Nghiên cứu sản xuất khí hydro từ bã mía bằng phương pháp lên men kỵ khí

Chuyên khảo phân tích Nghiên cứu tạo hydro h2 từ bã mía bằng phương pháp lên men kỵ khí, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Nguyễn Dương Tâm Anh
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Công Nghệ Sinh Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Sản Xuất Khí Hydro Từ Bã Mía Bằng Phương Pháp Lên Men Kỵ Khí
• Loại tài liệu: Báo Cáo Nghiệm Thu
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Sản Xuất Khí Hydro Từ Bã Mía Tiềm Năng

Nghiên cứu sản xuất hydro sinh học từ bã mía bằng phương pháp lên men kỵ khí mở ra một hướng đi đầy hứa hẹn trong bối cảnh nhu cầu về năng lượng sạch và bền vững ngày càng tăng cao. Bã mía, một phụ phẩm nông nghiệp dồi dào, không chỉ là một nguồn sinh khối giá rẻ mà còn góp phần giải quyết vấn đề xử lý bã mía, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Đề tài này nằm trong xu thế chung của việc "sản xuất năng lượng xanh từ chất thải", mang ý nghĩa kép: bảo vệ môi trường và tạo ra nguồn nhiên liệu sạch. Các nghiên cứu tập trung vào việc thu nhận các hỗn hợp vi sinh vật lên men hydro, tiền xử lý bã mía để tăng hiệu quả lên men kỵ khí, và khảo sát khả năng tạo khí hydro ở quy mô phòng thí nghiệm. Các thí nghiệm được thực hiện trong chai serum 120ml và fermenter 3l. Thành phần hóa học của bã mía được xác định gồm chất rắn tổng 93.01%, độ ẩm 6.99%, carbohydrate 89.13%, tro 1.55% và thành phần khác 2.79%.

1.1. Lợi Ích Kinh Tế Và Môi Trường Của Sản Xuất Biohydrogen

Việc tận dụng bã mía để sản xuất hydro sinh học không chỉ tạo ra nguồn năng lượng tái tạo mà còn giảm chi phí xử lý bã mía. Điều này có ý nghĩa lớn đối với các nhà máy đường và các vùng trồng mía, nơi bã mía thường được xem là một vấn đề môi trường cần giải quyết. Quá trình lên men kỵ khí còn giúp giảm phát thải khí nhà kính so với các phương pháp sản xuất hydro truyền thống, góp phần vào mục tiêu giảm thiểu biến đổi khí hậu. Nghiên cứu này nằm trong xu thế "năng lượng xanh từ chất thải" có ý nghĩa vừa bảo vệ môi trường và vừa tạo ra nguồn nhiên liệu sạch.

1.2. Các Phương Pháp Tiền Xử Lý Bã Mía Ảnh Hưởng Hiệu Suất Lên Men

Hiệu quả của quá trình lên men kỵ khí bã mía phụ thuộc lớn vào phương pháp tiền xử lý. Các phương pháp vật lý, hóa học (sử dụng acid hoặc base), thủy nhiệt và sinh học đều có thể được áp dụng để phá vỡ cấu trúc phức tạp của bã mía, giúp các vi sinh vật dễ dàng tiếp cận và chuyển hóa thành khí hydro. Lựa chọn phương pháp tiền xử lý phù hợp là yếu tố then chốt để tối ưu hóa hiệu suất sản xuất hydro.

1.3. Ứng Dụng và Tiềm Năng Phát Triển Công Nghệ Sản Xuất Hydro

Công nghệ sản xuất hydro từ bã mía có thể được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy đường, các trang trại và khu công nghiệp. Khí hydro thu được có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông, cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện, hoặc làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác. Việc phát triển và hoàn thiện công nghệ này sẽ góp phần đáng kể vào việc đảm bảo an ninh năng lượng và phát triển kinh tế bền vững. Kết quả nghiên cứu cho thấy có 15 hỗn hợp vi sinh vật có khả năng lên men tạo H2.

II. Thách Thức Và Giải Pháp Sản Xuất Hydro Từ Bã Mía Hiệu Quả

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc sản xuất khí hydro từ sinh khối bã mía vẫn đối mặt với một số thách thức. Hiệu suất lên men có thể chưa cao, chi phí tiền xử lý có thể tốn kém, và việc kiểm soát quá trình lên men kỵ khí để đạt được hiệu quả ổn định đòi hỏi nhiều nghiên cứu và thử nghiệm. Do đó, cần có những giải pháp sáng tạo để giải quyết các vấn đề này, bao gồm việc tìm kiếm các chủng vi sinh vật có khả năng lên men mạnh mẽ, tối ưu hóa các điều kiện lên men, và phát triển các phương pháp tiền xử lý bã mía hiệu quả về chi phí và thân thiện với môi trường.

2.1. Tối Ưu Hóa Quá Trình Lên Men Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Chính

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men kỵ khí, bao gồm nhiệt độ, pH, nồng độ cơ chất, và sự hiện diện của các chất ức chế. Việc kiểm soát chặt chẽ các yếu tố này là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất sản xuất hydro cao. Nghiên cứu cần tập trung vào việc xác định các điều kiện lên men tối ưu cho từng loại vi sinh vật và từng loại bã mía khác nhau. Theo nghiên cứu, tất cả 15 hỗn hợp chủng VSV cho hiệu quả sinh H2 cao nhất sau 48h lên men ở nhiệt độ phòng (28 - 32oC), pH 6,5 với nồng độ glucose ở nồng độ 5 - 7,5 g/l và cao nấm men ở nồng độ 1- 1,5 g/l.

2.2. Tiềm Năng Của Các Chủng Vi Sinh Vật Lên Men Hydro Mới

Việc tìm kiếm và phân lập các chủng vi sinh vật có khả năng lên men hydro mạnh mẽ là một hướng đi quan trọng. Các chủng vi sinh vật này có thể được thu thập từ các môi trường tự nhiên khác nhau, chẳng hạn như bùn thải, phân động vật, hoặc các hệ sinh thái đặc biệt. Nghiên cứu cần tập trung vào việc xác định đặc tính sinh học của các chủng vi sinh vật này, bao gồm khả năng chịu đựng các điều kiện khắc nghiệt, khả năng sử dụng các loại cơ chất khác nhau, và khả năng sản xuất hydro với hiệu suất cao. Các loài vi khuẩn chiếm ưu thế hiện diện trong các hỗn hợp vi sinh vật được xác định bằng phương pháp PCR – DGGE - giải trình tự DNA có thể là Enterococcus, Escherichia/Shigella và Clostridium.

2.3. Giảm Chi Phí Tiền Xử Lý Giải Pháp Nào Khả Thi Nhất

Chi phí tiền xử lý có thể là một rào cản lớn đối với việc thương mại hóa công nghệ sản xuất hydro từ bã mía. Do đó, cần có những nghiên cứu để tìm kiếm các phương pháp tiền xử lý hiệu quả về chi phí. Các phương pháp này có thể bao gồm việc sử dụng các enzyme rẻ tiền, sử dụng các hóa chất thân thiện với môi trường, hoặc kết hợp các phương pháp khác nhau để đạt được hiệu quả tối ưu. Phương pháp tiền xử lý bã mía thành cơ chất dễ lên men sử dụng H2SO4 loãng thích hợp hơn so với dùng NaOH ở các điều kiện xử lý.

III. Phương Pháp Lên Men Kỵ Khí Bã Mía Quy Trình Chi Tiết

Quy trình lên men kỵ khí bã mía bao gồm nhiều giai đoạn, từ tiền xử lý đến lên men và thu hồi khí hydro. Mỗi giai đoạn đều đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo hiệu quả và ổn định của quá trình. Bã mía sau khi được tiền xử lý sẽ được đưa vào hệ thống lên men kỵ khí, nơi các vi sinh vật sẽ chuyển hóa thành khí hydro và các sản phẩm khác. Khí hydro sau đó sẽ được thu hồi và tinh chế để sử dụng cho các mục đích khác nhau.

3.1. Chuẩn Bị Bã Mía Các Bước Tiền Xử Lý Quan Trọng Nhất

Bước chuẩn bị bã mía là vô cùng quan trọng và bao gồm nhiều bước. Đầu tiên là nghiền nhỏ bã mía để tăng diện tích bề mặt. Tiếp theo là áp dụng một trong các phương pháp tiền xử lý đã nêu ở trên (vật lý, hóa học, thủy nhiệt, sinh học) để phá vỡ cấu trúc lignocellulose. Cuối cùng, trung hòa pH và điều chỉnh nồng độ chất dinh dưỡng (nếu cần) trước khi đưa vào hệ thống lên men.

3.2. Lên Men Kỵ Khí Kiểm Soát Điều Kiện Nuôi Cấy

Giai đoạn lên men kỵ khí cần được thực hiện trong môi trường yếm khí hoàn toàn. Cần kiểm soát chặt chẽ các thông số như nhiệt độ, pH, tốc độ khuấy trộn (nếu có), và thời gian lên men. Các vi sinh vật sẽ sử dụng carbohydrate trong bã mía để tạo ra khí hydro, CO2, và các acid hữu cơ. Hàm lượng H2 tích lũy của các hỗn hợp vi sinh vật dao động từ 400 - 900 ml H2/l với hiệu suất sinh H2 đạt 0,84 - 1,60 mol H2/mol glucose.

3.3. Thu Hồi Và Tinh Chế Khí Hydro Sau Lên Men

Sau quá trình lên men, hỗn hợp khí thu được thường chứa khí hydro, CO2, và các tạp chất khác. Cần có các biện pháp để tách khí hydro ra khỏi hỗn hợp và loại bỏ các tạp chất để thu được khí hydro tinh khiết, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật cho các ứng dụng khác nhau. CMS là chủng hỗn hợp có khả năng lên men tốt nhất trên dịch bã mía đã qua tiền xử lý bằng H2SO4 với hàm lượng H2 tích lũy và hiệu suất sinh H2 là 300,136 ± 3,964 ml H2/l môi trường.

IV. Nghiên Cứu Sản Xuất Hydro Kết Quả Và Ứng Dụng Thực Tế

Các nghiên cứu về sản xuất hydro từ bã mía đã mang lại những kết quả đáng khích lệ. Nhiều chủng vi sinh vật có khả năng lên men mạnh mẽ đã được phân lập và xác định. Các phương pháp tiền xử lý bã mía hiệu quả đã được phát triển. Và quy trình lên men kỵ khí đã được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất sản xuất hydro cao. Những kết quả này mở ra tiềm năng ứng dụng thực tế của công nghệ này trong tương lai.

4.1. Kết Quả Nghiên Cứu Về Các Chủng Vi Sinh Vật Lên Men Hydro

Nghiên cứu đã xác định được một số chủng vi sinh vật có khả năng lên men hydro từ bã mía, thuộc các chi như Clostridium, Enterococcus, và Escherichia/Shigella. Các chủng này có khả năng sử dụng nhiều loại carbohydrate khác nhau trong bã mía và sản xuất hydro với hiệu suất khác nhau. Nghiên cứu sâu hơn về đặc tính sinh học và di truyền của các chủng này có thể giúp cải thiện hiệu quả sản xuất hydro.

4.2. Đánh Giá Hiệu Suất Sản Xuất Hydro Với Các Phương Pháp Xử Lý

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp tiền xử lý bằng acid loãng (H2SO4) kết hợp với nhiệt độ cao mang lại hiệu quả tốt hơn so với sử dụng base (NaOH). Điều này có thể là do acid giúp phá vỡ cấu trúc lignocellulose của bã mía một cách hiệu quả hơn, giúp các vi sinh vật dễ dàng tiếp cận và chuyển hóa thành khí hydro. Kết quả tối ưu điều kiện nuôi cấy bằng phương pháp bề mặt đáp ứng RSM đã đưa ra được giá trị tối ưu cho các thông số có ảnh hưởng quan trọng lên quá trình lên men sinh H2.

4.3. Tiềm Năng Ứng Dụng Thực Tế Trong Ngành Nông Nghiệp Và Năng Lượng

Công nghệ sản xuất hydro từ bã mía có thể được tích hợp vào các nhà máy đường, giúp tận dụng phế phẩm bã mía để tạo ra nguồn năng lượng sạch. Khí hydro có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho chính nhà máy, hoặc bán ra thị trường. Ngoài ra, công nghệ này cũng có thể được áp dụng tại các trang trại, giúp giảm chi phí xử lý bã mía và tạo ra nguồn năng lượng phục vụ cho các hoạt động sản xuất nông nghiệp.

V. Kinh Tế Sản Xuất Hydro Từ Bã Mía Phân Tích Chi Phí và Lợi Nhuận

Để đánh giá tính khả thi về mặt kinh tế của việc sản xuất hydro từ bã mía, cần phân tích chi tiết các yếu tố chi phí và lợi nhuận. Chi phí bao gồm chi phí đầu tư ban đầu (hệ thống lên men, thiết bị tiền xử lý, thiết bị tinh chế hydro), chi phí vận hành (hóa chất, enzyme, năng lượng), và chi phí xử lý chất thải. Lợi nhuận đến từ việc bán khí hydro và các sản phẩm phụ khác (ví dụ: phân bón).

5.1. Ước Tính Chi Phí Đầu Tư Và Vận Hành Hệ Thống Sản Xuất

Chi phí đầu tư phụ thuộc vào quy mô của hệ thống sản xuất. Các hệ thống nhỏ (quy mô trang trại) có chi phí thấp hơn so với các hệ thống lớn (quy mô nhà máy). Chi phí vận hành bao gồm chi phí tiền xử lý bã mía, chi phí vi sinh vật, chi phí năng lượng cho việc duy trì nhiệt độ và pH tối ưu, và chi phí bảo trì thiết bị.

5.2. Xác Định Giá Bán Khí Hydro Cạnh Tranh Trên Thị Trường

Giá bán khí hydro phụ thuộc vào chất lượng khí hydro (độ tinh khiết) và điều kiện thị trường. Để cạnh tranh được với các nguồn khí hydro khác (ví dụ: hydro từ khí tự nhiên), giá bán khí hydro từ bã mía cần phải hợp lý và đảm bảo lợi nhuận cho nhà sản xuất.

5.3. Đánh Giá Lợi Ích Kinh Tế Và Môi Trường Tổng Thể

Ngoài lợi nhuận trực tiếp từ việc bán khí hydro, cần xem xét các lợi ích kinh tế và môi trường khác, chẳng hạn như giảm chi phí xử lý bã mía, giảm phát thải khí nhà kính, và tạo ra việc làm cho người dân địa phương. Những lợi ích này có thể làm tăng tính hấp dẫn của dự án và thu hút các nhà đầu tư.

VI. Tương Lai Sản Xuất Hydro Từ Bã Mía Triển Vọng Phát Triển

Công nghệ sản xuất hydro từ bã mía có tiềm năng phát triển lớn trong tương lai. Với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các phương pháp tiền xử lý và lên men sẽ ngày càng hiệu quả hơn, giúp giảm chi phí và tăng hiệu suất sản xuất hydro. Đồng thời, nhu cầu về năng lượng sạch và bền vững ngày càng tăng cao sẽ tạo ra một thị trường rộng lớn cho khí hydro từ bã mía.

6.1. Nghiên Cứu Phát Triển Các Chủng Vi Sinh Vật Hiệu Quả Hơn

Nghiên cứu cần tập trung vào việc tìm kiếm và cải thiện các chủng vi sinh vật có khả năng lên men hydro mạnh mẽ hơn, có khả năng chịu đựng các điều kiện khắc nghiệt hơn, và có khả năng sử dụng nhiều loại cơ chất khác nhau trong bã mía. Công nghệ sinh học phân tử có thể được sử dụng để cải thiện các đặc tính của vi sinh vật.

6.2. Tối Ưu Hóa Quy Trình Tiền Xử Lý Và Lên Men Kỵ Khí

Cần có những nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình tiền xử lý bã mía và lên men kỵ khí, nhằm giảm chi phí và tăng hiệu suất sản xuất hydro. Các phương pháp mô phỏng và thiết kế thí nghiệm có thể được sử dụng để tìm ra các điều kiện tối ưu.

6.3. Chính Sách Hỗ Trợ Phát Triển Năng Lượng Tái Tạo

Chính phủ cần có các chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo, bao gồm cả khí hydro từ bã mía. Các chính sách này có thể bao gồm các khoản trợ cấp, ưu đãi thuế, và các quy định khuyến khích sử dụng năng lượng sạch.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Hiện trạng về nguồn năng lượng sinh khối từ bã mía ở Việt Nam Cây mía hiện nay có diện tích trồng lớn nhất thế giới với khoảng 23,8 triệu ha trên hơn 90 quốc gia, chủ yếu ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới. Sản lượng trung bình là 1,69 tỷ tấn mía mỗi vụ thu hoạch. Trong công nghiệp sản xuất đường, mía chiếm hơn 80% nguyên liệu đầu vào, phần lớn còn lại là củ cải đường.

Các quốc gia sản xuất mía đường lớn nhất đồng thời cũng tiêu thụ đường lớn nhất thế giới là Brazil, Ấn Độ và Trung Quốc. Trong những năm 1990, ngành công nhiệp sản xuất mía đường tại Việt Nam phát triển mạnh mẽ, tăng mạnh về qui mô và diện tích trồng. Tính đến năm 2012, Việt Nam có 40 nhà máy mía đường chủ yếu ở quy mô nhỏ. Sản lượng khai thác mía của Việt Nam hiện nay đang đứng ở vị trí thứ 21 trong tổng số các quốc gia sản xuất đường trên thế giới.

Năng suất khai thác cao nhất là ở đồng bằng song Cửu Long [1]. Theo báo cáo của Cục trồng trọt (DCP), Bộ Nông nghiệp và phá triển nông thôn (MARD), vụ mía 2012-2013 vừa qua, sản lượng mía ép công nghiệp đạt 16,6 triệu tấn, sản xuất được 1,53 triệu tấn đường. So với vụ trước, công suất thiết kế tăng 3,3%, lượng mía ép tăng 14,5%, sản lượng đường tăng 17%.1: Diện tích trồng mía ở Việt Nam trong năm 2007 – 2014 [1] 6 Đồ thị 1.2: Tổng sản lượng mía của Việt Nam trong năm 2007 – 2014 [1] Với sản lượng mía hằng năm vào khoảng 16 triệu tấn, điều này có nghĩa lượng bã mía thải ra sẽ khoảng 4,5 triệu tấn/năm. Khoảng 80% bã được đốt để nạp nồi hơi nhằm sản xuất điện và nhiệt cho việc vận hành máy ép mía [2].

Phần còn lại sẽ được đốt bỏ như phế thải, điều này gây ảnh hưởng đến môi trường. Một hướng tái sử dụng phần bã mía còn lại (20%) chính là sản xuất điện từ sinh khối cho mạng lưới điện quốc gia, tuy nhiên, vì còn nhiều bất cập về chính sách nên hướng đi này chưa hiệu quả. Hướng nghiên cứu tạo khí H2 sinh học từ bã mía sẽ là một trong các giải pháp mới xanh, sạch để tận dụng nguồn năng lượng sinh khối từ bã mía.2 Đặc điểm lý hoá của bã mía Trung bình mỗi 10 tấn mía nguyên liệu sau khi sản xuất sẽ tạo ra khoảng 3 tấn bã mía tươi. Bã mía tươi có độ ẩm khá lớn khoảng 40 – 50%, thành phần còn lại là xơ 48% và chất hòa tan 2%.1 Cấu trúc lignocellulose [4] 7 Thành phần xơ trong bã mía bao gồm: cellulose 45-55%, hemicellulose 20-25%, lignin 18 - 24 %, tro 1-4% và sáp < 1% [3].

Là một trong những nguồn sinh khối lignocellulose, bã mía cũng có các bó sợi với cấu trúc ligniocellulose được cấu tạo từ ba loại polymer sinh học cellulose, hemicellulose và lignin (Hình 1. Cellulose là thành phần chính của cấu trúc lignocelluloses được bao quanh bởi hemicellulose và lignin. Cellulose là một polymer có cấu tạo từ các monomer là các D- glucose liên kết với nhau bởi liên kết β-(1,4)-glycosidic tạo thành chuỗi dài, các chuỗi liên kết với nhau bằng liên kết hydro và Van der Waals, mỗi chuỗi dài khoảng 5000 – 10000 phân tử glucose. Cellulose trong sinh khối tồn tại ở hai dạng cấu trúc: cấu trúc tinh thể (chiếm 2/3 cellulose tổng) không tan trong nước, khó bị khử polymer và cấu trúc vô định hình chiếm tỉ lệ thấp, dễ bị phân giải (Hình 1.2 Cấu trúc của cellulose [4] Hemicellulose có phân tử khối nhẹ hơn cellulose.

Cấu trúc hemicellulose phân nhánh với các nhánh ngắn gồm các pentoses (xylose, rhamnose, arabinose), hexoses (glucose, mannose, galactose) và các uronic acid (D-glucuronic, D-galactouronic acid, 4- omethylglucuronic) nối với nhau bằng liên kết β-(1,4)-glycosidic hay liên kết β-(1,3)- glycosidic. Các polymer trong hemicellulose dễ bị phân giải hơn các polymer trong cellulose. Lignin là một polymer có cấu trúc phức tạp, phân tử khối lớn, được hình thành từ các monomer là 3 rượu phenyl propionic: coniferyl alcohol (guaiacyl propanol), coumaryl alcohol (p-hydroxyphenyl propanol), và sinapyl alcohol (syringyl alcohol). Tỉ lệ của các monemer này khác nhau ở những mô và cơ quan mô khác nhau.

Ngoài thành phần bó sợi lignocelluloses, bã mía còn có cấu trúc mô xốp [5]. Chính cấu trúc này là nhược điểm của bã mía trong việc tận dụng nguồn thải này để làm giấy. Thành phần hoá học của mô xốp cũng là cellulose, hemicelluloses và lignin với tỉ lệ 8 thấp hơn một chút so với cấu trúc bó sợi. Thành phần hoá học của bã mía có thể thay đổi tùy thuộc vào loại mía và điều kiện thổ nhưỡng nơi trồng.

Theo nghiên cứu của Sakchai, bã mía ở địa phương Khon Kaen, Thái Lan có hàm lượng carbohydrate 57 %, lignin 4%, tro 1% và 32% chất khác [6].3 Các phương pháp tiền xử lý bã mía Tiền xử lí là bước rất quan trọng trong lên men sinh H2 trên nguồn cơ chất lignocellulose. Độ kết tinh của cellulose, mức độ trùng hợp, độ ẩm, diện tích tiếp xúc giữa VSV và đơn phân trong lignocellulose thấp, hàm lượng lignin… là những yếu tố cản trở hoạt động của các VSV lên men. Mục tiêu của tiền xử lí là tách lignin và phá vỡ cấu trúc lignocelluloses, được thực hiện bằng các phương pháp nhiệt, cơ, hóa học, sinh học. Đây là một trong những bước tốn kém trong phương pháp lên men.

Có nhiều phương pháp tiền xử lí được nghiên cứu, trong đó các phương pháp như phương pháp cơ học, phương pháp hóa học (thủy phân bằng acid hoặc kiềm), thủy phân bằng nước ở nhiệt độ cao, phương pháp sinh học được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong lên men công nghiệp.1 Phương pháp vật lý Nghiền cơ học thường được áp dụng trước khi tiến hành các phương pháp xử lí khác, bao gồm cắt nhỏ, xay và nghiền. Kích thước sinh khối sau khi cắt nhỏ thường là 10 - 30 mm và sau khi nghiền là 0,2 - 2 mm. Phương pháp cơ học làm giúp giảm kích thước sinh khối, gia tăng bề mặt tiếp xúc, giảm mức độ tinh thể hóa của cellulose. Nhược điểm của phương pháp này là không loại bỏ được lignin đồng thời lại gây hao tốn năng lượng.

Vì vậy, phương pháp này chỉ thật sự hiệu quả khi kết hợp với những phương pháp xử lí khác.2 Phương pháp hóa học 1.1 Thủy phân bằng base Đây là phương pháp được nghiên cứu nhiều vì có thể loại bỏ lignin trong sinh khối, đồng thời có thể loại bỏ nhóm acetyl và các hợp chất acid hữu cơ thay thế khác nhau trên hemicellulose. Cơ chế của quá trình thủy phân bằng base là phản ứng ester xà phòng hóa giữa các phân tử liên kết chéo hemicellulose xylan và các thành phần khác như lignin [7]. Các base thường được sử dụng để thủy phân lignocelluloses là NaOH, ammonia, 9 Ca(OH)2 [8]. Sau khi tiền xử lí bằng NaOH 10% (w/w chất khô), việc xử lý tiếp theo bã mía bởi cellulase cho thấy có 50% và 41% cellulose và hemicelluloses được thủy phân thành các đơn phân đường tương ứng [9].

Nhược điểm của phương pháp này là thời gian thủy phân thường kéo dài, không thu hồi được muối tạo thành.2 Thủy phân bằng acid Có hai phương pháp tiền xử lí bã mía bằng acid là sử dụng acid đậm đặc thủy phân bã mía trong thời gian ngắn ở nhiệt độ thấp và sử dụng acid loãng thủy phân bã mía trong thời gian dài ở nhiệt độ cao. Bên cạnh đó, HCl, HNO3 hay H3PO4 cũng có thể được sử dụng [11, 12]. Việc sử dụng kết hợp acid acetic và H2O2 nhằm loại bỏ lignin trong bã mía trước khi thủy phân bằng enzyme cũng được áp dụng [13]. Theo Chen và cộng sự, xử lý bằng H2SO4 loãng là phương pháp hiệu quả nhất trong tiền xử lí bã mía [10].

Hỗn hợp sinh khối và acid loãng thường được kiểm soát ở nhiệt độ vừa phải, hoặc trong nồi hấp nhiệt độ cao. Binod và cộng sự đã thực hiện tiền xử lí bã mía bằng cách kết hợp sử dụng lần lượt NaOH 1%, H2SO4 1% và enzyme thu được kết quả là 0,83 g đường/g bã mía [14]. Zhicheng Lai và các cộng sự sử dụng H2SO4 2,3% để thủy phân bã mía trong 114,2 phút ở 115oC, khi cho lên men sinh H2 thì hiệu suất sinh H2 đạt 1,86 mol/ mol đường và tốc độ sản xuất H2 đạt 0,52 l/l. Trong nghiên cứu của Fangkum trên bã mía tại địa phương Chaiyaphum, Thái Lan, bã mía được xử lý bằng acid H2SO4 với các nồng độ trong khoảng từ 0,25 – 5% (v/v), ở 121oC, trong 60 phút thì nồng độ 1% có tổng lượng đường là 11,28 g/l và lượng furfural là 0,02 g/l [16].

Còn trong nghiên cứu của Sakchai trên bã mía tại địa phương Khonkaen ở Thái Lan, bã mía được xử lý bằng H2SO4 với tỷ lệ 0,25 – 7%, trong các khoảng thời gian từ 15 - 240 phút, ở 121oC. Kết quả thu được lượng đường là 23 g/l khi xử lý ở nồng độ 1%, trong 60 phút với lượng furfural là 0,12 g/l. Các sản phẩm phụ này thường là các chất ức chế sự sinh trưởng của hỗn hợp vi sinh vật, giảm hiệu suất của các quá trình lên men. Tuy nhiên, có thể sử dụng than hoạt tính để loại bỏ các nhân tố ức chế này [6].

Trong quá trình tiền xử lí bằng acid loãng, các polysaccharides được thủy phân, chủ yếu là hemicelluloses. Các sản phẩm đường tự do bị thoái hóa dưới điều kiện pH acid sẽ hình thành nên các hợp chất như furfural (từ đường pentose), hydroxyl- methyl- furfural 10 (HMF- sản phẩm thoái hóa từ đường hexoses), các acid yếu như acid acetic hay acid formic, hợp chất phenolic (bảng 1. Trong giới hạn nồng độ nhất định, VSV có thể chịu đựng và sinh trưởng trên môi trường có các hợp chất biến dưỡng này. Tuy nhiên, khi nồng độ vượt quá ngưỡng cho phép của VSV, những hợp chất này sẽ ức chế hoạt động của các VSV, đồng thời làm giảm lượng đường cần cho quá trình lên men.3 Phản ứng hình thành furfural Hình 1.4 Phản ứng tạo thành HMF Bảng 1.