Luận Văn Nghiên cứu sản xuất Ethanol từ rơm rạ

TÓM TẮT LUẬN VĂN



Rơm rạ chiếm tỉ lệ lớn trong các phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam. Với thành

phần chứa hơn 40% là cellulose, rơm rạ là nguồn nguyên liệu thích hợp cho quá trình sản

xuất ethanol. Luận văn này nghiên cứu quá trình sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ và

được chia làm hai phần. Phần đầu nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố :% bã rắn, %

enzyme, nhiệt độ, pH lên quá trình thuỷ phân và phần hai nghiên cứu quá trình thuỷ phân

và lên men đồng thời.


MỤC LỤC

Chương 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 CÂY LÚA Ở VIỆT NAM .1

1.2 RƠM RẠ 2

1.2.1 Nguồn rơm rạ ở Việt Nam 2

1.2.2 Hiện trạng sử dụng năng lượng từ rơm rạ ở Việt Nam 3

1.3 BIOETHANOL TỪ RƠM RẠ 3

1.4 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU .5

2.1 NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE .5

2.1.1 Cấu trúc lignocellulose .5

2.1.2 Cellulose .6

2.1.3 Hemicellulose .8

2.1.4 Lignin .10

2.1.5 Các chất trích ly 12

2.1.6 Tro 13

2.2 QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL TỪ RƠM RẠ .13

2.2.1 Tổng quát 13

2.2.2 Tiền xử lý 14

2.2.3 Thủy phân .20

2.2.4 Lên men 33

2.2.5 Thủy phân và lên men đồng thời 38

2.3 SƠ LƯỢC VỀ BIOFUEL VÀ ETHANOL NHIÊN LIỆU 44

2.3.1 Biofuel 44

2.3.2 Ethanol nhiên liệu .45

Chương 3 THỰC NGHIỆM 48

3.1 NGUYÊN LIỆU VÀ HÓA CHẤT 48

3.1.1 Rơm rạ 48

3.1.2 Enzyme .48

3.1.3 Giống nấm men 49

3.2 CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG .49

3.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG .52

3.3.1 Phương pháp phân tích thành phần xơ sợi trong biomass – rơm rạ .52

3.3.2 Phương pháp đo nồng độ glucose và ethanol .56

3.3.3 Phương pháp xác định độ ẩm của nguyên liệu .63

v

3.3.4 Phương pháp nuôi cấy và đếm nấm men 64

3.4 TRÌNH TỰ NGHIÊN CỨU .66

3.4.1 Sơ đồ quy trình .67

3.4.2 Quá trình nổ hơi – tiền xử lý rơm rạ .67

3.4.3 Quá trình thủy phân 68

3.4.4 Quá trình thủy phân và lên men đồng thời .69

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .71

4.1 PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN RƠM RẠ 71

4.1.1 Thành phần rơm rạ trước nổ hơi .71

4.1.2 Thành phần rơm rạ sau nổ hơi 72

4.1.3 So sánh rơm rạ trước và sau nổ hơi 72

4.1.4 Thành phần dịch nổ hơi. .74

4.2 QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN .76

4.2.1 Thành phần dịch thủy phân 76

4.2.2 Ảnh hưởng của phần trăm bã rắn .77

4.2.3 Ảnh hưởng của lượng enzyme cho vào 79

4.2.4 Ảnh hưởng của pH .84

4.2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ .87

4.2.6 Hiệu suất thủy phân , nồng độ đường tạo thành theo thời gian 92

4.3 QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI 94

4.3.1 Thành phần dịch thủy phân và lên men đồng thời .94

4.3.2 Ảnh hưởng của lượng emzyme cho vào .95

4.3.3 Ảnh hưởng của mật độ nấm men ban đầu 98

4.3.4 Hiệu suất toàn quá trình theo thời gian 101

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 104

5.1 KẾT LUẬN QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN .104

5.2 KẾT LUẬN QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI .104

5.3 SO SÁNH HIỆU SUẤT TOÀN QUÁ TRÌNH CỦA THỦY PHÂN VỚI THỦY

PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI .105

5.4 ĐỀ NGHỊ .105

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106

PHỤ LỤC 108





vi

DANH MỤC HÌNH

Hình 1-1 Tỉ lệ % trong tổng giá trị sản lượng nông nghiệp .1

Hình 1-2 Các nguồn biomass chính ở Việt Nam năm 2000 .3

Hình 2-1 Cấu trúc của lignocellulose .6

Hình 2-2 Mối quan hệ cellulose – hemicellulose trong cấu trúc lignocellulose 6

Hình 2-3 Công thức hóa học của cellulose .7

Hình 2-4 Kiểu Fringed fibrillar và kiểu Folding chain 7

Hình 2-5 Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan .9

Hình 2-6 Glucomannan 9

Hình 2-7 Galactoglucomannan .9

Hình 2-8 Arabinoglucuronoxylan .10

Hình 2-9 Các đơn vị cơ bản của lignin .10

Hình 2-10 Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính 11

Hình 2-11: Một số ví dụ về chất trích ly (a) abietic acid (oleoresin); (b) cathechin

(flavonoid); (c) palmitic acid (acid béo) .13

Hình 2-12 Mô tả cơ chế quá trình nổ hơi .17

Hình 2-13 Fufural .18

Hình 2-14 Hydroxymethyl fufural 18

Hình 2-15: 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 .19

Hình 2-16: (d) sợi lignocellulose không nổ hơi có cấu trúc sít chặt ngăn cản sự tấn công

của enzyme, (e) nổ hơi ở 4atm, (f) nổ hơi ở 8atm 19

Hình 2-17 Tác dụng của từng enzyme trong cellulase .21

Hình 2-18 Quá trình tác động của cellobiohydrolase lên đầu vùng kết tinh của cellulose.

25

Hình 2-19 Cơ chế tác động hiệp đồng của enzyme exo-endo và endo-endo. Enzyme

endoglucanase tấn công ngẫu nhiên vào cellulose và tạo cơ chất thích hợp cho

enzyme exoglucanase và sau đó khuếch tán nhanh ra khỏi bề mặt. Exoglucanse có

thể tấn công từ đầu đường khử và không khử. .26

Hình 2-20 Cơ chế quá trình thủy phân .27

Hình 2-21 Tốc độ phản ứng enzyme theo nhiệt độ 29

Hình 2-22 Ảnh hưởng của pH 30

Hình 2-23 Ảnh hưởng của nồng độ enzyme .30

Hình 2-24 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất .31



vii

Hình 2-25 Chất kìm hãm cạnh tranh 32

Hình 2-26 Chất kìm hãm không cạnh tranh .32

Hình 2-27: Quá trình đường phân 34

Hình 2-28 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phát triển của nấm men 35

Hình 2-29: Giống nấm men Pichia stiptis và Saccharomyces cerevisiae .38

Hình 2-30 Nồng độ glucose (ô vuông không màu) và celllobiose (ô vuông màu đen) theo

thời gian của quá trình thủy phân và lên men đồng thời. .41

Hình 2-31 Nồng độ ethanol theo thời gian trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời.

42

Hình 3-1 Rơm chưa nổ hơi .48

Hình 3-2 Saccharomyces serevisiae chủng turbo yeast extra nhìn dưới kính hiển vi 49

Hình 3-3 Thiết bị nổ hơi quy mô pilot 50

Hình 3-4 Máy sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC) 50

Hình 3-5 Hình dạng buồng đếm hồng cầu dưới kính hiển vi .51

Hình 3-6 Buồng đếm hồng cầu .51

Hình 3-7 Bộ dụng cụ soxhlet 54

Hình 3-8 Hệ thống phân tích NDS và ADS .54

Hình 3-9 Grooch Crucible 54

Hình 3-10 Đường chuẩn glucose 60

Hình 3-11 Đường chuẩn ethanol 61

Hình 3-12 Đường chuẩn cellobiose 62

Hình 3-13 Bộ dụng cụ thủy phân và lên men đồng thời 70

Hình 4-1 Thành phần rơm rạ trước nổ hơi .71

Hình 4-2 Thành phần rơm rạ sau nổ hơi. .72

Hình 4-3 So sánh kết quả các thành phần rơm rạ trước và sau nổ hơi .73

Hình 4-4 Rơm trước nổ hơi 74

Hình 4-5 Rơm sau nổ hơi .74

Hình 4-6 Nồng độ glucose, cellobiose và hiệu suất thu được theo % bã rắn cho vào .78

Hình 4-7 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian tương ứng với các % enzyme khác

nhau 80

Hình 4-8 Nồng độ cellobiose tạo thành theo thời gian ứng với các % enzyme .81

Hình 4-9 Nồng độ glucose, cellobiose thu được và hiệu suất theo % enzyme 82

Hình 4-10 Tốc độ phản ứng ban đầu theo % enzyme cho vào .83

Hình 4-11 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với các giá trị pH khác nhau .85

Hình 4-12 Hiệu suất, nồng độ glucose và nồng độ cellobiose theo pH dung dịch 86



viii

Hình 4-13 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với các giá trị nhiệt độ: nhiệt độ

phòng khác nhau .88

Hình 4-14 Nồng độ cellobiose theo thời gian ứng với các điều kiện nhiệt độ khác nhau. 89

Hình 4-15 Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất tại 24 giờ theo nhiệt độ .90

Hình 4-16 Tốc độ phản ứng ban đầu theo nhiệt độ. .91

Hình 4-17 Nồng độ glucose, cellobiose và hiệu suất theo thời gian. .93

Hình 4-18 Nồng độ ethanol, glucose và hiệu suất theo % enzyme, tại 24 giờ .96

Hình 4-19 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose và hiệu suất theo % enzyme cho vào tại

48 giờ 97

Hình 4-20 Nồng độ ethanol, glucose và hiệu suất theo tỉ lệ mật độ nấm men cho vào tại 24

giờ .99

Hình 4-21 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose và hiệu suất theo tỉ lệ mật độ nấm men

cho vào tại 48 giờ .100

Hình 4-22 Nồng độ cellobiose, glucose và ethanol tạo thành theo thời gian trong quá trình

thủy phân và lên men đồng thời. 102





ix

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1-1 Cơ cấu giá trị sản lượng nông ngư nghiệp Việt Nam năm 2002 [7] .1

Bảng 1-2 Các nguồn biomass chính ở Việt Nam năm 2000 [8] .2

Bảng 2-1 Thành phần của vài loại lignocellulose theo [10] .5

Bảng 2-2 Các thông số vận hành và kết quả quá trình thủy phân và lên men đồng thời

được thực hiện trên nhiều nước[9] .39

Bảng 2-3 Ảnh hưởng của ethanol, glucose và cellobiose lên enzyme cellulase và β-

glucosidase 39

Bảng 2-4 Kết quả quá trình thủy phân và lên men đồng thời tiến hành với rơm đã qua tiền

xử lý bằng acid loãng, quá trình được tiến hành trong điều kiện kỵ khí 40

Bảng 2-5 Ảnh hưởng của việc thêm các thành phần mới vào dịch thủy phân và lên men

đồng thời lúc 80 giờ 43

Bảng 3-1 Thành phần dung dịch NDS .52

Bảng 3-2 Kết quả chạy chuẩn .58

Bảng 3-3 Kết quả chuẩn glucose 59

Bảng 3-4 Kết quả cho chuẩn ethanol .60

Bảng 3-5 Kết quả chuẩn cellobiose 62

Bảng 3-6 Thành phần môi trường Hansen dùng cho việc nuôi cấy, bảo quản gống nấm

men. 64

Bảng 3-7 Thành phần chất dinh dưỡng bổ sung cho dung dịch thủy phân và lên men đồng

thời 69

Bảng 4-1 Thành phần rơm rạ khô trước nổ hơi 71

Bảng 4-2 Thành phần rơm rạ theo Hồ Sĩ Tráng [3] .71

Bảng 4-3 Thành phần rơm rạ khô sau nổ hơi .72

Bảng 4-4 So sánh thành phần rơm rạ trước và sau nổ hơi .72

Bảng 4-5 Thành phần dịch nổ hơi 74

Bảng 4-6 Thành phần dịch thủy phân .76

Bảng 4-7 Kết quả ảnh hưởng của phần trăm bã rắn .77

Bảng 4-8 Nồng độ glucose theo thời gian ứng với các % enzyme khác nhau .79

Bảng 4-9 Nồng độ cellobiose tạo thành theo thời gian ứng với % enzyme khác nhau 80

Bảng 4-10 Hiệu suất quá trình thủy phân theo thời gian ứng với các % enzyme khác nhau

81

Bảng 4-11 Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất và tốc độ ban đầu theo lượng enzyme

cho vào 82



x

Bảng 4-12 Nồng độ glucose theo thời gian ứng với các giá trị pH ban đầu khác nhau .84

Bảng 4-13 Hiệu suất thủy phân theo thời gian ứng với các giá trị pH ban đầu khác nhau 85

Bảng 4-14 Hiệu suất và nồng độ glucose, cellobiose theo pH dung dịch 86

Bảng 4-15 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với các giá trị nhiệt độ khác

nhau. .87

Bảng 4-16 Nồng độ cellobiose tạo thành theo thời gian tương ứng các chế độ nhiệt độ

khác nhau 88

Bảng 4-17 Hiệu suất quá trình thủy phân theo thời gian tương ứng các nhiệt độ khác nhau

89

Bảng 4-18 Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất và tốc độ ban đầu đạt được theo nhiệt

độ 90

Bảng 4-19 Nồng độ glucose, cellobiose và hiệu suất theo thời gian 92

Bảng 4-20 Thành phần dịch thủy phân và lên men đồng thời 94

Bảng 4-21 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose và hiệu suất toàn quá trình theo %

enzyme cho vào tại 24 giờ và 48 giờ 96

Bảng 4-22 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose và hiệu suất theo mật độ nấm men cho

vào 99

Bảng 4-23 Nồng độ cellobiose, glucose và ethanol tạo thành theo thời gian trong quá trình

thủy phân và lên men đồng thời .101