Nghiên cứu quá trình tiền sử lý lõi bắp để sản xuất bioethanol

i



LỜI CẢM ƠN
Trƣớc tiên em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đức Lƣợng đã giúp em tiếp cận
vời đề tài này và nhiệt tình chỉ dẫn để em có thể hoàn thành luận văn của mình.
Em xin cảm ơn các thầy, cô trong Bộ môn Công nghệ Sinh học đã tận tình chỉ dạy
và truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt thời gian qua tạo điều kiện cho em đƣợc
học hỏi, trau dồi kiến thức để hoàn thành phần luận văn này.
Em xin cảm ơn gia đình đã luôn ủng hộ và tạo điều kiện tốt nhất giúp em hoàn
thành tốt những năm học của mình.
Cảm ơn các anh chị ở phòng thí nghiệm đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em thực
hiện luận văn của mình.
Xin cảm ơn tất cả các bạn lớp HC06BSH đã luôn ở bên cạnh và đồng hành cùng
em trong suốt những năm học qua.
Em xin chân thành cảm ơn!
Nguyễn Phƣơng Thảo






ii

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH v

DANH MỤC BẢNG vii
CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN 3
2.1. Giới thiệu về các phế liệu nông nghiệp 3
2.2. Tình hình sử dụng phế liệu nông nghiệp trong sản xuất bioethanol trong nƣớc và
thế giới 5
2.2.1. Tình hình sản xuất trên thế giới 6
2.2.2. Tình hình sản xuất ở Việt Nam 8
2.3. Phƣơng pháp tiền xử lý nguyên liệu lignocellulose trong sản xuất bioethanol 9
2.3.1. Giới thiệu về nguyên liệu lignocellulose 9
2.3.2. Cấu trúc lignocellulose 10
2.3.3. Các phƣơng pháp tiền xử lý nguyên liệu lignocellulose 13
2.4. Quá trình đƣờng hóa 19
2.4.1. Giới thiệu enzyme cellulase 19
2.4.2. Cấu trúc enzyme cellulase 20
2.4.3. Cơ chế tác dụng của enzyme 20
2.4.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình đƣờng hóa 21
2.5. Quá trình lên men rƣợu (Ethanol) 22
2.5.1. Bản chất của quá trình lên men 22
2.5.2. Vi sinh vật sử dụng trong lên men rƣợu 23
2.5.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình lên men 26


iii

2.6. Tính chất hóa lý của lõi bắp 28
2.6.1. Cấu tạo 29
2.6.2. Tính chất 29
2.7. Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất bioethanol từ lõi bắp 31
CHƢƠNG 3: VẬT LIỆU – PHƢƠNG PHÁP 32

3.1. Vật liệu 32
3.1.1. Đối tƣợng nghiên cứu 32
3.1.2. Hóa chất – dụng cụ - thiết bị 32
3.1.3. Môi trƣờng nuôi cấy 33
3.2. Phƣơng pháp nghiên cứu 34
3.2.1. Kiểm tra giống 34
3.2.2. Khảo sát khả năng lên men đƣờng glucose của nấm men S.cerevisiae 35
3.2.3. Tiền xử lý lõi bắp và lên men 35
3.2.4. Các phƣơng pháp kiểm tra 36
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ - BÀN LUẬN 40
4.1. Phân lập, kiểm tra giống 40
4.1.1. Kiểm tra hình thái tế bào 40
4.1.2. Xây dựng đƣờng chuẩn sinh khối 41
Để xác định đƣợc mối quan hệ giữa mật độ tế bào và giá trị OD tƣơng ứng ta tiến
hành xây dựng đƣờng chuẩn thể hiện mối quan hệ đó. 41
4.1.3. Đƣờng cong sinh trƣởng của nấm men 42
4.2. Khảo sát khả năng lên men đƣờng glucose 43
4.2.1. Khảo sát tỷ lệ giống 43
4.2.2. Khảo sát thời gian lên men 45


iv

4.2.3. Khảo sát nồng độ đƣờng 46
4.3. Độ acid toàn phần 47
4.3.1. Theo mật độ giống 47
4.3.2. Theo nồng độ đƣờng 48
4.4. Tiền xử lý và lên men dịch lõi bắp 49
4.4.1. Đƣờng chuẩn đƣờng tổng 49
4.4.2. Độ cồn 50

CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 51
5.1. Kết luận 51
5.2. Đề nghị 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO 53
PHỤ LỤC 57


v

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Một số phế liệu nông nghiệp 3
Hình 2.2: Mối quan hệ giữa các thành phần trong lignocellulose 10
Hình 2.3: Cấu tạo hóa học của cellulose 11
Hình 2.4: Cấu trúc của hemicellulose 12
Hình 2.5: Các đơn vị cấu tạo của lignin 13
Hình 2.6: Tiền xử lý lignocellulose trong sản xuất ethanol 14
Hình 2.7: Sơ đồ quá trình lên men từ glucose 23
Hình 2.8: S.cerevisiae 23
Hình 2.9: Cấu tạo tế bào nấm men 25
Hình 2.10: Sự nảy chồi và hình thành bào tử túi ở S.cerevisiae 26
Hình 2.11: Mặt cắt ngang của lõi bắp 29
Hình 2.12: Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất ethanol từ lõi bắp 31
Hình 4.1: Dịch nhân giống nấm men sau 48h và tế bào nấm men 40
Hình 4.2: Khuẩn lạc S.cerevisiae 41
Hình 4.3: Đƣờng chuẩn biễu diễn mối quan hệ giữa OD và mật độ tế bào 42
Hình 4.4: Đƣờng cong sinh trƣởng của nấm men 42
Hình 4.5: Dịch đƣờng sau lên men 43
Hình 4.6: Đồ thị biểu diễn độ cồn theo tỷ lệ giống 44

vi

Hình 4.7: Đồ thị biểu diễn độ cồn theo thời gian lên men 45
Hình 4.8: Đồ thị biểu diễn độ cồn theo nồng độ đƣờng 46
Hình 4.9: Đồ thị giữa độ acid toàn phần và tỷ lệ giống. 47
Hình 4.10: Đồ thị giữa nồng độ đƣờng và độ acid tổng. 48
Hình 4.11: Đƣờng chuẩn đƣờng tổng 49
Hình 4.12: Độ cồn theo thời gian tiền xử lý 50
















vii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Các nguồn sinh khối chính ở Việt Nam năm 2000 5
Bảng 2.2: Các khu vực tiềm năng trong sản xuất bioethanol 6
Bảng 2.3: Các thành phần của lignocellulose trong các loại phế liệu nông nghiệp 9

Bảng 2.4: Tóm tắt ƣu, nhƣợc điểm của các phƣơng pháp tiền xử lý lignocellulose 19
Bảng 2.5: Các thành phần lignocellulose trong lõi bắp theo khối lƣợng khô 30
Bảng 2.6: Mật độ năng lƣợng của lõi bắp so với các nhiên liệu khác 30
Bảng 4.1: Mối quan hệ giữa mật độ tế bào và OD 41
Bảng 4.2: Ảnh hƣởng của % nấm men 43
Bảng 4.3: Ảnh hƣởng của thời gian lên men đến độ cồn 45
Bảng 4.4: Ảnh hƣởng nồng độ đƣờng đến quá trình lên men 46
Bảng 4.5: Độ acid toàn phần theo mật độ giống 47
Bảng 4.6: Độ acid toàn phần theo nồng độ đƣờng 48
Bảng 4.7: Hàm lƣợng đƣờng theo thời gian xử lý 49
Bảng 4.8: Độ cồn thu đƣợc theo từng mẫu. 50

CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU

1

CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU
Hiện nay, các sản phẩm từ dầu mỏ vẫn là nguồn cung cấp nhiên liệu chính cho xã
hội và đã đóng góp rất nhiều vào sự phát triển của nền kinh tế thế giới. Cùng với sự phát
triển của xã hội nhu cầu sử dụng dầu mỏ ngày càng cao trong khi trữ lƣợng của chúng
ngày một giảm, đồng thời thế giới đang phải đối mặt với 3 vấn đề quan trọng đó chính là
giá nhiên liệu tăng cao đột ngột, khí hậu thay đổi và không khí bị ô nhiễm. Vì vậy việc
tìm ra một loại nhiên liệu mới để thay thế cho các loại nhiên liệu hiện thời là một vấn đề
hết sức cấp bách, có rất nhiều loại nhiên liệu thay thế đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng,
trong đó nhiên liệu sinh học đã cơ bản giải quyết đƣợc các vấn đề trên. Đây là một nguồn
năng lƣợng sạch, có khả năng tái tạo, đặc biệt giúp làm giảm lƣợng khí thải gây hiệu ứng
nhà kính, và đƣợc nhiều nƣớc trên thế giới coi là “giải pháp xanh”.
Cùng với biodiesel, bioethanol là một nhiên liệu sinh học đang đƣợc sử dụng rông
rãi trên thế giới. Tuy nhiên trong thời gian này bioethanol chủ yếu đƣợc sản xuất từ các
loại cây lƣơng thực, điều này lại gây ra những vấn đề tranh cãi về việc đảm bảo nguồn

lƣơng thực cho toàn cầu và mối lo ngại về việc phá rừng để trồng cây phục vụ sản xuất
nhiên liệu sinh học lại làm tăng lƣơng CO
2
gây hiệu ứng nhà kính. Vì vậy những nghiên
cứu gần đây hƣớng đến việc tìm ra những nguồn nguyên liệu mới cho việc sản xuất
bioethanol. Nhiều quốc gia trên thế giới đang nghiên cứu việc sản xuất bioethanol từ phế
phẩm nông nghiệp nhƣ bã mía, rơm rạ, vỏ trấu, lõi bắp, bã khoai mì…những nguồn
nguyên liệu này đƣợc cho là đầy triển vọng cho sản xuất bioethanol.
Việt Nam là một đất nƣớc sản xuất nông nghiệp lâu đời, ngoài cây lƣơng thực
chính là lúa thì bắp cũng là một loại cây trồng rất phổ biến với sản lƣợng khoảng 4.5 triệu
tấn/ năm. Tuy nhiên chỉ có hạt bắp đƣợc sử dụng cho nhu cầu dinh dƣỡng trong khi một
lƣợng lớn phế phẩm từ cây bắp (thân, lá, lõi) vẫn chƣa đƣợc tận dụng. Đặc biệt lõi bắp
thƣờng rất lớn sau khi tách hạt (100 kg trái bắp thu đƣợc khoảng 18 kg lõi bắp) vẫn chƣa
đƣợc sử dụng hợp lý. Vì vậy đề tài này nghiên cứu đến việc sử dụng nguồn lõi bắp để sản
xuất bioethanol. Nhiệm vụ của luận văn là “Nghiên cứu quá trình tiền sử lý lõi bắp để sản
xuất bioethanol”. Qua đề tài này cung cấp cho chúng ta những cơ sở dữ liệu về quá trình
CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU

2

xử lý các nguồn phế phẩm nông nghiệp (lõi bắp) để sản xuất bioethanol bằng con đƣờng
sinh hóa góp phần tận dụng triệt để nguồn phế phẩm nông nghiệp. Nhiệm vụ của luận văn
bao gồm:
 Tổng quan về các phƣơng pháp tiền xử lý lõi bắp
- Tiền xử lý bằng vật lý
- Tiền xử lý bằng phƣơng pháp hóa học
- Tiền xử lý bằng phƣơng pháp sinh học
 Khảo sát khả năng lên men đƣờng bởi S.cerevisiae
- Khảo sát tỷ lệ giống, nồng độ đƣờng, thời gian lên men.
- Độ acid toàn phần theo tỷ lệ giống, thời gian lên men và nồng độ đƣờng.

 Tiền xử lý lõi bắp và lên men dịch lõi bắp.
- Lõi bắp đƣợc tiền xử lý bằng phƣơng pháp sinh học, đƣờng hóa và tiến hành lên
men trong điều kiện lên men tối ƣu của nấm men.










CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN

3

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1. Giới thiệu về các phế liệu nông nghiệp
Hiện nay các nguồn phế liệu nông nghiệp đang đƣợc quan tâm chú ý đến bao gồm:
bã mía, rơm rạ, lõi ngô, bã khoai mì, vỏ trấu, vỏ café…chúng có thể đƣợc sử dụng làm
thức ăn cho gia súc, phân bón hay nguyên liệu cho ngành công nghiệp. Gần đây các
nguồn nguyên liệu này đƣợc cho là có tiềm năng trong việc sản xuất nhiên liệu sinh học.
Đây là nguồn nguyên liệu lignocellulose rẻ tiền, khối lƣợng lớn, không có tính cạnh tranh
với lƣơng thực thế giới và việc đốt bỏ hay thải bỏ các nguồn nguyên liệu này không gây
ảnh hƣởng xấu đến môi trƣờng, đồng thời giúp cho việc tái sử dụng nguồn phế liệu một
cách hiệu quả nhất.


Hình 2.1: Một số phế liệu nông nghiệp [36].

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN

4

Lignocellulose là nguồn sinh khối phong phú nhất trên trái đất và có khả năng tái tạo;
sản lƣợng hàng năm trên toàn thế giới của nó đƣợc ƣớc tính vào khoảng 1010 triệu tấn.
Sự chuyển đổi về mặt sinh học của các nguồn nguyên liệu lignocellulose khác nhau nhƣ
rừng và các bộ phận nông nghiệp, hay mùa màng thu hoạch lignocellulose phục vụ cho
sản xuất cồn mang lại nhiều lợi ích [26]. Hằng năm trên thế giới có khoảng 204 triệu tấn
phế liệu khô đƣợc thải ra sau quá trình thu nhận sản phẩm chính (hạt ngũ cốc, sắn…) [32].
Rơm lúa là một trong những nguồn nguyên liệu lignocellulose phong phú nhất thế
giới, sản lƣợng hàng năm ƣớc tính khoảng 731 triệu tấn mà điển hình ở một số khu vực
sau: Châu Phi 20.9 triệu tấn, Châu Á 667.6 triệu tấn, Châu Âu 3.9 triệu tấn, Châu Mỹ 37.2
triệu tấn và Châu Đại Dƣơng là 1.7 triệu tấn. Một lƣợng lớn rơm rạ này có tiềm năng sản
xuất 205 tỷ lít bioethanol/năm [22].
Ở Mỹ phế thải từ bắp và lúa mì chiếm tỷ lệ nhiều nhất, khoảng 96% tổng lƣợng
sinh khối. Lƣợng phế thải tử lúa mì đƣợc xác định dựa trên sản lƣợng trung bình của năm
2004, 2005 vào khoảng 235,800 tấn, đây đƣợc xem là nguồn phế liệu nông nghiệp lý
tƣởng cho sản xuất giấy và các sản phẩm giấy, lƣợng phế thải từ ngô vào khoảng 251,438
tấn một phần nhỏ đƣợc sử dụng làm thức ăn cho chăn nuôi. Còn tại Canada vào năm 2000
chỉ riêng lƣợng rơm rạ từ cây lúa mì chiếm khoảng 17.6 triệu tấn/ tổng lƣợng phế thải
nông nghiệp [22].
Brazil là nƣớc trồng mía lớn nhất với 495 tỉ tấn/ năm, sau khi nghiền và ép lấy
nƣớc một lƣợng bã mía đáng kể đƣợc thải ra. Trong sản xuất đƣờng khoảng 270 – 280 kg
bã mía (độ ẩm 50%) đƣợc thải ra cho mỗi mét tấn mía và ƣớc tính hằng năm ở Brazil có
khoảng 186 triệu tấn bã mía [27].
Hoạt động nông nghiệp ở Việt Nam hàng năm thải ra hàng triệu tấn phế thải nông
nghiệp, theo ƣớc tính vào năm 2007 tổng số sản phẩm trong nông nghiệp tạo ra trên 50
triệu tấn thì trong đó phế phẩm nông nghiệp chiếm khoảng 10 triệu tấn nhƣng nhìn chung
chúng vẫn chƣa đƣợc sử dụng hợp lý. Trƣớc đây các phế thải này thƣờng đƣợc sử dụng

để đun nấu hay một số loại thì làm thức ăn cho chăn nuôi. Tuy nhiên do đời sống ngày
càng phát triển nên nguồn phế liệu này không còn đƣợc sử dụng nhƣ trƣớc mà chủ yếu là
đƣợc đốt bỏ.
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN

5

Bảng 2.1: Các nguồn sinh khối chính ở Việt Nam năm 2000 [9].
STT
Sinh khối
Lƣợng
(triệu tấn)
Năng lƣợng chứa đựng
(GJ)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Gỗ thải từ nhà máy cƣa
Gỗ đốt
Rác thải rắn
Rơm

Trấu
Vỏ bắp
Bã khoai mì
Phế phẩm cây mía
Bã mía
Vỏ đậu
Xơ và lá dừa
Vỏ hạt cafe
3,1
12,4
0,015
61,9
5,6
4,8
0,6
1,5
5,0
0,1
5,8
0,3
35,960
186,000
57
866,600
63,840
60,000
7,500
18,750
36,050
1,250

104,400
4,670
2.2. Tình hình sử dụng phế liệu nông nghiệp trong sản xuất bioethanol trong
nƣớc và thế giới
Trƣớc đây bioethanol thƣờng đƣợc sản xuất từ các loại nguyên liệu quen thuộc nhƣ
đƣờng, tinh bột…Tuy nhiên với tình hình hiện nay những nghiên cứu gần đây đang
hƣớng đến việc sử dụng nguồn phế liệu nông nghiệp có bản chất là lignocellulose để sản
xuất bioethanol. Đây là một nguồn nguyên liệu dồi dào nhƣng chƣa đƣợc tận dụng triệt để
vì thế con đƣờng này nhằm tái sử dụng các nguồn phế liệu một cách hiệu quả, bên cạnh
đó giúp hạn chế đƣợc sự cạnh tranh nguồn đất dùng cho sản xuất thực phẩm. Chính vì thế
một số nƣớc trên thế giới và cả Việt Nam đang dần quan tâm và chú ý đến nguồn nguyên
liệu này.

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN

6

Theo ƣớc tính nguồn sinh khối lignocellulose có thể sản xuất đƣợc 442 tỉ lít
bioethanol/năm, vì thế tổng tiềm năng sản xuất bioethanol từ phế thải của các vụ mùa và
các chất thải của cây trồng là 49 tỷ lít/năm, cao gấp 16 lần so với sản xuất bioethanol hiện
thời [10].
2.2.1. Tình hình sản xuất trên thế giới
Việc sản xuất và sử dụng bioethanol ở một số nƣớc trên thế giới đã phát triển từ rất
sớm, không những thế đây còn là xu thế phát triển tất yếu của nhiều quốc gia trên toàn
cầu, việc sử dụng bioethanol đã giúp làm giảm sự ảnh hƣởng vào nhiên liệu hóa thạch. Vì
thế luôn có những nghiên cứu về sản xuất bioethanol từ các nguồn nguyên liệu mới trong
đó có phế liệu nông nghiệp.
Bảng 2.2: Các khu vực tiềm năng trong sản xuất bioethanol [18].
Khu vực
Tiềm năng sản xuất bioethanol

(GL)
Tổng
lƣợng
bioethanol
(GL)
Lƣợng xăng
dầu tƣơng
đƣơng (GL)
Từ vỏ
trấu
Từ gạo thay
thế bởi DDGS
Từ rơm rạ
Châu Phi
Châu Á
Châu Âu
Bắc Mỹ
Trung Mỹ
Châu Đại Dƣơng
Nam Mỹ
Toàn thế giới
1.40
4.41
0.71
0.14
0.78
0.01
1.86
9.3
0.77

2.41
0.39
0.08
0.428
0.004
1.01
5.08
-
9.75
8.23
38.4
-
0.07
2.07
58.6
2.17
16.6
9.32
38.7
1.21
0.08
4.94
73.0
1.56
11.9
6.7
27.8
0.87
0.06
3.55

52.4

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN

7

Các phế thải nông nghiệp sử dụng cho việc sản xuất bioethanol lần đầu tiên tại
Canada bao gồm lõi bắp, rơm từ các loại cây ngũ cốc hay rơm từ cây lúa mì. Hiện nay ở
Ottawa ngƣời ta sử dụng rơm từ cây lúa mì cho sản xuất ethanol trong khi ở Ontario sử
các phế liệu từ cây ngũ cốc bao gồm lõi bắp và rơm rạ. Giá trị của các phế liệu nông
nghiệp ở các bang cơ bản đã đƣợc xác định. [21]
Tại Rio de Janeriro (Brazil), Elba P.S. Bon và Maria Antonieta Ferrara đã tiến hành
nghiên cứu quá trình sản xuất bioethanol từ sinh khối bằng cách thủy phân bởi enzyme
[12]. Đặc biệt gần đây tại Sao Paulo (Brazil), nhóm nghiên cứu gồm Marcia A. Ribeiro,
Vanessa M. Cardoso, Manoel N. Mori, Jaime Finguerut, Celia M. A. Galvao và Celina L.
Duarte đã tiến hành nghiên tận dụng nguồn bã mía để sản xuất bioethanol dùng phƣơng
pháp tiền xử lý bằng chiếu xạ điện tử [23].
Tại Malaysia, A.B.M.S. Hossain, A.A. Saleh, S. Aishah, A.N. Boyce, P.P.
Chowdhury và M. Naquiddin cũng đã tiến hành nghiên cứu sản xuất bioethanol từ các
loại phế phẩm nông nghiệp của tảo, cây ăn quả, cá, gà. Kết quả nghiên cứu cho thấy quá
trình hiệu quả hơn khi dùng phụ phẩm của cây dứa so với phụ phẩm của tảo và cá [16].
Tại trƣờng đại học Michigan (Mỹ), quy trình AFEX (quy trình thủy phân amoni) đã
đƣợc cấp bằng sáng chế về xử lý sơ bộ phế thải của ngô trƣớc khi chuyển hóa thành
bioethanol có thể giúp làm giảm chi phí sản xuất nhiên liệu sinh học này từ cellulose. Quy
trình dựa trên cơ sở sử dụng amoni để phân hủy cellulose và hemicellulose trong thực vật
với hiệu quả cao hơn 75% so với khi chỉ sử dụng các enzyme truyền thống. Nghiên cứu
cho biết, ta có thể sử dụng quy trình AFEX để xử lý sơ bộ phế thải của cây ngô (lõi bắp,
thân cây và lá ngô), sau đó thủy phân và lên men để tạo ra ethanol mà không cần bổ sung
các thành phần dinh dƣỡng vào phối liệu lên men [40].
Các nhà khoa học của Mỹ vừa tuyên bố đã nghiên cứu thành công quy trình kỹ

thuật sản xuất bioethanol với khối lƣợng lớn nhƣng không cần dùng nguyên liệu là những
loại cây lƣơng thực mà là từ cỏ, thậm chí từ những bãi phế liệu.
Ở Trung Quốc công nghệ sản xuất ethanol từ nguồn cellulose đang đƣợc nghiên
cứu và đã có nơi sản xuất đạt 600 tấn/năm.

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN

8

2.2.2. Tình hình sản xuất ở Việt Nam
Việc sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học là một vấn đề mới đối với Việt Nam.
Hiện nay Việt Nam đang từng bƣớc tiếp cận với công nghệ sản xuất loại nhiên liệu này và
đang áp dụng thí điểm tại một số tỉnh thành.
Ở Việt Nam do hoạt động sản xuất là chính nên nguồn phế liệu nông nghiệp rất dồi
dào nhƣng vẫn chƣa đƣợc tận dụng hợp lý và triệt để, việc sản xuất nhiên liệu sinh học từ
các phế liệu này chƣa đƣợc áp dụng sản xuất với quy mô lớn, bƣớc đầu chỉ là những
nghiên cứu nhƣng đã cho thấy có tiềm năng từ nguồn nguyên liệu này.
Nhóm nghiên cứu đề tài Biomass, xử lý phế phẩm nông nghiệp, do TS. Phan Đình
Tuấn, trƣờng đại học Bách khoa TP.HCM phụ trách. Biomass là đề tài của nghiên cứu
công nghệ xử lý các phế phẩm trong sản xuất nông nghiệp nhƣ rơm, rạ, trấu… nhằm sản
xuất bioethanol (cồn nguyên liệu), tiến tới xây dựng mô hình “Thị trấn Biomass” tại xã
Thái Mỹ, huyện Củ Chi, TP.HCM [39].
Trung tâm khuyến công tỉnh Đồng Nai phối hợp với Đại học Nông Lâm TP. HCM
vừa chuyển giao công nghệ sản xuất bioethanol từ trái điều phế phẩm cho 120 hộ trồng
điều ở huyện Cẩm Mỹ để sản xuất bioethanol. Theo công nghệ này, mỗi tấn trái điều sau
khi lấy hạt đƣa vào xử lý chƣng cất sẽ thu đƣợc 80 lít bioethanol 80 độ.
Trong khoảng thời gian tháng 04/2007 – tháng 12/2009, PGS.TS Vũ Nguyên
Thành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu công nghệ và hệ thống thiết bị sản xuất bioethanol
nhiên liệu từ phế phụ phẩm nông nghiệp (biomass)” với mục tiêu thiết kế đƣợc quy trình
công nghệ sản xuất bioethanol nhiên liệu từ phế phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ, lõi ngô,

thân gỗ, bã mía…) và mô hình hệ thống thiết bị sản xuất bioethanol nhiên liệu từ phế phụ
phẩm nông nghiệp nhằm triển khai áp dụng tại các cơ sở sản xuất [12].
Nhóm nghiên cứu thuộc Viện Sinh học nhiệt đới vừa thành công trong việc sản
xuất cồn từ bã khoai mì, cứ 15 kg bã khoai mì sẽ sản xuất đƣợc 1 lít cồn 95,4%, điều này
mang lại nhiều hứa hen về việc làm giảm giá cồn nhiên liệu đồng thời giảm ô nhiễm môi
trƣờng do việc phơi bã khoai mì gây ra.

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN

9

2.3. Phƣơng pháp tiền xử lý nguyên liệu lignocellulose trong sản xuất bioethanol
2.3.1. Giới thiệu về nguyên liệu lignocellulose
Trong tự nhiên lignocellulose có chứa nhiều trong các nguyên liệu nhƣ gỗ cứng. gỗ
mềm, cây thân cỏ và các phế liệu nông nghiệp…Trong các phế phẩm nông nghiệp
lignocellulose chủ yếu ở dạng phế phẩm của các vụ mùa, trong sản phẩm phụ của ngành
công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy và trong các rác thải rắn của thành phố
Lignocellulose là một cơ chất phức tạp hơn so với tinh bột, đây là một hỗn hợp của các
polymer cacbohydrate (gồm cellulose và hemicellulose) và lignin. [20]
Bảng 2.3: Các thành phần của lignocellulose trong các loại phế liệu nông nghiệp [19].
Vật liệu lignocellulose
Cellulose
(%)
Hemicellulose
(%)
Lignin
(%)
Các loại cây gỗ cứng
Các loại cây gỗ mềm
Vỏ quả

Lõi bắp
Cây thân cỏ
Giấy
Rơm từ cây lúa mì
Các loại chất thải
Lá cây
Hạt bông
Giấy báo
Bột giấy
40 – 55
45 – 50
25 – 30
45
25 – 40
85 – 99
30
60
15 – 20
80 – 95
40 – 55
60 – 70
24 – 40
25 – 35
25 – 30
35
35 – 50
0
50
20
80 – 85

5 – 20
25 – 40
10 – 20
18 – 25
25 – 35
30 – 40
15
10 – 30
0 – 15
15
20
0
0
18 – 30
5 - 10
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN

10

2.3.2. Cấu trúc lignocellulose
Cấu trúc cơ bản của lignocellulose bao gồm 3 polymer cơ bản là cellulose,
hemicellulose và lignin. Trong lignocellulose, cellulose tạo thành khung chính và đƣợc
bao bọc bởi những chất có chức năng tạo mạng lƣới nhƣ hemicellulose và chất 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-O-
methylglucuronic là các nhóm thƣờng liên kết với lignin [25].

Hình 2.2: Mối quan hệ giữa các thành phần trong lignocelluloses [17].
2.3.2.1. Cellulose
Cellulose là thành phần chính của vách tế bào thực vật, là hợp chất hữu cơ có mặt

nhiều nhất trên trái đất. Trong vách tế bào tực vật cellulose liên kết chặt chẽ với
hemicellulose và lignin, đồng thời đƣợc bao bọc bởi hemicellulose và lignin nên chính
cấu trúc đặc biệt này làm cho cellulose khá bền vững dƣới tác động của enzyme, hóa chất
[11]. Cellulose là hợp chất cao phân tử có cấu trúc mạch thẳng dạng sợi bao gồm các đơn
phân β-D-glucopyranose liên kết với nhau theo kiểu β-1-4-glycoside và chứa các gốc
glucose phân nhánh. Độ trùng hợp đạt đƣợc 3500 – 10000 DP [25].
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN

11

Mỗi phân tử cellulose đƣợc chia thành 3 vùng tƣơng ứng với khả năng hoạt động
hóa học: vùng chứa nhóm không khử, vùng giữa bao gồm các đơn vị glucose liên kết với
nhau và kết thúc bằng vùng chứa nhóm khử [24]. Cellulose không tan trong nƣớc và các
dung môi hữu cơ thông thƣờng nhƣng tan đƣợc trong một số dung dịch acid mạnh nhƣ
HNO
3
, HCl, H
2
SO
4
…và một số dung dịch muối: ZnCl
2
, PbCl
2
…

Hình 2.3: Cấu tạo hóa học của cellulose [35].
2.3.2.2. Hemicellulose
Hemicellulose liên kết giữa cellulose và lignin, bao gồm nhiều đơn phân
monosacchride khác nhau (khoảng 100 gốc đƣờng) các gốc đƣờng này liên kết với nhau

bằng liên kết β-1,4; β-1,3; β-1,6 glucoside, độ trùng hợp khoảng 70 đến 200 DP. Ngoài ra
chuỗi polymer của hemicellulose có nhiều nhánh ngắn và vô định hình vì thế
hemicellulose có thể hòa tan một phần trong nƣớc, khi hemicellulose bị thủy phân tạo
thành các monosaccharide [14].
Bộ khung chính của các chuỗi hemicellulose có thể là một homopolymer (thông
thƣờng bao gồm sự lặp lại của các đƣờng đơn) hoặc một heteropolymer (hỗn hợp của các
loại đƣờng khác nhau). Hemicellulose chứa cả đƣờng hexose (glucose, mannose,
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN

12

galactose) và đƣờng pentose (xylose và arabinose). Trong các loại đƣờng của
hemicellulose thì đƣờng xylose là quan trọng nhất [14].
Thành phần cơ bản của hemicellulose là β – D xylopyranose, liên kết với nhau
bằng liên kết β - (1,4) [31].

Hình 2.4: Cấu trúc của hemicellulose [36].
2.3.2.3. Lignin
Lignin là một phức hợp có cấu trúc phân tử lớn và là một polyphenol có mạng
không gian 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 [16].
Lignin là polymer gốc rƣợu, đƣợc cấu thành từ các đơn vị phenylpropene, vài đơn
vị cấu trúc điển hình là: guaiacyl (G), chất gốc là rƣợu trans-coniferyl; syringly (S), chất
gốc là rƣợu trans-sinapyl; p-hydroxylphenyl (H), chất gốc là rƣợu trans-p-courmary [16].
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN

13

Hình 2.5: Các đơn vị cấu tạo của lignin [35].
Cấu trúc hóa học của lignin rất dễ bị thay đổi trong điều kiện nhiệt độ cao và pH
thấp nhƣ điều kiện trong quá trình tiền xử lý bằng hơi nƣớc. Ở nhiệt độ phản ứng cao hơn
200
o
C, lignin bị kết khối thành những phần riêng biệt và tách ra khỏi cellulose [16].
2.3.3. Các phƣơng pháp tiền xử lý nguyên liệu lignocellulose
Bƣớc đầu tiên của quá trình chuyển hóa sinh học trong sản xuất bioethanol là làm
giảm kích thƣớc và tiền xử lý nguồn nguyên liệu. Quá trình chuyển hóa sinh học cellulose
và hemicellulose thành các phân tử đƣờng đơn thì khó thực hiện hơn so với con đƣờng
chuyển hóa tinh bột đang đƣợc sử dụng trong sản xuất bioethanol [10].
Để chuyển hóa các cacbohydrate (cellulose và hemicellulose) có trong
lignocellulose thành bioethanol, trƣớc tiên các polymer phải đƣợc bẽ gãy thành những
phân tử đƣờng đơn trƣớc khi vi sinh vật có thể hoàn tất quá trình chuyển hóa. Tuy nhiên
cellulose lại rất bền vững trƣớc sự tấn công của enzyme hay các hóa chất vì thế quá trình
tiền xử lý là bƣớc bắt buộc và quan trọng trong quá trình chuyển hóa cellulose để quá
trình đƣờng hóa glucose có thể diễn ra tốt hơn. Vì các nguyên liệu lignocellulose khác
nhau có các đặc tính lý hóa khác nhau, nên cần áp dụng những công nghệ tiền xử lý thích
hợp theo các đặc điểm của sinh khối lignocellulose ở từng nguyên liệu. Hơn nữa, sự lựa
chọn một công nghệ tiền xử lý nhất định có tác động lớn đến tất cả các bƣớc tiếp theo của
toàn bộ quá trình chuyển đổi nhƣ là khả năng bị phân giải của cellulose, sự phát sinh các
chất độc có khả năng ức chế nấm men, năng lƣợng cần thiết cho quy trình tiếp theo và
những yêu cầu về xử lý nƣớc thải [13].
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN

14

Quá trình tiền xử lý đƣợc coi là có hiệu quả khi đáp ứng đƣợc các yêu cầu sau: làm
tăng hàm lƣợng đƣờng tạo thành hay khả năng hình thành đƣờng bởi quá trình thủy phân
tiếp theo. Tránh sự thoái biến hay làm tổn thất lƣợng cacbohydrate và cần tránh sự hình

thành các chất ức chế đối với quá trình thủy phân và lên men sau đó và yếu tố cuối cùng
là hiệu quả về mặt kinh tế [10].

Hình 2.6: Tiền xử lý lignocellulose trong sản xuất ethanol [19].
2.3.3.1. Tiền xử lý bằng hóa học
Phƣơng pháp này sử dụng các tác động của hóa chất lên nguồn nguyên liệu. Các
phƣơng pháp hóa học sử dụng cho quá trình tiền xử lý bao gồm: ly giải bằng ozone, thủy
phân bằng acid, thủy phân bằng kiềm, sử dụng dung môi hữu cơ…Trong đó phƣơng pháp
thủy phân bằng acid và kiềm là 2 phƣơng pháp thông dụng nhất cho quá trình tiền xử lý.
2.3.3.1. Quá trình ly giải bằng ozone
Ozone là chất oxi hóa mạnh cho thấy hiệu quả cao trong việc thoái biến lignin, làm
tăng quá trình thủy phân bằng enzyme vì khoảng 60% lignin đƣợc loại bỏ [22]. Tiền xử lý
thƣờng đƣợc tiến hành ở nhiệt độ phòng và áp suất bình thƣờng và không dẫn đến việc
tạo thành các chất ức chế có thể ảnh hƣởng đến quá trình thủy phân và lên men tiếp theo.
Mặc dù có một số kết quả hấp dẫn nhƣng cần phải tiến hành các nghiên cứu sâu hơn liên
quan đến sản xuất ethanol từ nguyên liệu lignocellulose bằng ozone. Một bất lợi quan
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN

15

trọng cần xem xét đến là cần dùng đến lƣợng lớn ozone, điều này có thể khiến quy trình
không đảm bảo về mặt kinh tế [28].
2.3.3.2. Quá trình tiền xử lý bằng acid:
Phƣơng pháp thủy phân bằng acid cho hàm lƣợng đƣờng cao từ các nguyên liệu
lignocellulose. Có nhiều loại acid đƣợc sử dụng cho quá trình tiền xử lý bao gồm acid
H
2
SO
4
, HCl, HNO

3
và H
3
PO
4
…[10]
Mục đích chủ yếu của các phƣơng pháp này là để loại bỏ lignin, thủy phân một
phần hemicellulose của sinh khối làm cho phần cellulose có nhiều khả năng tiếp xúc với
enzyme hơn. Loại tiền xử lý này có thể đƣợc tiến hành với axit đặc hay loãng nhƣng việc
sử dụng axit đặc trong sản xuất ethanol ít đƣợc chú ý hơn do sự tạo thành các chất ức chế.
Hơn nữa, vấn đề ăn mòn thiết bị và thu hồi axit là những nhƣợc điểm quan trọng khi sử
dụng các phƣơng pháp tiền xử lý bằng axit đặc. Chi phí vận hành và bảo dƣỡng cao làm
giảm sự quan tâm đến việc áp dụng phƣơng pháp tiền xử lý bằng axit đặc ở quy mô
thƣơng mại [31].
Quá trình thủy phân sử dụng acid loãng là một trong những quá trình lâu đời nhất,
đơn giản nhất và có hiệu quả trong việc sản xuất ethanol từ sinh khối. Phƣơng pháp này
dƣờng nhƣ là phƣơng pháp thƣờng đƣợc lựa chọn hơn cho các ứng dụng công nghiệp và
đã đƣợc nghiên cứu để tiền xử lý nhiều loại sinh khối lignocellulose. Tiền xử lý bằng acid
loãng có hai cách: tiến hành ở nhiệt độ cao ( T
o
= 180
o
C ) trong khoảng thời gian ngắn
(khoảng 5 phút) với nồng độ acid thấp; hay ở nhiệt độ thấp hơn ( T
o
= 120
o
C ) trong
khoảng thời gian dài hơn (30–90 phút) và nồng độ acid cao [30]. Nhìn chung quá trình
tiền xử lý với nhiệt độ cao và thời gian xử lý ngắn lƣợng xylose tạo thành cao hơn và tăng

khả năng chuyển hóa cellulose bởi enzyme [30]. Nó cho thấy ƣu thế về khả năng hòa tan
hemicellulose, tùy theo nguồn cơ chất và điều kiện sử dụng khoảng 80 đến 95% đƣờng
trong thành phần hemicellulose có thể đƣợc giữ lại khi tiền xử lý bằng acid loãng. Tuy
nhiên, tùy vào nhiệt độ của quy trình mà một số hợp chất thoái biến đƣờng và các hợp
chất vòng thơm thoái biến lignin có thể đƣợc phát hiện và ảnh hƣởng đến chuyển hóa của
vi sinh vật trong bƣớc lên men. Nhƣng so với phƣơng pháp thủy phân bằng acid đậm đặc
thì sử dụng acid loãng phát sinh ít các sản phẩm thoái biến hơn [34].
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN

16

2.3.3.3. Quá trình tiền xử lý bằng kiềm
Tác động của một số bazơ lên sinh khối lignocellulose là cơ sở của các phƣơng
pháp tiền xử lý bằng kiềm, là phƣơng pháp hiệu quả phụ thuộc vào hàm lƣợng lignin của
sinh khối. Các phƣơng pháp tiền xử lý bằng kiềm làm tăng khả năng thủy phân của
cellulose và chúng giúp sự hòa tan của lignin tốt hơn và ít hòa tan cellulose và
hemicellulose hơn so với các quy trình axit hay thủy nhiệt [10].
Tiền xử lý bằng kiềm có thể đƣợc tiến hành ở nhiệt độ phòng, trong thời gian từ
nhiều giờ đến nhiều ngày. Nó đƣợc mô tả là ít gây ra sự thoái biến đƣờng hơn so với tiền
xử lý bằng axit và nó cho thấy tính hiệu quả cao hơn ở các sản phẩm nông nghiệp. Tuy
nhiên, cần phải cân nhắc đến khả năng mất mát các đƣờng có khả năng lên men và sự tạo
thành các hợp chất ức chế để tối ƣu hóa các điều kiện tiền xử lý.
Natri, kali, canxi và amoni hydroxit là các phƣơng pháp tiền xử lý thích hợp.
NaOH làm trƣơng, gia tăng diện tích bề mặt ở bên trong của cellulose và giảm mức độ
polymer hóa và mức độ kết tinh, là những yếu tố gây ra sự phá vỡ cấu trúc của lignin
[16]. NaOH đã đƣợc công bố làm gia tăng khả năng phân giải của gỗ cứng từ 14% lên
55% bằng cách giảm hàm lƣợng lignin từ 24-55% xuống còn 20% [19].
Việc sử dụng Ca(OH)
2
đã đƣợc nghiên cứu rộng rãi, tiền xử lý bằng Ca(OH)

2
loại
bỏ các chất vô định hình nhƣ lignin, làm tăng chỉ số mức độ kết tinh. Sự loại bỏ lignin sẽ
gia tăng hiệu quả của enyzm bằng cách giảm các vùng hấp phụ không đặc hiệu đối với
enzym và bằng cách gia tăng khả năng xâm nhập của cellulose. Ca(OH)
2
còn loại bỏ các
nhóm acetyl từ hemicellulose làm giảm sự ức chế lập thể của các enzym và tăng cƣờng
khả năng phân giải của cellulose… Tiền xử lý bằng vôi có chi phí thấp và yêu cầu về an
toàn ít hơn so với tiền xử lý bằng NaOH hay KOH và có thể thu hồi dễ dàng từ dịch thủy
phân bằng phản ứng với CO
2
.
Cho thêm một tác nhân oxi hóa (O
2
/H
2
O
2
) vào phƣơng pháp tiền xử lý bằng kiềm
(NaOH/Ca(OH)
2
) có thể cải thiện hiệu quả thông qua thúc đẩy sự loại bỏ lignin.
2.3.3.4. Sử dụng các dung môi hữu cơ
Đây là một phƣơng pháp tiền xử lý đầy hứa hẹn vì nó cho thấy nhiều tiềm năng
trong việc xử lý nguyên liệu. Các dung môi hữu cơ thƣờng đƣợc sử dụng bao gồm:
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN

17

ethanol, methanol, acetone, ethylene glycol… để hòa tan lignin và tạo ra cellulose thích
hợp cho thủy phân bằng enzyme. Ƣu thế của phƣơng pháp này là có thể thu hồi đƣợc sản
phẩm phụ và lignin đƣợc tạo ra tƣơng đối tinh sạch.
2.3.3.5. Tiền xử lý bằng phƣơng pháp vật lý
Mục đích của tiền xử lý cơ học là làm giảm kích thƣớc hạt và mức độ kết tinh của
lignocellulose nhằm gia tăng bề mặt tiếp xúc và giảm mức độ trùng hợp. Việc phân nhỏ
này có thể đƣợc thực hiện bằng sự kết hợp đập vỡ, nghiền hoặc xay phụ thuộc vào kích
thƣớc hạt cần đạt đƣợc của nguyên liệu (10–30 mm sau khi đập vỡ và 0.2–2 mm sau khi
nghiền hoặc xay). Yêu cầu về năng lƣợng của phƣơng pháp tiền xử lý này tƣơng đối cao
phụ thuộc vào kích thƣớc hạt cuối cùng và các đặc điểm của sinh khối. Nếu tính đến đòi
hỏi cao về năng lƣợng cho xay nghiền và sự gia tăng liên tục giá cả của năng lƣợng thì
dƣờng nhƣ quy trình này không có hiệu quả kinh tế [30].
2.3.3.6. Tiền xử lý bằng phƣơng pháp sinh học
Vi sinh vật có thể đƣợc sử dụng cho việc xử lý lignocellulose và làm tăng khả năng
thủy phân của enzyme. Các vi sinh vật thƣờng đƣợc áp dụng để phân hủy lignin tạo điều
kiện cho enzyme thủy phân nguyên liệu trong quá trình đƣờng hóa. Phƣơng pháp này chủ
yếu sử dụng các loại nấm mục có màu trắng hay màu nâu nhằm làm giảm hàm lƣợng
lignin, hemicellulose và một phần rất nhỏ cellulose [31].
Phƣơng pháp này đang đƣợc chú trọng phát triển vì tính chất thân thiện với môi
trƣờng do không sử dụng hóa chất độc hại, đồng thời chi phí đầu tƣ thấp, tiêu hao ít năng
lƣợng. Tuy nhiên do thời gian xử lý dài và tốc độ thủy phân thấp so với các phƣơng pháp
khác nên cần phải đƣợc nghiên cứu để khắc phục nhƣợc điểm này [31].
 Vi sinh vật sử dụng trong tiền xử lý nguyên liệu lignocellulose
Các loại vi sinh vật đƣợc sử dụng phải có khả năng phân hủy lignin mà không phân
hủy cellulose, hiện nay nấm mục trắng và nấm mục nâu đang đƣợc quan tâm trong quá
trình xử lý lignin, trong đó nấm mục trắng đang đƣợc chú ý. Các nấm mục trắng khác
nhau có tỷ lệ phân hủy giữa các thành phần lignin, cellulose và hemicellulose khác nhau
[31]. Một số chủng đƣợc chọn nhƣ: Phanerochaete chrysosporium, Ceriporiopsis
subvermispora, Phellimus pini, Phlebia spp., Pleurotus spp. …Trong nghiên cứu này sử
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN

18

dụng nấm sợi Phanerochaete chrysosporium vì đây đƣợc xem là loại nấm điển hình nếu
xét về khả năng phân giải chọn lọc lignin.
Vị trí phân loại, P. chrysosporium thuộc:
- Giới: Fungi
- Ngành: Basidiomycota
- Lớp: Basidiomycetes ; Lớp phụ: Holobasidiomycetidae
- Bộ: Stereales
- Họ: Merulaceae
- Chi: Phanerochaete
- Loài: Phanerochaete chrysosporium
Phanerochaete, hay Phanerochaetaceae, là một chi nấm hoại sinh trên gỗ và không
đồng nhất nhau về hình thái giữa các loài. Đặc trƣng chung của chi này là hệ sợi có vách
ngăn, sinh bào tử trần, bào tử có vách mỏng, quả thể dạng mở lộn ngƣợc. Hiện nay, có
hơn 90 loài thuộc chi này đã đƣợc phân lập và phân loại [24].
P. chrysosporium có kiểu sinh sản cả vô tính lẫn hữu tính. Trƣớc khi tên
Phanerochaete chrysosporium trở nên thông dụng, nấm này còn có tên là Sporotrichum
pulverulentum (gọi tên theo cách sinh sản vô tính) vì ngƣời ta chƣa khám phá ra đƣợc khả
năng sinh sản hữu tính của nó [24].
Bên cạnh đó, chủng nấm này còn sinh ra nhiều enzyme phân hủy nhiều hợp chất
hữu cơ phức tạp, trong đó có cả các chất độc hại nhƣ: polyaromatic hydrocarbon,
polychlorinate byphenyl, trinitrotoluence (TNT), dioxin (chất độc da cam), và các chất
gây ô nhiễm môi trƣờng nhƣ : cyanide, azide, carbon tetrachloride và pentachlorophenol
[24].