d

i

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................... 2
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 2
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu ................................................................................. 2
3.2. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................... 2
4. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................... 2
5. Bố cục đề tài .................................................................................................. 3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ...................................................... 4
1.1. TỔNG QUAN VỀ BIOETHANOL............................................................ 4
1.1.1 Nhiên liệu sinh học ................................................................................... 4
1.1.2. Ethanol nhiên liệu .................................................................................... 4
1.1.3. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol .................................................... 6
1.2. QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT BIOETHANOL............................................... 8
1.2.1. Sản xuất ethanol từ tinh bột ..................................................................... 8
1.2.2. Sản xuất ethanol từ rỉ đƣờng .................................................................... 9
1.2.3. Sản xuất ethanol từ nguyên liệu có nguồn gốc lignocellulose .............. 10
1.3. KỸ THUẬT SIÊU ÂM ............................................................................ 22
1.3.1. Giới thiệu ............................................................................................... 22
1.3.2. Cơ chế .................................................................................................... 23
1.3.3. Các yếu tố ảnh hƣởng ............................................................................ 24
1.4. QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM ............................................................. 25
1.4.1. Vai trò của quy hoạch thực nghiệm ....................................................... 25
1.4.2. Các phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm ............................................ 26
1.4.3. Các bƣớc quy hoạch thực nghiệm cực trị .............................................. 26
1.4.4. Phần mềm Design Expert ...................................................................... 26

2.4.7. Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng ethanol bằng GC ............................. 34
2.5. TRÌNH TỰ NGHIÊN CỨU ...................................................................... 35
2.5.1. Quy trình thực hiện ................................................................................ 35
2.5.2. Quá trình tiền xử lý ................................................................................ 36
2.5.3. Quá trình thủy phân ............................................................................... 38
2.5.4. Quá trình lên men .................................................................................. 39
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 40
3.1. QUÁ TRÌNH TIỀN XỬ LÝ ..................................................................... 40
3.1.1. Thành phần bã mía trƣớc khi xử lý ........................................................ 40
3.1.2. Thủy phân dịch thu đƣợc trƣớc khi xử lý bã mía .................................. 41
3.1.3. Tối ƣu điều kiện tiền xử lý..................................................................... 43
3.1.4. Ảnh hƣởng của quá trình tiền xử lý đến hình thái bề mặt của nguyên liệu
bã mía ............................................................................................................... 48
SVTH: Ng

-


d

iii

3.1.5. Ảnh hƣởng của quá trình tiền xử lý đến sự thay đổi thành phần các
nhóm chức trong nguyên liệu bã mía............................................................... 49
3.1.6. Ảnh hƣởng của quá trình tiền xử lý đến mức độ kết tinh của nguyên liệu
bã mía ............................................................................................................... 51
3.2. QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN .................................................................... 52
3.3. QUÁ TRÌNH LÊN MEN .......................................................................... 57
3.3.1. Đƣờng chuẩn ethanol ............................................................................. 57
3.3.2. Nồng độ ethanol sau quá trình lên men ................................................. 58


Cm

Nồng độ trong mẫu đã pha loãng

X

Nồng độ trong mẫu kh ng pha loãng

I

Cƣờng độ peak

CÁC CHỮ VIẾT TẮT:
Cr I

Chỉ số kết tinh (Crystallinity Index)

DNS

DiNitro- Salicylic

EPA

Cơ quan bảo vệ m i trƣờng (Environmental Protection Agency)

EU
Liên minh Châu Âu (European Union)
E85



SEM

Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electronic Microscope)

TEM

Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electronic Microscopy)

VSSA

Hiệp hội mía đƣờng Việt Nam

XRD

Nhiễu xạ tia X (X- ray diffraction)

SVTH: Ng

-


d

i

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. Thành phần lignocellulose trong rác thải và phụ phế phẩm n ng nghiệp phổ
biến ............................................................................................................................10
Bảng 2. Ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng pháp tiền xử lý .........................................14

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. Cấu trúc của lignocellulose ..........................................................................10
Hình 2. Công thức hóa học của cellulose ..................................................................11
Hình 3. Phân bố các vùng trồng mía ở Việt Nam [7] ...............................................13
Hình 4. Sơ đồ của quá trình thủy phân và lên men tách biệt ....................................16
Hình 5.. Sơ đồ của quá trình thủy phân và lên men đồng thời ..................................16
Hình 6. Quá trình phân giải của cellulose .................................................................17
Hình 7. Giống nấm men Pichia stipitis và Saccharomyces Cerevisiae .....................22
Hình 8 . Tác động của sóng siêu âm trong m i trƣờng lỏng ....................................24
Hình 9.Giao diện của phần mềm Design Expert 7.0 .................................................27
Hình 10. Nấm men S.Cerevisiae nhìn dƣới kính hiển vi ..........................................28
Hình 11. Quy trình nghiên cứu sản xuất bioethanol từ bã mía .................................36
Hình 12. Bã mía trƣớc khi xử lý ...............................................................................37
Hình 13. Hỗn hợp sau quá trình tiễn xử lý ................................................................37
Hình 14. (a) Bã mía sau khi rửa, lọc .........................................................................38
Hình 15. (b) Bã mía sau khi ép khô ..........................................................................38
Hình 16. (a) Bã mía trƣớc khi thủy phân, (b) Dịch thu đƣợc sau quá trình thủy phân
...................................................................................................................................38
Hình 18. Bộ dụng cụ lên men....................................................................................39
Hình 19. Thành phần (% khối lƣợng) của bã mía trƣớc khi xử lý ............................40
Hình 20. Đƣờng chuẩn glucose .................................................................................42
Hình 21. Kết quả tính hệ số b theo phần mềm Design Expert v7.0 ..........................46
Hình 22. Kết quả tối ƣu bằng phần mềm Design Expert v7.0 ..................................48
Hình 23. SEM: (a) Mẫu chƣa xử lý; (b) Mẫu đã xử lý: 3% NaOH, 300C và siêu âm
trong 25phút ..............................................................................................................49
Hình 24. FT- IR của mẫu chƣa xử lý ........................................................................49
SVTH: Ng

-



MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong điều kiện cạn kiệt nhiên liệu hoá thạch và các vấn đề khí thải liên quan gây
nhiễm m i trƣờng từ việc sử dụng nguồn nhiên liệu này, việc tìm kiếm và phát triển
các nguồn năng lƣợng sạch thay thế là cần thiết và cấp bách. Trong số các nguồn năng
lƣợng tái tạo, sinh khối là nguồn năng lƣợng quan trọng nhất.
C c
Loại năng lƣợng
tái tạo

ă

l ợ

ạ v dự b

[4]

Năm / Lƣợng (triệu tấn dầu qui đổi)

% năm

2001

2010

2020

2040


255

296

308

1,75

Thuỷ điện nhỏ

9,5

16

62

91

0,51

Gió

4,7

35

395

580


0,4

9

29

0,16

Địa nhiệt

43

73

194

261

1,47

Thuỷ triều

0.05

0,1

2

9

hemicellulose, lignin. Sự sắp xếp của các thành phần bên trong sinh khối làm cho nó
có cấu trúc v cùng phức tạp. Chỉ cellulose và hemicellulose có thể đƣợc chuyển đổi
-


d

2

thành đƣờng lên men. Do đó, cần có quá trình tiền xử lý để phá vỡ lignin xung quanh
các phân tử cellulose, làm tăng khả năng tác động của enzyme thủy phân cellulose
thành đƣờng.
Việc ứng dụng kỹ thuật siêu âm sẽ cải thiện một loạt các quá trình sinh học và có
tiềm năng đƣợc sử dụng trong sản xuất ethanol từ nguyên liệu lignocellulose. Kỹ thuật
siêu âm đƣợc áp dụng nhƣ một quá trình hỗ trợ việc phá hủy liên kết lignin tạo điều
kiện cho quá trình thủy phân, gia tăng vận chuyển cơ chất, kích thích tế bào sống và
enzyme giúp gia tăng sản lƣợng các chất trao đổi, đẩy nhanh quá trình lên men.
Với những lý do trên, chúng t i đã chọn đề tài tốt nghiệp:
“Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình
sản xuất bioethanol từ bã mía”
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu sử dụng sóng siêu âm để tăng cƣờng hiệu quả của quá trình tiền xử lý,
thuỷ phân nhằm nâng cao năng suất của quá trình sản xuất bioethanol từ bã mía từ nhà
máy đƣờng.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu
 Bã mía của nhà máy đƣờng
 Qui trình và các th ng số c ng nghệ của quá trình sản xuất bioethanol từ bã
mía của nhà máy đƣờng
 Kỹ thuật siêu âm

Sau phần mở đầu, đồ án gồm 3 chƣơng:
Chƣơng 1. Tổng quan về đề tài
Tổng quan về nhiên liệu sinh học, ethanol nhiên liệu, tình hình sản xuất và sử dụng
cũng nhƣ nguyên liệu và các c ng nghệ sản xuất bioethanol, kỹ thuật siêu âm, cơ chế
và các yếu tố ảnh hƣởng, quy hoạch thực nghiệm.
Chƣơng 2. Những nghiên cứu thực nghiệm
Giới thiệu về nguyên liệu, hóa chất, thiết bị sử dụng trong nghiên cứu này, trình
bày các phƣơng pháp nghiên cứu và trình tự nghiên cứu.
Chƣơng 3. Kết quả và thảo luận
Trình bày kết quả phân tích thành phần bã mía trƣớc khi tiền xử lý, kết quả phân
tích dịch thủy phân thu đƣợc trƣớc khi tiền xử lý, thành phần bã sau khi tiền xử lý, tối
ƣu các điều kiện tiền xử lý, phân tích các kết quả SEM, FT- IR, XRD, kết quả quá
trình thủy phân và lên men riêng biệt.
Cuối cùng là phần kết luận và kiến nghị của đề tài.
-


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. TỔNG QUAN VỀ BIOETHANOL
1.1.1 Nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học theo định nghĩa rộng là những nhiên liệu rắn, lỏng hay khí
đƣợc chuyển hóa từ sinh khối. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này chỉ đề cập chính đến
nhiên liệu sinh học dạng lỏng.
Nhiên liệu sinh học có thể đƣợc phân loại thành các nhóm chính nhƣ sau [33]:
 Diesel sinh học (Biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tƣơng tự
và có thể sử dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống. Biodiesel đƣợc
điều chế bằng cách ester hóa một số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ
động vật…) th ng qua phản ứng của nó với các loại rƣợu, phổ biến nhất là
ethanol.
 Xăng sinh học (Biogasoline) là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử

phƣơng tiện để ổn định thu nhập của n ng nghiệp [6].
b. Lợi ích và hạn chế khi sử dụng ethanol nhiên liệu
 Lợi ích:
Phát triển ethanol nhiên liệu giúp các quốc gia chủ động, kh ng bị lệ thuộc vào vấn
đề nhập khẩu nhiên liệu, đặc biệt đối với những quốc gia kh ng có nguồn dầu mỏ và
than đá. Đồng thời, kiềm chế sự gia tăng giá xăng dầu, ổn định tình hình năng lƣợng
cho Thế giới. Do đƣợc sản xuất từ nguồn nguyên liệu tái tạo, ethanol thật sự là một lựa
chọn ƣu tiên cho các quốc gia trong vấn đề an ninh năng lƣợng.
Việc sản xuất ethanol tƣơng đối đơn giản hơn so với các dạng nhiên liệu mới khác
nhƣ hydro, pin nhiên liệu. Nhìn chung, c ng nghệ sản xuất ethanol kh ng phức tạp, có
thể sản xuất ở quy m nhỏ đến quy m lớn. Ngoài ra, ethanol có trị số octane cao và có
thể dùng để nâng trị số octane của xăng. Trong thực tế, ở mức hàm lƣợng thấp (
gấp hơn 2 lần sản lƣợng năm 2006 (100 tỷ lít).
Các quốc gia sản xuất ethanol lớn nhƣ Brazil, Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ và Pháp
chiếm 84% sản lƣợng ethanol nhiên liệu của toàn thế giới trong năm 2005.
 Tình hình tiêu thụ [35]:
Năm 2006, sản lƣợng ethanol đƣợc sử dụng trên thế giới là 50 tỷ lít, trong đó
ethanol nhiên liệu chiếm 77%, ethanol c ng nghiệp chiếm 8% và ethanol cho đồ uống
chiếm 15%.
Tại thời điểm này có khoảng 40 quốc gia sử dụng các loại xăng sinh học làm nhiên
liệu cho động cơ. Từ năm 2007, xăng E85 đã đƣợc chính thức sử dụng tại Áo, Pháp và
Đức từ năm 2008. Mỹ có khoảng 250 triệu phƣơng tiện sử dụng xăng và trong số
chừng 170 000 trạm bán xăng thì có hơn 2000 trạm bán xăng E85. Mỹ cũng là nƣớc
tiêu thụ ethanol lớn nhất với khoảng 60% tổng sản lƣợng của thế giới.
b. Ở Việt Nam [36]:
Ngày 20/11/2007, Thủ tƣớng Chính phủ đã phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu
sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025”.
Cụ thể, đối với loại xăng E5, từ ngày 1/12/2014, xăng đƣợc sản xuất, phối chế,
kinh doanh để sử dụng cho phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ tiêu thụ trên địa bàn 7 tỉnh,
thành phố: Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ, Quảng
Ngãi, Bà Rịa-Vũng Tàu là xăng E5. Từ ngày 1/12/2015 xăng đƣợc sản xuất, phối chế,
kinh doanh để sử dụng cho phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ tiêu thụ trên toàn quốc là
xăng E5. Đối với xăng E10, từ ngày 1/12/2016, xăng đƣợc sản xuất, phối chế, kinh
doanh để sử dụng cho phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ tiêu thụ trên địa bàn 7 tỉnh, thành
phố: Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ, Quảng Ngãi, Bà
Rịa-Vũng Tàu là xăng E10. Từ 1/12/2017 xăng đƣợc sản xuất, phối chế, kinh doanh để
sử dụng cho phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ tiêu thụ trên toàn quốc là xăng E10.
Một số dự án liên quan đến ethanol đã và đang triển khai trong nƣớc:

-



-


Dịch ra khỏi thùng lên men gọi là giấm chín. Giấm chín sẽ đƣợc chuyển đến khu
vực chƣng cất bao gồm tháp chƣng cất th và tháp chƣng cất tinh. Ở tháp chƣng cất
th , ethanol đƣợc tách ra khỏi giấm chín, nâng nồng độ lên khoảng 40- 70%v/v.
Ethanol sau khi ra khỏi tháp chƣng cất th sẽ đƣợc đƣa qua tháp chƣng cất tinh để tách
tạp chất và nâng nồng độ cồn lên khoảng 95%v/v.
Để sản xuất ethanol nhiên liệu, sau khi chƣng cất, ethanol đƣợc đƣa qua tháp tách
nƣớc để nâng nồng độ ethanol lên khoảng 99,9%.
1.2.2. Sản xuất ethanol từ rỉ đƣờng
a. Nguyên liệu
Rỉ đƣờng là nguyên liệu chứa các loại đƣờng kh ng tinh khiết thu đƣợc trong quá
trình sản xuất đƣờng, tỷ lệ rỉ đƣờng chiếm 3÷3,5% trọng lƣợng nƣớc mía.
Thành phần của rỉ đƣờng gồm có:
 Nƣớc chiếm 18- 20% (tùy theo phƣơng pháp sản xuất, tuỳ theo điều kiện bảo
quản rỉ đƣờng và vận chuyển).
 Chất kh

chiếm 80- 82%. Trong đó 60% là đƣờng gồm: 40% là đƣờng

saccarose, 20% là đƣờng glucose, fructose và 40% là thành phần kh ng phải
đƣờng gồm: 8- 10% là hợp chất v cơ và 30- 32% là hợp chất hữu cơ.
 Trong rỉ đƣờng, lƣợng P2O5 chiếm 0,02- 0,05%, rất cần cho sự phát triển của
nấm men. Ngoài ra còn có các loại vi sinh vật gây ảnh hƣởng rất lớn đến
chất lƣợng của rỉ đƣờng.
Vậy việc sử dụng rỉ đƣờng để sản xuất rƣợu góp phần sử dụng triệt để phụ phế
phẩm, mặt khác hạn chế việc sử dụng các loại lƣơng thực chứa tinh bột nhƣ: sắn, ng ,
khoai để sản xuất rƣợu.
b. Quá trình sản xuất


Hemicellulose,%
-

Lignin, %


Thân gỗ cứng

40- 55

24- 40

18- 25

Thân gỗ mềm

45- 50

25- 35

25- 35

Vỏ lạc

25- 30

25- 30

30- 40


60

20

20

Giấy
Vỏ trấu

 Cellulose:
Cellulose là hợp chất hữu cơ có c ng thức cấu tạo (C6H10O5)n, và là thành phần chủ
yếu của thành tế bào thực vật. Cellulose cũng là hợp chất hữu cơ nhiều nhất trong sinh
quyển, hàng năm thực vật tổng hợp đƣợc khoảng 1011 tấn cellulose (trong gỗ, cellulose
chiếm khoảng 50% và trong b ng chiếm khoảng 90%).

Hình 2. Công thức hóa học của cellulose

Cellulose có cấu trúc rất bền và khó bị thủy phân. Ngƣời và động vật kh ng có
enzyme phân giải cellulose (cellulase) nên kh ng tiêu hóa đƣợc cellulose, vì vậy
cellulose kh ng có giá trị dinh dƣỡng.
Cellulose có thể tham gia phản ứng thủy phân tạo glucose. Cellulose có thể bị thủy
phân với tốc độ chậm trong m i trƣờng nƣớc ở nhiệt độ cao. Dƣới tác dụng của acide
hoặc enzyme, quá trình thủy phân xảy ra với tốc độ lớn hơn.
Phản ứng thủy phân đƣợc biểu diễn theo phƣơng trình tổng quát:
(C6H10O5)n + nH2O

nC6H12O6

 Hemicellulose:

15 triệu tấn mía, phát sinh ra 4,5 triệu tấn bã mía [29]. Đây là nguồn nguyên liệu dồi
dào cho việc sản xuất ethanol.

-


7%
12%

26%

Miền Bắc
Đông Nam Bộ
ĐBSCL
Tây Nguyên

16%

Bắc Trung Bộ
Duyên hải miền Trung
24%
15%

Hình 3. Phân bố các vùng trồng mía ở Việt Nam [7]

b. Quá trình sản xuất
 Tiền xử lý:
Đây là bƣớc quyết định trong quá trình biến đổi lignocellulose thành ethanol, và là
một trong những yếu tố chính ảnh hƣởng đến hiệu quả kinh tế của quá trình. Vì các
nguyên liệu lignocellulose khác nhau có các đặc tính lý hóa khác nhau, nên cần áp

- Phân hủy hiệu quả lignin và

Bất lợi
Tốc độ thủy phân thấp

hemicellulose
- Nhu cầu năng lƣợng thấp
Nghiền xay

Giảm độ kết tinh của cellulose

Nhu cầu năng lƣợng cao

Nổ hơi

- Thay đổi cấu trúc lignin và hòa - Sinh ra các chất ức chế
tan hemicellulose

- Phân hủy 1 phần

- Chi phí thấp

hemicellulose

- Hiệu suất thu glucose cao
AFEX

- Tăng khả năng tiếp cận bề mặt

- Kh ng hiệu quả với nguyên


- Tiêu tốn năng lƣợng thấp
-


Dung môi

Xảy ra sự thủy phân lignin và

- Chi phí cao

hữu cơ

hemicellulose

- cần tái sinh dung môi

Acid đậm đặc

- Năng suất thu glucose cao

- Chi phí cao cho acid và thu

- Tiến hành ở nhiệt độ m i

hồi

trƣờng

- Ăn mòn bình phản ứng


-


Hình 6. Quá trình phân giải của cellulose

Quá trình thủy phân cellulose đƣợc diễn ra theo các bƣớc sau:
+ Endoglucanase thủy phân liên kết β- 1,4- glycosidic trong vùng v định hình
tạo ra nhiều đầu kh ng khử.
+ Exoglucanase cắt các đơn vị cellobiose từ đầu kh ng khử.
+ β- glucosidase tiếp tục thủy phân cellobiose tạo ra glucose.
Các yếu tố ảnh hƣởng đến tốc độ thủy phân:
+ Cấu trúc nguyên liệu
 Tỉ lệ kết tinh: Đây là yếu tố chính ảnh hƣởng đến quá trình thủy phân. Các
mạch cellulose có tính kết tinh cao, các sợi cellulose liên kết rất chặt chẽ, do đó sẽ cản
trở quá trình tiếp xúc của enzyme với các mạch cellulose bên trong và làm giảm tốc độ
quá trình thủy phân.
 Mức độ polymer hóa: mạch cellulose càng dài, tốc độ thủy phân càng chậm.
 Kích thƣớc lỗ xốp: kích thƣớc của các lỗ xốp phải đủ lớn cho các enzyme đi
vào. Kích thƣớc lỗ xốp càng lớn quá trình thủy phân càng nhanh.
 Bề mặt tiếp xúc: hầu hết các chuỗi cellulose bị giấu trong các vi sợi- yếu tố
cản trở sự xâm nhập của enzyme và giới hạn tốc độ thủy phân. Bề mặt tiếp xúc càng
lớn thì càng thuận lợi cho quá trình thủy phân.
 Nhiệt độ

-


Tốc độ phản ứng thủy phân tăng theo nhiệt độ, tuy nhiên đến một nhiệt độ nhất
định, tốc độ phản ứng sẽ giảm dần và đến mức triệt tiêu. Phần lớn enzyme hoạt động