Khảo sát tiền xử lý lõi bắp bằng enzyme trong sản xuất bioethanol

TP HỒ CHÍ MINH, 1/2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT TIỀN XỬ LÝ LÕI BẮP BẰNG
ENZYME TRONG SẢN XUẤT BIOETHANOL


CBHD:
PGS. TS. NGUYỄN ĐỨC LƢỢNG
SVTH:
TRẦN THỊ THU

MSSV:
60604394



i

Lời cảm ơn
Luận văn tốt nghiệp “Khảo sát tiền xử lý lõi bắp bằng enzyme trong sản xuất
bioethanol” đƣợc thực hiện từ tháng 9 -2011 đến tháng 1 – 2011. Trong quá trình thực
hiện luận văn, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ nhiệt tình và quan tâm từ PGS. TS. Nguyễn

Đức Lƣợng. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy - thầy đã gợi ý đề tài cũng
nhƣ hƣớng dẫn tôi tận tình các vấn đề có liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu và sản
xuất bioethanol.
Và tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong bộ môn đã tận tình chỉ
bảo, truyền đạt cho tôi những kiến thức làm nền tảng để tôi có thể thực hiện tốt luận
văn này.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn tới gia đình, bạn bè, các bạn lớp HC06BSH đã giúp
đỡ, động viên và ủng hộ tôi trong quá trình làm luận văn này.

ii

Tóm tắt luận văn
Lõi bắp là một loại nguyên liệu tiềm năng trong sản xuất bioethanol. Luận văn đã
tiến hành khảo sát tối ƣu trong quá trình tiền xử lý lõi bắp và đƣờng hóa bằng enzyme.
Phƣơng pháp tối ƣu sử dụng quy hoạch thực nghiệm cấu trúc có tâm (CCD) tìm điều
kiện tối ƣu để nấm mục trắng Phanerochaete chrysosporium tiền xử lý lõi bắp với ba
yếu tố khảo sát là nồng độ glucose, (NH
4
)
2
SO
4
, MnSO
4
.H
2
O và thu đƣợc kết quả lần
lƣợt là 4, 0.08, 0.2 g/l. Thời gian tiền xử lý là khá dài, 14 ngày.
Kết quả thí nghiệm cho thấy, lõi bắp sau tiền xử lý 10 ngày với Phanerochaete
chrysosporium, đƣợc đƣờng hóa bằng enzyme viscozyme cho kết quả tốt hơn sử dụng

enzyme bán tinh khiết thu nhận từ Trichoderma reesei và Aspergillus niger. Sau 24 h
đƣờng hóa ở 50
o
C, 5% cơ chất (5 g lõi bắp khan trong 100 ml đệm citrate 0.05M, pH
4.8), 10% enzyme viscozyme (ml/g cơ chất) thu đƣợc lƣợng đƣờng tổng là 4.9 g/l,
trong khi sử dụng 12% enzyme bán tinh khiết (g enzyme bán tinh khiết/g cơ chất) chỉ
thu đƣợc 3.5 g/l. Hiệu suất chuyển hóa rất thấp, chỉ 16% (g đƣờng/ g cellulose và
hemicellulose) khi sử dụng enzyme viscozyme làm tác nhân phản ứng.

iii

Mục lục
Lời cảm ơn i
Tóm tắt luận văn ii
Mục lục iii
Danh mục bảng v
Danh mục hình vi
CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU 1
1.1. Đặt vấn đề 1
1.2. Nội dung và mục tiêu của đề tài 2
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN 4
2.1. Bioethanol 4
2.1.1. Ưu nhược điểm của nhiên liệu bioethanol 4
2.1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng bioethanol trên thế giới và Việt Nam 5
2.1.3. Tình hình sản xuất bioethanol từ chất thải công nông nghiệp 6
2.1.4. Phương pháp sản xuất bioethanol 8
2.1.4.1. Phương pháp truyền thống - đường hóa và lên men riêng rẽ (SHF) 8
2.1.4.2. Phương pháp đường hóa và lên men đồng thời (SSF) 8
2.1.4.3. Phương pháp đồng đường hóa và đồng lên men (SSCF) 9
2.1.4.4. Phương pháp chuyển hóa trực tiếp 9

2.1.4.5. Khí hóa và lên men 9
2.1.4.6. Lên men, ester hóa và hydro hóa 9
2.2. Lõi bắp 10
2.3. Các yếu tố ảnh hƣởng quá trình đƣờng hóa vật liệu lignocellulose 11
2.3.1. Phương pháp tiền xử lý sinh học 12
2.3.1.1. Ảnh hưởng của lignin và hemicellulose lên quá trình đường hóa 12
2.3.1.2. Các phương pháp tiền xử lý vật liệu lignocellulose 12
2.3.1.3. Phương pháp tiền xử lý sinh học 16
2.3.2. Ảnh hưởng nhiệt độ, pH 17
2.3.3. Ảnh hưởng nồng độ enzyme, nồng độ cơ chất 17
2.3.4. Ảnh hưởng của chất kìm hãm 19
2.3.5. Ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt 19
2.4. Các yếu tố ảnh hƣởng quá trình lên men 20
2.4.1. Nhiệt độ, pH 20
2.4.2. Nồng độ đường, các thành phần dinh dưỡng khác, và các độc tố 20
2.4.3. Thời gian 21

iv

2.4.4. Nồng độ CO
2
21
2.4.5. Nồng độ giống 21
2.5. Trichoderma reesei và Aspergillus niger 22
2.6. Phanerochaete chrysosporium 22
CHƢƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24
3.1. Vật liệu 24
3.1.1. Giống vi sinh vật 24
3.1.2. Lõi bắp 24
3.1.3. Enzyme 24

3.1.4. Môi trường nuôi cấy vi sinh vật và môi trường sản xuất cellulases 24
3.2. Phƣơng pháp nghiên cứu 24
3.2.1. Sản xuất enzyme cellulases từ Trichoderma reesei và Aspergillus niger 24
3.2.2. Phương pháp tủa enzyme 25
3.2.3. Khảo sát thời gian tiền xử lý 25
3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng nguồn C, N, Mn trong quá trình tiền xử lý lõi bắp bằng
Phanerochaete chrysosporium theo mô hình CCD 26
3.2.5. Khảo sát tỉ lệ giống Phanerochaete chrysosporium 27
3.2.6. Khảo sát tỉ lệ enzyme 27
3.2.7. Khảo sát tỉ lệ enzyme bán tinh khiết 28
3.2.8. Khảo sát tỉ lệ cơ chất 28
3.3. Phƣơng pháp phân tích 28
3.3.1. Phương pháp xác định hoạt tính cellulases 28
3.3.2. Phương pháp xác định đường tổng số hòa tan 31
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 33
4.1. Khảo sát thời gian tiền xử lý 33
4.2. Khảo sát ảnh hƣởng nguồn C, N, Mn trong quá trình tiền xử lý lõi bắp bằng
Phanerochaete chrysosporium theo mô hình CCD 36
4.3. Khảo sát tỉ lệ giống Phanerochaete chrysosporium 41
4.4. Khảo sát tỉ lệ enzyme viscozyme 43
4.5. Khảo sát tỉ lệ enzyme bán tinh khiết 45
4.6. Khảo sát tỉ lệ cơ chất 47
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO 51
PHỤ LỤC 56

v

Danh mục bảng
Bảng 1.1: Khả năng sản xuất ethanol từ một vài loại lignocellulose 2

Bảng 2.1: Các dạng bioethanol đƣợc sử dụng phổ biến 6
Bảng 2.2: Nguồn sản xuất ethanol 7
Bảng 2.3: Hàm lƣợng cellulose, hemicellulose, lignin trong một số nguyên liệu
lignocellulose 8
Bảng 2.4: Các phƣơng pháp tiền xử lý lignocellulose 14
Bảng 3.1: Thành phần môi trƣờng dinh dƣỡng bổ sung khi lên men bán rắn lõi bắp 26
Bảng 3.2: Tƣơng quan giữa giá trị dạng mã hóa và dạng tự nhiên của các yếu tố trong
phƣơng án thực nghiệm trực giao cấp hai. 27
Bảng 4.1: Kết quả tiền xử lý lõi bắp với nấm mục trắng theo thời gian 34
Bảng 4.2: Ma trận quy hoạch thực nghiệm theo phƣơng án trực giao cấp hai 37
Bảng 4.3: Kết quả R
2
tính toán từ phần mềm Design expert 37
Bảng 4.4: Phƣơng trình hồi quy biểu diễn hàm lƣợng đƣờng thu nhận đƣợc 37
Bảng 4.5: Phân tích ANOVA kiểm định ý nghĩa các hệ số hồi quy trong mô hình quy
hoạch thực nghiệm thu nhận đƣợc 38
Bảng 4.6: Một số điều kiện tối ƣu dự đoán cho hàm mục tiêu Y đạt cực trị 38
Bảng 4.7: Ma trận quy hoạch thực nghiệm theo thực nghiệm yếu tố toàn phần 39
Bảng 4.8: Kết quả R
2
tính toán từ phần mềm Design expert 39
Bảng 4.9: Phƣơng trình hồi quy biểu diễn hàm lƣợng đƣờng thu nhận đƣợc 40
Bảng 4.10: Phân tích ANOVA kiểm định ý nghĩa các hệ số hồi quy trong mô hình quy
hoạch thực nghiệm thu nhận đƣợc 40
Bảng 4.11: Một số điều kiện tối ƣu dự đoán cho hàm mục tiêu Y đạt cực trị 41
Bảng 4.12: Kết quả khảo sát tỉ lệ giống ảnh hƣởng đến quá trình tiền xử lý và đƣờng
hóa 41
Bảng 4.13: Kết quả khảo sát tỉ lệ enzyme trong quá trình đƣờng hóa lõi bắp 43
Bảng 4.14: Kết quả xác định hoạt tính enzyme đƣợc thể hiện ở bảng sau. 45
Bảng 4.15: Kết quả đƣờng hóa lõi bắp bằng enzyme bán tinh khiết 45

Bảng 4.16: Kết quả khảo sát tỉ lệ cơ chất trong quá trình đƣờng hóa lõi bắp 47

vi

Danh mục hình
Hình 4.1: Lõi bắp tiền xử lý với Phanerochaete chrysosporium 33
Hình 4.2: Đồ thị khảo sát thời gian tiền xử lý lõi bắp với nấm mục trắng. 35
Hình 4.3: Đồ thị khảo sát tỉ lệ giống 42
Hình 4.4: Đồ thị khảo sát tỉ lệ enzyme 44
Hình 4.5: Enzyme tủa trong cồn 45
Hình 4.6: Đồ thị khảo sát tỉ lệ enzyme bán tinh khiết 46
Hình 4.7: Đồ thị khảo sát tỉ lệ cơ chất 48
Chương 1: Mở đầu

Trang 1

CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Hàng triệu năm trƣớc, carbon khí quyển đƣợc thực vật giữ lại nhờ quang tự
dƣỡng, và qua thời gian đƣợc chuyển hóa thành dầu thô và than đá. Tuy nhiên vì sự
phát triển kinh tế, chúng ta đã sử dụng quá nhiều nguồn năng lƣợng này dẫn đến lƣợng
CO
2
thải ra khí quyển tăng cao từ ~280 lên đến ~380 ppm so với 150 năm trƣớc
(Mehdi Dashtban và cs, 2009). Điều này gây ra hiện tƣợng ấm lên toàn cầu, con ngƣời
phải đối mặt với sự thay đổi khí hậu với những diễn biến bất thƣờng.
Nhu cầu tiêu thụ năng lƣợng càng tăng, trong khi nguồn nhiên liệu hóa thạch
đang dần cạn kiệt, đứng trƣớc tác động môi trƣờng và vấn đề an ninh quốc gia, nhiều
nƣớc đã đẩy mạnh nghiên cứu phát triển và sử dụng nhiên liệu sinh học. Dựa vào tính
toán của Hội Đồng Năng Lƣợng Thế Giới (WEC), tiêu thụ năng lƣợng toàn cầu xấp xỉ

12 tỉ tấn than đá một năm. Sự tính toán của Liên Hiệp Quốc (UN) cho thấy dân số thế
giới tăng lên 10 tỉ ngƣời vào 2050 dẫn đến nhu cầu năng lƣợng tăng lên tối thiểu 24 tỉ
tấn than đá một năm (gấp hai lần hiện nay) phụ thuộc vào sự phát triển kinh tế, xã hội
và chính trị (Mehdi Dashtban và cs, 2009).
Ở Brazil, ethanol đƣợc sản xuất từ đƣờng mía, trong khi ở Mỹ tinh bột (từ bắp)
thƣờng đƣợc sử dụng để sản xuất ethanol. Sử dụng đƣờng hay tinh bột làm nguyên
liệu chính sản xuất ethanol gây nên sự tranh cãi do ảnh hƣởng sản xuất và giá cả thực
phẩm, giảm tính cạnh tranh của ethanol với nhiên liệu hóa thạch. Điều này dẫn đến thế
hệ nhiên liệu sinh học mới sử dụng nguồn nguyên liệu mới (bảng 1.1). Công ty Iogen
của Canada ( dẫn đầu thế giới sản xuất bioethanol từ
lignocellulose, sử dụng 30 tấn/ngày rơm rạ lúa mì, lúa mạch, yến mạch để sản xuất
0.52 triệu gallon ethanol một năm.
Chương 1: Mở đầu

Trang 2

Bảng 1.1: Khả năng sản xuất ethanol từ một vài loại lignocellulose (Mehdi
Dashtban và cs, 2009)
Chất thải lignocellulose
Sản xuất 1 năm
Khả năng sản xuất ethanol
(tỉ lít/năm)
Chất thải nông nghiệp thế giới
Ngàn tỉ g/năm

Corn stover
203.62
58.6
Rơm rạ lúa mạch
58.45

18.1
Rơm rạ yến mạch
10.62
2.78
Rơm rạ lúa gạo
731.34
204.6
Rơm rạ lúa mì
354.35
103.8
Rơm rạ sorghum
10.32
2.79
Bã mía
180.73
51.3
Tổng
1549.42
442.0
Chất thải rắn đô thị
triệu tấn

Mỹ (2001)
208
13.7
Trung Quốc (1998)
127
8.3
Canada (2002)
30.5

2
(Corn stover bao gồm lá, thân, lõi bắp)
Nƣớc ta có truyền thống sản xuất nông nghiệp lâu đời, hàng năm tạo ra hàng trăm
tấn phế phẩm nông nghiệp. Đây là nguồn nguyên liệu rẻ, khối lƣợng lớn, có tiềm năng
sản xuất nhiên liệu và khi sử dụng nguyên liệu này cũng góp phần giảm ô nhiễm môi
trƣờng do đốt hay thải bỏ.
Bắp là cây lƣơng thực phổ biến ở nƣớc ta và các loại phế phẩm của cây bắp
(thân, lá, lõi bắp) vẫn chƣa đƣợc tận dụng triệt để. Đặc biệt là lƣợng lõi bắp rất lớn sau
khi tách lấy hạt bắp chƣa có giải pháp sử dụng hợp lý (sản lƣợng bắp hàng năm trên
thế giới hơn 600 triệu tấn, mà cứ mỗi 100 Kg hạt bắp thu đƣợc, tạo ra khoảng 18 Kg
lõi bắp) (Jared Bourke, 2006).
Từ thực trạng trên, chúng tôi thực hiện khảo sát khả năng ứng dụng lõi bắp sản
xuất bioethanol nhiên liệu.
1.2. Nội dung và mục tiêu của đề tài
Các mục tiêu chính của đề tài:
 Khảo sát quá trình tiền xử lý lõi bắp bằng nấm mục trắng Phanerochaete
chrysosporium.
Chương 1: Mở đầu

Trang 3

 Khảo sát quá trình đƣờng hóa lõi bắp sau tiền xử lý bằng enzyme
viscozyme và chế phẩm enzyme bán tinh khiết thu nhận từ Trichoderma
reesei và Aspergillus niger.
Các nghiên cứu chính cần thực hiện để đạt đƣợc mục tiêu trên:
Quá trình tiền xử lý:
 Khảo sát thời gian tiền xử lý
 Khảo sát ảnh hƣởng nồng độ C, N, Mn trong quá trình tiền xử lý lõi bắp
bởi Phanerochaete chrysosporium.
 Khảo sát tỉ lệ giống Phanerochaete chrysosporium.

Quá trình đường hóa
 Khảo sát tỉ lệ enzyme viscozyme.
 Khảo sát tỉ lệ chế phẩm enzyme bán tinh khiết.
 Khảo sát tỉ lệ cơ chất thích hợp.
Chương 2: Tổng quan

Trang 4

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1. Bioethanol
2.1.1. Ưu nhược điểm của nhiên liệu bioethanol
Ưu điểm
Bioethanol đƣợc sản xuất bằng cách lên men các loại đƣờng và chƣng cất
dịch lên men. Bioethanol có thể sử dụng nhƣ nhiên liệu do đốt cháy ethanol cho
nhiệt lƣợng cao mà không sản sinh các chất độc hại môi trƣờng do bioethanol
không chứa sulfur và kim loại nặng nhƣ chì (Charles E.Wyman, 1996).
Nhiên liệu sinh học có nhiều ƣu điểm so với nhiên liệu hóa thạch. Sử dụng
bioethanol giúp giảm ô nhiễm và giảm khí thải hiệu ứng nhà kính (lƣợng CO sinh
ra thấp hơn so với xăng) (Charles E.Wyman, 1996). Đồng thời bioethanol sản xuất
từ các sản phẩm, phế phẩm có nguồn gốc từ hoạt động sản xuất nông nghiệp góp
phần nâng cao hiệu quả kinh tế nông nghiệp. Ngành nông nghiệp ngoài vai trò
cung cấp lƣơng thực thực phẩm còn có vai trò cung cấp nguồn năng lƣợng sạch
cho xã hội.
Sử dụng bioethanol làm nhiên liệu thay thế nhiên liệu truyền thống giúp quốc
gia tự chủ về nguồn năng lƣợng. Bioethanol có thể sử dụng ở dạng nguyên chất
hoặc pha trộn với xăng, nếu tỉ lệ pha trộn < 10% ethanol thì không cần thay đổi
động cơ xe thông thƣờng (Mehdi Dashtban và cs, 2009)
Bioethanol có chỉ số octane từ 96-113 cao hơn so với xăng là 83-95 (Charles
E.Wyman, 1996), chỉ số này cao có ý nghĩa tăng tuổi thọ động cơ do giảm hiện
tƣợng kích nổ - đây là hiện tƣợng nhiên liệu cháy trƣớc khi bộ phận đánh lửa tạo

tia lửa điện.
Nhược điểm
Hill và cs (2006) chứng minh rằng bioethanol có cân bằng năng lƣợng là 1.25,
có nghĩa là năng lƣợng sản xuất lớn hơn 25% so với năng lƣợng tiêu thụ do đó vấn
đề cần giải quyết ở đây là sản xuất bioethanol sao cho chi phí năng lƣợng là thấp
nhất.
Bioethanol chỉ chứa 70% năng lƣợng so với xăng, cần lƣợng ethanol lớn để
có hiệu quả năng lƣợng nhƣ xăng, nghĩa là tiêu tốn nhiều nhiên liệu hơn và chi phí
vận chuyển cũng cao hơn. Một số xe cần đƣợc thay đổi động cơ nếu muốn sử dụng
xăng pha ethanol nồng độ cao. Khi nhiệt độ thấp dƣới 15
o
C sẽ khó khởi động động
cơ do bioethanol có áp suất hơi thấp (Huseyin Serdar Yucesu và cs, 2006).
Chương 2: Tổng quan

Trang 5

Bioethanol phát thải nhiều khí NO
x
và ăn mòn kim loại nên hiện nay cần pha
trộn thêm phụ gia chống ăn mòn với tỉ lệ thích hợp (Michael J. Bradley và Brian
M. Jones, 2002).
Sử dụng đất trồng cây nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học sẽ ảnh hƣởng
đến quỹ đất trồng cây lƣơng thực làm tăng giá lƣơng thực, ảnh hƣởng đến đất rừng
gây xói mòn đất. Các phế phẩm nông nghiệp cũng có vai trò lớn trong việc cải tạo
đất trồng, giúp duy trì sản xuất nên không thể tận thu toàn bộ để dùng làm nguyên
liệu mà phải tính toán để cân bằng.
2.1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng bioethanol trên thế giới và Việt Nam
Thế giới
Bioethanol là nhiên liệu sinh học đƣợc sử dụng rộng rãi nhất. Các nhà sx lớn

trên thế giới là Hoa Kỳ, Brazil, Trung Quốc. Sản xuất ethanol từ mía ở Brazil
(2004) ƣớc tính đạt 18% nhu cầu nhiên liệu ô tô cho nƣớc này (Petia Petrova và
Viara Ivanova, 2010). Ở Brazil, các phƣơng tiện đƣợc thiết kế để có thể sử dụng
đƣợc ethanol. Với kết quả này Brazil có thể tự chủ về nguồn năng lƣợng dầu.
Sản xuất ethanol trên toàn thế giới đạt 32x10
9
lit (2007), với Hoa Kỳ và
Brazil là những nhà sản xuất chủ lực (~70%). Gần đây Hoa Kỳ đã qua mặt Brazil
để trở thành nhà sản xuất bioethanol lớn nhất thế giới. Năm 2009, Hoa Kỳ đã sản
xuất 39.5x10
9
lit ethanol sử dụng bắp làm nguyên liệu (ethanol thế hệ thứ nhất)
trong khi nhà sản xuất thứ 2, Brazil chỉ sản xuất 30x10
9
lit ethanol từ mía (Petia
Petrova và Viara Ivanova, 2010).
Châu Âu là nhà sản xuất biodiesel quan trọng nhất trên thế giới (58%
biodiesel thế giới). Đức, Pháp, Hoa Kỳ, Ý đi đầu trong sản xuất biodiesel. Hiện
nay, xu thế các nƣớc đang dần thay thế nhiên liệu truyền thống sang sử dụng nhiên
liệu sinh học do nguồn nhiên liệu truyền thống đang cạn kiệt dần, ngày một đắt đỏ
và vì cam kết cắt giảm khí thải nhà kính theo nghị định Kyoto.
Dù bioethanol có nhiều lợi thế khi sử dụng làm nhiên liệu, nhƣng chỉ còn hai
nƣớc là Hoa Kỳ và Brazil sản xuất ethanol với năng suất lớn. Sản xuất ethanol
nhiên liệu ở các nƣớc Châu Âu đặc biệt là Pháp, Tây Ban Nha, Thụy Điển đƣợc sử
dụng ở dạng ETBE (ethyl tertiary butyl ether), ở một số nƣớc khác nhƣ Áo, Ý, Ba
Lan, Bồ Đào Nha có tiềm năng phát triển ETBE .

Chương 2: Tổng quan

Trang 6

Bảng 2.1: Các dạng bioethanol đƣợc sử dụng phổ biến (Varga Eniko, 2003)
Nhiên liệu
Nồng độ ethanol (v/v)
Hydrous ethanol (Álcool ở Brazil)
95.5%
E85 (Bắc Mỹ, Thụy Điển)
85
Gasoline (Brazil)
24
E10 (gasohol, Bắc Mỹ, Canada, Thụy Điển)
10
ETBE (Pháp, Tây Ban Nha)
7.6
Oxygenated fuel (USA, Canada)
5.7
Biodiesel
15
Việt Nam
So với các nƣớc trên thế giới, sản luợng ethanol nuớc ta rất thấp. Từ năm
2009, Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam cùng các đơn vị thành viên, đối tác đã
tiến hành xây dựng 3 nhà máy ethanol ở Phú Thọ, Dung Quất và Bình Phƣớc với
công suất 100.000 tấn ethanol/năm. Theo dự kiến, 2 trong 3 nhà máy sẽ đi vào hoạt
động từ cuối năm 2011. Là một quốc gia mạnh về nông nghiệp, nƣớc ta cũng đang
tập trung phát triển năng lƣợng sinh học ().
2.1.3. Tình hình sản xuất bioethanol từ chất thải công nông nghiệp
Thế giới
Nguyên liệu chứa sucrose:
Đƣờng mía, ở dạng dịch ép hoặc rỉ đƣờng, là nguồn nguyên liệu quan trọng
nhất ở các nƣớc nhiệt đới, cận nhiệt đới để sản xuất ethanol. Ở các nƣớc Châu Âu,

đƣờng từ củ cải đƣờng đƣợc sử dụng. Bên cạnh đó, sweet sorghum cũng là nguồn
nguyên liệu thô triển vọng, phần thân có thể đƣợc chiết tách tạo dịch trích chứa
nồng độ sucrose cao, hạt của nó chứa lƣợng lớn tinh bột, phần bã là nguồn
lignocellulose quan trọng (Carlos A. Cardona và cs, 2007).
Quá trình chuyển hóa sucrose thành ethanol dễ hơn so với tinh bột và sinh
khối lignnocellulose vì không cần qua quá trình tiền xử lý, tế bào nấm men có thể
thủy phân disaccharide, thêm vào đó là điều kiện lý tƣởng của dịch đƣờng và rỉ
đƣờng cho quá trình lên men.
Đánh giá hiệu quả kinh tế của Maiorella và cs (1984) thì chi phí nguyên liệu
lên đến 70% chi phí sx ethanol nếu sử dụng rỉ đƣờng làm nguyên liệu.
Tinh bột
Cần quá trình tiền xử lý thủy phân tinh bột tạo thành glucose syrup, sau đó sẽ
đƣợc chuyển hóa thành ethanol nhờ nấm men. Nguyên liệu này đƣợc sử dụng phổ
Chương 2: Tổng quan

Trang 7

biến ở Bắc Mỹ và Châu Âu. Bắp và lúa mì là nguyên liệu chính. Ở các nƣớc nhiệt
đới các loại củ đƣợc sử dụng (nhƣ tinh bột sắn).
Sinh khối lignocellulose
Hiện nay phƣơng pháp xử lý nguyên liệu lignocellulose chƣa đạt hiệu quả
cao. Thủy phân cellulose tạo glucose, các loại đƣờng tạo ra trong quá trình thủy
phân hemicellulose cũng đƣợc chuyển hóa thành ethanol. Phƣơng pháp chuyển hóa
khá phức tạp dẫn đến chi phí sản xuất cao hơn so với mía, củ cải đƣờng và bắp.
Tuy nhiên đây là loại vật liệu triển vọng nhất, có thể lấy từ các đồng phế phẩm
công nông nghiệp.
Trên 90% bioethanol trên thế giới đến từ nguyên liệu nông nghiệp (60% từ
đƣờng mía, củ cải đƣờng, còn lại từ hạt, chủ yếu là tinh bột bắp) (Petia Petrova và
Viara Ivanova, 2010). Thực tế tất cả nhiên liệu sinh học trên thế giới đƣợc sản xuất
từ nguyên liệu có thể đƣợc sử dụng để sản xuất lƣơng thực hoặc đƣợc sản xuất trên

đất trồng có thể sản xuất cây lƣơng thực. Việc mở rộng sản xuất nhiên liệu sinh
học ở Hoa Kỳ, Châu Âu, Nam Mỹ đã đồng thời với việc tăng giá mạnh hạt lƣơng
thực, thực phẩm, hạt có dầu, dầu thực vật.
Bảng 2.2: Nguồn sản xuất ethanol (Petia Petrova và Viara Ivanova, 2010)
Nguồn
Carbohydrates
Sản phẩm thủy phân
1. Nông nghiệp
A. Sucrose
Fructose + Glucose

B. Tinh bột
Glucose
2. Lignocellulose



C. Cellulose
Glucose

D. Hemicellulose
Glucose + Galactose + Mannose + Xylose
+ Arabinose + Khác (L-Rhamnose, L-
Fucose, Uronic acids)

E. Lignin
Lignols (coniferyl, sinapyl, coumaryl)
Bảng 2.3 cho thấy lõi bắp là một trong những loại nguyên liệu giàu cellulose,
hemicellulose và có hàm lƣợng lignin tƣơng đối thấp.
Chương 2: Tổng quan

Trang 8

Bảng 2.3: Hàm lƣợng cellulose, hemicellulose, lignin trong một số nguyên
liệu lignocellulose (Petia Petrova và Viara Ivanova, 2010; Jia Ouyang và cs,
2009)
Lignocellulose
Cellullose
(%)
Hemicellulose
(%)
Lignin
(%)
Gỗ cứng
40-55
24-40
18-25
Gỗ mềm
45-50
25-35
25-35
Vỏ quả hạch
25-30
25-30
30-40
Lõi bắp
30-45
35-40
10-20
Cỏ

25-40
35-50
10-30
Giấy
85-99
0
0-15
Rơm rạ lúa mì
30
50
15
Rác đã phân loại
60
20
20
Lá
15-20
80-85
0
Tơ sơi hạt bông
80-95
5-20
0
Báo
40-55
25-40
18-30
Rác thải bột giấy
60-70
10-20

5-10
Coastal Bermuda grass
25
35.7
6.4
Switch grass
45
31.4
12.0
2.1.4. Phương pháp sản xuất bioethanol
2.1.4.1. Phương pháp truyền thống - đường hóa và lên men riêng rẽ
(SHF)
Thuận lợi chính của SHF là cả hai quá trình đƣờng hóa và lên men đƣợc
thực hiện trong điều kiện tối ƣu của mỗi quá trình. Nhƣợc điểm chính của quá
trình này là tốc độ đƣờng hóa bị ảnh hƣởng mạnh bởi sự ức chế sản phẩm
cuối đối với enzyme.
2.1.4.2. Phương pháp đường hóa và lên men đồng thời (SSF)
Đây là phƣơng pháp tiến hành quá trình đƣờng hóa và lên men trong
cùng một thiết bị phản ứng sinh học. Lƣợng đƣờng tạo ra khi đƣờng hóa đƣợc
chuyển hóa liên tục nhờ khả năng lên men của nấm men, làm giảm các chất
ức chế quá trình đƣờng hóa cellulose. So sánh quá trình đƣờng hóa và lên
men riêng rẽ, SSF có nhiều ƣu điểm nhƣ giảm lƣợng enzyme cần dùng, tốc độ
phản ứng thủy phân nhanh hơn, hiệu suất cao hơn và giảm chi phí vận hành,
Chương 2: Tổng quan

Trang 9

giảm nguy cơ ô nhiễm. Tuy nhiên, nhiệt độ tối ƣu cho enzyme thủy phân và
nấm men chuyển hóa đƣờng thành ethanol hoàn toàn khác nhau. Do đó, việc
nghiên cứu giống vi sinh vật chịu nhiệt, chịu nồng độ ethanol cao là cần thiết.

2.1.4.3. Phương pháp đồng đường hóa và đồng lên men (SSCF)
Quá trình đƣờng hóa và lên men đồng thời hexoses và pentoses bởi
nhiều giống vi sinh vật khác nhau. Phƣơng pháp này có nhiều đặc điểm giống
SSF.
2.1.4.4. Phương pháp chuyển hóa trực tiếp
Phƣơng pháp này tạo enzyme, đƣờng hóa và lên men đƣợc thực hiện
trong cùng một thiết bị phản ứng. Ứng dụng quy trình này sản xuất ethanol
còn nhiều hạn chế nhƣ sản lƣợng ethanol thấp, hình thành nhiều sản phẩm
phụ (acid acetic…), giống vi sinh vật chịu nồng độ ethanol thấp (Badal C.
Saha, 2004). Trong tƣơng lai không xa, với sự tiến bộ nhanh của kỹ thuật di
truyền sẽ tạo ra giống tái tổ hợp phù hợp cho phƣơng pháp này.
2.1.4.5. Khí hóa và lên men
Phƣơng pháp này tiến hành khí hóa nguồn nguyên liệu biomass nhƣ
switch grass, miscanthus, phế phẩm nông nghiệp… Sản phẩm khí tạo thành
bao gồm CO, CO
2
, H
2
và N
2
đƣợc lên men tạo bioethanol và các loại acid
thông qua xúc tác sinh học. Những nghiên cứu gần đây của Datar và cs
(2004) và Ahmed và Lewis (2007) đã chứng minh khả năng kết hợp thiết bị
khí hóa dạng tầng sôi với thiết bị lên men để tận dụng nguồn khí tổng hợp từ
biomass để sản xuất bioethanol. Quy trình kết hợp giữa khí hóa và lên men
mang lại triển vọng cho khả năng sản xuất bioethanol từ nguồn lignocellulose.
Ƣu điểm chính của quy trình này là thành phần lignin giàu carbon (chiếm
khoảng hơn 50% so với nguồn carbon từ carbohydrate) đƣợc chuyển hóa
thành khí và sau đó thành bioethanol. Giai đoạn tiền xử lý và đƣờng hóa
biomass đƣợc thay thế bằng giai đoạn khí hóa (Hans P.Blaschek, Thaddeus C.

Ezeji).
2.1.4.6. Lên men, ester hóa và hydro hóa
Đây là quy trình mới đƣợc đề xuất để sản xuất bioethanol từ biomass.
Quy trình này bao gồm các giai đoạn: lên men, ester hóa và hydro hóa. Trong
suốt giai đoạn đầu, monosaccharide đƣợc lên men tạo thành acid acetic với
hiệu suất gần 100% tính theo carbon bởi vi sinh vật homoacetogenic. Trong
giai đoạn hai, acid acetic tham gia phản ứng ester hóa với rƣợu để tạo ester.
Chương 2: Tổng quan

Trang 10

Trong khi ở giai đoạn thứ ba, ester tạo thành bị hydro hóa để tạo bioethanol
(Hans P.Blaschek, Thaddeus C. Ezeji).
Lên men → ester hóa → hydro hóa → bioethanol
Lên men: C
6
H
12
O
6
→ 3CH
3
COOH (acid acetic)
Ester hóa: 3CH
3
COOH + 3ROH → 3CH
3
COOR (acetate ester) + 3H
2
O

Hydro hóa: 3CH
3
COOR + 6H
2
→ 3C
2
H
5
OH + 3ROH (alcohol)
Tổng quát: C
6
H
12
O
6
+ 6H
2
→ 3C
2
H
5
OH + 3H
2
O
Trong quy trình này, 3 mol bioethanol đƣợc tạo ra từ 1 mol glucose, do
đó cải thiện đƣợc 50% so với quy trình thông thƣờng khi từ 1 mol glucose chỉ
tạo ra đƣợc 2 mol bioethanol. Năng lƣợng để tạo ra mol bioethanol thứ ba
đƣợc cung cấp bởi hydro đƣợc tạo ra từ quá trình khí hóa biomass (Hans
P.Blaschek, Thaddeus C. Ezeji).
2.2. Lõi bắp

Lõi bắp khá cứng bao gồm rất nhiều loại mô khác nhau. Mặt cắt của lõi bắp thể
hiện các tế bào nhu mô ở phần lõi mềm ngay ở tâm của lõi bắp. Bên ngoài của lõi là
vùng tế bào sclerenchyma cứng (Jared Bourke, 2006).
Lõi bắp là một dạng vật liệu lignocellulose bao gồm cellulose, hemicellulose,
lignin, khoáng (tro), phenolic hòa tan, acid béo và các hợp chất khác (các chất trích
ly).
Về cơ bản trong lignocellulose, cellulose tạo thành khung chính và đƣợc bao bọc
bởi những chất có chức năng tạo mạng lƣới nhƣ hemicellulose và kết dính nhƣ lignin.
Cellulose, hemicellulose và lignin sắp xếp gần nhau và liên kết cộng hóa trị với nhau.
Các đƣờng nằm ở mạch nhánh nhƣ arabinose, galactose, và acid 4-Omethylglucuronic
là các nhóm thƣờng liên kết với lignin (Hetti Palonen, 2004).
Vùng vô định hình dễ bị thủy phân nhƣng cellulose tồn tại trong lignocellulose
chủ yếu ở dạng kết tinh (chiếm tỉ lệ 50-90% tổng cellulose). Cellulose đƣợc bao bọc
bởi hemicellulose và lignin, điều này làm cho cellulose khá bền vững với tác động của
enzyme cũng nhƣ hóa chất.
Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng
70 đến 200 DP. Hemicellulose chứa cả đƣờng 6 gồm glucose, mannose, galactose và
đƣờng 5 gồm xylose và arabinose. Thành phần cơ bản của hemicellulose là β-D-
xylopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết β-(1,4). Cấu tạo của hemicellulose khá
phức tạp và đa dạng tùy vào nguyên liệu, tuy nhiên có một vài điểm chung gồm:
 Mạch chính của hemicellulose đƣợc cấu tạo từ liên kết β -(1,4).
Chương 2: Tổng quan

Trang 11

 Xylose là thành phần quan trọng nhất.
 Nhóm thế phổ biến nhất là nhóm acetyl O – liên kết với vị trí 2 hoặc 3.
 Mạch nhánh cấu tạo từ các nhóm đơn giản, thông thƣờng là disaccharide hoặc
trisaccharide. Sự liên kết của hemicellulose với các polysaccharide khác và với
lignin là nhờ các mạch nhánh này. Cũng vì hemicellulose có mạch nhánh nên

tồn tại ở dạng vô định hình và vì thế dễ bị thủy phân.
Trong tự nhiên, lignin chủ yếu đóng vai trò chất liên kết thành tế bào thực vật,
liên kết chặt chẽ với mạng cellulose và hemicellulose. Rất khó để có thể tách lignin ra
hoàn toàn. Nhìn chung, lignin chứa ba tiền chất rƣợu thơm bao gồm coniferyl alcohol,
sinapyl và p-coumaryl. Những tiền chất này hình thành những tiểu đơn vị tƣơng ứng
trong phân tử lignin guaiacyl- (G), syringyl- (S) and p-hydroxyphenyl (H). Tỉ lệ các
tiểu đơn vị đa dạng, phụ thuộc từng loài thực vật (Mehdi Dashtban và cs, 2010).
Mặc dù có nhiều vi sinh vật có thể sử dụng cellulose và hemicellulose nhƣng lại
có rất ít vi sinh vật có khả năng sử dụng lignin và phân hủy lignin hiệu quả.
Các chất trích ly là những chất hoặc có khả năng hòa tan trong những dung môi
hữu cơ (nhƣ dietyl ether, methyl terbutyl ether, ether dầu hỏa, diclormethene, acetone,
ethanol, methanol, hexan, toluen, terahydrofuran) hoặc trong nƣớc. Những chất này có
thể có cả tính ƣa dầu và ƣa nƣớc và không đƣợc xem là thành phần cấu trúc của gỗ.
Chất nhựa là những chất ƣa dầu, có lẽ thƣờng chiếm tỉ lệ ƣu thế trong chất trích ly, nên
thƣờng chất trích ly hay đƣợc gọi là nhựa (resin) (Charles E.Wyman, 1996).
Trong các loại gỗ của xứ ôn đới, các nguyên tố khác so với carbon, hydro, oxy và
nitơ – chiếm khoảng 0.1 – 0.5 % (so với lƣợng rắn khô trong gỗ). Với loại gỗ xứ nhiệt
đới con số này có thể là 5%. Hàm lƣợng chất vô cơ đƣợc đo bằng hàm lƣợng tro của
mẫu và nó trong khoảng 0.3 – 1.5 % cho hai loại gỗ mềm và gỗ cứng. Hàm lƣợng này
phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trƣờng tăng trƣởng của cây và vào vị trí trong cây
(Nguyễn Thị Ngọc Bích, 2003).
2.3. Các yếu tố ảnh hƣởng quá trình đƣờng hóa vật liệu lignocellulose
Đƣờng hóa cellulose và hemicellulose thành các loại đƣờng đơn là một trong
những bƣớc quan trọng trong sản xuất ethanol. Quá trình tiền xử lý nguyên liệu trƣớc
quá trình đƣờng hóa là cần thiết do tốc độ và hiệu suất đƣờng hóa không chỉ phụ thuộc
vào enzyme mà còn phụ thuộc vào đặc điểm, tính chất hóa lý vật liệu. Hiện nay mặc
dù ngành công nghiệp enzyme đã sản xuất ra sản phẩm enzyme rẻ hơn, chịu nhiệt, khả
Chương 2: Tổng quan

Trang 12

năng xúc tác và liên kết cơ chất tốt hơn nhƣng để cải thiện hiệu suất đƣờng hóa cần có
phƣơng pháp tiền xử lý cơ chất hiệu quả.
2.3.1. Phương pháp tiền xử lý sinh học
2.3.1.1. Ảnh hưởng của lignin và hemicellulose lên quá trình đường hóa
Sewalt và cs (1997) thêm bột lignin để nghiên cứu ảnh hƣởng lignin đến
phản ứng thủy phân cellulose. Kết quả hoạt tính cellulases giảm 60%, ảnh
hƣởng của lignin biểu hiện rõ qua lƣợng cellulases sử dụng tăng từ 5  50
FPU/g cellulose. Nguyên nhân do sự hấp phụ của enzyme cellulases lên
lignin.
Các hợp chất nhƣ Tween (3-[(3-cholamidopropyl)dimethylammonio]-1-
propanesulfate), BSA (bovine serum albumin), gelatin và PEG (polyethylene
glycol) giảm sự hấp phụ cellulases lên lignin (R. P. Chandra và cs, 2007).
Trong một nghiên cứu khác cúa Berlin và cs (2006), cho thấy hoạt tính
cellulases giảm 3.5 lần do lignin, trong khi hoạt tính xylanases ít thay đổi và
β-glucosidase là ít bị ảnh hƣởng nhất. Có thể do liên kết giữa các enzyme này
và lignin yếu.
So với lignin, ảnh hƣởng hemicellulose đến tốc độ và hiệu quả đƣờng
hóa đƣợc nghiên cứu ít hơn do hemicellulose kém bền và dễ dàng đƣợc loại
bỏ.
2.3.1.2. Các phương pháp tiền xử lý vật liệu lignocellulose
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân cellulose trong
lignocellulose:
i) Độ kết tinh cellulose cản trở enzyme cellulases hoạt động hiệu quả
ii) Sự hiện diện của lignin (chủ yếu) và hemicellulose lên bề mặt cellulose
ngăn cản cellulases tiếp cận cơ chất.
Do đó tiền xử lý vật liệu là cần thiết trƣớc khi đƣờng hóa.
Mục đích và yêu cầu của quá trình tiền xử lý:
i) Tăng vùng vô định hình của cellulose, giảm độ kết tinh của cellulose
Chương 2: Tổng quan

Trang 13

ii) Tăng kích thƣớc lỗ xốp trong cấu trúc sợi biomass thuận tiện cho sự xâm
nhập của tác nhân thủy phân.
iii) Phá vỡ sự bao bọc của lignin và hemicellulose đối với cellulose.
iv) Phân tách hemicellulose ra khỏi cellulose
v) Tránh phân hủy hay mất carbohydrate.
vi) Tránh hình thành các sản phẩm phụ ức chế quá trình đƣờng hóa và lên men.
vii) Chi phí năng lƣợng và hóa chất xử lý thấp.
viii) Chi phí đầu tƣ thấp và vận hành có hiệu quả.
Phƣơng pháp vật lý: nguyên liệu đƣợc nghiền, chiếu xạ hoặc xử lý nhiệt.
Phƣơng pháp này chủ yếu giảm kích thƣớc nguyên liệu, giảm độ kết tinh, tăng
diện tích bề mặt tiếp xúc nhƣng không thay đổi cấu trúc nguyên liệu.
Phƣơng pháp hóa học: sử dụng acid, kiềm để giảm độ trùng hợp và độ
kết tinh cellulose, tăng diện tích bề mặt tiếp xúc enzyme và cơ chất hoặc loại
lignin bằng dung môi hữu cơ nhƣ methanol, ethanol, butanol, glycerol,
ethylene glycol, benzene, phenol, formic acid (Badal C. Saha, 2004; R. P.
Chandra và cs, 2007). Phƣơng pháp sử dụng acid đƣợc sử dụng phổ biến và
hiệu quả trên một lƣợng cơ chất lớn. Tuy nhiên khi xử lý nguyên liệu với acid
ở nhiệt độ cao, sản phẩm thủy phân hemicellulose và lignin bị phân hủy,
chuyển hóa thành furfuran, 5-hydroxymethyl furfural (HMF), aliphatic acids
(acetic, formic, levulinic acid) và các hợp chất phenol. Cần trung hòa và loại
độc dịch trƣớc khi lên men.
Phƣơng pháp hóa lý: nổ hơi, nổ CO
2
, nổ amoni, nổ SO
2
…Trong đó,
phƣơng pháp nổ hơi đã đƣợc phát triển ứng dụng ở quy mô công nghiệp. Tại

trƣờng đại học Michigan (Mỹ), quy trình AFEX (nổ amoni) đã đƣợc cấp bằng
sáng chế về xử lý sơ bộ phế thải của bắp (bao gồm lõi bắp, thân và lá bắp)
trƣớc khi chuyển hóa thành bioethanol. Quy trình dựa trên cơ sở sử dụng
amoni để phân hủy cellulose và hemicellulose trong thực vật và cho hiệu quả
cao hơn 75% so với khi chỉ sử dụng enzyme truyền thống. Dịch sau thủy phân
có thể lên men mà không cần bổ sung các thành phần dinh dƣỡng khác
Chương 2: Tổng quan

Trang 14

( />ateXBPDetailID=244&CateXBPID=1&Year=2009). Phƣơng pháp AFEX
không hiệu quả với nguyên liệu có hàm lƣợng lignin cao (Mats Galbe và
Guido Zacchi, 2007). Nổ CO
2
chi phí thấp và không hình thành chất ức chế
nhƣ trong quá trình nổ hơi và nổ amoni khi xử lý bã mía (Badal C. Saha,
2004).
Phƣơng pháp tiền xử lý sinh học: yêu cầu điều kiện sinh trƣởng cho vi
sinh vật, không gian và thời gian tiền xử lý.
Bảng 2.4 cho thấy ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng pháp tiền xử lý vật
liệu lignocellulose.
Bảng 2.4: Các phƣơng pháp tiền xử lý lignocellulose (Mohammad J.
Taherzadeh và Keikhosro Karimi, 2008)
Phƣơng
pháp
Quy trình
Ứng dụng
nghiên
cứu
Tính chất

nguyên liệu thay
đổi
Ghi chú
Vật lý
Nghiền
1. Nghiền bi
2. Nghiền hai trục
3. Nghiền búa
4. Nghiền keo
5. Nghiền vibro
energy
Chiếu xạ
6. Tia gamma
7. Tia điện tử
8. Vi sóng
Phương pháp khác
9. Thủy nhiệt
10. Hơi nƣớc áp suất
cao
11. Expansion
12. Extrusion
Ethanol và
biogas
 Tăng diện
tích bề mặt tiếp
xúc và lỗ xốp
 Giảm độ
kết tinh cellulose
 Giảm độ
trùng hợp

 Hầu
hết yêu cầu
năng lƣợng
cao.
 Hầu
nhƣ các
phƣơng pháp
không thể loại
bỏ lignin.
 Không
sử dung rộng
rãi trong sản
xuất công
nghiệp.
 Không
sử dụng hóa
chất
Chương 2: Tổng quan

Trang 15

13. Nhiệt phân
Hóa học
và hóa
lý
Nổ hơi
Kiềm
1. NaOH
2. Amonia
3. Amonium sulfite

Acid
4. H
2
SO
4

5. HCl
6. H
3
PO
4

Khí
7. Chlorine dioxide
8. Nitrogen dioxide
9. Sulfur dioxide
Chất oxy hóa
10. H
2
O
2

11. Oxy hóa ƣớt
12. Ozone
Dung môi chiết tách
lignin
Chất trương nở
Ethanol và
biogas

 Tăng diện
tích bề mặt tiếp
xúc.
 Loại một
phần hoặc gần
nhƣ hoàn toàn
lignin.
 Giảm độ
kết tinh cellulose.
 Giảm độ
trùng hợp.
 Đƣờng hóa
một phần hoặc
gần nhƣ hoàn toàn
hemicellulose.
 Có
hiệu quả và
khả năng ứng
dụng trong
công nghiệp.
 Xử lý
nhanh.
 Điều
kiện phản ứng
khắc nghiệt.
 Yêu
cầu sử dụng
hóa chất.
Sinh
học

Nấm hoặc Actinomycetes
Ethanol và
biogas
 Loại
lignin.
 Giảm độ
trùng hợp.
 Đƣờng hóa
một phần
hemicellulose,
cellulose.
 Chi
phí năng
lƣợng thấp.
 Không
yêu cầu hóa
chất.
 Điều
kiện ôn hòa.
 Tốc độ
xử lý chậm.
 Không
ứng dụng
thƣơng mại.
Chương 2: Tổng quan

Trang 16


Hướng phát triển trong tương lai của quá trình tiền xử lý

i) Giảm sử dụng hóa chất để không gây hại môi trƣờng.
ii) Tận dụng những loại sản phẩm phụ của quá trình để tăng tính kinh tế cho
quá trình sản xuất bioethanol.
iii) Tận dụng hemicellulose cho sản xuất bioethanol và sử dụng lignin làm
nhiên liệu đốt hoặc là nguồn tổng hợp các chất khác.
iv) Loại bỏ hoàn toàn lignin để chỉ còn hemicellulose và cellulose lên men
đồng thời thành bioethanol.
2.3.1.3. Phương pháp tiền xử lý sinh học
Sử dụng vi sinh vật phân hủy lignin tạo điều kiện cho enzyme thủy phân
nguyên liệu lignocellulose trong quá trình đƣờng hóa. Phƣơng pháp này thân
thiện môi trƣờng, tiêu tốn ít năng lƣợng nhƣng thời gian tiến hành dài, ít nhất
10-14 ngày (R. P. Chandra và cs, 2007)
Trong tự nhiên, sự phân hủy lignin hiệu quả trong quá trình làm mục gỗ
xảy ra chủ yếu nhờ nấm đảm (nấm mục trắng, nấm mục nâu). Nhiều loại nấm
mục trắng tấn công đồng thời lignin, hemicellulose và cellulose trong khi một
số loại nấm mục trắng khác ƣu tiên hoạt động trên lignin theo kiểu chọn lọc.
Ví dụ nhƣ: trong khi Ceriporiopsis subvermispora, Phlebia spp. ,
Physisporinus rivulosus và Dichomitus squalens tấn công chọn lọc lignin thì
Trametes versicolor, Heterobasidium annosum, Phanerochaete
chrysosporium và Irpex lacteus tấn công toàn bộ thành phần vách tế bào. Ứng
dụng các giống phân hủy chọn lọc lignin có ý nghĩa khi loại lignin và thu
nhận cellulose trong quy trình thu nhận bột giấy sinh học và cung cấp
carbohydrate không đƣợc bảo vệ cho các ứng dụng sau (thức ăn gia súc hoặc
cơ chất cho sản xuất nhiên liệu sinh học). Ví dụ điển hình phải kể đến là
C. subvermispora thiếu cellulase đƣợc chọn lọc cho quy trình sản xuất bột
giấy sinh học (Mehdi Dashtban và cs, 2010).
Chương 2: Tổng quan

Trang 17

Khác biệt với nấm mục trắng, nấm mục nâu nhƣ Postia placenta,
Laetiporus portentosus, Piptoporus betulinus và Gloeophyllum trabeum, có
thể phân hủy carbohydrate gỗ nhƣng lignin không bị oxy hóa.
Nấm nang hầu hết có thể phân hủy cellulose và hemicellulose, quá trình
chuyển hóa lignin bị giới hạn. Nấm bệnh hại cây trồng nhƣ Fusarium solani f.
sp. glycines có thể phân hủy lignin bằng việc sản xuất laccase and lignin
peroxidase.
2.3.2. Ảnh hưởng nhiệt độ, pH
Tốc độ phản ứng thủy phân tăng theo nhiệt độ, tuy nhiên đến một nhiệt độ
nhất định, tốc độ phản ứng sẽ giảm dần và đến mức triệt tiêu. Khi ở nhiệt độ 0
o
C,
enzyme bị hạn chế hoạt động rất mạnh, nhƣng khi đƣa nhiệt độ lên từ từ, hoạt tính
của enzyme sẽ tăng dần đều đến mức tối ƣu. Nếu đƣa nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tối
ƣu, hoạt tính enzyme sẽ bị giảm, khi đó enzyme không có khả năng phục hồi hoạt
tính.
pH môi trƣờng thƣờng ảnh hƣởng đến mức độ ion hóa cơ chất, enzyme và đặc
biệt ảnh hƣởng đến độ bền của enzyme. Chính vì thế pH có ảnh hƣởng rất mạnh
đến phản ứng của enzyme (Nguyễn Đức Lượng và cs, 2006).
Đối với enzyme cellulase chiết tách từ các giống nấm, Riêng đối với enzyme
cellulase, nhiệt độ tối ƣu là 50
o
C ± 5
o
C.khoảng pH thích hợp là 4 – 5 (Mats Galbe
và Guido Zacchi, 2007)
2.3.3. Ảnh hưởng nồng độ enzyme, nồng độ cơ chất
Phụ thuộc vào phƣơng pháp tiền xử lý, yếu tố cơ chất hay enzyme sẽ có ảnh
hƣởng nhiều hơn yếu tố còn lại (R. P. Chandra và cs, 2007).
Có thể đƣờng hóa bằng acid hoặc enzyme. Đƣờng hóa bằng acid ở nhiệt độ

cao phân hủy hóa học cellulose. Phƣơng pháp này mắc tiền, chậm và không hiệu
quả. Hiệu suất lên men giảm vì phƣơng pháp này giải phóng nhiều chất ức chế nhƣ
acid yếu, HMF, furfuran, và các hợp chất phenolic. Có thể khắc phục vấn đề này
bằng vi sinh vật và enzyme. Một vài loài nấm chịu nhiệt nhƣ Sporotrichum
thermophile, Thermoascus aurantiacus và Thielavia terrestris có ƣu điểm chuyển
hóa sinh học lignocellulose thành đƣờng, có khả năng đƣợc sử dụng ở quy mô
công nghiệp. Áp dụng các loài nấm chịu nhiệt ở quy mô công nghiệp cũng cho
phép tiết kiệm năng lƣợng (vì bỏ qua chi phí làm lạnh nếu tiền xử lý nổ hơi) và tốc
độ đƣờng hóa cũng đƣợc cải thiện. Hoạt tính cellulases sản xuất ở vi sinh vật chịu
Chương 2: Tổng quan

Trang 18

nhiệt nhƣ S. thermophile thƣờng thấp so với Trichoderma reesei (Mehdi Dashtban
và cs, 2009).
Cellulases bao gồm endoglucanases, exoglucanases (cellobiohydrolases), β-
glucosidases (cellobiases). Cellulases có thể thu nhận từ nấm và vi khuẩn. 1976,
hơn 14000 loài nấm biểu hiện khả năng này đƣợc phân lập và chỉ một vài trong số
này đƣợc nghiên cứu kỹ lƣỡng (Mehdi Dashtban và cs, 2010). Hầu hết các giống
nấm sản xuất và tiết nhiều enzyme có hoạt động phụ trợ hệ lignocellulolytic vào
môi trƣờng, góp phần phân hủy chất thải lignocellulose trong tự nhiên.
Sự phân hủy biomass lignocellulose bao gồm sự tạo thành polysaccharide
mạch dài, chủ yếu gồm cellulose và hemicellulose và sau đó thủy phân các
polysaccharide này thành các đƣờng 5- và 6- carbon. Trong sản xuất nhiên liệu
sinh học, các loại đƣờng này lại tiếp tục đƣợc chuyển hóa thành ethanol qua quá
trình lên men.
Cấu trúc tự nhiên của lignocellulose tạo ra nhiều cản trở đến quá trình tấn
công của các enzyme. Ngay cả quá trình thủy phân cellulose tinh khiết, tốc độ thủy
phân cũng giảm theo thời gian. Tốc độ phản ứng giảm dần theo thời gian vì một số
lý do sau: sự ức chế enzyme do sản phẩm, sự giảm của các phần cơ chất dễ thủy

phân, enzyme bị bất hoạt hoặc bị giữ lại trong các lỗ xốp của cellulose. Khả năng
tiếp cận vật liệu lignocellulosic của cellulases đóng vai trò quan trọng trong quá
trình thủy phân. Nếu cellulose không đƣợc tiền xử lý, hiệu quả thủy phân thấp. Xử
lý loại bỏ hemicelluose và lignin sẽ làm tăng khả năng thủy phân cellulose.
Sản xuất cellulases quan trọng vì việc thủy phân cellulose có hiệu quả cần
một lƣợng lớn enzyme cellulases (1kg cellulase cho 50 kg cellulose). Giá của
enzyme này khá cao 0.3 – 0.81 dollar/gam. Hiện nay, yêu cầu cụ thể đặt ra với
enzyme là cellulase có giá thành rẻ, hoạt tính đặc hiệu cao, độ ổn định cao, chịu
đƣợc pH và nhiệt độ (Charles E.Wyman, 1996).
Enzyme cellulases là hệ enzym khá phổ biến ở hầu hết các loài vi sinh vật có
trong tự nhiên, bao gồm nấm mốc, xạ khuẩn và cả vi khuẩn. Trong khuôn khổ luận
văn này, chỉ sử dụng Aspergillus Niger và Trichoderma reesei để sản xuất chế
phẩm cellulases.
Khi nồng độ enzyme tăng, tốc độ phản ứng tăng theo đƣờng thẳng. Tuy nhiên,
khi nồng độ enzyme đạt đến một ngƣỡng nào đó, nồng độ cơ chất sẽ trở thành yếu