Tài liệu Nghiên cứu chuyển hóa rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrate thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả được nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, 2015 i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận án này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ quý báu của các thầy cô giáo, các nhà khoa học thuộc nhiều lĩnh vực cùng đồng nghiệp và bạn bè. Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Ngô Quốc Anh và PGS.TS Đỗ Quang Kháng đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành bản luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Hóa Học, Phòng Quản lý Tổng hợp, anh chị em phòng Công nghệ Vật liệu và Môi trường – Viện Hóa Học các đồng nghiệp trong và ngoài Viện đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi thực hiện luận án và hoàn thành mọi thủ tục cần thiết. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân và bạn bè đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày tháng Tác giả Luận án ii năm 2015 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT...................................................................... iv DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ v DANH MỤC CÁC HÌNH ..................................................................................... viii MỞ ĐẦU. ................................................................................................................... 1 Chương 1- TỔNG QUAN ......................................................................................... 3 1.1. VAI TRÒ VÀ TIỀM NĂNG CỦA ETHANOL SINH HỌC ........................... 3 1.1.1. Vai trò của ethanol sinh học ......................................................................3 1.1.2. Tiềm năng sản xuất ethanol sinh học .........................................................5 1.1.3. Sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học ....................................................6 1.1.4. Các nguyên liệu thường dùng để sản xuất ethanol ngày nay .....................6 1.1.5. Lên men sản xuất ethanol .........................................................................10 1.2. RONG BIỂN ..........................................................................................................12 1.2.1. Giới thiệu chung .......................................................................................12 1.2.2. Hình thái - Phân loại các loài rong biển ở Việt Nam ...............................12 1.2.3. Phân bố, khai thác sản xuất rong biển ......................................................14 1.2.4. Tổng quan về rong nâu .............................................................................16 1.3. PHẾ THẢI NÔNG NGHIỆP: RƠM, RẠ Ở VIỆT NAM ...............................23 1.3.1. Phế thải nông nghiệp ................................................................................23 1.3.2. Thành phần hóa học của phế thải nông nghiệp ........................................23 1.4. VI SINH VẬT TRONG XÚC TÁC QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN ...............29 1.4.1. Vi sinh vật ................................................................................................29 1.4.2. Xúc tác sinh học trong quá trình thủy phân .............................................31 1.5. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC THUỘC LĨNH VỰC CỦA LUẬN ÁN ..................................................................................................39 1.5.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ............................................................39 1.5.2. Các nghiên cứu trong nước ......................................................................43 Chương 2 - NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........ 47 2.1. NGUYÊN VẬT LIỆU ...........................................................................................47 iii 2.1.1. Các nguyên vật liệu chứa cellulose ..........................................................47 2.1.2. Các chủng vi sinh .....................................................................................48 2.1.3. Hóa chất ....................................................................................................50 2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................51 2.2.1. Phương pháp hypoclorit tách cellulose từ rơm rạ ....................................51 2.2.2. Phương pháp xác định độ ẩm của rong biển khô .....................................52 2.2.3. Xác định protein tổng số bằng phương pháp Kieldahl .............................52 2.2.4. Phương pháp xác định hàm lượng tro ......................................................53 2.2.5. Xác định hàm lượng lipid tổng số bằng phương pháp Folch ...................54 2.2.6. Phương pháp định lượng đường khử theo phương pháp acid dinitrosalicylic (DNS) ........................................................................................55 2.2.7. Phương pháp tiền xử lý phế thải rong nâu ...............................................57 2.2.8. Phương pháp xử lí số liệu .........................................................................60 2.3. XÂY DỰNG QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU ....................................................61 2.3.1. Quy trình thủy phân carbohydrate trong rong nâu và phế thải nông nghiệp ............................................................................................................................61 2.3.2. Quy trình dự kiến lên men dịch đường tạo ethanol sinh học ...................64 2.3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình thủy phân carbohydrate trong rong nâu...............................................................................65 2.3.4. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình lên men tạo ethanol ..........................................................................................................70 Chương 3- KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................. 75 3.1. Nghiên cứu và chuẩn bị nguyên vật liệu sản xuất nhiên liệu sinh học ..........75 3.1.1. Xác định hàm lượng carbohydrate trong rong nâu thu tại Nha Trang và Hải Phòng ...........................................................................................................75 3.1.2 Xác định hàm lượng cellulose tách từ rơm rạ ...........................................76 3.1.3. Nghiên cứu thu nhận xúc tác sinh học cho sản xuất bioethanol ..............78 3.2. Nghiên cứu quá trình thủy phân carbohydrate từ các nguồn nguyên liệu thành saccharide hòa tan .............................................................................................81 3.2.1. Thủy phân carbohydrate trong rong nâu ..................................................81 3.2.2. Nghiên cứu thủy phân cellulose tách chiết từ rơm rạ ...............................91 3.2.3. Đánh giá chung về quá trình thủy phân chuyển hóa carbohydrate trong rong biển, phế thải nông nghiệp thành đường ..................................................106 iv 3.3. Nghiên cứu quá trình lên men các sản phẩm trung gian hòa tan................108 3.3.1. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men rong nâu và phế thải nông nghiệp ...............................................................................................110 3.3.2. Nghiên cứu lên men bằng sản phẩm trung gian glucose từ quá trình thủy phân rơm rạ bởi chủng Saccharomyces cerevisiae V7028 .............................116 3.4. Chuyển hóa phế thải rong nâu thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học kết hợp với acid..................................................................................................................118 3.4.1. Hàm lượng cellulose có trong phế thải rong nâu sau quá trình tách alginate 118 3.4.2. Hiệu quả quá trình thủy phân và lên men...............................................119 Nhận xét............................................................................................................120 KẾT LUẬN ............................................................................................................ 126 CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .............. 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 130 PHỤ LỤC v Đỗ Trung Sỹ DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Diễn giải 1 ADP Adenosin diphosphate 2 ATP Adenosin triphosphate 3 BGL Glucosidase 4 BHT Butylated hydroxy toluen 5 CBH Cellobiohydrolase 6 DNS Acid dinitrosalicylic 7 EG Endoglucanase 8 FAO Food and Agriculture Organization 9 HPLC High performance liquid chromatography 10 IR Infrared spectroscopy 11 IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry 12 NADH Nicotinamide adenine dinucleotide 13 OD Optical density 14 PVA Polyvinyl alcohol 15 SHF Separate hydrolysis and fermentation 16 SPSS Statistical Package for the Social Sciences 17 SSF Simultaneous saccharification and fermentation 18 UV – VIS Ultraviolet–visible spectroscopy iv Đỗ Trung Sỹ DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tính chất hoá lý quan trọng của một số nhiên liệu .................................4 Bảng 1.2 Sản lượng ethanol trên thế giới ...............................................................6 Bảng 1.3 Một số dự án sản xuất ethanol tại Việt Nam ...........................................7 Bảng 1.4 Các dạng carbohydrate trong 3 ngành rong biển. .................................14 Bảng 1.5 Thành phần hóa học của phế thải nông nghiệp (%) ..............................23 Bảng 1.6 Cellulose tinh khiết trong nguyên liệu ..................................................24 Bảng 1.7 Vi sinh vật phân huỷ lignocellulose ......................................................31 Bảng 2.1 Các loài rong nâu được thu hái để nghiên cứu ......................................48 Bảng 2.2 Các chủng vi sinh vật để thủy phân cellulose .......................................49 Bảng 2.3 Các chủng vi sinh vật cho lên men ethanol ...........................................49 Bảng 2.4 Các hóa chất được sử dụng trong luận án .............................................50 Bảng 2.5 Mật độ quang của dãy dung dịch chuẩn glucose theo phương pháp DNS .......................................................................................................57 Bảng 3.1 Kết quả xác định thành phần sinh hóa của 4 loài rong nâu ...................75 Bảng 3.2 Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy phân rong nâu bởi các lượng enzyme Cellic HTech2 khác nhau .......................................................................................................81 Bảng 3.3 Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy phân rong nâu bởi enzyme Cellic HTech2 ở các giá trị pH khác nhau ...............................................................................................83 Bảng 3.4 Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy phân rong nâu bởi enzyme Cellic HTech2 ở các nhiệt độ khác nhau ...............................................................................................85 Bảng 3.5 Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành tại các thời điểm khác nhau trong quá trình thủy phân rong nâu bởi enzyme Cellic HTech2 ...................................................................................................87 Bảng 3.6 Kết quả xác định hàm lượng đường khử trong dịch thủy phân rong nâu đã qua xử lí acid kết hợp với enzyme Cellic HTech2.....................89 v Đỗ Trung Sỹ Bảng 3.7 Kết quả xác định hàm lượng cellulose và glucose tại các thời điểm khác nhau trong quá trình thủy phân cellulose bởi dịch lên men của chủng vi khuẩn C32 ................................................................................92 Bảng 3.8 Kết quả xác định hàm lượng cellulose và glucose tại các thời điểm khác nhau trong quá trình thủy phân cellulose bởi dịch lên men của chủng vi khuẩn C36 ................................................................................92 Bảng 3.9 Kết quả xác định hàm lượng cellulose và glucose tại các thời điểm khác nhau trong quá trình thủy phân cellulose bởi dịch lên men của chủng vi khuẩn Hud 4-1 .................................................................93 Bảng 3.10 Kết quả xác định hàm lượng cellulose và glucose tại các thời điểm khác nhau trong quá trình thủy phân cellulose bởi dịch lên men của chủng xạ khuẩn 7P ..........................................................................93 Bảng 3.11 Kết quả xác định hàm lượng cellulose và glucose tại các thời điểm khác nhau trong quá trình thủy phân cellulose bởi dịch lên men của chủng nấm A. terreus ......................................................................93 Bảng 3.12 Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulose bởi một số chủng vi sinh của Việt Nam..............................................................94 Bảng 3.13 Hiệu suất thủy phân cellulose của các chủng vi sinh ............................95 Bảng 3.14 Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy phân cellulose bởi dịch enzyme của nấm Aspergillus terreus tại các thời điểm khác nhau và ở các giá trị pH khác nhau ...................99 Bảng 3.15 Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy phân cellulose bởi enzyme của nấm Aspergillus terreus tại nhiệt độ khác nhau ...............................................................................100 Bảng 3.16 Ảnh hưởng của lượng cellulose và enzyme ban đầu tới lượng glucose thu được..................................................................................101 Bảng 3.17 Ma trận kế hoạch thực nghiệm và kết quả ..........................................101 Bảng 3.18 Xác địnhh giá trị tối ưu cho hàm lượng glucose nhận được ...............104 vi Đỗ Trung Sỹ Bảng 3.19 Kết quả xác định hàm lượng đường khử trước và sau khi thay đổi tỷ lệ nấm men trong quá trình lên men bằng chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae V7028 .......................................................110 Bảng 3.20 Kết quả xác định hàm lượng đường khử trước và sau khi lên men của nấm Saccharomyces cerevisiae V7028 ở các giá trị pH khác nhau .....................................................................................................113 Bảng 3.21 Kết quả xác định hàm lượng đường khử trước và sau khi lên men bằng nấm Saccharomyces cerevisiae V7028 tại các thời điểm khác nhau .....................................................................................................115 Bảng 3.22 Các thông số động học của quá trình lên men ethanol bởi chủng Saccharomyces cerevisiae V7028 .......................................................117 Bảng 3.23 Ảnh hưởng của nồng độ acid loãng tới hàm lượng khử tạo thành trong quá trình thủy phân ....................................................................119 vii Đỗ Trung Sỹ DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Công thức Haworth của hai gốc polymer trong phân tử acid alginic....19 Hình 1.2 Công thức cấu tạo của alginate ..............................................................19 Hình 1.3 Cấu trúc của alginate .............................................................................20 Hình 1.4 Cấu trúc hóa học của một loại fucoidan được chiết tách từ rong nâu ...21 Hình 1.5 Cấu trúc của một phân đoạn fucoidan ...................................................21 Hình 1.6 Cấu trúc của phân tử cellulose và hemicellulose ..................................25 Hình 1.7 Cấu trúc không đồng nhất của phân tử cellulose...................................26 Hình 1.8 Cấu trúc của lignin.................................................................................28 Hình 1.9 Đường cong sinh trưởng của vi sinh vật trong nuôi cấy gián đoạn .......29 Hình 1.10 Cơ chế thủy phân cellulose....................................................................36 Hình 1.11 Sơ đồ thủy phân cellulose bằng hệ enzyme cellulase ...........................36 Hình 1.12 Cơ chế thủy phân glycoside bằng enzyme -glucosidase .....................37 Hình 1.13 Sơ đồ thiết bị thủy phân bằng phương pháp acid tại Brazil , ................39 Hình 2.1 Các mẫu rong nghiên cứu ......................................................................47 Hình 2.2 Phế thải nông nghiệp (rơm, rạ) trước và sau khi xử lý cơ học ..............48 Hình 2.3 Phương pháp Hypoclorit tách cellulose từ rơm rạ ................................51 Hình 2.4 Đường chuẩn tương quan giữa nồng độ glucose và độ hấp thụ ............57 Hình 2.5 Sơ đồ thí nghiệm kết hợp thủy phân bằng acid và enzyme ...................60 Hình 2.6 Sơ đồ quá trình thủy phân carbohydrate trong rong nâu .......................61 Hình 2.7 Sơ đồ quá trình thuỷ phân carbohydrate trong phế thải nông nghiệp ..63 Hình 2.8 Quy trình dự kiến sản xuất ethanol........................................................64 Hình 2.9 Sơ đồ thí nghiệm xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân .......................................................................................................66 Hình 2.10 Sơ đồ thí nghiệm kết hợp thủy phân bằng acid và enzyme ...................70 viii Đỗ Trung Sỹ Hình 2.11 Sơ đồ xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men tạo ethanol. ...............................................................................................................71 Hình 3.1 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng carbohydrate trong 4 loài rong nâu thu tại Hải Phòng và Nha Trang .......................................................................76 Hình 3.2 Ảnh cellulose tách được từ rơm, rạ (trái) và phổ IR của cellulose thu được (phải).............................................................................................77 Hình 3.3 Ảnh của một số chủng vi sinh vật và vòng phân giải của chúng ..........79 Hình 3.4 Chủng Saccharomyces cerevisiae V7028 do phía Nga chuyển giao. ...79 Hình 3.5 Ảnh các hạt xúc tác tạo thành từ các chủng vi sinh vật được cố định trên PVA (trái) và hình ảnh sử dụng các tế bào cố định này để thủy phân cellulose thành glucose (phải) ...............................................................80 Hình 3.6 Tế bào nấm men cố định trên PVA (trái) và tế bào nấm men cố định trên PVA tham gia vào lên men ethanol (bên phải) ..............................81 Hình 3.7 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy phân rong nâu bởi các lượng enzyme Cellic HTech2 khác nhau ..........82 Hình 3.8 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy phân rong nâu bởi enzyme Cellic HTech2 ở các giá trị pH khác nhau. 84 Hình 3.9 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy phân rong nâu bởi enzyme Cellic HTech2 ở các nhiệt độ khác nhau. ..85 Hình 3.10 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử tạo thành tại các thời điểm khác nhau trong quá trình thủy phân rong nâu bằng enzyme Cellic HTech2 ..................................................................................................87 Hình 3.11 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử trong dịch thủy phân rong nâu đã qua xử lí acid kết hợp với enzyme Cellic HTech2 ...........................90 Hình 3.12 Sơ đồ quá trình thủy phân cellulose bằng dịch enzyme của các chủng vi sinh vật ...................................................................................................92 Hình 3.13 So sánh thủy phân cellulose bằng các chủng vi sinh .............................94 Hình 3.14 Hiệu suất thủy phân cellulose thành glucose bằng các chủng vi sinh ...95 Hình 3.15 Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulose bằng enzyme cellulase của nấm A. terreus ..................................................................96 ix Đỗ Trung Sỹ Hình 3.16 Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulose bằng enzyme cellulase của vi khuẩn C32 ....................................................................97 Hình 3.17 Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulose bằng enzyme cellulase của xạ khuẩn 7P ......................................................................97 Hình 3.18 Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulose bằng enzyme cellulase của vi khuẩn Hud 4-1 .............................................................97 Hình 3.19 Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulose bằng enzyme cellulase của vi khuẩn C36 ....................................................................98 Hình 3.20 Ảnh hưởng của pH tới hàm lượng glucose tạo thành trong quá trình thủy phân cellulose bằng chủng nấm Aspergillus terreus .....................99 Hình 3.21 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng glucose tạo thành trong quá trình thủy phân cellulose bằng nấm A. terreus ....................................100 Hình 3.22 Đồ thị xác định giá trị tối ưu của glucose thu được từ quá trình thủy phân cellulose ......................................................................................105 Hình 3.23 Cơ chế chuyển hóa đường thành ethanol ............................................110 Hình 3.24 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử còn lại khi thay đổi tỷ lệ nấm men trong quá trình lên men bằng chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae V7028 .................................................................................111 Hình 3.25 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử còn lại sau khi lên men của nấm Saccharomyces cerevisiae V7028 ở các giá trị pH khác nhau ....114 Hình 3.26 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử còn lại sau khi lên men bằng Saccharomyces cerevisiae V7028 tại các thời điểm khác nhau ..........115 Hình 3.27 Sự biến đổi các thành phần trong quá trình lên men ethanol bằng chủng Saccharomyces cerevisiae V7028 (của Nga) .....................................117 Hình 3.28 Ảnh hưởng của nồng độ acid loãng đến hàm lượng đường trong quá trình thủy phân phế thải rong ..............................................................120 x MỞ ĐẦU Nền kinh tế thế giới cho đến nay phụ thuộc rất nhiều vào nhiên liệu hóa thạch, nhu cầu năng lượng cũng không ngừng gia tăng theo sự phát triển kinh tế - xã hội, an ninh quốc phòng của mỗi quốc gia. Theo tính toán của các chuyên gia năng lượng, dầu mỏ và khí đốt hiện chiếm khoảng 60-80% cán cân năng lượng thế giới. Với tốc độ tiêu thụ năng lượng như hiện nay và trữ lượng dầu mỏ hiện có, nguồn năng lượng này sẽ nhanh chóng bị cạn kiệt trong vòng 40-50 năm tới. Hơn nữa, các chất đốt hóa thạch làm tăng lượng carbon dioxide trong khí quyển, là một trong những nguyên nhân làm nhiệt độ trái đất ngày càng nóng lên, đây là một vấn đề mà nhiều tổ chức, quốc gia muốn tìm cách hạn chế trong nhiều năm qua. Do đó, nhiệm vụ tìm kiếm nguồn thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đã được đặt ra trong gần nửa thế kỷ qua và ngày càng trở nên cấp thiết. Một trong những hướng đi để giải quyết nhiệm vụ này là sản xuất nhiên liệu sinh học bằng cách sử dụng sinh khối, tức là các vật liệu có nguồn gốc hữu cơ để đốt trực tiếp, nhằm tạo ra nhiệt năng, điện năng hoặc chuyển hóa sang các chất mang năng lượng dạng khí hoặc nhiên liệu lỏng. Nhiên liệu sinh học được sản xuất từ thực vật và phế thải ví dụ như: các loại cây nông nghiệp, chất thải đô thị hay phụ phẩm nông lâm nghiệp [35]. Ethanol có thể được sản xuất từ thực vật bao gồm đường, tinh bột và lignocellulose. Ethanol được sản xuất từ những vật liệu như đường và tinh bột được coi như là thế hệ đầu tiên của nhiên liệu sinh học. Phần lớn nhiên liệu sinh học ngày nay trên thế giới là từ thế hệ đầu tiên. Tuy nhiên, việc sử dụng các nguyên liệu thế hệ này dẫn đến nhiều vấn đề nảy sinh bao gồm an ninh lương thực và việc thay thế đất nông nghiệp do nhu cầu về nhiên liệu sinh học ngày càng cao [104]. Thế hệ thứ hai của nhiên liệu sinh học là sử dụng phế thải có chứa cellulose làm nguyên liệu do có số lượng lớn và chi phí thấp. Việc sử dụng các phế thải có thể làm giảm đáng kể áp lực về nhu cầu đất đai và đáp ứng nhu cầu nhiên liệu sinh học trên thế giới [96]. Hiện tại, nguyên liệu được nghiên cứu trong sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai phần lớn là phế thải nông nghiệp từ vụ mùa, thực vật tươi hoặc đã qua chế biến [52], rơm rạ [102], ngô mía [111]... với hàm lượng hemicellulose cao [72]. Trong nguồn nguyên liệu có nguồn gốc từ biển, 1 Sargassum là loại rong nâu được sử dụng trong sản xuất alginate, mannitol... Việc sử dụng các loài rong như một nguyên liệu thay thế để sản xuất nhiên liệu sinh học đã được nghiên cứu [123]. Tuy nhiên vẫn còn rất ít các nghiên cứu về việc dùng rong nâu làm nguyên liệu sản xuất ethanol. Trong khi đó, hàng năm một lượng lớn các phế thải rong được tạo ra từ công nghiệp sản xuất alginate, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do khả năng tái chế thấp. Các phế thải rong từ ngành công nghiệp chế biến rong nâu có hàm lượng cellulose cao, hàm lượng hemicellulose và lignin thấp. Vì vậy nó có tiềm năng cao trong quy trình chuyển hóa thành ethanol sinh học. Từ tình hình thực tế trên, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu chuyển hóa rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrate thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học” làm đề tài nghiên cứu cho luận án của mình. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là:  Xác định được thành phần lý hóa, sinh của rong biển và phế thải nông nghiệp, lựa chọn được loài rong biển có hàm lượng carbohydrate cao cho quá trình nghiên cứu luận án  Xác định được các điều kiện tối ưu để chuyển hóa carbohydrate từ rong biển và phế thải nông nghiệp thành ethanol sinh học Để thực hiện được các mục tiêu trên, các nội dung nghiên cứu đã được thực hiện bao gồm: 1. Xác định hàm lượng carbohydrate trong các rong nâu và trong phế thải nông nghiệp 2. Xác định các điều kiện tối ưu của quá trình thủy phân rong nâu bằng acid sulfuric loãng kết hợp với enzyme Cellic HTech2 3. Lựa chọn các chủng vi sinh vật thủy phân rơm, rạ thành các sản phẩm trung gian sau đó nghiên cứu xây dựng quy trình thủy phân tối ưu 4. Xác định điều kiện tối ưu trong quá trình lên men ethanol từ dịch thủy phân của rong biển và phế thải nông nghiệp 5. Đánh giá hiệu quả của các quá trình chuyển hóa carbohydrate từ rong biển và phế thải nông nghiệp thành ethanol sinh học 2 Chương 1- TỔNG QUAN 1.1. VAI TRÒ VÀ TIỀM NĂNG CỦA ETHANOL SINH HỌC 1.1.1. Vai trò của ethanol sinh học Hiện nay, các nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, ước tính trữ lượng dầu mỏ của thế giới đến năm 2050 sẽ cạn. Trong khi đó, hoạt động sống của con người rất cần năng lượng. Mặt khác, nguồn năng lượng hóa thạch đã gây ra các vấn đề nghiêm trọng về ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính. Chính vì vậy, nhu cầu về nguồn nguyên liệu thay thế cho xăng dầu đang là vấn đề cấp thiết cho toàn thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Việc đầu tư nghiên cứu “nhiên liệu sạch”nhiên liệu sinh học ethanol sinh học đang trở thành đề tài được quan tâm hàng đầu trên thế giới [18]. Nhiên liệu sinh học là nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật trong đó bao gồm: ngũ cốc, chất thải nông nghiệp, sản phẩm thải trong công nghiệp... Nhiên liệu sinh học được biết đến với nhiều lợi thế: là một trong những biện pháp giảm thiểu hiện tượng nóng lên toàn cầu, giúp các quốc gia chủ động, không bị lệ thuộc vào vấn đề nhập khẩu nhiên liệu, đặc biệt đối với các quốc gia không có nguồn dầu mỏ và than đá, ổn định tình hình năng lượng cho thế giới [7]. Nhiên liệu sinh học có thể được phân loại thành các nhóm chính như sau: - Diesel sinh học (Biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có thể sử dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống. - Xăng sinh học (Biogasoline) là loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử dụng ethanol như một loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay cho phụ gia chì. Ethanol được sản xuất thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, cellulose, lignocellulose. Ethanol được pha chế với tỷ lệ thích hợp với xăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thế loại xăng sử dụng phụ gia chì truyền thống. - Khí sinh học (Biogas) có thành phần chủ yếu là CH4 (50-60%) và CO2 (>30%) còn lại là các chất khác như hơi nước, O2, N2, CO... Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ, phế thải nông nghiệp tạo thành sản phẩm dạng khí. Cho tới nay, ethanol sinh học được coi là nguồn năng lượng thay thế số một cho dầu mỏ [8]. Để chứng minh rằng, ethanol thực chất có thể làm nhiên liệu thay 3 thế xăng, có thể xem xét một số tính chất quan trọng của dung môi này [18]. - Tính chất hóa lý của ethanol: Ethanol (C2H5OH) là một chất lỏng không màu, sôi ở 78,3oC và là một dung môi hữu cơ đa dụng, có thể sản xuất từ dầu khí thông qua phản ứng hydrat hóa ethylene (ethanol tổng hợp, không sử dụng vào mục đích năng lượng) hoặc từ nguyên liệu sinh học (ethanol sinh học, sử dụng chủ yếu vào mục đích năng lượng). Ethanol sinh học có khả năng thay thế hoàn toàn xăng sản xuất từ dầu mỏ hoặc có thể pha trộn với xăng để tạo ra xăng sinh học. Xăng sinh học là hỗn hợp của xăng truyền thống và ethanol sinh học (bio-ethanol), được sử dụng làm nhiên liệu cho các loại động cơ đốt trong như xe gắn máy, ôtô. Được ghi danh bằng kí tự E kèm theo một con số chỉ số % của ethanol sinh học được pha trộn trong xăng đó. Trên thị trường người ta thường gặp các loại xăng sinh học như E5, E20, E95... tức là xăng chứa 5%, 20%, 95% ethanol. Công thức hóa học của ethanol: C2H5OH, CH3-CH2-OH, viết tắt là C2H6O. Ethanol là một loại nhiên liệu thay thế, được sản xuất bằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn, như bắp, lúa mì, lúa mạch, mía, củ cải đường, sắn, các phế phẩm nông nghiệp. Ngoài ra, ethanol còn được sản xuất từ cây, cỏ có chứa cellulose, gọi là ethanol sinh học. - Các phản ứng quan trọng của ethanol: Phản ứng đốt cháy (Combustion) C2H5OH + 3 O2  2 CO2 + 3 H2O Lên men (Fermentation) C6H12O6  2 C2H5OH + 2 CO2 Để thấy rằng ethanol có bản chất là nguyên liệu có thể so sánh các chỉ số đặc trưng với một số nhiên liệu khác (bảng 1.1) Bảng 1.1 Tính chất hoá lý quan trọng của một số nhiên liệu Nhiên liệu Ethanol Xăng Hydrogen Diesel Benzen Điểm sôi, °C 78,39 35-195 - 252,6 180-360 80,1 Điểm nóng chảy, °C -114,15 Tỷ trọng, d420, g/ml 0,79 -259,1 0,700,78 4 70,8 (lỏng) 0,79-0,86 5,53 0,876 Nhiệt cháy ở 25°C, kJ/g 29,8 26,0 141,9 45,0 Nhiệt độ tự bốc cháy,°C 422,8 246°C 571°C 210°C - Dưới, vol% 4,3 1,4 4,0 1,3 - Trên, vol% 19,0 7,6 75,0 7,1 534 Giới hạn cháy trong không khí: 1.1.2. Tiềm năng sản xuất ethanol sinh học Ethanol sinh học trộn với xăng chế biến từ dầu thô để chạy xe. Sản xuất đủ ethanol thì thế giới sẽ giải quyết được vấn đề về năng lượng. Ngoài ra ethanol khi cháy thải ít khí nhà kính vào bầu khí quyển hơn là xăng chế biến từ dầu mỏ [8]. Ethanol là chất phụ gia để tăng trị số Octan (trị số đo khả năng kích nổ) và giảm khí thải độc hại của xăng. Trong chính sách năng lượng của mình, từ khối EU đến Mỹ, Trung Quốc, Australia, Nhật Bản… đều chú trọng đến ứng dụng ethanol. Bên cạnh đó, thế giới đang lo ngại trữ lượng dầu mỏ toàn cầu đang có nguy cơ bị cạn kiệt. Trữ lượng dầu mỏ trên thế giới, qua nhiều thăm dò và nghiên cứu của những cơ quan khác nhau như: Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (1997), Báo Washington Post (1996), Kỷ yếu Năng lượng quốc tế 1998 (International Energy Annual), Phòng thống kê LHQ (1994) kết luận là trữ lượng dầu thô hiện chiếm vào khoảng 1.000 tỷ thùng (barrel) (1 barrel = 42 Gallon = 159 lít = 0,16 m3). Cũng theo ước tính của Cơ quan Địa chất Hoa Kỳ (US GS) thì với trữ lượng này, nhân loại chỉ có triển vọng sử dụng trong vòng 50 năm tới mà thôi. Ethanol đã được điều chế từ gạo, nếp, bắp... từ hàng ngàn năm trước qua sự lên men rượu do vi khuẩn [9]. Hiện nay, với nhu cầu giải quyết nạn khan hiếm năng lượng xăng dầu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường, ethanol quả thật là một nhu cầu cấp bách cho thế giới... Ngoài ra, sự có mặt của ethanol trong xăng không chỉ giảm thiểu được một phần lượng xăng nhập khẩu mà còn góp phần không nhỏ vào việc giảm thiểu lượng lớn khí thải độc hại ra môi trường, hạn chế ô nhiễm môi trường, góp phần tăng khả năng đảm bảo an ninh năng lượng của một quốc gia, nhất là các quốc gia không có nguồn dầu mỏ [5]. 5 1.1.3. Sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học Có thể nói, chương trình sản xuất nhiên liệu sinh học (ethanol) đang được thực hiện hoặc được chuẩn bị và sẵn sàng tại nhiều nước trên thế giới. Sản lượng ethanol trên thế giới trong những năm gần đây được trình bày trong bảng sau: Bảng 1.2 Sản lượng ethanol trên thế giới (Đơn vị triệu L) Khu vực 2008 2009 2010 2011 2012 Châu Âu 2,885 3,645 4,254 4,429 4,973 Châu Phi 65 100 130 150 235 Bắc và Trung Mỹ 35,946 42,141 51,584 54,765 54,580 Nam Mỹ 24,456 24,275 25,964 21,637 21,335 Châu Á/ Thái Bình Dương 2,753 2,927 3,115 3,520 3,965 1.1.4. Các nguyên liệu thường dùng để sản xuất ethanol ngày nay Dựa vào nguyên liệu sản xuất, nhiên liệu ethanol sinh học được chia làm 2 thế hệ: Thế hệ I: Thế hệ I được sản xuất từ các nguồn tinh bột như ngô, sắn, mía đường trong đó chủ yếu là tinh bột chứa amylose và một phần nhỏ là amylopectin. Tinh bột gồm amylose (10-20%) và amylopectin (80-90%) [9]. Amylose Amylose là polymer mạch thẳng của -D-glucose với liên kết -(1→4) có cấu trúc chặt chẽ. Amylopectin 6 Amylopectin là polymer mạch thẳng, đa nhánh của glucose với liên kết -(1→4). Các mạch nhánh được tạo bởi các liên kết -(1→6). Khoảng từ 24 đến 30 glucose lại có một liên kết mạch nhánh. Tình hình sản xuất ethanol sinh học từ mía, đường Ngày 20/11/2007, Thủ tướng chính phủ đã ban hành quyết định số 177/2007/QĐ-TT về việc phê duyệt đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 nhằm mục tiêu “phát triển nhiên liệu sinh học, một dạng năng lượng mới tái tạo được để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần đảm bảo an ninh lương thực và bảo vệ môi trường”. Trong 2-3 năm gần đây, việc sản xuất ethanol làm nhiên liệu đã được quan tâm với nhiều góc độ khác nhau về nghiên cứu cũng như sản xuất. Bảng 1.3: Một số dự án sản xuất ethanol tại Việt Nam Tên dự án Công suất Vốn đầu tư Nguyên liệu Nhà máy Ethanol Phú Thọ 100 triệu lít/năm 1.600 tỉ đồng 240 ngàn tấn sắn lát/năm Nhà máy Bio-ethanol Dung Quất 100 triệu lít/năm 1.600 tỉ đồng 240 ngàn tấn sắn lát/năm Nhà máy Bio-ethanol Bình Phước 100 triệu lít/năm 1.600 tỉ đồng 240 ngàn tấn sắn lát/năm Nhà máy Ethanol Đại Tân 125 triệu lít/năm > 900 tỉ đồng 300 ngàn tấn sắn lát/năm Nhà máy Ethanol Tùng Lâm 60 triệu lít/năm - - Tính đến cuối năm 2012, năng lực sản xuất ethanol nhiên liệu của cả nước đạt 535 triệu lít/năm, đủ để phối trộn 8,35 triệu tấn xăng E5 (5% ethanol) hoặc 4,17 triệu tấn xăng E10 (10% ethanol), đảm bảo đủ cung cấp cho thị trường cả nước. Theo lộ 7 trình đã được Chính phủ phê duyệt, xăng sinh học E5 sẽ được phép pha trộn và tiêu thụ tại 7 tỉnh, thành phố như Hà Nội, Hải Phòng, TPHCM, Cần Thơ, Đà Nẵng, Bà Rịa Vũng Tàu và Quảng Ngãi từ cuối năm 2014. Từ 1/12/2015 xăng E5 sẽ tiêu thụ đại trà trên cả nước. Điều này sẽ giúp các nhà sản xuất ethanol có được đầu ra. Vào năm 2007, khi các dự án sản xuất nhiên liệu sinh học được lập, giá sắn lát chỉ khoảng 1.200-1.500 đ/kg, đến năm 2011 giá sắn lát đã tăng lên 5.500- 5.800 đ/kg. Năm 2012 giá có giảm chút ít những vẫn khoảng 4.000-4.700 đ/kg. Nếu mỗi lít ethanol cần khoảng 2,4 kg sắn lát thì riêng giá vốn cho nguyên liệu chính đã là 11.280 đồng, cộng thêm các chi phí khác như: điện, phụ phẩm, lương lao động, khấu hao máy móc, lãi vay... giá thành làm ra một lít ethanol khoảng 18.000-19.000 đồng/lít . Các công ty hiện nay chỉ đầu tư xây dựng các nhà máy sản xuất ethanol sinh học thế hệ I, sản xuất ethanol từ lương thực sắn, mía đường. Như vậy, chúng ta chỉ đầu tư vào những công nghệ đã lạc hậu trên thế giới. Điều này không chỉ lạc hậu về mặt khoa học công nghệ và còn tác động xấu tới chiến lược an ninh lương thực Quốc gia. Thế hệ II Thế hệ II được sản xuất từ sinh khối thực vật như các phế thải nông nghiệp của các loại thân cây lúa, ngô, lúa mỳ. Lignocellulose là thành phần chính cấu tạo nên sinh khối thực vật, chủ yếu bao gồm cellulose, hemicellulose, lignin. Thí dụ, trong sinh khối của thực vật như gỗ, cellulose có từ 30-50%, hemicellulose – 2332% và lignin – 15-25%. Hemicellulose gồm có Xylan (hemicellulose A) [5]. Cellulose Cellulose là hợp chất cao phân tử được cấu tạo từ các liên kết các mắt xích β-D-Glucose. Xylan (hemicellulose A) 8