1. Trang Chủ
  2. Công nghệ - Môi trường
  3. Đồ án tốt nghiệp: Khảo sát nâng cao hiệu quả quá trình lên men bioethanol từ vỏ cacao bằng phương pháp SSF

Đồ án tốt nghiệp: Khảo sát nâng cao hiệu quả quá trình lên men bioethanol từ vỏ cacao bằng phương pháp SSF

Đồ án tốt nghiệp này được thực hiện với mục tiêu nhằm khảo sát một số điều kiện trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời để tìm ra các thông số cho quá trình lên men bioethanol đạt hiệu quả cao. Mời các bạn cùng tham khảo. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KHẢO SÁT NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUÁ TRÌNH LÊN MEN BIOETHANOL TỪ VỎ CACAO BẰNG PHƯƠNG PHÁP SSF Ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Giảng viên hướng dẫn : Th.S Trần

Thể loại Tài liệu miễn phí Công nghệ - Môi trường

Số trang 102

Ngày tạo 10/11/2021 12:03:10 AM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 1.19 M

Tên tệp

Tải Đồ án tốt nghiệp: Khảo sát nâng cao hiệu quả quá t... (.pdf)

Xem mẫu

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KHẢO SÁT NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUÁ TRÌNH LÊN MEN BIOETHANOL TỪ VỎ CACAO BẰNG PHƯƠNG PHÁP SSF Ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Giảng viên hướng dẫn : Th.S Trần Thị Tưởng An Sinh viên thực hiện : Hồ Thùy Bảo Trân MSSV: 1151110531 Lớp: 11DSH05 TP. Hồ Chí Minh, 2015
  2. Đồ án tốt nghiệp LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng, đồ án tốt nghiệp “Khảo sát nâng cao hiệu quả quá trình lên men bioethanol từ vỏ cacao bằng phương pháp SSF” là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tôi, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, kiến thức và dựa trên sự hướng dẫn của Th.S Trần Thị Tưởng An. Các số liệu sử dụng trong đồ án là trung thực và có nguồn gốc cụ thể, rõ ràng. Nội dung đồ án có tham khảo và sử dụng một số nhận xét, đánh giá từ các tài liệu thông tin được đăng tải trên các sách, tác phẩm, tạp chí và các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo của đồ án.
  3. Đồ án tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Đồ án tốt nghiệp là một cột mốc quan trọng trong cuộc đời sinh viên, nó đánh dấu toàn bộ quá trình học tập và nghiên cứu ở giảng đường đại học. Để có được điều kiện thực hiện đồ án tốt nghiệp cũng như hoàn thành chương trình học 4 năm tại trường Đại học Công Nghệ TP.HCM em đã nhận được những sự chỉ dạy tận tình với những kinh nghiệm quý báu từ quý thầy cô khoa Công nghệ sinh học - Thực phẩm- Môi trường của trường Đại học Công Nghệ TP.HCM. Lời đầu tiên em xin cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Công Nghệ TP.HCM, Ban chủ nhiệm khoa Công nghệ sinh học - Thực phẩm - Môi trường cũng như tập thể các thầy cô đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho em được thực hiện đồ án này. Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Th.S Trần Thị Tưởng An, trường Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh. Cô là người đã giúp em đến với hướng nghiên cứu này, đồng thời cũng là người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình, truyền đạt các kiến thức, kinh nghiệm chuyên môn, tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tốt đồ án và động viên em trong suốt quá trình em thực hiện đề tài tại phòng thí nghiệm Nhiên liệu sinh học và Biomass, Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh Em xin gửi lời cảm ơn đến các anh, các chị và các bạn làm việc trong phòng thí nghiệm đã nhiệt tình hỗ trợ em trong suốt thời gian làm việc ở đây. Cuối cùng, xin cảm ơn sự hỗ trợ, giúp đỡ, động viên của toàn thể gia đình trong suốt quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp, cũng như trong suốt quá trình học tập vừa qua. Mặc dù đã cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất. Song do buổi đầu mới làm quen với công tác nghiên cứu khoa học, tiếp cận với thực nghiệm và máy móc hiện đại cũng như hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm nên không tránh khỏi những thiếu xót. Em rất mong được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn để kiến thức của em trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn. Sinh viên thực hiện Hồ Thùy Bảo Trân
  4. Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................. iv DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................ v DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................ vi MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1 1. Đặt vấn đề. ............................................................................................................1 2. Tình hình nghiên cứu sản xuất bioethanol từ vỏ trái cacao. .................................2 3. Mục tiêu đề tài ......................................................................................................3 4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................3 5. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................3 6. Các kết quả đạt được của đề tài ............................................................................4 7. Kết cấu của đồ án..................................................................................................4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ..................................................... 5 1.1. Giới thiệu về Bioethanol ....................................................................................5 1.1.1. Khái niệm .....................................................................................................5 1.1.2. Các thế hệ bioethanol ...................................................................................5 1.1.3. Tình hình sản xuất và tiêu thụ bioethanol trên thế giới và Việt Nam ..........6 1.1.4. Lợi ích, hạn chế và ứng dụng của bioethanol ............................................11 1.1.5. Nguồn nguyên liệu lignocellulose .............................................................12 1.2. Quá trình biến đổi bioethanol từ nguyên liệu lignocellulose. ..........................13 1.2.1. Quá trình tiền xử lý ....................................................................................14 1.2.2. Quá trình thủy phân. ..................................................................................17 1.2.3. Quá trình lên men ......................................................................................17 1.3. Giới thiệu về cây Cacao ...................................................................................22 1.3.1. Tên khoa học của cây cacao ......................................................................22 1.3.2. Thành phần và giá trị dinh dưỡng của vỏ trái cacao ..................................22 1.3.3. Tình hình sản xuất và tiêu thụ cacao ở nước ta. ........................................23 1.4. Tình hình nghiên cứu bioethanol trên thế giới .................................................24 i
  5. Đồ án tốt nghiệp 1.5. Giới thiệu về nấm men Saccharomyces cerevisiae ..........................................26 1.5.1. Phân loại khoa học .....................................................................................26 1.5.2. Đặc điểm hình thái .....................................................................................26 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........... 27 2.1. Thời gian và địa điểm nghiên cứu ...................................................................27 2.2. Đối tượng nghiên cứu ......................................................................................27 2.3. Vật liệu nghiên cứu ..........................................................................................27 2.3.1. Vật liệu ........................................................................................................27 2.3.2. Dụng cụ và thiết bị ......................................................................................28 2.4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................28 2.4.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm ...............................................................................29 2.4.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm ..................................................................29 2.5. Các phương pháp phân tích. .............................................................................34 2.5.1. Phương pháp vi sinh. .................................................................................34 2.5.2. Phương pháp hóa lý ...................................................................................36 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................. 42 3.1. Khảo sát giống nấm men..................................................................................42 3.1.1. Quan sát hình thái nấm men .......................................................................42 3.1.2. Xây dựng đường cong sinh trưởng của Saccharomyces cerevisiae. ..........42 3.2. Khảo sát thành phần hóa học của vỏ cacao khô. .............................................43 3.3. Khảo sát tiền xử lý với acid oxalic. .................................................................44 3.4. Thủy phân vỏ cacao bằng enzyme Viscozym ..................................................45 3.5. Khảo sát thời gian lên men sau khi thủy phân (SHF). .....................................47 3.6. Khảo sát thủy phân và lên men đồng thời (SSF). ............................................49 3.6.1. Khảo sát thời gian SSF. ..............................................................................50 3.6.2. Khảo sát nhiệt độ lên men SSF ...................................................................54 3.6.3. Khảo sát tỉ lệ giống bổ sung .......................................................................56 3.6.4. Khảo sát tỉ lệ enzyme bổ sung. ...................................................................59 3.6.5. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy lắc ..................................................61 ii
  6. Đồ án tốt nghiệp 3.7. Khảo sát thành phần dinh dưỡng bổ sung trong lên men SSF .........................63 3.7.1. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ peptone đến quá trình lên men SSF ......63 3.7.2. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ glucose đến quá trình SSF ....................65 3.7.3. Khảo sát ảnh hưởng của K2HPO4 đến quá trình lên men SSF ...................67 3.7.4. Khảo sát ảnh hưởng của MnSO4 đến quá trình lên men SSF .....................68 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................ 71 4.1. Kết luận. ...........................................................................................................71 4.2. Kiến nghị . ........................................................................................................72 TÀI LIỆU THAM KHẢO. ......................................................................... 73 iii
  7. Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Cfu Colony forming unit Cty Công ty DNS Acid 3,5- dinitrosalicylic đv Đơn vị EtOH Ethanol EU European Union h Giờ HPLC High-performance liquid chromatography KH và CN Khoa học và Công nghệ MeOH Methanol PL Phụ lục. PNV Petro Vietnam. S. cerevisiae Saccharomyces cerevisiae SDA Sabouraud’s Dextrose Agar SDB Sabouraud’s Dextrose Broth SHF Separate hydrolysis and fermentation SSCF Simultaneous Saccharification and Co-Fermentation SSF Simultaneous Saccharification and Fermention TXL Tiền xử lý iv
  8. Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Các thế hệ bioethanol .................................................................................6 Bảng 1.2. Tổng sản lượng bioethanol hàng năm trên thế giới ...................................7 Bảng 1.3. Danh sách nhà máy bioethanol sinh học đang sản xuất ...........................10 Bảng 1.4. Các phương pháp tiền xử lý hóa học ........................................................16 Bảng 1.5. Những thuận lợi và bất lợi của phướng pháp tiền xử lý bằng acid .........16 Bảng 1.6. Các phương pháp tiền xử lý sinh học .......................................................17 Bảng 1.7. Các quá trình lên men...............................................................................20 Bảng 1.8. Thành phần vỏ cacao khô .........................................................................22 Bảng 1.9. Tình hình nghiên cứu bioethanol trên thế giới .........................................25 Bảng 2.1. Bảng thực hiện thí nghiệm lên men SSF ..................................................33 Bảng 3.1. Thành phần hóa học của vỏ cacao khô.....................................................44 Bảng 3.2. Thành phần hóa học của vỏ cacao khô sau khi tiền xử lí ........................45 Bảng 3.3. Kết quả thủy phân theo thời gian. ............................................................46 v
  9. Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Thị phần sản xuất bioethanol sinh học trên thế giới. ..................................8 Hình 1.2. Thành phần của lignocelluloses. ..............................................................13 Hình 1.3. Sơ đồ chuyển đổi sinh khối lignocelluolose thành bioethanol. ................14 Hình 1.4. Nấm men Saccharomyces cerevisiae .......................................................26 Hình 2.1. Sơ đồ quá trình thực hiện thí nghiệm…………………………………....29 Hình 3.1. Đặc điểm hình thái của Saccharomyces cerevisiae ..................................42 Hình 3.2. Đường cong sinh trưởng của S.cerevisiae ................................................42 Hình 3.3. Vỏ cacao khô ............................................................................................43 Hình 3.4. Sự thay đổi các thành phần theo thời gian lên lên men SHF. ..................48 Hình 3.5. Sự thay đổi các thành phần theo thời gian lên men SSF ..........................51 Hình 3.6. Sự thay đổi các thành phần theo nhiệt độ trong quá trình lên men SSF ..55 Hình 3.7. Sự thay đổi các thành phần theo tỉ lệ cấy giống trong lên men SSF ........57 Hình 3.8. Sự thay đổi các thành phần theo tỉ lệ enzyme bổ sung trong quá trình lên men SSF ....................................................................................................................60 Hình 3.9. Sự thay đổi các thành phần theo tốc độ khuấy trong quá trình lên men SSF ...................................................................................................................................62 Hình 3.10. Sự thay đổi các thành phần theo nồng độ pepton bổ sung trong quá trình lên men SSF ..............................................................................................................64 Hình 3.11. Sự thay đổi các thành phần theo nồng độ glucose bổ sung trong quá trình lên men SSF. .............................................................................................................66 Hình 3.12. Sự thay đổi các thành phần theo nồng độ K2HPO4 trong quá trình lên men SSF. ...........................................................................................................................68 Hình 3.13. Sự thay đổi các thành phần theo nồng độ MnSO4 bổ sung trong quá trình lên men SSF ..............................................................................................................70 vi
  10. Đồ án tốt nghiệp MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề. Bioethanol (Ethanol sinh học) là một loại nhiên liệu sinh học mới đầy hứa hẹn sẽ thay thế cho nguồn năng lượng từ các sản phẩm hoá thạch dầu mỏ mà mọi người đang hướng tới nhằm khắc phục cơn khát năng lượng toàn cầu. Nó có thể được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu và chất thải sinh học khác nhau. Nguyên liệu được sử dụng trong sản xuất bioethanol sinh học như đậu tương, cọ, hạt cải, hạt cải dầu, mỡ động vật, dầu thực vật, tinh bột và đường được coi là nguyên liệu thế hệ đầu tiên. Những bất lợi của các nguyên liệu thế hệ đầu tiên là chúng có thể được sử dụng theo cách khác để làm thức ăn cho con người do đó sẽ gây ra sự lo lắng về vấn đề an ninh lương thực - sự cạnh tranh giữa cây trồng làm nhiên liệu và cây lương thực. Chính vì vậy, thế giới đang đi theo hướng sản xuất bioethanol từ các nguyên liệu phi thực phẩm có chứa hợp chất cellulose - sinh khối lignocellulose. Sử dụng nguyên liệu giàu cellulose hoặc nguyên liệu rẻ tiền chứa nhiều carbohydrate là một giải pháp đang được hướng đến để tránh việc cạnh tranh với nguồn lương thực của con người. Việt Nam là một quốc gia nằm ở vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm, điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của các loài cây trồng, đặc biệt là các loại cây nông nghiệp có giá trị như cacao. Hiện nay ở Việt Nam đã có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng vỏ cacao để làm thức ăn chăn nuôi mang lại hiệu quả cao. Bên cạnh đó, vỏ cacao đã được nghiên cứu trong lĩnh vực sản xuất bioethanol sinh học. Dựa vào thành phần hóa học của vỏ cacao chủ yếu là cellulose, hemicellulose và lignin… qua quá trình thủy phân và lên men nhờ vi sinh vật chuyển hoá cellulose trong vỏ cacao thành Bioethanol sinh học. Vỏ trái cacao là nguồn phế phẩm nông nghiệp giàu lignocellulose nên có thể sử dụng để lên men tạo bioethanol rất hiệu quả, tận dụng được nguồn vỏ phế phẩm với lượng thải bỏ hằng năm rất lớn. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu để tìm ra phương pháp lên men tốt nhất cho nguồn nguyên liệu này là vấn đề quan trọng hàng đầu để có thể ứng dụng vào sản xuất bioethanol đại trà. Với những ưu điểm như rẻ tiền, phổ 1
  11. Đồ án tốt nghiệp biến, vỏ cacao sẽ là một nguồn nguyên liệu tiềm năng trong quá trình nghiên cứu sản xuất bioethanol sinh học. Do những vấn đề nêu trên, nên đây là một loại nguyên liệu có tiềm năng rất lớn trong việc sản xuất bioethanol ở Việt Nam. Nghiên cứu “Khảo sát nâng cao hiệu quả quá trình lên men bioethanol từ vỏ cacao bằng phương pháp SSF” được đặt ra nhằm mục đích sử dụng phương pháp SSF để lên men nguồn phế phẩm vỏ cacao để thu bioethanol có hiệu quả cao. 2. Tình hình nghiên cứu sản xuất bioethanol từ vỏ trái cacao. Hiện nay đã có khá nhiều nghiên cứu lên men bioethanol được tiến hành trên các nguồn nguyên liệu giàu cellulose như rơm rạ, bã mía, vỏ trấu,… tiêu biểu là nghiên cứu “Sản xuất bioethanol nhiên liệu từ rơm rạ” (Trần Diệu Lý, 2008), nghiên cứu dựa trên cơ sở sử dụng các phương pháp vật lý và hóa học để xử lý nguyên liệu thô giàu cellulose. Việc định hướng nguyên liệu là cellulose gặp khó khăn về vấn đề kinh tế và kỹ thuật. Nguồn nguyên liệu là rơm rạ hay bã mía hiện đang được tận dụng khá triệt để trong nông nghiệp và trong các nhà máy sản xuất điện nên việc sản xuất bioethanol từ các loại nguyên liệu kể trên có vẻ như chưa khả thi lắm. Vấn đề tìm nguồn nguyên liệu thay thế khác lại được đặt ra và vỏ trái cacao (chứa đến 43,9 – 45,2% carbohydrate) (Samah et al., 2011) đã được xem sét. Vỏ cacao đã được sử dụng trước đó nhưng chủ yếu là làm phân bón hữu cơ và thức ăn cho gia xúc. Theo báo cáo của Bùi Thanh Bình (2009) thì vỏ cacao có thành phần dinh dưỡng thích hợp cho việc sản xuất phân bón hữu cơ sinh học, việc phối hợp vỏ cacao với phân hữu cơ mang lại hiệu quả vượt bậc. Và gần đây nhất là đề tài “Nghiên cứu khả năng thủy phân vỏ trái cacao ứng dụng trong sản xuất bioethanol sinh học” của Phạm Thiếu Quân, Huỳnh Xuân Phong và Ngô Thị Phương Dung (2013) trường ĐH Cần Thơ đã tìm thấy tiềm năng sản xuất bioethanol sinh học từ nguồn phế phẩm nông nghiệp là vỏ trái cacao. 2
  12. Đồ án tốt nghiệp 3. Mục tiêu đề tài Khảo sát một số điều kiện trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời để tìm ra các thông số cho quá trình lên men bioethanol đạt hiệu quả cao. 4. Nội dung nghiên cứu Khảo sát giống nấm men. Khảo sát một số thành phần hóa học của vỏ cacao. Khảo sát điều kiện tiền xử lý cho vỏ cacao bằng acid oxalic. Khảo sát thời gian cho quá trình lên men SHF (làm đối chứng cho quá trình SSF). Khảo sát một số điều kiện cho quá trình lên men SSF, sử dụng Saccharomyces cerevisiae 5. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp bố trí thí nghiệm. Phương pháp phân tích  Phương pháp phân tích sinh hóa. Xác định độ ẩm bằng phương pháp sấy đến khối lượng không đổi. Xác định hàm lượng tro tổng bằng phương pháp nung ở nhiệt độ cao. Định lượng đường khử bằng phương pháp Miller. Định lượng cellulose theo phương pháp Kiursher-Hofft. Định lượng hàm lượng lignin theo phương pháp Klasm. Trích ly pectin bằng nước nóng. Xác định nồng độ cồn bằng sắc ký cột lỏng cao áp - HPLC.  Phương pháp xác định mật độ vi sinh. Phương pháp đếm khuẩn lạc và sử dụng đường tương quan tuyến tính giữa giá trị đo OD với mật độ tế bào vi sinh.  Phương pháp xử lý số liệu Kết quả nhận được là giá trị trung bình của 3 lần lặp lại và vẽ biểu đồ bằng phần mềm Microsoft Excel. Các số liệu được xử lý bằng chương trình Statgraphics Centurion XV. 3
  13. Đồ án tốt nghiệp 6. Các kết quả đạt được của đề tài Trong suốt quá trình thí nghiệm đã thu thập được kết quả sau: Việc sử dụng acid oxalic 5 % khi tiến hành tiền xử lý vỏ cacao trong thời gian 2 ngày thu được hàm lượng đường trong dịch đạt 14,67 mg/g Tiến hành thủy phân bằng cellulase 0,5 % và lên men riêng lẻ SHF thu được nồn độ cồn cao 4,64 % sau 30 giờ lên men ở điều kiện nhiệt độ phòng. Tiếp tục lên men theo phương pháp thủy phân và lên men đồng thời SSF thu được hàm lượng cồn là 5,47 % sau 45 giờ lên men. Khi bổ sung các chất dinh dưỡng như peptone, glucose, K2HPO4 và MnSO4 trong quá trình lên men nồng độ cồn có sự thay đổi. 7. Kết cấu của đồ án Đồ án gồm 4 chương.  Chương 1: Tổng quan tài liệu Giới thiệu về bioethanol cũng như ưu và nhược điểm của các thế hệ hệ bioethanol hiện nay, các quá trình biến đổi nguồn nguyên liệu lignocellulose để lên men bioethanol từ nguồn vỏ cacao. Một số công trình nghiên cứu liên quan về quá trình lên men SHF và SSF.  Chương 2: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu Trình bày nội dung, sơ đồ hóa các bước thí nghiệm, cách bố trí thí nghiệm và các phương pháp tiến hành liên quan đến từng nội dung thí nghiệm.  Chương 3: Kết quả và bàn luận. Trình bày các kết quả đạt được trong suốt quá trình nghiên cứu.  Chương 4: Kết luận và kiến nghị 4
  14. Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Giới thiệu về Bioethanol 1.1.1. Khái niệm  Ethanol Ethanol, hay còn gọi được gọi bằng các tên khác như rượu Etylic, cồn, Ethyl alcohol, Ethyl hydrate, Hydroxyethanol, là một chất hữu cơ thuộc dãy đồng đẳng của rượu no đơn chức, có công thức phân tử: C2H5OH hay C2H6O và có công thức cấu tạo: Ethanol có thể được sản xuất bằng các phương pháp tổng hợp hóa học và phương pháp sinh học. Ethanol được sản xuất theo phương pháp sinh học, được gọi là bioethanol.  Bioethanol Bioethanol hoặc đơn giản là “Ethanol sinh học” là một nguồn năng lượng tái tạo được tạo ra bằng cách lên men các thành phần đường có trong các phụ phẩm nông nghiệp thông qua hoạt động của nấm men hay các vật liệu có thể chuyển đổi thành đường như tinh bột hoặc cellulose từ thực vật nhờ tác dụng của enzyme, mà không tổng hợp bằng con đường hóa học. Quá trình lên men đường tạo thành bioethanol và carbon dioxide C6H12O6  2C2H5OH + 2CO2 Trong quá trình sản xuất bioethanol sinh học có thể phân thành 2 công đoạn là công đoạn lên men nhằm sản xuất bioethanol có nồng độ thấp và công đoạn làm khan để sản xuất bioethanol có nồng độ cao để phối trộn vào xăng. 1.1.2. Các thế hệ bioethanol Hiện nay dựa trên nguồn nguyên liệu sản xuất mà người ta chia bioethanol thành các thế hệ khác nhau và được trình bày trong bảng 1.1. 5
  15. Đồ án tốt nghiệp Bảng 1.1. Các thế hệ bioethanol Tài liệu Đặc điểm Ưu điểm Nhược điểm tham khảo Được sản xuất Bioethanol Khủng hoảng từ cây trồng có thế hệ thứ Quá trình sản lương thực và hàm lượng [1] nhất xuất đơn giản. mất cẩn bằng đường và tinh lương thực bột cao. Nhiên liệu bền Chứa lignin là Bioethanol Sản xuất từ vững, chi phí một chất khó thế hệ thứ sinh khối thấp. phân hủy gây cản [1], [30] hai lignocellulose Thân thiện với trở quá trình sản của thực vật môi trường. xuất bioethanol Không chứa lignin Bioethanol Hàm lượng thế hệ thứ Sản xuất từ carbohydrate cao Khí thải CO2 [1] ba các loài tảo ( 50% so với tổng khối lượng chất khô) 1.1.3. Tình hình sản xuất và tiêu thụ bioethanol trên thế giới và Việt Nam 1.1.3.1. Thế giới Bioethanol nhiên liệu được sản xuất tại 34 quốc gia trên 5 châu lục. Sản xuất chính được tập trung ở Mỹ (54 %) và Brazil (34 %). Mỹ sản xuất chủ yếu là từ ngô, Mỹ cũng đang đầu tư nhiều cho việc tăng sản lượng bioethanol, hiện chiếm 5 % khối lượng nhiên liệu bán ra ở Mỹ. Đồng thời dự kiến trong năm 2020 nước này sẽ cung cấp trên 28 tỷ lít bioethanol và biodesel, chiếm 3,5 % lượng xăng dầu sử dụng [25]. Brazil sản xuất bioethanol từ mía đường, nước này có diện tích đất canh tác trồng mía cho sản xuất bioethanol lên đến gần 8 triệu ha, 450 nhà máy đường ở Brazil hầu hết đều sản xuất bioethanol. Ngành công nghiệp bioethanol ở Brazil nhận được nguồn lực tài chính khổng lồ và những chính sách công phù hợp, ưu đãi khiến cho sản phẩm xăng sinh học ở đây có sức cạnh tranh lớn nhất thế giới [25]. Phần còn lại được sản xuất tại các nước châu Âu, Australia, New Zealand và Đông Nam Á, đặc biệt là Trung Quốc, Thái Lan và Ấn Độ. 6
  16. Đồ án tốt nghiệp EU xếp vị trí thứ 3 về sản lượng bioethanol nhiên liệu sau Hoa Kỳ và Brazil. Nổi lên trong khu vực châu Á, Trung Quốc đang dần khẳng định và trở thành nước sản xuất bioethanol lớn trên thế giới với khoảng 2,1 tỷ lít đã được sản xuất vào năm 2012 (90 % từ ngô), có mục tiêu tăng trưởng đầy tham vọng trong tương lai cho bioethanol từ thế hệ thứ hai. Theo báo cáo từ Lux Research thì Chính phủ Trung Quốc đang hỗ trợ rất nhiều cho ngành công nghiệp nhiên liệu sinh học. Với bioethanol cao cấp (hay còn gọi là bioethanol cellulosic) hiện đang nhận mức trợ cấp lớn nhất là 1,400 RMB/tấn. Dự kiến năm 2020, Trung Quốc sẽ sản xuất thêm nhiên liệu sinh học tổng hợp (E10). Từ năm 2010 đã có 3 nhà máy ở Nhật Bản sản xuất bioethanol (từ thân mía và rơm rạ lúa mì) và cả nước có trên 2,000 trạm bán xăng sinh học. Trộn 43 % cồn sinh học với 57 % khí thiên nhiên để tạo thành ethyl tert-butyl ether (ETBE), lại trộn với 90 % xăng để tạo thành xăng sinh học. Nhờ đó mà CO2 thải ra rất ít, có lợi lớn cho môi trường. Tại Ấn Độ một chương trình bioethanol dã kêu gọi người dân sử dụng xăng E5 trên cả nước, tiến tới sử dụng xăng E10 và E20. Trong khu vực Đông Nam Á, Thái Lan là quốc gia phát triển rất nhanh về sản xuất và sử dụng xăng pha cồn sản xuất từ phế phẩm của sắn, hạt ngô, cây ngô, đường, bã mía. Xăng E10 đã bán tại các trạm xăng ở Thái Lan từ năm 2003. Năm 2004, Thái Lan đã sản xuất trên 280.000 m3 cồn, đầu tư thêm 20 nhà máy để năm 2015 có trên 2,5 tỷ lít cồn dùng làm nhiên liệu. Bảng 1.2. Tổng sản lượng bioethanol hàng năm trên thế giới (đv triệu Gallon Mỹ) Quốc gia 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 USA 6,521 9,309 10,938 13,298 13,948 13,300 13,300 14,300 Brazil 5,019 6,472 6,578 6,922 5,573 5,577 6,267 6,190 Europe 570 734 1,040 1,209 1,168 1,179 1,371 1,445 China 486 502 542 542 555 555 696 635 Canada 211 238 291 357 462 449 523 510 Các nước 315 389 914 985 698 752 1,272 1,490 khác Thế giới 13,123 17,644 20,303 23,311 22,404 21,812 23,429 24,570 “Nguồn: F.O. Licht, cited in Renewable Fuels Association, Bioethanol Industry Outlook 2008-2014” 7
  17. Đồ án tốt nghiệp Theo tổ chức FAO cho biết đến năm 2022, sản lượng bioethanol thế giới dự báo tăng khoảng 70 % so với mức trung bình của giai đoạn 2010 - 2012 và tăng khoảng 4 % /năm đạt mức 168 tỷ lít. Ba quốc gia sản xuất bioethanol chính vẫn là Hoa Kỳ, Brazil và Châu Âu. Tính đến năm 2022, nguyên liệu đầu vào để sản xuất nhiên liệu sinh học dự kiến tăng như sau: mía đường – 29 %, dầu thực vật – 15 % và ngũ cốc thô – 12 %. Tại Hoa Kỳ, tổng sản lượng nhiên liệu sinh học theo yêu cầu của chính phủ sẽ được duy trì lên tục trong suốt kỳ dự báo, theo đó 40 % tổng sản lượng ngô sẽ được sử dụng để sản xuất bioethanol. Lượng xe hơi lưu hành tại Brazil gia tăng đồng nghĩa với nhu cầu sử dụng nhiên liệu tăng, trong đó có bioethanol. Dự báo đến năm 2022, sản lượng bioethanol sinh học của các nước đang phát triển tăng khoảng 2/3, tróng đó Brazil chiếm 80 % và 20 % còn lại thuộc về Ấn Độ và Trung Quốc. Gần 50 % lượng bioethanol do Ấn Độ và Trung Quốc sản xuất sẽ được tiêu thụ tại thị trường trong nước. Sản lượng bioethanol của Ấn Độ đến năm 2022 dự kiến sẽ tăng gấp đôi, với nguyên liệu chính từ mật đường. Bioethanol tại Trung Quốc chủ yếu được sản xuất từ sắn và lúa miến trong khi ngô bị hạn chế sử dụng cho mục đích công nghiệp vì vấn đề an ninh lương thực (xem hình 1.1). Hình 1.1. Thị phần sản xuất bioethanol sinh học trên thế giới. Sản lượng tính theo giá trị % của các nước trong năm 2022 [31]. 8
  18. Đồ án tốt nghiệp 1.1.3.2. Việt Nam Nhiên liệu sinh học đã được các nhà khoa học chú ý đến từ những năm cuối của thế kỷ 20 và cho đến nay đã có một số công trình nghiên cứu điều chế bioethanol sinh học, một số ít được ứng dụng trong thực tiễn còn lại vẫn chưa được áp dụng nhiều. Một số nghiên cứu còn bỏ ngỏ, chỉ là việc làm tự phát và kết quả chỉ mang tinh định hướng hoặc học thuật. Từ sau năm 2000 đã có một số xí nghiệp, công ty, đơn vị nghiên cứu tổ chức sản xuất nhiên liệu sinh học dưới dạng pilot như công ty Minh Tú (Cần Thơ), ĐH Bách khoa TP Hồ Chí Minh, Viện Hóa Công Nghiệp Hà Nội, Viện khoa học Vật liệu Ứng dụng TPHCM… được dư luận quan tâm. Từ đó các khái niệm sản xuất nhiên liệu sinh học, bioethanol cũng dần rõ ràng và cụ thể hơn. Ngày 20/11/2007, "Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025" đã được Thủ tướng Chính phủ ký quyết định số177/2007/QĐ- TTG với mục tiêu phát triển năng lượng, một dạng năng lượng mới, tái tạo được thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường. Đến năm 2015, sản lượng bioethanol sinh học và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn, đáp ứng 1 % nhu cầu xăng dầu của cả nước. Và tầm nhìn đến năm 2025, công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học ở nước ta đạt trình độ tiên tiến trên thế giới. Sản lượng bioethanol và dầu thực vật đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng khoảng 5 % nhu cầu xăng dầu của cả nước [28]. Để thực hiện chiến lược này, PetroVietNam dự kiến từ 2011 đến 2015 sẽ đưa 3 nhà máy bioethanol sinh học ở Quảng Ngãi, Phú Thọ, Bình Phước vào hoạt động với tổng công suất 230,000 tấn/năm và từ sản phẩm này sẽ pha thành nhiên liệu E5 - E10, đáp ứng khoảng 20 % tổng nhu cầu tiêu thụ xăng sinh học cả nước. Theo TS. Nguyễn Phú Cường, Phó Vụ trưởng Vụ KH&CN Bộ Công Thương cho biết tính đến tháng 3/2012, cả nước có 5 nhà máy sản xuất bioethanol nhiên liệu đi vào hoạt động ổn định với công suất thiết kế đạt khoảng 435,000 triệu lít bioethanol/năm (bảng 1.3). Trong số 4 nhà máy đang hoạt động mới chỉ có 03 nhà máy của Công ty CP Đồng Xanh, Cty TNHH Tùng Lâm và Công ty CP Nhiên liệu 9
  19. Đồ án tốt nghiệp sinh học miền Trung là sản xuất được bioethanol nồng độ 99,5 % đạt tiêu chuẩn để pha xăng sinh học. Sản phẩm được tiêu thụ trong nước khoảng 20 % để phối trộn xăng E5 và bán theo hệ thống phân phối của Tập đoàn Dầu khí quốc gia Việt Nam (PVN). Phần còn lại khoảng 80 % sản lượng sản xuất trong năm 2011 được xuất khẩu cho các nước như Nhật Bản, Hàn Quốc, Philippine ở dạng 99,5 % và 96 % bioethanol. Sản xuất nhiên liệu sinh học bioethanol ở Việt Nam cũng được nhiều đối tác nước ngoài rất quan tâm. Đáng chú ý trong số này là các Dự án JICA - Nhật Bản hỗ trợ Việt Nam nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh học sử dụng các loại phế phẩm bã mía, rơm rạ, dự án do Chính phủ Hà Lan tài trợ sử dụng trấu, vỏ cà phê, trái điều, vỏ điều, rong biển; chương trình tổng thể về nghiên cứu và phát triển nhiên liệu sinh học ở Việt Nam của Hàn Quốc sản xuất diesel sinh học và các hóa chất tinh khiết thân thiện với môi trường từ dầu thực vật. Bảng 1.3. Danh sách nhà máy bioethanol sinh học đang sản xuất Công suất Tình trạng TT Tên nhà máy Địa điểm thiết kế hoạt động Nhà máy sản xuất 130 triệu Đại lộc, 1 Bioethanol nhiên liệu – Đang sản xuất lít/năm Quãng Nam Cty CP Đồng Xanh Nhà máy sản xuất 70 triệu Đồng Nai 2 Bioethanol nhiên liệu – Đang sản xuất lít/ năm Cty TNHH Tùng Lâm Lô CN5 khu Nhà máy sản xuất 70 triệu CN Tâm 3 Bioethanol – Cty TNHH Đang sản xuất lít/ năm Thắng, Đăk Đại Việt Nông. Nhà máy sản xuất 65 triệu 4 Bioethanol Đăk Tô – Kon Kon Tum Đang sản xuất lít/ năm Tum Nhà máy sản xuất Khu kinh tế Bắt đầu sản bioethanol sinh học Dung 100 triệu Dung Quốc, xuất vào tháng 5 Quất ( Cty CP Nhiên liệu lít/năm Bình Sơn, 2/2012 sinh học miền Trung) Quãng Ngãi. “Nguồn: Khoa học và công nghệ, số 9 – 08/2012” 10
  20. Đồ án tốt nghiệp 1.1.4. Lợi ích, hạn chế và ứng dụng của Bioethanol Bioethanol có một vài lợi ích và hạn chế như: 1.1.4.1. Lợi ích  Về môi trường Bioethanol có nguồn gốc từ thực vật không đóng góp vào quá trình phát thải CO2 - khí nhà kính. Hàm lượng các khí thải độc hại khác như CO, SOx, hydrocarbon…đều giảm đi đáng kể khi sử dụng năng lượng sinh học.  Nguồn nhiên liệu tái sinh Các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất nông nghiệp và có thể tái sinh. Tránh sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống.  Tăng hiệu suất cho xăng và chống cháy nổ. Bioethanol có chỉ số octan là 113, cao hơn so với xăng khoảng 83 -95 lần. Chỉ số này cao đồng nghĩa việc hạn chế được hiện tượng tự phát nổ, xảy ra trước khi đánh lửa, sẽ làm hại động cơ. Mặt khác, nó không chứa các chất khác độc hại như chì.  Phát triển kinh tế nông nghiệp. Việc tận dụng các nguồn phế phẩm, phụ phẩm trong nông nghiệp làm tăng giá trị của nông sản.  Bảo đảm an ninh năng lượng Sử dụng bioethanol làm nhiên liệu thay thế nhiên liệu truyền thống giúp các quốc gia chủ động về nguồn năng lượng hơn so với nguồn nhiên liệu hoá thạch đang dần cạn kiệt. 1.1.4.2. Hạn chế của Bioethanol Hạn chế chủ yếu của bioethanol khi làm nhiên liệu là tính hút ẩm. Bioethanol có khả năng hút ẩm và hòa tan vô hạn trong nước cao nên cần phải được tồn trữ và bảo quản đặc biệt.  Về mặt kỹ thuật Do nhiệt trị của bioethanol (PCIbioethanol = 26,8 MJ/kg) và các loại ancol khác đều thấp hơn so với xăng (PCIxăng = 42,5 MJ/kg) nên khi dùng bioethanol để pha trộn 11
nguon tai.lieu . vn
Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học Công nghệ thông tin Kinh tế - Thương mại Tài chính - Ngân hàng Kiến trúc - Xây dựng Điện-Điện tử-Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Công nghệ - Môi trường Báo cáo khoa học Quản trị kinh doanh Khoa học xã hội Khoa học tự nhiên Nông - Lâm - Ngư Y khoa - Dược