Bước đầu nghiên cứu tạo chế phẩm cellulase ứng dụng trong sản xuất bioethanol từ bã mía

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP


BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU TẠO CHẾ PHẨM
CELLULASE ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT
BIOETHANOL TỪ BÃ MÍA

SVTH : KIỀU NGỌC ANH
MSSV : 60600048
CBHD: TS. LÊ ĐỨC TRUNG
KS. LÊ THỊ QUỲNH TRÂM




TP. HỒ CHÍ MINH, 1/2011


Trang i

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành tốt luận văn này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất tận tình của:
Tiến Sĩ Lê Đức Trung – Viện Tài Nguyên Môi Trường, thuộc Đại Học
Quốc Gia TPHCM – đã gợi ý đề tài, hướng dẫn tận tình về hướng đi cũng như
các vấn đề có liên quan đến đề tài và hỗ trợ kinh phí để tôi có thể làm tốt luận

văn này.
Kỹ sư Lê Thị Quỳnh Trâm – Viện Tài Nguyên Môi Trường, thuộc Đại Học
Quốc Gia TPHCM – đã hướng dẫn tận tình và luôn động viên tinh thần tôi trong
suốt thời gian làm việc.
PGS.TS Nguyễn Thúy Hương – Bộ môn Công nghệ Sinh Học, Đại học
Bách Khoa Tp HCM – đã hướng dẫn tận tình về các vấn đề có liên quan và tặng
giống vi sinh vật dùng trong đề tài.
TS. Lê Phi Nga – Bộ môn Hóa Sinh, Đại học Khoa Học Tự Nhiên Tp
HCM – đã nhiệt tình hướng dẫn và góp ý, chia sẻ những nội dung liên quan đến
đề tài.
TS. Lê Thị Thủy Tiên và cán bộ các phòng thí nghiệm 102, 108, 117 – Bộ
môn Công nghệ Sinh Học, Đại học Bách Khoa Tp HCM – đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi nhất để tôi có thể sử dụng các trang thiết bị và dụng cụ thí nghiệm.
Cha mẹ, anh chị em tôi đã luôn bên cạnh và hỗ trợ tôi về vật chất và tinh
thần khi cần thiết, giúp tôi hoàn thành tốt luận văn này.
Các bạn sinh viên lớp HC06BSH – Đại học Bách Khoa Tp HCM –
đã cùng học tập, trao đổi kinh nghiệm và giúp đỡ tôi trong quá trình làm việc.
Xin gởi đến những người kể trên lời cảm ơn chân thành nhất và sâu sắc
nhất!
Sinh viên thực hiện
Kiều Ngọc Anh


Trang ii

TÓM TẮT
Enzyme cellulase được sản xuất từ hai chủng Trichodema reesei và Aspergillus
niger bằng phương pháp lên men bán rắn trên cơ chất cám gạo và các loại bã mía chưa
tiền xử lý, tiền xử lý với NaOH 0.1 M, nhiệt độ phòng, 12h và tiền xử lý với NaOH
2%, 90

0
C, 1.5h. Hoạt tính cellulase cao nhất đạt được 16.28 UI/g đối với T. reesei và
23.45 UI/g với A. niger trên cơ chất cảm ứng là bã mía tiền xử lý với NaOH 2%,
90
0
C, 1.5h. Bã mía tiền xử lý với NaOH 2%, 90
0
C, 1.5h cũng cho hiệu suất thủy phân
cao nhất khi thủy phân với Cellusoft L 5% (v/v), do đó được chọn làm nguyên liệu cho
các quá trình thủy phân. Các chế phẩm cellulase phối trộn dạng lỏng thô, rắn qua quá
trình sấy và hỗn hợp thu được sau lên men được tạo ra. Tiến hành thủy phân bã mía
bằng hệ cellulase phối trộn thu được từ hai chủng T.reesei và A.niger tạo hàm lượng
đường khử cao hơn 1.5 - 4 lần so với thủy phân bằng hệ cellulase riêng rẽ thu được từ
mỗi chủng. Điều này cho thấy tác động tương hỗ giữa hai hệ cellulase từ T.reesei và
A.niger . Thủy phân bã mía bằng chế phẩm cellulase phối trộn dạng lỏng thô và hỗn
hợp sau lên men cho kết quả thủy phân cao hơn dạng rắn qua quá trình sấy. Tiến hành
thủy phân bã mía bằng cellulase dạng lỏng thô, tỉ lệ phối trộn T. reesei/ A. niger 4/6,
hàm lượng cellulase 3UI CMCase/g, 5% bã, 50
0
C, pH 4.8 trong 72 giờ, tạo được 19.19
g/l đường khử, trong đó có 10.57 g/l glucose, đạt hiệu suất thủy phân 43.02% . Kết quả
này còn khá thấp so với 34.32g/l đường khử và 25.46 g/l glucose khi thủy phân bằng
Cellusoft L 5% (v/v) và chưa đủ để lên men tạo ethanol hiệu quả. Tuy nhiên, nếu được
tiếp tục cải thiện về giống, điều kiện nuôi cấy… đây sẽ là một hướng đi tiềm năng có
thể thay thế được các chế phẩm cellulase thương mại mắc tiền dùng trong sản xuất
bioethanol từ bã mía.



Trang iii

ABSTRACT
Crude unprocessed cellulase was produced by solid state fermentation of
Trichoderma reesei and Aspergillus niger on rice bran and three types of sugarcane
bagasse: non pretreated, pretreated with NaOH 0.1M, room temperature, 12h and
pretreated with NaOH 2%, 90
0
C, 1.5h . The highest cellulase activities by T.reesei and
by A.niger with bagasse treated with NaOH 2%, 90
0
C, 1.5 h as inducing substrate
were: 16.28 UI/g and 23.45 UI/g, respectively. Some types of cellulase preparations
were created, which were crude unprocessed cellulase extract, dried-culture and
culture after fermentation. The hydrolytic effectiveness of T.reesei –A.niger cellulase
blends on bagasse treated with NaOH 2%, 90
0
C, 1.5 h was superior to the use of
unblended T. reesei or A. niger enzymes, the reducing sugar concentration increased
1.5- 4 fold. This suggested that T. reesei–A. niger blends were enhanced
synergistically. Crude unprocessed cellulase extract and culture after fermentation
were more effective hydolysis yield than dried-culture. Crude unprocessed cellulase
extract hydolysis bagasse treated with NaOH 2%, 90
0
C, 1.5 h resulted in 19.19 g
reducing sugar/L, 10.57gglucose/L, hydrolysis yield 43.02 % after 72h under
corresponding conditions (T.reesei/ A.niger 4/6, 3 UI CMCase/g bagasse, 5% bagasse,
150 rpm, 50
0
C, pH 4.8). The hydrolysate contained lower reducing sugar and glucose
concentration compared with 34.32 g/l reducing sugar and 25.46 g glucose/L using

Cellusoft 5% (v/v) in the same hydrolysis experiments and not suitable for subsequent
fermentation process. However, if further improvements in higher-cellulase species,
cultured conditions…the simplified of cellulase production using solid-state
fermentation proved its potential to be used on-site as part of a cellulase to ethanol
conversion process, in lieu of expensive commercial enzyme preparations.



Trang iv

KÍ HIỆU VIẾT TẮT

− TXL : Tiền xử lý
− TT : Thứ tự
− BM : Bã mía
− CG : Cám gạo
− CMC : Carboxymethyl cellulose
− DNS : acid 3, 5_ Dinitrosalicylic
− CP : Chế phẩm
− CP1 : Chế phẩm cellulase dạng lỏng thô
− CP2 : Chế phẩm cellulase dạng rắn qua quá trình sấy
− CP3 : Chế phẩm hỗn hợp thu được sau nuôi cấy
− CP A : Chế phẩm cellulase từ Aspergillus niger
− CP T : Chế phẩm cellulase từ Trichoderma reesei
− AFEX : Ammonia Fiber Explosion_ Nổ hơi ammonia




Trang v

MỤC LỤC
TÓM TẮT ii
KÍ HIỆU VIẾT TẮT iv
MỤC LỤC v
DANH MỤC BẢNG viii
DANH MỤC HÌNH ix

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ix
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4
2.1. Giới thiệu chung về bioethanol và enzyme trong sản xuất bioethanol từ
biomass 4
2.1.1. Bioethanol và sản xuất bioethanol từ lignocellulose 4
2.1.2. Enzyme là vấn đề mấu chốt trong sản xuất bioethanol từ lignocellulose 5
2.1.3. Một số công trình nghiên cứu về enzyme cellulase ứng dụng trong sản xuất
bioethanol. 8
2.2. Giới thiệu chung về nguồn nguyên liệu bã mía 10
2.2.1. Giới thiệu chung về cây mía và bã mía 10
2.2.2. Các thành phần chủ yếu trong bã mía. 11
2.2.3. Các phương pháp tiền xử lý bã mía 16
2.3. Enzyme cellulase 20
2.3.1. Phân loại. 20
2.3.2. Cấu trúc và tính chất enzyme cellulase 21
2.3.3. Cơ chế tác động của enzyme cellulase lên cellulose. 22
2.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân. 24
2.4. Sản xuất chế phẩm cellulase 27
2.4.1. Vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp cellulase 27
2.4.2. Phương pháp lên men bán rắn thu nhận chế phẩm enzyme. 30
2.4.3. Cơ chất cảm ứng nấm sợi sinh tổng hợp cellulase. 32
2.4.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và sinh tổng hợp cellulase của nấm

sợi trên môi trường bán rắn 33
2.4.5. Chế phẩm cellulase 36


Trang vi

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 40
3.1. Vật liệu 40
3.1.1. Bã mía 40
3.1.2. Giống vi sinh vật 40
3.1.3. Cơ chất dùng trong lên men bán rắn 40
3.1.4. Enzyme thương mại 42
3.2. Nội dung tổng quát 43
3.2.1. Sơ đồ nội dung tổng quát 43
3.2.2. Các phương pháp nghiên cứu 43
3.2.2.1. Phương pháp tiền xử lý bã mía 43
3.2.2.2. Quan sát hình thái giống 44
3.2.2.3. Phương pháp tuyển chọn giống T. reesei có hoạt tính cao 44
3.2.2.4. Phương pháp khảo sát lên men bán rắn sinh tổng hợp cellulase 45
3.2.2.5. Phương pháp thu nhận các loại chế phẩm cellulase 46
3.2.2.6. Phương pháp khảo sát quá trình thủy phân bã mía 47
3.3. Bố trí thí nghiệm 47
3.3.1. Khảo sát quá trình lên men bán rắn sinh tổng hợp cellulase 47
3.3.2. Khảo sát quá trình thủy phân bã mía 50
3.3.3. Khảo sát độ ổn định của enzyme 52
3.4. Phương pháp phân tích 52
3.4.1. Phương pháp xác định hoạt tính CMCase 52
3.4.2. Phương pháp xác định hàm lượng đường khử bằng DNS 54
3.4.3. Phương pháp xác định các thành phần trong bã mía trong bã mía 55
3.2. Phương pháp xử lý số liệu 60

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 61
4.1. Khảo sát ảnh hưởng của quá trình tiền xử lý đến thành phần và cấu trúc bã
mía 61
4.2. Quan sát đặc điểm hình thái của các chủng nấm mốc 65
4.3. Tuyển chọn giống T.reesei có hoạt tính cellulase cao 68


Trang vii

4.4. Khảo sát các điều kiện nuôi cấy thích hợp với khả năng sinh tổng hợp
cellulase trên môi trường bán rắn 68
4.4.1. Khảo sát khả năng sinh tổng hợp cellulase theo thời gian ứng với các loại bã
mía tiền xử lý khác nhau 68
4.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ cơ chất 71
4.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm 72
4.4.4. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ giống 73
4.4.5. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng nitrogen 74
4.5. Khảo sát quá trình thủy phân bã mía bằng các loại chế phẩm thu nhận được75
4.5.1. Khảo sát nguồn nguyên liệu thủy phân 75
4.5.2. Enzyme thương mại (Cellusoft L) 77
4.5.3. Chế phẩm cellulase dạng lỏng thô (CP1) 79
4.5.3.1. Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ phối trộn đến hoạt tính CMCase 79
4.5.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn 80
4.5.3.3. Khảo sát hàm lượng chế phẩm enzyme/ bã 82
4.5.4. Chế phẩm enzyme dạng bán rắn sấy khô (CP2) 84
4.5.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn 84
4.5.4.2. Khảo sát hàm lượng chế phẩm enzyme/ bã 85
4.5.5. Chế phẩm dạng bã rắn tươi (CP3) 86
4.5.5.1. Khảo sát tỉ lệ phối trộn thích hợp 87

4.5.5.2. Khảo sát tỉ lệ chế phẩm enzyme/ bã 88
4.5.6. Nhận định, đánh giá tiềm năng của các loại chế phẩm 90
4.5.7. Độ ổn định của cellulase thu được 93

CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 95
5.1. Kết luận 95
5.2. Đề nghị 96
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………… 99
PHỤ LỤC 102



Trang viii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 : Thành phần hoá học của cám mì 41
Bảng 3.2 : Thành phần các khoáng chất, vitamin của cám gạo 41
Bảng 3.3 : Bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của loại bã mía cảm ứng và thời gian
lên men 48
Bảng 3.4: Bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ cơ chất 49
Bảng 3.5 : Bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm môi trường lên men 49
Bảng 3.6 : Bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ giống 49
Bảng 3.7 : Bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng nitrogen 50
Bảng 3.8: Bố trí thí nghiệm xây dựng đường chuẩn glucose 53
Bảng 3.9 : Bố trí thí nghiệm xây dựng đường chuẩn glucose (DNS) 55
Bảng 3.10: Thành phần NDS. 56
Bảng 4.1: Đường kính phân giải của enzyme thu từ các chủng T.reesei A, B, C 68
Bảng 4.2 : So sánh hiệu quả thủy phân bã mía tạo đường của ba loại chế phẩm 91
Bảng 5.1 : Kết quả khảo sát các điều kiện nuôi cấy thích hợp sinh tổng hợp cellulase

trên môi trường bán rắn. 95





Trang ix

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Sơ đồ sản xuất bioethanol từ biomass . 6
Hình 2.2 : Cây mía 10
Hình 2.3 : Bã mía và bãi thải bã mía ở công ty mía đường NIVL (Long An). 10
Hình 2.4 : Cấu trúc của lignocelluloses. 11
Hình 2.5 : Mối quan hệ cellulose – hemicellulose - lignin trong cấu trúc lignocellulose
. 12
Hình 2.6 : Cấu trúc của cellulose 12
Hình 2.7 : Kiểu Fringed fibrillar và kiểu Folding chain 13
Hình 2.8 : Cấu tạo hóa học của đại diện hemicellulose. 14
Hình 2.9: Ba tiền chất phenyl – propane của lignin 15
Hình 2.10: Cấu trúc lignocellulose trước và sau khi tiền xử lý. 16
Hình 2.11: Các amino acid liên kết CD và CBD 21
Hình 2.12: Quá trình tác động exo-glucanase lên đầu vùng kết tinh của cellulose. 23
Hình 2.13: Cơ chế thủy phân cellulose của enzyme cellulase. 24
Hình 2.14 : Ảnh hưởng của nồng độ enzyme. 26
Hình 2.15: Nâm sợi Trichoderma reesei 29
Hình 2.16: Nấm sợi Aspergillus niger 30
Hình 3.1 : Sơ đồ nội dung thí nghiệm 43
Hình 3.2: CP1 (lỏng) và CP2 (sấy) với hai chủng tương ứng A. niger và T. reesei. 47
Hình 3.3 :- Bộ dụng cụ soxhlet 58

Hình 3.4: - Hệ thống phân tích NDS và ADS…………………………………… …65
Hình 4.1: Phân tích thành phần bã mía trước khi tiền xử lý 61
Hình 4.2: Thành phần bã mía trước tiền xử lý theo nghiên cứu của Binod
Parameswaran và cộng sự (2009). 61
Hình 4.3: Phân tích thành phần bã mía sau tiền xử lý 63
Hình 4.4 : Cấu trúc và màu sắc của bã mía chưa tiền xử lý, bã mía xử lý ở nhiệt độ
phòng, 12 giờ và xử lý ở 90
0
C, 1.5 giờ (từ trái qua) 65
Hình 4.5 : Bã mía tiền xử lý ở 90
0
C, 1.5 giờ. 65
Hình 4.6: Khuẩn ty T. reesei và A. niger phát triển trên môi trường PGA 66


Trang x

Hình 4.7 : Quan sát hình thái và bào tử nấm T. reesei dưới kính hiển vi 67
Hình 4.8 : Quan sát hình thái và bào tử nấm A. niger dưới kính hiển vi 67
Hình 4.9 : Xác định hoạt tính CMCase của lần lượt ba chủng T.reesei A, B, C bằng
phương pháp khuyếch tán enzyme trên đĩa thạch 68
Hình 4.10: Khảo sát khả năng sinh cellulase của chủng T.reesei với các loại bã mía
cảm ứng khác nhau theo thời gian 69
Hình 4.11 : Khảo sát khả năng sinh cellulase của A. niger với các loại bã mía cảm ứng
theo thời gian 71
Hình 4.12: Ảnh hưởng của tỉ lệ cơ chất lên khả năng sinh tổng hợp cellulase 71
Hình 4.13: Ảnh hưởng của độ ẩm môi trường bán rắn lên khả năng sinh tổng hợp
cellulase 73
Hình 4.14: Ảnh hưởng của tỉ lệ giống lên khả năng sinh tổng hợp cellulase 74
Hình 4.15: Ảnh hưởng của nồng độ nitrogen lên khả năng sinh tổng hợp celluase 74

Hình 4.16: Hàm lượng đường khử trong quá trình thủy phân sử dụng các nguồn
nguyên liệu bã mía khác nhau (5% Cellusoft L, 5% bã mía ở 50
0
C, pH 4.8) 76
Hình 4.17: Hiệu suất thủy phân (tính theo phụ lục 5) theo thời gian khi sử dụng những
nguồn nguyên liệu bã mía khác nhau ( 5% Cellusoft L, 5% bã mía, 50
0
C, pH 4.8). 76
Hình 4.18: Hàm lượng đường khử trong quá trình thủy phân sử dụng các tỉ lệ
Cellusoft L (ml enzyme/g bã) khác nhau ( 5% bã mía, 50
0
C, pH 4.8). 77
Hình 4.19: Hiệu suất thủy phân theo thời gian khi sử dụng các hàm lượng Cellusoft L
khác nhau (5% bã mía, 50
0
C, pH 4.8). 78
Hình 4.20: Hoạt tính CMCase (UI/L) ứng với các tỉ lệ phối trộn CP1 từ hai chủng
T. reesei và A.niger. 79
Hình 4.21 : Hàm lượng đường khử trong quá trình thủy phân bã mía với các tỉ lệ phối
trộn cellulase T. reesei/ A. niger khác nhau (bã 5%, enzyme 10%, 50
0
C, pH 4.8). 81
Hình 4.22: Hàm lượng đường khử trong quá trình thủy phân bã mía với các hoạt độ
cellulase tỉ lệ 4/6 khác nhau (5% bã, 50
0
C, pH 4.8) 82
Hình 4.23: Hiệu suất thủy phân theo thời gian khi sử dụng các tổng hoạt độ cellulase (
UI/g bã) tỉ lệ 4/6 khác nhau (5% bã mía, 50
0
C, pH 4.8). 83

Hình 4.24: Hàm lượng đường khử trong quá trình thủy phân sử dụng các tỉ lệ phối
trộn cellulase khác nhau (g CP khô/g bã) (5% bã, 50
0
C, pH 4.8) 84
Hình 4.25: Hàm lượng đường khử trong quá trình thủy phân sử dụng hàm lượng chế
phẩm tỉ lệ 0.025/0.075 khác nhau (bã 5%, 50
0
C, pH 4.8) 85


Trang xi

Hình 4.26 : Hiệu suất thủy phân theo thời gian khi sử dụng hàm lượng chế phẩm tỉ lệ
0.025/0.075 khác nhau (bã 5%, 50
0
C, pH 4.8) 86
Hình 4.27: Hàm lượng đường khử trong quá trình thủy phân sử dụng các tỉ lệ phối
trộn cellulase khác nhau (g CP (theo trọng lượng khô)/g bã) (5% bã, 50
0
C, pH 4.8) 87
Hình 4.28: Hàm lượng đường khử trong quá trình thủy phân sử dụng hàm lượng chế
phẩm tỉ lệ 0.04/0.06 khác nhau (bã 5%, 50
0
C, pH 4.8) 88
Hình 4.29 : Hiệu suất thủy phân theo thời gian khi sử dụng hàm lượng chế phẩm tỉ lệ
0.04/0.06 khác nhau (bã 5%, 50
0
C, pH 4.8) 89
Hình 4.30: Hàm lượng đường khử và hiệu suất thủy phân theo tỉ lệ chế phẩm 90
Hình 4.31 : Khảo sát độ ổn định của cellulase CP1. 94

Chương 1. Mở đầu

Trang 1

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Các nguồn nguyên liệu hóa thạch, vốn đóng vai trò to lớn trong sự phát triển nền
kinh tế thê giới. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã cảnh báo rằng các nguồn nhiên liệu
hóa thạch sẽ cạn kiệt trong vài thập niên tới. Thêm vào đó, việc sử dụng nhiên liệu
hóa thạch đã gây ra những hậu quả nghiêm trọng về vấn đề môi trường như hiện tượng
trái đất nóng lên do hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm không khí. Do vậy, công cuộc tìm
kiếm các nguồn năng lượng sạch thay thế là vô cùng tất yếu đối với sự phát triển của
con người hiện nay.
Cùng với biodiesel, bioethanol là một nguồn năng lượng sinh học sạch và có khả
năng tái tạo, đã và đang được chú ý phát triển để trở thành nguồn năng lượng đầy hứa
hẹn trong tương lai. Tuy nhiên, công nghệ sản xuất bioethanol từ nguyên liệu tinh bột
hiện nay gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến an ninh lương thực, de dọa cuộc sống con
người, do vậy đã thúc đẩy con người tìm kiếm những nguồn nguyên liệu thay thế.
Nhiều quốc gia trên thế giới đang nghiên cứu sâu phát triển công nghệ mới để sản xuất
bioethanol từ phế phẩm nông nghiệp như bã mía, rơm rạ, lõi ngô, vỏ trấu, bã sắn…
những nguồn nguyên liệu lignocellulose được cho là đầy triển vọng, rẻ tiền, khối
lượng hàng năm rất lớn, không có tính cạnh tranh với lương thực thế giới và góp phần
làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường do đốt bỏ hay thải bỏ các nguồn nguyên liệu này.
Tuy nhiên, sản xuất bioethanol từ các nguồn lignocellulose vấp phải khó khăn
lớn về tính kinh tế do chi phí cho enzyme cellulase để thủy phân cellulose thành nguồn
đường lên men được còn khá cao, chiếm đến 40% tổng chi phí cho quá trình sản xuất.
Cellulase hiện nay được sản xuất chủ yếu từ các chủng Trichoderma và Aspergillus
bằng phương pháp lên men chìm và trải quá trình tinh sạch hết sức tốn kém, vì vậy giá

thành cellulase còn khá cao. Do vậy, hiện nay việc nghiên cứu các giải pháp công
nghệ để giảm giá thành enzyme cellulase đang được chính phủ, các tổ chức năng
lượng và các hãng enzyme nổi tiếng đẩy mạnh hơn bao giờ hết.
Các hoạt động sản xuất nông nghiệp và các ngành công nghiệp sử dụng sản phẩm
nông nghiệp hàng năm tại Việt Nam tạo ra hàng trăm tấn phế phẩm nông nghiệp. Đặc
Chương 1. Mở đầu

Trang 2

biệt là nguồn bã mía khổng lồ thải ra từ các nhà máy đường nhưng vẫn chưa có biện
pháp hợp lý để xử lý nguồn rác thải to lớn đó một cách hiệu quả. Đây là một nguồn
nguyên liệu tiềm năng để sản xuất nhiên liệu sinh học trong tương lai. Vì thế , vấn đề
nghiên cứu tạo các chế phẩm cellulase ứng dụng trong sản xuất bioethanol từ
lignocellulose là vấn đề hết sức cần thiết mang tính đi tắt đón đầu.
Do vậy, em đã chọn thực hiện đề tài “ Bước đầu nghiên cứu tạo chế phẩm
cellulase ứng dụng trong sản xuất bioethanol từ bã mía”. Qua đó, đề tài cung cấp thêm
những cơ sở dữ liệu về tạo chế phẩm cellulase thô từ hai chủng giống Trichoderma
reesei và Aspergillus niger bằng phương pháp lên men bán rắn với bã mía tiền xử lý là
cơ chất cảm ứng sinh tổng hợp enzyme. Đồng thời tiến hành nghiên cứu tỉ lệ phối trộn
hệ cellulase thu được từ hai chủng giống trên nhằm thu được hệ cellulase có thành
phần cân đối nhất và tiến hành thủy phân bã mía tạo đường lên men được.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của đề tài là:
ü Khảo sát sơ bộ tìm điều kiện thích hợp để tiền xử lý bã mía dùng làm cơ chất
cảm ứng trong lên men bán rắn và làm nguyên liệu thủy phân tạo đường lên men
được.
ü Khảo sát điều kiện nuôi cấy thích hợp cho quá trình sinh tổng hợp cellulase với
hai chủng giống Trichoderma reesei và Aspergillus niger trên môi trường bán
rắn.
ü Nghiên cứu tỉ lệ phối trộn các loại cellulase thô thu được từ hai chủng giống trên.

ü Ứng dụng thủy phân bã mía bằng các chế phẩm cellulase thô thu nhận được.
1.3. Các nội dung nghiên cứu
1. Khảo sát các chế độ tiền xử lý:
ü Nhiệt độ thấp, thời gian dài
ü Nhiệt độ cao, thời gian ngắn
Chương 1. Mở đầu

Trang 3

2. Khảo sát điều kiện nuôi cấy thích hợp cho quá trình sinh tổng hợp cellulase
trên môi trường bán rắn với bã mía là cơ chất cảm ứng:
ü Ảnh hưởng của các loại bã mía cảm ứng
ü Ảnh hưởng của thành phần môi trường
ü Ảnh hưởng của độ ẩm
ü Ảnh hưởng của tỉ lệ giống
ü Ảnh hưởng của hàm lượng nitrogen
3. Khảo sát tỉ lệ phối trộn cellulase thích hợp từ hai chủng giống với các loại chế
phẩm:
ü Lỏng thô (CP1)
ü Rắn qua quá trình sấy (CP2)
ü Hỗn hợp thu được sau khi lên men (CP3)
4. Khảo sát quá trình thủy phân bã mía tìm được
ü Tỉ lệ chế phẩm enzyme thích hợp
ü Loại chế phẩm thích hợp

Chương 2: Tổng quan tài liệu


Trang 4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Giới thiệu chung về bioethanol và enzyme trong sản xuất bioethanol từ
biomass
2.1.1. Bioethanol và sản xuất bioethanol từ lignocellulose
2.1.1.1. Bioethanol
Bioethanol là ethanol đi từ nguyên liệu biomass có thể dụng sử dụng trong các
sản phẩm như nhiên liệu, dung môi, chất kháng khuẩn. Bioethanol có nhiều ưu điểm
hơn so với các nguồn nhiên liệu hiện tại và được đánh giá là một nguồn nhiên liệu
sạch đầy tiềm năng của tương lai. Bioethanol là nguồn nhiên liệu có khả năng tái sinh
vì bioethanol được tạo ra từ nguồn gốc thực vật nên CO
2
sinh ra khi đốt được cây cối
hấp thụ lại tạo nên sự cân bằng về lượng CO
2
, do đó không gây hiệu ứng nhà kính.
Nhiên liệu ethanol pha trộn cho thấy giảm 35 – 46% khí nhà kính [16].
2.1.1.2. Tình hình sản xuất bioethanol từ lignocellulose biomass
ü Lignocellulose
Lignocellulose là nguồn polymer sinh học dồi dào, phong phú nhất trên thế giới
và có thể được tận dụng để sản xuất xăng sinh học. Thành phần cấu tạo của
lignocellulose bao gồm cellulose, hemicellulose, lignin, chất trích ly và một số hợp
chất vô cơ khác. Một số nguồn lignocellulose phổ biến đang được nghiên cứu hiện
nay như:
− Chất thải nông nghiệp: bã mía, lõi ngô, thân ngô, rơm rạ, trấu, phân gia súc
− Vật liệu từ gỗ: gỗ thải trong xây dựng, mùn cưa, dăm bào…

− Các nguồn chất thải công nghiệp: công nghiệp giấy, công nghiệp chế biến lương
thực thực phẩm…
Lignocellulose là nguồn nguyên liệu đầy tiềm năng trong công nghệ sản xuất
bioethanol. Sản xuất bioethanol từ lignocellulose có lợi ích về mặt kinh tế giúp giảm
sự lệ thuộc vào nguồn dầu mỏ, giảm lượng xăng dầu ngoại nhập bằng nguồn nhiên
liệu cung cấp trong nước, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế nông nghiệp và giảm
thiểu ô nhiễm môi trường nhờ giải quyết được nguồn nguyên liệu rác thải công, nông
Chương 2: Tổng quan tài liệu


Trang 5

nghiệp. Hơn nữa quá trình này sẽ thải ra một lượng lớn lignin có thể tận dụng như một
nguồn chất đốt giàu năng lượng [36].
ü Tình hình sản xuất bioethanol từ lignocellulose
Sản xuất bioethanol từ nguyên liệu lignocellulose đã xuất hiện quy mô pilot và
thương mại từ giữa năm 1900. Dự án pilot lớn nhất được thực hiện bởi Iogen – một
hãng sản xuất enzyme lớn ở Canada - với nguồn nguyên liệu là thân lúa mạch và yến
mạch. Hiệu quả sản xuất ethanol đạt tới 340 lít/tấn nguyên liệu và có thể sản xuất hơn
3 triệu lít ethanol/ năm. Công ty Poet, công ty sản xuất bioethanol lớn nhất nước Mỹ,
sản xuất ethanol từ hơn 18 loại lignocellulose với 3.8 tỉ lít/năm, đang trên tiến trình mở
rộng quy mô sản xuất với các loại nguyên liệu như lõi ngô, thân lúa mì, vụn gỗ
SunOpata (Pháp) đã xây dựng nhà máy sản xuất ethanol từ lignocellulose ở Pháp và
hiện đang chuyển giao công nghệ sang một số nước như Trung Quốc (sản xuất ethanol
từ lõi bắp, 2006), Tây Ban Nha (sản xuất ethanol từ thân lúa mì, 2007), Louisiana (sản
xuất ethanol từ bã mía, 2007).
Hiện nay, nhiều công ty và tổ chức năng lượng đang nghiên cứu để hoàn thiện
hơn nữa công nghệ sản xuất bioethanol từ lignocellulose (Service, 2007). Các hướng
nghiên cứu tập trung vào kỹ thuật enzyme, kỹ thuật di truyền ở vi sinh vật và thậm chí
ở các loại cây nhằm nhằm tăng hoạt tính, giảm giá thành enzyme, tìm được giống vi

sinh vật có khả năng lên men tốt các loại đường và tạo những chủng cây trồng sản sinh
cấu trúc lignocellulose kém bền vững hơn, ít thành phần lignin hơn [35].
Ở Việt Nam, nhóm nghiên cứu đề tài Biomass, xử lý phế phẩm nông nghiệp, do
TS. Phan Đình Tuấn, trường 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 như rơm,
rạ, bã mía, 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.
2.1.2. Enzyme là vấn đề mấu chốt trong sản xuất bioethanol từ lignocellulose
Bã mía, lá mía, rơm rạ, lõi ngô, thân ngô là các nguồn nguyên liệu biomass
giàu carbohydrate được thải ra từ sản xuất nông nghiệp với số lượng lớn và giá thành
rẻ, đang là đối tượng nghiên cứu để sản xuất bioethanol hiện nay. Các nguồn
Chương 2: Tổng quan tài liệu


Trang 6

lignocellulose này bao gồm các thành phần chủ yếu: cellulose (35-50%), hemicellulose
(20-35%) và lignin (10-25%) sắp xếp với nhau tạo cấu trúc hết sức chặt chẽ và phức
tạp, cản trở sự tấn công của enzyme, vi sinh vật, kể cả hóa chất ( Demirbas, 2005).
Theo Mosier và cộng sự (2005), để chuyển hóa nguồn lignocellulose này thành
bioethanol cần qua bốn giai đoạn:

Hình 2.1: Sơ đồ sản xuất bioethanol từ biomass .
Đầu tiên, nguyên liệu được cắt/xay nhỏ về kích thước phù hợp. Tiếp theo, nguyên
liệu sẽ được tiền xử lý nhằm giãn nở cấu trúc và loại bỏ một số thành phần. Sau đó,
nguyên liệu sẽ được thủy phân bằng enzyme hoặc acid tạo nguồn đường lên men được.
Sau cùng, nấm men sẽ dùng nguồn đường này lên men tạo bioethanol [14].
Trong bốn giai đoạn kể trên thì giai đoạn thủy phân lignocellulose tạo nguồn
đường lên men được đánh giá là giai đoạn quan trọng và gặp nhiều khó khăn nhất. Có
hai phương pháp thủy phân lignocellulose thủy phân bằng acid và thủy phân bằng
enzyme. Tuy nhiên, phương pháp thủy phân bằng enzyme (cellulase, hemicellulase )
tỏ ra chiếm ưu thế do hiệu quả thủy phân cao, có thể đạt đến 100% mà phương pháp
acid dù bất kì nồng độ nào cũng không thể đạt được. Hơn nữa, phương pháp enzyme
đòi hỏi điều kiện nhiệt độ, pH ôn hòa, ngược lại phương pháp acid cần điều kiện nhiệt
độ cao và pH thấp do vậy đòi hỏi cần có thiết bị chịu được acid và nhiệt độ. Tuy
Ethanol
Cắt, nghiền, xay nhỏ
Tiền xử lý
Thủy phân (acid, enzyme)
Lên men

Lignocellulose
Chương 2: Tổng quan tài liệu


Trang 7

phương pháp acid có lợi thế về thời gian nhanh hơn nhưng trong quá trình thủy phân
lại sản sinh ra các hợp chất ức chế sự phát triển của nấm men. Do vậy, phương pháp
thủy phân lignocellulose thông dụng nhất hiện nay là phương pháp thủy phân bằng
enzyme [35].
Tuy nhiên, cellulase là một trong những enzyme thương mại có giá thành cao

hiện nay, khoảng từ 0.3 – 0.81 USD/gam. Việc thủy phân cellulose cần một lượng lớn
cellulase (1kg cellulase cho 50 kg cellulose), do vậy chi phí cho enzyme chiếm 40 -
45% tổng chi phí trong công nghệ sản xuất bioethanol từ lignocellulose. Do đó việc
nghiên cứu giảm giá thành của enzyme cellulase là một vấn đề mấu chốt trong việc
ứng dụng enzyme cellulase vào công nghiệp sản xuất bioethanol từ lignocellulose. Vấn
đề nghiên cứu giảm giá thành enzyme cellulase hiện nay tập trung vào các hướng như:
− Tăng hiệu suất sinh enzyme cellulase trong sản xuất enzyme cellulase thương
mại (cải thiện hệ gen vi sinh vật ).
− Sản xuất enzyme cellulase với các nguồn cơ chất rẻ tiền.
− Sản xuất enzyme cellulase có độ ổn định cao, có thể tái sử dụng được.
− Sản xuất enzyme cellulase có hoạt tính cao bằng phương pháp lên men bán rắn.
− Sản xuất chế phẩm cellulase thô nhằm giảm chi phí khâu tinh chế enzyme.
Với việc ứng dụng vào công nghệ sản xuất bioethanol từ lignocellulose, thị
trường về enzyme cellulase dự kiến sẽ tăng ít nhất 33% . Với một thị trường rộng lớn
và vai trò vai trọng của cellulase trong công nghệ sản xuất bioethanol từ
lignocellulose, đòi hỏi phải có bước cải tiến những chế phẩm enzyme cellulase về các
mặt như : khả năng xúc tác hiệu quả trên nguồn cơ chất cellulose không tan, ổn định ở
nhiệt độ cao và pH thích hợp, ít bị ức chế bởi sản phẩm cuối…
Hiện nay, công ty Genencor International and Novozymes Biotech đã công bố
công nghệ sản xuất cellulase ứng dụng trong công nghệ sản xuất bioethanol với giá
thành giảm từ 5.4 USD/gallon còn 0.25 USD/ gallon bằng cách sử dụng cơ chất rẻ
tiền hơn và cải thiện hiệu suất thủy phân bằng cách phối trộn hỗn hợp enzyme
cellulase. Tuy nhiên, phương pháp này vẫn chưa được chấp nhận rộng rãi do chưa áp
dụng được trên nhiều nguồn lignocellulose khác nhau [28].
Chương 2: Tổng quan tài liệu


Trang 8

2.1.3. Một số công trình nghiên cứu về enzyme cellulase ứng dụng trong sản

xuất bioethanol.
Ở các nước đang phát triển như Việt Nam, việc nghiên cứu sản xuất enzyme
cellulase theo các hướng sử dụng cơ chất rẻ tiền, sản xuất enzyme cellulase có hoạt
tính cao bằng phương pháp lên men bán rắn, và sản xuất chế phẩm cellulase thô được
đánh giá là thích hợp nhất về mặt kinh tế và công nghệ. Hiện nay một số nước tiên tiến
trên thế giới cũng đã và đang thực hiện theo hướng nghiên cứu này. Một số công trình
nghiên cứu gần đây về enzyme cellulase thô sử dụng trong sản xuất bioethanol trên thế
giới và ở Việt Nam như:
Xia và Cen (1999) đã nghiên cứu tạo cellulase thô bằng phương pháp lên men
bán rắn với chủng T. reesei ZU-02 trên cơ chất cám mì và lõi bắp. Hỗn hợp sau khi
nuôi cấy được ly trích bằng nước cất, lắc trong 3 giờ, lọc thu lấy dịch chiết xem như là
cellulase thô với hoạt tính 158 FPU/g CT. Bã sau khi lọc được giữ lại để tiến hành lên
men tiếp mà không bổ sung thêm cơ chất hay vi sinh vật và quá trình này có thể lặp lại
đến ba lần. Cellulase thô thu được đem thủy phân lõi ngô với hoạt tính 20 FPU/g lõi
ngô, đạt hiệu suất thủy phân 84% [38].
Năm 2004, Xia và Sheng tiếp tục áp dụng phương pháp lên men bán rắn với hai
chủng T.reesei ZU-02 và A.niger ZU-07(chủng giống mạnh về hoạt tính β-glucosidase)
và phối trộn hệ cellulase thu được từ hai chủng này 8% thủy phân rơm rạ tiền xử lý
bằng kiềm, tạo 56.7 g/l glucose có thể tiến hành lên men tạo ethanol mà không cần bổ
sung thêm bất kì nguồn đường nào [39].
Ở Brazil, Nhóm nghiên cứu Gottschalk và cộng sự (2010) đã tiến hành phối trộn
hệ enzyme cellulase thô thu được từ hai chủng T. reesei và A.awamori và tiến hành
thủy phân bã mía được xử lý nổ hơi. Enzyme T.reesei thu được có hoạt tính (UI/L) :
1700 FPU, 20 000 CMCase, 340 β-glucosidase, hệ enzyme A.awamori thu được
(UI/L) : 420 FPU, 4900 CMCase, 45600 β-glucosidase. Enzyme cellulase sau khi
phối trộn từ hai chủng có hoạt tính FPU và CMCase tăng lên gấp đôi, đem 10 FPU/g
enzyme sau phối trộn thủy phân 20 g/l bã mía ở 50
0
C, 72 giờ, hiệu quả thủy phân
cellulose đạt 81% và hemicellulose đạt 91% [22].

Ở Australia, Mitchell Lever và cộng sự (2010) đã nghiên cứu sử dụng cellulase
Chương 2: Tổng quan tài liệu


Trang 9

thô thu nhận bằng phương pháp lên men bán rắn với chủng T. reesei trên môi trường
cám mì nhằm tiết kiệm chi phí về enzyme thương mại. Nhóm đã tiến hành thủy phân
thân lúa mì bằng enzyme thô thu nhận được và lên men đồng thời với chủng

S. cerevisiae thu được 21g/l cồn với nồng độ enzyme 0.053 FPU/ml, hiệu suất chuyển
hóa là 56% [26].
Ở Việt Nam, Trần Thạnh Phong (2004) đã khảo sát khả năng sinh tổng hợp
enzyme cellulase từ T.reesei và A.niger trên môi trường bán rắn [9]. Năm 2007, Trần
Thạnh Phong tiếp tục nghiên cứu thu nhận cellulase từ chủng T. reesei VTT-D-80133
(giống từ Phần Lan) sinh trưởng trên môi trường bán rắn với cơ chất bã mía kết hợp
với cám mì. Kết quả thu được tỷ lệ BM:CM (7:3), 8 lần nồng độ dinh dưỡng Mandel,
độ ẩm ban đầu 60%, thời gian nuôi cấy 7 ngày là tối ưu cho T. reesei VTT-D-80133
sinh tổng hợp cellulase trên môi trường lên men bán rắn. Hoạt tính và hiệu suất sinh
tổng hợp cellulase ở điều kiện trong bình tam giác là CMCase 280,64 UI/g và FPU 5
UI/g; thấp hơn 3,2 và 37 lần so với chế phẩm Amano T (cellulase được sản xuất từ T.
reesei) của Hãng AMANO. Cellulase thu nhận được có khả năng đường hóa 21% giấy
in đã qua sử dụng (10%) và qua phân tích trên gel polyacrylamide có các vạch protein
có trọng lượng phân tử bằng với các vạch protein có trong chế phẩm Amano T [10].
Năm 2009, Nguyễn Chí Dũng (Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên TPHCM)
đã tiến hành lên men riêng rẽ hai chủng giống T.reesei và A.niger trên các loại bã phế
liệu nông nghiệp như rơm, bã mía, lõi ngô. Kết quả cellulase thu được từ chủng
A.niger trên môi trường tỉ lệ cám/rơm/lõi ngô: 3/5/2 đạt hoạt tính cao nhất : 9.81
UI/gCT, chủng T. reesei trên môi trường cám gạo/lõi ngô/bã mía : 5/3/2 đạt hoạt tính
cao nhất : 8.12 UI/gCT. Tiến hành phối trộn hai hệ cellulase trên thì khả năng thủy

phân các loại phế phẩm nông nghiệp cũng tăng lên. Hiệu quả cao nhất đạt được với tỉ
lệ A. niger/ T. reesei 4/6, tiến hành thủy phân 10% lõi ngô được hấp ở 121
0
C, 20 phút
đạt lượng đường khử 2.31 g/l, hiệu suất thủy phân đạt 20.79 % [2].
Năm 2009, Trần Thị Thanh Thuần ( Đại Học Bách Khoa TPHCM) nghiên cứu về
tạo chế phẩm cellulase từ T. viride trên môi trường có thành phần 75% cám gạo, 18%
trấu, 6% carot, 1% (NH
4
)
2
SO
4
; độ ẩm 58-60%, nhiệt độ 36-40
0
C, pH 5, 8% giống, lên
men trong 4 ngày thu được chế phẩm có hoạt tính cellulase 4 UI/gCT [11].
Chương 2: Tổng quan tài liệu


Trang 10

Qua đó cho thấy, vấn đề nghiên cứu tạo chế phẩm cellulase phục vụ cho sản xuất
bioethanol là một vấn đề tất yếu đã và đang được đẩy mạnh.
2.2. Giới thiệu chung về nguồn nguyên liệu bã mía
2.2.1. Giới thiệu chung về cây mía và bã mía
Giới: Plantae
Ngành: Magnoliophyta
Lớp: Monocots
Bộ: Poales

Họ: Poaceae
Chi: Saccharum
Hình 2.2 : Cây mía
Mía là tên gọi thông thường của một loại cây thân thảo thuộc họ cỏ. Mía có thân
to mập, chia nhiều đốt, chứa nhiều đường, cao từ 2-6 m, đường kính khoảng 2-5 cm.
Mía được trồng chủ yếu để sản xuất đường saccharose, đóng vai trò quan trọng trong
ngành công nghiệp thực phẩm.
Bã mía là một loại phế phẩm thu được trong công nghiệp sản xuất đường từ cây
mía. Mía cây sau khi tách hết nước mía bằng các qui trình nghiền/ép và rửa, mía trở
thành bã, một loại vật liệu có chứa nhiều thành phần cellulose [33, 41].
Hình 2.3 : Bã mía và bãi thải bã mía ở công ty mía đường NIVL (Long An).
Mía là một loại cây trồng có khả năng chuyển hóa năng lượng mặt trời rất cao,
minh chứng là mía có thể thu hoạch được tới 80 tấn/hecta so với 1 tấn/hecta (lúa mì),
Chương 2: Tổng quan tài liệu


Trang 11

20 tấn/hecta (cây). Mặt khác mía có khả năng trồng trọt, canh tác hàng năm. Do đó
lượng bã mía thải ra hằng năm là rất lớn và là một trong những nguồn phế thải lớn
nhất thế giới. Hiện nay mỗi năm nước ta có khoảng 1,3 triệu tấn đường được sản xuất
( quy mô công nghiệp và dân tự chế biến), tức khoảng 3 triệu tấn bã mía được thải ra
nhưng lại chưa được tận dụng hiệu quả. Do vậy, việc tận dụng bã mía để sản xuất
bioethanol, một nguồn nhiên liệu sạch cho tương lai là một hướng đi vừa giúp giảm
thiểu ô nhiễm môi trường vừa có giá trị về mặt kinh tế [33].
2.2.2. Các thành phần chủ yếu trong bã mía.
2.2.2.1. Giới thiệu về cấu trúc lignocellulose của bã mía
Bã mía là một dạng vật liệu lignocellulose bao gồm các thành phần chính là:
cellulose, hemicellulose và lignin. Các thành phần trong lignocellulose liên kết với
nhau chặt chẽ tạo nên một cấu trúc hết sức vững chắc, do đó lignocellulose rất khó để

phân huỷ. Hàm lượng mỗi thành phần phụ thuộc vào từng loại giống mía, trung bình
vào khoảng 50% cellulose, 25% hemicellulose và 25% lignin. Ngoài ra trong bã mía
còn có tro và một số chất trích ly với hàm lượng thấp. Bã mía với hàm lượng tro và
lignin thấp là một điều kiện hết sức thuận lợi để nuôi cấy vi sinh vật sinh tổng hợp
enzyme và hàm lượng cellulose cao rất thuận lợi cho việc chuyển hóa cellulose thành
bioethanol [33].
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 loại đường nằm ở mạch nhánh như arabinose, galactose, và acid 4-
Omethylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin [27].



Hình 2.4 : Cấu trúc của lignocelluloses [18].
Chương 2: Tổng quan tài liệu


Trang 12

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 enzyme cũng như các hóa chất trong quá trình thủy phân [16].
Hình 2.5 : Mối quan hệ cellulose – hemicellulose - lignin trong cấu trúc lignocellulose
[25].
2.2.2.2. Cellulose
Cellulose là một polymer mạch thẳng của D-glucose được liên kết với nhau bởi
liên kết β -1,4-glycoside. Cellulose là loại polymer phổ biến nhất trên trái đất, có độ
trùng hợp đạt được khoảng 3500 – 10000 DP. Mạch đại phân tử cellulose có cấu trúc

dạng thẳng và cấu hình dạng ghế. Các nhóm hydroxyl ở mỗi đầu mạch cellulose có
đặc điểm khác nhau. C1 ở đầu mạch cellulose chứa nhóm aldehyde có tính khử,
trong khi đó nhóm hydroxyl ở vị trí C4 cuối mạch không có tính chất của rượu [8].






Hình 2.6 : Cấu trúc của cellulose
Ở trạng thái tự nhiên, 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
Chương 2: Tổng quan tài liệu


Trang 13

hình. Trong vùng kết tinh, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau một cách có
định hướng tạo cấu trúc trật tự cao, vùng này khó bị tấn công bởi enzyme cũng như
hóa chất hoặc dung môi. Ngược lại, trong vùng vô định hình, cellulose liên kết không
chặt chẽ với nhau tạo cấu trúc lộn xộn xen lẫn với vùng kết tinh, do đó dễ bị tấn công
bởi các tác nhân thủy phân. Có khoảng 65 -73% phần cellulose là ở trạng thái kết tinh.
Ngoài ra, cellulose được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, điều này làm cho
cellulose khá bền vững với tác động của enzyme cũng như hóa chất [16].
Có hai dạng cấu trúc của cellulose được đưa ra để mô tả vùng kết tinh và vùng vô
định hình của cellulose :
v Dạng Fringed fibrillar: phân tử cellulose được kéo thẳng và định hướng
theo chiều dài sợi. Vùng tinh thể có chiều dài 500 và xếp xen kẽ với vùng vô định
hình.
v Dạng 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 2.7.
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. Ở vùng vô định hình, các liên kết b - glucoside giữa
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 [26].







Hình 2.7 : Kiểu Fringed fibrillar và kiểu Folding chain.
2.2.2.3. Hemicellulose