LUẬN án TS nghiên cứu chuyển hóa rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrat thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học

www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và
kết quả được nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất
kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, 2015

i


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận án này, tôi đã nhận
được rất nhiều sự giúp đỡ quý báu của các thầy cô giáo, các nhà khoa học thuộc
nhiều lĩnh vực cùng đồng nghiệp và bạn bè.
Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Ngô Quốc Anh và PGS.TS
Đỗ Quang Kháng đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành bản
luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Hóa Học, Phòng Quản lý
Tổng hợp, anh chị em phòng Công nghệ Vật liệu và Môi trường – Viện Hóa Học
các đồng nghiệp trong và ngoài Viện đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi thực
hiện luận án và hoàn thành mọi thủ tục cần thiết.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân và
bạn bè đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và
hoàn thành luận án.

Hà Nội, ngày

tháng

Tác giả Luận án

ii

năm 2015


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

MỤC LỤC
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT...................................................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ v
DANH MỤC CÁC HÌNH ..................................................................................... viii
MỞ ĐẦU. ................................................................................................................... 1
Chương 1- TỔNG QUAN ......................................................................................... 3
1.1. VAI TRÒ VÀ TIỀM NĂNG CỦA ETHANOL SINH HỌC ........................... 3
1.1.1. Vai trò của ethanol sinh học ......................................................................3
1.1.2. Tiềm năng sản xuất ethanol sinh học .........................................................5
1.1.3. Sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học ....................................................6
1.1.4. Các nguyên liệu thường dùng để sản xuất ethanol ngày nay .....................6
1.1.5. Lên men sản xuất ethanol .........................................................................10
1.2. RONG BIỂN ..........................................................................................................12
1.2.1. Giới thiệu chung .......................................................................................12
1.2.2. Hình thái - Phân loại các loài rong biển ở Việt Nam ...............................12
1.2.3. Phân bố, khai thác sản xuất rong biển ......................................................14
1.2.4. Tổng quan về rong nâu .............................................................................16

1.3. PHẾ THẢI NÔNG NGHIỆP: RƠM, RẠ Ở VIỆT NAM ...............................23
1.3.1. Phế thải nông nghiệp ................................................................................23
1.3.2. Thành phần hóa học của phế thải nông nghiệp ........................................23
1.4. VI SINH VẬT TRONG XÚC TÁC QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN ...............29
1.4.1. Vi sinh vật ................................................................................................29
1.4.2. Xúc tác sinh học trong quá trình thủy phân .............................................31
1.5. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC THUỘC LĨNH
VỰC CỦA LUẬN ÁN ..................................................................................................39
1.5.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ............................................................39
1.5.2. Các nghiên cứu trong nước ......................................................................43
Chương 2 - NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........ 47
2.1. NGUYÊN VẬT LIỆU ...........................................................................................47
iii


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

2.1.1. Các nguyên vật liệu chứa cellulose ..........................................................47
2.1.2. Các chủng vi sinh .....................................................................................48
2.1.3. Hóa chất ....................................................................................................50
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................51
2.2.1. Phương pháp hypoclorit tách cellulose từ rơm rạ ....................................51
2.2.2. Phương pháp xác định độ ẩm của rong biển khô .....................................52
2.2.3. Xác định protein tổng số bằng phương pháp Kieldahl .............................52
2.2.4. Phương pháp xác định hàm lượng tro ......................................................53
2.2.5. Xác định hàm lượng lipid tổng số bằng phương pháp Folch ...................54
2.2.6. Phương pháp định lượng đường khử theo phương pháp acid
dinitrosalicylic (DNS) ........................................................................................55
2.2.7. Phương pháp tiền xử lý phế thải rong nâu ...............................................57
2.2.8. Phương pháp xử lí số liệu .........................................................................60

2.3. XÂY DỰNG QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU ....................................................61
2.3.1. Quy trình thủy phân carbohydrate trong rong nâu và phế thải nông nghiệp
............................................................................................................................61
2.3.2. Quy trình dự kiến lên men dịch đường tạo ethanol sinh học ...................64
2.3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình thủy phân
carbohydrate trong rong nâu...............................................................................65
2.3.4. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình lên men
tạo ethanol ..........................................................................................................70
Chương 3- KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................. 75
3.1. Nghiên cứu và chuẩn bị nguyên vật liệu sản xuất nhiên liệu sinh học ..........75
3.1.1. Xác định hàm lượng carbohydrate trong rong nâu thu tại Nha Trang và
Hải Phòng ...........................................................................................................75
3.1.2 Xác định hàm lượng cellulose tách từ rơm rạ ...........................................76
3.1.3. Nghiên cứu thu nhận xúc tác sinh học cho sản xuất bioethanol ..............78
3.2. Nghiên cứu quá trình thủy phân carbohydrate từ các nguồn nguyên liệu
thành saccharide hòa tan .............................................................................................81
3.2.1. Thủy phân carbohydrate trong rong nâu ..................................................81
3.2.2. Nghiên cứu thủy phân cellulose tách chiết từ rơm rạ ...............................91
3.2.3. Đánh giá chung về quá trình thủy phân chuyển hóa carbohydrate trong
rong biển, phế thải nông nghiệp thành đường ..................................................106
iv


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

3.3. Nghiên cứu quá trình lên men các sản phẩm trung gian hòa tan................108
3.3.1. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men rong nâu và phế
thải nông nghiệp ...............................................................................................110
3.3.2. Nghiên cứu lên men bằng sản phẩm trung gian glucose từ quá trình thủy
phân rơm rạ bởi chủng Saccharomyces cerevisiae V7028 .............................116

3.4. Chuyển hóa phế thải rong nâu thành ethanol sử dụng xúc tác sinh học kết
hợp với acid..................................................................................................................118
3.4.1. Hàm lượng cellulose có trong phế thải rong nâu sau quá trình tách alginate 118
3.4.2. Hiệu quả quá trình thủy phân và lên men...............................................119
Nhận xét............................................................................................................120
KẾT LUẬN ............................................................................................................ 126
CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .............. 128
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 130
PHỤ LỤC

v


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

Đỗ Trung Sỹ

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT

Chữ viết tắt

Diễn giải

1

ADP

Adenosin diphosphate

2

ATP

Adenosin triphosphate

3

BGL

Glucosidase

4

BHT

Butylated hydroxy toluen

5

CBH

Cellobiohydrolase

6

DNS

Acid dinitrosalicylic

7

EG

Endoglucanase

8

FAO

Food and Agriculture Organization

9

HPLC

High performance liquid chromatography

10

IR

Infrared spectroscopy

11

IUPAC

International Union of Pure and Applied Chemistry

12

NADH

Nicotinamide adenine dinucleotide

13

OD

Optical density

14

PVA

Polyvinyl alcohol

15

SHF

Separate hydrolysis and fermentation

16

SPSS

Statistical Package for the Social Sciences

17

SSF

Simultaneous saccharification and fermentation

18

UV – VIS

Ultraviolet–visible spectroscopy

iv


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

Đỗ Trung Sỹ

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1

Tính chất hoá lý quan trọng của một số nhiên liệu .................................4

Bảng 1.2

Sản lượng ethanol trên thế giới ...............................................................6

Bảng 1.3

Một số dự án sản xuất ethanol tại Việt Nam ...........................................7

Bảng 1.4

Các dạng carbohydrate trong 3 ngành rong biển. .................................14

Bảng 1.5

Thành phần hóa học của phế thải nông nghiệp (%) ..............................23

Bảng 1.6

Cellulose tinh khiết trong nguyên liệu ..................................................24

Bảng 1.7

Vi sinh vật phân huỷ lignocellulose ......................................................31

Bảng 2.1

Các loài rong nâu được thu hái để nghiên cứu ......................................48

Bảng 2.2

Các chủng vi sinh vật để thủy phân cellulose .......................................49

Bảng 2.3

Các chủng vi sinh vật cho lên men ethanol ...........................................49

Bảng 2.4

Các hóa chất được sử dụng trong luận án .............................................50

Bảng 2.5

Mật độ quang của dãy dung dịch chuẩn glucose theo phương pháp
DNS .......................................................................................................57

Bảng 3.1

Kết quả xác định thành phần sinh hóa của 4 loài rong nâu ...................75

Bảng 3.2

Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình
thủy phân rong nâu bởi các lượng enzyme Cellic HTech2 khác
nhau .......................................................................................................81

Bảng 3.3

Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình
thủy phân rong nâu bởi enzyme Cellic HTech2 ở các giá trị pH
khác nhau ...............................................................................................83

Bảng 3.4

Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình
thủy phân rong nâu bởi enzyme Cellic HTech2 ở các nhiệt độ
khác nhau ...............................................................................................85

Bảng 3.5

Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành tại các thời điểm
khác nhau trong quá trình thủy phân rong nâu bởi enzyme Cellic
HTech2 ...................................................................................................87

Bảng 3.6

Kết quả xác định hàm lượng đường khử trong dịch thủy phân rong
nâu đã qua xử lí acid kết hợp với enzyme Cellic HTech2.....................89

v


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

Đỗ Trung Sỹ
Bảng 3.7

Kết quả xác định hàm lượng cellulose và glucose tại các thời điểm
khác nhau trong quá trình thủy phân cellulose bởi dịch lên men của
chủng vi khuẩn C32 ................................................................................92

Bảng 3.8

Kết quả xác định hàm lượng cellulose và glucose tại các thời điểm
khác nhau trong quá trình thủy phân cellulose bởi dịch lên men của
chủng vi khuẩn C36 ................................................................................92

Bảng 3.9

Kết quả xác định hàm lượng cellulose và glucose tại các thời điểm
khác nhau trong quá trình thủy phân cellulose bởi dịch lên men
của chủng vi khuẩn Hud 4-1 .................................................................93

Bảng 3.10 Kết quả xác định hàm lượng cellulose và glucose tại các thời điểm
khác nhau trong quá trình thủy phân cellulose bởi dịch lên men
của chủng xạ khuẩn 7P ..........................................................................93
Bảng 3.11 Kết quả xác định hàm lượng cellulose và glucose tại các thời điểm
khác nhau trong quá trình thủy phân cellulose bởi dịch lên men
của chủng nấm A. terreus ......................................................................93
Bảng 3.12 Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulose bởi một
số chủng vi sinh của Việt Nam..............................................................94
Bảng 3.13 Hiệu suất thủy phân cellulose của các chủng vi sinh ............................95
Bảng 3.14 Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình
thủy phân cellulose bởi dịch enzyme của nấm Aspergillus terreus
tại các thời điểm khác nhau và ở các giá trị pH khác nhau ...................99
Bảng 3.15 Kết quả xác định hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình
thủy phân cellulose bởi enzyme của nấm Aspergillus terreus tại
nhiệt độ khác nhau ...............................................................................100
Bảng 3.16 Ảnh hưởng của lượng cellulose và enzyme ban đầu tới lượng
glucose thu được..................................................................................101
Bảng 3.17 Ma trận kế hoạch thực nghiệm và kết quả ..........................................101
Bảng 3.18 Xác địnhh giá trị tối ưu cho hàm lượng glucose nhận được ...............104

vi


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

Đỗ Trung Sỹ
Bảng 3.19 Kết quả xác định hàm lượng đường khử trước và sau khi thay đổi
tỷ lệ nấm men trong quá trình lên men bằng chủng nấm men
Saccharomyces cerevisiae V7028 .......................................................110
Bảng 3.20 Kết quả xác định hàm lượng đường khử trước và sau khi lên men
của nấm Saccharomyces cerevisiae V7028 ở các giá trị pH khác
nhau .....................................................................................................113
Bảng 3.21 Kết quả xác định hàm lượng đường khử trước và sau khi lên men
bằng nấm Saccharomyces cerevisiae V7028 tại các thời điểm khác
nhau .....................................................................................................115
Bảng 3.22 Các thông số động học của quá trình lên men ethanol bởi chủng
Saccharomyces cerevisiae V7028 .......................................................117
Bảng 3.23 Ảnh hưởng của nồng độ acid loãng tới hàm lượng khử tạo thành
trong quá trình thủy phân ....................................................................119

vii


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

Đỗ Trung Sỹ

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1

Công thức Haworth của hai gốc polymer trong phân tử acid alginic....19

Hình 1.2

Công thức cấu tạo của alginate ..............................................................19

Hình 1.3

Cấu trúc của alginate .............................................................................20

Hình 1.4

Cấu trúc hóa học của một loại fucoidan được chiết tách từ rong nâu ...21

Hình 1.5

Cấu trúc của một phân đoạn fucoidan ...................................................21

Hình 1.6

Cấu trúc của phân tử cellulose và hemicellulose ..................................25

Hình 1.7

Cấu trúc không đồng nhất của phân tử cellulose...................................26

Hình 1.8

Cấu trúc của lignin.................................................................................28

Hình 1.9

Đường cong sinh trưởng của vi sinh vật trong nuôi cấy gián đoạn .......29

Hình 1.10 Cơ chế thủy phân cellulose....................................................................36
Hình 1.11 Sơ đồ thủy phân cellulose bằng hệ enzyme cellulase ...........................36
Hình 1.12 Cơ chế thủy phân glycoside bằng enzyme -glucosidase .....................37
Hình 1.13 Sơ đồ thiết bị thủy phân bằng phương pháp acid tại Brazil , ................39
Hình 2.1

Các mẫu rong nghiên cứu ......................................................................47

Hình 2.2

Phế thải nông nghiệp (rơm, rạ) trước và sau khi xử lý cơ học ..............48

Hình 2.3

Phương pháp Hypoclorit tách cellulose từ rơm rạ ................................51

Hình 2.4

Đường chuẩn tương quan giữa nồng độ glucose và độ hấp thụ ............57

Hình 2.5

Sơ đồ thí nghiệm kết hợp thủy phân bằng acid và enzyme ...................60

Hình 2.6

Sơ đồ quá trình thủy phân carbohydrate trong rong nâu .......................61

Hình 2.7

Sơ đồ quá trình thuỷ phân carbohydrate trong phế thải nông nghiệp ..63

Hình 2.8

Quy trình dự kiến sản xuất ethanol........................................................64

Hình 2.9

Sơ đồ thí nghiệm xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy
phân .......................................................................................................66

Hình 2.10 Sơ đồ thí nghiệm kết hợp thủy phân bằng acid và enzyme ...................70

viii


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

Đỗ Trung Sỹ
Hình 2.11 Sơ đồ xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men tạo ethanol.
...............................................................................................................71
Hình 3.1

Biểu đồ biểu diễn hàm lượng carbohydrate trong 4 loài rong nâu thu tại
Hải Phòng và Nha Trang .......................................................................76

Hình 3.2

Ảnh cellulose tách được từ rơm, rạ (trái) và phổ IR của cellulose thu
được (phải).............................................................................................77

Hình 3.3

Ảnh của một số chủng vi sinh vật và vòng phân giải của chúng ..........79

Hình 3.4

Chủng Saccharomyces cerevisiae V7028 do phía Nga chuyển giao. ...79

Hình 3.5

Ảnh các hạt xúc tác tạo thành từ các chủng vi sinh vật được cố định trên
PVA (trái) và hình ảnh sử dụng các tế bào cố định này để thủy phân
cellulose thành glucose (phải) ...............................................................80

Hình 3.6

Tế bào nấm men cố định trên PVA (trái) và tế bào nấm men cố định
trên PVA tham gia vào lên men ethanol (bên phải) ..............................81

Hình 3.7

Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy
phân rong nâu bởi các lượng enzyme Cellic HTech2 khác nhau ..........82

Hình 3.8

Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy
phân rong nâu bởi enzyme Cellic HTech2 ở các giá trị pH khác nhau. 84

Hình 3.9

Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử tạo thành trong quá trình thủy
phân rong nâu bởi enzyme Cellic HTech2 ở các nhiệt độ khác nhau. ..85

Hình 3.10 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử tạo thành tại các thời điểm
khác nhau trong quá trình thủy phân rong nâu bằng enzyme Cellic
HTech2 ..................................................................................................87
Hình 3.11 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử trong dịch thủy phân rong nâu
đã qua xử lí acid kết hợp với enzyme Cellic HTech2 ...........................90
Hình 3.12 Sơ đồ quá trình thủy phân cellulose bằng dịch enzyme của các chủng vi
sinh vật ...................................................................................................92
Hình 3.13 So sánh thủy phân cellulose bằng các chủng vi sinh .............................94
Hình 3.14 Hiệu suất thủy phân cellulose thành glucose bằng các chủng vi sinh ...95
Hình 3.15 Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulose bằng enzyme
cellulase của nấm A. terreus ..................................................................96

ix


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

Đỗ Trung Sỹ
Hình 3.16 Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulose bằng enzyme
cellulase của vi khuẩn C32 ....................................................................97
Hình 3.17 Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulose bằng enzyme
cellulase của xạ khuẩn 7P ......................................................................97
Hình 3.18 Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulose bằng enzyme
cellulase của vi khuẩn Hud 4-1 .............................................................97
Hình 3.19 Sự tạo thành glucose trong quá trình thủy phân cellulose bằng enzyme

cellulase của vi khuẩn C36 ....................................................................98
Hình 3.20 Ảnh hưởng của pH tới hàm lượng glucose tạo thành trong quá trình
thủy phân cellulose bằng chủng nấm Aspergillus terreus .....................99
Hình 3.21 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng glucose tạo thành trong quá
trình thủy phân cellulose bằng nấm A. terreus ....................................100
Hình 3.22 Đồ thị xác định giá trị tối ưu của glucose thu được từ quá trình thủy
phân cellulose ......................................................................................105
Hình 3.23 Cơ chế chuyển hóa đường thành ethanol ............................................110
Hình 3.24 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử còn lại khi thay đổi tỷ lệ nấm
men trong quá trình lên men bằng chủng nấm men Saccharomyces
cerevisiae V7028 .................................................................................111
Hình 3.25 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử còn lại sau khi lên men của
nấm Saccharomyces cerevisiae V7028 ở các giá trị pH khác nhau ....114
Hình 3.26 Biểu đồ biểu diễn hàm lượng đường khử còn lại sau khi lên men bằng
Saccharomyces cerevisiae V7028 tại các thời điểm khác nhau ..........115
Hình 3.27 Sự biến đổi các thành phần trong quá trình lên men ethanol bằng chủng
Saccharomyces cerevisiae V7028 (của Nga) .....................................117
Hình 3.28 Ảnh hưởng của nồng độ acid loãng đến hàm lượng đường trong quá
trình thủy phân phế thải rong ..............................................................120

x


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

MỞ ĐẦU
Nền kinh tế thế giới cho đến nay phụ thuộc rất nhiều vào nhiên liệu hóa
thạch, nhu cầu năng lượng cũng không ngừng gia tăng theo sự phát triển kinh tế - xã
hội, an ninh quốc phòng của mỗi quốc gia. Theo tính toán của các chuyên gia năng
lượng, dầu mỏ và khí đốt hiện chiếm khoảng 60-80% cán cân năng lượng thế giới.

Với tốc độ tiêu thụ năng lượng như hiện nay và trữ lượng dầu mỏ hiện có, nguồn
năng lượng này sẽ nhanh chóng bị cạn kiệt trong vòng 40-50 năm tới. Hơn nữa, các
chất đốt hóa thạch làm tăng lượng carbon dioxide trong khí quyển, là một trong
những nguyên nhân làm nhiệt độ trái đất ngày càng nóng lên, đây là một vấn đề
mà nhiều tổ chức, quốc gia muốn tìm cách hạn chế trong nhiều năm qua. Do đó,
nhiệm vụ tìm kiếm nguồn thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đã được đặt ra trong
gần nửa thế kỷ qua và ngày càng trở nên cấp thiết.
Một trong những hướng đi để giải quyết nhiệm vụ này là sản xuất nhiên liệu
sinh học bằng cách sử dụng sinh khối, tức là các vật liệu có nguồn gốc hữu cơ để
đốt trực tiếp, nhằm tạo ra nhiệt năng, điện năng hoặc chuyển hóa sang các chất
mang năng lượng dạng khí hoặc nhiên liệu lỏng. Nhiên liệu sinh học được sản xuất
từ thực vật và phế thải ví dụ như: các loại cây nông nghiệp, chất thải đô thị hay phụ
phẩm nông lâm nghiệp [35].
Ethanol có thể được sản xuất từ thực vật bao gồm đường, tinh bột và
lignocellulose. Ethanol được sản xuất từ những vật liệu như đường và tinh bột được
coi như là thế hệ đầu tiên của nhiên liệu sinh học. Phần lớn nhiên liệu sinh học ngày
nay trên thế giới là từ thế hệ đầu tiên. Tuy nhiên, việc sử dụng các nguyên liệu thế
hệ này dẫn đến nhiều vấn đề nảy sinh bao gồm an ninh lương thực và việc thay thế
đất nông nghiệp do nhu cầu về nhiên liệu sinh học ngày càng cao [104].
Thế hệ thứ hai của nhiên liệu sinh học là sử dụng phế thải có chứa cellulose
làm nguyên liệu do có số lượng lớn và chi phí thấp. Việc sử dụng các phế thải có
thể làm giảm đáng kể áp lực về nhu cầu đất đai và đáp ứng nhu cầu nhiên liệu sinh
học trên thế giới [96]. Hiện tại, nguyên liệu được nghiên cứu trong sản xuất nhiên
liệu sinh học thế hệ thứ hai phần lớn là phế thải nông nghiệp từ vụ mùa, thực vật
tươi hoặc đã qua chế biến [52], rơm rạ [102], ngô mía [111]... với hàm lượng
hemicellulose cao [72]. Trong nguồn nguyên liệu có nguồn gốc từ biển,

1

www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

Sargassum là loại rong nâu được sử dụng trong sản xuất alginate, mannitol... Việc
sử dụng các loài rong như một nguyên liệu thay thế để sản xuất nhiên liệu sinh học
đã được nghiên cứu [123]. Tuy nhiên vẫn còn rất ít các nghiên cứu về việc dùng
rong nâu làm nguyên liệu sản xuất ethanol. Trong khi đó, hàng năm một lượng lớn
các phế thải rong được tạo ra từ công nghiệp sản xuất alginate, gây ô nhiễm môi
trường nghiêm trọng do khả năng tái chế thấp. Các phế thải rong từ ngành công
nghiệp chế biến rong nâu có hàm lượng cellulose cao, hàm lượng hemicellulose và
lignin thấp. Vì vậy nó có tiềm năng cao trong quy trình chuyển hóa thành ethanol
sinh học.
Từ tình hình thực tế trên, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu chuyển hóa
rong biển, phế thải nông nghiệp chứa carbohydrate thành ethanol sử dụng xúc
tác sinh học” làm đề tài nghiên cứu cho luận án của mình.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là:
 Xác định được thành phần lý hóa, sinh của rong biển và phế thải nông
nghiệp, lựa chọn được loài rong biển có hàm lượng carbohydrate cao
cho quá trình nghiên cứu luận án
 Xác định được các điều kiện tối ưu để chuyển hóa carbohydrate từ
rong biển và phế thải nông nghiệp thành ethanol sinh học
Để thực hiện được các mục tiêu trên, các nội dung nghiên cứu đã được thực
hiện bao gồm:

1. Xác định hàm lượng carbohydrate trong các rong nâu và trong phế thải nông
nghiệp

2. Xác định các điều kiện tối ưu của quá trình thủy phân rong nâu bằng acid
sulfuric loãng kết hợp với enzyme Cellic HTech2

3. Lựa chọn các chủng vi sinh vật thủy phân rơm, rạ thành các sản phẩm trung

gian sau đó nghiên cứu xây dựng quy trình thủy phân tối ưu

4. Xác định điều kiện tối ưu trong quá trình lên men ethanol từ dịch thủy phân
của rong biển và phế thải nông nghiệp

5. Đánh giá hiệu quả của các quá trình chuyển hóa carbohydrate từ rong biển
và phế thải nông nghiệp thành ethanol sinh học

2


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

Chương 1- TỔNG QUAN
1.1. VAI TRÒ VÀ TIỀM NĂNG CỦA ETHANOL SINH HỌC
1.1.1. Vai trò của ethanol sinh học
Hiện nay, các nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, ước tính trữ
lượng dầu mỏ của thế giới đến năm 2050 sẽ cạn. Trong khi đó, hoạt động sống của
con người rất cần năng lượng. Mặt khác, nguồn năng lượng hóa thạch đã gây ra các
vấn đề nghiêm trọng về ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính. Chính vì vậy, nhu
cầu về nguồn nguyên liệu thay thế cho xăng dầu đang là vấn đề cấp thiết cho toàn
thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Việc đầu tư nghiên cứu “nhiên liệu sạch”nhiên liệu sinh học ethanol sinh học đang trở thành đề tài được quan tâm hàng đầu
trên thế giới [18].
Nhiên liệu sinh học là nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn
gốc động thực vật trong đó bao gồm: ngũ cốc, chất thải nông nghiệp, sản phẩm thải
trong công nghiệp... Nhiên liệu sinh học được biết đến với nhiều lợi thế: là một
trong những biện pháp giảm thiểu hiện tượng nóng lên toàn cầu, giúp các quốc gia
chủ động, không bị lệ thuộc vào vấn đề nhập khẩu nhiên liệu, đặc biệt đối với các
quốc gia không có nguồn dầu mỏ và than đá, ổn định tình hình năng lượng cho thế
giới [7]. Nhiên liệu sinh học có thể được phân loại thành các nhóm chính như sau:

- Diesel sinh học (Biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có thể sử dụng thay
thế cho loại dầu diesel truyền thống.
- Xăng sinh học (Biogasoline) là loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử dụng
ethanol như một loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay cho phụ gia chì.
Ethanol được sản xuất thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh
bột, cellulose, lignocellulose. Ethanol được pha chế với tỷ lệ thích hợp với xăng tạo
thành xăng sinh học có thể thay thế loại xăng sử dụng phụ gia chì truyền thống.
- Khí sinh học (Biogas) có thành phần chủ yếu là CH4 (50-60%) và CO2
(>30%) còn lại là các chất khác như hơi nước, O2, N2, CO... Biogas được tạo ra sau
quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ, phế thải nông nghiệp tạo thành sản phẩm
dạng khí.
Cho tới nay, ethanol sinh học được coi là nguồn năng lượng thay thế số một
cho dầu mỏ [8]. Để chứng minh rằng, ethanol thực chất có thể làm nhiên liệu thay
3


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

thế xăng, có thể xem xét một số tính chất quan trọng của dung môi này [18].
- Tính chất hóa lý của ethanol:
Ethanol (C2H5OH) là một chất lỏng không màu, sôi ở 78,3oC và là một dung
môi hữu cơ đa dụng, có thể sản xuất từ dầu khí thông qua phản ứng hydrat hóa
ethylene (ethanol tổng hợp, không sử dụng vào mục đích năng lượng) hoặc từ nguyên
liệu sinh học (ethanol sinh học, sử dụng chủ yếu vào mục đích năng lượng).
Ethanol sinh học có khả năng thay thế hoàn toàn xăng sản xuất từ dầu mỏ hoặc
có thể pha trộn với xăng để tạo ra xăng sinh học. Xăng sinh học là hỗn hợp của xăng
truyền thống và ethanol sinh học (bio-ethanol), được sử dụng làm nhiên liệu cho các
loại động cơ đốt trong như xe gắn máy, ôtô. Được ghi danh bằng kí tự E kèm theo
một con số chỉ số % của ethanol sinh học được pha trộn trong xăng đó.
Trên thị trường người ta thường gặp các loại xăng sinh học như E5, E20,

E95... tức là xăng chứa 5%, 20%, 95% ethanol.
Công thức hóa học của ethanol: C2H5OH, CH3-CH2-OH, viết tắt là C2H6O.
Ethanol là một loại nhiên liệu thay thế, được sản xuất bằng phương pháp lên men
và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn,
như bắp, lúa mì, lúa mạch, mía, củ cải đường, sắn, các phế phẩm nông nghiệp.
Ngoài ra, ethanol còn được sản xuất từ cây, cỏ có chứa cellulose, gọi là ethanol
sinh học.
- Các phản ứng quan trọng của ethanol:
Phản ứng đốt cháy (Combustion) C2H5OH + 3 O2  2 CO2 + 3 H2O
Lên men (Fermentation) C6H12O6  2 C2H5OH + 2 CO2
Để thấy rằng ethanol có bản chất là nguyên liệu có thể so sánh các chỉ số đặc
trưng với một số nhiên liệu khác (bảng 1.1)
Bảng 1.1 Tính chất hoá lý quan trọng của một số nhiên liệu
Nhiên liệu

Ethanol

Xăng

Hydrogen

Diesel

Benzen

Điểm sôi, °C

78,39

35-195

- 252,6

180-360

80,1

Điểm nóng chảy, °C

-114,15

Tỷ trọng, d420, g/ml

0,79

-259,1
0,700,78

4

70,8 (lỏng) 0,79-0,86

5,53
0,876


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

Nhiệt cháy ở 25°C, kJ/g

29,8

26,0

141,9

45,0

Nhiệt độ tự bốc cháy,°C

422,8

246°C

571°C

210°C

- Dưới, vol%

4,3

1,4

4,0

1,3

- Trên, vol%

19,0

7,6

75,0

7,1

534

Giới hạn cháy trong
không khí:

1.1.2. Tiềm năng sản xuất ethanol sinh học
Ethanol sinh học trộn với xăng chế biến từ dầu thô để chạy xe. Sản xuất đủ
ethanol thì thế giới sẽ giải quyết được vấn đề về năng lượng. Ngoài ra ethanol khi
cháy thải ít khí nhà kính vào bầu khí quyển hơn là xăng chế biến từ dầu mỏ [8].
Ethanol là chất phụ gia để tăng trị số Octan (trị số đo khả năng kích nổ) và giảm
khí thải độc hại của xăng. Trong chính sách năng lượng của mình, từ khối EU đến Mỹ,
Trung Quốc, Australia, Nhật Bản… đều chú trọng đến ứng dụng ethanol.
Bên cạnh đó, thế giới đang lo ngại trữ lượng dầu mỏ toàn cầu đang có nguy
cơ bị cạn kiệt. Trữ lượng dầu mỏ trên thế giới, qua nhiều thăm dò và nghiên cứu của
những cơ quan khác nhau như: Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (1997), Báo Washington Post
(1996), Kỷ yếu Năng lượng quốc tế 1998 (International Energy Annual), Phòng
thống kê LHQ (1994) kết luận là trữ lượng dầu thô hiện chiếm vào khoảng
1.000 tỷ thùng (barrel) (1 barrel = 42 Gallon = 159 lít = 0,16 m3). Cũng theo ước
tính của Cơ quan Địa chất Hoa Kỳ (US GS) thì với trữ lượng này, nhân loại chỉ
có triển vọng sử dụng trong vòng 50 năm tới mà thôi.
Ethanol đã được điều chế từ gạo, nếp, bắp... từ hàng ngàn năm trước qua
sự lên men rượu do vi khuẩn [9]. Hiện nay, với nhu cầu giải quyết nạn khan hiếm

năng lượng xăng dầu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường, ethanol quả thật là một
nhu cầu cấp bách cho thế giới... Ngoài ra, sự có mặt của ethanol trong xăng không
chỉ giảm thiểu được một phần lượng xăng nhập khẩu mà còn góp phần không nhỏ
vào việc giảm thiểu lượng lớn khí thải độc hại ra môi trường, hạn chế ô nhiễm môi
trường, góp phần tăng khả năng đảm bảo an ninh năng lượng của một quốc gia, nhất
là các quốc gia không có nguồn dầu mỏ [5].

5


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

1.1.3. Sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học
Có thể nói, chương trình sản xuất nhiên liệu sinh học (ethanol) đang được
thực hiện hoặc được chuẩn bị và sẵn sàng tại nhiều nước trên thế giới.
Sản lượng ethanol trên thế giới trong những năm gần đây được trình bày
trong bảng sau:
Bảng 1.2 Sản lượng ethanol trên thế giới
(Đơn vị triệu L)
Khu vực

2008

2009

2010

2011

2012

Châu Âu

2,885

3,645

4,254

4,429

4,973

Châu Phi

65

100

130

150

235

Bắc và Trung Mỹ

35,946

42,141

51,584

54,765

54,580

Nam Mỹ

24,456

24,275

25,964

21,637

21,335

Châu Á/ Thái Bình Dương

2,753

2,927

3,115

3,520

3,965

1.1.4. Các nguyên liệu thường dùng để sản xuất ethanol ngày nay
Dựa vào nguyên liệu sản xuất, nhiên liệu ethanol sinh học được chia làm 2
thế hệ:
Thế hệ I:
Thế hệ I được sản xuất từ các nguồn tinh bột như ngô, sắn, mía đường trong
đó chủ yếu là tinh bột chứa amylose và một phần nhỏ là amylopectin. Tinh bột gồm
amylose (10-20%) và amylopectin (80-90%) [9].
Amylose

Amylose là polymer mạch thẳng của -D-glucose với liên kết -(1→4) có
cấu trúc chặt chẽ.
Amylopectin

6


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

Amylopectin là polymer mạch thẳng, đa nhánh của glucose với liên kết
-(1→4). Các mạch nhánh được tạo bởi các liên kết -(1→6). Khoảng từ 24 đến 30
glucose lại có một liên kết mạch nhánh.
Tình hình sản xuất ethanol sinh học từ mía, đường
Ngày 20/11/2007, Thủ tướng chính phủ đã ban hành quyết định số
177/2007/QĐ-TT về việc phê duyệt đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm
2015, tầm nhìn đến năm 2025 nhằm mục tiêu “phát triển nhiên liệu sinh học, một
dạng năng lượng mới tái tạo được để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền
thống, góp phần đảm bảo an ninh lương thực và bảo vệ môi trường”. Trong 2-3 năm
gần đây, việc sản xuất ethanol làm nhiên liệu đã được quan tâm với nhiều góc độ
khác nhau về nghiên cứu cũng như sản xuất.

Bảng 1.3: Một số dự án sản xuất ethanol tại Việt Nam
Tên dự án

Công suất

Vốn đầu tư

Nguyên liệu

Nhà máy Ethanol Phú Thọ

100 triệu lít/năm

1.600 tỉ đồng

240 ngàn tấn sắn lát/năm

Nhà máy Bio-ethanol Dung Quất

100 triệu lít/năm

1.600 tỉ đồng

240 ngàn tấn sắn lát/năm

Nhà máy Bio-ethanol Bình Phước

100 triệu lít/năm

1.600 tỉ đồng

240 ngàn tấn sắn lát/năm

Nhà máy Ethanol Đại Tân

125 triệu lít/năm

> 900 tỉ đồng

300 ngàn tấn sắn lát/năm

Nhà máy Ethanol Tùng Lâm

60 triệu lít/năm

-

-

Tính đến cuối năm 2012, năng lực sản xuất ethanol nhiên liệu của cả nước đạt
535 triệu lít/năm, đủ để phối trộn 8,35 triệu tấn xăng E5 (5% ethanol) hoặc 4,17 triệu
tấn xăng E10 (10% ethanol), đảm bảo đủ cung cấp cho thị trường cả nước. Theo lộ

7


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

trình đã được Chính phủ phê duyệt, xăng sinh học E5 sẽ được phép pha trộn và tiêu thụ
tại 7 tỉnh, thành phố như Hà Nội, Hải Phòng, TPHCM, Cần Thơ, Đà Nẵng, Bà Rịa Vũng Tàu và Quảng Ngãi từ cuối năm 2014. Từ 1/12/2015 xăng E5 sẽ tiêu thụ đại trà

trên cả nước. Điều này sẽ giúp các nhà sản xuất ethanol có được đầu ra.
Vào năm 2007, khi các dự án sản xuất nhiên liệu sinh học được lập, giá sắn lát
chỉ khoảng 1.200-1.500 đ/kg, đến năm 2011 giá sắn lát đã tăng lên 5.500- 5.800 đ/kg.
Năm 2012 giá có giảm chút ít những vẫn khoảng 4.000-4.700 đ/kg. Nếu mỗi lít ethanol
cần khoảng 2,4 kg sắn lát thì riêng giá vốn cho nguyên liệu chính đã là 11.280 đồng,
cộng thêm các chi phí khác như: điện, phụ phẩm, lương lao động, khấu hao máy móc,
lãi vay... giá thành làm ra một lít ethanol khoảng 18.000-19.000 đồng/lít .
Các công ty hiện nay chỉ đầu tư xây dựng các nhà máy sản xuất ethanol sinh
học thế hệ I, sản xuất ethanol từ lương thực sắn, mía đường. Như vậy, chúng ta chỉ
đầu tư vào những công nghệ đã lạc hậu trên thế giới. Điều này không chỉ lạc hậu về
mặt khoa học công nghệ và còn tác động xấu tới chiến lược an ninh lương thực
Quốc gia.
Thế hệ II
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 – 2332% và lignin – 15-25%. Hemicellulose gồm có Xylan (hemicellulose A) [5].
Cellulose

Cellulose là hợp chất cao phân tử được cấu tạo từ các liên kết các mắt xích
β-D-Glucose.
Xylan (hemicellulose A)

8


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

Xylan – polymer mạch thẳng của D-xylose với liên kết -(1

4)

Arabinoxylan (hemicellulose B) có mạch phân nhánh.
Thế hệ III
Rong biển bao gồm 3 ngành rong: Lục, Đỏ và Nâu. Rong Đỏ chứa chất xơ
fibrin khoảng 15-25%, galactan khoảng 50-70%, protein dưới 15% và lipid dưới 7%
tổng trọng lượng khô. Rong Lục chứa chất xơ fibrin khoảng 5%, tinh bột 40-50%.
Rong nâu chứa acid alginic khoảng 30-40% [15]. Agar là 1 polymer galactose có
thể chuyển thành đường galactose và 3,6-anhydrogalactose. Fibrin gồm cellulose.
Tinh bột là một polysaccharide của glucose, chất được tổng hợp từ carbohydrate ở
trong lục lạp của thực vật và được dự trữ trong tế bào chất [6]. Galactose và
Glucose có thể sử dụng như cơ chất cho quá trình lên men ethanol nhiên liệu. Quá
trình đường hóa sẽ cho galactose, 3,6-anhydrogalactose, glucose, frucose…
Lựa chọn loại nguyên liệu nào phù hợp để sản xuất ethanol tùy thuộc vào
điều kiện đất đai, khí hậu, chính sách phát triển của mỗi quốc gia. Các nguyên
liệu chủ lực để sản xuất ethanol ở các nước như sau: Mỹ: bắp, Brazil: mía, Pháp:
củ cải đường, Ấn Độ: mía, Việt Nam: sắn... Tính theo diện tích canh tác, hiệu
quả sản xuất ethanol từ củ cải đường cao nhất, có thể đạt 7.000 lít/ha, kế đến là mía
và bắp. Tuy nhiên, sẽ thu được nhiều ethanol hơn khi lên men từ ngô, gần 400
lít/tấn hạt, trong khi củ cải đường chỉ đạt 100 lít/tấn. Dầu diesel sinh học được chế
biến từ dầu thực vật và mỡ động vật. Vì vậy, nhiều nước đã tiến hành nghiên cứu
trồng các loài cây nông, lâm nghiệp để cung cấp nguyên liệu sản xuất nhiên liệu
sinh học.
Các loài cây sau đây đang được sử dụng để cung cấp nguyên liệu sản xuất
nhiên liệu sinh học. Với ưu thế về diện tích canh tác, Mỹ sử dụng ngô để sản xuất
ethanol. Ấn Độ dùng cây Cọ dầu và Jatropha curcas L để sản xuất diesel sinh học.
Uỷ ban phát triển nhiên liệu sinh học của Ấn Độ đề nghị trồng Cọ dầu trên diện tích
11,2 triệu ha đất thoái hoá, đất bỏ hoang và các loại đất khác.
Từ năm 1975 Brazil đã có kế hoạch dùng mía làm nguyên liệu sản xuất cồn
thay thế xăng và khuyến khích sử dụng nhiên liệu sinh học bằng các biện pháp như:

sử dụng xăng để chạy xe phải pha một tỷ lệ ethanol nhiên liệu, đầu tư trồng và cải
tạo giống mía để sản xuất nhiên liệu sinh học, cải tiến công nghệ sản xuất

9


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

ethanol, nghiên cứu sản xuất ô tô chạy bằng ethanol, miễn giảm thuế sản xuất và
tiêu thụ ethanol [8].
Các nước EU sử dụng đậu tương, hạt cải dầu và dầu mỡ phế thải từ động,
thực vật để sản xuất nhiên liệu sinh học.
Thuỵ Điển dự kiến sau 2020, ethanol sinh học từ cellulose sẽ thay thế toàn
bộ nhiên liệu hoá thạch nhằm chấm dứt phụ thuộc vào dầu mỏ.
Cách đây không lâu tại Indonesia chiếc xe ô tô đầu tiên chạy bằng 100%
nhiên liệu sinh học chế biến từ hạt cây Jatropha đã hoàn tất cuộc chạy thử 3200 km
ở tỉnh Tây Timor. Như vậy, hiện nay trên thế giới cũng như trong khu vực các
loài cây mía, sắn thường được dùng để sản xuất ethanol sinh học còn cọ dầu và
Jatropha dùng để sản xuất diesel sinh học, trong đó Jatropha đang được quan tâm ở
nhiều nước.
1.1.5. Lên men sản xuất ethanol
Ở nước ta, trong những năm gần đây, sản lượng lương thực đạt gần 40 triệu
tấn/năm, phế thải nông nghiệp ước tính chừng 80 -100 triệu tấn. Phế thải nông
nghiệp là dạng sinh khối chủ yếu chứa các polysaccharide (cellulose, hemicellulose)
bỏ lãng phí không được sử dụng một cách có hiệu quả [5].
Việc tái sử dụng các loại phế thải này như một nguồn năng lượng tái tạo là
một vấn đề có nhiều ý nghĩa trong khi các nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng
cạn kiệt. Một trong các hướng tái sử dụng các loại phế thải chứa các polysaccharide
(cellulose, hemicellulose) này (gọi chung là lignocellulose) là lên men chuyển thành
nhiên liệu sinh học ethanol thế hệ II.

Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu sản xuất ethanol từ sinh khối.
Sinh khối là phế thải của nông nghiệp như thân cây ngô, sắn, thân cây lúa mì,
mía đang trở thành đối tượng có nhiều tiềm năng để sản xuất ethanol sinh học. Thân
cây ngô và các loài thân gỗ khác cũng đang được chú ý. Thân gỗ các loài thông là
loại sinh khối được chú ý nhiều để lên men sản xuất ethanol. Đặc biệt, ở Bắc Mỹ
các loài thông (lodgepole pine) Pinus contorta mọc rất nhiều, có thể cao tới 50m,
đường kính đạt 2m cho khối lượng gỗ rất nhiều, nên là nguồn nguyên liệu rất dồi
dào để sản xuất ethanol từ sinh khối.

10


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

Tuy nhiên, việc sản xuất ethanol dựa trên nguyên liệu từ các loài cây trồng
nông nhiệp như trên đều ảnh hưởng đến giá lương thực và thực phẩm, nguồn nước
ngọt, đất canh tác, cũng như ảnh hưởng đến sự nghèo kiệt và xói mòn đất. Để tháo
gỡ vấn đề này, các nhà khoa học đã tìm kiếm và nhận thấy rằng sinh khối rong biển
có thể sử dụng làm nguồn nguyên liệu thay thế để sản xuất ethanol sinh học [8].
Quá trình lên men sản xuất ethanol từ sinh khối rong biển ngoài các khâu
tiền xử lý nguyên liệu, gồm 2 giai đoạn chính: Thủy phân nguyên liệu (đường hóa)
và lên men:
Thủy phân (đường hóa) là quá trình chuyển hoá nguyên liệu thành các sản
phẩm trung gian tan như các oligosaccharide, các đường đơn chủ yếu như glucose.
Lên men là quá trình chuyển hoá các sản phẩm trung gian tan thành ethanol
Phương pháp lên men ethanol
“Thủy phân và Lên men riêng biệt” và “Đường hóa và Lên men đồng thời”
Sản xuất ethanol từ sinh khối rong biển có thể thực hiện bằng phương pháp
“Thủy phân và Lên men riêng biệt” (separate hydrolysis and fermentation – SHF)
hoặc bằng phương pháp “Đường hóa và Lên men đồng thời” (simultaneous

saccharification and fermentation - SSF). Trong phương pháp “Thủy phân và Lên
men riêng biệt” hai giai đoạn: thủy phân (đường hóa) và lên men ethanol được tiến
hành nối tiếp nhau trong hai bình phản ứng riêng biệt (thủy phân có thể tiến hành
trong bình thứ nhất. Sản phẩm của giai đoạn này được chuyển sang bình thứ hai để
lên men) hoặc trong cùng một bình phản ứng (khi giai đoạn thủy phân kết thúc thì
bắt đầu giai đoạn lên men). Khi thực hiện phương pháp “Đường hóa và Lên men
đồng thời” hai giai đoạn trên được tiến hành đồng thời trong cùng một bình phản
ứng (giai đoạn lên men được bắt đầu ngay sau khi sản phẩm của giai đoạn thủy
phân hình thành). Một ưu điểm rõ nét nhất của phương pháp “Đường hóa và Lên
men đồng thời” là sản phẩm của giai đoạn đầu (glucose sinh ra trong thủy phân
nguyên liệu) không tích lũy nhiều trong bình phản ứng, không gây nên hiện tượng
ức chế giai đoạn sau (lên men ethanol).
Đã có nhiều nghiên cứu và thực nghiệm chứng minh rằng phương pháp “Đường
hóa và Lên men đồng thời”, trong nhiều trường hợp, có nhiều ưu điểm hơn so với
phương pháp “Thủy phân và Lên men riêng biệt”.

11


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

Nhưng để thực hiện “Đường hóa và Lên men đồng thời” cần chú ý rằng,
trong sản xuất nhiên liệu sinh học - ethanol từ sinh khối rong biển, giai đoạn thủy
phân có nhiệt độ tối ưu trong khoảng 45 - 50оC. Như vậy, để sản xuất nhiên liệu
sinh học - ethanol có hiệu quả bằng phương pháp “Đường hóa và Lên men đồng
thời”, cần phải lựa chọn các chủng vi sinh vật lên men hoạt động có hiệu lực cao tại
nhiệt độ nêu tối ưu cho giai đoạn thủy phân. Các chủng vi sinh vật đáp ứng được
yêu cầu ấy thường là các nấm men chịu nhiệt.
1.2. RONG BIỂN
1.2.1. Giới thiệu chung

Việt Nam có hệ động, thực vật vô cùng phong phú, có nhiều nguồn gen qúy
hiếm đặc trưng cho khí hậu nhiệt đới nóng ẩm. Một trong những điều kiện tạo nên
sự phong phú và giàu có ấy chính là doViệt Nam có vùng biển nhiệt đới với diện
tích rộng hơn 3,5 triệu km2 và đường bờ biển dài hơn 3600 km bao bọc hết phía
đông và phía nam đất nước. Một trong những nguồn tài nguyên phong phú và giàu
có của vùng biển chúng ta chính là rong biển [15].
Rong biển (tên tiếng Anh là marine-alage, marine plant hay seaweed) là thực
vật thủy sinh có đời sống gắn liền với nước. Chúng có thể đơn bào, đa bào sống thành
quần thể, có kích thước hiển vi hoặc có thể dài hàng chục mét. Hình dạng có thể là
hình cầu, hình sợi, hình phiến lá hay hình thù rất đặc biệt. Rong biển thường phân bố
ở các vùng nước mặn, nước lợ, cửa sông, vùng triều sâu, vùng biển cạn... Chúng hấp
thụ một lượng thức ăn phong phú hay trôi dạt từ lục địa ra. Đời sống của rong biển
phụ thuộc vào các yếu tố: địa bàn sinh trưởng, nhiệt độ, ánh sáng, độ muối, độ pH,
muối dinh dưỡng, khí hòa tan, mức triều, sóng, gió, hải lưu [18].
Trên thế giới, việc nghiên cứu về rong biển đã được tiến hành từ thế kỷ 18,
vào thời kỳ đó cũng có những công trình công bố về rong biển thuộc vùng biển Việt
Nam. Đó là những công trình điều tra, nghiên cứu về sinh thái, sinh học của rong.
Việc nghiên cứu sử dụng rong biển mới được đẩy mạnh trong thế kỷ 20.
1.2.2. Hình thái - Phân loại các loài rong biển ở Việt Nam
So với các nước vùng Đông Nam Á, nước ta thuộc vào nước có nguồn rong
biển phong phú và đa dạng. Với tổng số gần 800 loài rong tìm thấy ở vùng biển
Việt Nam, các tác giả Việt Nam đều cùng một quan điểm xếp chúng vào 4 ngành

12


www.DaiHocThuDauMot.edu.vn

trong hệ thống phân loại 10 ngành của Gollerbakh năm 1977: rong Lam
Cyanophyta; rong Đỏ Rhodophyta; rong nâu Phaeophyta và rong Lục Chlorophyta.

10 ngành rong theo phân loại của Gollerbakh là:
- Rong Lam – Cyanophyta.
- Rong Giáp – Pyrophyta.
- Rong Vàng ánh – Chrysophyta.
- Rong Khuê - Bacillariophyta.
- Rong nâu – Phaeophyta.
- Rong Đỏ - Rhodophyta.
- Rong Vàng - Xanthophyta.
- Rong Mắt – Euglenophyta.
- Rong Lục – Chlorophyta.
- Rong Vòng – Charophyta.
Trong đó, ba ngành có giá trị kinh tế cao là rong Lục, rong nâu, rong Đỏ.
Ngành rong Lục: có trên dưới 360 chi và hơn 5.700 loài, nét đặc trưng của
loài rong này là có màu lục, sản phẩm quang hợp là tinh bột. Rong có dạng tế bào
đơn giản hoặc phức tạp, nhiều tế bào hình phiến hay dạng sợi, chia nhánh hoặc
không chia nhánh. Trừ một số trường hợp rong chỉ là tế bào trần không có vỏ còn
lại đại đa số có vỏ riêng như chất pectin hay cellulose.
Ngành rong nâu: Có trên 190 chi, hơn 900 loài, phần lớn sống ở biển,
số chi, loài tìm thấy trong nước ngọt không nhiều lắm. Rong có cấu tạo nhiều tế
bào dạng màng giả, dạng phiến, dạng sợi đơn giản, một hàng tế bào chia nhánh,
dạng ống hoặc phân nhánh phức tạp hơn thành dạng cây có gốc, rễ, lá, thân. Rong
sinh trưởng ở đỉnh, ở giữa, ở gốc các rong. Ngoài ra, do các tế bào rong dạng phiến
chia cắt sinh trưởng khuếch tán gọi là sinh trưởng bề mặt.
- Ngành rong Đỏ: có 2.500 loài, gồm 400 chi, thuộc nhiều họ, phần lớn sống
ở biển, có cấu tạo từ nhiều tế bào, trừ một số dạng từ một tế bào hay quần thể.
Rong có dạng hình trụ dẹp dài, phiến chia hoặc không chia nhánh. Sinh trưởng
chủ yếu ở đỉnh, ở giữa đốt hay phân tán. Đặc trưng của loài này là chứa nhiều sắc
tố đỏ.

13