Nghiên cứu phân đoạn lignocellulose bã mía bằng axit formic thu nhận cellulose sử dụng làm nguyên liệu sản xuất bioethanol (tt)

MỞ ĐẦU
1.Lý do chọn đề tài
Lignocellulose là loại vật liệu phổ biến nhất trên trái đất và có
chứa hàm lượng cellulose cao (30-50%). Để có thể sử dụng cellulose
cho sản xuất các sản phẩm có giá trị cao như giấy cao cấp, các loại
sợi trắng, cellulose vi tinh thể… cần phải được tách lignin,
hemicellulose, thu riêng cellulose với hàm lượng cao. Đối với sản
xuất bioethanol và các sản phẩm lên men khác từ cellulose, để thủy
phân được, cellulose cần được tiền xử lý, mở cấu trúc cellulose, tạo
điều kiện cho cellulase tiếp cận dễ dàng với cơ chất, đồng thời tách
lignin, hemicellulose, giúp loại bỏ sự ức chế của lignin tới phản ứng
thủy phân cellulose thành đường và giảm sự tạo thành các dẫn xuất
của lignin gây ức chế quá trình lên men sau này. Để đạt được nồng
độ đường cao trong dịch thủy phân, hàm lượng cellulose trong cơ
chất cần được nâng cao tối đa.
Ở Việt Nam, lượng lignocellulose bã mía, phụ phẩm từ sản suất
đường mía ước đạt 6-7 triệu tấn/năm, tập trung ở các nhà máy, là yếu
tố thuận lợi lớn cho sử dụng nguồn sinh khối này. Phân đoạn
cellulose bã mía cho phép thu cellulose có hàm lượng cao có thể
được thủy phân và lên men một cách dễ dàng hoặc sử dụng cho
nhiều mục đích có giá trị khác. Góp phần giải quyết vấn đề này,
chúng tôi tiến hành “Nghiên cứu phân đoạn lignocellulose bã mía
bằng axit formic thu nhận cellulose sử dụng làm nguyên liệu sản
xuất bioethanol”.
2. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Bã mía, cellulose thu nhận từ bã mía
bằng kỹ thuật phân đoạn.
- Phạm vi nghiên cứu: Kỹ thuật phân đoạn cellulose bã mía
bằng axit formic; thủy phân cellulose bã mía phân đoạn thu được,
nghiên cứu lên men ethanol từ cellulose bã mía.
3. Mục tiêu của đề tài

- Xây dựng được quy trình phân đoạn cellulose bã mía bằng axit
formic, thu nhận cellulose sạch (có hàm lượng cao) làm nguyên liệu
cho sản xuất bioethanol.

1


- Nghiên cứu thủy phân và lên men cellulose bã mía phân đoạn
nhằm đạt nồng độ cồn trong dịch lên men cao.
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu phân đoạn bã mía bằng axit formic
+ Khảo sát các điều kiện của quá trình phân đoạn
+ Nghiên cứu tác động đồng thời của các điều kiện phân đoạn
+ Một số tính chất của cellulose bã mía phân đoạn formiline
- Nghiên cứu thủy phân cellulose bã mía phân đoạn bằng axit
formic
+ Ảnh hưởng của nồng độ enzyme, nồng độ bã rắn tới hiệu suất
thủy phân
+ Ảnh hưởng ức chế sự thủy phân cellulose bởi glucose
+ Động học quá trình thủy phân cellulose bã mía phân đoạn thu
được
+ Thủy phân bã mía phân đoạn ở nồng độ bã rắn 20%
- Nghiên cứu lên men ethanol từ cellulose bã mía phân đoạn bằng
axit formic
+ Khả năng lên men dịch thủy phân cellulose bã mía phân đoạn
+ Nghiên cứu nâng cao nồng độ ethanol trong dịch lên men và
hiệu suất thu hồi ethanol từ cellulose bã mía phân đoạn.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học:
+ Các kết quả của luận án bổ sung thêm kiến thức về quá trình

phân đoạn cellulose từ nguyên liệu lignocellulose bằng axit formic.
Luận án cung cấp cơ sở khoa học cho lựa chọn kỹ thuật phân đoạn
bã mía bằng axit formic
+ Cung cấp cơ sở khoa học cho lựa chọn kỹ thuật thủy phân và
lên men ethanol từ cellulose bã mía phân đoạn bằng axit formic đạt
hiệu suất thu hồi ethanol cao.
- Ý nghĩa thực tiễn:
+ Kết quả nghiên cứu cho phép phát triển sản xuất cellulose bã
mía, ứng dụng làm vật liệu và nguyên liệu cho các sản phẩm sinh
học nâng cao giá trị của phụ phẩm bã mía.
+ Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho phát triển công nghệ sản xuất
bioethanol từ bã mía tại Việt nam.

2


6. Đóng góp mới của luận án
- Đánh giá tác động đồng thời của các điều kiện phân đoạn và
xây dựng mô hình ảnh hưởng của các điều kiện phân đoạn đến hiệu
quả phân đoạn cellulose bã mía bằng axit formic, đánh giá ảnh
hưởng của các điều kiện rửa kiềm đến hàm lượng lignin, hiệu suất
thủy phân cellulose bã mía phân đoạn.
- Là nghiên cứu đầu tiên tại Việt Nam sử dụng axit formic để
phân đoạn bã mía thu cellulose. Quá trình phân đoạn bã mía theo chế
độ lựa chọn cho phép thu cellulose có độ sạch 90,02±1,47%, được
thủy phân với hiệu suất 90,04±0,53% glucan; dịch thủy phân được
lên men dễ dàng, hiệu suất lên men đạt 90,34±1,19%.
- Cellulose bã mía phân đoạn được chuyển hóa thành ethanol
đạt hiệu suất thu hồi 81,66 ±1,88%, nồng độ ethanol trong dịch lên
men SSF đạt 82,46±3,42 g/L (>10% v/v), tiếp cận yêu cầu của công

nghiệp sản xuất ethanol.
7. Cấu trúc của luận án
- Chương 1. Tổng quan tài liệu
- Chương 2. Vật liệu, phương pháp nghiên cứu
- Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận
- Kết luận và kiến nghị
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
Sản xuất bioethanol gồm các công đoạn chính: Tiền xử lý sinh
khối lignocellulose, thủy phân cellulose và lên men tạo ethanol. Quá
trình tiền xử lý (TXL) được coi là bước có vai trò quyết định, có tác
động lớn đến tất cả các bước tiếp theo của toàn bộ quá trình. Các
phương pháp TXL đã cho phép thu được cellulose có khả năng được
thủy phân dễ dàng bởi enzyme. Tuy vậy, mỗi phương pháp TXL có
đặc điểm riêng. Một số phương pháp như thủy nhiệt, nổ hơi, TXL
bằng axit, làm làm hòa tan hemicellulose và phá vỡ các liên kết
lignin-carbonhydrate. Bã thu được từ các biện pháp TXL này có hàm
lượng lignin lớn. Biện pháp TXL bằng kiềm cho phép hòa tan và loại
bỏ lignin nhưng làm cắt ngắn và thủy phân lignin tạo thành nhiều sản
phẩm gây ức chế hoạt động của nấm men, hơn nữa khả năng loại bỏ
hemicellulose bởi kiềm cũng hạn chế. Một số phương pháp TXL như
phân đoạn bằng dung môi, TXL bằng dung dịch ion lỏng, có thể giúp

3


hòa tan và loại bỏ hầu như hoàn toàn lignin khỏi cấu trúc của
lignocellulose cho phép thu cellulose với hàm lượng cao nhờ đó cho
phép đạt nồng độ đường cao hơn trong dịch thủy phân, giúp giảm chi
phí quá trình sản xuất nói chung, đặc biệt là chi phí quá trình chưng
cất. Quá trình phân đoạn bằng dung môi, dung môi có thể được thu

hồi và tái sử dụng giúp giảm chi phí sản xuất, thân thiện với môi
trường. Thủy phân cũng là công đoạn có vai trò đặc biệt quan trọng,
để có thể thương mại hóa sản xuất ethanol từ lignocellulose, thủy
phân cần phải tạo được dịch đường có nồng độ đường đủ lớn. Điều
này có thể đạt được dễ dàng với bã có hàm lượng cellulose cao. Lên
men dịch thủy phân cellulose có thể bị ảnh hưởng bởi các chất ức
chế được tạo thành trong quá trình TXL.
Đã có nhiều công trình nghiên cứu phân đoạn bã mía bằng axit
formic đạt được các kết quả khả thi với hiệu suất thu hồi ethanol khá
hấp dẫn, tuy nhiên ảnh hưởng tương tác của các tác nhân và các điều
kiện phân đoạn chưa được làm rõ. Bên cạnh đấy động học của các
quá trình thủy phân và lên men dịch thủy phân cũng như quá trình
lên men và thủy phân đồng thời nguyên liệu này cho mục tiêu thu
nhận ethanol nồng độ cao chưa được khảo sát chi tiết.
CHƢƠNG II. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Vật liệu nghiên cứu
- Bã mía: Bã mía từ nhà máy đường Lam Sơn- Thanh Hóa sấy
đến độ ẩm 8- 10%, nghiền tới 1 mm hoặc 7 mm, tách bỏ phần mùn
vụn.
- Enzyme: NS 22192 của Novozyme, Đan Mạch 160 FPU/ml;
Cellic Ctec 2, Novozyme, 238 FPU/ml
- Nấm men: S. cerevisiae Ethanol Red®, Fermentis, Pháp, hiệu
suất ethanol đạt 94% (0,48g/g glucose).
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp phân tích
- Xác định độ ẩm bã
- Phân tích thành phần bã mía (lignin, carbohydrate)
- Xác định hàm lượng tro
- Xác định chỉ số kết tinh của cellulose
- Chụp FESEM cấu trúc bề mặt bã mía

4


- Xác định hàm lượng formic
- Xác định hàm lượng đường khử bằng Axit dinitrosalicylic
- Xác định hàm lượng glucose
- Xác định hàm lượng xylose, arabinose, galactose
- Xác định hoạt độ FPU
- Xác định hàm lượng ethanol
- Đánh giá sự tăng trưởng của nấm men
2.2.2. Thiết kế thí nghiệm
Phân đoạn: Cân bã (7,5-20%) vào bình TXL hay thiết bị Parr,
bổ sung axit formic (nồng độ 60-80%) đến tổng khối lượng mẫu, đậy
nắp bình TXL. Sau đó, bình TXL được gia nhiệt (90-130ºC) để tiến
hành quá trình phân đoạn, duy trì nhiệt độ yêu cầu trong thời gian
phân đoạn. Kết thúc phân đoạn, mẫu được đem đi tách dịch và rửa
kiềm.
Tách dịch bã phân đoạn: Bã sau phân đoạn nguội hoặc có nhiệt
độ 80ºC được để thoát dịch tự nhiên, ly tâm hay ép vắt đến để tách
loại dịch TXL, rửa bằng nước về pH 7 rồi ép vắt đến độ ẩm 70-73%.
Rửa kiềm bã phân đoạn: Bã sau tách dịch được trộn với dịch
kiềm 0,5% với tỉ lệ bã/dịch kiềm 1/15 hay sử dụng tỉ lệ NaOH/ bã
khô 0,05 hoặc 0,1 g/g, tỉ lệ bã/nước rửa 1/10, xử lý ở nhiệt độ và thời
gian cần thiết rồi xay bã bằng máy xay dao cắt Philips HR2001 với
thời gian 1 phút để cắt nhỏ bã. Bã sau đó được rửa lại bằng nước về
pH 7, ép vắt đến độ ẩm 70-73%.
Thủy phân: Cân bã mía ướt thu được sau phân đoạn đã biết độ
ẩm vào bình thủy phân. Thêm đệm citrate (0,1 M, pH 4,8), 2% dung
dịch 2% sodium azide hoặc 0,01% chloramphenicol theo thể tích (để

ức chế vi sinh vật), nước theo yêu cầu. Đưa bình thủy phân vào tủ ổn
nhiệt, lắc 150 vòng/phút trong 30 phút để nâng nhiệt độ dịch thủy
phân lên nhiệt độ thủy phân (30-50ºC) rồi cho enzyme (5-64 FPU/g
bã khô), thủy phân tiến hành trong thời gian 72-96 giờ.
Lên men dịch thủy phân: Dịch thủy phân được thanh trùng
(110ºC, 30 phút), để nguội về nhiệt độ phòng rồi bổ sung dinh dưỡng
nấm men và 0,01% chloramphenicol theo thể tích để ức chế phát
triển của vi khuẩn. Bổ sung nấm men S. cerevisiae (Ethanol Red®)
(2 g/L) đã hoạt hóa với nước vô trùng. Lên men được thực hiện ở
nhiệt độ 30ºC trong 72h.

5


Thủy phân và lên men đồng thời (SSF) với một bƣớc tiền
thủy phân: Cho bã mía ướt (20% w/v) vào bình thủy phân. Bổ sung
dinh dưỡng và thanh trùng ở 121ºC trong 20 phút. Làm nguội về
nhiệt độ phòng rồi bổ sung chloramphenicol, enzyme (30 FPU/g bã
khô), đệm citrat (0,1M, pH 4,8). Tiền thủy phân được thực hiện ở
50ºC trong thời gian 6h hoặc 24h trong thiết bị thủy phân khuấy, tốc
độ khuấy 90 v/ph để hóa lỏng mẫu. Sau đó, bổ sung nấm men S.
cerevisiae (Ethanol Red®) (đã hoạt hóa với nước vô trùng). SSF được
thực hiện ở nhiệt độ 30ºC hoặc 37ºC. Sau 24h, SSF được chuyển
sang thực hiện trong tủ ổn nhiệt, tốc độ lắc 150 v/ph cho đến 96h.
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. Phân đoạn cellulose bã mía bằng axit formic
3.1.1. Thành phần bã mía nghiên cứu
Kết quả phân tích thành phần bã mía cho thấy, bã mía sử dụng
có thành phần: cellulose 39,91 ± 2,65%, hemicellulose 24,15 ±
2,97%, lignin 29,07 ± 1,44 % trong đó lignin tan trong axit 5,32 ±

0,2%.

Hàm lượng
glucan (%)

100
50

76.71

63.92

86.4
56.79

90.64
67.44

33.17

0
90
110
121
Nhiệt độ (0C)
Hàm lượng Glucan (%)

100
73.9780
60

40
20
0

Tỉ lệ lignin
loại bỏ (%)

3.1.2. Ảnh hưởng của các điều kiện phân đoạn đến hàm lượng
glucan bã sau phân đoạn và tỷ lệ lignin loại bỏ
3.1.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ

130
Tỉ lệ lignin loại bỏ (%)

Hình 3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng phân đoạn cellulose bã mía
bằng axit formic.
(Thí nghiệm được thực hiện với axit formic 70%, thời gian 60 phút.)

Nhiệt độ có ảnh hưởng mạnh tới hàm lượng glucan bã sau phân
đoạn và tỉ lệ lignin loại bỏ. Tỷ lệ lignin loại bỏ tăng mạnh hơn khi
nhiệt độ tăng từ 110ºC lên 121ºC (tăng tương ứng 9,69 và 10,56%) so
với khi nhiệt độ tăng từ 121ºC lên 130ºC (tăng tương ứng 4,24 và
6,53%).
3.1.2.2. Ảnh hưởng của thời gian phân đoạn

6


100
80

60
40
20
0

83.58

86.4

68.59

80
60
40
20
0

89.76 72.3

67.44

Tỉ lệ lignin
loại bỏ (%)

Hàm lượng
glucan (%)

Thời gian có ảnh hưởng không lớn tới kết quả phân đoạn. Thời
gian từ 10 tới 90 phút hàm lượng glucan và tỉ lệ lignin loại bỏ tăng
đáng kể từ 83,58 và 68,59% lên 89,76 và 72,3%. Tuy nhiên thời gian

phân đoạn tăng từ 10 lên 60 phút, kết quả khác biệt không nhiều.

10
60
90
Thời gian phân đoạn (phút)
Hàm lượng Glucan (%)
Tỉ lệ lignin loại bỏ (%)

Hình 3.2. Ảnh hưởng của thời gian tới khả năng phân đoạn cellulose bã
mía bằng axit formic
(Thí nghiệm thực hiện với axit formic 70%, nhiệt độ 121ºC)

3.1.2.3. Ảnh hưởng của kích thước bã
Kích thước bã có ảnh hưởng không rõ ràng tới kết quả phân
đoạn. Tăng kích thước bã nguyên liệu từ 1mm lên 7mm làm hàm
lượng glucan giảm nhẹ từ 86,60% còn 84,51%. Trong khi đó, tỉ lệ
lignin loại bỏ lại tăng nhẹ từ 67,38% lên 71,30%.
3.1.2.4. Ảnh hưởng của khuấy trộn
Khuấy trộn có ảnh hưởng không rõ ràng tới hiệu quả phân đoạn.
Hàm lượng glucan bã có xu hướng tăng nhẹ khi tăng tốc độ khuấy
trộn, tuy nhiên mức tăng không đáng kể. Trong khi đó mức loại bỏ
lignin lại cho thấy xu hướng giảm nhẹ khi tăng tốc độ khuấy.

100
80
60
40
20
0

81.9

86.4

90.56 84.58

67.44

61.97

60
70
Nồng độ formic (%)
Hàm lượng Glucan (%)

100
80
60
40
20
0

Tỉ lệ lignin
loại bỏ (%)

Hàm lượng
glucan (%)

3.2.2.5. Ảnh hưởng nồng độ formic

Tăng nồng độ formic dùng cho phân đoạn, hàm lượng glucan bã
phân đoạn và tỉ lệ lignin loại bỏ tăng.

80
Tỉ lệ lignin loại bỏ (%)

Hình 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ formic tới khả năng phân đoạn cellulose bã mía
Lignin hòa
tan (g/L)

(Phân đoạn thực hiện ở nhiệt độ 121ºC trong thời gian 60 phút.)
160
120
80
40
0

72.4

71.64
62

103.8

66
70
74
78
Nồng độ formic (%)

135.34

82

Hình 3.4. Khả năng hòa tan lignin bã mía thu hồi từ dịch phân đoạn trong
axit formic ở các nồng độ formic khác nhau

7


Khả năng hòa tan lignin chịu ảnh hưởng lớn bởi nồng độ formic.
Tăng nồng độ formic trong khoảng từ 70 đến 80%, khả năng hòa tan
lignin tăng mạnh.
Kết quả khảo sát cho thấy các điều kiện quá trình phân đoạn
bao gồm nhiệt độ, nồng độ formic, thời gian phân đoạn có ảnh
hưởng ở mức có ý nghĩa đến khả năng phân đoạn bã mía bởi axit
formic. Kích thước bã và mức độ khuấy trộn không có ảnh hưởng rõ
ràng đến hiệu quả phân đoạn. Các kết quả này được sử dụng cho lựa
chọn các thông số khảo sát cho nghiên cứu tác động đồng thời của
các điều kiện quá trình phân đoạn bã mía bằng axit formic.
3.1.3. Nghiên cứu tác động đồng thời của các điều kiện phân đoạn
cellulose bã mía bằng axit formic theo phương pháp formiline
Bố trí thí nghiệm và kết quả trình bày ở Bảng 3.1.
Bảng 3.1. Bố trí các điều kiện thí nghiệm và kết quả hàm lượng glucan, hàm
lượng lignin và hiệu suất thủy phân bã thu được sau phân đoạn formiline
Thí
nghiệm

Điều kiện phân đoạn
Nhiệt Nồng độ

Thời
độ
formic.
gian
(°C)
(% w/w) (phút)

14
11
17
16
2
3
6
13
9
1
15
4
7
8
5
12
10

90
90
110
130
130

90
110
110
110
110
110
130
90
90
110
130
130

60
60
60
60
60
70
70
70
70
70
70
70
80
80
80
80
80

10
90
50
10
90
50
10
50
50
50
90
50
10
90
50
10
90

A1

Mã hóa
B2 C3

-1
-1
0
1
1
-1

0
0
0
0
0
1
-1
-1
0
1
1

-1
-1
-1
-1
-1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1

-1
1
0
-1
1
0
-1
0
0
0
1
0
-1
1
0
-1
1

Thông số đánh giá
HL
Hàm
Hiệu suất
Glucan
lượng
thủy phân
(%)
lignin
Glucan
(%)
(%)

50.82
58.86
77.31
83.14
82.73
63.92
72.14
79.56
77.33
76.71
79.07
91.23
64.80
73.18
85.88
86.51
92.28

26.76
22.65
13.50
11.40
9.47
19.38
15.66
13.40
11.07
12.53
12.40

8.58
21.52
17.26
9.54
6.73
5.39

10.89
16.83
54.55
72.51
65.24
24.36
44.69
54.40
55.20
55.07
61.34
73.11
31.58
47.08
77.92
90.59
91.44

1: Nhiệt độ phân đoạn; 2: Nồng độ formic; 3: Thời gian phân đoạn

Kết quả phân tích ANOVA bởi phần mềm Design expert theo
mô hình bề mặt đáp ứng, xây dựng được mô hình phụ thuộc của các

8


yếu tố đánh giá vào các yếu tố khảo sát (Bảng 3.2). Mô hình xây
dựng được có độ tin cậy cao (R2 0.98), thích ứng tốt cho dự kiến kết
quả đạt được theo các điều kiện cụ thể (Predict R20.91).
Bảng 3.2. Các mô hình phụ thuộc của hàm lượng glucan, hàm lượng lignin và
hiệu suất thủy phân cellulose bã mía phân đoạn vào nhiệt độ, nồng độ formic và
thời gian phân đoạn xây dựng bởi phần mềm Design expert
Phương trình mô hình hồi theo các yếu tố nghiên cứu:

R2

Hàm lượng lignin (Lignin %) = 12.14 – 6.6*A –
2.33*B -1.49*C + 1.52*A2 + 1.57*C2
Hàm lượng glucan (Glucan %) = 78.85 + 12.43*A +
4.98*B + 2.87 C - 1.92*A*B - 4.5*C2
Hiệu suất thủy phân glucan (Hiệu suất thủy phân %) =
55.28 + 26.22* A + 11.86*B + 3.17*C – 3.48*A*C –
9.4*A2 + 8.1*B2

0.98

Adjust
R2
0.97

Predict
R2
0.95

0.99

0.97

0.91

0.99

0.98

0.93

A= nhiệt độ; B= nồng độ formic; C=thời gian. R2= bình phương sai số của mô hình xây dựng
được. Adjust R2= bình phương sai số mô hình cho các điểm thêm vào trong phạm vi khảo sát.
Predict R2= cho thấy mức chấp nhận với các dữ liệu dự đoán mới của mô hình[153].

A

B

C

D

E

F
Hình 3.5. Đồ thị bề mặt 3D biểu diễn ảnh hưởng của các điều kiện phân
đoạn tới hiệu quả phân đoạn

9


(Hàm lượng lignin bã-Lignin (%)(A, B), hàm lượng glucan -Glucan (%)(C, D), và hiệu suất
thủy phân glucan- Hiệu suất thủy phân (%)(E, F)bã mía phân đoạn formiline)

Kết quả ở Bảng 3.1, phân tích trên mô hình xây dựng được
(Bảng 3.2) và đồ thị Hình 3.5 cho thấy, trong phạm vi nghiên cứu,
nhiệt độ, nồng độ formic là hai thông số ảnh hưởng mạnh nhất, tỉ lệ
nghịch hàm lượng lignin bã và tỉ lệ thuận với hàm lượng glucan, hiệu
suất thủy phân cellulose bã.
3.1.4. Một số tính chất của cellulose bã mía phân đoạn formiline

Hàm lượng lignin (%)

CrI (%)

80
60
40
20
0

30

R² = 0.9877

20
10

R² = 0.8193

Hàm lượng
lignin (%)

Chỉ số kết tinhCrI (%)

3.1.4.1. Chỉ số kết tinh cellulose, hàm lượng lignin bã
Chỉ số kết tinh phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ với sai số
R2=0,9877 cho thấy nhiệt độ có vai trò quan trọng, quyết định chỉ số
kết tinh cellulose bã sau phân đoạn. Tăng nhiệt độ TXL giúp giảm
chỉ số kết tinh cellulose thu được.
Hàm lượng lignin còn lại cũng có quan hệ tuyến tính với nhiệt
độ phân đoạn, R² = 0,8193.

0
80

90

100
110
120
Nhiệt độ phân đoạn (oC)

130

140

Hình 3.6. Mối liên hệ giữa chỉ số kết tinh cellulose, hàm lượng lignin bã
mía phân đoạn formiline với nhiệt độ phân đoạn

3.1.4.2. Mức formyl hóa cellulose
Các mẫu bã mía phân đoạn được rửa kiềm đều đạt hiệu suất khử
formin hóa 100%. Để khử formin hóa hoàn toàn, rửa kiềm có thể
thực hiện với chế độ NaOH 0,05g/g, 105°C trong 60 phút hay NaOH
0,1g/g, 80°C trong 3 phút
3.1.4.3. Đánh giá cấu trúc bề mặt cellulose thông qua phân tích hình
ảnh FESEM
Sau quá trình phân đoạn, thành phần vô định hình trên bề mặt
được giảm đi giúp bề mặt sợi cellulose trở lên nhẵn hơn.
3.1.5. Mối liên hệ của hàm lượng lignin, chỉ số kết tinh cellulose
tới khả năng thủy phân cellulose bã mía phân đoạn
Hiệu suất thủy phân có quan hệ tỉ lệ nghịch với hàm lượng
lignin, R2=0,9668 (Hình 3.7A), cho thấy hàm lượng lignin có ảnh

10


R² = 0.8676

80
60

R² = 0.9668

40
20

0
10
20
30
Hàm lượng lignin (%)
Hs thủy phân glucane (%)
Chỉ số kết tinh- CrI

Hiệu suất thủy
phân (%)

100
80
60
40
20
0

Chỉ số kết tinhCrI (%)

Hiệu suất thủy
phân glucan (%)

hưởng quyết định đến hiệu suất thủy phân. Trong mối quan hệ tương
tác với lignin, chỉ số kết tinh có ảnh hưởng không rõ ràng đến hiệu
suất thủy phân (R2=0,722) (Hình 3.7B). Chỉ số kết tinh có quan hệ
lỏng lẻo hơn với hàm lượng lignin (R2=0,8676).

0

A.

100
80
60
40
20
0

R² = 0.722

40

B.

50
60
Chỉ số kết tinh (CrI %)

70

Hình 3.7. Tương quan giữa hàm lượng lignin- chỉ số kết tinh và khả năng thủy phân
bã mía phân đoạn.
A) mối liên hệ hàm lượng lignin với chỉ số kết tinh, hiệu suất thủy phân, B) mối liên hệ chỉ số
kết tinh với hiệu suất thủy phân

3.1.6. Chế độ phân đoạn bã mía bằng axit formic
3.1.6.1. Lựa chọn chế độ phân đoạn bã mía bằng axit formic
Vùng mục tiêu

Hình 3.8. Đồ thị bề mặt 2D biểu diễn mối liên hệ giữa điều kiện phân đoạn
với kết quả phân đoạn
Quan hệ giữa nhiệt độ(tempºC), nồng độ formic(FA %) với A) hàm lượng lignin bã -Lignin (%),
hàm lượng glucan bã -Glucan (%), và hiệu suất thủy phân glucan- Hiệu suất thủy phân (%) tại
thời gian phân đoạn 60 phút bởi phần mềm Design Expert.

Có thể lựa chọn phương án phân đoạn dựa trên các mục tiêu
hàm lượng glucan bã, hàm lượng lignin còn lại hay mục tiêu thủy
phân glucan (Hình 3.8). Trong luận án này, mục tiêu là thu bã có
hàm lượng cellulose (glucan) cao nhằm cho phép bã thu được có thể
được ứng dụng cho các mục đích khác nhau, đồng thời nghiên cứu
thủy phân, lên men ethanol đạt nồng độ cao. Theo đó, hàm lượng
glucan cần đạt được ≥90%.

11


Bảng 3.3 Một số phương án phân đoạn theo mục tiêu 90% glucan được đưa ra bởi
phần mềm Design Expert
Phương
án

Nhiệt độ
(°C)

Nồng độ
formic.
(%) w/w

Thời

gian
(phút)

HL Glucan
(%)

Hàm lượng
lignin (%)

Hiệu suất
thủy phân
Glucan (%)

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

129,44
125,00
121,11
121,13
120,81
129,77

121,26
130,00
129,97
130,00

80,00
80,00
80,00
80,00
80,00
77,12
78,10
75,01
72,14
72,82

21,55
30,24
86,53
40,92
42,07
90,00
59,73
81,49
53,50
45,04

90,00
90,00
90,00

90,00
90,00
90,00
90,00
90,00
90,00
89,89

6,21
6,37
6,76
6,58
6,60
6,60
6,71
6,67
6,89
6,91

90,93
89,44
88,81
87,90
87,77
84,09
84,07
80,24
76,87
77,88

Các phương án được đề xuất ở Bảng 3.3 cho thấy, ở khoảng
nhiệt độ thấp nhất, vùng121°C, với nồng độ formic 80%, hàm lượng
glucan đạt 90% và hiệu suất thủy phân theo lý thuyết đạt khá cao
(87,90% - 88,81%); khi nồng độ formic giảm, hiệu suất thủy phân
giảm rõ rệt. Thời gian cho phân đoạn có ảnh hưởng không lớn đến
kết quả phân đoạn. Tuy nhiên khi thời gian tăng từ 40,92 đến 86,53
phút, hiệu suất thủy phân tăng từ 87,90 lên 88,1%. Mức tăng này là
không nhiều và thời gian gần 90 phút là khá dài đối với quá trình
phân đoạn, gây tốn kém nhiên liệu thực hiện quá trình. Vì vậy chúng
tôi lựa chọn thời gian 40-60 phút để thực nghiệm quá trình phân
đoạn. Trên cơ sở các phương án đề xuất, các kết quả thí nghiệm đã
thực hiện, mục tiêu nghiên cứu v.v., chúng tôi lựa chọn phương án
phân đoạn tại nhiệt độ 121ºC, nồng độ formic 80%, thời gian 40-60
phút để phân đoạn bã mía thu nhận cellulose sử dụng cho các nghiên
cứu tiếp của đề tài. Tính theo mô hình (Bảng 3.2), kết quả dự kiến
đạt được hàm lượng glucan 90%, hàm lượng lignin còn lại 6,37% và
hiệu suất thủy phân 72 giờ 87,13% với thời gian phân đoạn 60 phút.
Tiến hành thực nghiệm phân đoạn bã mía theo chế độ này, bã thu
được có hàm lượng glucan 90,02±1,47%, lignin 6,43±0,32%, hiệu
suất thủy phân 90,04 ± 0,53%,tương tự với kết quả dự đoán. Mô hình
xây dựng được có ý nghĩa thực tiễn cao.

12


100
80
60
40
20

0

24
48
Thời gian (h)
HSTP Avicel (%)
HSTP Bã thô (%)
HSTP Bã TXL (%)

A.

90.04
71.12

83.73
64.16

72.55
46.38

Tốc độ thủy phân
(g/L*h)

Hiệu suất thủy phân
(%)

3.1.6.2. Khả năng thủy phân bã mía phân đoạn ở chế độ phân đoạn
lựa chọn

72

Tốc độ TP Avicel (g/L*h)
Tốc độ TP bã thô (g/L*h)
Tốc độ TP bã TXL (g/L*h)

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
24

B.

48
Thời gian (h)

72

Hình 3.9. Khả năng thủy phân cellulose bã mía bởi NS 22192 A) Hiệu suất
thủy phân B) Tốc độ thủy phân theo thời gian

Bã mía TXL formiline có khả năng được thủy phân tốt, tốc độ
thủy phân, hiệu suất thủy phân đạt cao hơn rõ ràng so với Avicel. Bã
mía chưa qua phân đoạn hầu như không có khả năng thủy phân bởi
enzyme.
3.1.7. Ảnh hưởng của rửa kiềm tới chất lượng cellulose bã phân
đoạn bằng axit formic

Hiệu suất thủy
phân Glucane (%)

Lignin còn lại (%)
100
80
60
40
20
0

HS thủy phân glucan (%)
92.8450
91.51
87.88

84.39
47.45
20.44

13.76

8.08

8.47

6.11

4.98

ĐC-/rửa
nước

Rửa nước

5

30

60

120

0
Thời gian rửa kiềm (phút)

Hàm lượng lignin
còn lại (%)

3.1.7.1. Ảnh hưởng của thời gian rửa bã với kiềm tới khả năng loại
bỏ lignin và thủy phân bã sau xử lý
Rửa bã với kiềm trong các khoảng thời gian rửa khác nhau từ 5120 phút, hàm lượng lignin giảm từ 20,44% còn 8,08 - 4,98 %, được
thủy phân với hiệu suất tương ứng 84,39 - 92,84 %.
Rửa bã sau phân đoạn với kiềm giúp loại nhanh phần lignin đã
tách ra trong quá trình phân đoạn (bị kết tủa khi nhiệt độ, nồng độ
formic giảm, bám trên bề mặt sợi cellulose). Thời gian thích hợp cho
xử lý với kiềm là 60 phút.

Hình 3.10. Ảnh hưởng của thời gian rửa kiềm đến hàm lượng lignin còn lại
và khả năng thủy phân bã mía sau xử lý

(NaOH 0,1g/g bã, nhiệt độ rửa kiềm 105ºC )

3.1.7.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ quá trình rửa kiềm tới khả năng loại
bỏ lignin và thủy phân bã sau xử lý

13


Rửa kiềm được tiến hành ở nhiệt độ khác nhau từ 60-121ºC.
hàm lượng lignin giảm từ 20,44% còn 7,49-5,68% ứng với hiệu suất
thủy phân đạt 82,42-94,24%.
HS thủy phân glucan (%)
82.42
20.44

13.76

47.45
7.49

94.2450

90.10

88.90

87.78

6.55

6.11

6.18

5.68

80

105

110

121

0
ĐC/rửa Rửa nước
nước

60

Hàm lượng lignin
còn lại (%)

Hiệu suất thủy
phân Glucane (%)

Lignin còn lại (%)
100
80
60

40
20
0

Nhiệt độ rửa kiềm (0C)

Hình 3.11. Ảnh hưởng của nhiệt độ quá trình rửa kiềm đến hàm lượng
lignin còn lại và khả năng thủy phân bã mía sau xử lý
(NaOH 0,1g/g, thời gian rửa kiềm 60 phút )

Hiệu quả rửa kiềm đạt cao ở 60ºC cho thấy rửa kiềm bã sau
phân đoạn bằng axit formic khác biệt với quá trình TXL bằng kiềm
thông thường, dễ dàng loại bỏ phần lignin đã tách ra từ quá trình
phân đoạn. Nhiệt độ thích hợp cho rửa kiềm bã sau phân đoạn bằng
axit formic trong khoảng 80-105ºC.
3.1.7.3. Ảnh hưởng tỉ lệ rắn lỏng dùng cho quá trình rửa kiềm đến
hàm lượng lignin bã
Trong khoảng thí nghiệm, sự thay đổi tỉ lệ rắn/ lỏng không ảnh
hưởng nhiều đến khả năng loại bỏ lignin của bã. Sau rửa kiềm, hàm
lượng lignin còn lại giảm từ 20,44% ở đối chứng còn 5,34 đến 6,11%.
Quá trình xử lý bã với kiềm có thể thực hiện ở tỉ lệ nước rửa/bã rắn
bằng 1/3.

Hàm lượng
glucan(%)
Hàm lượng
lignin (%)

3.1.7.4. Ảnh hưởng của chế độ tách dịch và tỉ lệ NaOH dùng cho rửa
kiềm bã mía phân đoạn đến hàm lượng lignin, hàm lượng glucan bã

Chế độ tách dịch sau phân đoạn khác nhau có ảnh hưởng lớn
đến hàm lượng lignin còn lại trong bã. Tách dịch bã sau phân đoạn
bằng ép vắt nóng ở 80ºC là giải pháp hiệu quả.
Giảm hàm lượng lignin trước rửa kiềm cho phép giảm hàm
lượng kiềm sử dụng.

A.

100
80
60
40
20
0

74.66

73.79

81.39

67.64
39.91

16.67

17.42

13.76

20.44

Ly tâm 20 phút Ly tâm 2 phút Vắt ép nóng
Để ráo
(W 66,87%)
(W 71,67%)
(W 68,99%)
(W 83%)
Chế độ vắt
Glucan (%)
Lignin còn lại (%)

14

29.07
Bã nguyên liệu


20,44
13,76
Hàm lượng lignin trước rửa (%)
Hàm lượng glucan (%)
Hàm lượng lignin (%)

Hàm lượng (%)

8
6
4.47 4
2

0
93.21

6.11
89.93

Hàm lượng lignin
(%)

Hàm lượng
lglucan (%)

94
92
90
88
86

30

Lignin trước rửa kiềm (g/L)
Lignin sau rửa kiềm (%)

20.44

20

13.76
7.49

10

6.57

0
0.1

0.05

Tỷ lệ NaOH sử dụng (g/g bã khô)
B.
C.
Hình 3.12. Ảnh hưởng của chế độ tách dịch đến hàm lượng lignin trong bã
sau phân đoạn và lượng NaOH cần dùng cho rửa kiềm

A) Ảnh hưởng của chế độ tách dịch đến hàm lượng lignin sau phân đoạn (Phân đoạn được
thực hiện ở nhiệt độ 121°C, thời gian 60 phút, axit formic nồng độ 80%); B) Ảnh hưởng của
hàm lượng lignin sau phân đoạn đến hàm lượng lignin sau rửa kiềm (NaOH 0,1 g/g bã khô,
nhiệt độ 105°C, thời gian 60 phút), C) (NaOH 0,1 g/g và 0,05 g/g bã khô, nhiệt độ 60°C, thời
gian 30 phút)

Hàm lượng glucan
(%)
Hàm lượng lignin
(%)

3.1.8. Phân đoạn cellulose bã mía bằng axit formic ở nồng độ bã
rắn cao
Kết quả hàm lượng lignin, hàm lượng glucan ở các mẫu phân
đoạn với nồng độ bã rắn 10, 15 và 20% khác biệt không nhiều và

tương tự như ở đối chứng sử dụng 7,5% bã rắn (Hình 3.13). Quá
trình phân đoạn hoàn toàn có thể thực hiện ở nồng độ bã cao tới 20%.
100
80
60
40
20
0

Glucan TB (%)
90.02

6.11
7,5%

HL Lignin còn lại (%)
88.28

88.70

6.81

7.54

10%
15%
Nồng độ bã TXL

89.16

7.40
20%

Hình 3.13. Hàm lượng lignin, hàm lượng glucan bã phân đoạn ở các nồng
độ bã rắn khác nhau

Hiệu suất thu hồi
(%)

(Phân đoạn ở nhiệt độ 121ºC, 60 phút. axit formic nồng độ 80%. Tách dịch bằng ép vắt nóng ở
80ºC về độ ẩm 71-72%, rửa bã với kiềm tỉ lệ 0,05g NaOH/g bã khô, nhiệt độ 105ºC,
thời gian 60 phút).
100
80
60
40
20
0
Bã thu hồi sau rửa kiềm
Tỷ lệ thu hồi bã (%)
Hiệu suất thu hồi glucan (%)

Hình 3.14. Tỉ lệ thu hồi bã và glucan bã mía phân đoạn formiline
(Phân đoạn 15% bã rắn sử dụng axit formic 80%, 121ºC, 60 phút. Tách dịch bằng ép vắt nóng ở 80ºC về độ
ẩm khoảng 71-72%, rửa bã với kiềm tỉ lệ 0,05g NaOH/g bã khô, nhiệt độ 105ºC, thời gian 60 phút).

15


Quá trình phân đoạn ở điều kiện này không làm thủy phân đáng

kể cellulose, tỉ lệ thu hồi bã sau rửa kiềm đạt 45,01 ± 0,42%, lượng
glucan được thu hồi 97,00 ± 0,91%.
Từ các kết quả nghiên cứu, quy trình phân đoạn và rửa bã có
thể được mô tả như sau:
Bã mía
(nồng độ bã 20%, độ ẩm bã 9-10%)
Phân đoạn
(nồng độ bã rắn 20%, axit forrmic 80%, 1210C, 60 phút)
Tách dịch
(ép vắt nóng ở 80ºC, độ ẩm bã 68-69%)
Rửa nước (pH 7)
Rửa kiềm
(tỉ lệ NaOH 0,05g/g bã, tỉ lệ bã/nước 1/3, 1050C, 60 phút)
Rửa nước (pH 7)
Bã phân đoạn
(hàm lượng glucan 89,16 ± 1,45 %, hàm lượng lignin 7,40 ±
1,29%, và không chứa hemicellulose)
3.1.9. Khả năng thu hồi các thành phần từ dịch phân đoạn
cellulose bã mía bằng axit formic

Hàm lượng dịch
TXL (g/L)
Tỉ lệ tổng đường
hòa tan (%)
Tỉ lệ tổng…

3.1.9.1. Thành phần chất tan của dịch phân đoạn cellulose bã mía
bằng axit formic
100
80

60
40
20
0
Lignin hòa tan
Đường khử
Tỉ lệ (%)

Glucose
Hàm lượng (g/L)

Hình 3.15. Thành phần chất tan dịch phân đoạn 15% bã mía bằng axit
formic

16


Dịch phân đoạn 15% bã rắn chứa hàm lượng đường khử 37,03
g/L, tương ứng với 26,83% chất khô bã sử dụng cho quá trình phân
đoạn.
Hàm lượng lignin hòa tan trong dịch TXL sau khi trung hòa về
pH 7 là 4,13 g/L, chiếm 18,18% lượng lignin trong dịch phân đoạn.
Tương ứng, có 81,82% lượng lignin trong dịch phân đoạn có thể
được kết tủa và tách ra.
3.1.9.2. Khả năng thu hồi lignin từ dịch phân đoạn bã mía bằng axit
formic
Lượng lignin có thể được tách ra khỏi dịch phân đoạn bằng pha
loãng tới 71,05% sử dụng dịch NaOH 10% với tỷ lệ pha loãng 1,5
lần so với dịch TXL và tới 56,58% với pha loãng bằng nước ở tỷ lệ
pha loãng 4 lần.

3.2. Thủy phân cellulose bã mía sau phân đoạn bằng axit formic
3.2.1. Một số đặc điểm của chế phẩm enzyme NS 22192
3.2.1.1. Khả năng thủy phân cellulose bã mía của chế phẩm NS
22192
Chế phẩm enzyme NS 22192 có khả năng thủy phân tương
đương chế phẩm thương mại Ctec2.
3.3.1.2. Độ bền hoạt tính enzyme theo thời gian
Hoạt tính enzyme được duy trì tốt trong quá trình thủy phân,
chu kỳ bán hủy của enzyme là 215 giờ. Như vậy sự giảm hoạt tính
enzyme có ảnh hưởng không nhiều đến kết quả thủy phân.

Hiệu suất thủy
phân glucan (%)

3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme đến hiệu suất thủy phân
cellulose bã mía phân đoạn
150
84.35

100

89.49

90.72

40

50

63.29

50

23.82
5.59

0
5

10

20
30
Enzyme (FPU/g bã khô)

Hình 3.16. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme tới hiệu suất thủy phân
cellulose bã mía phân đoạn
(nồng độ bã rắn 1,5%, nhiệt độ 50ºC, lắc 150 vòng/phút trong thời gian 72 giờ)

17


Thủy phân bã mía tiền xử lý bằng axit formic có thể được thực
hiện hiệu quả ở nồng độ enzyme 30 FPU/bã khô với enzyme NS
22192 của Novozyme.

100

90.28

90.04

87.96

15.59

40.95

88.00

82.95

77.08

124.49

154.23

15%

20%

200
160
120
80
40
0

80

60
40
20
2%

5%
10%
Nồng độ bã rắn(%)
Hàm lượng glucose (g/L)

Hàm lượng glucose
(g/L)

Hiệu suất thủy phân
glucan (%)

3.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ bã rắn tới thủy phân cellulose bã
mía phân đoạn bằng enzym

Hiệu suất thủy phân (%)

Hình 3.17. Ảnh hưởng của nồng độ bã rắn tới thủy phân
(nhiệt độ 50ºC, lắc 150 vòng/phút trong thời gian 96 giờ, nồng độ enzyme 30 FPU/g bã khô)

Hiệu suất thủy phân glucan bã mía phân đoạn đạt > 90% ở nồng
độ bã rắn ≤ 5% và có xu hướng giảm khi nồng độ bã rắn ≥ 10%.
Nồng độ đường dịch thủy phân đạt tới 154,23 g/L ở nồng độ bã rắn
20%.
3.2.4. Động học quá trình thủy phân bã mía sử dụng enzymes NS
22192

5%

2%

Tốc độ thủy phân
(g/l*h)

10%

10%

5%

10

2

A.

24
46
68
Thời gian thủy phân (h)
10%

0
2

90

24

B.
5%

2%

46
68
Thời gian (h)
100
50
0

6

C.

24
Thời gian thủy phân (h)

96

90

Hiệu suất thủy
phân glucan (%)

Hàm lượng glucose
(g/L)

100
80
60
40
20
0

Hình 3.18. Động học quá trình thủy phân cellulose bã mía bằng axit formic.
A)Hàm lượng glucose dịch thủy phân; B)Tốc độ thủy phân; C) Hiệu suất thủy phân (nhiệt độ
50ºC, pH 4,8, lắc 150 vòng/phút, nồng độ enzyme 30 FPU/g bã khô)

Quá trình thủy phân ở nồng độ bã rắn ≤ 10%, khoảng 50%
cellulose được thủy phân trong thời gian 6 giờ, hơn 70% cellulose
được thủy phân hết trong thời gian 24 giờ. Kết quả này cho thấy đối
với quá trình thủy phân tiến hành theo phương pháp fed batch hay

18


thủy phân và lên men đồng thời (SSF), fed batch hay SSF nên được
thực hiện trong khoảng thời gian từ 6 đến 24 giờ.

A.

90.72 89.75 79.42
35.54

100

80
40

0

0

DC
5% 10% 20%
(0%)
Hàm lượng glucose ban đầu (%)
Hàm lượng glucose(g/L)
Hiệu suất thủy phân Glucan(%)

Tốc độ thủy phân
g/l*h)

200

Hiệu suất thủy phân
glucan (%)

Hàm lượng glucose
(g/l)

3.2.5. Ảnh hưởng ức chế của nồng độ glucose trong dịch thủy
phân

B.

DC (0%)
9.0

5%

10%

6.0
3.0
0.0
2
4
6
24
Thời gian thủy phân (hour)

Hình 3.19 . Ảnh hưởng của hàm lượng glucose dịch thủy phân đến tốc độ
thủy phân và hiệu suất thủy cellulose bã mía phân đoạn
A) Hiệu suất thủy phân glucan theo thời gian, B) Diễn biến tốc độ thủy phân. (nồng độ bã rắn
5%, 50ºC, pH 4,8, lắc 150 vòng/phút, nồng độ enzyme 30 FPU/g bã khô)

Nồng độ đường ở mức 50 g/L, tốc độ thủy phân thủy phân bị
giảm tới 55,74% nhưng chưa ảnh hưởng đến hiệu suất thủy phân sau
96 giờ. Nồng độ glucose ở mức 100 g/L làm giảm tốc độ thủy phân
tới 77,37%, làm giảm hiệu suất thủy phân sau 96 giờ. Ở nồng độ
glucose 200 g/L quá trình thủy phân diễn ra rất chậm chạp, sau 96h
hiệu suất thủy phân chỉ đạt 35,54%.

100
80

60
40
20
0

120.66

148.96

157.47

160.99

60.33

74.48

78.74

80.50

79.61
39.81
6

24
48
72
Thời gian thủy phân (h)
20%- HSTP

180
140
100
60
20

96

Hàm lượng
glucose (g/L)

Hiệu suất thủy
phân (%)

3.2.6. Thủy phân cellulose bã mía phân đoạn ở nồng độ bã rắn cao
(20%) theo các phương pháp khác nhau
Ở nồng độ bã rắn 20%, thủy phân fed batch không giúp cải thiện
khả năng thủy phân bã thu được. Khuấy trộn giúp tăng tốc độ thủy
phân ở giai đoạn đầu nhưng không giúp tăng hiệu suất thủy phân. Để
tăng hiệu suất thủy phân cuối cùng ở nồng độ bã rắn cao 20% hoặc
hơn, cần có giải pháp giảm hàm lượng đường trong dịch thủy phân.

20%- HL Glucose

Hình 3.20. Diễn biến hiệu suất thủy phân, hàm lượng glucose với quá trình
thủy phân 20% bã rắn
(Phản ứng thực hiện ở điều kiện 50ºC, pH 4,8, nồng độ enzyme 30 FPU/g bã khô, khuấy 90 vòng/phút)

19

Quá trình thủy phân ở nồng độ bã rắn 20% sử dụng khuấy trộn,
hiệu suất thủy phân đạt 39,81% sau 6 giờ và 60,32% sau 24 giờ
tương ứng với nồng độ glucose 79,61 và 120,66 g/L (Hình 3.20).Sau
đó, hiệu suất thủy phân còn tăng khá nhanh để đạt 74,48% sau 48 giờ.
Các kết quả này được sử dụng để lựa chọn thời điểm tiến hành SSF.
Kết quả nghiên cứu thủy phân cho thấy bã mía phân đoạn bằng
axit formic và rửa với kiềm sau đó được thủy phân dễ dàng bởi
enzyme, hiệu suất thủy phân đạt 90,04 ± 0,53% sau 96h. Hơn 70%
cellulose bã được thủy phân dễ dàng, trong đó một phần khoảng 50%
(tương ứng với phần cellulose vô định hình trong bã) được thủy phân
rất nhanh. Nồng độ glucose dịch thủy phân đạt 160,99 ± 0.45 g/L ở
nồng độ bã rắn 20% tương ứng với hiệu suất thủy phân 80,50% sau
96 giờ.
3.3. Lên men ethanol từ bã mía phân đoạn formiline
140

2.2

120
91.50

100

91.50

80
60

1.7
1.2

54.13

40

0.7

20 0.00
0
0

0.2
24

48

72

Thời gian (h)

Sinh khối (OD)

HL gluocse (g/l), HL ethanol
(g/l), Hiệu suất ethanol (%)

3.3.1. Khả năng lên men dịch thủy phân
DTP-Hiệu suất
ethanol (%)

ĐC-Hiệu suất
ethanol (%)
DTP-Glucose (g/l)
DTP-Ethanol (g/l)
ĐC-Glucose (g/l)
ĐC-Ethanol (g/l)
DTP-Sinh khối
(OD)
ĐC-Sinh khối (OD)

Hình 3.21. Diễn biến quá trình lên men dịch thủy phân bã mía phân đoạn.
(Dịch thủy phân 15% bã mía được ly tâm để thu dịch trong, dịch glucose tinh khiết nồng độ
tương đương dịch thủy phân, thanh trùng ở 110ºC 30 phút, bổ sung dinh dưỡng. Lên men sử
dụng chế phẩm Ethanol Red® 2g/L, được hoạt hóa bằng nước cất tỉ lệ 2,5/1 15 phút trước khi
cấy men; dung tích mẫu 100ml, tốc độ lắc 120 v/ph, nhiệt độ lên men 30ºC.)

Dịch thủy phân không gây ức chế đáng kể đối với quá trình lên
men. Hiệu suất lên men đạt 90,34% (98,73% đối chứng)
3.3.2. Thủy phân và lên men gián đoạn (SHF) 20% bã mía phân
đoạn
SHF 20% bã rắn, thủy phân được thực hiện ở 50ºC trong 96 giờ,
kết thúc thủy phân toàn bộ dịch thủy phân (cả bã) được thanh trùng,
bổ sung nấm men và lên men, hiệu suất lên men đạt 86,69 % (95,56 %

20


Hàm lượng ethanol
(g/L), Hiều suất lên
men (%)

so với đối chứng). Kết quả này cho thấy bã mía phân đoạn chứa rất ít
các chất ức chế nấm men, có ảnh hưởng không nhiều tới kết quả lên
men.
Đối chứng

100

Dịch thủy phân

86.69

70.58
90.71
69.40

50

0
Hiệu suất lên men (%)

HL Ethanol (g/l)

Hình 3.22. Kết quả lên men SHF 20% bã mía phân đoạn formiline.
(dịch thủy phân 20% bã mía chứa 159,63 g/L glucose, dịch glucose tinh khiết 150 g/L glucose,
nấm men khô 2 g/L, nhiệt độ lên men 30ºC, tốc độ lắc 120 v/ph, thời gian lên men 72h)

3.3.3. Thủy phân và lên men đồng thời bã mía phân đoạn formiline

100

89.75

80.67

78.08

Hiệu suất thủy phân
glucan (%)

Hiệu suất thủy phân
(%)

3.3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng thủy phân của
enzyme NS22192

50
0
50

37

30

Nhiệt độ thủy phân (0C)

A.

B.

110

10%-50 ᵒC

10%-37 ᵒC

90
70
50
30
6

24
48
72
96
Thời gian thủy phân (h)

Hình 3.23. Hiệu suất thủy phân và diễn biến tăng hiệu suất thủy phân ở các
nhiệt độ khác nhau
A. Hiệu suất thủy phân cellulose bã mía ở các nhiệt độ khác nhau (nồng độ bã 5%, enzyme 30
FPU/g bã khô, tốc độ lắc 150 v/ph, nhiệt độ 30, 37,50ºC, thời gian thủy phân 96h), B. Diễn
biến hiệu suất thủy phân ở 500C và 370C (nồng độ bã 10%, enzyme 30 FPU/g bã khô, tốc độ
lắc 150 v/ph, nhiệt độ 50, 37ºC, thời gian thủy phân 96h)

Thủy phân ở 30ºC hiệu suất thủy phân đạt >96% ở 37ºC và 87%
ở 50ºC, cho phép có thể xem xét áp dụng vào quá trình thủy phân khi
thời gian cho quá trình thủy phân được kéo dài hơn.
3.3.3.2. Thủy phân và lên men đồng thời (SSF) 20% bã mía phân
đoạn

Hàm lươnbgj
ehanol (g/L)
Hiệu suất thủy
phân (%)

100

SSF 6h-37 ᵒC
82.46

SSF 24h- 37 ᵒC
78.57

SSF 6h-30 ᵒC
81.66
77.80

80.72

79.93

HL Ethanol (g/l)

HS thu hồi ethanol (%)

0

21

Hình 3.24. Kết quả lên men SSF 20% bã rắn ở 37ºC và 30ºC.
(SSF thực hiện với enzyme 30 FPU/g bã khô, thủy phân được tiến hành với 6h, 24h ở 50ºC
trong thiết bị khuấy, tốc độ khuấy 90 v/ph; nấm men (Ethanol Red®) 2 g/L. Sau 24h, SSF
được thực hiện trong tủ ổn nhiệt, tốc độ lắc 150 v/ph cho đến 96h)

Hàm lượng
glucose (g/L)

Quá trình SSF với 6h tiền thủy phân ở 50ºC và 90h SSF ở 37ºC
cho hiệu suất thu hồi ethanol và hàm lượng ethanol đạt 81,66% và
82,46 g/l. SSF ở 30ºC đạt 95 % so với quá trình thực hiện tại 37ºC.
Sự có mặt glucose trong dịch thủy phân (Hình 3.26) cho thấy,
SSF ở 30ºC, hiệu suất ethanol giảm do một phần cellulose chưa được
thủy phân. Điều này có thể được giải quyết khi léo dài thời gian SSF.
100

93.53

84.03

SSF-30 ᵒC

50
2.32

0
0

6

24
48
Thời gian (h)

1.03
72

1.07
96

Hình 3.25. Diễn biến hàm lượng gluocse trong quá trình SSF ở 30ºC
(Thủy phân thực hiện ở hàm lượng bã rắn 20%, enzyme 30 FPU/g bã khô, thủy phân được tiến
hành với 6h ở 50ºC trong thiết bị khuấy, tốc độ khuấy 90 v/ph; nấm men Ethanol Red® 2 g/L.
Sau 24h, SSF được thực hiện trong tủ ổn nhiệt ở 30ºC, tốc độ lắc 150 v/ph cho đến 96h)

3.3.4. So sánh giữa SSF và SHF bã mía phân đoạn
SSF cho kết quả hàm lượng ethanol dịch lên men, hiệu suất
ethanol cao hơn rõ ràng so SHF. SSF ở 37ºC với 6 giờ tiền thủy phân
ở 50ºC cho hiệu suất thu hồi ethanol đạt 81,66 %, hàm lượng ethanol
đạt tới 82,46 g/L (10,45% v/v) đáp ứng yêu cầu của công nghiệp.
Hàm lượng
ethanol (g/L),
Hiều suất lên
men (%)

120
80

82.46

SSF
70.58

SHF

81.66

69.89

40
0
HL Ethanol (g/l)

HS thu hồi ethanol (%)

Hình 3.26. So sánh quá trình SSF và SHF sử dụng 20% bã rắn
(SHF thực hiện với 96h thủy phân ở 50ºC và 72h lên men ở 30ºC, SSF thực hiện với 6h tiền
thủy phân ở 50ºC, 90h SSF ở 37ºC)

Bã mía TXL bằng axit formic theo phương pháp formiline được
chuyển hóa tốt thành ethanol. Hiệu suất lên men dịch thủy phân đạt
90,34 ± 1,19%. Hiệu suất thu hồi ethanol đạt 81,66 ± 1,88%, hàm
lượng ethanol dịch lên men đạt 82,46 ± 3,42 g/L
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận:

22


1. Đã khảo sát và nghiên cứu ảnh hƣởng của các điều kiện

phân đoạn, rửa bã phân đoạn:
- Xây dựng được các mô hình ảnh hưởng của điều kiện phân
đoạn đến kết quả phân đoạn gồm:
Hàm lượng lignin (%) = 12,14 – 6,6*A – 2,33*B -1,49*C +
1,52*A2 + 1,57*C2
Hàm lượng glucan (%) = 78,85 + 12,43*A + 4,98*B + 2,87 C –
1,92*A*B – 4,5*C2
Hiệu suất thủy phân glucan (%) = 55,28 + 26,22* A + 11,86*B
+ 3,17*C – 3,48*A*C – 9,4*A2 + 8,1*B2
Với A= nhiệt độ, B= nồng độ formic, C=thời gian, được mã hóa tương ứng với A:90ºC = -1, 110 ºC = 0,
130 ºC = 1; B: 60% = -1, 70% = 0, 80% = 1; C: 10 phút = -1, 50 = 0, 90 = 1

Các mô hình này có độ tin cậy cao, cho phép dự đoán kết quả
phân đoạn theo các điều kiện cụ thể
- Rửa kiềm bã sau phân đoạn dễ dàng loại nhanh lignin đã tách
ra từ quá trình phân đoạn bám trên bề mặt cellulose và làm tăng
mạnh hiệu suất thủy phân cellulose bã.
- Quá trình phân đoạn cellulose bã mía bao gồm: Bã mía ở nồng
độ bã rắn 20%, phân đoạn bởi axit formic nồng độ 80% tại nhiệt độ
121oC trong thời gian 60 phút. Tách dịch sau phân đoạn ở nhiệt độ
80oC, rửa với nước về pH 7, rửa kiềm với tỉ lệ 0,05g NaOH/g bã khô
ở tỉ lệ rắn lỏng 1/3, nhiệt độ 105oC trong 60 phút. Rửa bã về pH 7
bằng nước. Bã phân đoạn có thành phần glucan 89,16±1,45%, lignin
7,40±1,29%, không chứa hemicellulose.
2. Cellulose bã mía phân đoạn bằng axit formic đƣợc thủy phân
dễ dàng bởi enzyme
- Quá trình thủy phân ở nồng độ bã rắn ≤10%, 50% cellulose
được thủy phân trong thời gian 6 giờ, hơn 70% cellulose được thủy
phân hết trong thời gian 24 giờ.
- Ở điều kiện 30 FPU/g bã (NS22912 của Novozyme), nhiệt độ

50oC, trong thời gian 96h, bã mía sau phân đoạn được thủy phân với
hiệu suất 90,04 ± 0,53% glucan ; Nồng độ đường dịch thủy phân có
thể đạt 160,99 ± 0,45 g/L ở nồng độ bã rắn 20%.
3. Nghiên cứu chuyển hóa cellulose bã mía phân đoạn thành
ethanol, cho thấy:

23


- Dịch thủy phân không gây ức chế quá trình lên men bởi nấm
men S. cerevisiae Ethanol Red®. Hiệu suất lên men ethanol đạt tới
90,34 ±1,19% hiệu suất lý thuyết.
- Phương thức thủy phân và lên men đồng thời (SSF) ở 37oC với
bước tiền thủy phân ở 50oC là phương pháp khả thi để thu nhận
ethanol từ cellulose bã mía phân đoạn với axit formic. Quá trình
được thực hiện ở nồng độ bã rắn 20%, tiền thủy phân 6 giờ ở 50oC
sau đó thủy phân và lên men đồng thời ở 37oC cho đến 96 giờ, hiệu
suất thu hồi ethanol và nồng độ ethanol tương ứng đạt tới 81,66
±1,88% và 82,46±3,42 g/L (10,45±0,43% v/v), đáp ứng yêu cầu
công nghiệp.
Kiến nghị:
- Nghiên cứu hệ thống thiết bị đảo trộn thích hợp cho phân đoạn
cellulose bã mía ở nồng độ bã rắn cao, nghiên cứu quá trình phân
đoạn ở nồng độ bã rắn ≥ 30%.
- Nghiên cứu thiết bị tách dịch bã sau phân đoạn để phù hợp cho
ép vắt bã ở nhiệt độ cao và giảm tối đa hàm ẩm bã sau vắt.
- Nghiên cứu giải pháp tách và tái sử dụng bã sau SSF. Việc
tách để tái sử dụng bã sau lên men có thể giúp giảm lượng enzyme
sử dụng đồng thời tạo thuận lợi cho quá trình chưng cất thu hồi
etahnol.

24