẩn cellobiose ....................................................................................62 Bảng 3-6 Thành phần môi trường Hansen dùng cho việc nuôi cấy, bảo quản gống nấm men. ............................................................................................................................64 Bảng 3-7 Thành phần chất dinh dưỡng bổ sung cho dung dịch thủy phân và lên men đồng thời. .............................................................................................................................69 Bảng 4-1 Thành phần rơm rạ khô trước nổ hơi ..................................................................71 Bảng 4-2 Thành phần rơm rạ theo Hồ Sĩ Tráng [3] ...........................................................71 Bảng 4-3 Thành phần rơm rạ khô sau nổ hơi .....................................................................72 Bảng 4-4 So sánh thành phần rơm rạ trước và sau nổ hơi .................................................72 Bảng 4-5 Thành phần dịch nổ hơi ......................................................................................74 Bảng 4-6 Thành phần dịch thủy phân.................................................................................76 Bảng 4-7 Kết quả ảnh hưởng của phần trăm bã rắn ...........................................................77 Bảng 4-8 Nồng độ glucose theo thời gian ứng với các % enzyme khác nhau ...................79 Bảng 4-9 Nồng độ cellobiose tạo thành theo thời gian ứng với % enzyme khác nhau......80 Bảng 4-10 Hiệu suất quá trình thủy phân theo thời gian ứng với các % enzyme khác nhau ....................................................................................................................................81 Bảng 4-11 Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất và tốc độ ban đầu theo lượng enzyme cho vào........................................................................................................................82 x Bảng 4-12 Nồng độ glucose theo thời gian ứng với các giá trị pH ban đầu khác nhau. ....84 Bảng 4-13 Hiệu suất thủy phân theo thời gian ứng với các giá trị pH ban đầu khác nhau 85 Bảng 4-14 Hiệu suất và nồng độ glucose, cellobiose theo pH dung dịch ..........................86 Bảng 4-15 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với các giá trị nhiệt độ khác nhau. ...........................................................................................................................87 Bảng 4-16 Nồng độ cellobiose tạo thành theo thời gian tương ứng các chế độ nhiệt độ khác nhau....................................................................................................................88 Bảng 4-17 Hiệu suất quá trình thủy phân theo thời gian tương ứng các nhiệt độ khác nhau ....................................................................................................................................89 Bảng 4-18 Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất và tốc độ ban đầu đạt được theo nhiệt độ ................................................................................................................................90 Bảng 4-19 Nồng độ glucose, cellobiose và hiệu suất theo thời gian..................................92 Bảng 4-20 Thành phần dịch thủy phân và lên men đồng thời............................................94 Bảng 4-21 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose và hiệu suất toàn quá trình theo % enzyme cho vào tại 24 giờ và 48 giờ. .........................................................................96 Bảng 4-22 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose và hiệu suất theo mật độ nấm men cho vào ..............................................................................................................................99 Bảng 4-23 Nồng độ cellobiose, glucose và ethanol tạo thành theo thời gian trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời ...............................................................................101 xi TÓM TẮT LUẬN VĂN Rơm rạ chiếm tỉ lệ lớn trong các phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam. Với thành phần chứa hơn 40% là cellulose, rơm rạ là nguồn nguyên liệu thích hợp cho quá trình sản xuất ethanol. Luận văn này nghiên cứu quá trình sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ và được chia làm hai phần. Phần đầu nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố :% bã rắn, % enzyme, nhiệt độ, pH lên quá trình thuỷ phân và phần hai nghiên cứu quá trình thuỷ phân và lên men đồng thời. Rơm rạ được cắt nhỏ và được tiền xử lý bằng phương pháp nổ hơi để phá vỡ cấu trúc. Sau đó được tiến hành thuỷ phân bằng enzyme cellulase hoặc thuỷ phân và lên men đồng thời bằng enzyme cellulase và nấm men saccharomyces cerevisiae chủng turbo yeast extra. Kết quả cho thấy rằng, quá trình thuỷ phân diễn ra tốt nhất trong điều kiện: 11% bã rắn, 5% enzyme, 50oC và pH 4,8, tương ứng nồng độ glucose thu được là 55,08g/l và hiệu suất đạt 81%. Quá trình thuỷ phân và lên men đồng thời đạt được kết quả tốt ở 11% bã rắn, 5% enzyme, 23,6 triệu tế bào nấm men/ml, 50oC và pH 4,8. quá trình này thu được 30,86g/l ethanol tương ứng hiệu suất là 86,61%. Kết quả này cho thấy quá trình thuỷ phân và lên men đồng thời rất thích hợp cho việc sản xuất ethanol từ rơm rạ. xii ABSTRACT In Viet Nam, rice straw composes the main portion in agricultural byproducts. Containing above 40% of cellulose, rice straw is such a potential feedstock for ethanol production. This thesis does research on producing ethanol form rice straw and can be divided into 2 parts. The first part studies the effects of the dry solid concentration, enzyme loading, temperature and pH on the saccharification. The second part explores the simultaneous saccharification and fermentation (SSF) process. Rice straw was pretreated by steam explosion method in order to be more accessible to enzyme. Then, the residue was introduced to hydrolyzed step or to SSF step. These steps were taken place during 2 to 3 days. The former utilized enzyme cellulase to hydrolyze cellulose in rice straw. In the latter, both the yeast saccharomyces cerevisiae and emzyme cellulase were employed. The result indicated that the optimized condition for saccharification is 11% of dry solid, 5% of enzyme, 50oC and pH 4,8. With this condition, 55,08 g/l glucose was formed and the yield of 81% was obtained. The experiments in SSF showed that the best condition for this process includes 11% of dry solid; 5% of enzyme; 23,6 million cell/ml; 37oC and pH 4,8. 30,86g/l ethanol was formed with the yield of 86,61%. This result indicates that SSF is such a suitable process for producing ethanol from rice straw. Chương 1: MỞ ĐẦU 1 Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1 CÂY LÚA Ở VIỆT NAM Cây lúa luôn giữ vị trí trung tâm trong nông nghiệp và kinh tế Việt Nam. Hình ảnh đất Việt thường được mô tả như là một chiếc đòn gánh khổng lồ với hai đầu là hai vựa thóc lớn là Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) và Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH). Khoảng 80% trong tổng số 11 triệu hộ nông dân tham gia sản xuất lúa gạo, chủ yếu đựa vào phương thức canh tác thủ công truyền thống. Bảng 1-1 Cơ cấu giá trị sản lượng nông ngư nghiệp Việt Nam năm 2002 [7] Tỉ lệ % trong tổng giá trị sản lượng Nông-Lâm-Ngư nghiệp Nông nghiệp GTSL Nông- Lâm-Ngư (tỉ đồng) Tổng số Lúa Các nguồn khác Lâm nghiệp Ngư nghiệp Cả nước 154478 78,3 38,0 40,3 3,9 17,8 ĐBSH 24415 91,6 46,3 45,3 1,0 7,4 ĐBSCL 59663 69,9 53,5 16,4 2,1 18,5 Tæ leä % trong toång giaù trò saûn löôïng noâng nghieäp Các nguồn khác 40% Lâm nghiệp 4% Ngư nghiệp 18% Cây lúa38% Hình 1-1 Tỉ lệ % trong tổng giá trị sản lượng nông nghiệp Chương 1: MỞ ĐẦU 2 Ghi chú: Các nguồn khác: % giá trị sản lượng của cây hoa màu lương thực, rau đậu, cây ăn quả, cây công nghiệp, chăn nuôi và dịch vụ nông nghiệp. Bảng số liệu và đồ thị trên cho ta thấy vai trò quan trọng của cây lúa chiếm 38% trong tổng giá trị sản lượng nông – lâm - ngư nghiệp cả nước. 1.2 RƠM RẠ Việc sản xuất lúa gạo đã tạo ra một lượng lớn phế phẩm từ cây lúa bao gồm rơm và trấu. Rơm và trấu là hai trong số nhiều nguồn biomass phổ biến và có nhiều tiềm năng ở Việt Nam. 1.2.1 Nguồn rơm rạ ở Việt Nam Rơm rạ chiếm một phần rất lớn trong các nguồn biomass ở Việt Nam. Bảng 1-2 Các nguồn biomass chính ở Việt Nam năm 2000 [8] STT Biomass Lượng (triệu tấn) Năng lượng chứa đựng (GJ) Phần trăm(%) 1 Gỗ thải từ nhà máy cưa 3,1 35,960 2,6 2 Gỗ đốt 12,4 186,000 13,4 3 Rác thải rắn 0,015 57 0 4 Rơm 61,9 866,600 62,6 5 Trấu 5,6 63,840 4,6 6 Vỏ bắp 4,8 60,000 1,3 7 Bã khoai mì 0,6 7,500 0,5 8 Phế phẩm cây mía 1,5 18,750 1,4 9 Bã mía 5,0 36,050 2,6 10 Vỏ đậu 0,1 1,250 0,1 11 Xơ và lá dừa 5,8 104,400 7,5 12 Vỏ hạt cafe 0,3 4,670 0,3 Tổng 101,1 1,385,077 100 Chương 1: MỞ ĐẦU 3 Caùc nguoàn biomass chính ôû Vieät Nam naêm 2000 4.6 62.6 goã thaûi töø nhaø maùy cöa goã ñoát raùc thaûi raén rôm traáu voû baép baõ khoai mì Pheá phaåm caây mía baõ mía voû ñaäu xô vaø laù döøa voû haït cafe Hình 1-2 Các nguồn biomass chính ở Việt Nam năm 2000 Bảng số liệu và đồ thị trên cho thấy vị trí và tiềm năng rất lớn của rơm trong viêc sử dụng làm nguồn nguyên liệu. Rơm chiếm 62,6% trong tổng khối lượng biomass ở Việt Nam năm 2000 với lượng năng lượng chứa đựng là 866.600 GJ. Rơm hứa hẹn là một nguồn năng lượng lớn cho nước ta. 1.2.2 Hiện trạng sử dụng năng lượng từ rơm rạ ở Việt Nam Mặc dù rơm rạ là một nguồn năng lượng lớn, rơm rạ nói riêng và từ biomass nói chung không dược sử dụng một cách hiệu quả ở Việt Nam. Phần lớn rơm rạ được bón trở lại ruộng sau khi thu hoạch, sử dụng làm chất đốt cho các hộ nhà nông, làm thức ăn cho gia súc … Theo [8], biomass chỉ chiếm 3,8% trong tổng năng lượng sử dụng của thành phố Hồ Chí Minh năm 2003, trong khi đó, nguồn năng lượng này chiếm 89% trong tổng năng lượng sử dụng ở nông thôn năm 2001. Ở nông thôn, biomass chủ yếu được dùng làm chất đốt và hiệu suất sử dụng năng lượng của quá trình này chỉ được 10%. 1.3 BIOETHANOL TỪ RƠM RẠ Ngày nay sức ép từ khủng hoảng dầu mỏ và nhu cầu năng lượng luôn là vấn đề nan giải của bất cứ quốc gia nào trên thế giới. Mỹ và Brazil đã thành công trong việc sản xuất Chương 1: MỞ ĐẦU 4 ethanol từ nguồn sinh học là bắp và mía. Điều này đã khích lệ các nước khác đầu tư nghiên cứu vào lĩnh vực nhiên liệu sinh học. Bên cạnh sản xuất ethanol từ nguồn tinh bột (bắp) và đường (mía), ethanol có thể được sản xuất từ lignocellulose. Lignocellulose là loại biomass phổ biến nhất trên thế giới. Vì vậy sản xuất ethanol từ biomass cụ thể là từ nguồn lignocellulose là một giải pháp thích hợp đặc biệt là với các quốc gia nông nghiệp như Việt Nam. Nền nông nghiệp Việt Nam hằng năm tạo ra một lượng lớn phế phẩm nông nghiệp, chủ yếu là lignocellulose từ các vụ mùa. Tận dụng nguồn nguyên liệu này, cụ thể là rơm rạ để sản xuất bioethanol là phương pháp sử dụng rơm rạ một cách hiệu quả đồng thời góp phần giải quyết vấn đề năng lượng cho nước ta. 1.4 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Mục đích chính của đề tài là nghiên cứu khả năng xử lý rơm rạ để lên men ethanol. Các mục tiêu chính trong đề tài là: • Nghiên cứu quá trình thủy phân rơm đã qua tiền xử lý nổ hơi bằng enzyme cellulase, tạo ra dịch đường. • Nghiên cứu quá trình thủy phân và lên men đồng thời để chuyển hóa cellulose trong nguồn rơm rạ ban đầu thành ethanol. Các nội dung chính cần phải thực hiện để đạt được mục tiêu trên: ¾ Đối với quá trình thủy phân: • Khảo sát ảnh hưởng của lượng bã rắn đối với quá trình thủy phân. • Khảo sát ảnh hưởng của lượng enzyme cho vào đối với quá trình thủy phân. • Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch đến quá trình thủy phân. • Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thủy phân. • Khảo sát nồng độ đường tạo thành theo thời gian. ¾ Đối với quá trình thủy phân và lên men đồng thời • Khảo sát ảnh hưởng của lượng enzyme đến quá trình. • Khảo sát ảnh hưởng của lượng nấm men cho vào lên quá trình. • So sánh hiệu suất chuyển hóa quá trình thủy phân với quá trình thủy phân và lên men đồng thời. Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 5 Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE Lignocellulose là vật liệu biomass phổ biến nhất trên trái đất. Lignocellulose có trong phế phẩm nông nghiệp, chủ yếu ở dạng phế phẩm của các vụ mùa; trong sản phẩm phụ của công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy; có trong rác thải rắn của thành phố... Với thành phần chính là cellulose, lignocellulose là một nguồn nguyên liệu to lớn cho việc sản xuất bioethanol. Rơm rạ là một dạng vật liệu lignocellulose. 2.1.1 Cấu trúc lignocellulose Thành phần chính của vật liệu lignocellulose là cellulose, hemicellulose, lignin, các chất trích ly và tro. Bảng 2-1 Thành phần của vài loại lignocellulose theo [10] Hemicellulose Nguồn/% Cellulose Xylane Mannan Galactan Arabianan Lignin Chất trích ly Gỗ vân sam 41,9 6,1 14,3 - 1,2 27,1 9,6 Gỗ thông 37,7 4,6 7,0 - - 27,5 10,8 Gỗ cây bulô 38,2 18,5 1,2 - - 22,8 4,8 Gỗ dương 49,9 17,4 4,7 1,2 1,8 18,1 - Phế phẩm cây bắp 36,4 18,0 0,6 1,0 3,0 16,6 7,3 Rơm lúa mì 38,2 21,2 0,3 2,5 23,4 13,0 Rơm lúa(*) 34 – 38 32 – 40 12 (*) theo Hồ Sĩ Tráng [3] Theo [10 ] về cơ bản, trong lignocellulose, cellulose tạo thành khung chính và được bao bọc bởi những chất có chức năng tạo mạng lưới như hemicellulose và kết dính như lignin. Cellulose, hemicellulose và lignin sắp xếp gần nhau và liên kết cộng hóa trị với nhau. Các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose, galactose, và acid 4-O- methylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin. Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 6 Hình 2-1 Cấu trúc của lignocellulose Các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản. Các sợi này được gắn lại với nhau nhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi, với chiều rộng khoảng 25nm. Các vi sợi này được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp bảo vệ cellulose khỏi sự tấn công của ezyme cũng như các hóa chất trong quá trình thủy phân. [9] Hình 2-2 Mối quan hệ cellulose – hemicellulose trong cấu trúc lignocellulose 2.1.2 Cellulose Cellulose là một polymer mạch thẳng của D-glucose, các D-glucose được liên kết với nhau bằng liên kết β 1-4 glucosid. Cellulose là loại polymer phổ biến nhất trên trái đất, độ trùng hợp đạt được 3.500 – 10.000 DP [9]. Các nhóm OH ở hai đầu mạch có tính chất Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 7 hoàn toàn khác nhau, cấu trúc hemiacetal tại C1 có tính khử, trong khi đó OH tại C4 có tính chất của rượu. [2] Hình 2-3 Công thức hóa học của cellulose Các mạch cellulose được liên kết với nhau nhờ liên kết hydro và liên kết Van Der Waals, hình thành hai vùng cấu trúc chính là kết tinh và vô định hình. Trong vùng kết tinh, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau, vùng này khó bị tấn công bởi enzyme cũng như hóa chất. Ngược lại, trong vùng vô định hình, cellulose liên kết không chặt với nhau nên dễ bị tấn công [9]. Có hai kiểu cấu trúc của cellulose đã được đưa ra nhằm mô tả vùng kết tinh và vô định hình. [10] Hình 2-4 Kiểu Fringed fibrillar và kiểu Folding chain 1/ Kiểu Fringed Fibrillar: phân tử cellulose được kéo thẳng và định hướng theo chìều sợi. Vùng tinh thể có chiều dài 500 Å và xếp xen kẽ với vùng vô định hình. Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 8 2/ Kiểu Folding chain: phân tử cellulose gấp khúc theo chiều sợi. Mỗi đơn vị lặp lại có độ trùng hợp khoảng 1000, giới hạn bởi hai điểm a và b như trên hình vẽ. Các đơn vị đó được sắp xếp thành chuỗi nhờ vào các mạch glucose nhỏ, các vị trí này rất dễ bị thủy phân. Đối với các đơn vị lặp lại, hai đầu là vùng vô định hình, càng vào giữa, tính chất kết tinh càng cao. Trong vùng vô định hình, các liên kết β - glucosid giữa các monomer bị thay đổi góc liên kết, ngay tại cuối các đoạn gấp, 3 phân tử monomer sắp xếp tạo sự thay đổi 180o cho toàn mạch. Vùng vô định hình sẽ dễ bị tấn công bởi các tác nhân thủy phân hơn vùng tinh thể vì sự thay đổi góc liên kết của các liên kết cộng hóa trị (β - glucosid) sẽ làm giảm độ bền nhiệt động của liên kết, đồng thời vị trí này không tạo được liên kết hydro. [4] Cellulose được bao bọc bởi hemicellulos và lignin, điều này làm cho cellulose khá bền vững với tác động của enzyme cũng như hóa chất. 2.1.3 Hemicellulose Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng 70 đến 200 DP. Hemicellulose chứa cả đường 6 gồm glucose, mannose và galactose và đường 5 gồm xylose và arabinose. Thành phần cơ bản của hemicellulose là β - D xylopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết β -(1,4). Cấu tạo của hemicellulose khá phức tạp và đa dạng tùy vào nguyên liệu, tuy nhiên có một vài điểm chung gồm: • Mạch chính của hemicellulose được cấu tạo từ liên kết β -(1,4). • Xylose là thành phần quan trọng nhất. • Nhóm thế phổ biến nhất là nhóm acetyl O – liên kết với vị trí 2 hoặc 3. • Mạch nhánh cấu tạo từ các nhóm đơn giản, thông thường là disaccharide hoặc trisaccharide. Sự liên kết của hemicellulose với các polysaccharide khác và với lignin là nhờ các mạch nhánh này. Cũng vì hemicellulose có mạch nhánh nên tồn tại ở dạng vô định hình và vì thế dễ bị thủy phân. Gỗ cứng, gỗ mềm và nguyên liệu phi gỗ có các đặc điểm hemicellulose khác nhau: Gỗ cứng chủ yếu có hai loại hemicellulose: • Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan, là một loại polymer có mạch chính gồm β-D- xylopyranose liên kết với nhau bằng liên kết β-D (1,4). Trong đó 70% các nhóm OH ở vị trí C2 và C3 bị acetyl hóa, 10% các nhóm ở vị trí C2 liên kết với acid 4- Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 9 O-methyl-D-glucuronic. Gỗ cứng còn chứa glucomannan, polymer này chứa một tỉ lệ bằng nhau β-D-glucopyranose và β-D-mannopyranose. [9] Hình 2-5 Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan Hình 2-6 Glucomannan • Loại thứ hai có mạch chính là β-D-galactopyranose, phân nhánh. Loại hemicellulose này tạo liên kết –O tại nhóm OH ở vị trí C6 với α-L-arabinose, β-D- galactose hoặc acid β-D-glucoronic. [9] Gỗ mềm cũng bao gồm hai loại hemicellulose chính: • Loại quan trọng nhất là galactoglucomannan, đây là polymer cấu thành từ các phân tử D-mannopyranose liên kết với D-glucopyranose bằng liên kết β-(1,4) với tỉ lệ hai monomer tương ứng là 3:1. Tuy nhiên, tỉ lệ này thay đổi tùy theo loại gỗ[9]. Hình 2-7 Galactoglucomannan Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 10 • Arabino-4-O-methylglucuronoxylan, cấu tạo từ các D-xylopyranose, các monomer này bị thế ở vị trí 2 bằng acid 4-O-methyl-glucuronic, ở vị trí 3 bằng α- L-arabinofuranose. [9] Đối với cỏ, 20 – 40% hemicellulose là arabinoxylan. Polysaccharide này cấu tạo từ các D-xylopyranose, OH ở C2 bị thế bởi acid 4-O-methylglucuronic. OH ở vị trí C3 sẽ tạo mạch nhánh với α-L-arabinofuranose. [9] Hình 2-8 Arabinoglucuronoxylan Cấu tạo phức tạp của hemicellolose tạo nên nhiều tính chất hóa sinh và lý sinh cho cây. 2.1.4 Lignin Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở. Trong tự nhiên, lignin chủ yếu đóng vai trò chất liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose và hemicellulose. Rất khó để có thể tách lignin ra hoàn toàn. Lignin là polymer, được cấu thành từ các đơn vị phenylpropene, vài đơn vị cấu trúc điển hình được đề nghị là: guaiacyl (G), chất gốc là rượu trans-coniferyl; syringly (S), chất gốc là rượu trans-sinapyl; p-hydroxylphenyl (H), chất gốc là rượu trans-p-courmary. Hình 2-9 Các đơn vị cơ bản của lignin Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 11 Cấu trúc của lignin đa dạng, tùy thuộc vào loại gỗ, tuổi của cây hoặc cấu trúc của nó trong gỗ. Ngoài việc được phân loại theo lignin của gỗ cứng, gỗ mềm và cỏ, lignin có thể được phân thành hai loại chính: guaicyl lignin và guaicyl-syringly lignin. Gỗ mềm chứa chủ yếu là guaiacyl, gỗ cứng chứa chủ yếu syringyl. Nghiên cứu chỉ ra rằng guaiacyl lignin hạn chế sự trương nở của xơ sợi và vì vậy loại nguyên liệu đó sẽ khó bị tấn công bởi enzyme hơn syringyl lignin. [10] Hình 2-10 Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính Những nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng lignin hoàn toàn không đồng nhất trong cấu trúc. Lignin dường như bao gồm vùng vô định hình và các vùng có cấu trúc hình thuôn hoặc hình cầu. Lignin trong tế bào thực vật bậc cao hơn không có vùng vô định hình. Các vòng phenyl trong lignin của gỗ mềm được sắp xếp trật tự trên mặt phẳng thành tế bào. Ngoài ra, cả cấu trúc hóa học và cấu trúc không gian của lignin đều bị ảnh hưởng bởi mạng polysaccharide. Việc mô hình hóa động học phân tử cho thấy rằng nhóm hydroxyl Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 12 và nhóm methoxyl trong các oligomer tiền lignin sẽ tương tác với vi sợi cellulose cho dù bản chất của lignin là kỵ nước. Nhóm chức ảnh hưởng đến hoạt tính của lignin là nhóm phenolic hydroxyl tự do, methoxy, benzylic hydroxyl, ether của benzylic với các rượu thẳng và nhóm carbonyl. Guaicyl lignin chứa nhiều nhóm phenolic hydroxyl hơn syringyl. Lignin có liên kết hóa học với thành phần hemicellulose và ngay cả với cellulose (không nhiều) độ bền hóa học của những liên kết này phụ thuộc vào bản chất liên kết và cấu trúc hóa học của lignin và những đơn vị đường tham gia liên kết [4]. Carbon alpha (Cα) trong cấu trúc phenyl propane là nơi có khả năng tạo liên kết cao nhất với khối hemicellulose. Ngược lại, các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose, galactose, và acid 4-O-methylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin. Các liên kết có thể là ether, ester (liên kết với xylan qua acid 4-O-methyl-D-glucuronic), hay glycoxit (phản ứng giữa nhóm khử của hemicellulose và nhóm OH phenolic của lignin) Cấu trúc hóa học của lignin rất dễ bị thay đổi trong điều kiện nhiệt độ cao và pH thấp như điều kiện trong quá trình tiền xử lý bằng hơi nước. Ở nhiệt độ phản ứng cao hơn 200oC, lignin bị kết khối thành những phần riêng biệt và tách ra khỏi cellulose. Những nghiên cứu trước đây cho thấy đối với gỗ cứng, nhóm ether β-O-4 aryl bị phá trong quá trình nổ hơi. Đồng thời, đối với gỗ mềm, quá trình nổ hơi làm bất hoạt các nhóm hoạt động của lignin ở vị trí α như nhóm hydroxyl hay ether, các nhóm này bị oxy hóa thành carbonyl hoặc tạo cation benzylic, cation này sẽ tiếp tục tạo liên kết C-C.[10] 2.1.5 Các chất trích ly Có rất nhiều chất thuộc nhóm thành phần này, chủ yếu là các chất dễ hòa tan. Theo định nghĩa khái quát trong sách “Kĩ thuật cellulose và giấy” ở trang 64, các chất trích ly là những chất hoặc có khả năng hòa tan trong những dung môi hữu cơ (như dietyl ether, methyl terbutyl ether, ether dầu hỏa, diclormethene, acetone, ethanol, methanol, hexan, toluen, terahydrofuran) hoặc trong nước. Chính vì thế phương pháp thông dụng nhất để tách nhóm chất này trong việc phân tích thành phần sơ xợi lignocellulose là dùng trích ly với dung môi ethanol-benzene tỉ lệ 1:2. Những chất này có thể có cả tính ưa dầu và ưa nước và không được xem là thành phần cấu trúc của gỗ. Chất nhựa là những chất ưa dầu, có lẽ thường chiếm tỉ lệ ưu thế trong chất trích ly, nên thường chất trích ly hay được gọi là nhựa (resin). Các chất trích ly thường có màu, mùi và vị khá đặc trưng. Chúng rất quan trọng để giữ lại những chức năng sinh học của cây. Đa phần các chất nhựa bảo vệ gỗ khỏi những Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 13 tổn thương gây ra bởi vi sinh vật hay côn trùng. Terpenoid, steroid, chất béo, và những phần tử phenolic như stilbene, lignan, tanmin và flavonoid đều là những chất trích ly. Các phenolic có thuộc tính diệt nấm và ảnh hưởng đến màu của gỗ. Chất béo và sáp, trong nhiều hệ thống sinh học được tận dụng như là nguồn năng lượng trong khi terpenoid và steroid được biết đến là nhựa dầu. Nhóm cuối cùng cũng có hoạt tính kháng vi sinh vật và côn trùng. Một số chất trích ly là những dược phẩm quan trọng. Ví dụ, flavonoid được sử dụng như là chất chống tác nhân oxy hóa và chống virus. Một số cấu trúc chất trích ly được thể hiện ở những hình sau: Hình 2-11: Một số ví dụ về chất trích ly (a) abietic acid (oleoresin); (b) cathechin (flavonoid); (c) palmitic acid (acid béo) 2.1.6 Tro Trong các loại gỗ của xứ ôn đới, các nguyên tố khác so với carbon, hydro, oxy và nito – chiếm khoảng 0,1-0,5% (so với lượng rắn khô trong gỗ). Với loại gỗ xứ nhiệt đới con số này có thể là 5%. Hàm lượng chất vô cơ được đo bằng hàm lượng tro của mẫu và nó trong khoảng 0,3-1,5% cho hai loại gỗ mềm và gỗ cứng. Hàm lượng này phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường tăng trưởng của cây và vào vị trí trong cây. Tương tự chất trích ly, thành phần vô cơ của biomass thường thực hiện chức năng trong một vài con đường sinh học ở thực vật. Kim loại vết thường tồn tại ở dạng phức hợp như magnesium trong chlorophyll. Một số chất vô cơ từ muối kim loại tồn tại trong vách tế bào thực vật. Calcium thường là kim loại phong phú nhất, sau đó là kali và magnesium. 2.2 QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL TỪ RƠM RẠ 2.2.1 Tổng quát Sơ đồ quá trình sản xuất ethanol từ rơm rạ Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 14 2.2.2 Tiền xử lý Để chuyển hóa các carbohydrate (cellulose và hemicellulose) trong lignocellulose thành ethanol, các polymer phải bị bẻ gãy thành những phân tử đường nhỏ hơn trước khi vi sinh vật có thể hoàn tất quá trình chuyển hóa. Tuy nhiên, bản chất của cellulose lại là rất bền vững trước sự tấn công của enzyme, nên bước tiền xử lý là bắt buộc để quá trình đường hóa glucose có thể diễn ra tốt. Cellulose ban đầu có thể bị phá hủy bởi acid mà không cần được tiền xử lý. Tuy nhiên, trong luận văn này chỉ đề cập đến việc thủy phân lignocellulose bằng enzyme. Những yếu tố về cấu trúc và thành phần ảnh hưởng đến khả năng chống lại sự tấn công của enzyme của lignocellulose gồm có: • Cấu trúc tinh thể của cellulose: cellulose tự nhiên hình thành cấu trúc tinh thể chống lại được sự tấn công của enzyme. Trong một bài báo của mình, Fan et al [9] ước tính rằng tỉ lệ cellulose tinh thể là 50-90%. Tuy nhiên, không có sự liên quan giữa mức độ tinh thể của cellulose và khả năng phân hủy enzyme đối với rơm rạ và bã mía. Rơm rạ Tiền xử lý Thủy phân Lên men Chưng cất Ethanol Thủy phân và lên men đồng thời Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 15 • Sự bao bọc của lignin quanh cellulose: lignin cùng với hemicellulose tạo thành cấu trúc mô vững chắc cực kì. Những mô được bền hóa với lignin tương tự như nhựa được gia cố bằng sợi, trong đó lignin đóng vai trò kết dính những sợi cellulose. Trong thiên nhiên, lignin bảo vệ cellulose khỏi những tác động của môi trường và khí hậu. Lignin là yếu tố ngăn cản sự tấn công của enzyme đến cellulose được công nhận nhiều nhất. Theo [9] có nhà nghiên cứu cho rằng khả năng thủy phân của enzyme tăng khi 40-50% lignin bị tách. Tuy nhiên, phải thừa nhận rằng, không có nghiên cứu nào tiến hành loại bỏ lignin mà không kèm theo sự phân hủy hemicellulose. Ngay cả trong phương pháp tiền xử lý nguyên liệu bằng kiềm ở nhiệt độ thấp, loại bỏ được 70% lignin thì cũng có 5% hemicellulose bị hòa tan. Vì vậy, những thí nghiệm trên cũng không hoàn toàn cho thấy ảnh hưởng của việc loại bỏ lignin riêng lẻ. • Bề mặt tiếp xúc tự do của cellulose: liên quan đến bề mặt tiếp xúc của cellulose với enzyme, và thể tích xốp. Stone et al [9] giả thiết rằng tốc độ đầu của quá trình thủy phân là hàm của bề mặt tiếp xúc tự do. Grethlein et al [9] cho rằng thể tích lỗ xốp chứ không phải độ kết tinh của cellulose mới ảnh hưởng đến tốc độ đầu. Tuy nhiên, bề mặt tiếp xúc tự do này có liên quan đến độ kết tinh và sự bảo vệ của lignin. • Sự hiện diện của hemicellulose: cũng như lignin, hemicellulose tạo thành lớp bảo vệ xung quanh cellulose. Knappert et al [9], trong nghiên cứu xử lý bằng acid sulfuric với gỗ dương cho thấy khả năng thủy phân tăng theo tỉ lệ hemicellulose bị loại bỏ. Grohman, thí nghiệm tiền xử lý rơm lúa mì bằng acid, kết quả cho thấy việc loại bỏ hemicellulose sẽ gia tăng đáng kể khả năng thủy phân rơm rạ. Họ cho rằng, việc loại bỏ lignin là không cần thiết, tuy rằng nếu đạt được thì rất tốt. Trong khi đó, hemicellulose được chứng minh là ngăn cản quá trình tấn công của enzyme vào rơm rạ [9]. Tuy nhiên, trong những thí nghiệm này, lignin tuy không bị loại bỏ nhưng lại có thể bị đông hoặc chảy ra một phần, làm giảm khả năng bao bọc cellulose của nó. Vì thế những thí nghiệm trên chưa cho thấy được hiệu quả của việc loại bỏ riêng lẻ hemicellulose. • Mức độ acetyl hóa của hemicelluloses: Đây là yếu tố ít được quan tâm, xylan, loại hemicellulose chính trong gỗ cứng và cây thân cỏ bị acetyl hóa với tỉ lệ rất cao. Grohmann et al [9], nghiên cứu với rơm lúa mì và cây dương, cho thấy rằng khi xylan bị deacetyl hóa, tỉ lệ cellulose bị thủy phân tăng lên 2-3 lần. Ảnh hưởng này tồn tại đến khoảng 75% hemicellulose bị deacetyl hóa. Nói tóm lại, quá trình tiền xử lý nhằm: Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 16 • Tăng vùng vô định hình của cellulose • Tăng kích thước lỗ xốp trong cấu trúc sợi biomass • Phá vỡ sự bao bọc của lignin và hemicellulose đối với cellulose. Sau đây là một số công nghệ tiền xử lý phổ biến: 2.2.2.1 Các phương pháp tiền xử lý hóa học: Sử dụng tác động của hóa chất trong quá trình. Gồm có các quá trình chính: • Với acid: gồ

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfNew era hats expos.pdf