nghiên cứu sản xuất ethanol từ nguyên liệu rơm rạ

i
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC






LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC



NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL
NHIÊN LIỆU TỪ RƠM RẠ





SVTH : TRẦN DIỆU LÝ
MSSV : 60301608
CBHD : PGS.TS. PHAN ĐÌNH TUẤN
BỘ MÔN: KỸ THUẬT HỮU CƠ




TP. HỒ CHÍ MINH, 01/2008

ii
Đại Học Quốc Gia Tp.HCM. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM.
TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA. Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc.

Số: ________/ BKĐT
NHIỆM VỤ LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP
KHOA: KỸ THUẬT HÓA HỌC.
BỘ MÔN: KỸ THUẬT HỮU CƠ.
HỌ VÀ TÊN: TRẦN DIỆU LÝ MSSV: 60301608
NGÀNH: KỸ THUẬT HỮU CƠ LỚP: HC03KSTN
1. Đầu đề luận án: NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL NHIÊN LIỆU TỪ RƠM RẠ
2. Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):
Nghiên cứu quá trình thuỷ phân rơm rạ đã qua tiền xử lý, sử dụng enzyme cellulase.
Nghiên cứu quá trình thu
ỷ phân và lên men đồng thời rơm rạ đã qua tiền xử lý,, sử dụng enzyme
cellulase và nấm men saccharomyces cerevisiae.
3. Ngày giao nhiệm vụ luận án: 15/9/2007.
4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15/12/2007.
5. Họ tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn
PGS TS. PHAN ĐÌNH TUẤN Toàn bộ.
Nội dung và yêu cầu LATN đã được thông qua Bộ môn.
Ngày 15 tháng 9 năm 2007
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN. NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH.
(Ký và ghi rõ họ tên) ( Ký và ghi rõ họ tên)



PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN:
Người duyệt (chấm sơ bộ):

Đơn vị:
Ngày bảo vệ:

Điểm tổng kết:

Nơi lưu trữ luận án:



iii
LỜI CẢM ƠN
Luận văn là tác phẩm của một sinh viên trước khi rời khỏi trường đại học. Để hoàn
thành luận văn, sinh viên cần phải áp dụng tất cả các kiến thức và hiểu biết mà mình đã
tích luỹ được trong suốt những năm học ở trường. Chính vì vậy những kiến thức mà em
đã tiếp thu được trong 5 năm học tại trường Bách Khoa là nền tảng vững chắc giúp em
hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa KỸ THUẬT
HOÁ HỌC nói chung và các thầy cô trong bộ môn KỸ THUẬT HỮU CƠ nói riêng vì đã
tận tình giảng dạy, giúp đỡ em trong suốt những năm vừa qua.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Phan Đình Tuấn, thầy là người đã giúp em đến với
hướng nghiên cứu này, đồng thời cũng là người tận tình chỉ bảo, truyền đạt kiến thức,
kinh nghiệm và tạo mọi đ
iều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành tốt luận văn.
Em cũng xin cảm ơn anh Ngô Đình Minh Hiệp vì đã nhiệt tình giúp đỡ em cả về
kiến thức chuyên môn lẫn thực nghiệm trong suốt những ngày hoàn thành luận văn tại
Tung tâm Lọc Hoá Dầu.
Cuối cùng, em xin cảm ơn bạn bè và người thân trong gia đình, những người luôn là
chỗ dựa vững chắc và luôn ủng hộ em trong mọi việc.

Sinh viên thực hiện
Trần Diệu Lý

iv
MỤC LỤC
Chương 1
MỞ ĐẦU 1
1.1 CÂY LÚA Ở VIỆT NAM 1
1.2 RƠM RẠ 2
1.2.1 Nguồn rơm rạ ở Việt Nam 2
1.2.2 Hiện trạng sử dụng năng lượng từ rơm rạ ở Việt Nam 3
1.3 BIOETHANOL TỪ RƠM RẠ 3
1.4 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4
Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 5
2.1 NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE 5
2.1.1 Cấu trúc lignocellulose 5
2.1.2 Cellulose 6
2.1.3 Hemicellulose 8
2.1.4 Lignin 10
2.1.5 Các chất trích ly 12
2.1.6 Tro 13
2.2 QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL TỪ RƠM RẠ 13
2.2.1 Tổng quát 13
2.2.2 Tiền xử lý 14
2.2.3 Thủy phân 20
2.2.4 Lên men 33
2.2.5 Thủy phân và lên men đồng thời 38
2.3 SƠ LƯỢC VỀ BIOFUEL VÀ ETHANOL NHIÊN LIỆU 44
2.3.1 Biofuel 44
2.3.2 Ethanol nhiên liệu 45
Chương 3 THỰC NGHIỆM 48

3.1 NGUYÊN LIỆU VÀ HÓA CHẤT 48
3.1.1 Rơm rạ 48
3.1.2 Enzyme 48
3.1.3 Giống nấm men 49
3.2 CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG 49
3.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG 52
3.3.1 Phương pháp phân tích thành phần xơ sợi trong biomass – rơm rạ 52
3.3.2 Phương pháp đo nồng độ glucose và ethanol 56
3.3.3 Phương pháp xác định độ ẩm của nguyên liệu 63

v
3.3.4
Phương pháp nuôi cấy và đếm nấm men 64
3.4 TRÌNH TỰ NGHIÊN CỨU 66
3.4.1 Sơ đồ quy trình 67
3.4.2 Quá trình nổ hơi – tiền xử lý rơm rạ 67
3.4.3 Quá trình thủy phân 68
3.4.4 Quá trình thủy phân và lên men đồng thời 69
Chương 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 71
4.1 PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN RƠM RẠ 71
4.1.1 Thành phần rơm rạ trước nổ hơi 71
4.1.2 Thành phần rơm rạ sau nổ hơi 72
4.1.3 So sánh rơm rạ trước và sau nổ hơi 72
4.1.4 Thành phần dịch nổ hơi 74
4.2 QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN 76
4.2.1 Thành phần dịch thủy phân 76
4.2.2 Ảnh hưởng của phần trăm bã rắn 77
4.2.3 Ảnh hưởng của lượng enzyme cho vào 79
4.2.4 Ảnh hưởng của pH 84
4.2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ 87

4.2.6 Hiệu suất thủy phân , nồng độ đường tạo thành theo thời gian 92
4.3 QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI 94
4.3.1 Thành phần dịch thủy phân và lên men đồng thời 94
4.3.2 Ảnh hưởng của lượng emzyme cho vào 95
4.3.3 Ảnh hưởng của mật độ nấm men ban đầu 98
4.3.4 Hiệu suất toàn quá trình theo thời gian 101
Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 104
5.1 KẾT LUẬN QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN 104
5.2 KẾT LUẬN QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI 104
5.3 SO SÁNH HIỆU SUẤT TOÀN QUÁ TRÌNH CỦA THỦY PHÂN VỚI THỦY
PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI 105

5.4 ĐỀ NGHỊ 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO 106
PHỤ LỤC 108


vi
DANH MỤC HÌNH
Hình 1-1 Tỉ lệ % trong tổng giá trị sản lượng nông nghiệp 1
Hình 1-2 Các nguồn biomass chính ở Việt Nam năm 2000 3
Hình 2-1 Cấu trúc của lignocellulose 6
Hình 2-2 Mối quan hệ cellulose – hemicellulose trong cấu trúc lignocellulose 6
Hình 2-3 Công thức hóa học của cellulose 7
Hình 2-4 Kiểu Fringed fibrillar và kiểu Folding chain 7
Hình 2-5 Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan 9
Hình 2-6 Glucomannan 9
Hình 2-7 Galactoglucomannan 9
Hình 2-8 Arabinoglucuronoxylan 10
Hình 2-9 Các đơn vị cơ bản của lignin 10

Hình 2-10 Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính 11
Hình 2-11: Một số ví dụ về chất trích ly (a) abietic acid (oleoresin); (b) cathechin
(flavonoid); (c) palmitic acid (acid béo) 13

Hình 2-12 Mô tả cơ chế quá trình nổ hơi 17
Hình 2-13 Fufural 18
Hình 2-14 Hydroxymethyl fufural 18
Hình 2-15: 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 19

Hình 2-16: (d) sợi lignocellulose không nổ hơi có cấu trúc sít chặt ngăn cản sự tấn công
của enzyme, (e) nổ hơi ở 4atm, (f) nổ hơi ở 8atm 19

Hình 2-17 Tác dụng của từng enzyme trong cellulase 21
Hình 2-18 Quá trình tác động của cellobiohydrolase lên đầu vùng kết tinh của cellulose.
25

Hình 2-19 Cơ chế tác động hiệp đồng của enzyme exo-endo và endo-endo. Enzyme
endoglucanase tấn công ngẫu nhiên vào cellulose và tạo cơ chất thích hợp cho
enzyme exoglucanase và sau đó khuếch tán nhanh ra khỏi bề mặt. Exoglucanse có
thể tấn công từ đầu đường khử và không khử 26

Hình 2-20 Cơ chế quá trình thủy phân 27
Hình 2-21 Tốc độ phản ứng enzyme theo nhiệt độ 29
Hình 2-22 Ảnh hưởng của pH 30
Hình 2-23 Ảnh hưởng của nồng độ enzyme 30
Hình 2-24 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất 31

vii
Hình 2-25 Chất kìm hãm cạnh tranh 32

Hình 2-26 Chất kìm hãm không cạnh tranh 32
Hình 2-27: Quá trình đường phân 34
Hình 2-28 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phát triển của nấm men 35
Hình 2-29: Giống nấm men Pichia stiptis và Saccharomyces cerevisiae 38
Hình 2-30 Nồng độ glucose (ô vuông không màu) và celllobiose (ô vuông màu đen) theo
thời gian của quá trình thủy phân và lên men đồng thời 41

Hình 2-31 Nồng độ ethanol theo thời gian trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời.
42

Hình 3-1 Rơm chưa nổ hơi 48
Hình 3-2 Saccharomyces serevisiae chủng turbo yeast extra nhìn dưới kính hiển vi 49
Hình 3-3 Thiết bị nổ hơi quy mô pilot 50
Hình 3-4 Máy sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC) 50
Hình 3-5 Hình dạng buồng đếm hồng cầu dưới kính hiển vi 51
Hình 3-6 Buồng đếm hồng cầu 51
Hình 3-7 Bộ dụng cụ soxhlet 54
Hình 3-8 Hệ thống phân tích NDS và ADS 54
Hình 3-9 Grooch Crucible 54
Hình 3-10 Đường chuẩn glucose 60
Hình 3-11 Đường chuẩn ethanol 61
Hình 3-12 Đường chuẩn cellobiose 62
Hình 3-13 Bộ dụng cụ thủy phân và lên men đồng thời 70
Hình 4-1 Thành phần rơm rạ trước nổ hơi 71
Hình 4-2 Thành phần rơm rạ sau nổ hơi. 72
Hình 4-3 So sánh kết quả các thành phần rơm rạ trước và sau nổ hơi 73
Hình 4-4 Rơm trước nổ hơi 74
Hình 4-5 Rơm sau nổ hơi 74
Hình 4-6 Nồng độ glucose, cellobiose và hiệu suất thu được theo % bã rắn cho vào 78

Hình 4-7 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian tương ứng với các % enzyme khác
nhau 80

Hình 4-8 Nồng độ cellobiose tạo thành theo thời gian ứng với các % enzyme 81
Hình 4-9 Nồng độ glucose, cellobiose thu được và hiệu suất theo % enzyme 82
Hình 4-10 Tốc độ phản ứng ban đầu theo % enzyme cho vào 83
Hình 4-11 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với các giá trị pH khác nhau 85
Hình 4-12 Hiệu suất, nồng độ glucose và nồng độ cellobiose theo pH dung dịch 86

viii
Hình 4-13 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với các giá trị nhiệt độ: nhiệt độ
phòng khác nhau 88

Hình 4-14 Nồng độ cellobiose theo thời gian ứng với các điều kiện nhiệt độ khác nhau. 89
Hình 4-15 Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất tại 24 giờ theo nhiệt độ 90
Hình 4-16 Tốc độ phản ứng ban đầu theo nhiệt độ 91
Hình 4-17 Nồng độ glucose, cellobiose và hiệu suất theo thời gian 93
Hình 4-18 Nồng độ ethanol, glucose và hiệu suất theo % enzyme, tại 24 giờ 96
Hình 4-19 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose và hiệu suất theo % enzyme cho vào tại
48 giờ 97

Hình 4-20 Nồng độ ethanol, glucose và hiệu suất theo tỉ lệ mật độ nấm men cho vào tại 24
giờ 99

Hình 4-21 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose và hiệu suất theo tỉ lệ mật độ nấm men
cho vào tại 48 giờ 100

Hình 4-22 Nồng độ cellobiose, glucose và ethanol tạo thành theo thời gian trong quá trình
thủy phân và lên men đồng thời. 102

ix
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1-1 Cơ cấu giá trị sản lượng nông ngư nghiệp Việt Nam năm 2002 [7] 1
Bảng 1-2 Các nguồn biomass chính ở Việt Nam năm 2000 [8] 2
Bảng 2-1 Thành phần của vài loại lignocellulose theo [10] 5
Bảng 2-2 Các thông số vận hành và kết quả quá trình thủy phân và lên men đồng thời
được thực hiện trên nhiều nước[9] 39

Bảng 2-3 Ảnh hưởng của ethanol, glucose và cellobiose lên enzyme cellulase và β-
glucosidase 39

Bảng 2-4 Kết quả quá trình thủy phân và lên men đồng thời tiến hành với rơm đã qua tiền
xử lý bằng acid loãng, quá trình được tiến hành trong điều kiện kỵ khí 40

Bảng 2-5 Ảnh hưởng của việc thêm các thành phần mới vào dịch thủy phân và lên men
đồng thời lúc 80 giờ 43

Bảng 3-1 Thành phần dung dịch NDS 52
Bảng 3-2 Kết quả chạy chuẩn 58
Bảng 3-3 Kết quả chuẩn glucose 59
Bảng 3-4 Kết quả cho chuẩn ethanol 60
Bảng 3-5 Kết quả chuẩn cellobiose 62
Bảng 3-6 Thành phần môi trường Hansen dùng cho việc nuôi cấy, bảo quản gống nấm
men. 64

Bảng 3-7 Thành phần chất dinh dưỡng bổ sung cho dung dịch thủy phân và lên men đồng
thời 69

Bảng 4-1 Thành phần rơm rạ khô trước nổ hơi 71
Bảng 4-2 Thành phần rơm rạ theo Hồ Sĩ Tráng [3] 71
Bảng 4-3 Thành phần rơm rạ khô sau nổ hơi 72
Bảng 4-4 So sánh thành phần rơm rạ trước và sau nổ hơi 72
Bảng 4-5 Thành phần dịch nổ hơi 74
Bảng 4-6 Thành phần dịch thủy phân 76
Bảng 4-7 Kết quả ảnh hưởng của phần trăm bã rắn 77
Bảng 4-8 Nồng độ glucose theo thời gian ứng với các % enzyme khác nhau 79
Bảng 4-9 Nồng độ cellobiose tạo thành theo thời gian ứng với % enzyme khác nhau 80
Bảng 4-10 Hiệu suất quá trình thủy phân theo thời gian ứng với các % enzyme khác nhau
81

Bảng 4-11 Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất và tốc độ ban đầu theo lượng enzyme
cho vào 82


x
Bảng 4-12 Nồng độ glucose theo thời gian ứng với các giá trị pH ban đầu khác nhau 84

Bảng 4-13 Hiệu suất thủy phân theo thời gian ứng với các giá trị pH ban đầu khác nhau85
Bảng 4-14 Hiệu suất và nồng độ glucose, cellobiose theo pH dung dịch 86
Bảng 4-15 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với các giá trị nhiệt độ khác
nhau. 87

Bảng 4-16 Nồng độ cellobiose tạo thành theo thời gian tương ứng các chế độ nhiệt độ
khác nhau 88

Bảng 4-17 Hiệu suất quá trình thủy phân theo thời gian tương ứng các nhiệt độ khác nhau
89

Bảng 4-18 Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất và tốc độ ban đầu đạt được theo nhiệt
độ 90

Bảng 4-19 Nồng độ glucose, cellobiose và hiệu suất theo thời gian 92
Bảng 4-20 Thành phần dịch thủy phân và lên men đồng thời 94
Bảng 4-21 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose và hiệu suất toàn quá trình theo %
enzyme cho vào tại 24 giờ và 48 giờ 96

Bảng 4-22 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose và hiệu suất theo mật độ nấm men cho
vào 99

Bảng 4-23 Nồng độ cellobiose, glucose và ethanol tạo thành theo thời gian trong quá trình
thủy phân và lên men đồng thời 101



xi
TÓM TẮT LUẬN VĂN

Rơm rạ chiếm tỉ lệ lớn trong các phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam. Với thành
phần chứa hơn 40% là cellulose, rơm rạ là nguồn nguyên liệu thích hợp cho quá trình sản
xuất ethanol. Luận văn này nghiên cứu quá trình sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ và
được chia làm hai phần. Phần đầu nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố :% bã rắn, %
enzyme, nhiệt độ, pH lên quá trình thuỷ phân và phần hai nghiên cứu quá trình thuỷ phân
và lên men đồng thời.
Rơm rạ được cắt nhỏ và được tiền xử lý bằng phương pháp nổ hơi để phá vỡ cấu
trúc. Sau đó được tiến hành thuỷ phân bằng enzyme cellulase hoặc thuỷ phân và lên men
đồng thời bằng enzyme cellulase và nấm men saccharomyces cerevisiae chủng turbo
yeast extra.
Kết quả cho thấy rằng, quá trình thuỷ phân diễn ra tốt nhất trong điều kiện: 11% bã

rắn, 5% enzyme, 50
o
C và pH 4,8, tương ứng nồng độ glucose thu được là 55,08g/l và hiệu
suất đạt 81%.
Quá trình thuỷ phân và lên men đồng thời đạt được kết quả tốt ở 11% bã rắn, 5%
enzyme, 23,6 triệu tế bào nấm men/ml, 50
o
C và pH 4,8. quá trình này thu được 30,86g/l
ethanol tương ứng hiệu suất là 86,61%. Kết quả này cho thấy quá trình thuỷ phân và lên
men đồng thời rất thích hợp cho việc sản xuất ethanol từ rơm rạ.









xii
ABSTRACT

In Viet Nam, rice straw composes the main portion in agricultural byproducts.
Containing above 40% of cellulose, rice straw is such a potential feedstock for ethanol
production. This thesis does research on producing ethanol form rice straw and can be
divided into 2 parts. The first part studies the effects of the dry solid concentration,
enzyme loading, temperature and pH on the saccharification. The second part explores the
simultaneous saccharification and fermentation (SSF) process.
Rice straw was pretreated by steam explosion method in order to be more accessible
to enzyme. Then, the residue was introduced to hydrolyzed step or to SSF step. These

steps were taken place during 2 to 3 days. The former utilized enzyme cellulase to
hydrolyze cellulose in rice straw. In the latter, both the yeast saccharomyces cerevisiae
and emzyme cellulase were employed.
The result indicated that the optimized condition for saccharification is 11% of dry
solid, 5% of enzyme, 50
o
C and pH 4,8. With this condition, 55,08 g/l glucose was formed
and the yield of 81% was obtained.
The experiments in SSF showed that the best condition for this process includes
11% of dry solid; 5% of enzyme; 23,6 million cell/ml; 37
o
C and pH 4,8. 30,86g/l ethanol
was formed with the yield of 86,61%. This result indicates that SSF is such a suitable
process for producing ethanol from rice straw.

Chương 1: MỞ ĐẦU

1
Chương 1 MỞ ĐẦU
1.1 CÂY LÚA Ở VIỆT NAM
Cây lúa ln giữ vị trí trung tâm trong nơng nghiệp và kinh tế Việt Nam. Hình ảnh
đất Việt thường được mơ tả như là một chiếc đòn gánh khổng lồ với hai đầu là hai vựa
thóc lớn là Đồng bằng sơng Cửu Long (ĐBSCL) và Đồng bằng sơng Hồng (ĐBSH).
Khoảng 80% trong tổng số 11 triệu hộ nơng dân tham gia sản xuất lúa gạo, chủ yếu đựa
vào phương thức canh tác thủ cơng truyền thống.
Bảng
1-1 Cơ cấu giá trị sản lượng nơng ngư nghiệp Việt Nam năm 2002 [7]
Tỉ lệ % trong tổng giá trị sản lượng Nơng-Lâm-Ngư nghiệp
Nơng nghiệp
GTSL

Nơng-
Lâm-Ngư
(tỉ đồng)
Tổng số
Lúa
Các nguồn
khác
Lâm
nghiệp
Ngư
nghiệp
Cả nước 154478 78,3
38,0
40,3 3,9 17,8
ĐBSH 24415 91,6 46,3 45,3 1,0 7,4
ĐBSCL 59663 69,9 53,5 16,4 2,1 18,5
Tỉ lệ % tron
g
tổn
g

g
iá trò sản lượn
g
nôn
g

nghiệp
Các nguồn
khác

40%
Lâm nghiệp
4%
Ngư nghiệp
18%
Cây lúa
38%

Hình 1-1 Tỉ lệ % trong tổng giá trị sản lượng nơng nghiệp
Chương 1: MỞ ĐẦU

2
Ghi chú: Các nguồn khác: % giá trị sản lượng của cây hoa màu lương thực, rau đậu,
cây ăn quả, cây công nghiệp, chăn nuôi và dịch vụ nông nghiệp.
Bảng số liệu và đồ thị trên cho ta thấy vai trò quan trọng của cây lúa chiếm 38%
trong tổng giá trị sản lượng nông – lâm - ngư nghiệp cả nước.
1.2 RƠM RẠ
Việc sản xuất lúa gạo đã tạo ra một lượng lớn phế phẩm từ cây lúa bao gồm rơm và
trấu. Rơm và trấu là hai trong số nhiều nguồn biomass phổ biến và có nhiều tiềm năng ở
Việt Nam.
1.2.1 Nguồn rơm rạ ở Việt Nam
Rơm rạ chiếm một phần rất lớn trong các nguồn biomass ở Việt Nam.
Bảng
1-2 Các nguồn biomass chính ở Việt Nam năm 2000 [8]
STT Biomass Lượng (triệu tấn)
Năng lượng chứa
đựng (GJ)
Phần trăm(%)
1
Gỗ thải từ nhà

máy cưa
3,1 35,960 2,6
2 Gỗ đốt 12,4 186,000 13,4
3 Rác thải rắn 0,015 57 0
4 Rơm 61,9 866,600 62,6
5 Trấu 5,6 63,840 4,6
6 Vỏ bắp 4,8 60,000 1,3
7 Bã khoai mì 0,6 7,500 0,5
8 Phế phẩm cây mía 1,5 18,750 1,4
9 Bã mía 5,0 36,050 2,6
10 Vỏ đậu 0,1 1,250 0,1
11 Xơ và lá dừa 5,8 104,400 7,5
12 Vỏ hạt cafe 0,3 4,670 0,3
Tổng 101,1 1,385,077 100
Chương 1: MỞ ĐẦU

3
Các nguồn biomass chính ở Việt Nam năm 2000
4.6
62.6
gỗ thải từ nhà
máy cưa
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

Hình 1-2 Các nguồn biomass chính ở Việt Nam năm 2000
Bảng số liệu và đồ thị trên cho thấy vị trí và tiềm năng rất lớn của rơm trong viêc sử
dụng làm nguồn ngun liệu. Rơm chiếm 62,6% trong tổng khối lượng biomass ở Việt
Nam năm 2000 với lượng năng lượng chứa đựng là 866.600 GJ. Rơm hứa hẹn là một
nguồn năng lượng lớn cho nước ta.
1.2.2 Hiện trạ
ng sử dụng năng lượng từ rơm rạ ở Việt Nam
Mặc dù rơm rạ là một nguồn năng lượng lớn, rơm rạ nói riêng và từ biomass nói
chung khơng dược sử dụng một cách hiệu quả ở Việt Nam. Phần lớn rơm rạ được bón trở
lại ruộng sau khi thu hoạch, sử dụng làm chất đốt cho các hộ nhà nơng, làm thức ăn cho
gia súc …
Theo [8], biomass chỉ chiếm 3,8% trong tổng nă
ng lượng sử dụng của thành phố Hồ
Chí Minh năm 2003, trong khi đó, nguồn năng lượng này chiếm 89% trong tổng năng
lượng sử dụng ở nơng thơn năm 2001. Ở nơng thơn, biomass chủ yếu được dùng làm chất
đốt và hiệu suất sử dụng năng lượng của q trình này chỉ được 10%.
1.3 BIOETHANOL TỪ RƠM RẠ
Ngày nay sức ép từ khủng hoảng dầu mỏ và nhu cầu năng lượng ln là vấn đề nan
giải của bất cứ quốc gia nào trên thế giới. Mỹ và Brazil đã thành cơng trong việc sản xuất
Chương 1: MỞ ĐẦU

4
ethanol từ nguồn sinh học là bắp và mía. Điều này đã khích lệ các nước khác đầu tư
nghiên cứu vào lĩnh vực nhiên liệu sinh học.
Bên cạnh sản xuất ethanol từ nguồn tinh bột (bắp) và đường (mía), ethanol có thể

được sản xuất từ lignocellulose. Lignocellulose là loại biomass phổ biến nhất trên thế giới.
Vì vậy sản xuất ethanol từ biomass cụ thể là từ nguồn lignocellulose là một giải pháp
thích hợp đặc bi
ệt là với các quốc gia nông nghiệp như Việt Nam.
Nền nông nghiệp Việt Nam hằng năm tạo ra một lượng lớn phế phẩm nông nghiệp,
chủ yếu là lignocellulose từ các vụ mùa. Tận dụng nguồn nguyên liệu này, cụ thể là rơm
rạ để sản xuất bioethanol là phương pháp sử dụng rơm rạ một cách hiệu quả đồng thời
góp phần giải quyết vấn đề nă
ng lượng cho nước ta.
1.4 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Mục đích chính của đề tài là nghiên cứu khả năng xử lý rơm rạ để lên men ethanol.
Các mục tiêu chính trong đề tài là:
• Nghiên cứu quá trình thủy phân rơm đã qua tiền xử lý nổ hơi bằng enzyme
cellulase, tạo ra dịch đường.
• Nghiên cứu quá trình thủy phân và lên men đồng thời để chuyển hóa cellulose
trong nguồn rơm rạ ban đầu thành ethanol.
Các nội dung chính cần phải thực hiện để đạt được mục tiêu trên:
¾
Đối với quá trình thủy phân:
• Khảo sát ảnh hưởng của lượng bã rắn đối với quá trình thủy phân.
• Khảo sát ảnh hưởng của lượng enzyme cho vào đối với quá trình thủy phân.
• Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch đến quá trình thủy phân.
• Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thủy phân.
• Khảo sát nồng độ đường tạo thành theo thời gian.
¾ Đối v
ới quá trình thủy phân và lên men đồng thời
• Khảo sát ảnh hưởng của lượng enzyme đến quá trình.
• Khảo sát ảnh hưởng của lượng nấm men cho vào lên quá trình.
• So sánh hiệu suất chuyển hóa quá trình thủy phân với quá trình thủy phân và lên
men đồng thời.

Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

5
Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1 NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE
Lignocellulose là vật liệu biomass phổ biến nhất trên trái đất. Lignocellulose có
trong phế phẩm nông nghiệp, chủ yếu ở dạng phế phẩm của các vụ mùa; trong sản phẩm
phụ của công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy; có trong rác thải rắn của thành phố Với
thành phần chính là cellulose, lignocellulose là một nguồn nguyên liệu to lớn cho việc sản
xuất bioethanol. Rơm rạ là một dạng vật liệu lignocellulose.
2.1.1 C
ấu trúc lignocellulose
Thành phần chính của vật liệu lignocellulose là cellulose, hemicellulose, lignin, các
chất trích ly và tro.
Bảng 2-1 Thành phần của vài loại lignocellulose theo [10]
Hemicellulose
Nguồn/% Cellulose
Xylane Mannan Galactan Arabianan
Lignin
Chất
trích ly
Gỗ vân sam 41,9 6,1 14,3 - 1,2 27,1 9,6
Gỗ thông 37,7 4,6 7,0 - - 27,5 10,8
Gỗ cây bulô 38,2 18,5 1,2 - - 22,8 4,8
Gỗ dương 49,9 17,4 4,7 1,2 1,8 18,1 -
Phế phẩm
cây bắp
36,4 18,0 0,6 1,0 3,0 16,6 7,3
Rơm lúa mì 38,2 21,2 0,3 2,5 23,4 13,0
Rơm lúa(*) 34 – 38 32 – 40 12

(*) theo Hồ Sĩ Tráng [3]
Theo [10 ] về cơ bản, trong lignocellulose, cellulose tạo thành khung chính và được
bao bọc bởi những chất có chức năng tạo mạng lưới như hemicellulose và kết dính như
lignin. Cellulose, hemicellulose và lignin sắp xếp gần nhau và liên kết cộng hóa trị với
nhau. Các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose, galactose, và acid 4-O-
methylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin.
Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

6

Hình
2-1 Cấu trúc của lignocellulose
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. [9]


Hình
2-2 Mối quan hệ cellulose – hemicellulose trong cấu trúc lignocellulose
2.1.2 Cellulose
Cellulose là một polymer mạch thẳng của D-glucose, các D-glucose được liên kết
với nhau bằng liên kết β 1-4 glucosid. Cellulose là loại polymer phổ biến nhất trên trái đất,
độ trùng hợp đạt được 3.500 – 10.000 DP [9]. Các nhóm OH ở hai đầu mạch có tính chất
Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

7
hoàn toàn khác nhau, cấu trúc hemiacetal tại C1 có tính khử, trong khi đó OH tại C4 có
tính chất của rượu. [2]

Hình
2-3 Công thức hóa học của cellulose
Các mạch cellulose được liên kết với nhau nhờ liên kết hydro và liên kết Van Der
Waals, hình thành hai vùng cấu trúc chính là kết tinh và vô định hình. Trong vùng kết tinh,
các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau, vùng này khó bị tấn công bởi enzyme
cũng như hóa chất. Ngược lại, trong vùng vô định hình, cellulose liên kết không chặt với
nhau nên dễ bị tấn công [9]. Có hai kiểu cấu trúc của cellulose đã được đưa ra nhằm mô tả
vùng kết tinh và vô định hình. [10]

Hình
2-4 Kiểu Fringed fibrillar và kiểu Folding chain
1/ Kiểu Fringed Fibrillar:
phân tử cellulose được kéo thẳng và định hướng theo
chìều sợi. Vùng tinh thể có chiều dài 500 Å và xếp xen kẽ với vùng vô định hình.
Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

8
2/ Kiểu Folding chain:
phân tử cellulose gấp khúc theo chiều sợi. Mỗi đơn vị lặp lại
có độ trùng hợp khoảng 1000, giới hạn bởi hai điểm a và b như trên hình vẽ. Các đơn vị
đó được sắp xếp thành chuỗi nhờ vào các mạch glucose nhỏ, các vị trí này rất dễ bị thủy
phân. Đối với các đơn vị lặp lại, hai đầu là vùng vô định hình, càng vào giữa, tính chất kết
tinh càng cao. Trong vùng vô định hình, các liên kết β - glucosid giữ
a các monomer bị
thay đổi góc liên kết, ngay tại cuối các đoạn gấp, 3 phân tử monomer sắp xếp tạo sự thay
đổi 180
o
cho toàn mạch. Vùng vô định hình sẽ dễ bị tấn công bởi các tác nhân thủy phân
hơn vùng tinh thể vì sự thay đổi góc liên kết của các liên kết cộng hóa trị (β - glucosid) sẽ
làm giảm độ bền nhiệt động của liên kết, đồng thời vị trí này không tạo được liên kết

hydro. [4]
Cellulose được bao bọc bởi hemicellulos và lignin, điều này làm cho cellulose khá
bền vững với tác động của enzyme cũng như hóa chất.
2.1.3 Hemicellulose
Hemicellulose là mộ
t 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 và
đường 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 được cấu tạo từ liên kết β -(1,4).
• Xylose là thành phần quan tr
ọng 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 thường 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.
Gỗ cứng, gỗ mềm và nguyên liệu phi gỗ có các đặc điểm hemicellulose khác nhau:
G
ỗ cứng chủ yếu có hai loại hemicellulose:
• Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan, là một loại polymer có mạch chính gồm β-D-
xylopyranose liên kết với nhau bằng liên kết β-D (1,4). Trong đó 70% các nhóm
OH ở vị trí C2 và C3 bị acetyl hóa, 10% các nhóm ở vị trí C2 liên kết với acid 4-
Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

9
O-methyl-D-glucuronic. Gỗ cứng còn chứa glucomannan, polymer này chứa một tỉ
lệ bằng nhau β-D-glucopyranose và β-D-mannopyranose. [9]

Hình
2-5 Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan

Hình
2-6 Glucomannan
• Loại thứ hai có mạch chính là β-D-galactopyranose, phân nhánh. Loại
hemicellulose này tạo liên kết –O tại nhóm OH ở vị trí C6 với α-L-arabinose, β-D-
galactose hoặc acid β-D-glucoronic. [9]
Gỗ mềm cũng bao gồm hai loại hemicellulose chính:
• Loại quan trọng nhất là galactoglucomannan, đây là polymer cấu thành từ các
phân tử D-mannopyranose liên kết với D-glucopyranose bằng liên kết β-(1,4) với tỉ
lệ hai monomer tương ứng là 3:1. Tuy nhiên, tỉ lệ này thay đổi tùy theo loại gỗ[9].

Hình
2-7 Galactoglucomannan
Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

10
• Arabino-4-O-methylglucuronoxylan, cấu tạo từ các D-xylopyranose, các
monomer này bị thế ở vị trí 2 bằng acid 4-O-methyl-glucuronic, ở vị trí 3 bằng α-
L-arabinofuranose. [9]
Đối với cỏ, 20 – 40% hemicellulose là arabinoxylan. Polysaccharide này cấu tạo từ
các D-xylopyranose, OH ở C2 bị thế bởi acid 4-O-methylglucuronic. OH ở vị trí C3 sẽ
tạo mạch nhánh với α-L-arabinofuranose. [9]

Hình
2-8 Arabinoglucuronoxylan
Cấu tạo phức tạp của hemicellolose tạo nên nhiều tính chất hóa sinh và lý sinh cho
cây.

2.1.4 Lignin
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.
Lignin là polymer, được cấu thành từ các đơn vị phenylpropene, vài đơn vị cấu trúc
điển hình được đề nghị là: guaiacyl (G), chất gốc là rượu trans-coniferyl; syringly (S),
chất g
ốc là rượu trans-sinapyl; p-hydroxylphenyl (H), chất gốc là rượu trans-p-courmary.

Hình
2-9 Các đơn vị cơ bản của lignin
Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

11
Cấu trúc của lignin đa dạng, tùy thuộc vào loại gỗ, tuổi của cây hoặc cấu trúc của nó
trong gỗ. Ngoài việc được phân loại theo lignin của gỗ cứng, gỗ mềm và cỏ, lignin có thể
được phân thành hai loại chính: guaicyl lignin và guaicyl-syringly lignin.
Gỗ mềm chứa chủ yếu là guaiacyl, gỗ cứng chứa chủ yếu syringyl. Nghiên cứu chỉ
ra rằng guaiacyl lignin hạn chế sự trương nở của xơ sợi và vì vậy loạ
i nguyên liệu đó sẽ
khó bị tấn công bởi enzyme hơn syringyl lignin. [10]

Hình
2-10 Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính
Những nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng lignin hoàn toàn không đồng nhất trong cấu
trúc. Lignin dường như bao gồm vùng vô định hình và các vùng có cấu trúc hình thuôn
hoặc hình cầu. Lignin trong tế bào thực vật bậc cao hơn không có vùng vô định hình. Các
vòng phenyl trong lignin của gỗ mềm được sắp xếp trật tự trên mặt phẳng thành tế bào.
Ngoài ra, cả cấu trúc hóa học và cấu trúc không gian của lignin đều bị ảnh hưởng bở
i

mạng polysaccharide. Việc mô hình hóa động học phân tử cho thấy rằng nhóm hydroxyl
Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

12
và nhóm methoxyl trong các oligomer tiền lignin sẽ tương tác với vi sợi cellulose cho dù
bản chất của lignin là kỵ nước.
Nhóm chức ảnh hưởng đến hoạt tính của lignin là nhóm phenolic hydroxyl tự do,
methoxy, benzylic hydroxyl, ether của benzylic với các rượu thẳng và nhóm carbonyl.
Guaicyl lignin chứa nhiều nhóm phenolic hydroxyl hơn syringyl.
Lignin có liên kết hóa học với thành phần hemicellulose và ngay cả với cellulose
(không nhiều) độ bền hóa học của những liên kết này phụ thuộc vào bản chất liên kết và
cấu trúc hóa học của lignin và nhữ
ng đơn vị đường tham gia liên kết [4]. Carbon alpha
(Cα) trong cấu trúc phenyl propane là nơi có khả năng tạo liên kết cao nhất với khối
hemicellulose. Ngược lại, các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose, galactose, và acid
4-O-methylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin. Các liên kết có thể là ether,
ester (liên kết với xylan qua acid 4-O-methyl-D-glucuronic), hay glycoxit (phản ứng giữa
nhóm khử của hemicellulose và nhóm OH phenolic của lignin)
Cấu trúc hóa học của lignin rất dễ bị thay đổi trong điều kiện nhiệt độ cao và pH
th
ấp như điều kiện trong quá trình tiền xử lý bằng hơi nước. Ở nhiệt độ phản ứng cao hơn
200
o
C, lignin bị kết khối thành những phần riêng biệt và tách ra khỏi cellulose. Những
nghiên cứu trước đây cho thấy đối với gỗ cứng, nhóm ether β-O-4 aryl bị phá trong quá
trình nổ hơi. Đồng thời, đối với gỗ mềm, quá trình nổ hơi làm bất hoạt các nhóm hoạt
động của lignin ở vị trí α như nhóm hydroxyl hay ether, các nhóm này bị oxy hóa thành
carbonyl hoặc tạo cation benzylic, cation này sẽ tiếp tục tạo liên kết C-C.[10]
2.1.5 Các chất trích ly
Có rấ

t nhiều chất thuộc nhóm thành phần này, chủ yếu là các chất dễ hòa tan. Theo
định nghĩa khái quát trong sách “Kĩ thuật cellulose và giấy” ở trang 64, các chất trích ly là
những chất hoặc có khả năng hòa tan trong những dung môi hữu cơ (như dietyl ether,
methyl terbutyl ether, ether dầu hỏa, diclormethene, acetone, ethanol, methanol, hexan,
toluen, terahydrofuran) hoặc trong nước. Chính vì thế phương pháp thông dụng nhất để
tách nhóm chất này trong việc phân tích thành phần sơ xợi lignocellulose là dùng trích ly
với dung môi ethanol-benzene tỉ lệ 1:2. Những chất này có thể có cả tính ưa dầu và ư
a
nước và không được xem là thành phần cấu trúc của gỗ. Chất nhựa là những chất ưa dầu,
có lẽ thường chiếm tỉ lệ ưu thế trong chất trích ly, nên thường chất trích ly hay được gọi là
nhựa (resin).
Các chất trích ly thường có màu, mùi và vị khá đặc trưng. Chúng rất quan trọng để
giữ lại những chức năng sinh học của cây. Đa phần các chất nhựa bảo vệ gỗ khỏ
i những
Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

13
tổn thương gây ra bởi vi sinh vật hay côn trùng. Terpenoid, steroid, chất béo, và những
phần tử phenolic như stilbene, lignan, tanmin và flavonoid đều là những chất trích ly. Các
phenolic có thuộc tính diệt nấm và ảnh hưởng đến màu của gỗ. Chất béo và sáp, trong
nhiều hệ thống sinh học được tận dụng như là nguồn năng lượng trong khi terpenoid và
steroid được biết đến là nhựa dầu. Nhóm cuối cùng cũng có hoạt tính kháng vi sinh vật và
côn trùng. Một số chất trích ly là những dược phẩ
m quan trọng. Ví dụ, flavonoid được sử
dụng như là chất chống tác nhân oxy hóa và chống virus. Một số cấu trúc chất trích ly
được thể hiện ở những hình sau:

Hình
2-11: Một số ví dụ về chất trích ly (a) abietic acid (oleoresin); (b) cathechin
(flavonoid); (c) palmitic acid (acid béo)

2.1.6 Tro
Trong các loại gỗ của xứ ôn đới, các nguyên tố khác so với carbon, hydro, oxy và
nito – chiếm khoảng 0,1-0,5% (so với lượng rắn khô trong gỗ). Với loại gỗ xứ nhiệt đới
con số này có thể là 5%. Hàm lượng chất vô cơ được đo bằng hàm lượng tro của mẫu và
nó trong khoảng 0,3-1,5% cho hai loại gỗ mềm và gỗ cứng. Hàm lượng này phụ thuộc
nhiề
u vào điều kiện môi trường tăng trưởng của cây và vào vị trí trong cây.
Tương tự chất trích ly, thành phần vô cơ của biomass thường thực hiện chức năng
trong một vài con đường sinh học ở thực vật. Kim loại vết thường tồn tại ở dạng phức hợp
như magnesium trong chlorophyll. Một số chất vô cơ từ muối kim loại tồn tại trong vách
tế bào thực vật. Calcium thường là kim lo
ại phong phú nhất, sau đó là kali và magnesium.
2.2 QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL TỪ RƠM RẠ
2.2.1 Tổng quát
Sơ đồ quá trình sản xuất ethanol từ rơm rạ