SẢN XUẤT ETHANOL SINH học từ xơ dừa

CHUYÊN ĐỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC
ETHANOL SINH HỌC TỪ XƠ DỪA
1. GIỚI THIỆU
1.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu của thế giới
Vào những năm đầu của thế kỉ 21, thế giới đang đối mặt với nhiều vấn đề và vấn
đề được xem là nóng bỏng nhất là sự khủng hoảng về năng lượng. Cụ thể trong vòng
24 năm kể từ năm 2001 đến năm 2025, mức tiêu thụ năng lượng trên tồn thế giới có
thể tăng thêm 54% mà nhu cầu chủ yếu sẽ rơi vào các quốc gia có nền kinh tế đang
phát triển mạnh mẽ, ví dụ như Trung Quốc hay Ấn Độ ở châu Á.
Các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt do nhu cầu sử dụng ngày
càng tăng, hơn 80% năng lượng mà thế giới sử dụng hơm nay đến từ nhiên liệu hóa
thạch-một nguồn tài nguyên có giá trị, nhưng là một nguồn khơng tái tạo. Nói cách
khác, nhiên liệu hóa thạch chỉ có thể được sử dụng một lần. Bên cạnh đó, sản phẩm
phụ của loại nguyên liệu này khi chuyển hóa thành năng lượng đã và đang gây ô
nhiễm môi trường trên toàn trái đất làm suy giảm hệ sinh thái, gây hiệu ứng nhà kính
làm trái đất nóng lên, thủng tầng ơ zơn, các khí thải như H2S, SOX… gây ra mưa axit[1].

Hình 1.1 : Các nguồn chính của năng lượng sơ cấp được sử dụng trên thế giới. Tổng số khai
thác trong năm 2009 = 12 150 Mtoe (triệu tấn dầu tương đương). (Nguồn dữ
liệu: International Energy Administration 2011 (Quản lý Năng lượng Quốc tế 2011)).

Vì vậy mà việc nghiên cứu các nguồn năng lượng thân thiện với môi trường thay
thế các nguồn năng lượng truyền thống gây ô nhiễm đang rất được quan tâm trên toàn
thế giới. Chúng ta đã tìm ra các dạng năng lượng mới như: năng lượng mặt trời, năng
1


lượng gió, năng lượng nước, năng lượng thủy triều, nhiên liệu sinh học... Trong số các
dạng năng lượng mới này thì nhiên liệu sinh học đang được quan tâm nhiều nhất vì nó
thải ra rất ít khí thải gây ơ nhiễm môi trường[1].
1.2 Ethanol sinh học

Ethanol sinh học được chế biến thơng qua các q trình lên men tinh bột,
cellulose, Lignocellulose… là chủ yếu.
Ethanol được pha chế ở tỷ lệ thích hợp với xăng tạo thành xăng sinh học có thể
thay thế hoàn toàn cho loại xăng truyền thống.
Hiện nay, 95% ethanol được sản xuất bằng cách lên men từ ngũ cốc, mật mía,
đường, gỗ, trái cây… (trong đó lên men từ đường chiếm 61%) và 5% ethano được
tổng hợp được từ dầu mỏ, gas, than … Ethanol đang được xem là nguồn nhiên liệu
thay thế quan trọng và được quan tâm đặc biệt trong chiến lược phát triển nguồn năng
lượng của nhiều quốc gia. Lựa chọn loại nguyên liệu nào phù hợp để sản xuất ethanol
tùy thuộc vào điều kiện đất đai, khí hậu, chính sách phát triển của mỗi quốc gia. Các
nguyên liệu chủ lực để sản xuất ethanol ở các nước như sau: Mỹ: bắp, Brazil: mía,
Pháp: củ cải đường, Ấn độ: mía, Việt Nam: sắn…[2]

Hình 1.2: Sản lượng ethanol tối đa theo tính tốn dựa trên hàm lượng Carbon

2


Hơn 30 năm qua, lượng ethanol dùng trong công nghiệp gần như khơng đổi, dùng
cho giải khát có tăng nhẹ, dùng làm nhiên liệu thì tăng phi mã, trước năm 1975 gần
như không thấy ethanol dùng làm nhiên liệu, nhưng đến 2010 có đến hơn 60 tỷ lít
ethanol được dùng làm nhiên liệu trên thế giới[2].

Hình 1.3: Sản lượng ethanol trên thế giới theo lĩnh vực sử dụng

Việt Nam, tính đến tháng
4/2012, có 13 dự án sản xuất
ethanol nhiên liệu, 5 nhà máy đã
đi vào hoạt động với công suất
thiết kế 490 triệu lít/năm. Với hy

vọng ethanol sẽ thay thế một
phần xăng sử dụng trong nước,
giảm thiểu ô nhiễm môi trường,
cải thiện được tình trạng phụ thuộc vào nhiên liệu nhập khẩu, tạo công ăn việc làm cho
3


nông dân tại các vùng nhiên liệu… thế nhưng việc đưa xăng E5 ra thị trường còn
nhiều trở ngại, lượng tiêu thụ trong thời gian qua ở mức rất thấp. Để có thể duy trì hoạt
động, các doanh nghiệp sản xuất ethanol Việt Nam đang phải tìm đường xuất khẩu [2].
Về kĩ thuật và kinh tế, nguyên liệu sản xuất xăng sinh học được chia làm 3 loại:
 Thế hệ 1: đường và tinh bột của nông phẩm (kỹ thuật đơn giản và kinh tế
nhất)
 Thế hệ 2: Cellulose, chất xơ dư thừa của thực vật, thực vật hoang…(kỹ
thuật chưa hoàn hảo, giá thành sản xuất cao)
 Thế hệ 3: Tảo (vẫn đang được nghiên cứu và phát triển)
1.3 Ethanol sinh học từ xơ dừa
Theo số liệu của FAO (2011), thế giới có khoảng 11,86 triệu ha đất canh tác dừa.
Cây dừa phân bố khá rộng khắp ở khu vực nhiệt đới và cận xích đạo, trải dài từ Đơng
bán cầu sang Tây bán cầu. Tuy nhiên, cây dừa tập trung nhiều nhất ở khu vực Châu Á
– Thái Bình Dương. Cây dừa được phân bố nhiều nhất ở vùng Đơng Nam Á 60,89%;
kế đó là vùng Nam Á (19,74%); vùng Châu Đại Dương (4,6%). Sau đó là vùng Châu
Mỹ La Tinh, mà chủ yếu là Brazil (2,79%). Các đảo quốc ở vùng biển Caribbean đóng
góp 0,97%; và Trung Quốc, mà chủ yếu là đảo Hải Nam, chiếm tỷ trọng 0,24%. Các
vùng cịn lại đóng góp 10,75% diện tích. Ở khu vực Đơng Nam Á, các quốc gia có
diện tích dừa đáng kể là Philippines, Indonesia, Thái Lan, Malaysia và Việt Nam [7].

Hình 1.4: Cây dừa ở Bến Tre

Dừa là một cây trồng nông nghiệp truyền thống ở Việt Nam. Là một đất nước

nhiệt đới, Việt Nam có đủ điều kiện khí hậu, thủy văn và thổ nhưỡng phù hợp cho cây
dừa sinh trưởng và phát triển tốt, nhất là ở khu vực duyên hải miền Trung đến Đồng
4


Bằng Sông Cửu Long. Đồng Bằng Sông Cửu Long chiếm hơn 78,6% diện tích dừa của
cả nước, với quy mơ khoảng xấp xỉ 110 ngàn ha. Trong đó, Bến Tre là tỉnh có quy mơ
dừa lớn nhất cả nước (xấp xỉ 50 ngàn ha) [7].

Hình 1.5: Xơ dừa và cấu tạo trái dừa

Hiện nay, sản lượng xơ dừa toàn cầu hàng năm vào khoảng 723 ngàn tấn năm
2010, và có tốc độ tăng trưởng trung bình 6,7 %/năm trong giai đoạn 2006-2010 [3]. Xơ
dừa chủ yếu được làm thành các vật liệu bền cho cơng nghiệp và có tiềm năng rất lớn
trong việc sản xuất ethanol sinh học. Xơ dừa cho tỷ lệ cao của các cấu trúc polyme của
cellulose, hemicellulose và lignin với 28, 38 và 32,8% [7]. Cellulose có nguồn gốc từ
dừa đã được coi là một trong những nguồn tái tạo cho sản xuất bioethanol thân thiện
với môi trường.

5


2. QUI TRÌNH SẢN XUẤT
Qui trình sản xuất ethanol từ gồm 4 bước:
TIỀN XỬ LÝ

THỦY PHÂN

LÊN MEN

ETHANOL

Hình 2.1: Qui trình sản xuất ethanol

2.1. Tiền xử lý
Chuẩn bị vỏ dừa: Vỏ dừa non được sử dụng trong quá trình này. Sau khi sấy,
chúng được cắt thành miếng xấp xỉ 25 x 25 x 5 mm trong phịng thí nghiệm bằng máy
nghiền. Các thí nghiệm đã sử dụng thiết kế giai thừa hoàn toàn ngẫu nhiên với hai yếu
tố là nồng độ NaOH (20, 25 và 30% dựa trên trọng lượng khô của nguyên liệu) và thời
gian sôi (2 và 3 giờ), như thể hiện trong Bảng 2.1. Tất cả các phương pháp được thực
hiện ở 100°C với hai lần lặp. Sau đó, sợi được xử lý bằng 25% (dựa trên trọng lượng
sợi khô) dung dịch NaOH ở 170°C trong 3 giờ ở áp suất cao để đạt được bột giấy dừa.
Hóa chất dư thừa được loại bỏ bằng kỹ lưỡng rửa bằng nước, bột giấy được sấy khô và
được sử dụng làm chất nền để lên men ethanol tiếp theo[4].
Bảng 2.1: Năng suất bột giấy thu được với nồng độ NaOH khác nhau và thời gian sôi.
Run NaOH (%) Time(h) Năng suất sợi (%)
C (%)
Đặc tính sợi
1
20
2
46.06a
4.04a
Poor fiber separation
2
20
3
45.98a
5.90a
Poor fiber separation

b
a
3
25
2
40.98
6.68
Good fiber separation
4
25
3
40.50b
5.96a
Good fiber separation
5
30
2
39.46b
5.90a
Good fiber separation
b
a
6
30
3
38.26
5.08
Good fiber separation
SD
1.414

Good fiber separation
Các phương tiện trong cùng hàng có chữ khác nhau có ý nghĩa khác nhau ở mức 95% (P <0,05).

6


2.2. Thủy phân và lên men
Chuẩn bị men: Men lên men Saccharomyces cerevisiae được bắt đầu trong YPD
nghiêng (10 g/l chiết xuất men, 20 p/l peptone, 20 g/l dextrose, 15 g/l agar) ở nhiệt độ
phòng (25-30°C) trong 2 ngày. Nấm men được nuôi cấy vào môi trường tươi (50 g/l
glucose, 0,5 g/l (NH4)2HPO4, 0.025 g/l MgSO4.7H2O, 12 g/l NaH2PO4, 1 g/l chiết xuất
nấm men) trong 24 giờ và ở 200 rpm trên máy lắc quay ở 30°C. Sau đó, các tế bào
nấm men được thu hoạch bằng cách ly tâm ở tốc độ 8000 vòng trong 15 phút và sau đó
rửa bằng nước vơ trùng trước khi được sử dụng cho lên men ethanol[4].
Sản xuất ethanol theo quy trình SHF
Bột dừa dừa đã chế biến sẵn đã được thủy phân enzym để có được glucose đơn.
Sự kết hợp của hai enzyme Celluclast 1,5 L và Novozyme 188, tại phạm vi hoạt động
của 15 FPU và 15 IU trên 1 g chất nền tương ứng đã được áp dụng. Năm phần trăm
chất nền (w/v) đã được sử dụng. Sự thủy phân được thực hiện ở pH 4,8 và 50°C trong
72 giờ với tốc độ rung 140 vịng/phút. Sau đó, dung dịch glucose thủy phân được điều
chỉnh pH = 5.5 bằng cách bổ sung dung dịch Ca(OH) 2 20%. Sau đó, dung dịch này
được ủ ở 121oC trong 20 phút. Quá trình lên men ethanol được thực hiện trong một thể
tích tổng cộng 125 mL sử dụng 5 g/L tế bào S. cerevisiae, 50 g/l glucose, 0.5 g/L
(NH4)HPO4, 0,025 g/l MgSO4.7H2O, 1,2 g/l NaH2PO4 và 1 g/l men nấm ở 30oC trong
72 giờ. Các mẫu được thu thập theo khoảng thời gian để phân tích lượng đường cịn lại
và sản xuất ethanol[4].
Sản xuất ethanol bằng quy trình SSF
Mỗi vỏ dừa non đã được xử lý trước đồng thời được thủy phân và lên men trong
một khối lượng tổng cộng 125 mL. Đầu tiên chuẩn bị dung dịch xơ dừa ở 5 g/l, pH đã
được điều chỉnh đến 5,5 và dung dịch đã được ủ ở 121°C trong 20 phút. Sau đó, 15 tế

bào FPU Celluclast 1.5L và 15 IU Novozyme188 cho mỗi 1 g chất nền đã được thêm
vào. Việc lên men được thực hiện theo các điều kiện tương tự như đối với quá trình
SHF, ngoại trừ quá trình SSF được thực hiện ở 37°C trong 72 giờ. Các mẫu được thu
thập theo khoảng thời gian để phân tích lượng đường còn lại và sản xuất ethanol[4].

7


3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Kết quả cho thấy rằng vỏ dừa chứa 39,31% chất alphacellulose, 16,15%
hemicellulose, 29,79% lignin và 28,48% chiết xuất. Hàm lượng alphacellulose cao
(47,83%) cho thấy khả năng có ethanol cao chuyển đổi từ vỏ dừa. Hàm lượng lignin
cao và hàm lượng trong vỏ dừa được chỉ ra nhu cầu tiền xử lý nguyên liệu này trước
để lên men ethanol[5]. Các chuyển đổi sinh khối lignocellulosic thành ethanol thường
sử dụng ba bước chính:
1) Tiền xử lý: để phá vỡ lignin và mở kết cấu cellulose.
2) Thủy phân: với sự kết hợp của enzyme chuyển đổi cellulose thành glucose.
3) Sự lên men của vi khuẩn lên glucose thành ethanol.
Các phương pháp tiền xử lý hiện tại phần lớn đã được đã phát triển. Xử lý hóa
học được sử dụng rộng rãi vì phương pháp này loại bỏ hiệu quả hemicellulose và
lignin từ cellulose. Tuy nhiên, tối ưu hóa các điều kiện là cần thiết [6]. Trong nghiên cứu
này, xử lý bằng dung dịch NaOH có thể loại bỏ được một ít lignin (mang lại 28,53%
lignin) nhưng rất nhiều chất chiết xuất (thu được 3.06% chất chiết suất), kết quả là
alpha-cellulose cao hơn (48,90%) và hemicellulose (22.04%). Bảng 1 trình bày năng
suất sợi và dư lượng rắn thu được từ xử lý bằng cách sử dụng các nồng độ NaOH khác
nhau và thời gian sưởi ấm ở 100°C. Các bài kiểm tra cho sự khác biệt đáng kể được
đặt ở mức 95% (P <0,05). Khơng có sự khác biệt đáng kể giữa các lượng dư lượng rắn
từ tất cả các biện pháp xử lý. Khơng có sự khác biệt đáng kể trong năng suất chất xơ
giữa các điều kiện với 25 và 30% NaOH đã được quan sát thấy, trong khi xử lý bằng
20% NaOH cho năng suất chất xơ cao hơn đáng kể. Tuy nhiên, chất xơ thu được từ xử

lý bằng 20% NaOH không được phân biệt rõ ràng dựa trên quan sát. Sự tách rời của
sợi cellulose hạn chế cellulose do enzyme. Xử lý 25% NaOH ở 100°C trong 3 giờ sau
đó được chọn để chuẩn bị cho trẻ xơ dừa. Xơ dừa được xử lý cũng được xử lý thêm
với 25% (dựa trên trọng lượng khô chất xơ) dung dịch NaOH ở 170°C trong 3 giờ ở áp
suất để đạt được bột giấy dừa cho sản xuất ethanol bởi SSF và SHF [4].
Đối với quy trình SHF, bột giấy đầu tiên thủy phân thành các phân tử glucose đơn
lẻ trong một lò phản ứng và sau đó ở bước thứ hai, phản ứng hỗn hợp được chuyển tới
8


lò phản ứng khác cho men lên men ethanol. Lượng glucose thu được từ quá trình thủy
phân enzyme bột vỏ dừa được thể hiện trong hình 1. Nồng độ đường glucose trong
thủy phân thay đổi trực tiếp với thời gian phản ứng, tăng như phản ứng thời gian kéo
dài. Lượng glucose phóng thích tăng đáng kể trong 24 giờ đầu tiên và sau đó trở nên
liên tục. Sau 72 giờ, nồng độ glucose đạt 22,80 g/l, tương đương 45,59% dựa trên cân
nặng bột vỏ ban đầu. Điều này chỉ ra rằng hơn 50% bột xơ dừa không bị thủy phân và
vẫn còn như một polymer glucose. Như vậy, tiếp tục tối ưu hóa là điều cần thiết để cải
thiện hiệu quả thủy phân cellulose. Hình 2 ghi lại quá trình lên men ethanol của
glucose thủy phân ở những thời điểm khác nhau. Lượng ethanol tăng liên tục và đạt
2,28% (tương đương 91,04% năng suất lý thuyết) sau 72 giờ. Kết quả này là phù hợp
với việc giảm dần glucose chất nền trong phản ứng[4].

Hình 3.1: Sự thủy phân bột vỏ dừa non trong quá trình SHF với 15 tế bào Cellulumin1.5L
và 15 IU Novozyme188 trên 1 g chất nền ở pH 4.8, 50 ° C và 140 rpm rung trong 72 giờ.

9


Hình 3.2: Quá trình lên men ethanol của glucose thủy phân bởi S. cerevisiae trong quá
trình SHF ở 30°C trong 72 giờ

Đối với quá trình SSF, bột vỏ dừa bị thủy phân bằng enzym và men đã được lên
men đồng thời trong cùng một lò phản ứng. Như vậy, hiệu quả phụ thuộc rất nhiều vào
cả hai quá trình thủy phân và lên men. Hình 3 cho thấy ethanol được sản xuất tăng như
lên men tăng và sản xuất đạt đến mức tối đa ở mức 1,03% (w/v) tương đương với
20,67% dựa trên trọng lượng bột vỏ ban đầu. Các hàm lượng glucose cũng được xác
định để kiểm tra sự thủy phân enzyme của cellulose. Tuy nhiên, khơng có glucose
được phát hiện trong phản ứng vì nó có thể được chuyển đổi ngay lập tức thành
ethanol ngay sau khi thủy phân[4].

10


Hình 3.3: Ethanol sản xuất theo quy trình SSF với bột vỏ dừa non. Phản ứng chứa 15 FPU
Celluclast 1,5 L và 15 IU Novozyme188 trên 1 g chất nền và được thực hiện ở 37°C trong 72 giờ.

4. KẾT LUẬN
Khả năng sản xuất ethanol từ vỏ dừa non đã được điều tra. Lượng ethanol do quá
trình sản xuất SHF và SSF đã được so sánh: năng suất ethanol từ SHF là 21,21% (dựa
trên trọng lượng bột) và SSF là 20,67% (dựa trên trọng lượng bột)[4].
Năng suất ethanol xấp xỉ 85% sản lượng ethanol lý thuyết[4].
Nhìn chung kết quả cho thấy sản xuất ethanol từ dư lượng nông nghiệp như vỏ
dừa là hứa hẹn. Tuy nhiên, tối ưu hóa quy trình ở mỗi giai đoạn cần được tiếp tục
nghiên cứu để phát triển cơng nghệ chuyển đổi thích hợp nhất.

11


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] N. V. Nam, ‘Nghiên cứu quá trình tổng hợp Biodiesel thân thiện mơi trường

từ dầu thực vật (dầu dừa) trên xúc tác NaOH’, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng,
2015.
[2] A. Tùng, ‘Ethanol trong đời sống’, Thông tin công nghệ và khoa học,
STINFO Số 7/2012
[3] Pollard, S. J. T. G. D. Fowler, C. J. Sollars and R. Perry, ‘Low-cost
adsorbents for waste and wastewater treatment’: A review, The Science of the Total
Environment 116(1-2), 1992, 31-52.
[4] P. Vaithanomsat*, W. Apiwatanapiwat, N. Chumchuent, W. Kongtud and S.
Sundhrarajun, ‘The potential of coconut husk utilization for bioethanol production’,
2011, 159.
[5] Prasad, S. V. C. Pavithran and P. K. Rohatgi, ‘Alkali treatment of coir fibres
for coirpolyester composites’, 1983, 431-432.
[6] A. I. S. Brớgida, V. M. A. Calado, L. R. B. Gonỗalves and M. A. Z. Coelho,
‘Effect of chemical treatments on properties of green coconut fiber’. Carbohydr.
Polym, 2009, 79(4): 832-838.
[7] T. T. Khai, H. C. Việt, L. V. G. Nhỏ, H. V. Việt, N. V. An, N. V. Niệm, ‘Báo
cáo nghiên cứu phân tích chuỗi giá trị dừa Bến Tre’, 2011.

12