Nghiên cứu tiền xử lý rơm rạ để nâng cao hiệu suất thủy phân bằng enzyme cho sản xuất etanol sinh học

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu trong
luận án này là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã đƣợc trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo
đúng quy định.


TẬP THỂ HƢỚNG DẪN TÁC GIẢ


HD1: PGS.TS Doãn Thái Hòa Nguyễn Thị Minh Phƣơng


HD2: TS. Lê Quang Diễn













ii

LỜI CẢM ƠN
Luận án đƣợc hoàn thành là kết quả của sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ, động
viên tinh thần của các thầy cô giáo, gia đình, đồng nghiệp, bạn bè.
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội,
Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polyme, Viện Kỹ thuật Hóa học, Viện Đào tạo Sau đại học
đã tạo điều kiện cho tôi học tập, thực hiện luận án tại Trƣờng.
Với tất cả sự chân thành, tôi xin gửi lời cảm ơn trân trọng nhất đến tập thể hƣớng
dẫn: PGS.TS Doãn Thái Hòa, TS. Lê Quang Diễn đã gợi mở các ý tƣởng khoa học, tạo
mọi điều kiện về vật chất cũng nhƣ tinh thần cho tôi hoàn thành luận án. Các thầy cô giáo
đã hƣớng dẫn tôi tận tình bằng lòng nhiệt huyết của nhà giáo và bằng sự say mê, hiểu biết
sâu sắc về chuyên môn của nhà khoa học. Qua luận án, tôi xin bày tỏ sự cảm phục, lòng
kính trọng và biết ơn to lớn của mình đối với các thầy cô giáo hƣớng dẫn.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự ủng hộ, giúp đỡ về mọi mặt của các Thầy Cô giáo và
đồng nghiệp trong Bộ môn Công nghệ Xenluloza và Giấy–Viện Kỹ thuật Hoá học, Trung
tâm nghiên cứu vật liệu Polyme, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Cảm ơn đề tài
04/ĐT.04.09/ NLSH, đề tài nhánh Nghị định thƣ với Vƣơng quốc Anh của PGS.TS Doãn
Thái Hòa đã cung cấp các enzyme thƣơng phẩm, các dụng cụ phân tích và hỗ trợ một phần
kinh phí cho một số nghiên cứu trong luận án.
Ngoài ra, luận án còn nhận đƣợc sự quan tâm, giúp đỡ nghiên cứu phần lên men dịch
đƣờng thành etanol, chỉnh sửa và hoàn thiện luận án của PGS.TS Trần Đình Mấn – Viện
CNSH & TP, Viện Hàn lâm KHCNVN, tôi xin bày tỏ sự kính trọng và sự tri ơn sâu sắc.
Bản luận án là món quà xin dành tặng cho Bố mẹ, các anh chị em, gia đình nhỏ và
con gái Bùi Nguyễn Tƣờng Vy.
Hà Nội, ngày 17 tháng 08 năm 2015
TÁC GIẢ

Nguyễn Thị Minh Phƣơng
i

MỤC LỤC
ĐẶT VẤN ĐỀ
Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ETANOL SINH HỌC 4
1.1.Tổng quan về nhiên liệu sinh học 4
1.1.1. Khái niệm và phân loại 4
1.1.2. Công nghệ sản xuất etanol sinh học 4
1.1.3. Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học trong và ngoài nƣớc 5
1.2. Sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối lignocellulose 7
1.2.1. Khái niệm sinh khối 7
1.2.2. Công nghệ tiền xử lý sinh khối lignocellulose cho sản xuất nhiên liệu 8
1.2.3. Thủy phân sinh khối bằng enzyme cho sản xuất etanol sinh học 18
1.2.4. Lên men etanol từ dịch thủy phân sinh khối bằng enzyme 24
1.3. Sản xuất etanol sinh học từ rơm rạ 30
1.3.1. Tiềm năng rơm rạ ở Việt Nam 30
1.3.2. Một số đặc điểm thực vật của rơm rạ 30
1.3.3. Công nghệ TXL rơm rạ hiệu quả cho sản xuất etanol sinh học 32
CHƢƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 38
2.1. Vật liệu 38
2.1.1. Rơm rạ và phƣơng pháp lấy mẫu 38
2.1.2. Hóa chất 38
2.1.3. Enzyme 38
2.1.4. Chủng vi sinh vật lên men etanol 39
2.2. Phƣơng pháp xác định thành phần sinh khối, cấu tạo giải phẫu và một số tính
chất lý học của rơm rạ 40
2.2.1. Phƣơng pháp xác định thành phần sinh khối của rơm rạ 40
2.2.2. Phƣơng pháp xác định cấu tạo giải phẫu của rơm rạ 40
2.2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu tính chất xơ sợi của rơm rạ 41
2.2.4. Phƣơng pháp xác định khối lƣợng thể tích của rơm rạ 41
ii

2.2.5. Phƣơng pháp xác định thành phần nguyên tố 41
2.2.6. Xác định chỉ số kết tinh của cellulose rơm rạ 42
2.3. Phƣơng pháp xác định thành phần hóa học của rơm rạ 42
2.4. Phƣơng pháp tiền xử lý rơm rạ 42
2.4.1. Phƣơng pháp TXL rơm rạ bằng axit axetic 44
2.4.2. Phƣơng pháp tiền xử lý rơm rạ bằng kiềm 44
2.4.3. Phƣơng pháp thu bột xút tẩy trắng từ bột xút rơm rạ 45
2.5. Phƣơng pháp thủy phân rơm rạ 46
2.6. Phân tích thành phần và nồng độ đƣờng 46
2.6.1. Phân tích nồng độ đƣờng bằng phƣơng pháp DNS 46
2.6.2. Phân tích thành phần dung dịch đƣờng bằng phƣơng pháp HPLC 48
2.7. Phƣơng pháp xác định hoạt độ enzyme xylanase và cellulase 48
2.7.1. Xác định hoạt độ endoglucanase 48
2.7.2. Xác định hoạt độ exoglucanase 48
2.7.3. Hoạt độ enzyme β-glucosidase 49
2.7.4. Xác định hoạt lực xylanase 49
2.8. Phƣơng pháp lên men etanol 49
2.8.1. Lên men etanol dịch đƣờng thủy phân 49
2.8.2. Xác định hàm lƣợng etanol bằng phƣơng pháp hóa học 50
2.9. Phƣơng pháp xử lý số liệu và quy hoạch thực nghiệm Box−Behnken sử dụng
phần mềm Design−Expert 7.0.0 52
2.9.1. Phƣơng pháp xử lý số liệu thực nghiệm và quy hoạch thực nghiệm 52
2.9.2. Tối ƣu hóa các quá trình chế biến rơm rạ 52
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 53
3.1. Đặc điểm cấu tạo, tính chất lý học và thành phần hóa học cơ bản của rơm rạ một
số giống lúa phổ biến ở Việt Nam 53
3.1.1. Đặc điểm thành phần sinh khối của thân cây lúa 53
3.1.2. Cấu tạo hiển vi của thân cây lúa 54
3.1.3. Một số tính chất lý học của rơm rạ 57

iii

3.1.4. Thành phần nguyên tố của rơm rạ 60
3.1.5. Thành phần hóa học của rơm rạ 61
3.2. Tiền xử lý rơm rạ cho quá trình đƣờng hóa bằng enzyme 62
3.2.1. Tiền xử lý rơm rạ bằng axit axetic 62
3.2.2. Tiền xử lý rơm rạ bằng kiềm ở áp suất khí quyển 73
3.2.3. Tiền xử lý rơm rạ bằng kiềm theo phƣơng pháp nấu kín 81
3.3. Tối ƣu hóa quá trình thủy phân rơm rạ đã qua tiền xử lý và lên men dịch đƣờng
thành etanol 105
3.3.1. Tối ƣu hóa quá trình thủy phân cellulose rơm rạ từ bột xút tẩy trắng 105
3.3.2. Tối ƣu hóa quá trình thủy phân bột xút 109
3.3.3.Tối ƣu hóa quá trình thủy phân bột sunfat 113
3.3.4. Tối ƣu hóa thủy phân rơm rạ sau tiền xử lý bằng axit axetic 116
3.3.5. Lên men dịch đƣờng thu etanol 120
KẾT LUẬN 122
KIẾN NGHỊ NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 124
TÀI LIỆU THAM KHẢO 125
DANH MỤC CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
PHỤ LỤC

iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ
BG
β−glucosidase
Biorefinery
Tinh chế sinh khối
Bột sunfat
Bã rắn thu đƣợc sau tiền xử lý rơm rạ bằng (NaOH +Na

2
S)
Bột xút
Bã rắn thu đƣợc sau tiền xử lý rơm rạ bằng NaOH
CBH
Exo β-1,4-glucanases (β-1,4-exoglucane hydrolase) (Cellobiohydrolase hay
Exoglucanase)
DMC
(Direct microbial conversion) Chuyển hóa bằng vi sinh vật trực tiếp
DNS
Dinitrosalicylic axit
EDX
(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) Phổ tán xạ năng lƣợng tia X
EG
Endo-β-1,4-glucanases (Endoglucanase)
EMP
(Embden-Meyerhoff-Panass) Con đƣờng đƣờng phân
HPLC
(High Performance Liquid Chromatography) Sắc ký lỏng hiệu năng cao
HRTEM
(High-resolution transmission electron microscopy) Kính hiển vi điện tử
truyền qua độ phân giải cao
IPCC
(Intergovernmental Panel on Climate Change) Ban Liên Chính phủ về biến đổi
khí hậu
Kiềm hoạt tính
Là kiềm hữu hiệu quy đổi sang đơn vị Na
2
O trong trƣờng hợp nấu xút là
NaOH, trong trƣờng hợp nấu sunfat là (NaOH+Na

2
S)
KLTB
Khối lƣợng trung bình
KTĐ
Khô tuyệt đối
Nấu kiềm
Nói chung cả tiền xử lý rơm rạ bằng NaOH và bằng hỗn hợp (NaOH +Na
2
S)
Nấu sunfat
Tiền xử lý rơm rạ bằng hỗn hợp (NaOH +Na
2
S)
Nấu xút
Tiền xử lý rơm rạ bằng NaOH
NLSH
Nhiên liệu sinh học
SEM
(Scanning Electron Microscopy) Kính hiển vi điện tử quét
SHF
(Separate hydrolysis and fermentation) Thủy phân và lên men riêng biệt
SSF
(Simultaneous saccharification and fermentation) Đƣờng hóa và lên men đồng
thời
TAPPI
(The Technical Association of the Pulp and Paper Industry)
Hiệp hội giấy và bột giấy của Mỹ
Trích ly kiềm
Xử lý bột axetic thu đƣợc bằng dung dịch NaOH ở điều kiện “mềm”

TXL
Tiền xử lý
XRD
(X-ray diffraction) Phổ nhiễu xạ tia X

v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Đặc điểm của enzyme Cellic
®
CTec2 và Cellic
®
HTec2 38
Bảng 2.2. Xác định thành phần hóa học của rơm rạ theo phƣơng pháp TAPPI 42
Bảng 2.3. Bảng pha loãng cồn 0,25% cho phân tích nồng độ etanol 51
Bảng 3.1. Thành phần sinh khối của thân cây lúa không hạt 54
Bảng 3.2. Kích thƣớc xơ sợi của một số loại cây thân thảo ngắn ngày 58
Bảng 3.3. Khối lƣợng thể tích của rơm rạ một số giống lúa 59
Bảng 3.4. Thành phần nguyên tố của rơm rạ một số giống lúa 60
Bảng 3.5. Thành phần hóa học của rơm rạ một số giống lúa 61
Bảng 3.6. Biến đổi của cellulose trong quá trình TXL bằng (CH
3
COOH+HCl) 72
Bảng 3.7. Chỉ số độ kết tinh của cellulose rơm rạ sau TXL bằng kiềm 78
Bảng 3.8. Thành phần tinh thể, vô định hình của cellulose trong rơm rạ sau nấu xút 78
Bảng 3.9. Thành phần tinh thể, vô định hình của cellulose trong rơm rạ sau nấu sunfat 78
Bảng 3.10. Bảng thống kê các yếu tố khảo sát và khoảng biến đổi 82
Bảng 3.11. Thiết kế thực nghiệm TXL rơm rạ bằng xút theo Box-Behnken 82
Bảng 3.12. Tối ƣu hóa hàm mục tiêu đƣờng khử khi thủy phân bột xút theo các biến 85
Bảng 3.13. Ảnh hƣởng của NaOH đến sự thay đổi thành phần của cellulose 89

Bảng 3.14. Thành phần dịch đƣờng sau thủy phân bằng enzyme của bột xút 91
Bảng 3.15. Thiết kế thí nghiệm TXL rơm rạ bằng sunfat theo Box-Behnken 93
Bảng 3.16. Tối ƣu hóa hàm mục tiêu đƣờng khử khi thủy phân bột sunfat theo các biến 98
Bảng 3.17. Ảnh hƣởng của (NaOH+Na
2
S) đến sự thay đổi thành phần của cellulose 100
Bảng 3.18. Thành phần dịch đƣờng sau quá trình thủy phân bằng enzyme của bột
sunfat 104
Bảng 3.19. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình thủy phân bột xút tẩy trắng từ rơm rạ 106
Bảng 3.20. Thiết kế thí nghiệm thủy phân bột xút tẩy trắng từ rơm rạ theo Box–
Behnken 107
Bảng 3.21. Thành phần hóa học của rơm rạ ban đầu và bột xút tối ƣu 109
Bảng 3.22. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình thủy phân bột xút rơm rạ 110
Bảng 3.23. Thiết kế thí nghiệm thủy phân bột xút tối ƣu từ rơm rạ theo Box−Behnken 110
vi

Bảng 3.24. So sánh các chế độ thủy phân khác nhau của bột xút tối ƣu từ rơm rạ 113
Bảng 3.25. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình thủy phân bột sunfat rơm rạ 113
Bảng 3.26. Thiết kế thí nghiệm thủy phân bột sunfat tối ƣu từ rơm rạ theo
Box−Behnken 114
Bảng 3.27. So sánh các chế độ thủy phân khác nhau của bột sunfat tối ƣu từ rơm rạ 116
Bảng 3.28. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình thủy phân bột rơm rạ sau TXL 117
Bảng 3.29. Thiết kế thí nghiệm thủy phân bột rơm rạ sau TXL bằng
(CH
3
COOH+HCl) và trích ly kiềm theo Box−Behnken 117
Bảng 3.30. So sánh điều kiện thủy phân tối ƣu của các loại bột từ rơm rạ 119
Bảng 3.31. Hiệu suất lên men etanol dịch đƣờng bột rơm rạ sau thủy phân 120

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sản xuất etanol sinh học từ sinh khối lignocellulose 5
Hình 1.2. Sản lƣợng nhiên liệu sinh học trên thế giới 6
Hình 1.3. Cấu tạo vách tế bào thực vật 8
Hình 1.4. Cấu tạo phân tử cellulose 9
Hình 1.5. Các đơn vị cấu trúc cơ bản của lignin 10
Hình 1.6. Thủy phân cellulose bằng cellulase 19
Hình 1.7. Cơ chế thủy phân xylan bằng xylanase 22
Hình 1.8. Sơ đồ phân giải glucose thành Pyruvate 26
Hình 1.9. Cấu tạo thân cây lúa 31
Hình 1.10. Cấu tạo hiển vi của thân cây lúa 31
Hình 2.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ và pH đến hoạt tính enzyme CTec 2 39
Hình 2.2. Hình thái chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae BG1và vị trí phân loại 39
Hình 2.3. Hình ảnh minh họa cây lúa, rơm rạ và tách hạt lúa Khang Dân 40
Hình 2.4. Hình ảnh minh họa chuẩn bị nguyên liệu rơm rạ cho nghiên cứu 43
Hình 2.5. Thiết bị tiền xử lý rơm rạ bằng theo phƣơng pháp nấu kín 45
Hình 2.6. Bột xút tẩy trắng từ rơm rạ 45
Hình 2.7. Thủy phân bột sau tiền xử lý bằng hỗn hợp enzyme CTec2 và HTec2 46
Hình 2.8. Bột sunfat tối ƣu cho nghiên cứu quá trình thủy phân bằng enzyme 46
Hình 2.9. Sự phụ thuộc của nồng độ đƣờng khử và mật độ quang học 47
Hình 3.1. Rơm và rạ của lúa Khang Dân 54
Hình 3.2. Cấu tạo hiển vi lóng thân cây lúa Khang Dân 55
Hình 3.3. Cấu tạo hiển vi của lóng thân cây lúa Q5 56
Hình 3.4. Cấu tạo hiển vi của đốt thân cây lúa 57
Hình 3.5. Phổ XRD của rơm rạ Khang Dân 59
Hình 3.6. Ảnh hƣởng của nồng độ axit clohydric đến sự chuyển hóa rơm rạ 64
Hình 3.7. Ảnh SEM rơm rạ Khang Dân trƣớc tiền xử lý 65
Hình 3.8. Ảnh SEM bột rơm rạ sau TXL bằng axit axetic (có bổ sung 1% HCl về thể
tích) 65

viii

Hình 3.9. Ảnh SEM bột rơm rạ sau TXL bằng axit axetic (có bổ sung 2% HCl về thể
tích) 66
Hình 3.10. Ảnh SEM bột rơm rạ sau TXL bằng axit axetic (có bổ sung 3% HCl về
thể tích) 66
Hình 3.11. Ảnh SEM bột rơm rạ sau TXL bằng axit axetic (có bổ sung 4% HCl về
thể tích) 66
Hình 3.12. Ảnh SEM bột rơm rạ sau TXL bằng axit axetic (có bổ sung 5% HCl về
thể tích) 67
Hình 3.13. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu suất đƣờng khử 67
Hình 3.14. Ảnh hƣởng của thời gian xử lý đến hiệu suất đƣờng khử 68
Hình 3.15. Ảnh hƣởng của quá trình trích ly kiềm đến hiệu suất bột và hiệu suất
đƣờng hóa 69
Hình 3.16. Ảnh hƣởng của trích ly kiềm đến mức tách loại các hợp chất của rơm rạ 70
Hình 3.17. Sự biến đổi của các thành phần hóa học của rơm rạ sau quá trình TXL
bằng axit axetic kết hợp với trích ly kiềm 71
Hình 3.18. Phổ XRD của rơm rạ và bột rơm rạ sau tiền xử lý bằng (CH
3
COOH+HCl) 72
Hình 3.19. Ảnh hƣởng của mức sử dụng kiềm hoạt tính tới hiệu suất bột và hiệu suất
đƣờng khử 74
Hình 3.20. Ảnh hƣởng của mức sử dụng kiềm hoạt tính tới mức tách loại lignin 75
Hình 3.21. Ảnh hƣởng của mức sử dụng kiềm đến mức tách loại các chất vô cơ 76
Hình 3.22. Ảnh hƣởng của mức sử dụng kiềm đến lƣợng cellulose bị hòa tan (1-Nấu
xút; 2-Nấu sunfat) 76
Hình 3.23. Phổ XRD của rơm rạ ban đầu và bột xút sau TXL 77
Hình 3.24. Phổ XRD của rơm rạ ban đầu và bột sunfat sau TXL 77
Hình 3.25. Ảnh SEM của rơm rạ trƣớc và sau TXL 80
Hình 3.26. Ảnh hƣởng của các yếu tố công nghệ trong tiền xử lý rơm rạ bằng xút

theo phƣơng pháp nấu kín 83
Hình 3.27. Ảnh hƣởng đồng thời của mức sử dụng xút và nhiệt độ 84
Hình 3.28. Ảnh hƣởng đồng thời của mức sử dụng xút và thời gian 85
Hình 3.29. Ảnh hƣởng đồng thời của thời gian xử lý và nhiệt độ 85
Hình 3.30. Tối ƣu hóa hiệu suất đƣờng khử bột xút rơm rạ theo các yếu tố ảnh hƣởng 86
ix

Hình 3.31. Ảnh SEM của bột xút sau TXL rơm rạ bằng NaOH 87
Hình 3.32. Ảnh hƣởng của tiền xử lý rơm rạ bằng NaOH đến sự phân hủy cellulose 88
Hình 3.33. Phổ XRD của rơm rạ ban đầu và bột xút tối ƣu 89
Hình 3.34. Ảnh hƣởng của NaOH đến mức tách loại lignin trong rơm rạ 90
Hình 3.35. Ảnh hƣởng của tiền xử lý rơm rạ bằng NaOH đến mức tách loại các chất
vô cơ 90
Hình 3.36. Phổ HPLC của dịch đƣờng từ bột xút tối ƣu 91
Hình 3.37. Ảnh hƣởng của các yếu tố công nghệ trong quá trình TXL rơm rạ bằng
tác nhân sunfat theo phƣơng pháp nấu kín 94
Hình 3.38. Ảnh hƣởng đồng thời mức sử dụng (NaOH+Na
2
S) và nhiệt độ đến hiệu
suất bột sunfat 95
Hình 3.39. Ảnh hƣởng đồng thời mức sử dụng (NaOH+Na
2
S) và thời gian đến hiệu
suất bột sunfat 95
Hình 3.40. Ảnh hƣởng đồng thời của thời gian xử lý và nhiệt độ đến hiệu suất bột sunfat 96
Hình 3.41. Ảnh hƣởng của TXL rơm rạ bằng (NaOH+Na
2
S) đến hiệu suất đƣờng khử 96
Hình 3.42. Ảnh hƣởng đồng thời của mức dùng (NaOH+Na
2

S) và nhiệt độ 97
Hình 3.43. Ảnh hƣởng đồng thời của mức dùng (NaOH+Na
2
S) và thời gian 97
Hình 3.44. Ảnh hƣởng đồng thời của nhiệt độ và thời gian đến hiệu suất đƣờng khử 97
Hình 3.45. Tối ƣu hóa hiệu suất đƣờng khử sau TXL rơm rạ bằng (NaOH+Na
2
S) 99
Hình 3.46. Ảnh hƣởng của TXL bằng (NaOH+Na
2
S) đến mức phân hủy cellulose 99
Hình 3.47. Phổ XRD của rơm rạ sau TXL theo phƣơng pháp sunfat nấu kín 100
Hình 3.48. Ảnh hƣởng của mức sử dụng kiềm hoạt tính đến mức độ phân hủy lignin 101
Hình 3.49. Ảnh hƣởng của mức dùng kiềm hoạt tính đến sự tách loại các chất vô cơ 102
Hình 3.50. Ảnh SEM của bột sunfat rơm rạ 103
Hình 3.51. Thành phần hóa học của rơm rạ ban đầu và bột cellulose tẩy trắng từ rơm rạ 105
Hình 3.52. Ảnh hƣởng của mức sử dụng enzyme đến hiệu suất đƣờng hóa cellulose
rơm rạ 106
Hình 3.53. Ảnh hƣởng đồng thời của mức sử dụng enzyme−nồng độ bột xút tẩy trắng 108
Hình 3.54. Ảnh hƣởng đồng thời của mức sử dụng enzyme − thời gian thủy phân 108
Hình 3.55. Ảnh hƣởng đồng thời của nồng độ bột xút tẩy trắng − thời gian thủy phân 108
x

Hình 3.56. Tối ƣu hóa quá trình thủy phân bột xút tẩy trắng từ rơm rạ bằng enzyme 109
Hình 3.57. Ảnh hƣởng đồng thời của mức dùng enzyme và nồng độ bột xút 111
Hình 3.58. Ảnh hƣởng đồng thời của mức dùng enzyme và thời gian thủy phân 111
Hình 3.59. Ảnh hƣởng đồng thời của thời gian thủy phân và nồng độ bột xút 112
Hình 3.60. Tối ƣu hóa quá trình thủy phân bột xút rơm rạ bằng enzyme 112
Hình 3.61. Ảnh hƣởng đồng thời của mức dùng enzyme và nồng độ bột sunfat 114
Hình 3.62. Ảnh hƣởng đồng thời của thời gian và mức dùng enzyme 115

Hình 3.63. Ảnh hƣởng đồng thời của mức dùng enzyme nồng độ bột sunfat 115
Hình 3.64. Tối ƣu hóa thủy phân bột sunfat bằng hỗn hợp enzyme CTec2 và HTec2 116
Hình 3.65. Ảnh hƣởng đồng thời của mức dùng enzyme và nồng độ bột rơm rạ sau
TXL 118
Hình 3.66. Ảnh hƣởng đồng thời của nồng độ bột rơm rạ sau TXL và thời gian thủy
phân 118
Hình 3.67. Ảnh hƣởng đồng thời của thời gian thủy phân và mức dùng enzyme sau
TXL 118
Hình 3.68. Tối ƣu hóa thủy phân bột rơm rạ sau TXL bằng hỗn hợp enzyme 119
Hình 3.69. Sơ đồ chuyển hóa rơm rạ thành etanol 121
1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Etanol là một trong những dung môi quan trọng, đƣợc sử dụng rộng rãi trong các
ngành công nghiệp chế biến (hóa học, thực phẩm, dƣợc phẩm, ). Những năm gần đây,
etanol còn đƣợc sử dụng làm nhiên liệu, bởi có khả năng pha trộn với xăng và đƣợc đánh
giá là dạng nhiên liệu sinh học tiềm năng, thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đang có nguy
cơ cạn kiệt dần vào năm 2050 [25]. Do đƣợc sản xuất từ nguồn nguyên liệu tái tạo (sinh
khối thực vật), nên etanol sinh học có thể đáp ứng nhu cầu lâu dài và là nguồn năng lƣợng
bền vững cho nhân loại, vốn đang có nhu cầu ngày càng cao [86].
Hiện nay, phần lớn etanol sinh học đang đƣợc sản xuất từ nguồn nguyên liệu chứa
đƣờng hoặc tinh bột, đƣợc gọi chung là nhiên liệu sinh học (NLSH) thế hệ I. Mặc dù công
nghệ sản xuất đã tƣơng đối hoàn thiện, nhƣng có những hạn chế nhất định, nhƣ nguồn
nguyên liệu hạn chế và giá thành cao (chiếm đến 2/3 giá thành etanol) [40], hơn nữa sử
dụng nguyên liệu chứa tinh bột, nhƣ ngô, sắn hay một số loại ngũ cốc khác, ảnh hƣởng đến
lớn đến sản xuất lƣơng thực, vì vậy hiện nay sản xuất NLSH thế hệ I bị đánh giá là kém
bền vững, ít tính cạnh tranh trong tƣơng lai [123]. Trong khi đó, sản xuất etanol từ nguồn
sinh khối lignocellulose có nhiều triển vọng và thực sự cần thiết, do nguồn nguyên liệu
lignocellulose rất phong phú và tiềm năng hơn, đƣợc phân bố tƣơng đối đồng đều trên

khắp thế giới [52]. Hơn nữa, nhiều dạng sinh khối lignocellulose có giá rẻ hơn và trong
nhiều trƣờng hợp việc tận dụng nguồn sinh khối lignocellulose là phế thải, phế phụ phẩm
nông, lâm nghiệp hay rác thải sinh hoạt còn góp phần bảo vệ môi trƣờng và phát triển bền
vững. Chính vì vậy, những năm gần đây nghiên cứu công nghệ sản xuất etanol từ sinh khối
lignocellulose đã thu hút sự chú ý, đầu tƣ lớn của nhiều quốc gia trên thế giới, kể cả ở Việt
Nam [17,160].
Công nghệ sản xuất etanol từ sinh khối lignocellulose (gỗ và phế phụ phẩm nông
nghiệp) theo phƣơng pháp thủy phân bằng axit, đã đƣợc áp dụng ở quy mô công nghiệp tại
nhiều nƣớc trên thế giới (chủ yếu tại các nƣớc thuộc Liên Xô cũ, Mỹ và Đức) [117, 70].
Tuy nhiên, đối với công nghệ sản xuất etanol (bioetanol) theo phƣơng pháp thủy phân bằng
enzyme, mặc dù nhƣng năm gần đây có rất nhiều nghiên cứu, với số lƣợng công bố tƣơng
đối lớn trong một thời gian ngắn, tuy nhiên công nghệ khả thi ở quy mô công nghiệp vẫn
còn gặp rất nhiều những khó khăn. Lý do chủ yếu nằm ở sự khác biệt về quá trình chuyển
hóa sinh khối lignocellulose thành etanol [73]. Khác với đƣờng và tinh bột, quá trình
chuyển hóa sinh học của cellulose và hemicellulose, chứa trong thành phần của sinh khối
lignocellulose, phức tạp hơn nhiều, bởi sinh khối lignocellulose là một tổ hợp bao gồm 3
thành phần chủ yếu là cellulose, hemicellulose và lignin, liên kết chặt chẽ với nhau trong
vách tế bào thực vật [99]. Cấu trúc đặc thù của sinh khối lignocellulose nhƣ vậy, không
những hạn chế sự tiếp cận của enzyme đối với phản ứng thủy phân hemicellulose và
cellulose thành các monosaccarit, mà còn cản trở quá trình chuyển hóa nói chung. Vì vậy,
ở trạng thái bình thƣờng, quá trình thủy phân sinh khối lignicellulose bằng enzyme hoặc là
không thực hiện đƣợc, hoặc là diễn ra rất chậm, không hiệu quả [73].
2

Để thúc đẩy quá trình chuyển hóa sinh học sinh khối lignocellulose thành etanol, có
hai cách tiếp cận vấn đề: hoặc là tách các “tạp chất” khác của sinh khối (nhƣ lignin, các
chất trích ly, các chất vô cơ) ra khỏi phần carbohydrate, hoặc phải biến đổi sinh khối thành
dạng phù hợp cho quá trình thủy phân bằng enzyme [28]. Đến nay, công đoạn này có tên
gọi là “tiền xử lý” (TXL), đƣợc xem là “chìa khóa” của công nghệ chuyển hóa sinh khối
lignocellulose thành etanol [156]. Một số phƣơng pháp biến tính sinh khối lignocellulose

cho sản xuất etanol sinh học đã đƣợc nghiên cứu, nhƣng hiệu quả kinh tế không cao và
không khả thi ở quy mô công nghiệp. Kỹ thuật tách loại lignin, đƣợc áp dụng từ lâu ở quy
mô công nghiệp để sản xuất vật liệu xơ sợi (nhƣ bột giấy, cellulose tan, ), cho phép tách
loại lignin và các thành phần khác của sinh khối lignocellulose tƣơng đối triệt để tới mức
cần thiết, nhƣng thƣờng kéo theo sự phân hủy một phần carbohydrate, làm giảm hiệu suất
đƣờng thu đƣợc so với nguyên liệu ban đầu. Hơn nữa, không tồn tại một quy trình công
nghệ chung đối với tất cả các loại nguyên liệu. Do vậy, tùy thuộc vào sinh khối
lignocellulose sử dụng mà tiến hành nghiên cứu và áp dụng kỹ thuật xử lý thích hợp, nhằm
nâng cao hiệu quả chuyển hóa sinh học carbohydrate cả về phƣơng diện hóa học, lẫn mục
tiêu thu đƣợc đƣờng có khả năng lên men cao nhất có thể [32,86].
Trong số các nguồn sinh khối lignocellulose đa dạng thì nguồn sinh khối rơm rạ
tƣơng đối dồi dào. Về tầm quan trọng, lúa là cây lƣơng thực quan trọng thứ 3 sau lúa mỳ
và ngô. Theo số liệu của FAO, sản lƣợng lúa trên thế giới năm 2014 đạt khoảng 751 triệu
tấn, tƣơng đƣơng với khoảng 500,8 triệu tấn gạo. Theo tính toán, với các giống lúa đƣợc
canh tác hiện nay, có khoảng 1–1,5 tấn rơm rạ tạo thành trên 1 tấn lúa thu đƣợc. Nhƣ vậy
lƣợng rơm rạ hàng năm trên thế giới có thể đạt 751–1126,6 triệu tấn. Trong số đó, chỉ
phần nhỏ đƣợc thu gom và tận dụng, phần còn lại là thải bỏ và đốt bỏ, gây lãng phí và
nhiều vấn đề môi trƣờng nghiêm trọng [15,16, 92, 96].
Việt Nam là nƣớc nông nghiệp có sản lƣợng lúa lớn. Theo Tổng cục thống kê [14]
năm 2013 diện tích lúa của cả nƣớc là 7,9 triệu hecta, với sản lƣợng đạt khoảng 44,07 triệu
tấn lúa. Nhƣ vậy ƣớc tính có khoảng 61 triệu tấn rơm rạ tạo thành [96]. Thực tế cho thấy,
phần lớn rơm rạ đƣợc thải bỏ khi còn tƣơi. Phƣơng thức xử lý phổ biến nhất là đốt nhƣ
hiện nay, gây ô nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng, ảnh hƣởng đến sinh hoạt và đời sống của
cƣ dân cả khu vực nông thôn lẫn đô thị. Cho đến nay, việc đốt bỏ rơm rạ vẫn tiếp tục diễn
ra trên phạm vi rộng mà chƣa có biện pháp giải quyết hiệu quả, gây nên những nỗi lo ngại
lớn về môi trƣờng, an sinh xã hội [6].
Khác với gỗ, rơm rạ là dạng sinh khối lignocellulose có thành phần hóa học đặc
trƣng của cây thân thảo ngắn ngày. Về nguyên tắc, các hợp chất cao phân tử của chúng,
nhƣ cellulose, hemicellulose và lingin, dễ phân hủy sinh-hóa học hơn so với các thành
phần tƣơng tự của gỗ [26], tuy nhiên rơm rạ lại có thành phần hóa học không ổn định, tùy

thuộc vào giống lúa, thời vụ, phƣơng pháp thu gom và bảo quản, đặc biệt có hàm lƣợng
các chất vô cơ tƣơng đối cao (có thể chiếm trên 12%), là yếu tố gây khó khăn cho quá trình
chế biến sinh-hóa học. Vì vậy để nâng cao hiệu quả chuyển hóa rơm rạ thành etanol sinh
học, cần có những nghiên cứu sâu và hệ thống. Do đó, tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu
tiền xử lý rơm rạ để nâng cao hiệu quả thủy phân bằng enzyme cho sản xuất etanol
sinh học” để góp phần giải quyết những vấn đề đã nêu ở trên.
3

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu của đề tài
- Góp phần bổ sung cơ sở lý luận trong công nghệ sản xuất etanol sinh học từ nguồn
sinh khối lignocellulose, làm cơ sở xây dựng và áp dụng các quy trình công nghệ sản xuất
etanol sinh học từ rơm rạ ở Việt Nam.
- Xác lập đƣợc các chế độ công nghệ thích hợp TXL rơm rạ bằng axit hữu cơ và
kiềm mạnh, nhằm nâng cao hiệu quả thủy phân bằng enzyme để thu đƣờng có khả năng lên
men thành etanol.
- Xác định và làm sáng tỏ sự biến đổi của các thành phần hóa học cơ bản của rơm rạ
trong quá trình TXL
- Đề xuất quy trình hiệu quả cao sản xuất etanol sinh học từ rơm rạ và khả thi ở quy
mô công nghiệp
Các nội dung nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu đặc điểm cấu tạo và một số tính chất lý − hóa học của rơm rạ một số
giống lúa phổ biến ở Việt Nam;
Nghiên cứu TXL rơm rạ bằng axit axetic có bổ sung axit clohydric và kiềm cho quá
trình đƣờng hóa bằng enzyme;
Nghiên cứu tối ƣu hóa thủy phân cellulose và hemicellulose bằng hỗn hợp enzyme
thƣơng phẩm Cellic
®
CTec2, Cellic
®

HTec2; Thử nghiệm lên men etanol
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Kết quả của Luận án là cơ sở khoa học, là tiền đề cho các nghiên cứu xây dựng và áp
dụng công nghệ phù hợp để chuyển hóa nguồn nguyên liệu sinh khối lignocellulose rơm rạ
là phế phụ phẩm nông nghiệp thành etanol sinh học, đồng thời là tài liệu tham khảo bổ
sung vào cơ sở dữ liệu về tính chất của sinh khối lignocellulose của Việt Nam.
Những đóng góp mới của Luận án
Về công nghệ: Đây công trình đầu tiên ở Việt Nam, nghiên cứu sâu và hệ thống về
công nghệ TXL rơm rạ bằng axit axetic có bổ sung axit clohydric và hydroxit natri,
hydroxit natri có bổ sung chất trợ tách loại lignin, kết hợp đƣờng hóa bằng enzyme hoạt
lực cao, làm cơ sở cho việc xây dựng quy trình công nghệ khả thi sản xuất etanol sinh học.
Về cơ sở lý luận: Đã xác định đƣợc đặc điểm cấu tạo và thành phần hóa học chính
của rơm rạ một số giống lúa năng suất cao phổ biến ở Việt Nam, sự phân hủy và biến đổi
cấu trúc của chúng trong quá trình chuyển hóa thành etanol sinh học.

4

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ETANOL SINH HỌC
1.1.Tổng quan về nhiên liệu sinh học
1.1.1. Khái niệm và phân loại
Nhiên liệu sinh học (Biofuels − NLSH) là loại nhiên liệu đƣợc hình thành từ các hợp
chất có nguồn gốc sinh học (từ động, thực vật) nhƣ nhiên liệu chế xuất từ chất béo của
động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa ), ngũ cốc (sắn, lúa mỳ, ngô, đậu tƣơng ), rỉ đƣờng
(đƣờng mía, củ cải đƣờng…), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, trấu, phân gia súc ),
phế thải trong công nghiệp (mùn cƣa, vỏ bào, sản phẩm gỗ thải ), [25].
NLSH có nhiều ƣu điểm so với các loại nhiên liệu truyền thống nhƣ phân bố đều trên
bề mặt trái đất, thân thiện với môi trƣờng và là nguồn nhiên liệu tái tạo (giúp giảm sự lệ
thuộc vào nguồn nhiên liệu không tái tạo, góp phần làm giảm khí gây hiệu ứng nhà kính)
[40].
NLSH có thể đƣợc phân loại thành 03 nhóm chính tùy theo trạng thái phân tử của

nhiên liệu nhƣ sau [40]:
 Khí sinh học (Biogas): Khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH
4
) và một số khí
khác sinh ra từ sự phân huỷ các chất hữu cơ trong môi trƣờng yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt
độ 20-40ºC. Thành phần chính của biogas là CH
4
(50-60%) và CO
2
(>30%) còn lại là các
chất khác nhƣ hơi nƣớc N
2
, O
2
, H
2
S, CO, … do đó khó có thể sử dụng biogas làm nhiên
liệu cho động cơ đốt trong. Để sử dụng biogas làm nhiên liệu thì phải xử lý biogas trƣớc
khi sử dụng để loại bỏ tạp chất và tạo nên hỗn hợp nổ với không khí. Khí H
2
S có thể ăn
mòn các chi tiết trong động cơ, sản phẩm của nó là SOx cũng là một khí rất độc. Hơi nƣớc
có hàm lƣợng nhỏ nhƣng ảnh hƣởng đáng kể đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị
thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của biogas. Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay
cho sản phẩm khí gas từ dầu mỏ.
 Nhiên liệu lỏng: bao gồm biometanol, bioetanol, biobutanol, biodiesel… Trong số
này, bioetanol là loại nhiên liệu thông dụng nhất hiện nay trên thế giới vì có khả năng sản
xuất ở quy mô công nghiệp từ nguyên liệu chứa đƣờng nhƣ mía, củ cải đƣờng và nguyên
liệu chứa tinh bột nhƣ ngũ cốc, khoai tây, sắn…, và hiện nay xu hƣớng đang chuyển dần
sang sản xuất etanol từ nguyên liệu lignocellulose. Diesel sinh học (biodiesel) là một loại

nhiên liệu có tính chất tƣơng đƣơng với nhiên liệu dầu diesel đƣợc sản xuất từ dầu thực vật
hay mỡ động vật bằng phản ứng este hóa (transesterification) [57,82].
 Nhiên liệu rắn: Một số loại NLSH rắn mà các nƣớc đang phát triển sử dụng hàng
ngày trong công việc nấu nƣớng hay sƣởi ấm là gỗ, và các loại phân gia súc khô
1.1.2. Công nghệ sản xuất etanol sinh học
1.1.2.1. Công nghệ sản xuất etanol sinh học thế hệ I
Sản xuất etanol sinh học thế hệ I sử dụng enzyme để thủy phân đƣờng từ mía, củ cải
đƣờng hoặc tinh bột từ ngũ cốc thành đƣờng glucose và sau đó lên men đƣờng thành
etanol. Etanol sau đó đƣợc chƣng cất đến 96% và tinh cất để sử dụng làm nhiên liệu.
5

Sản xuất diesel sinh học thế hệ I dựa trên nguyên lý thay thế glyxerin trong dầu mỡ
béo bằng các nhóm metyl (từ metanol) hoặc ankyl mạch ngắn khác (từ các alcol khác). Tùy
theo nguyên liệu, diesel sinh học thế hệ I đƣợc chia ra thành 3 loại nhƣ: RME: Metyl este
của cây cải dầu (Brassica napus); SME: Metyl este của dầu cây đậu nành hay dầu cây
hƣớng dƣơng; PME: Metyl este của dầu dừa hay dầu hạt cau. Bên cạnh đó còn có metyl
este từ mỡ động vật nhƣ mỡ cá basa
1.1.2.2. Công nghệ sản xuất etanol sinh học thế hệ II
Sản xuất etanol sinh học thế hệ II sử dụng sinh khối lignocellulose thƣờng dựa vào
ba phƣơng pháp chính là: thủy phân sinh khối bằng enzyme, hóa lỏng hoặc khí hóa.
Quá trình thủy phân sinh học sinh khối bằng enzyme thƣờng gồm hai công đoạn
chính là tách lignin từ sinh khối và tạo đƣờng đơn từ phần carbohydrate sau đó thông qua
quá trình lên men chuyển hóa đƣờng thành cồn sinh học (hình 1.1) [18]. Quá trình hóa lỏng
sinh khối tạo dầu sinh học (bio-oil) tiếp theo là chuyển hóa bằng xúc tác, dehydro hóa-oxy
hóa tạo nhiên liệu lỏng. Quá trình khí hóa sinh khối tạo khí tổng hợp và qua tổng hợp
Fischer-Tropsch tạo nhiên liệu: ankan, xăng và diesel [100].

Hình 1.1. Sản xuất etanol sinh học từ sinh khối lignocellulose
Sản xuất diesel sinh học thế hệ II dựa trên nguồn nguyên liệu sinh khối, qua nghiền
sấy rồi nhiệt phân và tổng hợp hóa học thành NLSH. Diesel sinh học thế hệ II cũng có thể

đƣợc sản xuất từ dầu thực vật không ăn đƣợc, dầu phế thải…
1.1.2.3. Công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ III
NLSH đƣợc chế tạo từ các loài vi tảo trong nƣớc, trên đất ẩm, sinh ra nhiều năng
lƣợng (7-30 lần) hơn NLSH thế hệ I, II trên cùng diện tích trồng. Tuy nhiên, việc nghiên
cứu chế tạo NLSH thế hệ III vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm
và pilot [83].
1.1.3. Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học trong và ngoài
nƣớc
1.1.3.1. Tình hình sản xuất và sử dụng NLSH trên thế giới
Hiện nay có khoảng 50 nƣớc trên thế giới khai thác và sử dụng NLSH ở các mức độ
khác nhau [15]. Nhiên liệu sinh học đƣợc dùng làm nhiên liệu cho ngành giao thông bao
6

gồm: dầu thực vật sạch, etanol, diesel sinh học, dimetyl ether (DME), ethyl tertiary butyl
ether (ETBE) và các sản phẩm từ chúng. Năm 2013, toàn thế giới đã sản xuất 60,5 tỷ lít
etanol nhiên liệu [16], dự kiến năm 2015 là 115 tỷ lít; năm 2005 sản xuất 4 triệu tấn diesel
sinh học (B100), năm 2011 tăng lên khoảng 25 triệu lít (hình 1.2) [57].

Hình 1.2. Sản lƣợng nhiên liệu sinh học trên thế giới
Mỹ sản xuất NLSH chủ yếu từ ngô, hạt cao lƣơng và thân cây cao lƣơng ngọt, và củ
cải đƣờng. Khoảng 17% sản lƣợng ngô sản xuất hàng năm ở Hoa Kỳ dùng để sản xuất
etanol. Hoa Kỳ đặt chỉ tiêu sản xuất cồn sinh học để cung cấp 46% nhiên liệu cho xe hơi
năm 2010, 100% vào năm 2020 [21].
Đức là một nƣớc tiêu thụ xăng sinh học nhiều nhất trong khối EU, trong đó có
khoảng 0,48 triệu lít etanol. Nguyên liệu chính sản xuất etanol là củ cải đƣờng. Pháp là
nƣớc thứ hai tiêu thụ nhiều etanol sinh học trong cộng đồng Châu Âu với khoảng 1,07 triệu
lít etanol và diesel sinh học năm 2006. Công ty Diester sản xuất diesel sinh học và Téréos
sản xuất etanol sinh học là hai công ty lớn của Pháp.
1.1.3.2. Tình hình sản xuất và sử dụng NLSH ở trong nước
Để đảm bảo an ninh năng lƣợng, bảo vệ môi trƣờng và thúc đẩy phát triển kinh tế

nông thôn tại các vùng sâu, vùng xa, ngày 20-11-2007, Thủ tƣớng Chính phủ đã phê duyệt
“Đề án phát triển NLSH đến năm 2015, tầm nhìn 2025”. Đề án bao gồm hoạt động của các
cơ quan chính phủ và doanh nghiệp nhằm xây dựng lộ trình sử dụng NLSH của Việt Nam,
khung pháp lý, các chính sách khuyến khích sản xuất, xây dựng mô hình thử nghiệm sản
xuất và phân phối NLSH cũng nhƣ các dự án đầu tƣ của Chính phủ để phát triển NLSH
đến năm 2025. Việt Nam sẽ đẩy mạnh phát triển NLSH và mục tiêu dự kiến đến năm 2025
sẽ sản xuất và đƣa vào sử dụng xăng E5 và dầu B5 trên phạm vi cả nƣớc, đáp ứng đủ nhu
cầu thị trƣờng. Đẩy mạnh phát triển NLSH là giải pháp thay thế một phần nhiên liệu hóa
thạch truyền thống hiện nay, góp phần đảm bảo an ninh năng lƣợng và bảo vệ môi trƣờng.
Nhóm nghiên cứu của PGS. Doãn Thái Hòa, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã
nghiên cứu áp dụng cộng nghệ hiện đại để sản xuất 100 lít etanol sinh học thế hệ II từ phế
liệu gỗ keo, gỗ bạch đàn năm 2010 [1]. Nhóm nghiên cứu của PGS. Tô Kim Anh đã
nghiên cứu tạo enzyme tái tổ hợp thủy phân lignocelluloses phục vụ sản xuất cồn nhiên
liệu [11]. Nhóm của PGS. Vũ Nguyên Thành đã nghiên cứu công nghệ và hệ thống thiết bị
7

sản xuất cồn nhiên liệu từ phế phụ phẩm nông nghiệp (bã mía) [13]. Tuy nhiên, kết quả đạt
đƣợc còn khiêm tốn, chƣa thể áp dụng triển khai sản xuất lớn và thƣơng mại hóa.
Nhóm của PGS. Phan Đình Tuấn, Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã
nghiên cứu xử lý các phế phẩm trong sản xuất nông nghiệp nhƣ rơm, rạ, trấu… nhằm sản
xuất etanol sinh học, tiến tới xây dựng mô hình “Thị trấn Biomass” tại Việt Nam. Nhóm
của PGS. TS Đặng Tuyết Phƣơng, Viện Hóa học Công nghiệp, Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam đã nghiên cứu tạo nhiên liệu lỏng và khí có thành phần mong muốn
từ nguồn rơm rạ Việt Nam bằng phƣơng pháp nhiệt phân có và không có xúc tác [2,42].
Việt Nam bắt đầu sản xuất NLSH từ khoảng 20 năm trƣớc đây. Tuy nhiên cho đến
nay Việt Nam có ít kinh nghiệm trong nghiên cứu, sản xuất thử nghiệm và sản xuất thƣơng
mại NLSH. Việc triển khai sản xuất vẫn còn rất xa mới đạt đến hiệu quả kinh tế và tiềm
năng thực. Về nguồn cầu, NLSH chƣa đƣợc sử dụng rộng rãi tại Việt Nam. Mạng lƣới
phân phối và bán hàng vẫn chƣa phát triển rộng rãi. Việc sản xuất NLSH thí điểm và
thƣơng mại đã không ngừng gia tăng trong 5 năm qua trong đó năm 2009 đƣợc xem là năm

khởi động cho ngành NLSH tại Việt Nam. Trong năm 2009, nhiều nhà máy sản xuất etanol
sinh học đã đƣợc xây dựng tại các tỉnh Quảng Nam, Phú Thọ, Quảng Ngãi (Dung Quất),
Bình Phƣớc và Đồng Nai từ sắn (NLSH thế hệ I). Đầu tƣ đƣợc tích luỹ từ các nhà máy nội
địa bao gồm cả Petrovietnam.
Hiện nay, một số dự án về NLSH ở Việt Nam chƣa đạt tiến độ theo yêu cầu, nhƣng
những nghiên cứu về NLSH tiếp tục diễn ra quy mô trên khắp thế giới và thiên về xu
hƣớng nghiên cứu tính khả thi và quy mô ứng dụng chuyển hóa các loại sinh khối thành
nhiên liệu chứng tỏ tƣơng lai đầy tiềm năng của công nghệ này. Rõ ràng, chuyển hóa rơm
rạ nói chung thành etanol sinh học không chỉ giải quyết triệt để hơn vấn đề năng lƣợng,
không ảnh hƣởng đến lƣơng thực mà còn giải quyết nhiều vấn đề môi trƣờng, xã hội. Dự
báo trong tƣơng lai không xa, sản xuất cồn từ rơm rạ và sinh khối nói chung sẽ thực sự
đƣợc triển khai và thƣơng mại hóa trên quy mô rộng [1,13].
1.2. Sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối lignocellulose
1.2.1. Khái niệm sinh khối
Sinh khối (biomass) là thuật ngữ dùng để mô tả các vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ
thực vật, cây cối hoa màu và các dạng vật liệu tƣơng tự có khả năng thu thập và lƣu trữ
năng lƣợng mặt trời thông qua quá trình quang hợp. Năng lƣợng sinh khối (bioenergy) là
năng lƣợng thu đƣợc thông qua quá trình chuyển hóa sinh khối thành các dạng năng lƣợng
có ích khác nhƣ: nhiệt năng, điện năng, nhiên liệu lỏng (nhiên liệu sinh học) [110, 25].
Lƣợng sinh khối lignocellulose hằng năm đƣợc tổng hợp khoảng 10
10
đến 10
11
tấn
nhờ quá trình quang hợp, quy đổi ra năng lƣợng thì gấp 6 lần nhu cầu năng lƣợng trên toàn
thế giới, tuy nhiên để có thể chuyển hóa sinh khối thành năng lƣợng là cả một vấn đề lớn,
lâu dài. Vì năng lƣợng sản xuất từ sinh khối có tuy có nhiều ƣu điểm nhƣ: phân bố rộng
rãi, có khả năng tái tạo, có thể dự trữ và chuyển đổi dễ dàng, không gây ô nhiễm môi
trƣờng nhƣng lại có một số nhƣợc điểm nhƣ sử dụng diện tích đất canh tác lớn, yêu cầu chi
8

phí cho bón phân, tƣới nƣớc, thay đổi chất lƣợng theo điều kiện ngoại cảnh bên ngoài,
chính vì vậy nên sản xuất năng lƣợng từ sinh khối hiện nay vẫn chƣa hoàn toàn thay thế
đƣợc cho năng lƣợng hóa thạch [110, 25].
1.2.2. Công nghệ tiền xử lý sinh khối lignocellulose cho sản xuất nhiên liệu
1.2.2.1. Thành phần hóa học của tế bào gỗ
Sinh khối thực vật đƣợc cấu tạo từ những tế bào thực vật có hình dạng và kích thƣớc
khác nhau, nhƣng đều gồm các thành phần chính là: màng sinh chất bao bọc bên ngoài tế
bào, vách tế bào thực vật, tế bào chất bao gồm các cơ quan bên trong nhƣ thể Golgi, ty thể,
lục lạp, sắc lạp, vô sắc lạp (bột lạp, đạm lạp, du lạp) , nhân tế bào và không bào. Kết thúc
chu kỳ sống, các thể này đều tiêu biến chỉ còn lại vách tế bào thực vật [8].
Vách tế bào thực vật có cấu tạo hóa học chủ yếu là tổ hợp lignocellulose.
Lignocellulose gồm có ba thành phần chính là cellulose, hemicellulose và lignin. Sự tổ hợp
với các tỷ lệ khác nhau của ba thành phần này tạo nên vách tế bào thực vật khác nhau của
các loại thực vật khác nhau và tạo nên sự phong phú, đa dạng của các loài thực vật ngày
nay (hình 1.3) [17]

Hình 1.3. Cấu tạo vách tế bào thực vật
Cellulose
Cellulose là một polysaccarit đồng thể mạch thẳng, đại phân tử của nó đƣợc cấu tạo
bởi các gốc β-D-glucose, liên kết với nhau bằng các liên kết glucozit 1-4. Cellulose là
polyme mạch thẳng, chuỗi đại phân tử của nó có cấu tạo điều hòa và tất cả các nguyên tử
cacbon không đối xứng nhau theo một cấu hình chặt chẽ nhất định. Đơn vị lập thể lặp lại
trong chuỗi cellulose là gốc cellobiose (D-glucopyranosyl-β-1,4-D-glucopyranose) (hình
1.4) [49].
Cellulose là polyme phổ biến nhất trong tự nhiên chiếm khoảng 90% trong sợi bông
tự nhiên, 40–50% khối lƣợng sinh khối gỗ, 40−50% trong bã mía và khoảng 35−40% trong
rơm lúa mỳ và lúa gạo [26].
9

Hình 1.4. Cấu tạo phân tử cellulose
Công thức (thực nghiệm) chung của cellulose có thể viết dƣới dạng (C
6
H
10
O
5
)n hoặc
[C
6
H
7
O
2
(OH)
3
]n. Bậc trùng hợp n của cellulose trong gỗ vào khoảng 5000 đến 10000, đối
với cây thân thảo thì mức độ trùng hợp thấp hơn. Ở trạng thái tự nhiên cellulose liên kết
với nhau thành chuỗi vi sợi dài, nhiều vi sợi liên kết với nhau tạo thành sợi, nhiều sợi liên
kết với nhau tạo thành bó sợi. Bó sợi cellulose có cấu trúc bao gồm vùng kết tinh xen kẽ
với vùng vô định hình một cách đều đặn. Vùng kết tinh là vùng có trật tự cấu trúc cao cùng
với mạng lƣới liên kết hydro bao xung quanh ngăn cản sự xâm nhập của các tác nhân khác
nhau. Ngoài ra, tƣơng tác giữa các sợi cellulose còn đƣợc giữ bởi lực Van der Waals ở
khoảng cách lớn hơn so với liên kết hydro [26,90]. Sự thay đổi cấu trúc và độ kết tinh của
các loại cellulose dƣớc tác dụng của các tác nhân hóa học khác nhau hay tác nhân nhiệt độ
là khác nhau. Đây cũng là một trong những trở ngại đối với việc kiểm soát tỷ lệ enzyme
thích hợp cho quá trình thủy phân cellulose bằng enzyme.
Ở vùng cellulose tinh thể, enzyme cellulase chỉ có thể đƣợc hấp phụ lên bề mặt xơ
sợi và tách dần chúng ra. Ngƣợc lại, vùng vô định hình có trật tự cấu trúc thấp hơn, khoảng

cách giữa các vi sợi cũng lớn, các liên kết hydro cũng yếu hơn nên enzyme dễ dàng thấm
sâu và cắt đứt chuỗi cellulose ở những vị trí bất kỳ, làm mạch cellulose bị cắt ngắn nhanh
chóng, tạo ra các đầu khử mới. Tuy vậy, quá trình thủy phân cellulose trong sinh khối chỉ
đạt đƣợc kết quả tốt khi đã loại bỏ phần lớn các thành phần nhƣ lignin, các chất trích ly,
tro, pectin ra khỏi vách tế bào.
Cellulose là một vật liệu có tính hút ẩm, nó có thể hấp thụ 8-14% nƣớc trong điều
kiện bình thƣờng (20°C, 60% độ ẩm tƣơng đối) [26]. Tuy nhiên, cellulose không bị hòa tan
trong nƣớc, khi tƣơng tác với nƣớc cellulose hấp thụ một phần và bị trƣơng nở. Cellulose
cũng không hòa tan trong dung dịch axit loãng ở nhiệt độ thấp. Khả năng hòa tan của
cellulose liên quan chặt chẽ đến mức độ phân hủy của sinh khối sau quá trình TXL. Ở nhiệt
độ cao, cellulose dễ bị hòa tan, nếu nhƣ cung cấp đủ năng lƣợng để phá vỡ các liên kết
hydro tham gia vào cấu trúc tinh thể. Cellulose cũng hòa tan trong axit đặc, nhƣng khi đó
cấu trúc của nó bị phân hủy nghiêm trọng do thủy phân thiếu nƣớc gây ra. Trong các
phƣơng pháp TXL bằng kiềm, sự phân giải của cellulose diễn ra bắt đầu ở các phân tử có
khối lƣợng thấp của chuỗi polyme (DP <200) [26]. Dung môi của cellulose thƣờng là các
hệ dung môi phức đồng hoặc cadmi, nhƣ hydroxide (cuen) cupriethylenediamine hoặc
Cadoxen cadmium. Ngoài ra, các dung môi nhƣ dung dịch muối, chẳng hạn nhƣ clorua
10

kẽm, có khả năng hòa tan cellulose thấp phân tử. Cellulose không nóng chảy mà bắt đầu bị
phân hủy ở nhiệt độ 180
o
C [26].
Hemicellulose
Hemicellulose là hợp chất polysaccharit phổ biến sau cellulose, là một trong số
những chất cấu tạo nên vách tế bào thực vật. Hemicellulose có cấu tạo các thành phần
đƣờng cơ bản nhƣ: D-xylose, D-mannose, D-glucose, D-galactose, L-arabinose, D-
glucuronic axit, 4-O-methyl-D-glucuronic axit, axit D-galacturonic [116]. Các đƣờng đơn
trong hemicellulose liên kết với nhau thông qua liên kết beta−1,3, −1,6 và −1,4 glycoside,
nhƣng thƣờng bị acetyl hóa tạo thành “keo dính” bám trên phân tử lignin [49].

Xylan chiếm phần lớn khối lƣợng hemicellulose và có cấu trúc đa dạng. Khối lƣợng
phân tử tùy thuộc theo đặc điểm của các loài thực vật và vị trí nó ở các mô tế bào thực vật.
Tất cả các xylan đều có mạch chính do các xylose (C
5
H
10
O
5
)

nối với nhau bởi liên kết β-
1,4-glycoside [49]. Trong quá trình xử lý sinh khối thì giữ lại đƣợc phần lớn xylan trong
sinh khối cho thủy phân sẽ góp phần nâng cao hiệu suất đƣờng cuối của quá trình thủy
phân.
Lignin
Lignin là hợp chất cao phân tử có cấu trúc mạng không gian và không có cấu tạo hóa
học nhất định. Cùng với cellulose, lignin là một trong những hợp chất polyme có nguồn
gốc sinh học phổ biến nhất trong tự nhiên, hàm lƣợng lignin chiếm khoảng 20 ÷30% trong
vách tế bào thực vật [49].
Lignin có cấu tạo rất phức tạp. Các đơn vị cơ sở tạo nên “bộ khung” của lignin là các
đơn vị phenylpropan (hình 1.5) [26]. Các mắt xích này liên kết với nhau tạo thành cấu trúc
không gian 3 chiều. Lignin của các loài thân thảo chứa nhiều đơn vị hydroxyphenylpropan
(III) hơn so với gỗ [31].
Lignin có liên kết hóa trị với hemicellulose, nhƣng không có liên kết trực tiếp với
cellulose [31,44]. Lignin có đặc tính là polyphenol nên có tính kỵ nƣớc và sát khuẩn, là
thành phần gây cản trở quá trình thủy phân bằng enzyme nên cần phải loại bỏ. Tách loại
lignin bằng các tác nhân hóa học khác nhau thƣờng dẫn đến phân hủy một phần
carbohydrate. Chính vì vậy, công nghệ TXL hiệu quả sinh khối là công nghệ tách loại
lignin một cách có chọn lọc mà không làm ảnh hƣởng nhiều đến carbohydrate.

Guaiacylpropan (I) Syrygylpropan (II) Hydroxyphenylpropan (III)
Hình 1.5. Các đơn vị cấu trúc cơ bản của lignin
11

1.2.2.2. Công nghệ tiền xử lý sinh khối lignocellulose
Đặc tính đa dạng của các nguyên liệu sinh khối là trở ngại để đƣa ra quy trình TXL
chung. Chính vì vậy, đối với mỗi loại sinh khối ngƣời ta đƣa ra cách xử lý đặc thù, hiệu
quả cho sinh khối đó. Công nghệ TXL hiệu quả thƣờng kết hợp hai hay nhiều công đoạn
xử lý khác nhau nhằm thu hồi toàn bộ sinh khối. Các tác nhân TXL đƣợc biết đến rộng rãi
nhƣ:
a. Tiền xử lý bằng phương pháp vật lý
− Nghiền nhỏ bằng phƣơng pháp cơ học:
Mục đích của TXL cơ học là làm giảm kích thƣớc và mức độ kết tinh của
lignocellulose, nhằm tăng diện tích bề mặt và giảm mức độ trùng hợp. Việc nghiền nhỏ
này có thể đƣợc thực hiện bằng sự kết hợp cắt nhỏ, nghiền hoặc xay phụ thuộc vào kích
thƣớc cần đạt đƣợc của sinh khối (10–30 mm sau khi cắt và 0,2–2 mm sau khi nghiền hoặc
xay) [141]. Các quy trình xay nghiền khác nhau (nghiền bi, nghiền hai trục và nghiền rung
bằng năng lƣợng vibrio) có thể đƣợc sử dụng để cải thiện quá trình thủy phân bằng enzyme
nhờ tăng diện tích bề mặt tiếp xúc [137]. Tiêu tốn năng lƣợng của phƣơng pháp TXL này
rất cao phụ thuộc vào kích thƣớc hạt cuối cùng và các đặc điểm của sinh khối ban đầu.
Cùng với sự gia tăng liên tục giá năng lƣợng thì phƣơng pháp TXL này không có hiệu quả
kinh tế [138].
− TXL bằng phƣơng pháp nhiệt−cơ kết hợp
Quy trình nhiệt−cơ kết hợp là phƣơng pháp TXL có nhiều cải tiến hơn so với phƣơng
pháp nghiền cơ. Trong phƣơng pháp này, sinh khối đƣợc cắt nhỏ, nghiền, đảo trộn ở nhiệt
độ nhất định trong thiết bị hình ống. Phƣơng pháp này đã tạo ra các biến đổi hóa lý giữa
các thành phần của sinh khối dọc theo chiều dài của ống đẩy của thiết bị. Tốc độ của trục
xoắn và nhiệt độ của lòng ống phá vỡ cấu trúc lignocellulose gây ra sự biến đổi hình dạng
và kích thƣớc của xơ sợi, kết quả là tăng khả năng xâm nhập vào carbohydrate của enzyme
[139]. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là tiêu tốn năng lƣợng và chỉ tách loại đƣợc một

lƣợng nhỏ lignin, hemicellulose.
b. Tiền xử lý bằng phƣơng pháp hóa học
− Các phƣơng pháp TXL sinh khối bằng kiềm
Tác động của một số bazơ lên sinh khối lignocellulose là cơ sở của các phƣơng pháp
TXL bằng kiềm. Đây là phƣơng pháp TXL hiệu quả phụ thuộc vào hàm lƣợng lignin của
sinh khối. Các phƣơng pháp TXL bằng kiềm làm tăng khả năng thủy phân của cellulose và
tách loại lignin tốt hơn, ít hòa tan cellulose và hemicellulose hơn so với các quy trình axit
hay thủy nhiệt [68]. TXL bằng kiềm có thể đƣợc tiến hành ở nhiệt độ phòng, trong thời
gian từ nhiều giây đến nhiều ngày. Đƣợc mô tả là ít phân hủy đƣờng hơn so với TXL bằng
axit, TXL sinh khối bằng kiềm đạt đƣợc hiệu quả cao hơn khi xử lý các phế phẩm nông
nghiệp so với các nguyên liệu gỗ [68]. Tuy nhiên, cần phải cân nhắc đến khả năng mất mát
các loại đƣờng có khả năng lên men và sự tạo thành các hợp chất ức chế để tối ƣu hóa các
điều kiện TXL. Natri, kali, canxi và amoni hydroxit là các tác nhân TXL thƣờng đƣợc sử
dụng. NaOH làm trƣơng nở, gia tăng diện tích bề mặt của cellulose và giảm mức độ trùng
12

hợp và mức độ kết tinh, phá vỡ cấu trúc và hòa tan lignin [137]. 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% [66]. Tƣơng tự nhƣ NaOH, TXL bằng Ca(OH)
2
, cũng đã
đƣợc nghiên cứu rộng rãi. TXL bằng vôi loại bỏ các chất vô định hình nhƣ lignin, các
nhóm acetyl từ hemicellulose, tăng cƣờng khả năng phân giải của cellulose [6]. TXL bằng
vôi cũng đƣợc khẳng định hiệu quả đối với thân cây ngô hay gỗ bạch dƣơng ở nhiệt độ từ
85–150°C và trong khoảng 3–13h [28]. TXL bằng Ca(OH)
2
có chi phí thấp và yêu cầu về
an toàn ít hơn so với TXL bằng NaOH hay KOH và có thể thu hồi dễ dàng từ dịch thủy
phân bằng phản ứng với CO
2

[161].
Ngoài ra, TXL sinh khối bằng kiềm kết hợp với tác nhân oxi hóa nhƣ H
2
O
2
, oxi,
ozon… cũng làm tăng hiệu quả thủy phân sinh khối nhờ thúc đẩy quá trình tách loại lignin
một cách có chọn lọc. TXL rơm lúa mạch bằng peroxit−kiềm kết hợp với quá trình đƣờng
hóa và lên men đồng thời (SSF) đã thu đƣợc 0,33 g etanol/ g rơm lúa mạch [142]. Ngoài
ra, cũng không phát hiện furfural hay HMF trong dịch thủy phân. TXL bằng kiềm bổ sung
xúc tác đƣợc xem là phƣơng pháp đạt đƣợc hiệu quả cao trong nghiên cứu chuyển hóa sinh
khối thành nhiên liệu [99].
Công nghệ TXL sinh khối bằng kiềm có mục đích chủ yếu là tách loại lignin, một
thành phần rất nhạy cảm với các tác nhân hóa học và sự thay đổi của nó kéo theo sự thay
đổi của rất nhiều những thành phần còn lại trong sinh khối nhƣ: cellulose,
hemicellulose…và ảnh hƣởng trực tiếp đến quá trình thủy phân phần bã sinh khối còn lại
bằng enzyme.
Tương tác của lignin với tác nhân kiềm (xút và sunfat)
Dƣới tác dụng của kiềm trong điều kiện thích hợp xảy ra các phản ứng tạo
lignin−kiềm, thủy phân, chia nhỏ lignin và hòa tan các phần tử lignin nhỏ, các dẫn xuất của
lignin vào dịch nấu [26].
Các phản ứng của lignin với tác nhân xút: phân hủy liên kết ete ở nhóm metoxy,
phản ứng của liên kết ete ở C
α
{phản ứng ở cấu trúc mạch thẳng (phản ứng a) hoặc cấu trúc
mạch vòng (phản ứng b)}, phản ứng của liên kết ete ở C
β
(phản ứng phân hủy liên kết ete
β−aryl ở cấu trúc phenol thế, phản ứng phân hủy liên kết ete β−aryl ở cấu trúc phenol tự
do) và các phản ứng ngƣng tụ lignin.

Phản ứng của cấu trúc ete tại vị trí C
α
:

O
-
OCH
3
ORC
OH
-
-
RO
-
O
-
CH
OCH
3
C OR''
R'
C OR''
R'
H
H
H
O
-
OCH
3

C OHH
C OR''
R'
H
O
-
OCH
3
C
H
C OR'
H
(a)
(b)

13

Khi hidro linh động của nhóm OH phenol bị thế (cấu trúc phenol bị ete hóa) thì liên
kết ete của C
α
bền trong môi trƣờng kiềm, liên kết này chỉ bị phân hủy khi còn nhóm OH
phenol tự do (không bị ete hóa)
Phản ứng với cấu trúc mạch vòng phenyl coumaran:
R'
CH
CH O
OCH
3
O
-

OCH
3
R'
CH
CH O
-
OCH
3
O
OCH
3
O
-
OCH
3
CH
OCH
3
O
-
C
R'
(a)
HC
CH O
-
OCH
3
O
-

OCH
3
CH
2
O
+
(b)

Cũng tƣơng tự nhƣ cấu trúc mạch thẳng, khi nhóm OH phenol bị thế thì phản ứng
đứt liên kết ete C
α
khó xảy ra (phản ứng a). Khi tại vị trí C
γ
còn nhóm metylol (R‟ =
CH
2
OH) thì phản ứng tách loại formaldehyde (hoặc tách loại metylol) xảy ra với tốc độ lớn
hơn phản ứng phân hủy liên kết ete tại vị trí C
α
và phản ứng mở vòng (hƣớng b)
Phản ứng với cấu trúc mạch vòng pinoresinol:
O
-
CH
3
O
CH
CH C
C
CH

2
O
O
C
H
H
O
-
OCH
3
H
2
O
-
CH
3
O
C
+
H
CH
CH
2
C
CH
2
OH
C
H
H

O
-
OCH
3
O

δ

δ
O
-
CH
3
O
C
+
C C
H
2
CHO
CH
2
OH
CH
+
O
-
OCH
3
H

H
H

δ

δ

δ

δ

O
-
CH
3
OH
CHHO
CH CH
H
2
C OH
CH
2
OH
CHOH
O
-
OCH
3
P, t

o
2
OH
OCH
3
+
CH
2
O

OH
CH
2
OCH
3
OH
OCH
3

Phản ứng của cấu trúc ete tại vị trí C
β
: Liên kết ete tại vị trí C
β
chiếm tỷ lệ lớn trong
các liên kết của phân tử lignin và là liên kết khá bền trong môi trƣờng kiềm, chỉ bị phân