Báo cáo thực tập Tìm hiểu về quy trình tiền xử lý và lên men rơm rạ để sản xuất ethanol sinh học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM
- - -    - - -






ĐỀ TÀI:
TÌM HIỂU VỀ QUY TRÌNH TIỀN XỬ LÝ VÀ LÊN MEN
RƠM RẠ ĐỂ SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC


.



















-



H




 1
M BIOMASS
1.  2
2.  6
3.  8
 8
 8
 9
 9
4.2.2 Cellulose 11
4.2.3 Hemicellulose 13
4.2.4 Lignin 15
 18
4.2.6 Tro 20

 21
 22
 23
 23
 26
 27

1.  30
2.  31
3.  32

3. 32
3. 34
3. 35
3. 37
3. 41
3.6.  43
3.7.  43
 44
 45


 3
Hình  10
Hình 1.3 11
 11
 12
Hình 1.6 : Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan 14
Hình 1.7 : Glucomannan 14
Hình 1.8 : Glalactoglucomannan 15
Hình 1.9:  16
Hình 1.10:  17
 19
Hình 2.1: Mô  23
Hình 2.2: Fufural 24
Hình 2.3: Hydroxymethyl fufaral 24
  24
  25
 32
 33
 34

H 36
 37
 38
Hình 3.7: Bình t 42

:  10






















1. 



2. 





3. 




4. 













 


ây.



 









Báo cáo thc tp chuyên ngành Khoa công ngh Hóa Hc và Thc Phm

GVHD : Th.S Lê Th Bích Ngc Trang 1


 chim t l ln trong các ph phm nông nghip  Vit Nam. Vi
thành phn ch là ngun nguyên liu thích hp cho
quá trình sn xut u quá trình sn xut ethanol nhiên
liu t  c chia làm hai phn. Phu nghiên cu ng ca các
yu t :% bã rn, % enzyme, nhi , pH lên quá trình thu phân và phn hai
nghiên cu quá trình thu phân v  ng th   c ct nh và
c tin x lý b  phá v cc tin

hành thu phân bng enzyme cellulase hoc thu ng thi bng
enzyme cellulase và nm men saccharomyces cerevisiae chng turboyeast extra.
Kt qu cho thy rng, quá trình thu phân din ra tt nhu kin: 11% bã
rn, 5% enzyme, 50
o
ng n c là 55,08g/l
và hiu sut 81%. Quá trình thu ng thc kt qu
tt  11% bã rn, 5% enzyme, 23,6 triu t bào nm men/ml, 50
o
C và pH 4,8. quá
 ng hiu sut là 86,61%. Kt qu này
cho thy quá trình thu ng thi rt thích hp cho vic sn xut
ethanol t .







Báo cáo thc tp chuyên ngành Khoa công ngh Hóa Hc và Thc Phm

GVHD : Th.S Lê Th Bích Ngc Trang 2


 V TRUNG TÂM BIOMASS
1.Tng quan v ng Biomass
Hin nay, công ngh sn xuc t ethanol vi nguyên liu sn,
t ph biu quc gia cnh báo ru này s nh
n c th gi tìm ngun thay th, nhiu nghiên cu

n vic tn dng ph phm trong nông nghi, v tru,
 sn xut ethanol.
 c ta, d t hp bn vng nn nông nghii công
nghip ch bip tác Quc t Nht Bn) tài tr, có
nhim v xây dng và phát trin công ngh sn xut bioethanol t các ngun
biomass là ph thi nông nghi, v tr
công  quy mô phòng thí nghim. Sn phm s c ng dng vào m
nhiên lit b t công nghip.
D c thc hin trong khuôn kh hp tác nghiên cu ging
i hc Bách Khoa Tp.HCM và Vin Khoa hc Công nghip thui hc
Tokyo. D n xây dn nhm kt hp bn vng nn
nông nghii nn công nghip ch bin sinh khi, thit lp quy trình
tinh ch bc quy mô nh ti khu vc. T ng chu
trình t cung t cp các nhiên  vt liu sinh hc. Trong khuôn kh d án, hai mô
m v  hp th nghim quá trình ch bin sinh kh
ng thc nghim kt hp bn vng nn nông nghi  n công
nghip ch bin sinh khc thit lp.
Mc tiêu nghiên cu cng thc nghim là phn hi li mc tiêu chung
ca d án, trin khai nhng kt qu thí nghi  c  quy mô phòng thí
Báo cáo thc tp chuyên ngành Khoa công ngh Hóa Hc và Thc Phm

GVHD : Th.S Lê Th Bích Ngc Trang 3

nghim, hic toàn b quy trình và h thng, ci tin và phát trin các trang
thit b.
D án b009 và k i cui
n lng và cung cp thit b
2010 phòng thí nghim bng.
m xây dng thc nghim vi tên gi là phòng thí nghim
ng sinh hc xây di hc Bách Khoa

ng n ci Hc Bách
ng Tô Hing khong 100m s thng nm bên phi.
Hình 1.1ng thc nghim.
Báo cáo thc tp chuyên ngành Khoa công ngh Hóa Hc và Thc Phm

GVHD : Th.S Lê Th Bích Ngc Trang 4


Phòng thí nghing sinh hc gm có 2 lu. Lu 1 và lc
s dng làm phòng thí nghim và phân tích.Tng trng thc nghim và
phòng làm vic, ngh a nhân viên.






thu nhit t quá trình than hóa tru)




 

- 
- 
 





- 

Báo cáo thc tp chuyên ngành Khoa công ngh Hóa Hc và Thc Phm

GVHD : Th.S Lê Th Bích Ngc Trang 5

- 





 


- 
 
- 


- 



- 
không.
-  




- 

-
Báo cáo thc tp chuyên ngành Khoa công ngh Hóa Hc và Thc Phm

GVHD : Th.S Lê Th Bích Ngc Trang 6

- 



- 


Nhiên liu sinh hc gi là nhiên liu t nông nghip  agrofuel)
ng là nhng nhiên liu rn, lc chuyn hóa t sinh
khi. Tuy nhiên, phn này ch  cn nhiên liu sinh hc dng lc
sn xut t sinh khi.
Nói chung, nhiên liu sinh hc mang li nhng li ích sau: gim khí thi nhà
kính, gim gánh nng lên nhiên liu hóa th an toàn v ng quc
gia, góp phn phát trin nông thôn và là mt ngu ng bn vng trong
c li, nhiên liu sinh ht s hn ch: ngun nguyên
liu phc tái to nhanh, công ngh sn xut phc thit k và tin hành sao
cho cung cng nhiên liu ln nht vi giá thp nht và mang li li ích v môi
ng nht.
Nhiên liu sinh hc và nhng dng nhiên liu tái to khác nhn tính cht
trung tính v c tht
cháy nhiên li cung cng vn chuyc tái
hp th và cân bng vng carbon hp th bi cây ci. Nh

lc thu ho tip tc sn xut nhiên liu. Nhng nhiên liu trung tính v
carbon không gây ra s yn, vì tht nóng
lên.
Báo cáo thc tp chuyên ngành Khoa công ngh Hóa Hc và Thc Phm

GVHD : Th.S Lê Th Bích Ngc Trang 7

Phòng thí nghim v nghiên cu sn xut ethanol t . Phòng thí nghim là s
hp tác gia Nht Bi Hc Bách Khoa TP. H Chí Minh.
 thc hin quá trình sn xut trên trong phòng thí nghim có các thit b
cn thi
 Thit b c ct nh   vi khun d tn công cellulose, thun
li cho quá trình lên men.
 Thit b n  và phá hy cu trúc c tách cu trúc
lignin.
 Cooling tower: cung cc làm mát  thng
 Máy sc kí lng hi
 Thit b ép nguyên liu sau khi x lý kc trung hòa
 Thit b lên men nguyên liu
 Thit b  thu ethanol
 Các thit b ph tr:
 
 
 
 



Báo cáo thc tp chuyên ngành Khoa công ngh Hóa Hc và Thc Phm

GVHD : Th.S Lê Th Bích Ngc Trang 8


Cây lúa luôn gi v trí trung tâm trong nông nghip và kinh t Vit Nam.
Hình t Vic mô t t ching l vi hai
u là hai va thóc lng bng sông Cng bng sông
Hng 80% trong tng s 11 triu h nông dân tham gia sn xut
lúa go, ch yc canh tác th công truyn thng.

Vic sn xut lúa go ra mng ln ph phm t cây lúa bao gm
u là hai trong s nhiu ngun biomass ph bin và có nhiu
ti Vit Nam.
Ngu  Vit Nam:
 chim mt phn rt ln trong các ngun biomass  Vit Nam.
Hin trng s dng t   Vit Nam M là mt
ngung l nói riêng và t c s
dng mt cách hiu qu  Vit Nam. Phn l c bón tr li rung sau
khi thu hoch, s dng làm cht cho các h nhà nông, làm th
biomass ch chim 3,8% trong t  ng s dng ca thành ph H Chí
ng này chim 89% trong t
ng s dng   nông thôn, biomass ch yc dùng
làm cht và hiu sut s dng ca quá trình này ch c 10%.


 

Báo cáo thc tp chuyên ngành Khoa công ngh Hóa Hc và Thc Phm

GVHD : Th.S Lê Th Bích Ngc Trang 9


 



              




Lignocellulose là vt liu biomass ph bin nht. Lignocellulose
có trong ph phm nông nghip, ch yu  dng ph phm ca các v mùa; trong
sn phm ph ca công nghip sn xut bt ngun nguyên liu to ln
cho vic sn xu là mt dng vt liu lignocellulose.
4.2.1 Cu trúc lignocellulose
Thành phn chính ca vt liu lignocellulose là cellulose, hemicellulose,
lignin, các cht trích ly và tro.  hiu rõ và chi ti cu trúc lignocellulose
ta xem b





Báo cáo thc tp chuyên ngành Khoa công ngh Hóa Hc và Thc Phm

GVHD : Th.S Lê Th Bích Ngc Trang 10

Bng 1 : Thành phn ca các loi lignocellulose

v n, trong lignocellulose, cellulose tc bao bc

bi nhng cht có ch  o m      
lignin. Cellulose, hemicellulose và lignin sp xp gn nhau và liên kt cng hóa tr
vi nhau. Các ng nm  m    -O-
ng liên kt vi lignin.


Hình 1.2: Cu trúc 2 chiu ca lignocellulose
Báo cáo thc tp chuyên ngành Khoa công ngh Hóa Hc và Thc Phm

GVHD : Th.S Lê Th Bích Ngc Trang 11

Các mch cellulose to thành các sn. Các sc gn li vi
nhau nh hemicellulose to thành cu trúc vi si, vi chiu rng khong 25nm. Các
vi sc bao bc bi hemicellulose và lignin, giúp bo v cellulose khi s
tn công ca ezymt trong quá trình thy phân.
Hình 1.3: Cu trúc 3 chiu ca lignocellulose
4.2.2 Cellulose
Cellulose là mt polymer mch thng ca D-glucose, các D-c liên
kt vi nhau bng liên k-4 glucosid. Cellulose là loi polymer ph bin nht
 trùng hc 3.500  10.000 DP. Các nhóm OH  u
mch có tính cht hoàn toàn khác nhau, cu trúc hemiacetal ti C
1
có tính kh,
i C
4
có tính cht cu.

Hình 1.4: Công thc hóa hc ca cellulose
Báo cáo thc tp chuyên ngành Khoa công ngh Hóa Hc và Thc Phm

GVHD : Th.S Lê Th Bích Ngc Trang 12

Các mc liên kt vi nhau nh liên kt hydro và liên kt Van
Der Waals, hình thành hai vùng cu trúc chính là knh hình. Trong
vùng kt tinh, các phân t cellulose liên kt cht ch vi nhau, vùng này khó b tn
công bc lnh hình, cellulose
liên kt không cht vi nhau nên d b tn công. Có hai kiu cu trúc ca cellulose
m mô t vùng knh hình.

Hình 1.5: Kiu Fringed fibrillar và kiu Folding chain
1/ Kiu Fringed Fibrillar:
Phân t c kéo thng theo chìu si. Vùng tinh
th có chiu dài 500 Å và xp xen k vnh hình.
2/ Kiu Folding chain:
Phân t cellulose gp khúc theo chiu si. M lp l trùng hp
khong 1000, gii hn b c
sp xp thành chui nh vào các mch glucose nh, các v trí này rt d b thy
i v lp lnh hình, càng vào gia, tính
Báo cáo thc tp chuyên ngành Khoa công ngh Hóa Hc và Thc Phm

GVHD : Th.S Lê Th Bích Ngc Trang 13

cht knh hình, các liên k- glucosid gia các
monomer b i góc liên kt, ngay ti cun gp, 3 phân t monomer
sp xp to s i 180
0
cho toàn mnh hình s d b tn công
bi các tác nhân th vì s i góc liên kt ca các
liên kt cng hóa tr - glucosid) s làm gi bn nhing ca liên kng
thi v trí này không t c liên k  c bao bc bi

u này làm cho cellulose khá bn vng vng ca
t.
4.2.3 Hemicellulose
Hemicellulose là mt loi polymer phc t     trùng hp
khon 200 DP. Hemicellulose cha c ng 6 gm glucose, mannose và
  ng 5 gm xylose và arabinose. Thành ph  n ca
- D xylopyranose, liên kt vi nhau bng liên k-(1,4). Cu
to ca hemicellulose khá phc tng tùy vào nguyên liu, tuy nhiên có
mm chung gm:
ch chính cc cu to t liên k-(1,4)
n quan trng nht
 ph bin nht là nhóm acetyl O  liên kt vi v trí 2 hoc 3
ch nhánh cu to t  ng là disaccharide
hoc trisaccharide. S liên kt ca hemicellulose vi các polysaccharide khác và
vi lignin là nh các mch nhánh nên
tn ti  dnh hình và vì th d b thy phân. G cng, g mm và nguyên
liu phi g m hemicellulose khác nhau: G cng ch yu có hai loi
hemicellulose
Báo cáo thc tp chuyên ngành Khoa công ngh Hóa Hc và Thc Phm

GVHD : Th.S Lê Th Bích Ngc Trang 14

-4-O-methylglucuronoxylan, là mt loi polymer có mch chính gm
-D-xylopyranose liên kt vi nhau bng liên kt -  
nhóm OH  v trí C2 và C3 b acetyl hóa, 10% các nhóm  v trí C2 liên kt vi
acid 4O-methyl-D-glucuronic. G cng còn cha glucomannan, polymer này cha
mt t l bng nhau -D-glucopyranose và -D-mannopyranose.

Hình 1.6: Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan

Hình 1.7: Glucomannan
Loi th hai có m   -D-galactopyranose, phân nhánh. Loi
hemicellulose này to liên kt O ti nhóm OH  v trí C6 v-L--D-
galactose ho-D-glucoronic. G mo gm hai loi hemicellulose
chính:
 Loi quan trng nh   u thành t
các phân t D-mannopyranose liên kt vi D-glucopyranose bng liên k-
Báo cáo thc tp chuyên ngành Khoa công ngh Hóa Hc và Thc Phm

GVHD : Th.S Lê Th Bích Ngc Trang 15

(1,4) vi t l ng là 3:1. Tuy nhiên, t l i
tùy theo loi g.

Hình 1.8: Glalactoglucomannan
 Arabino-4-O-methylglucuronoxylan, cu to t các D-xylopyranose, các
monomer này b th  v trí 2 bng acid 4-O-methyl-glucuronic,  v trí 3
b -L- i vi c, 20  40% hemicellulose là
arabinoxylan. Polysaccharide này cu to t các D-xylopyranose, OH  C2
b th bi acid 4-O-methylglucuronic. OH  v trí C3 s to mch nhánh vi
-L-arabinofuranose.Cu to phc tp ca hemicellolose to nên nhiu tính
cht hóa sinh và lý sinh cho cây.
4.2.4 Lignin
Lignin là mt polyphenol có cu trúc m. Trong t nhiên, lignin ch yu
t liên kt trong thành t bào thc vt, liên kt cht ch vi mng
cellulose và hemicellulose. R có th tách lignin ra hoàn toàn. Lignin là
c cu thành t   cn hình
 ngh là: guaiacyl (G), cht gu trans-coniferyl; syringly (S), cht
g  u trans-sinapyl; p-hydroxylphenyl (H), cht g  u trans-p-
courmary.

Báo cáo thc tp chuyên ngành Khoa công ngh Hóa Hc và Thc Phm

GVHD : Th.S Lê Th Bích Ngc Trang 16


Hìn n ca lignin
Cu trúc cng, tùy thuc vào loi g, tui ca cây hoc cu trúc
ca nó trong g. Ngoài vic phân loi theo lignin ca g cng, g mm và c,
lignin có th c phân thành hai loi chính: guaicyl lignin và guaicyl-syringly
lignin. G mm cha ch yu là guaiacyl, g cng cha ch yu syringyl. Nghiên
cu ch ra rng guaiacyl lignin hn ch s   c  i và vì vy loi
nguyên li khó b tn công b


Báo cáo thc tp chuyên ngành Khoa công ngh Hóa Hc và Thc Phm

GVHD : Th.S Lê Th Bích Ngc Trang 17


Hình 1.10 : Cu trúc lignin trong g mm vi các nhóm ch
Nhng nghiên cu g  ra r    ng nht
trong cnh hình và các vùng có cu
trúc hình thuôn hoc hình cu. Lignin trong t bào thc vt b
nh hình. Các vòng phenyl trong lignin ca g mc sp xp trt t
trên mt phng thành t bào. Ngoài ra, c cu trúc hóa hc và cu trúc không gian
cu b ng bi mng polysaccharide. Ving hc
phân t cho thy rng nhóm hydroxyl. và nhóm methoxyl trong các oligomer tin