Nghiên cứu sản xuất ethanol tu rom ra

Công nghệ sản xuất Etanol sinh học

Trang 1

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL

NHIÊN LIỆU TỪ RƠM RẠ

NHÓM 7


Trang 2

I. NGUỒN RƠM RẠ Ở VIỆT NAM VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG RƠM RẠ Ở

VIỆT NAM:

Sản lượng lương thực và hoa màu cao đồng nghĩa với việc nước ta có một

nguồn phụ phẩm nông nghiệp rất dồi dào. Trung bình, để tạo ra 1 tấn gạo đã thải

ra khoảng 1,2 tấn rơm rạ. Sản lượng lúa gạo năm 2007 toàn quốc đạt 36 triệu tấn.

Như vậy, lượng rơm rạ thải ra hằng năm vào khoảng 43 triệu tấn. Số liệu thống

kê hằng năm được trình bày theo bảng 1.

Cho đến nay, phần lớn rơm rạ thường được để mục hoại ngoài đồng hay đốt

tại chỗ để trả lại khoáng chất cho đồng ruộng. Phần còn lại được đem về làm

thức ăn gia súc hay trồng nấm và làm chất đốt phục vụ nhu cầu đun nấu trong gia

đình. Nếu có thể sản xuất được ethanol từ rơm rạ sẽ có thể sử dụng có ích nguồn

năng lượng từ rơm mà vẫn trả lại được nguồn khoán chất cho cây trồng

Bảng 1: Sản lƣợng nông nghiệp nƣớc ta năm 2003 (FAO 2004)

II. CẤU TRÚC CỦA NGUỒN NGUYÊN LIỆU VÀ KHÓ KHĂN TRONG PHÂN

HỦY RƠM RẠ TẠO RA ĐƢỜNG:

II.1. Cấu trúc:

Rơm rạ có thành phần chính là cellulose, Lignin, Hemicellulose, các chất trích ly

và tro.


Trang 3

Cấu trúc của rơm rạ

Các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản. Các sợi này được gắn lại với

nhau nhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi, với chiều rộng khoảng 25nm.

Các vi sợi này được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp bảo vệ cellulose

khỏi sự tấn công của ezyme cũng như các hóa chất trong quá trình thủy phân.

Mối quan hệ cellulose – hemicellulose trong cấu trúc rơm rạ

Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở. Trong tự nhiên, lignin chủ yếu

đóng vai trò chất liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ

với mạng cellulose và hemicellulose. Rất khó để có thể tách lignin ra hoàn

toàn.


Trang 4

Cellulose là đường polysaccharide, có công thức (C6H10O5)n, mà số n biến thiên

từ 7,000 đến trên 15,000 phân tử glucose.

Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp

khoảng 70 đến 200 DP. Hemicellulose chứa cả đường 6 gồm glucose,

mannose và galactose ; đường 5 gồm xylose và arabinose.

II.2. Khó khăn:

Động vật ăn cỏ, mối (termite) tiêu hoá được cellulose nhờ vi-sinh-vật sống

cọng sinh trong bao tử (như Cellulomonas), một số vi khuẩn có khả năng biến

cellulose ra đường, nhờ sản xuất enzyme cellulase biến cellulose ra đường. Vì vậy,

để biến cellulose thành rượu, bắt chước theo bộ tiêu hoá của động vật ăn cỏ và

mối, trước hết phải biến hoá cellulose ra đường đơn giản như hexose, pentose,

bằng thuỷ phân (hydrolysis) nhờ một số acid (như trong dịch vị) và enzyme

cellulase.

Hemicellulose tương đối dễ dàng biến thành đường-chứa-5C như Xylose

(C5H10O5), nhưng xylose không biến chế thành ethanol được. Cũng vậy, với kỹ

thuật hiện tại, chưa có cách biến lignin ra ethanol. Vì vậy trước tiên phải loại

lignin và hemicellulose, chỉ còn lại thành phần cellulose.

Hiện tại, sản xuất enzyme cellulase để biến cellulose thành đường khá phức

tạp, tốn kém, chiếm khoảng 40% chi phí sản xuất rượu.

Có 3 loại cellulases thường dùng:

(i) Endo-p-glucanase, 1,4-ß-D-glucan glucanohydrolase, CMCase, phá huỷ

các cầu của chuỗi cellulose để biến thành đường glucose và oligo-saccharide.

(ii) Exo-P-glucanase, 1,4-ß - D-glucan cellobiohydrolase, Avicelase, C1:

biến thành đường cellobiose (C12).

(iii) ß-glucosidase, cellobiase: thuỷ phân đường cellobiose thành glucose.


Trang 5

III. NGHIÊN CỨU QUI TRÌNH SẢN XUẤT ETANOL TỪ RƠM RẠ:

Nguyên liệu

Chuẩn bị

Chưng cất

Tiền xử lí

Lên men

Thủy phân

etanol

Nấm men

Nhân giống

QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIOETANOL TỪ BIOMASS


Trang 6

III.1. Quá trình tiền xử lý rơm rạ bằng nổ hơi để thuỷ phân tạo ra dịch

đƣờng:

(Trích từ “luận văn tốt nghiệp đại học, nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ

rơm rạ, Trần Diệu Lý, trường đại học bách khoa tp. hcm-khoa kỹ thuật hóa

học,1/2008” và đề tài “ nghiên cứu công nghệ và thiết bị liên tục xử lý rơm rạ

bằng hơi nước để lên men ethanol” của ThS. Hoàng Minh Nam…).

Phương pháp nổ hơi nước được phát triển vào năm 1925 bởi W. H. Mason trong

sản xuất gỗ ép. Cơ chế quá trình nổ hơi nƣớc

Mô tả cơ chế quá trình nổ hơi

Cấu trúc sợi trước và sau khi nổ hơi, bó sợi cellulose được giải phóng ra

khỏi lớp lignin bảo vệ sau khi nổ hơi


Trang 7

Sợi lignocellulose không nổ hơi có cấu trúc sít chặt ngăn cản sự tấn công của enzyme, nổ

hơi ở 4atm, nổ hơi ở 8atm( mô tả khả năng làm tăng kích thước lỗ xốp trong xơ sợi).

Quá trình nổ hơi nước là một quá trình cơ – hóa – nhiệt. Đó là phá vỡ cấu trúc

các hợp phần với sự giúp đỡ của nhiệt ở dạng hơi (nhiệt), lực cắt do sự giãn nở của

ẩm (cơ) và thủy phân các liên kết glycosidic (hóa).

Quá trình nổ hơi có 2 giai đoạn:

Làm ẩm nguyên liệu

Giảm áp đột ngột

Trong thiết bị phản ứng, ở giai đoạn 1 nước dưới áp suất cao thâm nhập vào cấu

trúc lignocellulosic bởi quá trình khuếch tán và làm ẩm nguyên liệu. Ẩm trong biomass

thủy phân các nhóm acetyl của hemicellulose hình thành nên các acid hữu cơ như

acetic và uronic acid. Các acid này lần lượt xúc tác quá trình depolymer hóa

hemicellulose, giải phóng xylan và một phần glucan. Dưới điều kiện khắc nghiệt, vùng

vô định hình của cellulose có thể bị thủy phân đến một mức độ nào đó. Dưới điều kiện

khắc nghiệt hơn, ví dụ như nhiệt độ cao và áp suất cao, có thể thúc đẩy sự phân hủy

xylose thành furfural và glucose thành 5-hydroxymethyl furfural. Furfural và 5-

hydroxylmethyl furfural kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật, do đó nó không thuận

lợi cho quá trình lên men.


Trang 8

Fufural Hydroxymethyl fufural

Mô tả cơ chế quá trình nổ hơi

Trong giai đoạn 2: ẩm trong biomass sẽ hóa hơi đột ngột ra khi áp suất trong

thiết bị phản ứng được giải phóng và hạ đột ngột từ rất cao khoảng vài chục atm

xuống còn áp suất khí trời. Hiện tượng này cũng giống như hiện tượng nổ. Nguyên

liệu được tống mạnh khỏi thiết bị qua một lỗ nhỏ bởi lực ép. Một vài hiện tượng xảy

ra tại thời điểm này. Đầu tiên, ẩm ngưng tụ trong cấu trúc biomass bốc hơi tức thời

do giảm áp đột ngột. Sự giãn nở của hơi nước gây ra lực cắt bao quanh cấu trúc

nguyên liệu. Nếu lực cắt này đủ lớn, hơi nước sẽ gây ra sự phá hủy cơ học lên cấu

trúc lignocellulosic. Sự mô tả quá trình làm nổi bật tầm quan trọng của việc tối ưu

hai yếu tố: thời gian lưu và nhiệt độ. Thời gian biomass lưu lại trong thiết bị phản

ứng giúp xác định phạm vi thủy phân hemicellulose bởi các acid hữu cơ. Việc

thủy phân hemicellulose giúp cho quá trình lên men thuận lợi hơn.

Theo Iotech, điều kiện xử lí tối ưu của holocellulose (xylose + glucose) là

áp suất 500-550 psi, thời gian 40 giây.

Bã sau nổ hơi ở các nhiệt độ khác nhau

Thiết bị: thường dùng và có hiệu quả nhất là StakeTech. Rất hay được dùng

trong các trường đại học và viện nghiên cứu(Ths. Hoang Minh Nam).

Ƣu nhƣợc điểm của quá trình nổ hơi nƣớc:


Trang 9

1. Tăng sự kết tinh của cellulose bằng cách thúc đẩy sự kết tinh của vùng

vô định hình.

2. Hemicellulose bị thủy phân trong quá trình nổ hơi.

3. Sự nổ hơi thúc đẩy việc khử lignin.

Cùng với việc gia tăng kích thước lỗ xốp, tác động (2) và (3) là 3 ưu điểm của

quá trình nổ hơi. Tuy nhiên, tác động (1) lại gây ra khó khăn cho quá trình thủy phân.

Ngoài ra những nhược điểm chính của quá trình nổ hơi là:

Tốn chi phí, năng lượng vận hành.

Đòi hỏi thiết bị chịu được nhiệt độ và áp suất cao

Có thể làm phân hủy cellulose.

Mất đi đường từ hemicellulose.

Làm sinh ra fufural và 5-hydroxymethyl fufural gây ức chế quá trình lên men .

Tóm lại: sau khi thực hiện nổ hơi chậm và nhanh thì hiêu suất thu hồi cellulose của

nổ hơi nhanh cao hơn; rơm tại 2300c, %cell=53,1( theo Ths Hoàng Minh Nam).

Thiết bị nổ hơi quy mô pilot Qui trình nổ hơi


Trang 10

III.2. Nghiên cứu qui trình công nghệ thủy phân và lên men ethanol:

Một số qui trình từ các nguồn nguyên liệu khác nhau:

Qui trình sản xuất etanol đi từ lignocellulose

CELLULOSE

Sinh học/ hóa học

NGUYÊN LIỆU

HÓA CHẤT

CÁC VẬT LIỆU

BÃ

NĂNG LƢỢNG

NHIỆT

CHẤT TRÍCH LY

LIGNIN lignin

ĐƯỜNG

HEMICELLULOSE


NGUYÊN LIỆU

LIGNOCELLULOSE

BÃ


Trang 11

(1) Thủy phân bằng axit:

Quá trình xử lý cơ bản gồm 2 bước như hình dưới.

CELLULOSE


CHẤT BÃ

NĂNG LƢỢNG NHIỆT

CHẤT TRÍCH LY

HỖN HỢP KHÍ

(quá trình khí hóa) KHÍ

ĐƯỜNG

BIOMASS

KHÍ SẠCH

NGUYÊN LIỆU HÓA

CHẤT CÁC VẬT LIỆU

QUI TRÌNH SẢN XUẤT ETANOL TỪ NGUYÊN LIỆU BIOMASS

biomass

bã

lignin

acid

Nƣớc Nƣớc hơi hơi acid

Dịch thủy phân Dịch thủy phân

Rửa Giai đoạn tiền thủy phân Giai đoạn đƣờng hóa


Trang 12

Trong ngành công nghiệp sản xuất etanol, người 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

được dùng phổ biến nhất vì giá thành của nó rẻ và cho hiệu quả thuỷ phân tương đối

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

Quá trình thủy phân biomass có thể thực hiện trong các bình phản ứng.

Phương pháp ngâm chiết có thể thực hiện bằng cách cho dòng acid thấm xuyên qua

các cột nhồi nhiều lớp. Đây là thiết bị khá thích hợp cho phương pháp thủy phân

theo mẻ. Ưu điểm thứ nhất là loại đường ngay khi nó được tạo thành. Thiết bị này

ít tạo thành các sản phẩm phân hủy đường và các chất ức chế quá trình lên men, tạo

ra lượng đường lớn. Điểm thứ 2, thiết bị có thể hoạt động với tỉ lệ rắn/ lỏng khá

cao.

Năm 1997 Torget và các cộng sự phát minh ra thiết bị phản ứng BSFT. Đây là

thiết bị chảy qua lớp co. Thiết kế nhằm giữ độ chặt của lớp không đổi. Dòng acid

được đưa qua thiết bị và đi qua các lớp với vận tốc bé. Thời gian lưu của nguyên

liệu trong thiết bị ngắn hơn so với phương pháp ngâm chiết. Thiết bị cho năng

suất cao. Sản phẩm thu được có hàm lượng chất phân hủy thấp

Thủy phân bằng axit loãng

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

sunfuric loãng phải trải qua 2 bước:


Trang 13

- Bước 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 bước 1 sẽ chuyển hóa hemicellulose thành

đường 5C và 6C (chủ yếu xylo và mano) dễ lên men tạo thành etanol đồng

thời bẻ gãy cấu trúc cellulose.

- Bước 2: Để chuyển hóa hoàn toàn cấu trúc cellulose đã gãy thành đường gluco C6,

bước thủy phân thứ 2 sử dụng axit nồng độ 2% được thực hiện ở nhiệt độ 240o

C.

Thủy phân bằng axit đặc

Quá trình thuỷ phân vẫn được tiến hành qua hai bước, bước thứ nhất để thuỷ

phân hemicelulose, được tiến hành ở 100oC, trong thời gian từ 2 – 6h, nồng độ axit cho

vào là 10%. Ở giai đoạn thuỷ phân thứ nhất, sau khi axit phân huỷ hemicellulose, hỗn

hợp sẽ được pha loãng bằng nước, sự thuỷ phân xảy ra trong bước pha loãng thu được

phần lớn đường. Sau đó, hỗn hợp được lọc để thu hồi dung dịch, phần chất rắn còn lại

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


Trang 14

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

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

thời điểm này. Chính vì vậy, pha loãng dung dịch bằng nước ở nhiệt độ thường sẽ làm

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

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

trình này, người ta sử dụng màng lọc để phân tách đường và axit, hệ thống thu hồi và

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

nhiên, hệ thống này có giá thành rất cao, do vậy người ta thường sử dụng một lượng

lớn vôi để trung hoà axit trong dung dịch trước khi tiến hành lên men. Sự trung hoà này

tạo ra một lượng lớn thạch cao CaSO4. Ưu điểm của quy trình là hiệu quả thuỷ phân

cao, có thể thu hồi được 90% cả đường của cellulose và đường của hemicellulose.

(2) Thủy phân bằng enzyme:

Thủy phân:

Nguồn enzyme được sử dụng phổ biến hiện nay là từ Trichoderma reesei và

Aspergillus niger. Hiện nay, người ta đang thay thế dần các hệ enzyme chịu nhiệt, chịu

các điều kiện hóa học quá hạn. Hơn hết là các nghiên cứu về phức hợp cellulosome

của các vi khuẩn kỵ khí đang dần mở ra một con đường mới nhằm tăng hiệu quả thủy

phân của tổ hợp trên các loại nguyên liệu lignocellulose.

Hiện nay, cơ chế thủy phân của hệ enzyme cellulase được chấp nhận diễn ra

theo các bước sau:

Endoglucanase thủy phân liên kết β-1,4-glycosidic trong vùng vô định hình

tạo ra nhiều đầu không khử.

Sau đó exoglucanase cắt các đơn vị cellobiose từ đầu không khử.

β-glucosidase tiếp tục thủy phân cellobiose tạo ra glucose.

Trung tâm hoạt động của enzyme cellulase chứa các gốc amino acid đặc

hiệu. Trong khi đó cellulose chứa các liên kết glycosidic. Bộ electron σ đóng vai trò

phân cực liên kết. Hiệu ứng cảm ứng của nguyên tử oxy trung tâm gây ra một sự

tập trung tích điện trên nguyên tử oxy làm cho nguyên tử oxy tích điện âm. Còn các

nguyên tử cacbon kết hợp với nó bị khuyết electron nên sẽ tích điện dương. Sự

khuyết electron trong liên kết bị thủy phân là yếu tố quan trọng quyết định khả

năng thủy phân. Tác dụng xúc tác của enzyme do sự phân bố electron quyết định.


Trang 15

Quá trình thủy phân cellulose bằng enzyme cellulase.

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ quá trình thủy phân

Tốc độ quá trình thủy phân cellulose bằng cellulase chịu tác động của một số

các yếu tố. Năm 2002, Lyn và cộng sự đưa ra kết luận như sau:

Tỉ lệ kết tinh: đây là yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình thủy phân. Các

mạch cellulose có tính kết tinh cao, các sợi cellulose liên kết rất chặt chẽ.

Do đó sẽ cản trở quá trình tiếp xúc của enzyme với các mạch cellulose bên

trong và làm giảm tốc độ quá trình thủy phân.

Mức độ polymer hóa: mạch cellulose càng dài, tốc độ thủy phân càng

chậm(Walker và cộng sự , 1990).

Kích thước lỗ xốp: kích thước của các lỗ xốp phải đủ lớn cho các enzyme đi

vào. Kích thước lỗ xốp càng lớn quá trình thủy phân càng nhanh.

Bề mặt tiếp xúc: hầu hết các chuỗi xenllulose được giấu trong các vi sợi- yếu

tố ngăn cản cản sự tác động của enzyme và giới hạn tốc độ thủy phân. Bề mặt

thủy phân càng lớn thì tốc độ thủy phân càng nhanh.

Thực nghiệm cho thấy quá trình thủy phân tiến hành ở nhiệt độ 70ºC trong 1,5

ngày. Sản phẩm thu được có lượng glucose bằng 75-95% số gốc glucose có trong

nguyên liệu ban đầu.


Trang 16

Lên men:

Để sản xuất một lượng cồn lớn, thì việc lựa chọn một chủng nấm men thích

hợp là rất cần thiết. Những giống nấm men thường được sử dụng trong công nghiệp

sản xuất cồn như Saccharomyces spp mà hiện tại một số loài như S. Cerevisiea hay

S.unvarum là giống có khả năng tạo độ cồn cao (12-13%), hay đặc biệt S. oviformis có

khả năng tạo độ cồn 18% đặc biệt loài nấm men này có khả năng lên men được rất

nhiều đường khác nhau như glucose, manose, saccharose, maltose và rafinose, tuy

nhiên không có khả năng lên men galactose.

Ngoài ra còn có Zymononas mobilis cũng thường được sử dụng trong quá trình

rượu hóa. Tuy nhiên cả Saccharomyces và Zymononas sp đều thiếu hoàn toàn khả

năng chuyển hóa các loại đường pentose. Khuynh hướng biến đổi gen của 2 giống này

nhằm giúp biểu hiện khả năng chuyển hóa 2 loại đường pentose phổ biến nhất là D-

xylose, và L – arabinose cũng đã được phát triển nhiều.

Gần đây, người ta phát hiện thấy có một số loài nấm men như Pichia stipitis,

Candida shehatae và Pachyhysolen tannophillus là những chủng có khả năng chuyển

hóa xylose mạnh và đã được dùng trong sản xuất ethanol. Trong đó P. stipilis lại nổi

bật bởi khả năng sản xuất hàm lượng cồn cao và nhu cầu dinh dưỡng của chúng không

quá phức tạp so với các giống nấm men khác.

Thế giới hiện nay rất chú trọng xu hướng sử dụng công nghệ gen để tạo chung

nấm men vừa có khả năng lên men đường 5 và đường 6.


Trang 17

Cơ chế lên men glucose:

Quá trình đường phân


Trang 18

Sau đó, pyruvate sẽ chuyển thành ethanol theo các phương trình sau:

NADH + H+

NAD+

Bản chất của quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử. Quá trình oxy hóa này lại

xảy ra trong cơ thể sinh vật dưới tác động của hệ thống enzyme, cho nên người ta gọi

quá trình lên men là quá trình oxy hóa sinh học.

Thuỷ phân và lên men tách riêng:

Vật liệu sau khi được nghiền mịn (giảm kích thước) sẽ được xử lý sơ bộ bằng

axit loãng để thuỷ phân hemicellulose, chất rắn còn lại (cellulose, lignin) sẽ được

Sử dụng enzyme để thuỷ phân, thuỷ phân và lên men tách riêng

(SCF: separate hydrolysis and fermentation)

pyruvat decarbonxylase

CH3COOH

-CO2

CH3-C-COOH

O

alcol- dehydrogenase

C2H5OH CH3CHO


Trang 19

thuỷ phân bằng enzyme.

Trong bước xử lý sơ bộ, chuỗi liên kết các loại đường cấu thành nên

hemicellulose bị phá vỡ, các phân tử hemicellulose sẽ bị phân huỷ thành các đường

đơn. Cụ thể là các đường 5C có thể hoà tan như xylose, araibinose và các đường 6C có

thể hoà tan như mannose và galactose. Một lượng nhỏ cellulose cũng được chuyển hoá

thành glucose trong bước này. Tiếp đến cần nuôi dưỡng enzyme để thuỷ phân

cellulose, enzyme cellulase được sử dụng để thuỷ phân các phân tử cellulose thành

đường glucose. Trong phản ứng thuỷ phân cellulose, enzyme cellulase được sử dụng để

phá vỡ chuỗi liên kết glucan của cellulose, giải phóng ra glucose.

Quá trình thuỷ phân cellulose còn được gọi là sự hoá đường cellulose. Dung

dịch thu được sau giai đoạn xử lý sơ bộ và giai đoạn thuỷ phân cellulose được lên men

bằng vi sinh vật. Sau đó người ta chưng cất để thu hồi etanol tinh khiết. Trong quy

trình này quá trình thuỷ phân và quá trình lên men được tiến hành tách rời.

Thuỷ phân và lên men đồng thời:

Khác với quy trình thủy phân và lên men tách rời, ở quy trình này quá trình

thuỷ phân cellulose và quá trình lên men được tiến hành đồng thời. Quy trình này tuy

không phải thực hiện sự thủy phân trước nhưng hạn chế của nó là làm xuất hiện các

phản ứng lên men đồng thời phức tạp và làm phát sinh các sản phẩm của sản xuất


Trang 20

etanol sinh học ức chế hoạt động của enzyme( hình 5).

Quá trình thủy phân và lên men đồng thời (còn gọi là quá trình đường hóa và lên

men đồng thời) có nhiều ưu điểm:

Glucose tạo thành trong quá trình thủy phân được tiêu thụ ngay lập tức bởi

nấm men vì vậy, lượng cellobiose và glucose tích tụ trong hệ thống là rất ít. Điều

này sẽ giải quyết vấn đề ức chế enzyme nhờ đó tốc độ tạo glucose sẽ được tăng

đáng kể, lượng enzyme cần dùng cũng nhỏ đi.

Số thiết bị cần cho quá trình thủy phân và lên men đồng thời cũng ít hơn số

cần cho phương pháp truyền thống vì cả quá trình thủy phân và lên men được tiến

hành trong cùng một thiết bị. Điều này giúp giảm vốn đầu tư.

Việc ethanol tạo thành trong suốt quá trình sẽ làm giảm khả năng phát triển

của vi sinh vật cũng như tạp chất, rất có lợi cho các quy trình liên tục.

Vi sinh vật dùng cho lên men

III.3. Chƣng cất- khử nƣớc

Quá trình tách nước và tinh sạch ethanol để đáp ứng đặc điểm kỹ thuật của nhiên liệu.

IV. TÌNH HÌNH CHUNG:

IV.1. Sản xuất etanol sinh học:

Về phương diện kỹ thuật (và kinh tế), chia làm 3 loại nguyên liệu:

Công nghệ xăng-sinh-học thế hệ 1: chế biến từ đường (mía, củ cải đường, sorgho-

đường) và tinh bột của nông phẩm (từ hạt của bắp, lúa mì, lúa, v.v., hay từ củ như

khoai tây, khoai mì, v.v.) để tạo ethanol; hay từ dầu (của hạt dừa-dầu, đậu nành,

đậu phộng, v.v.) để biến chế diesel-sinh-học. Kỹ thuật đơn giản và kinh tế nhất.

Công nghệ xăng-sinh-học thế hệ 2: từ cellulose, chất xơ của dư thừa thực vật

(rơm, rạ, thân bắp, gỗ, mạt cưa, bã mía, v.v.), hay thực-vật-hoang (non-crop) (như

cỏ voi, vetiver, lục bình). Chẳng hạn, một ha mía cho khoảng 25 tấn bã mía

(bagasse, xác mía sau khi ép), và mỗi tấn bã mía sản xuất 285 lít ethanol. Kỹ thuật

hiện nay chưa hoàn hảo, hiệu năng còn kém, con men chưa hữu hiệu và giá đắt,

chỉ một phần cellulose và lignin biến thành ethanol, nên giá thành sản xuất còn

cao.

Công nghệ xăng-sinh-học thế hệ 3: từ tảo (algae), kỹ thuật đang phát triển.


Trang 21

Tổng sản lượng Etanol hàng năm của 15 nước

đứng đầu (2004-2006) (Triệu tấn gallon Mỹ)

Tổng sản lượng Etanol hàng năm 15

nước đứng đầu (2007) (Triệu tấn

gallon Mỹ)

Xếp

hạng

thế

giới

Đất nƣớc 2006 2005 2004

Xếp

hạn

gthế

giới

Đất

nƣớc/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

3 Trung

Quốc

1.017 1.004 964 3 Liên minh

Châu Âu

570,3

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

5 Pháp 251 240 219 5 Canada 211,3

6 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

9 Tây Ban

Nha

122 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 Nhĩ Kỳ 15,8

12 Anh Quốc 74 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

15 Saudi

Arabia 52 32 79 15 Paraguay 4,7

Tổng số 13.489 12.150 10.770 Tổng số 13.101,7


Trang 22

Nguyên liệu

Sản lƣợng dự tính (theo lý thuyết) cho mỗi

tấn nguyên liệu khô

Gallons Lít

Hạt bắp ngô 124,4 470,854

Thân và lá bắp ngô 113,0 427,705

Rơm rạ 109,9 415,971

Phế phẩm của bông sợi 56,8 214, 988

Phế phẩm lâm nghiệp 81,5 308,477

Mạt cƣa 100,8 381,528

Bã mía 111,5 422,027

Giấy vụn 116,5 439,817

Sản lượng lý thuyết Etanol sinh ra từ 1 tấn nguyên liệu khô

Hiện nay trên thế giới có 50 nước có chương trình nghiên cứu và sử dụng

nhiên liệu sinh học. Các nước APEC đã chọn nhiên liệu sinh học thay thế cho

nhiên liệu hóa thạch. Theo dự báo của các chuyên gia, đến năm 2025, thế giới sẽ

sử dụng 12% nhiên liệu sinh học trong toàn bộ nhu cầu năng lượng; đến năm

2020, EU sẽ sử dụng 20% nhiên liệu sinh học.

Trong chương trình nghị sự của diễn đàn hợp tác Đông Á - Mỹ Latinh

(FEALAC) cũng đã bàn đến các nội dung liên quan đến sản xuất và sử dụng

nhiên liệu sinh học.

Brazil là quốc gia duy nhất đi theo con đường riêng của mình là sử dụng

cồn làm nhiên liệu cho các loại ô tô. Khoảng 40% nhu cầu nhiên liệu của nước

này được đáp ứng bằng bioethanol, một dạng cồn được điều chế từ đường mía.

Tuy nhiên, Biodiesel cũng chỉ có thể sử dụng ở một mức độ nhất định đối với

một số loại động cơ diesel đời mới. Đây là lý do tập đoàn Shell quan tâm nhiều

hơn đến việc phát triển nhiên liệu sinh học thế hệ hai. Để sản xuất nhiên liệu

này, người ta sử dụng cả các bộ phận của cây trong quá trình sản xuất nông

nghiệp, nhiều khi những bộ phận này là chất thải như rơm rạ, thân cây ngô,

hướng dương...

IV.2. Các thành tựu nghiên cứu:

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

từ rơm rạ, cứ mỗi 10 kg rơm rạ thu được 2 lít cồn 99,5% để pha làm xăng sinh học

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

thương mại. Các nghiên cứu ở Trung quốc cho thấy, xăng sinh học sản xuất từ rơm

rạ đắt hơn xăng dầu mỏ khoảng 250 USD/tấn. Hãng General Motors của Hoa Kỳ đã

hợp tác với Công ty sản xuất etanol Coskata để sản xuất thanol từ thân bắp vào


Trang 23

cuối năm 2008, và kể từ 2011 sẽ sản xuất 50 – 100 triệu gallons/năm, với giá 1

USD/gallon.

Wood và các cộng sự đã báo cáo về việc biểu hiện gen tái tổ hợp

endoglucanase từ Erwinia chrysanthemi P86021 vào Escherichia coli KO11 và hệ

thống tái tổ hợp này đã sản xuất 3.200 IU endoglucanase/lit canh trường lỏng lên

men (IU, international unit, được xác định như là 1 μl đường khử được tạo ra

trong 1 phút khi sử dụng carboxymethyl cellulose làm cơ chất). Endoglucanase E1

chịu nhiệt từ Acidothermus cellulolyticus được biểu hiện ở Arabidopsis thaliana ở

lá. Người ta cũng có thể sử dụng quá trình lên men xylose thành ethanol. Chủng

tái tổ hợp E. coli với các gen từ Zymomonas mobilis để chuyển hóa pyruvate

thành ethanol cũng đã được nghiên cứu bởi Dien và các cộng sự. Các plasmid tái

tổ hợp với các gen tổng hợp xylose reductase và xylitol dehydrogenase từ Pichia

stipitis và gen xylulokinase từ Saccharomyces cerevisiae đều được chuyển vào

Saccharomyce spp. cho quá trình lên men đồng thời xylose và glucose .

Tuy nhiên cũng có nhiều thách thức đặt ra là:

Giữ tính ổn định của các chủng vi khuẩn khi sản xuất công nghiệp.

Tính kinh tế của hệ thống.

Có một hệ thống tiền xử lý hiệu quả cao…

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Trần Diệu Lý. 2008. Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ. Đề tài

tốt nghiệp đại học, khoa Kỹ thuật hóa học, Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ

Chí Minh.

Đề tài thạc sĩ “nghiên cứu sản xuất etanol từ phụ phẩm nông nghiệp” của

Nguyễn Thị Hằng Nga- DH khoa học tự nhiên.

Báo cáo tóm tắt đề tài “ Nghiên cứu công nghệ và thiết bị liên tục xử lý rơm rạ

bằng hơi nước để lên men ethanol” của Ths. Hoàng Minh Nam.

Và một số nguồn khác từ internet.

---HẾT---

Nghiên cứu sản xuất ethanol tu rom ra

Documents

Transcript of Nghiên cứu sản xuất ethanol tu rom ra