ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phạm Công Minh NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHUYỂN ĐỔI BÈO TÂY THÀNH ETHANOL SINH HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phạm Công Minh NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHUYỂN ĐỔI BÈO TÂY THÀNH ETHANOL SINH HỌC Chuyên ngành: Khoa học Môi trƣờng Mã số: 60 85 02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Nguyễn Mạnh Khải Hà Nội - Năm 2012 Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học Phạm Công Minh K15 Cao học Môi trƣờng Trang 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 5 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 7 1.1 Sinh khối và nhiên liệu sinh học 7 1.1.1 Khái niệm 7 1.1.2. Các dạng nhiên liệu sinh học 7 1.1.3. Những lợi ích khi sử dụng nhiên liệu sinh học 8 1.2. Etanol sinh học 10 1.2.1. Tính chất lý hoá học của Etanol 10 1.2.2. Phƣơng pháp sản xuất Etanol sinh học 10 1.2.3. Tình hình sản xuất và sử dụng Etanol sinh học 20 1.4. Vai trò của vi sinh vật trong việc phân giải hợp chất hữu cơ 28 1.4.1. Cellulosese và vi sinh vật phân giải cellulosese 28 1.4.2. Hemicellulosese và vi sinh vật phân giải hemicellulosese 30 1.5. Vai trò của vi sinh vật trong quá trình lên men rƣợu 32 1.5.1. Quá trình lên men rƣợu 32 1.5.2. Nấm men dùng trong sản xuất rƣợu etylic 33 1.6. Bèo tây và thực trạng sử dụng bèo tây ở Việt Nam 34 1.6.1. Đặc điểm của bèo tây 34 1.6.2. Sự phân bố bèo tây ở Việt Nam 34 1.6.3. Thực trạng sử dụng bèo tây ở Việt Nam 35 CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu 37 2.1.1 Đối tƣợng nghiên cứu 37 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu 37 2.2.1. Phƣơng pháp tiền xử lý 37 2.2.2. Phƣơng pháp thủy phân 37 2.2.3. Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng đƣờng khử 37 2.2.4. Phƣơng pháp lên men 38 2.2.5. Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng Etanol 39 Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học Phạm Công Minh K15 Cao học Môi trƣờng Trang 2 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 40 3.1. Thành phần và khả năng phát triển của bèo tây 40 3.1.1. Thành phần lý hóa học của bèo tây 40 3.1.2. Khả năng phát triển của bèo tây 41 3.2. Kết quả thí nghiệm thủy phân chuyển hóa bèo tây thành đƣờng 42 3.2.1. Ảnh hƣởng của thời gian 42 3.2.2. Ảnh hƣởng của nồng độ axit 43 3.2.3. Ảnh hƣởng của tỷ lệ rắn/lỏng 44 3.2.4. Thành phần của bã bèo sau quá trình thuỷ phân 46 3.3. Khả năng chuyển hóa sản phẩm thủy phân thành Etanol 47 3.3.1. Xây dựng đƣờng chuẩn Etanol 47 3.3.2. Phân tích nồng độ Etanol trong các mẫu 48 3.3.3. So sánh với các nghiên cứu trƣớc đây 51 3.4. Đề xuất quy trình sản xuất Etanol từ bèo tây 53 3.5. Đánh giá về khả năng phát triển sản xuất Etanol sinh học từ bèo tây 53 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 55 KẾT LUẬN 55 KHUYẾN NGHỊ 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học Phạm Công Minh K15 Cao học Môi trƣờng Trang 3 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Thành phần cellulose, hemicellulose và lignin trong SK [42] 11 Bảng 2: Thành phần đƣờng và tro trong các nguyên liệu SK [43] 12 Bảng 3: Các phƣơng pháp xử lý sơ bộ [26] 15 Bảng 4: Tổng sản lƣợng Etanol hàng năm ở một số nƣớc [28] 22 Bảng 5: So sánh một số chỉ tiêu giữa Etanol, xăng và ETBE 24 Bảng 6: Sản lƣợng lý thuyết Etanol sinh ra từ 1 tấn nguyên liệu khô [20] 26 Bảng 7. Thành phần khối lƣợng bèo tây 40 Bảng 8. Sản lƣợng và độ che phủ của bèo tây 41 Bảng 9. Ảnh hƣởng của yếu tố thời gian đến khả năng thủy phân 42 Bảng 10. Ảnh hƣởng của nồng độ axit đến khả năng thủy phân 43 Bảng 11. Ảnh hƣởng của tỷ lệ rắn/lỏng đến khả năng thủy phân 44 Bảng 12. Thành phần chất rắn còn lại sau quá trình thuỷ phân 46 Bảng 13. Khả năng chuyển hoá hydratcacbon trong quá trình thuỷ phân 47 Bảng 14. Hàm lƣợng Etanol tạo ra sau quá trình lên men 49 Bảng 15. Hàm lƣợng Etanol và đƣờng khử trong quá trình lên men 50 Bảng 16 . Dự kiến sản lƣợng Etanol ứng với diện tích mặt nƣớc của thành phố 54 Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học Phạm Công Minh K15 Cao học Môi trƣờng Trang 4 DANH MỤC HÌNH Hình 1: Quá trình thủy phân và lên men để sản xuất Etanol sinh học [35] 13 Hình 2: Thủy phân bằng axit sunfuric loãng [39] 16 Hình 3: Thủy phân bằng axit sunfuric đặc [38] 17 Hình 4. Sử dụng enzyme để thuỷ phân, thuỷ phân và lên men tách riêng 19 Hình 5. Sử dụng enzyme để thuỷ phân, thuỷ phân và lên men đồng thời 20 Hình 6. Cấu trúc cellulose 28 Hình 7. Cấu trúc phân tử Hemicellulose 31 Hình 8. Ảnh hƣởng của yếu tố thời gian đến khả năng thủy phân 43 Hình 9. Ảnh hƣởng của nồng độ axit đến khả năng thủy phân 44 Hình 10. Ảnh hƣởng của tỷ lệ rắn/lỏng đến khả năng thủy phân 45 Hình 11. Đƣờng chuẩn Etanol 48 Hình 12. Sắc ký đồ mẫu phân tích Etanol qua các ngày 49 Hình 13. Hàm lƣợng Etanol tạo ra sau quá trình lên men 50 Hình 14. Mối quan hệ giữa hàm lƣợng Etanol và đƣờng khử trong quá trình lên men 51 Hình 15. Quy trình sản xuất Etanol từ bèo tây 53 Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học Phạm Công Minh K15 Cao học Môi trƣờng Trang 5 MỞ ĐẦU Ngày nay, thế giới đang đứng trƣớc nguy cơ khủng hoảng năng lƣợng trầm trọng. Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới, nguồn năng lƣợng từ các sản phẩm hoá thạch dầu mỏ sẽ bị cạn kiệt trong vòng 40- 50 năm nữa. Để ổn định và đảm bảo an ninh năng lƣợng đáp ứng cho nhu cầu con ngƣời cũng nhƣ các ngành công nghiệp, các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu tìm ra những nguồn nhiên liệu mới, trong đó nghiên cứu phát triển nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ sinh khối động, thực vật là một hƣớng đi có thể tạo ra nguồn nhiên liệu thay thế phần nào nguồn nhiên liệu hoá thạch đang cạn kiệt, đảm bảo an ninh năng lƣợng cho từng quốc gia. Sử dụng nhiên liệu sinh học có những ƣu điểm nhƣ giảm thiểu ô nhiễm khí thải độc hại từ động cơ, tiết kiệm nguồn nhiên liệu hóa thạch dầu mỏ, tăng hiệu suất của động cơ, mặt khác nhiên liệu sinh học khi thải vào đất có tốc độ phân hủy sinh học cao nhanh hơn gấp 4 lần so với nhiên liệu hóa thạch. Etanol sinh học (Bio-Etanol) là một loại nhiên liệu sinh học, đƣợc sản xuất chủ yếu bằng phƣơng pháp lên men và chƣng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đƣờng đơn, thƣờng đƣợc sản xuất từ các loại cây nông nghiệp hàm lƣợng đƣờng cao nhƣ ngô (ở Mỹ), lúa mì, lúa mạch, mía (ở Brazil). Ngoài ra, Etanol sinh học còn đƣợc sản xuất từ cây cỏ có chứa hợp chất cellulose. Etanol từ cellulose đã đƣợc sản xuất thành công và đƣa vào sử dụng làm nhiên liệu ở nhiều nƣớc trên thế giới. Hiện nay, việc sản xuất Etanol từ các loại cây lƣơng thực đang gây ra sự lo ngại về vấn đề an ninh lƣơng thực trên thế giới. Chính vì vậy, thế giới đang đi theo hƣớng sản xuất Etanol từ các nguyên liệu chứa hợp chất cellulose. Việt Nam là một quốc gia nằm ở vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm, điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của các loài tảo, bèo tây. Trên thế giới đã có những công trình nghiên cứu ứng dụng khả năng hấp thụ kim loại nặng của bèo tây để làm sạch môi trƣờng nƣớc mặt. Bên cạnh đó, bèo tây cũng đã Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học Phạm Công Minh K15 Cao học Môi trƣờng Trang 6 đƣợc nghiên cứu trong lĩnh vực sản xuất Etanol sinh học. Dựa vào thành phần hóa học của bèo tây chủ yếu là cellulose và hemicellulose, qua quá trình thủy phân và lên men nhờ vi sinh vật, chuyển hoá cellulose trong bèo tây thành Etanol sinh học. Với những ƣu điểm nhƣ rẻ tiền, phổ biến và có khả năng phát triển rất nhanh, bèo tây sẽ là một nguồn nguyên liệu tiềm năng trong quá trình nghiên cứu sản xuất Etanol sinh học. Chính vì ý nghĩa thiết thực đó, luận văn đã tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây (Eichnoria) thành Etanol sinh ho ̣ c” Để đạt đƣợc mục tiêu nêu trên, đề tài đã tiến hành các nội dung nghiên cứu sau: - Nghiên cứu một số điều kiện tối ƣu trong quá trình thủy phân bèo tây thành đƣờng đơn bằng tác nhân hóa học. - Xác định hàm lƣợng Etanol tạo ra sau quá trình lên men bởi vi khuẩn Klebsiella oxytoca THLC0109, phân lập từ quá trình ủ phân cừu và cỏ Napiergrass khô. - Đề xuất quy trình sản xuất Etanol từ bèo tây và xây dựng kịch bản áp dụng cho một thủy vực thiên nhiên. Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học Phạm Công Minh K15 Cao học Môi trƣờng Trang 7 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Sinh khối và nhiên liệu sinh học 1.1.1 Khái niệm Sinh khối (SK) là các vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ sinh vật có khả năng tái tạo nhƣ cây cối, phân gia súc… SK đƣợc xem là một phần của chu trình cacbon trong tự nhiên. Cacbon từ khí quyển đƣợc biến đổi thành vật chất sinh học qua quá trình quang hợp của thực vật. Khi phân giải hoặc đốt cháy, cacbon quay trở lại khí quyển hoặc đất. Vì vậy cacbon khí quyển đƣợc giữ ở mức tƣơng đối ổn định. Các vật liệu hữu cơ đƣợc tạo thành bởi các quá trình địa chất tạo than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên không đƣợc gọi là SK. Nhiên liệu hoá thạch có nguồn gốc SK trong thời cổ xƣa đƣợc xem là đã nằm ngoài chu trình cacbon từ rất lâu.Việc đốt cháy chúng làm hàm lƣợng CO2 trong khí quyển mất ổn định. Nhiên liệu sinh học (NLSH) là loại nhiên liệu có nguồn gốc từ SK - có thể là từ các sinh vật sống hoặc sản phẩm phụ từ quá trình chuyển hóa của chúng (ví dụ nhƣ phân gia súc). Chúng thuộc loại năng lƣợng tái tạo hoàn toàn khác với các loại năng lƣợng khác nhƣ hóa thạch, hạt nhân. 1.1.2. Các dạng nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học đƣợc sử dụng ở 03 dạng chính sau [40]: - Dạng rắn (SK rắn dễ cháy): củi, gỗ và than bùn. - Dạng lỏng: Các chế phẩm dạng lỏng nhận đƣợc trong quá trình chế biến vật liệu nguồn gốc sinh học nhƣ: + Cồn sinh học - các loại cồn có nguồn gốc sinh học, ví dụ: Etanol sinh học từ đƣờng mía, ngô đang đƣợc sử dụng làm nhiên liệu hoặc phụ gia pha xăng tại Braxin, Mỹ và một vài nƣớc khác; mEtanol sinh học (hiện đang đƣợc sản xuất chủ yếu từ khí tự nhiên, song có thể đi từ SK). Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học Phạm Công Minh K15 Cao học Môi trƣờng Trang 8 + Dầu mỡ các loại nguồn gốc sinh học: diezel sinh học (Biodiezel) - sản phẩm chuyển hóa ester từ mỡ động vật hoặc dầu thực vật; Phenol và các loại dung môi, dầu nhựa thu đƣợc trong quá trình nhiệt phân gỗ, v.v… - Dạng khí: Metan thu đƣợc từ quá trình phân hủy tự nhiên các loại phân, chất thải nông nghiệp hoặc rác thải - Biogas; Hydro thu đƣợc nhờ cracking hyđrocacbon, khí hóa các hợp chất chứa cacbon hoặc phân ly nƣớc bằng dòng điện hay thông qua quá trình quang hóa dƣới tác dụng của một số vi sinh vật; các sản phẩm khí khác từ quá trình nhiệt phân và khí hóa SK (các loại khí cháy thu đƣợc trong quá trình nhiệt phân gỗ). 1.1.3. Những lợi ích khi sử dụng nhiên liệu sinh học Sử dụng NLSH sẽ giảm thiểu ô nhiễm và khí nhà kính NLSH đƣợc sản xuất từ SK, là loại vật liệu xuất phát từ sinh vật (chủ yếu là thực vật) và là một phần trong chu trình cacbon ngắn. CO 2 mà cây hấp thụ từ không khí qua quá trình quang hợp sẽ quay trở lại bầu khí quyển khi chúng đã bị chuyển hóa thành năng lƣợng. Để có thể coi đó là nguồn năng lƣợng tái tạo thì ít nhất kho sinh khối đó phải đƣợc duy trì không thay đổi. Bởi vì trong chu trình không có lƣợng CO 2 thừa và NLSH chạy xe phát tán ngƣợc trở lại nên NLSH có thể đƣợc coi là yếu tố "cân bằng về mặt môi trƣờng" thuộc chu trình. Hiện nay, hàng năm toàn thế giới phát thải khoảng 25 tỷ tấn khí độc hại và khí nhà kính. Nồng độ khí CO 2 , loại khí nhà kính chủ yếu, tăng trên 30% so với thời kỳ tiền công nghiệp (từ 280 ppm tăng lên 360 ppm), nhiệt độ trái đất tăng 0,2- 0,4 0 C. Nếu không có giải pháp tích cực, nồng độ khí nhà kính có thể tăng đến 400 ppm vào năm 2050 và 500 ppm vào cuối thế kỷ XXI, nhiệt độ trái đất tăng thêm 2-4 0 C, gây ra hậu quả khôn lƣờng về môi trƣờng sống. Sử dụng NLSH so với xăng dầu khoáng giảm đƣợc 70% khí CO 2 và 30% khí độc hại, do NLSH chứa một lƣợng cực nhỏ lƣu huỳnh, chứa 11% [...]... diesel sinh học, và diện tích mía cho sản xuất xăng Etanol Thái Lan bắt đầu nghiên cứu sản xuất xăng sinh học từ năm 1985 Năm 2001, Thái Lan thành lập Uỷ ban NLSH để điều hành và phát triển nghiên K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang 23 Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học cứu NLSH Xăng E10 đã bắt đầu bán ở các trạm xăng từ 2003 Sử dụng Etanol sinh học: Etanol sinh học chủ... đỏ - Năng suất cao khi chuyển hoá xylan thành xylose K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang 14 Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học Thuỷ phân bằng - Loại bỏ este hiệu quả - Thu hồi kiềm kiềm - Tăng diện tích bề mặt - Khá đắt đỏ Organo-solvolysis Năng suất xylose cao - Thu hồi dung môi - Đắt đỏ - Phân huỷ lignin hiệu quả - Ức chế vi sinh vật - Yêu cầu năng lƣợng thấp Sinh học. .. 25-300C và pH= 6,5 - 7,0, chúng có khả năng phân giải cellulose mạnh nhất K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang 29 Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học nhờ có khả năng sinh tổng hợp enzym rất cao Nhiều loài vi khuẩn cũng có khả năng phân giải cellulose tuy nhiên cƣờng độ không mạnh bằng vi nấm Nguyên nhân là do lƣợng enzym tiết ra môi trƣờng ít hơn, thành phần lại không đầy đủ Ở... xuất và sử dụng Etanol sinh học a Sản xuất và sử dụng Etanol sinh học trên thế giới [24] Hiện nay có khoảng 50 nƣớc trên thế giới khai thác và sử dụng NLSH K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang 20 Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học ở các mức độ khác nhau NLSH đƣợc dùng làm nhiêu liệu cho ngành giao thông bao gồm: Dầu thực vật sạch, Etanol, diesel sinh học, dimetyl ether (DME),... và chia thành: Nấm men nổi và nấm men chìm Cách phân K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang 33 Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học biệt này là do sự khác nhau trong giai đoạn lên men Đặc điểm nổi bật của nấm men chìm là một số chủng có chứa enzym α-galactozidaza có khả năng lên men hoàn toàn đƣờng rafinoza, còn đối với nấm men nổi thì chỉ một số ít chủng có khả năng chuyển. .. cân bằng năng lƣợng đầu ra so với đầu vào là dƣơng Hiện tại, giá NLSH còn cao do sản xuất nhỏ, giá nguyên liệu cao Khi sản xuất quy mô lớn với công nghệ mới sẽ giảm giá thành Nếu xăng dầu không bù giá thì NLSH có giá thành thấp hơn Có thể khẳng định, NLSH sẽ đem đến đa lợi ích K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang 9 Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học 1.2 Etanol sinh học 1.2.1... tạo thành sản phẩm phân hủy không hoàn toàn là hydro- cellulose có độ bền cơ học kém hơn cellulose nguyên thủy, còn khi thủy phân hoàn toàn thì sản phẩm tạo thành là D-glucoza Hình 6 Cấu trúc cellulose K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang 28 Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học Về bản chất hóa học, cellulose là một rƣợu đa chức có phản ứng với kiềm hay kim loại kiềm tạo thành. .. galaeto hoặc arabino kém bền K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang 13 Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học hơn cellulose Nói chung hỗn hợp cellulose khó hòa tan trong nƣớc Phức polyme thơm có trong gỗ là lignin (10 - 25%) không thể lên men vì khó phân hủy sinh học, nhƣng có thể tận dụng vào việc khác c Các giai đoạn trong sản xuất Etanol sinh học (i) Quá trình xử lý sơ bộ: Một.. .Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học oxy, nên cháy sạch hơn NLSH phân huỷ sinh học nhanh, ít gây ô nhiễm nguồn nƣớc và đất Sử dụng NLSH sẽ góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế nông nghiệp Ngành kinh tế nông nghiệp ngoài chức năng cung cấp lƣơng thực thực phẩm, nguyên liệu công nghiệp, giờ đây có thêm chức năng cung cấp năng lƣợng sạch cho xã hội, đóng... đó “Giai đoạn K15 Cao học Môi trƣờng Phạm Công Minh Trang 26 Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học 2011-2015, sẽ phát triển mạnh sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học thay thế nhiên liệu truyền thống, mở rộng quy mô sản xuất và mạng lƣới phân phối phục vụ cho giao thông và các ngành sản xuất công nghiệp khác Đến năm 2020, công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam sẽ đạt . Etanol 39 Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học Phạm Công Minh K15 Cao học Môi trƣờng Trang 2 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 40 3.1. Thành phần và khả năng phát. năng chuyển đổi bèo tây thành cồn sinh học Phạm Công Minh K15 Cao học Môi trƣờng Trang 6 đƣợc nghiên cứu trong lĩnh vực sản xuất Etanol sinh học. Dựa vào thành phần hóa học của bèo tây. quá trình nghiên cứu sản xuất Etanol sinh học. Chính vì ý nghĩa thiết thực đó, luận văn đã tiến hành nghiên cứu đề tài Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây (Eichnoria) thành Etanol sinh ho ̣ c”