Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ

Công nghệ sản xuất Etanol sinh học
Trang 1


NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL
NHIÊN LIỆU TỪ RƠM RẠ
NHÓM 7

Công nghệ sản xuất Etanol sinh học
Trang 2

I. NGUỒN RƠM RẠ Ở VIỆT NAM VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG RƠM RẠ Ở
VIỆT NAM:
Sản
lượng lương thực và hoa màu cao đồng nghĩa với vi
ệ
c nước ta có một
nguồn ph
ụ
ph
ẩ
m nông nghi
ệ
p
rất
dồi dào. Trung bình,
để tạo
ra 1
tấn gạo
đã
thải

ra kho
ả
ng 1,2 t
ấ
n rơm
rạ. Sản
lượng lúa
gạo
năm 2007 toàn quốc
đạt
36 tri
ệ
u
tấn
.
Như v
ậ
y, lượng r
ơ
m r
ạ
thải
ra h
ằ
ng năm vào kho
ả
ng 43 tri
ệ
u
tấn.

Số
liệu
thống
kê h
ằ
ng năm được trình bày theo b
ả
ng 1.
Cho
đến
nay, ph
ầ
n lớn rơm r
ạ
thường được
để mục ho
ạ
i ngoài đồng hay đốt
tại ch
ỗ
để trả lại
khoáng ch
ấ
t cho đồng ruộng. Ph
ầ
n còn
lại
được đem
về
làm

thức ăn gia súc hay trồng n
ấ
m và làm ch
ấ
t đốt
phục vụ
nhu
cầu
đun
nấu
trong gia
đình. N
ế
u có
thể sản xu
ấ
t được ethanol từ rơm r
ạ

sẽ
có
thể
sử
dụng
có ích nguồn
năng lượng từ rơm mà
vẫn trả l
ạ
i được nguồn khoán chất cho cây trồng
B

ả
ng 1:
Sản
lƣợng nông nghi
ệ
p nƣớc ta năm 2003 (FAO 2004)
II. CẤU TRÚC CỦA NGUỒN NGUYÊN LIỆU VÀ KHÓ KHĂN TRONG PHÂN
HỦY RƠM RẠ TẠO RA ĐƢỜNG:
II.1. Cấu trúc:
Rơm rạ có thành phần chính là cellulose, Lignin, Hemicellulose, các chất trích ly
và tro.
Công nghệ sản xuất Etanol sinh học
Trang 3

Cấu trúc của rơm rạ
Các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản. Các sợi này được gắn lại với
nhau nhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi, với chiều rộng khoảng 25nm.
Các vi sợi này được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp bảo vệ cellulose
khỏi sự tấn công của ezyme cũng như các hóa chất trong quá trình thủy phân.

Mối quan hệ cellulose – hemicellulose trong cấu trúc rơm rạ
 Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở. Trong tự nhiên, lignin chủ yếu
đóng vai trò chất liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ
với mạng cellulose và hemicellulose. Rất khó để có thể tách lignin ra hoàn
toàn.
Công nghệ sản xuất Etanol sinh học
Trang 4

 Cellulose là đường polysaccharide, có công thức (C
6

H
10
O
5
)
n
, mà số n biến thiên
từ 7,000 đến trên 15,000 phân tử glucose.
 Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp
khoảng 70 đến 200 DP. Hemicellulose chứa cả đường 6 gồm glucose,
mannose và galactose ; đường 5 gồm xylose và arabinose.
II.2. Khó khăn:
Động vật ăn cỏ, mối (termite) tiêu hoá được cellulose nhờ vi-sinh-vật sống
cọng sinh trong bao tử (như Cellulomonas), một số vi khuẩn có khả năng biến
cellulose ra đường, nhờ sản xuất enzyme cellulase biến cellulose ra đường. Vì vậy,
để biến cellulose thành rượu, bắt chước theo bộ tiêu hoá của động vật ăn cỏ và
mối, trước hết phải biến hoá cellulose ra đường đơn giản như hexose, pentose,
bằng thuỷ phân (hydrolysis) nhờ một số acid (như trong dịch vị) và enzyme
cellulase.
Hemicellulose tương đối dễ dàng biến thành đường-chứa-5C như Xylose
(C
5
H
10
O
5
), nhưng xylose không biến chế thành ethanol được. Cũng vậy, với kỹ
thuật hiện tại, chưa có cách biến lignin ra ethanol. Vì vậy trước tiên phải loại
lignin và hemicellulose, chỉ còn lại thành phần cellulose.
Hiện tại, sản xuất enzyme cellulase để biến cellulose thành đường khá phức

tạp, tốn kém, chiếm khoảng 40% chi phí sản xuất rượu.
Có 3 loại cellulases thường dùng:
(i) Endo-p-glucanase, 1,4-ß-D-glucan glucanohydrolase, CMCase, phá huỷ
các cầu của chuỗi cellulose để biến thành đường glucose và oligo-saccharide.
(ii) Exo-P-glucanase, 1,4-ß - D-glucan cellobiohydrolase, Avicelase, C1:
biến thành đường cellobiose (C12).
(iii) ß-glucosidase, cellobiase: thuỷ phân đường cellobiose thành glucose.

Công nghệ sản xuất Etanol sinh học
Trang 5

III. NGHIÊN CỨU QUI TRÌNH SẢN XUẤT ETANOL TỪ RƠM RẠ:

Nguyên liệu
Chuẩn bị
Chưng cất
Tiền xử lí
Lên men
Thủy phân
etanol
Nấm men
Nhân giống
QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIOETANOL TỪ BIOMASS
Công nghệ sản xuất Etanol sinh học
Trang 6

III.1. Quá trình tiền xử lý rơm rạ bằng nổ hơi để thuỷ phân tạo ra dịch
đƣờng:
(Trích từ “luận văn tốt nghiệp đại học, nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ
rơm rạ, Trần Diệu Lý, trường đại học bách khoa tp. hcm-khoa kỹ thuật hóa

học,1/2008” và đề tài “ nghiên cứu công nghệ và thiết bị liên t
ụ
c x
ử lý rơm rạ
bằng hơi nước để lên men ethanol” của ThS. Hoàng Minh Nam…).

Phương pháp nổ hơi nước được phát triển vào năm 1925 bởi W. H. Mason trong
sản xuất gỗ ép.
 Cơ chế quá trình nổ hơi nƣớc


Mô tả cơ chế quá trình nổ hơi










Cấu trúc sợi trước và sau khi nổ hơi, bó sợi cellulose được giải phóng ra
khỏi lớp lignin bảo vệ sau khi nổ hơi

Công nghệ sản xuất Etanol sinh học
Trang 7

Sợi lignocellulose không nổ hơi có cấu trúc sít chặt ngăn cản sự tấn công của enzyme, nổ
hơi ở 4atm, nổ hơi ở 8atm( mô tả khả năng làm tăng kích thước lỗ xốp trong xơ sợi).
Quá trình nổ hơi nước là một quá trình cơ – hóa – nhiệt. Đó là phá vỡ cấu trúc
các hợp phần với sự giúp đỡ của nhiệt ở dạng hơi (nhiệt), lực cắt do sự giãn nở của
ẩm (cơ) và thủy phân các liên kết glycosidic (hóa).
Quá trình nổ hơi có 2 giai đoạn:
 Làm ẩm nguyên liệu
 Giảm áp đột ngột
Trong thiết bị phản ứng, ở giai đoạn 1 nước dưới áp suất cao thâm nhập vào cấu
trúc lignocellulosic bởi quá trình khuếch tán và làm ẩm nguyên liệu. Ẩm trong biomass
thủy phân các nhóm acetyl của hemicellulose hình thành nên các acid hữu cơ như
acetic và uronic acid. Các acid này lần lượt xúc tác quá trình depolymer hóa
hemicellulose, giải phóng xylan và một phần glucan. Dưới điều kiện khắc nghiệt, vùng
vô định hình của cellulose có thể bị thủy phân đến một mức độ nào đó. Dưới điều kiện
khắc nghiệt hơn, ví dụ như nhiệt độ cao và áp suất cao, có thể thúc đẩy sự phân hủy
xylose thành furfural và glucose thành 5-hydroxymethyl furfural. Furfural và 5-
hydroxylmethyl furfural kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật, do đó nó không thuận
lợi cho quá trình lên men.

Công nghệ sản xuất Etanol sinh học
Trang 8




Fufural

Hydroxymethyl fufural

Mô tả cơ chế quá trình nổ hơi
Trong giai đoạn 2: ẩm trong biomass sẽ hóa hơi đột ngột ra khi áp suất trong
thiết bị phản ứng được giải phóng và hạ đột ngột từ rất cao khoảng vài chục atm
xuống còn áp suất khí trời. Hiện tượng này cũng giống như hiện tượng nổ. Nguyên
liệu được tống mạnh khỏi thiết bị qua một lỗ nhỏ bởi lực ép. Một vài hiện tượng xảy
ra tại thời điểm này. Đầu tiên, ẩm ngưng tụ trong cấu trúc biomass bốc hơi tức thời
do giảm áp đột ngột. Sự giãn nở của hơi nước gây ra lực cắt bao quanh cấu trúc
nguyên liệu. Nếu lực cắt này đủ lớn, hơi nước sẽ gây ra sự phá hủy cơ học lên cấu
trúc lignocellulosic. Sự mô tả quá trình làm nổi bật tầm quan trọng của việc tối ưu
hai yếu tố: thời gian lưu và nhiệt độ. Thời gian biomass lưu lại trong thiết bị phản
ứng giúp xác định phạm vi thủy phân hemicellulose bởi các acid hữu cơ. Việc
thủy phân hemicellulose giúp cho quá trình lên men thuận lợi hơn.
Theo Iotech, đi
ề
u ki
ệ
n xử lí tối ưu c
ủ
a holocellulose (xylose + glucose) là
áp su
ấ
t 500-550 psi, thời gian 40 giây.

Bã sau nổ hơi ở các nhiệt độ khác nhau
 Thiết bị: thường dùng và có hiệu quả nhất là StakeTech. Rất hay được dùng
trong các trường đại học và viện nghiên cứu(Ths. Hoang Minh Nam).
 Ƣu nhƣợc điểm của quá trình nổ hơi nƣớc:
Công nghệ sản xuất Etanol sinh học
Trang 9

1. Tăng sự kết tinh của cellulose bằng cách thúc đẩy sự kết tinh của vùng
vô định hình.
2. Hemicellulose bị thủy phân trong quá trình nổ hơi.
3. Sự nổ hơi thúc đẩy việc khử lignin.
Cùng với việc gia tăng kích thước lỗ xốp, tác động (2) và (3) là 3 ưu điểm của
quá trình nổ hơi. Tuy nhiên, tác động (1) lại gây ra khó khăn cho quá trình thủy phân.
Ngoài ra những nhược điểm chính của quá trình nổ hơi là:
 Tốn chi phí, năng lượng vận hành.
 Đòi hỏi thiết bị chịu được nhiệt độ và áp suất cao
 Có thể làm phân hủy cellulose.
 Mất đi đường từ hemicellulose.
 Làm sinh ra fufural và 5-hydroxymethyl fufural gây ức chế quá trình lên men .
 Tóm lại: sau khi thực hiện nổ hơi chậm và nhanh thì hiêu suất thu hồi cellulose của
nổ hơi nhanh cao hơn; rơm tại 230
0
c, %cell=53,1( theo Ths Hoàng Minh Nam).

Thiết bị nổ hơi quy mô pilot
Qui trình nổ hơi
Công nghệ sản xuất Etanol sinh học
Trang 10

III.2. Nghiên cứu qui trình công nghệ thủy phân và lên men ethanol:

Một số qui trình từ các nguồn nguyên liệu khác nhau:
Qui trình sản xuất etanol đi từ lignocellulose
CELLULOSE
Sinh học/ hóa học
NGUYÊN LIỆU
HÓA CHẤT
CÁC VẬT LIỆU
BÃ
NĂNG LƢỢNG
NHIỆT
CHẤT TRÍCH LY
LIGNIN
lignin
ĐƯỜNG
HEMICELLULOSE
Sinh học/ hóa học
NGUYÊN LIỆU
LIGNOCELLULOSE
BÃ
Công nghệ sản xuất Etanol sinh học
Trang 11


(1) Thủy phân bằng axit:
Quá trình xử lý cơ bản gồm 2 bước như hình dưới.
CELLULOSE
Sinh học/ hóa học
CHẤT BÃ
NĂNG LƢỢNG NHIỆT
CHẤT TRÍCH LY

HỖN HỢP KHÍ
(quá trình khí hóa)
KHÍ
ĐƯỜNG
BIOMASS
KHÍ SẠCH
NGUYÊN LIỆU HÓA
CHẤT CÁC VẬT LIỆU
QUI TRÌNH SẢN XUẤT ETANOL TỪ NGUYÊN LIỆU BIOMASS
biomass
bã
lignin
acid
Nƣớc
Nƣớc
hơi
hơi
acid
Dịch thủy phân
Dịch thủy phân
Rửa
Giai đoạn tiền thủy phân
Giai đoạn đƣờng hóa
Công nghệ sản xuất Etanol sinh học
Trang 12

Trong ngành công nghiệp sản xuất etanol, người ta ưu tiên sử dụng công nghệ thuỷ
phân bằng axit vì giá thành của enzyme cellulase quá cao. Theo nguyên tắc, bất cứ axit
nào cũng có thể sử dụng cho quá trình thuỷ phân, nhưng trên thực tế, axit sunfuric vẫn
được dùng phổ biến nhất vì giá thành của nó rẻ và cho hiệu quả thuỷ phân tương đối

cao. Axit sunfuric sử dụng có thể là axit đặc hoặc axit loãng.
Quá trình
thủy
phân biomass có
thể
thực hi
ệ
n trong các bình ph
ả
n ứng.
Phương pháp ngâm chi
ế
t có
thể
thực hi
ệ
n b
ằ
ng cách cho dòng acid th
ấ
m xuyên qua
các cột nhồi nhi
ề
u lớp. Đây là thi
ế
t bị khá thích hợp cho phương pháp
thủy
phân
theo
mẻ.

Ưu đi
ể
m thứ nh
ấ
t là
loại
đường ngay khi nó được
tạo
thành. Thi
ế
t bị này
ít
tạo
thành các
sản ph
ẩ
m phân h
ủ
y đường và các ch
ấ
t ức
chế
quá trình lên men,
tạo
ra lượng đường lớn. Đi
ể
m thứ 2, thi
ế
t bị có
thể ho

ạ
t động với tỉ l
ệ
r
ắ
n/ lỏng khá
cao.
Năm 1997 Torget và các cộng sự phát minh ra thi
ế
t bị ph
ả
n ứng BSFT. Đây là
thi
ế
t bị ch
ả
y qua lớp co. Thi
ế
t
kế nh
ằ
m giữ độ ch
ặ
t
của
lớp không đổi. Dòng acid
được đưa qua thi
ế
t bị và đi qua các lớp với
vận

tốc bé. Thời gian lưu
của
nguyên
liệu
trong thi
ế
t bị ng
ắ
n hơn so với phương pháp ngâm chi
ế
t. Thi
ế
t bị cho năng
su
ấ
t cao.
Sản ph
ẩ
m thu được có hàm lượng ch
ấ
t phân
hủy th
ấ
p

 Thủy phân bằng axit loãng

Quá trình thủy phân nguyên liệu thành đường tự do sẵn sàng lên men bằng axit
sunfuric loãng phải trải qua 2 bước:
Công nghệ sản xuất Etanol sinh học

Trang 13

- Bước 1: Thủy phân bằng axit loãng nồng độ 0,5% để phá vỡ liên kết
hyđro giữa các mạch cellulose và phá vỡ cấu trúc tinh thể của chúng thực hiện ở
nhiệt độ 200
o
C. Kết quả thủy phân bước 1 sẽ chuyển hóa hemicellulose thành
đường 5C và 6C (chủ yếu xylo và mano) dễ lên men tạo thành etanol đồng
thời bẻ gãy cấu trúc cellulose.
- Bước 2: Để chuyển hóa hoàn toàn cấu trúc cellulose đã gãy thành đường gluco C
6
,
bước thủy phân thứ 2 sử dụng axit nồng độ 2% được thực hiện ở nhiệt độ 240
o
C.
 Thủy phân bằng axit đ
ặ
c

Quá trình thuỷ phân vẫn được tiến hành qua hai bước, bước thứ nhất để thuỷ
phân hemicelulose, được tiến hành ở 100
o
C, trong thời gian từ 2 – 6h, nồng độ axit cho
vào là 10%. Ở giai đoạn thuỷ phân thứ nhất, sau khi axit phân huỷ hemicellulose, hỗn
hợp sẽ được pha loãng bằng nước, sự thuỷ phân xảy ra trong bước pha loãng thu được
phần lớn đường. Sau đó, hỗn hợp được lọc để thu hồi dung dịch, phần chất rắn còn lại
được đem thủy phân tiếp. Tại đây axit đặc phá vỡ liên kết hydro giữa các chuỗi
Công nghệ sản xuất Etanol sinh học
Trang 14

cellulose, biến đổi chúng thành dạng vô định hình hoàn toàn. Khi cellulose được
decrystallization, chúng tạo thành một dạng chất lỏng, Cellulose rất dễ bị thuỷ phân ở
thời điểm này. Chính vì vậy, pha loãng dung dịch bằng nước ở nhiệt độ thường sẽ làm
cho sự thuỷ phân glucose diễn ra nhanh chóng và hoàn toàn, với ít sự thất thoát nhất.
Lignin được thu hồi để tận dụng làm các sản phẩm khác (thức ăn gia súc). Trong quy
trình này, người ta sử dụng màng lọc để phân tách đường và axit, hệ thống thu hồi và
cô đặc axit nhằm tận dụng quay vòng lại lượng axit sunfuric trong dung dịch. Tuy
nhiên, hệ thống này có giá thành rất cao, do vậy người ta thường sử dụng một lượng
lớn vôi để trung hoà axit trong dung dịch trước khi tiến hành lên men. Sự trung hoà này
tạo ra một lượng lớn thạch cao CaSO
4
. Ưu điểm của quy trình là hiệu quả thuỷ phân
cao, có thể thu hồi được 90% cả đường của cellulose và đường của hemicellulose.
(2) Thủy phân bằng enzyme:
 Thủy phân:
Nguồn enzyme được sử dụng phổ biến hiện nay là từ Trichoderma reesei và
Aspergillus niger. Hiện nay, người ta đang thay thế dần các hệ enzyme chịu nhiệt, chịu
các điều kiện hóa học quá hạn. Hơn hết là các nghiên cứu về phức hợp cellulosome
của các vi khuẩn kỵ khí đang dần mở ra một con đường mới nhằm tăng hiệu quả thủy
phân của tổ hợp trên các loại nguyên liệu lignocellulose.
Hiện nay, cơ chế thủy phân của hệ enzyme cellulase được chấp nhận diễn ra
theo các bước sau:
 Endoglucanase thủy phân liên kết β-1,4-glycosidic trong vùng vô định hình
tạo ra nhiều đầu không khử.
 Sau đó exoglucanase cắt các đơn vị cellobiose từ đầu không khử.
 β-glucosidase tiếp tục thủy phân cellobiose tạo ra glucose.
Trung tâm ho
ạ
t động
của

enzyme cellulase chứa các gốc amino acid
đặc
hi
ệ
u. Trong khi đó cellulose chứa các liên
kết
glycosidic. Bộ electron σ đóng vai trò
phân cực liên k
ế
t. Hi
ệ
u ứng c
ả
m ứng
của
nguyên tử oxy trung tâm gây ra một sự
tập
trung tích đi
ệ
n trên nguyên tử oxy làm cho nguyên tử oxy tích đi
ệ
n âm. Còn các
nguyên tử cacbon
kết
hợp v
ớ
i nó bị khuy
ế
t electron nên
sẽ

tích đi
ệ
n dương. Sự
khuy
ế
t electron trong liên
kết
bị th
ủ
y phân là
yếu
tố quan trọng quy
ế
t định
khả
năng
thủy
phân. Tác
dụng
xúc tác
của
enzyme do sự phân bố electron quy
ế
t định.
Công nghệ sản xuất Etanol sinh học
Trang 15


Quá trình
thủy

phân cellulose
bằng
enzyme cellulase.
Các
yếu
tố ảnh hưởng
đến
tốc độ quá trình
thủy
phân
Tốc độ quá trình
thủy
phân cellulose b
ằ
ng cellulase chịu tác động
của
một số
các y
ế
u tố. Năm 2002, Lyn và cộng sự đưa ra
kết lu
ậ
n như sau:
 Tỉ lệ kết tinh: đây là
yếu
tố chính
ảnh
hưởng
đến
quá trình

thủy
phân. Các
m
ạ
ch cellulose có tính
kết
tinh cao, các sợi cellulose liên
kết rất ch
ặ
t ch
ẽ
.
Do đó
sẽ c
ả
n trở quá trình
tiếp
xúc
của
enzyme với các m
ạ
ch cellulose bên
trong và làm gi
ả
m t
ố
c độ quá trình
thủy
phân.
 Mức độ polymer hóa: mạch cellulose càng dài, tốc độ thủy phân càng

chậm(Walker và cộng sự , 1990).
 Kích thước lỗ xốp: kích thước của các lỗ xốp phải đủ lớn cho các enzyme đi
vào. Kích thước lỗ xốp càng lớn quá trình thủy phân càng nhanh.
 Bề mặt tiếp xúc: hầu hết các chuỗi xenllulose được giấu trong các vi sợi- yếu
tố ngăn cản cản sự tác động của enzyme và giới hạn tốc độ thủy phân. Bề mặt
thủy phân càng lớn thì tốc độ thủy phân càng nhanh.
Thực nghiệm cho thấy
quá trình
thủy
phân
tiến
hành ở nhi
ệ
t độ 70ºC trong 1,5
ngày.
Sản ph
ẩ
m thu được có lượng glucose b
ằ
ng 75-95% số gốc glucose có trong
nguyên li
ệ
u ban đầu.

Công nghệ sản xuất Etanol sinh học
Trang 16


 Lên men:
Để sản xuất một lượng cồn lớn, thì việc lựa chọn một chủng nấm men thích

hợp là rất cần thiết. Những giống nấm men thường được sử dụng trong công nghiệp
sản xuất cồn như Saccharomyces spp mà hiện tại một số loài như S. Cerevisiea hay
S.unvarum là giống có khả năng tạo độ cồn cao (12-13%), hay đặc biệt S. oviformis có
khả năng tạo độ cồn 18% đặc biệt loài nấm men này có khả năng lên men được rất
nhiều đường khác nhau như glucose, manose, saccharose, maltose và rafinose, tuy
nhiên không có khả năng lên men galactose.
Ngoài ra còn có Zymononas mobilis cũng thường được sử dụng trong quá trình
rượu hóa. Tuy nhiên cả Saccharomyces và Zymononas sp đều thiếu hoàn toàn khả
năng chuyển hóa các loại đường pentose. Khuynh hướng biến đổi gen của 2 giống này
nhằm giúp biểu hiện khả năng chuyển hóa 2 loại đường pentose phổ biến nhất là D-
xylose, và L – arabinose cũng đã được phát triển nhiều.
Gần đây, người ta phát hiện thấy có một số loài nấm men như Pichia stipitis,
Candida shehatae và Pachyhysolen tannophillus là những chủng có khả năng chuyển
hóa xylose mạnh và đã được dùng trong sản xuất ethanol. Trong đó P. stipilis lại nổi
bật bởi khả năng sản xuất hàm lượng cồn cao và nhu cầu dinh dưỡng của chúng không
quá phức tạp so với các giống nấm men khác.
Thế giới hiện nay rất chú trọng xu hướng sử dụng công nghệ gen để tạo chung
nấm men vừa có khả năng lên men đường 5 và đường 6.

Công nghệ sản xuất Etanol sinh học
Trang 17

Cơ chế lên men glucose:

Quá trình đường phân
Công nghệ sản xuất Etanol sinh học
Trang 18

Sau đó, pyruvate sẽ chuyển thành ethanol theo các phương trình sau:

NADH + H
+
NAD
+

Bản chất của quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử. Quá trình oxy hóa này lại
xảy ra trong cơ thể sinh vật dưới tác động của hệ thống enzyme, cho nên người ta gọi
quá trình lên men là quá trình oxy hóa sinh học.
Thu
ỷ
phân và lên men tách riêng:

Vật liệu sau khi được nghiền mịn (giảm kích thước) sẽ được xử lý sơ bộ bằng
axit loãng để thuỷ phân hemicellulose, chất rắn còn lại (cellulose, lignin) sẽ được
Sử dụng enzyme để thuỷ phân, thuỷ phân và lên men tách riêng
(SCF: separate hydrolysis and fermentation)

pyruvat
decarbonxylase

CH
3
COOH
-CO
2

CH
3
-C-COOH
O
alcol-
dehydrogenase

C
2
H
5
OH
CH
3
CHO
Công nghệ sản xuất Etanol sinh học
Trang 19

thuỷ phân bằng enzyme.
Trong bước xử lý sơ bộ, chuỗi liên kết các loại đường cấu thành nên
hemicellulose bị phá vỡ, các phân tử hemicellulose sẽ bị phân huỷ thành các đường
đơn. Cụ thể là các đường 5C có thể hoà tan như xylose, araibinose và các đường 6C có
thể hoà tan như mannose và galactose. Một lượng nhỏ cellulose cũng được chuyển hoá
thành glucose trong bước này. Tiếp đến cần nuôi dưỡng enzyme để thuỷ phân
cellulose, enzyme cellulase được sử dụng để thuỷ phân các phân tử cellulose thành
đường glucose. Trong phản ứng thuỷ phân cellulose, enzyme cellulase được sử dụng để
phá vỡ chuỗi liên kết glucan của cellulose, giải phóng ra glucose.
Quá trình thuỷ phân cellulose còn được gọi là sự hoá đường cellulose. Dung
dịch thu được sau giai đoạn xử lý sơ bộ và giai đoạn thuỷ phân cellulose được lên men

bằng vi sinh vật. Sau đó người ta chưng cất để thu hồi etanol tinh khiết. Trong quy
trình này quá trình thuỷ phân và quá trình lên men được tiến hành tách rời.
Thu
ỷ
phân và lên men đồng thời:
Khác với quy trình thủy phân và lên men tách rời, ở quy trình này quá trình
thuỷ phân cellulose và quá trình lên men được tiến hành đồng thời. Quy trình này tuy
không phải thực hiện sự thủy phân trước nhưng hạn chế của nó là làm xuất hiện các
phản ứng lên men đồng thời phức tạp và làm phát sinh các sản phẩm của sản xuất
Công nghệ sản xuất Etanol sinh học
Trang 20

etanol sinh học ức chế hoạt động của enzyme(
hình 5).
Quá trình thủy phân và lên men đồng thời (còn gọi là quá trình đường hóa và lên
men đồng thời) có nhiều ưu điểm:
 Glucose tạo thành trong quá trình thủy phân được tiêu thụ ngay lập tức bởi
nấm men vì vậy, lượng cellobiose và glucose tích tụ trong hệ thống là rất ít. Điều
này sẽ giải quyết vấn đề ức chế enzyme nhờ đó tốc độ tạo glucose sẽ được tăng
đáng kể, lượng enzyme cần dùng cũng nhỏ đi.
 Số thiết bị cần cho quá trình thủy phân và lên men đồng thời cũng ít hơn số
cần cho phương pháp truyền thống vì cả quá trình thủy phân và lên men được tiến
hành trong cùng một thiết bị. Điều này giúp giảm vốn đầu tư.
 Việc ethanol tạo thành trong suốt quá trình sẽ làm giảm khả năng phát triển
của vi sinh vật cũng như tạp chất, rất có lợi cho các quy trình liên tục.
Vi sinh vật dùng cho lên men
III.3. Chƣng cất- khử nƣớc
Quá trình tách nước và tinh sạch ethanol để đáp ứng đặc điểm kỹ thuật của nhiên liệu.
IV. TÌNH HÌNH CHUNG:
IV.1. Sản xuất etanol sinh học:

Về phương diện kỹ thuật (và kinh tế), chia làm 3 loại nguyên liệu:
 Công nghệ xăng-sinh-học thế hệ 1: chế biến từ đường (mía, củ cải đường, sorgho-
đường) và tinh bột của nông phẩm (từ hạt của bắp, lúa mì, lúa, v.v., hay từ củ như
khoai tây, khoai mì, v.v.) để tạo ethanol; hay từ dầu (của hạt dừa-dầu, đậu nành,
đậu phộng, v.v.) để biến chế diesel-sinh-học. Kỹ thuật đơn giản và kinh tế nhất.
 Công nghệ xăng-sinh-học thế hệ 2: từ cellulose, chất xơ của dư thừa thực vật
(rơm, rạ, thân bắp, gỗ, mạt cưa, bã mía, v.v.), hay thực-vật-hoang (non-crop) (như
cỏ voi, vetiver, lục bình). Chẳng hạn, một ha mía cho khoảng 25 tấn bã mía
(bagasse, xác mía sau khi ép), và mỗi tấn bã mía sản xuất 285 lít ethanol. Kỹ thuật
hiện nay chưa hoàn hảo, hiệu năng còn kém, con men chưa hữu hiệu và giá đắt,
chỉ một phần cellulose và lignin biến thành ethanol, nên giá thành sản xuất còn
cao.
 Công nghệ xăng-sinh-học thế hệ 3: từ tảo (algae), kỹ thuật đang phát triển.

Công nghệ sản xuất Etanol sinh học
Trang 21


Tổng sản lượng Etanol hàng năm của 15 n
ư
ớ
c
đứng đầu (2004-2006) (Triệu tấn gallon Mỹ)
Tổng sản lượng Etanol hàng năm 15
nước đứng đầu (2007) (Triệu tấn
gallon Mỹ)
Xếp
hạng
thế
giới

Đất nƣớc
2006
2005
2004
Xếp
hạn
gthế
giới
Đất
nƣớc/Vùng
2007
1
Mỹ
4.855
4.264
3.535
1
Mỹ
6,498,6
2
Brazil
4.491
4.227
3.989
2
Brazil
5,019,2
3
Trung
Quốc

1.017
1.004
964
3
Liên minh
Châu Âu
570,3
4
Ấn Độ
502
449
462
4
Trung Quốc
486,0
5
Pháp
251
240
219
5
Canada
211,3
6
Đức
202
114
71
6
Thái Lan

79,2
7
Nga
171
198
198
7
Campuchia
74,9
8
Canada
153
61
61
8
Ấn Độ
52,8
9
Tây Ban
Nha
122
93
79
9
Trung Mỹ
39,6
10
Nam Phi
102
103

110
10
Australia
26,4
11
Thái Lan
93
79
74
11
Thỗ Nhĩ Kỳ
15,8
12
Anh Quốc
74
92
106
12
Pakistan
9,2
13
Ukraine
71
65
66
13
Peru
7,9
14
Ba Lan

66
58
53
14
Argentina
5,2
15
Saudi
Arabia
52
32
79
15
Paraguay
4,7
Tổng số
13.489
12.150
10.770
Tổng số
13.101,7

Công nghệ sản xuất Etanol sinh học
Trang 22



Nguyên liệu
Sản lƣợng dự tính (theo lý thuyết) cho mỗi
tấn nguyên liệu khô

Gallons
Lít
Hạt bắp ngô
124,4
470,854
Thân và lá bắp ngô
113,0
427,705
Rơm rạ
109,9
415,971
Phế phẩm của bông sợi
56,8
214, 988
Phế phẩm lâm nghiệp
81,5
308,477
Mạt cƣa
100,8
381,528
Bã mía
111,5
422,027
Giấy vụn
116,5
439,817
Sản lượng lý thuyết Etanol sinh ra từ 1 tấn nguyên liệu khô
Hi
ệ
n nay trên

thế
giới có 50 nước có chương trình nghiên cứu và sử
dụng
nhiên li
ệ
u sinh học. Các nước APEC đã chọn nhiên
liệu
sinh học thay
thế
cho
nhiên
liệu
hóa th
ạ
ch. Theo dự báo
của
các chuyên gia,
đến
năm 2025,
thế
giới
sẽ
sử
dụng
12% nhiên
liệu
sinh học trong toàn bộ nhu
cầu
năng lượng;
đến

năm
2020, EU
sẽ
sử
dụng
20% nhiên
liệu
sinh h
ọ
c.
Trong chương trình nghị sự
của di
ễ
n đàn hợp tác Đông Á - Mỹ Latinh
(FEALAC) cũng đã bàn
đến
các nội dung liên quan
đến sản xu
ấ
t và sử
dụng
nhiên
liệu
sinh học.
Brazil là quốc gia duy nh
ấ
t đi theo con đường riêng
của
mình là sử
dụng

cồn làm nhiên
liệu
cho các
loại
ô tô. Kho
ả
ng 40% nhu
cầu
nhiên
liệu của
nước
này được đáp
ứ
ng b
ằ
ng bioethanol, một d
ạ
ng cồn được đi
ề
u
chế
từ đường mía.
Tuy nhiên, Biodiesel cũng chỉ có
thể
sử
dụng
ở một mức độ nh
ấ
t định đối với
một s

ố
loại
động cơ diesel đời mới. Đây là lý do
tập
đoàn Shell quan tâm nhi
ề
u
hơn
đến vi
ệ
c phát tri
ể
n nhiên
liệu
sinh học
thế hệ
hai.
Để sản xu
ấ
t nhiên
liệu
này, người ta sử
dụng cả
các bộ ph
ậ
n
của
cây trong quá trình
sản xu
ấ

t nông
nghi
ệ
p, nhi
ề
u khi những bộ ph
ậ
n này là ch
ấ
t
thải
như rơm
rạ,
thân cây ngô,
hướng d
ươ
ng
IV.2. Các thành tựu nghiên cứu:
Các nhà khoa học Đài Loan thành công trong phòng thí nghiệm biến chế etanol
từ rơm rạ, cứ mỗi 10 kg rơm rạ thu được 2 lít cồn 99,5% để pha làm xăng sinh học
(Taipei Times, 19/2/2008), nhưng phải mất vài năm nữa mới có thể sản xuất quy mô
thương mại. Các nghiên cứu ở Trung quốc cho thấy, xăng sinh học sản xuất từ rơm
rạ đắt hơn xăng dầu mỏ khoảng 250 USD/tấn. Hãng General Motors của Hoa Kỳ đã
hợp tác với Công ty sản xuất etanol Coskata để sản xuất thanol từ thân bắp vào
Công nghệ sản xuất Etanol sinh học
Trang 23

cuối năm 2008, và kể từ 2011 sẽ sản xuất 50 – 100 triệu gallons/năm, với giá 1
USD/gallon.
Wood và các cộng sự đã báo cáo

về vi
ệ
c bi
ể
u hi
ệ
n gen tái tổ hợp
endoglucanase t
ừ
Erwinia chrysanthemi P86021 vào Escherichia coli KO11 và
hệ
thống tái tổ hợp này đã s
ả
n xu
ấ
t 3.200 IU endoglucanase/lit canh trường lỏng lên
men (IU, international unit, được xác định như là 1 μl đường khử được
tạo
ra
trong 1 phút khi sử
dụng
carboxymethyl cellulose làm cơ ch
ấ
t). Endoglucanase E1
chịu nhi
ệ
t từ Acidothermus cellulolyticus được bi
ể
u hi
ệ

n
ở
Arabidopsis thaliana ở
lá. Người ta cũng có
thể
sử
dụng
quá trình lên men xylose thành
ethanol.
Chủng
tái t
ổ
h
ợ
p E. coli với các gen từ Zymomonas mobilis đ
ể
chuy
ể
n hóa
pyruvate
thành ethanol cũng đã được nghiên cứu bởi Dien và các cộng sự. Các plasmid tái
tổ hợp với các gen tổng hợp xylose reductase và xylitol dehydrogenase từ Pichia
stipitis và gen xylulokinase từ Saccharomyces cerevisiae
đều
được chuy
ể
n vào
Saccharomyce spp. cho quá trình lên men đồng thời xylose và glucose .
Tuy nhiên cũng có nhiều thách thức đặt ra là:
 Giữ tính ổn định của các chủng vi khuẩn khi sản xuất công nghiệp.

 Tính kinh tế của hệ thống.
 Có một hệ thống tiền xử lý hiệu quả cao…
TÀI LIỆU THAM KH
Ả
O

 Tr
ầ
n Di
ệ
u Lý. 2008. Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên
liệu
từ rơm rạ.
Đề
tài
tốt nghi
ệ
p
đại
học, khoa Kỹ thu
ậ
t hóa học,
Đại
học Bách Khoa Thành phố Hồ
Chí Minh.
 Đề tài thạc sĩ “nghiên cứu sản xuất etanol từ phụ phẩm nông nghiệp” của
Nguyễn Thị Hằng Nga- DH khoa học tự nhiên.
 Báo cáo tóm tắt đề tài “ Nghiên cứu công nghệ và thiết bị liên t
ụ
c

xử lý rơm rạ
bằng hơi nước để lên men ethanol” của Ths. Hoàng Minh Nam.

 Và một số nguồn khác từ internet.
HẾT