Nghiên cứu nâng cao hiệu suất tiền xử lý lignocellulose trong quá trình ssf chuyển hóa thành cồn sinh học

--------------------

Chuyên ngành:
8.52.03.01

TP


c hoàn thành t i:

Cán b

i h c Bách Khoa

ng d n khoa h c: PGS. TS Nguy

HCM

ình Quân

Cán b nh n xét 1: TS. Lê Xuân Ti n

Cán b nh n xét 2: PGS. TS. Ngô Thanh An

Lu

cb ov t

Thành ph n H

ih

giá lu

ngày

m:

1. PGS TS. Lê Th Kim Ph ng

Ch t ch

2. TS. Lê Xuân Tiên

Ph n bi n 1

3. PGS. TS. Ngô Thanh An

Ph n bi n 2

4. TS. Hu nh Nguy n Anh Tu n

y viên

5. TS. Ph

y viên

cL i

Xác nh n c a Ch t ch H

ngành sau khi lu
CH T CH H

iá lu

ng khoa qu n lý chuyên

c s a ch a (n u có)
NG

NG KHOA K THU T HĨA H C

PGS TS. Lê Th Kim Ph ng

ii


-

-

..............................................MSHV: 2070665 .............
...........................................

.......

..............................................

: 8.52.03.01 ........

I.
...............................................................................
(Investigation of improving lignocellulose pretreatment efficiency in SSF process to
produce bioethanol) .............................................................................................................
II.
-

.................

-

...................

-

....................

............................................................................................................
III.

: 06/09/2021 ..................................................................

IV.

: 12/12/2021 ..................................................

V.

............................................

.............................................................................................................................................

Tp. HCM, ngày 12
CÁN

A K THU T HÓA H C


L IC
u tiên, tôi xin g i l i c
là gi ng
Biomass
t

n PGS.TS nguy

ng d n và

ng phịng thí nghi m Nhiên li u Sinh h c và

i h c Bách Khoa Thành ph H Chí Minh, th

tr

tơi có th th c hi n t t lu
n các cán b trong phịng thí nghi

ng d n
il ic

h tr tơi th c hi n các thí nghi m trong

kho ng th i gian tôi th c hi n nghiên c u t
Ti p theo, tôi xin c
h

n th y cô trong khoa K thu t Hóa h

i

u ki n cho tơi h c t p và trang b ki n th c, làm n n t

tôi th c hi n lu
Cu i cùng, tôi mu n g i l i c
ng hành cùng tôi, và h tr v m t tinh th
h c t p và th i gian tôi làm lu
Tôi xin chân thành c

nb

ng h và
t ch t trong su t quá trình


TÓM T T
Trong nghiên c u này,

ti n x lý k t h

hi u qu lo i b lignin và gi

nâng cao

tinh th c a cellulose trong lignocellulose,
xu t và th c hi n. K t qu cho th y khi ngâm

nguyên li u vào

c, r a, l c, r i ngâm vào base sau thì cho hi u qu

ng h p khác (bao g m: ti n x lý ch v i acid; ch v i base; ho c theo th t
c, acid sau)

y phân c a nguyên li u cho quá trình th y

ng th

chuy

g cao su b

u ki n ti n x lý

d ng dung d ch H2SO4 1,67% KL trong 5,4 gi ,
c ép lo i b dung d ch acid r i ti n x lý v i dung d ch NaOH 2,98% trong

24 gi . K t qu cho th
v i nguyên li

tinh th (CrI) c a nguyên li u gi m xu ng còn 57,61% (so

u là 61,36%) và hi u su t ti n x

hình) là 78,80%. V

u ki

trong 6,98 gi
th c

nh

ng là dùng dung d ch H2SO4 0,58% KL

lý v i dung d ch NaOH 2,671% KL trong 24 gi

tinh

m t 56,05 xu ng 52,01%; hi u su t ti n x lý là 72,67%. K t qu th c

nghi m quá trình SSF c a các nguyên li

c này cho th

c thì

n x lý m t l n. Dung d ch sau SSF v i g cao su
có n

ethanol là 1,61 vol%; và v

t hi u su t chuy n hóa

cellulose thành bioethanol là 45,6%; và 54,91%.
Bên c nh ti n x lý k t h p, vi c n p nhi u l n enzyme cho quá trình SSF
lignocelluose

cho th y r ng chia nh

men

n p nhi u l n vào h n h p lên

th y phân c a nguyên li u. Cùng m t t ng
p 3 l n t i các th
ng e

v i n p enzyme 1 l n. V
phân là 62,31% (n p 1 l

ng enzyme

m 0, 12 và 24 gi cho hi u qu th
t thúc quá trình so
u su t th y
hi u su t th y phân là 75,26% (1 l n n p:

63,01%).

v

ABSTRACT
In this study, a combination pretreatment method was proposed. Accordingly, an
acidic pretreatment followed by an alkaline pretreatment improved the pretreatment
efficiency by removing lignin and reducing the crystallinity of cellulose in the
lignocellulose materials, herein, rubber sawdust, and rice straw. It was proved that this
procedure was more effective than other cases (including acid-only, base-only, and
pretreatment with soaking the material in an alkaline first and then in an acidic
solution). As a result, the combination pretreatment increased the hydrolysis efficiency
in a simultaneous hydrolysis and fermentation (SSF) to convert lignocellulose into
bioethanol. The condition for pretreatment of rubberwood by this method was to soak
the material in 1.67% wt. H2SO4 solution for 5.4 hours, wash, then filter to collect the
solid material, which was next treated in 2.98% NaOH solution for 24 hours. The
results showed that the crystallinity index (CrI) of the raw materials decreased to
57.61% (compared CrI of the starting material, 61.36%), and the pretreatment
efficiency (amorphous cellulose enrichment) was 78.80%. For rice straw, it was
0.58%.wt H2SO4 for 6.981 hours, then 2.67%.wt NaOH solution for 24 hours. The
crystallinity index of rice straw decreased from 56.05 to 52.01%, while the
pretreatment efficiency was 72.67%. The experimental results of the SSF process of
these materials showed that the bioethanol obtained was higher than that of the
alkaline pretreatment methods. The solution after SSF with rubberwood had an ethanol
concentration of 1.61% %vol; with rice straw it was 1.48% %vol, and the efficiency of
converting cellulose to bioethanol was 45.6%; and 54.91% in both cases, respectively.
In addition, the study of multiple enzyme loading in an SSF process was also
proposed and found to increase the hydrolysis rate of the feedstock. For the same
enzyme dosage, splitting into multiple loading times at time of 0, 12, and 24 hour
increased the hydrolysis efficiency, thus increased the ethanol content in the final SSF
process. For rubber wood sawdust, this method gave a hydrolysis efficiency of 62.31%
(1 load: 53.44%) while a hydrolysis efficiency of rice straw of 75.26% (1 load: 63,
01%).

vi


L I CAM
Tôi xin cam k t các k t qu
c uc ab
Biomass

nghiên

c tôi th c hi n t i phịng thí nghi m Nhiên li u Sinh h c và
i h c Bách Khoa Thành ph H

c
vi

c trình bày trong lu

i s h tr
p lu n án này cho b

cc pb

nhi m v tính minh b ch c a k t qu

ng d n
ng ho c

u trên là s th t và ch u trách

c báo cáo.

i th c hi n

Lê T n Nhân T

vii


M CL C
L IC

...............................................................................................................iv

TÓM T T ......................................................................................................................v
ABSTRACT ..................................................................................................................vi
L

....................................................................................................... vii

M C L C .................................................................................................................. viii
Danh m c ch vi t t t ..................................................................................................xi
Danh m c b ng ........................................................................................................... xii
Danh m c hình ........................................................................................................... xiii
M

U .........................................................................................................................1
T NG QUAN .........................................................................................2
1.1.

Bioethanol

1.1.1.
1.1.2.
1.1.3.

ti

Nhu c u v

i pháp cho v

ng ...................2

ng ..........................................................................2

ng tái t o và xu th
Bioethanol m t gi

ng c a th gi i ........................3
ng b n v ng .................................4

1.2.

Các th h s n su t bioethanol ....................................................................5

1.3.

Tình hình nghiên c u v s n xu t bioethanol và m t s h n ch ............7

1.4.

Lignocellulose ..............................................................................................10

1.4.1.

Cellulose ................................................................................................10

1.4.2.

Hemicellulose ........................................................................................12

1.4.3.

Lignin ....................................................................................................14

1.5.

Quá trình ti n x lý lignocellulose ............................................................15

1.5.1.

Ti n x lý b ng acid.............................................................................16

1.5.2.

Ti n x lý b ng base ............................................................................17

1.5.3.

Nghiên c u quá trình ti n x lý b

ch th c

nghi m ...............................................................................................................19
viii


1.6.

Quá trình th

n x lý .................20

1.6.1.

Th y phân .............................................................................................20

1.6.2.

Lên men ................................................................................................21

1.6.3.

ng c a lignin lên ph n ng th

p

nhi u l n enzyem. ...............................................................................................22
1.7.

tv

và m c tiêu nghiên c u ...........................................................23
T LI U.......................................................24

2.1.

V t li u .........................................................................................................24

2.1.1.

cao su ...............................................................................24

2.1.2.

..................................................................................................25

2.1.3.

Hóa ch t ................................................................................................26

2.2.

...............................................................................................27

2.2.1.

áp phân tích thành ph n hóa h c ....................................27

2.2.2.

tinh th .....................................................28

2.2.3.
2.3.

nh n

glucose và ethanol ..........................28

B trí thí nghi m .........................................................................................30

2.3.1.

Nghiên c u q trình ti n x lý..........................................................30

2.3.2.

Thí nghi p n p enzyme nhi u l n.......................................................35
K T QU VÀ TH O LU N .............................................................37

3.1.

Thành ph n c

.......................................37

3.2.

Thí nghi m ti n x lý v i các tác ch t khác nhau ...................................39

3.3.

B m

base

......................................................................................................................43

ng cho quy ho ch th c nghi m ti n x lý k t h p acid và

3.3.1.

Ti n x lý k t h p acid và base v i g cao su ...................................43

3.3.2.

Ti n x lý k t h p acid và base v

.......................................47

ix


3.3.3.

u ki n thích h

t hi u qu cao cho quá trình ti n x lý k t

h

.................................................................52

3.3.4.

Th y phân và lên men SSF lignocellulose v

TXL khác nhau ..................................................................................................54
3.4.

Thí nghi m SSF n p nhi u l n enzyme ....................................................55

3.4.1.

Quá trình SSF n p nhi u l

iv

cao su ...56

3.4.2.

Quá trình SSF n p nhi u l

iv

...........................61

3.4.1.

Quá trình SSF n p nhi u l

i v i gi y và so sánh k t

qu v i nguyên li u ............................................................................................64
3.4.2.

Hi u su t th y phân và chuy n hóa lignocellulose thành bioethanol .
...............................................................................................................67
K T LU N VÀ KI N NGH .............................................................69

4.1.

K t lu n .......................................................................................................69

4.2.

Ki n Ngh .....................................................................................................70

DANH M C CÁC CƠNG TRÌNH KHOA H C.....................................................71
TÀI LI U THAM KH O...........................................................................................80
PH L C .....................................................................................................................86
PH N LÝ L CH TRÍCH NGANG ............................................................................98

x


Danh m c ch vi t t t

DD

Dung d ch

CrI

Crystallinity index

HPLC

High Performance Liquid Chromatography

KL

Kh i

SHF

Separate Hydrolysis and Fermentation

tinh th

ng

(Th y phân và lên men riêng l )
SEM

Scanning electron microscope
(Kính hi

SSCF

n t quét)

Simultaneous Saccharification and Cofermentation
(Th

SSF

ng th i k t h p vi sinh v t)

Simultaneous Saccharification and Fermentation
(Th

S.cerevisiae

Saccharomyces cerevisiae

TXL

Ti n x lý

XRD

X-ray Diffraction

ng th i)

(nhi u x tia X)

xi


Danh m c b ng
B ng 1 D

ng còn l i c a m t s nhiên li u hóa th ch. ..............................3

B ng 2 Các hóa ch t c n thi t. ......................................................................................26
B ng 3 Ma tr n b trí thí nghi m kh o sát ti n x lý k t h p acid và base. .................32
B ng 4 B trí thí nghi m n p nhi u l n enzyme. ..........................................................35
B ng 5 K t qu ti n x

cao su v i các tác ch t khác nhau. ..................40

B ng 6 K t qu ti n x

i các tác ch t khác nhau. .........................................42

B ng 7

u ki n thích h p cho q trình TXL k t h
................................................................................................................53

B ng 8 Thành ph n c

.....................56

B ng 9 Hi u su t th y phân và hi u su t chuy n hóa lignocellulose thành bioethanol

t i th

m 80 gi ........................................................................................................67

xii


Danh m c hình
Hình 1.1 Nhu c

ng c a th gi i t

Hình 1.2 D báo v nhu c

ng c a th gi

n 2020. .......................2
n 2030. ..................4

Hình 1.3 Hình nh m t s nhà máy s n xu t bioethanol t i Vi t Nam. .........................5
Hình 1.4 M t vài ngu n nguyên li u lignocellulose th h th hai. ...............................7
Hình 1.5 Quy trình chuy n hóa lignocellulose thành bioethanol. ..................................7
Hình 1.6 Hình nh t o bi n và l c bình nguyên li u th h th ba. ...............................7
Hình 1.7 Cơng th c hóa h c c a lignin. .......................................................................14
Hình 1.8

n x lý. ..........................................................................16

Hình 1.9 Ph n ng c
Hình 1.10 Ph n ng c

t c a liên k t -

phenylpropan. ...........18

t liên k t -aryl ete trong c u trúc khơng có phenol..........18

Hình 1.11 S t o thành acid saccharide và D

i tác nhân ki m. ...............19

Hình 2.1 Hình nh thu ho ch cây cao su t i t

t Nam). .................24

Hình 2.2

c thu ho ch.............................................................25

Hình 2.3 Hình nh bu

a máy XRD Burker.....................................................28

Hình 2.4 B trí thí nghi m nghiên c

nx

cao su

...........................................................................................................................31

Hình 2.5 Quy trình nghiên c u thí nghi m n p nhi u l n enzyme cho quy trình th y
ng th i (SSF). .................................................................................36
Hình 3.1 Thành ph n c

cao su. ..............................................................37

Hình 3.2 Thành ph n c

. .................................................................................37

Hình 3.3 K t qu phân tích XRD c a nguyên li

u. .........................................38

Hình 3.4 K t qu phân tích XRD c a gi y l c. ............................................................39
Hình 3.5 Hình SEM c a (a) cao su nguyên li u (b) ti n x lý v i ch dd NaOH 2% (c),
ti n x lý k t h

c và acid sau. ......41

xiii


Hình 3.6

ng cong bi u di n

ng c a các y u t

n hi u su t ti n x lý (H1)

cao su. ........................................................................................................43
Hình 3.7

th 3D bi u di n hi u su t TXL g cao su t

Hình 3.8

ng cong bi u di n

u ki n B là 6 gi . .........44

ng c a các y u t

tinh th (CrI) mùn

cao su. ................................................................................................................44
Hình 3.9

th 3D bi u di n hi u su t TXL g cao su t

Hình 3.10

ng cong bi u di n

ch nh (H2
Hình 3.11

u ki n C là 3% KL. .....45

ng c a các y u t

n hi u su t ti n hi u

cao su. ......................................................................................46
th 3D bi u di n hi u su t hi u ch nh (H2) TXL g cao su t

u ki n

C là 3% KL. ...................................................................................................................47
Hình 3.12
(H1) c

ng cong bi u di n

ng c a các y u t

n hi u su t ti n x lý

.................................................................................................................48
th 3D bi u di n hi u su

Hình 3.14

ng cong bi u di n

u ki n C là 3% KL. ............48
ng c a các y u t

tinh th (CrI) c a

................................................................................................................................49
Hình 3.15
Hình 3.16

th 3D bi u di n hi u su
ng cong bi u di n

i

u ki n A là 3 gi . ...............50

ng c a các y u t

tinh th (CrI) c a

................................................................................................................................51
Hình 3.17

th 3D bi u di n hi u su t TXL hi u ch nh (H2) c

u ki n A

là 0,5% KL. ....................................................................................................................51
Hình 3.18 Các giá tr thích h p cho quá trình TXL k t h p acid H2SO4 và base NaOH
cho cao su. .....................................................................................................................53
Hình 3.19 Các giá tr thích h p cho q trình TXL k t h p acid H2SO4 và base NaOH
.........................................................................................................................53
Hình 3.20 N

ethanol cho quá trình lên men SSF v

ti n x lý, và nguyên li
và base

n x lý v i (2) ch acid, (3) ch base, (4) k t h p acid

u ki n thích h p. .......................................................................................54

xiv


Hình 3.21 N
nguyên li

ethanol cho quá trình lên men SSF v

n x lý, và

n x lý v i (2) ch acid, (3) ch base, (4) k t h p acid và base

u

ki n thích h p. ...............................................................................................................55
Hình 3.22 N

glucose và ethanol t i các m c th i gian c a quá trình SSF g cao

su v i 1 l n n p enzyme. ...............................................................................................57
Hình 3.23 N

glucose và ethanol t i các m c th i gian c a quá trình SSF g cao

su v i 2 l n n p enzyme. ...............................................................................................57
Hình 3.24 N

glucose và ethanol t i các m c th i gian c a quá trình SSF g cao

su v i 3 l n n p enzyme. ...............................................................................................58
Hình 3.25 T

ng glucose theo th i gian c a quá trình SSF g cao su v i (1) 1 l n

n p enzyme, (2) 2 l n n p enzyme và (3) 3 l n n p enzyme. .......................................59
Hình 3.26 N

glucose và ethanol t i các m c th i gian c

v i 1 l n n p enzyme. ....................................................................................................61
Hình 3.27 N

glucose và ethanol t i các m c th i gian c

v i 2 l n n p enzyme. ....................................................................................................62
Hình 3.28 N

glucose và ethanol t i các m c th i gian c

v i 3 l n n p enzyme. ....................................................................................................62
Hình 3.29 T

ng glucose theo th i gian c

i (1) 1 l n n p

enzyme, (2) 2 l n n p enzyme và (3) 3 l n n p enzyme. ..............................................63
Hình 3.30 N

glucose và ethanol t i các m c th i gian c

v i 2 l n n p enzyme. ....................................................................................................64
Hình 3.31 N

glucose và ethanol t i các m c th i gian c

v i 2 l n n p enzyme. ....................................................................................................65
Hình 3.32 N

glucose và ethanol t i các m c th i gian c

v i 3 l n n p enzyme. ....................................................................................................65
Hình 3.33 T

ng glucose theo th i gian c a quá trình SSF g cao su v i (1) 1 l n

n p enzyme, (2) 2 l n n p enzyme và (3) 3 l n n p enzyme. .......................................66

xv

M

U

C n sinh h c (hay còn g i là bioethanol) là m t nhiên li u xanh, khi cháy khơng
gây ra khí phát th i nhà kính. C n sinh h
th p k g

gi i quy t v

nguyên li
và có tr

c nghiên c
ng d

c nghiên c u và phát tri n

c n ki t ngu n nhiên li u hóa th ch. Ngu n

s n xu t bioethanol là lignocellulose, chúng ph bi n
c bi t r ti n và không

c

so v i th h th nh t (s d ng nguyên li u là g o và tinh b t).
hóa lignocellulose thành c n sinh h c
thành ph

nh ng

chuy n

y thách th

v th y phân,

n quá trình th y phân b ng enzyme, vì v y c n thêm quá

trình ti n x lý. Tuy nhiên c
qu lo i b

n x lý phù h p có th

i hi u

ng l n lignin và chi phí th p.

Trong nghiên c u này, s d ng

n x lý k t h p c

: ti n x lý acid và ti n x lý b ng base. Nguyên li u

c s d ng là mùn

. Hai ngu n nguyên li u này r t ph bi t

Vi t Nam, và giá

thành r . Nghiên c

s d

không nh

trong s n xu t nhiên li u s ch, chúng cịn góp ph n b o v

ng. H

chuy n hóa thành c n sinh h c

ng l

d ng s b

t

th i tr c ti p, gây ơ nhi m khơng khí.
Ngồi nâng cao hi u su t ti n x lý, trong nghiên c u này tìm hi u v quy trình
n p nhi u l n enzyme, mang l i hi u qu th y phân lignocellulose
trình th

ng th i (SSF). V i vi

c hi u xu t cho c

quá trình: quá trình ti n x lý và quá trình SSF, s nâng cao hi u su t chuy n hóa
bioethanol t lignocellulose.

1


T NG QUAN
1.1.

Bioethanol

ti

i pháp cho v

1.1.1. Nhu c u v
Hi n nay, v
th gi i, k c

v

ng

ng
ng là v

t ra cho h u h

c phát tri n ho c

cho s phát tri n c a m t qu

c trên

ng có t m quan tr ng
ng l

phát tri n ngành công nghi p, giao

thông và các ngành ngh liên quan khác. V i s phát tri n ngày càng nhanh thì nhu
c

ng l

. Trong m t báo cáo g

a T. Ahmad và D.

Zhang, nghiên c u v

ng tiêu th c a th gi i trong hai th p k v a qua (hình

1.1) cho th y, s

c a nhu c

nhu c u s d

ng trên toàn th gi i, v i
ên

g này là liên t

d cc

[1]. S
th , có th d dàng d

v

Hình 1.1 Nhu c u tiêu dùng

ng c a th gi i t

M t khác, các nhà nghiên c u khoa h
ng c a th gi i trong vài th p k t
nh ng ngu n cung c
ng không tái t

n 2020.

nh báo v s thi u h t
[2]. D

t là

ng chính cho th gi i. Ngu n nhiên li u hóa th ch và
n ki t. Theo nghiên c u c a S. Shafiee
2


và E. Topal, s d ng công th c m
h p liên t

cs

i t mơ hình Klass, gi

nh t l h n

th i gian c n ki t d tr nhiên li u hóa th ch cho d u, than và

tl

t là

ng than có s

là nhiên li u hóa th ch có th c n ki t vào
b ng d

v tr

n

[3].

a các nhiên li u hóa th ch [4].

B ng 1 D

ng còn l i c a m t s nhiên li u hóa th ch.
(Ngu n WEO 2006 report)

Mơ hình Klass
Nhiên li u

Mơ hình m i

D u

Than

Khí gas

D u

Than

Khí gas

34

106

36

36

107

37

s thi u h t v
thay th và b n v

ng c n có m t ngu

mb

ng m i

ng và s phát tri n c a toàn

c u.
1.1.2.

ng tái t o và xu th

Thách th c v

ng c a th gi i

ng là thách th c c a toàn c u nói chung và c a ngành

khoa h c và cơng ngh nói riêng. Gi

ng tái t o

ng nghiên c u c a các nhà khoa h
v

c trên th gi i hi n t i

là

gi i quy t

trên.
ng tái t o là ngu

có th

ng t t

i t o ra: nhiên li u sinh h

nhi u l n và có tính b n v ng [5]
h u hi

gi i quy t v
us

ng th

c, m t tr i ho c
n hóa h

c trên th gi

tái s d ng
t gi i pháp

ng. M t báo cáo c a IEA (Internation Energy
i v s n xu t và s d ng c
d ng c a các ngu

c trên th gi i
ng khác nhau

[6].

3


Hình 1.2 D báo v nhu c
Theo báo cáo cho th y, m
ng c

ng c a th gi

n 2030.

ng chuy n d ch rõ

d c

ng tái t o là c c kì l n, th gi i ngày càng nh n ra t m quan tr ng

c

ng tái t o và hi u qu
g

ng tái t

i không nh
i pháp cho v

i m t v i các v

nhi u vào th c ti n g

ng khi th gi

ng nhà kính, nóng lên tồn c u, ơ nhi m mơi

1.1.3. Bioethanol m t gi
Trong các ngu

i v i nhu c

ng b n v ng

ng tái t
ik

c h tr nghiên c u r ng rãi và áp d ng

n là bioethanol. Nhiên li u sinh h c bioethanol

là m t s n ph m lên men, có th t tinh b t ho c t

ng s d ng các vi sinh v t lên

men hi m khí ho c k khí, s n ph m sinh ra là ethanol và khí cacbon dioxide [7].
Bioethanol s n xu t
men hoa qu

n, t

n nay

ch bi n thành th c u ng ch a c n. Các s n ph m q trình lên men

khơng th s d ng làm nhiên li u b i vì n
c, không th tham gia ph n

ethanol không cao và còn l i ch y u
sinh ra nhi t. Khi cháy, nhi t sinh ra là

ng nhi t có ích có th s d ng tr c ti p ho c cung c
c ho

t cách lên

ng làm quay tuabin

ng c a ethanol (C2H5OH) là 29,67 kJ/kg g n b ng v i
, là 32,8 kJ/kg [8]. Vì v y

c, c n có quá tr

t d ch
4


ethanol có trong s n ph
ethanol cu i c

c

T i Vi

ng n

t trên 90% th tích.
t nhi u nghiên c

c u v bioethanol và có r t nhi
máy e

c tài tr

c xây d

i L c (Qu

ng: nhà
k Nông), nhà máy Tam Nông

(Phú Th ), nhà máy ethanol Dung Qu c và nhà máy e
ng và s n xu

c. Các nhà máy

c ra thành ph m. Trong quá trình ho

u m t cách h th ng và k
k thu

nghiên

ng thì các nhà máy trên g p các v

ng d n t i vi c t m ph

trong quá trình s n xu t ethanol s

ng vì

a nhà máy. Các v

g p ph i

c p trong các ph n ti p theo.

S n xu t ethanol t i Vi t Nam nói riêng và trên th gi i nói chung có tri n v ng
y h a h n. T

c ti n quan tr ng c

t qua các thách

th c và c n ti p t c nghiên c u m t các chuyên

Hình 1.3 Hình nh m t s nhà máy s n xu t bioethanol t i Vi t Nam.
1.2.

Các th h s n su t bioethanol

s n xu t bioethanol, nguyên li
ng. T
chuy

c s d ng ph n l n là t tinh b t và mía

s d ng quá trình lên men tr c ti
ng glucose ho c s

i v

ng khi

ng thành bioethanol:

5


i v i tinh b t thì s

c th

t o thành glucose và fructose, C u trúc

tinh b t là m t m ch poly saccharide m ch th ng ho c m ch nhánh, g m các
Glulcose liên k t v i nhau b ng liên k t -1,4

Glylcosidic ho c -1,6

-

Glylcosidic

các liên k t này có th d dàng b th y phân b ng acid ho c enzyme amilase:

M t dù quy trình s n xu t

n và hi u qu cao, tuy nhiên s n xu t

bioethanol t nguyên li u tinh b
li u là ngu

ng mía g p r t nhi u b t c p. Ngu n nguyên

c và th c ph

nhiên li u là khơng h p v
ngun li u có kh

i, nên vi c s d ng th

làm

c cho phép. Vì v y c n tìm hi u nghiên c u m t
n hóa thành ethanol và khơng

c. Q trình c i ti n c a s n xu

n an ninh
c d a trên nguyên nhân

này.
Có ba th h s n xu t bioethanol. Th h th nh t là s d ng ngu n tinh b t v a
nêu ph n trên. Th h th

i v nguyên li u và quy trình. S

cho phù h p v i nguyên li u s n xu t.

iv

th h th hai nguyên li u chính

s n xu t bioethanol là lignocellulose. V i thành ph n chính trong c u trúc là cellulose,
celluose có c u trúc g n gi ng v i tinh b
nhau b ng liên k t ph c t

tv i

-1,6 glylcosidic, vì v y nó có c u trúc v t li u
ng l i t

ph

lose, lignocellulose còn ch a hai thành

ng l n khác là hemicellulose và lignin. Hemicellulose có kh

chuy n hóa thành bioethanol n u s d ng các ch ng vi sinh v t lên men
Tuy nhiên, lignin l i không chuy

ng 5C.

c thành ethanol. M t

c n quá trình th y phân b ng enzyme và làm h n ch quá trình lên men. Vì v y thách
th c
li

th h th

lo i b ph n l n lignin ra kh i nguyên

c khi ti n hành th y phân và lên men.

6


Hình 1.4 M t vài ngu n nguyên li u lignocellulose th h th hai.
Quy trình chuy n hóa t

c bi u di

sau:
Ti n x lý

Lignocellulose

Th y phân

Lên men

Ethanol

Hình 1.5 Quy trình chuy n hóa lignocellulose thành bioethanol.
Th h th ba là s n xu t biethanol t l c bình, rong rêu và t o bi n [9]. Ngu n
nguyên li u trên không nh ng d i dào, nguyên li u này có c u t

th

h th

ng

d ng ngun li u này khơng nh ng t

ng, vì n u các loài th c v t này phát tri n q m c s gây
ơ nhi

ng. Vì v

ng nhiên c u trên là r t h u ích. Hi n nay chúng v n

c nghiên c u khá là h n ch , và c

c nghiên c u v chúng m t cách tích

c c

Hình 1.6 Hình nh t o bi n và l c bình nguyên li u th h th ba.
1.3.

Tình hình nghiên c u v s n xu t bioethanol và m t s h n ch

Vi c nghiên c u v
lâu. Trong th h

u tiên lên men ch y u t nguyên li u là tinh b t b

d ng bioethanol
hai, nghiên c

c trên th gi i nghiên c u t r t
u vi c s
n th h th

u ch y u trên cây thân m m c , v ch u, thân mía và b p. V i giai
u g

c TXL lo i b l p bao bên ngoài c a
7

lignocellulose, 1994 Joshep Weid và c ng s

um ts

i hi u qu . Ruifei Wang, Rakesh Koppram, Lisbeth Olsson, Carl Johan Franzén
-2014

ng h c cho quá trình th y phân và lên men

ng th i k t h p nh p li u nhi u l n cho cây B

n x

bioethanol , v i ngu n nguyên li u là cây B ch D
cây g

áp d ng

lý thành

n nguyên li u t

Vi t Nam v i các lo i cây có tính ch

G

ng s
cn

[10].

n hành nghiên c u lên men g c

t 22,9 g/l [11].

T i

n Th H

u chuy n hóa ph

ph m nơng nghi p thành ethanol. Hi u su t chuy n hóa c
iv id

ng kh t 70

ng kh t 3,0

ethanol không cao, ch t 1,9

4,2% (v/v), tuy nhiên

m t ngu n nguyên li u ti

ng

ng minh thân cây ngô là

s n xu t bioethanol [12].

T

c s h tr v cơng ngh và tài chính c

quan h p tác qu c t Nh t B

ih

h p v i Vi n Khoa h c Công ngh v ng n n nông nghi

i

i h c Tokyo th c hi n d

th pb n

i công nghi p ch bi

c hi n, các nhà khoa h
thành công v i hi u su

[13]. Sau g n 5

u và s n xu

t 5% (150

ct
cho 20 lít bioethanol

u áp d ng

n

c cho q trình ti n x

th

c khi lên men.

u t i Vi n Nghiên c u và Phát tri n Công ngh Sinh
h

ih cC

Khoa Công ngh -

Kaen, Thái lan và Khoa Nông nghi p -

i h c Yamaguchi, Nh t B

lên men t o ethanol t ngu n nguyên li u r
ch ng n m men ch u nhi
c 5,54
nh t

37 và 40

l

i h c Khon
u

ng s d ng n m men ch u nhi t. Sáu

c tuy n ch n do lên men t t

37

6,4

v

ng

ng ethanol cao
t 6,40% và 3,17% (v/v). Sáu ch ng n

c xác

nh thu c các loài Saccharomyces cerevisiae, Candida glabrata, Torulaspora
globosa [14].

8


ut

ih cC

n xu t ethanol sinh h c t v qu
h cC

Vi
p chí Khoa h c T

u này ch ra r

i

c sau quá trình lên

men là 10,06 g/l, v qu cà phê là ngu n nguyên li u d i dào và có nhi u ti
s n xu t ra ethanol sinh h c

Vi t Nam [15].

Tuy nhiên các nghiên c u v n còn nhi u b t c p. Th nh t, v
c do nhu c u s d

, di

t nông nghi p ngày càng gi m,

d ch b nh và sâu h i phá mùa màng, thiên t

t [16]

h i g ng mình ch ng l i n
ch u hoành hành: Trung Qu c,

m n

v an ninh

i th c t trên nhi u

t s qu c gia châu Phi), n n châu

, Tây Á, Úc

ng b ng sông C

t, ng p

ng b ng sông H ng

n ng n

Vi t Nam

ng

c qu c gia. Do v y s d ng ngu n

nguyên li u t tinh b t (lúa g o, lúa mì, s n, ngơ
n an ninh

c coi là không phù h p v i

c qu c gia. Vì v

i ti

s n xu t bioethanol t nhi u ngu n g c t

n

, t o và ph ph m nơng

nghi p khác [17].
Trong quy trình s n xu t bioethanol t ngu n nguyên li u m i cịn nhi u khó
c hi u su t cao. Rebecca A. Silverstein
o sát hi u qu TXL trên cây bông

u ki

ng v i hi u su t tách lignin

<15% khi s d ng acid sunfuric. V
t cao nh

u ki n nhi

khó th c hi n [17]. Hi u qu TXL
nâng cao hi u qu
tuy h n ch

cao 121 , 15 psi và th i gian 90 phút,
ng r t nhi
ch tc

u su t TXL. Quá trình SSF

c vi c b nhi m vi sinh v t do quá trình th

th c hi n trong cùng m t thi t b

c

nh t cao d n vi c khu y tr

hi u su t th y phân và lên men gi m và
c ch ho

n quá trình th y phân và lên

ng c

ng c a n

u nên

ch t r n cao d

m men làm gi

n

n hi u su t

chuy n hóa cellulose thành bioethanol [18].
Ngồi ra, các nghiên c
hóa t lignocellulose thành bioethanol có hi u qu th

c nguyên nhân chuy n
ng ch

i 50% hi u

su t tồn q trình).
9


1.4.

Lignocellulose

Lignocellulose là lo i sinh kh i ph bi n nh t trên th gi i, là thành ph n c u
t o nên thân, lá, v

a h u h t các lo i th c v t [19]

n nguyên li u

cho s n xu t ethanol th h th hai. V c u trúc lignocellulose g m ba thành ph n
chính chi
t

ng cao là cellulose, hemicellulose và lignin. Ngồi ra còn các y u

ng và h p ch

ph

lose là h p ch t h
c là các h p ch

cùng ph c t p, b i s

c. M t

, g i là tro. C u trúc c a lignocellulose vô

n c a các s i thành ph n, bên trong là s i cellulose và

hemicellulose và lignin có hình máng bao tr n bên ngoài [20].
1.4.1. Cellulose
Cellulose là m t polymer m ch th ng c a D-glucose, các Dk t v i nhau b ng liên k

c liên

-1-4 glulcosidic. Cellulose là lo i polymer ph bi n nh t

trùng h

c 3.500 - 10.000 DP [18]. Các nhóm (-OH)

u

m ch có tính ch t hồn tồn khác nhau, c u trúc hemiacetal t i C1 có tính kh , trong

-OH) t i C4 có tính ch t c
Các m

u.

c liên k t v i nhau nh liên k t hydro và liên k t Van

Der Waals, hình thành hai vùng c u trúc chính là k

nh hình. Trong vùng

k t tinh, các phân t cellulose liên k t ch t ch v i nhau, vùng này khó b t n cơng b i
t [21]

cl

nh hình, cellulose liên k t

khơng ch t v i nhau nên d b th y phân, ho c ch

ng nên d dàng b

t gãy

và t i ra các monome.
1.4.1.1.

tinh th (CrI) c a cellulose

tinh th

li

ng nhi

ng c a cellulose tinh th trên t

ng v t

a trên c u trúc khác nhau.

Cách s p x p trong m ch c a cellulose là m t cách ng u nhiên, có nh ng vùng
c s p x p m t cách tr t t là nh ng vùng tinh th , v i vi c s p x p này thì chúng
khá là v ng ch c khó b t n cơng và phá v
x p khơng có tr t t . Vì v
hình có trong v t li u lignocellulose là m t ti

ng

cs p
nh

nâng cao hi u qu th y phân và

lên men lignocellulose thành bioethanol.
10