Phân Lập Và Tuyển Chọn Nấm Men Chịu Nhiệt Để Sản Xuất Cồn Sinh Học Từ Phế Phụ Phẩm Nông Nghiệp

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA MÔI TRƯỜNG
---------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:

PHÂN LẬP VÀ TUYỂN CHỌN NẤM MEN CHỊU
NHIỆT ĐỂ SẢN XUẤT CỒN SINH HỌC TỪ PHẾ
PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP

Người thực hiện

: NGUYỄN THỊ PHƯƠNG

Lớp

: K57MTE

Khóa

: 57

Chuyên ngành

: Môi trường

Giáo viên hướng dẫn : T.S. NGUYỄN THỊ MINH

HÀ NỘI - 2016

MỤC LỤC

MỤC LỤC............................................................................................................................................i
DANH MỤC BẢNG.............................................................................................................................iv
DANH MỤC HÌNH...............................................................................................................................v
MỞ ĐẦU............................................................................................................................................1
Chương 1.TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU...........................................................................3
1.1. Tổng quan về phế phụ phầm nông nghiệp..............................................................................3
1.1.1. Định nghĩa phế phụ phẩm nông nghiệp...........................................................................3
1.1.2. Nguồn gốc phát sinh của phế phụ phẩm nông nghiệp.....................................................3
1.1.3. Thành phần, tính chất của phế phụ phẩm nông nghiệp...................................................4
1.1.4. Tác động của phế phụ phẩm nông nghiệp đến môi trường.............................................8
1.1.5. Các biệp pháp xử lí phế phụ phẩm...................................................................................9
2.2. Tổng quan cồn sinh học........................................................................................................11
2.2.1. Khái niệm.......................................................................................................................11
2.2.2. Tình hình sản xuất cồn sinh học trên thế giới và tại Việt Nam.......................................12
.................................................................................................................................................13
.................................................................................................................................................16
2.2.3. Cơ sở khoa học của việc sản xuất cồn sinh học từ phế phụ phẩm nông nghiệp............17
2.2.4. Tình hình nghiên cứu sản xuất cồn sinh học từ phế phụ phẩm nông nghiệp trên thế giới
và ở Việt Nam..........................................................................................................................19
2.3. Giới thiệu chung về nấm men...............................................................................................22
2.3.1. Khái niệm nấm men.......................................................................................................22
2.3.2. Phân loại nấm men........................................................................................................23
2.3.3. Hình thức sinh sản của nấm men...................................................................................23
2.3.4. Cơ chế hóa sinh học của quá trình lên men tạo cồn......................................................24

i

2.3.5. Vai trò và ứng dụng của nấm men trong sản xuất cồn sinh học.....................................27
Chương 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................................29
2.1. Đối tượng nghiên cứu...........................................................................................................29
2.2. Phạm vi nghiên cứu..............................................................................................................29
2.3. Nội dung...............................................................................................................................29
2.4. Phương pháp nghiên cứu.....................................................................................................29
2.4.1. Vật liệu nghiên cứu........................................................................................................29
2.4.2. Phương pháp lấy mẫu....................................................................................................30
2.4.3. Phân lập các chủng nấm men từ các mẫu nghiên cứu theo phương pháp pha loãng
Koch trên các môi trường chuyên tính bán rắn (Môi trường YPD, Hansen, Sabouroud…).......31
2.4.4. Phân tích thành phần chủ yếu của phế phụ phẩm sau sản xuất tinh bột sắn theo các
phương pháp thông dụng hiện hành:......................................................................................31
2.4.5. Xác định hàm lượng đường do nấm men tiêu thụ.........................................................31
2.4.6. Phương pháp định lượng vi khuẩn bằng phương pháp đếm số khuẩn lạc trên thạch đĩa
.................................................................................................................................................32
2.4.7. Tuyển chọn các chủng giống vi sinh vật bằng phương pháp đánh giá trực tiếp đặc tính
sinh học và khả năng phân giải chuyển hóa, lên men chất hữu cơ trong phế thải...................32
2.4.8. Phương pháp phân loại giống vi sinh vật.......................................................................34
2.4.9. Thí nghiệm xử lý thử bã sắn sau chế biến tinh bột và đánh gía hiệu quả lên men cồn của
các chủng nấm men lựa chọn..................................................................................................34
2.4.10. Phân tích hiệu quả chuyển hóa phế thải của VSV........................................................35
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................................................................37
3.1. Kết quả phân lập các chủng giống vi sinh vật........................................................................37
3.2. Kết quả tuyển chọn nấm men chịu nhiệt..............................................................................39
3.2.1. Đánh giá khả năng lên cồn.............................................................................................39
3.2.2. Đánh giá khả năng phân giải enzyme của các chủng giống nấm men............................40
3.2.3. Đánh giá khả năng chịu nhiệt của các chủng giống nấm men........................................43
3.2.4. Đánh giá khả năng sinh trưởng trên các nguồn dinh dưỡng cacbon của các chủng g nấm
men.........................................................................................................................................44

ii


3.2.5. Đánh giá khả năng sinh trưởng trên các nguồn dinh dưỡng Nito của các chủng giống
nấm men.................................................................................................................................45
3.2.6. Đánh giá khả năng thích ứng pH của các chủng nấm men.............................................47
3.2.7. Đánh giá khả năng kháng kháng sinh của các giống nấm men.......................................48
3.2.8. Đánh giá tính đối kháng của các chủng nấm men đã chọn............................................49
3.2.9. Các chủng nấm men được tuyển chọn..........................................................................50
3.3. Phân tích thành phần chủ yếu của phế phụ phẩm sau sản xuất tinh bột sắn.......................52
3.4. Đánh giá hiệu quả chuyển hóa phế thải của VSV..................................................................53
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................................................................................57
1. Kết luận....................................................................................................................................57
2. Kiến nghị..................................................................................................................................57
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................................59

iii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Ước tính khối lượng các nguồn phụ phẩm nông nghiệp chính ở Việt Nam........4
Bảng 1.2. Lượng phế phụ phẩm phát sinh để thu được 1 tấn nông sản sau thu hoạch.....6
Bảng 1.3. Thành phần hóa học của một số thực vật..........................................................6
Bảng 1.1.Dự tính sản lượng ethanol toàn cầu từ năm 2008 đến năm 2012....................14
Bảng 2.1.Thành phần môi trường....................................................................................30
Bảng 2.2: Môi trường xác định hoạt tính enzyme............................................................32
Bảng 2.3: Phương pháp đánh giá chất lượng của bã thải................................................36
Bảng 3.1: Kết quả phân lập các chủng nấm men..............................................................38
Bảng 3.2: Hàm lượng đường do nấm men sử dụng.........................................................39

Bảng 3.3 : Đánh giá hoạt tính phân giải enzyme của các chủng nấm men.......................41
Bảng 3.4: Khả năng chịu nhiệt của các chủng nấm men..................................................43
Bảng 3.5: Đánh giá sinh trưởng trên các nguồn dinh dưỡng Cacbon (C).........................45
Bảng 3.6: Đánh giá khả năng sinh trưởng trên các nguồn dinh dưỡng Nito (N)...............46
Bảng 3.7: Đánh giá khả năng thích ứng pH của các chủng nấm men (CFU/ml×106)........47
Bảng 3.8: Đánh giá khả năng kháng kháng sinh của các chủng vi sinh vật.......................49
Bảng 3.9: Các chủng nấm men được tuyển chọn.............................................................51
Bảng 3.10: Tính chất của bã sắn sau chế biến tinh bột....................................................53
Bảng 3.11 : Hiệu quả sản xuất cồn sinh học từ lên men phế thải (bã sắn) bằng tổ hợp VSV
.........................................................................................................................................54

iv


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sản lượng ethanol của một số quốc gia....................................................13
Hình 1.2 Trao đổi thương mại ethanol giữa các quốc gia trên thế giới....................16
Hình 2.1: Tế bào nấm men dưới kính hiển vi điện tử...............................................23
Hình 2.1 : Quy trình lên men sơ bộ (Nguyễn Thị Minh và cs, 2012).........................35
Hình 3.1 :Vòng phân giải xenlulo của một số chủng nấm men.................................42
Hình 3.2 : Vòng phân giải protein của một số chủng nấm men................................42
Hình 3.3: Vòng phân giải tinh bột của một số chủng nấm men................................43
Hình 3.4: Khuẩn lạc của chủng Đ2 và M2 ở nhiệt độ 400C.......................................44
Hình 3.5: Khả năng sinh trưởng trên các nguồn dinh dưỡng nito, cacbon của một số
chủng nấm men.......................................................................................................47
Hình 3.6: Khả năng thích ứng pH của một số giống nấm men.................................48
Hình 3.7: Tính đối kháng giữa các giống nấm men tuyển chọn................................50
HÌnh 3.8: Khuẩn lạc và tế bào giống V1....................................................................52
Hình 3.9: Khuẩn lạc và tế bào giống V2....................................................................52
Hình 3.10: Khuẩn lạc và tế bào giống M1.................................................................52

Hình 3.11: Bã sắn trước khi lên men........................................................................55
Hình 3.12: Bã sắn sau 7 ngày lên men......................................................................55
Hình 3.13: Bã sắn của CT1 và CT2 sau 7 ngày...........................................................56
PHỤ LỤC...................................................................................................................63
Hình 1: Khuẩn lạc của một số chủng nấm men........................................................63
Hình 2: Nhân giống các chủng nấm men..................................................................63
Hình 3: Xác định lượng đường do nấm men tiêu thụ bằng đường kế......................64
Hình 4: Ống giống của một số chủng nấm men.......................................................64

v


vi


MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài
Là một quốc gia đang trong quá trình công nghiệp hoá và hiện đại hoá,
nhu cầu về năng lượng sử dụng cho các ngành công nghiệp và cho sinh hoạt ở
Việt Nam ngày càng tăng; trong khi các nguồn năng lượng truyền thống (thủy
điện, than đá, dầu mỏ .) đang ngày càng khan hiếm. Sự phụ thuộc quá nhiều
vào năng lượng hoá thạch gây ra những vấn đề về an toàn nguồn năng lượng,
hiệu ứng nhà kính do khí thải và sự bất ổn về đời sống. Những tiến bộ về
khoa học và công nghệ của nhân loại đang đặt ra cho các nước trên thế giới
phải quan tâm đến việc sản xuất và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo
(NLTT) và quan tâm đến bảo vệ môi trường.
Theo tính toán của Viện Năng lượng Việt Nam, tổng nguồn sinh khối
vào khoảng 118 triệu tấn/năm bao gồm khoảng 40 triệu tấn rơm rạ, 8 triệu tấn
trấu, 6 triệu tấn bã mía và trên 50 triệu tấn vỏ cà phê, vỏ đậu, phế thải gỗ...

Theo Viện Năng lượng - Bộ Công Thương, tiềm năng năng lượng sinh khối
từ phụ phẩm nông nghiệp của nước ta gồm rơm, rạ, trấu, bã mía và các loại
nông sản khác lên đến gần 53,5 triệu tấn, tương đương với 12,8 triệu tấn dầu
thô. Ðặc biệt nguồn năng lượng này sẽ liên tục được tái sinh và tăng trưởng
đều đặn trong vòng 30 năm.Nếu không được quản lý tốt nguồn phụ phẩm này
chúng sẽ biến thành lượng rác thải rất lớn và gây ô nhiễm môi trường.Việc áp
dụng đưa nguồn năng lượng sinh khối vào sử dụng không chỉ thay thế nguồn
năng lượng hoá thạch mà còn góp phần xử lý chất thải rắn trong môi trường
hiện nay.
Cồn sinh học là một trong những nguồn nguyên liệu rất hữu ích và thân
thiện với môi trường đã và đang được quan tâm nghiên cứu sản xuất. Hơn thế

1


nữa, cồn sinh học còn trở thành nguồn nguyên liệu cho ngành công nghiệp
khác như dùng để sản xuất xăng sinh học,... góp phần giảm thiểu hiệu ứng
nhà kính, một trong những nguyên nhân chính gây nên sự biến đổi khí hậu,
đang là vấn đề cần giải quyết cấp bách mang tính toàn cầu
Mặc dù sản xuất cồn sinh học từ phế thải nông nghiệp có mặt hạn chế
bởi lợi nhuận kinh tế chưa cao so với sử dụng nguồn nguyên liệu ban đầu từ
ngũ cốc nhưng tiềm năng sản xuất cồn sinh học từ phế thải nông nghiệp lại rất
lớn và là một hướng đi đầy gợi mở đang thu hút sự nghiên cứu của các nhà
khoa học trên thế giới. Việc ứng dụng công nghệ sinh học trong xử lý và tận
dụng phế thải nông nghiệp để sản xuất cồn sinh học mang lại nhiều lợi ích có
ý nghĩa như giúp cho việc tái sử dụng các nguồn phế thải một cách hiệu quả
nhất. (Nguyễn Thị Minh và cộng sự, 2012).Do vậy, việc nghiên cứu sử dụng
phụ phẩm nông nghiệp để phân lập, tuyển chọn nấm men sản xuất cồn sinh
học đang là một trong những giải pháp đầy hứa hẹn cho việc tạo ra nguyên
liệu thay thế cho nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt đồng thời

giảm thiểu các tác động xấu đến môi trường và là một hướng nghiên cứu đúng
đắn thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nước. Với
ý nghĩa thiết thực đó, chúng tôi thực hiện đề tài : “ Phân lập và tuyển chọn
nấm men chịu nhiệt để sản xuất cồn sinh học từ phế phụ phẩm nông
nghiệp”, nhằm tuyển chọn được giống nấm men có khả năng chịu nhiệt và
lên men cồn cao phục vụ cho sản xuất cồn sinh học từ phế phụ phẩm nông
nghiệp.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Phân lập và tuyển chọn được một số giống nấm men có khả năng chịu
nhiệt và lên men cồn cao ứng dụng để sản xuất cồn sinh học từ phế phụ phẩm
nông nghiệp.

2


Chương 1.TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về phế phụ phầm nông nghiệp
1.1.1. Định nghĩa phế phụ phẩm nông nghiệp
Phế phụ phẩm nông nghiệp là chất thải phát sinh trong quá trình hoạt
động nông nghiệp. Phế phụ phẩm nông nghiệp bao gồm tàn dư thực vật được
để lại sau khi thu hoạch các sản phẩm trồng trọt và phế thải sau quá trình chế
biến nông sản bao gồm các hợp chất hydratcacbon, protein, phôt khó tan và
một số các hợp chất hữu cơ khác.
Sản phẩm sau quá trình phân hủy ngoài tác dụng cung cấp chất dinh
dưỡng cần thiết cho cây trồng còn có khả năng làm cho đất tơi xốp, cải thiện
các đặc tính của đất, nhất là khả năng giữ nước.
Lượng phế phụ phẩm nông nghiệp sau khi thu hoạch được người nông
dân sử dụng như một nguồn nguyên liệu chính để đun nấu, tuy nhiên hiện nay
hầu hết các hộ nông dân sử dụng các nguồn nguyên liệu khác nhau như than,
gas, điện…cho việc nấu nướng nên phần lớn lượng phế phụ phẩm nông

nghiệp sau khi thu hoạch được người dân đem đốt ngay trên đồng ruộng, việc
đốt lượng phế phụ phẩm nông nghiệp trên đồng ruộng đang dần hình thành
thói quen không tốt, không những gây ảnh hưởng xấu tới môi trường sinh thái
mà còn lãng phí nguồn nguyên liệu có nguồn gốc thực vật này.
1.1.2. Nguồn gốc phát sinh của phế phụ phẩm nông nghiệp
Việt Nam là một quốc gia có trên 70% dân số sống bằng nghề nông
nghiệp với diện tích đất cây trồng có hạt trên 8355,3 nghìn ha, trong đó
73322,3 nghìn ha là lúa, 1033 nghìn ha ngô còn lại là các loại cây khác.

3


Phế phẩm nông nghiệp chủ yếu được phát sinh trong quá trình chế biến
các loại cây công nghiệp, cây lương thực, sản xuất hoa quả, thực phẩm…
1.1.3. Thành phần, tính chất của phế phụ phẩm nông nghiệp
Ở nước ta nguồn phụ phẩm nông nghiệp được ước tính dựa trên khảo sát
khối lượng thực tế của từng loại phụ phẩm tính trên một đơn vị diện tích, sau
đó ước tính tổng khối lượng cho toàn quốc, dựa vào số liệu thống kê về diện
tích gieo trồng hàng năm.Khối lượng này được quy đổi ra chất khô để tiện
cho việc so sánh, đánh giá (bảng 1.1).
Bảng 1.1: Ước tính khối lượng các nguồn phụ phẩm nông nghiệp
chính ở Việt Nam
Tên phụ phẩm

Khối lượng phụ

Diện tích gieo

phẩm (triệu tấn chất

trồng(triệu ha/năm)

Rơm lúa

khô/năm)

7,5

25,0

Cây ngô (đã thu hoạch bắp)

0,65

2,0

Dây lạc

0,27

0,48

Dây khoai lang

0,26

0,24

Ngọn, lá sắn

0,23

0,29

Lá mía

0,28

0,42

-

28,4

Tổng cộng

(Nguồn: Bùi Văn Chính, Lê Viết Ly, 2006)
- Thành phần của phế phụ phẩm nông nghiệp phần lớn là xenlulozo,
hemixenluloxo, tinh bột, ligin;dầu,mỡ và protein.
Khả năng phân giải sinh học sẽ tăng dần từ ligin, hemixenlulozo,
xenlulozo, protein đến tinh bột và đường. Lượng phế phụ phẩm phát sinh để

4


thu được 1 tấn nông sản và thành phần hóa học của một số hợp chất chính
trong tự nhiên được tổng hợp trong bảng 1.2 và bảng 1.3

5

Bảng 1.2. Lượng phế phụ phẩm phát sinh để thu được 1 tấn nông sản
sau thu hoạch
Tên nông sản

Loại phế phụ phẩm

Khối lượng (kg)

Rơm, rạ
Lúa

Ngô

4000-6000

Cám

150

Trấu

200

Thân, lá cây

2100-2350

Vỏ, lõi bắp

500

(Nguồn : Nguyễn Đình Hương, 2006)
Bảng 1.3. Thành phần hóa học của một số thực vật
Thành phần hóa học (%so với khối lượng khô)
Nguyên liệu

Tinh
bột,

Protein

Mỡ

Hemixenlulozo Xenlulozo

lignin

5-30

5-40

5-15

15-60

5-30

Thân cỏ

50

8,7

2,7

31

-

Rễ

27

7,5

8,5

28

18

Cây thân gỗ lá kim

1,1

1,3

7,7

15

44

30

Cây thân gỗ lá to

0,8

2,5

1,8

24

47

20

Rau, quả

88

6

-

Táo

57

14

*

Cà chua

33

17

3

Bắp cải

84

8

*

đường
Cây trồng nông
nghiệp

6


Khoai tây

(Nguồn : Lê Văn Khoa và cộng sự, 1996.)

7


1.1.4. Tác động của phế phụ phẩm nông nghiệp đến môi trường
Nước ta là một nước có khí hậu nhiệt đới nóng ẩm và mưa nhiều, tạo
điều kiện thuận lợi cho các thành phần hữu cơ phân hủy, thúc đẩy nhanh quá
trình lên men, thối rữa chất thải hữu cơ gây mùi hôi, khó chịu cho con người.
Các chất khí: H2S, NH4, SO2 phát sinh trong quá trình phân hủy chất thải hữu
cơ nông nghiệp ngay trên đồng ruộng, trong chuồng trại hoặc tại những đống
ủ phân xanh là các tác nhân chủ yếu gây tác động đến môi trường.
Nếu như trước đây các phụ phẩm nông nghiệp được tận dụng chủ yếu để
làm nguyên nhiên liệu đốt cho nấu nướng, thì hiện nay cuộc sống ngày càng
được nâng cao, chỉ một phần phế phụ phẩm được sử dụng như: trồng nấm,
làm ván ép, một phần còn lại đốt trực tiếp ngoài đồng ruộng, khí đốt phát sinh
chỉ yếu là CH4, CO2 gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường không khí.
Mặt khác, sau vụ mùa rơm, rạ đốt nhiều gây ra khói bụi ảnh hưởng đến môi
trường xung quanh : khói phủ trên diện rộng tại Hà Nội đêm 16/10/2005,
khiến nhiều nơi ở Hà Nội trong tình trạng mù mịt. Đây không phải lần đầu
tiên hiện tượng khói mỏng bao trùm Hà Nội. Năm 2004, vào cuối tháng 6, Hà
Nội cũng có hiện tượng khói phủ mờ. Khi đó nhiều chuyên gia đã dự đoán
nguyên nhân do người dân ở các khu vực lân cần Hà Nội đốt rơm rạ sau thu
hoạch cộng với lượng khói bụi đọng lâu trong khí quyển gây nên (Theo Ciren.
Bộ tài nguyên và môi trường.Trung tâm thông tin).
Việc xử lý không hợp lý như đốt đồng còn làm cấu trúc đất thay
đổi.Tình trạng đốt rơm rạ diễn ra phổ biến sau mùa gặt gây ra những ảnh
hưởng không nhỏ tới môi trường và sức khỏe của người dân.Theo các chuyên
gia, khói bụi khi đốt rơm rạ làm ô nhiễm môi trường không khí, gây tác hại
lớn đối với sức khỏe con người.Trẻ em, người già và người có bệnh hô hấp,

bệnh mãn tính dễ bị ảnh hưởng nhất. Ngoài ra, nếu không kịp thời xử lý phụ
phẩm nông nghiệp có nguy cơ làm cây trồng bị ngộ độc hữu cơ gây thiệt hại

8


kinh tế. Trong quá trình phân hủy phụ phẩm nông nghiệp tạo ra khí H 2S gây
ngộ độc cây trồng, đây cũng là một trong những nguyên nhân của bênh vàng
lá và nghẽn rễ sinh lý trên cây lúa.
1.1.5. Các biệp pháp xử lí phế phụ phẩm
Những ứng dụng để xử lý nguồn phụ phẩm nông nghiệp hiện nay:
- Sử dụng làm thức ăn cho gia súc : Ở nước ta bãi cỏ tự nhiên và đất
trồng cỏ ngày càng bị thu hẹp bởi sự gia tăng dân số, đô thị hoá và mở rộng
các hoạt động kinh tế khác. Đất nông nghiệp còn lại được giành ưu tiên chủ
yếu để trồng cây lương thực và rau màu cho nhu cầu tiêu thụ trực tiếp của con
người. Do vậy gia súc nhai lại vốn và ngày càng phải phụ thuộc nhiều hơn
vào các phụ phẩm trồng trọt. Điều này ngày càng trở nên rõ ràng hơn khi mà
trong những năm gần đây giá xăng dầu thế giới tăng lên nhanh chóng làm cho
giá thành sản xuất thức ăn tinh tăng theo. Trầm trọng hơn, do giá các loại
nhiên liệu hoá thạch ngày càng tăng cao hiện nay các nước đang đua nhau sản
xuất nhiên liệu (cồn) sinh học từ bột đường để thay thế nên càng đẩy giá thức
ăn tinh tăng cao. Việt Nam có một khối lượng lớn phụ phẩm có thể làm thức
ăn cho gia súc nhai lại. Số lượng gia súc nhai lại ở Việt Nam còn rất ít so với
nguồn thức ăn sẵn có này và nếu được sử dụng tốt thì có thể tăng gấp đôi số
lượng đầu con mà không phải sử dụng đến các nguồn thức ăn của các loài dạ
dày đơn (Orskov, 2001). Điều này có thể thực hiện được vì nhờ những kiến
thức tích luỹ được trong vài thập kỷ qua trong lĩnh vực sinh lý dinh dưỡng gia
súc nhai lại, cùng với việc hoàn thiện các kỹ thuật dinh dưỡng mới. Bây giờ
các loại thức ăn thô vốn được coi là có chất lượng thấp như rơm rạ vẫn có thể
khai thác được ở mức tối đa để làm thức ăn cho trâu bò và các gia súc nhai lại

khác. (PGS.TS Nguyễn Xuân Trạch,2004)

9


- Làm phân compost: Theo trung tâm Thông Tin Công nghiệp và
Thương Mại – Bộ Công Thương. Trong năm 2010 tổng lượng cung phân bón
cho ngành nông nghiệp Việt Nam khoảng 6,108 triệu tấn. Trong đó lượng
phân bón sản xuất trong nước đạt 2,59 triệu tấn. Lượng phân bón nhập khẩu
của Việt Nam năm 2010 đạt 3,518 triệu tấn. Như vậy nhu cầu tiêu thụ phân
bón trong nước là rất lớn. Hơn nữa phân bón sản xuất cũng như nhập khẩu
chủ yếu là phân bón hóa học nên về lâu dài sẽ ảnh hưởng đến độ phì nhiêu
của đất và làm xói mòn đất. Do vậy, việc nghiên cứu công nghệ sản xuất
compost từ phế phụ phẩm nông nghiệp để phục vụ cho nông nghiệp mang
tính cấp thiết và phù hợp với nhu cầu phát triển của ngành nông nghiệp Việt
Nam trong giai đoạn hiện nay và tương lai.
- Làm bio-ethanol: Ngày nay sự phát triển của các quốc gia trên thế giới
đang phải đối mặt với những thách thức hết sức to lớn đó là đảm bảo an ninh
lương thực và an ninh năng lượng cho quá trình phát triển đồng thời giảm
thiểu các tác hại tiêu cực tới môi trường trên phạm vi toàn cầu do chính các
hoạt động phát triển kinh tế mang lại, đặc biệt là việc khai thác và sử dụng tài
nguyên thiên nhiên với tốc độ quá cao, vượt quá khả năng tái tạo của thiên
nhiên. Để giải quyết những thách thức này, nhiều quốc gia trên thế giới đã đề
ra chiến lược phát triển các loại năng lượng sạch có khả năng tái tạo được
trong đó có nhiên liệu sinh học. Trong thời gian gần đây, ethanol sinh học –
một loại nhiên liệu sinh học được sản xuất ở quy mô công nghiệp đang ngày
càng trở nên quan trọng trong việc góp phần giải quyết tình trạng khủng
hoảng nhiên liệu, bảo vệ môi trường trên toàn thế giới, và đang được sử dụng
rộng rãi tại hơn 60 quốc gia và vùng lãnh thổ ở khắp các châu lục.
-Nhiều ứng dụng khác:Phụ phẩm nông nghiệp đều là dạng dự trữ năng

lượng nên có thể được dùng để sản xuất năng lượng sinh học như phân gia
súc và tàn dư thừa thực vật có thể được dùng sản xuất khí sinh học (biogas),

10


biogas có thể dùng để đốt trực tiếp để nấu nướng hoặc làm gas đốt cho máy
phát điện. Các kỹ sư cơ khí đã điều chỉnh được động cơ diesel để chạy được
bằng biogas, đó là thuận lợi rất tốt để kinh doanh năng lượng ở nông thôn,
nhất là ở các vùng sâu, vùng xa.Ngoài ra, nhiều loại phụ phẩm nông nghiệp
ngày nay được dùng làm nguyên liệu cho các ngành nghề tiểu thủ công
nghiệp hoặc công nghiệp, đem lại thêm việc làm và thu nhập cao cho xã hội;
như: rơm dùng làm hài, nón, chổi rơm; bẹ chuối sứ, lục bình (bèo tây) dùng
để đan lát thảm, bàn, ghế có giá trị xuất khẩu; bẹ bắp (ngô) là loại vỏ cho sợi
dai, có thể dùng để xe sợi và chế tạo thảm, giỏ…; xơ dừa có rất nhiều công
dụng, mùn dừa trước đây thường bị bỏ phí và gây ô nhiễm môi trường nay đã
là một nguyên liệu quí trong sản xuất đất sạch xuất khẩu cho những người
trồng cây, hoa kiểng ở các đô thị trong và ngoài nước.
Cụ thể như nghề trồng nấm rơm là nghề có mức đầu tư ban đầu thấp,
nhanh có thu nhập, lãi suất cao, dễ thu hồi vốn, thị trường tiêu thụ ổn định và
thu hút được nhiều lao động ở mọi lứa tuổi, thành phần. Nguyên liệu trồng
nấm là các phế phẩm từ nông nghiệp có sẵn như rơm rạ, bông phế liệu, mùn
cưa, lõi ngô… và không quá phức tạp nên hầu hết các hộ đều có khả năng
tham gia trồng nấm. Đối với hộ thuần nông, với nguồn nguyên liệu có sẵn nếu
biết tận dụng thì ngoài nguồn thu từ sản xuất chăn nuôi, nguồn thu từ trồng
nấm rơm cho thu nhập khá cao. (Theo TTXVN, 2016)
Do vậy, lượng phế phụ phẩm nông nghiệp thực sự là nguồn tài nguyên
phong phú và có giá trị; chúng còn có thể được sử dụng cho nhiều mục đích
khác nhau, tăng hiệu quả kinh tế và góp phần bảo vệ môi trường xung quanh.
2.2. Tổng quan cồn sinh học

2.2.1. Khái niệm
Etanol sinh học (bio-ethanol) là một loại nhiên liệu sinh học dạng cồn,
được sản xuất bằng con đường sinh học, chủ yếu bằng phương pháp lên men

11


và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường
đơn, thường được sản xuất từcác loại cây nông nghiệp hàm lượng đường cao
như bắp (ở Mỹ), lúa mì, lúa mạch, mía (ở Brazil). Ngoài ra, etanol sinh học
còn được sản xuất từ cây cỏ có chứa hợp chất cellulose (celluloic ethanol).
2.2.2. Tình hình sản xuất cồn sinh học trên thế giới và tại Việt Nam
- Trên thế giới, việc nghiên cứu sử dụng ethanol để thay thế chất phụ gia
methyl t-butyl ether (MTBE) trong xăng dầu đã được tiến hành trong nhiều
năm qua. Ở Mỹ, Chính phủ nước này công bố cấm sử dụng methyl t-butyl
ether vào đầu năm 2003 do nhiều công trình nghiên cứu về sự ô nhiễm nguồn
nước, môi trường không khí và sức khỏe con người của việc sử dụng methyl
t-butyl ether. Việc sản xuất cồn sinh học được các nước có nền công nghiệp
phát triển quan tâm và là mục tiêu hướng tới của đa số quốc gia có nhu cầu
tiêu thụ năng lượng lớn. Chương trình ethanol nhiên liệu được nhiều nước
quan tâm và đầu tư xây dựng chiến lược để phát triển các nhà máy sản xuất
ethanol từ các loại ngũ cốc như ngô, sắn, mía đường…để đáp ứng nhu cầu
cung cấp nhiên liệu tái tạo trong tương lai. Đây là chương trình phát triển
nông nghiệp nông thôn nhằm khai thác tiềm năng sẵn có về lao động, đất đai
và nguồn nông sản ở mỗi quốc gia.
Theo Petrovietnam, hiện nay 47% ethanol trên thế giới được sản xuất từ
mía đường và 53% được sản xuất từ nguyên liệu chứa tinh bột. Năm 2003,
toàn thế giới đã sản xuất được 38,5% tỷ lít etanol (trong đó châu Mỹ chiếm
khoảng 70%, châu Á 17%, châu Âu 10%) trong đó 70% được dùng làm nhiên
liệu, 30% được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, y tế, hoá chất. Đến

năm 2007, lượng etanol sản xuất tăng lên 56 tỷ lít, tỉ lệ sử dụng làm nhiên liệu
tăng lên 75%.Trên thế giới, Brazil, Mỹ và Trung Quốc là 3 quốc gia đứng đầu
về sản xuất và sử dụng etanol. Ở khu vực Đông Nam Á, Thái Lan là quốc gia

12


phát triển rất nhanh về sản xuất và sử dụng xăng pha cồn sản xuất từ phế phụ
phẩm của sắn, hạt ngô, cây ngô, đường và bã mía

Hình 1.1. Sản lượng ethanol của một số quốc gia
Braxin: Là quốc gia sản xuất và sử dụng cồn nhiên liệu lớn nhất thế
giới. Hiện có trên 60.000 đồn điền trồng mía với 6,5 triệu hecta và trên 500
nhà máy sản xuất đường, cồn chủ yếu dùng trong nước và xuất khẩu (tương
đương với 220.000 thùng dầu/ngày) hàng năm tiết kiệm được trên 2 tỷ USD
chi cho việc nhập dầu. Cả nước có trên 3 triệu ôtô sử dụng hoàn toàn cồn
khan làm nhiên liệu và 17 triệu ôtô sử dụng xăng pha 24 % cồn. Ngành công
nghiệp mía - đường - cồn và các ngành liên quan của Braxin hàng năm có
doanh thu khoảng 8,3 tỷ USD, giải quyết việc làm cho trên 1 triệu lao động.
Từ năm 1975, Chính phủ Braxin đã thực thi chương trình mang tên Proalcool
mà sau này trở thành mẫu hình được nhiều quốc gia học tập để phát triển
nhiên liệu sinh học.Năm 2004, Braxin sản xuất cồn ở mức kỷ lục với 15,2 tỷ
lít, tăng 3,4 % so với năm 2003, năm 2009, sản lượng này lên tới 19,8 tỷ lít
(Bảng 1.1).
Mỹ: Là quốc gia tiêu thụ hàng năm 25 % năng lượng trên thế giới (trong
khi chỉ có 6 % trữ lượng dầu mỏ), hơn 60 % dầu mỏ phải nhập từ bên ngoài.
Sự thâm hụt cán cân thương mại năng lượng lên đến trên 80 tỷ USD. Năm

13

1998, Tổng thống Mỹ B. Clinton đã ký sắc lệnh 13101 về sử dụng sản phẩm
sinh học thay thế một phần dầu mỏ.Năm 2004, Mỹ đã sản xuất trên 13 triệu
m3 cồn.Tương lai, Mỹ có thể vượt Braxi là nước sản xuất ethanol lớn nhất
trên thế giới hiện nay.
Bảng 1.1.Dự tính sản lượng ethanol toàn cầu từ năm 2008 đến năm 2012.
Dự tính sản lượng ethanol toàn cầu 2008 -2012 (Tỉ lít)
Năm
Braxin
Mỹ
Trung Quốc
Ấn Độ
Pháp
Tây Ban Nha
Đức
Canada
Indonexia
Italia
Các nước khác
Thế giới

2008

2009

2010

2011

2012

18,880
23,460
4,069
2,010
1,079
0,617
1,207
0,871
0,288
0,189
8,713
61,376

19,826
25,958
4,167
2,086
1,139
0,696
1,442
1,045
0,318
0,201
9,644
66,520

20,776
28,456
4,270

2,161
1,200
0,780
1,681
1,219
0,348
0,208
10,576
71,667

21,723
30,955
4,368
2,237
1,260
0,859
1,915
1,393
0,379
0,220
11,507
76,811

22,673
33,453
4,470
2,313
1,321
0,942
2,154

1,567
0,409
0,227
12,438
81,959

Tăng trưởng
hằng năm (%)
2,3
5,7
1,4
2,2
3,2
6,9
9,7
9,9
5,6
2,8
5,7
4,6

Trung Quốc: Là quốc gia sản xuất và sử dụng cồn nhiên liệu lớn thứ 3
sau Braxin và Mỹ. Năm 2004, nước này đã đưa vào hoạt động nhà máy sản
xuất cồn lớn nhất thế giới với công suất 600.000 tấn/năm tại Cát Lâm (mỗi
năm tiêu thụ 1,9 triệu tấn ngô làm nguyên liệu), tăng sản lượng cồn ethanol cả
nước trên 3,5 triệu m3 . Từ tháng 6/2002, nước này đã quyết định sử dụng
xăng pha 10 % cồn khan (E - 10) ở 5 thành phố và đến cuối năm 2006 tăng
thêm 27 thành phố đông dân khác.
Thái Lan: Cũng là một trong những quốc gia tích cực đầu tư vào nhiên
liệu sinh học. Năm 2004, nước này đã sản xuất trên 280.000 m3 cồn, đầu tư

thêm 20 nhà máy đến năm 2015 có trên 2,5 tỉ lit cồn dùng làm nhiên liệu.

14


Trước đó Chính phủ nước này có kế hoạch tăng sản lượng ethanol nhiên liệu
lên tới 650 triệu lít vào năm 2003 từ nguyên liệu chính là sắn, ngô và mía
đường.
Tây Ban Nha: Trở thành nhà sản xuất ethanol sinh học lớn nhất ở châu
Âu vào năm 2004, khi nhà máy thứ 3 và là nhà máy lớn nhất của nước này đi
vào hoạt động
Ấn Độ: Là nước thứ 3 trong khu vực châu Á bắt đầu sản xuất ethanol
nhiên liệu. Ấn Độ đã sử dụng xăng pha 5 % cồn ở 9 bang và 4 tiểu vùng từ
ngày 1/1/2003, các bang còn lại sử dụng ở giai đoạn 2, giai đoạn 3 sẽ tăng 10
% cồn pha trong xăng. Hiện nay, công nghiệp ethanol của nước này mới đạt
1,8 tỷ lít. Ấn Độ phụ thuộc chủ yếu vào lượng dầu nhập khẩu, năm 2001
lượng dầu nhập khẩu là 75 triệu tấn, trị giá 17,5 tỷ USD cho thấy nhu cầu về
ethanol nhiên liệu là rất lớn. Số liệu của tiến sĩ Christoph Beng trong báo cáo
"Công nghiệp sản xuất ethanol thế giới năm 2001" cho biết: Tổng nhu cầu
ethanol nhiên liệu của Ấn Độ ước tính khoảng 3,2 tỷ lít/ năm. Nhu cầu
ethanol tăng cao dẫn đến hình thành thị trường xuất nhập khẩu ethanol nhiên
liệu giữa các nước.
Một số nước công nghiệp như Nhật Bản, Hàn Quốc… phải nhập khẩu
lượng lớn ethanol từ một số quốc gia sản xuất cồn nhiên liệu (Hình 1.4). Theo
dự tính, từ năm 2008 đến năm 2012 sản lượng ethanol trên toàn cầu tăng từ
61 đến 82 tỷ lít và sản lượng ethanol của các nước đều tăng.

15

Hình 1.2 Trao đổi thương mại ethanol giữa các quốc gia trên thế giới
- Tình hình sản xuất ở Việt Nam: cồn được sản xuất chủ yếu từ nguồn
nguyên liệu rỉ mía đường. Mỗi năm tổng công suất sản xuất cồn trên cả nước
đều tăng tập trung ở 3 nhà máy lớn có công suất từ 15.000 – 30.000 lít/ngày là
nhà máy đường Hiệp Hoà, Lam Sơn, nhà máy bia rượu Bình Tây… và hàng
trăm cơ sở sản xuất có quy mô nhỏ lẻ với công suất từ 3.000 đến 5.000 lít/ngày.
Sản lượng cồn Việt Nam hiện nay còn rất nhỏ, công suất sản xuất của mỗi nhà
máy cũng nhỏ, các đơn vị sản xuất cồn đang gặp nhiều khó khăn do nguồn 20
nguyên liệu không ổn định, công nghệ sản xuất lạc hậu và tốn nhiều chi phí sản
xuất nên sản phẩm không có sức cạnh tranh. Do nhu cầu thị trường tiêu thụ cồn
trong nước ngày càng tăng, các đơn vị sản xuất cồn trong nước đẩy mạnh sản
xuất, đồng thời mở rộng thêm nhiều nhà máy mới (Công ty cổ phần mía đường
Biên Hoà đầu tư xây dựng nhà máy công suất 50.000 tấn/năm, Công ty Đồng
Xanh đầu tư xây dựng nhà máy công suất 60.000 lít/ngày, Công ty cổ phần Cồn
sinh học Việt Nam đầu tư nhà máy 66.000 m3 /năm tại Đắc Lắc, BIDV đầu tư
nhà máy công suất 100.000 tấn/năm tại Quảng Nam… Dự án đầu tư xây dựng
Nhà máy sản xuất Bioethanol khu vực phía Bắc do PVB làm Chủ đầu tư là dự án
nằm trong Đề án phát triển nhiên liệu sinh học của Việt Nam đến năm 2015, tầm

16


nhìn đến năm 2025 được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định số
177/2007/QĐ-TTg ngày 20/11/2007. Đây là nhà máy sản xuất nhiên liệu sinh
học đầu tiên được xây dựng ở miền Bắc Việt Nam có quy mô đầu tư lớn, công
nghệ tiên tiến và thiết bị hiện đại với tổng mức đầu tư khoảng 80 triệu USD,
công suất 100.000 m3 ethanol/năm, tại huyện Tam Nông, tỉnh Phú Thọ, sử dụng
nguyên liệu sắn và mía để sản xuất ethanol.
- Nhu cầu sử dụng cồn sinh học của Việt Nam: để đảm bảo an ninh năng
lượng, bảo vệ môi trường và thúc đẩy phát triển kinh tế nông thôn tại các

vùng sâu, vùng xa, ngày 20-11-2007, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt “Đề
án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 20225”. 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 sản xuất, 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 nhiên liệu sinh học đến năm 2025.
Việt Nam sẽ đẩy mạnh phát triển nhiên liệu sinh học và mục tiêu dự
kiến đến năm 2025 sẽ sản xuất và đưa vào sử dụng xăng E5 (95% xăng
khoáng và 5% etanol) và dầu B5 (95% diezel khoáng và 5% diezen sinh học)
trên phạm vi cả nước, đáp ứng đủ nhu cầu thị trường. Do vậy, việc đẩy mạnh
sản xuất cồn sinh học 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. (Đinh Văn Kha,2016)
2.2.3. Cơ sở khoa học của việc sản xuất cồn sinh học từ phế phụ phẩm
nông nghiệp
Trong số những nguồn nguyên liệu sinh học có thể sử dụng cho sản xuất
ethanol, nguyên liệu cellulose thực sự dồi dào và ít được khai thác. Sản lượng

17


sinh khối thực vật toàn cầu hàng năm vào khoảng 200 tỷ tấn, và 90 % trong số
đó là lignocellulose. Có khoảng 8 - 20 tỷ tấn trên thực tế có thể sử dụng để
sản xuất ethanol. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, việc sản xuất ethanol từ nguồn
tài nguyên tái sinh này trên quy mô công nghiệp còn gặp nhiều khó khăn.
Sinh khối thực vật giàu lignocellulose là nguyên liệu phức tạp hơn nhiều so
với tinh bột. Thành phần chủ chốt của chúng bao gồm cellulose,
hemicellulose và lignin gắn kết chặt chẽ với nhau bởi những liên kết hydro và
liên kết đồng hóa trị. Để có thể sản xuất ethanol, các polymer sinh học này

cần được phân huỷ thành đường đơn và sau đó hỗn hợp đường hexose (chủ
yếu là glucose) và pentose (chủ yếu là xylose) sẽ được lên men thành ethanol.
Việc thủy phân lignocellulose theo con đường hóa học và enzyme đều không
đơn giản. Ngoài ra, trong quá trình thủy phân sử dụng axit (một công đoạn
không thể thiếu trong các công nghệ hiện có) còn phân hủy một lượng đáng
kể các đường tạo thành (tới 60% tùy theo chế độ thủy phân) và sản sinh
những chất độc hại như furfuran đối với vi sinh vật trong công đoạn lên men
tiếp theo. Quá trình lên men chính là quá trình chuyển hóa các chất đường và
dextrin thấp phân tử trong dịch lên men thành C 2H5OH, CO2 và một số chất
hữu cơ khác nhờ hoạt động của nấm men. Đồng thời lên men còn tạo ra các
sản phẩm phụ như este, axit hữu cơ, rượu bậc cao, aldehit, gyxerin…hòa tan
vào dịch lên men. Bản thân việc lên men đường xylose (chiếm 20 - 30 %
lượng đường tạo ra) thành ethanol cũng gặp nhiều khó khăn bởi có rất ít các
chủng vi sinh vật có khả năng thực hiện công đoạn này một cách hiệu quả.
Để sản xuất ethanol từ nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp có được tính cạnh
tranh, nhiều giai đoạn công nghệ còn cần được cải thiện. (PGS.TS. Nguyễn
Đình Thường, TS.Nguyễn Thanh Hằng, 2005)

18