Tuyển chọn và nghiên cứu đặc điểm sinh học của một số chủng vi sinh vật lên men dịch thủy phân từ sinh khối thực vật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------

TRẦN THỊ HOA

TUYỂN CHỌN VÀ NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM
SINH HỌC CỦA MỘT SỐ CHỦNG VI SINH
VẬT LÊN MEN DỊCH THUỶ PHÂN TỪ SINH
KHỐI THỰC VẬT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2010


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Thị Hoa

MỞ ĐẦU
Hiện nay vấn đề nhiên liệu sinh học trở thành mối quan tâm hàng đầu của các
quốc gia. Một trong số các nguồn nhiên liệu sinh học được đề cập đến có tính ứng
dụng cao là ethanol. Ethanol là nguồn nhiên liệu sinh học (còn gọi là bio-ethanol)
được sử dụng thay thế một phần nhiên liệu truyền thống. Ethanol nhiên liệu là cồn
tuyệt đối (hay còn gọi là cồn khan, có độ cồn 99,7 – 100 %).
Nhiên liệu hóa thạch là nguồn năng lượng chính cho nền kinh tế thế giới, tuy
nhiên theo thời gian nguồn nhiên liệu này sớm muộn sẽ cạn kiệt. Ngoài ra việc sử
dụng nhiên liệu hóa thạch đã thải vào không khí một lượng rất lớn khí nhà kính (chủ
yếu là CO2), việc này làm nhiệt độ không khí trái đất tăng lên, mực nước biển dâng
cao. Nếu không tích cực hành động có thể dẫn tới thiên tai, lũ lụt, hạn hán... Chính vì

những điều đó mà nhiều quốc gia, nhiều tập đoàn năng lượng trên thế giới đã có
chiến lược kết hợp sử dụng tiết kiệm hiệu quả dầu mỏ, đồng thời đầu tư cho nghiên
cứu sử dụng các dạng nhiên liệu sạch thay thế một phần xăng dầu, trong đó có nhiên
liệu sinh học.
Ở nước ta cồn được sản xuất chủ yếu từ nguồn nguyên liệu tinh bột và rỉ
đường. Sản lượng cồn hiện nay còn thấp và gặp nhiều khó khăn về nguồn nguyên
liệu. Trên thế giới, việc nghiên cứu sử dụng ethanol để pha với xăng dầu đã được
tiến hành trong nhiều năm qua. Ethanol nhiên liệu được đặc biệt chú ý ở các nước có
nền nông nghiệp phát triển và là mục tiêu hướng đến của đa số quốc gia có nhu cầu
tiêu thụ năng lượng lớn (World ethanol production, 2008-2012).
Theo (Prasad et al., 2006) các loại vật liệu thô chứa đường hoặc vật liệu có
thể chuyển hoá thành đường đều được sử dụng làm cơ chất lên men sinh ethanol. Vật
liệu thô bao gồm: Nguyên liệu chứa tinh bột, nguyên liệu chứa cellulose, phế thải
nông nghiệp và nguyên liệu chứa đường.
Sinh khối thực vật là nguồn năng lượng to lớn đối với toàn bộ sự sống trên
hành tinh của chúng ta. Phần lớn sinh khối thực vật thải ra từ hoạt động nông - lâm
nghiệp, công nghiệp gỗ, chế biến bột giấy... đều bị xem như là “chất thải” và gây ra ô
nhiễm môi trường. Tuy nhiên, nguồn vật liệu này có thể chuyển hoá thành các sản

Lớp cao học CNTP K810 - ĐHBKHN

1


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Thị Hoa

phẩm mang giá trị kinh tế cao, có thể ứng dụng cho nhiều ngành công nghiệp như:
hoá chất, nhiên liệu, thức ăn gia súc và dinh dưỡng cho con người.

Trong số những nguồn nguyên liệu sinh học có thể sử dụng cho sản xuất
ethanol thì nguồn sinh khối thực vật giàu lignocellulose còn ít được khai thác. Để có
thể sản xuất ethanol thì sinh khối thực vật cần được thủy phân 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 sử dụng nguồn sinh khối thực vật như: bã mía,
rơm rạ, phế thải công nghiệp (mùn cưa, mật rỉ) cho sản xuất ethanol không ảnh
hưởng tới an ninh lương thực.
Sản phẩm thu được của quá trình thuỷ phân sinh khối thực vật là hỗn hợp các
loại đường khác nhau (chủ yếu là glucose và xylose trong đó xylose chiếm 20 – 30%
lượng đường tạo ra) dùng làm nguyên liệu lên men ethanol. Bản thân việc lên men
đường xylose 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 (Võ Hồng Nhân và cộng sự., 1993).
Nhìn chung ethanol có thể được tạo ra từ sự lên men các loại đường bởi các vi
sinh vật: Vi khuẩn và nấm men (Hahn- Hagerdal B et al., 2006). Vì vậy việc tìm các
chủng vi sinh vật có khả năng lên men ethanol từ 2 nguồn đường glucose, xylose là
có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn.
Với mục đích hướng tới sản xuất cồn nhiên liệu từ sinh khối thực vật chúng
tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Tuyển chọn và nghiên cứu đặc điểm sinh học
của một số chủng vi sinh vật lên men dịch thủy phân từ sinh khối thực vật”. Với
các nội dung chính như sau:
¾ Tuyển chọn các chủng có khả năng lên men đường pentoza (xyloza).
¾ Nghiên cứu các đặc điểm sinh học của chủng vi khuẩn tuyển chọn.
¾ Phân loại định tên chủng vi khuẩn tuyển chọn dựa trên đặc điểm sinh lý, sinh
hóa và trình tự gen 16S rARN.
¾ Đánh giá khả năng lên men ethanol các nguồn đường.
¾ Nghiên cứu động học quá trình lên men của chủng vi khuẩn.

Lớp cao học CNTP K810 - ĐHBKHN

2

Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Thị Hoa

¾ Nghiên cứu ảnh hưởng của các nguồn dinh dưỡng và điều kiện nuôi cấy lên
sinh trưởng và khả năng lên men sinh ethanol của chủng vi khuẩn.
¾ Đánh giá bước đầu khả năng lên men dịch thuỷ phân từ sinh khối thực vật
(dịch thuỷ phân từ gỗ) của chủng tuyển chọn.
Đề tài được thực hiện tại Phòng Công nghệ vật liệu sinh học, Viện Công
nghệ sinh học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt nam, với sự hỗ trợ kinh phí từ
đề tài: “Nghiên cứu áp dụng công nghệ hiện đại để sản xuất ethanol nhiên liệu
từ gỗ phế liệu nguyên liệu giấy”

Lớp cao học CNTP K810 - ĐHBKHN

3


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Thị Hoa

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1 Sinh khối thực vật
Sinh khối thực vật hay còn gọi là biomass bao gồm: các loại sản phẩm cây
trồng như gỗ, phế phụ phẩm nông nghiệp, sản phẩm phụ của công nghiệp giấy…Các
nguyên liệu này chứa thành phần chủ yếu là cellulose, hemicelluloses và lignin.
Quá trình sản xuất ethanol có thể thực hiện trên nhiều loại cơ chất khác nhau,

có thể phân loại các nguyên liệu lên men thành 3 dạng chính: nguyên liệu chứa tinh
bột, nguyên liệu chứa đường và sinh khối thực vật. Về mặt bản chất các loại nguyên
liệu này đều chứa hydratcacbon, cơ chất chủ yếu cho lên men ethanol (Prasad et al.,
2006), (Cardona và Sanchez, 2007).
- Nguyên liệu chứa tinh bột
Nguyên liệu chứa tinh bột bao gồm: các loại ngũ cốc như ngô, gạo, đại mạch,
khoai tây, khoai lang, sắn…Những nguyên liệu này đã được ứng dụng rộng rãi trong
lên men cồn công nghiệp. Một số nước điển hình như Mỹ sản xuất cồn chủ yếu từ
ngô, Thái Lan sản xuất từ sắn và ở nước ta nấu rượu cổ truyền chủ yếu từ nguyên
liệu sắn, gạo, ngô…Ngày nay, việc sử dụng nguyên liệu chứa tinh bột gặp phải nhiều
trở ngại, do đây là nguồn lương thực chủ yếu phục vụ đời sống con người. Vì vậy,
việc mở rộng sản xuất cồn nhiên liệu sẽ có tác động tiêu cực đến an ninh lương thực
trên toàn thế giới.
- Nguyên liệu chứa đường
Nguyên liệu chứa đường bao gồm: mía đường, củ cải đường và rỉ mật. Rỉ mật
là một phụ phẩm của ngành sản xuất đường. Khoảng 75% tổng rỉ mật của thế giới
được sản xuất từ mía (Saccharum officinarum) và đa phần còn lại có từ củ cải đường
(Beta vulgaris). Mía được trồng ở các nước nhiệt đới (Châu Á và Nam Mỹ), còn củ
cải đường có nguồn gốc ở các vùng ôn đới (Châu Âu và Bắc Mỹ). Thành phần chính
của rỉ mật là đường sucrose và lượng nhỏ đường glucose, fructose. Nói chung, sản
lượng rỉ mật bằng khoảng 1/3 sản lượng đường sản xuất. Cứ khoảng 100 tấn cây mía
đem ép thì có 3 - 4 tấn rỉ mật được sản xuất. Brazil, Cu ba, Ấn Độ sản xuất ethanol

Lớp cao học CNTP K810 - ĐHBKHN

4


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Thị Hoa

chủ yếu từ mía đường. Trong khi đó ở Pháp lại chủ yếu sử dụng nguyên liệu củ cải
đường.
- Sinh khối thực vật
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 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 polysaccarit này cần được thủy phân 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 những chất độc hại như furfuran (tới 60% tùy
theo chế độ thủy phân) đối với vi sinh vật trong công đoạn lên men tiếp theo. 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.
So sánh khả năng sản xuất cồn từ các nguồn nghuyên liệu khác nhau (bảng
1.1) cho thấy, sinh khối thực vật cho sản lượng ethanol tương đối cao chỉ xếp sau
ngô, gạo, đại mạch và lúa mì. Đây là điều thực sự đáng mừng, nhằm giải quyết một
lượng lớn phế thải từ các hoạt động nông, lâm nghiệp nhằm bảo vệ môi trường. Theo
(Bohlamann, 2006) Sinh khối thực vật có thể sản xuất trên 442 tỷ lít ethanol mỗi
năm.

Lớp cao học CNTP K810 - ĐHBKHN

5


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Thị Hoa

Bảng 1.1. Năng suất cồn từ các nguyên liệu (Linoj Kumar N.V et al., 2006).

Hàm lượng
ethanol (l/tấn)
70
110
125
110
180
360
430
250
340
60
280

Nguyên liệu
Đường mía
Củ cải đường
Khoai tây đường

Khoai tây
Sắn
Ngô
Gạo
Đại mạch
Lúa mì
Cao lương
Bã mía và sinh khối thực vật

1.2. Các qui trình thuỷ phân sinh khối thực vật
1.2.1. Thủy phân bằng axit
1.2.1.1. Tiền xử lý nguyên liệu bằng axit đặc
Công nghệ này dựa trên việc sử dụng axit đặc để phá hủy cấu trúc tinh thể của
cellulose sau đó thủy phân bằng axit loãng. Các khâu tách axit khỏi đường, thu hồi
và cô đặc axit là những công đoạn mấu chốt của quy trình. Trong công nghệ này, axit
đặc sẽ phá hủy các liên kết hydro giữa các mạch cellulose sẽ hình thành trạng thái
dạng gelatin với axit trở nên rất mẫn cảm với phản ứng tự thủy phân. Sau khi pha
loãng với nước và dưới tác động của nhiệt cellulose sẽ nhanh chóng bị thủy phân
thành glucose.
Năm 1937 người Đức đã xây dựng và đưa vào hoạt động một số nhà máy sản
xuất cồn theo công nghệ thủy phân bằng axit đặc sử dụng axit clohydric. Vào năm
1948 người Nhật đã phát triển công nghệ sử dụng axit sulfuric đặc và sản xuất ở quy
mô thương mại. Họ đã đưa vào một công nghệ lọc màng mới khi đó cho phép phân
tách axit khỏi dung dịch đường với khả năng thu hồi 80% lượng axit sử dụng. Công
nghệ thủy phân bằng axit đặc được tiếp tục phát triển dưới sự tài trợ của Bộ Nông
nghiệp Hoa Kỳ trong những năm của thập niên 1940 và 1980.
Trong quy trình xử lý nguyên liệu này sinh khối thực vật có hàm ẩm 10%
được xử lý bằng axit sulfuric nồng độ 70 - 77%. Lượng axit sử dụng so với sinh khối
Lớp cao học CNTP K810 - ĐHBKHN

6


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Thị Hoa

là 1,25:1 và nhiệt độ được giữ ở mức dưới 500C. Sau đó nước được bổ sung để pha
loãng axit tới nồng độ 20% - 30% và gia nhiệt tới 100oC và giữ trong 1h để quá trình
thủy phân có thể diễn ra. Dịch dạng gel được lấy ra khỏi bể phản ứng và lọc ép để
lấy dịch đường và axit. Phần chất rắn còn lại sẽ được tái thủy phân lần 2. Dịch đường
và axit sẽ được phân tách sử dụng cột sắc ký. Công đoạn lên men tiếp theo có thể
chuyển hóa được đường thành ethanol với hiệu suất 85% với xylose và 92% với
glucose. Arkenol tuyên bố rằng có thể thu hồi được 97% axit trong quy trình sản xuất
của mình (Võ Hồng Nhân và cộng sự., 1993).
1.2.1.2. Tiền xử lý nguyên liệu bằng axit loãng
Quá trình thủy phân được thực hiện thông qua 2 giai đoạn. Giai đoạn đầu
được thực hiện ở chế độ tương đối ôn hòa cho việc thủy phân hemicellulose trong
khi đó giai đoạn sau sẽ được thích ứng để thủy phân dạng polysacarit bền vững hơn
nhiều đó là cellulose. Dịch thủy phân từ mỗi quá trình được thu hồi, trung hòa và lên
men tạo ethanol. Công nghệ sản xuất ethanol dựa trên công nghệ thủy phân dùng axit
loãng được người Đức phát triển từ trước Đại chiến thế giới Lần thứ I. Công nghệ
này đã được thương mại hóa ở Mỹ thông qua một quy trình cải biến với một bước
thủy phân. Hiệu suất của công nghệ này chỉ đạt 125 lít cồn/tấn nguyên liệu, tuy nhiên
với thời gian thủy phân ngắn hơn rất nhiều. Tất cả các nhà máy sản xuất cồn từ gỗ kể
trên đã đóng cửa sau Đại chiến I do khả năng cạnh tranh thấp và nhu cầu không còn.
Năm 1932, người Đức phát triển công nghệ thủy phân theo nguyên lý “dòng chảy”
sử dụng axit sulfuric loãng. Trong công nghệ này axit loãng được bơm qua lớp
nguyên liệu và được gọi là công nghệ Scholler. Mặc dù hiệu suất thu hồi đường
glucose cao (khoảng 70%) phương pháp vẫn có nhược điểm là nồng độ đường trong

dịch thủy phân thấp.
Trong giai đoạn thủy phân nguyên liệu được xử lý bằng dung dịch axit
sulfuric 0,7% ở nhiệt độ 190oC với thời gian lưu là 3 phút. Công đoạn tiếp theo được
thực hiện ở 215oC với nồng độ axit là 0,4% và thời gian lưu 3 phút. Dịch thủy phân
từ mỗi quá trình được thu hồi, trung hòa và lên men tạo ethanol. Cellulose và lignin
còn lại ở dạng rắn được sử dụng làm nhiên liệu cho hoặc sản xuất hơi và điện

Lớp cao học CNTP K810 - ĐHBKHN

7


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Thị Hoa

(Neureiter M et al., 2002), (Sun Y. Cheng J., 2005), (Võ Hồng Nhân và cộng sự.,
1993).
1.2.2. Thủy phân bằng enzim
Cellulase là những enzyme thủy phân cellulose, các enzyme này được tạo ra ở
rất nhiều sinh vật khác nhau như vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm mốc, thực vật, côn trùng…
Cellulase có thể tồn tại dưới dạng enzyme đơn hay phức hệ enzyme còn được gọi là
cellulosome. Dựa vào cơ chế xúc tác, cellulase được chia làm 3 loại chính: 1)
endoglucanase hay 1,4-β-D-Glucan-4-Glucanohydrolase; 2) exoglucanase và 3) βGlucosidase. Trong sản xuất ethanol từ biomass, khả năng ứng dụng enzyme cụ thể
nhất là thay thế công đoạn thủy phân dùng axit bằng thủy phân dùng enzyme. Với
việc phân chia rõ ràng giai đoạn thủy phân và lên men hiện nay thường được gọi tắt
là SHF (Separate Hydrolysis and Fermentation)
Một trong những cải biến quan trọng trong ứng dụng enzyme là công nghệ kết
hợp cả hai quá trình đường hóa và lên men trong cùng một công đoạn, hay còn gọi
tắt là SSF (Simultaneous Saccharification and Fermentation). Trong quy trình SSF,

enzyme cellulase và vi sinh vật lên men cồn được sử dụng đồng thời. Lượng đường
tạo ra bởi enzyme tức thời được chuyển hóa thành ethanol. So với SHF, SSF có thể
làm tăng hiệu suất chuyển hóa cellulose thành ethanol lên 40%. Một trong những
khó khăn là sự khác nhau trong nhiệt độ tối ưu cho hoạt động của enzyme cellulase
(45 - 55oC) và nhiệt độ thích hợp cho vi sinh vật lên men ethanol (28 - 35oC). Ngoài
ra, một số thành phần của dịch thủy phân cũng như ethanol tạo ra cũng có tác động
ức chế lên enzyme cellulase (Farrell AE et al., 2006), (Ghosh P. Ghose TK., 2003),
(Jones AM et al., 1994), (Lee J., 1997), (Rausch KD. Belyea RL., 2006), (Lin Y.
Tanaka S., 2006) (Jones AM et al., 1994), (Võ Hồng Nhân và cộng sự., 1993).
1.2.3. Dịch thuỷ phân từ sinh khối thực vật
Nguyên liệu chứa cellulose hay còn gọi là biomass bao gồm: các loại sản
phẩm cây trồng như gỗ, phế phụ phẩm nông nghiệp, sản phẩm phụ của công nghiệp
giấy… Sản xuất ethanol từ phế phụ phẩm nông nghiệp bao gồm các giai đoạn chính
như: xử lý và thủy phân nguyên liệu thành đường đơn, lên men nhờ vi sinh vật, lọc

Lớp cao học CNTP K810 - ĐHBKHN

8


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Thị Hoa

dịch lên men và tiến hành cất cồn (Gomez LD et al., 2008), (Moon HC et al., 2009).
Trong đó, công đoạn chủ chốt và quyết định hiệu quả sản xuất cồn nhiên liệu từ
biomass là thủy phân nguyên liệu thành đường. Hiện nay có nhiều hướng tiếp cận
vấn đề này là thủy phân nguyên liệu thông qua tiền xử lý axit và kiềm, nổ hơi phá vỡ
cấu trúc, xử lý bằng nước nóng, sử dụng các hóa chất như CO2 và chuyển hóa sinh
học nhờ các enzyme thủy phân (Sanchez OJ Cardona CA., 2008) . Phương pháp sử

dụng axit và kiềm loãng kết hợp quá trình gia nhiệt được nghiên cứu và ứng dụng
rộng rãi nhất. Axit có vai trò loại bỏ các hemicellulose và tạo ra sản phẩm như
xylose, arabinose, glucose, furfural và một phần lignin hòa tan…(Lavarack BPet al.,
2002). Một số axit được sử dụng như axit hydrocloric, axit peractic, nitric,
phosphoric (Balat M., 2008), (Sassner P et al., 2008), (Wei., bioethanol production),
và phổ biến nhất là axit sulfuric (Lloyd TA. Wyman CE., 2005) (Sassner P et
al.,2008), (Wei., bioethanol production). Vai trò của kiềm là loại bỏ lignin khỏi cấu
trúc lignocellulose tạo điều kiện thuận lợi cho enzyme cellulase tương tác với
cellulose (Pandey A et al.,2000). Ngoài ra, tiền xử lý bã mía dưới tác động của kiềm
sẽ phá vỡ cấu trúc thành tế bào thông qua các hoạt động như: hòa tan hemicellulose,
lignin và silic; thủy phân uronic và ester acetic; làm trương nở cellulose và cuối cùng
là dẫn đến phá vỡ cấu trúc tinh thể cellulose.
1.2.4. Thành phần dịch thuỷ phân
Sản phẩm thu được của quá trình thuỷ phân sinh khối thực vật là hỗn hợp các
loại đường khác nhau (chủ yếu là glucose và xylose trong đó xylose chiếm 20 – 30%
lượng đường tạo ra) dùng làm nguyên liệu lên men ethanol.
Trong quá trình tiền xử lý, bên cạnh các sản phẩm chính, một số sản phẩm
phụ cũng được hình thành như: aliphatic acids (acetic, formic and levulinic acid), các
đồng phân của furan, các hợp chất của axit phenolic, furfural. Đây là những sản
phẩm phụ ảnh hưởng đến hoạt động sinh trưởng và trao đổi chất của tế bào nấm
mem, làm giảm đáng kể hiệu suất và thậm chí có thể gây ức chế hoàn toàn quá trình
lên men, làm giảm đáng kể hiệu suất và thậm chí có thể gây ức chế hoàn toàn quá
trình lên men. Theo một số nghiên cứu, các chất này gia tăng khi quá trình tiền xử lý

Lớp cao học CNTP K810 - ĐHBKHN

9


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Thị Hoa

hóa học được kết hợp với nhiệt độ cao. Pattra và cộng sự đã nghiên cứu và chỉ ra
Furfural được hình thành từ quá trình thủy phân đường pentose và hàm lượng
Furfural tạo thành tỉ lệ thuận với nồng độ axit sulfuaric sử dụng (Pattra S et al.,
2008). Một sản phẩm phụ là axit acetic cũng gây hiệu ứng ức chế lên men khi nồng
độ trong khoảng 4-10 g/l, axit này được tạo thành trong quá trình thủy phân các gốc
acetyl của hemicelluloses (Rodriguez-Chong A et al., 2004).
Tùy vào loại axit và nồng độ sử dụng trong tiền xử lý nguyên liệu, hiệu quả
thủy phân hemicelluloses trong lignocelluloses có thể đạt 60 - 90%. Khi nồng độ axit
> 1,5%, bên cạnh vai trò loại bỏ hemicelluloses, axit sẽ có tác động lên cả thành
phần cellulose và làm gia tăng các độc tố trong dịch thủy phân.

1.2.5. Qui trình sản xuất E từ sinh khối thực vật
Theo (Balat et al., 2008), quá trình chuyển đổi cellulose và hemicellulose có
trong sinh khối thực vật thành các loại đường đơn là một quá trình phức tạp.
Ethanol
Sinh khối thực vật

Xử lý sơ bộ

Enzim thuỷ phân

Lên men

Bã

Phế thải

Chưng cất

Lọc rửa

Lignin

Sơ đồ 1.1. Sơ đồ chuyển hoá từ sinh khối thực vật đến ethanol

Lớp cao học CNTP K810 - ĐHBKHN

10


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Thị Hoa

1.2.6. Các tính chất của ethanol nhiên liệu
Ethanol là một loại nhiên liệu thay thế có triển vọng bởi nó là nguồn tài
nguyên sinh học có thể hồi sinh, nó bão hoà oxy, bởi vậy việc sản xuất E làm nguyên
liệu thay thế làm giảm sức nén đánh lửa của động cơ (Hansen et al., 2005). Ethanol
có chỉ số octane cao hơn, khả năng bắt lửa tốt, tốc độ cháy nhanh hơn và tốc độ bốc
hơi nhanh hơn so với dầu xăng. Từ những tính chất này cho phép E có mức độ nén
cao hơn, thời gian đốt ngắn hơn vì vậy nó dẫn đầu về lý thuyết có khả năng vượt trội
xăng dầu trong việc đốt cháy động cỏ (Balat et al., 2008), tuy nhiên E nhiên liệu
cũng có những điểm bất lợi như: Tỷ trọng thấp hơn xăng dầu, tính ăn mòn thấp, tốc
độ cháy sáng thấp, tốc độ bay hơi thấp, tan được trong nước và gây độc đến hệ sinh
thái (Maclean và Lave,2003).
Bảng 1.2. Một số tính chất của E so với xăng dầu (Properties of Fuels, 2010)
Tính chất

Ethanol

Xăng dầu

CTHH

C2H5OH

C4 đến C12

Nhiệt độ sôi (oF)

172

80 – 473

Chỉ số octane

107

88 – 98

Nhiệt độ tự bốc cháy (oF)

793

495

Ẩn nhiệt hoá hơi ở 60 oF

2378

900

1.3. Chủng vi sinh vật lên men cồn từ dịch thủy phân sinh khối thực vật
Trong tự nhiên, rất nhiều vi sinh vật có thể sử dụng đường 5 và đường 6
carbon làm nguồn dinh dưỡng, do đó nó có thể lên men chuyển hóa các đường này
thành ethanol. Một số vi sinh vật lên men ethanol phổ biến như Saccharomyces
cerevisiae; Zymmomonas mobilis; E. coli… Để sàng lọc và lựa chọn chủng vi sinh
vật có thể sử dụng trong sản xuất công nghiệp, các vi sinh vật phải đáp ứng một số
tiêu chí nhất định: Có thể sử dụng dải cơ chất rộng; Có khả năng phát triển và lên
men với hiệu suất cao; Sản phẩm phụ tạo thành trong quá trình lên men tối thiểu; Có
khả năng chịu độ cồn cao, pH thấp và nhiệt độ cao, khả năng sinh trưởng trên môi
trường rẻ tiền… (Đỗ Huy Định., 2003).

Lớp cao học CNTP K810 - ĐHBKHN

11


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Thị Hoa

Trong công nghiệp, nấm men Saccharomyces cerevisiae được sử dụng phổ
biến nhất, vì nó có nhiều đặc điểm đáp ứng được các tiêu chí trên. Ngày nay, bằng
phương pháp công nghệ gen, người ta đã tạo ra rất nhiều chủng có khả năng lên men
đồng thời nhiều loại đường khác nhau như Saccharomyces cerevisiae tái tổ hợp
nhằm tạo ra chủng có khả năng lên men pentose (Tatirungkij M et al., 1993), (Amore

R et al., 1989), (Kotter P. Ciriacy M ., 1993), (Sarthy AV et al., 1987), (Deng XX et
al., 1990).
1.3.1. Nấm men
Nấm men là đối tượng được quan tâm trước hết trong lên men ethanol, đặc
biệt là nấm men S. cerevisiae. Chúng là dạng nấm men đơn bào mang nhiều đặc
điểm phong phú về sinh trưởng và phát triển, tế bào dạng hình cầu, bầu dục, elip,
hoặc hơi dài, với kích thước 3 - 7 x 4 - 12 cm, khuẩn lạc nhẵn bóng, tròn, màu kem.
Nấm men S. cerevisiae có đặc điểm sinh trưởng kị khí không bắt buộc, chúng vừa có
khả năng hô hấp và lên men ethanol. Sinh trưởng kị khí nghiêm ngặt ở S. cerevisiae
chỉ xảy ra qua một vài thế hệ, vì sự tổng hợp sterol cần cho cấu trúc màng tế bào đòi
hỏi phải có khí O2.
Nhiệt độ có ảnh hưởng trực tiếp tới sự sinh sản, phát triển nấm men, tốc độ
lên men và chất lượng ethanol. Nấm men có thể chịu được nhiệt độ từ 4 - 45oC,
nhưng nhiệt độ phù hợp cho sự sinh sản và phát triển của nấm men là 24 - 30oC.
Ngoài ra, nhiệt đố quá thấp hoặc quá cao đều làm cho quá trình lên men bị dừng
trong khi hàm lượng đường trong dung dịch lên men còn cao. Nhiệt độ phù hợp cho
quá trình lên men rượu truyền thống từ gạo là 24 - 28oC và việc duy trì nhiệt độ ổn
định trong suốt quá trình lên men là rất cần thiết (Nguyễn Thành Đạt., 1999).
Nấm men có thể sinh sản và phát triển trong môi trường có pH từ 2,5 - 7,5,
nhưng pH phù hợp nhất với sinh sản và phát triển của nấm men là 4,0 - 6,0. Vì vậy,
để hạn chế quá trình lây nhiễm và phát triển của nhiều loại vi khuẩn, phù hợp với
sinh trưởng của nấm men, trong nhân giống và sản xuất pH luôn được duy trì ở mức
5,0 - 6,0.

Lớp cao học CNTP K810 - ĐHBKHN

12


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Thị Hoa

Nấm men S. cerevisiae có thể lên men nhiều đường đơn như glucose,
galactose, đường đôi như sucrose hoặc đường ba như raffinose. Nấm men đạt tốc độ
sinh trưởng nhanh nhất khi hàm lượng đường trong dịch lên men là 1 - 2%. Hàm
lượng đường phù hợp cho quá trình lên men rượu là 16 - 20%, hàm lượng đường
28% sẽ ức chế quá trình lên men. Tỷ lệ các loại đường trong dịch lên men cũng ảnh
hưởng không nhỏ tới tốc độ và hiệu suất lên men (Anna Kokova –
Kratochvilova.,1990). Ngoài ra nấm men này có khả năng chịu áp suất thẩm thấu
cao, ở 38% đường tế bào nấm men không bị phá vỡ.
Nồng độ oxy hòa tan là điều kiện quan trọng cho giai đoạn sinh sản và phát
triển của nấm men, quyết định đến hiệu suất và chất lượng rượu. Hàm lượng oxy hòa
tan phù hợp cho sinh sản và phát triển của nấm men thường là: 0,65 - 0,70 mg/l. Khi
môi trường có đầy đủ oxy nấm men sẽ sử dụng đường làm nguồn năng lượng tăng
sinh khối. Ngược lại khi môi trường thiếu oxy, nấm men lên men và chuyển hóa
đường thành rượu. Vì vậy khi lên men rượu để có được hiệu suất lên men cao nhất,
đồng thời hạn chế quá trình tạo aldehyl, rượu bậc cao, axeton… có trong rượu thành
phẩm, cần phải hạn chế tối đa sự có mặt của oxy có trong dịch lên men (Anna
Kokova – Kratochvilova.,1990).
Mỗi chủng nấm men có khả năng chịu được nồng độ cồn khác nhau, một số
chủng chỉ chịu được cồn ở nồng độ thấp như: Hansenula, Alanama… Nhưng nấm
men S. cerevisiae lại có khả năng chịu cồn tới 18 - 20%. Trong quá trình lên men
rượu, nồng độ cồn tăng dần sẽ ức chế không chỉ các hoạt động của nấm men mà còn
kìm hãm hoạt động của nhiều loại enzyme chuyển hóa đường thành rượu (Anna
Kokova – Kratochvilova.,1990). Các chủng này thường lên men ethanol với độ cồn
đạt được từ 10 - 15% ở pH 3,5 - 4,0 trong dải nhiệt độ từ 32 - 38oC. Với năng lực lên
men cao và là đối tượng được tìm hiểu kỹ nhất, nấm S. cerevisiae là ứng cử viên tiềm
năng nhất cho công đoạn chuyển hóa glucose thành ethanol trong sản xuất cồn nhiên
liệu từ sinh khối.

Lớp cao học CNTP K810 - ĐHBKHN

13


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Thị Hoa

1.3.2. Vi khuẩn
Một loại vi khuẩn gram âm khá đặc biệt cũng nhận được nhiều sự quan tâm là
Zymomonas mobilis. Loại vi khuẩn này có khả năng lên men đồng hình sinh ethanol
và chịu được độ nồng độ cồn tới 120 g/l. Vi khuẩn Zymomonas là loại vi sinh vật duy
nhất sử dụng glucose trong điều kiện yếm khí theo con đường Entner-Doudoroff
(ED) trong khi đa số vi sinh vật khác sử dụng con đường Embden-Meyerhof (EM).
Con đường ED tạo ra lượng ATP chỉ bằng một nửa so với EM trên cùng một lượng
glucose và do vậy, Zymomonas tạo ra ít sinh khối hơn và lượng glucose chuyển trực
tiếp thành ethanol cũng cao hơn. Hiệu suất sinh ethanol của Zymomonas khoảng 5 10% cao hơn so với S. cerevisiae trên cùng một lượng glucose lên men. Vi khuẩn Z.
mobilis là loại vi sinh vật không gây độc hại cho con người và không đòi hỏi những
điều kiện nuôi cấy ngặt nghèo như nhiều vi khuẩn khác. Trong những năm 19701980 một số nhà khoa học còn cho rằng Z. mobilis ưu việt hơn so với S. cerevisiae
trong sản xuất cồn. Tuy nhiên, trong thực tế sản xuất S. cerevisiae vẫn là vi sinh vật
được lựa chọn (Lawford HG. Rousseau JD., 2003).
Một trong những khó khăn khi lên men dịch thủy phân sinh khối thực vật là
rất ít vì sinh vật có khả năng lên men xylose (chiếm 20 - 30% lượng đường tạo ra).
Nấm men S. cerevisiae không có khả năng lên men xylose ở các mức độ khác nhau.
Hiện nay nấm men Pachysolen tannophilus đang được sử dụng trong lên men dịch
thủy phân hemicellulose (sản phẩm chủ yếu là xylose) để tạo ethanol. Tuy nhiên nấm
men P. tannophilus không tích lũy được quá 2% ethanol trong canh trường và điều
này là hạn chế rất lớn trong sản xuất. Chính vì những lý do đó hiện nay có nhiều

nhóm nghiên cứu đang tập trung vào cải thiện đặc tính chủng giống theo hướng
chuyển các gen cần thiết cho khả năng lên men xylose vào S. cerevisiase.
Đã có một số thành tựu nhất định đạt được trong lĩnh vực này, tuy nhiên để
tiếp cận được với sản xuất công nghiệp những chủng giống này còn phải có được cải
thiện nhiều hơn nữa. Một trong những hướng nghiên cứu cũng được thực hiện khá
tích cực là tạo những chủng E. coli tái tổ hợp có khả năng lên men đồng thời nhiều
loại đường và phát triển được trên những môi trường có thành phần đơn giản hơn.

Lớp cao học CNTP K810 - ĐHBKHN

14


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Thị Hoa

1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men ethanol
1.4.1. Ảnh hưởng của nguồn cacbon
Carbon là thành phần cơ bản xây dựng nên tế bào nấm men. Carbon có trong
tế bào chất, trong thành tế bào, trong tất cả các phản ứng enzyme, axit nucleic và các
sản phẩm trao đổi chất. Vì vậy, các hợp chất chứa cacbon chiếm vị trí quan trọng
hàng đầu cho sự sống của nấm men, chúng đáp ứng được ba nhu cầu chính sau đây:
i) Sản sinh năng lượng; ii) Tạo thành các tiền chất; iii) Thực hiện các quá trình oxy
hóa khử để biến những tiền chất thành những sản phẩm trung gian hoặc sản phẩm
cuối để xây dựng tế báo hoặc tích tụ trong môi trường.
1.4.2. Ảnh hưởng của nguồn nitơ
Trong quá trình sống, nấm men cũng như tất cả các cơ thể sống kháng ddeeni
cần nitơ để xây dựng tế bào. Hầu hết các thành phần của tế bào đều chứa nitơ
(protein, nucleotide, enzyme…). Các thành phần này được tạo thành nhờ quá trình

trao đổi cacbon và nitơ. Do đó môi trường nuôi cấy nấm men cần phải cung cấp đầy
đủ các hợp chất nitơ mà nấm men có thể đồng hóa. Việc lựa chọn nguồn nitơ sử
dụng cũng hết sức quan trọng, nấm men đồng hóa các muối amoni, urê và nguồn nitơ
hữu cơ đều tương tự nhau và gắn với việc tách NH3 rồi hấp thụ vào tế bào (Nguyễn
Đức Lượng. Nguyễn Phượng Hải., 2000).
1.4.3. Ảnh hưởng của nguồn phosphate
Phosphate đóng vai trò quan trọng trong trao đổi chất của tế bào nấm men.
Phosphate chiếm 1/2 tổng lượng chất tro, nó tham gia chủ yếu vào thành phần của
nhân, hạt nhiễm sắc thể, các enzyme… Các hợp chất hữu cơ quan trọng trong tế bào
là hexo-mono phosphat, axit glycerin phosphat, dihydroxylaceto phosphate, các
nucleic, co-enzyme, riboflavin, phospho-lipid. Vì vậy, trong môi trường nuôi cấy
phải đủ hàm lượng phospho để nấm men phát triển bình thường. Sự thay đổi các hợp
chất phospho của môi trường sẽ dẫn đến sự thay đổi các quá trình tổng hợp một số
thành phần của tế bào có chứa phospho, tế bào chất và nhân. Ngoài ra, phospho trong
môi trường còn có tác dụng điều chỉnh hoạt tính hệ enzyme đồng hóa các hợp chất
cacbon.
Lớp cao học CNTP K810 - ĐHBKHN

15


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Thị Hoa

Nguồn phosphate sử dụng trong nuôi cấy nấm men thường là các hợp chất
phosphate hữu cơ (bã rượu, cao ngô…) và vô cơ (các muối phosphate, môn hoặc di
kali phosphate, amon phosphate, super phosphate…). Nhu cầu về phosphate của nấm
men triển để tạo ra mật độ tế bào cần thiết để đẩy nhanh quá trình khởi động lên men
cũng như rút ngắn thời gian lên men lúc sau. Sau giai đoạn đầu thì sự có mặt của oxy

lại là tác nhân kìm hãm lên men rượu gây giảm hiệu suất.
Đối với quá trình nhân giống (lên men thu sinh khối) sự khuấy trộn hay sục
khí rất có lợi bởi ngoài việc cung cấp oxy cho nấm men nó còn có tác dụng đẩy
nhanh các chất độc hại (sản phẩm trao đổi chất) ra khỏi môi trường. Mặt khác sự đảo
trộn còn có tác dụng giúp tăng cường diện tích tiếp xúc giữa tế bào và môi trường
dịch thể đồng thời ngăn cản sự kết lắng của tế bào. Để thực hiện được điều này,
trong các thiết bị lên men người ta lắp đặt hệ thống các cánh khuấy và hệ thống sục
khí. Không khí trước khi bơm vào nồi lên men phải xử lý để đảm bảo sạch về cơ học
(không bụi) và vô trùng bằng cách cho đi qua hệ thống lọc (màng lọc).
1.4.4. Ảnh hưởng của lượng giống tiếp
Trong sản xuất rượu etylic, lượng men giống thường chiếm 10% tổng thể tích
dịch lên men. Lượng men giống tăng thì quá trình lên men cũng tăng nhưng đến một
giới hạn nào đó thì sự tăng lượng men giống không làm tăng quá trình lên men nữa
mà khi đó sẽ xảy ra sự cạnh tranh của nấm men về môi trường dinh dưỡng. Kết quả
là hiệu suất lên men giảm xuống.
1.5. Hiện trạng về nghiên cứu và sản xuất nhiên liệu sinh học
1.5.1. Nghiên cứu và sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam
Cây trồng cây cung cấp nguyên liệu, sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học
là một vấn đề mới đối với Việt Nam. Vừa qua Bộ Công nghiệp đã xây dựng đề án
Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2020, với mục tiêu sản xuất
xăng E10 và dầu sinh học nhằm thay thế một phần nhiên liệu truyền thống hiện nay.
Theo đề án, trong giai đoạn 2006-2010, Việt Nam sẽ tiếp cận công nghệ sản xuất
nhiên liệu sinh học, xây dựng mạng lưới thí điểm phân phối nhiên liệu sinh học tại

Lớp cao học CNTP K810 - ĐHBKHN

16


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Thị Hoa

một số tỉnh, thành, quy hoạch vùng trồng cây nguyên liệu cho năng suất cao, đào tạo
cán bộ chuyên sâu về kỹ thuật.
Giai đoạn 2011-2015, sẽ phát triển mạnh sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh
học thay thế một phần nhiên liệu truyền thống, mở rộng quy mô sản xuất và mạng
lưới phân phối phục vụ cho giao thông và các ngành sản xuất công nghiệp khác, đa
dạng hóa nguồn nguyên liệu. Đến năm 2020, công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học
ở Việt Nam sẽ đạt trình độ tiên tiến trên thế giới, với sản lượng đạt khoảng 5 tỷ lít
xăng E10 và 500 triệu lít dầu diesel sinh học B10/năm. Theo các chuyên gia, xăng
E10 là xăng pha cồn với hàm lượng cồn tối đa là 10%, đáp ứng hoàn toàn mọi hoạt
động bình thường của ô tô, xe máy. Dầu diesel sinh học luôn được pha trộn vào dầu
DO, với tỷ lệ phổ biến 5-30%, để giảm bớt ô nhiễm môi trường.
Từ tháng 8-2007 một hệ thống sản xuất nhiên liệu sinh học từ dầu ăn phế thải
với công suất 2 tấn/ngày sẽ được triển khai tại Công ty Phú Xương thành phố Hồ Chí
Minh. Dự án được triển khai với nguyên liệu đầu vào từ 4-5 tấn/ngày.Theo ước tính
giá dầu là 7.500 đồng/lít thấp hơn giá bán diesel trên thị trường khoảng 400 đồng/lít.
Bộ Công nghiệp đang triển khai công nghệ sản xuất các loại hóa chất, phụ gia
cần thiết để pha chế nhiên liệu sinh học với xăng. Các đơn vị thuộc bộ sẽ ứng dụng
và làm chủ công nghệ sản xuất các chất phụ gia, chất xúc tác để pha chế xăng với
ethanol và diesel sinh học và diesel khoáng, triển khai sản xuất các hóa chất, phụ gia
cung cấp cho các cơ sở pha chế. Dự kiến năm 2011-2015 mở rộng cơ sở sản xuất phụ
gia và bảo đảm cho nhu cầu trộn xăng E5/E10, dầu B5/B10. Tổng kinh phí dự kiến
cho dự án này là 20 tỷ đồng Việt Nam.
1.5.2. Hiện trạng nghiên cứu và sản xuất nhiên liệu sinh học trên thế giới
Theo thông tin của EU tháng 1-2007 tiêu thụ năng lượng toàn cầu đã tăng lên gấp
đôi, từ 10 tỷ tấn qui ra dầu/năm tăng lên 22 tỷ tấn qui dầu/năm vào năm 2050. Giáo
sư Nghê Duy Đấu, Viện sĩ công trình Đại học Thanh Hoa (Bắc Kinh) cho biết theo
Bộ Năng lượng Mỹ và Ủy ban Năng lượng thế giới dự báo nguồn năng lượng hóa

Lớp cao học CNTP K810 - ĐHBKHN

17


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Thị Hoa

thạch không còn nhiều: dầu mỏ còn 39 năm, khí thiên nhiên 60 năm, than đá 111
năm.
Theo Trung tâm năng lượng ASEAN nhu cầu tiêu thụ năng lượng của khu
vực này năm 2002 là 280 triệu tấn và tăng lên 583 triệu tấn vào năm 2020. Indonesia
là nước có nguồn năng lượng hóa thạch lớn nhất trong các nước ASEAN, tuy nhiên
hiện nay dầu mỏ dự trữ của họ chỉ còn trong 25 năm, khí đốt 60 năm và than đá 150
năm.
Ngày nay do thế giới phụ thuộc quá nhiều vào dầu mỏ và giá dầu biến động
liên tục theo chiều tăng và sự cạn kiệt dần nguồn năng lượng hóa thạch và khí đốt
nên việc tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế là việc làm có tính sống còn trong
những thập kỷ tới, trong đó có năng lượng sinh học. Vậy năng lượng sinh học là gì?
Năng lượng sinh học bao gồm các nguồn năng lượng được sản xuất từ nhiều loại sản
phẩm nông nghiệp khác nhau như thân, cành, vỏ, quả, cây, các sản phẩm dư thừa khi
chế biến nông, lâm sản, gỗ củi, phân gia súc, nước thải và bã phế thải hữu cơ công
nghiệp, rác thải... Vì vậy, năng lượng sinh học là nguồn năng lượng thay thế có thể
tồn tại, tái sinh và điều chỉnh theo ý muốn của con người.
Hiện có 2 dạng năng lượng sinh học chủ yếu là ethanol sinh học và diesel sinh
học. Với nguyên liệu là tinh bột và đường nhờ quá trình phân giải của vi sinh vật có
thể sản xuất ra ethanol, sau đó tách nước bổ sung các chất phụ gia thành ethanol biến
tính gọi là ethanol nhiên liệu biến tính hay cồn nhiên liệu. Diesel sinh học nói riêng

hay nhiên liệu sinh học nói chung là một loại năng lượng tái tạo. Về phương diện hóa
học diesel sinh học là methyl este của axit béo. Dầu diesel sinh học được chế biến từ
dầu thực vật và mỡ động vật. Vì vậy trên thế giới nhiều nước đã tiến hành nghiên
cứu trồng các loài cây nông, lâm nghiệp để cung cấp nguyên liệu sinh học cho chế
biến năng lượng sinh học.
1.5.3 Các nước sản xuất nhiên liệu sinh học
Các nhiên liệu sinh học hiện đang được nhiều quốc gia chú ý đến như là một
giải pháp khả thi để thay thế xăng dầu, vì khủng hoảng năng lượng thường xảy ra,
giá cả leo thang không ngừng và hiện tượng hâm nóng toàn cầu đang được khoa học

Lớp cao học CNTP K810 - ĐHBKHN

18


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Thị Hoa

xác nhận. Từ 1970, Bazil là nước có quyết tâm nhiều hơn hết trong chính sách sản
xuất rượu ethanol để thay thế phần nào xăng dầu sử dụng trong nước. Sau đó, các
nước tiến bộ và các nước đang phát triển tham gia tích cực hơn. Trong năm 2006, 5
nước đứng đầu sản xuất ethanol trên thế giới là Mỹ (4,855 tỉ gallons/year), Brazil
(4,491 tỉ gallons/year), Trung Quốc (1,017 tỉ gallons/year), Ấn Độ (0,502 tỉ
gallons/year) và Pháp (0,251 tỉ gallons/year). Mỗi gallon bằng 3,785 lít. Sản xuất
ethanol tại hai nước Mỹ và Brazil chiếm hơn 90% ethanol thế giới
1.5.3.1. Brazil
Brazil sản xuất ethanol từ mía đường nên hiệu năng năng lượng cao hơn so
với bắp gấp 6 lần, vì bắp cần thêm giai đoạn phân giải tinh bột thành chất đường
trước khi biến chế thành rượu ethanol. Chương trình này được đánh giá thành công

và lớn nhứt thế giới, nay đã cung cấp được 30% nhu cầu nhiên liệu vận chuyển trong
nước. Trước đây, Brazil là một nước nhập khẩu dầu rất lớn, nhưng nay đã tự túc
hoàn toàn về năng lượng, nhờ sản xuất ethanol và số dầu mỏ nội địa (Washington
Post, 2006). Trong năm 2004, nước này sản xuất 16,4 tỉ lít ethanol trên diện tích 2,7
triệu hecta đất đai, hay độ 4,5% diện tích canh tác của nước này. Trong số này, độ
12,4 tỉ lít ethanol được dùng làm nhiên liệu cho xe ô tô. Hiện nay, tất cả xe sản xuất
bản xứ là loại xe dành cho sử dụng xăng pha trộn với ethanol và thích ứng với loại
ethanol có chứa nước đến 4,4% (ethanol 95,6%). Trong 2008, Chính phủ mở rộng
chương trình sản xuất diesel sinh học phải chứa 2% diesel sinh học, và tăng lên 5%
trong 2013.
Tuy nhiên, chương trình sản xuất và tiêu thụ rượu ethanol được thực hiện với
bao cấp lớn của nhà nước dưới hình thức (American Council for an Energy-Efficient
Economy, 1999):
- Lãi suất thấp cho xây cất các nhà máy nấu rượu.
- Bảo đảm giá thu mua ethanol bởi các các công ty dầu quốc doanh với giá hợp lý.
- Giá ethanol ngoài thị trường có sức cạnh tranh cao.

Lớp cao học CNTP K810 - ĐHBKHN

19


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Thị Hoa

Giảm thuế trong thập niên 1980s để khuyến khích loại xe dùng ethanol.
Các biện pháp hỗ trợ giá và bảo đảm nêu trên giảm bớt dần, đến nay đã chấm dứt
hoàn toàn và kết quả rất tích cực. Ở tiểu bang São Paulo đã thiết lập thành công một
trung tâm nghiên cứu và phát triển trồng mía và sản xuất rượu ethanol hiệu quả cao.

1.5.3.2. Hoa Kỳ
Hàng năm Hoa Kỳ tiêu dùng khoảng 142 tỉ gallon xăng dầu và giá cả tăng gia
từ độ 30-40 cent trong đầu 1970s lên 3,5 Mỹ kim/gallon trong tháng 3-2008. Nước
này hiện tiêu thụ độ 25% tổng số dầu thế giới. Cho nên, họ có nỗ lực lớn nhằm thay
thế phần nào loại nhiên liệu chất khoáng này. Hiện nay, hầu hết các loại xe ở nước
Mỹ có thể chạy bằng xăng pha trộn với 10% ethanol được chế tạo từ bắp. Một số
hảng xe như Ford, Daimler-Chrysler và GM đã bán loại xe có thể dùng xăng trộn với
ethanol từ zero đến 85% ethanol (E85). Đến giữa 2006, có đến 6 triệu chiếc xe chạy
E85 (America energy, 2006). Trong 2007, thành phố Portland, bang Oregon là thành
phố đầu tiên bắt buộc tất cả các loại xe chạy trong giới hạn thành phố phải dùng xăng
trộn tối thiểu 10% ethanol (Murphy, 2007)). Kể từ tháng giêng 2008, các bang
Missouri, Minnesota và Hawaii đòi hỏi xe ô tô chạy xăng trộn với ethanol.
Trong tháng 1-2006, trước Quốc hội lưỡng viện, Tổng Thống George W.
Bush tuyên bố Hoa Kỳ “đã nghiện dầu hỏa” nên cần phải thay thế 75% dầu nhập
bằng những nguồn năng lượng hữu hiệu khác vào 2025, gồm cả nhiên liệu sinh học.
Ngày 19-12-2007, (Energy Independence and Security Act of 2007) đòi hỏi những
nhà sản xuất xăng dầu phải dùng ít nhứt 36 tỉ gallons nhiên liệu sinh học trong 2022,
hay tăng gấp 5 lần mức dùng hiện nay.
Chương trình khuyến khích dùng xăng trộn với ethanol ở Mỹ đang bị chỉ trích
vì dựa vào hỗ trợ của nhà nước, làm tiêu thụ nhiều nhiên liệu hơn bình thường. Sự hỗ
trợ này đã khuyến khích nông dân biến đổi đất đai trồng bắp để sản xuất ethanol
đáng kể và sử dụng nhiều phân hóa học và thuốc sát trùng hơn những đất đai dùng
sản xuất các màu khác. Chính phủ Liên bang đã hỗ trợ cho riêng chương trình này 7
tỉ Mỹ kim mỗi năm (tương đương 1,90 Mỹ kim/gallon)! Trong 2007, độ 90% diện
tích màu di truyền biến đổi GM dành cho năng lượng sinh học được trồng ở Mỹ: 7

Lớp cao học CNTP K810 - ĐHBKHN

20

Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Thị Hoa

triệu ha bắp GM cho sản xuất rượu ethanol và 3,4 triệu ha đậu nành dành cho sản
xuất dầu diesel sinh học (James, 2007).
1.5.3.3. Các nước châu Âu
Những nước dùng nhiều nhiên liệu ethanol sinh học trong Liên Âu là Đức,
Thụy Sĩ, Pháp và Tây Ban Nha. Trong 2006, lục địa này sản xuất loại nhiên liệu sinh
học tương đương đến 90% nhu cầu. Đức quốc sản xuất gần 70% nhu cầu, Tây Ban
Nha 60% và Thụy Sĩ 50%. Tại Đức quốc có đến 792 trạm xăng có E85, Pháp 131
E85 và với 550 trạm khác đang được xây cất (EUBIA, 2007). Liên Âu đã thông qua
luật đòi hỏi các nước hội viên phải sử dụng nhiên liệu không có khoáng chất tối thiểu
5,75% tổng số thể tích nhiên liệu tiêu thụ trong năm 2010 và 10% trong 2020. Do đó,
họ có thể thay thế diesel hay xăng bằng bất cứ nguồn nhiên liệu sinh học nào. Hiện
nay, có ít trạm xăng E85 ở nhiều nước Liên Âu. Nhiên liệu sinh học bị đánh thuế
tương đương với xăng khoáng chất.
1.5.3.4. Các nước châu Á
Trung Quốc có chính sách khuyến khích sử dụng nhiên liệu sinh học tại các
vùng sản xuất dư thừa ngũ cốc để giảm bớt dùng xăng dầu. Đầu tiên, nước này chọn
năm thành phố thí điểm ở các vùng trung bộ và đông bắc, gồm có Zhengzhou,
Luoyang and Nanyang ở tỉnh trung bộ Henan và Harbin, Zhaodong ở tỉnh
Heilongjiang ở miền đông bắc. Trong chương trình này, tỉnh Henan đang cổ động
sản xuất nhiên liệu sinh học E10 khắp nơi trong tỉnh, với mục đích làm ổn định giá
ngũ cốc, tăng lợi tức nông dân và giảm ô nhiễm môi trường do xăng dầu gây ra.
Nước này cũng dự tính dùng E15 trong năm 2010.
Ấn Độ phát động chương trình nhiên liệu sinh học với mía đường trên toàn
quốc cho E5, và đặt chỉ tiêu tăng lên E10 và sau đó E20. Ấn Độ cũng mở rộng các
đồn điền trồng cây jatropha, một loại cây sản xuất dầu để sản xuất diesel sinh học.

Thái Lan có một chương trình tham vọng cao khuyến khích dùng xăng trộn với nhiên
liệu sinh học 10% ethanol từ 2007. Cũng vậy, kỹ nghệ dầu cọ có kế hoạch sản xuất
diesel sinh học ở Malaysia và Indonesia.

Lớp cao học CNTP K810 - ĐHBKHN

21


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Thị Hoa

Nhật Bản đang nghiên cứu sử dụng rơm rạ để sản xuất nhiên liệu sinh học.
Việt Nam có vài nỗ lực trong sản xuất các loại nhiên liệu sinh học, nhằm thay thế
phần nào dầu mỏ và tăng an ninh năng lượng trong nước. Vài dự án thành lập nhà
máy sản xuất loại nhiên liệu này đang được xây cất ở tỉnh Quảng Nam, Quảng Ngãi
và Đồng Nai. Tại Quảng Nam, chính quyền tỉnh đang hợp tác với Nhật Bản dự trù
khai triển xây dựng dự án nhà máy sản xuất rượu ethanol, với tiêu thụ nguyên liệu độ
1 triệu tấn sắn/năm và cần khoảng 300.000 ha đất ở các huyện phía tây của tỉnh để
trồng sắn nguyên liệu phục vụ cho nhà máy (Hải - Nguyên, 2008). Một nhà máy sản
xuất bio-ethanol khác tại khu kinh tế Dung Quất, Quảng Ngãi sẽ được xây dựng khai
thác bởi công ty Dịch vụ Dầu khí (Petrosetco) và công ty Bronzeoak (Anh) với tổng
số vốn đầu tư 2.200 tỉ đồng. Nhà máy có công suất 150 triệu lít ethanol/năm, với
nguồn nguyên liệu là sắn lát (A. Phương, 2008).
Đây là một cơ hội tốt cho Việt Nam góp phần vào nỗ lực cải thiện đời sống
nông thôn, xóa đói giảm nghèo và thu hẹp khoảng cách đời sống giữa nông thôn và
thành thị. Cho nên, cần có một chính sách và quy hoạch quốc gia nhằm vừa hỗ trợ
phát triển ngành sản xuất các loại nhiên liệu sinh học, vừa tạo thêm việc làm ở nông
thôn, tăng gia lợi tức nông dân và bảo đảm an ninh năng lượng trong nước. Tuy

nhiên, cần phải nghiên cứu từng vùng sinh thái về đất đai, khí hậu và điều kiện kinh
tế-xã hội để khoanh vùng sản xuất nguyên liệu đầy đủ cho các nhà máy nhiên liệu
sinh học cũng như bảo đảm giá cả đầu ra. Ở đồng bằng sông Cửu Long, cần khuyến
khích nhiều hơn hết về đầu tư sản xuất ethanol dựa vào mía đường, loại ethanol
cellulose dựa vào rơm rạ, thân lúa miến, bắp…, hoặc cây kỹ nghệ, cây ăn quả và các
loại mỡ động vật như mỡ cá chẳng hạn. Các nhà máy đường hiện hữu cần được thêm
chức năng, bằng cách trang bị thêm các công nghệ và thiết bị cần thiết sản xuất
ethanol làm nhiên liệu sinh học.
Ethanol (E) và cả các sản phẩm tái sử dụng của nó được tin tưởng là sự lựa
chọn tốt nhất thân thiện với môi trường. Có thể thấy rằng, vào năm 2010 tổng sản
phẩm E đạt 80 tỷ lít. Ước tính hiện nay có trên 94% sản phẩm nhiên liệu sinh học là
E và phần lớn đi từ đường mía.

Lớp cao học CNTP K810 - ĐHBKHN

22


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Thị Hoa

Theo (Balat et al., 2008) có 60% E sản suất từ cây mía và 40% từ những cây
trồng khác. Brazil và Mỹ là những nước dẫn đầu trong việc khai thác từ cây mía và
hạt ngũ cốc và 70% sản phẩm E toàn thế giới là từ 2 nước này (bảng 1.3).
Bảng 1.3. 10 nước dẫn đầu thế giới về sản lượng E (Tỷ gallons/ năm)
Nước

2004

2005

2006

Mỹ

3.54

4.26

4.85

Brazil

3.99

4.23

4.99

Trung Quốc

0.96

1.00

1.02

Ấn Độ

0.46

0.45

0.50

Pháp

0.22

0.24

0.25

Đức

0.07

0.11

0.20

Nga

0.20

0.20

0.17

Canada

0.06

0.06

0.15

Nam Phi

0.11

0.10

0.10

Thái Lan

0.07

0.08

0.09

Gần đây, ở Mỹ E được sản suất chủ yếu từ đường hạt ngũ cốc còn ở Brazil họ
lên men từ đường Saccaroza, tuy nhiên với mỗi nước đều có nền nông nghiệp khác
nhau và họ sử dụng kỹ thuật khác nhau trong lên men E. Bởi vậy, trong suốt thập kỷ
qua, công nghệ sản suất E từ đường thực vật được phát triển trên qui mô rộng rãi và
nó sẽ phát triển trong những năm tới (Lin và Tanaka, 2006).
Ở Mỹ 90% E được chuyển hoá từ hạt ngũ cốc (de Oliveria et all., 2005). Sản

xuất E ở Mỹ trong năm 2004 là 3.54 tỷ gallon và sang năm 2006 tăng lên 4.85 tỷ
gallon. Ở Brazil hầu hết E sản xuất từ đường mía, ước tính khoảng 40% dùng để
thay thế dầu đốt trong gia đình, ≈ 20% xuất khẩu sang Châu Âu và các thị trường
khác. Quá trình sản xuất E nhiên liệu từ sinh khối thực vật được phát triển rộng rãi ở
Brazil bắt đầu vào năm 1975, trong đó đường mía được sử dụng đặc biệt cho việc
sản xuất nhiên liệu với diện tích sử dụng là 2,7 triệu hecta và có khoảng 350 nhà máy
chưng cất được đưa vào sử dụng cho mục đích này. Theo (Balat et al., 2008) trên
40% tổng sản lượng nhiên liệu cung cấp cho ô tô và thắp sáng.

Lớp cao học CNTP K810 - ĐHBKHN

23


Luận văn thạc sĩ khoa học

Trần Thị Hoa

Sản xuất E có thể thay thế 353 tỷ lít gas (32% tổng lượng gas toàn cầu). Theo
(Kim và Dale, 2004) E sử dụng trong xăng E85 chủ yếu dùng cho xe chở khách loại
nhỏ. E xuất sang Châu Âu 6 tỷ lít trong năm 2006 và 12,7 tỷ lít vào năm 2010, điều
này vẫn không đáp ứng được mức thông dụng sử dụng các sản phẩm của Châu Âu:
2 tỷ lít/ năm (Balat et al., 2008).
1.6. Các lợi ích của nhiên liệu sinh học
Phát triển nhiên liệu sinh học là một trong các biện pháp tốt không những
giúp đối phó với cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới mà còn tạo cơ hội hiếm có
cho cải tiến đời sống nông thôn; nhưng đồng thời cũng có một số vấn đề tiềm ẩn về
khả năng thiếu hụt thực phẩm cho những vùng thiếu đất canh tác, cũng như gây ảnh
hưởng môi trường không kém gì các loại xăng dầu trong quá trình sản xuất. Tuy
nhiên, các vấn đề này hiện đang còn tranh cải trên diễn đàn quốc tế. Các chuyên gia

tin tưởng rằng công nghệ, kỹ thuật và quản lý sản xuất sẽ giúp giải quyết các khó
khăn nêu trên nếu xảy ra.

1.6.1. Giảm bớt dầu nhập
Mục tiêu đầu tiên của các chương trình sản xuất nhiên liệu sinh học là nhằm
giảm bớt hoặc không lệ thuộc hoàn toàn vào dầu nhập, và bảo đảm an ninh năng
lượng quốc gia. Người ta ước lượng nguồn dầu hỏa thế giới chỉ còn có thể sử dụng
trong thế kỷ 21. Hơn nữa, kinh nghiệm thế giới cho thấy mỗi khi giá dầu tăng cao,
vật giá các khâu liên hệ cũng leo thang, ngoại trừ những nước có chính sách hỗ trợ
để ổn định giá cả và thị trường. Nguồn nhiên liệu sinh học còn là nhu cầu cấp bách
tại các nước đang có nền kinh tế phát triển mạnh như Việt Nam. Tình trạng mất quân
bình cung-cầu về năng lượng đang đe dọa sự bành trướng các ngành công kỹ nghệ và
phát triển kinh tế trong nước.
1.6.2. Tạo việc làm mới và nông sản chế biến mới ở nông thôn
Nhiều nhà nghiên cứu tin rằng nhiên liệu sinh học có thể làm giảm mức độ
nghèo khó ở nông thôn nếu có quy hoạch và chương trình thực hiện hữu hiệu, vì tạo
ra nhiều việc làm với nông sản biến chế mới, mở ra kỷ nguyên kinh tế nông thôn

Lớp cao học CNTP K810 - ĐHBKHN

24