Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình sản xuất bioethanol từ bã mía

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................1
1.1.

34
Nguyễn Văn Chín (2007), Nghiên cứu tổng quan khả năng sản xuất và
sử dụng ethanol làm nhiên liệu cho động cơ, Đồ án tốt nghiệp, Bộ môn
Công nghệ hóa học dầu và khí, Khoa Hóa, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng.
.................................................................................................................75

1.2.

Vũ Thị Dịu (2009), Nghiên cứu các yếu tố ánh hưởng đến bột
hyđroxyapatit Ca10(PO4)6(OH)2 kích thước nano điều chế từ canxi
hyđroxit Ca(OH)2, Luận văn Thạc sỹ, Hà Nội.......................................75

1.3.

Nguyễn Vũ Minh Hạnh (2010), Bước đầu nghiên cứu enzyme
xylanolytic và cellulolytic từ một chủng vi khuẩn ưa nhiệt, Luận văn
thạc sỹ, Bộ môn Công nghệ sinh học, Đại học Khoa học Tự Nhiên.......75

1.4.

Phạm Văn Hội, Tổng quan phát triển nhiên liệu sinh học trên Thế giới,
Đại học Nông nghiệp Hà Nội..................................................................75

1.5.

Giang Thị Kim Liên (2009), Bài giảng Quy hoạch thực nghiệm,
Trường Đại học Sư phạm Đà Nẵng.........................................................75

1.6.

Trần Diệu Lý (2007), Nghiên cứu sản xuất Ethanol nhiên liệu từ rơm
rạ, Đồ án tốt nghiệp, Bộ môn Kỹ thuật hữu cơ, Trường Đại học Bách
Khoa TP. HCM.......................................................................................75

1.7.

Phạm Lê Duy Nhân (2014), Báo cáo ngành mía đường, Công ty cổ
phần chứng khoán FPT...........................................................................75

1.8.

Nguyễn Đình Tiến (2011), Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ
bã mía, Đồ án tốt nghiệp, Bộ môn Công nghệ sinh học, Khoa Kỹ thuật
hóa học, Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM.....................................75


1.9.

Ahmad Ziad Sulaiman, Azilah Ajit, Rosli Mohd Yunus, Yusuf Chisti

(2011), “Ultrasound- assisted fermentation enhances bioethanol
productivity”, Biochemical Engineering Journal, 54, pp. 141- 150........75

1.10.

B. E. Wood, H. C. Aldrich, and L. O. Ingram, “Ultrasound
Stimulates Ethanol Production during the Simultaneous Saccharification
and Fermentation of Mixed Waste Office Paper”, Biotechnol, 13, pp.
232- 237..................................................................................................75

1.11.

Chengzhou Li, Makoto Yoshimoto, Haruki Ogata, Naoki Tsukuda,
Kimitoshi Fukunaga, Katsumi Nakao(2005), “Effects of ultrasonic
intensity and reactor scale on kinetics of enzymatic saccharification of
various waste papers in continuously irradiated stirred tanks”,
Ultrasonics Sonochemistry, 12, pp. 373- 384.........................................76

1.12.

Dawson and Boopathy (2008), “Cellulosic ethanol, bagasse”,
BioResources, 3(2), pp. 452- 460............................................................76

1.13.

Filson PB, Dawson- Andoh BE (2009), “Sono- chemical preparation
of cellulose nanocrystals from lignocellulose derived materials”,
Bioresour Technol, 100, pp. 2259−2264.................................................76

1.14.

García A, Alriols MG, Llano- Ponte R, Labidi J (2011), “Ultrasoundassisted fractionation of the lignocellulosic material”, Bioresour Technol,
102, pp. 6326−6330.................................................................................76

1.15.

Kathrin Hielscher, Ultrasonically- Assisted Fermentation for
Bioethanol Production, Hielscher Ultrasonics, Germany.......................76

1.16.

Klemm D, Heublein B, Fink HP, Bohn A (2005), “Cellulose:
fascinating biopolymer and sustainable raw material”, Angewandte
Chemie International Edition, 44(22), pp. 3358−3393...........................76


1.17.

K. Subramanian, Biochemical conversion of rice straw into
bioethanol- an exploratory investigation, Department of Biotechnology,
Bannari Amman Institute of Technology................................................76

1.18.

Melissa T abada Montalbo- lomboy (2008), Ultrasonic pretreatment
for enhanced saccharification and fermentation of ethanol production
from corn, Iowa State University............................................................76

1.19.

Muhammad Saif Ur Rehman, Ilgook Kim, Yusuf Chisti, Jong- In Han
(2013), “Use of ultrasound in the production of bioethanol from
lignocellulosic biomass”, Energy Science and Research, 30(2), pp. 13911410.........................................................................................................76

1.20.

Niyaz Ahamed Methrath Liyakathali (2014), Ultrasonic pretreatment
of energy cane bagasse for biofuel production, The Department of
Biological and Agricultural Engineering, Sri Ramakrishna Engineering
College (Anna University)......................................................................76

1.21.

Qiang Li, Geng- Sheng Ji, Yu- Bin Tang, Xu- Ding Gu, Juan- Juan
Fei, Hui- Qing Jiang (2012), “Ultrasound- assisted compatible in situ
hydrolysis of sugarcane bagasse in cellulase- aqueous- Nmethylmorpholine- N- oxide system for improved saccharification”,
Bioresource Technology, 107, pp. 251- 257...........................................77

1.22.

Roni Maryana, Dian Ma'rifatun, A. Wheni I., Satriyo K.W., W.
Angga Rizal (2014), “Alkaline Pretreatment on Sugarcane Bagasse for
Bioethanol Production”, Energy Procedia, 47, pp. 250- 254..................77

1.23.

Rajendran Velmurugan, Karuppan Muthukumar (2012), “Sonoassisted enzymatic saccharification of sugarcane bagasse for bioethanol
production”, Biochemical Engineering Journal, 63, pp. 1- 9..................77

1.24.

Rajendran Velmurugan, Karuppan Muthukumar (2012), “Ultrasoundassisted alkaline pretreatment of sugarcane bagasse for fermentable


sugar production: Optimization through response surface methodology”,
Bioresource Technology, 112, pp. 293- 299...........................................77
1.25.

Rajendran Velmurugan, Karuppan Muthukumar (2011), “Utilization
of sugarcane bagasse for bioethanol production: Sono- assisted acid
hydrolysis approach”, Bioresource Technology, 102, pp. 7119 - 7123.. 77

1.26.

Svetlana Nikolic, Ljiljana Mojovic, Marica Rakin, Dušanka Pejin,
Jelena Pejin(2010), “Ultrasound- assisted production of bioethanol by
simultaneous saccharification and fermentation of corn meal”, Food
Chemistry, 122, pp. 216- 222..................................................................77

1.27.

Zhang Y, Fu E, Liang J (2008), “Effect of ultrasonic waves on the
saccharification processes of lignocellulose”, Chem Eng Technol, 31, pp.
1510−1515...............................................................................................77

1.28.

/>
1.29.

/>
1.30.

E1%BB
%A5ng- song- sieu- am- trong- qua- trinh- th%E1%BB%A7y- phantinh- %E1%BB%99t...............................................................................77

1.31.

....................................................................77

1.32.

/>
1.33.

/>%87u_sinh_h%E1%BB%8Dc................................................................78

1.34.

hinh- san- xuat- va- tieu- thuethanol- tren- the- gioi/............................................................................78

1.35.

sinh- hoc- e5/trien- vong- xangethanol- tren- the- gioi.html....................................................................78

1.36.

hinh- nghien- cuu- vasan- xuat- nhien- lieu- sinh- hoc- tren- the- gioi- va- viet- nam/1265.....78

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CÁC KÝ HIỆU:
Kpl

Hệ số pha loãng

Cm

Nồng độ trong mẫu đã pha loãng

X

Nồng độ trong mẫu không pha loãng

I

Cường độ peak

CÁC CHỮ VIẾT TẮT:
CrI

Chỉ số kết tinh (Crystallinity Index)

DNS

DiNitro- Salicylic

EPA

Cơ quan bảo vệ môi trường (Environmental Protection
Agency)

EU

Liên minh Châu Âu (European Union)

E85

Xăng sinh học gồm 15% xăng và 85% ethanol tinh khiết

E5

Xăng sinh học gồm 95% xăng và 5% ethanol tinh khiết

FT- IR

Phổ hồng ngoại biến đổi chuỗi Fourier (Fourier Transform
InfraRed)

GC

Sắc ký khí (Gas Chromatography)

HPLC

Sắc ký lỏng hiệu quả cao (High Performance Liquid
Chromatography)

MTBE

Metyl Tert Butyl Ether

NGK

Nước giải khát

OECD

Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (Organization for
Economic Cooperation and Development)

PTHQ

Phương trình hồi qui

SEM

Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electronic Microscope)


TEM

Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electronic
Microscopy)

VSSA

Hiệp hội mía đường Việt Nam

XRD

Nhiễu xạ tia X (X- ray diffraction)


DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

Tên bảng

Trang

Thành phần lignocellulose trong rác thải và phụ phế phẩm

18

bảng
1.1

nông nghiệp phổ biến
1.2

Ưu nhược điểm của các phương pháp tiền xử lý

23

2.1

Bước sóng đặc trưng của một số nhóm chức

47

2.2

Thành phần dưỡng chất cho nấm men phát triển

52

3.1

Độ ẩm của bã mía trước khi xử lý

54

3.2

Thành phần bã mía theo số liệu Hiệp hội Mía đường Việt

55

Nam
3.3

Kết quả chuẩn glucose

56

3.4

Kết quả đo nồng độ glucose trong dịch thủy phân trước

57

khi xử lý bã
3.5

Mức, khoảng biến thiên của các yếu tố

57

3.6

Thành phần bã mía sau quá trình tiền xử lý

58

3.7

Kết quả quá trình tiền xử lý bã mía theo từng thí nghiệm

60

3.8

Hệ số b của phương trình hồi qui

61

3.9

Kiểm tra ý nghĩa của hệ số hồi qui

62

3.10

Kiểm tra sự tương thích của PTHQ

62

3.11

Kết quả chuẩn glucose

68

3.12

Kết quả đo nồng độ glucose sau quá trình thủy phân

69

3.13

Kết quả chuẩn ethanol

70

3.14

Kết quả đo ethanol sau quá trình lên men

71


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Số hiệu

Tên hình vẽ

hình vẽ

Trang

1.1

Cấu trúc của lignocellulose

17

1.2

Công thức hóa học của cellulose

19

1.3

Phân bố các vùng trồng mía ở Việt Nam

21

1.4

Sơ đồ của quá trình thủy phân và lên men tách biệt

24

1.5

Sơ đồ của quá trình thủy phân và lên men đồng thời

25

1.6

Quá trình phân giải của cellulose

25

1.7

Giống nấm men Pichia stipitis và Saccharomyces

33

Cerevisiae
1.8

Tác động của sóng siêu âm: Quá trình hình thành, phát

35

triển và vỡ tung của bọt khí trong môi trường lỏng
1.9

Giao diện của phần mềm Design Expert 7.0

39

2.1

Nấm men S. Cerevisiae nhìn dưới kính hiển vi

40

2.2

Quy trình nghiên cứu sản xuất bioethanol từ bã mía

49

2.3

Bã mía trước khi xử lý

50

2.4

Tiền xử lý bã mía bằng NaOH kết hợp siêu âm

50

2.5

Hỗn hợp sau quá trình tiền xử lý

51

2.6

(a) Bã mía sau khi rửa, lọc; (b) Bã mía sau khi ép khô

51

2.7

(a) Bã mía trước khi thủy phân; (b) Dịch thu được sau

52

quá trình thủy phân
2.8

Bộ dụng cụ lên men

53

3.1

Thành phần (% khối lượng) của bã mía trước khi xử lý

54

3.2

Đường chuẩn glucose

56

3.3

Kết quả tính hệ số b theo phần mềm Design Expert v7.0

61

3.4

Kết quả tối ưu bằng phần mềm Design Expert v7.0

63


3.5

SEM của: (a) Mẫu chưa xử lý; (b) Mẫu đã xử lý: 3%

64

NaOH, 300C và siêu âm trong 25phút
3.6

FT- IR của mẫu chưa xử lý

64

3.7

FT- IR của mẫu đã xử lý: 1% NaOH, 30 0C, 15phút,

65

22,5kHz
3.8

FT- IR của mẫu đã xử lý: 1% NaOH, 30 0C, 25phút,

65

22,5kHz
3.9

FT- IR của mẫu đã xử lý: 1% NaOH, 50 0C, 15phút,

66

22,5kHz

3.10

XRD của: (a) Mẫu chưa xử lý; (b) Mẫu đã xử lý: 3%

67

NaOH, 300C và siêu âm trong 25phút
3.11

Đường chuẩn glucose

68

3.12

Đường chuẩn ethanol

70

3.13

(a) Lên men dịch thủy phân có siêu âm; (b) Lên men

71

dịch thủy phân không có siêu âm; (c) Nước vôi trong bị
đục bởi CO2


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Nhiên liệu hóa thạch là loại nhiên liệu có ưu thế vượt trội trong nền kinh
tế toàn cầu từ cách mạng công nghiệp cuối thế kỷ 18, đặc biệt là trong nửa sau
thế kỷ 20 khi thế giới đã trải qua những tiến bộ mạnh mẽ trong công nghệ và
công nghiệp hóa. Tuy nhiên, nhiên liệu hóa thạch không phải vô hạn và sẽ cạn
kiệt vào khoảng 40- 50 năm nữa. Trong điều kiện cạn kiệt nhiên liệu hoá
thạch và các vấn đề khí thải liên quan gây ô nhiễm môi trường từ việc sử
dụng nguồn nhiên liệu này, việc tìm kiếm và phát triển các nguồn năng lượng
sạch thay thế là cần thiết và cấp bách. Trong số các nguồn năng lượng tái tạo,
sinh khối là nguồn năng lượng quan trọng nhất.
Các nguồn năng lượng tái tạo và dự báo [4]
Loại năng lượng

Năm / Lượng (triệu tấn dầu qui đổi) % năm
2001
2010
2020
2040
tái tạo
2040
Tổng năng lượng sơ cấp
10 038
11 258 15 347 17 690 100.00
Sinh khối
1 080
1 291
2 221
2 843

16.07
Thuỷ điện
223
255
296
308
1,75
Thuỷ điện nhỏ
9,5
16
62
91
0,51
Gió
4,7
35
395
580
3,28
Pin mặt trời
0.2
1
110
445
2,51
Nhiệt mặt trời
4,1
11
127
274

1,55
Nhiệt điện mặt trời
0,1
0,4
9
29
0,16
Địa nhiệt
43
73
194
261
1,47
Thuỷ triều
0.0
0,1
2
9
0,05
5
Tổng năng lượng tái tạo 1 364,5
1 682,5
3 416
4 844
% Năng lượng tái tạo
13,6
14,3
22
27,4
27,4

Nhiên liệu sinh học (ethanol sinh học và diesel sinh học) là các nguồn
năng lượng được sản xuất từ sinh khối. Nhìn chung, nhiên liệu sinh học có
nhiều ưu điểm: giảm khí thải nhà kính, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa
thạch, tăng sự an toàn về năng lượng quốc gia, góp phần phát triển nông thôn


2

và là một nguồn năng lượng bền vững trong tương lai. Ngược lại, loại nhiên
liệu này cũng có một số hạn chế: nguồn nguyên liệu phải được tái tạo nhanh,
công nghệ sản xuất phải được thiết kế và tiến hành sao cho cung cấp lượng
nhiên liệu lớn nhất với giá thấp nhất và mang lại lợi ích về môi trường nhất.
Ethanol sinh học hay còn gọi là bioethanol có thể sản xuất từ bất kỳ chất
hữu cơ có nguồn gốc sinh học chứa hàm lượng đường nhất định và các vật
chất có thể chuyển đổi sang dạng đường như tinh bột hoặc cellulose. Mía
đường, củ cải đường, lúa miến ngọt... là những ví dụ về sản phẩm chứa
đường. Lúa mì, lúa mạch và ngô…là các sản phẩm chứa tinh bột. Một phần
đáng kể các cây lấy gỗ và cây thân thảo có thành phần chủ yếu là cellulose có
thể được chuyển đổi sang đường. Tất cả các loại cây này/vật liệu này đều có
thể sử dụng cho sản xuất ethanol.
Gần đây, nhiều cố gắng nghiên cứu của các cá nhân và các tổ chức đang
tập trung vào việc sản xuất ethanol từ rơm rạ, cỏ,… Tuy nhiên, theo nhận
định của nhiều chuyên gia, bên cạnh các nguyên liệu phổ biến kể trên thì bã
mía là lựa chọn mới cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học, phù hợp với nền
nông nghiệp Việt Nam, nhất là lượng bã mía hiện thải bỏ khá lớn. Đơn cử là
nhà máy Đường Bourbon (Tây Ninh) với công suất chế biến 8000 tấn
mía/ngày, nhà máy thải ra lượng bã mía khoảng 2800 tấn/ngày. Công ty
Đường Biên Hòa (Đồng Nai) có 3 nhà máy, trong đó 2 nhà máy sử dụng mía
làm nguyên liệu với tổng công suất 5000 tấn mía/ngày [32]. Do đó, việc sử
dụng bã mía để sản xuất bioethanol sẽ góp phần giảm bớt áp lực cho các loại

nguyên liệu sinh học từ bắp, khoai mì,… đồng thời sẽ giảm thiểu sự cạnh
tranh trong sử dụng đất trồng giữa cây nhiên liệu và cây lương thực, thực
phẩm.
Sinh khối có nguồn gốc lignocellulose có thành phần chính gồm
cellulose, hemicellulose, lignin. Sự sắp xếp của các thành phần bên trong sinh


3

khối làm cho nó có cấu trúc vô cùng phức tạp. Chỉ cellulose và hemicellulose
có thể được chuyển đổi thành đường lên men. Do đó, cần có quá trình tiền xử
lý để phá vỡ lignin xung quanh các phân tử cellulose, làm tăng khả năng tác
động của enzyme thủy phân cellulose thành đường.
Có rất nhiều phương pháp tiền xử lý như phương pháp vật lý (giảm kích
thước, nổ hơi…), phương pháp hóa học (axit, kiềm…), phương pháp sinh
học… tuy nhiên, các phương pháp tiền xử lý bằng kiềm giúp sự hòa tan của
lignin tốt hơn, ít hòa tan cellulose và hemicellulose hơn so với các quy trình
axit hay thủy nhiệt.
Tiền xử lý bằng kiềm có thể được tiến hành ở nhiệt độ phòng, ít gây ra
sự thoái biến đường hơn so với tiền xử lý bằng axit và cho hiệu quả cao hơn ở
các sản phẩm nông nghiệp. Thường sử dụng natri hydroxit, canxi hydroxit,
kali hydroxit và amoni hydroxit. Tiền xử lý bằng Ca(OH) 2 có chi phí thấp và
yêu cầu về an toàn ít hơn so với tiền xử lý bằng NaOH nhưng khả năng hòa
tan Ca(OH)2 trong nước kém, khó tách ra khỏi bã rắn sau quá trình tiền xử lý.
Việc ứng dụng kỹ thuật siêu âm sẽ cải thiện một loạt các quá trình sinh
học và có tiềm năng được sử dụng trong sản xuất ethanol từ nguyên liệu
lignocellulose. Kỹ thuật siêu âm được áp dụng như một quá trình hỗ trợ việc
phá hủy liên kết lignin tạo điều kiện cho quá trình thủy phân, gia tăng vận
chuyển cơ chất, kích thích tế bào sống và enzyme giúp gia tăng sản lượng các
chất trao đổi, đẩy nhanh quá trình lên men.

Với những lý do trên, tôi đã chọn đề tài luận văn cao học:
“Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhằm nâng cao hiệu quả của quá
trình sản xuất bioethanol từ bã mía”
2. Mục tiêu nghiên cứu


4

Nghiên cứu sử dụng sóng siêu âm để tăng cường hiệu quả của quá trình
tiền xử lý, thuỷ phân và lên men nhằm nâng cao năng suất của quá trình sản
xuất bioethanol từ bã mía của nhà máy đường.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
- Bã mía của nhà máy đường
- Qui trình và các thông số công nghệ của quá trình sản xuất bioethanol từ
bã mía của nhà máy đường
- Kỹ thuật siêu âm
3.2. Phạm vi nghiên cứu
- Các điều kiện tiền xử lý, thủy phân và lên men
- Xử lý số liệu thống kê, quy hoạch thực nghiệm với hàm mục tiêu là tối
đa hiệu suất loại bỏ lignin ở quá trình tiền xử lý
4. Phương pháp nghiên cứu
- Áp dụng các phương pháp phân tích hoá học trong việc xác định hàm
lượng cellulose và lignin trong thành phần của bã mía
- Áp dụng các phương pháp vật lý và hóa lý như:
+ Phương pháp chụp ảnh bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để xác
định sự thay đổi cấu trúc của bã mía trước và sau quá trình tiền xử lý
+ Phương pháp phổ hồng ngoại chuỗi Fourier (FT- IR) để đánh giá đến
sự thay đổi thành phần các nhóm chức trong nguyên liệu bã mía
+ Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định độ kết tinh của

cellulose trong bã mía trước và sau quá trình tiền xử lý
+ Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) để xác định hàm
lượng glucose thu được sau quá trình thủy phân
+ Phương pháp sắc ký khí (GC) để xác định hàm lượng ethanol thu được
sau quá trình lên men


5

- Phương pháp toán học: Các phương pháp xử lý số liệu thống kê, quy
hoạch thực nghiệm, sử dụng phần mềm Design Expert để xác định phương
trình hồi qui.
5. Bố cục đề tài
Sau phần mở đầu, luận văn gồm 3 chương:
Chương 1. Tổng quan về đề tài
Tổng quan về nhiên liệu sinh học, ethanol nhiên liệu, tình hình sản xuất
và sử dụng cũng như nguyên liệu và các công nghệ sản xuất bioethanol, kỹ
thuật siêu âm, cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng, quy hoạch thực nghiệm.
Chương 2. Những nghiên cứu thực nghiệm
Giới thiệu về nguyên liệu, hóa chất, thiết bị sử dụng trong nghiên cứu
này, trình bày các phương pháp nghiên cứu và trình tự nghiên cứu.
Chương 3. Kết quả và thảo luận
Trình bày kết quả phân tích thành phần bã mía trước khi tiền xử lý, kết
quả phân tích dịch thủy phân thu được trước khi tiền xử lý, thành phần bã sau
khi tiền xử lý, tối ưu các điều kiện tiền xử lý, phân tích các kết quả SEM, FTIR, XRD, kết quả quá trình thủy phân và lên men riêng biệt.
Cuối cùng là phần kết luận và kiến nghị của đề tài.


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1.

TỔNG QUAN VỀ BIOETHANOL
1.1.1. Nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học theo định nghĩa rộng là những nhiên liệu rắn, lỏng

hay khí được chuyển hóa từ sinh khối. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này chỉ đề
cập chính đến nhiên liệu sinh học dạng lỏng.
Nhìn chung, nhiên liệu sinh học có nhiều ưu điểm: giảm khí thải nhà
kính, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, tăng sự an toàn về năng lượng
quốc gia, góp phần phát triển nông thôn và là một nguồn năng lượng bền
vững trong tương lai. Ngược lại, loại nhiên liệu này cũng có một số hạn chế:
nguồn nguyên liệu phải được tái tạo nhanh, công nghệ sản xuất phải được
thiết kế và tiến hành sao cho cung cấp lượng nhiên liệu lớn nhất với giá thấp
nhất và mang lại lợi ích về môi trường nhất.
Nhiên liệu sinh học và những dạng nhiên liệu tái tạo khác nhằm hướng
đến một chu trình tuần hoàn khí CO2. Điều đó có nghĩa là CO2 được thải ra
trong quá trình đốt cháy nhiên liệu để cung cấp năng lượng vận chuyển hay
sinh điện năng được tái hấp thụ và cân bằng với lượng CO 2 hấp thụ bởi cây
cối. Những cây này sau đó lại được thu hoạch để tiếp tục sản xuất nhiên liệu.
Nhiên liệu sinh học có thể được phân loại thành các nhóm chính như sau [33]:
- Diesel sinh học (Biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương
tự và có thể sử dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống. Biodiesel được
điều chế bằng cách ester hóa một số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ
động vật…) thông qua phản ứng của nó với các loại rượu, phổ biến nhất là
methanol.


7

- Xăng sinh học (Biogasoline) là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử
dụng ethanol như là một loại phụ gia pha trộn vào xăng thay phụ gia chì.
Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như
tinh bột, rỉ đường, lignocellulose. Ethanol được pha chế theo tỷ lệ thích hợp
với xăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thế hoàn toàn cho loại xăng sử
dụng phụ gia chì truyền thống.
- Khí sinh học (Biogas) là một loại khí hữu cơ gồm methane và các đồng
đẳng khác. Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sản phẩm hữu cơ
phế thải nông nghiệp, chủ yếu là cellulose, tạo thành sản phẩm ở dạng khí.
Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí gas từ sản phẩm
dầu mỏ.
1.1.2. Ethanol nhiên liệu
a. Lịch sử hình thành
Nguyên mẫu đầu tiên của động cơ đốt trong được đưa ra bởi Samuel
Morey, USA, 1826. Điều này được xem là sự bắt đầu của động cơ xăng
nhưng thực tế ông sử dụng ethanol để cấp nguồn năng lượng cho động cơ.
Năm 1908, Henry Ford xây dựng mô hình nổi tiếng về xe ô tô chạy bằng
ethanol. Cuối cùng, công nghiệp dầu mỏ “chiến thắng” trong sự cạnh tranh
với ethanol. Sự thúc đẩy “thương mại hóa” ethanol trong giao thông vận tải
phát triển trong suốt thập niên 1970. Cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm
1973 và cuộc cách mạng của người Iran vào năm 1978 làm cho giá của dầu
gia tăng một cách nhanh chóng, ảnh hưởng lớn đến vấn đề an ninh năng
lượng quốc gia. Ethanol nhiên liệu trở nên có giá trị. Tại thời điểm này, cơ
quan bảo vệ môi trường (EPA) đã tìm kiếm một chất thay thế cho chì trong
xăng để gia tăng chỉ số octane. Ethanol sớm thiết lập một chỗ đứng vững
mạnh trong việc gia tăng chỉ số octane. Một động cơ khác thúc đẩy công nghệ
sản xuất ethanol ở Mỹ trong suốt những năm 80, đó là khi giá bắp hạ thấp.

8

Các nhà lập pháp Mỹ xem việc sản xuất ethanol từ bắp là một phương tiện để
ổn định thu nhập của nông nghiệp [6].
b. Lợi ích và hạn chế khi sử dụng ethanol nhiên liệu
- Lợi ích
Phát triển ethanol nhiên liệu giúp các quốc gia chủ động, không bị lệ
thuộc vào vấn đề nhập khẩu nhiên liệu, đặc biệt đối với những quốc gia không
có nguồn dầu mỏ và than đá. Đồng thời, kiềm chế sự gia tăng giá xăng dầu,
ổn định tình hình năng lượng cho Thế giới. Do được sản xuất từ nguồn
nguyên liệu tái tạo, ethanol thật sự là một lựa chọn ưu tiên cho các quốc gia
trong vấn đề an ninh năng lượng.
Việc sản xuất ethanol tương đối đơn giản hơn so với các dạng nhiên liệu
mới khác như: hydro, pin nhiên liệu, … Nhìn chung, công nghệ sản xuất
ethanol không phức tạp, có thể sản xuất ở quy mô nhỏ đến quy mô lớn. Ngoài
ra, ethanol có trị số octane cao và có thể dùng để nâng trị số octane của xăng.
Trong thực tế, ở mức hàm lượng thấp (<5%) trong hỗn hợp với xăng, ethanol
có vai trò như là phụ gia cải thiện chất lượng nhiên liệu.
Ở phạm vi toàn cầu, khí thải ô tô chiếm gần 20% tổng khí thải gây hiệu
ứng nhà kính phát tán ra từ các quá trình liên quan tới năng lượng. Ethanol
bảo đảm giảm đáng kể phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính. Kết quả các công
trình nghiên cứu cho thấy, ethanol sản xuất từ ngũ cốc giảm được 40% phát
thải khí nhà kính so với xăng, giảm tới 100% đối với ethanol sản xuất từ
nguyên liệu cellulose và từ mía. Hàm lượng các khí thải độc hại khác như
CO, NOx, SOx, hydrocarbon đều giảm đi đáng kể khi sử dụng ethanol nhiên
liệu.
Thông qua nguyên liệu đầu vào của các nhà máy là sản phẩm nông
nghiệp, do đó có thể kích thích sản xuất nông nghiệp và mở rộng thị trường
cho sản phẩm nông nghiệp trong nước. Việc sản xuất ethanol từ một số cây

9

trồng như: mía, ngô, sắn, … mở ra thị trường mới cho nông dân, tăng thu
nhập hoặc tăng năng lực sản xuất của đất canh tác hiện có, tận dụng các vùng
đất hoang hóa và tạo thêm công ăn việc làm cho người dân. Bên cạnh đó, việc
tận dụng các nguồn phụ, phế phẩm nông nghiệp như rơm rạ, vỏ trấu, bã
mía… để sản xuất ethanol cũng sẽ nâng cao giá trị của sản phẩm nông nghiệp.
- Hạn chế
Việc phát triển sản xuất ethanol sẽ gây nên sự cạnh tranh giữa an ninh
năng lượng và an ninh lương thực. Hiện nay nguồn nguyên liệu chính để sản
xuất ethanol là nông sản, nó là nguồn lương thực- thực phẩm cho con người
và là nguồn thức ăn cho các loại gia súc trong chăn nuôi. Do vậy việc sử dụng
nông sản làm thực phẩm như sắn, ngô, … để sản xuất ethanol gây ra sự tranh
cãi gay gắt giữa các nhà nghiên cứu về vấn đề an ninh lương thực
Ngoài ra việc phát triển trồng cây năng lượng sẽ tạo sự cạnh tranh đất
canh tác giữa đất trồng cây lương thực và đất trồng cây năng lượng. Hơn nữa
do sự canh tranh về giá, việc trồng cây năng lượng có thể mang lại nhiều lợi
nhuận cho người nông dân hơn việc trồng cây lương thực, dẫn đến sự chuyển
đổi cây trồng và tình trạng độc canh. Việc trồng duy nhất một loại cây trong
thời gian dài trên cùng diện tích đất sẽ làm cho đất bị cằn cỗi, không thể tiếp
tục canh tác được.
Bên cạnh đó, hạn chế cơ bản của ethanol nhiên liệu là tính hút nước của
nó. Ethanol có khả năng hút ẩm và hoà tan vô hạn trong nước. Nên ethanol
phải được tồn trữ và bảo quản trong hệ thống bồn chứa đặt biệt.
Vì nhiệt trị của ethanol nói riêng (26,8 MJ/kg) và các loại alcohol khác
nói chung đều thấp hơn so với xăng (42,5 MJ/kg) nên khi dùng ethanol để pha
trộn vào xăng sẽ làm giảm công suất động cơ so với khi dùng xăng. Tuy nhiên
sự giảm công suất này là không đáng kể nếu ta pha với số lượng ít [1].

10

Tóm lại, việc sử dụng ethanol nhiên liệu có nhiều ưu điểm nhưng cũng
có những mặt hạn chế. Tuy nhiên khi phân tích tương quan giữa các mặt lợi
và hại người ta vẫn thấy mặt lợi lớn hơn, mang ý nghĩa chiến lược hơn.
1.1.3. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol
a.Trên Thế giới
- Tình hình sản xuất [34]
Khoảng 47% ethanol nhiên liệu trên thế giới được sản xuất từ mía đường,
53% là từ cây có chứa tinh bột (bắp, sắn lát và lúa mì). Sản lượng ethanol sản
xuất năm 2006 khoảng 50 tỷ lít. Nhu cầu ethanol nhiên liệu trên toàn thế giới
vào năm 2015 sẽ cao gấp hơn 2 lần sản lượng năm 2006 (100 tỷ lít).
Các quốc gia sản xuất ethanol lớn như Brazil, Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ và
Pháp chiếm 84% sản lượng ethanol nhiên liệu của toàn thế giới trong năm
2005.
Brazil
Là nước đi đầu trên thế giới trong việc sản xuất ethanol nhiên liệu từ mật rỉ
trong năm 2004 và đến cuối năm 2007, Braxin đã sản xuất được 20,5 tỷ lít,
chiếm 34% sản lượng ethanol toàn thế giới. Nhóm các nước nhập khẩu
ethanol nhiên liệu từ Braxin là Mỹ, Ấn Độ, Hàn Quốc, Nhật Bản, Thụy Điển
và Hà Lan.
Mỹ
Năm 2006, Mỹ đã vượt qua Brazil trở thành quốc gia lớn nhất thế giới về
sản xuất ethanol nhiên liệu, chiếm 37% sản lượng toàn thế giới. Theo chương
trình phát triển năng lượng quốc gia, Mỹ sản xuất 25,7 tỷ lít bioethanol vào
năm 2010. Nguồn nhiên liệu chính để sản xuất bioethanol nhiên liệu tại Mỹ là
ngô.
EU

11

Năm 2006, sản lượng bioethanol của EU là 341 250 000 lít, trong đó
Pháp là quốc gia sản xuất ethanol nhiên liệu lớn nhất châu Âu (114 triệu lít,
chiếm 33%), Tây Ban Nha 47,8 triệu lít (chiếm 14%) và Đức 44,4 triệu lít
(chiếm 13%).
Trung Quốc
Là nước sản xuất ethanol lớn nhất khu vực Châu Á. Năm 2005, tổng sản
lượng ethanol của quốc gia này xấp xỉ 3,8 tỷ lít (trong đó 1,3 tỷ lít là ethanol
nhiên liệu), chiếm gần 8% sản lượng toàn thế giới.
Các quốc gia khác đã có những thành tựu đáng kể trong việc sản xuất
ethanol đó là Ấn Độ, Thái Lan và một số quốc gia khác.
Ấn Độ
Đây là quốc gia đứng thứ 2 ở châu Á về sản xuất ethanol sau Trung
Quốc. Năm 2005 sản lượng ethanol của Ấn Độ là 1,7 tỷ lít, trong đó 200 triệu
lít là ethanol nhiên liệu.
Thái Lan
Là quốc gia Đông Nam Á đi tiên phong trong việc sản xuất ethanol
nhiên liệu. Năm 2007, Thái Lan có 9 nhà máy sản xuất ethanol nhiên liệu với
tổng công suất gần 400 triệu lít/năm, trong khi đó chỉ có duy nhất nhà máy
Thai Nguan sản xuất ethanol từ sắn lát.
- Tình hình tiêu thụ [35]
Năm 2006, sản lượng ethanol được sử dụng trên thế giới là 50 tỷ lít,
trong đó ethanol nhiên liệu là 38,5 tỷ lít (chiếm 77%), ethanol công nghiệp là
4 tỷ lít (chiếm 8%) và ethanol cho đồ uống là 7,5 tỷ lít (chiếm 15%).
Nhu cầu sử dụng ethanol để tăng chỉ số octan ngày càng lớn ở nhiều
quốc gia, đặc biệt là Mỹ (sau khi MTBE bị cấm sử dụng vì lý do ô nhiễm môi
trường nước). Hiện nay, các loại phương tiện giao thông với động cơ được cải

12

tiến để có thể sử dụng được cả ethanol tinh khiết đang được nghiên cứu và
phát triển.
Tại thời điểm này có khoảng 40 quốc gia sử dụng các loại xăng sinh học
làm nhiên liệu cho động cơ. Từ năm 2007, xăng E85 đã được chính thức sử
dụng tại Áo, Pháp và Đức từ năm 2008. Mỹ có khoảng 250 triệu phương tiện
sử dụng xăng và trong số chừng 170 ngàn trạm bán xăng thì có hơn 2000 trạm
bán xăng E85. Mỹ cũng là nước tiêu thụ ethanol lớn nhất với khoảng 60%
tổng sản lượng của thế giới.
Tại Nam Mỹ, 4 quốc gia sản xuất ethanol nhiên liệu là Brazil, Colombia,
Paraguay và Argentina, trong đó chỉ có Brazil là xuất khẩu, 3 nước còn lại
đều chỉ sản xuất để tiêu thụ trong nước.
Tại Châu Âu, những nước có sản lượng ethanol lớn nhất là Pháp, Đức và
Tây Ban Nha. Tổng mức tiêu thụ nhiên liệu ethanol trong EU ước đạt 3500
ngàn tấn và nhịp độ tăng trưởng hàng năm là 23%. Ngoài số tự sản xuất được,
nguồn nhập khẩu chính ethanol là từ Brazil.
b. Ở Việt Nam [36]
Ngày 20/11/2007, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt “Đề án phát triển
nhiên liệu sinh học 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
nhiên liệu sinh học của Việt Nam, khung pháp lý, các chính sách khuyến
khích, xây dựng mô hình thử nghiệm sản xuất và phân phối nhiên liệu sinh
học cũng như các dự án đầu tư của Chính phủ để phát triển đến năm 2025.
Việt Nam sẽ đẩy mạnh phát triển bioethanol và mục tiêu dự kiến đến
năm 2025 sẽ sản xuất và đưa vào sử dụng xăng E5 (95% xăng khoáng và 5%
ethanol). Việc đẩy mạnh phát triển bioethanol là giải pháp thay thế một phần
nhiên liệu hóa thạch truyền thống hiện nay, góp phần đảm bảo an ninh năng
lượng và bảo vệ môi trường.

13

Một số dự án liên quan đến ethanol đã và đang triển khai trong nước:
+ Nghiên cứu và sản xuất nhiên liệu sạch đã được Petrolimex, Petro
VietNam... triển khai và đã có những kết quả.
+ Đại học Bách Khoa TP.HCM đã pha chế, thử nghiệm để chứng minh
ethanol có thể thay thế xăng dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong.
+ Viện Nghiên cứu Rượu- Bia- NGK cũng đã nghiên cứu và đưa ra các
kết quả về sử dụng ethnol làm nhiên liệu thay thế cho một số loại động cơ.
+ Viện Công nghệ thực phẩm đã và đang nghiên cứu sản xuất ethanol từ
phế thải nông nghiệp, ... Nhiều đơn vị trong đó có Sài Gòn Petro, Công ty
Mía đường Lam Sơn, ... đã lên kế hoạch pha chế thử nghiệm và tiến tới sản
xuất ở quy mô phù hợp và đưa vào sử dụng.
+ Công ty Cổ phần Cồn sinh học Việt Nam đã đầu tư xây dựng nhà máy
sản xuất cồn công nghiệp với công suất 66000 m 3/năm tại Đắc Lắc. Để đảm
bảo nguyên liệu, công ty đã lên kế hoạch trồng 4000 ha cây tinh bột Tiboca.
+ Bên cạnh đó là các dự án hợp tác đầu tư liên doanh liên kết giữa Công
ty đường Biên Hoà với Công ty của Singapore ký kết hợp tác tháng 8/2007
đầu tư nhà máy sản xuất cồn sinh học công suất 50000 tấn/năm; dự án hợp tác
Công ty Petrosetco Việt Nam và Itochu Nhật Bản đầu tư khoảng 100 triệu
USD để xây nhà máy ethanol công suất 100 triệu lít/năm từ nguyên liệu sắn
lát tại Khu công nghiệp Phước Hiệp- TP.HCM. Dự kiến, khoảng 99,8% sản
phẩm ethanol sẽ được cung ứng cho thị trường phục vụ sản xuất xăng sinh
học.
+ Mới đây, nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng sản phẩm phế thải nông,
lâm nghiệp như rơm rạ thành ethanol sinh học đã được triển khai ở Viện Công
nghệ Sinh học- Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam, Đại học Bách khoa
Hà Nội… Tuy nhiên kết quả đạt được còn khiêm tốn, chưa thể áp dụng triển

khai sản xuất lớn và thương mại hóa.


14

1.2.

QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT BIOETHANOL
1.2.1. Sản xuất ethanol từ tinh bột
a. Nguyên liệu
Tinh bột là glucide dự trữ phổ biến nhất trong thực vật. Nó là chất keo

háo nước điển hình, cấu tạo từ amyloza mạch thẳng và amylopectin. Ngoài ra
trong tinh bột còn chứa một lượng nhỏ các chất khác như muối khoáng, chất
béo, protit… Hàm lượng chung của chúng khoảng 0,2 đến 0,7%. Dưới tác
dụng của của acide hoặc amylaza tinh bột sẽ bị thủy phân. Khi đun với acide,
tinh bột sẽ biến thành glucose, còn dưới tác dụng của amylaza thóc mầm thì
dịch thủy phân gồm 70 đến 80% mantoza và 30 đến 20% dextrin. Nếu dùng
amylaza của một số nấm mốc hay nấm men thì dịch thủy phân chứa tới 80
đến 90% là glucose.
b. Quá trình sản xuất
Nguyên liệu được đưa đi xử lý bởi các công đoạn như làm sạch sơ bộ để
tách các tạp chất, nghiền mịn thành bột, hòa trộn với nước tạo thành dung
dịch. Tiếp theo là quá trình nấu có thể sử dụng hơi trực tiếp hoặc gián tiếp.
Dịch sau khi nấu được đưa qua công đoạn đường hóa với sự có mặt của
enzyme nhằm mục đích chuyển hóa tinh bột thành đường lên men. Sau khi
đường hóa, dịch này được đưa vào thùng lên men chuyển hóa thành rượu.
Dịch ra khỏi thùng lên men gọi là giấm chín. Giấm chín sẽ được chuyển
đến khu vực chưng cất bao gồm tháp chưng cất thô và tháp chưng cất tinh. Ở
tháp chưng cất thô, ethanol được tách ra khỏi giấm chín, nâng nồng độ lên

khoảng 40- 70%v/v. Ethanol sau khi ra khỏi tháp chưng cất thô sẽ được đưa
qua tháp chưng cất tinh để tách tạp chất và nâng nồng độ cồn lên khoảng
95%v/v.
Để sản xuất ethanol nhiên liệu, sau khi chưng cất, ethanol được đưa qua
tháp tách nước để nâng nồng độ ethanol lên khoảng 99,9%.