MỞ ĐẦU Khi nhu cầu năng lượng thế giới tiếp tục tăng và nguồn nhiên liệu hóa thạch đang giảm, nhiên liệu sinh học là giải pháp thay thế thích hợp. Ethanol là sản phẩm nhiên liệu được sử dụng phổ biến nhất và được nhiều quốc gia tập trung nghiên cứu. Ethanol thường được sản xuất từ tinh bột, đường mía và phụ phẩm nông nghiệp. Tuy nhiên việc sử dụng các sản phẩm nông nghiệp làm nguồn nguyên liệu sản xuất ethanol còn có hạn chế là chiếm một lượng lớn đất nông nghiệp, cũng như nguồn nước, thời gian và công chăm sóc, canh tác… Hơn thế nữa vấn đề này cũng đang đối mặt với những ý kiến chỉ trích cho rằng không thể sử dụng các sản phẩm nông nghiệp để sản xuất ethanol trong khi mỗi ngày trên thế giới có hàng triệu người chết đói vì thiếu lương thực.
Trước tình hình đó, hàng loạt các nghiên cứu nhằm tìm ra một nguồn nguyên liệu mới trong việc sản xuất cồn sinh học được đẩy mạnh. Trong đó rong biển là một lựa chọn thích hợp và đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Rong biển có sản lượng tự nhiên lớn, vòng đời sinh trưởng ngắn, dễ thu hoạch, giá thành rẻ và nuôi trồng thu được sinh khối lớn. Hàm lượng carbohydrate trong một số loài rong cao từ 40 - 79,4 %, rong có lignin thấp dễ thủy phân, thành phần đường chủ yếu là đường 6 carbon nên dễ dàng lên men tạo ethanol.
Việt Nam có bờ biển dài hơn 3200 km có chứa sinh khối rong biển rất lớn, trong đó rong lục là phổ biến nhất. Ước tính mỗi năm có khoảng 2 triệu tấn khô được tạo thành. Tuy nhiên nguồn sinh khối này vẫn chưa được sử dụng hợp lý, chỉ có số ít loài được nghiên cứu chế biến các sản phẩm sinh học, số còn lại tự phân hủy ngoài tự nhiên gây hiện tượng ô nhiễm. Vì vậy nghiên cứu sản xuất ethanol từ rong lục là một giải pháp thích hợp để tạo ra nhiên liệu sạch, giải quyết ô nhiễm môi trường và gia tăng lợi ích kinh tế cho người dân ven biển.
Để sản xuất được ethanol nhiên liệu từ rong lục, cần phải tiến hành các bước: lựa chọn đối tượng rong lục thích hợp, đảm bảo sinh khối ổn định bằng tiến hành nuôi trồng gia tăng sinh khối, sử dụng các kỹ thuật xử lý nguyên liệu, tìm các phương pháp thích hợp để đường hóa rong lục và lên men tạo ethanol. Về nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rong lục tại Việt Nam hiện nay mới được đề cập tuy vậy vẫn chưa có nghiên cứu cụ thể. Do đó, chúng tôi tiến hành đề tài “Nghiên cứu xác định các thông số công nghệ xử lý rong lục Việt Nam và lên men ethanol góp phần phát triển cồn nhiên liệu” để đưa ra được một cách hoàn chỉnh công nghệ lên men ethanol từ nguồn sinh khối rong lục. 1 Mục tiêu của đề tài Chọn được rong lục thích hợp làm nguyên liệu cho lên men ethanol Chọn được giải pháp công nghệ xử lý và thủy phân rong lục để lên men tạo ethanol Chọn được giải pháp công nghệ lên men ethanol từ dịch thủy phân rong Lục Các nội dung nghiên cứu của đề tài 1.
Nghiên cứu lựa chọn nguồn rong lục Việt Nam làm nguyên liệu cho lên men ethanol 2. Nghiên cứu chọn giải pháp xử lý và thủy phân rong lục để lên men tạo ethanol 3. Nghiên cứu chọn giải pháp lên men ethanol từ dịch thủy phân rong lục Những đóng góp mới của luận án - Nghiên cứu đầu tiên một cách có hệ thống về rong lục từ khảo sát lựa chọn nguồn rong lục đến thủy phân và lên men ethanol - Nghiên cứu nguồn rong biển Việt Nam làm nguyên liệu sản xuất ethanol bằng phương pháp thân thiện môi trường là hướng nghiên cứu phù hợp với xu thế của thế giới nhằm thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch 2 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Phân loại rong biển Tảo được chia thành hai nhóm chính là microalgae và macroalgae, microalgae được gọi là vi tảo hay tảo kích thước bé. Rong biển là macroalgae, được gọi là tảo kích thước lớn.
Rong biển là thực vật bậc thấp sống tự dưỡng bằng cách quang hợp, hình thái dạng tản. Quá trình phát triển của rong không qua giai đoạn phôi, có ba hình thức sinh sản: sinh sản dinh dưỡng, sinh sản vô tính bằng bào tử, sinh sản hữu tính bằng hình thức giao phối giữa phối tử đực và cái. Rong biển sinh trưởng phát triển nhanh, có vòng đời sinh trưởng không quá 1 năm, tốc độ tăng trọng nhanh và tạo ra sinh khối lớn. Rong biển chia thành ba ngành chính: rong lục, rong đỏ và rong nâu [12,17].
Ngành rong lục: Nét đặc trưng nhất của các loài là có màu lục, sản phẩm quang hợp là tinh bột. Về cấu tạo hình thái có nhiều dạng: dạng phiến, dang sợi, dạng ống. Rong lục có vỏ bằng chất pectin hoặc xenluloza. Trong chất nguyên sinh còn có những túi nhỏ chứa sản phấm của quá trình trao đổi chất.
Thể sắc tố chủ yếu là chlorophyll và caroten, trong thể sắc tố còn có các hạt tạo bột hình tròn nhỏ và chứa tinh thể protein ở giữa. Trong dịch bào, sản phẩm của quá trình trao đổi chất chủ yếu là đường, tanin, sunfat canxi và các chất có màu antoxyan [12,17]. Ngành rong nâu: Hình thái đơn giản là dạng phiến, dạng sợi và hình thái phức tạp là dạng cây có "gốc" "rễ" "thân" và "lá". Vỏ tế bào chia thành hai lớp, lớp trong là xelluloza, lớp ngoài là keo fucoidin hay fucin.
Thể sắc tố gồm chlorophyll a, c; xanthophyll, caroten và fucoxanthyll - loại sắc tố có riêng trong rong nâu, có màu nâu, không tan trong nước. Sản phẩm đồng hóa là mannitol, laminarin, glucoza., đặc tính cùa rong nâu là có túi đường fucoidan chứa đường fucoza [12,17]. Ngành rong đỏ: Rong có dạng trụ tròn, dẹp, phiến, chia nhánh hoặc không. Vỏ tế bào gồm hai lớp, lớp trong là xenluloza, lớp ngoài là chất keo và pectin.
Sắc tố của rong đỏ gồm có : Sắc tố lục - chlorophyll, sắc tố vàng - xanthophyll, caroten, sắc tố đỏ - phycoerythrin, sắc tố xanh lam - phycocyanin. Màu sắc của rong đỏ được quyết định bởi sự phối hợp và thành phần của các sắc tố trên, vì vậy rong đỏ thường có màu đỏ (thẫm đến nhạt), màu hồng, màu vàng lục nhạt, màu tím hay màu lam lục. Sản phẩm quang hợp của tế bào rong đỏ là một loại đường đôi [12,17].2 Thành phần hóa học của các loại rong biển Rong biển có thành phần hóa học biến đổi theo từng ngành rong và được tác giả Kim miêu tả tóm lược trong bảng 1. 1 Thành phần hóa học của rong biển Thành phần rong biển hóa học (%) rong lục rong đỏ rong nâu Tỷ lệ nƣớc 70-85 70-80 79-90 Chất tro 10-25 25-35 30-50 Carbohydrate 25-50 30-60 30-50 (thành phần) (Cellulose, (Agar, (Alginate, tinh bột) Carrageenan) Fucoidan) Protein 10-15 7-15 7-15 Lipid 1-2 1-5 2-5 Thành phần hóa học của rong biển có bốn thành phần chính tro, lipid, protein và carbohydrate.
Sản xuất nhiên liệu sinh học chủ yếu sử dụng hai nguồn lipid và carbohyrate. Trong rong biển carbohydrate chiếm tỷ trọng cao 25-60 %w thích hợp cho sản xuất nhiên liệu hơn so với lipid có hàm lượng 1-5 %w.1 cũng cho thấy, thành phần polysaccharide khác nhau giữa các ngành rong biển: rong nâu, lục, đỏ. Rong lục có thành phần polysaccharide như thực vật bậc cao, gồm tinh bột và cellulose. Rong nâu và rong đỏ có thành phần polysaccharide dưới dạng agar, carrageenan, alginate.
Hàm lượng polysaccharide cao trong rong biển thì thích hợp để sản xuất ethanol sinh học. Rong biển có thành phần carbohydrate đa dạng, điều này được ghi nhận trong báo cáo của Kim [51] và thể hiện trong hình 1.1 Thành phần carbohydrate của rong đỏ, rong nâu, rong lục Theo số liệu hình 1.1 cho thấy carbohydrate trong rong đỏ gồm: agar, carrageenan, xylane, mannan và một ít cellulose. Agar chiếm 50-70% trọng lượng khô là nguồn carbohydrate chính, agar và carrageenan thủy phân tạo thành galactose, xylane thành xylose, mannane thành mannose, và rất ít glucose từ cellulose, qua đó cho thấy hàm lượng glucose được tạo ra từ rong đỏ sau thủy phân là rất thấp, nên rong đỏ không phải là nguyên liệu thích hợp để sản xuất ethanol. Trong rong nâu thành phần carbohydrate gồm alginate, fucoidan, laminaran, cellulose, hàm lượng alginate cao 30-40% trọng lượng khô, là nguồn carbohydrate chính trong rong nâu, và 5-6% cellulose, 7-10% fucoidan và laminaran.
Alginate thủy phân thành D- mannuronic axit và M,D-glucuronic, fucoidan thủy phân thành L-fucose, galactose và ít mannitol, cellulose thủy phân thành glucose, laminaran thủy phân thành glucose, mannitol. Sản phẩm thủy phân cuối cùng của rong nâu có chứa nhiều loại đường và hàm lượng đường glucose thấp, do vậy việc sản xuất ethanol từ rong nâu không hiệu quả. Carbohydrate trong rong lục gồm cellulose, tinh bột, xylane, ulvan, paramylon, trong đó cellulose và tinh bột là 2 thành phần chính, cellulose và tinh bột khoảng 40-50%. Do vậy khi thủy phân rong lục sẽ thu được một lượng lớn glucose, ngoài ra glucose còn được thu nhận từ 5 thủy phân paramylon (β-1,3-glucan), tạo ra nguồn glucose dồi dào.
Vì vậy trong rong biển, rong lục rất thích hợp làm nguồn nguyên liệu để sản xuất ethanol.3 Rong lục Theo các mô tả của hai tác giả Nguyễn Hữu Dinh, Phạm Hoàng Hộ, Tsutsui cho đến nay các nhà nghiên cứu đã tìm thấy trong ngành rong lục có trên dưới 360 chi và hơn 5700 loài, phần lớn là sống trong nước ngọt, còn nước mặn chủ yếu là những chi sau đây: Monostroma, Enteromorpha, Ulva, Ulothrix, Rhizoclonium, Cladophora, Chaetomorpha, Cladophoropsỉs, Boergesenm, Valonia, Valoniopsis, Struvea, Boodlea, Microdyction, Caulerpa, Bryopsis, Codium, Acetabularia v. [12,17, 92] Nét đặc trưng nhất của các loài trong ngành là có màu lục, sản phẩm quang hợp là tinh bột. Hình dạng một tế bào hoặc nhiều tế bào có dạng phiến, dạng sợi, chia nhánh hoặc không; trừ một vài trường hợp rong chỉ là một tế bào trần không có vỏ, còn đại đa số đều có vỏ cấu tạo pectin hoặc cellulose. Nguyên sinh chất có thành mỏng, ngay sát thành là vỏ tế bào; ở giữa là một túi lớn chứa đầy dịch bào.
Trong chất nguyên sinh còn có những túi nhỏ chứa sản phấm của quá trình trao đổi chất. Thành phần nguyên sinh chất: Thể sắc tố có nhiều dạng khác nhau: phiến, đai vành móng ngựa, sao nhiều cạnh, xoắn lò xo, mắt lưới, hạt nhỏ v.; sắc tố chủ yếu là chlorophyll và caroten, trong thể sắc tố còn có các hạt tạo bột hình tròn nhỏ và chứa tinh thể protit ở giữa, hạt tạo bột khi gặp dung dịch KI dễ bắt màu, nên trở thành một trong những tiêu chuẩn phân loại. Nhân thường nằm ở giữa khoang túi dịch bào, hay sát bên thành lớp nguyên sinh, thể nhiễm sắc hình que ngắn hay hạt nhỏ.