1. Trang Chủ
  2. Công nghệ - Môi trường
  3. Đồ án tốt nghiệp: Khảo sát tối ưu hóa một số thông số của quá trình lên men bioethanol từ vỏ chuối bằng phương pháp SSCF sử dụng Saccharomyces cerevisiae kết hợp với Pichia anomala

Đồ án tốt nghiệp: Khảo sát tối ưu hóa một số thông số của quá trình lên men bioethanol từ vỏ chuối bằng phương pháp SSCF sử dụng Saccharomyces cerevisiae kết hợp với Pichia anomala

Đồ án tốt nghiệp được thực hiện với mục tiêu nhằm khảo sát tối ưu hóa một số thông số quá trình lên men bioethanol từ vỏ chuối sử dụng phương pháp SSCF lên men nguồn phế phẩm vỏ chuối để thu bioethanol có hiệu quả. 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 TỐI ƯU HÓA MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH LÊN MEN BIOETHANOL TỪ VỎ CHUỐI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SSCF SỬ DỤNG SACCHAROMYCES CEREVISIAE KẾT HỢP VỚI PICHIA ANOMALA Ngành: CÔNG N

Thể loại Tài liệu miễn phí Công nghệ - Môi trường

Số trang 99

Ngày tạo 10/11/2021 12:13:36 AM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 3.40 M

Tên tệp

Tải Đồ án tốt nghiệp: Khảo sát tối ưu hóa một số thông... (.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 TỐI ƯU HÓA MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH LÊN MEN BIOETHANOL TỪ VỎ CHUỐI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SSCF SỬ DỤNG SACCHAROMYCES CEREVISIAE KẾT HỢP VỚI PICHIA ANOMALA 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: Đoàn Thị Diễm Phương MSSV: 1151110026 Lớp: 11DSH01 TP. Hồ Chí Minh, 2015
  2. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng, đồ án tốt nghiệp “Khảo sát tối ưu hóa một số thông số quá trình lên men bioethanol từ vỏ chuối bằng phương pháp SSCF sử dụng Saccharomyces cerevisiae kết hợp với Pichia anomala.”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 kham khảo và sử dụng các tài liệu thông tin được đăng tải trên các sách, tác phẩm, tạp chí và các trang web theo danh mục tài liệu của đồ án.
  3. LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh, Ban chủ nhiệm khoa Khoa Công Nghệ Sinh Học - Thực Phẩm- Môi Trường đã tạo điều kiện cho em được thực hiện bài khóa luận này. Em xin cảm ơn toàn thể thầy cô trong Bộ môn Công Nghệ Sinh Học đã truyền đạt các kiến thức và kỹ năng chuyên sâu để em có thể hoàn thành bài khóa luận này. Trong suốt khoảng thời gian làm khóa luận tốt nghiệp tại phòng thí nghiệm Năng Lượng Sinh Học – Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh. Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: Th.S Trần Thị Tưởng An, trường Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh. Cô luôn luôn theo sát, tận tình chỉ bảo, truyền đạt các kiến thức, kinh nghiệm chuyên môn, hướng dẫn, động viên em trong suốt quá trình em thực hiện đề tài. Em xin gửi lời cảm ơn đến các anh, các chị làm việc trong phòng thí nghiệm đã nhiệt tình hỗ trợ em trong suốt thời gian làm việc ở đây. Cảm ơn bố mẹ, người đã luôn luôn bên cạnh động viên tinh thần em trong những lúc em cảm thấy khó khăn nhất. Cuối cùng, cảm ơn tất cả các bạn trong phòng thí nghiệm những người bạn đã luôn bên cạnh và giúp đỡ em trong mọi việc. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn. Đoàn Thị Diễm Phương
  4. Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC  LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................2 MỤC LỤC ................................................................................................................... i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... iv DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................v DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................ vi LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................8 1. Đặt vấn đề. .....................................................................................................8 2. Mục tiêu đề tài. ..............................................................................................9 3. Nội dung nghiên cứu. ....................................................................................9 4. ..............................................................................9 5. Bố cụ ..........................................................................................10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ...................................................................11 1.1. Giới thiệu về bioethanol. .............................................................................11 1.1.1. Các thế hệ của bioethanol. .................................................................14 1.1.2. Khái niệm. .........................................................................................11 1.1.3. Nguồn nguyên liệu lignocellulose để sản xuất bioethanol ................15 1.1.4. Ứng dụng lợi ích và hạn chế của Bioethanol ....................................17 1.1.5. Quy trình sản xuất bioethanol từ nguồn lignocellulose.....................18 1.1.6. Tình hình sản xuất và tiêu thụ Bioethanol ở tại Việt Nam và trên thế giới. 26 1.1.7. Tình hình nghiên cứu bioethanol tại Việt Nam và trên thế giới........30 1.2. Giới thiệu về cây chuối sứ. ............................................................................1 i
  5. Đồ án tốt nghiệp 1.2.1 ối....................................................................1 1.2.2 Thành phần hóa học và giá trị dinh dưỡng của vỏ trái chuối .................1 1.2.3 Tình hình sản xuất, diện tích và sản lượng chuối tại Việt Nam .............2 1.2.4 Tình hình sản xuất và sản lượng chuối trên thế giới...............................4 1.3. Giới thiệu chủng nấm men lên men bioethanol. ............................................5 1.3.1 Chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae. ..........................................5 1.3.2 Chủng nấm men Pichia anomala. ..........................................................7 2.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu. ................................................................9 2.3 Vật liệu. .........................................................................................................9 2.3.1 Nguyên vật liệu. ......................................................................................9 2.3.2 Hóa chất sử dụng. ...................................................................................9 2.3.3 Thiết bị ứu. .........................................10 2.4 Phương pháp ...............................................................................................11 2.4.1 Bố trí thí nghiệm. ..................................................................................11 2.4.2 Tiến hành thực hiện. .............................................................................12 2.5 Phương pháp phân tích. ...............................................................................15 2.5.1 Phương pháp vi sinh. ............................................................................15 2.5.2 Phương pháp hóa lý. .............................................................................17 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................24 3.1 Khảo sát giống nấm men. .............................................................................24 3.1.1.1 Nấm men Saccharomyces cerevisiae. ...............................................24 3.1.1.2 Nấm men Saccharomyces cerevisiae. ...............................................25 3.2 Khảo sát một số thành phần hóa học của vỏ chuối khô ..............................27 3.3 Khảo sát tiền xử lý nguyên liệu bằng acid acetic 4%. .................................28 ii
  6. Đồ án tốt nghiệp 3.4 Khảo sát thủy phân và lên men đồng thời (SSCF). .....................................29 3.4.1 Khảo sát thời gian lên men. ..................................................................30 3.4.2 Khảo sát nhiệt độ lên men. ...................................................................34 3.4.3 Khảo sát tỷ lệ nấm men.........................................................................37 3.4.4 Khảo sát tỷ lệ enzyme. ..........................................................................40 3.4.5 Khảo sát ảnh hưởng của pH. .................................................................42 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................47 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................48 iii
  7. Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PL Phụ lục SSF Simultaneous saccharification and fermentation SSCF Simultaneous sacchrification and co- fermentation CT Công thức PT Phương trình SHF Separate hydrolysis and fermentation SC Saccharomyces cerevisiae PA Pichia anomala DNS 3,5 – dinitrosalycylic acid SA Đường hóa các thành phần của cellulose HF Lên men hexose PF Lên men pentose HPLC High-performance liquid chromatography SDA Sabouraud Dextroe Broth SDB Sabouraud Dextroe Agar iv
  8. Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1.. Thông số của bioethanol so với xăng. .....................................................12 Bảng 1.2. Ước tính chi phí sản xuất bioethanol so với xăng ....................................12 Bảng 1.3. Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp tiền xử lý........................20 Bảng 1.4. Một số nhà máy sản xuất bioethanol đang hoạt động ở Việt Nam [34]. 28 Bảng 1.5. Một số công trình nghiên cứu bioethanol từ phụ phẩm trái cây trên thế giới.............................................................................................................................30 Bảng 1.6. Tình hình nghiên cứu sản xuất bioethanol từ vỏ chuối. .............................1 Bảng 3.1. Bố trí các nghiệm thức thí nghiệm. ..........................................................14 Bảng 3.1. Thành phần hóa học của vỏ chuối. ...........................................................27 Bảng 3.2. Một số thành phần hóa học của vỏ chuối khô sau khi tiền xử lý với acid acetic 4% ...................................................................................................................29 v
  9. Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Nguồn nguyên liệu sản xuất bioethanol. ....................................................11 Hình 1.2 Giá dầu năm năm gần đây. .........................................................................13 Hình 1.3 Quy trình chuyển đổi sinh khối lignocellulose thành bioethanol. .............19 Hình 1.4 Tiền xử lý lignocellulose giải phóng cellulose. .........................................20 Hình 1.5 Chuối sứ. ......................................................................................................1 Hình 1.6 Saccharomyces cerevisiae. ...........................................................................5 Hình 1.7 Pichia anomala. ............................................................................................8 Hình 3.1 Nấm men Saccharomyces cerevisiae .........................................................24 Hình 3.2 Nấm men Pichia anomala...........................................................................24 Hình 3.3 Đường cong sinh trưởng Saccharomyces cerevisiae trong môi trường SDB ...................................................................................................................................25 Hình 3.4 Đường cong sinh trưởng Pichia anomala trong môi trường SDB .............26 Hình 3.6a. Thay đổi độ cồn theo thời gian lên men. .................................................32 Hình 3.6c. Sự thay đổi đường khử theo thời gian lên men. ......................................32 Hình 3.6d. Sự thay đổi hàm lượng cellulose theo thời gian lên men. .......................33 Hình 3.7a. Sự thay đổi nồng độ cồn theo nhiệt độ lên men. .....................................35 Hình 3.7b.Sự thay đổi mật độ tế bào theo nhiệt độ lên men. ....................................35 Hình 3.7c. Thay đổi hàm lượng đường khử và cellulose theo nhiệt độ lên men. ....36 Hình 3.8a. Thay đổi độ cồn theo tỷ lệ nấm men. ......................................................38 Hình 3.8b. Thay đổi mật độ tế bào theo tỷ lệ nấm men ............................................38 Hình 3.8c. Sự thay đổi đường khử và cellulose theo tỷ lệ nấm men. .......................39 Hình 3.9b. Thay đổi mật độ tế bào theo tỷ lệ enzyme. .............................................41 Hình 3.9c. Sự thay đổi đường khử và cellulose theo tỷ lệ enzyme. ..........................41 Hình 3.10a. Sự thay đổi độ cồn theo pH. ..................................................................43 Hình 3.10b. Thay đổi mật độ tế bào theo pH ............................................................43 Hình 3.10c.Sự thay đổi đường khử và cellulose theo pH. ........................................44 Hình 3.11a. Sự thay đổi độ cồn theo tốc độ khuấy đảo. ...........................................45 vi
  10. Đồ án tốt nghiệp Hình 3.11b. Sự thay đổi mật độ tế bào theo tốc độ khuấy đảo. ................................45 Hình 3.11c Sự thay đổi hàm lượng đường khử và cellulose theo tốc độ khuấy đảo. ...................................................................................................................................46 vii
  11. Đồ án tốt nghiệp LỜI MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Hiện nay, thế giới đang đứng trước nguy cơ khủng hoảng năng lượng trầm trọng. Như chúng ta đã biết, dầu mỏ và khí đốt hiện chiếm 60 – 80 % nguồn năng lượng thế giới. Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới, với tốc độ tiêu thụ như hiện nay và trừ lượng dầu mỏ hiện có, nguồn năng lượng này sẽ bị cạn kiệt trong vòng 40 – 50 năm nữa. Để ổn định và đảm bảo an ninh năng lượng đáp ứng cho nhu cầu con người cũng như các ngành công nghiệp, các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu tìm ra những nguồn nhiên liệu mới, trong đó nghiên cứu phát triển nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ sinh khối động, thực vật là một hướng đi có thể tạo ra nguồn nhiên liệu thay thế phần nào nguồn nhiên liệu hoá thạch đang cạn kiệt, đảm bảo an ninh năng lượng cho từng quốc gia. Sử dụng nhiên liệu sinh học mang lại các lợi ích như giảm thiểu ô nhiễm môi trường vì nguyên liệu sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học không chứa các hợp chất thơm, hàm lượng lưu huỳnh thấp, không chứa chất độc hại, mặt khác nhiên liệu sinh học khi thải vào đất có tốc độ phân hủy sinh học cao nhanh hơn gấp 4 lần so với nhiên liệu dầu mỏ và do đó giảm được rất nhiều tình trạng ô nhiễm nước ngầm. Bioethanol là nguồn nhiên liệu đầy hứa hẹn trong tương lai thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch, bởi nó là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo. Bioethanol tồn tại ở dạng lỏng có thể được sử dụng thích nghi như nguồn nhiên liệu mới cho tương lai. Tuy nhiên, những sản phẩm bioethanol có nguồn gốc từ tinh bột dễ bị biến động do tinh bột là nguồn lương thực của con người. Việc sử dụng tinh bột hoặc nguyên liệu giàu đường sẽ lập tức đẩy giá của lương thực và bioethanol tăng cao hơn so với sản xuất bằng con đường hóa học. Trong khi đó, giá của vật liệu phải chi trả 40 – 75 % tổng chi phí của sản xuất ethanol. Vì vậy, việc thay thế nguồn nguyên liệu là yêu cầu cho việc sản xuất bioethanol. Như các nguồn nguyên liệu là các phụ phẩm của ngành nông nghiệp: rơm rạ, bã mía, vỏ cacao, vỏ chuối. Vỏ chuối 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. 8
  12. Đồ án tốt nghiệp Hiện nay, một phần vỏ chuối phế thải sau khi bóc ruột từ các nhà máy sản xuất các sản phẩm từ chuối, các quán xá, các khu chợ được thải loại đi như rác là tác nhân gây hại cho môi trường, hoặc chỉ 1 phần được sử dụng làm thức ăn gia súc mang lại hiệu quả kinh tế không cao. Với tình hình phế phẩm vỏ chuối như vậy, và qua nghiên cứu những công trình liên quan của các tác giả đi trước về bioethanol, vỏ chuối chứa hàm lượng glucid cao nên việc sử dụng để chuyển hóa thành đường glucose để lên men tạo rượu ethanol là rất có hiệu quả. Và những ưu điểm như rẻ tiền, phổ biế ối sẽ là một nguồn nguyên liệu tiềm năng trong quá trình nghiên cứu sản xuất ethanol sinh học. Chính vì ý nghĩa thực tế trên đề tài tiến hành khảo sát tối ưu hóa một số thông số quá trình lên men bioethanol từ vỏ chuối bằng phương pháp SSCF lên men và thủy phân đồng thời sử dụng kết hợp hai chủng nấm men Saccharomyces cerevisiace và Pichia anomala. 2. Mục tiêu đề tài Khảo sát tối ưu hóa một số thông số quá trình lên men bioethanol từ vỏ chuối sử dụng phương pháp SSCF lên men nguồn phế phẩm vỏ chuối để thu bioethanol có hiệu quả. 3. Nội dung nghiên cứu. Đề tài: “Khảo sát tối ưu hóa một số thông số quá trình lên men bioethanol từ vỏ chuối bằng phương pháp SSCF sử dụng Saccharomyces cerevisiae kết hợp với Pichia anomala” với nội dung nghiên cứu sau: - Khảo sát một số thành phần hóa học của vỏ chuối. - Khảo sát điều kiện tối ưu tiền xử lý vỏ chuối bằng acid acetic. - Khảo sát tối ưu hóa một số thông số cho quá trình lên men SSCF sử dụng kết hợp Saccharomyces cerevisiace và Pichia anomala. 4. - 9
  13. Đồ án tốt nghiệp - Saccharomyces cerevisiae và Pichia anomala. - Phương pháp phân tích sinh hóa. - Xác định độ ẩm bằ . - Định lượng đường khử bằng phương pháp Miller. - Định lượ -Hofft. - Định lượng hàm lượng lignin theo phương pháp Klasm. - - - Trích ly bằng nước nóng và định lượng pectin bằng cách tạo tủa calcium pectate. - - Dùng phương pháp đếm mậ ờng chuyên biệt cho từng nhóm vi sinh vật. - - Các số được xử lý bằng chương trình StatGraphics Centurion XV. 5. Bố cụ Kết cấu đồ án gồm 4 chương: - C - . - - . 6. Các kết quả đạt được - Khảo sát một số thành phần hóa học của vỏ chuối. - Khảo sát thành phần hóa học của vỏ chuối sau khi tiền xử lý. - Tìm ra thông số tối ưu nhất cho quá trình lên men SSCF đạt nồng độ cồn cao nhất: thời gian 45 giờ, nhiệt độ 350C, tỷ lệ nấm men (SC:PA): (1:4). Tỷ lệ enzyme 0,7%. pH 5,5 ,tốc độ khuấy đảo 150 vòng/phút. 10
  14. Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Giới thiệu về bioethanol 1.1.1. Khái niệm Bioethanol là rượu ethanol sinh học thu được từ quá trình lên men vi sinh các loại nguyên liệu chứa đường hoặc từ tinh bột, cellulose nhờ vào phản ứng trung gian thủy phân thành đường của vi sinh. Bioethanol được tổng hợp thông qua quá trình sinh học, vi sinh sử dụng nguồn nguyên liệu đường làm thức ăn để thực hiện hô hấp kỵ khí và thải ra ethanol và khí CO2. Trong khi đó, ethanol có nguồn gốc dầu mỏ thì được tổng hợp thông qua quá trình hoá học, không có mặt tham gia của cơ thể sống trong quá trình tạo ethanol. Bioethanol được tạo ra từ rất nhiều nguyên liệu nông nghiệp khác nhau được thể hiện qua hình 1.1 Hình 1.1: Nguồn nguyên liệu sản xuất bioethanol. Quá trình lên men đường tạo thành ethanol và carbon dioxide thể hiện qua PT1: C6H12O6  2C2H6O + 2CO2 (PT1) Ethanol dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong sẽ bị đốt cháy hòa trộn với oxygen trong động cơ tạo ra carbon dioxide, nước và nhiệt lượng dựa vào PT2: 11
  15. Đồ án tốt nghiệp C2H6O + 3O2  2CO2 + 3H2O + nhiệt lượng (PT2) Tổng hợp 2 phương trình PT1 và PT2 trên ta có: C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O + nhiệt (PT3) Nhiệt lượng sinh ra trong quá trình dùng để chạy máy. CO2 được sinh ra trong quá trình này là carbon trung tính khác với loại khí carbon được tạo thành sau khi đốt các nhiên liệu hóa thạch. Carbon được tạo ra sau khi đốt các nhiên liệu hóa thạch không nằm trong chu trình carbon nên việc đốt chúng sẽ làm tăng hàm lượng carbon trong không khí gây hiệu ứng nhà kính. Bioethanol có thể được sử dụng như một nhiên liệu lỏng trong động cơ đốt trong do nó có chỉ số octane cao (129), chỉ số octane càng cao thì chỉ số chống gõ tránh được những tiếng gõ làm tổn thương lòng máy. Có thể sử dụng bioethanol nguyên chất hoặc pha chung với xăng dầu. Thông số của bioethanol so với xăng được thể hiện qua bảng 1.1 Bảng 1.1.. Thông số của bioethanol so với xăng. Nhiên Tỷ Điểm Năng Năng Độ nhớt Chỉ số liệu trọng chớp lượng lượng (mm2/s) octane tương (kg/L) cháy (20OC) (MJ/L) đương Xăng 0,76 0,6
  16. Đồ án tốt nghiệp Lúa mì Châu Âu 0,27 – 0,43 Củ cải đường Châu Âu 0,32 – 0,54 Mía Brazil 0,16 – 0,28 Mật rỉ đường (Trung Quốc) 0,24 Lúa miến ngọt (Trung Quốc) 0,22 Rơm từ lúa mì (Mỹ) 0,44 Gỗ Vân Sam (gỗ mềm) 0,44 – 0,63 Cây liễu (gỗ cứng) 0,48 – 0,71 Lignocellulose (rác thải sinh 0,11 – 0,32 học) (Nguồn: www.eubia.org; Sassner et al, 2008; Abbas, personal communicatio) Để Bioethanol có thể cạnh tranh về kinh tế với nhiên liệu hóa thạch thì chi phí sản xuất phải không lớn hơn 0,2 €/L so với xăng. Theo bảng 1.2 cho thấy nguồn sinh khối lignocellulose có tiềm năng rất lớn trong sản xuất nguồn năng lượng thay thế. (Nguồn: http://oil-price.net/dashboard.php?lang=en) Hình 1.2. Giá dầu năm năm gần đây. 13
  17. Đồ án tốt nghiệp 1.1.2. Các thế hệ của bioethanol Bioethanol được chia thành 3 thế hệ chính: 1.1.2.1. Bioethanol thế hệ thứ nhất Bioethanol ban đầu được sản xuất từ ngũ cốc hay mía đường – các sản phẩm giàu tinh bột và các loại đường đơn giản và dễ được lên men thành ethanol. Nhiên liệu sinh học được sản xuất nhờ những nguồn nguyên liệu như trên được gọi là nhiên liệu sinh học thế hệ một. Việc sản xuất từ những nguồn nguyên liệu này dễ thực hiện do các phân tử tinh bột dễ được phân cắt và lên men. Tuy nhiên những nguồn nguyên liệu kể trên cũng đồng thời là thức ăn cho người và vật nuôi. Do những lo ngại xung quanh vấn đề về an ninh lương thực, đặc biệt sự thiếu hụt lương thực còn dai dẳng ở nhiều nước trên thế giới, nhất là các quốc gia Châu Phi, việc sản xuất ethanol từ các nguyên liệu này vấp phải sự phản đối gay gắt của dư luận ở nhiều nơi. Hạn chế tiếp theo của việc sản xuất bioethanol thế hệ thứ nhất là tạo gánh nặng cho sản xuất nông nghiệp. Đất nông nghiệp ngày một giảm, không thể cung cấp đủ cho việc sản xuất bioethanol mà không ảnh hưởng đến nguồn cung cấp thực phẩm trong nước và việc cạnh tranh chi phí với các nguồn năng lượng hóa thạch. 1.1.2.2. Thế hệ thứ hai Để khắc phục nhược điểm của bioethanol thế hệ thứ nhất, người ta đã sử dụng nguồn nguyên liệu phế thải hay các loại nguồn nguyên liệu không phải là thực phẩm với khả năng cung cấp bền vững, chi phí thấp và có lợi ích cho môi trường. Bioethanol thế hệ thứ hai được sản xuất từ sinh khối lignocellulose (bộ khung tạo nên tính chất “gỗ” của thực vật) đang trở thành xu hướng hiện nay. Nguồn cung cấp chủ yếu là than cây, rơm rạ cũng như các loại cây trồng không phải cây lương thực như cỏ, jatropha… hay các phế phẩm trong sản xuất nông nghiệp như vỏ chuối, vỏ cacao… với hàm lượng lignocellulose cao. 14
  18. Đồ án tốt nghiệp Tuy nhiên, loại nhiên liệu này cung cấp nguồn năng lượng hiệu suất thấp so với dầu mỏ. Tiết kiệm được chi phí nguyên liệu ban đầu nhưng lại tiêu tốn chi phí cho quá trình tiền xử lý. 1.1.2.3. Bioethanol thế hệ thứ ba Từ rong biển hay còn gọi là tảo người ta có thể sản xuất ra 19000 lít cồn, tức là gấp 5 lần sản xuất cồn từ ngô, và gấp 2 lần năng suất sản xuất cồn từ mía đường. Trong khi ngô hay mía đều đòi hỏi những diện tích canh tác và nguồn nước ngọt lớn, cạnh tranh với các nguồn lực trong nông nghiệp. Tảo mặt khác có thể sinh trưởng trong nước mặn, có hàm lượng đường cao. Chỉ cần sử dụng chưa tới 3 % diện tích mặt nước ở vùng ven biển là có thể sản xuất đủ lượng tảo để sản xuất cồn. Đặc điểm nổi bật của nhiên liệu từ tảo là không ảnh hưởng đến nguồn nước ngọt, có thể sản xuất bằng cách sử dụng nước biển và nước thải, tương đối vô hại cho môi trường. Nhưng chi phí cho các dự án sản xuất rất cao nên chỉ dừng ở mức thử nghiệm. 1.1.3. Nguồn nguyên liệu lignocellulose để sản xuất bioethanol Xuất phát từ điều kiện Việt Nam là một nước nông nghiệp có sản phẩm nông nghiệp rất phong phú nên có thể sản xuất ethanol từ các nguồn nguyên liệu khác nhau trong đó lignocellulose là nguồn nguyên liệu phong phú nhất. Các loại cây trồng quay vòng ngắ ạch dương, bạch đàn), các chất thải nông nghiệp (rơm, bã mía, fruit watse..), các phế thả ệp gỗ, gỗ thả ợp để làm nguyên liệu sản xuất bioethanol. Cứ khoảng 2 - 4 tấn vật liệu gỗ khô hoặ ể cho 1 tấn bioethanol [1]. Nguyên nhân khiến người ta chuyển sang sản xuất bioethanol từ sinh khối lignocellulose là vì các loại này sẵn có và rẻ ới các loại tinh bột ngũ cốc hoặc cây trồng khác, đặc biệt là vớ ồn chất thải hầ ế thì vấ ển hóa các vật liệu này sẽ khó khăn hơn. Nguyên liệu chứa lignocellulose khác nhau có thành phần cấu tạo chất không giống nhau nhưng về cơ bản chúng được cấu tạo từ 3 hợp chất cellulose, 15
  19. Đồ án tốt nghiệp hemicellulose, lignin. Các thành phần cấu tạo nên lignocellulose (cellulose, hemicellulose, lignin) là các đối tượng khó bị phân hủy. Tính khó phân hủy gia tăng lên nhiều lần khi liên kết với nhau và với các thành phần khác nữa tạo thành một thể cấu trúc chặt chẽ và phức tạp. Các vi sợi cellulose, lignin, hemicellulose được sắp xếp theo những nguyên tắc nhất định để hình thành nên cấu trúc vi sợi. Với cấu trúc nhiều lớp, gồm nhiều thành phần có bản chất hóa học khác nhau như vậy, lignocellulose có độ bền vật lý cao, rất khó xâm nhập đối với các vi sinh vật và enzyme. Hơn nữa để phân hủy bất cứ thành phần nào của phức hợp một cách hiệu quả và triệt để cần phải tác động đến nhiều thành phần khác. Ví dụ, để phân giải lignocellulose thì cần đồng thời tác động của lignin, cellulose và hemicellulose. Cellulose chiếm 40-60% trọng lượng khô. Công thức phân tử (C6H10O5)n. Là thành phần cấu tạo chủ yếu của màng tế bào thực vật và là hợp chất chính của nguyên liệu chứa cellulose để sản xuất ethanol. Nguyên liệu càng giàu cellulose thì sản xuất ethanol càng đạt hiệu quả cao. Hemicellulose chiếm 20-40% trọng lượng khô, dễ bị thủy phân hơn so với cellulose. Khi thủy phân đến cùng, hemicellulose tạo ra các monosaccaride chủ yếu là hexose, pentose. Trong đó hexose có khả năng lên men tạo ethanol còn pentose không có khả năng này. Lignin chiếm 10-25% trọng lượng khô, lignin là một polyphenol có cấ ự ếu 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 trong quá trình sản xuất ethanol từ cellulose thì nó hoàn toàn không bị thủy phân để tạo các hợp chất có khả năng lên men tạo ethanol. Vì vậy lignin là thành phần không mong muốn trong quá trình sản xuất ethanol từ cellulose.[2] 16
  20. Đồ án tốt nghiệp 1.1.4. Ứng dụng lợi ích và hạn chế của Bioethanol 1.1.4.1. Ứng dụng và lợi ích của bioethanol Bioethanol được sử dụng làm nhiên liệu do khi đốt cháy bioethanol cho nhiệt lượng tương đối cao mà không sản sinh ra các chất độc hại. Ngày nay, vấn đề môi trường đang là vấn đề cấp bách, do đó cần có nguồn nhiên liệu sạch để hạn chế vấn đề ô nhiễm.Trong đó xăng sinh học là nguồn nhiên liệu đầy triển vọng trong tương lai. ếu được nghiên cứu sử ệu, có thể được sử ới dạng nguyên chất (E100), hoặc có thể pha trộn với xăng để tạo ra xăng sinh học. Nế ệ pha trộn dưới 10% ethanol thì không cần thay đổi các động cơ xe thông thường . Xăng sinh học đượ ự “E” kèm theo một con số ố phầ ọc được pha trộn trong xăng đó, các loại xăng sinh học như E5, E20, E95… tức là xăng sinh học chứa 5%, 20%, 95% ethanol. Trộ ệu, tức là thêm oxy vào hỗn hợp nhiên liệu, làm nó cháy hoàn thiện hơn, cải thiện được quá trình cháy và giảm đượ o môi trường. Khi đốt cháy xăng có pha ethanol, dướ ệ ế 2 và H2O, nhưng thực tế thì CO cũng được sinh ra, tuy nhiên lượng CO thường thấp hơn đối với xăng. Nguyên nhân ethanol có chứa 6% oxygen theo thể tích cho phép động cơ tự đốt cháy nhiên liệu hoàn toàn, kết quả là làm giảm sự Bioethanol là nguồn nhiên liệu có khả năng tái sinh vì được sản xuất từ cây nông nghiệp thu hoạch hàng năm, sử ợng mặt trời là chính. Bioethanol có nguồn gốc thực vật nên CO2 sinh ra khi đốt được cây cối hấ ại tạo nên sự ợng CO2, do đó không gây nên hiệu ứng nhà kính. 1.1.4.2. Hạn chế của bioethanol Bên cạnh những ưu điểm đã biết, quá trình sản xuất bioethanol cũng có một số hạn chế 17
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