Nghiên cứu công nghệ và thiết bị liên tục xử lý rơm rạ bằng hơi nước để lên men Menethanol

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP.HCM ~~~~~~~~~~~~~**&**~~~~~~~~~~~~~ Báo cáo tóm tắt đề tài: “ NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ LIÊN TỤC XỬ LÝ RƠM RẠ BẰNG HƠI NƯỚC ĐỂ LÊN MEN ETHANOL” PHẦN 1: “NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG THIẾT BỊ LÀM VIỆC LIÊN TỤC XỬ LÝ VÀ THỦY PHÂN RƠM RẠ THÀNH ĐƯỜNG PHỤC VỤ QUÁ TRÌNH LÊN MEN ETHANOL”. Mã số đề tài: B2007-20-05-TĐ Chủ nhiệm đề tài:ThS. Hoàng Minh Nam TP.Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 12 năm 2009   MỞ ĐẦU Lý do nghiên cứu Ethanol từ rơm rạ Nước ta là một nước nông nghiệp với sản lượng gạo hằng năm trên 35 triệu tấn. Đồng bằng Sông Hồng, khu vực Trung Du và Đồng bằng Sông Cửu Long là 3 khu vực sản xuất lúa gạo chính của nước ta. Từ đó có thể thấy sản lượng rơm rạ trên cả nước hằng năm là rất lớn và tập trung. Việc giá dầu mỏ tăng lên từng ngày cùng với tình trạng ô nhiễm môi trường đang dần trở thành một thách thức lớn cho việc sử dụng nhiên liệu trong tương lai. Nguồn rơm rạ của chúng ta dồi dào nhưng những ứng dụng lại hạn chế. Phần lớn rơm rạ được để hoại mục tự nhiên hay đốt bỏ ngoài đồng. Sự lãng phí nguồn năng lượng cùng với ô nhiễm môi trường do việc sử dụng rơm rạ không đúng cách như hiện nay đang dần trở thành mối quan tâm của nhiều nhà khoa học và quản lý. Ethanol được đánh giá là nguồn cung cấp nhiên liệu tốt cho tương lai vì con người có khả năng sản xuất với sản lượng lớn, không gây ô nhiễm môi trường và có thể thay thế được cho xăng nhiên liệu. Ethanol làm nhiên liệu này hoàn toàn có thể sản suất được từ nguồn cellulo như rơm rạ, trấu, bã mía,…. Theo đánh giá sơ bộ, lượng rơm rạ hằng năm, nếu được chuyển thành ethanol, hoàn toàn có khả năng thay thế toàn bộ nhu cầu xăng dầu cả nước hiện nay. Mục tiêu của đề tài nhằm mục đích từng bước nghiên cứu các thông số kỹ thuật của quá trình sản xuất liên tục ethanol nhiên liệu từ rơm, trong đó giai đoạn thứ nhất là xử lý và thuỷ phân rơm thanh dung dịch đường có khả năng lên men ethanol. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu Những nghiên cứu trong đề tài này nhằm hướng đến thực hiện các quá trình xử lý rơm rạ liên tục với quy mô trong phòng thí nghiệm. Mục tiêu hướng tới là xây dựng những cơ sở dữ liệu và thiết bị cho quy trình hoàn chỉnh sản xuất liên tục ethanol nhiên liệu từ rơm rạ sau này. Nhiệm vụ cụ thể của đề tài bao gồm các nội dung cơ bản sau: Thiết kế, chế tạo thiết bị liên tục xử lý rơm rạ Khảo sát quá trình xử lý rơm rạ trên thiết bị liên tục đã chế tạo bằng hơi nước áp suất cao có giảm áp đột biến. Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình nổ hơi liên tục đến hiệu suất thủy phân rơm rạ bằng enzyme cellulase trên cơ sở cải thiện những nghiên cứu trước theo hướng liên tục hóa quá trình thực hiện. TỔNG QUAN TÀI LIỆU Bioethanol Các sản phẩm từ Ethanol Ethanol được sử dụng làm nhiên liệu do đốt cháy ethanol cho nhiệt lượng tương đối cao mà không sản sinh ra các chất độc hại. Ethanol là hợp chất hữu cơ hòa tan tốt trong nước và có khả năng hòa tan tốt một số hợp chất hữu cơ nên được dùng làm dung môi hòa tan, trích li trong các các sản phẩm như sơn, bút màu, rượu thuốc… Ethanol có khả năng ức chế vi sinh vật nên được dùng làm chất kháng khuẩn. Dung dịch ethanol 70%, 90% - cồn 70˚, cồn 90˚- được dùng trong y học để sát trùng các vết thương, vệ sinh dụng cụ… Các dẫn xuất của ethanol cũng có rất nhiều ứng dụng. Ethyl acrylate được sử dụng trong sản xuất polyme acrylate có công dụng làm chất kết dính hay các vật liệu che phủ. Ethyl axetate là dung môi phổ biến sử dụng trong sơn, các vật liệu che phủ và trong công nghiệp dược phẩm. Một số ethyl ester khác được sử dụng trong công nghiệp như là các chất tạo mùi . Các ethylamin được sử dụng trong việc tổng hợp các dược phẩm, hóa chất nông nghiệp và các chất hoạt động bề mặt. Tình hình sản xuất ethanol từ biomass trên thế giới Cho đến nay, trên thế giới việc sản xuất ethanol từ biomass nói chung và từ rơm rạ nói riêng vẫn chưa được thực hiện với quy mô công nghiệp mặc dù đã được nghiên cứu từ những năm 1950. Lý do lớn nhất của vấn đề này là hiệu quả kinh tế mang lại của việc sản suất nhiên liệu ethanol so với nhiên liệu truyền thống như xăng dầu. Trước tình hình giá cả nhiên liệu tăng cao như hiện nay và ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng, đặc biệt là ô nhiễm không khí ở những khu đô thị lớn do khí thải ô tô gây ra, việc sản xuất ethanol từ biomass lại được chú ý và tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện trên thế giới. Ở các nước có nguồn biomass phụ phẩm nông nghiệp dồi dào như Canada và Mỹ, Nhật những dự án sản xuất ethanol từ rơm rạ với quy mô bán công nghiệp (vài chục tấn một ngày) đang dần được nghiên cứu và triển khai. Các nước bắc Âu như Hà Lan, Thụy Điển cũng đang có các dự án xây dựng nhà máy sản suất và tinh chế ethanol dùng cho động cơ. Trong khi đó đối với những nước đang trên đà phát triển và có nguồn rơm rạ dồi dào như Việt Nam thì việc sản xuất này cũng đang dần được quan tâm. Ở Việt Nam, đã có một vài nghiên cứu ban đầu về việc sản suất ethanol từ biomass nói chung và rơm rạ nói riêng của trường ĐH Bách Khoa TpHCM. Hằng năm, ethanol cũng được sản suất trong nước với sản lượng khoảng 25 triệu lít mỗi năm. Trong đó chủ yếu là làm từ mật rỉ, ngô, gạo và khoai mì, chủ yếu phục vụ cho các ngành công nghiệp thực phẩm và hóa chất. Tuy nhiên, tình hình lương thực đang ngày càng khan hiếm. Với dân số tăng cao và quỹ đất dành cho sản xuất nông nghiệp ngày càng bị thu hẹp thì việc sản xuất cồn từ các nguyên liệu truyền thống trên rất khó được mở rộng để đáp ứng cho nhu cầu nhiên liệu ngày một tăng cao như hiện nay. Ngày nay sự lệ thuộc vào dầu mỏ của con người ngày càng cao dẫn đến tình trạng suy thoái kinh tế khi xảy ra khủng hoảng dầu mỏ. Chính vì thế nên ngày càng nhiều những dự án nghiên cứu và triển khai sử dụng năng lượng địa phương để thay thế dần dầu mỏ. Trong tình hình đó ethanol là một giải pháp được đánh giá cao cho khả năng thay thế nhiên liệu hóa thạch trong tương lai. Tiềm năng lớn và thân thiện với môi trường là 2 ưu điểm lớn của loại nhiên liệu này. Tình hình phát triển và ứng dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới Hiện nay trên thế giới có 50 nước có chương trình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học. Các nước APEC đã chọn nhiên liệu sinh học thay thế cho nhiên liệu hóa thạch. Theo dự báo của các chuyên gia, đến năm 2025, thế giới sẽ sử dụng 12% nhiên liệu sinh học trong toàn bộ nhu cầu năng lượng; đến năm 2020, EU sẽ sử dụng 20% nhiên liệu sinh học. Trong chương trình nghị sự của diễn đàn hợp tác Đông Á - Mỹ Latinh (FEALAC) cũng đã bàn đến các nội dung liên quan đến sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học, gồm: nguyên liệu cho sản xuất biodiesel; công nghiệp sản xuất biodiesel; sản xuất ôtô sử dụng nguyên liệu thay thế; cơ chế chính hỗ trợ; các chương trình nghiên cứu và phát triển. Nhiên liệu sinh học (biofuel) là những nhiên liệu có nguồn gốc từ biomass như củi, gỗ, rơm, trấu... nhưng đây chỉ là những dạng nhiên liệu thô. Nhiên liệu sinh học cho giao thông vận tải chủ yếu gồm: các loại cồn sản xuất bằng công nghệ sinh học để sản xuất ra gasohol (methanol, ethanol, buthanol, nhiên liệu tổng hợp); các loại dầu sinh học để sản xuất biodiesel (dầu thực vật, dầu thực vật phế thải, mỡ động vật). Năm 2005, nước Đức đã sản xuất được 1,7 triệu tấn biodiesel từ hạt dầu cải làm nhiên liệu cho ô tô. Hiện nay, diện tích trồng dầu hạt cải ở Đức là 1,2 triệu ha, chiếm 10% đất trồng trọt ở nước này và các chuyên gia cho rằng khó có thể mở rộng diện tích trồng dầu hạt cải hơn nữa. Đức chỉ có thể sản xuất nhiều nhất 2 triệu tấn dầu hạt cải, trong khi nhu cầu mỗi năm lên tới 130 triệu tấn. Tuy nhiên, Biodiesel cũng chỉ có thể sử dụng ở một mức độ nhất định đối với một số loại động cơ diesel đời mới. Đây là lý do tập đoàn Shell quan tâm nhiều hơn đến việc phát triển nhiên liệu sinh học thế hệ hai. Để sản xuất nhiên liệu này, người ta sử dụng cả các bộ phận của cây trong quá trình sản xuất nông nghiệp, nhiều khi những bộ phận này là chất thải như rơm rạ, thân cây ngô, hướng dương... Rượu là một loại nhiên liệu sinh học mà con người đã sản xuất từ hàng nghìn năm nay. Những năm 30 của thế kỷ trước, ở Mỹ người ta cũng đã có ý định dùng rượu làm nhiên liệu ô tô. Tuy nhiên, những người tán dương sáng kiến này không thể thắng thế bởi lẽ khi đó người ta đã phát hiện được nhiều mỏ dầu lớn đặc biệt ở vùng Trung Đông. Nguồn dầu mỏ dồi dào và giá rẻ lúc đó khiến các quốc gia công nghiệp phương Tây chấp nhận lệ thuộc vào việc nhập khẩu loại nhiên liệu này. Brazil là quốc gia duy nhất đi theo con đường riêng của mình và sử dụng cồn làm nhiên liệu cho các loại ô tô. Khoảng 40% nhu cầu nhiên liệu của nước này được đáp ứng bằng bioethanol, một dạng cồn được điều chế từ đường mía. Trong khi đó ở Châu Âu và Bắc Mỹ người ta điều chế ethanol chủ yếu từ cây trồng. Chính phủ Mỹ cũng coi bioethanol là một loại nhiên liệu của tương lai. Một loạt công nghệ mới, đang trong quá trình phát triển, hứa hẹn nhiều triển vọng, đó là “sundiesel”. Trong năm tới, một hệ thống sản xuất “sundiesel” sẽ đi vào hoạt động với năng suất 15.000 tấn/năm. Sundiesel hoàn toàn không độc hại và không có chất aromat. Cho đến nay, người ta có xu hướng sử dụng biogas để sản xuất điện. Khí biogas rất thích hợp để sử dụng đối với các loại ô tô chạy bằng khói nén. Tuy nhiên, việc này cho đến nay tiến triển rất chậm vì phải thực hiện một số thay đổi ở động cơ ô tô và phải có cơ sở hạ tầng cần thiết (trạm tiếp). Theo nhiều chuyên gia thì chỉ có những loại nhiên liệu phối trộn có nhiều triển vọng để áp dụng rộng rãi. Ethanol và sundiesel đáp ứng được yêu cầu này. Liên doanh sản xuất bioethanol: “đột phá” cho sự ra đời nguồn năng lượng sinh học Sau khi nghiên cứu kỹ thị trường nhiên liệu nước ta, tập đoàn Itochu (Nhật Bản) vừa chính thức ký thỏa thuận hợp tác liên doanh với Petrosetco (thành viên của Tập đoàn dầu khí VN) xây dựng nhà máy sản xuất ethanol tại nước ta với công suất 100 triệu lít/năm từ nguồn nguyên liệu sắn lát. Dự kiến, việc xây dựng nhà máy sẽ được hoàn tất trong quý I/2009. Toàn bộ sản phẩm của nhà máy là ethanol 99,8% sẽ được cung ứng cho thị trường nội địa để pha vào xăng phục vụ công nghiệp và giao thông - vận tải. “Đây chỉ là bước khởi đầu cho quá trình triển khai đầu tư dài hạn của Itochu tại VN sắp tới”, ông Toshio Shigemi – Phó Chủ tịch điều hành Tập đoàn Itochu cho biết. Trong 6 tháng tới, chi tiết vốn đầu tư sẽ chính thức được công bố. Vấn đề tận dụng phụ phẩm như thế nào để nâng cao hiệu quả đầu tư cũng là điều đang được hai bên tính toán cụ thể và chi tiết, bởi hai phụ phẩm của Dự án này là khí CO2 và hèm - nguyên liệu rất tốt cho ngành sản xuất bia, rượu và thức ăn gia súc với hàm lượng protein rất cao.. Sự ra đời của liên doanh sản xuất ethanol sẽ là một trong những bước đi mang tính “đột phá”, đáp ứng nhu cầu về nhiên liệu ngày càng tăng (tỷ lệ pha ethanol vào xăng cho phép là 10%). Theo ông Đỗ Hữu Hào, Thứ trưởng Bộ Công nghiệp, hiện Chính phủ đã giao Bộ Công nghiệp nghiên cứu và soạn thảo những quy định và chính sách ưu đãi đầu tư cho lĩnh vực này. Vẫn theo Thứ trưởng Hào, các nước Châu Á như Trung Quốc, Thái Lan, Philippines cũng đang đẩy nhanh việc sản xuất ethanol sinh học với mục đích thay thế một phần nguồn năng lượng hóa thạch, đồng thời giảm thiểu đến mức tối đa tình trạng ô nhiễm môi trường do các hoạt động công nghiệp và vận tải gây ra. Chính phủ ta rất quan tâm đến vấn đề này và đang khuyến khích các doanh nghiệp đầu tư vào lĩnh vực sản xuất ethanol. Triển vọng bioethanol trong tương lai Trên thế giới, công nghiệp ethanol nhiên liệu đạt sản lượng trên 6,2 tỷ lít vào năm 2000. Hầu hết ethanol được sản xuất từ bắp. Một lượng lớn các chất thải nông nghiệp từ lignocellulosic hiện tại được đem đốt hoặc bỏ đi. Việc tận dụng các nguyên liệu lignocellulosic có thể thay thế gần như 40% gasoline trên thị trường. Sử dụng nguyên liệu lignocellulosic như cỏ, rơm rạ, bã mía có thể giảm đáng kể chi phí về nguyên liệu khi so sánh với nguồn nguyên liệu là bắp. Người ta dự đoán rằng sử dụng kĩ thuật gen trên nguyên liệu với hàm lượng carbohydrate cao hơn kết hợp với cải tiến công nghệ sẽ giảm được giá ethanol khoảng 0,11 dollar/lit trong 10 năm tới. Giảm chi phí sản xuất cellulase là chìa khóa công nghệ trong quá trình thủy phân bằng enzyme. Kĩ thuật gen đã được sử dụng để tạo dòng các trình tự mã hóa vào trong vi khuẩn, nấm men, nấm sợi và thực vật nhằm tạo ra những hệ thống sản xuất cellulase với hoạt tính cao. Wood và các cộng sự đã báo cáo về việc biểu hiện gen tái tổ hợp endoglucanase từ Erwinia chrysanthemi P86021 vào Escherichia coli KO11 và hệ thống tái tổ hợp này đã sản xuất 3.200 IU endoglucanase/lit canh trường lỏng lên men (IU, international unit, được xác định như là 1 μl đường khử được tạo ra trong 1 phút khi sử dụng carboxymethyl cellulose làm cơ chất). Endoglucanase E1 chịu nhiệt từ Acidothermus cellulolyticus được biểu hiện ở Arabidopsis thaliana ở lá. Người ta cũng có thể sử dụng quá trình lên men xylose thành ethanol. Chủng tái tổ hợp E. coli với các gen từ Zymomonas mobilis để chuyển hóa pyruvate thành ethanol cũng đã được nghiên cứu bởi Dien và các cộng sự. Các plasmid tái tổ hợp với các gen tổng hợp xylose reductase và xylitol dehydrogenase từ Pichia stipitis và gen xylulokinase từ Saccharomyces cerevisiae đều được chuyển vào Saccharomyce spp. cho quá trình lên men đồng thời xylose và glucose . Mặc dù việc sản xuất bioethanol được cải tiến bởi nhiều công nghệ mới, nhưng vẫn có nhiều thử thách cần phải vượt qua. Những thử thách đó bao gồm việc giữ ổn định các chủng nấm men đã được biến đổi gen khi lên men ở quy mô công nghiệp, nâng cao hiệu quả tiền xử lý nguyên liệu lignocellulosic, và tính kinh tế của hệ thống sản xuất ethanol. Biomass – Rơm rạ

Hình 2.1: Rơm rạ và các phần trên cây lúa Hình 2.2: Rơm rạ sau thu hoạch Rơm rạ là thành phần còn lại của cây lúa sau khi thu hoạch lấy hạt lúa. Ngoại trừ phần hạt và rễ thì tất cả các phần khác của cây lúa đều được coi là rơm rạ. Nước ta có khí hậu nhiệt đới gió mùa. Cùng với quỹ đất rộng và nền nông nghiệp phát triển lâu đời, Việt nam đã trở thành một nước xuất khẩu gạo nhiều nhất thế giới. Theo thống kê năm 2003, cả nước có 33 triệu hecta đất trong đó 9,67 triệu hecta đất canh tác cùng 9,7 triệu hecta đồng cỏ (FAQ, 2003) [1]. Tổng sản lượng hoa màu và thực phẩm cả nước năm 2003 đạt 35 triệu tấn. Số liệu cụ thể được trình bày theo bảng 1. Sản lượng lương thực và hoa màu cao đồng nghĩa với việc nước ta có một nguồn phụ phẩm nông nghiệp rất dồi dào. Trung bình, để tạo ra 1 tấn gạo đã thải ra khoảng1,2 tấn rơm rạ. Sản lượng lúa gạo năm 2007 toàn quốc đạt 36 triệu tấn [2]. Như vậy, lượng rơm rạ thải ra hằng năm vào khoảng 43 triệu tấn. Số liệu thống kê hằng năm được trình bày theo bảng 1. Cho đến nay, phần lớn rơm rạ thường được để mục hoại ngoài đồng hay đốt tại chỗ để trả lại khoáng chất cho đồng ruộng. Phần còn lại được đem về làm thức ăn gia súc hay trồng nấm và làm chất đốt phục vụ nhu cầu đun nấu trong gia đình. Nếu có thể sản xuất được ethanol từ rơm rạ sẽ có thể sử dụng có ích nguồn năng lượng từ rơm mà vẫn trả lại được nguồn khoáng chất cho cây trồng.
Bảng 1: Sản lượng nông nghiệp nước ta năm 2003 (FAO 2004)
Hình 2.3: Sản lượng lúa gạo cả nước từ 1997- 2007 Công nghệ sản xuất Bioethanol từ Biomass Một số qui trình sản xuất Ethanol từ Biomass thực tế Các quá trình xử lí nguyên liệu thành cellulose, hemicellulose và lignin tiến hành trên cơ sở tương tác vật lí, hóa học, sinh học. Sau đó tiếp tục các quá trình chuyển hóa thu sản phẩm. Hình 2.4: Qui trình công nghệ sản xuất Bioethanol từ Biomass
Hình 2.5: Các qui trình sản xuất đi từ lignocellulosic
Hình 2.6: Qui trình sản xuất đi từ nguyên liệu biomass Giai đoạn tiền xử lý Khác với nguyên liệu tinh bột, sản xuất ethanol từ nguồn rơm rạ phải qua giai đoạn tiền xử lí trước khi tiến hành thủy phân thành đường. Nguyên nhân là do cellulose khó thủy phân hơn tinh bột. Tinh bột chứa amylopectin có cấu trúc phân nhánh nên dễ dàng tiếp xúc với dung môi. Trong khi cellulose tinh thể tạo cấu trúc thẳng, khoảng cách giữa các phân tử thấp nên dung môi tiếp xúc với các phân tử cellulose khó khăn hơn. Bên cạnh đó, việc thủy phân liên kết α - 1,4 – glycosidic trong tinh bột dễ dàng hơn liên kết β- 1,4- glycosidic trong cấu trúc của cellulose. Rơm rạ phải được tiền xử lí trước khi lên men. Quá trình tiền xử lí để nâng cao hiệu quả quá trình thủy phân cần phải thoả mãn những tiêu chuẩn sau: Tạo ra lượng đường có khả năng lên men cao nhất. Hạn chế sự phân hủy các carbohydrate. Giảm sự hình thành những chất ức chế vi sinh vật. Linh hoạt, và phải có hiệu quả kinh tế cao. Phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước Năm 1980, quá trình tiền xử lí biomass bằng phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước được chính thức giới thiệu, ngay sau đó công ty Iotech Corporation đã tiến hành các thí nghiệm đầu tiên để tìm hiểu ảnh hưởng của phương pháp này đến hàm lượng glucose và xylose thu được trong dịch thủy phân cellulose. Theo Iotech, điều kiện xử lí tối ưu của holocellulose (xylose + glucose) là áp suất 500-550 psi, thời gian 40 giây. Cơ chế Phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước là một quá trình tác động cơ học, hóa học và nhiệt độ lên hỗn hợp nguyên liệu. Nguyên liệu bị phá vỡ cấu trúc dưới tác dụng của nhiệt, hơi và áp lực do sự giãn nở của hơi ẩm và các phản ứng thủy phân các liên kết glycosidic trong nguyên liệu. Quá trình nổ hơi nước gồm các giai đoạn sau: a) Làm ẩm nguyên liệu b) Giảm áp đột ngột Các yếu tố ảnh hưởng Quá trình nổ bằng áp lực hơi nước chịu ảnh hưởng lớn bởi 2 yếu tố: nhiệt độ và thời gian. Thời gian lưu: thời gian lưu ảnh hưởng đến sự thủy phân của hemicellulose. Thời gian lưu của nguyên liệu trong thiết bị phản ứng càng dài thì hemicellulose được thủy phân càng nhiều. Nhưng nếu giữ nguyên liệu ở trong thiết bị quá lâu sẽ dẫn đến sự phân hủy các sản phẩm thủy phân tạo ra các sản phẩm không cần thiết. Việc thủy phân hemicellulose giúp cho quá trình thủy phân cellulose diễn ra thuận lợi hơn. Nhiệt độ: nhiệt độ có mối quan hệ chặt chẽ với áp suất trong thiết bị. Nhiệt độ càng cao thì áp suất càng cao và ngược lại. Sự gia tăng áp suất làm tăng sự chênh lệch giữa áp suất trong thiết bị và áp suất khí quyển. Từ đó ảnh hưởng đến lực cắt của ẩm khí hóa hơi. Thiết bị Hiện nay, StakeTech là một trong những thiết bị sử dụng trong quá trình tiền xử lí khá hiệu quả. StakeTech là thiết bị áp suất làm bằng thép không gỉ, đặt nằm ngang có thể chịu được áp suất đến 450 psig. Nguyên liệu được nạp vào liên tục ngược dòng bằng một vít tải để cân bằng với áp lực bên trong thiết bị. Nguyên liệu di chuyển dần về phía cửa tháo liệu. Thời gian lưu của nguyên liệu được điều khiển theo lập trình. Sau đó, dưới tác dụng của lực nén ép, nguyên liệu được đẩy ra ngoài qua van tháo liệu. Van hình cầu, có thể quay và mở đều đặn theo từng khoảng thời gian đặt trước theo tốc độ sản xuất. Tùy vào điều kiện sản xuất mà van có thể định kì mở mỗi 2 – 8 giây. Do đó cần phải chuẩn bị ống dẫn biomass đã xử lí sang quá trình kế tiếp. Thiết bị phản ứng StakeTech đang được sử dụng ở các trường đại học và là một mặt hàng có giá trị thương phẩm cao. Quá trình tiền xử lí có thể được thực hiện bằng hệ thống thiết bị phản ứng liên tục 2 cấp. Thiết bị được thiết kế dựa trên một trục vít nằm ngang và một trục vít đặt thẳng đứng. Trục vít thứ nhất dòng hơi nước được dẫn vào ở 170-185ºC. Trục vít thứ hai sử dụng dòng acid loãng < 0.1 % ( tính theo khối lượng) ở 205-225 ºC . Giai đoạn thủy phân Thủy phân bằng acid Quá trình thủy phân acid ban đầu chỉ phá vỡ cấu trúc cellulose ở một mức độ nhất định. Quá trình thủy phân diễn ra theo các bước sau: Bước 1: Acid xâm nhập vào mạng lưới các vi sợi của biomass Bước 2: Xúc tác quá trình thủy phân Bước 3: Giới hạn tốc độ quá trình thủy phân. Các phương pháp xử lí bằng acid Thủy phân nguyên liệu biomass bằng acid gồm có 2 phương pháp: a) Thủy phân bằng acid đặc: Phương pháp thủy phân bằng acid đặc gồm các giai đoạn sau: Tiền thủy phân để loại hemicellulose Thủy phân cellulose Thủy phân oligosaccharide thành glucose b) Thủy phân bằng acid loãng: Quá trình thủy phân bằng acid loãng là quá trình xử lí hóa nhiệt để thủy phân cellulose và hemicellulose ở nhiệt độ cao. Các acid được sử dụng như acid sulfuride, hydrochloric hoặc acid nitric. Tiến hành thủy phân với nồng độ acid từ 0.5-1.5% ở nhiệt độ 160ºC. Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến trong thực tế do lượng đường thu được cao từ 75-90% (Wooley và các cộng sự, 1999, Sun and Cheng, 2002). c) Qui trình thủy phân biomass 2 giai đoạn Qui trình thủy phân biomass 2 giai đoạn là qui trình có nhiều triển vọng và có tính thương mại cao. Đó là do: Qui trình này sẽ mau chóng được đưa vào các hoạt động thương mại dựa trên cơ sở phương pháp sử dụng acid loãng. Quá trình phân tách hỗn hợp thủy phân hemicellulose và cellulose thu được sản lượng và độ tinh khiết sản phẩm cao. Vì các dịch thủy phân được tách ra trong mỗi giai đoạn. Năng lượng tiêu hao cho toàn bộ quá trình thấp. Quá trình xử lí được thực hiện qua 2 giai đoạn như sau: Thiết bị Quá trình thủy phân biomass có thể thực hiện trong các bình phản ứng. Phương pháp ngâm chiết có thể thực hiện bằng cách cho dòng acid thấm xuyên qua các cột nhồi nhiều lớp. Đây là thiết bị khá thích hợp cho phương pháp thủy phân theo mẻ. Ưu điểm thứ nhất là loại đường ngay khi nó được tạo thành. Thiết bị này ít tạo thành các sản phẩm phân hủy đường và các chất ức chế quá trình lên men, tạo ra lượng đường lớn. Điểm thứ 2, thiết bị có thể hoạt động với tỉ lệ rắn/ lỏng khá cao. Năm 1997 Torget và các cộng sự phát minh ra thiết bị phản ứng BSFT. Đây là thiết bị chảy qua lớp co. Thiết kế nhằm giữ độ chặt của lớp không đổi. Dòng acid được đưa qua thiết bị và đi qua các lớp với vận tốc bé. Thời gian lưu của nguyên liệu trong thiết bị ngắn hơn so với phương pháp ngâm chiết. Thiết bị cho năng suất cao. Sản phẩm thu được có hàm lượng chất phân hủy thấp Thủy phân bằng enzyme Để thủy phân cấu trúc cellulose nhất là cellulose tinh thể cần có sự tham gia của nhiều enzyme (Schwarz, 2001). Cellulase là một hệ enzyme khá phức tạp. Cellulase bao gồm 3 hợp phần cơ bản như sau: endoglucanase, exoglucanase (cellobiohydrolase) và β-glucosidase (cellobiase). Cellulase chỉ được tổng hợp khi tế bào sinh vật phát triển với sự có mặt của cellulose, cellobiose, lactose, sophorose hoặc các glucan khác có chứa liên kết β–1,4–glycosidic (Gratzali và Brown, 1979). Các sản phẩm cuối của quá trình thủy phân ức chế tác dụng của cellulase. Do đó trong quá trình thủy phân phải liên tục tách các sản phẩm này ra khỏi dịch thủy phân. Trung tâm hoạt động của enzyme cellulase chứa các gốc amino acid đặc hiệu. Trong khi đó cellulose chứa các liên kết glycosidic. Bộ electron σ đóng vai trò phân cực liên kết. Hiệu ứng cảm ứng của nguyên tử oxy trung tâm gây ra một sự tập trung tích điện trên nguyên tử oxy làm cho nguyên tử oxy tích điện âm. Còn các nguyên tử cacbon kết hợp với nó bị khuyết electron nên sẽ tích điện dương. Sự khuyết electron trong liên kết bị thủy phân là yếu tố quan trọng quyết định khả năng thủy phân. Tác dụng xúc tác của enzyme do sự phân bố electron quyết định. Cơ chế quá trình thủy phân biomass Quá trình thủy phân tiến hành ở nhiệt độ 70ºC trong 1,5 ngày. Sản phẩm thu được có lượng glucose bằng 75-95% số gốc glucose có trong nguyên liệu. Hiện nay, cơ chế thủy phân của hệ enzyme cellulase được chấp nhận diễn ra theo các bước sau: Endoglucanase thủy phân liên kết β-1,4-glycosidic trong vùng vô định hình tạo ra nhiều đầu không khử. Sau đó exoglucanase cắt các đơn vị cellobiose từ đầu không khử. β-glucosidase tiếp tục thủy phân cellobiose tạo ra glucose.
Hình 2.7: Quá trình thủy phân cellulose bằng enzyme cellulase. Sự phối hợp hoạt động của các enzyme rất cần thiết cho quá trình tối ưu hóa quá trình thủy phân. Tồn tại mối tương quan tuyến tính giữa khả năng kết tinh và tốc độ thủy phân (Fan và cộng sự ). Khả năng kết tinh càng cao thì tốc độ thủy phân càng chậm. Vùng vô định hình có tốc độ thủy phân gấp 2 lần vùng kết tinh. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ quá trình thủy phân Tốc độ quá trình thủy phân cellulose bằng cellulase chịu tác động của một số các yếu tố. Năm 2002, Lyn và cộng sự đưa ra kết luận như sau: Tỉ lệ kết tinh: đây là yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình thủy phân. Các mạch cellulose có tính kết tinh cao, các sợi cellulose liên kết rất chặt chẽ. Do đó sẽ cản trở quá trình tiếp xúc của enzyme với các mạch cellulose bên trong và làm giảm tốc độ quá trình thủy phân. Mức độ polymer hóa: mạch cellulose càng dài, tốc độ thủy phân càng chậm (Walker và cộng sự , 1990). Kích thước lỗ xốp: kích thước của các lỗ xốp phải đủ lớn cho các enzyme đi vào. Kích thước lỗ xốp càng lớn quá trình thủy phân càng nhanh. Bề mặt tiếp xúc: hầu hết các chuỗi cellulose bị giấu trong các vi sợi- yếu tố cản trở sự xâm nhập của enzyme và giới hạn tốc độ thủy phân. Bề mặt tiếp xúc càng lớn thì càng thuận lợi cho quá trình thủy phân.
Hình 2.8: Quy trình sản xuất ethanol liên tục từ Biomass ứng dụng kỹ thuật cố định tế bào nấm Tóm lại: Như vậy, phần tổng quan tài liệu cho thấy tình hình các nghiên cứu về công nghệ sản suất nhiên liệu ethanol trên thế giới đặc biệt là từ các nguồn phụ phẩm nông nghiệp. Ngày nay, nguồn nhiên liệu mới để thay thế nhiên liệu truyền thống đang ngày càng được quan tâm từ nhiều nhà nghiên cứu cũng như chính phủ các nước. Việc tổng quan tài liệu giúp tác giả của đề tài này nhìn nhận tốt hơn những nhận định, xu hướng nghiên cứu về ethanol nhiên liệu trong nước cũng như thế giới. Từ đó tiếp tục phát triển những nghiên cứu theo những hướng đi đúng và hạn chế những sai lầm trong nhận định. Việc thừa kế những kết quả của những nghiên cứu trước nhằm hoàn thiện hơn kết quả thu được là điều cần thiết cho đề tài này. Do đó những nghiên cứu trong đề tài đi theo hướng tiếp tục cải thiện những nghiên cứu trước trong nước cũng như theo những định hướng của các nghiên cứu ở nước ngoài nhằm hoàn thiện hơn về mặt thông tin và công nghệ việc sản suất ethanol nhiên liệu từ rơm. Nhiệm vụ cụ thể của đề tài bao gồm các nội dung cơ bản sau: Khảo sát quá trình xử lý rơm rạ trên thiết bị liên tục bằng hơi nước áp suất cao có giảm áp đột biến (từ đó so sánh với quá trình xử lý trên thiết bị nổ hơi chậm trước đây). Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình nổ hơi đến hiệu suất thủy phân rơm rạ bằng enzyme cellulase trên cơ sở cải thiện những nghiên cứu trước theo hướng liên tục hóa quá trình thực hiện. Nghiên cứu khả năng thủy phân rơm rạ đã xử lý bằng Enzyme Cellulase trên thiết bị liên tục kết hợp ứng dụng kỹ thuật cố định tế bào nấm trong quá trình lên men. THỰC NGHIỆM Nguyên liệu Rơm rạ: Rơm rạ sử dụng trong nghiên cứu này thuộc giống “trâu nằm” được lấy từ xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, thành phố Hồ Chí Minh. Rơm rạ được bảo quản trong điều kiện khô ráo, độ ẩm <12% trong vòng 6 tháng. Toàn bộ những thí nghiệm nghiên cứu được thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Lọc Hóa Dầu, ĐH Bách khoa HCM. Enzyme: Enzyme được sử dụng là enzyme cellusoft L do công ty Novo Nordisk – Đan Mạch sản xuất. Cty Nam Giang 133/11 Hồ Văn Huê, quận Phú Nhuận, HCM phân phối. Cellusoft L, có dạng lỏng, màu nâu đỏ. Cellusoft L được nuôi cấy từ giống Trichoderma reesei bằng phương pháp lên men chìm với hoạt tính biểu thị 1500 NCU/g. Hoạt tính NCU được xác định theo phương pháp phân tích của Novo Nordisk, AF 187,2. Nhiệt độ làm việc tốt nhất là 50oC, pH = 4,8. Thiết bị sử dụng Thiết bị nổ hơi: Thiết bị nổ hơi được thiết kế và chế tạo nhằm thực hiện quá trình liên tục. Hệ thống cấp nước nóng: Hệ thống cấp nước nóng có khả năng cài đặt và tự động điều chỉnh nhiệt độ và áp suất. Nhiệt độ tối đa của nước nóng cung cấp bởi thiết bị là 270oC, áp suất làm việc tối đa 50bar, lưu lượng có thể thay đổi được từ 100ml/p – 1000ml/p bằng bơm nhập liệu ở áp suất cao. Bể lắc điều nhiệt: Bể lắc điều nhiệt : sử dụng nước làm chất tải nhiệt. Nhiệt độ làm việc 40 – 90oC. Máy sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC): Máy sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC) SHIMADZU (Đầu dò RID – 10A; Bơm cao áp LC – 20AD; Bộ phận tách khí DGU – 20 A3; Bộ phận lò cột CTO – 20A; Bộ xử lý và máy in C – R8A; Cột sử dụng phân tích là SUGAR SH101, 8mmID×300mml). Pha tĩnh là coopolymer của styrene divinylbenzene, pha động dung dịch H2SO4 0,05M. • Nồi hấp tiệt trùng y tế • Kính hiển vi. • Buồng đếm hồng cầu • Máy đo pH 220K METTER TOLEDO • Máy sục oxy • Máy ly tâm MIKRO 120 • Cân phân tích • Cân kỹ thuật Shimadzu BX420H, max 420g • Tủ sấy • Lò nung Các phương pháp sử dụng trong nghiên cứu Phân tích nguyên liệu và sản phẩm nổ hơi Nguyên liệu và sản phẩm sau nổ hơi được phân tích thành phần sợi (béo, trích ly, hemicellulo, cellulo, lignin) để xác định hiệu suất cũng như đánh giá hiệu quả của quá trình nổ hơi. Phân tích hàm ẩm: Nguyên liệu được cân chính xác với khối lượng m1 sau đó cho vào tủ sấy ở 105oC trong vòng 8 giờ. Cân lại khối lượng chính xác m2. Độ ẩm của rơm rạ được tính theo công thức sau:
Phân tích thành phần béo: Nguyên liệu được sấy khô đem nghiền nhỏ và rây qua rây 250µm. Cân 10g mẫu cho vào Glass fiber filter (GFF), cân khối lượng GFF và mẫu được W’1.Chuẩn bị 300 ml hệ dung môi Ethanol/Benzene với tỷ lệ 1:2. Cho vào bình cầu có dung tích 500ml. Đặt GFF có chứa mẫu vào soxhlet. Đun sôi trong dung môi (80oC) khoảng 6 giờ. Lấy GFF ra khỏi soxhlet, sấy trong tủ sấy ở nhiệt độ 105oC trong vòng 8 giờ. Cân lại khối lượng GFF, W’2 = (các thành phần khác của rơm rạ + GFF). Tính lượng chất béo đã tách ra: W’ = W’1 – W’2 Phân tích thành phần NDS (thành phần trích ly): Lấy 0.5g nguyên liệu (m1) được sấy khô và nghiền nhỏ cho vào bình cầu. Lấy 100ml dung dịch NDS, 2ml decahydronaphtalene và 0,5g natri sulfite sau đó đun sôi tuần hoàn trong vòng 60 phút. Lọc dung dịch bằng phễu Gooch Crucible, sau đó rửa bằng nước sôi (vài lần) và acetone (2 lần). Sấy khô Crucible ở nhiệt độ 105oC trong vòng 8h sau đó cân khối lượng crucible (W1). W1 = xơ sợi (cellulose + cellulose + lignin) + tro + crucible Nung Crucible trong lò nung (500 → 5500C) trong 3 giờ, sau đó cân lại khối lượng Crucible (W2) W2 = tro + crucible. Tính khối lượng xơ sợi: xơ sợi (cellulose + hemicellulose + lignin) = W1 – W2. Phân tích thành phần ADS (hemicellulo): Cân chính xác 1g mẫu khô m2 cho vào bình cầu cùng với 100ml dung dịch ADS, 2ml decahydronaphtalene. Đun sôi tuần hoàn trong vòng 60 phút. Lọc hỗn hợp bằng phễu Gooch Crucible, rửa bã bằng nước sôi 2 lần. Sau đó rửa bằng acetone đến khi nước rửa không màu. Sấy khô Crucible ở 105oC, sau 8h, cân khối lượng bã W4. W4 = cellulose + lignin + tro + crucible. Phân tích thành phần ADL (lignin): Sợi sau khi sử lý ADS được hòa tan cellulo bằng dung H2SO4 72% nhiều lần, phần còn lại không tan trên Gooch Crucible là lignin và tro trong trong phần ADS. Bã sau đó được rửa kỹ với nước sôi nhiều lần. Sấy khô crucible trong tủ sấy ở 105oC trong vòng 8 giờ, sau đó cân lại khối lượng crucible W5: W5 = lignin + tro + crucible. Đun crucible trong lò nung, nhiệt độ 500 – 550oC, trong 3 giờ. Cân lại crucible: W6 = tro + crucible Phân tích tro: Cân 1g mẫu đã qua nghiền nhỏ, rây, sấy khô ở 1050C đến khối lượng không đổi. Cân chính xác khối lượng mẫu và ghi lại (m3).Cho mẫu vào cốc nung và cân khối lượng cốc nung m4. Đem cốc nung ở 500 – 5500C trong 3 giờ, sau đó cân lại khối lượng cốc (m5) Tính toán các thành phần trong phân tích sợi
Phân tích nồng độ dung dịch đường Dung dịch đường gluco thu được từ dung dịch thủy phân hay lên men được phân tích bằng máy HPLC. Pha động là dung dịch H2SO4 0,05N được lọc qua màng lọc 0,45µm. Dung dịch đường chuẩn được pha từ gluco tinh khiết 98% của WAKO với các nồng độ từ 0,1g/l – 1,5g/l (đường chuẩn gluco có thể xem thêm tại phần phụ lục). Chế độ phân tích được giữ như sau: nhiệt độ oven 600C, nhiệt độ RID 400C, chế độ dòng 1ml/phút. Các loại đường khác như xylose, arabinose, galactose, mannose, cellobio cũng được phân tích với các chế độ chạy máy như đối với gluco. Hóa chất chuẩn của các loại đường này được lấy từ hóa chất tinh khiết của WAKO. Hướng nghiên cứu Những nghiên cứu trong báo cáo này xoay quanh 3 vấn đề chính: Khảo sát quá trình xử lý rơm rạ trên thiết bị liên tục bằng hơi nước áp suất cao có giảm áp đột biến. Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình nổ hơi đến hiệu suất thủy phân rơm rạ bằng enzyme cellulase trên cơ sở cải thiện những nghiên cứu trước theo hướng liên tục hóa quá trình thực hiện. Nghiên cứu khả năng thủy phân rơm rạ đã xử lý bằng Enzyme Cellulase trên thiết bị liên tục kết hợp ứng dụng kỹ thuật cố định tế bào nấm trong quá trình lên men. Trình tự làm thí nghiệm được trình bày như sơ đồ sau: Thực nghiệm Xác định độ ẩm nguyên liệu ban đầu Khảo sát quá trình nổ hơi: Theo các kết quả nghiên cứu trước đây của chúng tôi với phương pháp nổ hơi theo mẻ, gián đoạn, phương pháp nổ hơi nhanh cho hiệu quả tốt với 70% ẩm và thời gian lưu là 2ph. Trong khuôn khổ đề tài này, chúng ta sẽ đi sâu khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nổ hơi đến quá trình thủy phân. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ thu hồi bã nổ hơi Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến thành phần bã nổ hơi Khảo sát sự biến đổi hàm lượng Cellulose nguyên liệu trước và sau nổ hơi Khảo sát ảnh hưởng của các chế độ nổ hơi đến quá trình thủy phân Bã sau nổ hơi được đem đi thủy phân đến tận cùng. Các thông số của quá trình thuỷ phân được lựa chọn là tốt nhất từ những nghiên cứu trước đây: Nhiệt độ thủy phân = 500C; pH thủy phân = 4,8; Tỷ lệ bã = 5% ; Tỷ lệ enzyme = 2%; Thời gian thủy phân = 48 giờ. Kết thúc quá trình thủy phân, mẫu được lấy ra đem đi phân tích nồng độ glucose bằng máy HPLC. Xây dựng giản đồ nồng độ Gluco – % Enzym – thời gian thủy phân Chuẩn bị 20 mẩu thủy phân ứng với tỷ lệ Enzym khác nhau từ: 0,1 %, 0,25%, 0,5%, …, 1,75%, 2%; Nhiệt độ thủy phân = 500C; pH thủy phân = 4,8; Tỷ lệ bã = 5% . Tiến hành lấy mẫu ở các mốc thời gian: 1h, 2h, …, 10h; sau đó mẫu được phân tích nồng độ glucose bằng máy HPLC. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Thành phần nguyên liệu trước nổ hơi Nguyên liệu đem đi phân tích theo phương pháp đã trình bày ở mục trên. Kết quả phân tích thành phần như sau: Thành phần  Cellulose  Hemicellulose  Lignin  Tro  Resin  Chất trich ly   Hàm lượng(%)  37,87  21,67  5,07  10,69  1,32  22,49   Bảng 3: Thành phần nguyên liệu rơm trước nổ hơi Số liệu thành phần của rơm rạ ở trên chỉ tương ứng với nguồn nguyên liệu ở xã Thái Mỹ, nếu sử dụng nguồn nguyên liệu ở các vùng khác thì sẽ có sự thay đổi tùy vào điều kiện, đất đai v.v… Hàm lượng Cellulose của Rơm là 37,87 % Quá trình nổ hơi Nổ hơi chậm Từ kết quả của những nghiên cứu trước đây, ta có: Quá trình xử lý nổ hơi chậm là cần thiết để làm tăng khả năng thủy phân cellulose thành đường có khả năng lên men đặc biệt khi sử dụng enzyme. Chế độ nổ hơi hợp lý được lựa chọn: Nhiệt độ nổ hơi = 2100C ; Độ ẩm = 95,2%. Các thông số chọn lựa trên tiêu chí cực đại nồng độ cồn của quá trình thủy phân bằng enzyme là: Nhiệt độ thủy phân = 500C; pH thủy phân = 4.8; Tỷ lệ bã = 5%; Tỷ lệ enzyme = 2%; Thời gian thủy phân = 48 giờ. Nồng độ glucose đạt được khoảng: Đối với rơm : CGlu = 3,6% Độ chuyển hóa Cellulose nguyên liệu ban đầu thành Glucose: Đối với rơm: H = 69,2% Khi tiến hành nổ hơi chậm, cần phải mất một khoảng thời gian dài để truyền nhiệt cho nước nóng lên. Mặt khác lượng nước sử dụng cho quá trình này là rất nhiều so với lượng rơm cho vào (độ ẩm trên 95%). Đối với phương pháp này không thể tiến hành nổ hơi khi rơm rạ chiếm trên 10% vì rơm sẽ bị than hóa cục bộ do nhiệt không được truyền vào trong. Quá trình này diễn ra chậm và thời gian rơm nằm trong thiết bị lâu nên nhiệt độ nổ hơi thấp. Bên cạnh việc tốn quá nhiều năng lượng cho gia nhiệt trong nổ hơi do lượng nước sử dụng lớn là thời gian thực hiện quá trình bị kéo dài. Đây là một cản trở lớn để nâng cao năng suất thiết bị và tính kinh tế của quá trình nổ hơi chậm. Nổ hơi nhanh Những nhược điểm nổ hơi nhanh ở nhiệt độ cao được nghiên cứu nhằm khắc phục hạn chế trên. Nhiệt độ liên quan đến áp suất hơi bão hòa do đó nhiệt độ ảnh hưởng đến khả năng cắt nhỏ mạch cellulo. Thời gian lưu khi tiến hành mỗi chế độ là 2 phút.Với các thí nghiệm này, hàm mục tiêu là mức độ xé nhỏ (mức độ rời rạc) các bó sợi cellulo. Một số hình ảnh ngoại quan của bã nổ hơi theo nhiệt độ sau đây: Nhận xét: Khi nổ hơi ở nhiệt độ thấp dưới 2200C các sợi cellulo vẫn còn có chiều dài lớn, bị kết búi không rời rạc. Điều này sẽ gây khó khăn cho các quá trình sau về khả năng khuấy trộn cũng như nhập liệu. Tóm lai, quá trình nổ hơi do đó phải cắt nhỏ được các sợi cellulo. Dựa vào đánh giá cảm quan và một số tài liệu cho thấy, nguyên liệu có độ rời rạc cao cần phải tiến hành nổ hơi với nhiệt độ từ : Đối với rơm : 2200C ( 2400C. Ảnh hưởng của nhiệt độ nổ hơi đến độ thu hồi nguyên liệu sau nổ hơi
Hình 4.3: Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và hiệu suất thu hồi rơm Khi nhiệt độ tăng cao, hiệu suất thu hồi giảm. Ảnh hưởng của nhiệt độ nổ hơi đến hàm lượng Cellulose nguyên liệu sau nổ hơi
Hình 4.4: Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và hàm lượng Cellulose bã rơm nổ hơi Khi nhiệt độ nổ hơi tăng, hàm lượng Cellulose có khuynh hướng tăng lên. Hàm lượng Cellulose đạt giá trị cực đại: Rơm, tại 2300C, % Cell = 53,10 Tiếp tục tăng nhiệt đổ nổ hơi, hàm lượng Cellulose giảm dần.
Hình 4.5: Biểu đồ so sánh % Cell của bã Trấu và Rơm sau nổ hơi. Chúng ta có thể lý giải điều này như sau: quá trình nổ hơi (steam – explosion) là quá trình vật lý sử dụng hơi nước áp suất cao để phá vỡ cấu trúc vững chắc lignocellulose, chủ yếu để phá bỏ lớp lignin và hemicellulose. Ngoài ra, thành phần lớp silica hay các chất vô cơ cũng sẽ bị phá hủy một phần trong quá trình này, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thủy phân và lên men. Như vậy quá trình nổ hơi đã làm giảm đáng kể các thành phần không mong muốn như lignin, hemicellulose, các thành phần vô cơ v.v…Từ đó làm tăng thành phần Cellulose. Khi tăng nhiệt độ của quá trình nổ hơi, độ chênh áp bên trong thiết bị và bên ngoài tăng, cấu trúc lignocellulose bị tác động phá vỡ mạnh mẽ hơn, cấu trúc sau nổ hơi bị “bung” ra tốt hơn, cấu trúc lignocellulose càng mịn hơn. Đồng thời khả năng hòa tan các thành phần không mong muốn như lignin, hemicellulose cũng tăng. Vì vậy phần trăm Cellulose tăng dần. Nhưng khi nhiệt độ nổ hơi tiếp tục tăng quá cao, hiệu suất Cellulo lại giảm dần. Do ở nhiệt độ cao, lignin bị kết tụ và tái phân bố lại trên xơ nổ hơi, hầu như ít bị hòa tan theo dịch nổ hơi [7]. Ngoài ra, khi nhiệt độ càng cao, hàm lượng Cellulose bị hòa tan càng nhiều. Vì vậy, phần trăm Cellulose sẽ giảm dần. Tóm lại: Quá trình tiền xử lý là cần thiết cho nguyên liệu vì làm tăng % Cell và làm tơi xốp cấu trúc sợi Cell thuận lợi cho quá trình thủy phân. Quá trình nổ hơi nhanh cho hiệu quả xử lý có thể xem là thích hợp nhất cho hiệu quả thu hồi Cell sau nổ hơi là: Rơm, tại 2300C, % Cell = 53,10. Để đánh giá mức độ hiệu quả phương pháp nổ hơi nhanh, ta tiến hành khảo sát quá trình thủy phân Cell thành Gluco. Quá trình thủy phân Đối với quá trình thủy phân, 3 yếu tố xác định hiệu quả của quá trình là: nồng độ glucose, hiệu suất tạo thành glucose (hiệu suất thủy phân bã sau nổ hơi và hiệu suất thủy phân tính trên nguyên liệu thô ban đầu) và khả năng chuyển hóa Cellulo trong nguyên liệu thô ban đầu thành Gluco. Từ đó đánh giá hiệu quà của thiết bị nổ hơi nhanh so với thiết bị nổ hơi chậm trước đây. Nguyên liệu sau nổ hơi được đem tiến hành thủy phân hoàn toàn. Nồng độ Gluco tạo ra trong dung dịch được phân tích bằng HPLC. Kết quả thu được như sau: Ảnh hưởng của nhiệt độ nổ hơi đến hiệu suất thủy phân nguyên liệu sau nổ hơi
Hình 4.6: Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và hiệu suất thủy phân bã rơm nổ hơi Ảnh hưởng của nhiệt độ nổ hơi đến hiệu suất thu hồi Glucose tính trên nguyên liệu ban đầu
Hình 4.7: Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và hiệu suất thu hồi Gluco tính trên nguyên liệu rơm ban đầu Ảnh hưởng của nhiệt độ nổ hơi đến khả năng chuyển hóa Cellulose trong nguyên liệu ban đầu thành Gluco
Hình 4.8: Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và khả năng chuyển hóa Cellulose trong nguyên liệu rơm ban đầu Dựa vào đồ thị trên ta có những nhận xét như sau: Khi nhiệt độ nổ hơi tăng, hiệu suất thủy phân bã, hiệu suất thủy phân tính trên nguyên liệu thô và khả năng chuyển hóa Cellulo thành Gluco tính trên Cellulo nguyên liệu thô đều tăng. Khi tăng nhiệt độ của quá trình nổ hơi, độ chênh áp bên trong thiết bị và bên ngoài tăng, cho cấu trúc lignocellulose bị tác động phá vỡ mạnh hơn, cấu trúc sau nổ hơi bị “bung” ra tốt hơn, cấu trúc lignocellulose càng mịn hơn. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho Enzyme xâm nhập thủy phân Cellulo dễ dàng và đạt hiệu quả cao hơn. Chế độ nổ hơi tốt nhất cho quá trình thủy phân như sau: Rơm Tại 2300C Nồng độ Gluco(%)  Hiệu suất thủy phân bã (%)  Hiệu suất thủy phân tính trên nguyên liệu thô (%)  Độ chuyển hóa CellNL( Gluco (%)   4,28  85,6  48,77  81,19   Khi tăng nhiệt độ lên trên các giá trị tối ưu này, hiệu suất thu hồi và hiệu quả thủy phân cũng kém đi rõ rệt. Điều này phù hợp với những giả thích của Tanahashi về sự tái polyme hóa lignin gây cản trở quá trình thủy phân cellulo. Hơn nữa khi tăng nhiệt độ nổ hơi lên trên các giá trị này, trong môi trường acid một phần cellulo cũng bị thủy phân thành gluco và nhanh chóng chuyển thành HMF làm giảm hiệu suất quá trình. Khi nhiệt độ thấp hơn các giá trị tối ưu trên, tác động nhiệt độ và áp suất không đủ lớn để làm tơi xốp cấu trúc Cellulo, Enzyme khó khăn xâm nhập để thủy phân Cellulo vì vậy hiệu suất quá trình không cao. Nguyên liệu Rơm cho nồng độ Gluco và hiệu suất thủy phân toàn bộ đều tốt
Hình 4.9: Đồ thị so sánh hiệu quả quá trình thủy phân giữa trấu và rơm sau nổ hơi Như vậy, so với các số liệu từ những nghiên cứu trước đây trên thiết bị nổ hơi chậm, ta thấy thiết bị nổ hơi nhanh cho hiệu quà thủy phân tốt hơn. Khả năng chuyển hóa Cell trong nguyên liệu thành Gluco khi nguyên liệu được tiền xử lý bằng thiết bị nổ hơi nhanh tốt hơn khi được tiền xử lý bằng thiết bị nổ hơi chậm.
Hình 4.10: Đồ thị so sánh hiệu quả quá trình thủy phân của rơm nổ hơi bằng phương pháp nổ hơi chậm so với nổ hơi nhanh Có thể được giải thích như sau: Thiết bị nổ hơi nhanh cho phép thao tác ở những chế độ nhiệt độ cao hơn so với nổ hơi chậm. Việc khống chế hàm ẩm và thời gian lưu khiến quá trình nổ hơi chính xác và có hiệu quả hơn. Kết luận quá trình nổ hơi : Như vậy so với quá trình nổ hơi chậm, nổ hơi nhanh có nhiều ưu điểm hơn: Ưu điểm: Thời gian nổ hơi được rút ngắn giúp tăng năng suất thiết bị lên gấp nhiều lần. Tiết kiệm được chi phí năng lượng vì lượng ẩm sử dụng ít hơn (nổ hơi nhanh có thể tiến hành với độ khô >30% thay vì 5-10% như nổ hơi chậm). Nhiệt độ tiến hành nổ hơi cao nên nâng cao độ tơi xốp của cellulo đồng thời cắt ngắn các sợi cellulo tạo thuận lợi cho các quá trình sau. Hiệu suất quá trình thủy phân cao hơn. Hạn chế: Tiến hành nổ hơi ở nhiệt độ cao nên thiết bị đòi hỏi chi phí thiết bị cao hơn. Phức tạp hóa thiết bị vì phải tách rời thiết bị nổ hơi và thiết bị cấp nước nóng. Thao tác, điều khiển khống chế nhiệt độ khá khó khăn. Quá trình thủy phân – lên men bán liên tục Từ những nghiên cứu trước đây, quá trình thủy phân và lên men đồng thời thể hiện nhiều ưu thế so với quá trình thủy phân và lên men riêng biệt : Giảm được khả năng ức chế enzyme của glucose. Nồng độ đường và nồng độ cồn sinh ra nhiều hơn. Thời gian tổng cộng thu ngắn. Chi phí tổng cộng cho quá trình thấp hơn v.v… Tuy nhiên, khi thủy phân và lên men đồng thời (SSF) sự khác biệt về nhiệt độ lên men và thủy phân là khó khăn lớn nhất của quá trình này. Quá trình thủy phân xảy ra ở nhiệt độ cao (tốt nhất từ 50-550C) trong khi với đa số các chủng nấm men nhiệt độ thích nghi không quá 400C. Vì vậy, quá trình SSF cần được tiếp tục nghiên cứu nhằm khắc phục những bất lợi do sự khác biệt nhiệt độ của 2 quá trình lên men và thủy phân gây ra. Mô hình mới trong nhiều nghiên cứu đưa ra là quá trình SSF được thực hiên liên tục trong 2 thiết bị khác nhau được đề nghị để khắc phục ảnh hưởng của nhiệt độ. Thêm vào đó, theo như phần tổng quan tài liệu đã nêu rõ, hầu hết những quy trình sản xuất ethanol hiện nay trên thế giới đều sử dụng công nghệ lên men với tế bào nấm men tự do truyền thống. Như đã biết, công nghệ này có những nhược điểm như độ chuyển hóa thấp vì không thể loại được những sản phầm phụ tạo ra trong quá trình thuỷ phân, thời gian kéo dài, khó tăng năng suất thiết bị, hiệu suất tạo ethanol kém, chi phí cao... Một giải pháp giúp giải quyết những vấn đề trên đang được chú ý hiện nay là áp dụng kỹ thuật cố định tế bào nấm men vào giai đoạn lên men trong quy trình sản xuất liên tục. Để giảm tối đa khả năng ức chế Enzyme của Gluco và thời gian thủy phân, nồng độ Gluco đầu ra của thiết bị thủy phân trong quy trình trên yêu cầu chỉ cần đạt trong khoảng 0,5 – 1,2%. Trên cơ sở đó tiến hành thí nghiệm khảo sát và xây dựng giản đồ thể hiện mối quan hệ giữa nồng độ Gluco – nồng độ Enzyme – thời gian thủy phân. Với tiêu chí xây dựng: khảo sát nồng độ Enzym và thời gian thủy phân sao cho nồng độ Gluco đạt trong khoảng 0,5 – 1,2% để phục vụ cho quy trình sản xuất liên tục như trên.
Hình 4.11: Mô hình quy trình SSF liên tục đề nghị Kết quả xây dựng giản đồ thể hiện mối quan hệ giữa nồng độ Gluco – nồng độ Enzyme – thời gian thủy phân như sau: Giản đồ nồng độ Gluco – nồng độ Enzyme – thời gian thủy phân của bã rơm
Hình 4.12: Giản đồ nồng độ Gluco - nồng độ Enzyme - thời gian thủy phân của bã Rơm
Hình 4.13: Giản đồ nồng độ Gluco - nồng độ Enzyme - thời gian thủy phân của bã Rơm Giản đồ được xây dựng trong khoảng 10h đầu tiên của quá trình thủy phân. Điều này được lựa chọn trên cơ sở đường cong tốc độ thủy phân (đường cong đánh giá khả năng thủy phân theo thời gian) của những nghiên cứu trước đây. Ta có thể thấy quá trình thủy phân diễn ra nhanh chóng tại thời gian đầu. Hơn 80% lượng gluco được thủy phân trong thời gian này, thời gian sau tốc độ gần như không đáng kể. Kéo dài thời gian thủy phân sẽ gây hao phí nhiên liệu và giảm năng suất thiết bị. Trong thực tế sản xuất, việc chọn thời điểm kết thúc quá trình thủy phân là một bài toán kinh tế và kỹ thuật cần được cân nhắc và chọn lựa dựa vào 2 yếu tố chi phí và lợi ích. Hàm lượng Enzyme khảo sát nhỏ (dưới 2% enzyme). Theo những nghiên cứu trước đây, khả năng sử dụng Enzyme càng tăng khi giảm nồng độ enzyme thủy phân, điều này thể hiện qua tốc độ gluco tạo thành trong quá trình thủy phân. Nói cách khác hoạt tính enzyme càng tăng khi nồng độ enzyme càng loãng. Khi tăng nồng độ enzyme tốc độ thủy phân tăng. Điều này liên quan đến khả năng phân ly enzyme-sản phẩm. Nồng độ enzyme tăng làm giảm khả năng phân ly giải phóng sản phẩm sau thủy phân. Tuy nhiên bù lại cho tốc độ là sự hao phí enzyme. Vì vậy nồng độ enzyme cần lựa chọn sao cho giữa chi phí enzyme và hiệu quả mang lại phù hợp với nhau. Từ 2 giản đồ trên, ứng với 1 nồng độ Gluco yêu cầu cho quy trình sản xuất, ta có thể suy ra được thể tích Enzyme cần thiết cho vào thiết bị và thời gian thủy phân là bao nhiêu. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Kết Luận Qua quá trình thí nghiệm những kết luận được rút ra như sau: Quá trình nổ hơi nhanh giúp tiết kiệm được năng lượng và nâng cao năng suất thiết bị hơn so với nổ hơi chậm. Nhiệt độ tốt nhất cho quá trình nổ hơi nhanh, thời gian lưu 2 phút với 70% ẩm Rơm : 2300C. Quá trình thủy phân nguyên liệu sau nổ hơi với Enzyme cellusoft L có khả năng chuyển hóa: 81.19 % Cellulose trong rơm ban đầu thành Gluco (tính cho cả quá trình nổ hơi và thủy phân). Quá trình thủy phân và lên men đồng thời (SSF) làm cho nồng độ gluco trong dung dịch luôn giữ ở mức thấp làm giảm sự ức chế enzyme của gluco và cellobio. Tuy nhiên khó khăn lớn nhất của SSF là sự chênh lệch nhiệt độ làm việc của quá trình lên men (35oC) và thủy phân (50oC). Với ý tưởng quá trình SSF cần được tiếp tục nghiên cứu nhằm khắc phục những bất lợi do sự khác biệt nhiệt độ của 2 quá trình lên men và thủy phân gây ra. Quá trình SSF trong 2 thiết bị khác nhau được đề nghị để khắc phục ảnh hưởng của nhiệt độ. Đồng thời áp dụng kỹ thuật cố định tế bào nấm men vào giai đoạn lên men trong quy trình sản xuất liên tục. Nồng độ Gluco trong thiết bị chỉ khoảng từ 0,5% ( 1,2 %, sẽ hạn chế khả năng gây ức chế của Gluco và Cellobio đối với Enzyme Cellulase. Nâng cao nồng độ gluco trong dung dịch, hoạt tính của enzyme càng kém dẫn tới làm tăng chi phí enzyme. Nồng độ gluco thấp sẽ gây khó khăn và tốn kém cho quá trình lên men và chưng cất về sau. Đối với quá trình thủy phân như trên, nồng độ Gluco chỉ khoảng 0,5 ( 1,2 %, thì lượng Enzyme sử dụng cũng như thời gian thủy phân sẽ đạt được sự hợp lý về mặt kinh tế. Đề Nghị Cần nghiên cứu quá trình thủy phân với các loại enzyme cellulase khác nhau cho hiệu quả cao hơn. Tiếp tục nghiên cứu quá trình thủy phân và lên men đồng thời (SSF) kết hợp với kỹ thuật cố định tế bào nấm men vào giai đoạn lên men trong quy trình sản xuất liên tục. Nghiên cứu xây dựng mô hình sản suất bán liên tục ethanol từ biomass từ giai đoạn tiền xử lý cho đến thủy phân và lên men, với đề nghị ban đầu như sơ đồ sau:

Hình 5.1: Quy trình nổ hơi và rửa bã liên tục đề nghị