CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI, TÌNH HÌNH NGUYÊN LIỆU, SẢN PHẨM Việt Nam có nhiều tiềm năng về nhiên liệu sinh học có thể làm nhiên liệu thay thế cho xăng dầu có nguồn gốc dầu mỏ. Nhiên liệu sinh khối vẫn được sử dụng ở Việt Nam và các nước khác trên thế giới từ ngàn xưa nhưng chỉ với quy mô nhỏ, mang tính chất gia đình cho các hoạt động đun nấu hoặc cũng có thể có trong sản xuất nhỏ. Việc sử dụng nhiên liệu sinh khối dạng thô trong quy mô công nghiệp là khó khăn và ít hiệu quả kinh tế do nhiệt trị nhiên liệu thấp (15-18 MJ/kg đối với củi, gỗ và 12- 15MJ/kg đối với rơm, trấu), khối lượng riêng thấp, nguồn cung cấp thiếu tập trung dẫn đến việc vận chuyển, khai thác và công nghệ sử dụng tương đối khó khăn.
Ở Việt Nam, việc sử dụng nhiên liệu sinh khối trên quy mô công nghiệp có lẽ chỉ phổ biến ở các nhà máy đường, nơi sản phẩm phế thải bã mía được sử dụng làm nhiên liệu cho việc phát nhiệt và điện tại nhà máy, hoặc ở một số nhà máy giấy khi phế thải dịch đen trong quá trình sản xuất cũng được sử dụng làm nhiên liệu cho lò hơi thu hồi nhiệt. Là một nước nông nghiệp, tất nhiên tiềm năng của nhiên liệu sinh học ở Việt Nam rất lớn, song đến nay các hoạt động sản xuất cồn từ mía, tổng hợp diesel từ dầu cây công nghiệp hoặc từ mỡ động vật vẫn chỉ dừng ở quy mô phòng thí nghiệm. Ethanol được đánh giá là nguồn cung cấp nhiên liệu tốt cho tương lai và con người vì có khả năng sản xuất với sản lượng lớn, không gây ô nhiễm môi trường và có thể thay thế được cho xăng nhiên liệu. Ethanol làm nhiên liệu này hoàn toàn có thể sản suất được từ nguồn cellulose như rơm rạ, trấu, bã mía,.Theo đánh giá sơ bộ, lượng rơm rạ hằng năm, nếu được chuyển thành ethanol, hoàn toàn có khả năng thay thế toàn bộ nhu cầu xăng dầu cả nước hiện nay.
Các nguồn biomass chính ở Việt Nam [1] Lượng Năng lượng chứa đựng Phần trăm STT Biomass (triệu tấn) (GJ) (%) Gỗ thải từ nhà 1 3. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI, TÌNH HÌNH NGUYÊN LIỆU, SẢN PHẨM 3 Rác thải khí rắn 0.5 Phế phẩm cây 8 1.5 12 Vỏ hạt cà phê 0.3 Tổng 101 1435 100 Gỗ thải từ nhà máy cưa Gỗ đốt Rác thải khí rắn Rơm Trấu Vỏ bắp Bã khoai mì Phế phẩm cây mía Bã mía Vỏ đậu Hình 1. Các nguồn biomass chính ở Việt Nam [1] Có thể nói sản xuất bioethanol từ rơm rạ hướng hẹn sẽ rất phát triển ở Việt Nam. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI, TÌNH HÌNH NGUYÊN LIỆU, SẢN PHẨM Ở Việt Nam, đã có một vài nghiên cứu ban đầu về việc sản suất ethanol từ biomass nói chung và rơm rạ nói riêng của trường ĐH Bách khoa TpHCM.
Hằng năm, ethanol cũng được sản suất trong nước với sản lượng khoảng 25 triệu lít mỗi năm. Trong đó chủ yếu là làm từ mật rỉ, ngô, gạo và khoai mì, chủ yếu phục vụ cho các nghành công nghiệp thực phẩm và hóa chất. Tuy nhiên, tình hình lương thực đang ngày càng khan hiếm. Với dân số tăng cao và quỹ đất dành cho sản xuất nông nghiệp ngày càng bị thu hẹp thì việc sản xuất cồn từ các nguyên liệu truyền thống trên rất khó được mở rộng để đáp ứng cho nhu cầu nhiên liệu ngày một tăng cao như hiện nay.
Ngày nay sự lệ thuộc vào dầu mỏ của con người ngày càng cao dẫn đến tình trạng suy thoái kinh tế khi xảy ra khủng hoảng dầu mỏ. Chính vì thế nên ngày càng nhiều những dự án nghiên cứu và triển khai sử dụng năng lượng địa phương để thay thế dần dầu mỏ. Trong tình hình đó ethanol là một giải pháp được đánh giá cao cho khả năng thay thế nhiên liệu hóa thạch trong tương lai. Tiềm năng lớn và thân thiện với môi trường là 2 ưu điểm lớn của loại nhiên liệu này.
Trong những nghiên cứu trước, quá trình lên men sản xuất cồn từ rơm rạ sử dụng nguồn dinh dưỡng là bột ngô chuyên dụng ( tên gọi thương mại là CSL – Corn steep liquor) Nguồn dinh dưỡng này mang lại hiệu quả khá tốt, tuy nhiên, do nhập khẩu từ Pháp nên vấn đề cung cấp nguồn dinh dưỡng này có thể sẽ gặp những bất cập trong tương lai. Vấn đề đặt ra là tìm giải pháp thay thế nguồn CSL bởi nguồn dinh dưỡng khác có sẳn ở địa phương để chúng ta có thể chủ động trong việc cung cấp nguyên liệu này. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Thực hiện nghiên cứu các nguồn dinh dưỡng thay thế sẽ giải quyết được những vấn đề còn tồn đọng trong quá trình sản xuất cồn từ rơm rạ như sau: - Thay thế nguồn dinh dưỡng CSL bằng nguồn dinh dưỡng có sẵn ở địa phương, chúng ta sẽ chủ động hơn trong việc tự cung tự cấp nguyên liệu , giảm tối đa sự phụ thuộc vào các điều kiện khách quan. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI, TÌNH HÌNH NGUYÊN LIỆU, SẢN PHẨM - Sử dụng bã đậu nành, bã đậu phộng, vỏ khoai tây làm nguồn dinh dưỡng là một cách tận dụng triệt để các phụ phẩm nông nghiệp để giảm giá thành nguyên liệu đồng thời cũng góp phần giải quyết vấn đề về môi trường ở nông thôn.
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU VÀ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN Với những vấn đề đã được nêu ở trên, những nghiên cứu trong luận văn này mong muốn góp phần vào mục tiêu chung của dự án “nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất ethanol từ rơm rạ phù hợp với điều kiện ở Việt Nam” Đề tài có sự tham khảo của những nghiên cứu trước ở trong và ngoài nước, có sự hỗ trợ về mặt thiết bị và kinh nghiệm các chuyên gia từ đại học Tokyo. Những thí nghiệm được tiến hành nhằm đi sâu phân tích động học quá trình lên men khi sử dụng các nguồn dinh dưỡng khác nhau trong quy trình sản xuất ethanol từ rơm rạ. Mục tiêu hướng tới là tìm ra nguồn nguyên liệu thay thế nguồn dinh dưỡng CSL nhập khẩu từ Pháp, để chủ động hơn trong quá trình sản xuất liên tục ethanol nhiên liệu từ rơm rạ sau này. Nhiệm vụ cụ thể của đề tài bao gồm các nội dung cơ bản sau: - Tiền xử lý rơm rạ - Phân tích thành phần sơ sợi trong các nguồn dinh dưỡng - Phân tích hàm lượng đạm trong các nguồn dinh dưỡng - Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng rơm rạ đến quá trình lên men chuyển hóa rơm rạ thành cồn - Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng dinh dưỡng đến quá trình lên men chuyển hóa rơm rạ thành cồn 7 CHƯƠNG 2.
TỔNG QUAN TÀI LIỆU CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2. NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE Lignocellulose là vật liệu biomass phổ biến nhất trên trái đất. Lignocellulose có trong phế phẩm nông nghiệp, trong sản phẩm phụ công của công nghiệp sản xuất giấy…Do đó lignocellulose là một nguồn nguyên liệu to lớn cho việc sản xuất bioethanol. Rơm rạ là một dạng vật liệu lignocellulose.
Thành phần chính của vật liệu lignocellulose là cellulose, hemicellulose, lignin, các chất trích ly và tro. Trong lignocellulose, cellulose tạo thành khung chính và được bao bọc bởi những chất có chức năng tạo mạng lưới như hemicellulose và kết dính như lignin. Cellulose, hemicellulose và lignin sắp xếp gần nhau tạo thành liên kết cộng hóa trị với nhau. Các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose, galactose, và acid 4-O- methylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin.
Cấu trúc của lignocellulose 8 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU Đối với các loại thực vật dạng thân gỗ thường chứa khoảng 40% - 60% cellulose, 20% - 40% hemicellulose và 10% - 25% lignin. Tuy nhiên đối với thực vật dạng thảo mộc hàm lượng lignin thường thấp hơn 20%. Thành phần trong rơm rạ được nghiên cứu và trình bày bởi nhiều tác giả [7].
Ở mỗi điều kiện phát triển và giống khác nhau thì thành phần trong rơm rạ cũng khác nhau. Nhìn chung thành phần rơm rạ được trình bày bởi một số tác giả như sau: Bảng 2.1 Thành phần hóa học của rơm rạ [8] Tên Thành phần Hemicellulose 27.7% Một nghiên cứu mới đây đối với rơm rạ vùng Củ Chi cho kết quả như sau: Bảng 2. Thành phần hoá học của rơm rạ ở Củ Chi [9] Thành phần Cellulose Hemicelluloses Lignin Tro Hàm lượng 40,03% 23,82% 18% 15,5% Bên cạnh thành phần hóa học, tính chất các thành phần trong rơm rạ và cấu trúc tế bào thực vật cũng quan trọng không kém trong việc nghiên cứu xử lý rơm rạ. Cũng giống như động vật, cơ thể thực vật cũng được xây dựng từ các tế bào.
Do không được bảo vệ bằng cơ chế phản xạ và miễn dịch, tế bào thực vật được bảo vệ kỹ trong lớp vỏ rắn chắc. Về cấu trúc, các tế bào thực vật được sắp xếp đặc khít và liên kết với nhau rất bền vững. Rắn chắc là yếu tố tạo nên sự bền vững của thực vật trong tự 9 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU nhiên.
Khi tế bào thực vật chết đi, khối lượng khô của tế bào chủ yếu tập trung ở thành tế bào.2: Cấu tạo tế bào và cấu trúc lớp vỏ cây thảo mộc Trong lignocelluloses các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản. Các sợi này được gắn lại với nhau nhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi, với chiều rộng khoảng 25nm. Các vi sợi này được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp bảo vệ cellulose khỏi sự tấn công của ezyme cũng như các hóa chất trong quá trình thủy phân. Cellulose Cellulose là một polymer mạch thẳng của D-glucose, các D-glucose được liên kết với nhau bằng liên kết β 1-4 glucosid.
Cellulose là loại polymer phổ biến nhất trên trái 10 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU đất, độ trùng hợp đạt được 3. Các nhóm -OH ở hai đầu mạch có tính chất hoàn toàn khác nhau, cấu trúc hemiacetal tại C1 có tính khử, trong khi đó OH tại C4 có tính chất của rượu. Công thức hóa học của cellulose Các mạch cellulose được liên kết với nhau nhờ liên kết hydro nội phân tử (intramolcular hydrogen bond) giữa các phân tử glucose trong một chuỗi cellulose (Fengel and Wegener 1984).
Bên cạnh đó liên kết hydro liên phân tử (intermolcular hydrogen bond) giúp liên kết các phân tử glucose giữa các bó chuỗi với nhau (Fengel and Wegener 1984). Chính vì lí do đó nên cellulose có độ bền cơ học cao và hầu như không bị hòa tan bởi hầu hết các dung môi. Với liên kết Van Der Waals, cellulose hình thành hai vùng cấu trúc chính là kết tinh và vô định hình. Trong vùng kết tinh, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau, vùng này khó bị tấn công bởi enzyme cũng như hóa chất.