Đề tài Nghiên cứu công nghệ và thiết bị liên tục xử lý rơm rạ bằng hơi nước để lên men ethanol

ẩu gạo nhiều nhất thế giới. Theo thống kê năm 2003, cả nước có 33 triệu hecta đất trong đó 9,67 triệu hecta đất canh tác cùng 9,7 triệu hecta đồng cỏ (FAQ, 2003) [1]. Tổng sản lượng hoa màu và thực phẩm cả nước năm 2003 đạt 35 triệu tấn. Số liệu cụ thể được trình bày theo bảng 1. Sản lượng lương thực và hoa màu cao đồng nghĩa với việc nước ta có một nguồn phụ phẩm nông nghiệp rất dồi dào. Trung bình, để tạo ra 1 tấn gạo đã thải ra khoảng1,2 tấn rơm rạ. Sản lượng lúa gạo năm 2007 toàn quốc đạt 36 triệu tấn [2]. Như vậy, lượng rơm rạ thải ra hằng năm vào khoảng 43 triệu tấn. Số liệu thống kê hằng năm được trình bày theo bảng 1. Cho đến nay, phần lớn rơm rạ thường được để mục hoại ngoài đồng hay đốt tại chỗ để trả lại khoáng chất cho đồng ruộng. Phần còn lại được đem về làm thức ăn gia súc hay trồng nấm và làm chất đốt phục vụ nhu cầu đun nấu trong gia đình. Nếu có thể sản xuất được ethanol từ rơm rạ sẽ có thể sử dụng có ích nguồn năng lượng từ rơm mà vẫn trả lại được nguồn khoáng chất cho cây trồng. Bảng 1: Sản lượng nông nghiệp nước ta năm 2003 (FAO 2004) Hình 2.3: Sản lượng lúa gạo cả nước từ 1997- 2007 Công nghệ sản xuất Bioethanol từ Biomass Một số qui trình sản xuất Ethanol từ Biomass thực tế Các quá trình xử lí nguyên liệu thành cellulose, hemicellulose và lignin tiến hành trên cơ sở tương tác vật lí, hóa học, sinh học. Sau đó tiếp tục các quá trình chuyển hóa thu sản phẩm. Chuẩn bị Tiền xử lí Thủy phân Lên men Nguyên liệu Nấm men Nhân giống Chưng cất Ethanol Hình 2.4: Qui trình công nghệ sản xuất Bioethanol từ Biomass Hình 2.5: Các qui trình sản xuất đi từ lignocellulosic Hình 2.6: Qui trình sản xuất đi từ nguyên liệu biomass Giai đoạn tiền xử lý Khác với nguyên liệu tinh bột, sản xuất ethanol từ nguồn rơm rạ phải qua giai đoạn tiền xử lí trước khi tiến hành thủy phân thành đường. Nguyên nhân là do cellulose khó thủy phân hơn tinh bột. Tinh bột chứa amylopectin có cấu trúc phân nhánh nên dễ dàng tiếp xúc với dung môi. Trong khi cellulose tinh thể tạo cấu trúc thẳng, khoảng cách giữa các phân tử thấp nên dung môi tiếp xúc với các phân tử cellulose khó khăn hơn. Bên cạnh đó, việc thủy phân liên kết α - 1,4 – glycosidic trong tinh bột dễ dàng hơn liên kết β- 1,4- glycosidic trong cấu trúc của cellulose. Rơm rạ phải được tiền xử lí trước khi lên men. Quá trình tiền xử lí để nâng cao hiệu quả quá trình thủy phân cần phải thoả mãn những tiêu chuẩn sau: Tạo ra lượng đường có khả năng lên men cao nhất. Hạn chế sự phân hủy các carbohydrate. Giảm sự hình thành những chất ức chế vi sinh vật. Linh hoạt, và phải có hiệu quả kinh tế cao. Phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước Năm 1980, quá trình tiền xử lí biomass bằng phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước được chính thức giới thiệu, ngay sau đó công ty Iotech Corporation đã tiến hành các thí nghiệm đầu tiên để tìm hiểu ảnh hưởng của phương pháp này đến hàm lượng glucose và xylose thu được trong dịch thủy phân cellulose. Theo Iotech, điều kiện xử lí tối ưu của holocellulose (xylose + glucose) là áp suất 500-550 psi, thời gian 40 giây. Cơ chế Phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước là một quá trình tác động cơ học, hóa học và nhiệt độ lên hỗn hợp nguyên liệu. Nguyên liệu bị phá vỡ cấu trúc dưới tác dụng của nhiệt, hơi và áp lực do sự giãn nở của hơi ẩm và các phản ứng thủy phân các liên kết glycosidic trong nguyên liệu. Quá trình nổ hơi nước gồm các giai đoạn sau: a) Làm ẩm nguyên liệu b) Giảm áp đột ngột Các yếu tố ảnh hưởng Quá trình nổ bằng áp lực hơi nước chịu ảnh hưởng lớn bởi 2 yếu tố: nhiệt độ và thời gian. Thời gian lưu: thời gian lưu ảnh hưởng đến sự thủy phân của hemicellulose. Thời gian lưu của nguyên liệu trong thiết bị phản ứng càng dài thì hemicellulose được thủy phân càng nhiều. Nhưng nếu giữ nguyên liệu ở trong thiết bị quá lâu sẽ dẫn đến sự phân hủy các sản phẩm thủy phân tạo ra các sản phẩm không cần thiết. Việc thủy phân hemicellulose giúp cho quá trình thủy phân cellulose diễn ra thuận lợi hơn. Nhiệt độ: nhiệt độ có mối quan hệ chặt chẽ với áp suất trong thiết bị. Nhiệt độ càng cao thì áp suất càng cao và ngược lại. Sự gia tăng áp suất làm tăng sự chênh lệch giữa áp suất trong thiết bị và áp suất khí quyển. Từ đó ảnh hưởng đến lực cắt của ẩm khí hóa hơi. Thiết bị Hiện nay, StakeTech là một trong những thiết bị sử dụng trong quá trình tiền xử lí khá hiệu quả. StakeTech là thiết bị áp suất làm bằng thép không gỉ, đặt nằm ngang có thể chịu được áp suất đến 450 psig. Nguyên liệu được nạp vào liên tục ngược dòng bằng một vít tải để cân bằng với áp lực bên trong thiết bị. Nguyên liệu di chuyển dần về phía cửa tháo liệu. Thời gian lưu của nguyên liệu được điều khiển theo lập trình. Sau đó, dưới tác dụng của lực nén ép, nguyên liệu được đẩy ra ngoài qua van tháo liệu. Van hình cầu, có thể quay và mở đều đặn theo từng khoảng thời gian đặt trước theo tốc độ sản xuất. Tùy vào điều kiện sản xuất mà van có thể định kì mở mỗi 2 – 8 giây. Do đó cần phải chuẩn bị ống dẫn biomass đã xử lí sang quá trình kế tiếp. Thiết bị phản ứng StakeTech đang được sử dụng ở các trường đại học và là một mặt hàng có giá trị thương phẩm cao. Quá trình tiền xử lí có thể được thực hiện bằng hệ thống thiết bị phản ứng liên tục 2 cấp. Thiết bị được thiết kế dựa trên một trục vít nằm ngang và một trục vít đặt thẳng đứng. Trục vít thứ nhất dòng hơi nước được dẫn vào ở 170-185ºC. Trục vít thứ hai sử dụng dòng acid loãng < 0.1 % ( tính theo khối lượng) ở 205-225 ºC . Giai đoạn thủy phân Thủy phân bằng acid Quá trình thủy phân acid ban đầu chỉ phá vỡ cấu trúc cellulose ở một mức độ nhất định. Quá trình thủy phân diễn ra theo các bước sau: Bước 1: Acid xâm nhập vào mạng lưới các vi sợi của biomass Bước 2: Xúc tác quá trình thủy phân Bước 3: Giới hạn tốc độ quá trình thủy phân. Các phương pháp xử lí bằng acid Thủy phân nguyên liệu biomass bằng acid gồm có 2 phương pháp: a) Thủy phân bằng acid đặc: Phương pháp thủy phân bằng acid đặc gồm các giai đoạn sau: Tiền thủy phân để loại hemicellulose Thủy phân cellulose Thủy phân oligosaccharide thành glucose b) Thủy phân bằng acid loãng: Quá trình thủy phân bằng acid loãng là quá trình xử lí hóa nhiệt để thủy phân cellulose và hemicellulose ở nhiệt độ cao. Các acid được sử dụng như acid sulfuride, hydrochloric hoặc acid nitric. Tiến hành thủy phân với nồng độ acid từ 0.5-1.5% ở nhiệt độ 160ºC. Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến trong thực tế do lượng đường thu được cao từ 75-90% (Wooley và các cộng sự, 1999, Sun and Cheng, 2002). c) Qui trình thủy phân biomass 2 giai đoạn Qui trình thủy phân biomass 2 giai đoạn là qui trình có nhiều triển vọng và có tính thương mại cao. Đó là do: Qui trình này sẽ mau chóng được đưa vào các hoạt động thương mại dựa trên cơ sở phương pháp sử dụng acid loãng. Quá trình phân tách hỗn hợp thủy phân hemicellulose và cellulose thu được sản lượng và độ tinh khiết sản phẩm cao. Vì các dịch thủy phân được tách ra trong mỗi giai đoạn. Năng lượng tiêu hao cho toàn bộ quá trình thấp. Quá trình xử lí được thực hiện qua 2 giai đoạn như sau: rửa hơi hơi nước nước acid biomass lignin bã acid Giai đoạn tiền thủy phân Giai đoạn đường hóa dịch thủy phân dịch thủy phân Thiết bị Quá trình thủy phân biomass có thể thực hiện trong các bình phản ứng. Phương pháp ngâm chiết có thể thực hiện bằng cách cho dòng acid thấm xuyên qua các cột nhồi nhiều lớp. Đây là thiết bị khá thích hợp cho phương pháp thủy phân theo mẻ. Ưu điểm thứ nhất là loại đường ngay khi nó được tạo thành. Thiết bị này ít tạo thành các sản phẩm phân hủy đường và các chất ức chế quá trình lên men, tạo ra lượng đường lớn. Điểm thứ 2, thiết bị có thể hoạt động với tỉ lệ rắn/ lỏng khá cao. Năm 1997 Torget và các cộng sự phát minh ra thiết bị phản ứng BSFT. Đây là thiết bị chảy qua lớp co. Thiết kế nhằm giữ độ chặt của lớp không đổi. Dòng acid được đưa qua thiết bị và đi qua các lớp với vận tốc bé. Thời gian lưu của nguyên liệu trong thiết bị ngắn hơn so với phương pháp ngâm chiết. Thiết bị cho năng suất cao. Sản phẩm thu được có hàm lượng chất phân hủy thấp Thủy phân bằng enzyme Để thủy phân cấu trúc cellulose nhất là cellulose tinh thể cần có sự tham gia của nhiều enzyme (Schwarz, 2001). Cellulase là một hệ enzyme khá phức tạp. Cellulase bao gồm 3 hợp phần cơ bản như sau: endoglucanase, exoglucanase (cellobiohydrolase) và β-glucosidase (cellobiase). Cellulase chỉ được tổng hợp khi tế bào sinh vật phát triển với sự có mặt của cellulose, cellobiose, lactose, sophorose hoặc các glucan khác có chứa liên kết β–1,4–glycosidic (Gratzali và Brown, 1979). Các sản phẩm cuối của quá trình thủy phân ức chế tác dụng của cellulase. Do đó trong quá trình thủy phân phải liên tục tách các sản phẩm này ra khỏi dịch thủy phân. Trung tâm hoạt động của enzyme cellulase chứa các gốc amino acid đặc hiệu. Trong khi đó cellulose chứa các liên kết glycosidic. Bộ electron σ đóng vai trò phân cực liên kết. Hiệu ứng cảm ứng của nguyên tử oxy trung tâm gây ra một sự tập trung tích điện trên nguyên tử oxy làm cho nguyên tử oxy tích điện âm. Còn các nguyên tử cacbon kết hợp với nó bị khuyết electron nên sẽ tích điện dương. Sự khuyết electron trong liên kết bị thủy phân là yếu tố quan trọng quyết định khả năng thủy phân. Tác dụng xúc tác của enzyme do sự phân bố electron quyết định. Cơ chế quá trình thủy phân biomass Quá trình thủy phân tiến hành ở nhiệt độ 70ºC trong 1,5 ngày. Sản phẩm thu được có lượng glucose bằng 75-95% số gốc glucose có trong nguyên liệu. Hiện nay, cơ chế thủy phân của hệ enzyme cellulase được chấp nhận diễn ra theo các bước sau: Endoglucanase thủy phân liên kết β-1,4-glycosidic trong vùng vô định hình tạo ra nhiều đầu không khử. Sau đó exoglucanase cắt các đơn vị cellobiose từ đầu không khử. β-glucosidase tiếp tục thủy phân cellobiose tạo ra glucose. Hình 2.7: Quá trình thủy phân cellulose bằng enzyme cellulase. Sự phối hợp hoạt động của các enzyme rất cần thiết cho quá trình tối ưu hóa quá trình thủy phân. Tồn tại mối tương quan tuyến tính giữa khả năng kết tinh và tốc độ thủy phân (Fan và cộng sự ). Khả năng kết tinh càng cao thì tốc độ thủy phân càng chậm. Vùng vô định hình có tốc độ thủy phân gấp 2 lần vùng kết tinh. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ quá trình thủy phân Tốc độ quá trình thủy phân cellulose bằng cellulase chịu tác động của một số các yếu tố. Năm 2002, Lyn và cộng sự đưa ra kết luận như sau: Tỉ lệ kết tinh: đây là yếu tố chính ảnh hưởng 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 (Walker và cộng sự , 1990). Kích thước lỗ xốp: kích thước của các lỗ xốp phải đủ lớn cho các enzyme đi vào. Kích thước 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. Hình 2.8: Quy trình sản xuất ethanol liên tục từ Biomass ứng dụng kỹ thuật cố định tế bào nấm Tóm lại: Như vậy, phần tổng quan tài liệu cho thấy tình hình các nghiên cứu về công nghệ sản suất nhiên liệu ethanol trên thế giới đặc biệt là từ các nguồn phụ phẩm nông nghiệp. Ngày nay, nguồn nhiên liệu mới để thay thế nhiên liệu truyền thống đang ngày càng được quan tâm từ nhiều nhà nghiên cứu cũng như chính phủ các nước. Việc tổng quan tài liệu giúp tác giả của đề tài này nhìn nhận tốt hơn những nhận định, xu hướng nghiên cứu về ethanol nhiên liệu trong nước cũng như thế giới. Từ đó tiếp tục phát triển những nghiên cứu theo những hướng đi đúng và hạn chế những sai lầm trong nhận định. Việc thừa kế những kết quả của những nghiên cứu trước nhằm hoàn thiện hơn kết quả thu được là điều cần thiết cho đề tài này. Do đó những nghiên cứu trong đề tài đi theo hướng tiếp tục cải thiện những nghiên cứu trước trong nước cũng như theo những định hướng của các nghiên cứu ở nước ngoài nhằm hoàn thiện hơn về mặt thông tin và công nghệ việc sản suất ethanol nhiên liệu từ rơm. Nhiệm vụ cụ thể của đề tài bao gồm các nội dung cơ bản sau: Khảo sát quá trình xử lý rơm rạ trên thiết bị liên tục bằng hơi nước áp suất cao có giảm áp đột biến (từ đó so sánh với quá trình xử lý trên thiết bị nổ hơi chậm trước đây). Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình nổ hơi đến hiệu suất thủy phân rơm rạ bằng enzyme cellulase trên cơ sở cải thiện những nghiên cứu trước theo hướng liên tục hóa quá trình thực hiện. Nghiên cứu khả năng thủy phân rơm rạ đã xử lý bằng Enzyme Cellulase trên thiết bị liên tục kết hợp ứng dụng kỹ thuật cố định tế bào nấm trong quá trình lên men. THỰC NGHIỆM Nguyên liệu Rơm rạ: Rơm rạ sử dụng trong nghiên cứu này thuộc giống “trâu nằm” được lấy từ xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, thành phố Hồ Chí Minh. Rơm rạ được bảo quản trong điều kiện khô ráo, độ ẩm <12% trong vòng 6 tháng. Toàn bộ những thí nghiệm nghiên cứu được thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Lọc Hóa Dầu, ĐH Bách khoa HCM. Enzyme: Enzyme được sử dụng là enzyme cellusoft L do công ty Novo Nordisk – Đan Mạch sản xuất. Cty Nam Giang 133/11 Hồ Văn Huê, quận Phú Nhuận, HCM phân phối. Cellusoft L, có dạng lỏng, màu nâu đỏ. Cellusoft L được nuôi cấy từ giống Trichoderma reesei bằng phương pháp lên men chìm với hoạt tính biểu thị 1500 NCU/g. Hoạt tính NCU được xác định theo phương pháp phân tích của Novo Nordisk, AF 187,2. Nhiệt độ làm việc tốt nhất là 50oC, pH = 4,8. Thiết bị sử dụng Thiết bị nổ hơi: Thiết bị nổ hơi được thiết kế và chế tạo nhằm thực hiện quá trình liên tục. Hệ thống cấp nước nóng: Hệ thống cấp nước nóng có khả năng cài đặt và tự động điều chỉnh nhiệt độ và áp suất. Nhiệt độ tối đa của nước nóng cung cấp bởi thiết bị là 270oC, áp suất làm việc tối đa 50bar, lưu lượng có thể thay đổi được từ 100ml/p – 1000ml/p bằng bơm nhập liệu ở áp suất cao. Bể lắc điều nhiệt: Bể lắc điều nhiệt : sử dụng nước làm chất tải nhiệt. Nhiệt độ làm việc 40 – 90oC. Máy sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC): Máy sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC) SHIMADZU (Đầu dò RID – 10A; Bơm cao áp LC – 20AD; Bộ phận tách khí DGU – 20 A3; Bộ phận lò cột CTO – 20A; Bộ xử lý và máy in C – R8A; Cột sử dụng phân tích là SUGAR SH101, 8mmID×300mml). Pha tĩnh là coopolymer của styrene divinylbenzene, pha động dung dịch H2SO4 0,05M. • Nồi hấp tiệt trùng y tế • Kính hiển vi. • Buồng đếm hồng cầu • Máy đo pH 220K METTER TOLEDO • Máy sục oxy • Máy ly tâm MIKRO 120 • Cân phân tích • Cân kỹ thuật Shimadzu BX420H, max 420g • Tủ sấy • Lò nung Các phương pháp sử dụng trong nghiên cứu Phân tích nguyên liệu và sản phẩm nổ hơi Nguyên liệu và sản phẩm sau nổ hơi được phân tích thành phần sợi (béo, trích ly, hemicellulo, cellulo, lignin) để xác định hiệu suất cũng như đánh giá hiệu quả của quá trình nổ hơi. Phân tích hàm ẩm: Nguyên liệu được cân chính xác với khối lượng m1 sau đó cho vào tủ sấy ở 105oC trong vòng 8 giờ. Cân lại khối lượng chính xác m2. Độ ẩm của rơm rạ được tính theo công thức sau: Phân tích thành phần béo: Nguyên liệu được sấy khô đem nghiền nhỏ và rây qua rây 250µm. Cân 10g mẫu cho vào Glass fiber filter (GFF), cân khối lượng GFF và mẫu được W’1.Chuẩn bị 300 ml hệ dung môi Ethanol/Benzene với tỷ lệ 1:2. Cho vào bình cầu có dung tích 500ml. Đặt GFF có chứa mẫu vào soxhlet. Đun sôi trong dung môi (80oC) khoảng 6 giờ. Lấy GFF ra khỏi soxhlet, sấy trong tủ sấy ở nhiệt độ 105oC trong vòng 8 giờ. Cân lại khối lượng GFF, W’2 = (các thành phần khác của rơm rạ + GFF). Tính lượng chất béo đã tách ra: W’ = W’1 – W’2 Phân tích thành phần NDS (thành phần trích ly): Lấy 0.5g nguyên liệu (m1) được sấy khô và nghiền nhỏ cho vào bình cầu. Lấy 100ml dung dịch NDS, 2ml decahydronaphtalene và 0,5g natri sulfite sau đó đun sôi tuần hoàn trong vòng 60 phút. Lọc dung dịch bằng phễu Gooch Crucible, sau đó rửa bằng nước sôi (vài lần) và acetone (2 lần). Sấy khô Crucible ở nhiệt độ 105oC trong vòng 8h sau đó cân khối lượng crucible (W1). W1 = xơ sợi (cellulose + cellulose + lignin) + tro + crucible Nung Crucible trong lò nung (500 → 5500C) trong 3 giờ, sau đó cân lại khối lượng Crucible (W2) W2 = tro + crucible. Tính khối lượng xơ sợi: xơ sợi (cellulose + hemicellulose + lignin) = W1 – W2. Phân tích thành phần ADS (hemicellulo): Cân chính xác 1g mẫu khô m2 cho vào bình cầu cùng với 100ml dung dịch ADS, 2ml decahydronaphtalene. Đun sôi tuần hoàn trong vòng 60 phút. Lọc hỗn hợp bằng phễu Gooch Crucible, rửa bã bằng nước sôi 2 lần. Sau đó rửa bằng acetone đến khi nước rửa không màu. Sấy khô Crucible ở 105oC, sau 8h, cân khối lượng bã W4. W4 = cellulose + lignin + tro + crucible. Phân tích thành phần ADL (lignin): Sợi sau khi sử lý ADS được hòa tan cellulo bằng dung H2SO4 72% nhiều lần, phần còn lại không tan trên Gooch Crucible là lignin và tro trong trong phần ADS. Bã sau đó được rửa kỹ với nước sôi nhiều lần. Sấy khô crucible trong tủ sấy ở 105oC trong vòng 8 giờ, sau đó cân lại khối lượng crucible W5: W5 = lignin + tro + crucible. Đun crucible trong lò nung, nhiệt độ 500 – 550oC, trong 3 giờ. Cân lại crucible: W6 = tro + crucible Phân tích tro: Cân 1g mẫu đã qua nghiền nhỏ, rây, sấy khô ở 1050C đến khối lượng không đổi. Cân chính xác khối lượng mẫu và ghi lại (m3).Cho mẫu vào cốc nung và cân khối lượng cốc nung m4. Đem cốc nung ở 500 – 5500C trong 3 giờ, sau đó cân lại khối lượng cốc (m5) Tính toán các thành phần trong phân tích sợi Phân tích nồng độ dung dịch đường Dung dịch đường gluco thu được từ dung dịch thủy phân hay lên men được phân tích bằng máy HPLC. Pha động là dung dịch H2SO4 0,05N được lọc qua màng lọc 0,45µm. Dung dịch đường chuẩn được pha từ gluco tinh khiết 98% của WAKO với các nồng độ từ 0,1g/l – 1,5g/l (đường chuẩn gluco có thể xem thêm tại phần phụ lục). Chế độ phân tích được giữ như sau: nhiệt độ oven 600C, nhiệt độ RID 400C, chế độ dòng 1ml/phút. Các loại đường khác như xylose, arabinose, galactose, mannose, cellobio cũng được phân tích với các chế độ chạy máy như đối với gluco. Hóa chất chuẩn của các loại đường này được lấy từ hóa chất tinh khiết của WAKO. Hướng nghiên cứu Những nghiên cứu trong báo cáo này xoay quanh 3 vấn đề chính: Khảo sát quá trình xử lý rơm rạ trên thiết bị liên tục bằng hơi nước áp suất cao có giảm áp đột biến. Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình nổ hơi đến hiệu suất thủy phân rơm rạ bằng enzyme cellulase trên cơ sở cải thiện những nghiên cứu trước theo hướng liên tục hóa quá trình thực hiện. Nghiên cứu khả năng thủy phân rơm rạ đã xử lý bằng Enzyme Cellulase trên thiết bị liên tục kết hợp ứng dụng kỹ thuật cố định tế bào nấm trong quá trình lên men. Trình tự làm thí nghiệm được trình bày như sơ đồ sau: nguyên liệu Thủy phân riêng biệt Tiền xử lý (nổ hơi) Thủy phân liên tục Enzyme Nấm men Thực nghiệm Xác định độ ẩm nguyên liệu ban đầu Khảo sát quá trình nổ hơi: Theo các kết quả nghiên cứu trước đây của chúng tôi với phương pháp nổ hơi theo mẻ, gián đoạn, phương pháp nổ hơi nhanh cho hiệu quả tốt với 70% ẩm và thời gian lưu là 2ph. Trong khuôn khổ đề tài này, chúng ta sẽ đi sâu khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nổ hơi đến quá trình thủy phân. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ thu hồi bã nổ hơi Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến thành phần bã nổ hơi Khảo sát sự biến đổi hàm lượng Cellulose nguyên liệu trước và sau nổ hơi Khảo sát ảnh hưởng của các chế độ nổ hơi đến quá trình thủy phân Bã sau nổ hơi được đem đi thủy phân đến tận cùng. Các thông số của quá trình thuỷ phân được lựa chọn là tốt nhất từ những nghiên cứu trước đây: Nhiệt độ thủy phân = 500C; pH thủy phân = 4,8; Tỷ lệ bã = 5% ; Tỷ lệ enzyme = 2%; Thời gian thủy phân = 48 giờ. Kết thúc quá trình thủy phân, mẫu được lấy ra đem đi phân tích nồng độ glucose bằng máy HPLC. Xây dựng giản đồ nồng độ Gluco – % Enzym – thời gian thủy phân Chuẩn bị 20 mẩu thủy phân ứng với tỷ lệ Enzym khác nhau từ: 0,1 %, 0,25%, 0,5%, …, 1,75%, 2%; Nhiệt độ thủy phân = 500C; pH thủy phân = 4,8; Tỷ lệ bã = 5% . Tiến hành lấy mẫu ở các mốc thời gian: 1h, 2h, …, 10h; sau đó mẫu được phân tích nồng độ glucose bằng máy HPLC. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Thành phần nguyên liệu trước nổ hơi Nguyên liệu đem đi phân tích theo phương pháp đã trình bày ở mục trên. Kết quả phân tích thành phần như sau: Thành phần Cellulose Hemicellulose Lignin Tro Resin Chất trich ly Hàm lượng(%) 37,87 21,67 5,07 10,69 1,32 22,49 Bảng 3: Thành phần nguyên liệu rơm trước nổ hơi Hình 4.1: Biểu đồ thành phần nguyên liệu rơm trước nổ hơi Số liệu thành phần của rơm rạ ở trên chỉ tương ứng với nguồn nguyên liệu ở xã Thái Mỹ, nếu sử dụng nguồn nguyên liệu ở các vùng khác thì sẽ có sự thay đổi tùy vào điều kiện, đất đai v.v… Hàm lượng Cellulose của Rơm là 37,87 % Quá trình nổ hơi Nổ hơi chậm Từ kết quả của những nghiên cứu trước đây, ta có: Quá trình xử lý nổ hơi chậm là cần thiết để làm tăng khả năng thủy phân cellulose thành đường có khả năng lên men đặc biệt khi sử dụng enzyme. Chế độ nổ hơi hợp lý được lựa chọn: Nhiệt độ nổ hơi = 2100C ; Độ ẩm = 95,2%. Các thông số chọn lựa trên tiêu chí cực đại nồng độ cồn của quá trình thủy phân bằng enzyme là: Nhiệt độ thủy phân = 500C; pH thủy phân = 4.8; Tỷ lệ bã = 5%; Tỷ lệ enzyme = 2%; Thời gian thủy phân = 48 giờ. Nồng độ glucose đạt được khoảng: Đối với rơm : CGlu = 3,6% Độ chuyển hóa Cellulose nguyên liệu ban đầu thành Glucose: Đối với rơm: H = 69,2% Khi tiến hành nổ hơi chậm, cần phải mất một khoảng thời gian dài để truyền nhiệt cho nước nóng lên. Mặt khác lượng nước sử dụng cho quá trình này là rất nhiều so với lượng rơm cho vào (độ ẩm trên 95%). Đối với phương pháp này không thể tiến hành nổ hơi khi rơm rạ chiếm trên 10% vì rơm sẽ bị than hóa cục bộ do nhiệt không được truyền vào trong. Quá trình này diễn ra chậm và thời gian rơm nằm trong thiết bị lâu nên nhiệt độ nổ hơi thấp. Bên cạnh việc tốn quá nhiều năng lượng cho gia nhiệt trong nổ hơi do lượng nước sử dụng lớn là thời gian thực hiện quá trình bị kéo dài. Đây là một cản trở lớn để nâng cao năng suất thiết bị và tính kinh tế của quá trình nổ hơi chậm. Nổ hơi nhanh Những nhược điểm nổ hơi nhanh ở nhiệt độ cao được nghiên cứu nhằm khắc phục hạn chế trên. Nhiệt độ liên quan đến áp suất hơi bão hòa do đó nhiệt độ ảnh hưởng đến khả năng cắt nhỏ mạch cellulo. Thời gian lưu khi tiến hành mỗi chế độ là 2 phút.Với các thí nghiệm này, hàm mục tiêu là mức độ xé nhỏ (mức độ rời rạc) các bó sợi cellulo. Một số hình ảnh ngoại quan của bã nổ hơi theo nhiệt độ sau đây: Hình 4.2: Rơm rạ nổ hơi ở các nhiệt độ khác nhau Nhận xét: Khi nổ hơi ở nhiệt độ thấp dưới 2200C các sợi cellulo vẫn còn có chiều dài lớn, bị kết búi không rời rạc. Điều này sẽ gây khó khăn cho các quá trình sau về khả năng khuấy trộn cũng như nhập liệu. Tóm lai, quá trình nổ hơi do đó phải cắt nhỏ được các sợi cellulo. Dựa vào đánh giá cảm quan và một số tài liệu cho thấy, nguyên liệu có độ rời rạc cao cần phải tiến hành nổ hơi với nhiệt độ từ : Đối với rơm : 2200C à 2400C. Ảnh hưởng của nhiệt độ nổ hơi đến độ thu hồi nguyên liệu sau nổ hơi Hình 4.3: Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và hiệu suất thu hồi rơm Khi nhiệt độ tăng cao, hiệu suất thu hồi giảm. Ảnh hưởng của nhiệt độ nổ hơi đến hàm lượng Cellulose nguyên liệu sau nổ hơi Hình 4.4: Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và hàm lượng Cellulose bã rơm nổ hơi Khi nhiệt độ nổ hơi tăng, hàm lượng Cellulose có khuynh hướng tăng lên. Hàm lượng Cellulose đạt giá trị cực đại: Rơm, tại 2300C, % Cell = 53,10 Tiếp tục tăng nhiệt đổ nổ hơi, hàm lượng Cellulose giảm dần. Hình 4.5: Biểu đồ so sánh % Cell của bã Trấu và Rơm sau nổ hơi. Chúng ta có thể lý giải điều này như sau: quá trình nổ hơi (steam – explosion) là quá trình vật lý sử dụng hơi nước áp suất cao để phá vỡ cấu trúc vững chắc lignocellulose, chủ yếu để phá bỏ lớp lignin và hemicellulose. Ngoài ra, thành phần lớp silica hay các chất vô cơ cũng sẽ bị phá hủy một phần trong quá trình này, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thủy phân và lên men. Như vậy quá trình nổ hơi đã làm giảm đáng kể các thành phần không mong muốn như lignin, hemicellulose, các thành phần vô cơ v.v…Từ đó làm tăng thành phần Cellulose. Khi tăng nhiệt độ của quá trình nổ hơi, độ chênh áp bên trong thiết bị và bên ngoài tăng, cấu trúc lignocellulose bị tác động phá vỡ mạnh mẽ hơn, cấu trúc sau nổ hơi bị “bung” ra tốt hơn, cấu trúc lignocellulose càng mịn hơn. Đồng thời khả năng hòa tan các thành phần không mong muốn như lignin, hemicellulose cũng tăng. Vì vậy phần trăm Cellulose tăng dần. Nhưng khi nhiệt độ nổ hơi tiếp tục tăng quá cao, hiệu suất Cellulo lại giảm dần. Do ở nhiệt độ cao, lignin bị kết tụ và tái phân bố lại trên xơ nổ hơi, hầu như ít bị hòa tan theo dịch nổ hơi [7]. Ngoài ra, khi nhiệt độ càng cao, hàm lượng Cellulose bị hòa tan càng nhiều. Vì vậy, phần trăm Cellulose sẽ giảm dần. Tóm lại: Quá trình tiền xử lý là cần thiết cho nguyên liệu vì làm tăng % Cell và làm tơi xốp cấu trúc sợi Cell thuậ