Nghiên cứu chuyển hóa phế thải nông nghiệp (rơm, rạ) chứa cellulose thành nhiên liệu sinh học bởi xúc tác sinh học trên cơ sở enzyme, vi sinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---- ---- o0o ---- ---NGUYỄN BÁ KIÊN

N
Nghiên cứu chuyển hóa phế thải nông nghiệp
(rơm, rạ) chứa cellulose thành nhiên liệu sinh
học bởi hệ xúc tác sinh học trên cơ sở enzyme,
vi sinh
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TSKH. TRẦN ĐÌNH TOẠI

HÀ NỘI - 2010


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Bá Kiên

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành tốt luận văn này, trong suốt quá trình thực hiện tôi đã nhận
được sự quan tâm, giúp đỡ nhiệt tình từ nhiều cá nhân và tập thể. Bằng tấm lòng
trân trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn:
GS,TSKH Trần Đình Toại, người thầy đã rất tận tình hướng dẫn, chỉ bảo,
thường xuyên động viên và tạo mọi điều kiện để tôi có thể hoàn thành luận văn tốt
nghiệp này.
TS Phạm Hồng Hải và các anh, chị cán bộ Phòng Công nghệ Khai thác chế
biến Tài nguyên thiên nhiên, Viện Hóa học các Hợp chất thiên nhiên, Viện Khoa
học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện, giúp đỡ nhiệt tình và cho những lời

khuyên quý báu trong suốt thời gian tôi làm nghiên cứu thực nghiệm tại phòng.
Lãnh đạo Viện Thổ nhưỡng Nông hóa, TS Nguyễn Văn Chiến và các đồng
nghiệp Phòng Phân tích Trung tâm nơi tôi hiện đang công tác đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi để tôi được tham gia học tập trong thời gian qua tại trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội và hoàn thành luận văn này.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, những người thân và bạn bè đã luôn quan
tâm, giúp đỡ, cổ vũ và động viên tôi trong suốt thời gian học tập vừa qua.
Hà Nội, ngày 21 tháng 10 năm 2010
Học viên
Nguyễn Bá Kiên

i

Trường ĐHBK Hà Nội


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Bá Kiên

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi. Các số liệu,
kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công
trình nào khác.
Hà Nội, ngày 21 tháng 10 năm 2010
Nguyễn Bá Kiên

ii

Trường ĐHBK Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Bá Kiên

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ATP

Adenosine triphosphate

ADP

Adenosine diphosphate

BSA

Bovine serum albumine (Albumin huyết thanh bò)

CMC

Carboxyl methyl cellulose

DNS

Axit dinitrosalicylic

FID

Flame Ionization Detector (Detector ion hóa ngọn lửa)

PVA

Polyvinyl alcohol

SSF

Simultaneous saccharification and fermentation
(Đồng thời đường hóa và lên men)

OD

Optical density (mật độ quang)

YATP

Hiệu suất tế bào theo ATP

µ

Tốc độ sinh trưởng riêng của vi sinh vật

µmax

Tốc độ sinh trưởng cực đại của vi sinh vật

S

Nồng độ cơ chất

KS

Nồng độ dinh dưỡng giới hạn

KP

Hằng số ức chế bởi sản phẩm

Y(p/s)

Hiệu suất tế bào theo sản phẩm

Y(x/s)

Hiệu suất tế bào theo cơ chất

qp

Tốc độ riêng tạo sản phẩm

qs

Tốc độ riêng sử dụng cơ chất

sts2

Phương sai tái sinh

sth2

Phương sai tương hợp

g/l

gam/lít

iii

Trường ĐHBK Hà Nội


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Bá Kiên

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1.

Sản lượng ethanol trên thế giới

3

Bảng 1.2.

Thành phần hóa học của phụ phẩm nông nghiệp

11

Bảng 1.3.

Cellulose tinh khiết trong nguyên liệu

12

Bảng 1.4.

Vi sinh vật phân huỷ lignocellulose (nuôi cấy được)

15

Bảng 1.5.

Giá trị pH đối với sự phát triển của một số vi sinh vật

23

Bảng 1.6.

Nhiệt độ phát triển °C (°F) đối với một số vi sinh vật

26

Bảng 2.1.

Các chủng vi sinh vật để thủy phân cellulose

30

Bảng 2.2.

Các chủng vi sinh vật cho lên men ethanol

30

Bảng 2.3.

Mật độ quang của dãy dung dịch chuẩn Glucose theo pp Antron

38

Bảng 2.4.

Mật độ quang của dãy dung dịch chuẩn Glucose theo pp DNS

40

Bảng 2.5.

Ma trận kế hoạch thực nghiệm

46

Bảng 2.6.

Thí nghiệm tối ưu hóa thực nghiệm cho thủy phân cellulose

49

Bảng 3.1.

Thành phần hóa học cellulose and hemicellulose của một số

52

giống lúa gieo trồng tại các tỉnh phía Bắc
Bảng 3.2.

Thành phần hóa học cellulose and hemicellulose của một số

52

giống lúa gieo trồng tại các tỉnh phía Bắc Trung Bộ
Bảng 3.3.

Thành phần đường trong một số phụ phẩm của lúa

53

Thiên hương 100 trồng tại Thái Bình
Bảng 3.4.

Thành phần đường trong một số phụ phẩm của lúa QU Trung

53

Quốc trồng tại Nghệ An
Bảng 3.5.

Thành phần dịch thủy phân acid của hemicellulose

55

Bảng 3.6.

Các chủng vi sinh vật của Việt Nam được lựa chọn để nghiên

58

cứu lên men ethanol
Bảng 3.7.

Các thông số động học của quá trình lên men ethanol bởi

58

chủng Saccharomyces cerevisiae (Trong nước)
Bảng 3.8.

Các thông số động học của quá trình lên men ethanol bởi chủng

59

Candida sp. (Trong nước)

iv

Trường ĐHBK Hà Nội


Luận văn thạc sĩ

Bảng 3.9.

Nguyễn Bá Kiên

Các thông số động học của quá trình lên men ethanol bởi chủng

59

Saccharomyces cerevisiae V 7028 (Nga)
Bảng 3.10. Các thông số động học của quá trình lên men ethanol bởi chủng

59

Kluyveromyces sp. (Trong nước)
Bảng 3.11. So sánh thông số động học lên men của các chủng nấm men của

62

Việt Nam
Bảng 3.12. Các vi sinh vật của Nga được sử dụng nghiên cứu

64

Bảng 3.13. Các thông số động học của quá trình lên men ethanol bởi chủng

64

Klyuveromyces marxianus
Bảng 3.14. Các thông số động học của quá trình lên men ethanol bởi chủng

65

Saccharomyces cerevisiae Т2
Bảng 3.15. So sánh thông số động học lên men của các chủng nấm men của

68

Nga được nghiên cứu
Bảng 3.16. Nồng độ ATP nội tế bào trong các chủng nấm men

72

Bảng 3.17. Ethanol thu được trong 24 giờ chuyển hóa glucose nhờ các tế

73

bào nấm men cố định
Bảng 3.18. Nồng độ АТP nội tế bào của nấm men trước và sau cố định

73

Bảng 3.19. Ethanol thu được trong 24 giờ chuyển hóa glucose nhờ các tế

74

bào nấm men cố định được sử dụng lại lần 2
Bảng 3.20. Nồng độ АТP nội tế bào của nấm men trước và sau khi được sử

74

dụng lại lần 2
Bảng 3.21. Ethanol thu được trong 24 giờ chuyển hóa glucose nhờ các tế

75

bào nấm men cố định được sử dụng lại lần 3
Bảng 3.22. Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulose bởi một

76

số chủng vi sinh vật của Việt Nam
Bảng 3.23. Hiệu suất thủy phân Cellulose của các chủng vi sinh

77

Bảng 3.24. Các chủng vi sinh vật để nghiên cứu ảnh hưởng của pH

78

Bảng 3.25. Ảnh hưởng của pH tới quá trình thuỷ phân nguyên liệu bằng nấm

78

Aspergillus terreus

v

Trường ĐHBK Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Bá Kiên

Bảng 3.26. Ảnh hưởng của pH tới quá trình thuỷ phân nguyên liệu bằng vi

79

khuẩn C 32
Bảng 3.27. Ảnh hưởng của pH tới quá trình thuỷ phân nguyên liệu bằng vi

80

khuẩn T2
Bảng 3.28. Ảnh hưởng của pH tới quá trình thuỷ phân nguyên liệu bằng xạ

81

khuẩn 7P
Bảng 3.29. Ảnh hưởng của pH tới quá trình thuỷ phân nguyên liệu bằng nấm

82

men Saccharomycetales
Bảng 3.30. Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulose bởi

83

A. terreus tại các nhiệt độ khác nhau

Bảng 3.31. Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulose bởi vi

84

khuẩn C32 tại các nhiệt độ khác nhau
Bảng 3.32. Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulose bởi vi

85

khuẩn T2 tại các nhiệt độ khác nhau
Bảng 3.33. Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulose bởi xạ

86

khuẩn 7P tại các nhiệt độ khác nhau
Bảng 3.34. Hiệu suất thủy phân cellulose của các chủng vi sinh tại pH = 5.0

88

và 450C
Bảng 3.35

Glucose thu được theo sự thay đổi của hàm lượng cellulose và

90

enzyme cellulase
Bảng 3.36. Ma trận kế hoạch thực nghiệm và kết quả

91

Bảng 3.37. Xác định giá trị tối ưu cho hàm lượng glucose nhận được

94

vi

Trường ĐHBK Hà Nội


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Bá Kiên

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1.

Xu hướng sản xuất nhiên liệu sinh học trên thế giới

4

Hình 1.2.

Cấu trúc của phân tử cellulose và hemicellulose

13

Hình 1.3.

Cấu trúc không đồng nhất của phân tử cellulose

14

Hình 1.4.

Giả thiết cơ chế thủy phân cellulose

18

Hình 1.5.

Sơ đồ thiết bị thủy phân bằng phương pháp axit tại Brazil

19

Hình 1.6.

Các giai đoạn sinh trưởng của vi sinh vật

20

Hình 1.7.

Ảnh hưởng của pH đối với chủng vi sinh có pH tối ưu cho phát

25

triển là 6,2
Hình 1.8.

Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ sinh trưởng tương đối (%) của

27

chủng vi sinh có nhiệt độ phát triển tối ưu là 45-47 0C
Hình 1.9.

Sự biến đổi các thành phần trong quá trình lên men ethanol

29

Hình 2.1.

Dịch enzyme thô của chủng nấm mốc A. terreus sau 48h nuôi cấy

34

Hình 2.2.

Dịch enzyme thô của các chủng vi khuẩn sau khi nuôi cấy trong

34

48 giờ
Hình 2.3.

Dịch enzyme trong suốt của 2 chủng vi khuẩn C32, C36

34

Hình 2.4.

Đồ thị đường chuẩn Glucose theo phương pháp antron

38

Hình 2.5.

Đồ thị đường chuẩn Glucose theo phương pháp DNS

40

Hình 2.6.

Máy UV-VIS Double Beam, Model UVD-3200 Labomed

41

Hình 2.7.

Sự thay đổi màu trong quá trình chuẩn độ xác định ethanol

43

Hình 2.8.

Đường chuẩn ethanol trong sắc ký khí

43

Hình 2.9.

Máy sắc ký khí Hewlett Packard - 5890 GC-FID , Series II

43

Hình 2.10. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ quang vào nồng độ

45

albumin chuẩn (BSA)
Hình 3.1.

Các mẫu rơm, rạ của một số giống lúa

51

Hình 3.2.

Cellulose tách được từ rơm

56

Hình 3.3.

Hình ảnh và hoạt lực cellulase của một số chủng vi sinh vật

57

Hình 3.4

Sự biến đổi các thành phần trong quá trình lên men ethanol

60

vii

Trường ĐHBK Hà Nội


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Bá Kiên

bằng chủng Saccharomyces cerevisiae (Trong nước)
Hình 3.5.

Sự biến đổi các thành phần trong quá trình lên men ethanol bằng

60

chủng Candida sp. (Trong nước)
Hình 3.6

Sự biến đổi các thành phần trong quá trình lên men ethanol bằng

61

chủng Saccharomyces cerevisiae V 7028 (Nga)
Hình 3.7

Sự biến đổi các thành phần trong quá trình lên men ethanol bằng

61

chủng Kluyveromyces sp. (Trong nước)
Hình 3.8.

Sự biến đổi các thành phần trong quá trình lên men ethanol bằng

66

chủng Klyuveromyces marxianus (Nga)
Hình 3.9.

Sự biến đổi các thành phần trong quá trình lên men ethanol

67

bằng chủng Saccharomyces cerevisiae Т2 (Nga)
Hình 3.10. Tế bào vi sinh cố định trên chất mang PVA

71

Hình 3.11. Động học thủy phân cellulose bằng các chủng vi sinh vật

76

Hình 3.12. Hiệu suất thủy phân cellulose thành glucose bằng các chủng vi

77

sinh
Hình 3.13. Xác định giá trị pH tối ưu cho hoạt động thủy phân của chủng

79

nấm Aspergillus terreus
Hình 3.14. Xác định giá trị pH tối ưu cho hoạt động thủy phân của

80

chủng vi khuẩn C 32
Hình 3.15. Xác định giá trị pH tối ưu cho hoạt động thủy phân của chủng Vi

81

khuẩn T2
Hình 3.16. Xác định giá trị pH tối ưu cho hoạt động thủy phân của chủng Xạ

82

khuẩn 7P
Hình 3.17. Xác định giá trị pH tối ưu cho hoạt động thủy phân của

83

chủng Nấm men Saccharomycetales
Hình 3.18. Xác định giá trị nhiệt độ tối ưu cho hoạt động thủy phân của

84

chủng A. terreus
Hình 3.19. Xác định giá trị nhiệt độ tối ưu cho hoạt động thủy phân của

85

chủng Vi khuẩn C 32

viii

Trường ĐHBK Hà Nội


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Bá Kiên

Hình 3.20. Xác định giá trị nhiệt độ tối ưu cho hoạt động thủy phân của

86

chủng Vi khuẩn C 32
Hình 3.21. Xác định giá trị nhiệt độ tối ưu cho hoạt động thủy phân của

87

chủng Xạ khuẩn 7P
Hình 3.22. Động học thủy phân cellulose bằng các chủng vi sinh tại

88

pH = 5.0 và 450C
Hình 3.23. Hiệu suất thủy phân cellulose bằng các chủng vi sinh tại
pH = 5.0 và 450C

89

Hình 3.24. Tốc độ thủy phân cellulose bằng các chủng vi sinh tại
pH = 5.0 và 450C

89

Hình 3.25. Đồ thị xác định giá trị tối ưu của glucose thu được từ quá trình

95

thủy phân cellulose

ix

Trường ĐHBK Hà Nội


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Bá Kiên

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................iii
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................. iv
DANH MỤC CÁC HÌNH............................................................................... vii
MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN............................................................................. 3
1.1. Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học (ethanol)...........................3
1.1.1. Các thế hệ nhiên liệu sinh học và nguyên liệu chủ yếu để sản xuất..........5
1.1.1.1. Nhiên liệu sinh học (ethanol) thế hệ I.................................................5
1.1.1.2. Nhiên liệu sinh học (ethanol) thế hệ II................................................5
1.1.2. Nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học tại Việt Nam .....................6
1.2. Các giống lúa và phụ phẩm nông nghiệp của Việt Nam..................................7
1.2.1. Các giống lúa gieo trồng tại Việt Nam ......................................................7
1.2.1.1 Giống lúa lai ba dòng HYT-100 ..........................................................8
1.2.1.2. Giống lúa Japonica..............................................................................8
1.2.1.3. Giống Thục Hưng 6 ............................................................................9
1.2.1.4. Nếp cái hoa vàng.................................................................................9
1.2.2. Phụ phẩm nông nghiệp (rơm, rạ, vỏ trấu)................................................10
1.3. Cellulose và Hemicellulose ............................................................................11
1.4. Vi sinh vật phân hủy cellulose .......................................................................15
1.5. Thủy phân cellulose........................................................................................16
1.5.1. Hệ enzyme cellulase trong thủy phân cellulose.......................................16
1.5.2. Nghiên cứu thủy phân cellulose ..............................................................18
1.6. Quá trình sinh trưởng của vi sinh vật .............................................................20
1.6.1. Các đặc trưng động học sinh trưởng của vi sinh vật ...............................20
1.6.2. Hiệu suất của quá trình sinh trưởng vi sinh vật .......................................22

x

Trường ĐHBK Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Bá Kiên

1.6.2.1. Hiệu suất tế bào theo sản phẩm.........................................................22
1.6.2.2. Hiệu suất tế bào theo cơ chất ............................................................22
1.6.2.3. Tốc độ riêng tạo sản phẩm qP............................................................22
1.6.2.4. Tốc độ riêng sử dụng cơ chất qs ........................................................22
1.6.2.5. Hiệu suất tế bào theo ATP ................................................................23
1.7. Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới quá trình sinh trưởng của vi sinh vật ..23
1.7.1. Ảnh hưởng pH tới quá trình sinh trưởng của vi sinh vật.........................23
1.7.2. Ảnh hưởng nhiệt độ tới quá trình sinh trưởng của vi sinh vật.................25
1.8. Lên men ethanol .............................................................................................28

CHƯƠNG 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......... 30
2.1. Nguyên liệu ....................................................................................................30
2.1.1. Các chủng vi sinh để nghiên cứu.............................................................30
2.1.2. Cellulose tách từ nguyên liệu (rơm, rạ) theo phương pháp Hypoclorit...30
2.2. Phương pháp nghiên cứu................................................................................31
2.2.1. Tách cellulose từ rơm rạ (phương pháp Hypoclorit) ...............................31
2.2.2. Nuôi cấy vi sinh để thu enzyme..............................................................31
2.2.2.1. Môi trường để nuôi cấy các chủng vi sinh vật..................................31
2.2.2.2. Nuôi cấy các chủng vi sinh vật ........................................................33
2.2.2.3. Thu dịch enzyme từ các chủng vi sinh..............................................33
2.2.3. Phương pháp đánh giá khả năng của vi sinh vật phân hủy cellulose .....35
2.2.3.1. Phương pháp đục lỗ thạch ...............................................................35
2.2.3.2. Hoạt lực enzyme cellulase ................................................................35
2.2.4. Phương pháp thủy phân cellulose bằng dịch enzyme của vi sinh vật .....36
2.2.5. Phương pháp xác định đường .................................................................36

2.2.5.1. Phương pháp xác định glucose bằng antron .....................................36
2.2.5.2. Phương pháp xác định glucose bằng axit dinitro salicylic (DNS)....38
2.2.5.3. Phương pháp xác định đường tổng bằng axit phenol sulfonic.........40
2.2.6. Phương pháp xác định ethanol.................................................................42
2.2.6.1. Xác định ethanol bằng phương pháp chuẩn độ với K2Cr2O7 ...........42

xi

Trường ĐHBK Hà Nội


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Bá Kiên

2.2.6.2. Xác định ethanol bằng phương pháp sắc ký khí ..............................43
2.2.7. Phương pháp xác định Protein.................................................................44
2.2.7.1. Xác định theo phương pháp lowry....................................................44
2.2.7.2. Xác định Protein theo phương pháp đo quang phổ tử ngoại ..........45
2.2.8. Phương pháp kế hoạch hóa thực nghiệm.................................................46

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................. 50
3.1. Nghiên cứu tuyển chọn nguồn nguyên liệu (các loại sinh khối thực vật là phế
thải nông nghiệp của Việt Nam) để sản xuất nhiên liệu sinh học (ethanol)..........50
3.1.1. Chuẩn bị mẫu ...........................................................................................50
3.1.2. Phân tích mẫu ..........................................................................................50
3.2. Tách cellulose.................................................................................................54
3.3. Nghiên cứu lựa chọn các chủng vi sinh vật thủy phân rơm, rạ thành sản phẩm
trung gian và các chủng vi sinh lên men ethanol cho hiệu quả cao ......................56
3.3.1. Lựa chọn các chủng vi sinh vật của Việt Nam có khả năng phân giải rơm,

rạ thành sản phẩm trung gian tan.......................................................................56
3.3.1.1. Kết quả lựa chọn các chủng Xạ khuẩn..............................................56
3.3.1.2. Kết quả lựa chọn các chủng Vi khuẩn ..............................................56
3.3.2. Lựa chọn các chủng vi sinh vật của Việt Nam có khả năng lên men
ethanol................................................................................................................58
3.3.3 Lựa chọn các chủng vi sinh vật do phía Nga chuyển giao có khả năng lên
men ethanol........................................................................................................63
3.4. Nghiên cứu cố định các chủng nấm men tạo các chất xúc tác dị thể để lên
men ethanol có hiệu quả ........................................................................................69
3.4.1. Chế tạo chất xúc tác sinh học để lên men ethanol (chuyển hóa glucose
thành ethanol) trên cơ sở tế bào nấm men ưa nhiệt cố định trên PVA.............70
3.4.2. Nghiên cứu hiệu quả của chất xúc tác sinh học để lên men ethanol
(chuyển hóa glucose thành ethanol) ..................................................................72
3.5. Nghiên cứu quá trình thuỷ phân nguyên liệu tạo thành các sản phẩm trung
gian hòa tan............................................................................................................75

xii

Trường ĐHBK Hà Nội


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Bá Kiên

3.5.1. Nghiên cứu quá trình thuỷ phân nguyên liệu dựa vào các chủng vi sinh
của Việt Nam tạo thành các sản phẩm trung gian hòa tan.................................75
3.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH tới quá trình thuỷ phân nguyên liệu tạo thành
các sản phẩm trung gian hòa tan........................................................................78
3.5.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tới quá trình thuỷ phân nguyên liệu tạo

thành các sản phẩm trung gian hòa tan..............................................................83
3.6. Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình thuỷ phân cellulose (nguyên liệu) tạo thành
glucose...................................................................................................................90

KẾT LUẬN ..................................................................................................... 96
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 98
PHỤ LỤC...................................................................................................... 106
CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC

xiii

Trường ĐHBK Hà Nội


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Bá Kiên

MỞ ĐẦU
Đứng trước tình hình các nguồn năng lượng tiềm ẩn trên trái đất (dầu mỏ,
khí, than đá, uran) chỉ trong khoảng 100 năm tới sẽ cạn kiệt, con người có thể sẽ
lâm vào tình trạng khủng hoảng năng lượng, việc tìm kiếm các nguồn năng lượng
thay thế đang trở thành một trong những nhiệm vụ cấp bách nhất hiện nay của nhân
loại, trong đó có Việt Nam. Nguồn năng lượng thay thế nhiên liệu dầu mỏ đang trở
thành hiện thực chính là nhiên liệu sinh học – ethanol.
Năm 2008, trên thế giới, tổng sản lượng ethanol đạt hơn 17 tỷ US gallon (1
US galon = 3,9 lít) tương đương 68 tỷ lít. Dự kiến năm 2010 sẽ đạt 19 tỷ US gallon
tương đương 76 tỷ lít.
Nhưng cần chú ý rằng đây là ethanol sinh học Thế hệ I, được sản xuất từ
lương thực như ngô, sắn, mía đường, củ cải đường…

Ở Việt Nam, ngày 21/6/09, tại Phú Thọ, Công ty cổ phần Hóa dầu và Nhiên
liệu Sinh học Dầu khí (PVB) đã khởi công xây dựng dự án nhà máy sản xuất cồn
nhiên liệu sinh học (bio-ethanol) đầu tiên ở khu vực phía Bắc, với công suất thiết kế
100.000 m3 ethanol/năm. Nhà máy sẽ sản xuất cồn ethanol dựa trên nguyên liệu
chính là sắn và mía đường, đi vào sản xuất vào tháng 12 năm 2010.
Ngày 6-9-2009, tại xã Bình Thuận, huyện Bình Sơn, Quảng Ngãi, Tập đoàn
Dầu khí quốc gia Việt Nam đã tổ chức khởi công và xây dựng Nhà máy sản xuất
nhiên liệu sinh học (bio-ethanol) Dung Quất, sử dụng nguyên liệu sắn lát để sản
xuất ethanol với công suất 100.000 m3 ethanol/năm.
Nhưng một điều cần chú ý: Các nhà máy trên sản xuất ethanol sinh học Thế
hệ I từ lương thực (sắn, mía đường). Điều này không những lạc hậu về mặt khoa
học công nghệ mà còn tác động xấu tới chiến lược an ninh lương thực quốc gia.
Nước ta có diện tích hơn 5 triệu ha đất cây trồng lúa. Trong những năm gần
đây, hàng năm, sản lượng nông nghiệp quy ra thóc đạt gần 40 triệu tấn. Với sản
lượng lớn như vậy, phế thải nông nghiệp ước chừng hơn 80 - 100 triệu tấn.

1

Trường ĐHBK Hà Nội


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Bá Kiên

Hiện nay, phế thải nông nghiệp không chỉ làm ô nhiễm môi trường sinh thái
mà còn làm mất đi cảnh quan văn hoá đô thị và nông nghiệp nông thôn. Song, phế
thải nông nghiệp thực sự là một nguồn tài nguyên có giá trị kinh tế vô cùng lớn.
Sản xuất nhiên liệu sinh học từ phế thải nông nghiệp (rơm, rạ), trước hết góp
phần giải quyết vấn đề năng lượng, sau đó giải quyết xử lý ô nhiễm môi trường tại các

vùng nông thôn cũng là thúc đẩy phát triển sản xuất lương thực (lúa) và còn có ý nghĩa
tái sử dụng tài nguyên (là phế thải ).
Như vậy, sản xuất nhiên liệu sinh học từ phế thải nông nghiệp (rơm, rạ) là con
đường tối ưu để giải quyết nhiệm vụ năng lượng trong tình hình hiện nay.
Quy trình công nghệ sinh học sản xuất nhiên liệu sinh học từ phế thải nông
nghiệp (rơm, rạ), ngoài các khâu cơ học tiền xử lý nguyên liệu, chia làm 2 giai đoạn
chính:
1- Thủy phân nguyên liệu thành các sản phẩm trung gian tan như các
oligosaccharide, các đường chủ yếu là glucose, xylose .
2- Chuyển hoá các sản phẩm trung gian tan (glucose) thành nhiên liệu –
ethanol, còn gọi là “Lên men ethanol” .
Để góp phần thực hiện chương trình nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh học
ethanol Thế hệ II từ phế thải nông nghiệp (rơm, rạ), trong khuôn khổ của luận văn
này, chúng tôi tập trung vào nghiên cứu giai đoạn 1 nêu trên với Mục đích :
Nghiên cứu thuỷ phân “Đường hóa” rơm, rạ thành các sản phẩm trung gian
tan.
Để đạt mục đích này, chúng tôi chọn phương pháp sử dụng enzyme, vi sinh
để thủy phân với Nội dung tóm tắt như sau:
1- Tuyển chọn nguồn nguyên liệu (rơm, rạ - phế thải nông nghiệp của Việt
Nam) để nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh học (ethanol).
2- Nghiên cứu tuyển chọn các chủng vi sinh để thủy phân nguyên liệu và các
chủng vi sinh để lên men ethanol cho hiệu quả cao.
3- Nghiên cứu quá trình thuỷ phân nguyên liệu để tạo thành sản phẩm trung
gian hòa tan.

2

Trường ĐHBK Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Bá Kiên

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học (ethanol)
Trên thế giới, chương trình sản xuất nhiên liệu sinh học (ethanol) đang được
thực hiện mạnh mẽ, tổng sản lượng ethanol từ những năm 2004 tới nay đều vượt 10
tỷ US gallon (40 tỷ lít), trong đó các nước sản xuất nhiều là Mỹ, Brazil, EU, Trung
Quốc, Ấn Độ. Dự kiến năm 2010, tổng sản lượng ethanol của thế giới đạt 19 tỷ US
gallon (76 tỷ lít) (Bảng 1.1, Hình 1.1) [22].
Bảng 1.1. Sản lượng ethanol trên thế giới
( Đơn vị: triệu US gallon, 1US gallon = 3,9 lít )
Thứ Quốc gia

2006

2005

tự

Thứ

Quốc gia

2008

2007

tự

1

Mỹ

4.855

4.264

1

Mỹ

9.000,0

6.498,6

2

Brazil

4.491

4.227

2

Brazil

6.472.2

5.019,2

1.017

1.004

3

733,6

570,3

501,9

486,0

3

Trung
Quốc

Châu Âu
Trung

4

Ấn Độ

502

449

4

5

Pháp

251

240

5

Canada

237,7

211,3

6

Đức

202

114

6

Thái Lan

89,8

79,2

7

Nga

171

198

7

Colombia

79,3

74,9

8

Canada

153

61

8

Ấn Độ

66,0

52,8

122

93

9

102

103

10

93

79

11

74

92

12

9
10
11
12

Tây Ban
Nha
Nam Phi
Thái lan
Anh

3

Quốc

Trung Mỹ

Chưa xác
định

Australia

26,4

Thổ Nhĩ

Chưa xác

Kỳ
Pakistan

định
-

39,6
26,4
15,8
9,2

Trường ĐHBK Hà Nội


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Bá Kiên

13

Ukraine

71

65

13

Peru

-

7,9

14

Ba lan

66

58

14

Argentina

-

5,2

52

32

15

Paraguay

-

4,7

13.489

12.150

17.335,29

13.101,7

15

Saudi
Arabia
Tổng số

Tổng số

Hình 1.1. Xu hướng sản xuất nhiên liệu sinh học trên thế giới
(2010 dự kiến: 19 tỷ Galon Mỹ - 76 tỷ lít)
Việc sử dụng ethanol cũng dần dần phát triển mạnh trên Thế giới.
Cho tới nay, ở Brazil, ethanol đã chiếm tới 30% nhiên liệu cho các động cơ,
đã có 33.000 (100% các trạm) trạm bán xăng pha ethanol. Ở Mỹ có tới 1522 trạm
như thế này. Ở châu Âu, Thụy Điển là nước đã có tới 792 trạm bán xăng pha
ethanol.
Hiện nay, nhiên liệu cho các xe ở Brazil đều pha ít nhất là 25% ethanol. Phần
lớn các xe ở Mỹ chạy bằng nhiên liệu chứa 10% ethanol (gọi là ethanol blend – hỗn
hợp ethanol). Người ta đang nâng dần hàm lượng ethanol trong nhiên liệu. Năm
2007, Portland, Oregon là hai thành phố đầu tiên của Mỹ chỉ bán xăng pha ít nhất

4

Trường ĐHBK Hà Nội


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Bá Kiên

10% ethanol. Tháng giêng năm 2008, ba bang Missouri, Minnesota, và Hawaii đòi
hỏi nhiên liệu - xăng cho xe phải pha ethanol.
Nhu cầu sử dụng bioethanol đang tăng dần ở châu Âu, nhất là ở Đức, Thụy
Điển, Pháp, Tây Ban Nha. Trong năm 2006, các nhà sản xuất đã đáp ứng được 90%
nhu cầu này.
1.1.1. Các thế hệ nhiên liệu sinh học và nguyên liệu chủ yếu để sản xuất
Nhiên liệu sinh học (ethanol), dựa vào nguyên liệu sản xuất được chia làm 2
thế hệ.
1.1.1.1. Nhiên liệu sinh học (ethanol) thế hệ I
Nhiên liệu sinh học (ethanol) thế hệ I được sản xuất từ lương thực như ngô,
sắn, mía đường trong đó chủ yếu là tinh bột chứa amylose và một phần nhỏ là
amylopectin.
Tinh bột (Starch ) gồm amylose (10-20%) và amylopectin (80-90%)
Thí dụ: Sản xuất ethanol thế hệ I đang được thực hiện tại các vùng khí hậu
nóng ẩm như ở Brazil và một số nước khác dùng nguyên liệu mía đường
(sugarcane) [10]. Ở Mỹ, nguyên liệu chủ yếu để sản xuất nhiên liệu sinh học là ngô,
đường [8, 40]. Ở một số nước châu Á như Trung Quốc, Thái Lan dùng sắn
(cassava). Kê (Pearl millet) cũng hứa hẹn nhiều triển vọng là nguyên liệu quan
trọng để sản xuất ethanol tại phía nam nước Mỹ [54].
Tại các nước có khí hậu ôn hoà như châu Âu, nguyên liệu chủ yếu để sản

xuất nhiên liệu sinh học là củ cải đường (sugar beet), lúa mì (wheat), hạt cải dầu
(rapeseed) [50].
1.1.1.2. Nhiên liệu sinh học (ethanol) thế hệ II
Nhiên liệu sinh học (ethanol) thế hệ II được sản xuất từ sinh khối thực vật
như các phế thải nông nghiệp của các loại thân cây lúa, ngô, lúa mỳ. Lignocellulose
là thành phần chính cấu tạo nên sinh khối thực vật, chủ yếu bao gồm cellulose,
hemicellulose, lignin. Thí dụ, trong sinh khối của thực vật như gỗ, cellulose có từ
30-50%, hemicellulose – 23-32% và lignin – 15-25%. Hemicellulose gồm có Xylan
(hemicellulose A), Arabinoxylan (hemicellulose B), glucuronoxylan .

5

Trường ĐHBK Hà Nội


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Bá Kiên

So sánh: qua các dữ liệu trên cho thấy:
- Nguyên liệu được sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ I là các
polysaccharide được tạo bởi liên kết α(1→4) -glucosid: Amylose, amylopectin
- Nguyên liệu được sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ II các
polysaccharide được tạo bởi liên kết β (1→4) - glucosid: Cellulose, hemicellulose
Trong đó, glucose là monomer chính tạo nên cellulose, xylose là monomer
chính tạo nên hemicellulose (tới 60 %). Tất nhiên còn các đường khác nhưng lượng
không lớn như mannose, galactose, rhamnose, arabinose.
Do đó, khi nghiên cứu chuyển hoá phế thải nông nghiệp như rơm rạ thì giai
đoạn trung gian chính là thuỷ phân các polysaccharide: cellulose, hemicellulose
thành các oligosaccharide tan trong nước hoặc các đường chủ yếu là glucose, xylose

Sản xuất ethanol thế hệ II đang được thực hiện tại một số nước như ở Đông
Nam Á dùng nguyên liệu là dầu dừa (palm oil), cây sậy (miscanthus), ở Trung Quốc
dùng cây lúa miến (sorghum), ở Ấn Độ dùng cây gai dầu (Hemp), cây chà mè
(jatropha). Tại Nhật Bản sử dụng gỗ thông (cedar Cryptomeria japonica) làm
nguyên liệu lên men ethanol và cũng hứa hẹn nhiều nguyên liệu khác [58]. Người ta
còn sử dụng nguyên liệu khác như cỏ lông (switchgrass).
Ngoài ra, người ta còn cho rằng nhiên liệu sinh học thế hệ III được sản xuất
từ rong tảo, nhưng về bản chất nguồn nguyên liệu vẫn thuộc thế hệ II .
1.1.2. Nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học tại Việt Nam
Ngày 20-11-2007, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số
177/2007/QĐ-TTg phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học (NLSH) đến
năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”. Đây là định hướng đúng đắn trong việc tìm
kiếm và sử dụng nguồn năng lượng sạch mới trong tương lai ở nước ta. Dựa trên cơ
sở phân tích các mối quan hệ giữa nguyên liệu và quy luật thị trường cũng như giá
thành sản phẩm. Nguyên liệu cho sản xuất cồn cần phải nhanh chóng chuyển hướng
sang sử dụng biomass (các dạng cành cây, mùn cưa, lá, rơm rạ…). Các loại cây cho
bột nên tập trung cho mục tiêu lương thực.

6

Trường ĐHBK Hà Nội


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Bá Kiên

Hiện nay, tại Việt Nam cũng xuất hiện một vài công trình về nghiên cứu sử
dụng nguồn phế thải nông nghiệp (rơm rạ) thành nhiên liệu sinh học theo 2 hướng:
- Sử dụng nguồn phế thải để sản xuất ethanol sinh học

- Sử dụng nguồn phế thải để sản xuất diezen sinh học
Nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh học (Thế hệ II) từ sinh khối được tiến
hành từ cuối thế kỷ trước. Sang thế kỷ này, việc nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh
học từ sinh khối càng được đẩy mạnh hơn. Sinh khối được lựa chọn là phế thải của
nông nghiệp như thân cây ngô, sắn, lúa mì [38, 57, 63].
Ngoài các khâu xử lý nguyên liệu, Quá trình thu ethanol từ sinh khối, chia
làm 2 giai đoạn chính:
1- Thuỷ phân sinh khối chứa cellulose, hemicellulose thành các sản phẩm
trung gian tan (hydrolizat): các oligosaccharide các đường chủ yếu là glucose,
xylose, còn gọi là “Đường hóa” .
2- Chuyển hoá các sản phẩm trung gian tan (hydrolizat) trên thành nhiên liệu
- ethanol, còn gọi là “Lên men ethanol” .
Giai đoạn 1 có thể tiến hành bằng 2 cách: phương pháp hoá học thuỷ phân
bằng axit hoặc thuỷ phân bằng enzyme.
Mỗi phương pháp đều có ưu, nhược điểm của mình.
1.2. Các giống lúa và phụ phẩm nông nghiệp của Việt Nam
1.2.1. Các giống lúa gieo trồng tại Việt Nam
Qua hàng nghìn năm lịch sử, lúa đã là cây lương thực chủ yếu nuôi sống các
thế hệ người Việt cho đến nay.
Tại Việt Nam vào cuối thế kỷ 19 và thế kỷ 20 được trồng các giống lúa
truyền thống như các loại lúa tẻ, chiêm, hè, tám, dự, các loại lúa nếp như hoa vàng,
nếp cái, nếp cẩm v.v. Các giống lúa truyền thống cho chất lượng gạo rất cao, thơm,
ngon, dẻo…
Hiện nay, theo số liệu từ Bộ NN&PTNT, 70% lượng giống mà nông dân
Việt Nam đang gieo trồng hiện nay là nguồn giống không chính thống (cả dòng bố
mẹ hoặc dòng bố hay dòng mẹ được sản xuất ở nước ngoài).

7

Trường ĐHBK Hà Nội

Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Bá Kiên

Năm 2003, Bộ NN&PTNT cho biết, 50% giống lúa sử dụng tại Việt Nam là
của Viện Nghiên cứu lúa quốc tế (IRRI), đã có 88 giống lúa của IRRI được các nhà
khoa học Việt Nam chọn lọc để phát triển sản xuất. Hiện nay, trên 50% diện tích
trồng lúa của Việt Nam sử dụng giống lúa của IRRI, hoặc có nguồn gốc từ IRRI.
Con số này được đưa ra tại Hội nghị Kế hoạch hợp tác của Bộ NN-PTNT Việt Nam
và IRRI, diễn ra trong hai ngày 18-19/9, tại Hà Nội.
Do đó, việc lai tạo những giống lúa để tăng năng suất lúa đồng thời đáp ứng
nhu cầu dân số ngày càng tăng cao phù hợp với điều kiện thổ nhưỡng, khí hậu Việt
Nam.
Cuối thế kỷ 20 sang đầu thế kỷ 21, Việt Nam đã có nhiều chương trình cải
tạo giống lúa, hoặc sử dụng các giống lúa là thành tựu nghiên cứu của Thế giới để
đạt năng suất cao. Các giống lúa mới này ngày càng nhiều và thay thế mạnh mẽ các
giống truyền thống.
Hiện nay, trên miền Bắc được phổ biến một số giống lúa như sau:
1.2.1.1 Giống lúa lai ba dòng HYT-100
Là giống đã được đăng ký thương hiệu độc quyền "Thiên Hương HYT-100".
Giống lúa HYT-100 do Trung tâm Nghiên cứu và phát triển lúa lai thuộc Viện Cây
lương thực và cây thực phẩm - Viện Khoa học nông nghiệp Việt Nam đã chọn tạo
thành công. Đây là một công trình nghiên cứu nằm trong “Chương trình giống cây
trồng, vật nuôi và giống cây lâm nghiệp” do Thủ tướng Chính phủ ký quyết định và
được triển khai từ năm 2000 [5].
Giống lúa HYT-100 có năng suất bình quân đạt 6.000 – 7.500 kg một ha, cho
gạo chất lượng cao, thơm, ngon. Từ năm 2005 đến nay, giống lúa này được tiến
hành trồng khảo nghiệm ở một số địa phương Đồng bằng sông Hồng như: Thanh

Hoá, Thái Bình, Hưng Yên, Hà Nội, Yên Bái, Hải Dương… Trong tương lai sẽ
nghiên cứu thổ nhưỡng của các vùng miền khác để đưa vào gieo trồng.
1.2.1.2. Giống lúa Japonica
Japonica là giống lúa có nguồn gốc Nhật Bản. Hạt gạo của lúa Japonica tròn,
cơm dẻo do có hàm lượng amylose thấp hơn và có chứa amylopectin. Những năm

8

Trường ĐHBK Hà Nội


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Bá Kiên

qua, Viện Di truyền Nông Nghiệp phối hợp với các địa phương khảo nghiệm
khoảng 50 giống lúa Japonica khác nhau ở các tỉnh phía Bắc. Trong đó, giống lúa
Japonica ĐS1 được chọn tạo và nhân giống từ năm 2001, cho năng suất cao, chất
lượng tốt, đã được Bộ NN & PTNT công nhận là giống tạm thời. Hiện tại giống
ĐS1 đang được mở rộng sản xuất tại các tỉnh đồng bằng sông Hồng và miền núi
phía Bắc. Giống ĐS1 trồng được cả hai vụ, thời gian sinh trưởng trung bình, năng
suất vụ xuân đạt trung bình 7-8 tấn/ha, và có nhiều ưu điểm như cứng cây, chịu rét
tốt, ít bị sâu bệnh. Lúa ĐS1 càng lên vùng cao lạnh hơn càng biểu hiện năng suất
cao hơn, một số HTX đạt trên 10 tấn/ha. Theo thông báo của Đại học Nông lâm
Thái Nguyên, tại Định Hóa - Thái Nguyên, năng suất lúa ĐS1 đạt trung bình 7,2
tấn/ha; tại Sơn Dương, Tuyên Quang đạt 7,8 tấn/ha; tại Chi Lăng, Lạng Sơn đạt 7,3
tấn/ha. Tại Hưng Yên và Thái Bình trong vụ xuân giống lúa Japonica ĐS1 đã đạt
năng suất 3 tạ/sào (8,1 tấn/ha).
1.2.1.3. Giống Thục Hưng 6
Là giống lúa lai 3 dòng do công ty TNHH Giống nghiệp Thục Hưng, Tứ

Xuyên, Trung Quốc chọn tạo từ tổ hợp lai Việt Thái A và SH6 (Việt Thái A x SH6).
Đây là giống lúa lai chất lượng cao, đã được Bộ NN-PTNT công nhận giống chính
thức vào tháng 11/2008. Ở miền Bắc, Thục Hưng 6 có thời gian sinh trưởng vụ
xuân 128-130 ngày, vụ mùa 105-110 ngày, chiều cao cây trung bình, khả năng đẻ
nhánh khá, quần thể đồng ruộng khá, cây cứng trung bình, chịu rét khá. Năng suất
trung bình vụ xuân 70-75 tạ/ha, vụ mùa 65-67 tạ/ha, nơi thâm canh vụ xuân đạt 8085 tạ/ha. Khả năng thích ứng rộng, thích hợp chân vàn, vàn trũng.
1.2.1.4. Nếp cái hoa vàng
Là loại lúa nếp đặc sản trồng nhiều ở Hải Dương gần đây đã bị mai một, gạo
không còn thơm, dẻo và ngon như trước nữa. Hai năm qua, Trung tâm NC và phát
triển hệ thống nông nghiệp (Viện CLT-CTP) được sự hỗ trợ của Viện NC Phát triển
nông nghiệp (Pháp) đã bảo tồn, phục tráng thành công, đồng thời đưa nó trở thành
một ngành hàng mang lại thu nhập cao cho nông dân khi nếp cái hoa vàng được tiêu
thụ mạnh tại các siêu thị lớn.

9

Trường ĐHBK Hà Nội


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Bá Kiên

Trong các vùng Thanh hóa, Nghệ An còn được phổ biến nhiều giống QU của
Trung Quốc. Đây là Giống lúa lai ba dòng có năng suất bình quân cao đạt 10 tấn /ha
/vụ.
Với các giống lúa có năng suất bình quân cao như nêu trên là điều kiện để
đạt được sản lượng lương thực cao và cũng từ đó khối lượng phụ phẩm nông nghiệp
(rơm rạ) thu được cũng rất lớn.
1.2.2. Phụ phẩm nông nghiệp (rơm, rạ, vỏ trấu)

Năm 1977, tại Ấn Độ có 38,6 triệu ha đất trồng lúa đã thu hoạch 42,8 triệu
tấn lúa và 81 triệu tấn phụ phẩm nông nghiệp, bao gồm 66 triệu tấn rơm, rạ và 15
triệu tấn trấu (husks-vỏ hạt lúa) [35] .
Qua số liệu này, có thể suy luận như sau:
Khối lượng phụ phẩm nông nghiệp sẽ gấp gần 2 lần sản lượng lúa.
Trước đây, Ấn Độ cũng như Việt Nam là những nước không có kỹ thuật
canh tác tiên tiến cùng với các điều kiện không thuận lợi, (thiếu phân, thiếu giống
lúa mới có năng suất cao) nên năng suất lúa thấp. Vì vậy, sản lượng thấp như Ấn
Độ nêu trên, hoặc tại Việt Nam vào năm 1977, có 5 triệu ha đất trồng lúa cũng chỉ
thu hoạch 10 triệu tấn lúa.
Ngày nay, nhờ có kỹ thuật canh tác tiên tiến cùng với nhiều điều kiện thuận
lợi hơn nên năng suất và sản lượng lúa tăng lên nhiều. Ở Ấn Độ cũng diện tích đất
trồng lúa như cũ, nhưng sản lượng lúa tăng gấp 3 lần năm 1977 và đạt 141 triệu tấn
lúa. Tình hình ở Việt Nam cũng tương tự: diện tích đất trồng lúa năm 2007 là 7,3
triệu ha, tăng 20 % so với năm 1977 nhưng sản lượng lúa tăng gấp hơn 3 lần năm
1977 và đạt 35,5 triệu tấn lúa.
Với sản lượng lúa như vậy, theo kinh nghiệm nêu trên của Ấn Độ “ khối
lượng phụ phẩm nông nghiệp sẽ gấp gần 2 lần sản lượng lúa” thì lượng phụ phẩm
nông nghiệp ước tính sẽ thu được khoảng 70 - 80 triệu tấn. Con số này cũng phù
hợp với tính toán cho rằng, cứ 1m2 đất trồng lúa sẽ cho 2 kg phụ phẩm.
Như vậy, một cách tương đối có thể cho rằng khối lượng phụ phẩm nông
nghiệp (rơm rạ) tăng tuyến tính với sản lượng lúa.

10

Trường ĐHBK Hà Nội


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Bá Kiên

Thành phần của các phụ phẩm nông nghiệp chứa chủ yếu là cellulose,
hemicellulose và số ít các hợp phần khác [12] (Bảng 1.2).
Bảng 1.2. Thành phần hóa học của phụ phẩm nông nghiệp (%) [12]
Thành phần hóa học

Rơm, rạ

Trấu

Cellulose

43

35

Hemicellulose

25

25

Lignin

12

20

3-4

3

16-1

17

(silic 83%)

(silica 94%)

Protein thô
(N x 6.25)
Hàm lượng tro

1.3. Cellulose và Hemicellulose [6, 18, 36, 46, 68, 70]
Cellulose là thành phần cơ bản của vách tế bào thực vật và có lẽ là hợp chất
sinh học phong phú nhất trên trái đất, hàng năm được tạo thành với khối lượng lớn
đến mức vượt tất cả các sản phẩm tự nhiên khác. Theo dự tính, sinh khối thực vật
của trái đất là 1,8.1012 tấn trong đó cellulose chiếm 40%. Do vậy, tổng lượng
cellulose của toàn thế giới là 7,4.1011 tấn, còn lượng cellulose tạo thành hàng năm là
4.1010 tấn.
Trong vách tế bào thực vật cellulose tồn tại trong mối liên kết chặt chẽ với
các polysaccarit khác: hemicellulose, pectin, lignin tạo thành những phức hợp bền
vững. Hàm lượng cellulose trong xác thực vật thường thay đổi trong khoảng 50 80%, trong giấy là 61%, trong trấu là 31%, bã mía là 46% (tính theo trọng lượng
khô), trong sợi bông hàm lượng này vượt trên 90% (Bảng 1.3).

11

Trường ĐHBK Hà Nội