Xem mẫu
- ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP.HCM
~~~~~~~~~~~~~**&**~~~~~~~~~~~~~
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”
PHầN 1: “NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG THIẾT BỊ
LÀM VIỆC LIÊN TỤC XỬ LÝ VÀ THỦY PHÂN RƠM RẠ THÀNH ĐƯỜNG
PHỤC VỤ QUÁ TRÌNH LÊN MEN ETHANOL”.
Mã số đề tài: B2007-20-05-TĐ
Chủ nhiệm đề tài:ThS. Hoàng Minh Nam
TP.Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 12 năm 2009
0
- MỤC LỤC
1. MỞ ĐẦU .................................................................... 1
1.1. Lý do nghiên cứu Ethanol từ rơm rạ...................... 2
1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu........................... 2
2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .......................................... 2
2.1. Bioethanol .............................................................. 2
2.2. Biomass – Rơm rạ .................................................. 4
2.3. Công nghệ sản xuất Bioethanol từ Biomass .......... 5
3. THỰC NGHIỆM ..................................................... 12
3.1. Nguyên liệu .......................................................... 12
3.2. Thiết bị sử dụng ................................................... 12
3.3. Các phương pháp sử dụng trong nghiên cứu....... 12
3.3. Thực nghiệm ........................................................ 14
4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ..................................... 15
4.1. Thành phần nguyên liệu trước nổ hơi .................. 15
4.2. Quá trình nổ hơi .................................................. 15
4.4. Quá trình thủy phân – lên men bán liên tục ......... 21
5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ...................................... 24
5.1. Kết Luận .............................................................. 24
5.2. Đề Nghị ................................................................ 24
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................26
1
1. Mở đầu
- MỞ ĐẦU
1.1. Lý do nghiên cứu Ethanol từ rơm rạ
Nước ta là một nước nông nghiệp với sản lượng gạo hằng năm trên 35 triệu tấn. Đồng
bằng Sông Hồng, khu vực Trung Du và Đồng bằng Sông Cửu Long là 3 khu vực sản xuất lúa
gạo chính của nước ta. Từ đó có thể thấy sản lượng rơm rạ trên cả nước hằng năm là rất lớn
và tập trung. Việc giá dầu mỏ tăng lên từng ngày cùng với tình trạng ô nhiễm môi trường
đang dần trở thành một thách thức lớn cho việc sử dụng nhiên liệu trong tương lai. Nguồn
rơm rạ của chúng ta dồi dào nhưng những ứng dụng lại hạn chế. Phần lớn rơm rạ được để hoại
mục tự nhiên hay đ ốt bỏ ngo ài đồng. Sự lãng phí ngu ồn năng lượng cùng với ô nhiễm môi
trường do việc sử dụng rơm rạ không đúng cách như hiện nay đang dần trở thành mối quan
tâm của nhiều nhà khoa học và qu ản lý.
Ethanol được đánh giá là nguồn cung cấp nhiên liệu tốt cho tương lai vì con người có khả
năng sản xuất với sản lượng lớn, không gây ô nhiễm môi trường và có thể thay thế được cho
xăng nhiên liệu. Ethanol làm nhiên liệu này hoàn toàn có thể sản suất đ ược từ nguồn cellulo
như rơm rạ, trấu, b ã mía,…. Theo đánh giá sơ bộ, lượng rơm rạ hằng năm, nếu được chuyển
thành ethanol, hoàn toàn có khả năng thay thế to àn bộ nhu cầu xăng dầu cả nước hiện nay.
Mục tiêu của đề tài nhằm mục đích từng b ước nghiên cứu các thông số kỹ thuật của quá
trình sản xuất liên tục ethanol nhiên liệu từ rơm, trong đó giai đoạn thứ nhất là xử lý và thu ỷ
phân rơm thanh dung d ịch đường có khả năng lên men ethanol.
1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Những nghiên cứu trong đề tài này nhằm hướng đến thực hiện các quá trình xử lý rơm rạ
liên tục với quy mô trong phòng thí nghiệm. Mục tiêu hướng tới là xây dựng những cơ sở dữ
liệu và thiết bị cho quy trình hoàn chỉnh sản xuất liên tục ethanol nhiên liệu từ rơm rạ sau này.
Nhiệm vụ cụ thể của đề tài bao gồm các nội dung cơ bản sau:
1. Thiết kế, chế tạo thiết bị liên tục xử lý rơm rạ
2. Khảo sát quá trình xử lý rơm rạ trên thiết bị liên tục đ ã chế tạo b ằng hơi nước áp suất cao
có giảm áp đột biến.
3. Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình nổ hơi liên tục đ ến hiệu suất thủy phân rơm rạ b ằng
enzyme cellulase trên cơ sở cải thiện những nghiên cứu trước theo hướng liên tục hóa quá
trình thực hiện.
2
1. Mở đầu
- 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Bioethanol
2.1.1. Các sản phẩm từ Ethanol
Ethanol được sử dụng làm nhiên liệu do đốt cháy ethanol cho nhiệt lượng tương đ ối cao
mà không sản sinh ra các chất độ c hại. Ethanol là hợp chất hữu cơ hòa tan tốt trong nước và
có khả năng hòa tan tốt mộ t số hợp chất hữu cơ nên được dùng làm dung môi hòa tan, trích li
trong các các sản phẩm như sơn, bút màu, rượu thuố c… Ethanol có khả năng ức chế vi sinh
vật nên được dùng làm chất kháng khu ẩn. Dung d ịch ethanol 70%, 90% - cồ n 70˚, cồ n 90˚-
được dùng trong y họ c để sát trùng các vết thương, vệ sinh dụ ng cụ…
Các dẫn xu ất củ a ethanol cũng có rất nhiều ứng dụng. Ethyl acrylate được sử dụ ng trong
sản xu ất polyme acrylate có công d ụng làm chất kết dính hay các vật liệu che phủ . Ethyl
axetate là dung môi phổ biến sử dụ ng trong sơn, các vật liệu che phủ và trong công nghiệp
dược phẩm. Mộ t số ethyl ester khác được sử dụng trong công nghiệp như là các chất tạo mùi .
Các ethylamin được sử dụng trong việc tổng hợp các dược phẩm, hóa chất nông nghiệp và các
chất hoạt động b ề mặt.
2.1.2. Tình hình sản xuất ethanol từ biomass trên thế giới
Cho đ ến nay, trên thế giới việc sản xuất ethanol từ biomass nói chung và từ rơm rạ nói
riêng vẫn chưa được thực hiện với quy mô công nghiệp mặc dù đ ã đ ược nghiên cứu từ những
năm 1950. Lý do lớn nhất củ a vấn đề này là hiệu qu ả kinh tế mang lại của việc sản suất nhiên
liệu ethanol so với nhiên liệu truyền thống như xăng dầu. Trước tình hình giá cả nhiên liệu
tăng cao như hiện nay và ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọ ng, đặc biệt là ô nhiễm
không khí ở nhữ ng khu đô thị lớn do khí thải ô tô gây ra, việc sản xuất ethanol từ b iomass lại
được chú ý và tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện trên thế giới. Ở các nước có nguồ n biomass phụ
phẩm nông nghiệp dồi dào như Canada và M ỹ, Nhật những d ự án sản xu ất ethanol từ rơm rạ
với quy mô bán công nghiệp (vài chục tấn mộ t ngày) đang dần được nghiên cứu và triển khai.
Các nước bắc Âu như Hà Lan, Thụ y Điển cũng đang có các dự án xây d ựng nhà máy sản su ất
và tinh chế ethanol dùng cho độ ng cơ. Trong khi đó đố i với những nước đang trên đà phát
triển và có nguồn rơm rạ dồ i dào như Việt Nam thì việc sản xuất này cũng đang dần được
quan tâm. Ở Việt Nam, đã có mộ t vài nghiên cứu ban đ ầu về việc sản suất ethanol từ b iomass
nói chung và rơm rạ nói riêng của trường ĐH Bách Khoa TpHCM. Hằng năm, ethanol cũng
được sản su ất trong nước với sản lượng kho ảng 25 triệu lít mỗi năm. Trong đó chủ yếu là làm
từ mật rỉ, ngô, gạo và khoai mì, chủ yếu phục vụ cho các ngành công nghiệp thực phẩm và
hóa chất. Tuy nhiên, tình hình lương thực đang ngày càng khan hiếm. Với dân số tăng cao và
qu ỹ đ ất dành cho sản xu ất nông nghiệp ngày càng b ị thu hẹp thì việc sản xu ất cồ n từ các
nguyên liệu truyền thống trên rất khó được mở rộng đ ể đáp ứng cho nhu cầu nhiên liệu ngày
mộ t tăng cao như hiện nay. Ngày nay sự lệ thu ộc vào dầu mỏ củ a con người ngày càng cao
dẫn đến tình trạng suy thoái kinh tế khi xảy ra khủ ng hoảng dầu mỏ. Chính vì thế nên ngày
càng nhiều những dự án nghiên cứu và triển khai sử dụng năng lượ ng đ ịa phương để thay thế
dần dầu mỏ. Trong tình hình đó ethanol là mộ t giải pháp được đánh giá cao cho khả năng thay
thế nhiên liệu hóa thạch trong tương lai. Tiềm năng lớn và thân thiện với môi trường là 2 ưu
điểm lớn củ a loại nhiên liệu này.
2.1.3. Tình hình phát triển và ứng dụng nhiên liệu sinh học trên thế giới
Hiện nay trên thế giớ i có 50 nước có chương trình nghiên cứu và sử d ụng nhiên liệu sinh
họ c. Các nước APEC đã chọ n nhiên liệu sinh họ c thay thế cho nhiên liệu hóa thạch. Theo dự
báo củ a các chuyên gia, đ ến năm 2025, thế giớ i sẽ sử dụng 12% nhiên liệu sinh họ c trong toàn
bộ nhu cầu năng lượng; đến năm 2020, EU sẽ sử dụ ng 20% nhiên liệu sinh học.
Trong chương trình nghị sự củ a diễn đàn hợp tác Đông Á - Mỹ Latinh (FEALAC) cũng
đã bàn đến các nộ i dung liên quan đ ến sản xuất và sử dụ ng nhiên liệu sinh học, gồm: nguyên
liệu cho sản xuất biodiesel; công nghiệp sản xuất biodiesel; sản xu ất ôtô sử dụng nguyên liệu
2
2. Tổng quan tài liệu
- thay thế; cơ chế chính hỗ trợ; các chương trình nghiên cứu và phát triển. Nhiên liệu sinh họ c
(biofuel) là những nhiên liệu có nguồn gốc từ biomass như củ i, gỗ, rơm, trấu... nhưng đây chỉ
là những dạng nhiên liệu thô. Nhiên liệu sinh học cho giao thông vận tải chủ yếu gồ m: các
loại cồn sản xuất bằng công nghệ sinh học để sản xu ất ra gasohol (methanol, ethanol,
buthanol, nhiên liệu tổng hợp); các loại dầu sinh họ c để sản xuất biodiesel (d ầu thực vật, dầu
thực vật phế thải, mỡ động vật). Năm 2005, nước Đức đã sản xuất được 1,7 triệu tấn biodiesel
từ hạt dầu cải làm nhiên liệu cho ô tô. Hiện nay, diện tích trồ ng dầu hạt cải ở Đức là 1,2 triệu
ha, chiếm 10% đất trồng trọ t ở nước này và các chuyên gia cho rằng khó có thể mở rộng diện
tích trồng d ầu hạt cải hơn nữa. Đức chỉ có thể sản xuất nhiều nhất 2 triệu tấn d ầu hạt cải, trong
khi nhu cầu mỗi năm lên tới 130 triệu tấn.
Tuy nhiên, Biodiesel cũng chỉ có thể sử dụ ng ở mộ t mức độ nhất đ ịnh đ ối với một số lo ại
độ ng cơ diesel đ ời mới. Đây là lý do tập đoàn Shell quan tâm nhiều hơn đ ến việc phát triể n
nhiên liệu sinh họ c thế hệ hai. Để sản xuất nhiên liệu này, người ta sử dụ ng cả các b ộ p hận
củ a cây trong quá trình sản xuất nông nghiệp, nhiều khi nhữ ng bộ phận này là chất thải như
rơm rạ, thân cây ngô, hướng dương...
Rượu là mộ t lo ại nhiên liệu sinh họ c mà con ngư ời đ ã sản xu ất từ hàng nghìn năm nay.
Nhữ ng năm 30 của thế kỷ trước, ở M ỹ người ta cũng đ ã có ý đ ịnh dùng rượu làm nhiên liệu ô
tô. Tuy nhiên, những người tán dương sáng kiến này không t hể thắng thế bởi lẽ khi đó người
ta đã phát hiện được nhiều mỏ d ầu lớn đ ặc biệt ở vùng Trung Đông. Nguồ n dầu mỏ dồi dào
và giá rẻ lúc đó khiến các quố c gia công nghiệp phương Tây chấp nhận lệ thu ộc vào việc nhập
khẩu lo ại nhiên liệu này.
Brazil là quố c gia duy nhất đi theo con đường riêng của mình và sử dụ ng cồ n làm nhiên
liệu cho các loại ô tô. Kho ảng 40% nhu cầu nhiên liệu của nước này được đáp ứng b ằng
bioethanol, mộ t dạng cồn được điều chế từ đ ường mía. Trong khi đó ở Châu Âu và Bắc M ỹ
người ta điều chế ethanol chủ yếu từ cây trồ ng. Chính phủ Mỹ cũng coi bioethanol là mộ t lo ại
nhiên liệu của tương lai.
Một loạt công nghệ mới, đang trong quá trình phát triển, hứa hẹn nhiều triển vọng, đó là
“sundiesel”. Trong năm tới, một hệ thố ng sản xu ất “sundiesel” sẽ đi vào hoạt động với năng
suất 15.000 tấn/năm. Sundiesel hoàn toàn không độ c hại và không có chất aromat.
Cho đến nay, người ta có xu hướng sử dụng biogas để sản xuất điện. Khí b iogas rất thích
hợp đ ể sử dụ ng đố i vớ i các lo ại ô tô chạy b ằng khói nén. Tuy nhiên, việc này cho đ ến nay
tiến triển rất chậm vì phải thực hiện một số thay đổ i ở độ ng cơ ô tô và phải có cơ sở hạ tầng
cần thiết (trạm tiếp). Theo nhiều chuyên gia thì chỉ có những lo ại nhiên liệu phối trộ n có
nhiều triển vọng đ ể áp dụng rộ ng rãi. Ethanol và sundiesel đáp ứng được yêu cầu này.
2.1.4. Liên doanh sản xuất bioethanol: “đột phá” cho sự ra đời nguồn năng lượng
sinh học
Sau khi nghiên cứu kỹ thị trường nhiên liệu nước ta, tập đoàn Itochu (Nhật Bản) vừ a
chính thức ký thỏa thuận hợp tác liên doanh với Petrosetco (thành viên củ a Tập đoàn d ầu khí
VN) xây d ựng nhà máy sản xuất ethanol tại nước ta với công suất 100 triệu lít/năm từ nguồ n
nguyên liệu sắn lát. Dự kiến, việc xây dự ng nhà máy sẽ được hoàn tất trong quý I/2009.
Toàn bộ sản phẩm củ a nhà máy là ethanol 99,8% sẽ đ ược cung ứng cho thị trường nộ i đ ịa
để p ha vào xăng phụ c vụ công nghiệp và giao thông - vận tải. “Đây chỉ là bước khở i đầu cho
quá trình triển khai đ ầu tư dài hạn củ a Itochu tại VN sắp tới”, ông Toshio Shigemi – Phó Chủ
tịch điều hành Tập đoàn Itochu cho biết. Trong 6 tháng tớ i, chi tiết vố n đ ầu tư sẽ chính thứ c
được công bố . Vấn đ ề tận dụ ng phụ p hẩm như thế nào đ ể nâng cao hiệu quả đ ầu tư cũng là
điều đang được hai bên tính toán cụ thể và chi tiết, b ởi hai phụ p hẩm củ a Dự án này là khí
CO2 và hèm - nguyên liệu rất tốt cho ngành sản xu ất bia, rượu và thức ăn gia súc với hàm
lượng protein rất cao..
Sự ra đời của liên doanh sản xu ất ethanol sẽ là m ột trong nhữ ng bước đi mang tính “đ ột
phá”, đáp ứng nhu cầu về nhiên liệu ngày càng tăng (t ỷ lệ pha ethanol vào xăng cho phép là
3
2. Tổng quan tài liệu
- 10%). Theo ông Đỗ Hữu Hào, Thứ trưởng Bộ Công nghiệp, hiện Chính phủ đã giao Bộ Công
nghiệp nghiên cứu và soạn thảo những quy đ ịnh và chính sách ưu đ ãi đầu tư cho lĩnh vực này.
Vẫn theo Thứ trưởng Hào, các nước Châu Á như Trung Qu ốc, Thái Lan, Philippines cũng
đang đẩy nhanh việc sản xuất ethanol sinh học với mục đích thay thế một phần nguồ n năng
lượng hóa thạch, đồng thời giảm thiểu đến mức tối đa tình trạng ô nhiễm môi trường do các
ho ạt độ ng công nghiệp và vận tải gây ra. Chính phủ ta rất quan tâm đến vấn đề này và đang
khuyến khích các doanh nghiệp đầu tư vào lĩnh vực sản xuất ethanol.
2.1.5. Triển vọng bioethanol trong tương lai
Trên thế giới, công nghiệp ethanol nhiên liệu đạt sản lượng trên 6,2 tỷ lít vào năm 2000.
Hầu hết et hanol được sản xu ất từ bắp. Mộ t lượng lớn các chất thải nông nghiệp từ
lignocellulosic hiện tại được đem đốt ho ặc bỏ đ i. Việc tận dụ ng các nguyên liệu
lignocellulosic có thể thay thế gần như 40% gasoline trên thị trường. Sử dụ ng nguyên liệu
lignocellulosic như cỏ, rơm rạ, bã mía có thể giảm đáng kể chi phí về nguyên liệu khi so sánh
với ngu ồn nguyên liệu là b ắp.
Người ta dự đoán rằng sử dụ ng kĩ thuật gen trên nguyên liệu với hàm lượng carbohydrate
cao hơn kết hợp với cải tiến công nghệ sẽ giảm được giá ethanol khoảng 0 ,11 dollar/lit trong
10 năm tới. Giảm chi phí sản xu ất cellulase là chìa khóa công nghệ trong quá trình thủ y phân
bằng enzyme. Kĩ thu ật gen đ ã đ ược sử dụng để tạo dòng các trình tự mã hóa vào trong vi
khuẩn, nấm men, nấm sợi và thực vật nhằm tạo ra nhữ ng hệ thống sản xu ất cellulase với ho ạt
tính cao.
Wood và các cộ ng sự đ ã 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 đ ã sản
xu ất 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 dụ ng 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 đ ể chuyển hóa p yruvate
thành ethanol cũng đã được nghiên cứu bởi Dien và các cộng sự. Các plasmid tái tổ hợp với
các gen tổ ng hợp xylose reductase và xylitol dehydrogenase từ Pichia stipitis và gen
xylulokinase từ S accharomyces cerevisiae đ ều được chuyển vào Saccharomyce spp. cho quá
trình lên men đồng thời xylose và glucose .
Mặc dù việc sản xuất bioethanol được cải tiến b ởi nhiều công nghệ mới, nhưng vẫn có
nhiều thử t hách cần phải vượt qua. Những thử thách đó bao gồm việc giữ ổn định các chủng
nấm men đã đ ược biến đ ổi gen khi lên men ở quy mô công nghiệp, nâng cao hiệu quả tiền xử
lý nguyên liệu lignocellulosic, và tính kinh tế của hệ thố ng sản xuất ethanol.
2.2. Biomass – Rơm rạ
Hình 2.1 : Rơm rạ và các phần trên cây lúa Hình 2.2: Rơm rạ sau thu hoạch
Rơm rạ là thành phần còn lại của cây lúa sau khi thu ho ạch lấy hạt lúa. Ngo ại trừ p hầ n
hạt và rễ thì tất cả các phần khác củ a cây lúa đ ều được coi là rơm rạ. Nước ta có khí hậu nhiệt
đới gió mùa. Cùng với qu ỹ đ ất rộng và nền nông nghiệp phát triển lâu đời, Việt nam đã trở
4
2. Tổng quan tài liệu
- thành một nước xu ất khẩu gạo nhiều nhất thế giới. Theo thống kê năm 2003, cả nước có 33
triệu hecta đ ất trong đó 9,67 triệu hecta đất canh tác cùng 9,7 triệu hecta đồng cỏ (FAQ, 2003)
[1]. Tổng sản lượ ng hoa màu và thực phẩm cả nư ớc năm 2003 đạt 35 triệu tấn. Số liệu cụ thể
được trình bày theo bảng 1.
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 kho ảng1,2 tấn rơm
rạ. Sản lượng lúa gạo năm 2007 toàn quốc đ ạt 36 triệu tấn [2]. Như vậ y, lượng rơm rạ thải ra
hằng năm vào kho ảng 43 triệu tấn. Số liệu thống kê hằng năm được trình bày theo b ảng 1.
Cho đến nay, phần lớn rơm rạ thường được đ ể mục ho ại ngoài đồng hay đố t tại chỗ đ ể trả
lại khoáng chất cho đồng ruộ ng. Phần còn lại được đem về làm thức ăn gia súc hay trồng nấm
và làm chất đố t phụ c vụ nhu cầu đun nấu trong gia đ ình. Nếu có thể sản xuất được ethanol từ
rơm rạ sẽ có thể sử dụng có ích ngu ồn năng lượng từ rơm mà vẫn trả lại được nguồ n khoáng
chất cho cây trồ ng.
Bảng 1: Sản lượng nông nghiệp nước ta năm 2003 (FAO 2004)
Hình 2.3: Sản lượng lúa gạo cả nước từ 1997- 2007
2.3. Công nghệ sản xuất Bioethanol từ Biomass
2.3.1. Một số qui trình sản xuất Ethanol từ Biomass thực tế
Các quá trình xử lí nguyên liệu thành cellulose, hemicellulose và lignin tiến hành trên cơ
sở tương tác vật lí, hóa họ c, sinh học. Sau đó tiếp tụ c các quá trình chuyển hóa thu sản phẩm.
5
2. Tổng quan tài liệu
- Nguyên liệu
Chuẩn bị
Tiền xử lí
Nấm men
Thủy phân
Nhân giống
Lên men
Chưng cất
Ethanol
Hình 2.4 : Qui trình công nghệ sản xuất Bioethanol từ Biomass
Hình 2.5: Các qui trình sản xuất đi từ lignocellulosic
6
2. Tổng quan tài liệu
- Hình 2.6: Qui trình sản xuất đi từ nguyên liệu biomass
2.3.2. Giai đoạn tiền xử lý
Khác với nguyên liệu tinh bộ t, sản xuất ethanol từ nguồ n rơm rạ p hải qua giai đo ạn tiền
xử lí trước khi tiến hành thủ y phân thành đường. Nguyên nhân là do cellulose khó thủ y phân
hơn tinh bột. Tinh bộ t chứa amylopectin có cấu trúc phân nhánh nên d ễ d àng tiếp xúc với
dung môi. Trong khi cellulose tinh thể tạo cấu trúc thẳng, khoảng cách giữa các phân tử thấp
nên dung môi tiếp xúc với các phân tử cellulose khó khăn hơn. Bên cạnh đó, việc thủ y phân
liên kết α - 1 ,4 – glycosidic trong tinh bộ t dễ dàng hơn liên kết β- 1,4- glycosidic trong cấu
trúc củ a cellulose.
Rơm rạ p hải được tiền xử lí trước khi lên men. Quá trình tiền xử lí đ ể nâng cao hiệu qu ả
quá trình thủ y phân cần phải thoả mãn những tiêu chuẩn sau:
Tạo ra lượng đường có khả năng lên men cao nhất.
Hạn chế sự phân hủy các carbohydrate.
Giảm sự hình thành những chất ức chế vi sinh vật.
Linh ho ạt, và phải có hiệu quả kinh tế cao.
2.3.2.1. Phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước
Năm 1980, quá trình tiền xử lí biomass b ằng phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước được
chính thức giới thiệu, ngay sau đó công ty Iotech Corporation đã tiến hành các thí nghiệm đầu
tiên đ ể tìm hiểu ảnh hưởng của phương pháp này đến hàm lượng glucose và xylo se thu được
trong dịch thủ y phân cellulose. Theo Iotech, điều kiện xử lí tối ưu củ a holocellulose (xylose +
glucose) là áp su ất 500-550 psi, thời gian 40 giây.
2.3.2.2. Cơ chế
Phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước là một quá trình tác độ ng cơ học, hóa học và nhiệt
độ lên hỗ n hợp nguyên liệu. Nguyên liệu bị phá vỡ cấu trúc dưới tác dụ ng của nhiệt, hơi và áp
lực do sự giãn nở của hơi ẩm và các phản ứ ng thủy phân các liên kết glycosidic trong nguyên
liệu.
Quá trình nổ hơi nước gồm các giai đoạn sau:
a) Làm ẩm nguyên liệu
b) Giảm áp đột ngột
2.3.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng
Quá trình nổ b ằng áp lực hơi nước chịu ảnh hưởng lớn b ởi 2 yếu tố : nhiệt độ và thời gian.
Thời gian lưu: thời gian lưu ảnh hưởng đến sự thủy phân của hemicellulose. Thời gian
lưu của nguyên liệu trong thiết bị phản ứng càng dài thì hemicellulose đ ược thủy phân càng
nhiều. Nhưng nếu giữ nguyên liệu ở trong thiết bị quá lâu sẽ dẫn đến sự phân hủy các sản
7
2. Tổng quan tài liệu
- phẩm thủy phân tạo ra các sản phẩm không cần thiết. Việc thủy phân hemicellulose giúp cho
quá trình thủy phân cellulose diễn ra thuận lợi hơn.
Nhiệt độ: nhiệt độ có mối quan hệ chặt chẽ với áp suất trong thiết bị. Nhiệt độ càng cao
thì áp su ất càng cao và ngược lại. Sự gia tăng áp suất làm tăng sự chênh lệch giữa áp suất
trong thiết bị và áp su ất khí quyển. Từ đó ảnh hưởng đến lực cắt của ẩm khí hóa hơi.
2.3.2.4. Thiết bị
Hiện nay, StakeTech là mộ t trong những thiết bị sử dụng trong quá trình tiền xử lí khá
hiệu quả. StakeTech là thiết b ị áp suất làm b ằng thép không gỉ, đặt nằm ngang có thể chịu
được áp su ất đến 450 psig. Ngu yên liệu được nạp vào liên tục ngược dòng b ằng mộ t vít tải đ ể
cân bằng với áp lực bên trong thiết bị. Nguyên liệu di chuyển d ần về p hía cửa tháo liệu. Thời
gian lưu của nguyên liệu được điều khiển theo lập trình. Sau đó, dưới tác dụng củ a lực nén ép,
nguyên liệu được đẩy ra ngoài qua van tháo liệu. Van hình cầu, có thể quay và mở đ ều đặn
theo từng khoảng thời gian đ ặt trước theo tốc độ sản xu ất. Tùy vào điều kiện sản xuất mà van
có thể định kì mở mỗ i 2 – 8 giây. Do đó cần phải chuẩn b ị ố ng dẫn biomass đ ã xử lí sang quá
trình kế tiếp. Thiết b ị p hản ứng StakeTech đang được sử dụng ở các trường đ ại họ c và là một
mặt hàng có giá trị thương phẩm cao.
Quá trình tiền xử lí có thể đ ược thực hiện b ằng hệ thố ng thiết bị phản ứng liên tụ c 2 cấp.
Thiết bị được thiết kế d ựa trên mộ t trụ c vít nằm ngang và một trục vít đ ặt thẳng đứng. Trụ c vít
thứ nhất dòng hơi nước được dẫn vào ở 170-185ºC. Trụ c vít thứ hai sử dụ ng dòng acid loãng
< 0.1 % ( tính theo khối lượng) ở 205-225 ºC .
2.3.3. Giai đoạn thủy phân
2.3.3.1. Thủy phân bằng a cid
Quá trình thủ y phân acid ban đầu chỉ p há vỡ cấu trúc cellulose ở một mức độ nhất định.
Quá trình thủ y phân diễn ra theo các bước sau:
Bước 1: Acid xâm nhập vào mạng lưới các vi sợi của biomass
Bước 2: Xúc tác quá trình thủy phân
Bước 3: Giới hạn tốc độ quá trình thủy phân.
2.3.3.2. Các phương pháp xử lí bằng acid
Thủ y phân nguyên liệu biomass b ằng acid gồm có 2 phương pháp:
a) Thủy phân bằng acid đặc:
Phương pháp thủy phân bằng acid đặc gồm các giai đoạn sau:
- Tiền thủy phân để loại hemicellulose
- Thủy phân cellulose
- Thủy phân oligosaccharide thành glucose
b) Thủy phân bằng acid loãng:
Quá trình thủ y phân bằng acid loãng là quá trình xử lí hóa nhiệt để thủ y phân cellulose và
hemicellulose ở nhiệt đ ộ cao. Các acid được sử dụ ng như acid sulfuride, hydrochloric hoặc
acid nitric. Tiến hành thủ y phân với nồng đ ộ acid từ 0.5-1.5% ở nhiệt độ 160ºC. Đây là
phương pháp được sử dụng phổ biến trong thực tế do lượng đường thu được cao từ 75 -90%
(Wooley và các cộng sự, 1999, Sun and Cheng, 2002 ).
c) Qui trình thủy phân biomass 2 giai đoạn
Qui trình thủ y phân biomass 2 giai đoạn là qui trình có nhiều triển vọ ng và có tính
thương mại cao. Đó là do:
Qui trình này sẽ mau chóng đ ược đưa vào các hoạt động thương mại dựa trên cơ sở
phương pháp sử dụng acid lo ãng.
Quá trình phân tách hỗn hợp thủy phân hemicellulose và cellulose thu được sản lượng và
độ tinh khiết sản phẩm cao. Vì các dịch thủy phân được tách ra trong mỗi giai đoạn.
Năng lượng tiêu hao cho toàn bộ quá trình thấp.
Quá trình xử lí được thực hiện qua 2 giai đo ạn như sau:
8
2. Tổng quan tài liệu
- hơi
nước hơi nước
acid
biomass lignin
a cid bã
rửa
Giai đoạn đường hóa
Giai đoạn tiền thủy phân
dịch thủy phân
dịch thủy phân
2.3.3.3. Thiết b ị
Quá trình thủ y phân biomass có thể thực hiện trong các bình phản ứ ng. Phương pháp
ngâm chiết có thể t hực hiện b ằng cách cho dòng acid thấm xuyên qua các cột nhồi nhiều lớp.
Đây là thiết b ị khá thích hợp cho phương pháp thủ y phân theo mẻ. Ưu điểm thứ nhất là lo ại
đường ngay khi nó được tạo thành. Thiết bị này ít tạo thành các sản phẩm phân hủ y đường và
các chất ức chế quá trình lên men, tạo ra lượng đường lớn. Điểm thứ 2, thiết b ị có thể ho ạt
độ ng với tỉ lệ rắn/ lỏng khá cao.
Năm 1997 Torget và các cộng sự phát minh ra thiết bị p hản ứng BSFT. Đây là thiết bị
chả y qua lớp co. Thiết kế nhằm giữ độ chặt của lớ p không đổ i. Dòng acid đ ược 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 b ị cho năng suất cao. Sản phẩm thu được có hàm lượng
chất phân hủ y thấp
2.3.3.4. Thủy phân bằng enzyme
Để thủ y phân cấu trúc cellulose nhất là cellulose tinh thể cần có sự tham gia của nhiều
enzyme (Schwarz, 2001). Cellulase là mộ t hệ enzyme khá phức tạp.
Cellulase bao gồ m 3 hợp phần cơ bản như sau: endoglucanase, exoglucanase
(cellobiohydrolase) và β-glucosidase (cellobiase).
Cellulase chỉ đ ược tổng hợp khi tế b ào sinh vật phát triển với sự có mặt của cellulose,
cellobiose, lactose, sophorose ho ặc các glucan khác có chứa liên kết β–1,4– glycosidic
(Gratzali và Brown, 1979). Các sản phẩm cu ối của quá trình thủ y phân ức chế tác dụng củ a
cellulase. Do đó trong quá trình thủ y phân phải liên tục tách các sản phẩm này ra khỏi dịch
thủ y phân.
Trung tâm ho ạt độ ng của enzyme cellulase chứa các gố c amino acid đ ặc hiệu. Trong khi
đó cellulose chứ a các liên kết glycosidic. Bộ electron σ đóng vai trò phân cực liên kết. Hiệu
ứng cảm ứ ng củ a nguyên tử o xy trung tâm gây ra một sự tập trung tích điện trên nguyên tử
oxy làm cho nguyên tử o xy 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 t hủ y phân là yếu tố quan
trọng quyết định khả năng thủ y phân. Tác dụ ng xúc tác của enzyme do sự phân b ố electron
quyết đ ịnh.
2.3.3.5. Cơ chế q uá trình thủy phân biomass
Quá trình thủ y phân tiến hành ở nhiệt độ 70ºC trong 1,5 ngày. Sản phẩm thu được có
lượng glucose b ằng 75-95% số gố c glucose có trong nguyên liệu.
Hiện nay, cơ chế thủ y phân củ a 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 đ ơn vị cellobiose từ đầu không khử.
β-glucosidase tiếp tục thủy phân cellobiose tạo ra glucose.
9
2. Tổng quan tài liệu
- Hình 2.7 : Quá trình thủy phân cellulose bằng enzyme cellula se.
Sự p hố i hợp hoạt độ ng của các enzyme rất cần thiết cho quá trình tố i ưu hóa quá trình
thủ y phân. Tồ n tại mối tương quan tuyến tính giữa khả năng kết tinh và tố c đ ộ thủ y phân (Fan
và cộng sự ). Khả năng kết tinh càng cao thì tố c độ thủ y phân càng chậm. Vùng vô định hình
có tố c độ thủ y phân gấp 2 lần vùng kết tinh.
Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ quá trình thủy phân
Tốc độ quá trình thủ y phân cellulose bằng cellulase chịu tác đ ộng củ a mộ t số các yếu tố.
Năm 2002, Lyn và cộ ng sự đ ưa ra kết luận như sau:
Tỉ lệ kết tinh: đây là yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình thủy phân. Các mạch cellulo se
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 cellulose bị giấu trong các vi sợi- yếu tố cản trở sự
xâm nhập của enzyme và giới hạn tốc độ thủy phân. Bề mặt tiếp xúc càng lớn thì càng thuận
lợi cho quá trình thủy phân.
10
2. Tổng quan tài liệu
- Hình 2.8: Quy trình sản xuất ethanol liên tục từ Biomass ứng dụng kỹ thuật cố định tế
bào nấm
Tóm lại:
Như vậy, phần tổ ng quan tài liệu cho thấy tình hình các nghiên cứu về công nghệ sản su ất
nhiên liệu ethanol trên thế giới đ ặc biệt là từ các nguồ n phụ phẩm nông nghiệp. Ngày nay,
nguồ n nhiên liệu mới để thay thế nhiên liệu truyền thống đang ngày càng được quan tâm từ
nhiều nhà nghiên cứu cũng như chính phủ các nước. Việc tổ ng quan tài liệu giúp tác giả củ a
đề tài này nhìn nhận tố t hơn những nhận đ ịnh, xu hướng nghiên cứu về ethanol nhiên liệu
trong nước cũng như thế giới. Từ đó tiếp tục phát triển những nghiên cứu theo những hướng
đi đúng và hạn chế những sai lầm trong nhận đ ịnh. Việc thừa kế những kết qu ả của những
nghiên cứu trước nhằm hoàn thiện hơn kết qu ả thu được là điều cần thiết cho đề tài này. Do
đó những nghiên cứu trong đề tài đi theo hướng tiếp tục cải thiện nhữ ng nghiên cứu trước
trong nước cũng như theo nhữ ng định hướng củ a các nghiên cứu ở nước ngoài nhằm hoàn
thiện hơn về mặt thông tin và công nghệ việc sản suất ethanol nhiên liệu từ rơm. Nhiệm vụ cụ
thể củ a đ ề tài bao gồm các nội dung cơ b ản sau:
1. Khảo sát quá trình xử lý rơm rạ trên thiết bị liên tục bằng hơi nước áp suất cao có giảm áp
đột biến (từ đó so sánh với quá trình xử lý trên thiết b ị nổ hơi chậm trước đ ây).
2. Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình nổ hơi đ ến hiệu suất thủy phân rơm rạ bằng enzyme
cellulase trên cơ sở cải thiện những nghiên cứu trước theo hướng liên tục hóa quá trình thực
hiện.
3. Nghiên cứu khả năng thủy phân rơm rạ đ ã xử lý bằng Enzyme Cellulase trên thiết bị liên
tục kết hợp ứng dụng kỹ thuật cố định tế b ào nấm trong quá trình lên men.
11
2. Tổng quan tài liệu
- 3. THỰC NGHIỆM
3.1. Nguyên liệu
3.1.1. Rơm rạ : Rơm rạ sử dụng trong nghiên cứu này thuộc giống “trâu nằm” được lấy từ xã
Thái M ỹ, huyện Củ Chi, thành phố Hồ Chí Minh. Rơm rạ được bảo quản trong điều kiện khô
ráo, độ ẩm
- 3.3.1.2. Phân tích thành phầ n béo: Nguyên liệu được sấy khô đem nghiền nhỏ và rây
qua rây 250µm. Cân 10g mẫu cho vào Glass fiber filter (GFF), cân khố i lượ ng GFF và mẫu
được W’1.Chu ẩn b ị 300 ml hệ dung môi Ethanol/Benzene với t ỷ lệ 1 :2. Cho vào bình c ầu có
dung tích 500ml. Đặt GFF có chứa mẫu vào soxhlet. Đun sôi trong dung môi (80oC) kho ảng
6 giờ. Lấy GFF ra khỏ i soxhlet, sấy trong tủ sấy ở nhiệt độ 105oC trong vòng 8 giờ. Cân lại
khối lượng GFF, W’2 = (các thành phần khác củ a rơm rạ + GFF). Tính lư ợng chấ t béo đã
tách ra: W’ = W’1 – W’2
3.3.1.3. Phân tích thành phầ n NDS (thành phầ n trích ly): Lấy 0.5g nguyên liệu (m1)
được sấy khô và nghiền nhỏ cho vào bình cầu. Lấy 100ml dung dịch NDS, 2ml
decahydronaphtalene và 0,5g natri sulfite sau đó đun sôi tuần hoàn trong vòng 60 phút. Lọ c
dung dịch bằng phễu Gooch Crucible, sau đó rửa bằng nước sôi (vài lần) và acetone (2 lần).
Sấy khô Crucible ở nhiệt độ 105 oC trong vòng 8h sau đó cân khối lượng crucible (W1). W1 =
xơ sợi (cellulose + cellulose + lignin) + tro + crucible
Nung Crucible trong lò nung (500 → 550 0C) trong 3 giờ, sau đó cân lại khố i lượng
Crucible (W2) W2 = tro + crucible. Tính khối lượng xơ sợi: xơ sợi (cellulose +
hemicellulose + lignin) = W1 – W2.
3.3.1.4. Phân tích thành phần ADS (hemicellulo): Cân chính xác 1g mẫu khô m2 cho
vào bình cầu cùng với 100ml dung dịch ADS, 2ml decahydronaphtalene. Đun sôi tuần hoàn
trong vòng 60 phút. Lọ c hỗn hợp bằng phễu Gooch Crucible, rửa bã b ằng nước sôi 2 lần. Sau
đó rửa bằng acetone đ ến khi nước rửa không màu. Sấy khô Crucible ở 105oC, sau 8h, cân
khối lượ ng bã W4. W4 = cellulose + lignin + tro + crucible.
3.3.1.5. Phân tích thành phần ADL (lignin): Sợi sau khi sử lý ADS được hòa tan
cellulo bằng d ung H2SO4 72% nhiều lần, phần còn lại không tan trên Gooch Crucible là lignin
và tro trong trong phần ADS. Bã sau đó được rửa k ỹ với nước sôi nhiều lần. Sấy khô crucible
trong tủ sấy ở 105oC trong vòng 8 giờ, sau đó cân lại khối lượng crucible W5:
W5 = lignin + tro + crucible. Đun crucible trong lò nung, nhiệt đ ộ 500 – 550 oC, trong 3
giờ. Cân lại crucible: W6 = tro + crucible
3.3.1.6. Phân tích tro: Cân 1g mẫu đã qua nghiền nhỏ, rây, sấy khô ở 1050C đến khối
lượng không đổ i. Cân chính xác khố i lượng mẫu và ghi lại (m3).Cho mẫu vào cốc nung và cân
khối lượng cố c nung m4. Đem cốc nung ở 5 00 – 550 0C trong 3 giờ, sau đó cân lại khối lượng
cố c (m5)
Tính toán các thành phần trong phân tích sợi
13
3. Thưc nghiêm
- 3.3.2. Phân tích nồng độ dung dịch đường
Dung dịch đường gluco thu được từ dung d ịch thủ y phân hay lên men được phân tích
bằng máy HPLC. Pha động là dung dịch H2SO4 0,05N được lọc qua màng lọc 0,45µm. Dung
dịch đường chu ẩn được pha từ gluco tinh khiết 98% của WAKO với các nồng đ ộ từ 0,1g/l –
1,5g/l (đường chuẩn gluco có thể xem thêm tại phần phụ lục). Chế độ phân tích được giữ như
sau: nhiệt độ oven 600C, nhiệt độ RID 400C, chế độ dòng 1ml/phút.
Các lo ại đường khác như xylose, arabinose, galactose, mannose, cellobio cũng đ ược phân
tích với các chế độ chạ y máy như đ ối vớ i gluco. Hóa chất chu ẩn của các loại đường này được
lấ y từ hóa chất tinh khiết của WAKO.
3.3.3. Hướng nghiên cứu
Những nghiên cứu trong báo cáo này xoay quanh 3 vấn đ ề chính:
1. Khảo sát quá trình xử lý rơm rạ trên thiết bị liên tục bằng hơi nước áp suất cao có giảm áp
đột biến.
2. Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình nổ hơi đ ến hiệu suất thủy phân rơm rạ bằng enzyme
cellulase trên cơ sở cải thiện những nghiên cứu trước theo hướng liên tục hóa quá trình thực
hiện.
3. Nghiên cứu khả năng thủy phân rơm rạ đ ã xử lý bằng Enzyme Cellulase trên thiết bị liên
tục kết hợp ứng dụng kỹ thuật cố định tế b ào nấm trong quá trình lên men.
Trình tự làm thí nghiệm được trình bày như sơ đồ sau:
nguyên liệu
Tiền xử lý (nổ hơi)
Enzym Nấm
Thủy phân liên tục
Thủy phân riêng biệt men
3.3. Thực nghiệm
3.4.1. Xác định độ ẩm nguyên liệu ban đầu
3.4.2. Khảo sát quá trình nổ hơi: Theo các kết q uả nghiên cứu trước đây của chúng
tôi với phương pháp nổ hơi theo mẻ, gián đoạn, phương pháp nổ hơi nhanh cho hiệu quả tốt
với 70% ẩm và thời gian lưu là 2ph. Trong khuôn khổ đ ề tài này, chúng ta sẽ đi sâu khảo sát
ảnh hưởng của nhiệt độ nổ hơi đ ến quá trình thủy phân.
3.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ thu hồi bã nổ hơi
3.4.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến thành phần bã nổ hơi
3.4.5. Khảo sát sự biến đổi hàm lượng Cellulose nguyên liệu trước và sau nổ hơi
3.4.6. Khảo sát ảnh hưởng của các chế độ nổ hơi đến quá trình thủy phân
Bã sau nổ hơi được đem đi thủ y phân đ ến tận cùng. Các thông số của quá trình thu ỷ p hân
được lựa chọn là tố t nhất từ những nghiên cứu trước đây: Nhiệt độ thủ y phân = 500C; p H thủ y
phân = 4,8; Tỷ lệ bã = 5% ; Tỷ lệ enzyme = 2 %; Thời gian thủ y phân = 4 8 giờ. Kết thúc quá
trình thủ y phân, mẫu được lấy ra đem đi phân tích nồng độ glucose bằng máy HPLC.
3.4.7. Xây dựng giản đồ nồng độ Gluco – % Enzym – thời gian thủy phân
Chuẩn bị 20 mẩu thủ y phân ứng với t ỷ lệ Enzym khác nhau từ: 0,1 %, 0,25%, 0,5%, …,
1,75 %, 2%; Nhiệt độ thủ y phân = 50 0C; p H thủ y phân = 4,8 ; Tỷ lệ b ã = 5 % .
Tiến hành lấy mẫu ở các mốc thời gian: 1h, 2h, …, 10h; sau đó mẫu được phân tích nồng
độ glucose b ằng máy HPLC.
14
3. Thưc nghiêm
- 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
4.1. Thành phần nguyên liệu trước nổ hơi
Nguyên liệu đem đi phân tích theo phương pháp đã trình bày ở mụ c trên. Kết quả p hân
tích thành phần như sau:
Thành phần Chất trich ly
Cellulose Hemicellulose Lignin Tro Resin
Hàm lượng(%) 37,87 21,67 5,07 10,69 1,32 22,49
Bảng 2: Thành phần nguyên liệu rơm trước nổ hơi
Chất trich ly
Resin
Số liệu thành phần củ a rơm rạ ở 22.49 %
Cellulo
1.32 %
trên chỉ tương ứng với nguồ n nguyên
37.87 %
liệu ở xã Thái M ỹ, nếu sử dụ ng
nguồ n nguyên liệu ở các vùng khác Tro
thì sẽ có sự thay đ ổi tùy vào điều 10.69 %
kiện, đ ất đai v.v…
Hàm lượng Cellulose của Rơm
là 37,87 % Hemicellulo
Lignin
21.67 %
5.07 %
Hình 4.1: Biểu đồ thành phần nguyên liệu rơm
4.2. Quá trình nổ hơi trước nổ hơi
4.2.1. Nổ hơi chậm
Từ kết qu ả củ a những nghiên cứu trước đây, ta có :
Quá trình xử lý nổ hơi chậm là cần thiết để làm tăng khả năng thủy phân cellulose thành
đường có khả năng lên men đặc biệt khi sử dụng enzyme. Chế độ nổ hơi hợp lý đ ược lựa
chọn: Nhiệt độ nổ hơi = 2100C ; Độ ẩm = 95,2%.
Các thông số chọn lựa trên tiêu chí cực đại nồng độ cồn của quá trình thủy phân bằng
enzyme là: Nhiệt độ thủy phân = 500C; pH thủy phân = 4.8 ; Tỷ lệ bã = 5%; T ỷ lệ enzyme =
2%; Thời gian thủy phân = 48 giờ.
o Nồng độ glucose đạt đ ược khoảng: Đối với rơm : CGlu = 3 ,6%
o Độ chuyển hóa Cellulose nguyên liệu ban đầu thành Glucose: Đối với rơm: H = 69,2%
Khi tiến hành nổ hơi chậm, cần phải mất mộ t khoảng thời gian dài đ ể truyền nhiệt cho
nước nóng lên. Mặt khác lượ ng nước sử dụng cho quá trình này là rất nhiều so vớ i lượng rơm
cho vào (độ ẩm trên 95%). Đối với phương pháp này không thể tiến hành nổ hơi khi rơm rạ
chiếm trên 10% vì rơm sẽ bị than hóa cụ c bộ do nhiệt không được truyền vào trong. Quá trình
này diễn ra chậm và thời gian rơm nằm trong thiết b ị lâu nên nhiệt đ ộ nổ hơi thấp. Bên cạnh
việc tố n quá nhiều năng lượng cho gia nhiệt trong nổ hơi do lượng nước sử dụng lớ n là thời
gian thự c hiện quá trình bị kéo dài. Đây là mộ t cản trở lớn để nâng cao năng su ất thiết bị và
tính kinh tế củ a quá trình nổ hơi chậm.
4.2.2. Nổ hơi nhanh
Những nhược điểm nổ hơi nhanh ở nhiệt độ cao được nghiên cứu nhằm khắc phục hạn
chế trên. Nhiệt độ liên quan đến áp suất hơi b ão hòa do đó nhiệt độ ảnh hưởng đến khả năng
cắt nhỏ mạch cellulo. Thời gian lưu khi tiến hành mỗi chế đ ộ là 2 phút.Với các thí nghiệm
này, hàm mục tiêu là mức độ xé nhỏ (mức độ rời rạc) các bó sợi cellulo.
Một số hình ảnh ngo ại quan của bã nổ hơi theo nhiệt độ sau đây:
Hình 4.2: Rơm rạ nổ hơi ở các nhiệt
độ khác nhau
15
4. Kết qu ả và bàn luận
- Nhận xét:
Khi nổ hơi ở nhiệt độ thấp d ưới 2200C các sợi cellulo vẫn còn có chiều dài lớn, bị kết búi
không rời rạc. Điều này sẽ gây khó khăn cho các quá trình sau về khả năng khuấy trộn cũng
như nhập liệu.
Tóm lai, quá trình nổ hơi do đó phải cắt nhỏ được các sợi cellulo. Dựa vào đánh giá cảm
quan và m ột số tài liệu cho thấy, nguyên liệu có độ rời rạc cao cần phải tiến hành nổ hơi với
nhiệt độ từ : Đối với rơm : 2200C 2400C.
4.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ nổ hơi đến độ thu hồi nguyên liệu sau nổ hơi
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi
Hiệu suất thu hồi (%)
70
65
60
55
50
45
Nhiệ t độ ( 0C)
40
215 220 225 230 235 240 245
Hình 4.3 : Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và hiệu suất thu hồi rơm
Khi nhiệt độ tăng cao, hiệu suất thu hồ i giảm.
4.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nổ hơi đến hàm lượng Cellulose nguyên liệu sau nổ
hơi
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng Cellulose
nguyên liệu sau nổ hơi
Hàm lượng Ce ll
bã (%)
55
53
51
49
47
45
43
41
39
37 0
Nhiệt độ ( C)
35
215 220 225 230 235 240 245
Hình 4.4: Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và hàm lượng Cellulose bã rơm nổ hơi
Khi nhiệt độ nổ hơi tăng, hàm lượng Cellulose có khuynh hướng tăng lên.
o Hàm lượng Cellulose đạt giá trị cực đại: Rơm, tại 2300C, % Cell = 53,10
16
4. Kết qu ả và bàn luận
- Tiếp tục tăng nhiệt đổ nổ hơi, hàm lượng Cellulose giảm dần.
60
% Cell trong
ba nô h ơi
̃ ̉
50
40
30
53.1
42.56
20
10
0
Trấ u sau n ô h ơi Rơm sau n ô h ơi
̉ ̉
Hình 4.5: Biểu đồ so sánh % Cell của bã Trấu và Rơm sau nổ hơi.
Chúng ta có thể lý giải điều này như sau: q uá trình nổ hơi (steam – explosion) là quá trình
vật lý sử dụng hơi nước áp suất cao đ ể p há vỡ cấu trúc vững chắc lignocellulose, chủ yếu đ ể
phá bỏ lớp lignin và hemicellulose. Ngoài ra, thành phần lớp silica hay các chất vô cơ cũng sẽ
bị phá hủ y một phần trong quá trình này, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thủ y phân và
lên men. Như vậy quá trình nổ hơi đã làm giảm đáng kể các thành phần không mong muốn
như lignin, hemicellulose, các thành phần vô cơ v.v…Từ đó làm tăng thành phần Cellulose.
Khi tăng nhiệt độ của quá trình nổ hơi, độ chênh áp bên trong thiết bị và bên ngoài tăng,
cấu trúc lignocellulose bị tác động phá vỡ mạnh mẽ hơn, cấu trúc sau nổ hơi bị “bung” ra tốt
hơn, cấu trúc lignocellulose càng mịn hơn. Đồ ng thời khả năng hòa tan các thành phần không
mong muố n như lignin, hemicellulose cũng tăng. Vì vậy phần trăm Cellulose tăng dần.
Nhưng khi nhiệt độ nổ hơi tiếp tục tăng quá cao, hiệu suất Cellulo lại giảm dần. Do ở
nhiệt độ cao, lignin bị kết tụ và tái phân bố lại trên xơ nổ hơi, hầu như ít bị hòa tan theo dịch
nổ hơi [7]. Ngoài ra, khi nhiệt độ càng cao, hàm lượng Cellulose bị hòa tan càng nhiều. Vì
vậy, phần trăm Cellulose sẽ giảm dần.
Tóm lại:
Quá trình tiền xử lý là cần thiết cho nguyên liệu vì làm tăng % Cell và làm tơi xốp cấu
trúc sợi Cell thuận lợi cho quá trình thủy phân.
oQuá trình nổ hơi nhanh cho hiệu quả xử lý có thể xem là thích hợp nhất cho hiệu quả
thu hồi Cell sau nổ hơi là: Rơm, tại 2300C, % Cell = 53,10.
Để đánh giá mức độ hiệu quả p hương pháp nổ hơi nhanh, ta tiến hành khảo sát quá trình
thủy phân Cell thành Gluco.
4.3. Quá trình thủy phân
Đố i với quá trình thủ y phân, 3 yếu tố xác đ ịnh hiệu quả của quá trình là: nồ ng đ ộ glucose,
hiệu suất tạo thành glucose (hiệu su ất thủ y phân bã sau nổ hơi và hiệu suất thủ y phân tính trên
nguyên liệu thô ban đ ầu) và khả năng chuyển hóa Cellulo trong nguyên liệu thô ban đ ầu thành
Gluco. Từ đó đánh giá hiệu quà của thiết bị nổ hơi nhanh so vớ i thiết bị nổ hơi chậm trước
đây.
Nguyên liệu sau nổ hơi được đem tiến hành thủ y phân hoàn toàn. Nồng độ Gluco tạo ra
trong dung dịch được phân tích b ằng HPLC. Kết qu ả thu được như sau:
17
4. Kết qu ả và bàn luận
- 4.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nổ hơi đến hiệu suất thủy phân nguyên liệu sau nổ
hơi
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thủy phân rơm sau nổ
hơi
Hiệu suất thủy
phân bã trấu (%)
90
80
70
60
50
40
30
0
Nhiệt độ ( C)
20
215 220 225 230 235 240 245
Hình 4.6 : Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và hiệu suất thủy phân bã rơm nổ hơi
4.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nổ hơi đến hiệu suất thu hồi Glucose tính trên
nguyên liệu ban đầu
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi Gluco
tính trên nguyên liệu rơm ban đầu
Hiệu suất thu
hồi Gluco (%)
50
45
40
35
0
30 Nhiệt độ C
215 220 225 230 235 240 245
Hình 4.7: Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và hiệu suất thu hồi Gluco tính trên nguyên liệu
rơm ban đầu
18
4. Kết qu ả và bàn luận
nguon tai.lieu . vn
