BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP
TẠO ETHANOL SINH HỌC
TỪ RƠM RẠ VÀ BÃ MÍA
Ngành học
: CÔNG NGHỆ SINH HỌC
Sinh viên thực hiện
: PHAN QUỐC ĐĨNH
Niên khóa
: 2007 - 2011
Tháng 07/2011
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP
TẠO ETHANOL SINH HỌC
TỪ RƠM RẠ VÀ BÃ MÍA
Hướng dẫn khoa học
Sinh viên thực hiện
TS. BÙI MINH TRÍ
PHAN QUỐC ĐĨNH
Tháng 07/2011
LỜI CẢM ƠN
Xin chân thành cảm ơn:
Ba và Mẹ là người đã sinh ra, nuôi dưỡng tôi nên người và tất cả những người
thân yêu trong gia đình đã luôn luôn bên cạnh động viên và tạo mọi điều kiện cho tôi
ăn học cho đến ngày hôm nay.
Ban giám hiệu Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh, ban chủ
nhiệm Bộ môn Công nghệ Sinh học cùng tất cả các quý Thầy Cô trong và ngoài
trường đã truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học tại trường.
Sự hỗ trợ kinh phí cũng như cơ sở vật chất để thực hiện nghiên cứu thông qua đề
tài sinh viên nghiên cứu khoa học và dự án hợp tác giữa Việt Nam - Thụy Điển về
Công nghệ Sinh học (VS - BT04).
TS. Bùi Minh Trí đã tận tình giúp đỡ, dìu dắt, động viên và hướng dẫn tôi trong
suốt thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp.
ThS. Trương Phước Thiên Hoàng và ThS. Võ Thị Thúy Huệ đã tận tình giúp đỡ
và dành cho tôi những hỗ trợ cần thiết cũng như cung cấp nhiều kiến thức vô cùng quý
báu khi thực hiện đề tài.
Các Anh Chị Bộ môn Công nghệ Sinh học Thực Vật đã luôn bên cạnh trong
những lúc khó khăn nhất.
Cùng toàn thể lớp DH07SH đã hỗ trợ, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời
gian học tập cũng như thời gian làm đề tài tốt nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2011
Phan Quốc Đĩnh
i
TÓM TẮT
Tình hình sử dụng các nguồn nguyên liệu hóa thạch đang đi đến ngõ cụt, khi mà
trữ lượng ngày một giảm và sẽ cạn kiệt trong vài chục năm tới, việc tái tạo phải chờ
trong khoảng thời gian dài.
Nguồn sinh khối lignocellulose (rơm rạ, bã mía) vô cùng tiềm năng, phong phú
tại Việt Nam. Với hướng nghiên cứu mới, sử dụng các nguồn lignocellulose tạo
ethanol phục vụ nhu cầu người sử dụng và làm nhiên liệu trong các phương tiện giao
thông, nhà máy xí nghiệp mà không ảnh hưởng tới nguồn lương thực - thực phẩm và
đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.
Tất cả những điều đó đã thúc đẩy việc nghiên cứu và xác định những điều kiện
thích hợp nhất trong việc chuyển hóa rơm rạ, bã mía thành ethanol sinh học.
Quá trình nghiên cứu gồm các nội dung sau: khảo sát so sánh tác động của hai
hóa chất NH4OH ở các nồng độ 2, 5, 10, 15, 20% và NaHCO3 ở 1, 5, 10% để xác định
nồng độ thích hợp nhất cho việc tiền xử lý; khảo sát lượng enzyme cellulase 30, 70,
140 mg/g và thời gian 6, 24, 48, 72 giờ tối ưu cho việc tạo đường; khảo sát liều lượng
nấm men 1, 2, 3 ml/g và thời gian 3, 6 ngày thích hợp cho việc tạo ethanol; xác định
và so sánh hàm lượng đường, ethanol tạo thành từ hai nguồn cơ chất rơm rạ và bã mía.
Kết quả bước đầu đã xác định được: tiền xử lý đạt hiệu suất thu hồi cellulose cao
ở nồng độ NH4OH 5% và NaHCO3 10%. Thủy phân tối ưu ở: enzyme cellulase 30 - 70
mg/g, nhiệt độ 50oC, 24 - 48 giờ, với rơm rạ: NH4OH 5%, đường thu được 19,56 (g/l),
hiệu suất 54,19%, với NaHCO3 10%, đường tạo thành 17,75 (g/l) và hiệu suất 49,18%.
Đối với bã mía: NH4OH 10%, đường thu được 19,57 (g/l), hiệu suất 58,91%, với
NaHCO3 10%, đường tạo thành 18,66 (g/l) và hiệu suất 56,16%. Lên men hiệu quả ở
nhiệt độ 30oC, lượng nấm men 1 ml/g trong 3 ngày, hiệu suất đạt được: rơm rạ 47,7%,
bã mía 47,17%.
ii
SUMMARY
Thesis title “Preliminary solution research to make bioethanol from rice straw
and bagasse”.
The using of fossil fuel sources were going to a dead end when these reduced of
reserves and will be exhausted in the next few decades, reconstruction must waited in
a long time.
Lignocellulose biomass resources (rice straw, bagasse) were potential, abundant
in Vietnam. In new research, using sources of lignocellulose to produced ethanol and
supplied for consumer and fuel in the transport, factories without affecting the food
supply - and assure nation energy of security.
All of which prompted the study and determined the most appropriate conditions
for transformation of rice straw, bagasse into bioethanol.
The process of research include: the concentrations surveyed of NH4OH 2, 5, 10,
15, 20% and NaHCO3 1, 5, 10% suitable for pretreatment; surveyed of enzyme
cellulases 30, 70, 140 mg/g and time 6, 24, 48, 72 hours the optimal for creating sugar;
surveyed of yeast 1, 2, 3 ml/g and time 3, 6 days suitable for creating ethanol;
identified and compared sugar, ethanol made from both of biomass sources were rice
straw and bagasse.
Initial results have identified: effective pretreatment of high cellulose at NH4OH
5% and NaHCO3 10%. Optimal hydrolysis: enzyme cellulases 30 - 70 mg/g,
temperature 50oC, 24 to 48 hours, rice straw: NH4OH 5%, sugar obtained 19.56 (g/l),
efficiency 54.19%; for NaHCO3 10%, sugar obtained 17.75 (g/l) and efficiency
49.18%. Bagasse: NH4OH 10%, sugar obtained 19.57 (g/l), efficiency 58.91%; for
NaHCO3 10%, sugar obtained 18.66 (g/l) and efficiency 56.16%. Optimal
fermentation at temperature 30oC, 1 ml/g of yeast in three days, efficiency: rice straw
47.7% and bagasse 47.17%.
Keywords: Biofuels, bioethanol, lignocellulose biomass, rice straw, bagasse.
iii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................... i
TÓM TẮT........................................................................................................................ii
SUMMARY................................................................................................................... iii
MỤC LỤC ...................................................................................................................... iv
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ viii
DANH SÁCH CÁC BẢNG ........................................................................................... ix
DANH SÁCH CÁC HÌNH .............................................................................................. x
Chương 1 MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1
1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................................1
1.2. Yêu cầu .....................................................................................................................2
1.3. Nội dung thực hiện ...................................................................................................2
Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................................... 3
2.1. Nguồn phế thải nông nghiệp Việt Nam ....................................................................3
2.1.1. Phế thải nông nghiệp .............................................................................................3
2.1.2. Hiện trạng và tình hình sử dụng phế thải nông nghiệp Việt Nam .........................3
2.2. Cấu trúc và thành phần các nguồn sinh khối ............................................................4
2.2.1. Polysaccharide .......................................................................................................5
2.2.1.1. Cellulose ............................................................................................................. 5
2.2.1.2. Hemicellulose ..................................................................................................... 6
2.2.1.3. Hợp chất pectic ................................................................................................... 8
2.2.2. Protein....................................................................................................................9
2.2.3. Hợp chất phenolic ..................................................................................................9
2.2.3.1. Lignin.................................................................................................................. 9
2.2.3.2. Tanin ................................................................................................................. 10
2.2.3.3. Hợp chất phenolic ............................................................................................. 11
2.2.4. Chất khoáng .........................................................................................................11
2.3. Nhiên liệu sinh học .................................................................................................11
2.3.1. Khái niệm ............................................................................................................11
2.3.2. Lịch sử .................................................................................................................11
iv
2.3.3. Phân loại ..............................................................................................................12
2.3.3.1. Dựa vào bản chất sản phẩm .............................................................................. 12
2.3.3.2. Dựa vào nguồn gốc nguyên liệu ....................................................................... 12
2.3.4. Công dụng............................................................................................................13
2.4. Tình hình sử dụng và nghiên cứu ...........................................................................13
2.4.1. Chính sách phát triển nhiên liệu sinh học tại Việt Nam ......................................13
2.4.2. Tình hình sử dụng trên thế giới ...........................................................................14
2.5. Ethanol sinh học .....................................................................................................15
2.5.1. Giới thiệu chung về ethanol.................................................................................15
2.5.2. Xăng sinh học ......................................................................................................16
2.5.3. Ưu và nhược điểm xăng sinh học ........................................................................17
2.5.3.1. Ưu điểm ............................................................................................................ 17
2.5.3.2. Nhược điểm ...................................................................................................... 17
2.5.4. Tình hình phát triển ethanol sinh học ..................................................................17
2.5.4.1. Trên thế giới ..................................................................................................... 17
2.5.4.2. Tại Việt Nam .................................................................................................... 19
2.6. Quy trình sản xuất ethanol từ lignocellulose ..........................................................20
2.6.1. Quy trình sản xuất ...............................................................................................20
2.6.2. Tiền xử lý.............................................................................................................21
2.6.2.1. Tiền xử lý bằng phương pháp vật lý................................................................. 21
2.6.2.2. Tiền xử lý bằng phương pháp hóa học ............................................................. 21
2.6.3. Quá trình thủy phân .............................................................................................22
2.6.3.1. Cơ chế quá trình thủy phân............................................................................... 22
2.6.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân ................................................ 22
2.6.4. Lên men dịch đường ............................................................................................23
2.6.4.1. Cơ sở lý thuyết .................................................................................................. 23
2.6.4.2. Cơ chế quá trình lên men .................................................................................. 24
2.6.5. Chưng cất và thu nhận ethanol ............................................................................24
Chương 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................... 25
3.1. Thời gian và địa điểm nghiên cứu ..........................................................................25
3.2. Vật liệu nghiên cứu.................................................................................................25
v
3.2.1. Thu thập mẫu .......................................................................................................25
3.2.2. Thiết bị và hóa chất sử dụng................................................................................25
3.2.2.1. Dụng cụ và thiết bị ........................................................................................... 25
3.2.2.2. Hóa chất sử dụng .............................................................................................. 26
3.3. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................26
3.3.1. Tiền xử lý nguyên liệu .........................................................................................26
3.3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng NH4OH đến cellulose và lignin trước và sau tiền xử lý .. 26
3.3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng NH4OH và NaHCO3 đến cellulose trước và sauTXL ..... 29
3.3.2. Thủy phân tạo đường ...........................................................................................30
3.3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến đường và ethanol tạo thành................. 30
3.3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của enzyme cellulase đến đường và ethanol tạo thành ... 31
3.3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến đường và ethanol tạo thành .... 31
3.3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến đường và ethanol tạo thành .................. 32
3.3.3. Lên men tạo ethanol ............................................................................................33
3.3.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của cơ chất đến hàm lượng ethanol tạo thành ................. 33
3.3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của lượng nấm men đến hàm lượng ethanol tạo thành ... 33
3.3.4 Chưng cất thu nhận ethanol ..................................................................................34
3.3.4.1. Mục đích ........................................................................................................... 34
3.3.4.2. Cách thức thực hiện .......................................................................................... 34
3.3.4.3. Chỉ tiêu theo dõi ............................................................................................... 34
Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................................... 34
4.1. Tiền xử lý nguyên liệu ............................................................................................35
4.1.1. Ảnh hưởng của NH4OH đến cellulose và lignin trước và sau TXL rơm rạ ........35
4.1.2. Ảnh hưởng của NH4OH đến cellulose và lignin trước và sau TXL bã mía ........35
4.1.3. Ảnh hưởng của NH4OH và NaHCO3 đến cellulose trước và sau TXL rơm rạ ...36
4.1.4. Ảnh hưởng của NH4OH và NaHCO3 đến cellulose trước và sau TXL bã mía ...37
4.2. Thủy phân tạo đường ..............................................................................................37
4.2.1. Ảnh hưởng của thời gian đến đường và ethanol tạo thành ở rơm rạ ...................37
4.2.2. Ảnh hưởng của thời gian đến đường và ethanol tạo thành ở bã mía ...................39
4.2.3. Ảnh hưởng của enzyme cellulase đến đường và ethanol tạo thành ở rơm rạ......40
4.2.4. Ảnh hưởng của enzyme cellulase đến đường và ethanol tạo thành ở bã mía .....41
vi
4.2.5. Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến đường và ethanol tạo thành ở rơm rạ .......42
4.2.6. Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất đến đường và ethanol tạo thành ở bã mía .......43
4.2.7. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đường và ethanol tạo thành ở rơm rạ ....................44
4.2.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đường và ethanol tạo thành ở bã mía ....................45
4.3. Lên men tạo ethanol ...............................................................................................46
4.3.1. Ảnh hưởng của cơ chất đến hàm lượng ethanol tạo thành ở rơm rạ ...................46
4.3.2. Ảnh hưởng của cơ chất đến hàm lượng ethanol tạo thành ở bã mía ...................47
4.3.3. Ảnh hưởng của lượng nấm men đến hàm lượng ethanol tạo thành ở rơm rạ......48
4.3.4. Ảnh hưởng của lượng nấm men đến hàm lượng ethanol tạo thành ở bã mía .....49
4.4. Chưng cất thu nhận ethanol ....................................................................................50
Chương 5 KẾT KUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .......................................................................... 51
5.1. Kết luận...................................................................................................................51
5.2. Đề nghị ...................................................................................................................51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 52
PHỤ LỤC
vii
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
B100
: 100% diesel sinh học
B2
: 2% diesel sinh học và 98% dầu
B5
: 5% diesel sinh học và 95% dầu
BE (bioethanol) : Ethanol sinh học
Biofuel (NLSH): Nhiên liệu sinh học
Ctv
: Cộng tác viên
DE (biodiesel) : Diesel sinh học
E10
: 10% ethanol sinh học và 90% xăng
E100
: 100% ethanol sinh học
E5
: 5% ethanol sinh học và 95% xăng
E85
: 85% ethanol sinh học và 15% xăng
EU
: European Union - liên minh châu Âu
HFCs
: Hydrofluorocarbons
LM
: Lignocellulose material
MG
: Million gallons
ML
: Million litres
MW
: Molecular weight
NEC
: Ủy ban ethanol nhiên liệu quốc gia
PAH
: Polycyclic Aromatic Hydrocarbon
PCDDs
: PolyChlorinated dibenzo-p-dioxin
PCDFs
: Dibenzofuran clo hóa
PCI
: Nhiệt trị
PFCs
: Perfluorocarbons
SAA
: Soaking in aqueous ammonia
TOE
: Per tons of oil equivalent
TXL
: Tiền xử lý
viii
DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Tỉ lệ thành phần lignocellulose...................................................................... 10
Bảng 2.2 Tổng quan tình hình sử dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới ..................... 14
Bảng 2.3 Tính chất ethanol ........................................................................................... 16
Bảng 2.4 Sản lượng xăng sinh học trên thế giới năm 2008 .......................................... 17
Bảng 2.5 Tỉ lệ các nguồn năng lượng sử dụng tại Mỹ .................................................. 18
Bảng 2.6 Sản lượng BE của Mỹ từ năm 1998 đến 2006............................................... 18
Bảng 2.7 Sản lượng BE của EU từ năm 2000 đến 2005 ............................................... 19
Bảng 4.1 Ảnh hưởng của thời gian và enzyme cellulase tới hàm lượng đường và
ethanol tạo thành............................................................................................................ 38
Bảng 4.2 Ảnh hưởng của thời gian và enzyme cellulase tới hàm lượng đường và
ethanol tạo thành............................................................................................................ 39
Bảng 4.3 Ảnh hưởng của enzyme cellulase và cơ chất tới hàm lượng đường và ethanol
tạo thành ........................................................................................................................ 40
Bảng 4.4 Ảnh hưởng của enzyme cellulase và cơ chất tới hàm lượng đường và ethanol
tạo thành ........................................................................................................................ 41
Bảng 4.5 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất và thời gian tới hàm lượng đường và
ethanol tạo thành............................................................................................................ 42
Bảng 4.6 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất và thời gian tới hàm lượng đường và
ethanol tạo thành............................................................................................................ 43
Bảng 4.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian tới hàm lượng đường và ethanol tạo
thành .............................................................................................................................. 44
Bảng 4.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian tới hàm lượng đường và ethanol tạo
thành .............................................................................................................................. 45
Bảng 4.9 Ảnh hưởng của cơ chất và thời gian tới hàm lượng ethanol tạo thành.......... 46
Bảng 4.10 Ảnh hưởng của cơ chất và thời gian tới hàm lượng ethanol tạo thành........ 47
Bảng 4.11 Ảnh hưởng của nấm men và thời gian tới hàm lượng ethanol tạo thành .... 48
Bảng 4.12 Ảnh hưởng của nấm men và thời gian tới hàm lượng ethanol tạo thành .... 49
ix
DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1 Cấu trúc cellulose............................................................................................. 6
Hình 2.2 Các loại đường tạo nên cấu trúc hemicelluloses.............................................. 6
Hình 2.3 Cấu trúc galactan. ............................................................................................ 7
Hình 2.4 Cấu trúc araban. ............................................................................................... 8
Hình 2.5 Cấu trúc xylan trong cây gỗ mềm và gỗ cứng ................................................. 8
Hình 2.6 Cấu trúc monolignols. ...................................................................................... 9
Hình 2.7 Thành phần tanin ........................................................................................... 10
Hình 2.8 Quy trình sản xuất ethanol. ............................................................................ 20
Hình 2.9 Cấu trúc lignocellulose trước và sau tiền xử lý. ............................................ 21
Hình 3.1 Rơm rạ nghiền nhỏ......................................................................................... 25
Hình 3.2 Bã mía nghiền nhỏ. ........................................................................................ 25
Hình 3.3 Dụng cụ và thiết bị. ........................................................................................ 26
Hình 4.1 Ảnh hưởng của các nồng độ NH4OH, NaHCO3 đến trung bình khối lượng và
phần trăm cellulose sau tiền xử lý. ................................................................................ 36
Hình 4.2 Ảnh hưởng của các nồng độ NH4OH, NaHCO3 đến trung bình khối lượng và
phần trăm cellulose sau tiền xử lý. ................................................................................ 37
Hình 4.3 Ethanol từ rơm rạ. .......................................................................................... 50
Hình 4.4 Ethanol từ bã mía. .......................................................................................... 50
x
Chương 1 MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Việt Nam đang từng bước công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, xã hội càng
phát triển giúp đời sống của con người càng nâng cao, nhà máy xí nghiệp cũng như xu
hướng sử dụng các phương tiện giao thông tăng lên rõ rệt. Việc sử dụng nguồn nguyên
liệu hóa thạch để làm nhiên liệu cho các động cơ sẽ thải ra một lượng khí nhà kính như
CO2, HFCs, PFCs, … gây ô nhiễm môi trường; hơn nữa, nguồn nguyên liệu này sẽ
không tồn tại vĩnh viễn mà sẽ cạn kiệt trong vài chục năm tới, cụ thể vào năm 2025
( Đây
thật sự là một thách thức to lớn đối với ngành năng lượng thế giới trong đó có Việt
Nam. Vì vậy, tìm nguồn nguyên liệu mới thay thế cho nguyên liệu truyền thống là điều
mà nhiều nhà khoa học trên thế giới và Việt Nam đang quan tâm nghiên cứu.
Để giải quyết vấn đề đó, nhiên liệu sinh học (NLSH, biofuel) đã ra đời và sẽ góp
vai trò quan trọng trong việc hạn chế đến mức tối đa việc thải các khí gây ô nhiễm và
thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt. Khi đó, nhiên liệu sinh học
chính là nguồn năng lượng trong tương lai.
Ethanol sinh học được sản xuất từ nhiều nguồn cơ chất như cơ chất giàu đường
(rỉ đường, nước mía); tinh bột (lúa mì, gạo, ngô, sắn, …); phức hợp lignocellulose (gỗ,
rơm rạ, bã mía, thân và cùi bắp, …). Việc sản xuất ethanol từ các nguồn nguyên liệu
lignocellulose là vấn đề khá mới với nhiều nước trên thế giới cũng như Việt Nam.
Hiện nay, nước ta chưa có một nhà máy nào sản xuất ethanol từ các nguồn nguyên liệu
chứa cellulose như: rơm rạ, cây cỏ, mùn cưa, bã mía, … Ethanol được sản xuất ở Việt
Nam chủ yếu là từ các nguồn nguyên liệu chứa tinh bột (gạo, ngô, sắn) và từ rỉ đường.
Vì vậy, nghiên cứu xây dựng quy trình và xác định những điều kiện thích hợp nhất
trong việc chuyển hóa nguồn nguyên liệu lignocellulose thành ethanol là một việc làm
cần được triển khai nghiên cứu và ứng dụng.
Chính vì những điều đó, đề tài “Bước đầu nghiên cứu giải pháp tạo ethanol sinh
học từ rơm rạ và bã mía” đã được thực hiện.
1
1.2. Yêu cầu
Nghiên cứu xây dựng quy trình và xác định những điều kiện thích hợp nhất trong
việc chuyển hóa rơm rạ, bã mía thành ethanol sinh học.
1.3. Nội dung thực hiện
Xác định nồng độ NH4OH và NaHCO3 thích hợp cho việc tiền xử lý.
Xác định liều lượng enzyme cellulase và thời gian xử lý tối ưu tới hàm lượng
đường tạo thành.
Xác định liều lượng nấm men và thời gian xử lý thích hợp cho việc tạo ethanol.
Xác định, so sánh hàm lượng đường, ethanol tạo thành từ rơm rạ và bã mía.
2
Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Nguồn phế thải nông nghiệp Việt Nam
2.1.1. Phế thải nông nghiệp
Sản xuất nhiên liệu sinh học có thể qua nhiều đường khác nhau như sử dụng trực
tiếp các nguyên liệu: tinh bột ngũ cốc, mật rỉ đường, ngô để sản xuất ethanol và dùng
dầu động - thực vật để sản xuất diesel sinh học (thế hệ thứ nhất), nhưng phương thức
này đã ảnh hưởng lớn đến nguồn lương thực - thực phẩm. Với công nghệ mới (thế hệ
thứ hai), người ta có thể sản xuất ethanol sinh học từ các phế thải nông - lâm nghiệp
(phức hợp lignocellulose), đem lại những hướng nghiên cứu mới và tạo tiền đề cho
mục tiêu phát triển trong vài năm tới.
Tiềm năng của năng lượng sinh khối bao gồm gỗ, củi, rơm rác, phụ phẩm nông
nghiệp, ... của Việt Nam khoảng 43 - 46 triệu TOE (tương đương tấn dầu/năm), trong
đó khoảng 60% là năng lượng gỗ củi (26 - 27 triệu TOE) và 40% năng lượng rơm rác,
phụ phẩm nông nghiệp (17 - 19 triệu TOE) ( />Việc khai thác hợp lý các nguồn sinh khối sẽ giúp cho nông dân vừa tận dụng
được những phế thải sẵn có ở hộ gia đình, vừa đảm bảo nguồn năng lượng mà không
ảnh hường đến nguồn lương thực - thực phẩm. Hơn nữa, sử dụng các nguồn sinh khối
từ phụ phẩm nông nghiệp để làm nhiên liệu không đòi hỏi những kỹ thuật quá hiện
đại, phức tạp mà còn góp phần tích cực làm giảm khí thải gây hại môi trường.
2.1.2. Hiện trạng và tình hình sử dụng phế thải nông nghiệp Việt Nam
Tuy các nguồn sinh khối rơm rạ, bã mía, cỏ, bắp, … là tiềm năng, nhưng thực tế
trong khoảng vài chục năm trở lại đây tình hình không cho thấy được hiệu quả của nó.
Phần lớn các phế thải này đều bị bỏ đi, ít khi được tận dụng.
Rơm rạ: chủ yếu được người dân đốt bỏ ngoài đồng ruộng để bổ sung chất khoáng
cho đất, dùng làm thức ăn cho trâu bò. Việc đốt rơm rạ ngoài đồng không những làm
lãng phí nguồn nguyên liệu mà còn góp phần làm tăng thêm các khí gây ô nhiễm môi
trường tiêu biểu là hydrocacbon thơm đa vòng (PAH): PCDDs, PCDFs, gây ảnh
hưởng đến sức khỏe người dân nhất là người già, trẻ em.
3
Tận dụng và xử lí: ở nước ta, trồng nấm rơm đã có từ lâu đời nên tận dụng nguồn
rơm rạ, bã mía có sẵn để phục vụ cho trồng nấm là điều cần thiết, vì theo các nhà khoa
học thì nấm rơm là thực phẩm nhiều dinh dưỡng mà không làm tăng lượng cholesterol
trong máu.
Sản xuất phân hữu cơ vi sinh: thay vì sử dụng phân hóa học khiến cấu tượng đất bị
thay đổi nhanh chóng, mất dần độ phì nhiêu và tác động xấu vào môi trường; khi đó,
tận dụng nguồn rơm rạ, bã mía để làm phân hữu cơ, làm cho đất đai thêm màu mỡ,
môi trường an toàn, ... Ngoài việc dùng làm nấm, sản xuất phân bón hữu cơ, rơm rạ
còn dùng làm nguyên liệu đốt thay cho than, vật liệu xây dựng, bê tông siêu nhẹ, đệm
lót vận chuyển hàng hóa dễ vỡ.
2.2. Cấu trúc và thành phần các nguồn sinh khối
Glucoside là hợp chất tự nhiên thường gặp trong cơ thể động vật, thực vật và vi
sinh vật; là thành phần quan trọng trong sản xuất rượu bao gồm tinh bột và một số
đường. Trong động vật, lượng glucoside không vượt quá 2% nhưng trong thực vật
glucoside chiếm tới 80 - 88% chất khô. Công thức tổng quát của glucoside là
Cn(H2O)n, glucoside được chia làm 2 nhóm lớn:
Monosaccharide là đường đơn từ 3 đến 9 carbon: là những gluxit đơn giản không
thể thủy phân được. Trong tự nhiên phổ biến nhất là hai loại hexose và pentose.
Hexose là gluxit lên men được, dưới tác dụng của nấm men đa số hexose biến thành
rượu và CO2. Pentose thuộc gluxit không lên men được gồm arabinose, ribose, …
không có khả năng chuyển hóa thành rượu bằng nấm men.
Polysaccharide là đường đa gồm 2 đến nhiều gốc đường đơn kết hợp với nhau.
Tùy thuộc vào số lượng các gốc đường đơn trong phân tử, người ta chia
polysaccharide thành 2 phân nhóm: oligosaccharide và polysaccharide.
•
Oligosaccharide bao gồm không quá 10 gốc monosaccharide kết hợp với nhau:
trong thiên nhiên phổ biến nhất là oligo chứa 2 hoặc 3 mono và còn gọi là
disaccharide hay trisaccharide. Đại diện cho disaccharide là mantose và
saccharose còn đại diện cho trisaccharide là rafinose. Mantose và saccharose dễ
dàng chuyển hóa thành rượu và CO2 dưới tác dụng của nấm men, rafinose chỉ lên
men được 1/3.
4
• Polysaccharide là polymer được cấu tạo bởi nhiều hơn 10 gốc monosaccharide
kết hợp với nhau (Trần Thị Lệ Minh, 2009).
2.2.1. Polysaccharide
Thành tế bào thực vật là một lớp cấu trúc dày khoảng 0,1 - 10 µm, bao gồm chủ
yếu là polysaccharide (cellulose, hemicellulose, pectin) và lignin. Trong đó
lignocellulose: cellulose, hemicellulose, lignin là thành phần chủ yếu trong sinh khối
của cây.
Polysaccharide được cấu tạo 3 thành phần chủ yếu sau: cellulose chiếm tỉ lệ cao
nhất và ổn định dưới tác dụng của các loại hóa chất; hemicellulose là cấu trúc bao bọc
lấy cellulose và chúng được loại bỏ bởi dung dịch bazơ mạnh hay bị phân hủy bởi axit
loãng; petic polysaccharide được tách ra khỏi hỗn hợp bởi axit, bazơ yếu hay nước
nóng (Mojtaba Zahedifar, 1996).
2.2.1.1. Cellulose
Cellulose được phát hiện vào 1838 bởi nhà hóa học người Pháp (Anselme
Payen). Đến 1920, Hermann Staudinger xác định được cấu trúc polymer của cellulose.
Cellulose là thành phần chủ yếu của polysaccharide, là một hợp chất hữu cơ cao
phân tử với công thức (C6H10O5)n trong đó n có thể nằm trong khoảng 5.000 - 14.000.
Cellulose là chuỗi mạch thẳng, 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 (Trần
Diệu Lý, 2008).
Tính chất: chất màu trắng, không mùi, không vị. Cellulose không tan trong nước
và các dung môi hữu cơ thông thường, bị thủy giải thành dạng hòa tan trong một số
dung dịch axit vô cơ mạnh: HCl, HNO3, ... một số dung dịch muối: ZnCl2, PbCl2, …
Khoảng 33% của thành phần của tế bào thực vật là cellulose, chúng thường liên
kết với các chất khác như lignin, hemicellulose, pectin. Cellulose dạng sợi nhỏ liên kết
với nhau thành bó gọi là micelle. Giữa các micelle có những khoảng trống và khi hóa
gỗ các khoảng trống này chứa đầy lignin. Celluose có nhiều trong sợi bông vải (95 98%), lanh (80 - 90%), đay (85 - 90%), gỗ (40 - 50%), lá (15 - 20%).
5
Khi thủy phân bằng axit đậm đặc, cellulose cho các gốc đường β. Trong cấu trúc
phân tử cellulose, các gốc này liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4 gycoside (Trần Thị
Lệ Minh, 2009).
Hình 2.1 Cấu trúc cellulose
( />2.2.1.2. Hemicellulose
Được cấu tạo bởi một số lượng lớn các loại đường (100 - 200 đơn vị đường): Dxylose, D-mannose, D-galactose, L-arabinose, 4-O-methy D-glucuronics axit, Dgalacturonics axit, D-glucuronics axit, … (Mojtaba Zahedifar, 1996).
Hình 2.2 Các loại đường tạo nên cấu trúc hemicelluloses
( />6
Hemicellulose có nhiều trong phần gỗ của cây, trong rơm rạ, lõi ngô, … chúng
liên kết với lignin bởi D-galactose, D-xylose, D-arabinose bằng liên kết glycosidic
(Mojtaba Zahedifar, 1996). Hemicellulose ở dạng polymer mạch nhánh, không hòa tan
trong nước nhưng tan trong dung dịch kiềm, chúng được tạo thành bởi phân tử đường
5 carbon: xylose, arabinose và đường 6 carbon: galactose, mannose. Thành phần cơ
bản của hemicellulose là β-D xylopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết β-(1,4).
Hemicellulose bị thủy phân dễ dàng hơn cellulose cho ra các hexose hoặc
pentose như arabinose, xylose. Hemicellulose còn có tên gọi tương ứng như galactan,
mannan, araban hay xylan.
• Galactan: có nhiều trong cây, tham gia vào thành phần của màng tế bào trong vỏ
và hạt. Cấu tạo của các galactan tương đối khác nhau và chưa được nghiên cứu
nhiều. Galactan của hạt đậu lupin là một trong những galactan điển hình gồm 100
- 120 gốc β-galactopiranose, kết hợp với nhau bằng liên kết 1 - 4 (Trần Thị Lệ
Minh, 2009).
Hình 2.3 Cấu trúc galactan (Deepak Radhakrishin Keshwani, 2009).
• Mannan: là những polysaccharide được tạo thành từ các gốc mannose. Mannan
tham gia vào thành phần cấu tạo của màng tế bào thực vật cũng như vi sinh vật
(nấm mốc, nấm men).
• Araban: là những polysaccharide được tạo thành từ các gốc arabinose thường là
L-arabinofuranose với trọng lượng phân tử khoảng 6.000 kết hợp với nhau bởi
liên kết 1 - 5. Mỗi gốc arabinose thứ 2 trong chuỗi còn được kết hợp thêm một
phân tử arabinose khác bằng liên kết 1 - 3 (Trần Thị Lệ Minh, 2009).
7
Hình 2.4 Cấu trúc araban (Deepak Radhakrishin Keshwani, 2009).
• Xylan: có trong gỗ, rơm rạ, … là thành phần của thành tế bào của một số cơ quan
thực vật. Trong gỗ của một số loại cây lá rộng, hàm lượng xylan chiếm đến 25%
còn trong gỗ cây lá kim có khoảng 12%. Xylan được tạo thành do các gốc β-Dxylopyranose liên kết 1 - 4 (Trần Thị Lệ Minh, 2009).
Hình 2.5 Cấu trúc xylan trong cây gỗ mềm và gỗ cứng
( />2.2.1.3. Hợp chất pectic
Hợp chất này lần đầu tiên được mô tả bởi Henri Braconnot (1825), pectin là một
polysaccharide có chứa axit liên kết 1,4-α-D-galactosyluronic. Ba thành phần chủ yếu
của polysaccharide pectic là homogalacturonans, galacturonans, rhamnogalacturonans.
Trong thực vật pectin ở 2 dạng
• Dạng không hòa tan (propectin): có ở trong thành tế bào.
8
• Dạng hòa tan có trong dịch tế bào: có khả năng làm đông thành keo các dung
dịch đường nồng độ cao khi có mặt các axit hữu cơ. Tính chất này được sử dụng
trong kỹ nghệ bánh kẹo khi sản xuất mứt, nước quả.
Khi quả chín dưới tác dụng của enzyme protopectinase hoặc các axit hữu cơ trong quả
làm cho protopectin chuyển thành pectin hòa tan làm mềm quả. Các pectin còn có
trong sợi thực vật (đay, gai) làm các sợi gắn lại với nhau. Khi ngâm đay, gai trong điều
kiện yếm khí, các vi sinh vật tiết ra enzyme phân giải pectin làm các sợi rời ra (Trần
Thị Lệ Minh, 2009).
2.2.2. Protein
Là một thành phần nhỏ của vách tế bào, chúng tạo liên kết cộng hóa trị với lignin
và polysaccharide. Extensins (Hydroxyproline giàu glycoprotein - bản chất là một
enzyme) là những protein phổ biến nhất trong thành tế bào thực vật; thành tế bào sơ
cấp của thực vật hai lá mầm có chứa từ 5 đến 10% extensin (Mojtaba Zahedifar, 1996).
2.2.3. Hợp chất phenolic
2.2.3.1. Lignin
Thuật ngữ này đã được giới thiệu năm 1819 bởi De Candolle và có nguồn gốc từ
tiếng latinh là lignum (có nghĩa là gỗ). Là hợp chất hữu cơ tự nhiên không phải là
carbonhydrate, chúng hình thành chủ yếu bởi liên kết C-C và C-O-C nên khó bị tác
động bởi hóa học. Lignin là polymer, được cấu thành từ các đơn vị là phenylpropene
luôn luôn gắn với hemicellulose bởi liên kết cộng hóa trị. Có ba monomer
(monolignols): coniferyl alcohol, sinapyl alcohol và p-coumaryl alcohol (Mojtaba
Zahedifar, 1996).
Hình 2.6 Cấu trúc monolignols (Deepak Radhakrishin Keshwani, 2009).
9
Lignin khác nhau chủ yếu ở tỷ lệ của 3 loại monomer này. Gỗ mềm được tạo
thành từ khoảng 80% coniferyl, 14% p-coumaryl và 6% sinapyl alcohol. Ngược lại,
lignin gỗ cứng bao gồm 56% coniferyl, 4% p-coumaryl và 40% sinapyl alcohol
(Mojtaba Zahedifar, 1996).
Bảng 2.1 Tỉ lệ thành phần lignocellulose
Sinh khối
Lignin (%)
Cellulose (%)
Hemicellulose(%)
Bã mía
24
43
25
Thân, cùi bắp
18
35
22
Switchgrass
18
31
24
Lúa mì
17
33
23
Lúa mạch
14
40
19
Rơm rạ
10
39
15
(Sandra T. Merino và Joel Cherry, 2007)
2.2.3.2. Tanin
Tất cả các tanin đều có bản chất là polyphenolic, hiện diện ở không bào của vách
tế bào thực vật có trọng lượng phân tử cao: MW = 500 - 3000. Sự hiện diện của chúng
trên cây gây nên một vị đắng, ảnh hưởng đến hương vị khi ăn.
Phân loại: tanin có thể được chia thành tanin ở dạng cô đặc và dạng dễ thủy phân
• Tanin cô đặc (proanthocyanidins): có mặt rộng rãi trong cây có mạch và được tạo
thành bởi sự cô đặc của hydroxyflavans, leucoanthocyanidin (flavan-3 ,4-diol) và
catechin (flavan-3-ol).
• Tanin dạng dễ thủy phân (hydrolysable): chiếm tỉ lệ nhỏ ở thực vật hạt kín cây hai
lá mầm và thường chứa đường như một lõi trung tâm (Mojtaba Zahedifar, 1996).
Hình 2.7 Thành phần tanin
( />10
2.2.3.3. Hợp chất phenolic
Là những thành phần cấu trúc nên lõi lignin ở thành tế bào thực vật. Sự hiện diện
của chúng trong các nguồn thực phẩm có liên quan đến chất làm se, sự đổi màu và chất
chống oxy hóa. Các nhóm carboxyl và phenol trong axit phenol cho phép chúng liên
kết với lignin và carbohydrate bởi liên kết ete hoặc este (Mojtaba Zahedifar, 1996).
2.2.4. Chất khoáng
Trong các loại gỗ của xứ ôn đới, các nguyên tố vô cơ như carbon, hydro, oxy
và nitơ 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 nằm trong khoảng 0,3 - 1,5% cho hai loại gỗ mềm và gỗ cứng. Một
số chất vô cơ từ muối kim loại tồn tại trong vách tế bào thực vật. Canxi thường là
kim loại phong phú nhất, sau đó là kali và magiê. Hàm lượng này phụ thuộc vào điều
kiện môi trường tăng trưởng của cây và vào vị trí trong cây (Trần Diệu Lý, 2008).
2.3. Nhiên liệu sinh học
2.3.1. Khái niệm
Nhiên liệu sinh học (NLSH, Biofuel, Agrofuel): theo quyết định số 177/2007/QĐ
-TTg ngày 20/11/2007 thì NLSH là nhiên liệu có nguồn gốc từ sinh khối (biomass) tức
là từ thực vật, động vật và các sản phẩm phụ của chúng.
Nhiên liệu sinh học có thể ở dạng lỏng, rắn hay khí; ở thể rắn như than củi, than
đá; thể lỏng (như xăng sinh học, diesel sinh học); hay thể khí như khí CH4 sinh học
(sản xuất từ lò ủ chất phế thải). Nhiên liệu ở thể lỏng được ưa chuộng hơn vì có độ
tinh khiết cao, chứa nhiều năng lượng, dễ dàng chuyên chở, dễ tồn trữ và bơm vào
bình nhiên liệu của xe ( />2.3.2. Lịch sử
Nhiên liệu sinh học ở thể rắn (gỗ, củi, phế thải thực và động vật) đã được loài
người sử dụng từ khi khám phá ra lửa. Ngày nay có khoảng 2 tỷ dân đốt NLSH ở
thể rắn như gỗ, củi, rơm rạ, ... Mặc dầu chứa carbon tái tạo, nhưng dạng nhiên liệu
cho nhiều khói, tro bụi, bù hóng nên làm ô nhiễm môi trường.
Động cơ nổ đầu tiên trên thế giới do Nikolaus August Otto (Đức) thiết kế sử
dụng nhiên liệu sinh học thể lỏng là ethanol, Rudolf Diesel (Đức) phát minh động
11
cơ diesel thiết kế chạy bằng dầu đậu phộng và Henry Ford (Mỹ) thiết kế xe hơi chạy
bằng dầu thực vật (1903 - 1926) chế biến từ dầu chứa trong hạt và thân cây cần sa.
Khủng hoảng xăng dầu năm 1972 do khối OPEC gây ra, làm một số quốc gia
có chủ trương tự túc nhiên liệu bằng cách sản xuất xăng sinh học từ tiềm năng nông
nghiệp đồ sộ của mình. Braxin tiêu biểu cho chính sách này.
Kể từ năm 2000, các quốc gia trên thế giới tuân thủ thỏa hiệp Rio de Janeiro
(1992), rồi Nghị định thư Kyoto (1997) tìm cách hạn chế sa thải khí nhà kính (CO2,
CH4, N2O) của nhiên liệu cổ sinh và thay thế bằng năng lượng xanh - nhiên liệu sinh
học ( />2.3.3. Phân loại
Nhiên liệu sinh học được sản xuất từ nhiều nguồn cơ chất và tạo nhiều sản phẩm
khác nhau, nên có thể phân loại như sau:
2.3.3.1. Dựa vào bản chất sản phẩm
¾ Diesel sinh học (biodiesel) viết tắt là BD: dạng nhiên liệu được sản xuất từ dầu
động - thực vật.
¾ Cồn sinh học (bioalcohol): bioethanol, biobutanol, biomethanol, trong đó nổi bật
là ethanol sinh học (bioethanol) viết tắt là BE: dạng nhiên liệu được sản xuất
thông qua quá trình lên men.
¾ Nhiên liệu sinh học rắn (solid biofuel): dạng cô đặc của các nguyên liệu có nguồn
gốc từ thực vật, trong đó nổi bật là gỗ viên (wood pellet).
¾ Khí sinh học (biogas, biohydrogen): dạng khí được tạo ra sau các giai đoạn ủ
hoặc chuyển hóa sinh học.
2.3.3.2. Dựa vào nguồn gốc nguyên liệu
¾ Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất: làm từ sản phẩm nông lâm nghiệp vốn là
lương thực - thực phẩm như đường (mía, củ cải đường), tinh bột (bắp, lúa, khoai
tây, khoai mì) để tạo ethanol; từ dầu (dầu dừa, đậu nành, đậu phộng) để tạo diesel
sinh học.
¾ Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai: từ cellulose, chất xơ của thực vật (rơm rạ, thân
bắp, mạt cưa, bã mía), hạt cọc rào (Jatropha curcas L.), cỏ kê Mỹ (Switchgrass),
cỏ trâu (Buchloe dactyloides ), …
12
¾ Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba: từ tảo (algae) - là nguồn thực vật đầy hứa
hẹn để phát triển nhiên liệu sinh học.
Các nhà khoa học đang hi vọng và tin tưởng vào con đường phát triển nhiên liệu sinh
học từ các nguồn như rác thải, cỏ, đặc biệt là từ các loại tảo - mang lại hiệu quả vô
cùng cao. Khi đó, nhiên liệu sinh học chính là nguồn năng lượng của tương lai
(Geoffrey M. Horn. 2010).
2.3.4. Công dụng
Khác với nhiên liệu hóa thạch (than, xăng, dầu, ...), nhiên liệu sinh học là dạng
năng lượng có thể tái tạo được (renewable energy). NLSH có các công dụng rất to lớn
bao gồm: góp phần quan trọng vào đảm bảo an ninh năng lượng trên thế giới, giảm lệ
thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt dần; góp phần vào bảo vệ môi
trường và giảm thiểu biến đổi khí hậu (giảm ít nhất 60% lượng carbon thải ra so với
nhiên liệu hoá thạch, riêng BD làm giảm 50% lượng CO và 78% lượng CO2 thải ra so
với nhiên liệu hóa thạch).
Nguy cơ: bên cạnh những công dụng cũng như lợi ích có được từ NLSH thì cũng
có những nguy cơ mà chúng ta cần thận trọng - nguy cơ về an ninh lương thực. Ở nước
ta, an ninh lương thực là ưu tiên số một trong chính sách sử dụng đất, nên cần sáng
suốt chọn lọc hướng phát triển NLSH. Vì vậy, khuyến khích sản xuất NLSH thế hệ thứ
hai và thứ ba, chỉ sản xuất NLSH thứ nhất với chừng mực hợp lý. Hơn nữa nên hạn
chế dùng đất nông nghiệp để trồng nguyên liệu cho NLSH (trong 20 năm qua đã có
3% đất nông nghiệp bị lấy để phát triển công nghiệp, dự báo đến 2020 con số này là
10%). Việc trồng cây cho NLSH cần tận dụng đất hoang hóa (khoảng 9,3 triệu hecta),
đất đồi núi chưa sử dụng (khoảng 4,3 triệu hecta). Ngoài ra, hiện nay có 8,1 triệu hecta
đất lâm nghiệp đã được giao phân tán, do đó cần có chính sách và phương thức thích
hợp tích tụ đất lâm nghiệp để trồng cây năng lượng. Nếu được như vậy, sẽ tốt nhiều
mặt,
kể
cả
tăng
cường
an
sinh
xã
hội
( />/Biodiesel-Bioethanol/PHAT_TRIEN_NHIEN_LIEU_SINH_HOC/?print=813071520).
2.4. Tình hình sử dụng và nghiên cứu
2.4.1. Chính sách phát triển nhiên liệu sinh học tại Việt Nam
13