1. Trang Chủ
  2. Công nghệ - Môi trường
  3. Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu công nghệ thủy phân và lên men đồng thời lục bình thành cồn sinh học

Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu công nghệ thủy phân và lên men đồng thời lục bình thành cồn sinh học

Đồ án tốt nghiệp được thực hiện với mục tiêu nhằm nghiên cứu quá trình thủy phân và lên men đồng thời để chuyển hóa cellulose trong nguồn lục bình ban đầu thành ethanol. 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 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THUỶ PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI LỤC BÌNH THÀNH CỒN SINH HỌC Ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Giảng viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Đình Quân Sinh viên thực hiện : Lê Hồng Đức MSSV

Thể loại Tài liệu miễn phí Công nghệ - Môi trường

Số trang 75

Ngày tạo 10/11/2021 12:11:19 AM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 1.62 M

Tên tệp

Tải Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu công nghệ thủy phân v... (.pdf)

Xem mẫu

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THUỶ PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI LỤC BÌNH THÀNH CỒN SINH HỌC Ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Giảng viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Đình Quân Sinh viên thực hiện : Lê Hồng Đức MSSV: 1151110089 Lớp: 11DSH02 TP. Hồ Chí Minh, 2015
  2. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đồ án tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu của tôi, dưới sự hỗ trợ của giảng viên hướng dẫn là TS. Nguyễn Đình Quân. Những kết quả trong quá trình nghiên cứu là trung thực và không sao chép của ai. Nội dung trong đồ án có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo. Ngoài ra, đề tài còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá của các tác giả, cơ quan khác và cũng được thể hiện trong phần tài liệu tham khảo. Nếu phát hiện có sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng và chấp nhận mọi kỷ luật từ nhà trường. Sinh viên thực hiện Lê Hồng Đức
  3. LỜI CẢM ƠN Những tháng ngày còn học tại trường, thầy cô đã truyền dạy cho em những kiến thức và những kinh nghiệm quý báu trong cuộc sống. Và trong những ngày làm đồ án tốt nghiệp, em được củng cố những kiến thức cũng như những kinh nghiệm trong thời gian làm đồ án. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô khoa Công Nghệ Sinh Học - Thực Phẩm – Môi Trường và ban giám hiệu Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM đã tận tình dạy dỗ, tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho chúng em học tập trong suốt 4 năm học tập tại trường. Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy TS. Nguyễn Đình Quân đã tận tình hướng dẫn, tạo nhiều điều kiện thuận lợi và đưa ra những lời khuyên chân tình, giúp em hoàn thành tốt đồ án của mình. Em cũng chân thành cảm ơn cô Trần Thị Tưởng An, chị Vũ Lê Vân Khánh, chị Trần Phước Nhật Uyên, anh Phan Đình Đông đã giúp đỡ em kiến thức chuyên môn cũng như tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho em thực hiện tốt đồ án tốt nghiệp. Em cũng xin chân thành cảm ơn bạn Nguyễn Gia Hân, bạn Nguyễn Thuỳ Dung đã luôn động viên, ủng hộ tinh thần giúp em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp. Và con cũng xin cảm ơn Bố, Mẹ người đã luôn âm thầm ủng hộ, động viên tinh thần cũng như tiếp cho con nghị lực sống để hoàn tốt đồ án tốt nghiệp
  4. Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC MỤC LỤC ....................................................................................................................i DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................ iv DANH MỤC CÁC BẢNG .........................................................................................v MỞ ĐẦU ......................................................................................................................1 1. Đặt vấn đề ..........................................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu: ........................................................................................2 3. Nhiệm vụ nghiên cứu: .......................................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu...................................................................................3 5. Kết cấu đồ án: ....................................................................................................3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ..................................................................4 1.1 Giới thiệu về bioethanol .....................................................................................4 1.1.1 Khái niệm Bioethanol ..................................................................................4 1.1.2 Tình hình phát triển của bioethanol trong nước và thế giới .......................4 1.1.2.1 Trên thế giới:.........................................................................................4 1.1.2.2 Trong nước ............................................................................................7 1.2 Các loại Bioethanol ...........................................................................................8 1.2.1 Bioethanol thế hệ thứ nhất..........................................................................8 1.2.2 Bioethanol thế hệ thứ hai.............................................................................8 1.2.3 Bioethanol thế hệ thứ ba ..............................................................................9 1.2.4 Ưu điểm và nhược điểm của Bioethanol ...................................................10 1.3 Quy trình sản xuất bioethanol từ sinh khối lignocellulose ............................12 1.3.1 Sinh khối lignocellulose ............................................................................12 1.3.2 Cellulose....................................................................................................13 1.3.3 Hemicellulose............................................................................................13 1.3.4 Lignin ........................................................................................................14 1.4 Các bước biến đổi sinh khối lignocellulose thành ethanol .............................14 1.4.1 Quá trình tiền xử lý ...................................................................................14 i
  5. Đồ án tốt nghiệp 1.4.2 Quá trình thuỷ phân ...................................................................................18 1.4.3 Quá trình lên men .....................................................................................19 1.5 Vi sinh vật sử dụng cho quá trình lên men rượu .............................................21 1.1.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men ...........................................23 1.6 Lục bình ...........................................................................................................26 1.6.1 Phân loại khoa học ...................................................................................26 1.6.2 Nguồn gốc .................................................................................................26 1.6.3 Nơi sống ....................................................................................................27 1.6.4 Thành phần hoá học ..................................................................................27 1.6.5 Đặc điểm sinh trưởng ................................................................................28 1.6.6 Hình thức sinh sản ....................................................................................28 1.6.7 Thực trạng sử dụng lục bình ở Việt Nam .................................................28 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................31 2.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu ....................................................................31 2.1.1 Thời gian nghiên cứu .................................................................................31 2.1.2 Địa điểm .....................................................................................................31 2.2 Nguyên liệu và hoá chất ...................................................................................31 2.2.1 Nguyên liệu ................................................................................................31 2.2.2 Hoá chất .....................................................................................................33 2.3 Thiết bị và dụng cụ ...........................................................................................34 2.3.1 Dụng cụ ......................................................................................................34 2.3.2 Thiết bị .......................................................................................................34 2.4 Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................37 2.4.1 Phương pháp phân tích thành phần xơ sợi ..............................................37 2.4.2 Phương pháp đo nồng độ glucose, xylose và ethanol bằng sắc ký lỏng hiệu cao năng (HPLC) ........................................................................................40 2.4.3 Phương pháp đo độ ẩm nguyên liệu ..........................................................42 2.4.4 Phương pháp nuôi cấy men và xác định chỉ số OD ..................................43 2.5 Bố trí thí nghiệm ...............................................................................................46 ii
  6. Đồ án tốt nghiệp 2.5.1 Sơ đồ thí nghiệm trong đồ án ....................................................................46 2.5.2 Bố trí thí nghiệm ........................................................................................47 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .............................................................49 3.1 Thành phần lục bình ban đầu ...........................................................................49 3.2 Qúa trình thuỷ phân và lên men đồng thời .......................................................50 3.2.1 Kết quả thời gian lên men ..........................................................................50 3.2.2 Hiệu suất lên men theo thời gian ...............................................................51 3.3 Thành phần bã lục bình sau khi thuỷ phân và lên men đồng thời ...................53 3.4 Thí nghiệm bổ sung ..........................................................................................54 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .........................................................56 4.1 Kết luận .............................................................................................................56 4.2 Kiến Nghị..........................................................................................................56 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................58 PHỤ LỤC ....................................................................................................................1 iii
  7. Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. 1 Dự án JICA - JST ........................................................................................7 Hình 1. 2 Cấu trúc lignocellulose ..............................................................................12 Hình 1. 3 Cấu trúc không gian của cellulose ............................................................13 Hình 1. 4 Nấm men Saccharomyces cerevisiae quan sát dưới kính hiển vi.............21 Hình 1. 5 Chu kỳ sinh sản của tế bào nấm men Saccharomyces cerevisiae ............23 Hình 1. 6 Lục Bình ....................................................................................................26 Hình 2. 1 Lục bình .....................................................................................................31 Hình 2. 2 Cắt, bỏ rễ, rửa lục bình ..............................................................................31 Hình 2. 3 Enzyme Cellulase ......................................................................................32 Hình 2. 4 Bột ngô (CSL) ...........................................................................................33 Hình 2. 5 Thiết bị phân tích HPLC ...........................................................................36 Hình 2. 6 Thiết bị quang phổ UV - VIS ....................................................................39 Hình 2. 7 Thiết bị lọc chân không .............................................................................39 Hình 2. 8 Thiết bị đánh siêu âm ................................................................................41 Hình 2. 9 Máy đo độ ẩm ............................................................................................43 Hình 2. 10 Dịch kích hoạt men giống .......................................................................44 Hình 2. 11 Dịch nấm men sau ly tâm ........................................................................45 Hình 2. 12 Máy quang phổ kế ...................................................................................45 Hình 2. 13 Sơ đồ thí nghiệm......................................................................................46 Hình 2. 14 Dụng cụ thuỷ phân và lên men đồng thời ...............................................47 Hình 3. 1 Thành phần sơ xợi của lục bình. ...............................................................49 Hình 3. 2 Nồng độ ethanol và glucose theo thời gian lên men khi sử dụng enzyme với liều lượng là 2 % khối lượng so với khối lượng lục bình khô : (1) Ethanol; (2) Glucose. ......................................................................................................................50 Hình 3. 3 Hiệu suất lên men ethanol theo thời gian .................................................51 Hình 3. 4 Thành phần bã lục bình sau khi thuỷ phân và lên men đồng thời ............53 Hình 3. 5 So sánh hiệu suất của quá trình SSF theo thời gian: (1) 3% Enzyme; (2) 2,5% Enzyme; (3) 1,5 % Enzyme; (4) 2% Enzyme. .................................................54 iv
  8. Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. 1 Thành phần các chất có trong cấu trúc của nấm men được lạnh đông khô .....................................................................................................................................22 Bảng 1. 2 Thành phần hoá học và giá trị dinh dưỡng của lục bình . ........................27 Bảng 1. 3 Thành phần sơ xợi lục bình từ nhiều nguồn khác nhau ..........................29 Bảng 2. 1 Hóa chất sử dụng trong quá trình thực hiện thí nghiệm. ..........................33 Bảng 2. 2 Thành phần các chất trong bình phản ứng ................................................48 v
  9. Đồ án tốt nghiệp MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Quá trình sử dụng xăng dầu đã trở thành mối quan tâm lớn trong vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu do việc sản sinh lượng khí CO 2 ngày càng nhiều gây ra hiệu ứng nhà kính. Việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch cũng tạo ra mối quan tâm về nguồn dầu mỏ đang ngày càng cạn kiệt cũng như giá cả nhiên liệu ngày càng tăng, gây ảnh hưởng đến kinh tế toàn cầu. Những mối quan tâm này đã góp phần thúc đẩy quá trình tạo ra một loại năng lượng thay thế có thể đáp ứng được nhu cầu năng lượng lớn của thế giới, trong đó phải kể đến ethanol sinh học. Hiện nay trên thế giới , Brazil và Hoa Kỳ là hai nước dẫn đầu trong việc sử dụng tinh bột, đường từ ngô và cây mía để sản xuất ra ethanol sinh học. Ethanol sinh học này là một loại nhiên liệu sinh học thuộc thế hệ thứ nhất được sản xuất từ tinh bột và đường bằng công nghệ thông thường. Tuy nhiên, việc sản xuất từ ethanol sinh học thuộc thế hệ thứ nhất gây ra những cuộc cạnh tranh về vấn đề lương thực trên thế giới cũng như về vấn đề kinh tế với nhiên liệu hoá thạch. Nhưng ethanol sinh học thế hệ thứ hai có thể giúp giải quyết những vấn đề này và có thể cung cấp một lượng nhiên liệu bền vững, chi phí thấp, đồng thời bảo vệ môi trường sống của con người. Ethanol sinh học thế hệ thứ hai được sản xuất dựa trên các loại cây không ăn được (sinh khối lignocellulose), chúng được biết đến là một nguồn nguyên liệu phong phú, rẻ tiền và được xem là chất thải ở một số nước. Những nguồn nguyên liệu này bao gồm là những phụ phế phẩm nông nghiệp như: lá, thân cây từ cây ngô, bắp, mía, vỏ trấu, rơm rạ... Đây là những nguồn nguyên liệu dễ kiếm và rẻ tiền. Ngoài những nguồn nguyên liệu kể trên, nguồn lignocellulose có thể được tìm thấy ở chất thải của các ngành công nghiệp và nông nghiệp, ví dụ như vỏ chanh, mùn cưa, bột giấy, chất thải công nghiệp. Chính những ưu điểm được nêu như trên nên việc sản xuất ra ethanol sinh học từ nguồn lignocellulose có ý nghĩa thiết thực và cần thiết. 1
  10. Đồ án tốt nghiệp Ngoài các loại nguyên liệu như mía, bắp để sản xuất ra ethanol. Thực vật thuỷ sinh cũng được coi như là một nguồn năng lượng thay thế đầy hứa hẹn do nguồn nguyên liệu phong phú và dễ trồng. Hơn nữa, chúng có những thuận lợi như cơ thể phát triển trên mặt nước mà không cạnh tranh với hầu hết các loại cây lương thực và rau quả cho đất canh tác. Trong số những loài thực vật thuỷ sinh thì không thể không kể đến nguồn nguyên liệu phong phú là lục bình. Bên cạnh những mặt hạn chế như trở ngại cho giao thông đường thuỷ cũng như gây ô nhiễm môi trường do lục bình ngăn cản dòng chảy, rác thải bị ứ đọng gây ra nhiều dịch bệnh cho những người dân sống xung quanh. Bên cạnh đó, những cuộc nghiên cứu của các nhà khoa học thì lục bình được xem như là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho việc sản xuất ra ethanol. Để khắc phục tình trạng khủng hoảng năng lượng toàn cầu cũng như hạn chế ô nhiễm môi trường, đề tài “ Nghiên cứu công nghệ thuỷ phân và lên men đồng thời lục bình thành cồn sinh học ” được thực hiện nhằm giải quyết những vấn đề thực tiễn như nhiên liệu hoá thạch đang dần cạn kiệt, giảm lượng khí CO 2 và đồng thời giảm thiểu những tác hại cũng như tận dụng được nguồn nguyên liệu lục bình ở các kênh rạch. 2. Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu quá trình thủy phân và lên men đồng thời để chuyển hóa cellulose trong nguồn lục bình ban đầu thành ethanol. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu: Để thực hiện mục tiêu được nêu trên, đồ án tập trung nghiên cứu các nhiệm vụ sau: • Nghiên cứu thành phần lục bình trước và sau khi thuỷ phân và lên men đồng thời. • Khảo sát nồng độ ethanol, nồng độ glucose trong quá trình thuỷ phân và lên men đồng thời lục bình theo thời gian. 2
  11. Đồ án tốt nghiệp 4. Phương pháp nghiên cứu Đồ án sử dụng những phương pháp nghiên cứu sau đây: • Phương pháp phân tích thành phần xơ sợi. • Phương pháp sắc ký lỏng hiệu cao năng (HPLC) để đo nồng độ glucose, xylose, ethanol. • Phương pháp đo độ ẩm nguyên liệu. • Phương pháp nuôi cấy men và xác định chỉ số OD. 5. Kết cấu đồ án: Đồ án được chia làm 4 chương: Chương 1: Tổng quan tài liệu Chương 2: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết quả và bàn luận. Chương 4: Kết luận và kiến nghị. 3
  12. Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Giới thiệu về bioethanol 1.1.1 Khái niệm Bioethanol Bioethanol (ethanol sinh học) là ethanol được sản xuất từ các loại nguyên liệu thực vật chứa đường bằng phương pháp lên men vi sinh hoặc từ các loại nguyên liệu chứa tinh bột và cellulose thông qua các phản ứng trung gian thuỷ phân thành đường. Hiện nay, trên thế giới các loại nguyên liệu chứa nhiều tinh bột và đường như mía, ngô được sử dụng phổ biến hơn do chi phí sản xuất thấp. 1.1.2 Tình hình phát triển của bioethanol trong nước và thế giới 1.1.2.1 Trên thế giới: Những năm gần đây, trên thế giới có nhiều nghiên cứu về quá trình sản xuất bioethanol từ sinh khối và thu về được những thành công nhất định, là những tiền đề thuận lợi cho sự phát triển của công nghệ sản xuất bioethanol. Những nước tiên phong trong việc sử dụng xăng sinh học là Brazil và Mỹ. • Brazil Chúng ta không nhiều người biết Brazil đã sử dụng nhiên liệu ethanol làm từ mía đường lần đầu tiên từ cuối những năm 20 và đầu những năm 30 của thế kỷ trước - thuộc hàng sớm nhất thế giới. Nhà máy sản xuất nhiên liệu ethanol đầu tiên đi vào hoạt động từ năm 1927 có tên là Usina Serra Grande Alagoas, bang Alagoas. Chỉ đạo dùng mía đường làm nguyên liệu sản xuất ethanol và bắt buộc phối trộn loại nhiên liệu này vào xăng truyền thống của Chính phủ Brazil bắt nguồn từ việc ở quốc gia này sản xuất đường từ mía đã trở nên quá dư thừa so với nhu cầu. Trong khi đó, các sản phẩm phụ thu từ sản xuất đường mía như ethanol và cồn ethyl thì hoàn toàn có thể xử lý để sản xuất đồ uống có cồn, nhiên liệu ethanol hoặc rượu sử dụng trong công nghiệp hay chất khử trùng [41]. Do chính sách này, từ năm 1933 đến năm 1945, số lượng các nhà máy sản xuất nguyên liệu ethanol ở Brazil đã tăng từ 1 lên đến 54 nhà máy.Và chỉ trong 4
  13. Đồ án tốt nghiệp vòng 4 năm từ 1933-1937, sản lượng ethanol cũng tăng từ 100.000 lít lên 51,5 triệu lít, chiếm 7% nhu cầu sử dụng nhiên liệu trên toàn quốc [41]. Những năm 70, khi cuộc khủng hoảng dầu mỏ thế giới đầu tiên xảy ra dẫn đến tình trạng khan hiếm xăng dầu nghiêm trọng làm tăng chi phí nhập khẩu dầu mỏ tăng gấp đôi. Để đối phó cuộc khủng hoảng dầu mỏ những năm 70, chính phủ Brazil đã bắt đầu thúc đẩy việc sử dụng ethanol sinh học làm nhiên liệu. Chương trình “Pro Alcohol” ra mắt vào năm 1975 là một chương trình quốc gia được chính phủ tài trợ nhằm mục tiêu loại bỏ các loại nhiên liệu được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch như xăng, tăng cường sản xuất cũng như khuyến khích sử dụng ethanol sản xuất từ mía đường [41]. Năm 1979, chiếc Fiat 147 ra đời là chiếc xe đầu tiên trên thế giới chạy bằng nhiên liệu ethanol tinh khiết (E100). Song song đó, các nhà khoa học Brazil được lệnh nghiên cứu phát triển các hợp kim để bảo vệ các bộ phận bên trong của động cơ chạy bằng xăng và bình nhiên liệu khỏi sự ăn mòn của ethanol. Từ 1986-1989, 90% các loại xe mới được bán ở thị trường Brazil đều có thể chạy bằng nhiên liệu ethanol [41]. Nếu tại Brazil, việc sản xuất ethanol sinh học chủ yếu là từ mía thì tại Mỹ thì nguyên liệu sản xuất chính ethanol lại là ngô. • Mỹ Khác xa với Brazil, Mỹ sản xuất ethanol sinh học để đảm bảo vấn đề an ninh lương thực và giảm khí thải. Năm 1970, tại Mỹ xảy ra một sự kiện quan trọng là thông qua Đạo luật Không khí sạch và thành lập Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ (EPA), đơn vị có trách nhiệm điều chỉnh chặt chẽ hơn các tiêu chuẩn khí thải các chất ô nhiễm như dioxit lưu huỳnh (SO2), carbon monoxide (CO2), ozone (O3) và các oxit nitơ. Điều này tạo tiền đề cho phát triển nhiên liệu cháy sạch hơn, cũng như thiết lập các tiêu chuẩn cho các chất phụ gia nhiên liệu [41]. Sau 2 lần biến động bởi lệnh cấm vận dầu mỏ của Ả Rập vào năm 1973- 1974 và cuộc Cách mạng Iran nổ ra năm 1979 làm giá dầu tăng vọt trên thị trường, cùng với sự sụt giảm khai thác dầu mỏ ở trong nước, Mỹ càng bị thôi thúc phải tìm 5
  14. Đồ án tốt nghiệp cách giảm bớt sự phụ thuộc vào dầu mỏ truyền thống không chỉ vì mục tiêu cải thiện chất lượng không khí mà còn vì an ninh năng lượng [41]. Sau khi bắt đầu thử nghiệm sử dụng xăng sinh học E10 (pha trộn với 10% ethanol tùy theo thể tích) vào năm 1976, đến năm 1978, Quốc hội Mỹ đã công nhận những lợi ích của ethanol trong nhiên liệu và bắt đầu áp dụng biện pháp giảm thuế đối với xăng pha ethanol để khuyến khích phát triển thị trường nhiên liệu này [41]. Trong tương lai, các loại nguyên liệu sinh học ở Mỹ sẽ không sản xuất chủ yếu từ ngô nữa mà sẽ được sản xuất từ các nguồn cao cấp hơn vì hiện nay chính phủ Mỹ đã có chính sách hỗ trợ sản xuất nguyên liệu sinh học từ sinh khối hoặc là các loại nguyên liệu khác [41]. • Nhật Bản Tập đoàn Công nghiệp nặng Kawasaki của Nhật Bản đã phát triển công nghệ sản xuất ethanol từ rơm với giá chỉ 40 yên (khoảng 0,45 USD) một lít, ngang với mức chi phí sản xuất loại nhiên liệu sinh học này từ đường mía tại Brazil và các nơi khác. Tập đoàn Kawasaki cho biết công nghệ nói trên có chi phí sản xuất thấp là nhờ chỉ sử dụng nước nóng để phân giải nguyên liệu thô, không phụ thuộc vào axít sulfuric và enzym như phương pháp thông thường. Công ty này đã tiến hành nghiên cứu và thí nghiệm sản xuất ethanol từ năm 2009 tại một nhà máy ở quận Akita của Nhật Bản và hiện đang lên kế hoạch bán các thiết bị sản xuất nhiên liệu sinh học cho xe hơi trên toàn cầu [42]. 6
  15. Đồ án tốt nghiệp 1.1.2.2 Trong nước Hình 1. 1 Dự án JICA - JST Dự án “Kết hợp bền vững nền nông nghiệp địa phương với công nghiệp chế biến Biomass” (Dự án JICA-JST Biomass) do Trường ĐH Bách khoa TP.HCM phối hợp với Trường ĐH Tokyo (Nhật Bản) thực hiện trong thời gian 5 năm (từ năm 2009 - 9/2014). Dự án hướng đến việc sản xuất xăng sinh học, biogas sạch có nhiệt trị cao từ các phế phẩm nông nghiệp như: Rơm, rạ, trấu, phân bò… nhằm bảo vệ môi trường, giảm hiệu ứng nhà kính và góp phần đảm bảo an ninh năng lượng. Năm 2009, dự án đã xây dựng một mô hình thiết bị tại Trường ĐH Bách khoa TP.HCM để nghiên cứu, sản xuất xăng sinh học. Sau gần 5 năm thực hiện, các nhà khoa học đã nghiên cứu, sản xuất thành công xăng sinh học từ rơm rạ và các chất thải có nguồn gốc xenlulo. Tuy nhiên, một trong những khó khăn của dự án là giá thành xăng sinh học sản xuất từ rơm rạ khá cao, do chi phí phân hủy xenlulo trong rơm rạ lớn [28]. Nhóm nghiên cứu đề tài Biomass, xử lý phế phẩm nông nghiệp, do TS. Phan Đình Tuấn, trường ĐH Bách khoa TP.HCM phụ trách. Biomass là đề tài của nghiên 7
  16. Đồ án tốt nghiệp cứu công nghệ xử lý các phế phẩm trong sản xuất nông nghiệp như rơm, rạ, trấu… nhằm sản xuất Bioethanol (cồn nguyên liệu), tiến tới xây dựng mô hình “Thị trấn Biomass” tại Việt Nam [29]. Vừa qua, nhóm nghiên cứu của PGS.TS Trần Khắc Chương, Trường ĐH Bách khoa (ĐH Quốc gia TP.HCM), cũng vừa công bố đã nghiên cứu thành công một qui trình công nghệ có thể sản xuất ra những loại hóa chất phục vụ điều chế xăng sinh học từ chính những nguồn nguyên liệu rẻ tiền của VN [30]. Nhà máy sản xuất xăng sinh học (Bioethanol) đầu tiên ở Việt Nam được xây dựng tại tỉnh Quảng Nam do Công ty cổ phần Đồng Xanh làm chủ đầu tư. Công suất của nhà máy 100.000 tấn cồn Ethanol/năm, tương đương 125 triệu lít/năm. Kể từ khi cho ra đời mẻ sản phẩm đầu tiên vào tháng 9/2010, đến nay nhà máy đã đi vào hoạt động và sản xuất được 12.000 tấn Ethanol phục vụ nhu cầu trong nước và xuất khẩu. Bên cạnh đó, bã sắn sau khi được dùng sản xuất Ethanol, nhà máy tái chế thành phân vi sinh phục vụ sản xuất cho người dân trên địa bàn với giá thành thấp hơn giá thị trường nhưng chất lượng tương đương [31]. 1.2 Các loại Bioethanol Các sản phẩm nhiêu liệu sinh học đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển và có thể chia thành 3 thế hệ, tùy thuộc vào công nghệ và nguyên liệu. 1.2.1 Bioethanol thế hệ thứ nhất Ethanol sinh học thế hệ thứ nhất là ethanol sinh học làm từ đường, tinh bột, bằng cách sử dụng công nghệ thông thường. Các nguyên liệu cơ bản để sản xuất ethanol sinh học thế hệ đầu tiên thường là hạt giống hoặc các loại ngũ cốc như lúa mì, tinh bột được lên men thành ethanol sinh học [35]. 1.2.2 Bioethanol thế hệ thứ hai Bioethanol thế hệ đầu tiên tuy có hiệu quả nhưng có nhiều mặt hạn chế. Bioethanol thế hệ đầu bị hạn chế bởi khả năng mở rộng diện tích đất trồng trọt hiện nay để trồng các loại cây thích hợp là có hạn. Hơn nữa, chúng ta không thể sản xuất 8
  17. Đồ án tốt nghiệp đủ ethanol sinh học mà không đe dọa nguồn cung cấp thực phẩm và đa dạng sinh học và việc phải cạnh tranh về chi phí với nhiên liệu hóa thạch như xăng. Bioethanol thế hệ thứ hai có thể giải quyết những vấn đề được nêu trên và có thể cung cấp một lượng nhiên liệu bền vững, chi phí thấp, và với những lợi ích lớn hơn về môi trường. Ethanol sinh học thế hệ thứ hai được sản xuất dựa trên các loại cây không ăn được (sinh khối lignocellulose), chúng được nghiền sấy rồi lên men thành nhiên liệu sinh học. Các nguyên liệu này có nguồn gốc từ chất thải nông nghiệp, chất thải rừng, chất thải rắn đô thị, các sản phẩm phụ từ quá trình chế biến thực phẩm hoặc loại cỏ sinh trưởng nhanh như rơm, rạ, bã mía, vỏ trấu, cỏ… Bioethanol thế hệ 2 được phân loại dựa trên bản chất quá trình chuyển hóa sinh khối: sinh hóa hoặc nhiệt hóa. Quá trình sinh hóa được dùng để sản xuất ethanol hay butanol thế hệ 2 và các nhiên liệu còn lại được tạo ra cùng với quá trình nhiệt hóa. Một số loại nhiên liệu thế hệ 2 (được tạo ra từ quá trình nhiệt hóa) tương tự như các sản phẩm được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch, ví dụ như: methanol... [32]. 1.2.3 Bioethanol thế hệ thứ ba Mặc dù Bioethanol thế hệ thứ hai có những ưu điểm vượt bậc hơn Bioethanol thế hệ thứ nhất. Tuy nhiên, sự cạnh tranh về đất canh tác và nước vẫn còn tồn tại. Do đó, các nhà nghiên cứu tìm kiếm một thế hệ mới - bioethanol thế hệ thứ 3 - của nhiên liệu sinh học dựa trên chất béo chiết xuất từ vi tảo [28]. Vì từ lâu, vi tảo đã được xem là nguồn tiềm năng để sản xuất ethanol sinh học vì sinh khối tảo có chứa hàm lượng dầu cao có thể thay thế dầu mỏ nhưng lại thân thiện với môi trường [34]. Việc dùng tảo để sản xuất ethanol sinh học thay thế dầu mỏ giống như một mũi tên bắn trúng hai đích: vừa tạo ra năng lượng vừa góp phần làm sạch môi trường. Mỗi tế bào tảo là một nhà máy sinh học nhỏ, sử dụng quá trình quang hợp để chuyển hóa CO2 và ánh sáng mặt trời thành năng lượng dự trữ trong tế bào và tạo 9
  18. Đồ án tốt nghiệp ra các sản phẩm thứ cấp có giá trị cao. Hoạt động chuyển đổi của chúng hiệu quả đến mức sinh khối có thể tăng gấp nhiều lần trong một ngày. Ngoài ra, trong quá trình quang hợp, tảo còn sản xuất ra dầu ngay trong tế bào của chúng. Trên cùng một đơn vị diện tích, lượng dầu mà tảo tạo ra nhiều gấp 30 lần lượng dầu từ đậu nành. Đồng thời tảo có thể tăng khả năng sản xuất dầu bằng cách bổ sung khí CO2 trong quá trình nuôi trồng chúng hoặc sử dụng các môi trường giàu chất hữu cơ (như nước thải) để nuôi trồng .Điều này vừa tạo ra ethanol sinh học, vừa làm giảm lượng CO2 cũng như làm sạch môi trường [35]. 1.2.4 Ưu điểm và nhược điểm của Bioethanol Bên cạnh những mặt lợi ích khi phát triển ethanol sinh học, còn có không ít những nguy cơ về môi trường, kinh tế, môi trường. Vấn đề là thúc đẩy những mặt lợi ích của ethanol sinh học và hạn chế những nguy cơ. a) Ưu điểm: • Bioethanol có tính chất trung tính về carbon. Điều này có nghĩa là carbon được thải ra (dưới dạng CO2) trong quá trình đốt cháy để cung cấp năng lượng được cây trồng tái hấp thụ thông qua quá trình quang hợp. Vòng tuần hoàn khép kín này tạo nên sự ổn định hàm lượng CO2 trong khí quyển, vì thế góp phần giảm hiệu ứng nhà kính, cải thiện môi trường [43]. • Có nguồn gốc từ hoạt động sản xuất nông nghiệp và có thể tái sinh. • Giảm sự lệ thuộc nguồn dầu mỏ, tham gia cân đối nhiên liệu, giảm lượng xăng dầu nhập ngoại bằng nguồn nhiên liệu cung cấp trong nước, cải thiện cán cân thương mại [43]. • Các phương pháp sản xuất ethanol truyền thống phải sử dụng nhiều nhiệt lượng, thường tạo ra bằng việc đốt nhiên liệu hoá thạch, nhưng các phương pháp mới sử dụng các nguyên liệu rẻ tiền và ít dùng đến như cỏ, lõi cây, rơm rạ, để sản xuất ethanol bằng phương pháp lên men tự nhiên hoặc vật liệu có thể tự tạo nhiệt lượng [43]. b) Nhược điểm: 10
  19. Đồ án tốt nghiệp Ngoài những ưu điểm được nêu trên, công cuộc phát triển ethanol sinh học cũng phát sinh những nguy cơ ảnh hưởng nhiều mặt về kinh tế, xã hội, môi trường. Những nguy cơ đó có thể được kể đến như sau: [43] • Vấn đề lương thực: Việc sử dụng đất để trồng cây nguyên liệu sản xuất ethanol sinh học có thể ảnh hưởng đến nguồn cung cấp lương thực hoặc làm tăng giá lương thực, đặc biệt đối với các nước đang phát triển. Khi người nông dân thấy trồng cây nguyên liệu (như mía đường, cọ...) có lợi hơn trồng lúa, ngô, khoai, sắn, họ sẽ chuyển sang trồng mía, cọ để cung cấp cho các nhà máy và làm cho sản lượng lương thực giảm. • Ô nhiễm và cạnh tranh nguồn tài nguyên nước: Nhiều loại cây nguyên liệu đòi hỏi rất nhiều nước trong quá trình sinh trưởng, vì vậy nếu trồng với số lượng quá lớn, diện tích quá rộng sẽ làm cạn kiệt các nguồn nước trong khu vực. Ngoài ra, việc sử dụng tràn lan vinhoto, một chất được dùng để bón và tưới khi trồng mía đường cũng có thể gây ô nhiễm sông ngòi, kênh rạch và làm cho các loài thuỷ sinh không thể tồn tại. • Giảm diện tích đất trồng rừng: Để có đất trồng cây nguyên liệu, người ta có thể tiếp tục phá rừng. Điều này đi ngược lại với mục tiêu cắt giảm khí thải nhà kính mà những nhà phát triển nhiên liệu sinh học vẫn mong muốn. Giảm diện tích rừng cũng đồng nghĩa với tai hoạ từ sự xói mòn đất, gây lũ lụt, giảm lượng gỗ dùng cho xây dựng và các nhu cầu khác của người dân. • Nguy cơ về kinh tế, xã hội: Nền công nghiệp nhiên liệu sinh học không thể chỉ dừng lại ở mức sản xuất nhỏ lẻ, mà không ngừng phát triển. Những người nghèo, không có khả năng tự chủ canh tác phải bán ruộng. Đất đai tập trung vào một số điền chủ lớn. Như vậy, một lớp người sẽ tước mất phương tiện sản xuất, rơi vào tình trạng thất nghiệp, nghèo đói, làm bất ổn đời sống xã hội. Kéo theo đó là tình trạng phân hoá giàu nghèo ngày càng rõ rệt. 11
  20. Đồ án tốt nghiệp • Việc chuyển hóa từ nguyên liệu sinh khối thành bioethanol đòi hỏi trình độ khoa học kỹ thuật cao và đầu tư lớn. 1.3 Quy trình sản xuất bioethanol từ sinh khối lignocellulose 1.3.1 Sinh khối lignocellulose Lignocellulose là một chất hữu cơ tái tạo và là thành phần cấu trúc chính của thành tế bào thực vật. Lignocellulose là nguyên liệu dồi dào có sẵn hầu hết trên Trái đất để sản xuất nhiên liệu sinh học, chủ yếu là ethanol sinh học . Lignocellulose bao gồm các polymer carbohydrate (cellulose, hemicellulose) và một polymer thơm (lignin). Các polymer carbohydrate chứa các monomer đường khác nhau ( đường 5 và đường 6 cacbon) và chúng bị bao bọc chặt chẽ bởi lignin. Lignocellulose có trong phế phẩm nông nghiệp, chủ yếu ở dạng phế phẩm của các vụ mùa, trong sản phẩm phụ của công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy, có trong rác thải rắn của thành phố...[21]. Trong đó, lục bình được xem như là một dạng vật liệu lignocellulose. Hình 1. 2 Cấu trúc lignocellulose 12
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