Nghiên cứu chuyển đổi cellulose từ phụ phẩm nông nghiệp thành etanol tại Đại học Quốc gia Hà Nội

Nghiên cứu khả năng chuyển đổi cellulose từ phụ phẩm nông nghiệp thành etanol, góp phần phát triển năng lượng tái tạo và bảo vệ môi trường.

• Tác giả: Nguyễn Quang Vinh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu khả năng chuyển đổi cellulose từ phụ phẩm nông nghiệp thành etanol
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Mục tiêu của đề tài
• 1.3. Nội dung nghiên cứu của đề tài
• 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2.1. Thực trạng sử dụng và nhu cầu năng lượng trong tương lai
• 2.1.1. Thực trạng các nguồn năng lượng
• 2.1.2. Thực trạng sử dụng và nhu cầu năng lượng trên thế giới
• 2.1.3. Thực trạng sử dụng và nhu cầu năng lượng của Việt Nam
• 2.2. Tổng quan về phế phẩm nông nghiệp và tiềm năng sản xuất nhiên liệu sinh học
• 2.2.1. Phế phụ phẩm nông nghiệp và hiện trạng sử dụng
• 2.2.2. Nhiên liệu sinh học và tình hình sản xuất nhiên liệu sinh học
• 2.2.3. Tiềm năng sản xuất nhiên liệu sinh học từ phế phẩm nông nghiệp
• 2.2.4. Công nghệ sản xuất etanol sinh học
• 2.2.4.1. Giới thiệu về nguyên liệu Lignocellulose
• 2.2.4.2. Công nghệ sản xuất etanol từ nguyên liệu Lignocellulose
• 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Đối tượng nghiên cứu
• 3.2. Lựa chọn đối tượng nghiên cứu
• 3.3. Phương pháp nghiên cứu
• 3.3.1. Nghiên cứu tổng quan
• 3.3.2. Nghiên cứu thực nghiệm
• 3.3.3. Phân tích trong phòng thí nghiệm
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Kết quả quá trình thủy phân
• 4.1.1. Thành phần dịch thủy phân
• 4.1.2. Ảnh hưởng của phần trăm bã rắn
• 4.1.3. Ảnh hưởng của lượng enzyme cho vào
• 4.1.4. Ảnh hưởng của pH
• 4.1.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 4.1.6. Hiệu suất thủy phân và nồng độ đường tạo thành theo thời gian
• 4.2. Quá trình thủy phân và lên men đồng thời
• 4.2.1. Thành phần dịch thủy phân và lên men đồng thời
• 4.2.2. Ảnh hưởng của lượng enzyme cho vào
• 4.2.3. Ảnh hưởng của mật độ nấm men ban đầu
• 4.2.4. Hiệu suất toàn quá trình theo thời gian
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH

Tóm tắt

I. Tổng quan về chuyển đổi cellulose thành etanol từ phụ phẩm nông nghiệp

Chuyển đổi cellulose thành etanol từ phụ phẩm nông nghiệp là một lĩnh vực nghiên cứu đang thu hút sự quan tâm lớn. Nhu cầu về năng lượng tái tạo ngày càng tăng, trong khi nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt. Việc sử dụng phụ phẩm nông nghiệp như một nguồn nguyên liệu để sản xuất etanol sinh học không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra một nguồn năng lượng bền vững. Nghiên cứu này tập trung vào quy trình chuyển đổi cellulose từ các loại biomass như rơm, bã mía, và các loại cây trồng khác.

1.1. Tầm quan trọng của etanol sinh học trong năng lượng tái tạo

Etanol sinh học được coi là một giải pháp năng lượng sạch, có khả năng thay thế một phần nguồn năng lượng hóa thạch. Theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế, sản xuất etanol từ cellulose có thể giảm thiểu khí thải CO2 và góp phần vào việc bảo vệ môi trường.

1.2. Các nguồn phụ phẩm nông nghiệp tiềm năng

Việt Nam có nhiều loại phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ, bã mía, và các loại cây trồng khác. Những nguồn nguyên liệu này chứa hàm lượng cellulose cao, có thể được sử dụng để sản xuất etanol thông qua các quy trình sinh học.

II. Thách thức trong quy trình chuyển đổi cellulose thành etanol

Mặc dù có nhiều tiềm năng, quy trình chuyển đổi cellulose thành etanol vẫn gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như hiệu suất chuyển đổi thấp, chi phí sản xuất cao và sự phức tạp trong quy trình công nghệ là những yếu tố cần được giải quyết. Việc tối ưu hóa quy trình thủy phân và lên men là rất quan trọng để nâng cao hiệu quả sản xuất.

2.1. Hiệu suất thủy phân cellulose

Hiệu suất thủy phân cellulose phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại enzyme sử dụng, nhiệt độ, và pH. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các điều kiện này có thể nâng cao đáng kể hiệu suất chuyển đổi.

2.2. Chi phí sản xuất etanol từ cellulose

Chi phí sản xuất etanol từ cellulose thường cao hơn so với các nguồn năng lượng truyền thống. Việc phát triển công nghệ mới và cải tiến quy trình sản xuất là cần thiết để giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh.

III. Phương pháp chuyển đổi cellulose thành etanol hiệu quả

Có nhiều phương pháp để chuyển đổi cellulose thành etanol, bao gồm thủy phân enzym và lên men. Quy trình này thường bao gồm các bước tiền xử lý, thủy phân và lên men đồng thời. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và chi phí sản xuất.

3.1. Quy trình thủy phân enzym

Thủy phân enzym là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để chuyển đổi cellulose thành đường đơn. Enzyme cellulase được sử dụng để cắt đứt liên kết glycosidic trong cellulose, tạo ra glucose có thể lên men thành etanol.

3.2. Lên men đồng thời

Lên men đồng thời là quá trình kết hợp giữa thủy phân và lên men trong cùng một bước. Phương pháp này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời nâng cao hiệu suất sản xuất etanol.

IV. Ứng dụng thực tiễn của etanol từ cellulose

Sản xuất etanol từ cellulose không chỉ có ý nghĩa về mặt năng lượng mà còn góp phần vào việc phát triển kinh tế bền vững. Các ứng dụng thực tiễn của etanol sinh học bao gồm sử dụng làm nhiên liệu cho giao thông vận tải, nguyên liệu cho ngành công nghiệp hóa chất và thực phẩm.

4.1. Nhiên liệu cho giao thông vận tải

Sử dụng etanol như một loại nhiên liệu cho ô tô và xe máy đang ngày càng phổ biến. Etanol sinh học có thể được pha trộn với xăng, giúp giảm lượng khí thải độc hại và tiết kiệm năng lượng.

4.2. Nguyên liệu cho ngành công nghiệp

Ngoài việc sử dụng làm nhiên liệu, etanol còn được sử dụng làm nguyên liệu cho nhiều sản phẩm công nghiệp như nhựa, dược phẩm và thực phẩm. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển ngành công nghiệp sinh học.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của etanol từ cellulose

Chuyển đổi cellulose thành etanol từ phụ phẩm nông nghiệp là một hướng nghiên cứu đầy tiềm năng. Với sự phát triển của công nghệ và chính sách hỗ trợ từ chính phủ, sản xuất etanol sinh học có thể trở thành một phần quan trọng trong chiến lược năng lượng quốc gia. Tương lai của ngành công nghiệp này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích cho môi trường và kinh tế.

5.1. Tiềm năng phát triển công nghệ

Công nghệ sản xuất etanol từ cellulose đang trong quá trình phát triển. Nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ mới sẽ giúp nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất.

5.2. Hỗ trợ từ chính phủ và chính sách

Chính phủ cần có các chính sách hỗ trợ cho việc nghiên cứu và phát triển sản xuất etanol sinh học. Điều này không chỉ giúp nâng cao năng lực sản xuất mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng toàn cầu đang tăng mạnh, với dự báo tiêu thụ năng lượng thế giới tăng 44% trong giai đoạn 2006-2030, trong đó các nước ngoài OECD như Trung Quốc và Ấn Độ có tốc độ tăng trưởng tiêu thụ năng lượng nhanh nhất. Việt Nam, với nền nông nghiệp phát triển, tạo ra lượng lớn phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ, bã mía, lõi ngô, có tiềm năng lớn để phát triển nhiên liệu sinh học, đặc biệt là ethanol từ cellulose. Theo ước tính, tổng sản lượng sinh khối thực vật toàn cầu hàng năm khoảng 200 tỷ tấn, trong đó 90% là lignocellulose, với khoảng 8-20 tỷ tấn có thể sử dụng để sản xuất ethanol. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá khả năng và hiệu quả chuyển đổi cellulose từ phụ phẩm nông nghiệp thành ethanol, tập trung vào quá trình thủy phân rơm rạ đã qua tiền xử lý bằng enzyme cellulase và quá trình thủy phân, lên men đồng thời để chuyển hóa cellulose thành ethanol. Nghiên cứu được thực hiện tại Việt Nam, trong bối cảnh giá nhiên liệu tăng cao và nhu cầu phát triển năng lượng tái tạo nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc khai thác hiệu quả nguồn phụ phẩm nông nghiệp, góp phần phát triển bền vững ngành năng lượng sinh học tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về năng lượng sinh học, cấu trúc và chuyển hóa lignocellulose, cũng như công nghệ sản xuất ethanol sinh học. Hai lý thuyết chính bao gồm:

1. Cấu trúc lignocellulose và vai trò của các thành phần chính: Lignocellulose gồm cellulose, hemicellulose và lignin. Cellulose là polymer mạch thẳng của D-glucose, chiếm tỷ lệ lớn trong phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ (41,3%). Hemicellulose là polymer phức tạp, dễ thủy phân hơn cellulose. Lignin là polyphenol liên kết chặt với cellulose và hemicellulose, làm giảm khả năng thủy phân.

2. Công nghệ sản xuất ethanol từ lignocellulose: Quá trình gồm ba bước chính: tiền xử lý để phá vỡ cấu trúc lignin, thủy phân enzym để chuyển cellulose và hemicellulose thành đường đơn, và lên men chuyển hóa đường thành ethanol. Quá trình thủy phân và lên men đồng thời (SSF) được áp dụng nhằm tăng hiệu suất và giảm chi phí.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng gồm: enzyme cellulase, quá trình thủy phân enzym, lên men đồng thời, hiệu suất thủy phân, và hiệu suất lên men ethanol.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ phụ phẩm nông nghiệp tại khu vực ngoại thành Hà Nội, chủ yếu là rơm rạ. Phương pháp nghiên cứu gồm:

• Nghiên cứu tổng quan: Thu thập, phân tích tài liệu về năng lượng, phụ phẩm nông nghiệp, công nghệ sản xuất ethanol sinh học.

• Nghiên cứu thực nghiệm: Tiến hành tiền xử lý rơm rạ bằng phương pháp cơ học và hóa học (xử lý axit H2SO4 0,75% và kiềm NaOH 1,5% ở 115°C trong 1 giờ). Thủy phân enzym sử dụng enzyme Cellulase LFG với các biến số: tỷ lệ bã rắn (5-15%), nồng độ enzyme (1-9%), pH (3-6), nhiệt độ (phòng đến 60°C), thời gian (0-72 giờ). Quá trình thủy phân và lên men đồng thời được thực hiện với nấm men Saccharomyces cerevisiae (Turbo yeast extra) ở nhiệt độ 35-39°C, pH 5, trong 5 ngày.

• Phân tích: Nồng độ glucose và ethanol được đo bằng máy sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC). Hiệu suất thủy phân và lên men được tính toán dựa trên khối lượng cellulose ban đầu và lượng chuyển hóa.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Rơm rạ lấy từ vùng trồng lúa tại Hà Nội, đảm bảo tính đại diện và ổn định nguồn nguyên liệu. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát nhằm đảm bảo tính khách quan.

• Timeline nghiên cứu: Thực nghiệm kéo dài 72 giờ cho thủy phân và lên men đồng thời, khảo sát các điều kiện tối ưu trong khoảng thời gian này.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thành phần dịch thủy phân: Phân tích HPLC xác định 6 chất chính trong dịch thủy phân gồm acid oxalic, cellobiose, glucose, xylose, arabinose và acid acetic. Điều này chứng tỏ enzyme cellulase LFG thủy phân hiệu quả cả cellulose và hemicellulose.

2. Ảnh hưởng của phần trăm bã rắn: Khi tăng phần trăm bã rắn từ 5% đến 15%, nồng độ glucose tăng từ 27,3 g/l lên 45,8 g/l, hiệu suất thủy phân giảm từ 88,46% xuống 49,47%. Lượng cellobiose tích tụ tăng đáng kể ở bã rắn trên 11%, cho thấy enzyme β-glucosidase bị ức chế do nồng độ glucose cao, làm giảm hiệu quả thủy phân.

3. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme: Tăng nồng độ enzyme từ 1% đến 9% làm tăng nồng độ glucose và hiệu suất thủy phân, với hiệu suất tối đa đạt khoảng 75% ở 5-7% enzyme. Tuy nhiên, vượt quá mức này không làm tăng đáng kể hiệu suất do bão hòa enzyme.

4. Ảnh hưởng của pH và nhiệt độ: pH tối ưu cho thủy phân là khoảng 4,8, nhiệt độ tối ưu là 50°C. Ngoài khoảng này, hoạt tính enzyme giảm, làm giảm hiệu suất thủy phân và nồng độ glucose.

5. Quá trình thủy phân và lên men đồng thời: Ở điều kiện tối ưu (enzyme 5%, mật độ nấm men 23,6 triệu tế bào/ml, pH 5, nhiệt độ 37°C), nồng độ ethanol đạt 32 g/l sau 48 giờ, hiệu suất toàn quá trình đạt 83%. Quá trình SSF giúp giảm tích tụ glucose và cellobiose, tăng hiệu quả chuyển hóa cellulose thành ethanol.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả thủy phân phụ thuộc mạnh vào các yếu tố vật lý và hóa học như tỷ lệ bã rắn, nồng độ enzyme, pH và nhiệt độ. Việc tích tụ cellobiose ở nồng độ bã rắn cao làm giảm hoạt tính enzyme β-glucosidase, tương tự các nghiên cứu quốc tế đã chỉ ra. Quá trình thủy phân và lên men đồng thời (SSF) cho thấy ưu điểm vượt trội trong việc giảm ức chế enzyme và tăng hiệu suất ethanol so với phương pháp thủy phân và lên men riêng biệt. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu tại Canada và Thụy Điển về sản xuất ethanol từ lignocellulose. Việc lựa chọn rơm rạ làm nguyên liệu nghiên cứu là phù hợp với điều kiện Việt Nam, tận dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp dồi dào, góp phần giảm ô nhiễm môi trường do đốt rơm rạ truyền thống. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ nồng độ glucose và ethanol theo thời gian, bảng hiệu suất thủy phân và lên men dưới các điều kiện khác nhau để minh họa rõ ràng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình tiền xử lý và thủy phân: Áp dụng phương pháp tiền xử lý kết hợp axit và kiềm ở nhiệt độ và thời gian phù hợp nhằm tăng khả năng tiếp xúc enzyme với cellulose, giảm lignin và hemicellulose. Mục tiêu nâng hiệu suất thủy phân lên trên 80% trong vòng 72 giờ. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất ethanol, trong vòng 2 năm.

2. Phát triển enzyme cellulase có hiệu suất cao và chịu được nồng độ glucose cao: Nghiên cứu và ứng dụng enzyme cải tiến hoặc phối hợp enzyme để giảm ức chế bởi sản phẩm trung gian cellobiose và glucose, tăng tốc độ thủy phân. Mục tiêu tăng hiệu suất thủy phân và giảm chi phí enzyme. Chủ thể thực hiện: các trung tâm công nghệ enzyme, trong 3 năm.

3. Mở rộng quy mô sản xuất ethanol từ phụ phẩm nông nghiệp tại Việt Nam: Xây dựng các nhà máy thử nghiệm quy mô công nghiệp sử dụng rơm rạ làm nguyên liệu chính, áp dụng công nghệ thủy phân và lên men đồng thời. Mục tiêu sản xuất ethanol với công suất tối thiểu 10.000 lít/ngày trong 5 năm tới. Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp năng lượng sinh học phối hợp với chính phủ.

4. Chính sách hỗ trợ và khuyến khích phát triển nhiên liệu sinh học: Ban hành các chính sách ưu đãi về thuế, hỗ trợ tài chính cho nghiên cứu và đầu tư công nghệ ethanol sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp. Mục tiêu tăng tỷ lệ nhiên liệu sinh học trong tổng tiêu thụ năng lượng quốc gia lên 10% vào năm 2030. Chủ thể thực hiện: Bộ Công Thương, Bộ Khoa học và Công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành khoa học môi trường, công nghệ sinh học: Nghiên cứu chi tiết về công nghệ chuyển hóa lignocellulose thành ethanol, phương pháp thủy phân enzym và lên men đồng thời, giúp phát triển các đề tài liên quan.

2. Doanh nghiệp sản xuất nhiên liệu sinh học và năng lượng tái tạo: Áp dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình sản xuất ethanol từ phụ phẩm nông nghiệp, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí sản xuất.

3. Cơ quan quản lý nhà nước về năng lượng và môi trường: Tham khảo để xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo, thúc đẩy sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học, góp phần bảo vệ môi trường.

4. Nông dân và hợp tác xã nông nghiệp: Hiểu rõ tiềm năng và lợi ích kinh tế từ việc thu gom và cung cấp phụ phẩm nông nghiệp cho các nhà máy sản xuất ethanol, tạo thêm nguồn thu nhập bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Phụ phẩm nông nghiệp nào phù hợp nhất để sản xuất ethanol?
   Rơm rạ được đánh giá là nguyên liệu phù hợp nhất do hàm lượng cellulose cao (41,3%) và nguồn cung dồi dào, dễ thu gom tại Việt Nam. Ngoài ra, bã mía và lõi ngô cũng có tiềm năng nhưng quy mô và tính ổn định thấp hơn.

2. Tại sao phải tiền xử lý nguyên liệu trước khi thủy phân?
   Tiền xử lý giúp phá vỡ cấu trúc lignin và hemicellulose, làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc của enzyme với cellulose, từ đó nâng cao hiệu quả thủy phân và giảm thời gian phản ứng.

3. Quá trình thủy phân và lên men đồng thời có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
   Phương pháp này giúp giảm tích tụ glucose và cellobiose, hạn chế ức chế enzyme, tăng hiệu suất chuyển hóa cellulose thành ethanol, đồng thời giảm chi phí đầu tư thiết bị do thực hiện trong cùng một bể phản ứng.

4. Nồng độ enzyme và mật độ nấm men ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất sản xuất ethanol?
   Tăng nồng độ enzyme và mật độ nấm men trong giới hạn tối ưu sẽ tăng nồng độ glucose và ethanol, nhưng vượt quá mức này không làm tăng đáng kể hiệu suất do bão hòa enzyme và giới hạn sinh trưởng nấm men.

5. Làm thế nào để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất công nghiệp?
   Cần xây dựng các nhà máy thử nghiệm quy mô công nghiệp, áp dụng quy trình tiền xử lý, thủy phân và lên men đồng thời đã được tối ưu, đồng thời phối hợp với chính sách hỗ trợ để giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh của ethanol sinh học.

Kết luận

• Phụ phẩm nông nghiệp, đặc biệt là rơm rạ, có tiềm năng lớn làm nguyên liệu sản xuất ethanol sinh học nhờ hàm lượng cellulose cao và nguồn cung ổn định.
• Quá trình tiền xử lý kết hợp axit và kiềm giúp tăng hiệu quả thủy phân cellulose bằng enzyme cellulase LFG, đạt hiệu suất thủy phân lên đến 88,46% ở điều kiện tối ưu.
• Quá trình thủy phân và lên men đồng thời (SSF) nâng cao hiệu suất chuyển hóa cellulose thành ethanol, đạt nồng độ ethanol 32 g/l và hiệu suất toàn quá trình 83% sau 48 giờ.
• Các yếu tố như tỷ lệ bã rắn, nồng độ enzyme, pH và nhiệt độ ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất thủy phân và lên men, cần được tối ưu hóa trong sản xuất công nghiệp.
• Đề xuất phát triển công nghệ, chính sách hỗ trợ và mở rộng quy mô sản xuất ethanol từ phụ phẩm nông nghiệp tại Việt Nam nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và phát triển bền vững.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các viện nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai nghiên cứu ứng dụng quy mô lớn, đồng thời đề xuất chính sách hỗ trợ phát triển nhiên liệu sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp. Để biết thêm chi tiết và hợp tác nghiên cứu, vui lòng liên hệ với tác giả hoặc các cơ quan nghiên cứu liên quan.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong bối cảnh hiện nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của quá trình công nghiệp hóa là sự khai thác quá mức những nguồn tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt là nguồn nhiên liệu hóa thạch, điều đó đã khiến cho nguồn năng lượng truyền thống (dầu mỏ, than đá, khí thiên nhiên) ngày càng cạn kiệt. Theo báo cáo “Triển vọng năng lượng thế giới 2013” của Cơ quan Thông tin Năng lượng Mỹ (EIA) thì lượng tiêu thụ năng lượng trên thế giới tăng từ 534. Dự báo năng lượng tái tạo và năng lượng hạt nhân sẽ là những nguồn năng lượng tăng trưởng nhanh nhất với tốc độ tăng dự kiến lên tới 2,5% mỗi năm.

Trước tình hình đó, nhiên liệu sinh học được xem như một dạng năng lượng mới đầy tiềm năng bởi khả năng tái tạo của nó và hơn hết đây là nguồn năng lượng “sạch”, không độc hại và dễ dàng phân hủy trong tự nhiên. Hiện có 2 dạng năng lượng sinh học chủ yếu là ethanol sinh học và diesel sinh học. Ethanol được coi là một nhiên liệu sạch có khả năng tái tạo và trong tương lai có thể thay thế một phần cho các nguồn nguyên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt như than đá và dầu mỏ. Nguồn nguyên liệu cellulose thực sự dồi dào, trong khi vấn đề nghiên cứu sản xuất ethanol từ cellulose vẫn ít được khai thác.

Với tổng sản lượng sinh khối thực vật toàn cầu hàng năm vào khoảng 200 tỷ tấn và 90% trong số đó là lignocellulose và có khoảng 8 – 20 tỷ tấn trên thực tế có thể sử dụng để sản xuất ethanol. Ethanol sinh học được sản xuất bằng phương pháp lên men và chưng cất từ các loại ngũ cốc chứa tinh bột (bắp) và đường (mía). Ngoài ra, ethanol có thể được sản xuất từ lignocellulose, từ những phụ phẩm có chứa hợp chất cellulose cao. Lignocellulose là loại biomass phổ biến nhất trên thế giới.

Chính vì vậy, sản xuất ethanol từ biomass cụ thể là lignocellulose từ phế phẩm nông nghiệp là một giải pháp thích hợp trong bối cảnh giá nhiên liệu tăng cao, ô nhiễm môi trường ngày Nguyễn Quang Vinh Luận văn Thạc sỹ khoa học 1 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Trường đại học Khoa học Tự nhiên Khoa Môi trường càng trầm trọng và vấn đề an ninh lượng thực… lại càng được chú ý và tiếp tục nghiên cứu hoàn thiên trên thế giới [7]. Việt Nam là một quốc gia mà nông nghiệp có một vị trí rất quan trọng và luôn được ưu tiên trong chiến lược phát triển kinh tế - xã hội của đất nước. Hàng năm, sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam tạo ra một lượng lớn phế phẩm nông nghiệp, chủ yếu là lignocellulose từ các mùa vụ. Phế phụ phẩm nông nghiệp có tiềm năng năng lượng lớn, nhưng việc sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp dưới dạng nhiên liệu sinh học vẫn còn hạn chế và đây được coi là một hướng nghiên cứu mới và cần thiết tại Việt Nam.

Trên thế giới đã có những công trình nghiên cứu ứng dụng khả năng sử dụng phụ phẩm từ nông nghiệp (nguồn nguyên liệu có chứa hàm lượng Cellulose khá lớn) làm nguyên liệu sản xuất ethanol sinh học. Đây một loại nguyên liệu rẻ tiền, phổ biến và có khả năng phát triển rất nhanh. Đẩy mạnh việc nghiên cứu, tiến tới sản xuất nguồn nhiên liệu sinh học nói chung và entanol sinh học nói riêng từ phế phụ phẩm nông nghiệp tại Việt Nam được xem là một hướng nghiên cứu đang bắt đầu hình thành, được nhiều nhà khoa học quan tâm và có triển vọng, góp phần trong việc hạn chế sử dụng nhiên liệu hoá thạch, đảm bảo an ninh năng lượng cho quốc gia và hướng tới sự phát triển bền vững. Với ý nghĩa thiết thực đó, đề tài luận văn “Nghiên cứu khả năng chuyển đổi cenlulose từ phụ phẩm nông nghiệp thành etanol” được lựa chọn và góp phần nghiên cứu vấn đề này.

Mục tiêu của đề tài: Đánh giá được khả năng và hiệu quả chuyển đổi cellulose thành ethanol từ phụ phẩm nông nghiệp. Nội dung nghiên cứu của đề tài: - Nghiên cứu quá trình thủy phân rơm đã qua tiền xử lý bằng enzyme cellulase, tạo ra dịch đường. - Nghiên cứu quá trình thủy phân và lên men đồng thời để chuyển hóa cellulose trong nguồn rơm rạ ban đầu thành ethanol. Nguyễn Quang Vinh Luận văn Thạc sỹ khoa học 2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Trường đại học Khoa học Tự nhiên Khoa Môi trường Chƣơng 1.

TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Thực trạng sử dụng và nhu cầu năng lƣợng trong tƣơng lai 1. Thực trạng các nguồn năng lượng Năng lượng đóng vai trò rất quan trọng đối với đời sống con người, trên thế giới hiện có nhiều nguồn năng lượng khác nhau được khai thác và sử dụng. Trữ lượng và sản lượng khai thác các nguồn năng lượng trên để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của con người sẽ thúc đẩy con người tìm kiếm các nguồn năng lượng mới trong tương lai.

- Dầu khí: Dầu khí là nguồn khoáng sản rất quan trọng cung cấp phần lớn năng luợng cho đời sống con người. Trên thế giới hiện có 97 nước có trữ lượng và đang khai thác dầu khí. Hiện nay, các nhà địa chất đã phát hiện và tính được toàn thế giới có trữ lượng dầu thô là 1.277,7 tỷ thùng và khí là hơn 176 ngàn tỷ m 3. Với trữ lượng dầu khí đã biết và sản lượng khai thác hàng năm không biến động lớn thì đến năm 2053 thế giới sẽ cạn kiệt dầu khí [4].

- Than: Sau dầu khí, than là loại khoáng sản năng lượng truyền thống. Trữ lượng than trên thế giới khoảng trên 1000 tỷ tấn, tập trung ở 1 số nước như Mỹ (277), Nga (173), Trung Quốc (126). Hiện tại có hơn 60 nước khai thác than với sản lượng hàng năm đạt trên 5 tỷ tấn và dự báo rằng số năm nhân loại có thể khai thác than khoảng 230 năm. Nhược điểm đáng lưu ý nhất là sự nguy hại của việc đốt cháy than gây ra, hiểm họa do CO2 sinh ra với số lượng lớn từ quá trình đốt cháy than sẽ hạn chế sự phát triển của ngành than đá trong tương lai.

- Năng lượng hạt nhân: Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật trong nhiều năm qua, người ta đã sử dụng năng lượng hạt nhân phục vụ cho phát triển kinh tế - xã hội. Hiện có 19 nước khai thác sản xuất Urani với tổng sản lượng khoảng trên dưới 40. Trong tương lai, khả năng khai thác Urani sẽ tăng lên đáng kể và có thể đạt đến 86. - Năng lượng mặt trời: Là năng lượng phát ra từ một phản ứng nhiệt hạch khổng lồ, năng lượng mặt trời phát ra 1giây tương đương với 2,5.

Tuy nhiên, trái đất chỉ nhận được một phần rất nhỏ của lượng đó, tương ứng khoảng Nguyễn Quang Vinh Luận văn Thạc sỹ khoa học 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Trường đại học Khoa học Tự nhiên Khoa Môi trường 104 tấn than đá/giây. Mật độ năng lượng mặt trời chiếu trên mặt đất là không đều nhau, và trữ lượng của nó có thể coi là vô tận. - Năng lượng địa nhiệt: Năng lượng địa nhiệt là nhiệt lấy từ lòng đất. Nhiệt năng của địa nhiệt khoảng 64 tỷ KWh, có thể chia các bồn địa nhiệt thành các dạng cơ bản như: Bồn nhiệt hơi khô và bồn nhiệt nước nóng: Theo đánh giá của các chuyên gia thì nguồn tài nguyên địa nhiệt trên toàn cầu có thể khai thác vào khoảng 990 Gtoe, trong đó 60 Gtoe đã được xác định [4].

- Năng lượng gió: Theo tính toán, tổng số năng lượng gió trên thê giới trong 1 năm là 350 trKWh, nhưng do không ổn định và phân tán nên chỉ sử dụng được một phần nhỏ. Tiềm năng của năng lượng gió ở các nước được chuyên gia đánh giá vào khoảng 30.000 TWh/năm, chủ yếu là tập trung ở Bắc mỹ và Châu Âu. Thực trạng sử dụng và nhu cầu năng lượng trên thế giới trong tương lai Báo cáo Toàn cảnh Năng lượng Quốc tế (IEO 2009) của Cơ quan Thông tin Năng lượng Mỹ dự báo rằng tiêu thụ năng lượng thế giới tăng 44% trong giai đoạn 2006-2030. Nhu cầu năng lượng tăng mạnh nhất thuộc về các nước trong Tổ chức Họp tác và Phát triển Kinh tế (OECD).

Theo IEO 2009, tiêu thụ năng lượng thế giới tăng từ 472,4 triệu tỷ Btu (472 quadrillion Btu) năm 2006 lên 551,5 triệu tỷ Btu năm 2015 và 678,3 triệu tỷ Btu năm 2030 – tăng tổng cộng 44% trong giai đoạn 2006-2030. Phần lớn các nước OECD có cơ sở hạ tầng năng lượng tốt nhất thế giới. Tuy nhiên mức tiêu thụ năng lượng của một số nền kinh tế mới nổi ngoài OECD có nhiều khả năng gia tăng. Năm 2006, 51% năng lượng tiêu thụ trên thế giới là nằm trong khu vực OECD, nhưng tỷ lệ này sẽ tăng trưởng chậm trong giai đoạn 2006- 2030, trung bình 0,6%/năm, ở các nền kinh tế mới nổi bên ngoài OECD là 2,3%.

Trung Quốc và Ấn Độ là những nền kinh tế ngoài OECD có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất và là hai nước tiêu thụ năng lượng chính trong tương lai. Từ năm 1990, tiêu thụ năng lượng của hai nước này tăng nhanh. Nếu như năm 1990 tỷ lệ tiêu thụ năng lượng của hai nước mới chỉ chiếm 10% tổng tiêu thụ năng lượng thế giới, thì đến năm 2006, tỷ lệ này đã là 19%. Nguyễn Quang Vinh Luận văn Thạc sỹ khoa học 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Trường đại học Khoa học Tự nhiên Khoa Môi trường Bảng 1: Dự báo tiêu thụ năng lượng trên thế giới 2015-2030 [14] (đơn vị: Triệu tỷ Btu) Nhóm nƣớc 2015 2020 2025 2030 Tỷ lệ tăng trung bình hàng năm từ 2006-2030 (%) OECD 252,4 261,3 269,5 278,2 0,6 Bắc Mỹ 125,9 130,3 135,6 141,7 0,6 Châu Âu 84,8 87,9 90,0 91,8 0,5 Châu Á 41,8 43,1 43,9 44,6 0,6 Ngoài OECD 299,1 334,4 367,8 400,1 2,3 Châu Âu và 57,6 60,3 62,0 63,3 0,9 Nga Châu Á 163,2 190,3 215,4 239,6 3,0 Trung Đông 30,3 32,2 34,6 37,7 1,9 Châu Phi 17,7 19,1 20,6 21,8 1,7 Trung và Nam 30,3 32,5 35,2 37,7 1,9 Mỹ Toàn thế giới 551,5 595,7 637,3 678,3 1,5 Hình 1: Tiêu thụ năng lượng thế giới: các nước thuộc OECD và ngoài OECD từ năm 1980 và dự báo đến 2030 (đơn vị: triệu tỷ Btu) [14] Nguyễn Quang Vinh Luận văn Thạc sỹ khoa học 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Trường đại học Khoa học Tự nhiên Khoa Môi trường Hình 2: Dự báo tiêu thụ năng lượng của Mỹ, Trung Quốc và Ấn Độ từ năm 1990 đến 2030 (đơn vị: triệu tỷ Btu) [14] Hình 3: Tiêu thụ năng lượng thế giới theo dạng năng lượng từ năm 1980 và dự báo đến 2030 (đơn vị: triệu tỷ Btu)[14] Nhìn chung việc sử dụng các dạng năng lượng đều tăng trong giai đoạn 2006- 2030.