Luận văn Bước đầu khảo sát quá trình thủy phân rơm rạ (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Bước đầu khảo sát quá trình thủy phân rơm rạ (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠNG NGHỆ HĨA VÀ THỰC PHẨM KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM BƯỚC ĐẦU KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN RƠM RẠ GVHD: ThS. NGUYỄN ĐẶNG MỸ DUYÊN SVTH: TRẦN THỊ NHỊ MSSV: 11116049 S K L 0 0 3 7 3 2 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015
2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MƠN CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM NHIỆM VỤ KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Trần Thị Nhị MSSV: 11116049 Ngành: Cơng Nghệ Thực Phẩm 1. Tên khĩa luận: Bước đầu khảo sát quá trình thủy phân rơm rạ. 2. Mã số đồ án: 2015 - 11116049 3. Nhiệm vụ của đồ án: Mục đích chính của đề tài là nghiên cứu quá trình thủy phân rơm rạ tạo ra đường khử, tạo tiền đề cho quá trình lên men tạo thành ethanol sau này: . Khảo sát quá trình thủy phân rơm rạ bằng acid sulfuric. . Khảo sát quá trình thủy phân rơm rạ bằng enzyme cellulase. . Một số phương pháp nâng cao hiệu quả của quá trình thủy phân. Các nội dung chính cần thực hiện để đạt được mục tiêu: Đối với thủy phân bằng acid: . Khảo sát nồng độ acid sulfuric thích hợp cho quá trình thủy phân. . Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đối với quá trình thủy phân. Đối với thủy phân bằng enzyme: . Khảo sát hàm lượng enzyme thích hợp cho quá trình thủy phân. . Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình thủy phân. Bước đầu khảo sát ảnh hưởng của tiền xử lý bằng acid sulfuric lỗng và vi sĩng đến quá trình thủy phân bằng enzyme. 4. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 17/1/2015 5. Ngày hồn thành đồ án: 16/7/2015 6. Họ tên người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Đặng Mỹ Duyên Phần hướng dẫn: Tồn bộ đồ án Nội dung và yêu cầu đồ án tốt nghiệp đã được thơng qua bởi Trưởng Bộ mơn Cơng nghệ Thực phẩm TP.HCM, ngày tháng năm 2015 Trưởng Bộ mơn Người hướng dẫn chính i
3. LỜI CẢM ƠN Được sự cho phép của Khoa Cơng Nghệ Hĩa Học và Thực Phẩm trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hồ Chí Minh, cùng với sự đồng ý của cơ Nguyễn Đặng Mỹ Duyên, tơi đã thực hiện đề tài “Bước đầu khảo sát quá trình thủy phân rơm rạ”. Để hồn thành đề tài này, tơi xin gởi lời cảm ơn chân thành tới cơ Nguyễn Đặng Mỹ Duyên, người đã tận tình hướng dẫn và chỉ dạy tơi trong suốt quá trình thực hiện đồ án, giúp tơi vượt qua những khĩ khăn trong buổi đầu làm quen với cơng tác nghiên cứu khoa học cũng như tiếp cận thực tế. Tơi xin chân thành cảm ơn quý thầy, cơ thuộc bộ mơn Cơng nghệ Thực phẩm đã truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm cho tơi trong suốt quá trình học tập tại trường đại học Sư Phạm Kĩ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh; đồng thời đã nhiệt tình hỗ trợ về thiết bị và hĩa chất cần thiết để tơi cĩ thể hồn thành tốt đồ án tốt nghiệp này. Tơi xin cảm ơn các anh, chị và các bạn làm việc tại phịng thí nghiệm hĩa sinh và phịng cơng nghệ thực phẩm đã đồng hành và giúp đỡ tơi trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp này. Trong quá trình thực hiện đồ án khơng thể tránh khỏi những sai sĩt và hạn chế, do vậy tơi rất mong nhận được nhận xét, gĩp ý của quý thầy cơ và các bạn. Cuối cùng tơi xin kính chúc quý thầy cơ, gia đình và các bạn nhiều sức khỏe và thành cơng. ii
4. LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan tồn bộ nội dung được trình bày trong khĩa luận tốt nghiệp là của riêng tơi. Tơi xin cam đoan các nội dung được tham khảo trong khĩa luận tốt nghiệp đã được trích dẫn chính xác và đầy đủ theo qui định. Ngày tháng năm 2015 Ký tên Trần Thị Nhị iii
5. MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ 1 TĨM TẮT ĐỒ ÁN 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3 1.1. Tổng quan ethanol 3 1.2. Tiềm năng của nguyên liệu sinh học trong sản suất ethanol ở nước ta 4 1.2.1. Tổng quan về nguồn nguyên liệu 4 1.2.2. Hiện trạng sử dụng rơm rạ ở Việt Nam 5 1.3. Tổng quan về nguyên liệu sản xuất ethanol 5 1.3.1. Lignocellulose 5 1.3.2. Cellulose (C6H10O5)n 8 1.3.3. Hemicellulose 9 1.3.4. Lignin (C20H19O14N2) 10 1.4. Tổng quan về enzyme cellulase 12 1.4.1. Định nghĩa cellulase 12 1.4.2. Ứng dụng 13 1.5. Tìm hiểu phương pháp sản xuất ethanol nguyên liệu 13 1.6. Tiền xử lý 14 1.6.1. Tiền xử lý cơ học: cắt nhỏ rơm sau đĩ đem xay 14 1.6.2. Tiền xử lý bằng vi sĩng 14 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 17 2.1. Vật liệu 17 2.1.1. Rơm rạ 17 2.1.2. Enzyme cellulase 17 2.1.3. Hĩa chất được sử dụng 17 2.2. Phương pháp 17 2.2.1. Phương pháp xác định ẩm của nguyên liệu 17 2.2.2. Phương pháp xác định béo của nguyên liệu 17 2.2.3. Phương pháp xác định tro của nguyên liệu 17 2.2.4. Phương pháp xác định xơ tổng của nguyên liệu 18 2.2.5. Phương pháp đo nồng độ đường khử 18 2.3. Bố trí thí nghiệm 19 iv
6. 2.3.1. Khảo sát quá trình thủy phân rơm rạ bằng dung dịch acid sulfuric lỗng 19 2.3.1.1.Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình thủy phân rơm rạ bằng acid sulfuric 19 2.3.1.2.Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ acid sulfuric đến quá trình thủy phân rơm rạ 20 2.3.2. Khảo sát quá trình thủy phân rơm rạ bằng enzyme 20 2.3.2.1.Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình thủy phân rơm rạ bằng enzyme 20 2.3.2.2.Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng enzyme đến quá trình thủy phân rơm rạ 20 2.3.3.Bước đầu khảo sát quá trình tiền xử lý rơm rạ 20 2.3.3.1.Khảo sát tiền xử lý bằng acid sulfuric đến quá trình thủy phân bằng enzyme 20 2.3.3.2.Bước đầu khảo sát ảnh hưởng của xử lý vi sĩng đến quá trình thủy phân rơm rạ bằng enzyme 21 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 23 3.1. Các thơng số của nguyên liệu rơm rạ 23 3.2. Khảo sát quá trình thủy phân bằng acid sulfuric lỗng 24 3.2.1.Ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến quá trình thủy phân rơm rạ bằng acid sulfuric 24 3.2.2.Ảnh hưởng của nồng độ acid sulfuric đến quá trình thủy phân rơm rạ 25 3.3. Khảo sát quá trình thủy phân bằng enzyme 27 3.3.1.Ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến quá trình thủy phân rơm rạ bằng enzyme 27 3.3.2.Ảnh hưởng của hàm lượng enzyme đến quá trình thủy phân rơm rạ 28 3.4. Bước đầu khảo sát ảnh hưởng của một số phương pháp tiền xử lý 30 3.4.1.Ảnh hưởng của tiền xử lý acid sulfuric lỗng đến quá trình thủy phân rơm rạ bằng enzyme 30 3.4.2.Ảnh hưởng của tiền xử lý vi sĩng đến quá trình thủy phân rơm rạ bằng enzyme 31 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 34 v
7. 4.1. Kết luận 34 4.2. Kiến nghị 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 vi
8. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Tính chất của ethanol (Nguyễn Khánh Diệu Hồng, 2012) 3 Bảng 1.2: Sản lượng sinh khối từ các nguồn khác nhau trong giai đoạn 2005 – 2010 (Nguyễn Khánh Diệu Hồng, 2012) 4 Bảng 1.3: Tiềm năng sinh khối phụ phẩm nơng nghiệp (Nguyễn Khánh Diệu Hồng, 2012) 5 Bảng 1.4: Hàm lượng của cellulose, hemicellulose, lignin trong phế phẩm nơng nghiệp và rác thải phổ biến (Reshamwala và cộng sự (1995), Cheung và Anderson (1997), Boopathy (1998) và Dewes và Hunsche (1998)) 7 Bảng 3.1: Các thành phần trong nguyên liệu rơm rạ 23 vii
9. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc của lignocellulose 6 Hình 1.2: Cấu trúc của cellulose. Anhydroglucose là monomer của cellulose. Cellobiose là các nhị trùng (Demirbas, 2008b). 8 Hình 1.3: Lược đồ minh họa của xylan: a là một phần cấu trúc xylan từ gỗ cứng và b một phần cấu trúc xylan từ gỗ mềm (Demirbas, 2008b) 9 Hình 1.4: Lược đồ minh họa của các đơn vị cấu tạo nên lignin 11 Hình 1.5: Ba loại rượu của monolignols: rượu coniferyl, rượu sinapyl, và rượu paracoumaryl 11 Hình 1.6: Sơ đồ mục tiêu của tiền xử lý nguyên liệu lignocellulose (Hsu và cộng sự, 1980). 14 Hình 2.1: Đồ thị đường chuẩn glucose 19 Hình 3.1: Biểu đồ cho thấy sự ảnh hưởng của thời gian đến quá trình thủy phân rơm rạ bằng acid sulfuric. 24 Hình 3.2: Biểu đồ cho thấy sự ảnh hưởng của nồng độ acid sulfuric khác nhau đến quá trình thủy phân rơm rạ bằng acid sulfuric. 25 Hình 3.3: Biểu đồ cho thấy sự ảnh hưởng của thời gian thủy phân đến quá trình thủy phân rơm rạ bằng enzyme. 27 Hình 3.4: biểu đồ cho thấy sự ảnh hưởng của hàm lượng enzyme khác nhau đến quá trình thủy phân rơm rạ bằng enzyme. 28 Hình 3.5: Biểu đồ cho thấy sự ảnh hưởng của thời gian tiền xử lý bằng acid sulfuric 4% đến quá trình thủy phân rơm rạ bằng enzyme. 30 Hình 3.6: Biểu đồ ảnh hưởng của tiền xử lý rơm rạ bằng vi sĩng đến quá trình thủy phân bằng enzyme. A – mẫu bổ sung 20 ml nước cất được xử lý vi sĩng trong thời gian 1, 2 và 3 phút, sau đĩ được thủy phân bằng enzyme 1.2% (w/w), pH = 4.7, nhiệt độ 40oC, thời gian 6 giờ; B – mẫu bổ sung 30 ml nước cất được xử lý vi sĩng trong thời gian 2, 3 và 4 phút, sau đĩ được thủy phân bằng enzyme 1.2% (w/w), pH = 4.7, nhiệt độ 40oC, thời gian 6 giờ; C – mẫu bổ sung 40 ml nước cất được xử lý vi sĩng trong thời gian 3, 4 và 5 phút, sau đĩ được thủy phân bằng enzyme 1.2% (w/w), pH = 4.7, nhiệt độ 40oC, thời gian 6 giờ. 32 viii
10. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, nhu cầu sử dụng nhiên liệu và sản phẩm dầu mỏ phát triển mạnh dẫn đến phát sinh nhiều vấn đề cần được quan tâm giải quyết như nhiên liệu ngày càng cạn kiệt, nạn ơ nhiễm mơi trường ngày càng tăng do khí thải động cơ, các lị đốt cơng nghiệp, các cở sở sản xuất và tồn chứa dầu; sự hao tổn cơng suất và tuổi thọ động cơ Tất cả các điều này đang địi hỏi các nhà khoa học phải nghiên cứu tìm ra các biện pháp nhằm gĩp phần giải quyết các vấn đề cịn tồn tại trong lĩnh vực sản xuất và sử dụng nhiên liệu. Một trong những hướng đề xuất là nhiên liệu sinh học. Nhiên liệu sinh học ngồi chức năng như một phụ gia, tăng cường oxy cho quá trình cháy, nĩ cịn cĩ thể thay thế nhiên liệu khống đang ngày càng cạn kiệt, bởi đây là nhiên liệu cĩ thể tái sinh và nuơi trồng được. Nhiên liệu sinh học cịn đáp ứng được tiêu chuẩn về mơi trường trong cả tương lai gần và xa do giảm thiểu được các khí độc hại như NOx, COx, SOx, hydrocacbon trong sản phẩm cháy. Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới, với hàng trăm loại động thực vật khác nhau sẽ là nguồn cung cấp nguyên liệu vơ tận cho quá trình sản xuất nhiên liệu như biodiezel, ethanol sinh học, dimetyl ete, methanol Ở Việt Nam, việc nghiên cứu nhiên liệu này chỉ mới bắt đầu, nhưng Chính phủ cũng đã dành sự quan tâm đặc biệt tới dạng năng lượng này, và đã cĩ nghị định đưa nhiên liệu sinh học vào sử dụng tại các thành phố lớn của nước ta vào năm 2015, tiến tới trong tồn quốc. Vì thế, chúng tơi chọn đề tài “Bước đầu khảo sát quá trình thủy phân rơm rạ” tạo tiền đề cho quá trình lên men ethanol. nguyên liệu chúng tơi chọn là rơm rạ. Đây là nguồn nguyên liệu dồi dào ở nước ta. Trong phần nghiên cứu này chúng tơi xin được theo đuổi 3 mục tiêu: . Khảo sát quá trình thủy phân rơm rạ bằng acid sulfuric. . Khảo sát quá trình thủy phân rơm rạ bằng enzyme cellulase. . Một số phương pháp nâng cao hiệu quả của quá trình thủy phân. 1
11. TĨM TẮT ĐỒ ÁN Nghiên cứu này tập trung vào đánh giá hiệu quả thủy phân rơm rạ bằng acid sulfuric lỗng, enzyme cellulast 1.5L và một số phương pháp xử lý rơm rạ nhằm tăng hiệu quả thủy phân. Kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình thủy phân rơm rạ bằng H2SO4 4% ở 40oC trong 4 giờ cĩ hàm lượng đường khử hình thành khá cao (3.2424 g/l) trong dung dịch cĩ tỷ lệ nguyên liệu/dung dịch là 1/10 (w/v). Đây được xem là điều kiện thích hợp cho quá trình thủy phân rơm rạ bằng axít lỗng. Quá trình thủy phân rơm rạ bằng enzyme 1% ở 40oC, pH = 4.7, trong 6 giờ cĩ hàm lượng đường khử hình thành khá cao (3.8108 g/l) trong dung dịch cĩ tỷ lệ nguyên liệu/dung dịch là 1/10 (w/v). Đây được xem là điều kiện thích hợp cho quá trình thủy phân rơm rạ bằng enzyme. Tiền xử lý rơm rạ bằng H2SO4 4% ở 40oC trong 2 giờ trước khi thủy phân bằng enzyme 1% ở 40oC, pH = 4.7, trong 6 giờ cĩ hàm lượng đường khử hình thành khá cao (5.0999 g/l) trong dung dịch cĩ tỷ lệ nguyên liệu/dung dịch là 1/10 (w/v). Tiền xử lý rơm rạ bổ sung 40 ml nước cất bằng vi sĩng 900W trong 5 phút trước khi thủy phân bằng enzyme 1% ở 40oC, pH = 4.7, trong 6 giờ giúp tăng hiệu quả thủy phân (5.8937 g/l). 2
12. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan ethanol Ethanol cịn được gọi là rượu etylic, rượu ngũ cốc hay cồn. Nĩ là một hợp chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đẳng của rượu metylic, dễ cháy, khơng màu, là một trong những thành phần của đồ uống chứa cồn. Trong dân dã nĩ thường được gọi vắn tắt là rượu. Cơng thức hĩa học C2H5OH, viết thu gọn là C2H6O (Nguyễn Khánh Diệu Hồng, 2012). Ứng dụng: Ethanol là một trong những hợp chất hữu cơ cĩ chứa oxy quan trọng nhất dưới vai trị dung mơi, nhiên liệu, chất khử trùng, đồ uống, chất chống đơng, và hợp chất trung gian tổng hợp nên các chất khác. Ethanol là một trong những sản phẩm được tiêu thụ nhiều nhất trong cơng nghiệp. Ethanol được coi là dung mơi được sử dụng nhiều thứ hai, sau nước. Nĩ là nguyên liệu thơ quan trọng để sản xuất nhựa tổng hợp, sơn, xi, chất dẻo hĩa, nước hoa, đồ gia dụng. Các ứng dụng đặc biệt của ethanol là làm nhiên liệu, trong đĩ cĩ xăng nhiên liệu. Ngồi ra, ethanol dùng để sản xuất pin nhiên liệu, nhiên liệu tên lửa, làm chất giải độc (ví dụ chất độc methanol hay etylen glycol trong cơ thể người) (Nguyễn Khánh Diệu Hồng, 2012). Bảng 1.1: Tính chất của ethanol (Nguyễn Khánh Diệu Hồng, 2012) TT Tính chất Giá trị 1 Cơng thức phân tử C2H5OH hay C2H6O 2 Phân tử gram 46.07 g/mol 3 Cảm quan Chất lỏng trong suốt, dễ cháy 4 Tỷ trọng 0.789 5 Độ nhớt 1.2 cP ở 20oC 6 Độ tan trong nước Tan hồn tồn 7 Số UN 1170 8 Nhiệt độ sơi 78.4oC (351.6K) 9 Nhiệt độ tan 158.8K (-114.3oC; -173.83oF) 10 Điểm tới hạn 514K (241oC; 465.52oF) ở P = 63 bar 11 pH 7.0 (trung tính) 3
13. 12 Cp 65.21 J/mol.K 13 Tác động cấp tính Buồn nơn, gây mửa, gây trầm cảm, ngừng thở trong trường hợp nặng 14 Tác động kinh niên Nghiện, xơ gan 15 Nhiệt độ tự cháy 425oC (797oF) 16 Mật độ giới hạn nổ 3.5 – 15% 1.2. Tiềm năng của nguyên liệu sinh học trong sản suất ethanol ở nước ta 1.2.1. Tổng quan về nguồn nguyên liệu Hiện cách thơng dụng nhất để làm ra ethanol là sử dụng nguyên liệu mật mía hoặc nguyên liệu cĩ gốc tinh bột như gạo, ngơ, khoai, sắn Tuy nhiên, theo nhận định của Tiến sĩ Nguyễn Đình Quân (Khoa Kỹ thuật hĩa học, Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh) phương pháp này đang gây tranh cãi tại nhiều quốc gia khác trên thế giới do lo ngại vấn đề an ninh lương thực. Trong khi đĩ, rơm rạ tuy cho hiệu suất thấp hơn các phụ phẩm nơng nghiệp cĩ gốc tinh bột nhưng bù lại trữ lượng tại Việt Nam, nhất là Đồng Bằng Sơng Cữu Long rất dồi dào, đây là một lợi thế vơ cùng to lớn. Theo cục thống kê năm 2014, trong khu vực nơng, lâm nghiệp và thủy sản, ngành nơng nghiệp chiếm quy mơ lớn nhất khoảng 74%. Sản lượng lúa cả năm 2014 ước tính đạt gần 45 triệu tấn. Bảng 1.2: Sản lượng sinh khối từ các nguồn khác nhau trong giai đoạn 2005 – 2010 (Nguyễn Khánh Diệu Hồng, 2012) Sản lượng (Mt) Nguồn 2005 2010 Gỗ 23.67 27.6 Phế phẩm nơng nghiệp (trấu, rơm rạ, lõi ngơ, vỏ 60.82 72.37 lạc ) Phân động vật 54.72 60.72 Rác thải rắn từ các khu đơ thị (Hà Nội, TPHCM, 7.34 10.54 Hải Phịng, Đà Nẵng, Cần Thơ) Rác thải hữu cơ cĩ thể sửu dụng năng lượng (dầu 0.83 1.37 ăn thải, mỡ cá) 4
14. Bảng 1.3: Tiềm năng sinh khối phụ phẩm nơng nghiệp (Nguyễn Khánh Diệu Hồng, 2012) Tiềm năng, Quy dầu tương TT Nguồn cung cấp Tỷ lệ, % Triệu tấn đương, triệu tấn 1 Rơm rạ 32.52 7.3 60.4 2 Trấu 6.5 2.16 17.9 3 Bã mía 4.45 0.82 6.8 4 Các loại khác 9 1.8 14.9 Tổng 53.43 12.08 100 Bảng 1.2 và bảng 1.3 cho thấy, nguyên liệu rơm rạ là nguồn nguyên liệu dồi dào, phù hợp để sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất ethanol. 1.2.2. Hiện trạng sử dụng rơm rạ ở Việt Nam Sau mỗi vụ thu hoạch lúa, cảnh khĩi bay mù mịt từ những cánh đồng do người nơng dân đốt rơm rạ gây ra lại tái diễn. Đây là một hiện tượng rất phổ biến ở khắp các đồng quê Việt Nam sau mỗi vụ thu hoạch. Một khảo sát do ơng Đỗ Đức Tưởng và cộng sự thực hiện với 90 hộ gia đình về tình hình sử dụng rợm rạ và trấu tại Thái Bình, Quảng Bình và Cần Thơ cho thấy, ở Cần Thơ, 86% lượng rơm rạ bị đốt bỏ, chỉ cĩ 12% được vùi xuống đất làm phân. Trong khi đĩ, ở Thái Bình, hiện tượng đốt rơm rạ cũng khá phổ biến, với 36% lượng rơm rạ bị đốt bỏ. Một hộ gia đình ở Cần Thơ mỗi năm cĩ thể đốt nhiều nhất tới 32 tấn rơm rạ, hay ít nhất là 5 tấn. Kết quả khảo sát cũng cho thấy, khơng hộ gia đình nào ở Cần Thơ hay Quảng Bình cịn sử dụng rơm rạ cho việc đun nấu nữa. Vấn đề đặt ra là, trong khi năng lượng của chúng ta ngày càng thiếu hụt thì người dân lại đang “vứt bỏ” một nguồn năng lượng lớn từ việc đốt rơm rạ. Như vậy, việc đốt rơm rạ trên đồng ruộng là rất lãng phí nguồn năng lượng khổng lồ, gây ơ nhiễm mơi trường, tổn hại sức khỏe cộng đồng và tiềm ẩn nguy cơ tai nạn giao thơng do hạn chế tầm nhìn. Bên cạnh một phần trấu đã được tận dụng làm nguyên liệu cho các nhà máy nhiệt điện, một lượng nhỏ rơm rạ được dùng làm thức ăn chăn nuơi, trồng nấm thì nguồn năng lượng sinh khối từ rơm rạ cịn lại gần như vẫn bị bỏ phí. 1.3. Tổng quan về nguyên liệu sản xuất ethanol 1.3.1. Lignocellulose Lignocellulose là nguyên liệu rắn để sản xuất ethanol, cĩ nhiều trong thực vật (cây gỗ cứng, gỗ mềm, cỏ ). Nguyên liệu lignocellulose cịn cĩ thuận lợi ở nguồn thu vơ cùng 5
15. dồi dào, rẻ, cĩ khả năng tái tạo, khơng bị cạnh tranh bởi các ngành cơng nghiệp khác (Nguyễn Khánh Diệu Hồng, 2012). Lignocellulose cĩ cấu tạo phức tạp cho nên việc chuyển hĩa thành đường, ethanol khĩ khăn hơn ngũ cốc hay biomass. Cấu tạo hĩa học của nĩ gồm 3 thành phần chính: cellulose tinh thể, hemicellulose, lignin (Deobald & Crawford 1997). Cellulose được bao quanh bởi phân tử hemicellulose và lignin. Hình 1.1: Cấu trúc của lignocellulose Lignocellulose được tiền xử lý phân tách tạo thành đường xylose và lignin. Xylose lên men tạo thành ethanol, lignin được xử lý sâu hơn tạo nhiên liệu lỏng. Cellulose tinh thể chiếm phần lớn nhất và khĩ phân tách nhất, sẽ được thủy phân bằng enzyme tạo thành đường glucose, sau đĩ lên men tạo thành ethanol (Nguyễn Khánh Diệu Hồng, 2012). Hemicellulose chiếm hơn 25% trong thành phần lignocellulose, được cấu tạo từ xylan, rất dễ chuyển hĩa thành đường xylose. Tuy nhiên đường này khĩ chuyển hĩa thành ethanol, người ta phải dùng men, vi khuẩn hoặc kết hợp cả hai để hỗ trợ quá trình chuyền hĩa. Nhưng việc chuyển hĩa này vẫn chưa sẵn sàng để đưa vào cơng nghiệp (Nguyễn Khánh Diệu Hồng, 2012). Thành phần thứ 3 là lignin, là một loại polyme phenolic phân tử lớn (Nguyễn Khánh Diệu Hồng, 2012). Lignin là một polyme rất bất thường và khơng hịa tan gồm các tiểu đơn vị phenylpropanoid, cụ thể là đơn vị p-hydroxyphenyl (H-type), guaiacyl (G- type), và syringyl (S-type). Khơng giống như cellulose hoặc hemicellulose, lignin khơng cĩ chuỗi chứa các tiểu đơn vị lặp đi lặp lại, do đĩ làm cho quá trình thủy phân enzyme của polyme này vơ cùng khĩ khăn (Hetti Palonen, 2004; S. Malherbe & T.E. Cloete, 2002). 6
16. Polyme này cần được phân tách thành các phần tử nhỏ hơn chứa 1 hoặc 2 vịng phenolic. Nhờ các quá trình cĩ xúc tác, các vịng này cắt đi oxy và mạch nhánh tạo thành phenol. Sau đĩ, phenol phản ứng với methanol tạo metyl aryl ete. Đây là chất cĩ trị số octan cao, cĩ thể dùng để pha với xăng (Nguyễn Khánh Diệu Hồng, 2012). Bảng 1.4: Hàm lượng của cellulose, hemicellulose, lignin trong phế phẩm nơng nghiệp và rác thải phổ biến (Reshamwala và cộng sự (1995), Cheung và Anderson (1997), Boopathy (1998) và Dewes và Hunsche (1998)) Nguyên liệu lignocellulose % cellulose % hemicellulose % lignin Gỗ cứng 40 – 55 24 – 40 18 – 25 Gỗ mềm 45 – 50 25 – 35 25 – 35 Vỏ hạt 25 – 30 25 – 30 30 – 40 Ngơ 45 35 15 Cỏ 25 – 40 35 – 50 10 – 30 Giấy 85 – 99 0 0 – 15 Rơm lúa mì 30 50 15 Rác được phân loại 60 20 20 Lá 15 – 20 80 – 85 0 Cotton seed hairs 80 – 95 5 – 20 0 Giấy báo 40 – 55 25 – 40 18 – 30 Waste papers from chemical pulps 60 – 70 10 – 20 5 – 10 Primary wastewater solids 8 – 15 NAb 24 – 29 Swine waste 6.0 28 NAb Phân gia súc 1.6 – 4.7 1.4 – 3.3 2.7 – 5.7 Cỏ Coastal Bermuda 25 35.7 6.4 Switch grass 45 31.4 12.0 Rơm lúac 34 – 38 32 – 40 12 Rơm lúad 32 - 47 19 - 27 5 - 24 NAb - not available. c - theo Hồ Sĩ Tráng, 2003. d - theo Taherzadeh và Karimi, 2007. 7
17. 1.3.2. Cellulose (C6H10O5)n Cellulose là nguồn tài nguyên sinh học phong phú nhất và tái tạo nguồn năng lượng giá rẻ dựa trên hàm lượng năng lượng ($ 3-4 / GJ) (Lynd và cộng sự, 2008; Zhang, 2009). Việc sản xuất các sản phẩm sinh học và năng lượng sinh học từ nguyên liệu lignocellulose tái tạo ít tốn kém sẽ mang lại lợi ích cho nền kinh tế địa phương, mơi trường và an ninh năng lượng quốc gia (Zhang, 2008). Cellulose là một polyme mạch thẳng gồm những đơn vị anhydroglucose. Cellulose là một polyme hữu cơ tương đối tinh khiết, bao gồm các đơn vị anhydroglucose kết hợp với nhau trong một chuỗi phân tử thẳng khổng lồ (Demirbas, 2000). Các đơn vị anhydroglucose này được nối với nhau bằng liên kết β-1,4-glycosic. Do liên kết này, cellobiose được hình thành như các đơn vị lặp lại cho chuỗi cellulose (Hình 1.2). Hình 1.2: Cấu trúc của cellulose. Anhydroglucose là monomer của cellulose. Cellobiose là các nhị trùng (Demirbas, 2008b). Các chuỗi cellulose đơn được liên kết với nhau bằng liên kết hydro (Hetti Palonen, 2004). Cellulose thường được sắp xếp theo cấu trúc vi tinh thể, rất khĩ khăn để hịa tan hoặc thủy phân trong điều kiện tự nhiên. Mức độ trùng hợp (DP) của chuỗi cellulose từ 500 đến 25 000 (Kuhad và cộng sự, 1997; Leschine 1995). Các nhĩm chức trong chuỗi cellulose là các nhĩm hydroxyl. Những nhĩm OH- cĩ thể tương tác với nhau hoặc với nhĩm O-, N-, và S-, hình thành liên kết hydro. Liên lết H- cũng tồn tại giữa các nhĩm OH- của cellulose và phân tử nước. Những nhĩm hydroxyl làm cho bề mặt của phần lớn cellulose ưa nước. Các chuỗi cellulose cĩ nhĩm OH- ở cả hai đầu. Nhĩm OH- ở C1 đã giảm đặc tính (Hetti Palonen, 2004). Cellulose phải được thủy phân thành glucose trước khi lên men sản xuất ethanol. 8
18. 1.3.3. Hemicellulose Thành phần chính thứ 2 của lignocellulose là hemicellulose. Đây là polysaccharide vơ định hình, giống như xylans, arabinogalactans galactoglucomannan, polisacarit, và galactans. Các hemicellulose, khơng giống như cellulose, khơng chỉ chứa các đơn vị glucose, mà cịn được cấu tạo từ một số monosacarit khác như pentose và hexose. Hemicellulose cĩ chiều dài ngắn hơn cellulose, và các cấu trúc phân tử hơi phân nhánh. Ngồi ra, các chuỗi polyme của hemicellulose cĩ các nhánh ngắn và vơ định hình. Bởi vì trong những hình thái vơ định hình, hemicellulose tan một phần hoặc cĩ thể trương (swellable) trong nước (Demirbas, 2009). Hemicelluloses hoạt động như các vật liệu xi măng làm dính các mixen cellulose và chất xơ lại với nhau (Theander, 1985). Đường quan trọng nhất trong các thành phần hemicellulose là xylose. Trong xylan gỗ cứng, chuỗi chính bao gồm các đơn vị xylose được liên kết bởi liên kết β-1,4-glycosidic và phân nhánh bởi liên kết α-1,2-glycosidic với nhĩm acid glucuronic 4-methyl (Hashem và cộng sự, 2007). Ngồi ra, nhĩm O-acetyl đơi khi thay thế nhĩm OH ở vị trí C2 và C3 (Hình 1.3a). Đối với xylan gỗ mềm, các nhĩm acetyl ít hơn trong chuỗi chính. Tuy nhiên, xylan gỗ mềm cĩ thêm các nhánh gồm các đơn vị arabinofuranose liên kết bởi liên kết α- 1,3-glycosidic vào trục chính (Hình 1.3b) (Demirbas, 2009). Hemicelluloses là hịa tan phần lớn trong kiềm và như vậy sẽ dễ dàng được thủy phân (Timell, 1967; Wenzl và cộng sự, 1970; Goldstein, 1981). Hình 1.3: Lược đồ minh họa của xylan: a là một phần cấu trúc xylan từ gỗ cứng và b một phần cấu trúc xylan từ gỗ mềm (Demirbas, 2008b). 9
19. Mức độ trùng hợp trung bình của hemicelluloses thay đổi từ 100 đến 200 (Kuhad và cộng sự, 1997). 1.3.4. Lignin (C20H19O14N2) Lignin (hay lignen) là một hợp chất hĩa học thường được tìm thấy trong gỗ và là một phần khơng thể thiếu của thành tế bào thực vật, đặc biệt là trong các bào quản (tracheids), sợi xylem, và cương bào (sclereids). Đây là một trong hầu hết các hợp chất hữu cơ dồi dào trên trái đất sau cellulose và chitin. Cơng thức hĩa học thực nghiệm của lignin là C20H19O14N2. Lignin là một phức chất, phân tử polyme khối lượng cao được hình thành từ các đơn vị hydroxyphenyl propane. Lignin là một đại phân tử liên kết ngang với khối lượng phân tử lớn hơn 10.000 amu (Demirbas, 2009). Lignin là polyme của các hợp chất thơm. Chức năng của chúng là làm tăng độ bền kết cấu, làm kín hệ thống dẫn nước liên kết rễ với lá, và bảo vệ cây chống lại sự suy thối (Glasser và Sarkanen, 1989). Lignin là một đại phân tử, trong đĩ bao gồm alkylphenol và cĩ một cấu trúc ba chiều phức tạp. Các đơn vị hĩa học cơ bản phenylpropane của lignin (chủ yếu syringyl, guaiacyl và p-hydroxy phenol) như thể hiện trong hình được liên kết với nhau bởi một tập hợp các mối liên kết để tạo thành một ma trận rất phức tạp (Demirbas, 2009). Ma trận này bao gồm một loạt các nhĩm chức, chẳng hạn như hydroxyl, methoxyl và cacbonyl, do đĩ các đại phân tử lignin cĩ tính phân cực cao (Demirbas và Kucuk, 1993; Hashem và cộng sự, 2007). Cấu trúc của cellulose và lignin cấu trúc đã được nghiên cứu rộng rãi trong các nghiên cứu trước đĩ (Young, 1986; Hergert và Pye, 1992; Mantanis và cộng sự, 1995; Bridgwater, 2003; Garcia-Valls và Hatton, 2003; Mohan và cộng sự, 2006). Lignin đĩng một vai trị quan trọng trong việc dẫn nước trong thân cây. Các thành phần polysaccharide của vách tế bào thực vật rất ưa nước và do đĩ no thấm nước, trong khi lignin là kỵ nước. Các liên kết ngang của polysaccharides bởi lignin là một trở ngại cho sự hấp thụ nước của thành tế bào. Lignin cĩ mặt trong tất cả các lồi thực vật bậc cao, nhưng khơng cĩ trong rêu (Demirbas, 2009). 10
20. Hình 1.4: Lược đồ minh họa của các đơn vị cấu tạo nên lignin Sinh tổng hợp lignin bắt đầu với sự tổng hợp của monolignols. Các nguyên liệu ban đầu là phenylalanine amino acid. Cĩ ba loại chính của monolignols: rượu coniferyl, rượu sinapyl, và rượu paracoumaryl (Hình 1.5). Hình 1.5: Ba loại rượu của monolignols: rượu coniferyl, rượu sinapyl, và rượu paracoumaryl Những nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng lignin hồn tồn khơng đồng nhất trong cấu trúc. Lignin bao gồm vùng vơ định hình và các vùng cĩ cấu trúc hình thuơn hoặc hình cầu (Novikova và cộng sự, 2002). Lignin trong tế bào thực vật bậc cao hơn khơng cĩ vùng vơ định hình. Các vịng phenyl trong lignin của gỗ mềm được sắp xếp trật tự trên mặt phẳng thành tế bào (Agarwal và Atalla, 1986; Atalla và Agarwal, 1985). Ngồi ra, cả cấu trúc hĩa 11
21. học và cấu trúc khơng gian của lignin đều bị ảnh hưởng bởi mạng polysaccharide (Houtman và Atalla, 1995). Việc mơ hình hĩa động học phân tử cho thấy rằng nhĩm hydroxyl và nhĩm methoxyl trong các oligomer tiền lignin sẽ tương tác với vi sợi cellulose cho dù bản chất của lignin là kỵ nước (Houtman và Atalla, 1995). Nhĩm chức ảnh hưởng đến hoạt tính của lignin là nhĩm phenolic hydroxyl tự do, methoxy, benzylic hydroxyl, ether của benzylic với các rượu thẳng và nhĩm carbonyl. Guaicyl lignin chứa nhiều nhĩm phenolic hydroxyl hơn syringyl (Sjưstrưm, 1981). Cấu trúc hĩa học của lignin rất dễ bị thay đổi trong điều kiện nhiệt độ cao và pH thấp như điều kiện trong quá trình tiền xử lý bằng hơi nước. Ở nhiệt độ phản ứng cao hơn 200oC, lignin bị kết khối thành những phần riêng biệt và tách ra khỏi cellulose (Tanahashi và cộng sự, 1983). 1.4. Tổng quan về enzyme cellulase 1.4.1. Định nghĩa cellulase Cellulase là các enzym thủy phân liên kết β-1,4-glucosidic trong chuỗi cellulose. Chúng được sản xuất từ nấm, vi khuẩn, sinh vật đơn bào, thực vật và động vật. Các mơ- đun xúc tác của xenlulaza được phân loại thành nhiều nhĩm dựa trên trình tự axit amin và cấu trúc tinh thể (Henrissat, 1991). Trong tự nhiên, cellulose thủy phân hồn tồn được trung gian bởi sự kết hợp của ba loại chính của cellulase: (1) endoglucanases (EC 3.2.1.4), (2) exoglucanase, bao gồm cellobiohydrolases (CBHs) (EC 3.2.1.91), và (3) β-glucosidase (BG) (EC 3.2.1.21). Để thủy phân và chuyển hĩa cellulose khơng hịa tan, các vi sinh vật phải tiết ra cellulase (cĩ thể trừ BG) (Xiao-Zhou Zhang và Yi-Heng Percival Zhang, 2013). Cellulase đang ngày càng được sử dụng cho một loạt lớn các mục đích trong cơng nghiệp như: ngành cơng nghiệp dệt may, cơng nghiệp giấy và bột giấy và cơng nghiệp thực phẩm, cũng như một chất phụ gia trong chất tẩy rửa và cải thiện khả năng tiêu hĩa thức ăn chăn nuơi (Xiao-Zhou Zhang và Yi-Heng Percival Zhang, 2013). Hiện tại, cellulase chiếm một phần đáng kể của thị trường enzyme cơng nghiệp trên thế giới. Các mối quan tâm ngày càng tăng về sự suy giảm của dầu thơ và lượng phát thải khí nhà kính đã thúc đẩy việc sản xuất ethanol sinh học từ lignocellulose, đặc biệt là thơng qua các enzyme thủy phân của vật liệu lignocellulose - nền tảng của đường (Bayer và cộng sự, 2007; Himmel và cộng sự, 1999; Zaldívar và cộng sự, 2001). Tuy nhiên, chi phí của cellulase thủy phân vật liệu lignocellulose đã được tiền xử lý cần phải được giảm, và về 12
22. S K L 0 0 2 1 5 4