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

a chúng. Đối với nấm men Saccharomyces, nhiệt độ tối ưu nằm trong khoảng 28-320C. Ở nhiệt độ cao, hoạt tính của nấm men giảm nhanh nhưng chủ yếu là dễ bị nhiễm vi sinh vật như vi khuẩn lactic và nấm men hoang dại. Ở nhiệt độ 30oC, nấm men hoang dại phát triển nhanh hơn Saccharomyces 2-3 lần, còn ở nhiệt độ 35-38oC chúng phát triển nhanh gấp 6-8 lần. Mặt khác, khi lên men ở nhiệt độ cao sẽ tạo nhiều sản phẩm phụ như ester, aldehyd và tổn thất ethanol theo CO2 sẽ tăng. Hình 2-28 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phát triển của nấm men b) pH Nồng độ ion H+ trong canh trường ảnh hưởng lớn đến hoạt động của nấm men. Chúng có khả năng làm thay đổi điện tích của vỏ tế bào, làm tăng hoặc giảm mức độ thẩm thấu của các chất dinh dưỡng cũng như chiều hướng của quá trình lên men. Mỗi vi sinh vật chỉ có thể hoạt động tốt trong trạng thái ion nhất định, trạng thái này phụ thuộc vào pH của canh truờng. Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 36 Trong điều kiện lên men ethanol, pH tối ưu để tạo ethanol là 4.5-5.0. Nếu pH thấp khoảng 3.0-4.0 nấm men còn hoạt động được và vi khuẩn bị ức chế. pH hơi cao hơn thì sẽ tạo ra sản phẩm có độ chua thấp, sản phẩm dễ bị nhiễm khuẩn và các sản phẩm phụ trong quá trình lên men sẽ tạo nhiều hơn, lên men có hiệu suất thấp. c) Nồng độ của dịch lên men Nếu nồng độ dịch đường quá cao sẽ dẫn đến làm tăng áp suất và làm mất cân bằng trạng thái sinh lý của nấm men. Kết quả là ethanol nhiều sẽ ức chế không những các tạp khuẩn mà cả nấm men. Mặt khác đường nhiều sẽ dẫn đến tổn hao nguồn nguyên liệu và phải kéo dài thời gian lên men. Mặt khác nếu nồng độ đường của dịch lên men thấp thì sẽ làm giảm năng suất thiết bị lên men và làm cho nấm men không đủ chất dinh dưỡng để phát triển. Thông thường nồng độ dịch đường được giới hạn ở 22% khối lượng hoặc ít hơn (nếu cao hơn thành tế bào có thể bị vỡ). d) Thời gian Thời gian cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm. Thời gian lên men phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ lên men, nồng độ đường, chủng nấm men,… Thời gian lên men được tính bắt đầu từ khi cấy chủng nấm men vào môi trường lên men, nhưng thời gian kết thúc thì tùy thuộc vào từng môi trường lên men cụ thể và tùy thuộc vào mục đích lên men mà ta dừng quá trình lên men. Trong giai đoạn đầu của quá trình lên men phải cho dịch đường tiếp xúc với oxy. Lúc này nấm men cần oxy để tích lũy một lượng sinh khối cần thiết cho quá trình lên men. Tiếp theo, để chuyển hóa đường thành ethanol, nấm men phải được phát triển trong điều kiện yếm khí hoàn toàn. Vì trong môi trường này, sự hô hấp của nấm men bị ức chế và bắt đầu phải tìm năng lượng cần thiết bằng con đường lên men. Để đáp ứng năng lượng cần thiết thì nấm men cần phân hủy một lượng đường lớn và đường sẽ chuyển hóa thành ethanol và CO2. Đó là nguyên nhân muốn có ethanol nhiều thì không được thoáng khí môi trường. Nếu có oxy thì trong giai đoạn này rượu sẽ tiếp tục chuyển hóa thành acid acetic làm sản phẩm bị chua. e) Nồng độ CO2 trong môi trường CO2 được hình thành trong quá trình lên men rượu từ đường. Một phần sẽ tồn tại trong môi trường; một phần tách lên trên bề mặt môi trường; phần còn lại tích tụ lại thành một lớp ngăn cách giữa không khí và môi trường. CO2 tích tụ lại trong môi trường chỉ làm Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 37 giảm khả năng sinh sản của nấm men, nhưng không thể làm cho khả năng lên men của nấm men yếu đi. Trong môi trường có hàm lượng đường cao sẽ cản trở CO2 thoát ra ngoài, dẫn đến ức chế sinh sản của nấm men và sự lên men có hiệu suất thấp. CO2 nằm trong khoảng không giữa bề mặt môi trường và không khí có tác dụng kiềm chế sự phát triển của những vi sinh vật hiếu khí gây hại. Do vậy, các thùng lên men phải có nút đặc biệt chỉ cho phép CO2 bay ra mà không cho không khí vào. f) Thành phần các chất dinh dưỡng của môi trường lên men Môi trường nuôi cấy cần phải có đầy đủ các thành phần dinh dưỡng chủ yếu là glucid ở dạng monosaccharide và disaccharide, nitơ ở dạng acid amin, các muối vô cơ, trừ dạng muối nitrit, nitrat, các vitamin và muối khoáng. g) Hàm lượng giống nấm men Nấm men là nhân tố tạo ra quá trình lên men, chuyển hóa đường thành ethanol và khí carbonic. Mỗi loài nấm men có khả năng lên men khác nhau. Cùng loài nấm men, nhưng ở những điều kiện lên men khác nhau thì khả năng lên men khác nhau và sản phẩm của quá trình lên men cũng khác nhau. Việc bổ sung tỷ lệ giống lên men cũng phải được lựa chọn. Thông thường lượng men giống cấy vào 15 triệu tế bào/ml dịch lên men. 2.2.4.3 Các loại giống nấm men Nấm men tiến hành lên men đường tạo thành ethanol. Lignocellulose được cấu tạo từ đường 5 và đường 6. Nấm men Saccharomyces Cerevisiae có thể lên men đường 6 (glucose) hiệu quả nhưng vẫn chưa tìm được chủng nấm men thích hợp để lên men đường 5 (xylose). Nấm men thích hợp cho quá trình lên men cần có một số tính chất sau: hiệu suất lên men cao; chịu được ethanol; chịu được các sản phẩm phụ của quá trình thuỷ phân; lên men ở pH thấp, có thể tiêu thụ nhiều cơ chất khác nhau. Có hai chủng nấm men đang được sử dụng phổ biến: Saccaromyces Cerevisiae là loại nấm men được sử dụng phổ biến cho lên men glucose. S.cerevisiae có các ưu điểm như: chịu được nồng độ ethanol cao, ít sản phẩm phụ, tốc độ lên men cao trong môi trường acid, chịu được acid acetic. Tuy nhiên, nấm men này không có khả năng lên men đường 5 cụ thể là không thể lên men xelose. Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 38 Pichia stipitis: là loại nấm men phổ biến nhất trong các chủng nấm men có thể lên men đường 5. Pichia stipitis có các ưu điểm như cho hiệu suất tiêu thụ xylopse cao, chịu được nhiệt độ và nồng độ cơ chất cao. Tuy nhiên lại bị ức chế bởi ethanol nồng độ cao. Hình 2-29: Giống nấm men Pichia stiptis và Saccharomyces cerevisiae Ngày nay, thế giới có xu hướng sử dụng công nghệ gene để kết hợp các chủng nấm men vừa có khả năng lên men đường 6, vừa có khả năng lên men đường 5. Trong nghiên cứu này, chỉ nghiên cứu quá trình lên men đường 6 (hexose) nên chúng tôi chỉ sử dụng nấm men saccharomyces cerevisiae. 2.2.5 Thủy phân và lên men đồng thời 2.2.5.1 Tổng quát Quá trình thủy phân và lên men đồng thời (còn gọi là quá trình đường hóa và lên men đồng thời) tiến hành cả thủy phân và lên men trong cùng một bước. So với quá trình thông thường (thủy phân rồi mới lên men), quá trình thủy phân và lên men đồng thời có nhiều ưu điểm: • Glucose tạo thành trong quá trình thủy phân được tiêu thụ ngay lập tức bởi nấm men vì vậy, lượng cellobiose và glucose tích tụ trong hệ thống là rất ít. Điều này sẽ giải quyết vấn đề ức chế enzyme nhờ đó tốc độ tạo glucose sẽ được tăng đáng kể, lượng enzyme cần dùng cũng nhỏ đi. • Số thiết bị cần cho quá trình thủy phân và lên men đồng thời cũng ít hơn số cần cho phương pháp truyền thống vì cả quá trình thủy phân và lên men được tiến hành trong cùng một thiết bị. Điều này giúp giảm vốn đầu tư. • Việc ethanol tạo thành trong suốt quá trình sẽ làm giảm khả năng phát triển của vi sinh vật cũng như tạp chất, rất có lợi cho các quy trình liên tục. Chính vì những ưu điểm trên mà quá trình thủy phân và lên men đồng thời được nghiên cứu rộng rãi trên thế giới với các nguồn nguyên liệu khác nhau. Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 39 Bảng 2-2 Các thông số vận hành và kết quả quá trình thủy phân và lên men đồng thời được thực hiện trên nhiều nước[9] Nồng độ glucose Nồng độ cellulase Ethanol Thời gian lưu Biomass g/l IFTU/g cellulose Hiệu suất % g/l Ngày Bột cellulose 100 - 62 35 3 Bột sulfate 100 - 48 27 3 Rác thải nhà máy bột giấy 70 - 56 22 1 Rơm lúa mì 51 28 49 14 1 Bã mía 50 28 53 15 1 Rơm lúa mì 75 7 66 28 4-7 Rơm lúa mì 75 13 73 31 4-7 Rơm lúa mì 75 26 75 32 4-7 Nhiệt độ tối ưu cho quá trình là 37-38oC, nhiệt độ này là sự kết hợp của nhiệt độ tốt nhất cho quá trình thủy phân (45-50oC) và nhiệt độ tốt nhất cho hoạt động của nấm men (30oC). Khi % bã rắn (cellulose) tăng, lượng ethanol tạo thành sẽ giảm. Mặc dù nồng độ đường luôn duy trì ở một mức thấp trong suốt quá trình, hiệu suất giảm là do khả năng khuếch tán của enzyme bị giảm và ethanol sẽ gây ức chế lên cả enzyme và nấm men. Trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời, enzyme cellulase (endo và exoglucan) và β-glucosidase bị ức chế bởi cellobiose, glucose và ethanol. Bảng sau thể hiện mức độ ức chế của các chất trên với từng enzyme cụ thể. Bảng 2-3 Ảnh hưởng của ethanol, glucose và cellobiose lên enzyme cellulase và β-glucosidase Mức độ ức chế Enzyme Cellobiose Glucose Ethanol Cellulase K1B=5.85 g/l K1G=53.16 g/l K1E=50.35 g/l Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 40 (ức chế mạnh ) (ức chế yếu) (ức chế trung bình) β-glucosidase Km=10.56 g/l (cơ chất) K2G=0.62g/l (ức chế rất mạnh) Không ức chế Cellobiose là sản phẩm trực tiếp của enzyme cellulase và có ức chế mạnh đối vối enzyme này. Hoạt tính của enzyme cellulase sẽ bị giảm 60% khi nồng độ cellobiose đạt mức 6g/l. Khi nồng độ glucose đạt 20g/l, hoạt tính của cellulase sẽ giảm khoảng 20%. Ngược lại, glucose lại có ức chế rất mạnh đối với β-glucosidase: khi glucose đạt nồng độ khoảng 3g/l, giá trị này nằm trong khoảng nồng độ glucose tạo thành trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời, 75% hoạt tính của enzyme này bị mất. Ngược lại, ethanol không ức chế đáng kể β-glucosidase. Cellulase và β-glucosidase thể hiện những tính chất động học khác nhau. Điều này là do hai enzyme này thực hiện hai cơ chế khác nhau: cellulase xúc tác cho phản ứng dị thể dựa trên sự tác động hiệp đồng của một nhóm các enzyme, trong khi đó β-glucosidase xúc tác cho phản ứng đồng thể. Keikhosro Karimi et al [13] nghiên cứu quá trình thủy phân và lên men đồng thời cho rơm rạ được tiền xử lý bằng acid loãng, sử dụng chủng nấm men saccharomyces cerevisiae; mucor indicus và rhizopus. Kết quả của nghiên cứu này đối với chủng saccaromyces cerevisiae được trình bày trong bảng sau. Bảng 2-4 Kết quả quá trình thủy phân và lên men đồng thời tiến hành với rơm đã qua tiền xử lý bằng acid loãng, quá trình được tiến hành trong điều kiện kỵ khí. Chủng nấm men Enzym FPU/g Cơ chất Ethano- l (g/l) Hiệu suất (%) Glycer- -ol (mg/g) Succini -c acid (mg/g) Pyvuri- c acid (mg/l) Acetic acid (mg/g) S. cerevisiae 15 Avicel 12,64 ± 0,46 44,62± 1,62 62,6 0,3 1,1 1,2 S. cerevisiae 30 Avicel 15,20±0 ,55 53,65± 1,94 79,4 0,8 1,5 1,9 S. cerevisiae 15 Rơm 6,83±0, 25 40,69± 1,49 83,9 0,5 2,0 3,9 Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 41 Ghi chú : avicel là loại cellulose tinh khiết. Các sản phẩm phụ được tính theo mg sản phẩm phụ/g cellulose có trong nguyên liệu. Đối với nấm men saccharomyces cerevisiae, glycerol là sản phẩm phụ lớn nhất, ngoài ra còn có các sản phẩm phụ như acid acetic, pyvuric, succinic với nồng độ nhỏ hơn, có thể xem là không đáng kể. Glycerol tạo thành tăng theo nhiệt độ của quá trình và sẽ có ảnh hưởng đến nồng độ ethanol trong dung dịch. Nồng độ ethanol và hiệu suất quá trình là không cao. Nghiên cứu này còn cho thấy tốc độ tạo thành ethanol đạt lớn nhất trong khoảng 24 giờ đầu của quá trình thủy phân và lên men đồng thời sử dụng nấm men saccaromyces cerevisiae. Thí nghiệm được thực hiện trong 1 tuần, tuy nhiên nồng độ ethanol hầu như không đổi trong 4 ngày cuối và đôi khi còn giảm nhẹ. Có thể kết luận rằng, quá trình sản xuất ethanol có thể kết thúc trong vòng 1 đến 2 ngày, tuy nhiên,cần thêm 2 ngày nữa để có thể tạo thành lượng ethanol tối đa. 2.2.5.2 Các hạn chế trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời Theo nghiên cứu được trình bày trong sách Sổ tay quy trình sản xuất bioethanol [9], người ta tiến hành thí nghiệm với nguyên liệu là gỗ Populus eugenii được qua quá trình tiền xử lý acid. Thành phần ban đầu gồm 60g/l bã rắn, cellulase : 25 IFPU/g cellulose, nấm mem saccharomicyes cerevisiae, nhiệt độ 38oC, pH 5,0; thu số liệu theo thời gian và tiến hành phân tích số liệu. Hình 2-30 Nồng độ glucose (ô vuông không màu) và celllobiose (ô vuông màu đen) theo thời gian của quá trình thủy phân và lên men đồng thời. Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 42 Như mô tả trong hình, glucose sẽ tích tụ trong 6-12 giờ đầu tiên của quá trình, vì nấm men không thể tiêu thụ glucose với tốc độ mà enzyme thủy phân ra sản phẩm này trong giai đoạn đầu của quá trình. Việc glucose tích tụ lại gây ảnh hưởng lên hoạt tính của enzyme β-glucosidase, tiếp theo sẽ tạo sự tích tụ cellobiose. Khi sinh khối của nấm men tăng lên, tỉ lệ glucose được tiêu thụ tăng lên và nồng độ glucose trong thiết bị phản ứng giảm xuống. Kết quả là β-glucosidase không còn bị ức chế, enzyme này sẽ tiến hành thủy phân cellobiose, thiết lập cân bằng hóa học giữa tốc độ đường (bao gồm cellobiose và glucose) tạo thành và mất đi. Hình 2-31 Nồng độ ethanol theo thời gian trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời. Sau 40-60h, tốc độ tạo ethanol giảm đáng kể và sau 80h dường như không đổi mặc dù lúc đó chỉ có 65% cellulose là đã bị thủy phân. Hiện tượng này được quan sát thấy trong nhiều nghiên cứu, tuy nhiên đến nay vẫn chưa có một giải thích hợp lý được đưa ra. Có giải thích cho rằng do tính chất chống thủy phân của cellulose tăng lên, sự giảm tác động hiệp đồng của các thành phần enzyme cellulase, khả năng chuyển động của enzyme và kích thước của xơ sợi đều bị giảm trong suốt quá trình thủy phân. Để làm tăng hiệu suất cho quá trình, người ta làm thí nghiệm đưa thêm các thành phần mới vào quá trình lúc 80h. Các thí nghiệm được tiến hành với việc thêm các thành phần riêng biệt: (1) 20g/l bã rắn vừa qua tiền xử lý; (2) cellulase 10FIPU cho mỗi gram bã cellulose còn lại trong dung dịch; (3) 1g/l nấm men tính dựa trên khối lượng khô, (4) thêm thành phần dinh dưỡng cho nấm men. Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 43 Bảng 2-5 Ảnh hưởng của việc thêm các thành phần mới vào dịch thủy phân và lên men đồng thời lúc 80 giờ Các thành phần thêm vào Nồng độ ethanol (g/l) Điều chỉnh Cơ chất (20g/l) Enzyme 10 IFPU/g Nấm men 1g/l Môi trường dinh dưỡng Trước khi thêm vào 10.95 9.17 9.95 10.28 10.14 6h sau khi thêm 10.95 10.64 10.00 10.93 10.26 % thay đổi 0.0 16.0 0.5 6.3 1.2 Kết quả cho thấy chỉ có thêm nguồn nguyên liệu mới mới tạo sự thay đổi khác biệt nhất lên hiệu suất toàn quá trình 16%. Kết quả này cho thấy enzyme vẫn giữ được hoạt tính ngay cả sau 80 giờ trong quá trình SSF, vấn đề nằm ở chỗ lượng cellulose còn lại trong dung dịch. Enzyme không thể tiếp cận các cellulose này làm cho enzyme không thể tiếp tục quá trình thủy phân. Trong quá trình này, khi mà không có glucose được sinh ra, nấm men sẽ thiếu chất dinh dưỡng và có thể chết. Khi cellulose mới được thêm vào ở 80h, nấm men ngay lập tức tiêu thụ glucose tạo thành và tạo ra ethanol, điều này cho thấy nấm men vẫn duy trì quá trình sinh tổng hợp của mình ngay cả khi lượng glucose trong dung dịch giảm. Nghiên cứu này chỉ ra rằng sự chuyển hóa cellulose thành glucose bao gồm hai giai đoạn chính (1) giai đoạn ban đầu (thời gian ngắn) sự lên men glucose là bước quyết định tốc độ phản ứng vì lượng nấm men trong giai đoạn ban đầu này ít; (2) giai đoạn tiếp theo dài hơn, trong giai đoạn này, quá trình thủy phân là quá trình quyết định tốc độ phản ứng, lúc này khả năng tiếp cận của enzyme với cơ chất trở nên quan trọng. Bằng cách cho nhiều nấm men ban đầu sẽ rút ngắn được giai đoạn một, tuy nhiên sẽ khó khăn hơn nếu muốn giải cải thiện giai đoạn sau, cụ thể là quá trình tiền xử lý phải tạo khả năng tiếp cận với cellulose tốt. Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 44 2.3 SƠ LƯỢC VỀ BIOFUEL VÀ ETHANOL NHIÊN LIỆU 2.3.1 Biofuel Nhiên liệu sinh học (còn được gọi là nhiên liệu từ nông nghiệp – agrofuel) theo định nghĩa rộng là những nhiên liệu rắn, lỏng hay khí được chuyển hóa từ sinh khối. Tuy nhiên, phần này chỉ đề cập chính đến nhiên liệu sinh học dạng lỏng được sản xuất từ sinh khối. Nói chung, nhiên liệu sinh học mang lại những lợi ích sau: giảm khí thải nhà kính, giảm gánh nặng lên nhiên liệu hóa thạch, tăng sự an toàn về năng lượng quốc gia, góp phần phát triển nông thôn và là một nguồn năng lượng bền vững trong tương lai. Ngược lại, nhiên liệu sinh học cũng có một số hạn chế: nguồn nguyên liệu phải được tái tạo nhanh, công nghệ sản xuất phải được thiết kế và tiến hành sao cho cung cấp lượng nhiên liệu lớn nhất với giá thấp nhất và mang lại lợi ích về môi trường nhất. Nhiên liệu sinh học và những dạng nhiên liệu tái tạo khác nhắm đến tính chất trung tính về carbon. Điều này có nghĩa là carbon được thải ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu để cung cấp năng lượng vận chuyển hay sinh điện năng được tái hấp thụ và cân bằng với lượng carbon hấp thụ bởi cây cối. Những cây này sau đó lại được thu hoạch để tiếp tục sản xuất nhiên liệu. Những nhiên liệu trung tính về carbon không gây ra sự tăng carbon trong khí quyển, vì thế không góp phần vào hiệu ứng trái đất nóng lên. Sau đây là một số các loại nhiên liệu sinh học thế hệ đầu tiên theo phân loại của tự điển bách khoa toàn thư trực tuyến Wikipedia.org: • Dầu thực vật: dầu thực vật có thể dùng để làm nhiên liệu sử dụng cho rất nhiều những loại động cơ diesel đời cũ, và chỉ ở điều kiện khí hậu ấm áp. Trong đa số trường hợp, dầu thực vật được sử dụng để sản xuất biodiesel. • Biodiesel: được sản xuất từ dầu hoặc chất béo qua quá trình tranesterification và là một chất lỏng giống như diesel từ dầu mỏ. • Bioalcohols: là những rượu được sản xuất từ quá trình lên men sinh học. Bioalcohols phổ biến là ethanol, rồi đến propanol và butanol. • Biogas: biogas được sinh ra từ quá trình tiêu hủy kỵ khí các chất hữu cơ bởi các vi sinh vật kỵ khí. Sản phẩm phụ dạng rắn từ quá trình này có thể được sử dụng làm nhiên liệu hoặc phân bón. Biogas chứa chủ yếu là methane. • Nhiên liệu sinh học dạng rắn: ví dụ như: gỗ, than hoặc phân khô Cũng theo tự điển Wikipedia.org, nhiên liệu sinh học thế hệ thứ 2 bao gồm: Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 45 • BioHydrogen: là khí Hydro được sản xuất từ nguồn nguyên liệu sinh khối. BioHydrogen được dùng trong pin nhiên liệu (fuel cell). • DMF: được sản xuất DMF từ fructose và glucose sử dụng công nghệ sinh khối- nhiên liệu lỏng có xúc tác. • Bio-DME: là DME được sản xuất từ biomethanol qua quá trình dehydration có xúc tác, được sử dụng trong động cơ khí nén. • Biomethanol: methanol được sản xuất từ sinh khối, có thể được pha vào dầu đến 10-20% mà không làm thay đổi tính chất cơ bản của dầu. Để đảm bảo an ninh năng lượng bảo vệ môi trường phát triển bền vững, nhiều quốc gia và các tổ chức quốc tế trong vài thập kỉ qua đã tập trung nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch, tiến tới xây dựng ngành “nhiên liệu sạch” ở quốc gia mình. Các nước đã có thành công nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học là Brazil, Mỹ, Canada, Mexico, Châu Âu có Anh, Pháp, Đức, Tây Ban Nha, Bỉ, Áo… Châu Á có Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan, Nhật. Sở dĩ nhiều nước đẩy nhanh chương trình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học vì đã cam kết thực hiện nghị định Kyoto về cắt giảm khí nhà kính và để đảm bảo an ninh năng lượng khi nguồn dầu mỏ trở nên đắt đỏ và sẽ cạn dần cuối thế kỷ này. 2.3.2 Ethanol nhiên liệu 2.3.2.1 Lịch sử ethanol nhiên liệu Nguyên mẫu đầu tiên của động cơ đốt trong được đưa ra bởi Samuel Morey. USA. 1826. Điều này được xem là sự bắt đầu của động cơ gasoline nhưng thực tế ông sử dụng ethanol để cấp nguồn năng lượng cho động cơ. Năm 1908, Henry Ford xây dựng mô hình nổi tiếng về xe ô tô chạy bằng ethanol. Cuối cùng, công nghiệp dầu mỏ “chiến thắng” trong sự cạnh tranh với ethanol. Sự thúc đẩy “thương mại hóa” ethanol trong giao thông vận tải phát triển trong suốt thập niên 1970. Cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973 và cuộc cách mạng của người Iran vào năm 1978 làm cho giá của dầu gia tăng một cách nhanh chóng, ảnh hưởng lớn đến vấn đề an ninh năng lượng quốc gia. Ethanol nhiên liệu trở nên có giá trị. Tại thời điểm này, cơ quan bảo vệ môi trường (EPA) đã tìm kiếm một chất thay thế cho chì trong gasoline để gia tăng chỉ số octane. Ethanol sớm thiết lập một chỗ đứng vững mạnh trong việc gia tăng chỉ số octane. Một động cơ khác thúc đẩy công nghệ sản xuất ethanol ở Mỹ trong suốt những năm 80, đó là khi giá bắp hạ thấp. Các nhà Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 46 lập pháp Mỹ xem ethanol từ bắp là một phương tiện để ổn định thu nhập của nông nghiệp(1). 2.3.2.2 Ứng dụng của ethanol nhiên liệu Gasohol còn gọi là xăng sinh học được chế tạo từ hỗn hợp ethanol khan 99,5% pha xăng tỷ lệ 5, 10, 20 hoặc 40% ethanol khan, với hỗn hợp ethanol trong gasohol khoảng 10-20% thì không cần cải tạo động cơ. Khi xem xét ứng dụng hiện nay của bioethanol, hiển nhiên cần bắt đầu từ Brazil. Brazil đã thành công trong việc sản xuất bioethanol theo quy mô công nghiệp từ những năm 1970 khi nước này phụ thuộc nặng nề vào dầu nhập khẩu. Lệnh cấm vận dầu mỏ của Trung Đông đã bắt buộc Brazil phải tìm kiếm những những nguồn nhiên liệu vững bền hơn cho nhu cầu năng lượng của đất nước. Tuy rằng có những vấn đề nảy sinh, nhưng chương trình này của Brazil được xem như một mô hình thành công trong việc phát triển bền vững. Ngày nay, toàn bộ xe hơi ở Brazil sử dụng xăng có pha ít nhất 25% ethanol, và 60% số xe có khả năng “linh động về nhiên liệu” (có thể sử dụng 100% ethanol làm nhiên liệu). Brazil sản xuất bioethanol hầu như chỉ từ cây mía. Trong mô hình này, mỗi tấn mía cho năng suất 72 lít ethanol. Loại ethanol này có thể được tinh lọc thêm để pha vào xăng, hoặc dùng làm ethanol nhiên liệu tinh. Rõ ràng con số này cho thấy có rất nhiều thành phần không được sử dụng trong quá trình chuyển hóa biomass thành ethanol. Hầu hết những thành phần này là hemicellulose và cellulose. Nước Mỹ đang bám theo Brazil và đầu tư mạnh vào sản xuất nhiên liệu sinh học. Hiện tại Mỹ đang sử dụng toàn bộ xăng có pha 10% ethanol, với những cải tiến nhằm tăng tỉ số này. Đa phần mọi phương tiện bán ở Mỹ đều phải có động cơ linh hoạt về nhiên liệu. Liên minh Châu Âu cũng đã tiến đến việc khuyến khích năng lượng tái sinh cho tương lai với những đạo luật về điều khoản sử dụng phương tiện giao thông tối thiểu cho các nước thành viên. Trong tương lai, Colombia bắt buộc những thành phố có dân số trên 500.000 dân phải bán xăng có pha 10% ethanol. Ở Venezuela, công ty dầu quốc gia đang hỗ trợ dự án xây dựng 15 nhà máy chế cồn từ mía trong 5 năm tới khi chính phủ sắp ban hành đạo luật bắt buộc sử dụng xăng E10 (pha 10% ethanol). Chính phủ Canada nhắm đến việc 45% xăng trong cả nước có pha 10% ethanol vào năm 2010. Ở Đông Nam Á, Thái Lan đã ban hành luật cho việc sử dụng xăng pha 10% ethanol bắt đầu từ 2007. Ở Ấn Độ, một chương Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 47 trình bioethanol đã kêu gọi người dân sử dụng xăng E5 trên cả nước, tiến tới việc sử dụng xăng E10 và E20. 2.3.2.3 Tình hình ethanol nhiên liệu ở Việt Nam Ở Việt Nam, công nghiệp sản xuất ethanol đã được hình thành từ rất lâu. Phần đông ethanol sản xuất từ rỉ đường mía, dùng làm ethanol cho thực phẩm và công nghiệp. Tổng cộng năng suất là 25 triệu Lit/năm, trong đó có 3 nhà máy sản xuất 15000 – 30000 Lit/ngày là nhà máy đường Lam Sơn, nhà máy đường Hiệp Hoà và nhà máy rượu Bình Tây và hàng trăm cơ sở sản xuất 3000 – 5000 Lit/ngày. Cho đến thời điểm này, ethanol nhiên liệu vẫn chưa được tiêu thụ trên thị trường. Tuy nhiên, có rất nhiều nghiên cứu được thực hiện trong lĩnh vực này. Điển hình là sự hợp tác giữa Công ty rượu Bình Tây, Saigon Petro và Công ty Nguyễn Chí từ năm 2005. Các doanh nghiệp này đã triễn khai 5 đề tài: gasohol từ cồn công nghiệp (cồn 96%), gasohol từ cồn khan (cồn 99,5%), đầu tư nhà máy sản xuất gasohol, đầu tư nhà máy sản xuất cồn công nghiệp, đầu tư nhà máy sản xuất cồn khan. Tất cả nhằm mục đích đưa xăng sinh học với tỉ lệ 10-12% vào thị trường năng lượng. 2.3.2.4 Triển vọng ethanol tương lai Cần có những nghiên cứu để tăng hiệu quả của bioethanol cũng như của quá trình chuyển hóa biomass thành nhiên liệu bền vững để thay thế xăng dầu. Điều này có liên quan đến việc giảm chi phí chuyển hóa, tăng năng suất và tăng sự đa dạng của các nguồn nguyên liệu có thể sử dụng. Hướng đi cho những nghiên cứu để phát triển và cải tiến bioethanol là tìm những phương pháp chuyển hóa hemicellulose thành đường để lên men. Một khía cạnh rất thú vị, và cũng được nghiên cứu trong đề tài này, là quá trình đường hóa và lên men đồng thời (SSF). Những phương pháp hiện nay có thể đạt được hiệu suất 50 – 72% ethanol cho mỗi gam glucose, giới hạn bởi khả năng chịu ảnh hưởng của nấm men đối với ethanol. Điều này dẫn đến hướng khả thi nghiên cứu những chủng nấm men có khả năng chịu ức chế tốt hơn. Ở khía cạnh này, công nghệ sinh học và vi sinh sẽ đóng v