Đề tài Sản xuất ethanol từ nguyên liệu biomass

ố đa lượng, calcium là kim loại phong phú nhất, sau đó là kali, và magnesium. Các kim loại dạng vết thường tồn tại dưới dạng phức hợp[55]. 2.5/ MỘT SỐ HỢP CHẤT HÓA HỌC KHÁC: Trong thành phần của biomass, người ta còn thấy một số hợp chất hóa học khác. Chúng bao gồm những chất hòa tan trong nước hoặc dung môi hữu cơ. Khảo sát trên các nguyên liệu thực vật, người ta thấy các chất này chiếm tỉ lệ nhỏ (2-5% khối lượng chất khô của gỗ) tùy vào bản chất và đặc tính của thực vật, điều kiện sống…[53] Tuy chiếm tỉ lệ nhỏ nhưng các chất này đóng vai trò quan trọng trong tế bào thực vật và giữ các chức năng sinh học của cây. Ví dụ như: terpenoid, steroid, chất béo, nhựa và những phần tử phenolic như tannin, flavonoid… Trong đó chất béo và sáp được coi như là nguồn năng lượng và thành phần cấu trúc tế bào. Phenolid có thuộc tính diệt nấm và dễ bị oxy hóa tạo màu. Một số chất được biết đến như là những dược phẩm quan trọng như: flavonoid. Hình 1.10 Một số ví dụ về chất trích ly trong tế bào thực vật. (a) abietic acid (oleoresin); (b) cathechin (flavonoid); (c) palmitic acid (acid béo) Bảng 1.1 Thành phần chính của một số nguyên liệu [32] Nguyên liệu Thành phần (% chất khô) Cellulose Hemicellulose Lignin Lõi ngô 45 35 15 Rơm bắp 40 25 17 Rơm rạ 35 25 12 Rơm lúa mì 30 50 20 Bã mía 40 24 25 Cỏ bermuda 25 35 6 Nguyên liệu Gỗ cứng Gỗ mềm Cỏ Locust Bạch dương Bạch đàn Thông Cỏ mềm Cellulose Glucan 6C 41.61 41.61 44.70 44.70 49.50 49.50 44.55 44.55 31.98 31.98 Hemicellulose Xylan 5C Arabinan 5C Galactan 6C Mannan 6C 17.66 18.55 13.07 21.90 25.19 13.86 14.56 10.73 6.03 21.09 0.94 0.82 0.31 1.60 2.84 0.93 0.97 0.76 2.56 0.95 1.92 2.20 1.27 11.43 0.30 Lignin 26.70 26.44 27.71 27..67 18.13 Tro 2.15 1.71 1.26 0.32 5.95 Acid 4.57 1.48 4.19 2.67 1.21 Các chất khác 7.31 7.12 4.27 2.88 17.54 3/ CẤU TRÚC TẾ BÀO BIOMASS : Công tác nghiên cứu cấu trúc nguyên liệu đóng vai trò rất quan trọng trong việc sáng tạo, cải tiến các phương pháp tiền xử lí, thủy phân nhằm thu được lượng đường cao nhất đồng thời giảm chi phí thực hiện các quá trình đến mức thấp nhất. Trong đó, các phương pháp phân tích như: phương pháp hóa học, phương pháp phân tích quang phổ được sử dụng để xác định thành phần của các chất trong tế bào như đường, protein, acid uronic và lignin. Người ta tiến hành nghiên cứu trên mô thực vật để xác định sự sắp xếp, cấu trúc và thành phần của các polymer. Từ đó xem xét các ảnh hưởng của nó đến quá trình tiền xử lí, quá trình thủy phân, và sự tạo thành các chất ức chế vi sinh vật lên men trong các quá trình. Bó sợi cellulose Hình 1.11 Cấu tạo thành tế bào thực vật[22]. Thành tế bào thực vật bao gồm nhiều hợp phần khác nhau. Mỗi một hợp phần có các chứa năng sinh học khác nhau. Thành tế bào được tạo nên bởi cellulose, hemicellulose, lignin và các chất khác. Như đã giới thiệu ở trên, các chuỗi cellulose kết hợp với nhau tạo thành các vi sợi. Sự sắp xếp của các vi sợi tạo nên cấu trúc cơ bản của thành tế bào. Các vi sợi có cấu trúc chặt chẽ, bao gồm các lớp được định hướng khác nhau. Thành tế bào sơ cấp- hay lớp ngoài cùng- không cho thấy sự định hướng đặc trưng của các vi sợi. Các vi sợi có mặt ở khắp các dạng định hướng tạo mạng lưới khung cho thành tế bào. Thành tế bào thứ cấp ở tế bào gỗ cứng chứa 3 lớp: S1, S2, S3. Tên gọi các lớp dựa trên thứ tự phân bố của chúng từ ngoài vào trong của thành tế bào. S1 là lớp ngoài cùng của thành tế bào thứ cấp. Tiếp theo đó là lớp S2, và trong cùng là S3. Các vi sợi ở lớp S1 được định hướng nằm ngang. Ở lớp S2, các vi sợi được định hướng thẳng đứng. Cuối cùng lại định hướng nằm ngang ở S3. Nghiên cứu ở một loại gỗ cứng cho thấy tỉ lệ giữa các thành phần trong các lớp S1,S2,S3 như biểu đồ sau: % chất khô Thành tế bào thứ cấp Hình 1.12 Tỉ lệ các chất trong thành tế bào gỗ ( Panshin và DeZeeuw 1980)[28]. Mặc dù các lớp xếp khít nhau nhưng giữa chúng vẫn tồn tại các lỗ xôp. Lỗ xốp sẽ được xem là các mao quản khi nó dài và hẹp. Các mao quản được lấp đầy bằng lignin và các chất chiết. Cấu trúc lỗ xốp đóng vai trò quan trọng trong quá trình xâm nhập và tiếp xúc của các tác nhân, dung môi với các thành phần của tế bào. Hầu hết các mao quản đều cho các phân tử có kích thước nhỏ hơn 51 A° đi qua (Grethlein – 1991). Chương 2 Chuẩn bị Tiền xử lí Thủy phân Lên men Nguyên liệu Ethanol Nấm men Nhân giống Chưng cất QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ MỘT SỐ QUI TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL TỪ BIOMASS THỰC TẾ Từ những lợi ích kinh tế, xã hội của ngành công nghiệp sản xuất ethanol từ nguồn nguyên liệu biomass; các công ty, tổ chức đang áp dụng, nghiên cứu và không ngừng cải tiến qui trình công nghệ sản xuất. Ethanol đi từ nguồn nguyên liệu này chủ yếu sử dụng làm nhiên liệu. Theo Willke và Vorlop, công ty Shell Oil dự định sản xuất 30% sản lượng nhiên liệu từ nguồn nguyên liệu biomass. Trong khi đó Dupont đặt ra kế hoạch là 25% sản lượng. Sau đây là một số qui trình chung để tinh chế lignocellulsic. Các quá trình xử lí nguyên liệu thành cellulose, hemicellulose và lignin tiến hành trên cơ sở tương tác vật lí, hóa học, sinh học. Sau đó tiếp tục các quá trình chuyển hóa thu sản phẩm. Hình 2.1 Các qui trình sản xuất đi từ lignocellulosic[60] Hình 2.2 Qui trình sản xuất đi từ nguyên liệu biomass[60] Chương 3 THUYẾT MINH QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ 1/ CHUẨN BỊ : Nghiền bi cũng được sử dụng để loại bỏ rào cản lignin. Kích thước nguyên liệu cellulosic giảm xuống còn nhỏ hơn 400 tế bào (mesh) (Wilke và Mitra, 1975) Mục đích: làm giảm kích thước, chuẩn bị cho các quá trình tiền xử lí tiếp theo. Các biến đổi: trong quá trình nghiền nguyên liệu, chủ yếu xảy ra các biến đổi: Giảm kích thước nguyên liệu. Nhiệt độ nguyên liệu tăng. Một số tế bào của nguyên liệu bị đập dập, một số ít bị phá vỡ. Thiết bị: Quá trình nghiền có thể thực hiện bằng máy nghiền búa. Vật liệu trong máy nghiền búa được nghiền nhỏ do sự va đập của búa vào thành vật liệu và sự chà sát giữa búa và thành máy. Các hạt vật liệu sau khi nghiền có kích thước nhỏ hơn lỗ lưới sẽ đi ra ngoài, các hạt có kích thước lớn hơn sẽ được tiếp tục nghiền. Cách thực hiện: Nguyên liệu được nhập vào máy nghiền. Tiến hành nghiền nhỏ đến kích thước 2-3 mm. Hình 3.1 Máy nghiền búa 2/ TIỀN XỬ LÍ BIOMASS : Ethanol thường được sản xuất từ tinh bột hoặc nguồn nguyên liệu giàu đường. Đối với nguyên liệu giàu tinh bột, tinh bột phải được thủy phân thành đường bằng enzyme, sau đó mới tiến hành lên men thành ethanol. Ngày nay, con người đã nghiên cứu và sản xuất ethanol từ nguồn nguyên liệu giàu cellulose. Khác với nguyên liệu tinh bột, nguyên liệu giàu cellulose phải qua giai đoạn tiền xử lí trước khi tiến hành thủy phân thành đường. Nguyên nhân là do cellulose khó thủy phân hơn tinh bột. Tinh bột chứa amylopectin có cấu trúc phân nhánh nên dễ dàng tiếp xúc với dung môi. Trong khi cellulose tinh thể tạo cấu trúc thẳng, khoảng cách giữa các phân tử thấp nên dung môi tiếp xúc với các phân tử cellulose khó khăn hơn. Bên cạnh đó, việc thủy phân liên kết α - 1,4 – glycosidic trong tinh bột dễ dàng hơn liên kết β- 1,4- glycosidic trong cấu trúc của cellulose. Biomass phải được tiền xử lí trước khi lên men. Quá trình tiền xử lí để nâng cao hiệu quả quá trình thủy phân cần phải thoả mãn những tiêu chuẩn sau: Tạo ra lượng đường có khả năng lên men cao nhất. Hạn chế sự phân hủy các carbohydrate . Giảm sự hình thành những chất ức chế vi sinh vật . Linh hoạt, và phải có hiệu quả kinh tế cao. Tiền xử lí biomass để phá vỡ cấu trúc lignocellulose nhằm giúp cho quá trình thủy phân cellulose tạo ra các monosaccharide diễn ra nhanh và triệt để. Quá trình tiền xử lí biomass chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như: kích thước lỗ xốp, tỉ lệ vùng kết tinh của cellulose. Kích thước lỗ xốp càng lớn, khả năng tiếp xúc với dung môi và tác nhân càng cao. Do đó khả năng thủy phân càng cao. Tỉ lệ kết tinh của cellulose là nhân tố quan trọng quyết định sản lượng glucose thu được. Ở mỗi loại nguyên liệu, tỉ lệ và thành phần nguyên liệu cũng khác nhau. Do đó mức độ kết tinh ở mỗi loại nguyên liệu cũng khác nhau. Mức độ kết tinh càng cao, tốc độ thủy phân càng chậm. Các vi sợi cellulose trong cấu trúc biomass được bao bọc bởi mạng lưới lignin dày đặc. Quá trình tiền xử lí giúp tách loại lignin, tăng khả năng xúc tác trên cấu trúc phân tử cellulose. Bên cạnh đó, quá trình tiền xử lí còn thủy phân hemicellulose có trong thành phần của biomass. Hemicellulose có cấu trúc phân nhánh với những chuỗi mạch ngắn hơn so với cellulose. Do đó việc thủy phân hemicellulose dễ dàng hơn thủy phân cellulose. Hemicellulose bị thủy phân tạo điều kiện thuận lợi cho các tác nhân tiếp xúc thủy phân cellulose ở quá trình tiếp theo[35]. 2.1. Phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước: Năm 1925, W.H.Mason áp dụng phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước vào ngành sản xuất gỗ ép. Từ đó, việc sử dụng phương pháp này được mở rộng sang nhiều lĩnh vực khác như sản xuất thức ăn gia súc, làm bột cưa từ gỗ cứng. Năm 1980, quá trình tiền xử lí biomass bằng phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước được chính thức giới thiệu, ngay sau đó công ty Iotech Corporation đã tiến hành các thí nghiệm đầu tiên để tìm hiểu ảnh hưởng của phương pháp này đến hàm lượng glucose và xylose thu được trong dịch thủy phân cellulose. Theo Iotech, điều kiện xử lí tối ưu của holocellulose (xylose + glucose) là áp suất 500-550 psi , thời gian 40 giây [32]. Nhiều nghiên cứu được tiến hành sau đó. Shultz và các cộng sự tiến hành thí nghiệm so sánh hiệu quả của phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước lên hỗn hợp các mảnh gỗ cứng, vỏ trấu, rơm bắp và bã mía. Kết quả cho thấy, nguyên liệu được tiền xử lí sẽ nâng cao hiệu suất quá trình thủy phân tạo thành đường [63]. Năm 1979 Spano và các cộng sự đã đưa ra bảng số liệu sau: Bảng 2.1 Ảnh hưởng của quá trình tiền xử lí đến quá trình thủy phân. Nguyên liệu Tiền xử lí Tổng lượng đường khử ( mg/ml) 4h 24h Gỗ bạch dương Không 1.4 2.4 Có 15.3 25.8 Dương lá rung Không 1.8 3 Có 12.8 24.8 Rơm bắp Không 4.9 7.8 Có 15.7 22.5 Bã mía Không 1.7 2.5 Có 9.5 16.1 Rác thải đô thị Không 10.5 18.0 Có 6.2 10.8 Gỗ Vân Sam Không 2.0 3.8 Có 3.5 6.4 Gỗ Linh Sam Không 1.6 3.2 Có 2.8 4.3 2.2. Cơ chế : Phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước là một quá trình tác động cơ học, hóa học và nhiệt độ lên hỗn hợp nguyên liệu. Nguyên liệu bị phá vỡ cấu trúc dưới tác dụng của nhiệt, hơi và áp lực do sự giãn nở của hơi ẩm và các phản ứng thủy phân các liên kết glycosidic trong nguyên liệu [19]. Quá trình nổ hơi nước gồm các giai đoạn sau: Làm ẩm nguyên liệu: Nước được gia nhiệt và giữ ở áp suất cao trong thiết bị phản ứng. Hơi nước ngưng tụ ở áp suất cao khuếch tán vào cấu trúc lignocellulosic làm ẩm nguyên liệu. Dưới tác dụng của nhiệt độ, áp suất và hơi nước, hemicellulose bị thủy phân. Sau đó một số sản phẩm của quá trình thủy phân hemicellulose bị phân hủy thành các acid hữu cơ như acid acetic và acid uronic. Các acid này lần lượt tham gia vào quá trình phân cắt mạch hemicellulose, giải phóng xylose và một phần glucan. Các vùng vô định hình của cellulose cũng bị thủy phân một phần. Nếu gia tăng điều kiện tiến hành khắc nghiệt hơn sẽ thúc đẩy quá trình phân hủy xylose thành furfural kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật. Giảm áp đột ngột: Sau khi nguyên liệu được đưa vào thiết bị, gia nhiệt và tăng áp đến nhiệt độ và áp suất nhất định để làm ẩm nguyên liệu, hỗn hợp được ép đưa ra ngoài qua lỗ nhỏ. Ẩm trong biomass đang ở áp suất cao. Khi hỗn hợp đi ra khỏi thiết bị, áp suất giảm đột ngột. Tại đây diễn ra quá trình phân cắt nguyên liệu. Quá trình phân cắt nguyên liệu diển ra dưới tác dụng cơ học và hóa học. Nước trong nguyên liệu đang ở nhiệt độ và áp suất cao. Áp suất giảm đột ngột làm giảm nhiệt độ bốc hơi của nước xuống thấp hơn nhiệt độ hiện có của nguyên liệu. Nước có mặt trong cấu trúc biomass bị bốc hơi. Sự giãn nở của hơi nước tạo ra lực cắt tác động lên khối nguyên liệu. Nếu lực cắt này đủ lớn hơi nước sẽ phá hủy cấu trúc lignocellulosic. Trong quá trình xử lí, lignin bị phá hủy do các liên kết β-O-4-ether và liên kết acid không bền bị cắt tạo ra các dẫn xuất rượu cinnamyl và hỗn hợp các phụ phẩm khác. Chế độ xử lí càng nghiêm ngặt tạo ra càng nhiều các hợp chất có phân tử thấp. Hình 3.1 Quá trình thủy phân 4-O-methylglucuronoxylan, cellulose và các sản phẩm phân hủy. (1) Arabinose (2) xylose (3) acetylated xylooligomers (DP = 3) (4) xylooligomers of higher molecular mass (5) acidic, branched oligosaccharides (6) glucose (7) cellobiose (8) cellooligomers (9) furfural (10) hydroxymethylfurfural (11) levulinic acid (12) furan (13) 2-furoic acid (pyromucic acid). kết hợp các gốc tự do Hình 3.2 Quá trình phân hủy lignin điển hình[40]. A: phản ứng thủy phân tạo hợp chất phenolic. B: phản ứng tạo quinine. C: phản ứng tạo ra hỗn hợp các sản phẩm phụ như phenol, acid carboxylic và các oligolignol. 2.3. Các yếu tố ảnh hưởng: Quá trình nổ bằng áp lực hơi nước chịu ảnh hưởng lớn bởi 2 yếu tố: nhiệt độ và thời gian. Thời gian lưu: thời gian lưu ảnh hưởng đến sự thủy phân của hemicellulose. Thời gian lưu của nguyên liệu trong thiết bị phản ứng càng dài thì hemicellulose được thủy phân càng nhiều. Nhưng nếu giữ nguyên liệu ở trong thiết bị quá lâu sẽ dẫn đến sự phân hủy các sản phẩm thủy phân tạo ra các sản phẩm không cần thiết. Việc thủy phân hemicellulose giúp cho quá trình thủy phân cellulose diễn ra thuận lợi hơn. Nhiệt độ: nhiệt độ có mối quan hệ chặt chẽ với áp suất trong thiết bị. Nhiệt độ càng cao thì áp suất càng cao và ngược lại. Sự gia tăng áp suất làm tăng sự chênh lệch giữa áp suất trong thiết bị và áp suất khí quyển. Từ đó ảnh hưởng đến lực cắt của ẩm khi hóa hơi. 2.4. Phương pháp thực hiện: Nguyên liệu sau khi được cắt nhỏ được đưa vào thiết bị xử lí. Nhiệt độ và áp suất tăng dần cho đến khi đạt 210-290 ºC, 450psig. Sau đó thực hiện giảm áp đột ngột và thu sản phẩm xử lí ở đáy thiết bị [19]. 2.5. Thiết bị : Hiện nay, StakeTech là một trong những thiết bị sử dụng trong quá trình tiền xử lí khá hiệu quả. StakeTech là thiết bị áp suất làm bằng thép không gỉ, đặt nằm ngang có thể chịu được áp suất đến 450 psig. Nguyên liệu được nạp vào liên tục ngược dòng bằng một vít tải để cân bằng với áp lực bên trong thiết bị. Nguyên liệu di chuyển dần về phía cửa tháo liệu. Thời gian lưu của nguyên liệu được điều khiển theo lập trình. Sau đó, dưới tác dụng của lực nén ép, nguyên liệu được đẩy ra ngoài qua van tháo liệu. Van hình cầu, có thể quay và mở đều đặn theo từng khoảng thời gian đặt trước theo tốc độ sản xuất. Tùy vào điều kiện sản xuất mà van có thể định kì mở mỗi 2 – 8 giây. Do đó cần phải chuẩn bị ống dẫn biomass đã xử lí sang quá trình kế tiếp.Thiết bị phản ứng StakeTech đang được sử dụng ở các trường đại học và là một mặt hàng có giá trị thương phẩm cao. Quá trình tiền xử lí có thể được thực hiện bằng hệ thống thiết bị phản ứng liên tục 2 cấp. Thiết bị được thiết kế dựa trên một trục vít nằm ngang và một trục vít đặt thẳng đứng. Trục vít thứ nhất dòng hơi nước được dẫn vào ở 170-185ºC. Trục vít thứ hai sử dụng dòng acid loãng < 0.1 % ( tính theo khối lượng) ở 205-225 ºC . trục vít Hình 3.2 Cấu tạo hệ thống thiết bị tiền xử lí biomass[44]. Hình 3.3 Thiết bị tiền xử lí biomass 3/ Thủy phân nguyên liệu: Mục đích của quá trình thủy phân nguyên liệu là để tạo ra đường làm cơ chất cho quá trình lên men tạo ethanol. Quá trình thủy phân cần đạt được các yêu cầu sau: Thủy phân hemicellulose, cellulose tạo ra hàm lượng đường lên men cực đại. Hạn chế sự phân hủy các carbohydrate đến mức tối đa. Giảm sự hình thành fufural và các hợp chất phenolic. Có hiệu quả kinh tế cao, có thể tận dụng lượng bã sau lên men để làm nhiên liệu. 3.1. Thủy phân bằng acid: Thủy phân bằng acid được xem là phương pháp truyền thống trong lên men lignocellulosic. Năm 1819, Bracconet khám phá ra quá trình xử lí gỗ với acid sulfuride đậm đặc cho ra glucose. Các năm sau đó, các nước đã triển khai việc nghiên cứu và tối ưu quá trình thủy phân. Điển hình như Mỹ và Đức là những nước tiên phong. Phương pháp Simonsen - Mỹ - được đưa vào sử dụng từ năm 1910-1922. Người ta tiến hành thủy phân gián đoạn vụn gỗ thông bằng acid sulfuric 0.5%, áp suất hơi nước 912kPa. Nhưng sản lượng ethanol thu được không cao, toàn bộ quá trình chỉ thu được 22gal/tấn nguyên liệu cellulose. Vài năm sau, Heinrich Scholler - Đức - đã cải tiến quá trình thủy phân và tăng sản lượng ethanol lên 52-58 gal/tấn ( thủy phân trong 13-20 giờ). Scholler đã cho acid sunfuric 0.8% thấm dần qua cột nén vụn gỗ ở nhiệt độ 120-180 ºC. Phương pháp Scholler đã được ứng dụng phổ biến trong chiến tranh thế giới thứ 2 ở Đức. Sau đó, trung tâm thực nghiệm sản phẩm lâm nghiệp Mỹ đã cải tiến quá trình Scholler nâng sản lượng ethanol lên 64.5 gal/tấn ( thủy phân trong 3 giờ ). Điểm tiến bộ của phương pháp này là quá trình được thực hiện liên tục, dòng acid được nhập vào liên tục và tháo dịch thủy phân liên tục. Do đó giảm tối đa sự phân hủy carbohydrate trong quá trình thủy phân [33]. 3.1.1. Cơ chế quá trình thủy phân bằng acid: Quá trình thủy phân acid ban đầu chỉ phá vỡ cấu trúc cellulose ở một mức độ nhất định. Quá trình thủy phân diễn ra theo các bước sau [31]: Bước 1: acid xâm nhập vào mạng lưới các vi sợi của biomass. Chất xúc tác chính là các ion hydrogen có kích thước 4Aº . Trong khi kích thước các lỗ trong vi sợi cho phép các phần tử có kích thước 51Aº đi vào. Do đó các ion hydrogen dễ dàng len lỏi vào mạng lưới vi sợi của cấu trúc biomass. Bước 2: xúc tác quá trình thủy phân. Acid thủy phân cellulose theo cơ chế như sau: Có 2 khuynh hướng tấn công của ion hydrogen vào mạch cellulose: Khuynh hướng thứ nhất: đầu tiên ion hydrogen kết hợp với nguyên tử oxygen nằm trong cấu trúc mạch vòng của gốc glucose làm cho nguyên tử này tích điện dương. Sau đó liên kết O - C1 bị cắt, phần điện tích dương dịch chuyển sang C1. Cuối cùng, phân tử cộng hợp nước tạo ra glucose. Khuynh hướng thứ hai: ion hydrogen tấn công vào nguyên tử O trong liên kết 1-4 glucosidic và cắt đứt liên kết O- C1. Lúc này nguyên tử C1 ở gốc glucose vừa bị cắt mang điện tích dương. Kết thúc quá trình, cation này cộng nước tạo thành glucose. Hình 3.4 Cơ chế quá trình thủy phân bằng acid. Sản phẩm của quá trình thủy phân là các đường tan chủ yếu là glucose, xylose. Quá trình thủy phân cũng tạo ra các acid yếu, các furan và phenolic. Đây là những chất bất lợi cho quá trình lên men do có tính ức chế vi sinh vật, do đó giảm lượng ethanol tạo thành. Chế độ thủy phân có tác động lớn đến sự tạo thành các hợp chất trên. Thủy phân ở nhiệt độ càng cao, nồng độ acid càng cao, lượng sản phẩm không mong muốn càng nhiều. Để tạo ra lượng đường cao nhất, người ta cần tối ưu hóa các thông số công nghệ của quá trình thủy phân. 3.1.2. Các phương pháp xử lí bằng acid: Thủy phân nguyên liệu biomass bằng acid gồm có 2 phương pháp : Thủy phân với nồng độ acid cao, nhiệt độ thấp. Thủy phân với nồng độ acid thấp, nhiệt độ cao. Các phương pháp thủy phân của Prescott và Dunn ( 1959), Riehm (1962), Conrad (1962) được xem là tiến bộ nhất trong nửa đầu thế kỉ 20. Phương pháp đầu tiên do Classen trình bày năm 1901, sử dụng acid sulfurous. Năm 1909, Ewen và Tomlinson đưa ra qui trình sử dụng acid sulfuride. Mãi đến cuối chiến tranh thế giới thứ nhất, các quá trình này mới được áp dụng vào thực tế nhưng cho sản lượng thấp: 75-130l/tấn gỗ nguyên liệu. Vào đầu năm 1920, Scholler đã nghiên cứu quá trình thủy phân bằng acid loãng. Phương pháp Scholler-Tornesch cho sản lượng cao hơn: 200 l/tấn nguyên liệu. Scholler tiếp tục phát triển quá trình và áp dụng vào sản xuất ở quy mô lớn (1930). Đến năm 1950, Tennessee Valley Authoriy xây dựng mô hình mới ở Wilson. Quá trình này sử dụng acid đặc như các quá trình của Hagglund, Bergius, Koch, và Specht (1930)-Đức; Bolzano, Bozen (1942)- Ý. Và sau đó tiếp tục được cải tiến bởi Riehm (1962), Conrad (1962). 3.1.2.1. Thủy phân bằng acid đặc: Phương pháp thủy phân bằng acid đặc gồm các giai đoạn sau: Tiền thủy phân để loại hemicellulose Thủy phân cellulose Thủy phân oligosaccharide thành glucose Ở giai đoạn đầu tiên, cho acid H2SO4 vào sau đó gia nhiệt đến 100˚C để thủy phân hemicellulose. Kết thúc giai đoạn tiền thủy phân thu được dung dịch có chứa hỗn hợp đường pentose và hexose. Đường pentose không được nấm men sử dụng do đó hiệu suất thu hồi đường thấp. Dung dịch thu được sau tiền thủy phân được tách ra. Sau đó cho dung dịch acid đặc vào để phá vỡ cấu trúc tinh thể của cellulose, thủy phân tạo thành glucose. Phương pháp thủy phân bằng acid đặc sử dụng dung dịch H2SO4 72% hoặc dung dịch HCl 42%. Cellulose tinh thể được hòa tan hoàn toàn trong dung dịch acid. Nhiệt độ tiến hành phản ứng thủy phân thấp 10- 45ºC( Oshima, 1965). Các polymer trong nguyên liệu bị cắt mạch thành các oligosaccharides. Trong giai đoạn này, một lượng nhỏ đường glucose bị thất thoát. Sau khi hòa tan trong acid đặc, pha loãng hỗn hợp oligomer và gia nhiệt đến 100-200 ºC trong 1-3 giờ. Lúc này các oligomer của glucose sẽ bị thủy phân thành các monomer. Động lực học của quá trình thủy phân bằng acid đặc không phụ thuộc vào cấu trúc hoặc mức độ kết tinh của cơ chất. Vì vậy lượng glucose thu được sau thủy phân lớn hơn 90% số lượng gốc glucose có trong nguyên liệu ( Grethlein, 1978 ). Tuy nhiên, sau khi thủy phân phải tiến hành loại và thu hồi acid để tái sử dụng, tăng hiệu quả kinh tế. Sử dụng acid HCl thuận lợi hơn H2SO4 do HCl là acid dễ bay hơi, có thể thu hồi bằng thiết bị bốc hơi chân không. H2SO4 không thể thu hồi theo cách này. Người ta có thể tăng tính kinh tế cho quá trình bằng cách kết hợp với các qui trình khác. Ví dụ như sản phẩm trung hòa acid là muối CaSO4 được tận dụng trong sản xuất thạch cao [48]. Tốc độ quá trình thủy phân bằng acid đặc khá cao, không đòi hỏi chế độ tiền xử lí nghiêm ngặt. Tuy nhiên phương pháp này vẫn chưa được áp dụng rộng rãi do hiệu quả kinh tế thấp. Các thiết bị phản ứng sử dụng phải chịu được tính ăn mòn của acid nồng độ cao. Chi phí quá trình tăng tùy thuộc vào vật liệu chống ăn mòn của thiết bị và thể tích của một đơn vị sản phẩm trong bình phản ứng. Bên cạnh đó, chi phí mua acid đặc cũng khá cao [48]. 3.1.2.2. Thủy phân bằng acid loãng: Quá trình thủy phân bằng acid loãng là quá trình xử lí hóa nhiệt để thủy phân cellulose và hemicellulose ở nhiệt độ cao. Các acid được sử dụng như acid sulfuride, hydrochloric hoặc acid nitric. Tiến hành thủy phân với nồng độ acid từ 0.5-1.5% ở nhiệt độ 160ºC. Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến trong thực tế do lượng đường thu được cao từ 75-90% (Wooley và các cộng sự, 1999, Sun and Cheng, 2002 ). Scholler( 1923)- Đức và Saeman( 1945)- Mĩ đã đưa ra dự đoán thời gian thủy phân với nồng độ acid H2SO4 0.4-1.6 %. Quá trình thủy phân gồm 2 bước: Cellulose đường Đường các sản phẩm phân hủy K1, K2 là tốc độ phản ứng – động lực học Arrhenius. Lượng đường tạo thành thay đổi theo các thông số: thời gian, nhiệt độ, nồng độ acid. Ta có phương trình sau: Trong đó: CB là lượng đường thu được a : nồng độ cellulose ban đầu ( lượng glucose trên 100g nguyên liệu ) t : thời gian K1, K2 : vận tôc phản ứng Năng lượng để phân hủy cellulose và glucose là 189,000 và 137,000 kJ/ mol ( Ghose và Ghosh, 1978). Hai giá trị này gần xấp xỉ nhau. Do đó K1 gần bằng K2. Tỉ số CB/ a tăng khi tăng nhiệt độ và nồng độ acid. Động học của quá trình được biểu diễn như sau: Hình 3.5 quá trình thủy phân tạo glucose bằng acid loãng. [48] A : động học quá trình thủy phân theo Saeman(1945) B : động học quá trình thủy phân lí thuyết C : động học quá trình thủy phân thực tế Đường cong B là đường cong lí thuyết, đường cong A là đường cong theo động học Saeman. Đường cong thực tế nằm giữa, được giới hạn bởi hai đường trên. Số liệu thực nghiệm cho thấy tốc đ ộ giải phóng đường bằng acid loãng cơ bản tăng lên khi tiến hành phản ứng ở nhiệt độ rất cao ( 500ºC) trong thời gian ngắn ( Yu và Miller, 1980). Nhưng đồng thời nhiệt cũng gây ra các tác dụng không mong muốn cho phản ứng thủy phân nguyên liệu. Nhiệt độ càng cao thì các chất ức chế quá trình lên men tạo ra càng nhiều. Ở quá trình thủy phân lí thuyết (đường cong B), lượng đường sẽ được trích ra ngay khi giải phóng ra khỏi mạch cellulose. Dịch chiết thu được hòa tan vô hạn trong môi trường thủy phân. Do đó đưa nồng độ đường xuống gần bằng 0 trong suốt quá trình. Wayman( 1980) giảm sự ảnh hưởng bằng cách thủy phân nhiều giai đoạn với 2% H2SO4 ở 190 ºC. Thời gian mỗi giai đoạn là 20 phút. Dịch chiết của mỗi giai đoạn chứa khoảng 20% các monomer của mạch cellulose. Lượng đường thu được sau 5 chu trình có thể đạt được trên 90% [48]. Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn % đường thu được ở qui trình thủy phân nhiều giai đoạn (Wayman, 1980)[48]. Tổng chi phí cho quá trình sử dụng acid loãng thấp hơn nhiều so với acid đặc. Vì vậy không cần phải tiến hành thu hồi acid. Nghiên cứu các ảnh hưởng của quá trình xử lí nhiệt và thủy phân bằng acid ở các nồng độ khác nhau được tiến hành trên bã sắn ( Agu et ai, 1997). Ở nồng độ acid cao H2SO4 1-5 M, quá trình thủy phân diễn ra tốt nhưng xảy ra phản ứng than hóa hoặc loại nước. Khảo sát ở nồng độ acid thấp hơn 0.3-0.5M, 120 ºC trong 30 phút thì thấy rằng thủy phân ở nồng độ H2SO4 0.3M cho kết quả tốt hơn ở các nồng độ khác. Nghiên cứu đưa ra kết luận quá trình thủy phân bã sắn thích hợp với nồng độ acid loãng. 3.1.3. Qui trình thủy phân biomass 2 giai đoạn: Qui trình thủy phân biomass 2 giai đoạn là qui trình có nhiều triển vọng và có tính thương mại cao. Đó là do: Qui trình này sẽ mau chóng được đưa vào các hoạt động thương mại dựa trên cơ sở phương pháp sử dụng acid loãng. Quá trình phân tách hỗn hợp thủy phân hemicellulose và cellulose thu được sản lượng và độ tinh khiết sản phẩm cao. Vì các dịch thủy phân được tách ra trong mỗi giai đoạn. Năng lượng tiêu hao cho toàn bộ quá trình thấp. Quá trình xử lí được thực hiện qua 2 giai đoạn như sau: nước hơi nước hơi acid lignin gỗ Giai đoạn 2 Giai đoạn 1 bã acid rửa rửa Giai đoạn tiền thủy phân Giai đoạn đường hóa dịch thủy phân dịch thủy phân Hình 3.7 Qui trình thủy phân 2 giai đoạn[59]. Dung dịch acid sulfuride được pha loãng và cho trực tiếp vào giai đoạn 1 và dẫn bổ sung vào giai đoạn 2. Hơi được dẫn trực tiếp vào gia nhiệt cho thiết bị. Tại đây hầu hết hemicellulose được thủy phân, sản phẩm tháo ra được đưa qua bộ phận rửa. Hỗn hợp sau khi rửa nhập chung với dung dịch acid rồi chuyển sang giai đoạn 2. Giống như giai đoạn 1, lượng chất lỏng ở giai đoạn 2 được giữ ở mức thấp nhất. Điều kiện ở đây đủ để xảy ra phản ứng thủy phân cellulose. Tháo hỗn hợp cuối cùng và tiến hành rửa để tách glucose còn sót trong bã lignin [59]. Ở giai đoạn đầu, hemicellulose bị thủy phân dễ tạo thành các sản phẩm phân hủy như furfural và các sản phẩm ức chế quá trình lên men. Do đó các điều kiện của giai đoạn này khá nhẹ nhàng : 0.7% acid sulfuride, 190ºC. Trong khi đó giai đoạn 2 chứa các phần rắn chủ yếu là cellulose nên điều kiện phản ứng cũng khắc nghiệt hơn: 0.4% acid sulfuride, 215 ºC. Kết thúc quá trình thu được 89% mannose, 82% galactose, nhưng chỉ có 50% glucose sau đó tiến hành lên men tạo thành ethanol ( US DOE 2003, Graft và Koehler 2000) [59]. 3.1.4. Thiết bị : Quá trình thủy phân biomass có thể thực hiện trong các bình phản ứng. Phương pháp ngâm chiết có thể thực hiện bằng cách cho dòng acid thấm xuyên qua các cột nhồi nhiều lớp. Đây là thiết bị khá thích hợp cho phương pháp thủy phân theo mẻ. Ưu điểm thứ nhất là loại đường ngay khi nó được tạo thành. Thiết bị này ít tạo thành các sản phẩm phân hủy đường và các chất ức chế quá trình lên men, tạo ra lượng đường lớn. Điểm thứ 2, thiết bị có thể hoạt động với tỉ lệ rắn/ lỏng khá cao. Năm 1997 Torget và các cộng sự phát minh ra thiết bị phản ứng BSFT. Đây là thiết bị chảy qua lớp co. Thiết kế nhằm giữ độ chặt của lớp không đổi. Dòng acid được đưa qua thiết bị và đi qua các lớp với vận tốc bé. Thời gian lưu của nguyên liệu trong thiết bị ngắn hơn so với phương pháp ngâm chiết. Thiết bị cho năng suất cao. Sản phẩm thu được có hàm lượng chất phân hủy thấp. 3 2 Hình 3.8 Thiết bị xử lí biomass bằng phương pháp thủy phân BSFT[24] 1: phần thân có bộ phận điều nhiệt 2: nguyên liệu 3: dịch thủy phân 4: dung dịch acid 3.2. Thủy phân bằng enzyme: 3.2.1. Cellulase: Để thủy phân cấu trúc cellulose nhất là cellulose tinh thể cần có sự tham gia của nhiều enzyme ( Schwarz, 2001 ). Cellulase là một hệ enzyme khá phức tạp. Cellulase bao gồm 3 hợp phần cơ bản như sau: endoglucanase, exoglucanase (cellobiohydrolase) và β-glucosidase (cellobiase) [61]. Endoglucanase là enzyme thủy phân liên kết β–1,4–glycosidic của cellulose ở vùng vô định hình (Mosier và các cộng sự, 1999). Sản phẩm thủy phân là các oligosaccharide có độ dài rất khác nhau và càng về sau độ dài mạch càng ngắn (Lynd và các cộng sự, 2002). Các enzyme này đóng vai trò quan trọng trong quá trình thủy phân cellulose. Nó phân cắt mạch cellulose không theo bất kì một nguyên tắc nào, góp phần làm giảm độ dài mạch cellulose một cách đáng kể (Cao và Huimin, 2002) [23]. Exoglucanase (cellobiohydrolase): enzyme phân cắt khá hiệu quả các mạch cellulose ở vùng kết tinh. Enzyme hoạt động theo một qui trình tác dụng lên các cellulose và các sản phẩm bị phân cắt của nó. Enzyme phân cắt các liên kết β–1,4–glycosidic ở đầu mạch, thủy phân từ đầu không khử tạo ra glucose hoặc cellobiose [23]. β-glucosidase (cellobiase) : enzyme kết thúc quá trình thủy phân cellulose. β-glucosidase thủy phân cellobiose tạo ra glucose [23] . Cellulase chỉ được tổng hợp khi tế bào sinh vật phát triển với sự có mặt của cellulose, cellobiose, lactose, sophorose hoặc các glucan khác có chứa liên kết β–1,4–glycosidic ( Gratzali và Brown, 1979). Các sản phẩm cuối của quá trình thủy phân ức chế tác dụng của cellulase. Do đó trong quá trình thủy phân phải liên tục tách các sản phẩm này ra khỏi dịch thủy phân [17]. Trung tâm hoạt động của enzyme cellulase chứa các gốc amino acid đặc hiệu. Trong khi đó cellulose chứa các liên kết glycosidic. Bộ electron σ đóng vai trò phân cực liên kết. Hiệu ứng cảm ứng của nguyên tử oxy trung tâm gây ra một sự tập trung tích điện trên nguyên tử oxy làm cho nguyên tử oxy tích điện âm. Còn các nguyên tử cacbon kết hợp với nó bị khuyết electron nên sẽ tích điện dương. Sự khuyết electron trong liên kết bị thủy phân là yếu tố quan trọng quyết định khả năng thủy phân. Tác dụng xúc tác của enzyme do sự phân bố electron quyết định. Enzyme cellulase có thể tác dụng bằng các cách khác nhau [23] : Cơ chế về khả năng tác dụng của enzyme với sự khuyết electron của liên kết bị thủy phân như sau: enzyme làm tăng sự khuyết electron (vốn đã tồn tại trước đó) bằng cách tạo thành liên kết tương ứng với cơ chất ở những vị trí gần với liên kết bị thủy phân. Nhờ vậy sự phân bố electron trong phân tử cơ chất bị thay đổi theo chiều hướng có lợi. Từ đó việc cắt đứt liên kết diễn ra dễ dàng đồng thời làm cho một trong hai nguyên tử của liên kết tương tác được với các tác nhân ái nhân.(cơ chế A) Cơ chế về khả năng tác dụng của enzyme với “phần dương” của liên kết bị thủy phân như sau: tâm ái nhân của enzyme sẽ tương tác trực tiếp với một trong hai nguyên tử tích điện dương của liên kết bị thủy phân. Sự tạo thành phức hợp trực tiếp như thế với trung tâm phản ứng sẽ làm cho việc cắt đứt các liên kết và sự thủy phân được thuận lợi (cơ chế B) [23]. A B Hình 3.9 Cơ chế tác dụng thủy phân của enzyme cellulose [23]. 3.2.2. Cơ chế quá trình thủy phân biomass: Quá trình thủy phân tiến hành ở nhiệt độ 70ºC trong 1.5 ngày. Sản phẩm thu được có lượng glucose bằng 75-95% số gốc glucose có trong nguyên liệu [30]. Quá trình thủy phân thường có sự kết hợp của các thành phần khác nhau của hệ enzyme cellulase. Sự phối hợp hoạt động của các thành phần enzyme tồn tại khi quá trình thủy phân được thực hiện bởi sự kết hợp của hai thành phần trở lên. Khi nghiên cứu sự phối hợp hoạt động giữa các thành phần cellulase của Trichoderma longibrachiatum (Trichodema reesei), Nidetsky đã rút ra kết luận rằng có sự kết hợp cực đại giữa exoglucanase và endoglucanase trên tinh thể cellulose. Sản phẩm thu được có độ trùng hợp giảm mạnh [61]. Hiện tại, cơ chế thực sự của quá trình thủy phân bởi cellulase và sự tương tác giữa các thành phần của hệ enzyme này chưa hoàn toàn rõ ràng và vẫn còn đang trong giai đoạn nghiên cứu. Các nghiên cứu trước đó cho rằng tồn tại thành phần C1 – thành phần khởi đầu cho quá trình thủy phân cấu trúc cellulose tinh thể. Theo đó, thành phần C1 sẽ phá vỡ liên kết hydrogen nội phân tử trong các sợi làm gia tăng vùng cellulose vô định hình. Quan điểm này lần đầu tiên được đưa ra vào năm 1950. Sau đó Wood cùng cộng sự đã khảo sát và cho rằng thành phần C1 có khả năng là exoglucanase. Ngày nay, nhiều nhà nghiên cứu cũng xem exoglucanase là thành phần C1 [12]. Hiện nay, cơ chế thủy phân của hệ enzyme cellulase được chấp nhận diễn ra theo các bước sau [61]: Endoglucanase thủy phân liên kết β-1,4-glycosidic trong vùng vô định hình tạo ra nhiều đầu không khử. Sau đó exoglucanase cắt các đơn vị cellobiose từ đầu không khử. β-glucosidase tiếp tục thủy phân cellobiose tạo ra glucose. Hình 3.10 Quá trình thủy phân cellulose bằng enzyme cellulose. Sự phối hợp hoạt động của các enzyme rất cần thiết cho quá trình tối ưu hóa quá trình thủy phân. Tồn tại mối tương quan tuyến tính giữa khả năng kết tinh và tốc độ thủy phân ( Fan và cộng sự ). Khả năng kết tinh càng cao thì tốc độ thủy phân càng chậm. Vùng vô định hình có tốc độ thủy phân gấp 2 lần vùng kết tinh. 3.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ quá trình thủy phân: Tốc độ quá trình thủy phân cellulose bằng cellulase chịu tác động của một số các yếu tố. Năm 2002, Lyn và cộng sự đưa ra kết luận như sau: Tỉ lệ kết tinh : đây là yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình thủy phân. Các mạch cellulose có tính kết tinh cao, các sợi cellulose liên kết rất chặt chẽ. Do đó sẽ cản trở quá trình tiếp xúc của enzyme với các mạch cellulose bên trong và làm giảm tốc độ quá trình thủy phân. Mức độ polymer hóa : mạch cellulose càng dài, tốc độ thủy phân càng chậm (Walker và cộng sự , 1990). Kích thước lỗ xốp : kích thước của các lỗ xốp phải đủ lớn cho các enzyme đi vào. Kích thước lỗ xốp càng lớn quá trình thủy phân càng nhanh. Bề mặt tiếp xúc : hầu hết các chuỗi cellulose bị giấu trong các vi sợi- yếu tố cản trở sự xâm nhập của enzyme và giới hạn tốc độ thủy phân. Bề mặt tiếp xúc càng lớn thì càng thuận lợi cho quá trình thủy phân. Quá trình lên men : Cơ sở lí thuyết: Lí thuyết quá trình lên men đã được nhiều nhà sinh học nghiên cứu. Năm 1769, Lavoisier phân tích sản phẩm lên men rượu và nhận thấy khi lên men không những tạo thành ethanol và CO2 mà còn có acid acetic. Năm 1810, Gay-Lussac đưa ra phương trình tổng quát quá trình lên men : C6H12 O6 2 C2H5OH + 2 CO2 + Q Vào khoảng 1871- 1872 Manaxemi đem nghiền tế bào nấm men với cát thạch anh rồi mới cho vào dịch đường thì quá trình lên men vẫn diễn ra. Sau đó, năm 1979 Buchuer nghiền nát tế bào nấm men rồi lấy dịch thu được cho vào dịch đường, vẫn có sự lên men. Người ta gọi dịch chiết nấm men là zymase. Đây chính là tổ hợp nhiều enzyme cùng tham gia chuyển hóa đường thành ethanol và khí CO2. Bản chất của quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử. Quá trình này diễn ra trong cơ thể sinh vật dưới tác động của hệ thống enzyme. Vì vậy quá trình này còn gọi là quá trình oxy hóa sinh học. Trong quá trình đó, các nguyên tử cacbon của cơ chất bị oxy hóa đến CO2 còn các nguyên tử hydro tách ra khỏi cơ chất, đầu tiên được chuyển đến NAD+, sau đó từ NADH2 trong điều kiện yếm khí, hydro có thể chuyển đến các sản phẩm trung gian khác nhau hoặc để tái sinh NAD+. Chất tiếp nhận cuối cùng là chất hữu cơ. Sự tạo thành rượu từ glucose phải qua nhiều giai đoạn như sau: Hình 4.1 Chu trình đường phân. Sau đó, pyruvate sẽ chuyển thành ethanol theo các phương trình sau: 3 Lên men dịch đường từ nguyên liệu biomass: Dịch thu được sau quá trình thủy phân không những chứa glucose mà còn có các chất ức chế quá trình lên men như: fufural, 5- hydroxymethyl furfural (HMF), acid carboxylic và các phenolic. Trong đó 2 chất chất ức chế chủ yếu là fufural và HMF ( Taherzadeh, 1999). Do đó cần loại chất độc trong quá trình thủy phân bằng cách cho dịch thủy phân đi qua cột trao đổi ion và xử lí bằng Ca(OH)2. Hình 4.2 Các phản ứng không mong muốn trong quá trình thủy phân nguyên liệu ( Olsson và Hahn-Hagerdal, 1996). Quá trình lên men được thực hiện bởi S.cerevisiae. Trước tiên nấm men được nuôi trong 24 giờ trong dung dịch chứa 1.5% glucose ở 30ºC (hàm lượng muối và kim loại ở mức thấp nhất). Mục đích của quá trình này là để tăng sinh khối bổ sung vào bình lên men. Trong quá trình lên men cần giữ pH ở giá trị 5.0 nhiệt độ lên men là 30ºC và bổ sung khí nitrogen để tạo môi trường yếm khí cho nấm men (nếu cần). Các phương pháp lên men : Lên men liên tục : nguyên liệu được nhập và tháo liệu liên tục. Lên men gián đoạn: được thực hiện trong các thiết bị gián đoạn. Cơ chất được nhập vào một lần ngay từ đầu của quá rình lên men. Trong quá trình lên men không bổ sung cơ chất mà cũng không tháo liệu. Sản phẩm chỉ được lấy ra khi kết thúc quá trình lên men. Lên men gián đoạn có bổ sung cơ chất : thực hiện bằng thiết bị lên men bán liên tục. Đây là thiết bị có cơ cấu nhập liệu theo chu kì. Ngoài lượng cơ chất ban đầu còn có lượng cơ chất được bổ sung trong quá trình lên men. Sản phẩm được tháo ra vào cuối giai đoạn lên men. Các yếu tố ảnh hưởng: Nhiệt độ: Mỗi vi sinh vật đều có một điều kiện tối ưu nhất cho sự phát triển của chúng. Đối với nấm men Saccharomyces, nhiệt độ tối ưu nằm trong khoảng 28-32 ºC. Ở nhiệt độ cao, hoạt tính của nấm men giảm nhanh và dễ bị nhiễm vi sinh vật như vi khuẩn lactic và nấm men dại. Ở 30ºC, nấm men dại phát triển nhanh hơn Saccharomyces từ 2-3 lần. Tại nhiệt độ 35-38 ºC chúng phát triển nhanh gấp 6-8 lần. Mặt khác quá trình lên men thực hiện ở nhiệt độ cao sẽ tạo ra nhiều sản phẩm phụ như ester, aldehyd, đồng thời tổn thất ethanol theo CO2 sẽ tăng. 4.3.2. Độ pH: Nồng độ ion H+ trong canh trường ảnh hưởng lớn đến hoạt động của nấm men. Chúng có khả năng làm thay đổi điện tích của vỏ tế bào, làm tăng hoặc giảm mức độ thẩm thấu của các chất dinh dưỡng cũng như chiều hướng của quá trình lên men. Mỗi vi sinh vật chỉ có thể hoạt động tốt trong trạng thái ion nhất định, trạng thái này phụ thuộc vào pH của canh trường. Trong điều kiện lên men ethanol, pH tối ưu để tạo ethanol là 4.5-5.0. Nếu pH thấp khoảng 3.0-4.0 nấm men còn hoạt động được và vi khuẩn bị ức chế. pH hơi cao hơn thì canh trường dễ bị nhiễm khuẩn và các sản phẩm phụ trong quá trình lên men sẽ tạo nhiều hơn, lên men có hiệu suất thấp. 4.3.3.Nồng độ dịch lên men: Nếu nồng độ dịch đường quá cao sẽ dẫn đến làm tăng áp suất thẩm thấu và làm mất cân bằng trạng thái sinh lý của nấm men. Kết quả là ethanol nhiều sẽ ức chế không những các tạp khuẩn mà cả nấm men. Mặt khác đường nhiều sẽ kéo dài thời gian lên men. Mặc khác nếu nồng độ đường của dịch lên men thấp thì sẽ làm giảm năng suất thiết bị lên. 4.3.4. Thời gian: Thời gian cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm. Thời gian lên men phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ lên men, nồng độ đường, chủng nấm men,… Thời gian lên men được tính bắt đầu từ khi cấy chủng nấm men vào môi trường lên men, nhưng thời gian kết thúc thì tùy thuộc vào từng môi trường lên men cụ thể và tùy thuộc vào mục đích lên men mà ta dừng quá trình lên men. Trong giai đoạn đầu của quá trình lên men phải cho dịch đường tiếp xúc với oxy. Lúc này nấm men cần oxy để tích lũy một lượng sinh khối cần thiết cho quá trình lên men. Tiếp theo, để chuyển hóa đường thành ethanol, nấm men phải được phát triển trong điều kiện yếm khí hoàn toàn. Vì trong môi trường này, sự hô hấp của nấm men bị ức chế và bắt đầu phải tìm năng lượng cần thiết bằng con đường lên men. Để đáp ứng năng lượng cần thiết thì nấm men cần chuyển hóa một lượng đường lớn thành ethanol và CO2. Đó là nguyên nhân muốn có ethanol nhiều thì không được làm thoáng khí môi trường. Nếu có oxy thì trong giai đoạn này, rượu sẽ tiếp tục chuyển hóa thành acid acetic làm sản phẩm bị chua. Nồng độ CO2 trong môi trường: CO2 được hình thành trong quá trình lên men rượu từ đường. Một phần sẽ tồn tại trong canh trường; một phần sẽ thoát ra khỏi canh trường tạo thành một lớp ngăn cách giữa không khí và dịch lên men. CO2 tích tụ lại trong canh trường chỉ làm giảm khả năng sinh sản của nấm men, nhưng không thể làm cho khả năng lên men của nấm men yếu đi. Trong môi trường có hàm lượng đường cao sẽ cản trở CO2 thoát ra ngoài, dẫn đến ức chế sinh sản của nấm men và sự lên men có hiệu suất thấp. CO2 nằm trong khoảng không giữa bề mặt canh trường và không khí bên ngoài có tác dụng kìm chế sự phát triển của những vi sinh vật hiếu khí gây hại. 4.3.6. Thành phần các chất dinh dưỡng của môi trường lên men: Môi trường nuôi cấy cần phải có đầy đủ các thành phần dinh dưỡng chủ yếu là glucid ở dạng monosaccharide và disaccharide, nitơ ở dạng acid amin, các muối vô cơ ( trừ dạng muối nitrit, nitrat ) các vitamin và muối khoáng. 4.3.7. Hàm lượng giống nấm men: Nấm men là nhân tố tạo ra quá trình lên men, chuyển hóa đường thành ethanol và khí carbonic. Mỗi loài nấm men có khả năng lên men khác nhau. Cùng loài nấm men, nhưng ở những điều kiện lên men khác nhau thì khả năng lên men khác nhau và sản phẩm của quá trình lên men cũng khác nhau. Việc bổ sung tỷ lệ giống lên men cũng phải được lựa chọn. Thông thường lượng men giống cấy vào 15 triệu tế bào/mL dịch lên men. Thiết bị: Để thực hiện quá trình lên men ta có thể sử dụng thiết bị lên men liên tục. Thiết bị có cấu tạo như hình vẽ. Môi trường và giống vi sinh vật được đưa vào qua các ống 3,4,5 để vào bình khuấy trộn đều trước khi vào thiết bị. Sau đó canh trường nuôi cấy chảy vào ống 2 rồi xuống các ống khuyếch tán 8. Đồng thời thổi không khí vào các ống nằm giữa các ống khuyếch tán vào canh trường. Canh trường dâng lên từ từ trong ống khuyếch tán. Sau đó chảy tràn qua các tấm chắn. Hình 4.3 Thiết bị lên men có bộ phận bơm dâng[2] 1 : vỏ thiết bị, 2: ống chảy, 3,4,5: ống nhập liệu của môi trường, gống vi sinh vật, 6: tấm chặn, 7: ống khuếch tán, 8: bộ phận phân phối khí. Chương 4 CÁC SẢN PHẨM TỪ ETHANOL VÀ ỨNG DỤNG 4.1. Các sản phẩm từ ethanol Ethanol đi từ nguyên liệu biomass có thể dụng sử dụng trong các sản phẩm như: Nhiên liệu Ethanol được sử dụng làm nhiên liệu do đốt cháy ethanol cho nhiệt lượng tương đối cao mà không sản sinh ra các chất độc hại. Ngày nay, vấn đề môi trường đang là vấn đề cấp bách. Do đó cần có nguồn nhiên liệu sạch để hạn chế vấn đề ô nhiễm. Trong đó xăng sinh học là nguồn nhiên liệu đầy triển vọng trong tương lai. Dung môi Ethanol là hợp chất hữu cơ hòa tan tốt trong nước và có khả năng hòa tan tốt một số hợp chất hữu cơ nên được dùng làm dung môi hòa tan, trích li trong các các sản phẩm như sơn, bút màu, rượu thuốc… Chất kháng khuẩn Ethanol có khả năng ức chế vi sinh vật nên được dùng làm chất kháng khuẩn. Dung dịch ethanol 70%, 90% - cồn 70˚, cồn 90˚- được dùng trong y học để sát trùng các vết thương, vệ sinh dụng cụ… Các dẫn xuất của ethanol Ethyl ester Trong môi trường acid, ethyl ester được tạo ra theo phản ứng sau: CH3CH2OH + RCOOH → RCOOCH2CH3 + H2O Hai ethyl ester được sản xuất nhiều nhất là ethyl acrylate (từ ethanol và acid acrylic) và ethyl acetate (từ ethanol và acid acetic). Ethyl acrylate là một đơn phân tử được sử dụng trong sản xuất polyme acrylate có công dụng làm chất kết dính hay các vật liệu che phủ. Ethyl axetate là dung môi phổ biến sử dụng trong sơn, các vật liệu che phủ và trong công nghiệp dược phẩm. Một số ethyl ester khác được sử dụng trong công nghiệp như là các chất tạo mùi . Ethyllamin Khi nung nóng tới 150–220 °C trên chất xúc tác niken gốc silica- hay alumina-, ethanol và ammonia phản ứng với nhau để tạo ra ethylamin. Các phản ứng tiếp theo tạo ra diethylamin và triethylamin: CH3CH2OH + NH3 → CH3CH2NH2 + H2O CH3CH2OH + CH3CH2NH2 → (CH3CH2)2NH + H2O CH3CH2OH + (CH3CH2)2NH → (CH3CH2)3N + H2O Các ethylamin được sử dụng trong việc tổng hợp các dược phẩm, hóa chất nông nghiệp và các chất hoạt tính bề mặt. 4.2. Triển vọng ethanol trong tương lai : Trên thế giới, công nghiệp ethanol nhiên liệu đạt sản lượng trên 6.2 tỷ lít vào năm 2000. Hầu hết ethanol được sản xuất từ bắp .Một lượng lớn các chất thải nông nghiệp từ lignocellulosic hiện tại được đem đốt hoặc bỏ đi. Việc tận dụng các nguyên liệu lignocellulosic có thể thay thế gần như 40% gasoline trên thị trường. Sử dụng nguyên liệu lignocellulosic như cỏ, rơm rạ, bã mía có thể giảm đáng kể chi phí về nguyên liệu khi so sánh với nguồn nguyên liệu là bắp. Hiện nay trên thế giới có 50 nước có chương trình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học. Các nước APEC đã chọn nhiên liệu sinh học thay thế cho nhiên liệu hóa thạch. Theo dự báo của các chuyên gia, đến năm 2025, thế giới sẽ sử dụng 12% nhiên liệu sinh học trong toàn bộ nhu cầu năng lượng; đến năm 2020, EU sẽ sử dụng 20% nhiên liệu sinh học. Trong chương trình nghị sự của diễn đàn hợp tác Đông Á - Mỹ Latinh (FEALAC) cũng đã bàn đến các nội dung liên quan đến sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học, gồm: nguyên liệu cho sản xuất biodiesel; công nghiệp sản xuất biodiesel; sản xuất ôtô sử dụng nguyên liệu thay thế; cơ chế chính hỗ trợ; các chương trình nghiên cứu và phát triển. Nhiên liệu sinh học (biofuel) là những nhiên liệu có nguồn gốc từ biomass như củi, gỗ, rơm, trấu... nhưng đây chỉ là những dạng nhiên liệu thô. Theo dự báo, trữ lượng dầu thô của thế giới sẽ cạn kiệt vào khoảng từ năm 2050 - 2060. Vấn đề an toàn nguồn năng lượng và đa dạng hóa nguồn cung cấp nhiên liệu; tình trạng hiệu ứng nhà kính do khí thải; sự bất ổn về chính trị và chủ nghĩa khủng bố thế giới; những tiến bộ của khoa học và công nghệ của nhân loại đang đặt ra cho các nước trên thế giới phải quan tâm đến việc sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học. Na Uy vốn là một nước xuất khẩu dầu mỏ cũng có tới 50% năng lượng được cung cấp từ nguồn nhiên liệu sinh học. Mỹ cũng đặt ra kế hoạch làm giảm sự phụ thuộc của nền kinh tế vào dầu mỏ. Hiện nay trên thế giới có khoảng 800 triệu xe ô tô các loại, tiêu thụ mỗi ngày 10 triệu tấn dầu mỏ, bằng 1/2 sản lượng dầu mỏ khai thác mỗi ngày. Ngày nay sản xuất và sử dụng nhiên liệu bền vững là một nhiệm vụ vô cùng to lớn, trong khi ngành công nghiệp lại đang bước sang một bước ngoặt quan trọng. Năm 2005, nước Đức đã sản xuất được 1,7 triệu tấn biodiesel từ hạt dầu cải làm nhiên liệu cho ô tô. Hiện nay, diện tích trồng dầu hạt cải ở Đức là 1,2 triệu ha, chiếm 10% đất trồng trọt ở nước này và các chuyên gia cho rằng khó có thể mở rộng diện tích trồng dầu hạt cải hơn nữa. Đức chỉ có thể sản xuất nhiều nhất 2 triệu tấn dầu hạt cải, trong khi nhu cầu mỗi năm lên tới 130 triệu tấn. Tuy nhiên, Biodiesel cũng chỉ có thể sử dụng ở một mức độ nhất định đối với một số loại động cơ diesel đời mới. Đây là lý do tập đoàn Shell quan tâm nhiều hơn đến việc phát triển nhiên liệu sinh học thế hệ hai. Để sản xuất nhiên liệu này, người ta sử dụng cả các bộ phận của cây trong quá trình sản xuất nông nghiệp, nhiều khi những bộ phận này là chất thải như rơm rạ, thân cây ngô, hướng dương... Ethanol là một loại nhiên liệu sinh học mà con người đã sản xuất từ hàng nghìn năm nay. Những năm 30 của thế kỷ trước, ở Mỹ người ta cũng đã có ý định dùng rượu cồn làm nhiên liệu ô tô. Tuy nhiên, để sử dụng ethanol làm nguồn nhiên liệu thì cần phải trải qua một giai đoạn thử thách và cố gắng vượt bậc. Brazil là quốc gia duy nhất đi theo con đường riêng của mình và sử dụng cồn làm nhiên liệu cho các loại ô tô. Khoảng 40% nhu cầu nhiên liệu của nước này được đáp ứng bằng bioethanol, một dạng cồn được điều chế từ đường mía. Trong khi đó ở Châu Âu và Bắc Mỹ người ta điều chế ethanol chủ yếu từ cây trồng. Chính phủ Mỹ cũng coi bioethanol là một loại nhiên liệu của tương lai. Một loạt công nghệ mới, đang trong quá trình phát triển, hứa hẹn nhiều triển vọng, đó là “sundiesel”. Trong năm tới, một hệ thống sản xuất “sundiesel” sẽ đi vào hoạt động với năng suất 15.000 tấn/năm. Sundiesel hoàn toàn không độc hại và không có chất aromat. Sau khi nghiên cứu kỹ thị trường nhiên liệu nước ta, tập đoàn Itochu (Nhật Bản) vừa chính thức ký thỏa thuận hợp tác liên doanh với Petrosetco (thành viên của Tập đoàn dầu khí VN) xây dựng nhà máy sản xuất ethanol tại nước ta với công suất 100 triệu lít/ năm từ nguồn nguyên liệu sắn lát và đang phối hợp nghiên cứu sản xuất nhiên liệu từ nguyên liệu biomass. Theo kế hoạch, toàn bộ sản phẩm của nhà máy là ethanol 99,8% sẽ được cung ứng cho thị trường nội địa để pha vào xăng phục vụ công nghiệp và giao thông - vận tải. Đây chỉ là bước khởi đầu cho quá trình triển khai đầu tư dài hạn của Itochu tại VN sắp tới. Sự ra đời của liên doanh sản xuất ethanol sẽ là một trong những bước đi mang tính “đột phá”, đáp ứng nhu cầu về nhiên liệu ngày càng tăng (tỷ lệ pha ethanol vào xăng cho phép là 10%) và quan trọng hơn, sẽ giảm thiểu tối đa ô nhiễm môi trường, đáp ứng đòi hỏi cấp bách của TP. Hồ Chí Minh nói riêng và cả nước nói chung. Dự án đã mở đầu cho sự ra đời một nguồn năng lượng mới, năng lượng sinh học còn gọi là năng lượng sạch, thay thế một phần năng lượng từ dầu mỏ. Sử dụng nhiên liệu có pha ethanol sẽ làm giảm thiểu nồng độ khí thải, góp phần đáng kể vào việc bảo vệ môi trường. Chương 5 KẾT LUẬN Sản xuất ethanol từ nguyên liệu biomass là một hướng phát triển đầy triển vọng trong tương lai. Công nghệ sản xuất ethanol từ biomass đã được nghiên cứu từ rất sớm và đã gặt hái được những thành công nhất định. Nhưng hiệu suất thu hồi sản phẩm và hiệu quả kinh tế vẫn thấp hơn việc sản xuất từ các ngyuyên liệu truyền thống như mật rĩ, tinh bột… Do đó, cần tiếp tục nghiên cứu, cải tiến và tìm ra các thông số thích hợp cho mỗi quá trình. Hiện nay, một số cơ sở đã sử dụng các giống vi sinh vật đã biến đổi gen để lên men dịch thủy phân như E.coli KO11 hay Zymmomonasmobilis. Chúng vừa có khả năng lên men đường hexose vừa có thể len men đường pentose nên tăng lượng ethanol thu được. .