Đánh giá chất lượng một số loại sinh khối thải từ mía

TẠP CHÍ SINH HỌC 2014, 36(1se): 301-306

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MỘT SỐ LOẠI SINH KHỐI THẢI TỪ MÍA, SẮN VÀ
ẢNH HƯỞNG CỦA KỸ THUẬT TIỂN XỬ LÝ NHẰM CHUYỂN HÓA
THÀNH CỒN SINH HỌC
Nguyễn Văn Vinh1*, Bùi Minh Trí2, Hyeun Jong Bae3
1

Trung tâm Khuyến nơng tp. Hồ Chí Minh, *
2
Trường Đại học Nơng Lâm tp. Hồ Chí Minh
3
Trường Đại học Quốc gia Chonnam, Hàn Quốc

TÓM TẮT: Trong nghiên cứu này, bốn mẫu sinh khối thải từ mía, sắn đã được thu thập, phân tích, những
mẫu này được tiền xử lý bằng kỹ thuật popping, sau đó, được thủy phân bằng enzyme cellulase để lên men
tạo cồn. Cấu trúc bề mặt của mẫu trước và sau quá trình tiền xử lý đã được chụp bằng kính hiển vi điện tử.
Thí nghiệm được bố trí theo kiểu khối đầy đủ hồn tồn ngẫu nhiên một yếu tố, hai lần lặp lại. Kết quả đã
xác định được trong số bốn mẫu nghiên cứu, mẫu có hàm lượng cơ bản phù hợp nhất cho việc tạo cồn sinh
học là mía cứng, mía mềm và bã sắn, ngun liệu ít có triển vọng để làm cồn sinh học là thân sắn. Hình
ảnh cấu trúc bề mặt của các nguồn sinh khối thải được chụp ở kích thước 500 µm, 100 µm, 50 µm và 10
µm đã cho thấy, sự thay đổi cấu trúc bề mặt sau quá trình tiền xử lý bằng kỹ thuật popping. Kỹ thuật tiền
xử lý popping đã làm tăng hiệu quả của quá trình thủy phân bằng enzyme cellulase và hiệu quả nhất đối
với nguyên liệu mía cứng, mía mềm, bã sắn. Cịn thân sắn tỏ ra chưa hiệu quả.
Từ khóa: Cồn sinh học, nhiên liệu sinh học, phế thải nông nghiệp, tiền xử lý, thủy phân.
MỞ ĐẦU

Các dạng năng lượng sinh học đang được
quan tâm gồm hai nhóm là dầu sinh học
(biodiesel) và cồn sinh học (bioethanol). Các
nguyên liệu dùng để sản xuất ethanol bao gồm

mía, ngơ, sắn (nhiên liệu sinh học thế hệ thứ
nhất) đã được khẳng định về công nghệ và hiệu
quả kinh tế ở qui mô công nghiệp. Tuy nhiên,
ethanol được sản xuất từ các nguồn vật liệu sinh
khối thải như bã mía, bã sắn (nhiên liệu sinh
học thế hệ thứ hai) vẫn đang dừng ở qui mô
nghiên cứu do còn tồn tại những vấn đề liên
quan đến giải pháp công nghệ và hiệu quả kinh
tế chưa được giải quyết triệt để. Việc nghiên
cứu sản xuất ethanol từ sinh khối, cụ thể từ
nguồn phế phẩm nông nghiệp như bã mía, thân
và bã sắn là một xu hướng phù hợp đặc biệt với
Việt Nam. Nghiên cứu này được tiến hành
nhằm đánh giá chất lượng các nhóm nguyên
liệu cũng như tìm ra giải pháp phù hợp chuyển
hóa nguồn ngun liệu này thành cồn sinh học.
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Vật liệu là các mẫu bao gồm đại diện nhóm
mía thân cứng (giống K88-65, được thu thập tại
Bình Chánh, thành phố Hồ Chí Minh), mía thân

mềm (giống mía tím địa phương được thu thập
tại Ninh Sơn, Ninh Thuận), thân sắn (giống KM
140 được thu thập tại tại Châu Đức, Bà RịaVũng Tàu) và bã sắn sau quá trình chế biến tinh
bột sắn (được thu thập tại Long Khánh, Đồng
Nai). Mẫu sau khi được làm khô kiệt, đã được
xay nhỏ và được bảo quản trong túi nylon.
Phân tích thành phần hóa học của mẫu
Thành phần hóa học cơ bản (holocellulose,

Klason lignin, chất chiết và tro) của nguyên liệu
thô và nguyên liệu tiền xử lý được xác định với
các phương pháp chuẩn theo TAPPI (1992).
Phân tích hàm lượng đường đơn trong nguyên
liệu thô và nguyên liệu tiền xử lý được tiến
hành bằng sắc ký khí sử dụng hệ thống sắc ký
CP-9100 (Chrompack, Hà Lan).
Tiền xử lý bằng kỹ thuật popping
Hệ thống để tiền xử lý bằng kỹ thuật
popping bao gồm một bình phản ứng hình trụ
bằng sắt có thể tích 3 lít, có một nắp để đặt và
lấy nguyên liệu, một tay xoay để đóng mở, được
gia nhiệt bằng một bếp gas và đo nhiệt độ, áp
suất bên trong lò phản ứng thông qua bộ xử lý.
100g mẫu được bổ sung thêm 300 ml nước để
đạt độ ẩm 70-75% và giữ trong một giờ, sau đó
cho vào lị phản ứng để tiền xử lý bằng kỹ thuật
301


Nguyen Van Vinh, Bui Minh Tri, Hyeun Jong Bae

popping. Bình phản ứng được gia tăng nhiệt độ
từ 15 đến 20oC trong 1 phút đến khi nhiệt độ và
áp suất bên trong bình phản ứng đạt tương ứng
220oC và 15 kg fcm-1. Sau quá trình tiền xử lý
bằng kỹ thuật popping, mẫu được nghiền để đạt
kích thước từ 251-422 µm bằng máy nghiền
Willy gắn các lưỡi thép không gỉ.
Thủy phân bằng enzyme cellulase

Enzyme được sử dụng cho nghiên cứu này
là cellulase (Sigma-Aldrich, St Louis, MO, Hoa
Kỳ) từ nấm Trichoderma reesei. Hoạt tính
enzyme được đo thơng qua giấy lọc Whatman
(1% trọng lượng/thể tích), CMC-Na (1% trọng
lượng/thể tích), Avicel (1% trọng lượng/thể
tích) và xylan gỗ bạch dương (1% trọng
lượng/thể tích). Thủy phân bằng enzyme đã
được thực hiện ở 1% trọng lượng khô (trọng
lượng/thể tích) chất nền ban đầu chứa trong một
ống hình nón (50 ml). Enzyme thủy phân được
thực hiện tại 45°C với enzyme cellulase có hoạt
lực 0,58 FPU/10 ul (FPU: filter paper unit)
trong vòng 48 giờ. Việc định lượng đường khử

glucose được đo bằng phương pháp acid
dinitrosalicylic (DNS).
Mô tả cấu trúc bề mặt của mẫu
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và máy vi
lực nguyên tử sao chép (AFM) được sử dụng để
nghiên cứu cấu trúc bề mặt mẫu trước và sau
khi tiền xử lý. Mẫu được chụp ảnh với kính hiển
vi điện tử quét phát xạ (FE-SEM, JSM-7500F,
Jeol, Nhật Bản) sử dụng điện áp 3 kV. Việc đo
bằng AFM được thực hiện bằng cách sử dụng
hệ thống AutoProbe CP (XE-100, hệ thống Park
Inc, Hàn Quốc). Các hình thái của mẫu chất
lỏng trước và sau tiền xử lý cũng đã được chụp
ảnh bằng cách sử dụng một kính hiển vi điện tử
truyền qua (TEM, JEM 1010, Jeol, Nhật Bản)

trên một phần siêu mỏng màu với 1% dung dịch
KMnO4 và gắn vào lưới khơng tráng niken.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Thành phần hóa học của các nguồn sinh khối
thải trước khi tiền xử lý bằng kỹ thuật
popping

Bảng 1. Thành phần hóa học chính trong các mẫu thu thập
Nguồn sinh khối thải
Mía cứng
Mía mềm
Thân sắn
Bã sắn

Holocellulose
(%)
74,30±0,45 d
63,24±0,19 c
57,73±0,57 b
42,91±0,24 a

Kết quả từ bảng 1 cho thấy, hàm lượng
hollocellulose trong 4 loại nguyên liệu biến
thiên từ 42,91-74,30%, trong đó mía thân cứng
(xem ở vật liệu nghiên cứu) có hàm lượng
hollocellulose cao nhất và bã sắn có hàm lượng
thấp nhất. Hàm lượng hollocellulose giữa hai
nguồn nguyên liệu mía và sắn cũng có sự khác
biệt có ý nghĩa về mặt thống kê.

Với công nghệ hiện nay, lignin không thể
chuyển hóa thành ethanol, vì vậy, ngun liệu
có hàm lượng lignin cao sẽ ít có giá trị làm
ngun liệu sản xuất ethanol. Kết quả ở bảng 1
cho thấy, hàm lượng klason lignin trong 4 loại
nguyên liệu biến thiên khá lớn trong khoảng từ
10,14-20,91%. Bã sắn có hàm lượng thấp nhất,
do đó có thể thuận tiện trong q trình chuyển
302

Klason lignin
(%)
17,11±0,34 c
15,99±0,31 bc
20,91±0,06 d
10,14±0,27 a

Chất trích ly
(%)
10,73
10,10
4,87
0,82

Tro
(%)
4,57
4,67
2,66
1,78

hóa tạo ethanol.
Kết quả phân tích thành phần cơ bản của 4
loại sinh khối thải mía thân cứng, mía mềm,
thân sắn và bã sắn cho thấy, 2 mẫu mía và thân
sắn có triển vọng hơn trong việc sản xuất
ethanol.
Ảnh hưởng của tiền xử lý bằng kỹ thuật
popping đến thành phần hóa học, hàm lượng
đường đơn và cấu trúc bề mặt của các nguồn
sinh khối thải
Hình 1 cho thấy, hàm lượng holocellulose
của 4 mẫu nghiên cứu sau khi tiền xử lý bằng kỹ
thuật đều giảm hơn so với nguyên liệu ban đầu từ
22,51-31,61%. Điều này chứng tỏ tiền xử lý bằng
kỹ thuật đã làm phân hủy cellulose và
hemicellulose trong mẫu. Với cùng một áp suất


TẠP CHÍ SINH HỌC 2014, 36(1se): 301-306

a80.00

N.liệu
Sau popping

Đối với chỉ tiêu chất tách chiết được, sau
quá trình tiền xử lý, hàm lượng chất tách chiết ở
cả 4 mẫu nghiên cứu đều cao hơn so với nguyên
liệu ban đầu. Điều này cho thấy, trong q trình

tiền xử lý, có thể một lượng cellulose,
hemicellulose và các chất khác trong thành phần
cấu trúc của sinh khối thải đã bị phân hủy thành
các đơn phân (monomer) đã làm gia tăng hàm
lượng chất tách chiết được sau khi tiền xử lý và
hàm lượng tro ở cả bốn mẫu nghiên cứu cũng
đều gia tăng.
b

25.00

Hàm lượng klason lignin
(%)

Hàm lượng holocellulose (%)

tiền xử lý là 15 kg fcm-1, các loại mẫu khác nhau
sẽ có mức phá hủy cấu trúc cũng như giảm hàm
lượng holocellulose khác nhau, trong đó mẫu bã
sắn là giảm mạnh nhất (31,61%). Khác với hàm
lượng holocellulose, hàm lượng klason lignin sau
khi tiền xử lý của 4 mẫu trên lại khác nhau so với
nguyên liệu ban đầu. Đối với mía thân cứng và
thân sắn, sau tiền xử lý có hàm lượng klason
lignin cao hơn trước tiền xử lý, mía thân mềm và
bã sắn có hàm lượng klason lignin không thay
đổi so với trước và sau tiền xử lý.

70.00
60.00

50.00
40.00
30.00
20.00
10.00

20.00

N.liệu
Sau popping

15.00
10.00
5.00
0.00

0.00
Mía cứng

Mía mềm

Thân khoai mì

Mía cứng

Bã khoai mì

18.00
16.00
14.00

12.00
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
0.00

N.liệu
Sau popping

d
6.00

Thân khoai mì

Bã khoai mì

N.liệu
Sau popping

5.00
Hàm lượng tro (%)

Hàm lượng chất trích ly
được(% )

c

Mía mềm

Nguồn sinh khối thải

Nguồn sinh khối thải

Mía cứng

Mía mềm

Thân KM

Bã khoai mì

Nguồn sinh khối thải

4.00
3.00
2.00
1.00
0.00
Mía cứng

Mía mềm

Thân KM

Bã khoai mì

Nguồn sinh khối thải

Hình 1. Thành phần hóa học chính có trong các mẫu thu được từ mía
và sắn trước và sau khi tiền xử lý bằng kỹ thuật popping
a. hàm lượng holocellulose; b. hàm lượng klason lignin;
c. hàm lượng chất trích ly được; d. hàm lượng tro.

Ảnh hưởng của tiền xử lý bằng kỹ thuật
popping đến chỉ tiêu các loại đường đơn của
mía cứng, mía mềm, thân sắn, bã sắn
Bảng 2 cho thấy, trong ba loại đường 5
carbon (gồm rhamnose, arabinose và xylose),
hàm lượng đường xylose chiếm tỷ lệ cao nhất.
Trong ba loại đường 6C (mannose, galactose
và glucose), glucose chiếm tỷ lệ cao nhất.
Trong 6 loại đường khảo sát, glucose chiếm tỷ
lệ chủ yếu do glucose có đơn phân (monomer),
là nguyên liệu chủ yếu tạo nên sinh khối thải,

còn xylose là các đơn phân (monomer) cấu trúc
nên hemicellulose. Hàm lượng glucose có
trong các mẫu mía thân cứng, mía thân mềm,
thân sắn và bã sắn cao hơn so với nguyên liệu
ban đầu (bảng 2). Điều này cho thấy, trong q
trình tiền xử lý có thể đã xảy ra quá trình phân
hủy và cắt mạch trong cellulose từ đó làm tăng
hàm lượng đường glucose. Đối với chỉ tiêu
tổng hàm lượng đường đơn, tổng lượng đường
đơn của mía thân cứng, mía thân mềm, thân
sắn và bã sắn sau khi tiền xử lý đều cao hơn so
với nguyên liệu ban đầu.
303

Nguyen Van Vinh, Bui Minh Tri, Hyeun Jong Bae

Bảng 2. Hàm lượng một số đường đơn của các mẫu thu được từ mía và sắn trước và sau q trình
tiền xử lý
Nguyên liệu
Mía cứng
Mía mềm
Thân KM
Bã sắn
NL
0,23
0,31
0,21
0,45
Rha (%)
pop
0,23
0,20
0,29
0,40
NL
2,65
2,60
0,71
1,52
Ara (%)
pop
1,02

1,31
0,58
1,03
NL
17,14±1,36bc
14,95±0,63b
6,60±0,33a
4,09±0,07a
Xyl (%)
pop
16,10±1,01cd
14,53±1,32c
8,07±0,13b
4,77±0,58a
NL
0,45
0,39
1,04
0,83
Man (%)
pop
0,47
0,42
0,99
0,68
NL
0,74
0,67
0,94
2,75

Gal (%)
pop
0,56
0,88
0,90
1,96
NL
27,43±0,77ab
25,38±1,13ab
28,09±1,24b
36,48±1,13c
Glu (%)
pop
32,23±1,02b
29,64±0,70ab
30,58±0,59ab
37,66±0,75c
NL
48,65
44,30
37,59
46,12
Tổng (%)
pop
50,61
46,98
41,41
46,50
Rha. rhamnose; Ara. arabinose; Xyl. xylose; Man. mannose; Gag. galactose; glu. glucose; NL. nguyên liệu
trước khi tiền xử lý bằng kỹ thuật popping; pop: nguyên liệu sau khi tiền xử lý.

a

a

b

2. Kích thước 500 µm
b

4. Kích thước 50 µm

a

a

b

3. Kích thước 100 µm
b

5. Kích thước 10 µm

Hình 2-5. Cấu trúc bề mặt của mía thân cứng trước (a) và sau quá trình tiền xử lý (b)
Ảnh hưởng của tiền xử lý bằng kỹ thuật
popping đến cấu trúc mía thân cứng, bã sắn
Để nghiên cứu những thay đổi về cấu trúc
siêu hiển vi của mẫu sau quá trình tiền xử lý,
mẫu đã được chụp và quan sát cấu trúc dưới kính
hiển vi điện tử. Kết quả thể hiện ở hình 2 cho

thấy, cấu trúc của mía cứng có sự thay đổi qua
các hình ảnh chụp ở các kích thước 500 µm, 100
µm, 50 µm, 10 µm trước và sau tiền xử lý, đặc
biệt rõ ràng khi quan sát ở kích thước 10 µm.
304

Ở kích thước 500 µm và 100 µm, mía thân
cứng sau khi được tiền xử lý có cấu trúc bị phá
vỡ một phần so với ban đầu (hình 2, 3). Ở kích
thước 50 µm và 10 µm, sự thay đổi cấu trúc bề
mặt của mía thân cứng rõ nét nhất qua biểu hiện
các nguyên liệu bị phá vỡ một phần so với ban
đầu (hình 4, 5).
Bã sắn là phần xơ còn lại khi đã lấy hết tinh
bột trong củ sắn, trước khi tiền xử lý, bã sắn có
cấu trúc dạng mạng lưới với những lỗ trống do


TẠP CHÍ SINH HỌC 2014, 36(1se): 301-306

tinh bột đã bị lấy đi. Mạng lưới sinh khối thải
này chằng chịt, làm cho cấu trúc của bã sắn bền
vững. Sau khi tiền xử lý, kích thước của bã sắn
đã giảm đi đáng kể so với ban đầu, thể hiện rõ ở
các kích thước 500 µm, 100 µm và 50 µm,
nhưng thể hiện rõ nhất ở kích thước 500 µm
(hình 6). Ở kích thước 10 µm, cấu trúc của bã
sắn đã bị phá vỡ một cách rõ ràng nếu so với cấu
trúc trơn láng ở ngun liệu ban đầu (hình 9).
a

b

6. Kích thước 500 µm
b

a

Như vậy, cấu trúc bề mặt của các nguyên
liệu mía cứng, bã sắn sau khi được tiền xử lý
đều thay đổi khá rõ so với ban đầu. Các nguyên
liệu cũng bị phá vỡ có các tiểu phần có kích
thước nhỏ hơn và các thành phần bao bọc
cellulose như hemicellulose và lignin cũng đã bị
phá vỡ tạo thuận lợi cho việc thủy phân của
enzyme ở giai đoạn sau.

a

b

7. Kích thước 100 µm
b

a

8. Kích thước 50 µm
9. Kích thước 10 µm
Hình 6-9. Cấu trúc bề mặt của bã sắn trước (a) và sau quá trình tiền xử lý (b)
a

b

Hình 10. Hàm lượng đường glucose của các mẫu thu được từ mía và sắn trước (a)
và sau khi được tiền xử lý (b) sau 24 giờ và 48 giờ thủy phân bằng enzym cellulase
Ảnh hưởng của thủy phân bằng enzym
cellulase đến hàm lượng glucose của mía
cứng, mía mềm, thân sắn, bã sắn

glucose tăng lên sau quá trình thủy phân bằng
enzyme là do cellulase đã cắt đứt các liên kết β1-4 glucosid từ cellulose và giải phóng glucose.

Hình 10 cho thấy, hàm lượng đường glucose
của mía thân cứng, mía thân mềm, thân sắn và
bã sắn sau khi được thủy phân bằng enzym
cellulase đã cao hơn hẳn so với mẫu không
được thủy phân bằng và sự khác biệt có ý nghĩa
thống kê ở mức p=0,05. Hàm lượng đường

Khi được thủy phân bằng enzym cellulase,
hàm lượng đường glucose từ những mẫu đã
được tiền xử lý cao hơn hẳn so với các mẫu
không được tiền xử lý (có ý nghĩa thống kê ở
mức p=0,05). Trong đó, mía thân cứng, mía
thân mềm, thân sắn và bã sắn có hàm lượng
305


Nguyen Van Vinh, Bui Minh Tri, Hyeun Jong Bae

glucose trước và sau tiền xử lý tại thời điểm 24
giờ có sử dụng enzyme tương ứng 1,73-3,50
mg/ml; 2,70-3,30 mg/ml; 1,25-2,45 mg/ml và
1,90-4,25 mg/ml. Điều này cho thấy, quá trình
tiền xử lý đã làm thay đổi cấu trúc các nguyên
liệu, làm tăng diện tích tiếp xúc giữa enzyme và
cellulose, dẫn đến làm tăng hiệu quả thủy phân
của enzym.
Cũng theo hình 4, tác động thủy phân nguyên
liệu của enzyme cellulase hầu như chỉ xảy ra sau
24 giờ. Khi tăng thời gian thủy phân, hàm lượng
đường glucose của các ngun liệu tăng nhưng
khơng có ý nghĩa thống kê ở mức p=0,05.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Michener B., Scarlata C., Hames B., 2005.
Biomass
analysis
technology
team,
laboratory analatical procedure. Program
Biomass of NREL of the U.S.
2. Sluiter A., Hames B., Hyman D., Payne C.,
Ruiz R., Scarlata C., Sluiter J., Templeton
D., Wolfe J., 2008. Determination of total
solids in biomass and total dissolved solids
in liquid process samples. National
Renewable Energy Laboratory of the U.S
(NREL/TP-510-42621).

3. TAPPI, 1992. TAPPI Test Methods. TAPPI,
Atlanta. Georgia, USA.

KẾT LUẬN

Kết quả đã xác định được trong số 4 mẫu
sinh khối thải nơng nghiệp nghiên cứu, mẫu có
hàm lượng cơ bản phù hợp để chuyển hóa tạo
cồn sinh học là mía thân cứng, mía thân mềm,
thân sắn và bã sắn. Hình ảnh cấu trúc bề mặt của
các nguồn sinh khối thải đã cho thấy có sự thay
đổi cấu trúc bề mặt sau quá trình tiền xử lý bằng
kỹ thuật popping. Kỹ thuật tiền xử lý popping đã
làm tăng hiệu quả của quá trình thủy phân bằng
enzyme cellulase và hiệu quả nhất đối với
nguyên liệu bã sắn, mía cứng và mía mềm, riêng
nguyên liệu thân sắn tỏ ra chưa hiệu quả.

4. Wi S. G., Chung B. Y., Lee Y. G., Yang D.
J., Bae H. J, 2011. Enhanced enzymatic
hydrolysis of rapeseed straw by popping
pretreatment
for
bioethanol
production. Bioresource Technology, 102:
5788-5793.
5. Wood T. M., Bhat K. M., 1988. Methods for
measuring cellulase activities. In: Wood, W.
A., Kellogg, S. T. (Eds.), Methods
Enzymol. Academic Press, Inc., London,

160: 87-112.

QUALITY ASSESSMENT OF BIOMASS RESIDUES FROM SUGAR CANE,
CASSAVA AND THE EFFICACY OF PRETREATMENT TECHNIQUE TO
CONVERSE INTO BIOETHANOL
Nguyen Van Vinh1, Bui Minh Tri2, Hyeun Jong Bae3
1

Agricultural Extension Center of Ho Chi Minh city,
2
Nong Lam University, Ho Chi Minh city
3
Chonnam National University, Korea

SUMMARY
The aim of this research was to assess the quality of four agricultural waste biomass from sugar cane and
cassava in Vietnam, the effect of pretreatment technique and the effect of cellulase enzyme in hydrolysis
process to transform them into bioethanol. The agriculture biomass residues samples were collected, analysed,
treated physically with popping technology. The treated samples then hydrolised using cellulase enzyme then
fermented to produce ethanol. Surface structure of samples before and after the pretreatment were obtained by
scanning electron microscopy. The result indicated that agricultural waste biomass from sugarcane and
cassava pulp possessed component were highly favorable for bioethanol production. In contrast, the
component from cassava sterm was not favorable for bioethanol production. Images of surface structures shot
in 500 µm, 100 µm, 50 µm and 10 µm resolution of lignocellulose materials showed obviouly change of
surface structure after popping pretreatment.
Keywords: Bioethanol, biofuel, enzymatic hydrolysis, popping pretreatment, waste biomass.

Ngày nhận bài: 15-7-2013
306