Luận văn Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL NHIÊN LIỆU TỪ RƠM RẠ SVTH : TRẦN DIỆU LÝ MSSV : 60301608 CBHD : PGS.TS. PHAN ĐÌNH TUẤN BỘ MÔN: KỸ THUẬT HỮU CƠ TP. HỒ CHÍ MINH, 01/2008 ii Đại Học Quốc Gia Tp.HCM. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM. TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA. Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc. --------------- ------------- Số: ________/ BKĐT NHIỆM VỤ LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP KHOA: KỸ THUẬT HÓA HỌC. BỘ MÔN: KỸ THUẬT HỮU CƠ. HỌ VÀ TÊN: TRẦN DIỆU LÝ MSSV: 60301608 NGÀNH: KỸ THUẬT HỮU CƠ LỚP: HC03KSTN 1. Đầu đề luận án: NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL NHIÊN LIỆU TỪ RƠM RẠ 2. Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu): Nghiên cứu quá trình thuỷ phân rơm rạ đã qua tiền xử lý, sử dụng enzyme cellulase. Nghiên cứu quá trình thuỷ phân và lên men đồng thời rơm rạ đã qua tiền xử lý,, sử dụng enzyme cellulase và nấm men saccharomyces cerevisiae. 3. Ngày giao nhiệm vụ luận án: 15/9/2007. 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15/12/2007. 5. Họ tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn PGS TS. PHAN ĐÌNH TUẤN Toàn bộ. Nội dung và yêu cầu LATN đã được thông qua Bộ môn. Ngày 15 tháng 9 năm 2007 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN. NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH. (Ký và ghi rõ họ tên) ( Ký và ghi rõ họ tên) PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ): Đơn vị: Ngày bảo vệ: Điểm tổng kết: Nơi lưu trữ luận án: iii LỜI CẢM ƠN Luận văn là tác phẩm của một sinh viên trước khi rời khỏi trường đại học. Để hoàn thành luận văn, sinh viên cần phải áp dụng tất cả các kiến thức và hiểu biết mà mình đã tích luỹ được trong suốt những năm học ở trường. Chính vì vậy những kiến thức mà em đã tiếp thu được trong 5 năm học tại trường Bách Khoa là nền tảng vững chắc giúp em hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa KỸ THUẬT HOÁ HỌC nói chung và các thầy cô trong bộ môn KỸ THUẬT HỮU CƠ nói riêng vì đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ em trong suốt những năm vừa qua. Em xin chân thành cảm ơn thầy Phan Đình Tuấn, thầy là người đã giúp em đến với hướng nghiên cứu này, đồng thời cũng là người tận tình chỉ bảo, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành tốt luận văn. Em cũng xin cảm ơn anh Ngô Đình Minh Hiệp vì đã nhiệt tình giúp đỡ em cả về kiến thức chuyên môn lẫn thực nghiệm trong suốt những ngày hoàn thành luận văn tại Tung tâm Lọc Hoá Dầu. Cuối cùng, em xin cảm ơn bạn bè và người thân trong gia đình, những người luôn là chỗ dựa vững chắc và luôn ủng hộ em trong mọi việc. Sinh viên thực hiện Trần Diệu Lý iv MỤC LỤC Chương 1 MỞ ĐẦU......................................................................................................1 1.1 CÂY LÚA Ở VIỆT NAM .......................................................................................1 1.2 RƠM RẠ................................................................................................................2 1.2.1 Nguồn rơm rạ ở Việt Nam................................................................................2 1.2.2 Hiện trạng sử dụng năng lượng từ rơm rạ ở Việt Nam ....................................3 1.3 BIOETHANOL TỪ RƠM RẠ................................................................................3 1.4 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU........................................................4 Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU...........................................................................5 2.1 NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE .................................................................5 2.1.1 Cấu trúc lignocellulose .....................................................................................5 2.1.2 Cellulose ...........................................................................................................6 2.1.3 Hemicellulose ...................................................................................................8 2.1.4 Lignin .............................................................................................................10 2.1.5 Các chất trích ly..............................................................................................12 2.1.6 Tro ..................................................................................................................13 2.2 QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL TỪ RƠM RẠ ...........................................13 2.2.1 Tổng quát........................................................................................................13 2.2.2 Tiền xử lý........................................................................................................14 2.2.3 Thủy phân.......................................................................................................20 2.2.4 Lên men ..........................................................................................................33 2.2.5 Thủy phân và lên men đồng thời ....................................................................38 2.3 SƠ LƯỢC VỀ BIOFUEL VÀ ETHANOL NHIÊN LIỆU ....................................44 2.3.1 Biofuel ............................................................................................................44 2.3.2 Ethanol nhiên liệu...........................................................................................45 Chương 3 THỰC NGHIỆM ......................................................................................48 3.1 NGUYÊN LIỆU VÀ HÓA CHẤT ........................................................................48 3.1.1 Rơm rạ ............................................................................................................48 3.1.2 Enzyme ...........................................................................................................48 3.1.3 Giống nấm men ..............................................................................................49 3.2 CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG .................................................................................49 3.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG.....................................................................52 3.3.1 Phương pháp phân tích thành phần xơ sợi trong biomass – rơm rạ ...............52 3.3.2 Phương pháp đo nồng độ glucose và ethanol .................................................56 3.3.3 Phương pháp xác định độ ẩm của nguyên liệu...............................................63 v 3.3.4 Phương pháp nuôi cấy và đếm nấm men........................................................64 3.4 TRÌNH TỰ NGHIÊN CỨU.................................................................................66 3.4.1 Sơ đồ quy trình ...............................................................................................67 3.4.2 Quá trình nổ hơi – tiền xử lý rơm rạ...............................................................67 3.4.3 Quá trình thủy phân ........................................................................................68 3.4.4 Quá trình thủy phân và lên men đồng thời .....................................................69 Chương 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .....................................................................71 4.1 PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN RƠM RẠ ..............................................................71 4.1.1 Thành phần rơm rạ trước nổ hơi.....................................................................71 4.1.2 Thành phần rơm rạ sau nổ hơi........................................................................72 4.1.3 So sánh rơm rạ trước và sau nổ hơi ................................................................72 4.1.4 Thành phần dịch nổ hơi. .................................................................................74 4.2 QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN.................................................................................76 4.2.1 Thành phần dịch thủy phân ............................................................................76 4.2.2 Ảnh hưởng của phần trăm bã rắn ...................................................................77 4.2.3 Ảnh hưởng của lượng enzyme cho vào..........................................................79 4.2.4 Ảnh hưởng của pH .........................................................................................84 4.2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ .................................................................................87 4.2.6 Hiệu suất thủy phân , nồng độ đường tạo thành theo thời gian......................92 4.3 QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI ..................................94 4.3.1 Thành phần dịch thủy phân và lên men đồng thời .........................................94 4.3.2 Ảnh hưởng của lượng emzyme cho vào.........................................................95 4.3.3 Ảnh hưởng của mật độ nấm men ban đầu......................................................98 4.3.4 Hiệu suất toàn quá trình theo thời gian ........................................................101 Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ....................................................................104 5.1 KẾT LUẬN QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN...........................................................104 5.2 KẾT LUẬN QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI.............104 5.3 SO SÁNH HIỆU SUẤT TOÀN QUÁ TRÌNH CỦA THỦY PHÂN VỚI THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI .............................................................................105 5.4 ĐỀ NGHỊ .........................................................................................................105 TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................106 PHỤ LỤC ........................................................................................................................108 vi DANH MỤC HÌNH Hình 1-1 Tỉ lệ % trong tổng giá trị sản lượng nông nghiệp .................................................1 Hình 1-2 Các nguồn biomass chính ở Việt Nam năm 2000.................................................3 Hình 2-1 Cấu trúc của lignocellulose ...................................................................................6 Hình 2-2 Mối quan hệ cellulose – hemicellulose trong cấu trúc lignocellulose ..................6 Hình 2-3 Công thức hóa học của cellulose...........................................................................7 Hình 2-4 Kiểu Fringed fibrillar và kiểu Folding chain ........................................................7 Hình 2-5 Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan.......................................................................9 Hình 2-6 Glucomannan ........................................................................................................9 Hình 2-7 Galactoglucomannan.............................................................................................9 Hình 2-8 Arabinoglucuronoxylan.......................................................................................10 Hình 2-9 Các đơn vị cơ bản của lignin...............................................................................10 Hình 2-10 Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính..................................11 Hình 2-11: Một số ví dụ về chất trích ly (a) abietic acid (oleoresin); (b) cathechin (flavonoid); (c) palmitic acid (acid béo).....................................................................13 Hình 2-12 Mô tả cơ chế quá trình nổ hơi ...........................................................................17 Hình 2-13 Fufural ...............................................................................................................18 Hình 2-14 Hydroxymethyl fufural......................................................................................18 Hình 2-15: Cấu trúc sợi trước và sau khi nổ hơi, bó sợi cellulose được giải phóng ra khỏi lớp lignin bảo vệ sau khi nổ hơi .................................................................................19 Hình 2-16: (d) sợi lignocellulose không nổ hơi có cấu trúc sít chặt ngăn cản sự tấn công của enzyme, (e) nổ hơi ở 4atm, (f) nổ hơi ở 8atm......................................................19 Hình 2-17 Tác dụng của từng enzyme trong cellulase .......................................................21 Hình 2-18 Quá trình tác động của cellobiohydrolase lên đầu vùng kết tinh của cellulose. ....................................................................................................................................25 Hình 2-19 Cơ chế tác động hiệp đồng của enzyme exo-endo và endo-endo. Enzyme endoglucanase tấn công ngẫu nhiên vào cellulose và tạo cơ chất thích hợp cho enzyme exoglucanase và sau đó khuếch tán nhanh ra khỏi bề mặt. Exoglucanse có thể tấn công từ đầu đường khử và không khử. ...........................................................26 Hình 2-20 Cơ chế quá trình thủy phân ...............................................................................27 Hình 2-21 Tốc độ phản ứng enzyme theo nhiệt độ ............................................................29 Hình 2-22 Ảnh hưởng của pH ............................................................................................30 Hình 2-23 Ảnh hưởng của nồng độ enzyme.......................................................................30 Hình 2-24 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất .......................................................................31 vii Hình 2-25 Chất kìm hãm cạnh tranh ..................................................................................32 Hình 2-26 Chất kìm hãm không cạnh tranh .......................................................................32 Hình 2-27: Quá trình đường phân ......................................................................................34 Hình 2-28 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phát triển của nấm men..................................35 Hình 2-29: Giống nấm men Pichia stiptis và Saccharomyces cerevisiae...........................38 Hình 2-30 Nồng độ glucose (ô vuông không màu) và celllobiose (ô vuông màu đen) theo thời gian của quá trình thủy phân và lên men đồng thời. ...........................................41 Hình 2-31 Nồng độ ethanol theo thời gian trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời. ....................................................................................................................................42 Hình 3-1 Rơm chưa nổ hơi .................................................................................................48 Hình 3-2 Saccharomyces serevisiae chủng turbo yeast extra nhìn dưới kính hiển vi........49 Hình 3-3 Thiết bị nổ hơi quy mô pilot................................................................................50 Hình 3-4 Máy sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC)..............................................................50 Hình 3-5 Hình dạng buồng đếm hồng cầu dưới kính hiển vi .............................................51 Hình 3-6 Buồng đếm hồng cầu...........................................................................................51 Hình 3-7 Bộ dụng cụ soxhlet..............................................................................................54 Hình 3-8 Hệ thống phân tích NDS và ADS .......................................................................54 Hình 3-9 Grooch Crucible ..................................................................................................54 Hình 3-10 Đường chuẩn glucose........................................................................................60 Hình 3-11 Đường chuẩn ethanol ........................................................................................61 Hình 3-12 Đường chuẩn cellobiose....................................................................................62 Hình 3-13 Bộ dụng cụ thủy phân và lên men đồng thời ....................................................70 Hình 4-1 Thành phần rơm rạ trước nổ hơi .........................................................................71 Hình 4-2 Thành phần rơm rạ sau nổ hơi. ...........................................................................72 Hình 4-3 So sánh kết quả các thành phần rơm rạ trước và sau nổ hơi. ..............................73 Hình 4-4 Rơm trước nổ hơi ................................................................................................74 Hình 4-5 Rơm sau nổ hơi ...................................................................................................74 Hình 4-6 Nồng độ glucose, cellobiose và hiệu suất thu được theo % bã rắn cho vào .......78 Hình 4-7 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian tương ứng với các % enzyme khác nhau ............................................................................................................................80 Hình 4-8 Nồng độ cellobiose tạo thành theo thời gian ứng với các % enzyme .................81 Hình 4-9 Nồng độ glucose, cellobiose thu được và hiệu suất theo % enzyme ..................82 Hình 4-10 Tốc độ phản ứng ban đầu theo % enzyme cho vào...........................................83 Hình 4-11 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với các giá trị pH khác nhau ...85 Hình 4-12 Hiệu suất, nồng độ glucose và nồng độ cellobiose theo pH dung dịch ............86 viii Hình 4-13 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với các giá trị nhiệt độ: nhiệt độ phòng khác nhau.........................................................................................................88 Hình 4-14 Nồng độ cellobiose theo thời gian ứng với các điều kiện nhiệt độ khác nhau. 89 Hình 4-15 Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất tại 24 giờ theo nhiệt độ.......................90 Hình 4-16 Tốc độ phản ứng ban đầu theo nhiệt độ. ...........................................................91 Hình 4-17 Nồng độ glucose, cellobiose và hiệu suất theo thời gian. .................................93 Hình 4-18 Nồng độ ethanol, glucose và hiệu suất theo % enzyme, tại 24 giờ...................96 Hình 4-19 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose và hiệu suất theo % enzyme cho vào tại 48 giờ ..........................................................................................................................97 Hình 4-20 Nồng độ ethanol, glucose và hiệu suất theo tỉ lệ mật độ nấm men cho vào tại 24 giờ ...............................................................................................................................99 Hình 4-21 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose và hiệu suất theo tỉ lệ mật độ nấm men cho vào tại 48 giờ .....................................................................................................100 Hình 4-22 Nồng độ cellobiose, glucose và ethanol tạo thành theo thời gian trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời. ..............................................................................102 ix DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1 Cơ cấu giá trị sản lượng nông ngư nghiệp Việt Nam năm 2002 [7] ...................1 Bảng 1-2 Các nguồn biomass chính ở Việt Nam năm 2000 [8]...........................................2 Bảng 2-1 Thành phần của vài loại lignocellulose theo [10].................................................5 Bảng 2-2 Các thông số vận hành và kết quả quá trình thủy phân và lên men đồng thời được thực hiện trên nhiều nước[9] .............................................................................39 Bảng 2-3 Ảnh hưởng của ethanol, glucose và cellobiose lên enzyme cellulase và β- glucosidase..................................................................................................................39 Bảng 2-4 Kết quả quá trình thủy phân và lên men đồng thời tiến hành với rơm đã qua tiền xử lý bằng acid loãng, quá trình được tiến hành trong điều kiện kỵ khí.............