Tính cần thiết của đề tài
Chuyển đổi sinh khối thành năng lượng, hay năng lượng sinh khối, bao gồm nhiều phương pháp khác nhau, tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu, công nghệ chuyển đổi, hình thức ứng dụng và điều kiện kinh tế của từng địa phương và quốc gia.
Nguồn nguyên liệu sinh khối có thể được sản xuất từ cây trồng năng lượng, cây trồng chất đốt ngắn ngày, sản phẩm rừng, và dư lượng nông nghiệp như thân cây, củi, và rơm rạ, cũng như từ chất thải công nghiệp, chất thải hữu cơ và phân động vật Các nguyên liệu này cần được thu thập, vận chuyển và lưu trữ trước khi chế biến thành dạng phù hợp cho xử lý Năng lượng sinh khối, như một dạng năng lượng tái tạo, giúp giảm tác động tiêu cực từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch Tuy nhiên, nó cũng đối mặt với những hạn chế và phải cạnh tranh với nhiên liệu hóa thạch cũng như các nguồn năng lượng tái tạo khác như gió, năng lượng mặt trời và thủy triều.
Khối lượng sinh học được hình thành từ thực vật là kết quả của quá trình quang hợp, trong đó năng lượng từ ánh nắng mặt trời được chuyển đổi thành năng lượng hóa học, tạo ra các phân tử carbohydrate Động vật ăn thực vật sử dụng năng lượng từ sinh khối thực vật để tạo ra khối lượng sinh học của riêng chúng, trong khi động vật ăn thịt sử dụng sinh khối từ động vật mà chúng tiêu thụ Khi thực vật và động vật chết, năng lượng tích lũy trong sinh khối của chúng vẫn tồn tại cho đến khi bị phân hủy tự nhiên, đốt cháy hoặc xử lý nhân tạo.
Năng lượng trong biomass được giải phóng khi các phân tử bị đốt hoặc tái cấu trúc, như trong quá trình hô hấp của động vật và thực vật, nơi mà carbohydrate được chuyển hóa thành CO2 và nước, cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống Động vật tiêu thụ năng lượng và biomass, nhưng năng lượng tích trữ trong cơ thể chúng thường thấp hơn so với lượng năng lượng trong thức ăn Tuy nhiên, chất hữu cơ thải ra từ cơ thể động vật cũng chứa năng lượng và có thể được sử dụng để sản xuất năng lượng Biomass, khi được xem là nguồn năng lượng, bao gồm cả động vật và thực vật.
Việt Nam, một quốc gia nông nghiệp, hàng năm thải ra hàng chục triệu tấn chất phế thải sinh khối như trấu, bã mía, vỏ hạt điều, mùn cưa và rơm Việc tận dụng nguồn sinh khối này để sản xuất nhiệt và điện năng không chỉ mở ra cơ hội mới cho ngành nông nghiệp mà còn cải thiện an ninh năng lượng, đồng thời mang lại lợi ích cho môi trường và xã hội Nghiên cứu này sẽ áp dụng kỹ thuật chuyển đổi sinh khối thành nhiên liệu cho máy phát điện sử dụng trực tiếp tại hộ gia đình.
Nhiên liệu sinh học, hay nhiên liệu từ nông nghiệp (agrofuel), được định nghĩa là các nhiên liệu rắn, lỏng hoặc khí chuyển hóa từ sinh khối, với trọng tâm là nhiên liệu sinh học dạng lỏng Nhiên liệu sinh học mang lại nhiều lợi ích như giảm khí thải nhà kính, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, tăng cường an ninh năng lượng quốc gia, phát triển nông thôn và cung cấp nguồn năng lượng bền vững trong tương lai Tuy nhiên, nó cũng có những hạn chế như yêu cầu nguồn nguyên liệu tái tạo nhanh và công nghệ sản xuất phải tối ưu hóa để cung cấp nhiên liệu với chi phí thấp nhất và lợi ích môi trường cao nhất Nhiên liệu sinh học và các nguồn năng lượng tái tạo khác hướng đến tính trung tính về carbon, nghĩa là lượng carbon thải ra trong quá trình sử dụng sẽ được cây cối hấp thụ, không làm gia tăng lượng carbon trong khí quyển, từ đó không góp phần vào hiện tượng 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 có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho nhiều loại động cơ diesel cũ, nhưng chỉ trong điều kiện khí hậu ấm áp Thông thường, dầu thực vật chủ yếu 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 là sản phẩm được tạo ra từ quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ nhờ vào hoạt động của vi sinh vật kỵ khí Quá trình này không chỉ tạo ra biogas, mà còn sản sinh ra sản phẩm phụ dạng rắn có thể được sử dụng làm nhiên liệu hoặc phân bón Thành phần chính của biogas là methane, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng và cải thiện đất trồng.
- 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:
- 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 là loại methanol được sản xuất từ sinh khối, có khả năng pha trộn với dầu lên đến 10-20% mà không làm thay đổi tính chất cơ bản của dầu Nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường, nhiều quốc gia và tổ chức quốc tế đã nghiên cứu và phát triển nhiên liệu sinh học để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch, hướng tới xây dựng ngành "nhiên liệu sạch" Các quốc gia thành công trong việc nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học bao gồm Brazil, Mỹ, Canada, Mexico, và nhiều nước châu Âu như Anh, Pháp, Đức, Tây Ban Nha, Bỉ, Áo, cũng như các nước châu Á như Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan và Nhật Bản Sự thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng nhiên liệu sinh học của nhiều nước xuất phát từ cam kết thực hiện Nghị định Kyoto về cắt giảm khí nhà kính, cũng như đảm bảo an ninh năng lượng khi nguồn dầu mỏ trở nên khan hiếm và đắt đỏ vào cuối thế kỷ này.
Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
Gasohol, hay còn gọi là xăng sinh học, được sản xuất từ hỗn hợp ethanol khan 99,5% và xăng với tỷ lệ ethanol từ 5% đến 40% Đặc biệt, với tỷ lệ ethanol trong gasohol khoảng 10-20%, người dùng không cần phải cải tạo động cơ.
Brazil là quốc gia tiên phong trong sản xuất bioethanol quy mô công nghiệp từ những năm 1970, khi phải đối mặt với sự phụ thuộc vào dầu nhập khẩu Lệnh cấm vận dầu mỏ từ Trung Đông đã thúc đẩy Brazil tìm kiếm nguồn nhiên liệu bền vững hơn cho nhu cầu năng lượng Mặc dù gặp một số thách thức, chương trình bioethanol của Brazil được coi là một mô hình thành công trong phát triển bền vững Hiện nay, tất cả xe hơi tại Brazil đều sử dụng xăng pha ít nhất 25% ethanol, trong đó 60% xe có khả năng sử dụng 100% ethanol Brazil chủ yếu sản xuất bioethanol từ cây mía, với năng suất cao từ mỗi tấn mía.
72 lít ethanol có thể được tinh lọc để pha vào xăng hoặc sử dụng làm nhiên liệu ethanol tinh khiết Số liệu này cho thấy rằng nhiều thành phần trong quá trình chuyển hóa biomass thành ethanol chưa được khai thác, chủ yếu là hemicellulose và cellulose.
Mỹ đang theo chân Brazil trong việc đầu tư mạnh mẽ vào sản xuất nhiên liệu sinh học, hiện tại sử dụng xăng pha 10% ethanol và có kế hoạch tăng tỷ lệ này Hầu hết các phương tiện bán tại Mỹ đều được trang bị động cơ linh hoạt về nhiên liệu Đồng thời, Liên minh Châu Âu cũng đang thúc đẩy năng lượng tái sinh cho tương lai thông qua các đạo luật quy định về sử dụng phương tiện giao thông tối thiểu cho các quốc gia thành viên.
Trong tương lai, Colombia yêu cầu các thành phố có dân số trên 500.000 người phải bán xăng có pha 10% ethanol Tại Venezuela, công ty dầu quốc gia đang triển khai dự án xây dựng 15 nhà máy chế cồn từ mía trong 5 năm tới để chuẩn bị cho việc áp dụng xăng E10 Chính phủ Canada đặt mục tiêu đạt 45% xăng pha 10% ethanol trên toàn quốc vào năm 2010 Ở Đông Nam Á, Thái Lan đã ban hành luật sử dụng xăng pha 10% ethanol từ năm 2007 Tại Ấn Độ, chương trình bioethanol khuyến khích người dân sử dụng xăng E5, hướng tới việc áp dụng xăng E10 và E20 trong tương lai.
Nghiên cứu hợp tác giữa trường đại học Stanford và Viện nghiên cứu khoa học thuộc Đại học California cho thấy việc chuyển đổi sinh khối thành năng lượng điện mang lại hiệu quả cao hơn so với việc chuyển đổi sang các dạng nhiên liệu khác.
Nghiên cứu gần đây cho thấy việc sử dụng sinh khối để sản xuất điện có hiệu quả hơn 80% so với chuyển đổi sang nhiên liệu sinh học, đồng thời giảm phát thải khí nhà kính gấp đôi Đầu tư vào công nghệ sản xuất etanol, ngay cả với quy trình hiệu quả nhất, có thể là một hướng đi sai lầm Mặc dù việc đốt sinh khối phát thải CO2, nhưng tổng thể, quá trình này vẫn thải ít CO2 hơn so với đốt nhiên liệu hóa thạch, vì nếu khai thác sinh khối một cách bền vững, lượng sinh khối bổ sung sẽ hấp thụ khí thải từ quá trình trước đó.
Giáo sư Mark Jacobson từ Đại học Stanford đã thực hiện nghiên cứu về tác động môi trường của các nguồn năng lượng khác nhau, cho thấy rằng việc chuyển đổi sinh khối thành etanol không hiệu quả và đốt cháy sinh khối cũng không phải là phương pháp tốt nhất để sản xuất điện năng Ông nhấn mạnh rằng phương tiện điện có hiệu suất cao hơn ít nhất 4 đến 5 lần so với xe sử dụng động cơ đốt bằng etanol Nghiên cứu từ Đại học California, Berkeley, thông qua mô hình phân tích nhiên liệu sinh học ERG Biofuel Analysis Meta-Model-EBAMM, xác nhận rằng xe điện hoạt động hiệu quả hơn xe động cơ đốt trong, ngay cả trên các lộ trình giống nhau.
Trong nước Ở Việt Nam, công nghiệp sản xuất ethanol đã được hình thành từ rất lâu.
Phần lớn ethanol tại Việt Nam được sản xuất từ rỉ đường mía, phục vụ cho thực phẩm và công nghiệp, với tổng năng suất đạt 25 triệu Lit/năm Trong số đó, ba nhà máy lớn là Lam Sơn, Hiệp Hoà và Bình Tây có khả năng sản xuất từ 15.000 đến 30.000 Lit/ngày, bên cạnh hàng trăm cơ sở nhỏ hơn với sản lượng từ 3.000 đến 5.000 Lit/ngày Mặc dù ethanol nhiên liệu vẫn chưa được tiêu thụ rộng rãi trên thị trường, nhưng nhiều nghiên cứu đang được tiến hành, nổi bật là sự hợp tác giữa Công ty rượu Bình Tây, Saigon Petro và Công ty Nguyễn Chí.
Năm 2005, các doanh nghiệp đã triển khai 5 đề tài quan trọng liên quan đến sản xuất nhiên liệu sinh học, bao gồm gasohol từ cồn công nghiệp (cồn 96%) và cồn khan (cồn 99,5%) Họ đã đầu tư vào nhà máy sản xuất gasohol, nhà máy sản xuất cồn công nghiệp và nhà máy sản xuất cồn khan Mục tiêu chính là đưa xăng sinh học với tỷ lệ 10-12% vào thị trường năng lượng, góp phần phát triển nguồn năng lượng tái tạo.
Vào năm 2013, thạc sĩ Đào Văn Hân và tiến sĩ Trần Văn Vang từ trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng đã nghiên cứu công nghệ sản xuất Biogas từ chất thải của các đơn vị chăn nuôi gia súc và gia cầm Đề tài tập trung đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường tại trại chăn nuôi Hòa Phú – Hòa Vang, Đà Nẵng, từ đó đề xuất các phương án cụ thể phù hợp với đặc điểm của mô hình trang trại nhằm nâng cao hiệu quả của hầm Biogas trong xử lý môi trường và sản xuất Biogas Nghiên cứu này góp phần tìm ra mô hình hầm Biogas hiệu quả nhất cho các trang trại chăn nuôi.
Cần nghiên cứu để nâng cao hiệu quả của bioethanol và quá trình chuyển hóa biomass thành nhiên liệu bền vững thay thế xăng dầu Các nghiên cứu này nên tập trung vào việc giảm chi phí chuyển hóa, tăng năng suất và đa dạng hóa nguồn nguyên liệu Một hướng đi quan trọng là phát triển phương pháp chuyển hóa hemicellulose thành đường để lên men, trong đó quá trình đường hóa và lên men đồng thời (SSF) đang được chú trọng Hiện tại, các phương pháp có thể đạt hiệu suất 50 – 72% ethanol cho mỗi gam glucose, nhưng bị giới hạn bởi khả năng chịu đựng của nấm men với ethanol Do đó, nghiên cứu các chủng nấm men có khả năng chịu ức chế tốt hơn là một hướng khả thi Công nghệ sinh học và vi sinh sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển nấm men và các giống vi sinh vật khác có khả năng chuyển hóa cellulose và lignin thành đường và ethanol.
Mục đích đề tài
Mục tiêu của đề tài này là thiết kế hệ thống máy phát điện nhỏ sử dụng Biogas và tiến hành thử nghiệm để so sánh mức tiêu thụ nhiên liệu cùng khí thải của động cơ xăng trước và sau khi lắp đặt bộ tiết kiệm nhiên liệu Qua đó, nhằm nâng cao hiệu suất phát điện và đảm bảo điện áp ổn định cho máy phát Các thử nghiệm cụ thể sẽ được thực hiện để đánh giá hiệu quả của hệ thống.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành thử nghiệm so sánh điện áp và dòng điện trên máy phát điện, đồng thời đo lượng tiêu thụ nhiên liệu của động cơ sơ cấp sử dụng bộ chế hòa khí Thí nghiệm được thực hiện trong hai trường hợp: có và không có bộ tiết kiệm nhiên liệu, khi động cơ diesel hoạt động dưới cùng một chu trình thử với các điều kiện thay đổi tốc độ Kết quả sẽ giúp đánh giá hiệu quả của bộ tiết kiệm nhiên liệu trong việc tối ưu hóa hiệu suất và giảm tiêu thụ nhiên liệu của động cơ diesel.
Đề xuất giải thuật tối ưu nhằm nâng cao khả năng đáp ứng các điều kiện làm việc của hệ thống phát điện sử dụng Biogas, bao gồm việc tối ưu hóa mức nhiên liệu Biogas cung cấp, xem xét ảnh hưởng của sự thay đổi tải và chi phí lắp đặt hệ thống.
Nhiệm vụ của đề tài
- Khảo sát và thiết kế công nghệ hệ thống hầm Biogas.
- Thiết kế máy phát điện sử dụng Biogas công suất nhỏ.
Đánh giá đặc tuyến I-V và P-V của máy phát điện sử dụng biogas cho thấy sự phụ thuộc rõ rệt của các đặc tính này vào điều kiện lắp bộ tiết kiệm nhiên liệu trên động cơ sơ cấp Nghiên cứu chỉ ra rằng hiệu suất hoạt động của máy phát điện có sự khác biệt khi ở tốc độ ổn định so với không ổn định, từ đó ảnh hưởng đến khả năng tối ưu hóa năng lượng từ biogas.
Đánh giá các đặc tuyến I-V và P-V của máy phát điện sử dụng biogas cho thấy sự phụ thuộc của các đặc tính này vào điều kiện hoạt động Cụ thể, khi không lắp bộ tiết kiệm nhiên liệu vào động cơ sơ cấp, các đặc tuyến I-V và P-V sẽ có sự khác biệt rõ rệt ở cả tốc độ ổn định và không ổn định Việc phân tích này giúp hiểu rõ hơn về hiệu suất của máy phát điện và khả năng tối ưu hóa trong việc sử dụng biogas.
- Đề xuất phương án sử dụng máy phát điện sử dụng nhiên liệu Biogas tối ưu.
Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.
- Nghiên cứu các mô hình toán học của hệ thống phát điện sử nhiên liệu Biogas.
- Phân tích các kết quả thử nghiệm.
- Đánh giá các kết quả thử nghiệm Đề nghị hướng phát triển của đề tài.
Điểm mới của đề tài
Động cơ diesel sử dụng biogas từ hệ thống xử lý rác thải thành phố đã được áp dụng trong nhiều thập kỷ và đạt được thành công ở nhiều mức độ khác nhau Gần đây, công nghệ này ngày càng được phổ biến trong các ngành sản xuất nông nghiệp và công nghiệp do áp lực về sự khan hiếm năng lượng hóa thạch trong tương lai Các động cơ đánh lửa cưỡng bức cố định có khả năng cung cấp năng lượng cho nhiều loại thiết bị tải khác nhau.
+ Bơm nhiệt, điều hoà không khí.
Biogas là nguồn năng lượng tiềm năng, có khả năng cung cấp nhiên liệu cho các phương tiện vận tải như xe khách, xe tải, và các thiết bị công nghiệp khác như máy kéo.
Đánh giá hiệu quả ứng dụng của các hệ thống biogas là cần thiết để tối ưu hóa việc sử dụng nguồn năng lượng này Các vấn đề quan trọng cần được chú ý bao gồm tính khả thi, hiệu suất hoạt động và tác động môi trường của hệ thống.
Để tối ưu hóa việc cung cấp biogas cho động cơ, cần xem xét tính hiệu quả của hệ thống cung cấp khí Việc có cần thiết thiết lập một hệ thống nén khí hoặc hệ thống cung cấp đặc biệt cho động cơ là một vấn đề quan trọng cần được nghiên cứu kỹ lưỡng.
Hệ thống phát điện sử dụng biogas thường có chi phí lắp đặt cao hơn so với động cơ điện Ngoài ra, việc lắp đặt cũng cần đầu tư cho hệ thống điều khiển và kết nối.
- Chi phí vận hành, bảo dưỡng
Các nhà máy phát điện lớn thường có chi phí vận hành và bảo trì thấp hơn so với các nhà máy nhỏ, vì vậy việc ưu tiên lắp đặt máy móc tiêu thụ tải lớn là cần thiết Chi phí sửa chữa cũng cần được xem xét kỹ lưỡng Năng lượng tái tạo, như năng lượng mặt trời và gió, đã được áp dụng rộng rãi để đáp ứng nhu cầu điện năng của xã hội, trong đó có cả nhiên liệu biogas Tuy nhiên, nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc lắp đặt bộ tiết kiệm nhiên liệu cho hệ thống máy phát điện nhỏ sử dụng biogas, một vấn đề chưa được khai thác trước đây.
Nguyên liệu Lignocellulose
Lignocellulose là loại vật liệu biomass phổ biến nhất trên trái đất, có mặt trong phế phẩm nông nghiệp, sản phẩm phụ của ngành công nghiệp giấy và bột giấy, cũng như trong rác thải rắn đô thị Với thành phần chủ yếu là cellulose, lignocellulose cung cấp nguồn nguyên liệu dồi dào cho sản xuất bioethanol Một ví dụ điển hình của lignocellulose là rơm rạ.
Thành phần chính của vật liệu lignocellulose là cellulose, hemicellulose, lignin, các chất trích ly và tro.
Bảng2.1.Thành phần của vài loại lignocellulose
Xylane Mannan Galactan Arabianan Lignin Chất trích
Phế phẩm ly cây bắp 36,4 18 0.6 1.0 3.0 16.6 7.3
Trong lignocellulose, cellulose đóng vai trò là khung chính, được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, tạo thành một mạng lưới chắc chắn Cellulose, hemicellulose và lignin liên kết chặt chẽ với nhau thông qua các liên kết cộng hóa trị Các đường trong mạch nhánh như arabinose, galactose và acid 4–O–methylglucuronic thường kết hợp với lignin, góp phần vào cấu trúc và tính chất của lignocellulose.
Cấu trúc lignocellulose bao gồm các mạch cellulose tạo thành sợi cơ bản, được liên kết bởi hemicellulose để hình thành cấu trúc vi sợi có chiều rộng khoảng 25nm Các vi sợi này được bảo vệ bởi hemicellulose và lignin, giúp ngăn chặn sự tấn công của enzyme và hóa chất trong quá trình thủy phân.
Hình 2.2.Mối quan hệ cellulose – hemicellulose trong cấu trúc lignocellulose
Cellulose là một polymer mạch thẳng được cấu tạo từ D-glucose, với các đơn vị D-glucose liên kết qua liên kết β 1-4 glucosid Đây là loại polymer phổ biến nhất trên trái đất, có độ trùng hợp từ 3.500 đến 10.000 DP Các nhóm OH ở hai đầu mạch cellulose có tính chất khác nhau: cấu trúc hemiacetal tại C1 có tính khử, trong khi OH tại C4 mang tính chất của rượu.
Cellulose có cấu trúc hóa học đặc trưng với các mạch liên kết thông qua liên kết hydro và liên kết VanDer Waals, tạo thành hai vùng chính: kết tinh và vô định hình Trong vùng kết tinh, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ, khiến cho vùng này khó bị tấn công bởi enzyme và hóa chất Ngược lại, vùng vô định hình có các liên kết lỏng lẻo hơn, do đó dễ bị tấn công hơn Hai kiểu cấu trúc cellulose đã được đề xuất để mô tả rõ hơn về vùng kết tinh và vô định hình.
Kiểu Fringed Fibrillar của cellulose có đặc điểm là các phân tử được kéo thẳng và định hướng theo chiều sợi, với vùng tinh thể dài khoảng 500 Å, xen kẽ với các vùng vô định hình.
2/ Kiểu Folding chain: phân tử cellulose gấp khúc theo chiều sợi Mỗi đơn vị lặp lại có độ trùng hợp khoảng 1000, giới hạn bởi hai điểm a và b như trên hình vẽ.Các đơn vị đó được sắp xếp thành chuỗi nhờ vào các mạch glucose nhỏ, các vị trí này rất dễ bị thủy phân Đối với các đơn vị lặp lại, hai đầu là vùng vô định hình, càng vào giữa, tính chất kết tinh càng cao Trong vùng vô định hình, các liên kết β - glucosid giữa các monomer bị thay đổi góc liên kết, ngay tại cuối các đoạn gấp, 3 phân tử monomer sắp xếp tạo sự thay đổi 180 o cho toàn mạch Vùng vô định hình sẽ dễ bị tấn công bởi các tác nhân thủy phân hơn vùng tinh thể vì sự thay đổi góc liên kết của các liên kết cộng hóa trị (β - glucosid) sẽ làm giảm độ bền nhiệt động của liên kết, đồng thời vị trí này không tạo được liên kết hydro [4] Cellulose được bao bọc bởi hemicellulos và lignin, điều này làm cho cellulose khá bền vững với tác động của enzyme cũng như hóa chất.
Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và
- Mạch chính của hemicellulose được cấu tạo từ liên kết β -(1,4).
- Xylose là thành phần quan trọng nhất.
- Nhóm thế phổ biến nhất là nhóm acetyl O – liên kết với vị trí 2 hoặc 3.
Mạch nhánh của hemicellulose được cấu tạo từ các nhóm đơn giản, thường là disaccharide hoặc trisaccharide, và chúng đóng vai trò quan trọng trong việc liên kết với các polysaccharide khác cũng như lignin Do có cấu trúc mạch nhánh, hemicellulose tồn tại ở dạng vô định hình, điều này làm cho nó dễ bị thủy phân Các loại gỗ cứng, gỗ mềm và nguyên liệu phi gỗ có những đặc điểm hemicellulose khác nhau.
Gỗ cứng chủ yếu có hai loại hemicellulose:
Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan là một polymer với chuỗi chính gồm β-D-xylopyranose liên kết bằng liên kết β-D (1,4) Trong cấu trúc của nó, 70% các nhóm OH tại vị trí C2 và C3 đã bị acetyl hóa, trong khi 10% các nhóm ở vị trí C2 liên kết với acid 4-O-methyl-D-glucuronic Bên cạnh đó, gỗ cứng cũng chứa glucomannan, một polymer có tỉ lệ bằng nhau giữa β-D-glucopyranose và β-D-mannopyranose.
Hình 2.6.Glucomannan Loại thứ hai có mạch chính làβ-D-galactopyranose, phân nhánh Loại hemicellulose này tạo liên kết –O tại nhóm OH ở vị trí C6 với α-L-arabinose, β-D- galactose hoặc acid β-D-glucoronic [9]
Gỗ mềm cũng bao gồm hai loại hemicellulose chính:
Galactoglucomannan là loại polymer quan trọng nhất, được hình thành từ các phân tử D-mannopyranose liên kết với D-glucopyranose qua liên kết β-(1,4) với tỉ lệ hai monomer là 3:1 Tỉ lệ này có thể thay đổi tùy thuộc vào loại gỗ.
Arabino-4-O-methylglucuronoxylan is a polysaccharide composed of D-xylopyranose monomers, where the hydroxyl group at position C2 is substituted by 4-O-methyl-glucuronic acid, and the hydroxyl group at position C3 forms a branched structure with α-L-arabinofuranose In grasses, arabinoxylan constitutes 20-40% of hemicellulose, highlighting its significance in plant cell walls.
Hình 2.8.Arabinoglucuronoxylan Cấu tạo phức tạp của hemicellolose tạo nên nhiều tính chất hóa sinh và lý sinh cho cây.
Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở, chủ yếu đóng vai trò là chất liên kết trong thành tế bào thực vật, gắn kết chặt chẽ với cellulose và hemicellulose Việc tách lignin hoàn toàn là rất khó khăn, vì nó là một polymer được cấu thành từ các đơn vị phenylpropene Các đơn vị cấu trúc điển hình của lignin bao gồm guaiacyl (G) với chất gốc là rượu trans-coniferyl, syringly (S) với chất gốc là rượu trans-sinapyl, và p-hydroxylphenyl (H) với chất gốc là rượu trans-p-courmary.
Lignin có cấu trúc đa dạng, phụ thuộc vào loại gỗ, tuổi cây và cấu trúc gỗ Nó được phân loại thành lignin từ gỗ cứng, gỗ mềm và cỏ, đồng thời chia thành hai loại chính: guaicyl lignin và guaicyl-syringly lignin.
Gỗ mềm chủ yếu chứa guaiacyl, trong khi gỗ cứng chủ yếu chứa syringyl Nghiên cứu cho thấy rằng guaiacyl lignin có khả năng hạn chế sự trương nở của xơ sợi, khiến cho loại nguyên liệu này khó bị enzyme tấn công hơn so với syringyl lignin.
Hình 2.10.Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính
Quá trình sản xuất ethanol từ rơm rạ
Hình 2.12.Sơ đồ quá trình sản xuất ethanol từ rơm rạ
2.2.2 Tiền xử lý Để chuyển hóa các carbohydrate (cellulose và hemicellulose) trong lignocellulose thành ethanol, các polymer phải bị bẻ gãy thành những phân tử đường nhỏ hơn trước khi vi sinh vật có thể hoàn tất quá trình chuyển hóa Tuy nhiên, bản chất của cellulose lại là rất bền vững trước sự tấn công của enzyme, nên bước tiền xử lý là bắt buộc để quá trình đường hóa glucose có thể diễn ra tốt Cellulose ban đầu có thể bị phá hủy bởi acid mà không cần được tiền xử lý Tuy nhiên, trong
Thủy phân và lên men đồng thời luận văn này chỉ đề cập đến việc thủy phân lignocellulose bằng enzyme.
Những yếu tố về cấu trúc và thành phần ảnh hưởng đến khả năng chống lại sự tấn công của enzyme của lignocellulose gồm có:
Cấu trúc tinh thể của cellulose tự nhiên giúp nó chống lại sự tấn công của enzyme Theo nghiên cứu của Fan và cộng sự, tính chất này của cellulose làm cho nó trở thành một vật liệu bền vững và khó bị phân hủy.
Tỷ lệ cellulose tinh thể trong rơm rạ và bã mía ước tính dao động từ 50-90% Mặc dù vậy, không có mối liên hệ rõ ràng giữa mức độ tinh thể của cellulose và khả năng phân hủy enzym của hai loại nguyên liệu này.
Lignin bao bọc xung quanh cellulose, cùng với hemicellulose, tạo nên một cấu trúc mô vững chắc Các mô được củng cố bằng lignin giống như nhựa được gia cố bằng sợi, trong đó lignin đóng vai trò là chất kết dính cho các sợi cellulose.
Lignin đóng vai trò bảo vệ cellulose khỏi tác động của môi trường và khí hậu, đồng thời ngăn cản enzyme tấn công cellulose Nghiên cứu cho thấy khả năng thủy phân của enzyme tăng lên khi 40-50% lignin bị loại bỏ Tuy nhiên, không có nghiên cứu nào thực hiện việc loại bỏ lignin mà không làm phân hủy hemicellulose Ngay cả trong các phương pháp tiền xử lý bằng kiềm ở nhiệt độ thấp, việc loại bỏ 70% lignin cũng dẫn đến việc 5% hemicellulose bị hòa tan, do đó, các thí nghiệm này chưa hoàn toàn chứng minh được ảnh hưởng của việc loại bỏ lignin một cách độc lập.
Bề mặt tiếp xúc tự do của cellulose đóng vai trò quan trọng trong quá trình thủy phân, liên quan đến sự tương tác giữa cellulose và enzyme cũng như thể tích xốp của nó Stone et al cho rằng tốc độ ban đầu của quá trình này phụ thuộc vào bề mặt tiếp xúc tự do, trong khi Grethlein et al lại nhấn mạnh rằng thể tích lỗ xốp, chứ không phải độ kết tinh, mới là yếu tố quyết định ảnh hưởng đến tốc độ thủy phân ban đầu của cellulose.
Tuy nhiên, bề mặt tiếp xúc tự do này có liên quan đến độ kết tinh và sự bảo vệ của lignin.
Hemicellulose, giống như lignin, tạo thành lớp bảo vệ xung quanh cellulose Nghiên cứu của Knappert et al cho thấy khả năng thủy phân tăng khi tỉ lệ hemicellulose bị loại bỏ từ gỗ dương qua xử lý bằng acid sulfuric Tương tự, Grohman trong thí nghiệm tiền xử lý rơm lúa mì bằng acid phát hiện rằng việc loại bỏ hemicellulose làm tăng đáng kể khả năng thủy phân rơm rạ Họ cho rằng việc loại bỏ lignin không cần thiết, mặc dù nếu thực hiện được thì sẽ rất tốt Hemicellulose đã được chứng minh là cản trở quá trình enzyme tấn công vào rơm rạ, mặc dù trong các thí nghiệm, lignin không bị loại bỏ hoàn toàn nhưng có thể bị đông hoặc chảy ra một phần, làm giảm khả năng bảo vệ cellulose của nó.
Vì thế những thí nghiệm trên chưa cho thấy được hiệu quả của việc loại bỏ riêng lẻ hemicellulose.
Mức độ acetyl hóa của hemicelluloses, đặc biệt là xylan, loại hemicellulose chính trong gỗ cứng và cây thân cỏ, thường bị bỏ qua trong nghiên cứu Grohmann et al [9] đã chỉ ra rằng khi xylan từ rơm lúa mì và cây dương bị deacetyl hóa, tỷ lệ cellulose bị thủy phân tăng lên 2-3 lần Hiện tượng này vẫn diễn ra cho đến khi khoảng 75% hemicellulose bị deacetyl hóa.
Nói tóm lại, quá trình tiền xử lý nhằm:
- Tăng vùng vô định hình của cellulose
- Tăng kích thước lỗ xốp trong cấu trúc sợi biomass
- Phá vỡ sự bao bọc của lignin và hemicellulose đối với cellulose.
Sau đây là một số công nghệ tiền xử lý phổ biến:
2.2.2.1 Các phương pháp tiền xử lý hóa học:
Sử dụng tác động của hóa chất trong quá trình Gồm có các quá trình chính:
Các phương pháp xử lý với acid bao gồm sử dụng acid loãng, bơm hơi nước có acid và nổ hơi có acid, trong đó acid sulfuric là loại được nghiên cứu nhiều nhất do tính hiệu quả và chi phí thấp Tuy nhiên, một thách thức lớn trong quá trình xử lý acid là yêu cầu thiết bị phải có khả năng chống ăn mòn cao và quản lý lượng thạch cao (CaSO4) sinh ra từ quá trình trung hòa acid với CaOH.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, trong việc xử lý chất thải, xút và các hóa chất khác đã được xem xét kỹ lưỡng Tuy nhiên, vôi tôi được coi là lựa chọn tối ưu dựa trên chi phí Nghiên cứu của Detroy et al cho thấy amonia lỏng có hiệu quả trong việc tăng cường khả năng thủy phân bã rắn, trong khi ethylenediamine có thể mang lại hiệu quả cao hơn.
Ngoài ra, có những phương pháp xử lý lignin hiệu quả như sử dụng dung môi hữu cơ, bao gồm ethanol, methanol và acetone để hòa tan lignin Bên cạnh đó, việc xử lý bằng khí SO2 cũng là một phương pháp đáng chú ý trong quá trình này.
CO2, NH3 … Các quy trình này hiện nay chỉ được sử dụng ở quy mô phòng thí nghiệm.
2.2.2.2 Các phương pháp tiền xử lý cơ học
Các phương pháp thuộc nhóm này không sử dụng hóa chất trong quá trình xử lý.
Các phương pháp xử lý bao gồm nghiền nát, chiếu xạ bằng năng lượng cao, xử lý thủy nhiệt và nổ hơi Trong số đó, phương pháp nổ hơi là quan trọng nhất, đã được phát triển và áp dụng trên quy mô pilot, đồng thời được sử dụng trong nghiên cứu này.
2.2.2.3 Nổ hơi nước (Steam explosion)
Nổ hơi nước, được phát triển bởi W H Mason vào năm 1925, đã được ứng dụng trong sản xuất gỗ ép và tiền xử lý biomass từ năm 1980 Công ty Iotech Corporation đã thực hiện các thí nghiệm tiên phong để nghiên cứu tác động của nổ hơi nước lên gỗ cây dương Trong báo cáo gửi tới Bộ Năng lượng Mỹ, Iotech chỉ ra rằng thời gian phản ứng và áp suất ảnh hưởng đến sản lượng xylose và glucose, với xylose thường đạt cực đại trước glucose tại một áp suất nhất định.
Sản lượng tối đa của xylose và glucose đạt được ở các áp suất khác nhau, với điều kiện phản ứng tối ưu cho holocellulose (xylose + glucose) là 500 – 550 psi trong 40 giây Nhiều nghiên cứu đã ứng dụng nổ hơi cho các loại nguyên liệu biomass, trong đó Shultz et al đã so sánh hiệu quả của nổ hơi trên hỗn hợp gỗ cứng, vỏ trấu, rơm bắp và bã mía Nổ hơi ở nhiệt độ 240 – 250 °C trong 1 phút giúp tăng tốc độ thủy phân enzyme của các nguyên liệu này lên tương đương với tốc độ thủy phân giấy lọc Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng không có sự khác biệt về tốc độ thủy phân giữa mẫu lưu trữ 8 tháng và mẫu lưu trữ thời gian ngắn hơn.
Martinez và cộng sự [1] đã nghiên cứu hiệu quả đường hóa của hai nguyên liệu Onopordumnervosum và Cyanaracardunculus Kết quả cho thấy, với O nervosum, tỷ lệ glucose giải phóng đạt trên 90% khi xử lý ở 230°C trong 1 – 2 phút, trong khi đó, C cardunculus đạt hiệu quả tương tự ở 210°C trong 2 – 4 phút.
