BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ  BÁO CÁO MƠN HỌC MƠN: HĨA HỌC XANH Sản xuất ethanol sinh học: Nguyên liệu công nghệ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN THỰC HIỆN TS Nguyễn Thị Bích Thuyền Nguyễn Trương Thúy An MSHV M3817001 Tháng 05/2019 Ethanol sinh họ MỤC LỤC Ethanol sinh họ DANH MỤC HÌNH Ethanol sinh họ MỞ ĐẦU Ethanol (CH3CH2OH) nhiên liệu sinh học có cồn phổ biến có thị trường giới Henry Ford sử dụng thuật ngữ ‘‘nhiên liệu thùng rượu tương lai cho ethanol Có số lý để sử dụng làm nhiên liệu thay (i) sản xuất từ sản phẩm nơng nghiệp tái tạo ngơ, đường, đường mía bao gồm sản phẩm khác thay sản phẩm dầu mỏ khơng thể tái tạo, (ii) độc nhiên liệu có cồn khác (iii) sản phẩm phụ q trình oxy hóa khơng hồn tồn ethanol (ví dụ axit axetic acetaldehyd) độc sản phẩm phụ hình thành từ rượu nhiên liệu khác Tổng sản lượng ethanol toàn giới năm 2009-2010 gần 100 tỷ lít Tiêu thụ ethanol giới 68% cho nhiên liệu, 21% cho công nghiệp 11% cho mục đích uống [2] Nó sử dụng để thay phần xăng để tạo hỗn hợp xăng-ethanol, E15 (15% ethanol 85% xăng) E85 (85% ethanol 15% xăng) Bioethanol nhiên liệu sinh học lỏng, sản xuất từ số nguyên liệu sinh khối công nghệ chuyển đổi khác Nguyên liệu sử dụng để sản xuất ethanol nhiên liệu chủ yếu mía khu vực nhiệt đới Ấn Độ, Brazil Colombia, chủ yếu ngô khu vực khác Hoa Kỳ, Liên minh Châu Âu Trung Quốc [3] Sản xuất ethanol từ trồng mía củ cải đường chiếm khoảng 40% tổng lượng ethanol sinh học sản xuất gần 60% tương ứng với trồng tinh bột [4] Do nhu cầu ethanol ngày tăng vài năm qua thiếu đường mía ngơ, giá ethanol tăng lên ngày Ngồi gia tăng nhu cầu nguồn thực phẩm giá tăng cao, tính khả dụng khả thi việc sử dụng ngô làm nguyên liệu bị đe dọa Việc tiếp tục mở rộng sản xuất ethanol từ nhiều nguyên liệu thơ này, gây tranh luận thực phẩm/thức ăn so với nhiên liệu, hạn chế việc sử dụng nguồn dự trữ thức ăn hệ để sản xuất ethanol Do đó, để sản xuất ethanol cấp nhiên liệu bền vững, nên sử dụng nguyên liệu phi thực phẩm Có nhu cầu cấp thiết để phát triển ethanol sinh học hệ thứ hai [5] Ethanol sinh họ Nhiên liệu hệ thứ hai nói chung nhiên liệu tạo từ sinh khối lignocellulose (LC) ăn được, dư lượng quản lý rừng sản xuất lương thực (ví dụ thân ngơ trấu) sinh khối tồn (ví dụ cỏ trồng đặc biệt cho mục đích nhiên liệu sinh học) Sinh khối LC, gọi sinh khối xenlulo, vật liệu tổng hợp phức tạp bao gồm chủ yếu cellulose, hemiaellulose lignin liên kết với thành tế bào thực vật Sinh khối Lignocellulose dư lượng nơng nghiệp (ví dụ, thân ngơ, lúa mì lúa mạch), sản phẩm phụ chế biến nơng sản (ví dụ, sợi ngơ, bã mía, bánh hạt, vv), sinh khối gỗ (gỗ cứng gỗ mềm) (ví dụ, cỏ chuyển, dương, banagrass, miscanthus, v.v.) khơng cạnh tranh với thực phẩm thức ăn, coi nguyên liệu tái tạo để sản xuất ethanol [6] Đề tài xem xét biết đến liên quan đến nguyên liệu khác công nghệ sử dụng sản xuất ethanol sinh học công nghệ chuyển đổi tổng thể Đề tài cung cấp tóm tắt ngắn gọn thách thức rào cản can thiệp vào đường ethanol dựa chất nhấn mạnh vào vấn đề tiềm ẩn thách thức chuyển đổi công nghệ sinh học thực quy trình sản xuất ethanol sinh học Ethanol sinh họ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC Q trình sản xuất ethanol phụ thuộc vào nguyên liệu thô sử dụng Sản xuất ethanol thường thực theo ba bước chính: (1) để thu dung dịch chứa đường lên men, (2) chuyển hóa đường thành ethanol cách lên men (3) tách tinh chế ethanol, thường cách chưng cất khử nước Quá trình lên men sử dụng vật liệu có chứa đường để sản xuất ethanol (Hình 1) [7] Dựa hình 1, nhiều bước kết hợp tùy thuộc vào nguyên liệu công nghệ chuyển đổi Khi sinh khối đến nhà máy ethanol, lưu trữ nhà kho nơi điều chỉnh nhiệt độ thích hợp để ngăn chặn q trình lên men sớm nhiễm vi khuẩn Thơng qua q trình tiền xử lý, carbohydrate chiết xuất dễ tiếp cận với việc chiết xuất thêm Trong bước này, lượng đường có sẵn phụ thuộc vào sinh khối tiền xử lý sử dụng Một phần lớn sợi để chuyển thành đường đơn thông qua phản ứng thủy phân kỹ thuật khác Các chất thủy phân, men, chất dinh dưỡng thành phần khác thêm vào trình lên men bắt đầu hoạt động mẻ Trong quy trình xử lý theo lơ, nhiều đầu vào thêm vào trình lên men Các q trình liên tục nguyên liệu liên tục nhập vào sản phẩm loại bỏ khỏi thùng lên men sử dụng Trong quy trình hiệu quả, mật độ tế bào tăng cao cách tái chế cố định men để cải thiện hoạt động chúng tăng suất lên men [8] Các phản ứng lên men xảy nhiệt độ từ 25ºC đến 30ºC kéo dài khoảng từ đến 72 tùy thuộc vào thành phần dịch thủy phân, mật độ tế bào, hoạt động sinh lý loài nấm men Nước dùng thường chứa 8-14% ethanol sở khối lượng Trên nồng độ sau này, ức chế men xảy làm giảm hoạt động chúng Bước chưng cất thu hỗn hợp azeotropic tạo thành từ 95,5% cồn 4,5% nước ethanol ''hydrous'' ''hydrated'' sau khử nước để thu ethanol ''khan'' chứa tới 99,6% rượu 0,4% nước Dòng chảy lại từ cột chưng cất, gọi nước thải lỏng bã bị bay để sản xuất đồng sản phẩm, bao gồm nước điện, sản phẩm cho động vật ăn, thức ăn có nồng độ vừa phải dùng làm phân bón sản phẩm phụ có giá trị khác [9] Ethanol sinh họ Hình 1- Sơ đồ biểu diễn sản xuất ethanol từ đường mía, ngơ sinh khối xenlulo Tất có hoạt động phục hồi lên men ethanol tương tự sử dụng phương pháp khác để giải phóng đường tạo sản phẩm khác Đường chiết xuất trực tiếp từ mía, bã mía lại sử dụng làm nhiên liệu lò để cung cấp nhiều lượng cho hoạt động khai thác sản xuất ethanol phục hồi Trong máy nghiền ngô, ngô nghiền, enzyme nhiệt thêm vào để thủy phân tinh bột thành đường để chuyển đổi thành ethanol, dầu, protein chất xơ ngô thu hồi sau lên men dạng thức ăn chăn nuôi gọi DDGS Các nhà máy ướt trước tiên phân tách ngô để tách dầu ngô, bột ngô (CGM) thức ăn gluten ngô (CGF) để thu giá trị thực phẩm thức ăn chăn ni, sau tinh bột thủy phân thành đường để lên men ethanol Đối với sinh khối xenlulo, nhiệt axit enzyme thủy phân phần hemiaellulose cellulose để giải phóng loại đường lên men thành ethanol, lignin phần lại khác đốt cháy để cung cấp toàn nhiệt điện cho bước chuyển đổi với điện dư lại để xuất [8] Ethanol sinh họ CHƯƠNG 2: SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC TỪ NHIỀU NGUỒN KHÁC NHAU Bioethanol thường sản xuất từ ngun liệu nơng nghiệp có chứa đường Vật liệu phân loại vật liệu hệ thứ (bao gồm đường tinh bột) vật liệu hệ thứ hai (bao gồm đường lignocellulose) Đường (ví dụ, từ mía, đường mía, củ cải đường trái cây) lên men trực tiếp cách sử dụng men để sản xuất ethanol Cần lưu ý nguyên liệu đường đường mía mía sử dụng để lên men, trình xay xát, tiền xử lý, thủy phân khử độc không cần thiết Để sản xuất đường lên men từ nguyên liệu tinh bột, quy trình xay xát, hóa lỏng đường hóa sử dụng; trường hợp vật liệu lignocellulose, cần phải nghiền, tiền xử lý thủy phân Hơn nữa, bước khử độc luôn xem xét, trừ chất độc hại đưa đến lò phản ứng sinh học Bước trước trình lên men để thu đường lên men, khác biệt quy trình sản xuất ethanol từ đường đơn giản, tinh bột vật liệu lignocellulose (Hình 1) [4] 2.1 Sản xuất ethanol sử dụng nguyên liệu dựa đường sucrose Hình 2- Các quy trình để sản xuất ethanol sinh học từ mía [11] Ethanol sinh họ Mía, củ cải đường lúa miến trồng đường sử dụng làm nguyên liệu cho sản xuất ethanol Ưu điểm chúng suất đường cao mẫu Anh chi phí chuyển đổi thấp Nhược điểm việc sử dụng loại trồng sẵn có theo mùa tự nhiên Vì sợi thân (bã mía) sử dụng để tạo nước điện cho nhà máy sinh học, đặc biệt mía trở thành nguồn nhiên liệu sinh học hiệu Ngoài ra, nước thải lỏng (vinasse) sử dụng làm phân bón tưới tiêu cho cánh đồng mía, loại bỏ chi phí cho xử lý nước thải [10] Mía phải xử lý khoảng thời gian 24-72 sau thu hoạch Đường chiết xuất cách nghiền nát thân lăn chuyên dụng để giải phóng nước ép (Hình 2-1) Vơi (canxi hydroxit) sau thêm vào để kết tủa chất xơ bùn, hỗn hợp sau lọc Dung dịch lọc làm bay để cô đặc kết tinh đường, trước loại bỏ cách ly tâm Đường không kết tinh muối kèm cô đặc để tạo thành xi-rô gọi ‘đường mía (BSM)’ sử dụng làm ngun liệu thơ, sau chuyển thành ethanol [10] Sau chiết, khác với loại nhà máy chưng cất (chỉ sản xuất ethanol, ethanol đường), hàm lượng đường phải điều chỉnh phạm vi 14-18% để đạt hiệu lên men tối ưu nấm men Saccharomyces cerevisiae, vi sinh vật sử dụng phổ biến nhiệt độ khoảng 3335ºC mật độ tế bào 8-17% (v/v) Hệ thống tái chế tế bào sử dụng nấm men thường đặc tách khỏi nước thải lên men, rửa axit sulfuric để giảm ô nhiễm vi khuẩn tái chế thành chất lên men, dẫn đến mật độ tế bào cao rút ngắn trình lên men xuống nhiệt độ nhiệt độ khoảng 33ºC-35ºC với suất ethanol tế bào cao [8] Quá trình lên men bị gián đoạn nồng độ khoảng 10% (v/v) ethanol: sau đó, hỗn hợp gửi đến giai đoạn chưng cất chỉnh lưu, sản phẩm dung dịch azeotropic 95% (v/v) ethanol Nồng độ cao ethanol tuyệt đối (ethanol cao cấp ethanol khan) cuối đạt sàng phân tử chưng cất sử dụng benzen cyclohexane (chưng cất azeotropic) [11] Củ cải đường đại diện cho nguồn đường châu Âu Bắc Mỹ, sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học Pháp Củ cải đường tạo suất tốt (25-50 tấn/mẫu) phát triển khí hậu ơn đới với lượng mưa thấp mức cần thiết cho Ethanol sinh họ mía Trung bình, sản lượng ethanol 25 gallon củ cải đường; nhiên, sản xuất ethanol từ củ cải đường đòi hỏi đầu vào hóa học lượng lớn tốn so với quy trình sử dụng mía [10] Các giống lúa miến số lượng khơng trồng rộng rãi, số loại có hàm lượng sucrose đáng kể (500 gallon xi-rô ha) Trong lúa miến ngọt, đường lưu trữ thân thu hồi cách ép cuống lăn (tương tự quy trình sử dụng cho mía) Năng suất, trung bình, 20 gallon ethanol thân Trung Quốc tìm cách chuyển đổi từ ngô sang lúa miến làm nguyên liệu sản xuất ethanol, lúa miến chịu hạn tốt phát triển khu vực khơ cằn Trung Quốc, nơi ngô không hoạt động tốt Một lợi ích nơng dân sử dụng hạt lúa miến, ethanol sản xuất từ nước thân [10] Người ta thường chấp nhận lên men rượu từ đường sucrose chứa nguyên liệu trình tiếng thành thạo Có gia tăng suất chung ngành cơng nghiệp ethanol nhiên liệu Brazil số cải tiến nơng nghiệp, bao gồm lựa chọn giống mía với lượng sinh khối mía tăng lên Mặc dù tổng lượng đường mía tăng đáng kể năm đầu, 15 năm qua, dường đạt đến cao ngun khoảng 140 kg đường mía Do đó, cần phải cải thiện sản xuất tích lũy sucrose nhà máy mía đường, tính nghiên cứu Brazil [12] Nồng độ ethanol cao, nhiệt độ cao, thẩm thấu mạnh đường muối, axit, sulfite vi khuẩn điều kiện bắt buộc công nhận nấm men trình cơng nghiệp, số chúng hoạt động hiệp đồng đặc biệt tái chế tế bào Rất khó để hiểu làm tế bào nấm men phản ứng với điều kiện căng thẳng q trình lên men cơng nghiệp mà khơng tái tạo xác điều kiện [13] Những thách thức sản xuất ethanol sinh học từ nguyên liệu chứa sucrose là: (a) Giới thiệu nguyên liệu mới, (b) sản xuất ethanol sinh học hệ thứ hai từ bã mía, (c) lựa chọn chủng nấm men thích nghi với điều kiện lên men cơng nghiệp, (d) ô nhiễm vi khuẩn nấm men trình lên men với tái chế tế bào (e) giảm thể tích vinasse (nước thải lỏng) Những thách thức việc 10 Ethanol sinh họ ethanol đạt thông qua chỉnh sửa gen nấm men vi khuẩn thích nghi với q trình lên men etanolic [15] 3.3 Xử lý sinh học hợp nhất, CBP Tất enzyme bioethanol sản xuất lò phản ứng cộng đồng vi sinh vật [53] Đỉnh cao logic tích hợp phản ứng phương pháp phản ứng chuyển đổi sinh khối thành ethanol trình xử lý sinh học tổng hợp (CBP), gọi chuyển đổi vi khuẩn trực tiếp (DMC) (Hình 3-1) Sự khác biệt CBP chiến lược xử lý sinh khối khác có cộng đồng vi sinh vật thực việc sản xuất cellulase lên men, tức sản xuất cellulase, thủy phân cellulose lên men bước Sự khác biệt có lợi quan trọng khơng cần chi phí vốn hoạt động cho sản xuất enzyme quy trình [43] Tương tự, phần chất không bị lệch để sản xuất cellulase Hơn nữa, hệ thống enzyme lên men hoàn toàn tương thích [15] Vi khuẩn kỵ khí ưa nhiệt tế bào ưa nhiệt kiểm tra rộng rãi tiềm chúng nhà sản xuất ethanol sinh học Những vi khuẩn bao gồm Thermoanaerobacter ethanolicus, Clostridium thermohydrosulfuricum, Thermoanaerobacter mathranii, Thermoanaerobium brockii, Clostridium thermosaccharolyticum, v.v Vi khuẩn kỵ khí ưa nhiệt ưa nhiệt có lợi khác biệt so với loại men thông thường để sản xuất ethanol sinh học khả sử dụng trực tiếp nhiều loại nguyên liệu sinh khối rẻ tiền khả chịu nhiệt độ cao Khả chịu đựng ethanol sinh học thấp vi khuẩn kỵ khí ưa nhiệt (