Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học nghiên cứu nâng cao hiệu suất tiền xử lý lignocellulose trong quá trình ssf chuyển hóa thành cồn sinh học

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học nghiên cứu phương pháp nâng cao hiệu suất tiền xử lý lignocellulose, chuyển hóa thành cồn sinh học qua quá trình SSF.

• Tác giả: Lê Thị Kim Phượng
• Người hướng dẫn: PGS. TS Nguyễn Quân
• Trường học: Học viện Bách Khoa
• Chuyên ngành: Khoa học và công nghệ
• Đề tài: Nghiên cứu nâng cao hiệu suất tiền xử lý lignocellulose trong sản xuất cồn sinh học
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM KẾT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Bioethanol – Tiếp cận và vai trò
• 1.2. Nhu cầu về nhiên liệu sinh học
• 1.3. Nhiên liệu tái tạo và xu thế nhiên liệu thế giới
• 1.4. Bioethanol một giải pháp bền vững
• 1.5. Các thử nghiệm sản xuất bioethanol
• 1.6. Tình hình nghiên cứu về sản xuất bioethanol và một số hạn chế
• 2. CHƯƠNG 2: QUÁ TRÌNH TIỀN XỬ LÝ LIGNOCELLULOSE
• 2.1. Tiền xử lý bằng acid
• 2.2. Tiền xử lý bằng base
• 2.3. Nghiên cứu quá trình tiền xử lý kết hợp
• 3. CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN SSF
• 3.1. Quá trình thủy phân lignocellulose
• 3.2. Lên men SSF và các yếu tố ảnh hưởng
• 3.3. Nghiên cứu nạp nhiều lần enzyme
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Thành phần hóa học nguyên liệu
• 4.2. Thí nghiệm tiền xử lý với các tác chất khác nhau
• 4.3. Quy hoạch thí nghiệm tiền xử lý kết hợp acid và base
• 4.4. Điều kiện thích hợp cho quá trình tiền xử lý kết hợp
• 4.5. Thủy phân và lên men SSF lignocellulose với các điều kiện khác nhau
• 4.6. Thí nghiệm SSF nạp nhiều lần enzyme
• 4.7. Hiệu suất thủy phân và chuyển hóa lignocellulose thành bioethanol
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tiền xử lý lignocellulose

Tiền xử lý lignocellulose là bước quan trọng trong quá trình sản xuất cồn sinh học. Nghiên cứu này tập trung vào việc nâng cao hiệu suất tiền xử lý thông qua việc kết hợp phương pháp xử lý acid và base. Kết quả cho thấy việc kết hợp này giúp loại bỏ lignin hiệu quả hơn, đồng thời giảm độ tinh thể của cellulose, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thủy phân và lên men. Phương pháp này được áp dụng trên hai nguồn nguyên liệu chính là mùn cưa gỗ cao su và rơm rạ, cả hai đều phổ biến và có giá thành thấp tại Việt Nam.

1.1. Phương pháp tiền xử lý kết hợp

Phương pháp tiền xử lý kết hợp bao gồm hai giai đoạn: xử lý acid trước, sau đó là xử lý base. Nguyên liệu được ngâm trong dung dịch H2SO4 1,67% trong 5,4 giờ, sau đó rửa sạch và tiếp tục xử lý với dung dịch NaOH 2,98% trong 24 giờ. Kết quả cho thấy độ tinh thể (CrI) của nguyên liệu giảm từ 61,36% xuống còn 57,61%, và hiệu suất tiền xử lý đạt 78,80%. Phương pháp này được chứng minh hiệu quả hơn so với việc chỉ sử dụng acid hoặc base đơn lẻ.

1.2. Ứng dụng trên rơm rạ

Đối với rơm rạ, quy trình tiền xử lý tương tự được áp dụng với dung dịch H2SO4 0,58% trong 6,98 giờ, sau đó xử lý với dung dịch NaOH 2,671% trong 24 giờ. Kết quả cho thấy độ tinh thể giảm từ 56,05% xuống 52,01%, và hiệu suất tiền xử lý đạt 72,67%. Điều này chứng tỏ phương pháp kết hợp acid và base cũng mang lại hiệu quả cao đối với nguyên liệu này.

II. Sản xuất cồn sinh học

Sản xuất cồn sinh học từ lignocellulose là quá trình phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp giữa tiền xử lý, thủy phân và lên men. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình sản xuất cồn thông qua việc sử dụng phương pháp SSF (Simultaneous Saccharification and Fermentation). Kết quả cho thấy, việc nạp enzyme nhiều lần trong quá trình SSF giúp tăng hiệu suất thủy phân và sản xuất bioethanol.

2.1. Quy trình SSF

Quy trình SSF được thực hiện bằng cách nạp enzyme vào các thời điểm khác nhau (0, 12 và 24 giờ). Kết quả cho thấy việc nạp enzyme 3 lần giúp tăng hiệu suất thủy phân lên 62,31% đối với mùn cưa gỗ cao su và 75,26% đối với rơm rạ. Điều này chứng tỏ việc chia nhỏ lượng enzyme và nạp nhiều lần giúp tối ưu hóa quá trình thủy phân và lên men.

2.2. Hiệu suất chuyển hóa

Hiệu suất chuyển hóa cellulose thành bioethanol đạt 45,6% đối với mùn cưa gỗ cao su và 54,91% đối với rơm rạ. Nồng độ ethanol thu được sau quá trình SSF là 1,61 vol% đối với mùn cưa gỗ cao su và 1,48 vol% đối với rơm rạ. Kết quả này cho thấy tiềm năng lớn của việc sử dụng nguyên liệu lignocellulose trong sản xuất năng lượng sinh học.

III. Tối ưu hóa hiệu suất

Nghiên cứu này không chỉ tập trung vào việc nâng cao hiệu suất tiền xử lý mà còn tối ưu hóa toàn bộ quy trình sản xuất cồn sinh học. Việc kết hợp phương pháp tiền xử lý kết hợp acid và base cùng với quy trình SSF nạp enzyme nhiều lần đã mang lại hiệu quả vượt trội so với các phương pháp truyền thống.

3.1. Tối ưu hóa quy trình

Việc tối ưu hóa quy trình bao gồm việc lựa chọn điều kiện tiền xử lý phù hợp, chia nhỏ lượng enzyme và nạp nhiều lần trong quá trình SSF. Kết quả cho thấy, việc nạp enzyme 3 lần giúp tăng hiệu suất thủy phân và sản xuất bioethanol lên đáng kể so với việc nạp enzyme 1 lần.

3.2. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa trong việc sản xuất năng lượng sinh học mà còn góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do việc đốt rơm rạ và mùn cưa gỗ cao su trực tiếp. Việc chuyển hóa các nguyên liệu này thành bioethanol giúp tận dụng nguồn tài nguyên sẵn có và bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng năng lượng tái tạo ngày càng tăng cao trên toàn cầu nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực của nhiên liệu hóa thạch đến môi trường. Bioethanol, một loại nhiên liệu sinh học thân thiện với môi trường, được xem là giải pháp tiềm năng thay thế xăng dầu truyền thống. Theo báo cáo ngành, sản lượng tiêu thụ nhiên liệu toàn cầu dự kiến tăng khoảng 30% trong thập kỷ tới, trong đó bioethanol đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu năng lượng tái tạo. Tuy nhiên, việc sản xuất bioethanol từ nguyên liệu lignocellulose vẫn còn nhiều thách thức do cấu trúc phức tạp và tính kháng phân hủy của lignin.

Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp tiền xử lý kết hợp acid và base nhằm nâng cao hiệu quả loại bỏ lignin và làm giàu cellulose trong nguyên liệu lignocellulose, cụ thể là mùn gỗ cao su và rơm rạ. Mục tiêu chính là tối ưu hóa điều kiện tiền xử lý để tăng hiệu suất thủy phân và chuyển hóa cellulose thành bioethanol qua quá trình lên men đồng thời (SSF). Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian gần đây tại phòng thí nghiệm Nhiên liệu Sinh học và Biomass, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ sản xuất bioethanol từ nguồn nguyên liệu lignocellulose phong phú, giá thành thấp và thân thiện môi trường, góp phần thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo bền vững và giảm thiểu ô nhiễm không khí do khí thải nhiên liệu hóa thạch.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Cấu trúc lignocellulose: Lignocellulose gồm ba thành phần chính là cellulose, hemicellulose và lignin. Cellulose có cấu trúc polymer mạch thẳng gồm các phân tử glucose liên kết β-1,4-glucosidic, có tính kết tinh cao (Crystallinity index - CrI). Hemicellulose là polymer phức tạp, dễ thủy phân hơn cellulose, trong khi lignin là polymer phenolic phức tạp, bao bọc và liên kết chặt chẽ với cellulose và hemicellulose, gây cản trở quá trình thủy phân enzym.

• Tiền xử lý lignocellulose: Phương pháp tiền xử lý acid và base nhằm phá vỡ cấu trúc lignin, làm giảm CrI của cellulose, tăng diện tích bề mặt tiếp xúc cho enzym thủy phân. Tiền xử lý acid thường sử dụng H2SO4 loãng để hòa tan hemicellulose và một phần lignin, trong khi tiền xử lý base (NaOH) chủ yếu làm tan lignin và acetyl nhóm hemicellulose.

• Quá trình thủy phân và lên men đồng thời (SSF): SSF kết hợp thủy phân enzym cellulose thành glucose và lên men glucose thành ethanol trong cùng một thiết bị, giúp giảm chi phí và thời gian so với thủy phân và lên men riêng biệt. Enzym cellulase và vi sinh vật Saccharomyces cerevisiae được sử dụng phổ biến trong quá trình này.

Các khái niệm chính bao gồm: Crystallinity index (CrI), hiệu suất tiền xử lý, hiệu suất thủy phân enzym, hiệu suất chuyển hóa cellulose thành bioethanol.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu nghiên cứu là mùn gỗ cao su và rơm rạ thu thập tại các địa phương miền Nam Việt Nam. Hóa chất sử dụng gồm H2SO4, NaOH, enzym cellulase và chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae.

• Thiết kế thí nghiệm: Tiền xử lý kết hợp acid-base được khảo sát với các biến số gồm nồng độ acid (0.5-1.67% H2SO4), thời gian tiền xử lý acid (5.4-7 giờ), nồng độ base (2.67-2.98% NaOH), thời gian tiền xử lý base (24 giờ). Thiết kế thí nghiệm theo ma trận quy hoạch với 16 thí nghiệm lặp lại nhằm xác định điều kiện tối ưu.

• Phân tích thành phần hóa học: Thành phần cellulose, hemicellulose, lignin được xác định bằng phương pháp phân tích hóa học chuẩn theo quy trình Laboratory Analytical Procedure. CrI được đo bằng kỹ thuật nhiễu xạ tia X (XRD).

• Phương pháp thủy phân và lên men: Thủy phân enzym cellulase kết hợp lên men đồng thời (SSF) được thực hiện trong bình phản ứng 250 ml, với nồng độ enzym 100 IU/ml, nồng độ men 5% v/v, nhiệt độ 30°C, thời gian lên men 80 giờ.

• Nghiên cứu nạp enzyme nhiều lần: So sánh hiệu suất thủy phân và chuyển hóa ethanol khi nạp enzyme 1, 2 và 3 lần tại các thời điểm 0, 12 và 24 giờ nhằm tối ưu hóa hiệu quả quá trình SSF.

• Phân tích số liệu: Sử dụng phần mềm thiết kế thí nghiệm và phân tích phương sai ANOVA để đánh giá ảnh hưởng các yếu tố và xác định điều kiện tối ưu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả tiền xử lý kết hợp acid-base: Tiền xử lý mùn gỗ cao su với 1.67% H2SO4 trong 5.4 giờ, sau đó xử lý bằng 2.98% NaOH trong 24 giờ làm giảm CrI từ 61.36% xuống còn 57.61%, hiệu suất loại bỏ lignin đạt 78.8%. Với rơm rạ, tiền xử lý tương tự với 0.58% H2SO4 trong 6.98 giờ và 2.67% NaOH trong 24 giờ giảm CrI từ 56.05% xuống 52.01%, hiệu suất loại bỏ lignin đạt 72.67%.

2. Nồng độ ethanol sau SSF: Sau quá trình SSF, dung dịch từ mùn gỗ cao su có nồng độ ethanol 1.61% vol, rơm rạ đạt 1.48% vol. Hiệu suất chuyển hóa cellulose thành ethanol lần lượt là 45.6% và 54.91%.

3. Ảnh hưởng của nạp enzyme nhiều lần: Nạp enzyme cellulase 3 lần tại 0, 12 và 24 giờ tăng hiệu suất thủy phân lên 62.31% với mùn gỗ cao su và 75.26% với rơm rạ, cao hơn đáng kể so với nạp enzyme một lần (hiệu suất lần lượt 45.6% và 54.91%).

4. So sánh các phương pháp tiền xử lý: Tiền xử lý kết hợp acid-base hiệu quả hơn so với tiền xử lý acid hoặc base đơn lẻ, thể hiện qua việc giảm CrI và tăng hiệu suất loại bỏ lignin, từ đó nâng cao hiệu quả thủy phân và chuyển hóa ethanol.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc tăng hiệu quả tiền xử lý là do sự kết hợp tác động của acid và base giúp phá vỡ cấu trúc lignin bền vững, làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc của cellulose với enzym. Việc giảm CrI chứng tỏ cấu trúc tinh thể cellulose bị phá vỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho enzym thủy phân. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu gần đây cho thấy tiền xử lý acid-base là phương pháp hiệu quả để xử lý lignocellulose.

Hiệu suất chuyển hóa ethanol đạt trên 45% là mức khả quan, tuy chưa tối ưu hoàn toàn nhưng đã cải thiện đáng kể so với các phương pháp truyền thống. Việc nạp enzyme nhiều lần giúp duy trì hoạt tính enzym trong suốt quá trình SSF, giảm hiện tượng ức chế enzym và tăng hiệu quả thủy phân. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh CrI trước và sau tiền xử lý, biểu đồ nồng độ ethanol theo thời gian lên men và biểu đồ hiệu suất thủy phân với các chế độ nạp enzyme khác nhau.

Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ vai trò của tiền xử lý kết hợp acid-base và chiến lược nạp enzyme nhiều lần trong nâng cao hiệu quả sản xuất bioethanol từ lignocellulose, mở ra hướng phát triển công nghệ thân thiện và kinh tế hơn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng tiền xử lý kết hợp acid-base trong công nghiệp: Khuyến nghị sử dụng điều kiện tiền xử lý với 1.67% H2SO4 trong 5.4 giờ và 2.98% NaOH trong 24 giờ cho mùn gỗ cao su, tương tự với rơm rạ để tối ưu hiệu quả loại bỏ lignin và giảm CrI, nâng cao hiệu suất thủy phân. Thời gian thực hiện trong vòng 1 ngày, chủ thể thực hiện là các nhà máy sản xuất bioethanol.

2. Triển khai quy trình nạp enzyme nhiều lần trong SSF: Đề xuất nạp enzyme cellulase thành 3 lần tại các thời điểm 0, 12 và 24 giờ để duy trì hoạt tính enzym, tăng hiệu suất thủy phân và chuyển hóa ethanol. Thời gian áp dụng trong quá trình lên men 80 giờ, chủ thể là phòng thí nghiệm và nhà máy.

3. Phát triển hệ thống giám sát và điều khiển quá trình tiền xử lý và SSF: Xây dựng hệ thống tự động đo lường CrI, nồng độ ethanol và hoạt tính enzym để điều chỉnh kịp thời các thông số vận hành, đảm bảo hiệu quả tối ưu. Thời gian triển khai trong 6-12 tháng, chủ thể là các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp.

4. Nghiên cứu mở rộng nguyên liệu lignocellulose khác: Khuyến khích nghiên cứu áp dụng phương pháp tiền xử lý và SSF với các loại nguyên liệu lignocellulose khác như thân cây ngô, bã mía, rơm rạ để đa dạng hóa nguồn nguyên liệu, giảm chi phí sản xuất. Thời gian nghiên cứu 1-2 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ sinh học, hóa học: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tiền xử lý lignocellulose, thủy phân enzym và lên men bioethanol, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu mới.

2. Doanh nghiệp sản xuất nhiên liệu sinh học: Thông tin về điều kiện tiền xử lý và quy trình SSF giúp tối ưu hóa công nghệ sản xuất bioethanol, giảm chi phí và tăng hiệu quả sản xuất.

3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp dữ liệu khoa học và giải pháp công nghệ hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo bền vững, góp phần xây dựng chính sách phù hợp.

4. Các tổ chức môi trường và phát triển bền vững: Hiểu rõ về lợi ích và tiềm năng của bioethanol từ lignocellulose trong giảm phát thải khí nhà kính và ô nhiễm môi trường, từ đó thúc đẩy các chương trình hỗ trợ.

Câu hỏi thường gặp

1. Tiền xử lý acid-base có ưu điểm gì so với phương pháp đơn lẻ?
   Tiền xử lý kết hợp acid và base tận dụng ưu điểm của cả hai: acid hòa tan hemicellulose và một phần lignin, base làm tan lignin và acetyl nhóm hemicellulose. Kết quả là giảm CrI hiệu quả hơn, tăng diện tích bề mặt cellulose, nâng cao hiệu suất thủy phân enzym và chuyển hóa ethanol. Ví dụ, CrI giảm từ 61.36% xuống 57.61% với mùn gỗ cao su.

2. Tại sao cần nạp enzyme nhiều lần trong quá trình SSF?
   Nạp enzyme nhiều lần giúp duy trì hoạt tính enzym trong suốt quá trình lên men, giảm hiện tượng ức chế enzym và tăng hiệu quả thủy phân. Nghiên cứu cho thấy nạp 3 lần enzyme tăng hiệu suất thủy phân lên 62.31% so với 45.6% khi nạp một lần.

3. Nguyên liệu mùn gỗ cao su và rơm rạ có đặc điểm gì nổi bật?
   Mùn gỗ cao su và rơm rạ là nguồn lignocellulose phong phú, giá thành thấp, có thành phần cellulose chiếm khoảng 50%, lignin chiếm khoảng 30%, phù hợp cho sản xuất bioethanol. Mùn gỗ cao su có CrI ban đầu 61.36%, rơm rạ 56.05%.

4. Hiệu suất chuyển hóa cellulose thành ethanol đạt bao nhiêu?
   Hiệu suất chuyển hóa cellulose thành ethanol qua quá trình SSF đạt khoảng 45.6% với mùn gỗ cao su và 54.91% với rơm rạ, thể hiện hiệu quả chuyển hóa tốt so với các phương pháp truyền thống.

5. Quy trình nghiên cứu có thể áp dụng cho các nguyên liệu khác không?
   Có thể áp dụng cho nhiều loại lignocellulose khác như thân cây ngô, bã mía, rơm rạ, với điều chỉnh điều kiện tiền xử lý phù hợp. Nghiên cứu mở rộng sẽ giúp đa dạng hóa nguồn nguyên liệu và giảm chi phí sản xuất bioethanol.

Kết luận

• Tiền xử lý kết hợp acid-base hiệu quả trong việc loại bỏ lignin và giảm CrI của cellulose, nâng cao hiệu suất thủy phân enzym.
• Quá trình SSF với nạp enzyme nhiều lần cải thiện đáng kể hiệu suất chuyển hóa cellulose thành bioethanol.
• Mùn gỗ cao su và rơm rạ là nguyên liệu tiềm năng, giá thành thấp, phù hợp cho sản xuất nhiên liệu sinh học.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ sản xuất bioethanol thân thiện môi trường và kinh tế.
• Đề xuất triển khai áp dụng công nghệ trong các nhà máy sản xuất bioethanol và nghiên cứu mở rộng nguyên liệu lignocellulose khác.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển công nghệ sản xuất bioethanol bền vững, đồng thời mở rộng nghiên cứu với các nguyên liệu lignocellulose đa dạng hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Cén sinh hoc (hay còn gọi là bioethanol) là một nhiên liệu xanh, khi cháy không gây ra khí phát thải nhà kính. Cồn sinh học được nghiên cứu và phát triển ở những thập kỷ gần đây để giải quyết vấn đề cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch. Nguồn nguyên liệu được nghiên cứu để sản xuất bioethanol là lignocellulose, chúng phô biến và có trữ lượng déi dào, đặc biệt rẻ tiền và không ảnh hưởng đến an ninh lương thực so với thế hệ thứ nhất (sử dụng nguyên liệu là gạo và tinh bột). Tuy nhiên, để chuyên hóa lignocellulose thành cồn sinh học cũng đầy thách thức, đó là vấn đề về thủy phân, thành phần lignin ngăn cản quá trình thủy phân bằng enzyme, vì vậy cần thêm quá trình tiền xử lý.

Tuy nhiên cần tìm phương pháp tiền xử lý phù hợp có thê đem lại hiệu quả loại bỏ lượng lớn lignin và chỉ phí thấp. Trong nghiên cứu này, sử dụng phương pháp tiền xử lý kết hợp cả hai phương pháp đơn lẻ: tiền xử lý acid và tiền xử lý bằng base. Nguyên liệu được sử dụng là mùn cưa gỗ cao su và rơm rạ. Hai nguồn nguyên liệu này rất phô biết ở Việt Nam, và giá thành rẻ.

Nghiên cứu để sử dụng cao su và rơm để chuyển hóa thành cồn sinh học không những có ý nghĩa trong sản xuất nhiên liệu sạch, chúng còn góp phần bảo vệ môi trường. Hằng năm một lượng lớn rơm và mùn cưa cao su không sử dụng sẽ bị đốt thải trực tiếp, gây ô nhiễm không khí. Ngoài nâng cao hiệu suất tiền xử lý, trong nghiên cứu này tìm hiểu về quy trình nạp nhiều lần enzyme, mang lại hiệu quả thủy phân lignocellulose cao hơn cho quá trình thủy phân và lên men đồng thời (SSF). Với việc nâng cao được hiệu xuất cho cả quá trình: quá trình tiền xử lý và quá trình SSF, sẽ nâng cao hiệu suất chuyển hóa bioethanol từ lignocellulose.

Bioethanol — tiém nang va giai phap cho van dé nang lwong 1. Nhu cầu về năng lượng Hiện nay, vấn đề về năng lượng là vấn đề được đặt ra cho hầu hết các nước trên thế giới, kể cả các nước phát triển hoặc đang phát triển. Năng lượng có tầm quan trọng cho sự phát triển của một quốc gia, là động lực để phát triển ngành công nghiệp, giao thông và các ngành nghề liên quan khác. Với sự phát triển ngày càng nhanh thì nhu cầu năng lượng lại càng tăng cao.

Trong một báo cáo gần đây của T. Zhang, nghiên cứu về năng lượng tiêu thụ của thế giới trong hai thập kỷ vừa qua (hình 1.1) cho thấy, sự tăng đáng kê của nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới, với 20 năm nhu cầu sử dụng tăng từ 9000 Mtoe/năm lên đến 14000 Mtoe/năm năm 2018 [1]. Sự tăng này là liên tục, theo xu hướng và độ dốc của đồ thị, có thể dễ dàng dự đoán chúng vẫn còn tăng trong tương lai. 1 11000 y BRICS is Large shift in — 100004 |—* Europe) a att load consumption ®.

† lãng ugevrcesxissereastbesnssildaxsssssgred Õ 9000 oe" : ~ oe §€€©00000000600000006060006000600060000000006 = 280004 A ww 7000 Similar trend 6000 + 8 TT cac NL atte aga aera SA oo aa 5000 -“.epp9 4000 + CA AAAA^AA^A^^^^^*^KỄAAAAAAA* 3000 gt? vvv" 2000 + ee cece eeeerceecseseeo' 1000 7 Ỷ Ỷ 7 Ỷ 7 02 192 92% a8 200 2087 200% 209 got? gor? gor? qot® Years Hình 1.1 Nhu cầu tiêu dùng năng lượng của thế giới từ 1990 đến 2020. Mặt khác, các nhà nghiên cứu khoa học đã đưa ra các cảnh báo về sự thiếu hụt năng lượng của thế giới trong vài thập kỷ tới đây [2]. Dầu thô, than đá và khí đốt là những nguồn cung cấp năng lượng chính cho thế giới. Nguồn nhiên liệu hóa thạch và năng lượng không tái tạo đứng trước nguy cơ cạn kiệt.

Theo nghiên cứu của S. Topal, sử dụng công thức mới được sửa đổi từ mô hình Klass, giả định tỷ lệ hỗn hợp liên tục đã dự đoán thời gian cạn kiệt dự trữ nhiên liệu hóa thạch cho dầu, than và khí đốt lần lượt là 35, 107 và 37 năm. Điều này có nghĩa là trữ lượng than có sẵn đến năm 2112 và sẽ là nhiên liệu hóa thạch có thể cạn kiệt vào năm 2042 [3]. Dưới đây là bảng dự đoán về trữ lượng tính theo năm của các nhiên liệu hóa thạch [4].

Bảng 1 Dự đoán trữ lượng còn lại của một số nhiên liệu hóa thạch. (Nguồn WEO 2006 report) Mô hình Klass Mô hình mới Nhiên liệu Dầu Than Khí gas Dầu Than Khi gas Năm 34 106 36 36 107 37 Trước nguy cơ về sự thiếu hụt về năng lượng cần có một nguồn năng lượng mới thay thế và bền vững hơn để đảm bảo an ninh năng lượng và sự phát triển của toàn câu. Năng lượng tái tạo và xu thế năng lượng của thế giới Thách thức về năng lượng là thách thức của toàn cầu nói chung và của ngành khoa học và công nghệ nói riêng. Giải pháp được đưa ra là năng lượng tái tạo, đây là hướng nghiên cứu của các nhà khoa học và các nước trên thế giới hiện tại để giải quyết vấn đề trên.

Năng lượng tái tạo là nguồn năng lượng từ tự nhiên như gió, nước, mặt trời hoặc có thể do con người tạo ra: nhiên liệu sinh học, điện hóa học,. vả có thể tái sử dụng nhiều lần và có tính bền vững [5]. Các nước trên thế giới đều coi đây là một giải pháp hữu hiệu để giải quyết vấn đề năng lượng. Một báo cáo của IEA (Internation Energy Ageney) đã nghiên cứu sự thay đổi về sản xuất và sử dụng của các nước trên thế giới và đồng thời cũng dự đoán tiềm năng sử dụng của các nguồn năng lượng khác nhau [6].

Coal @ Oil Gas @ Renewables Nuclear Hình 1.2 Dự báo về nhu cầu năng lượng của thé gidi nam 2019 dén 2030. Theo báo cáo cho thấy, một xu hướng chuyên dịch rõ ràng khi độ dốc tăng trưởng của năng lượng tái tạo là cực kì lớn, thế giới ngày càng nhận ra tầm quan trọng của năng lượng tái tạo và hiệu quả nó đem lại không những đối với nhu cầu năng lượng, năng lượng tái tạo cũng là giải pháp cho vấn đề môi trường khi thế giới đang đối mặt với các vấn đề như: ảnh hưởng nhà kính, nóng lên toàn cầu, ô nhiễm môi trường,. Bioethanol một giải pháp năng lượng bền vững Trong các nguồn năng lượng tái tạo, được hỗ trợ nghiên cứu rộng rãi và áp dụng nhiều vào thực tiễn gần đây phải kể đến là bioethanol. Nhiên liệu sinh hoc bioethanol là một sản phẩm lên men, có thê từ tỉnh bột hoặc từ đường sử dụng các vi sinh vật lên men hiém khí hoặc ky khí, sản phẩm sinh ra là ethanol và khí cacbon dioxide [7].

Bioethanol sản xuất đơn giản, từ ngày xưa đến nay con người đã biết cách lên men hoa quả để chế biến thành thức uống chứa cồn. Các sản phẩm quá trình lên men không thê sử dụng làm nhiên liệu bởi vì nồng độ ethanol không cao và còn lại chủ yếu là nước, không thể tham gia phản ứng cháy đề sinh ra nhiệt. Khi cháy, nhiệt sinh ra là lượng nhiệt có ích có thể sử dụng trực tiếp hoặc cung cấp năng lượng làm quay tuabin nước hoặc tuabin hơi, năng lượng của ethanol (CzHzOH) là 29,67 kJ/kg gần bằng với than đá (C), là 32,8 kJ/kg [8]. Vì vậy để cháy được, cần có quá trình chưng cất dịch sau lên men để làm tăng nồng độ ethanol có trong sản phẩm, thông thường nồng độ ethanol cuối của quá trình chưng cất thường đạt trên 90% thê tích.

Tại Việt Nam, cũng đã có rất nhiều nghiên cứu được nhà nước tài trợ để nghiên cứu về bioethanol và có rất nhiều nhà máy được xây dựng và đi vào hoạt động: nhà máy ethanol Đại Lộc (Quảng Nam), nhà máy Cư Jút (Đắk Nông), nhà máy Tam Nông (Phú Thọ), nhà máy ethanol Dung Quốc và nhà máy ethanol Bình Phước. Các nhà máy đã đi vào hoạt động và sản xuất được ra thành phẩm. Trong quá trình hoạt động vì chưa nghiên cứu một cách hệ thống và kỹ lưỡng thì các nhà máy trên gặp các vấn đề kỹ thuật và môi trường dẫn tới việc tạm phải đóng cửa nhà máy. Các vẫn đề gặp phải trong quá trình sản xuất ethanol sẽ được đề cập trong các phần tiếp theo.

Sản xuất ethanol tại Việt Nam nói riêng và trên thế giới nói chung có triển vọng đầy hứa hẹn. Tuy nhiên để đạt được các bước tiến quan trọng cần vượt qua các thách thức và cần tiếp tục nghiên cứu một các chuyên sâu và nghiêm túc hơn.3 Hình ảnh một số nhà máy sản xuất bioethanol tại Việt Nam. Các thế hệ sản suất bioethanol Để sản xuất bioethanol, nguyên liệu được sử dụng phần lớn là từ tỉnh bột và mía đường. Tại đây có thể sử dụng quá trình lên men trực tiếp đối với mía đường khi chuyển đường glucose hoặc saccharose có trong mía đường thành bioethanol: VSV Lên men CạH¿Os ———————— C;H;OH + CO, Đối với tinh bột thì sẽ được thủy phân đề tạo thành glucose va fructose, Cầu trúc tĩnh bột là một mạch poly saccharide mạch thẳng hoặc mạch nhánh, gồm cac a- Glulcose lién kết với nhau bằng liên két a-1,4 — Glylcosidic hoac a-1,6 — Glylcosidic các liên kết này có thé dé dang bị thủy phân bằng acid hoặc enzyme amilase: H* (CạHoOạ)n — +HạO CaHzOa + CeHazOs 0, ức Glucose Frutose Mặt dù quy trình sản xuất đơn giản và hiệu quả cao, tuy nhiên sản xuất bioethanol từ nguyên liệu tỉnh bột và đường mía gặp rất nhiều bất cập.

Nguồn nguyên liệu là nguồn lương thực và thực phâm cho người, nên việc sử dụng thức ăn để làm nhiên liệu là không hợp với đạo đức cho phép. Vì vậy cần tìm hiểu nghiên cứu một nguyên liệu có khả năng chuyên hóa thành ethanol và không ảnh hướng đến an ninh lương thực. Quá trình cải tiến của sản xuất ethanol cũng được dựa trên nguyên nhân này. Có ba thế hệ sản xuất bioethanol.

Thế hệ thứ nhất là sử dụng nguồn tinh bột vừa nêu phần trên. Thế hệ thứ hai có thay đôi về nguyên liệu và quy trình. Sự thay đổi về quy trình để cho phù hợp với nguyên liệu sản xuất. Ở thế hệ thứ hai nguyên liệu chính sản xuất bioethanol là lignocellulose.

Với thành phần chính trong cấu trúc là cellulose, celluose có cấu trúc gần giống với tinh bột, nhưng các mono saccharide là liên kết với nhau bằng liên kết B-1,4 glycosidic va B-1,6 glylcosidic, vì vậy nó có cấu trúc vật liệu phức tạp hơn. Chưa dừng lại tại đó, ngoài cellulose, lignocellulose còn chứa hai thành phần có hàm lượng lớn khác là hemicellulose và lignin. Hemicellulose có khả năng chuyển hóa thành bioethanol nếu sử dụng các chủng vi sinh vật lên men đường 5C.