thẠc sỸ nghiên cứu sản xuất ethanol sinh học từ các phụ phẩm nông nghiệp

7/27/2019 THẠC SỸ Nghiên cứu sản xuất ethanol sinh học từ các phụ phẩm nông nghiệp

http://slidepdf.com/reader/full/thac-sy-nghien-cuu-san-xuat-ethanol-sinh-hoc-tu-cac-phu-pham 1/65

Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trườ ng ĐH Khoa học Tự nhiên

Nguy ễn Th ị H ằng Nga 1 Cao h ọc Môi tr ườ

ng K15

MỞ ĐẦU

Ngày nay, thế giớ i đang đứng trướ c nguy cơ khủng hoảng năng lượ ng trầmtrọng. Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giớ i, nguồn năng lượ ng từ các sản

phẩm hoá thạch dầu mỏ sẽ bị cạn kiệt trong vòng 40- 50 năm nữa [16]. Để ổn định và

đảm bảo an ninh năng lượ ng đáp ứng cho nhu cầu con ngườ i cũng như các ngành công

nghiệp, các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu tìm ra những nguồn nhiên liệu

mớ i, trong đó nghiên cứu phát triển nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ sinh khối

động, thực vật là một hướ ng đi có thể tạo ra nguồn nhiên liệu thay thế phần nào nguồn

nhiên liệu hoá thạch đang cạn kiệt, đảm bảo an ninh năng lượ ng cho từng quốc gia.

Sử dụng nhiên liệu sinh học mang lại các lợ i ích như giảm thiểu ô nhiễm môi

trườ ng vì nguyên liệu sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học là cồn và dầu mỡ động

thực vật, không chứa các hợ p chất thơ m, hàm lượ ng lưu huỳnh thấp, không chứa chất

độc hại, mặt khác nhiên liệu sinh học khi thải vào đất có tốc độ phân hủy sinh học cao

nhanh hơ n gấp 4 lần so vớ i nhiên liệu dầu mỏ và do đó giảm đượ c rất nhiều tình trạng

ô nhiễm nướ c ngầm [18].

Etanol sinh học (bio-ethanol) là một loại nhiên liệu sinh học dạng cồn, đượ c sản

xuất bằng con đườ ng sinh học, chủ yếu bằng phươ ng pháp lên men và chưng cất các

loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đườ ng đơ n, thườ ng đượ c sản xuất

từ các loại cây nông nghiệp hàm lượ ng đườ ng cao như bắp (ở Mỹ), lúa mì, lúa mạch,

mía (ở Brazil). Ngoài ra, etanol sinh học còn đượ c sản xuất từ cây cỏ có chứa hợ p chất

cellulose (celluloic ethanol). Celluloic ethanol đã đượ c sản xuất thành công và đưa vào

sử dụng làm nhiên liệu ở nhiều nướ c trên thế giớ i. Hiện nay, việc sản xuất etanol từ các

loại cây nông nghiệp có thể ăn đượ c đang gây ra sự lo lắng về vấn đề an ninh lươ ng

thực- sự cạnh tranh giữa cây trồng làm nhiên liệu và cây lươ ng thực. Chính vì vậy, thế

giớ i đang đi theo hướ ng sản xuất etanol từ các nguyên liệu chứa hợ p chất cellulose.

Việt Nam là một quốc gia có hơ n 70% dân số làm nông nghiệp. Do vậy, phụ

phẩm sau thu hoạch rất lớ n. Theo số liệu thống kê sơ bộ năm 2008 [13], tổng diện tích




Nguy ễn Th ị H ằng Nga 2 Cao h ọc Môi tr ườ ng K15

cây lúa trong cả nướ c khoảng 7,4 triệu ha, do vậy lượ ng rơ m rạ phát thải sau mỗi vụ

thu hoạch rất lớ n (trung bình 5-6 tấn rơ m rạ / 1ha/vụ). Diện tích trồng ngô cả nướ c là1,13 triệu ha.Theo phươ ng thức sản xuất nông nghiệp truyền thống, phụ phẩm nông

nghiệp sau khi thu hoạch (rơ m rạ, thân cây ngô, thân cây đậu…) đượ c chuyển về nhà

và đượ c sử dụng như một nguồn nguyên liệu chính để đun nấu trong các nông hộ, làm

thức ăn chăn nuôi... Cùng vớ i sự phát triển của xã hội và nhu cầu đờ i sống ngày một

nâng cao, ngày nay hầu hết các hộ nông dân đã sử dụng các nguồn nguyên liệu khác

như than, gas, điện,... cho việc nấu nướ ng nên phần lớ n lượ ng phụ phẩm nông nghiệp

này đượ c ngườ i nông dân đốt ngay trên đồng ruộng tạo ra những chất độc hại như CH4,

CO2, bụi,... Việc đốt lượ ng phụ phẩm nông nghiệp trên đồng ruộng đang dần hình

thành một thói quen xấu, không những gây ảnh hưở ng xấu tớ i môi trườ ng sinh thái mà

còn rất lãng phí nguồn nguyên liệu có nguồn gốc thực vật này.

Một số công trình nghiên cứu trên thế giớ i cho thấy, các loại phụ phẩm nông

nghiệp, phế thải giàu hợ p chất hydratcacbon có thể sử dụng làm nguyên liệu để sản

xuất etanol sinh học. Thành phần của rơ m rạ, thân cây ngô bao gồm phần lớ n là

cellulose, hemicellulose, lignin, và các nguyên tố khoáng khác.Việc nghiên cứu sử

dụng phụ phẩm nông nghiệp giàu hợ p chất cacbonhydrat làm nguyên liệu sản xuất

etanol nhiên liệu có sử dụng sự trợ giúp của vi sinh vật đang là một trong những giải

pháp đầy hứa hẹn cho việc tạo ra nguyên liệu thay thế cho nguồn nguyên liệu hóa thạch

đang dần cạn kiệt, giảm thiểu các tác động xấu đến môi trườ ng, là một hướ ng nghiên

cứu đúng đắn thu hút đượ c sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nướ c.

Vớ i ý ngh ĩ a thiết thực đó, “Nghiên cứ u khả năng sản xuất etanol sinh học từ phụ

phẩm nông nghiệp” nhằm xác định đượ c khả năng sản xuất etanol sinh học từ thân

cây ngô nhờ tác nhân sinh học là vi sinh vật.





Để đạt đượ c mục tiêu nêu trên, đề tài đã tiến hành các nội dung nghiên cứu sau:

+ Lựa chọn chủng vi sinh vật làm tác nhân cho quá trình thủy phân thân cây ngô và quátrình lên men

+ Nghiên cứu một số điều kiện phù hợ p trong quá trình thủy phân thân cây ngô thành

đườ ng đơ n bằng tác nhân hóa học và sinh học (vi sinh vật).

+ Nghiên cứu xây dựng quy trình sản xuất etanol sinh học từ thân cây ngô.





CHƯƠ NG 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1. Sinh khối và nhiên liệu sinh học 1.1.1. Khái niệ m

Sinh khố i (Biomas) là các vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ sinh vật có khả năng

tái tạo như cây cối, phân gia súc… SK đượ c xem là một phần của chu trình cacbon

trong tự nhiên. Cacbon từ khí quyển đượ c biến đổi thành vật chất sinh học qua quá

trình quang hợ p của thực vật. Khi phân giải hoặc đốt cháy, cacbon quay trở lại khí

quyển hoặc đất. Vì vậy cacbon khí quyển đượ c giữ ở mức tươ ng đối ổn định.

Các vật liệu hữu cơ đượ c tạo thành bở i các quá trình địa chất tạo than đá, dầu

mỏ, khí thiên nhiên không đượ c gọi là SK. Nhiên liệu hoá thạch có nguồn gốc SK

trong thờ i cổ xưa đượ c xem là đã nằm ngoài chu trình cacbon từ rất lâu.Việc đốt cháy

chúng làm hàm lượ ng CO2 trong khí quyển mất ổn định.

Nhiên liệu sinh học là loại nhiên liệu có nguồn gốc từ SK - có thể là từ các sinh

vật sống hoặc sản phẩm phụ từ quá trình chuyển hóa của chúng (ví dụ như phân gia

súc). Chúng thuộc loại năng lượ ng tái tạo hoàn toàn khác vớ i các loại năng lượ ng khác

như hóa thạch, hạt nhân.

NLSH có đặc điểm là khi bị đốt cháy sẽ giải phóng ra năng lượ ng hóa học tiềm

ẩn trong nó.

1.1.2. Các d ạ ng nhiên liệu sinh họ c

Nhiên liệu sinh học đượ c sử dụng ở 03 dạng chính sau [40]:

- Dạng r ắ n (SK rắn dễ cháy): củi, gỗ và than bùn.

- Dạng lỏng: Các chế phẩm dạng lỏng nhận đượ c trong quá trình chế biến vật

liệu nguồn gốc sinh học như:

+ C ồn sinh học - các loại cồn có nguồn gốc sinh học, ví dụ: etanol sinh học từ

đườ ng mía, ngô đang đượ c sử dụng làm nhiên liệu hoặc phụ gia pha xăng tại Braxin,

Mỹ và một vài nướ c khác; metanol sinh học (hiện đang đượ c sản xuất chủ yếu từ khí tự

nhiên, song có thể đi từ SK).





+ Dầu mỡ các loại nguồn gốc sinh học: diezel sinh học (Biodiezel) - sản phẩm

chuyển hóa ester từ mỡ động vật hoặc dầu thực vật; Phenol và các loại dung môi, dầunhựa thu đượ c trong quá trình nhiệt phân gỗ, v.v…

- Dạng khí: Metan thu đượ c từ quá trình phân hủy tự nhiên các loại phân, chất

thải nông nghiệp hoặc rác thải - biogas; Hyđ rô thu đượ c nhờ cracking hyđrocacbon, khí

hóa các hợ p chất chứa cacbon (kể cả SK) hoặc phân ly nướ c bằng dòng điện hay thông

qua quá trình quang hóa dướ i tác dụng của một số vi sinh vật; Các sản phẩ m khí khác

từ quá trình nhiệt phân và khí hóa SK (các loại khí cháy thu đượ c trong quá trình nhiệt

phân gỗ).

1.1.3. Nhữ ng l ợ i ích khi sử d ụ ng nhiên liệu sinh họ c

S ử d ụng NLSH sẽ giảm thiể u ô nhiễ m và khí nhà kính

NLSH đượ c sản xuất từ SK, là loại vật liệu xuất phát từ sinh vật (chủ yếu là thực

vật) và là một phần trong chu trình cacbon ngắn. CO2 mà cây hấp thụ từ không khí qua

quá trình quang hợ p sẽ quay trở lại bầu khí quyển khi chúng đã bị chuyển hóa thành

năng lượ ng. Để có thể coi đó là nguồn năng lượ ng tái tạo thì ít nhất kho sinh khối đó

phải đượ c duy trì không thay đổi. Bở i vì trong chu trình không có lượ ng CO2 thừa và

NLSH chạy xe phát tán ngượ c trở lại nên NLSH có thể đượ c coi là yếu tố "cân bằng về

mặt môi trườ ng" thuộc chu trình.

Hiện nay, hàng năm toàn thế giớ i phát thải khoảng 25 tỷ tấn khí độc hại và khí

nhà kính. Nồng độ khí CO2, loại khí nhà kính chủ yếu, tăng trên 30% so vớ i thờ i kỳ

tiền công nghiệp (từ 280 ppm tăng lên 360 ppm), nhiệt độ trái đất tăng 0,2- 0,40C. Nếu

không có giải pháp tích cực, nồng độ khí nhà kính có thể tăng đến 400 ppm vào năm

2050 và 500 ppm vào cuối thế kỷ XXI, nhiệt độ trái đất tăng thêm 2-40C, gây ra hậu

quả khôn lườ ng về môi trườ ng sống. Sử dụng NLSH so vớ i xăng dầu khoáng giảm

đượ c 70% khí CO2 và 30% khí độc hại, do NLSH chứa một lượ ng cực nhỏ lưu huỳnh,

chứa 11% oxy, nên cháy sạch hơ n. NLSH phân huỷ sinh học nhanh, ít gây ô nhiễm

nguồn nướ c và đất.





S ử d ụng NLSH sẽ góp phần nâng cao hiệu quả kinh t ế nông nghiệ p

Ngành kinh tế nông nghiệp ngoài chức năng cung cấp lươ ng thực thực phẩm,nguyên liệu công nghiệp, giờ đây có thêm chức năng cung cấp năng lượ ng sạch cho xã

hội, đóng góp vào việc giảm thiểu khí nhà kính và khí độc hại. Đặc biệt, khi phát triển

NLSH có thể sử dụng các giống cây có dầu, chẳng hạn như J. Curcas trồng trên các

vùng đất hoang hoá hoặc đang sử dụng kém hiệu quả, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng

đất.[18]

K ỹ thuật và kinh t ế năng lượ ng

Sản xuất và sử dụng NLSH đơ n giản hơ n so vớ i các dạng nhiên liệu hyđrô /pin

nhiên liệu. Khi sử dụng E20, B20 không cần cải biến động cơ , sử dụng đượ c cho các

loại ôtô hiện có, cũng không cần thay đổi hệ thống tồn chứa và phân phối hiện có.

NLSH và nhiên liệu khoáng có thể dùng lẫn vớ i nhau đượ c. Công nghệ sản xuất NLSH

không phức tạp, có thể sản xuất ở quy mô nhỏ (hộ gia đ ình) đến quy mô lớ n. Sự tiêu

hao nhiên liệu, công suất động cơ tươ ng tự như dùng xăng dầu khoáng. Nhiều công

trình nghiên cứu về cân bằng năng lượ ng đã cho thấy: Từ 1 đơ n vị năng lượ ng dầu mỏ

sản xuất đượ c 0,87 đơ n vị năng lượ ng xăng, hoặc 1,02 đơ n vị năng lượ ng ETBE, hoặc

2,05 đơ n vị năng lượ ng etanol. Từ 1 đơ n vị năng lượ ng dầu mỏ (dùng để cày bừa, trồng

trọt, chăm sóc, vận chuyển đến chế biến) sẽ tạo ra 1,2 đơ n vị năng lượ ng NLSH. Nếu

kể thêm các sản phẩm phụ (bã thải, sản phẩm phụ) thì tạo ra 2-3 đơ n vị NLSH. Như

vậy, cân bằng năng lượ ng đầu ra so vớ i đầu vào là dươ ng. Hiện tại, giá NLSH còn cao

do sản xuất nhỏ, giá nguyên liệu cao. Khi sản xuất quy mô lớ n vớ i công nghệ mớ i sẽ

giảm giá thành. Nếu xăng dầu không bù giá thì NLSH có giá thành thấp hơ n. Có thể

khẳng định, NLSH sẽ đem đến đa lợ i ích.

1.2. Etanol sinh học

1.2.1. Tính chấ t lý hoá họ c củ a etanol

Tính chất lý học





Etanol hay Rượ u etylic là một chất lỏng, không màu, mùi thơ m dễ chịu, vị cay,

nhẹ hơ n nướ c (khối lượ ng riêng 0,7936 g/ml ở 150

C), sôi ở nhiệt độ 78,390

C, hóa rắnở -114,150C, tan trong nướ c vô hạn.

Độ nhớ t của etanol là 1,200 cP ở 20°C

Tính chất hóa học

Etanol là rượ u no, đơ n chức, có công thức C2H5OH. Etanol mang đầy đủ tính

chất của một rượ u đơ n chức như phản ứng thể vớ i kim loại kiềm, phản ứng este hóa,

phản ứng loại nướ c hay phản ứng tách nướ c, phản ứng oxi hóa thành andehyt, axit hay

CO2 tùy theo điều kiện phản ứng. Ngoài ra etanol còn có một số phản ứng riêng như

sau:

Phản ứng tạo ra butadien-1,3: cho hơ i rượ u đi qua chất xúc tác hỗn hợ p, ví dụ

Cu + Al2O3 ở 380-4000C, lúc đó xảy ra phản ứng tách loại nướ c

2C2H5OH -> CH2=CH-CH2=CH + 2 H2O + H2

Phản ứng lên men giấm: oxi hóa rượ u etylic 10 độ bằng oxi không khí có mặt

men giấm ở nhiệt độ khoảng 250C.

CH3-CH2-OH + O2 -> CH3-COOH + H2O

1.2.2. Phươ ng pháp sả n xuấ t etanol sinh họ c

Etanol có thể đượ c sản xuất theo phươ ng pháp hóa học từ nguyên liệu etan hoặc

etylen bằng phươ ng pháp hydrat hóa etylen. Trên thực tế etanol thườ ng đượ c sản xuất

bằng con đườ ng sinh học. Khi đó sản phẩm etanol đượ c gọi là cồn sinh học hay bio-

etanol. Công nghệ chiếm ưu thế hiện nay là chuyển hóa SK thành etanol thông qua lên

men rượ u rồi chưng cất. Quá trình lên men rượ u này là quá trình chuyển hóa sinh hóa

học. SK sẽ bị men của vi khuẩn hoặc nấm men phân hủy. Phươ ng pháp lên men có thể

áp dụng đối vớ i nhiều nguồn nguyên liệu SK khác nhau.

1.2.2.1. Nguyên liệu SK [28]

Nguyên liệu sản xuất etanol thích hợ p nhất là đườ ng (từ củ cải đườ ng, mía), rỉ

đườ ng và cây lúa miến ngọt, tinh bột (khoai tây, các loại hạt lúa, lúa mỳ, ngô, đại





mạch…). Năng suất etanol trung bình dao động từ 2.100 đến 5.600 lít/ ha đất trồng trọt

tùy thuộc vào từng loại cây trồng. Đối vớ i các loại hạt, năng suất etanol thu đượ c vàokhoảng 2.800 lít/ha, tức là vào khoảng 3 tấn nguyên liệu hạt sẽ thu đượ c 1 tấn etanol.

Hiện nay các hoạt động nghiên cứu và phát triển ở châu Âu về l ĩ nh vực etanol

sinh học chủ yếu tập trung vào sử dụng các nguồn nguyên liệu cellulose (từ gỗ). Các

loại cây trồng quay vòng ngắn (liễu, bạch dươ ng, bạch đàn), các chất thải nông nghiệp

(rơ m, bã mía), các phế thải của công nghiệp gỗ, gỗ thải... đều thích hợ p để làm nguyên

liệu sản xuất etanol. Cứ khoảng 2 - 4 tấn vật liệu gỗ khô hoặc cỏ khô đã có thể cho 1

tấn etanol. Nguyên nhân khiến ngườ i ta chuyển sang sản xuất etanol từ SK cellulose

(gỗ, thân thảo) là vì các loại này sẵn có và rẻ tiền hơ n so vớ i các loại tinh bột ngũ cốc

hoặc cây trồng khác, đặc biệt là vớ i những nguồn chất thải hầu như không có giá trị

kinh tế thì vấn đề càng có ý ngh ĩ a, tuy nhiên quá trình chuyển hóa các vật liệu này sẽ

khó khăn hơ n. Hàm lượ ng cellulose, hemicellulose, lignin, đườ ng và tro trong các

nguyên liệu SK đượ c biểu hiện trong Bảng 1 và Bảng 2.

Bảng 1: Thành phần cellulose, hemicellulose và lignin trong SK [42]

Thành phần Phần trăm trọng lượ ng khô (%)

Cellulose 40-60

Hemicellulose 20-40

Lignin 10-25

Bảng 2: Thành phần đườ ng và tro trong các nguyên liệu SK [43]

Nguyên liệu

Đườ ng 6

Cácbon (%) Đườ

ng 5

Cácbon (%)

Lignin

(%)

Tro

(%)

Gỗ cứng 39-50 18-28 15-28 0,3-1,0

Gỗ mềm 41-57 8-12 24-27 0,1-0,4

Phụ phẩm nông nghiệp 30-42 12-39 11-29 2-18





1.2.2.2. Công nghệ chuyể n hóa etanol

- Quá trình chuyển hóa từ nguyên liệu chứa đườ ngEtanol có thể sản xuất từ nhiều loại nguyên liệu SK khác nhau, nhưng chỉ có

một vài loại cây trồng chứa nhiều loại đườ ng đơ n giản, dễ tách nên thuận lợ i cho quá

trình xử lý và lên men. Thông thườ ng để tách đườ ng hoàn toàn, quá trình tách (chiết

hoặc nghiền nhỏ) cần đượ c thực hiện lặp đi lặp lại vài lần.

- Quá tình chuyển hóa từ các nguyên liệu chứa tinh bột

Các loại tinh bột ngũ cốc là các vật liệu gồm các phân tử cacbonhydrat phức tạp

hơ n nên phải phân hủy chúng thành đườ ng đơ n nhờ quá trình thủy phân.

Hạt đượ c xay, nghiền ướ t thành dạng bột nhão. Trong quá trình này đã có một

lượ ng đườ ng đượ c giải phóng. Nhưng để chuyển hóa tối đa lượ ng tinh bột thành

đườ ng, tạo điều kiện lên men rượ u, bột nhão đượ c nấu và cho thủy phân bằng enzym

(ví dụ amylaza). Trong trườ ng hợ p thủy phân bằng axit thì cần rót axit loãng vào khối

bột nhão trướ c khi đem nấu. Quá trình lên men đượ c xúc tiến mạnh khi có mặt một số

chủng men rượ u. Để thuận lợ i cho quá trình lên men, pH của dịch thủy phân cần điều

chỉnh ở mức 4,8 - 5,0. Etanol sinh ra trong quá trình lên men sẽ hòa tan trong nướ c.

Quá trình lên men rượ u này sinh ra CO2. Nhờ hàng loạt bướ c chưng cất và tinh cất để

loại nướ c, nồng độ etanol sẽ đượ c tăng cao tối đa (có thể đạt mức cồn tuyệt đối - etanol

khan).

- Quá trình chuyển hóa từ nguyên liệu chứa celluose [28]

Quá trình chuyển hóa SK là hỗn hợ p cellulose thành etanol chỉ khác vớ i quá

trình lên men tinh bột ở chỗ xử lý nguyên liệu thành đườ ng đơ n sẵn sàng cho quá trìnhlên men. Thủy phân hỗn hợ p cellulose khó hơ n thủy phân tinh bột vì hỗn hợ p cellulose

là tập hợ p các phân tử đườ ng liên kết vớ i nhau thành mạch dài (polyme cacbonhyđrat)

gồm khoảng 40 - 60% cellulose và 20 - 40% hemicellulose, có cấu trúc tinh thể, bền.

Hemicellulose chứa hỗn hợ p các polyme có nguồn gốc từ xylo, mano, galaeto hoặc

arabino kém bền hơ n cellulose. Nói chung hỗn hợ p cellulose khó hòa tan trong nướ c.





Phức polyme thơ m có trong gỗ là lignin (10 - 25%) không thể lên men vì khó phân hủy

sinh học, nhưng có thể tận dụng vào việc khác.

Quá trình xử lý sơ bộ:

Một số phươ ng pháp xử lý sơ bộ đượ c trình bày trong Bảng 3 sau đây:

Đườ ngxylose

và nướ c

Hình 1: Quá trình thủ y phân để sả n xuấ t đườ ng từ cellulose

đ i theo sau là quá trình lên men để sả n xuấ t etanol sinh họ c [35]

Nguyên liệu SKligno-cellulose

Thủy phângiải phóng xylose từ

hemicellulose

Phân loại Lên men xylosethành etanol

Ligin làm nhiên liệu

cung cấp nhiệt

Cột

chưng

cất

thu

hồi

etanol

Etanol

Nồi hơ i

Thủy phân cellulose

giải phóng glucose

Nhiệt

Lên men glucoce

Bánhlignin/

celluloserắn

Đườ ng glucose

Và lignin rắn

Lênmen

cả hailoại

Nướ c





Bảng 3: Các phươ ng pháp xử lý sơ bộ [26]

Phươ ng phápTiền xử lýĐặc điểm Ư u điểm Nhượ cđiểm Tài liệutham khảo

Bằng hơ i (cóH2SO4, SO2.

CO2)

- Hơ i nướ c bãohòa áp suất caovà giảm áp 160-2600C (0,7- 4,8Mpa),- Thờ i gian <10phút

Hiệu quả đối vớ i gỗ cứng

- Phânhủy xylanỨ c chế visinh vật

- Kuznetsoval. 2002

AFEX - NH3 lỏng ở

nhiệt độ và ápsuất cao và giảmáp 1-2 g NH3 /gSK khô ở 900Ctrong 30 phút

- Đườ ng hóa nhanh

đối vớ i cây trồngthảo mộc- Xylan mất ít hơ ncách xử lý bằnghơ i axit- Không hình thànhsự ức chế

- Hiệu

quả thấpđối vớ iSK chứalignin cao- Thu hồiamoniac

- Holtzapple et al.

1991- Vlasenko et al.1997

Ôzon 35mg/l ozon ở 250C

- Hiệu quả đối vớ iligin- Không hình

thành sự ức chế - Nhiệt độ và ápsuất trung bình

- Đòi hỏilượ ngozon lớ n

- Đắt đỏ

- Roncero et al.2003

Thủy phânbằng axit

H2SO4, HCl - Thủy phân bằngaxit loãng- Điều kiện trungbình- Năng suất cao đốivớ i xylan thànhxylose

- ăn mònvà độc tố - Thu hồiaxit- Khá đắtđỏ

- Bhandari et al.1983- Ragg et al. 1987- Carrasco et al.1992

Thủy phânbằng kiềm

NaOH,Ca(OH)2, NH3

- Loại bỏ este hiệuquả - Tăng diện tích bề mặt- Giảm DP

Thu hồikiềm

- Fan et al. 1987- Chang et al.1998

- Kaar et al. 2000

Organo-solvolysis

MeOH, EtOH,axeton vớ i HClhoặc H2SO4

- Năng suất xylosecao

- Thu hồidung môi- Đắt đỏ

- Chum et al. 1990- Vázquez et al.1997





Sinh học Nấm nâu, nấmtrắng

- Phân hủy ligninhiệu quả - Yêu cầu nănglượ ng thấp

- Ứ c chế vi sinhvật- Mấtcellulosevà năngsuất thấp

- Crawford et al.1984- Costa et al. 2002

Quá trình thủy phân:

Thủ y phân bằ ng axit

Trong ngành công nghiệp sản xuất etanol, ngườ i ta ưu tiên sử dụng công nghệ thuỷ phân bằng axit vì giá thành của enzyme cellulase quá cao. Theo nguyên tắc, bất cứ

axit nào cũng có thể sử dụng cho quá trình thuỷ phân, nhưng trên thực tế, axit sunfuric

vẫn đượ c dùng phổ biến nhất vì giá thành của nó rẻ và cho hiệu quả thuỷ phân tươ ng

đối cao.

Axit sunfuric sử dụng có thể là axit đặc hoặc axit loãng.

Thủ y phân bằ ng axit loãng

Hình 2: Thủ y phân bằ ng axit sunfuric loãng [39]

Giảmkích thướ c

Bướ c 1:Tiền xử lý

bằng axit loãng

Bướ c 2:Thủy phân

b n axit loãn

Sản xuấtđiện/ nhiệt

Lọcetanol

Thiết bị lên men

Thạch caoTrung hòa/ Khử chất độc





Quá trình thủy phân nguyên liệu thành đườ ng tự do sẵn sàng lên men bằng axit

sunfuric loãng phải trải qua 2 bướ c:- Bướ c 1: Thủy phân bằng axit loãng nồng độ 0,5% để phá vỡ liên kết hyđro

giữa các mạch cellulose và phá vỡ cấu trúc tinh thể của chúng thực hiện ở nhiệt độ

200oC. Kết quả thủy phân bướ c 1 sẽ chuyển hóa hemicellulose thành đườ ng 5C và 6C

(chủ yếu xylo và mano) dễ lên men tạo thành etanol đồng thờ i bẻ gãy cấu trúc

cellulose.

- Bướ c 2: Để chuyển hóa hoàn toàn cấu trúc cellulose đã gãy thành đườ ng gluco

C6, bướ c thủy phân thứ 2 sử dụng axit nồng độ 2% đượ c thực hiện ở nhiệt độ 240oC.

Thủ y phân bằ ng axit đặc

Hình 3: Thủ y phân bằ ng axit sunfuric đặ c [38]

Tách đườ ngvà axit

H2SO4 đậm đặc

Thủy phânThủy phân

Nướ c

Sử dụnglignin

Thu hồi

etanol

Thiết bị lên menDịch đườ ng đã lọc

Bể trung hòaNướ c

Tập trung axit

Thạch cao

Chuyển đổi





Quá trình thuỷ phân vẫn đượ c tiến hành qua hai bướ c, bướ c thứ nhất để thuỷ

phân hemicelulose, đượ c tiến hành ở 100o

C, trong thờ i gian từ 2 – 6h, nồng độ axit chovào là 10%. Ở giai đoạn thuỷ phân thứ nhất, sau khi axit phân huỷ hemicellulose, hỗn

hợ p sẽ đượ c pha loãng bằng nướ c, sự thuỷ phân xảy ra trong bướ c pha loãng thu đượ c

phần lớ n đườ ng. Sau đó, hỗn hợ p đượ c lọc để thu hồi dung dịch, phần chất rắn còn lại

đượ c đem thủy phân tiếp. Tại đây axit đặc phá vỡ liên kết hydro giữa các chuỗi

cellulose, biến đổi chúng thành dạng vô định hình hoàn toàn. Khi cellulose đượ c

decrystallization, chúng tạo thành một dạng chất lỏng, Cellulose rất dễ bị thuỷ phân ở

thờ i điểm này. Chính vì vậy, pha loãng dung dịch bằng nướ c ở nhiệt độ thườ ng sẽ làm

cho sự thuỷ phân glucose diễn ra nhanh chóng và hoàn toàn, vớ i ít sự thất thoát nhất.

Lignin đượ c thu hồi để tận dụng làm các sản phẩm khác (thức ăn gia súc). Trong quy

trình này, ngườ i ta sử dụng màng lọc để phân tách đườ ng và axit, hệ thống thu hồi và

cô đặc axit nhằm tận dụng quay vòng lại lượ ng axit sunfuric trong dung dịch. Tuy

nhiên, hệ thống này có giá thành rất cao, do vậy ngườ i ta thườ ng sử dụng một lượ ng

lớ n vôi để trung hoà axit trong dung dịch trướ c khi tiến hành lên men. Sự trung hoà này

tạo ra một lượ ng lớ n thạch cao CaSO4. Ư u điểm của quy trình là hiệu quả thuỷ phân

cao, có thể thu hồi đượ c 90% cả đườ ng của cellulose và đườ ng của hemicellulose. Quá

trình thủy phân cellulose thành gluco bằng axit có thể thay thế bằng men phân hủy

cellulose [26].

Thủ y phân bằ ng enzyme [39]

Quá trình thủy phân bằng enzyme vàquá trình lên men có thế đượ c diễn ra đồng

thờ i vớ i nhau hoặc tách riêng.

Thu ỷ phân và lên men tách riêng: Vật liệu sau khi đượ c nghiền mịn (giảm kích

thướ c) sẽ đượ c Xử lý sơ bộ bằng axit loãng để thuỷ phân hemicellulose, chất rắn còn

lại (cellulose, lignin) sẽ đượ c thuỷ phân bằng enzyme. Trong bướ c xử lý sơ bộ, chuỗi

liên kết các loại đườ ng cấu thành nên hemicellulose bị phá vỡ , các phân tử





hemicellulose sẽ bị phân huỷ thành các đườ ng đơ n. Cụ thể là các đườ ng 5C có thể hoà

tan như xylose, araibinose và các đườ ng 6C có thể hoà tan như mannose và galactose.Một lượ ng nhỏ cellulose cũng đượ c chuyển hoá thành glucose trong bướ c này. Tiếp

đến cần nuôi dưỡ ng enzyme để thuỷ phân cellulose, enzyme cellulase đượ c sử dụng để

thuỷ phân các phân tử cellulose thành đườ ng glucose. Trong phản ứng thuỷ phân

cellulose, enzyme cellulase đượ c sử dụng để phá vỡ chuỗi liên kết glucan của cellulose,

giải phóng ra glucose. Quá trình thuỷ phân cellulose còn đượ c gọi là sự hoá đườ ng

cellulose. Dung dịch thu đượ c sau giai đoạn xử lý sơ bộ và giai đoạn thuỷ phân

cellulose đượ c lên men bằng vi sinh vật. Sau đó ngườ i ta chưng cất để thu hồi etanol

tinh khiết. Trong quy trình này quá trình thuỷ phân và quá trình lên men đượ c tiến hành

tách rờ i.

Hình 4: Sử d ụ ng enzyme để thu ỷ phân, thu ỷ phân và lên men tách riêng(SCF: separate hydrolysis and fermentation)

Thu ỷ phân và lên men đồng thờ i: Khác vớ i quy trình thủy phân và lên men

đồng thờ i, ở quy trình này quá trình thuỷ phân cellulose và quá trình lên men đượ c tiến

hành đồng thờ i. Quy trình này tuy không phải thực hiện sự thủy phân trướ c nhưng hạn

chế của nó là làm xuất hiện các phản ứng lên men đồng thờ i phức tạp, và làm phát sinh

Giảm kích thướ cXử lý sơ bộ bằng axit

loãng

Thủy phân lấyđườ ng từ

hemicellulose

Thủy phân cellulose

bằn

Chế biếnchất thải rắn

Lên men

Thu hồietanol

Thủy phân

vớ i đườ ngtừ cellulose

Sản xuấtenzyme





các sản phẩm của sản xuất etanol sinh học ức chế hoạt động của enzyme. Quy trình này

đượ c biểu diễn ở Hình 5.

Hình 5: Sử d ụ ng enzyme để thu ỷ phân, thu ỷ phân và lên men đồ ng thờ i

(SSCF: simultaneous saccharification and cofermentation)

1.2.2.3. Thự c tr ạng công nghệ và tính kinh t ế [28]

Lên men đườ ng và sản xuất etanol là công nghệ cổ truyền, đang đượ c áp dụng

trên phạm vi kinh doanh rộng. Để giảm chi phí sản xuất và hạ giá thành sản phẩm hơ n

nữa thì cần cải tiến công nghệ và tìm kiếm các nguồn SK rẻ hơ n (giá nguyên liệu

chiếm 55 - 80% giá sản phẩm cuối). Các công ty của Mỹ và Canađa hiện đang tiếp tục

nghiên cứu tận dụng nguồn SK, là hỗn hợ p cellulose và các nguồn phế thải khác.

Để dùng làm nhiên liệu, etanol phải ở dạng cồn tuyệt đối (xấp xỉ 100%), hiện

nay ngườ i ta đang tiếp tục cải tiến khâu loại bỏ triệt để nướ c từ sản phẩm bằng cách sử

dụng phươ ng pháp lọc màng phân tử.

Còn một công nghệ sản xuất etanol khác là thông qua con đườ ng khí hóa

nguyên liệu, xong rất phức tạp và không kinh tế.

Chi phí đầu tư ngắn hạn cho một cơ sở sản xuất etanol từ hạt ngũ cốc tại châu

Âu, dự tính 290 euro/kW nhiệt (đối vớ i nhà máy 400 MW nhiệt). Nếu đầu tư dài hạn

Giảm kích thướ cTiền xử lýbằng axit

loãng

Thủy phânlấy đườ ng từ hemicellulose

Sản xuấtenzyme

Chế biếnchất thải

rắn

Đườ ng hóavà lên menđồng thờ i

Thu hồietanol





chi phí có thể giảm 40%. Nếu nhà máy sản xuất etanol từ nguồn gỗ, chi phí đầu tư

ngắn hạn khoảng 350 euro/ kW nhiệt, nếu đầu tư dài hạn chi phí giảm 50%.Chi phí sản xuất etanol từ đườ ng và ngũ cốc tại châu Âu và Mỹ hiện khá cao: 15

- 25 euro/ GJ (1Giga Jun = 109 Jun) đi từ củ cải ngọt và 20 euro/ GJ đi từ ngô, tức là

etanol có giá 0,32 - 0,54 euro/ lít (tươ ng đươ ng vớ i 8.640- 14.580VNĐ,1 euro = 27.000

VNĐ). Nếu sản xuất từ nguồn cellulose, giá etanol còn 0,11 - 0,32 euro/ lít (tươ ng

đươ ng vớ i 2.970- 8.640VNĐ.

1.2.3. Tình hình sả n xuấ t và sử d ụ ng etanol sinh họ c

1.2.3.1. S ản xuấ t và sử d ụng etanol sinh học trên thế giớ i [24]

Hiện nay có khoảng 50 nướ c trên thế giớ i khai thác và sử dụng NLSH ở các

mức độ khác nhau. NLSH đượ c dùng làm nhiêu liệu cho ngành giao thông bao gồm:

Dầu thực vật sạch, etanol, diesel sinh học, dimetyl ether (DME), ethyl tertiary butyl

ether (ETBE) và các sản phẩm từ chúng. Năm 2006, toàn thế giớ i đã sản xuất khoảng

50 tỷ lít etanol (75% dùng làm nhiên liệu) so vớ i năm 2003 là 38 tỷ lít, dự kiến năm

2012 là khoảng 80 tỷ lít; năm 2005 sản xuất 4 triệu tấn diesel sinh học (B100), năm

2010 sẽ tăng lên khoảng trên 20 triệu tấn. Sản lượ ng etanol ở một số nướ c đứng đầu

trên thế giớ i đượ c chỉ ra ở Bảng 4.

Bảng 4: Tổng sản lượ ng etanol hàng năm ở một số nướ c [28]

Tổng sản lượ ng Etanol hàng năm của 15 nướ c

đứ ng đầu (2004-2006)

(Triệu tấn gallon Mỹ)

Tổng sản lượ ng Etanol hàng

năm 15 nướ c đứ ng đầu (2007)

(Triệu tấn gallon Mỹ)

Xếphạngthế giớ i

Đất nướ c 2006 2005 2004 Xếphạngthế giớ i

Đất nướ c/ Vùng

2007

1 Mỹ 4.855 4.264 3.535 1 Mỹ 6,498,6

2 Brazil 4.491 4.227 3.989 2 Brazil 5,019,2

3TrungQuốc

1.017 1.004 964 3Liên minh

Châu Âu570,3





4 Ấn Độ 502 449 462 4 Trung Quốc 486,0

5 Pháp 251 240 219 5 Canada 211,36 Đức 202 114 71 6 Thái Lan 79,2

7 Nga 171 198 198 7 Campuchia 74,9

8 Canada 153 61 61 8 Ấn Độ 52,8

9Tây Ban

Nha122 93 79 9 Trung Mỹ 39,6

10 Nam Phi 102 103 110 10 Australia 26,4

11 Thái Lan 93 79 74 11 Thỗ Nh ĩ Kỳ 15,8

12Anh

Quốc74 92 106 12 Pakistan 9,2

13 Ukraine 71 65 66 13 Peru 7,9

14 Ba Lan 66 58 53 14 Argentina 5,2

15Saudi

Arabia52 32 79 15 Paraguay 4,7

Tổng số 13.489 12.150 10.770 Tổng số 13.101,7

(Ghi chú: 1 gallon M ỹ = 3,785 lít)

Năm 2005, Brazil sản xuất 16 tỷ lít etanol, chiếm 1/3 sản xuất toàn cầu. Năm

2006, Brazil đã có trên 325 nhà máy etanol, và khoảng 60 nhà máy khác đang xây cất,

để sản xuất xăng etanol từ mía (đườ ng, nướ c mật, bả mía), và bắp; đã sản xuất 17,8 tỷ

lít etanol, dự trù sẽ sản xuất 38 tỷ lít vào năm 2013.

Hiện tại, diện tích trồng mía ở Brazil là 10,3 triệu ha, một nửa sản lượ ng mía

dùng sản xuất xăng-etanol, nửa kia dùng sản xuất đườ ng. Dự đoán là Brazil sẽ trồng 30

triệu ha mía vào năm 2020. Vì lợ i nhuận khổng lồ, các công ty tiếp tục phá rừng

Amazon để canh tác mía, bắp, đậu nành cho mục tiêu sản xuất xăng sinh họcvừa tiêu

thụ trong nướ c vừa xuất khẩu. Giá xăng etanol đượ c bán bằng nửa giá xăng thườ ng tại

Brazil.





Hoa kỳ sản xuất Etanol chủ yếu từ hạt bắp, hạt cao lươ ng và thân cây cao lươ ng

ngọt, và củ cải-đườ ng. Khoảng 17% sản lượ ng bắp sản xuất hàng năm ở Hoa Kỳ dùngđể sản xuất etanol. Hoa Kỳ đặt chỉ tiêu sản xuất E10 để cung cấp 46% nhiên liệu cho

xe hơ i năm 2010, và 100% vào 2012. Hãng General Motor đang thực hiện dự án sản

xuất E85 từ cellulose (thân bắp), và hiện có khoảng hơ n 4 triệu xe hơ i chạy bằng E85.

Hảng Coskata đang có 2 nhà máy lớ n sản xuất xăng etanol. Hiện tại nông dân Hoa Kỳ

chuyển hướ ng sản xuất lúa mì và bắp cho xăng sinh học, vì vậy số lượ ng xuất khẩu hạt

ngũ cốc giảm từ nhiều năm nay, làm giá nông sản thế giớ i gia tăng Vì giá cả xăng sinh

học còn cao hơ n xăng thườ ng, chính phủ Mỹ phải trợ cấp, khoảng 1,9 USD cho mỗi

gallon (=3,78 lít) xăng sinh học, trợ cấp tổng cộng khoảng 7 tỷ USD/năm.

Đức là nướ c tiêu thụ nhiều nhất xăng sinh học trong cộng đồng EU, trong đó có

khoảng 0,48 triệu tấn etanol. Nguyên liệu chính sản xuất etanol là củ cải đườ ng.

Pháp là nướ c thứ hai tiêu thụ nhiều etanol sinh học trong cộng đồng Âu châu vớ i

mức khoảng 1,07 triệu tấn etanol và diesel sinh học năm 2006. Công ty Diester sản

xuất diesel sinh học và Téréos sản xuất etanol là 2 đại công ty của Pháp.

Thuỵ Điển có chươ ng trình chấm dứt hoàn toàn nhập khẩu xăng cho xe hơ i vào

năm 2020, thay vào đó là tự túc bằng xăng sinh học. Hiện nay, 20% xe ở Thuỵ Điển

chạy bằng xăng sinh học, nhất là xăng etanol. Thuỵ Điển đang chế tạo xe hơ i vừa có

khả năng chạy bằng etanol vừa có khả năng chạy bằng điện. Để khuyến khích sử dụng

xăng sinh học, chính phủ Thuỵ Điển không đánh thuế xăng sinh học, và trợ cấp xăng

sinh học rẻ hơ n 20% so vớ i xăng thông thườ ng, không phải trả tiền đậu xe ở thủ đô và

một số thành phố lớ n, bảo hiểm xe cũng rẻ hơ n.

Vươ ng quốc Anh đặt chỉ tiêu 5% xe giao thông sử dụng xăng sinh học năm

2010. Hiện tại các xe bus đều chạy xăng sinh học. Hảng hàng không Virgin (Anh quốc)

bắt đầu sử dụng xăng sinh học cho máy bay liên lục địa.

Trung quốc đã sản xuất 920.000 tấn etanol. Chỉ tiêu sản xuất 4 triệu tấn

etanol vào năm 2010, và 300 triệu tấn etanol vào 2020. Hiện nay Trung quốc chỉ cho





phép trồng sắn, lúa miến ngọt và một số hoa màu không quan trọng khác trên các

loại đất nghèo dinh dưỡ ng, không thích ứng sản xuất nông nghiệp như ở Shangdongvà Xinjiang Uygur.

Ở Ấn Độ, Chính phủ đã có chính sách sử dụng xăng etanol E5 hiện nay, và E10

và E20 trong những năm tớ i. Ần Độ gia tăng diện tích trồng cây dầu lai để sản xuất

diesel sinh học, và diện tích mía cho sản xuất xăng etanol.

Thái Lan bắt đầu nghiên cứu sản xuất xăng sinh học từ năm 1985. Năm 2001,

Thái Lan thành lập Uỷ ban NLSH để điều hành và phát triển nghiên cứu NLSH. Xăng

E10 đã bắt đầu bán ở các trạm xăng từ 2003.

Sử dụng etanol sinh học: etanol sinh học chủ yếu đượ c nghiên cứu sử dụnglàm nhiên liệu [28]:

Etanol có thể làm phụ gia cấp oxy cho xăng (nồng độ 3%) giảm phát thải khí

CO đồng thờ i làm phụ gia thay thế chì tetraetyl, hoặc cũng có thể thành nguyên liệu

sản xuất etylterbutyleter (ETBE)- một phụ gia cho xăng. Etanol còn đượ c dùng làm yếu

tố tăng chỉ số octan cho xăng và qua đó giảm nổ và cải thiện tiếng ồn động cơ .

Chỉ số octan ở etanol cao nên rất thích hợ p vớ i hệ đánh lửa động cơ đốt trong

của ô tô, song chỉ số xetan thấp nên không thích hợ p lắm vớ i động cơ diezel. Giải pháp

kỹ thuật đối vớ i điều này là ngườ i ta sẽ đưa vào nhiên liệu một lượ ng nhỏ dầu diezel

hoặc là sử dụng phụ gia.

Bảng 5: So sánh một số chỉ tiêu giữ a etanol, xăng và ETBE

TT Đặc tính nhiên liệu Etanol ETBE Xăng (Quy ướ c)

1 Công thức hóa học C2H5OH C4H9-OC2H5 C8H15

2 Khối lượ ng phân tử (kg/kmol) 46 102 1113 Chỉ số octan (RON) 109 118 97

4 Chỉ số octan (MON) 92 105 86

5 Chỉ số xetan 11 - 8

6 Áp lực bay hơ i Reid là chỉ số đo độ

bay hơ i của nhiên liệu (kPa) ở 150C

16,5 28 0





7 Khối lượ ng riêng (kg/l) ở 150C 0,80 0,74 75

8 Giá trị calo thấp hơ n (MJ/kg) ở 150C 26,4 36 0,75

Chỉ số octan của etanol cao hơ n xăng nên có tác dụng giảm tiếng ồn động cơ tốt

hơ n, hơ n nữa etanol chứa oxy nên hiệu quả nhiên liệu ở động cơ đượ c cải thiện hơ n.

Pha trộn vớ i tỉ lệ hợ p lý giữa etanol và xăng sẽ làm tăng hiệu quả động cơ xe. Các loại

xe chạy nhiên liệu xăng pha etanol đượ c gọi là xe chạy nhiên liệu gasohol. Thông

thườ ng gasohol có tỉ lệ pha trộn 10% etanol 90% xăng không pha chì (E10). Nếu xe

đượ c cải thiện bộ phận đánh lửa ở động cơ , có thể chạy vớ i nhiên liệu gasohol E85

(85% etanol và 15% xăng). Đa số các loại xe thiết kế ở Mỹ hiện nay có thể chạy nhiên

liệu tùy ý cả E85 lẫn chạy hoàn toàn xăng (E0). Dùng gasohol có tỷ lệ pha trộn từ 10 -

30% etanol vào xăng thì không cần cải tiến động cơ xe.

Xu hướ ng sản xuất etanol từ nguyên liệu SK

Theo nhận định của ông Donald Coxe, nhà chiến lượ c hàng đầu, của tập đoàn

tài chính BMO Canada, một cuộc khủng hoảng lươ ng thực mớ i đang xuất hiện và sẽ trở nên trầm trọng hơ n bất kỳ cuộc khủng hoảng lươ ng thực nào trướ c đây thế giớ i

từng chứng kiến. Việc sử dụng đất để trồng cây nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh

học có thể ảnh hưở ng đến nguồn cung cấp lươ ng thực, hoặc làm tăng giá lươ ng thực,

đặc biệt đối vớ i các nướ c đang phát triển. Khi nông dân trồng cây nguyên liệu có lợ i

hơ n trồng cây lươ ng thực sẽ làm giảm sản lượ ng lươ ng thực. Để giải quyết nguồn

nguyên liệu SK sản xuất năng lượ ng sinh học, ngoài cây lươ ng thực, các quốc gia có

nguy cơ thiếu nhiều năng lượ ng đang tìm kiếm các nguồn cây trồng khác có thể canhtác trên đất hoang hóa, trên cạn, dướ i nướ c, đồng thờ i tích cực tìm kiếm công nghệ

mớ i thu hiệu suất cao, tiết kiệm nguyên liệu, hạ giá thành.

Tính toán sản lượ ng lý thuyết etanol từ 1 tấn nguyên liệu khô như Bảng 6.





“ Đề án phát triể n nhiên liệu sinh học đế n năm 2015, t ầm nhìn đế n năm 2025”

đã đượ c Chính phủ phê duyệt vào ngày 20/11/2007 theo đó “Giai đoạn 2011-2015, sẽ phát triển mạnh sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học thay thế nhiên liệu truyền

thống, mở rộng quy mô sản xuất và mạng lướ i phân phối phục vụ cho giao thông và

các ngành sản xuất công nghiệp khác. Đến năm 2020, công nghệ sản xuất nhiên liệu

sinh học ở Việt Nam sẽ đạt trình độ tiên tiến trên thế giớ i, vớ i sản lượ ng đạt khoảng 5

tỷ lít xăng E10 và 500 triệu lít dầu biodiesel B10/năm”.

Việt Nam vớ i đất hẹp (diện tích canh tác khoảng 9,3 triệu ha), dân đông (85

triệu năm 2007, trung bình mỗi đầu ngườ i 0,11 ha), lại nghèo (GDP trung bình là

US$726/ đầu ngườ i năm 2006), vùng sản xuất nông nghiệp chính là đồng bằng Cửu

Long và Sông Hồng đã quá tải. Đất canh tác hiện nay phải tiếp tục sản xuất lươ ng thực

thiết yếu cho đờ i sống ngườ i dân. Vì vậy, Việt Nam phải tìm nguồn nguyên liệu thực

vật nào để sản xuất xăng sinh học mà không ảnh hưở ng đến sản xuất và cung cấp lươ ng

thực. Cụ thể là: (i) không ảnh hưở ng đến diện tích đất trồng cây lươ ng thực, chăn nuôi

gia súc, nuôi cá tôm hiện tại; (ii) không đượ c phá thêm rừng; (iii) thích hợ p trên diện

tích đất bỏ hoang cằn cổi, sa mạc hoá, tổng cộng khoảng 10 triệu ha, gồm đất đồi trọc ở

Miền Bắc (4,77 triệu ha), Bắc Trung Bộ (1,9 triệu ha), phía Nam Trung Bộ (1,63 triệu

ha), và Tây nguyên (1,05 triệu ha, (iv) có hiệu quả kinh tế cao; (v) tăng lợ i nhuận, giúp

xoá đói giảm nghèo cho nông dân.

Hiện nay, cây lúa miến ngọt (sweet sorghum) là một cây trồng đượ c quan tâm

trrong nghiên cứu sản xuất etanol sinh học: Trồng cây lúa miến ngọt trong mùa hạn

trên vùng ruộng sạ ở đồng bằng Cửu Long. Trướ c 1960, sau khi gặt lúa sạ, tại An

Giang Châu Đốc đất bỏ hoang từ tháng 1 đến tháng 5 dươ ng lịch là lúc mùa khô, thiếu

nướ c canh tác. Bắt đầu khoảng sau 1965, nông dân trồng cây lúa miến trong các tháng

mùa khô trên đất thiếu nướ c để làm thức ăn cho gia súc và cá, và lúa thuần nông trên

một số ruộng đất dọc sông rạch có khả năng bơ m nướ c. Hiện nay, đa số đất còn bỏ





hoang trong mùa khô vì thiếu nướ c, hay không có lợ i khi canh tác lúa (vì giá xăng,

phân, thuốc quá cao).Lúa miến chịu hạn hán, chịu đượ c đất phèn, đất mặn, đất kiềm, chịu đượ c nướ c

ngập, ít sâu bọ bệnh tật, ít đòi hỏi phân bón, ít tốn nướ c tướ i (chỉ bằng 1/4 nhu cầu

nướ c của mía). Đây là loại cây trồng phù phợ p vớ i đất vùng Tứ Giác Long Xuyên.

1.3. Sản xuất nông nghiệp và thự c trạng sử dụng phế PPNN ở Việt Nam

1.3.1. Tình hình sả n xuấ t nông nghiệ p

Nông nghiệp Việt Nam gồm có 2 ngành chính là trồng trọt và chăn nuôi trong

đó trồng trọt tập trung vào các loại cây: lúa, ngô, khoai, sắn...các loại cây công nghiệp

ngắn,dài ngày. Diện tích gieo trồng và sản lượ ng một số loại cây trồng công nghiệp

hàng năm đượ c chỉ ra ở Bảng 7.

Bảng 7: Diện tích gieo trồng và sản lượ ng một số loại cây trồng năm 2008 [13]

TT Cây trồng Diện tích gieo trồng

(nghìn ha)

Sản lượ ng

(nghìn tấn)

1 Lúa 7414,3 38725,1

2 Ngô 1125,9 4531,23 Khoai lang 162,2 1323,9

4 Sắn 557,7 9395,8

5 Cây công nghiệp hàng năm

Bông 5,2 6,9

Đay 3,4 8,8

Cói 11,7 84,7

Mía 271,1 1628,0

Lạc 256,0 533,8

Đậu tươ ng 191,5 268,6

Thuốc lá 16,4 28,7





Số liệu bảng 7 cho thấy cây trồng nông nghiệp chủ yếu là lúa, sau đó là ngô, các

cây trồng khác chiếm tỉ lệ nhỏ hơ n. Như vậy, lượ ng PPNN (phần để lại sau thu hoạchnhư gốc rễ,thân, lá…) sau mỗi vụ thu hoạch rất lớ n. Nếu tính sơ bộ, lượ ng phụ phẩm

chiếm 50% SK thì hàng năm cũng có tớ i trên 38 triệu tấn rơ m rạ từ cây lúa và khoảng

16 triệu tấn thân cây ngô bị bỏ lại trên đồng ruộng. Đây là lượ ng SK rất lớ n, một nguồn

nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất etanol nếu đượ c đầu tư nghiên cứu.

1.3.2. Phụ phẩ m nông nghiệ p và các vấ n đề phát thải sau thu hoạ ch

1.3.2.1. S ử d ụng phụ phẩ m nông nghiệ p

Hiện nay, PPNN (rơ m rạ) thườ ng đượ c sử dụng làm thức ăn gia súc, trồng nấm

và tận dụng làm phân bón hữu cơ . Trong vài năm gần đây PPNN đang thu hút sự quan

tâm của các nhà khoa học, các ngành về tiềm năng sản xuất điện và etanol.

a- Làm thứ c ăn gia súc

PPNN thườ ng đượ c làm thức ăn cho gia súc. Đặc biệt đượ c ủ vớ i u rê làm

nguyên liệu giàu dinh dưỡ ng, dự trữ cho mùa đông thiếu thức ăn xanh.

Các PPNN thườ ng dùng là rơ m rạ, thân cây lạc, ngọn lá sắn, bã mía, v.v. [14]

b- T ận d ụng phế phụ phẩ m làm phân bón hữ u cơ

Khi đượ c sử dụng là nguồn nguyên liệu sản xuất phân bón hữu cơ sinh học,

PPNN đượ c phối trộn lẫn vớ i một số nguyên liệu khác như phân chuồng, đạm, chế

phẩm vi sinh vật. Các PPNN thườ ng dùng là xác bã thực vật như xác rau xanh, thân

cây lạc.[22]

Ngoài ra còn sử dụng một số nguồn nguyên liệu là PPNN khác như vỏ cà phê,

rơ m rạ…

c- S ản xuấ t đ iện

Sử dụng PPNN sản xuất điện đã và đang đượ c nghiên cứu. Các PPNN đượ c

nghiên cứu là vỏ trấu, lõi ngô, bã mía.





Năm 2006, Viện Cơ điện Nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch đã hoàn

thiện công nghệ sản xuất điện từ các loại PPNN. Viện đã xây dựng đượ c 7 lò sấy vàphát nhiệt ở tỉnh Long An, Kiên Giang, Tp Hồ Chí Minh, Gia Lai... [20,21]

Dây chuyền công nghệ sản xuất điện gồm 6 bộ phận: nồi hơ i và lò đốt, tuốc bin

hơ i, máy phát, thiết bị trao đổi nhiệt, máy sấy tầng sôi, máy sấy thấp. Nguyên lý hoạt

động khá đơ n giản: Nướ c sạch từ hệ thống cấp nướ c đượ c đưa vào bộ xử lý nướ c rồi

chảy vào bể chứa.

Theo tính toán của Phạm Văn Lang, sản xuất 1 KW điện cần khoảng 3 - 4 kg

chất thải là PPNN.

d- S ản xuấ t etanol sinh học

Nghiên cứu sản xuất etanol làm nhiên liệu sinh học làm nhiên liệu từ PPNN đã

đượ c quan tâm.

Các nhà khoa học Đài Loan thành công trong phòng thí nghiệm biến chế etanol

từ rơ m rạ, cứ mỗi 10 kg rơ m rạ thu đượ c 2 lít cồn 99,5% để pha làm xăng sinh học

(Taipei Times, 19/2/2008), nhưng phải mất vài năm nữa mớ i có thể sản xuất quy mô

thươ ng mại. Các nghiên cứu ở Trung quốc cho thấy, xăng sinh học sản xuất từ rơ m rạ

đắt hơ n xăng dầu mỏ khoảng 250 USD/tấn. Hãng General Motors của Hoa Kỳ đã hợ p

tác vớ i Công ty sản xuất etanol Coskata để sản xuất thanol từ thân bắp vào cuối năm

2008, và kể từ 2011 sẽ sản xuất 50 – 100 triệu gallons/năm, vớ i giá 1 USD/gallon

[23,28].

Ở Việt Nam, theo nghiên cứu thuộc đề tài “Nghiên cứ u công nghệ xử lý một số

loại PPNN bằ ng nướ c áp suấ t cao để thu dung d ịch đườ ng có khả năng lên men t ạo

thành Etanol” của Nguyễn Hoàng Dũng (Đại học Bách Khoa, TP.HCM), PPNN đượ c

sử dụng là rơ m, rạ, trấu. Để “biến” thành etanol, rơ m, rạ, trấu đượ c xử lý bằng thiết bị

phản ứng thủy nhiệt ở quy mô phòng thí nghiệm. Sau đó đượ c tiếp tục nghiên cứu ở

quy mô pilot trên thiết bị cấp hơ i nướ c áp suất cao. Thiết bị thủy nhiệt này do Trườ ng

Đại học Tokyo (Nhật Bản) cung cấp.





Cả 3 loại phụ phẩm trên đượ c xử lý hơ i nướ c ở nhiều chế độ thí nghiệm khác

nhau, sau đó chúng đượ c phân tích bằng acid để xác lập chế độ tối ưu cho quá trình xử lý hơ i nướ c.

Trên cơ sở đó, nghiên cứu quá trình thủy phân Enzym và lên men để chứng

minh khả năng chuyển hóa rơ m rạ, trấu là các nguồn phế PPNN chủ yếu hiện nay thành

cồn nhiên liệu. Nhóm nghiên cứu đã thu đượ c cồn nhiên liệu trên 900.

1.3.2. V ấ n đề phát thải sau thu hoạch

Hiện nay, PPNN không còn đượ c sử dụng nhiều trong chăn nuôi do xu hướ ng

sử dụng thức ăn chăn nuôi công nghiệp đang diễn ra mạnh mẽ. Hơ n nữa, việc sử dụng

phụ phẩm theo cách thức truyền thống cho việc đun nấu không còn nữa. Do vậy, ngườ i

dân sau khi thu hoạch sản phẩm chính, phần còn lại (phụ phẩm) đượ c thải bỏ tại đồng

ruộng, chất đống rồi đốt. Việc đốt phụ phẩm này không những gây ô nhiễm môi trườ ng

do phát thải vào không khí nhiều khí độc hại mà còn lãng phí tài nguyên và gây ra

nhiều tác hại khác.

Theo nghiên cứu của Ấn

Độ, việc đốt rơ m rạ hay tàn dư

cây trồng trong vùng đồng bằng

sông Hằng thải ra khoảng 0,14

triệu tấn khí metan (CH4). Số

lượ ng này tươ ng đươ ng 20% của

tổng khí CH4 thoát ra từ cánh

đồng lúa nướ c trong cùng một

vùng. Khí CO2 sinh ra do việc Hình 6: Đố t rơ m rạ sau thu hoạ ch tại ruộ ng

dùng dầu diesel để chạy máy nông nghiệp và do quá trình đốt cháy tàn dư cây trồng

hoặc rơ m rạ. Khí N2O do đốt cháy tàn dư cây trồng sản sinh ra 40g N2O/tấn rơ m rạ.

Nếu như giả định cả đồng bằng sông Hằng vớ i 12 triệu ha đượ c đốt cháy thì 2.000 tấn

khí N2O đã phóng thích vào bầu khí quyển.[24]





1.3.3. Cây ngô và phụ phẩ m từ cây ngô

Theo số liệu thống kê của Tổng cục thống kê Việt Nam, diện tích ngô trồngtrồng từ năm 2000 đến năm 2008 đượ c thể hiện trong Bảng 8.

Bảng 8: Diện tích gieo trồng ngô trồng từ năm 2000 đến năm 2008 [13]

Diện tích gieo trồng (nghìn ha)Năm

Cả

nướ c

Đồng

bằng

sông

Hồng

Trung du

và miền

núi phía

Bắc

Bắc Trung Bộ

và duyên hải

miền Trung

Tây

Nguyên

Đông

Nam

Bộ

Đồng

bằng sông

Cử u Long

2000 730,2 97,8 282,5 144,1 86,8 100,0 19,0

2004 991,1 89,8 348,4 211,4 209,2 99,8 32,5

2005 1052,6 88,3 371,5 225,6 236,6 95,7 34,9

2006 1033,1 85,3 369,6 224,4 227,6 92,5 33,7

2007 1096,1 91,0 426,3 213,9 235,6 92,6 36,7

2008 1125,9 98,4 440,5 219,7 236,9 89,5 40,9

Nếu ướ c tính lượ ng phụ phẩm của cây ngô để lại trên đồng ruộng vào khoảng

50-60 tấn/ha thì tổng lượ ng phụ phẩm của cây ngô hàng năm sẽ là 50-60 triệu tấn

thân lá cây ngô. Đây là một lượ ng phụ phẩm rất lớ n, nguyên liệu tiềm năng cho sản

xuất ethanol sinh học.

Phụ phẩm từ cây ngô bao gồm: thân, lá, bẹ và lõi ngô. Sản phẩm và các hợ p

phần khác nhau của cây ngô đượ c minh họa ở Hình 7.





Hình 7: Các phụ phẩ m cây ngô sau thu hoạ ch [4]

Hiện trạng sử dụng phụ phẩm từ cây ngô:

Thân và lá ngô

Vào mùa thu hoạch ngườ i dân thườ ng bẻ bắp ngô riêng, còn thân và lá hầu hết

đượ c chặt và phơ i ngay tại ruộng (khoảng 90%), cho đến khi khô. Tùy theo từng vùng

mà thân cây ngô có thể bị thải bỏ tại ruộng hoặc đượ c vận chuyển về nhà sử dụng cho

các mục đích khác nhau như làm thức ăn cho gia súc, làm chất đốt cho đun nấu trong

gia đ ình.

Thân, lá ngô đượ c dùng làm thức ăn cho gia súc là rất tốt vì thân cây ngô hàm

lượ ng chất xơ chiếm 31,5% (trong đó hợ p chất chứa 6 cácbon 40%; hợ p chất chứa 5

cácbon 24%; lignin 14%, Hình 8), protein thô chiếm 7,6%, hàm lượ ng đườ ng tinh bột

cao hơ n so vớ i rơ m rạ [23].

Lõi và bẹ ngô

Bắp ngô sau khi thu hoạch về, lá bẹ đượ c bóc ra. Khi còn tươ i bẹ dùng một phần

làm thức ăn cho gia súc còn phần lớ n đượ c phơ i khô để đun nấu.

Bắp ngô sau khi tách hạt còn lại lõi ngô. Lõi ngô đượ c phơ i khô và dùng cho

đun nấu hoặc vứt bỏ.

Cây ngô

Phụ phẩm:Thân, lá ngô

Bắp ngô

Phụ phẩm:Lõi và bẹ ngô Hạt ngô





Hình 8: Thành phầ n nguyên liệu SK [28]

Ash- Tro; Extractives: Các chất khác

1.4. Vai trò của vi sinh vật trong việc phân giải hợ p chất hữ u cơ

1.4.1. Cellulosese và vi sinh vậ t phân giải cellulosese

1.4.1.1. Cellulose

Cellulose là thành phần chủ yếu của vách tế bào thực vật và chiếm 505 tổng

lượ ng hydrocacbon trên trái đất. Ngoài thực vật, cellulose cũng là nguồn chủ yếu trong

SK động vật, nhưng số lượ ng rấ ít hơ n. Cellulose là polysacarit gồm có anhydro- D- ...

liên kết vớ i nhau bằng liên kết -1,4-glucozit. Mức độ polyme hóa của cellulose

rất cao tớ i 10000-14000 đơ n vị glucoza/

phân tử. Số lượ ng lớ n liên kết hydro nội

và gian phân tử làm cho phân tử cellulose

có độ cứng và vững chắc [36].Liên kết glucozit không bền vớ i

axit, cellulose dễ bị phân hủy bở i acid và

tạo thành sản phẩm phân hủy không hoàn

toàn là hydro- cellulose có độ bền cơ học Hình 9: C ấ u trúc cellulose

Rơ m r Thân câ n ô Gỗ cứn Bắ n ô

Phần

Trăm

Khối

Lượ ng





kém hơ n cellulose nguyên thủy, còn khi thủy phân hoàn toàn thì sản phẩm tạo thành là

D-glucoza.Về bản chất hóa học cellulose là một rượ u đa chức có phản ứng vớ i kiềm hay

kim loại kiềm tạo thành cellulose-ancolat. Nguyên tử hydro ở các ở các nhóm OH bậc

một và hai trong phân tử Cellulose cũng có thể bị thay thế bở i các gốc – metyl, -etyl,

… tạo ra những chất có độ kết tinh và độ hòa tan trong nướ c khác nhau.

Cellulose cũng bị oxy hóa bở i một số tác nhân tạo thành sản phẩm oxy hóa một

phần là oxy- Cellulose. Tác nhân oxy hóa chọn lọc nhất là acid iodic (HIO4), và muối

của nó. Cellulose không tan trong nướ c, dung dịch kiềm làm trươ ng phồng mạch

Cellulose và hòa tan một phần Cellulose phân tử nhỏ. Đặc biệt Cellulose dễ hòa tan

trong dung dịch đồng amin hydrat (Cu(NH3)4(OH)2), và hàng loạt các dung dịch là các

phức chất của đồng, niken, cadmi, kẽm….[37]

1.4.1.2.Vi sinh vật phân giải cellulose

Vi sinh vật có khả năng phân giải cellulose là những vi sinh vật có khả năng

tổng hợ p đượ c hệ enzym celluloza. Hệ enzym celluloza gồm bốn enzym khác nhau

[32,34].

Cellobiohydrolaza có tác dụng cắt đứt liên kết hydro làm biến dạng celluloza tự

nhiên, phân giải vùng kết tinh tạo dạng cấu trúc vô định hình.

Endoglucanaza có khả năng cắt đứt các liên kết β 1-4 glucozit bên trong phân tử

tạo thành những chuỗi dài.

Exo- gluconaza có khả năng phân giải các chuỗi dài trên thành các disacarit gọi

là xellobioza .

β- gluconaza sẽ thuỷ phân xellobioza thành glucoza.

Trong tự nhiên có rất nhiều nhóm vi sinh vật có khả năng phân huỷ celluloseza

nhờ hệ enzym xellulaza ngoại bào [30, 36, 37]:

Nấm mốc ( Aspergillus, Fusarium, Mucor, Tricoderma...) có cấu tạo dạng hệ sợ i,

sinh sản chủ yếu bằng bào tử. Chúng phát triển mạnh ở nhiệt độ 25-300C và pH= 6,5-





7,0, chúng có khả năng phân giải cellulose mạnh nhất nhờ có khả năng sinh tổng hợ p

enzym rất cao.Nhiều loài vi khuẩn cũng có khả năng phân giải cellulose tuy nhiên cườ ng độ

không mạnh bằng vi nấm. Nguyên nhân là do lượ ng enzym tiết ra môi trườ ng ít hơ n,

thành phần lại không đầy đủ. Ở trong đất có rất ít loài vi khuẩn có khả năng tiết ra đủ

bốn loại enzym trong hệ enzym xelluloza mà thườ ng mỗi nhóm vi sinh vật chỉ sản sinh

ra một loại enzym tươ ng ứng. Do vậy các nhóm vi sinh vật phải phối hợ p vớ i nhau để

phân giải cơ chất trong mối quan hệ tươ ng hỗ, thông thườ ng bao gồm các vi sinh vật

sau: Pseudomonas, Xellulomonas, Achromonobacter, Clostridium, Ruminococus

Xạ khuẩn cũng góp phần tích cực trong chuyển hoá cellulose. Các chủng xạ

khuẩn đượ c ứng dụng phổ biến hiện nay thuộc chi Streptomycin. Các chủng xạ khuẩn

này thuộc nhóm ưa nóng sinh trưở ng phát triển tốt ở nhiệt độ 45-50 0C rất thích hợ p

cho các quá trình phân huỷ các hợ p chất hữu cơ . Ngoài ra, một số nấm men cũng có

khả năng sinh enzym phân huỷ celluloza như: Candida, Saccharomyces…

1.4.2. Hemicellulosese và vi sinh vậ t phân giải hemicellulosese

1.4.2.1. Hemicellulose

Hemicellulose là một phần polysacarit thườ ng gặp trong vách tế bào thực vật

vớ i hàm lượ ng lớ n sau cellulose. Cellulose và hemicellulose đượ c hình thành không chỉ

từ một đườ ng mà nhiều đườ ng khác nhau, thậm chí cả từ axit urnoic của chúng. Ngườ i

ta gọi tên cụ thể một loại hemicellulose là dựa theo tên loại đườ ng chủ yếu tạo nên nó.

Ví dụ: xylan là một hemicellulose mà thành phần chủ yếu của nó là xyloza, manan –

manoza,... Trong gỗ cây lá kim, chủ yếu hemicellulose đượ c tạo thành từ loại đườ ng 6

cacbon.

Khác vớ i cellulose, phân tử hemicellulose nhỏ hơ n nhiều thông thườ ng không

quá 150 gốc đườ ng, đượ c nối vớ i nhau không chỉ bằng liên kết -1,4 mà còn bằng liên

kết -1,3 và -1,6 glucozit tạo ra mạch ngắn và phân nhánh





Vì độ polyme thấp, phân nhánh và hỗn hợ p nhiều đườ ng nên hemicellulose

không có cấu trúc chặt chẽ như ở cellulose và độ bền hóa lý cũng thấp hơ n.Hemicellulose dễ tan trong dung dịch kiềm, trong nướ c nóng và dễ bị phân hủy bở i

acid loãng.

Xylan là một hemicellulose phổ biến nhất trong tự nhiên chiếm 30% khối lượ ng

rơ m rạ, 20-25% trong gỗ cây lá rộng, 7-17% trong gỗ cây lá kim.

1.4.2.2.Vi sinh vật phân giải hemicellulose

Khi nghiên cứu hemicellulose, ngườ i ta thấy chúng giống vớ i cellulose về cấu

tạo, liên kết hoá học và cấu trúc đại phân tử. Nhiều tác giả cho rằng, hemixenlulose có

tính chất tươ ng đồng vớ i cellulose về cơ chế tác động, tính chất cảm ứng tổng hợ p. Tuy

nhiên, giữa hemixenlulose và cellulose cũng có nhiền sự khác biệt. Hemicellulose có

khối lượ ng phân tử nhỏ hơ n, cấu trúc đơ n giản và kém bền vững hơ n [27,31].

Đa số vi sinh vật có khả năng tổng hợ p celluloza cũng có khả năng tổng hợ p

xynalaza để phân huỷ xylan. Khả năng này thườ ng thấy ở vi sinh vật sống trong dạ cỏ

động vật nhai lại như: Bacillus, Bacteriodes, Butyvibrio, Ruminococus và các vi khuẩn

chi Clostridium.

Ngoài ra, một số loài nấm sợ i như Mycotheciumverrucria, Chactomium,

Stachybtrys… một số loài nấm xốp trắng cũng có khả năng phân giải hemicellulose

như: Corrodusversicolor, Polyrus anceps, Phanerochaete, aspergillus fumigatus… và

nhóm xạ khuẩn gồm Streptomyces, Pseudomonas, Bacillus… [31,36].

1.5. Vai trò của vi sinh vật trong quá trình lên men rượ u [12]

1.5.1. Quá trình lên men rượ u

Phươ ng trình tổng quát về lên men rượ u như sau:

C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2 + Q

Theo Pasteur, sự lên men chỉ xảy ra khi có mặt của vi sinh vật. Nếu ngăn cản

không cho vi sinh vật tiếp xúc vớ i dịch đườ ng thì hiện tượ ng lên men sẽ không xảy ra.





Như vậy, sự lên men rượ u là một quá trình sinh học có lên hệ mật thiết tớ i hoạt động

của tế bào men”.Cơ chế lên men rượ u xảy ra như sau: Đườ ng và các chất dinh dưỡ ng đượ c hấp

thụ qua bề mặt tế bào rồi thẩm thấu vào bên trong. Ở đó các enzym sẽ tác dụng qua

nhiều giai đoạn trung gian để cuối cùng tạo ra sản phẩm chính là rượ u và khí cacbonic.

Hai chất này đều khuếch tán và tan vào môi trườ ng xung quanh. Rượ u do rất linh động

nên hòa tan nhanh trong dịch lên men, còn khí cacbonic hòa tan kém và khuếch tán

chậm. Lúc đầu CO2 hòa tan hoàn toàn, dần dần tạo thành các bọt khí bám quanh tế bào

men và lớ n dần tớ i mức lực đẩy Archimedes lớ n hơ n khối lượ ng tế bào men cộng bọt

khí. Lúc đó tế bào cùng bọt khí nổi dần lên, khi tớ i bề mặt các bọt khí sẽ tan vỡ và tạo

thành tiếng rào rào (ta quen gọi là men ăn). Bọt khí tan, tế bào men lại chìm dần, tiếp

xúc vớ i dịch đườ ng để hấp thụ và lên men rồi lại sản ra rượ u và khí cacbonic. Như vậy

tế bào nấm men từ chỗ là vi sinh vật không chuyển động đã biến thành tế bào luôn

chuyển động trong quá trình lên men. Nhờ đó mà tăng nhanh tốc độ hấp thụ và chuyển

hóa đườ ng thành rượ u. Khi đườ ng và các chất dinh dưỡ ng trong môi trườ ng còn ít, một

lượ ng lớ n tế bào men sẽ lắng xuống đáy thùng, dịch lên men sẽ trong dần.

Nấm men có thể lên men trong dịch đườ ng có nồng độ 25 đến 30%, nhưng

chậm. Nồng độ thích hợ p cho đa số nấm men dùng trong sản xuất rượ u là 15 đến 18%.

Nồng độ cao thì áp suất thẩm thấu sẽ lớ n, do đó ảnh hưở ng xấu tớ i hiệu quả lên men,

lên men sẽ kéo dài, đườ ng sót lại trong giấm chín sẽ tăng. Nếu lên men ở nồng độ

đườ ng thấp cũng không có lợ i vì tổn thất do tạo men sẽ tăng. Ví dụ khi lên men dịch

đườ ng có nồng độ 16,9% , tổn thất đườ ng do tạo men chiếm 6% so vớ i lượ ng đườ ng có

trong dung dịch; nếu nồng độ đườ ng là 8,6% thì tổn thất do tạo men chiếm tớ i 9,84%.

Mặt khác, lên men ở nồng độ thấp sẽ làm giảm năng suất của thiết bị, tốn nhiều hơ i khi

chưng cất và làm tăng tỉ lệ tổn thất rượ u trong bã và nướ c thải.

Khi lên men có khoảng 95% đườ ng biến thành rượ u và CO2, còn 5% là tạo các

sản phẩm khác và đườ ng sót.





Lên men thườ ng đượ c tiến hành ở nhiệt độ 28-320C và pH = 4,5- 5,2. Ở nhiệt độ

cao thì tổn thất đườ ng trong quá trình lên men sẽ lớ n do tạp khuẩn dễ phát triển, tạonhiều este aldehyt. Khi lên men ở 29,50C, tổn thất do tạo men là 7,37%, ở 17,50C là

5,32% và nếu lên men dịch đườ ng ở 100C thì tổn thất do tạo men chỉ chiếm 4,42%

lượ ng đườ ng có trong dung dịch. Xét về ảnh hưở ng của pH thì tổn thất sẽ ít nhất khi

lên men ở pH= 4,4. Nếu tăng pH thì tổn thất sẽ tăng nhanh và nhiều hơ n so vớ i giảm

pH. Khi Giảm pH từ 5,6 xuống 4,42 hiệu suất lên men tăng 2,3%.

Trên đây mớ i đề cập đến một vài yếu tố có ảnh hưở ng nhiều tớ i kết quả lên men

nhưng còn xét ở các trườ ng hợ p riêng rẽ. Trong thực tế sản xuất, các yếu tố ảnh hưở ng

có liên quan mật thiết và chi phối lẫn nhau. Vì vậy khi xem xét một trườ ng hợ p cụ thể

ta cần đặt chúng trong một thể thống nhất, phải căn cứ vào điều kiện cụ thể, trang thiết

bị ở từng cơ sở sản xuất để định ra chế độ kỹ thuật phù hợ p nhằm đạt hiệu quả sản xuất

cao nhât.

1.5.2. N ấ m men dùng trong sả n xuấ t rượ u etylic

Trong sản xuất cồn, rượ u vang và bia ngườ i ta hay dùng loài Saccharomyces và

chia thành: Nấm men nổi và nấm men chìm. Cách phân biệt này là do sự khác nhau

trong giai đoạn lên men. Đặc điểm nổi bật của nấm men chìm là một số chủng có chứa

enzym α-galactozidaza có khả năng lên men hoàn toàn đườ ng rafinoza, còn đối vớ i

nấm men nổi thì chỉ một số ít chủng có khả năng chuyển hóa đườ ng rafinoza thành

rượ u và cacbonic và đườ ng chỉ vào khoảng 1/3 tổng số đườ ng.

Đa số nấm men bia, rượ u vang đều thuộc nấm men chìm. Còn men rượ u, men

bánh mì và số ít men bia thuộc nấm men nổi.

Yêu cầu chung của nấm men dùng trong sản xuất cồn etylic là phải có năng lực

lên men mạnh, biến đườ ng thành rượ u nhanh và hoàn toàn. Đồng thờ i phải ổn định và

chịu đượ c những biến đổi của môi trườ ng.





1.6. Chư ng cất rượ u etylic

Giấm chín (là dịch nhận đượ c sau lên men) bao gồm các chất dễ bay hơ i như rượ u, este, aldehyt và một số alcol có số cacbon lớ n hơ n hai, các rượ u này ta quen gọi

là rượ u cao phân tử hay còn gọi là dầu fusel hay dầu khét.

Ngoài các chất kể trên, trong giấm chín còn chứa tinh bột, dextrin, protit, axit

hữu cơ và chất khoáng. Tuy là hỗn hợ p nhiều cấu trúc nhưng trong thành phần của

giấm chín chứa chủ yếu là rượ u etylic và nướ c, vì thế khi nghiên cứu ngườ i ta xem

giấm chín hỗn hợ p hai cấu tử.

Khi nghiên cứu hỗn hợ p rượ u – nướ c, Vrepski cho biết, thành phần hơ i đượ c

thoát ra từ dung dịch nào đó đều phụ thuộc vào áp suất bên ngoài. Khi tăng áp suất của

hệ thống hai cấu tử, cấu tử nào khi bay hơ i đòi hỏi nhiều năng lượ ng thì hàm lượ ng

tươ ng đối của nó sẽ tăng trong hỗn hợ p đẳng phí. Đối vớ i hỗn hợ p rượ u- nướ c, nếu tiến

hành chưng cất ở áp suất cao hơ n áp suất khí quyển thì % nướ c trong hỗn hợ p đẳng phí

sẽ nhiều hơ n, còn nồng độ rượ u trong hỗn hợ p sẽ thấp hơ n 97,2% V. Ngượ c lại, nếu

chưng cất trong điều kiện chân không thì nồng độ rượ u trong hỗn hợ p đẳng phí sẽ cao

hơ n 97,2% thể tích và phụ thuộc độ chân không. Sự phụ thuộc này có thể thấy ở bảng

9.[12]

Bảng 9: Quan hệ áp suất, nhiệt độ và nồng độ rượ u

Áp suất, mmHg Nhiệt độ sôi, 0C Nồng độ rượ u, % khối lượ ng

70 27,97 100

100 33,35 99,56

129,7 39,2 98,70

198,4 47,6 97,30404,6 63,04 96,25

760,0 78,15 95,57

1175,4 87,12 95,35

1451,3 95,35 95,25





CHƯƠ NG 2- ĐỐI TƯỢ NG VÀ PHƯƠ NG PHÁP NGHIÊN CỨ U

2.1.Đối tượ ng nghiên cứ u- Chủng vi sinh vật sử dụng trong nghiên cứu do quỹ gen vi sinh vật - Viện Thổ

nhưỡ ng Nông Hóa và Bộ môn Sinh học Môi trườ ng- Viện Môi trườ ng Nông nghiệp

cung cấp.

- Thân cây ngô: thân cây ngô sau khi thu bắp đượ c thu thập từ Trung tâm Giống,

Phân bón và Cây trồng, Cục Trồng trọt, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn.

2.2. Phươ ng pháp nghiên cứ u

2.2.1. Các phươ ng pháp hoá lý

2.2.1.1. Phươ ng pháp phơ i, sấ y nguyên liệu

- Phơ i khô tự nhiên dướ i trờ i nắng.

- Sử dụng tủ sấy: ở nhiệt độ tối đa 700C đến khối lượ ng không đổi.

2.2.1.2. Phươ ng pháp phân tích đườ ng khử

- Xác định đườ ng khử theo phươ ng pháp Graxianop [10]

* Nguyên tắc: Đườ ng khử khi đun nóng vớ i dung dịch kiềm ferixyanua sẽ khử

ferixyanua thành feroxyanua và đườ ng khử chuyển thành axit đườ ng. Dùng metyl xanh

làm chất chỉ thị sẽ mất màu xanh khi phản ứng kết thúc. Phản ứng chính như sau:

2 K3Fe(CN)6 + 2 KOH +CH2OH(CHOH)4CHO

2 K4Fe(CN)6+ 2 H2O + COOH(CHOH)4COOH

2.2.2. Phươ ng pháp nghiên cứ u vi sinh vậ t

2.2.2.1. Phươ ng pháp kiể m tra mật độ vi sinh vật [9]

Cân 10g mẫu vào bình tam giác dung tích 250ml có chứa 90ml nướ c cất đã khử

trùng. Lắc trên máy lắc 150 vòng/phút trong 30 phút, thu đượ c dịch pha loãng có nồng

độ là 10-1. Sau đó, hút 1ml dịch trong bình pha loãng nồng độ 10-1 sang ống nướ c cất

9ml đã khử trùng, đượ c nồng độ pha loãng 10-2. Tiếp tục pha loãng như trên, đượ c

nồng độ pha loãng 10-3, 10-4…, đến nồng độ pha loãng cần thiết. Hút 0,05ml dịch đã

pha loãng nhỏ vào các hộp petri chứa môi trườ ng thạch phù hợ p. Dùng que trang thuỷ

t0C





tinh (đã vô trùng), trang đều lên mặt môi trườ ng trong hộp petri. Sau khi trang xong

dùng giấy gói lại và chuyển các hộp petri chứa vi sinh vật vào tủ ấm và nuôi cấy ở điềukiện nhiệt độ thích hợ p. Sau khoảng từ 2- 4 ngày nuôi cấy, lấy mẫu ra quan sát và đếm

số khuẩn lạc mọc trên các hộp petri. Số lượ ng khuẩn lạc đượ c tớ nh bằng công thức:

N =)1,0( 21 nnd

C

+

∑

Trong đó:

N: là số vi sinh vật trong một đơ n vị kiểm tra (CFU/g (ml));

∑C : là tổng số khuẩn lạc đếm đượ c trên tất cả các đĩ a Petri đượ c giữ lại;

n1: là số đĩ a đượ c giữ lại ở độ pha loãng thứ nhất;

n2: là số đĩ a đượ c giữ lại ở độ pha loãng thứ hai;

d : là hệ số pha loãng tươ ng ứng vớ i độ pha loãng thứ nhất.

Kiểm tra mật độ xạ khuẩn: Kiểm tra trên môi trườ ng Gause (A1), các bướ c tiến

hành tươ ng tự như trên

Kiểm tra mật độ nấm men: Kiểm tra trên môi trườ ng Hansen (A2), các bướ c tiến

hành tươ ng tự như trên

2.2.2.2. Phươ ng pháp đ ánh giá hoạt tính sinh học vi sinh vật

Phươ ng pháp xác đị nh hoạ t tính phân giải cellulose [8]

Xác định hoạt tính phân giải cellulose bằng phươ ng pháp khuyếch tán trên thạch

đĩ a.

Nguyên tắc của phươ ng pháp: enzym celluloseza thuỷ phân CMC trong môi

trườ ng sẽ tạo vòng thuỷ phân có màu vàng xung quanh lỗ đục đã đượ c nhỏ dịch vi sinhvật và hiện màu bằng dung dịch lugol. Dựa vào hệ số giữa đườ ng kính vòng thuỷ phân

(D) và đườ ng kính đục lỗ (d) ngườ i ta xác định đượ c hoạt tính CMC- aza của vi sinh

vật.

Phươ ng pháp đượ c tiến hành cụ thể như sau:

• Cân 1g CMC, 15g agar trong 1000ml nướ c cất và khử trùng.





• Đổ dịch lỏng vào hộp petri có chiều dày là 1,5cm.

• Dùng dụng cụ đục một lỗ tròn (đườ ng kính 10mm) vào giữa hộp petri chứa môitrườ ng CMC.

• Nhỏ 0,1ml dịch enzym đã ly tâm vào lỗ đượ c đục. Sau đó, chờ dịch khô, chuyển

các hộp petri vào tủ lạnh (từ 6-8 giờ ) để enzym khuyếch tán. Chuyển vào tủ ấm

ở nhiệt độ 370C để enzym tác dụng vớ i cơ chất CMC.

• Cho vào mỗi hộp petri 5ml dịch lugol (Cân 2g KI và 1g I2 vào 300ml nướ c cất),

tráng đều lên mặt thạch và chờ khoảng 15 phút. Sau đó, gạt bỏ hết dịch lugol,

quan sát vòng khuyếch tán.

• Dùng thướ c kẻ, đo vòng CMC bị phân giải xung quang lỗ (vùng màu vàng trên

nền đen tím).

Hoạt tính CMC- aza đượ c hiển thị bằng hiệu số giữa đườ ng kính vòng phân giải

(D) và đườ ng kính lỗ khoan ( d ), (D- d) đơ n vị đo là mm.

2.2.3. Phươ ng pháp xử lý sơ bộ

Thân cây ngô sau khi phơ i (sấy) khô, chặt nhỏ 2-3 cm, nghiền nhỏ bằng máy

nghiền đượ c bột nguyên liệu.

Cân chính xác 50g nguyên liệu cho vào bình tam giác 1000ml. Bổ sung axit

H2SO4 0,5% theo tỷ lệ 1: 10 (w/v) ở 1210C, theo rong 15, 30, 60 và 120 phút.

Trung hòa dung dịch sau quá trình xử lý sơ bộ bằng dung dịch KOH sau đó lọc

bằng giấy lọc hoặc bông thấm nướ c đượ c dịch lọc và chất rắn. Sau khi sấy khô thu

đượ c chất rắn CR1.

Chỉ tiêu theo dõi: Hàm lượ ng đườ ng khử, thành phần của CR1. 2.2.4. Phươ ng pháp thu ỷ phân

2.2.4.1. Thủ y phân bằ ng axít

Cân 50 g chất rắn CR1 cho vào bình tam giác 1000ml, thủy phân bằng dung

dịch H2SO4 1%, 2% và 4% theo tỷ lệ 1: 9; 1:10 và 1: 12 (w/v) ở 1210C, trong 60 phút.





Trung hòa bằng dung dịch KOH sau đó lọc bằng giấy lọc thu đượ c dịch thủy

phân bằng axit và chất rắn sau khi sấy khô CR2.Chỉ tiêu theo dõi: Hàm lượ ng đườ ng khử, thành phần của CR2

2.2.4.2. Thu ỷ phân bằ ng vi sinh vật

Sau quá trình xử lý sơ bộ và trung hòa, bố trí các công thức như sau: Cân 50g

CR1 cho vào bình tam giác 1000ml thêm 500ml nướ c cất, sau đó bổ sung dịch lắc vi

sinh vật theo các tỷ lệ 1%, 3% và 5% về thể tích.

Trong quá trình thủ y phân, theo dõi các chỉ tiêu: Mật độ vi sinh vật, hàm lượ ng

đườ ng khử sau 1, 2,3,5,7 ngày, Thành phần của chất rắn thu đượ c sau khi lọc CR3 (sấy

khô).

2.2.5. Phươ ng pháp lên men

Dịch nấm men Saccharomyces cerevisiae đã lựa chọn lắc trong 2 ngày đượ c sử

dụng để làm tác nhân cho quá trình lên men. Thể tích dịch lên men dùng cho mỗi công

thức 1000ml. Lượ ng dịch nấm men bổ sung là 10% (v/v). Mỗi công thức nhắc lại 3 lần.

Điều kiện lên men: Nhiệt độ = 300C; pH= 5,5; thờ i gian: 5 ngày

Chỉ tiêu theo dõi: pH, hàm lượ ng đườ ng khử, hàm lượ ng etanol

2.2.6. Phươ ng pháp đ o hàm l ượ ng Etanol

Mẫu đượ c đo tại Viện Công nghệ Sinh học và Thực phẩm – Đại học Bách khoa

Hà Nội.





CHƯƠ NG 3- KẾT QUẢ NGHIÊN CỨ U VÀ THẢO LUẬN

3.1. Lự a chọn chủng VSV cho quá trình thủy phân và lên men

3.1.1. Lự a chọ n chủ ngVSV phân giải hợ p chấ t hydratcacbon

Để phục vụ cho mục đích nghiên cứu, đề tài đã sử dụng vật liệu là các chủng xạ

khuẩn có khả năng chuyển hóa hợ p chất hydratcacbon do Bộ môn Vi sinh vật- Viện

Thổ nhưỡ ng Nông hóa và Bộ môn Sinh học Môi trườ ng- Viện Môi trườ ng Nông

nghiệp cung cấp, các chủng VSV sử dụng trong nghiên cứu đều có lý lịch rõ ràng và

đượ c định tên đến loài, đảm bảo an toàn sinh học khi ứng dụng trong thực tế sản xuất.

Kết quả đánh giá hoạt tính sinh học CMC và khả năng sinh trưở ng và phát triển các

chủng VSV trong môi trườ ng dịch thể từ 0 giờ đến 72 giờ nuôi cấy đượ c trình bày

trong Bảng 10.

Bảng 10: Mật độ tế bào và hoạt tính sinh học CMC 4 chủng VSV nghiên cứ u

Mật độ tế bào (CFU/ml) Đườ ng kính vòng phângiải CMC (D-d)

Ký hiệu

24 giờ 48 giờ 72 giờ 24 giờ 48 giờ 72 giờ ACT 01 5,77. 107 6,20.108 4,14.108 25 31 33

ACT 06 2,47.106 7,31. 108 6,12. 108 28 33 40

ACT 17 2,18. 108 8,34.108 5,22.108 26 30 35

ACT 18 1,87. 106 3,56.108 2,34.108 26 32 37

Số liệu bảng 10 cho thấy, cả 4 chủng VSV sử dụng trong nghiên cứu đều đạt

mật độ cao tại thờ i điểm 48 giờ , tuy nhiên chủng ACT 06 có hoạt tính sinh học cao sovớ i 3 chủng còn lại ACT 01, ACT 17 và ACT 18. Dựa vào kết quả này, đề tài đã lựachọn chủng ACT 06 đề tiếp tục sử dụng vớ i mục đich làm tác nhân sinh học chuyểnhóa hợ p chất hydratcacbon.

Chủng ACT 06 (Streptomyces thermocoprophilus) khi đượ c nuôi cấy trên môitrườ ng thạch đĩ a (A1) cho khuẩn lạc có màu trắng đục, bề mặt nhăn, mùi ngái, khuẩnlạc ăn sâu vào bề mặt thạch, sau 3 ngày nuôi cấy khuẩn lạc có đườ ng kính từ 1,5-





2,3mm. Khi nuôi cấy trên máy lắc ở nhiệt độ 370C, tốc độ 150 vòng/phút) trong môi

trườ ng dịch thể tạo thành các hạt nhỏ. Khi nuôi cấy t ĩ nh thì tạo váng trên môi trườ ngdịch thể.

Vớ i mục tiêu sử dụng có hiệu quả chủng xạ khuẩn ACT 06 cho quá trình thủyphân thân cây ngô, đề tài tiến hành nghiên cứu và kiểm tra hoạt tính sinh học và cácyếu tố chính ảnh hưở ng đến quá trình sinh trưở ng và phát triển của chủng ACT 06 như nhiệt độ, pH.

Kiểm tra hoạt tính sinh học CMC của chủng xạ khuẩn ACT 06 theo phươ ngpháp (2.2.2.2) cho thấy chủng ACT 06 có khả năng phân giải cellulose. Kết quả đánh

giá hoạt tính sinh học CMC của chủng ACT 06 đượ c trình bày ở Bảng 11.

Bảng 11: Hoạt tính sinh học CMC của chủng xạ khuẩn ACT 06

Thờ i gian nuôi cấy(ngày)

Đườ ng kính vòng phân giảiCMC (D-d)mm

Mật độ tế bào(CFU/ml)

2 32 3,10. 108

3 40 6,33. 108

5 42 6,70. 108

7 45 6,80. 108

10 29 2,14. 108

15 30 8,07. 107

Kết quả kiểm tra cho thấy, sau 3 ngày mật độ tế bào đạt 6,33.108, đườ ng kínhvòng phân giải CMC đạt 40mm. Tại 7 ngày mật độ tế bào của xạ khuẩn đạt 6,80. 108,đườ ng kính vòng phân giải CMC là 45 mm. Sau 10 đến 15 ngày mật độ tế bào củachủng ACT 06 tuy không giảm nhưng hoạt tính sinh học của chúng giảm xuống đángkể, đườ ng kính vòng phân giải CMC giám xuống còn 29-30mm.





Hình 10: Đườ ng kính vòng phân giải CMC củ a chủ ng ACT06 sau 3 ngày l ắ c

Chủng ACT 06 sau khi đã nhân SK trên môi trườ ng dịch đượ c kiểm tra mật độ trên môi trườ ng thạch agar (A1) ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau. Kết quả đánh giáảnh hưở ng của nhiệt độ đến sinh trưở ng và phát triển của chủng ACT 06 đượ c trìnhbày trong Bảng 12.

Bảng 12: Ảnh hượ ng của nhiệt độ tớ i quá trình sinh trưở ng và phát triểncủa chủng ACT 06 (sau 3 ngày nuôi cấy lắc)

Nhiệt độ nuôi cấy (0C) Mật độ tế bào (CFU/ml)

25 2,67.105

30 8,15.106

35 5,20.108

40 9,40.108

45 7,23.108

50 5,34.108

55 4,56.105





Số liệu nghiên cứu ở Bảng 12 cho thấy chủng ACT06 có thể sinh trưở ng và phát

triển tốt và đạt mật độ cao khi đượ c nuôi cấy trong khoảng nhiệt độ từ 35-50

0

C.pH cũng là một yếu tố quan trọng đến sinh trưở ng của vi sinh vật. Khảo sát ảnh

hưở ng của pH đến sinh trưở ng của chủng ACT 06, đề tài sử dụng dung dịch đệm McIivaine để điều chỉnh giá trị pH ban đầu của môi trườ ng dịch thể. Kết quả Bảng 13 chothấy: chủng xạ khuẩn phát triển tốt nhất trong khoảng pH= 7,0-7,4.

Bảng 13: Ảnh hưở ng của pH tớ i quá trình sinh trưở ng và phát triểnchủng ACT 06 (sau 3 ngày nuôi cấy lắc)

pH Mật độ tế bào (CFU/ml)

4,4 8,35.103

5,0 2,57.105

5,4 7,22.105

6,0 3,31.106

6,4 4,20.106

7,0 8,71.108

7,4 6,45.108

8,0 8,89.107

Từ các kết quả nghiên cứu trình bày ở trên, chủng ACT 06 là chủng VSV có khả năng chuyển hóa các hợ p chất hydratcacbon tốt nhất. ACT 06 là chủng VSV ưu nhiệt,có hoạt tính sinh học cao sau 3 ngày nuôi cấy lắc, sinh trưở ng và phát triển tốt ở điều

kiện nhiệt độ từ 35- 500C, pH trung tính.





3.1.2. Lự a chọ n chủ ng vi sinh vậ t cho quá trình lên men

Để phục vụ cho công tác nghiên cứu lên men sản xuất etanol, đề tài đã tiến hành

lựa chọn chủng nấm men có khả năng lên men etanol cao dựa vào hồ sơ chủng giống vi

sinh vật đượ c lưu giữ tại Bộ môn Sinh học Môi trườ ng – Viện Môi trườ ng Nông

nghiệp và chủng nấm men do Bộ môn Vi sinh vật- Viện Thổ nhưỡ ng Nông hóa cung

cấp. Đề tài đã tiến hành đánh giá khả năng lên men rượ u bằng cách đánh giá định tính

thông qua việc hình thành CO2 hình thành: Ống Durham đượ c cho ngượ c chiều vào

ống môi trườ ng lên men dịch thể (A2). Sau khi khử trùng khí trong ống bị loại hết, môi

trườ ng ngập kín ống. Sau khi cấy nấm men, khí CO2 sinh ra đẩy môi trườ ng ra khỏi

ống. Ống chứa khí CO2 sẽ nổi lên. Ống nổi lên càng nhiều thì lượ ng CO2 sinh ra càng

nhiều. Kết quả đánh giá đượ c thể hiện ở Hình 11.

Hình 11: Sự hình thành khí CO 2





Hình 11 cho thấy, ống Durham trong môi trườ ng lên men sử dụng SA.03 bị đẩy

lên nhiều nhất chứng tỏ trong ống sử dụng SA.03 khí CO2 sinh ra nhiều nhất so vớ i 2chủng SA.01 và SA.02. Như vậy, SA.03 là chủng nấm men có khả năng lên men caovà đượ c đề tài lựa chọn sử dụng trong quá trình lên men.

3.2. Thành phần lý, hóa học của thân cây ngô sau thu hoạch

Thân cây ngô đượ c lấy từ Trung tâm Giống, Phân bón và Cây trồng. Sau khi thu

bắp đượ c 2 ngày, thân cây ngô đượ c thu gom phơ i khô tự nhiên.

Hình 12: Thân cây ngô sau phơ i khô tự nhiên

Thân cây ngô sau khi phơ i khô tự nhiện có màu nâu nhạt, mùi hơ i hôi.

Quá trình phơ i khô tự nhiên làm hơ i mất nướ c trong thân cây ngô sau thu hoạch:

Khối lượ ng thân cây ngô sau thu hoạch: 10kg. Sau khi phơ i khô tự nhiên còn: 3kg.

Thân cây ngô đượ c chặt nhỏ 2-3 cm, sấy khô ở 500C đến khối lượ ng không đổi

để xác định độ ẩm và nghiền mịn làm nguyên liệu ban đầu để sử dụng cho các nghiêncứu tiếp theo.

Khối lượ ng thân cây ngô sau khi sấy khô giảm 10%.

Như vậy, trong thân cây ngô sau thu hoạch nghiên cứu có chứa lượ ng nướ c:





Thân cây ngô sau khi sấy khô tuyệt đối đượ c phân tích hàm lượ ng cellulose,

hemicellulose và lignin. Kết quả phân tích các chất trên đượ c trình bày ở Bảng 14.Bảng 14: Thành phần nguyên liệu thân cây ngô sấy khô

TT Hợ p chất Phần trăm theo khối lượ ng khô (%)

1 Cellulose 24, 07

2 Hemicellulose 37,19

3 Lignin 7,82

4 Khác 30,92

Tổng 100,00

Số liệu Bảng 14 cho thấy, thân cây ngô chứa chủ yếu là hemicellulose 37,19%,

tiếp đến là cellulose 24,07 %. Đây là một nguyên liệu SK tiềm năng cho việc sản xuất

etanol nếu các điều kiện thủy phân và lên men đượ c nghiên cứu một cách hiệu quả.

3.2. Nghiên cứ u quy trình sản xuất etanol từ thân cây ngô

3.2.1. Quá trình xử lý sơ bộ

Để nghiên cứu một số điều kiện của quá trình xử lý sơ bộ, đề tài đã sử dụng axit

H2SO4 0,5% và theo dõi phản ứng trong thờ i gian từ 0- 2 giờ ở 1210C.

Ảnh hưở ng của axit H2SO4 0,5% và thờ i gian phản ứng đến lượ ng đườ ng khử

đượ c biểu diễn ở Hình 13.





Hình 13: Tác độ ng củ a thờ i gian phả n ứ ng đế n l ượ ng đườ ng khử ở đ iều kiệ n 1210C vớ i H 2SO 4 0,5%.

Hình 13 cho thấy, trong khoảng thờ i gian từ 0- 2giờ phản ứng hàm lượ ng đườ ng

khử tỉ lệ thuận vớ i thờ i gian xử lý. Sau 1 giờ xử lý hàm lượ ng đườ ng khử trong dịch

sau phản ứng cao (đạt 2,0 g/l). Biểu đồ cũng cho thấy hàm lượ ng đườ ng khử tạo thànhsau 2 giờ phản ứng tăng không đáng kể so vớ i thờ i điểm 1 giờ (2,3 g/l). Do vậy đề tài

lựa chọn điều kiện cho quá trình xử lý sơ bộ vớ i H2SO4 0,5% ở điều kiện ở 1210C trong

1 giờ .

3.2.2. Xác đị nh các thông số k ỹ thuậ t trong quá trình thu ỷ phân bằ ng axít

Đề tài tiến hành nghiên cứu ảnh hưở ng của nồng độ axit H2SO4 loãng (1 %, 2%

và 4%) trong thờ i gian 1 giờ ở 1210C. Kết quả về sự ảnh hưở ng của nồng độ axit đến

lượ ng đườ ng khử tạo thành đượ c biểu diễn ở Hình 14.

Hàm lượ ng đườ ng khử (g/l)

Thờ i gian (giờ )0,25 1,00,5 2,00

1,2

0,3

2,3

2,0

2,5

1,0





Hình 14: Tác độ ng củ a nồ ng độ H 2SO 4 đế n hàm l ượ ng đườ ng khử

vớ i thờ i gian phả n ứ ng là 1 giờ , ở 1210C

Hình 14 cho thấy, sau 1 giờ hàm lượ ng đườ ng khử vớ i nồng độ H2SO4 4% cao

nhất (4,2 g/l) sau đó đến nồng độ H2SO4 2% (4,0g/l) và thấp nhất là vớ i nồng độ H2SO4

1%. Từ các kết quả nghiên cứu thu đượ c, đề tài lựa chọn điều kiện thủy phân bằng axit

H2SO4 2% ở 1210C trong 1 giờ nhằm tiết kiệm thờ i gian và lượ ng axit H2SO4 sử dụng

trong quá trình thủy phân.

3.2.3. Xác đị nh đ iều kiệ n thủ y phân bằ ng vi sinh vậ t

Để xác định đượ c một số điều kiện cho quá trình thủy phân bằng vi sinh vật, đề

tài tiến hành theo dõi mật độ chủng VSV đã lựa chọn và hàm lượ ng đườ ng khử sau

1,2,3,5 và 7 ngày vớ i các công thức bổ sung 1%, 3% và 5% dịch SK chủng xạ khuẩn

ACT 06 lắc trong 3 ngày. Kết quả đượ c biểu diễn trong Bảng 15.

Hàm lượ ng đườ ng khử (g/l)

Nồng độ H2SO4 (%) 1 2 40

4,0

2,4

5,0

4,0

2,0

4,2





Bảng 15: Mật độ xạ khuẩn và hàm lượ ng đườ ng khử theo thờ i gian

Mật độ tế bào (CFU/ml) Hàm lượ ng đườ ng khử (g/l)Thờ i gian

CT1 CT2 CT3 CT1 CT2 CT3

1 ngày 5,40.108 5,45.108 5,62.108 1,68 1,76 1,93

2 ngày 6,03.108 7,15.108 7,41.108 2,34 3,43 4,01

3 ngày 7,92.108 8,53.108 8,62.108 4,27 5,10 5,27

5 ngày 4,23.107 4,76.107 5,13.107 3,89 4,56 4,48

7 ngày 7,03.106 7,03.106 7,03.106 3,17 3,08 2,77

Trong đó:

CT1: 50g CR1 + 500ml nướ c cất + 1% dịch lắc ACT 06 lắc trong 3 ngày (v/v)



Bảng số liệu cho thấy mật độ tế bào của chủng ACT 06 tăng dần và đạt

mật độ cao nhất sau 3 ngày bổ sung vào dịch thân cây ngô sau khi đã xử lý sơ bộ, sau 3

ngày mật độ tế bào chủng xạ khuẩn ACT 06 giảm dần. Nguyên nhân của sự giảm sút

mật độ tế bào này có thể là vì vi sinh vật đã sử dụng hết thức ăn. Hàm lượ ng đườ ng

khử tạo ra là cao nhất ở cả 3 công thức sau 3 ngày lần lượ t là 4,27; 5,10 và 5,27 g/l. Kết

quả cũng cho thấy, tại ngày thứ 3 lượ ng đườ ng khử sinh ra ở công thức 3 không cao

hơ n nhiều so vớ i công thức 3. Từ kết quả thu đượ c cho thấy, điều kiên thích hợ p cho

quá trình thủy phân bằng vi sinh vật là thờ i gian thủy phân là 3 ngày và luợ ng dịch SK

chủng xạ khuẩn ACT 06 bổ sung 3% (v/v).





3.2.4. Đ ánh giá khả nă ng chuyể n hóa hợ p chấ t cacbonhyđ rat trong thân cây ngô

thành đườ ng đơ nĐể đánh giá khả năng chuyển hóa hợ p chất cacbonhydrat trong thân cây ngô, đề

tài tiến hành phân tích thành phần các chất trong mẫu chất rắn thu đã đượ c xử lý sơ bộ,

thủy phân bằng axit và thủy phân bằng vi sinh vật.

Kết quả phân tích hàm lượ ng cellulose, hemicellulose và lignin đượ c trình bày

trong Bảng 16.

Bảng 16: Phần trăm theo khối lượ ng các hợ p chất chính trong nguyên liệu

sau các quá trình xử lý sơ bộ và thủy phân

Phần trăm theo khối lượ ng (%)TT Hợ p chất

Nguyên

liệu ban

đầu

Xử lý sơ bộ

(H2SO4 0,5%,

1210C, 1giờ )

Thủy phân bằng

axit (H2SO4 2%,

1210C, 1giờ )

Thủy phân vi sinh

vật, 3% dịch lắc

ACT06, sau 3 ngày

1 Cellulose 24, 07 37,67 39,83 18,802 Hemicellulose 37,19 22,90 9,52 24,01

3 Lignin 7,82 6,77 8,58 8,22

4 Khác 30,92 32,66 42,07 49,33

Tổng cộng 100,00 100,00 100,00 100,00

Số liệu bảng 16 cho thấy tỷ lệ % của cellulose, hemicellulose, lignin và các hợ p

chất khác trong nguyên liệu đã thay đổi so vớ i ban đầu sau khi đượ c xử lý sơ bộ. Kết

quả phân tích cũng cho thấy sau quá trình thủy phân bằng axit H2SO4 2% và dịch SK

chủng ACT 06, thành phần của nguyên liệu tiếp tục thay đổi. Tuy nhiên có sự khác

biệt: Ở công thức thủy phân bằng axit H2SO4 2% tỷ lệ % hemicellulose giảm đi rõ rệt





trong khi đó công thức thủy phân bằng vi sinh vật tỷ lệ % cellulose giảm mạnh hơ n vớ i

hemicellulose.Để thấy rõ sự chuyển hóa của các hợ p chất cellulose, hemicellulose và lignin

trong các quá trình xử lý, đề tài tiến hành so sánh hàm lượ ng các hợ p chất này trong

trong nguyên liệu ban đầu và trong chất rắn sau quá trình xử lý sơ bộ (Bảng 17); hàm

lượ ng celluose, hemicellulose và các chất khác trong chất rắn sau quá trình xử lý sơ bộ

vớ i các hợ p chất đó trong các chất rắn thu đượ c của quá trình thủy phân (Bảng 18 và

Bảng 19).

Từ tỉ lệ phần trăm về khối lượ ng của các hợ p chất cellulose, hemicellulose và

lignin đề tài đã tính toán ra khối lượ ng các chất đó trong khối lượ ng nguyên liệu ban

đầu cho mỗi công thức là 50g và khối lượ ng chất rắn thu đượ c sau mỗi quá trình xử lý.

Sau quá trình xử lý, chất rắn thu đượ c sau khi lọc, đượ c phơ i/sấy khô và cân khối

lượ ng.

Bảng 17: Khả năng chuyển hóa chất trong quá trình xử lý sơ bộ

Chuyển hóaHợ p chất Nguyên liệu

ban đầu (g)

Sau xử lý sơ bộ

(H2SO4 0,5%, 1210C,

1giờ ) (g)

g %

Cellulose 12,04 11,50 0,54 4,5

Hemicellulose 18,60 6,99 11,61 62,4

Lignin 3,54 2,17 1,37 38,7

Khác 16,36 9,96 6,40 39,1

Tổng 50,00 30,52 19,48 39,0

Số liệu Bảng 17 cho thấy, trong quá trình xử lý sơ bộ một lượ ng lớ n

hemicellulose đã bị thủy phân, làm giảm lượ ng hemicellulose trong nguyên liệu ban

đầu đến 62,4%. Tiếp đến lignin là 38,7%. Tuy nhiên quá trình này có tác động không





lớ n đến hàm lượ ng cellulose trong cây ngô, chỉ chuyển hóa đượ c 4,5% lượ ng cellulose

ban đầu.Kết quả tác động của axit sunfuric 2% đến sự chuyển hóa các hợ p chất đượ c

trình bày trong Bảng 18.

Bảng 18: Khả năng chuyển hydratcacbon trong quá trình thủy phân bằng axit

Chuyển hóaHợ p chất Nguyên liệu

đầu vào (g)

Sau quá trình thủy phân

bằng axit (H2SO4 2%,

1210C, 1giờ )(g)

g %

Cellulose 18,84 14,26 4,58 24,3

Hemicellulose 11,45 3,41 8,04 70,2

Lignin 3,39 3,07 0.32 9,4

Khác 16,32 15,06 1,26 7,7

Tổng 50,00 35,80 14,20 28,4

Số liệu trên cho thấy, ở điều kiện 1210C trong vòng 1 giờ , axit sunfuric 2% có

khả năng chuyển hóa tớ i 70,2% hàm lượ ng hemicellulose, 24,3% cellulose và 9,45

lignin trong nguyên liệu đầu vào. Như vậy sự chuyển hóa cho phép dự đoán rằng

đườ ng khử tạo thành trong dịch thủy phân bằng axit chủ yếu là đườ ng 5- cacbon.

So sánh tươ ng tự vớ i chất rắn thu đượ c từ quá trình thủy phân bằng vi sinh vật ta

đượ c kết quả trong Bảng 19.





Bảng 19: Khả năng chuyển hoá hydratcacbon

trong quá trình thủy phân bằng ACT 06Chuyển hóaHợ p chất Nguyên liệu

đầu vào (g)

Sau quá trình

thủy phân bằng

vi sinh vật (g)

g %

Cellulose 18,84 6,98 11,86 63,0

Hemicellulose 11,45 8,91 2,54 22,2

Lignin 3,39 3,05 0,34 10,0

Khác 16,32 14,60 1,72 10,5

Tổng 50,00 37,12 12,88 25,76

Số liệu cho thây, cellulose chuyển hóa khá lớ n nhờ tác nhân vi sinh vật là chủng

ACT 06. Vi sinh vật đã sử dụng hợ p chất cellulose trong nguyên liệu làm thức ăn đồng

thờ i chuyển hóa thành đườ ng.

Từ các kết quả nghiên cứu trình bày ở trên cho thấy, hiệu suất chuyển hóa của

cellulose và hemicellulose thành đườ ng và các hợ p chất khác như sau:

Quá trình xử lý chỉ dùng axit:

- Đối vớ i cellulose: 4,5+ (100- 4,5)/100 x 24,3 = 27,7 %

- Đối vớ i hemicellulose: 62,4 + (100-62,4)/100 x 70,2 = 88,8 %

Quá trình xử lý có sử dụng chủng vi sinh vật ACT 06:

- Đối vớ i cellulose: 4,5 + (100- 4,5)/100 x 63,0 = 64,7 %

- Đối vớ i hemicellulose: 62,4 + (100-62,4)/100 x 22,2 = 70,7 %Kết quả này cho thấy, quá trình xử lý chỉ sử dụng axit vô cơ loãng có khả năng

thủy phân đến 88,8% hợ p chất hemicellulose, trong khi đó chỉ thủy phân đượ c 27,7%

hàm lượ ng cellulose trong thân cây ngô. Còn quá trình xử lý kết hợ p axit vô cơ loãng

và chủng vi sinh vật ACT 06 có khả năng chuyển hóa 70,7% lượ ng celluose và 64,7%

lượ ng hemicellulose trong thân cây ngô khô. Như vậy phươ ng pháp xử lý kép bao gồm





quá trình xử lý sơ bộ bằng axit loãng và quá trình thủy phân bằng vi sinh vật cho hiệu

quả chuyển hóa hợ p chất hydratcacbon cao hơ n.3.2.5. Hiệu suất của quá trình lên men

Để nghiên cứu đánh giá khả năng lên men của chủng SA.03 đối vớ i các dịch lên

men, đề tài đã bố trí thí nghiệm vớ i 5 công thức dướ i đây ở 300C, pH= 5,5 trong thờ i

gian 5 ngày, thể tích dịch lên men là 1 lít có bổ sung 10% dịch lắc SA.03 trong 2 ngày

về thể tích:

LM1: Dịch lên men là dịch lọc thu đượ c của quá trình Xử lý sơ bộ bằng H2SO4

0,5% ở 1210C trong 1 giờ ;

LM2: Dịch lên men là dịch thủy phân bằng axit vớ i axit H2SO4 2%, ở 1210C

trong 1 giờ ;

LM3: Dịch lên men là hỗn hợ p gồm dịch lọc thu đượ c của quá trình Xử lý sơ bộ

bằng H2SO4 0,5% ở 1210C trong 1 giờ và dịch thủy phân bằng axit vớ i axit H2SO4 2%,

ở 1210C trong 1 giờ ;

LM4: Dịch lên men là hỗn hợ p gồm dịch lọc thu đượ c của quá trình Xử lý sơ bộ

bằng H2SO4 0,5% ở 1210C trong 1 giờ và dịch thủy phân bằng vi sinh vật thu đượ c sau

quá trình thủy phân bằng cách bổ sung 3% dịch lắc ACT 06 trong 3 ngày.

LM5: Dịch lên men là dịch thủy phân bằng vi sinh vật thu đượ c sau quá trình

thủy phân bằng cách bổ sung 3% dịch lắc ACT 06, trong 3 ngày.

Trong quá trình lên men, đề tài tiến hành theo dõi sự thay đổi pH của dịch lên

men và hàm lượ ng đườ ng khử .

Kết quả sự thay đổi pH của dịch len men đượ c biểu diễn trong bảng 20.





Bảng 20: Kết quả theo dõi sự thay đổi pH của dịch lên men

Tên công thứ c

Thờ i gian lên men

LM1 LM2 LM3 LM4 LM5

1 ngày 5,4 5,1 5,2 5,3 5,0

2 ngày 5,0 4,9 5,1 5,0 4,8

3 ngày 4,7 4,4 4,8 4,6 4,1

4 ngày 4,4 4,0 4,3 4,2 3,9

5 ngày 3,8 3,9 3,7 3,8 3,7

Số liệu bảng 20 cho thấy trong 4 ngày kể từ khi bổ sung chủng nấm men vào

dịch lên men, pH giảm dần. Điều đó SA.03 phát triển tốt. Đến ngày thứ 5, pH của các

dịch lên men đều nhỏ hơ n ≤ 4, hạn chế sự phát triển của nấm men. Như vậy, thờ i gian

lên men thích hợ p đượ c lựa chọn là 4 ngày.

Đề tài mớ i chỉ xác dịnh đượ c tổng lượ ng đườ ng khử mà chưa xác định đượ c

chính xác hàm lượ ng đườ ng 5C và đườ ng 6C trong dịch lên men cũng như các chất

trung gian hình thành trong quá trình lên men. Do đó, đề tài chưa tính toán đượ c lượ ng

etanol sinh ra theo lý thuyết nên chưa đánh giá đượ c hiệu suất của quá trình lên men.

Đề tài chỉ tiển hành đánh giá hiệu suất chuyển hóa của đườ ng khử dựa trên hàm lượ ng

đườ ng khử trong dịch lên men và đườ ng khử sót lại sau quá trình lên men.

Hiệu suất chuyển hóa đườ ng khử trong quá trình lên men đượ c biểu diễn trong

Bảng 21.





Bảng 21: Hiệu suất chuyển hóa đườ ng khử trong quá trình lên men (4 ngày)

Hàm lượ ng đườ ng khử (g/l)Tên côngthứ c lên

men

Trong dịch trướ c

khi lên men (a)

Trong dịch sau

khi lên men

Chuyển

Hóa (b)

Hiệu suất chuyểnhóa đườ ng khử (%)

(b/a)*100

LM1 2,0 1,03 0,97 48,5

LM2 4,2 1,16 3,04 72,4

LM3 3,1 0,86 2,24 72,3

LM4 3,55 0,87 2,68 72,7

LM5 5,1 1,23 3,75 75,9

Dịch lên men LM5 chuyển hóa cao nhất đạt 75,9%, tiếp đến là dịch lên men

LM4, LM2, LM3 có hiệu suất chuyển hóa tươ ng tự nhau và cuối cùng là LM1 có hiệu

suất chuyển hóa thấp nhất.Dịch LM5, LM4 có hiệu suất chuyển hóa cao có thể lý giải

là do: chủng vi sinh vật ACT 06 đã chuyển hóa một lượ ng khá lớ n cellulose trong

nguyên liệu thành đườ ng đơ n, chủ yếu là đườ ng glucose là đườ ng chuyển hóa thành

rượ u.

3.2.6. Hàm lượ ng etanol trong dịch sau lên men

Hàm lượ ng etanol trong dịch sau lên men đượ c xác định bằng phươ ng pháp

điểm sôi và phươ ng pháp tỷ trọng kế. Kết quả đượ c trình bày ở Bảng 22:

Bảng 22: Hàm lượ ng etanol trong dịch sau lên men

Hàm lượ ng etanol (%V)TT Tên công thứ c

Phươ ng phápđiểm sôi

Phươ ng pháp tỷ trọng kế

Trung bình

1 LM1 2,1 1,7 1,9

2 LM2 2,8 2,4 2,6

3 LM3 2,7 2,2 2,45





4 LM4 3,3 2,9 3,1

5 LM5 4,3 3,9 4,2

Số liệu bảng 22 cho thấy, etanol trong dịch sau lên men trong đạt 1,9- 4,2 % về

thể tích. Trên thực tế sản xuất từ nguyên liệu tinh bột thì hàm lượ ng cồn trong dịch

giấm chín đạt từ 6 đến 9,5% về thể tích. Kết quả hàm lượ ng etanol trong nghiên cứu

này tuy không cao nhưng cũng cho thấy rằng, thân cây ngô là nguyên liệu rất có triển

vọng cho việc sản xuất etanol.

3.3. Đề xuất quy trình sản xuất etanol từ thân cây ngô

Từ các kết quả nghiên cứu trên, đề tài đề xuất 2 quy trình sản xuất etanol từ thân

cây ngô vớ i quá trình thủy phân và lên men tách rờ i như sau:

Quy trình 1:

Thân cây ngô Xử lý mẫu (phơ i khô, chặt nhỏ, nghiền nhỏ) Xử lý sơ bộ

bằng H2SO4 0,5%, ở 1210C trong 1 giờ Thủy phân bằng vi sinh vật (3% dịch lắc

ACT06 trong 3 ngày) Lên men (Dịch lên men là dịch lọc thu đượ c sau quá trình

thủy phân bằng vi sinh vật có bổ sung 10% dịch lắc nấm men, ở 300C trong 4 ngày)

Chưng cấtEtanol.

Quy trình 2:

Thân cây ngô Xử lý mẫu (phơ i khô, chặt nhỏ, nghiền nhỏ) Xử lý sơ bộ

băng H2SO4 0,5%, ở 1210C trong 1 giờ Thủy phân bằng axit (H2SO4 2%, ở 1210C

trong 1 giờ ) Lên men (Dịch lên men là dịch lọc thu đượ c sau quá trình thủy phân

bằng axit có bổ sung 10% dịch lắc nấm men, ở 300C trong 4 ngày) Chưng cất

Etanol.

Giả thiết hiệu suất chưng cất đạt 90% thì theo các kết quả trong nghiên cứu này

có thể tính suất sản xuất ethnaol sinh học từ thân cây ngô sau thu hoạch như sau:





Sản xuất theo quy trình 1:

1 lít dịch sau lên men có 42 ml etanol (Nồng độ etanol 4,2 %V)

37,12g chất rắn sau quá trình thủy phân bằng vi sinh vật

50 g chất rắn sau quá tình xử lý sơ bộ

82,0g nguyên liệu thân cây ngô khô

303,7g thân cây ngô sau thu hoạch

Như vậy, để sản xuất dịch có chứa 1 lít (103 ml) etanol cần dùng khối lượ ng thân

cây ngô sau thu hoạch là

Tính toán tươ ng tự theo quy trình 2 ta có kết quả như sau: để sản xuất lượ ng dịch có

chứa 1 lít etanol từ thân cây ngô theo quy trình 2 ta cần dùng khối lượ ng thân cây ngô

sau thu hoạch là:

Chuyển hóa 25,76%

Chuyển hóa 39%

Chiếm 27%





KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ

KẾT LUẬN

1. Thân cây ngô sau thu hoạch có độ ẩm 73% đượ c phơ i khô tự nhiên có mầu nâunhạt, mùi hơ i hôi, độ ẩm 10%, có thành phần chính gồm cellulose 24,07%;

hemicellulose 37,19%; lignin 7,82% và 30,92% các chất khác.2. Quá trình xử lý sơ bộ bột thân cây ngô khô bằng axit H2SO4 0,5% ở 1210C trong

1 giờ vớ i tỉ lệ nguyên liệu: axit là 1:10 (w/v) có hàm lượ ng đườ ng khử cao. Đề tài đã xác định đượ c điều kiện cho quá trình thủy phân bằng axit: H2SO4 2 % ở 1210C trong 1 giờ , tỷ lệ nguyên liệu: axit là 1: 10 (w/v) thu đượ c dịch sau thủyphân có hàm lượ ng đườ ng khử là 4g/l.

3. Đề tài đã lựa chọn chủng ACT 06 làm tác nhân cho quá trình thủy phân bằng visinh vật và chủng SA.03 là chủng nấm men có khả năng lên men cao làm tác

nhân cho quá trình lên men từ các chủng vi sinh vật lưu giữ tại Bộ môn Vi sinhvật- Viện Thổ nhưỡ ng Nông hóa và Bộ môn Sinh học Môi trườ ng- Viện Môitrườ ng Nông nghiệp.

4. Chủng xạ khuẩn ACT 06 thuộc nhóm vi sinh vật ưa nhiệt, phát triển tốt ở nhiệtđộ 35- 500C và pH trung tính. Chủng ATC 06 có khả năng phân giải CMC,đườ ng kính vòng phân giải đạt 40 mm sau 3 ngày nuôi cấy. Đề tài đã xác địnhđượ c điều kiện cho quá trình thủy phân bằng visinh vật: bổ sung 3% dịch ACT06 cấy lắc trong 3 ngày vào dịch sau quá trình xử lý sơ bộ, mật độ tế bào và hàm

lượ ng đườ ng cao tươ ng ứng là 8,53 .108

CFU/ml và 5,10 g/l.5. Hiệu suất của quá trình chuyển hóa đườ ng khử từ 70-75 % đối vớ i dịch lên men

có hàm lượ ng đườ ng khử từ 3,0- 5,0 g/l. Hàm lượ ng etanol không cao từ 1,9-4,2%V nhưng cũng chứng tỏ thân cây ngô là nguyên liệu tiềm năng cho sản xuấtetanol sinh học.





6. Đề tài đã đề xuất 02 quy trình sản xuất etanol từ thân cây ngô. Theo quy trình 1

(có sử dụng chủng ACT06 làm tác nhân thủy phân) thì cứ 7.787 kg thân cây ngôsau thu hoạch sản xuất đượ c dịch giấm chín chứa1 lít etanol, trong khi đó theoquy trình 2 để sản xuất 1 lít etanol cần 12,654 kg nguyên liệu thân cây ngô sauthu hoạch .

KHUYẾN NGHỊ

1. Đề tài mớ i chỉ nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm và trên 1 đối tượ ngnghiên cứu là thân cây ngô, cần tiếp tục nghiên cứu trên các đối tượ ng PPNNkhác vớ i quy mô lớ n hơ n.

2. Trong điều kiện thờ i gian hạn hẹp, đề tài chưa nghiên cứu đượ c quy trình sảnxuất etanol trong đó quá trình thủy phân và quá trình lên men diễn ra đồng thờ i,cần tiếp tục nghiên cứu vấn đề này.

3. Trong quá trình nghiên cứu đề tài mớ i chỉ xác định đượ c tổng hàm lượ ng đườ ngkhử dựa tính theo glucoza làm cơ sở đánh giá mà chưa xác định rõ đượ c hàmlượ ng đườ ng 5 cacbon và 6 cacbon, cần nghiên cứu thêm và đưa phươ ng phápantron vào sử dụng.

4. Đề tài mớ i chỉ quan tâm đến sự chuyển hóa của hợ p chất cellulose vàhemicellulose trong nguyên liệu mà chưa chú ý đến các hợ p chất khác cũng như ảnh hưở ng của các sản phẩm trung gian đến quá trình sinh trưở ng và phát triểncủa các chủng vi sinh vật nghiên cứu.





TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

1. Bộ Nông nghiệp và PTNT, Báo cáo tình hình sản xuấ t nông lâm nghiệ p và thủ y sản

tháng 9 và 9 tháng năm 2008, Hà Nội.2. Nguyễn Lân Dũng (1982), Thự c hành Vi sinh vật học (Dịch t ừ Nxb Moscow), Nxb

Đại học và Trung học Chuyên nghiệp, Hà Nội.

3. Vũ Thị Minh Đức (2001), Thự c t ậ p Vi sinh vật học, Nxb Đại học Quốc gia Hà Nội,

tr.82-90.

4. Nguyễn Thị Huê (2008), “Đánh giá tiềm năng năng lượ ng SK các PPNN (lúa, ngô,

lạc) ở tỉnh Nam Định”, Luận văn thạc sỹ, Hà Nội.

5. Nguyễn Quang Khải, Hội thảo Phát triển năng lượ ng bền vững ở Việt Nam, Nhữ ng

vấ n đề phát triể n năng lượ ng SK của Việt Nam.

6. Nguyễn Đức Lượ ng (1996), Nghiên cứ u tính chấ t một số vi sinh vật có khả năng

t ổ ng hợ p xenluloza cao, Luận án PTSKHKT , Hà Nội.

7. Lê Đ ình Quang (2008), “Nhiên liệu sinh học – Lợ i ích khổng lồ nhưng còn đó

những nguy cơ ”, T ạ p chí Tài nguyên môi tr ườ ng, Số 21, tr.24-25.

8. TCVN 6168:2002.

9. TCVN 6268:2002.

10. Lê Thanh (2004), Các phươ ng pháp phân tích ngành công nghệ lên men, Nxb

Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.

11. Thủ tướ ng chính phủ (2007), Đề án phát triể n nhiên-liệu-sinh-học đế n năm 2015,

t ầm nhìn đế n năm 2025”, Hà Nội.





12. Nguyễn Đ ình Thưở ng (2000), Công nghệ sản xuất & kiểm tra cồn etylic, Nxb Khoa

học và Kỹ thuật, tr.107-173.13. Tổng cục Thống kê, Niên giám thống kê 2008.

14. Trung tâm khuyến nông Hà Tây, Chế biến dự trữ thức ăn thô xanh.

15. Trần Cẩm Vân (2004), Giáo trình vi sinh vật môi trườ ng, Nhà xuất bản Đại học

Quốc Gia, tr.79-82.

16. Viện Năng lượ ng nguyên tử Việt Nam(2004), Hỏi và Đáp về Năng lượ ng nguyên

tử, Viện , Hà Nội, tr.14.

17. http://tailieu.vn, Nhiên liệu sinh học - nguồn năng lượ ng tái tạo quan trọng trong

tươ ng lai.

18. http://tailieu.vn/view-document/vi-sao-nhien-lieu-sinh-hoc-chua-duoc-quan-tam-o-

nuoc-ta.14940.html?lang=en, 2007, Vì sao nhiên liệu sinh học chưa đượ c quan tâm

ở nướ c ta, Sinh học Việt Nam.

19. http://www.ovsclub.com.vn/show_article.php?aid=17844&lg=vn, Nhiên liệu sinh

học Etanol: hy vọng hay ảo vọng.

20. http://www.bacninh.gov.vn/Story/NongNghiepKhuyenNong/TinTucNNKN/2006/7/

5090.html, Sản xuất điện từ PPNN

21. http://www.bktphcm.net/diem-tin/bao-chi/324-san-xuat-nhien-lieu-sach-tu-phu-

pham-nong-nghiep.html (2009), Sản xuất nhiên liệu sạch từ PPNN

22. http://dalat.gov.com, tận dụng phế phụ phẩm làm phân hữu cơ sinh học

23. http://ttntt.free.fr/archive/Trandanghong.html, xăng sinh học.

24. http://www.hua.edu.vn/tvdv/Admin/Viewer.detail.asp?id=36, Không nên đốt rơ m

rạ trên ruộng lúa.

Tiếng Anh

25. Cheng- shung gong, li-fu chen, Michael C. Flickinger, Ling- Chang Chiang, and

George T. Tsao (1981), Applied and environmental microbiology: Production of

Etanol from D-Xylose by Using D-Xylose Isomerase and Yeasts, p. 430-436





26. Badger, P.C (2002), Trends in new crops and new uses, Etanol from cellulose: A

general review, p. 17–21.27. Berg, Jeremy M.; Tymoczko, John L.; and Stryer, Lubert (2002), Biochemistry,

Spinger.

28. Biotechnology for Fuels and Chemicals- Applied Biochemistry and Biotechnology.

29. James D. Kerstetter, Ph.D.John Kim Lyons(2001), Wheat straw for etanol,

Production in Washington: A Resource, Technical, and Economic Assessment,

p.18.

30. Jeris J. S and A. W. Regan (1973), “The effect of pH, nutrient, storage and paper

content”, Controllong environmental for oplimal composting, p 16- 22

31. Gaur A.C (1980), Microbial decomposition of organic matterial and humus in soil

and compost, .FAO/UNDP,p.59.

32. Mandels Andreotii R. and Rochee (1996), “Enzymatic conversion of cellulose

matterials”, New York, p.79-85.

33. Ralph Sims, Ali Savigh (2004), Bioenergy Options for a Cleaner Environment,

Elsevier Science & Technology Books, p.131-132.

34. Resse E.T and Levison H.S (1952), A comparative study of the break down of

cellulose by microorganism.

35. Se Hoon Kim (2004) , Lime pretreatment and enzymatic hydrolysis of corn stover,

p.6.

36. . Sheela Srivastava, P S Srivastava (2003), Understanding Bacteria, Springer

37. Sin R.G.H (1951), Microbial decomposition of cellulose, Rainhold, New York.

38. http://permanent.access.gpo.gov/websites/www.ott.doe.gov/biofuels/concentrated.h

tml

39. http://permanent.access.gpo.gov/websites/www.ott.doe.gov/biofuels/dilute.html

40. http://permanent.access.gpo.gov/websites/www.ott.doe.gov/biofuels/enzymatic.htm




41. http://permanent.access.gpo.gov/websites/www.ott.doe.gov/biofuels/understanding

_biomass.html42. www.wisbiorefine.org, Fermentation of Lignocellulosic Biomass.

43. www.wisbiorefine.org, Etanol fuel.

thẠc sỸ nghiên cứu sản xuất ethanol sinh học từ các phụ phẩm nông nghiệp

Documents