NGHIÊN cứu QUY TRÌNH sản XUẤT BIOETHANOL sử DỤNG DỊCH ĐƯỜNG từ lõi bắp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
------------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH SẢN XUẤT
BIOETHANOL SỬ DỤNG DỊCH ĐƯỜNG TỪ
LÕI BẮP

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

SINH VIÊN THỰC HIỆN

TS. Hồ Quốc Phong

Lê Quang Hậu
MSSV: 2102342
Ngành: Công Nghệ Hoá học- Khoá 36

Tháng 12/2014


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CÔNG NGHỆ

Độc lập- Tự do- Hạnh phúc

Cần Thơ, ngày…tháng…năm 2014

PHIẾU ĐỀ NGHỊ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP CHO SINH VIÊN
NĂM HỌC: 2014-2015
1. Họ và tên cán bộ hướng dẫn: TS. Hồ Quốc Phong
2. Tên đề tài: Nghiên cứu quy trình sản xuất ethanol sử dụng dịch đường từ lõi ngô.
3. Địa điểm thực hiện:
Phòng thí nghiệm Công Nghệ Hoá học, Khoa Công nghệ, Đại học Cần Thơ.
Phòng thí nghiệm Viện Công nghệ Sinh học, Đại học Cần Thơ.
4. Sinh viên thực hiện: Lê Quang Hậu

MSSV: 2102342

5. Mục tiêu đề tài:
Khảo sát khả năng sử dụng lõi ngô trong quá trình lên men nhờ vào
Saccharomyces cerevisiae để sản xuất bioethanol.
6. Nội dung chính
Phần I: Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thuỷ phân như nồng độ acid,
tỉ lệ cơ chất, nhiệt độ, thời gian.
Phần II: Nuôi cấy nấm men Saccharomyces cerevisiae phục vụ cho quá trình lên
men như pH, thời gian lên men.
7. Các yêu cầu hỗ trợ: kinh phí, hoá chất, phương tiện và dụng cụ thí nghiệm.
8. Kinh phí dự trù thực hiện đề tài: khoảng 1.000.000 đồng.

DUYỆT CỦA BỘ MÔN

CÁN BỘ RA ĐỀ TÀI

DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG THI VÀ XÉT TỐT NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CÔNG NGHỆ

Độc lập- Tự do- Hạnh phúc
Cần Thơ, ngày…tháng…năm 2014

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
1. Cán bộ hướng dẫn: TS. Hồ Quốc Phong
2. Đề tài: Nghiên cứu quy trình sản xuất bioethanol sử dụng dịch đường từ lõi
ngô.
3. Sinh viên thực hiện: Lê Quang Hậu
4. Lớp: Công nghệ Hoá học K36
5. Nội dung nhận xét:
a. Nhận xét hình thức:
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
b. Nhận xét về nội dung của luận văn (Đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ)
*. Các nội dung và công việc đã đạt được so với đề cương luận văn:
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
*. Những vấn đề còn hạn chế:
...........................................................................................................................

...........................................................................................................................


...........................................................................................................................
c. Nhận xét với từng sinh viên thực hiện đề tài
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
d. Kết luận và đề nghị:
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
Điểm đánh giá:
Cần Thơ, ngày…tháng…năm 2014
Cán bộ hướng dẫn

TS. HỒ QUỐC PHONG


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CÔNG NGHỆ

Độc lập- Tự do- Hạnh phúc
Cần Thơ, ngày…tháng…năm 2014

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

1. Cán bộ phản biện:
2. Đề tài: Nghiên cứu quy trình sản xuất bioethanol sử dụng dịch đường từ lõi

ngô.
3. Sinh viên thực hiện: Lê Quang Hậu
4. Lớp: Công nghệ Hoá học K36
5. Nội dung nhận xét:
a.Nhận xét hình thức:
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
b.Nhận xét về nội dung của luận văn (Đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ)
*. Các nội dung và công việc đã đạt được so với đề cương luận văn:
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
*. Những vấn đề còn hạn chế:
...........................................................................................................................


...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
c. Nhận xét với từng sinh viên thực hiện đề tài
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
d.Kết luận và đề nghị:
...........................................................................................................................
...........................................................................................................................
Điểm đánh giá:
Cần Thơ, ngày…tháng…năm 2014
Cán bộ phản biện

LỜI CẢM ƠN
--------₪-₪-------Trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp, có vô số khó khăn tôi vấp phải. Nhưng
với sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của quý thầy cô, gia đình, bạn bè cùng với sự nổ lực
vươn lên của chính bản thân, tôi đã hoàn thành đề tài luận văn của mình.
Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc tới TS. Hồ Quốc Phong, Phó Trưởng Bộ môn Công
Nghệ Hoá học, Khoa Công Nghệ, Đại học Cần Thơ. Thầy là người tận tình chỉ bảo,
truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn. Tôi
đã được học hỏi những điều bổ ích, không những là kiến thức chuyên môn mà còn cả
những kinh nghiệm quý báu, phong tác làm việc chuyên nghiệp từ thầy.
Xin chân thành cảm ơn TS. Huỳnh Liên Hương, Trưởng PTN Công Nghệ Hoá học,
Bộ môn Công nghệ Hoá học đã nhiệt tình giúp đỡ cả kiến thức chuyên môn và lẫn thiết
bị thực nghiệm trong suốt thời gian nghiên cứu.
Xin chân thành cảm ơn ThS. Trần Thị Xuân Mai, Trưởng PTN Công Nghệ Gen Thực
vật và ThS. Nguyễn Ngọc Thạnh, Viện Công nghệ Sinh học, đã tận tình giúp đỡ, hỗ trợ
thiết bị và nấm men để hoàn thành luận văn này.
Bên cạnh đó, tôi xin chân thành cảm ơn đến tất cả các bạn trong PTN Công nghệ Hoá
học: Nguyễn Thị Bích Thuyền, Nguyễn Bá Thành, Trương Thị Bé Trinh… hỗ trợ tôi
trong thời gian làm luận văn. Chân thành cảm ơn Nguyễn Lam Minh, Khoa Công Nghệ
Sinh học Tiên tiến đã giúp đỡ tôi nhiệt tình. Qua đó, tôi thấy được sự gắn bó, thông cảm
chia sẻ lẫn nhau.


Một lần nữa, tôi xin cảm ơn bằng cả tấm lòng thành đến gia đình, thầy cô, bạn bè
những người đã giúp đỡ quan tâm và động viên tôi trong suốt thời gian qua để tôi hoàn
thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn!
Cần Thơ, ngày….tháng….năm 2014

SV. Lê Quang Hậu


TÓM TẮT
Trong nghiên cứu này, nhằm khảo sát khả năng sử dụng phụ phẩm lõi ngô làm nguồn
carbon thay thế cho các nguồn nguyên liệu truyền thống trong qui trình sản xuất
bioethanol từ nấm men Saccharomyces cerevisiae. Qua quá trình xử lí sơ bộ, lõi ngô
được chuyển hoá thành đường bằng phương pháp thuỷ phân với acid H2SO4 loãng ở
nồng độ (1-5%, w/w), tỉ lệ cơ chất lõi ngô/dung dịch acid (1/5-1/30, g/mL), nhiệt độ
(40-100 °C) và thời gian (1-8 giờ). Qua quá trình khảo sát xác định được điều kiện tối
ưu cho quá trình thuỷ phân lõi ngô là H2SO4 3% ở 90°C trong vòng 4 giờ với tỉ lệ lõi
ngô/dung dịch acid là 1/10 g/mL.
Qua quá trình nuôi cấy nấm men S.cerevisiae, quá trình lên men được khảo sát ở
khoảng pH (4.5-5) và thời gian lên men (72-120 giờ). Điều kiện lên men tối ưu được
xác định là nấm men tạo ra hàm lượng ethanol cao nhất trong điều kiện pH = 5 và thời
gian lên men 96 giờ, ở nhiệt độ 30°C.
Kết quả phân tích cho thấy, hàm lượng ethanol tạo ra khoảng 12.5 g/L với hiệu suất
quá trình lên men là 34%. Chính vì thế, lõi ngô có thể là nguồn nguyên liệu
lignocellulose tiềm năng cho quá trình sản xuất bioethanol trong tương lai.


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. viii
TÓM TẮT .......................................................................................................................x
MỤC LỤC ......................................................................................................................xi
CHƯƠNG 1 .....................................................................................................................1
GIỚI THIỆU CHUNG ....................................................................................................1
1.1 Đặt vấn đề ..............................................................................................................1
1.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu ............................................................................2

CHƯƠNG 2 .....................................................................................................................4
LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU ................................................................................................4
2.1 Cây ngô và phế phụ phẩm từ ngô...........................................................................4
2.2 Lignocellulose ........................................................................................................6
2.3 Thuỷ phân lignocellulose thành đường cho quá trình lên men ...........................10
2.3.1 Thuỷ phân bằng acid đậm đặc .......................................................................10
2.3.2 Thuỷ phân bằng acid loãng ............................................................................10
2.3.3 Thuỷ phân bằng enzyme ................................................................................11
2.4 Chất ức chế sinh ra trong quá trình thuỷ phân .....................................................13
2.5 Phương pháp khử độc...........................................................................................15
2.6 Chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae ........................................................17
2.7 Lên men Bioethanol ............................................................................................20
2.7.1 Cơ chế quá trình lên men ...............................................................................20
2.7.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men ................................................21


CHƯƠNG 3 ...................................................................................................................23
PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..............................................23
3.1 Phương tiện nghiên cứu .......................................................................................23
3.1.1 Hoá chất .........................................................................................................23
3.1.2 Dụng cụ ..........................................................................................................23
3.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu .................................................................24
3.2.1 Nguyên liệu thô và xử lí sơ bộ .......................................................................25
3.2.2 Quá trình thuỷ phân bằng acid H2SO4 loãng .................................................26
3.2.3 Quá trình khử độc tính của sản phẩm sau khi thuỷ phân ...............................26
3.2.4 Nuôi cấy sơ bộ nấm men Saccharomyces cerevisiae ....................................27
3.2.5 Quá trình lên men của S.cerevisiae................................................................28
3.3 Phương pháp phân tích .........................................................................................29
3.3.1 Xác định hàm lượng đường tổng ...................................................................29
3.3.2 Phương pháp chưng cất .................................................................................30

3.3.3 Phương pháp xử lí số liệu ..............................................................................30
CHƯƠNG 4 ...................................................................................................................31
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN .............................................................31
PHẦN I: THUỶ PHÂN LÕI NGÔ ...............................................................................31
4.1 Ảnh hưởng của nồng độ acid đến nồng độ đường tổng .......................................31
4.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ cơ chất lõi ngô/dung dịch acid đến nồng độ đường tổng ....32
4.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến nồng độ đường tổng ...............................................34
4.4 Ảnh hưởng thời gian thuỷ phân đến nồng độ đường tổng ...................................35
4.5 Ảnh hưởng của quá trình khử độc đến nồng độ đường tổng ...............................37
PHẦN II: QUÁ TRÌNH LÊN MEN ..............................................................................40


4.6 Ảnh hưởng của pH đến hàm lượng ethanol từ quá trình lên men ........................40
4.7 Ảnh hưởng của thời gian lên men đến hàm lượng ethanol ..................................41
CHƯƠNG 5 ...................................................................................................................44
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................44
5.1 Kết luận ................................................................................................................44
5.2 Kiến nghị ..............................................................................................................44
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................45


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2-1 Thành phần hoá học của nguyên liệu lõi ngô ..................................................6
Bảng 2-2 Hàm lượng chất ức chế có trong một số loại vật liệu lignocellulose ............14
Bảng 2-3 Tóm tắt các phương pháp khử độc sau khi thuỷ phân bằng nhiều phương
pháp. ............................................................................................................15
Bảng 2-4 Các chủng nấm men trong Saccharomyces ...................................................17
Bảng 4-1 Ảnh hưởng của pH đến quá trình lên men ...................................................40
Bảng 4-2 Kết quả khảo sát thời gian lên men ...............................................................42

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2-1 Cây ngô ............................................................................................................3
Hình 2-2 Cấu trúc lignocellulose ....................................................................................7
Hình 2-3 Cấu trúc hemicellulose ....................................................................................8
Hình 2-4 Cấu trúc phân tử cellulose ...............................................................................9
Hình 2-5 Cấu trúc phân tử lignin ....................................................................................9
Hình 2-6 Sự tương tác của enzyme trên cấu trúc cellulose ..........................................12
Hình 2-7 Các chất ức chế quá trình lên men từ lignocellulose .....................................14
Hình 2-8 Tế bào nấm men S. cerevisiae dưới kính hiển vi điện tử (độ phóng đại: A:
500x, B: 1000x, C: 2000x). .........................................................................18
Hình 3-1 Nguyên liệu lõi ngô trước và sau khi nghiền. ...............................................26
Hình 3-2 Phương trình phản ứng tạo màu giữa đường khử và DNS acid ....................29
Hình 4-1 Mẫu sản phẩm lõi ngô sau khi thuỷ phân với các nồng độ acid khác nhau ..31
Hình 4-2 Ảnh hưởng của nồng độ acid đến nồng độ đường tổng. ...............................32
Hình 4-3 Ảnh hưởng của tỉ lệ lõi ngô/dung dịch acid, g/mL đến nồng độ đường tổng.
.....................................................................................................................33
Hình 4-4 Ảnh hưởng của tỉ lệ lõi ngô/dung dịch acid đến độ chuyển hoá. ..................33
Hình 4-5 Ảnh hưởng của tỉ lệ đến nồng độ đường tổng và độ chuyển hoá của chúng.34
Hình 4-6 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến nồng độ đường tổng. .......................................35
Hình 4-7 Các sản phẩm thuỷ phân với các thời gian khác nhau...................................36
Hình 4-8 Ảnh hưởng thời gian đến nồng độ đường tổng. ............................................37
Hình 4-9 Sản phẩm thuỷ phân trước và sau khi khử độc bằng Ca(OH)2. .....................38
Hình 4-10 Phản ứng tạo phức giữa đường khử với Ca2+ ..............................................39
Hình 4-11 Ảnh hưởng của quá trình khử độc đến nồng độ đường tổng .......................39


Hình 4-12 Ảnh hưởng của pH đến hàm lượng ethanol.................................................41
Hình 4-13 Ảnh hưởng thời gian lên men đến hàm lượng ethanol và độ cồn. ..............42
Sơ đồ 3-1 Tóm tắt quá trình sản xuất ethanol từ lõi ngô...............................................25

Sơ đồ 3-2 Quá trình khử độc của sản phẩm thuỷ phân lõi ngô. ....................................27


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

FGB .............................. First Generation Bioethanol
SGB .............................. Seconds Generation Bioethanol
SHF .............................. Separate Hydrolysis and Fermentatio
SSF ............................... Simultaneous Saccharificatio and Fermentation
S.cerevisiae .................. Saccharomyces cerevisiae
YPD.............................. Yeast Peptone Dextrose
YPDA ........................... Yeast Peptone Dextrose Agar
DNS.............................. 3.5-dinitrosalicylic acid
HFM ............................. Hydroxymethyl furfural
UV-Vis ......................... Ultraviolet-Visible


CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Đặt vấn đề
Tình hình tiêu thụ năng lượng trên toàn thế giới, đặc biệt là nhiên liệu hoá thạch
đã tăng đáng kể trong vài thập kỷ qua dẫn đến ngày càng cạn kiệt nguồn nguyên liệu
này và gây ra vấn đề môi trường bao gồm cả ô nhiễm không khí và sự nóng lên toàn
cầu. Điều này dẫn đến sự phát triển của nhiên liệu tái tạo, đặc biệt là nhiên liệu sinh học,
ngày càng được quan tâm mạnh mẽ (Saxena et al., 2009).
Mặc dù nhiều nguồn năng lượng tái tạo khác nhau được đề xuất nhưng áp dụng
phổ biến nhất và thân thiện môi trường là nguồn năng lượng tái tạo ethanol sinh học,
hay còn được gọi là bioethanol. Bioethanol được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu tái
tạo khác nhau được coi là nguồn nguyên liệu sạch và có thể tái tạo. Thông thường,
ethanol sinh học được sản xuất từ quá trình lên men nguyên liệu tinh bột hoặc các nguyên

liệu có chứa đường như ngô và mía. Sản lượng ethanol sinh học từ ngô và mía đạt khá
cao, tuy nhiên công nghệ này làm tăng nguy cơ tình trạng thiếu lương thực toàn cầu và
giá thành cao (Chen et al., 2010).
Bioethanol được lên men từ nguồn nguyên liệu này được gọi là thế hệ đầu tiên
(FGB-First generation bioethanol) cùng với sự bất lợi trên thì bioethanol thế hệ thứ 2 ra
đời (SGB-Second generation bioethanol), là bioethanol được lên men từ nguồn từ sinh
khối lignocellulose và ngày càng được quan tâm nghiên cứu (Sun and Cheng, 2002).
Nguồn nguyên liệu lignocellulose có ngồn gốc chủ yếu từ phế thải nông nghiệp và
lâm nghiệp. Chúng là sinh khối dồi dào nhất hiện có trên trái đất, bao gồm chủ yếu là
cellulose và hemicellulose có thể thuỷ phân thành đường lên men như glucose và xylose
sử dụng cho quá trình lên men (Lebeau et al., 1997).
Lõi ngô là một phế phụ phẩm nông nghiệp chứa nhiều lignocellulose phổ biến
hầu khắp hết các nước trên thế giới, trong đó có Việt Nam. Năm 2007, trên thế giới, diện
tích ngô đã vượt qua lúa nước với sản lượng 766.2 triệu tấn so với lúa nước 626.7 triệu
tấn và lúa mì là 603.6 triệu tấn (FAOSTAT, USDA 2008). Bên cạnh đó, năng suất ngô


nước ta tăng nhanh liên tục với tốc độ cao hơn trung bình thế giới. Năm 2010 diện tích
trồng ngô ở nước ta là 1126.9 nhìn ha, năng suất 40.9 tạ/ha, sản lượng đạt trên 4.6 triệu
tấn. Tuy nhiên trong thời gian qua, lõi ngô chưa được sử dụng triệt để, chỉ dừng ở việc
dùng làm nhiên liệu đốt lò, chất độn phụ gia trong bê tông, bã bột giấy v.v… Trong khi
đó, lõi ngô có hàm lượng lignocellulose cao, là nguyên liệu tiềm năng cho quá trình sản
xuất ethanol sinh học, có hàm lượng carbonhydrate cao, chất ức chế quá trình lên men
thấp và là phế phụ phẩm nông nghiệp và các nhà máy ngũ cốc. Vì vậy, đề tài “Nghiên
cứu quy trình sản xuất bioethanol sử dụng dịch đường từ lõi ngô” được thực hiện.
1.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu đề tài khảo sát khả năng sử dụng sản phẩm thuỷ phân lõi ngô để sản xuất
ethanol từ nấm men Saccharomyces cerevisiae thân thiện môi trường, qua đó đề xuất
nguyên liệu phù hợp cho quá trình sản xuất ethanol quy mô công nghiệp.
Nội dung đề tài nghiên cứu được chia ra làm hai phần: (i) Khảo sát các yếu tố ảnh

hưởng đến quá trình thuỷ phân lõi ngô bằng H2SO4 loãng nhằm tìm ra điều kiện phản
ứng tối ưu để thu được dung dich sau khi thuỷ phân có hàm lượng đường cao nhất, (ii)
Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men dung dịch sau thuỷ phân bằng nấm
men Saccharomyces cerevisiae và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nuôi cấy.
Trong quá trình thuỷ phân lõi ngô các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình được
khảo sát như sau:
 Nồng độ acid (1-5%)
 Tỉ lệ giữa lõi ngô và dung dịch acid (1/5-1/30 g/ml)
 Thời gian (1-8 giờ)
 Nhiệt độ (40-100 ºC)
 Ảnh hưởng của quá trình khử độc đến sản phẩm thuỷ phân.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nuôi cấy đến sự sinh trưởng cũng như độ chuyển
hoá tạo ethanol của nấm men được khảo sát như sau:
 Ảnh hưởng thời gian nuôi cấy
 Ảnh hưởng của môi trường nuôi cấy.


CHƯƠNG 2
LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
2.1 Cây ngô và phế phụ phẩm từ ngô
Ngô là một trong ba cây ngũ cốc được trồng nhiều nhất trên thế giới, cùng với lúa và
lúa mì. Ngô được thuần hoá đầu tiên ở Tehuacan Mexico và Trung Mỹ cách 7000 năm
trước đây. Năm 2010, tổng sản lượng thương mại toàn cầu ngô thô 844.400.000 tấn, thu
hoạch từ 161.900.000 ha. Cho thấy các phể phụ phẩm từ cây ngô là rất lớn, một nguồn
nguyên liệu lignocellulose tiềm năng cho quá trình giải quyết nhu cầu năng lượng trong
tương lai. Trong đó, lõi ngô là một phần trong phế phụ phẩm trong quá trình chế biến
lương thực, ngũ cốc, thức ăn gia súc.
Cây ngô, tên khoa học là Zea mays subsp. Mays. Do nhà thực vật học người Thuỵ
Điển đặt tên theo hệ thống tên kép Hy Lạp-La Mã. Cao trung bình 2.5 m (8 ft), một số
giống có thể tăng trưởng trên 12 m (40 ft).

Hình 2-1 Cây ngô
()

Ngô thuộc:


 Họ hoà thảo (Granmineae), lá mọc thành dãy, gân lá song song, mấu đốt đặc, bộ
rễ chum, hoa mọc thành bông nhỏ có mày.
 Tộc maydeae: hoa đực và hoa cái ở những vị trí khác nhau trên cùng một cây,
thân đặc.
 Chi Zea: hạt mọc ở trục bông (lõi ngô), sau khi chín hạt to ra và mày nhỏ.
 Loài Zea mays: nhánh mẹ phát triển vòi nhuỵ tương đối dài, nhiều, xếp song song
trên trục bông.
Cây ngô phân bố rất rộng trên thế giới, cho nên qua chọn lọc tự nhiên đã phân ly và
hình thành nhiều dạng khác nhau. Bên cạnh đó, chọn lọc nhân tạo cũng tạo ra nhiều
dạng khác nhau về hình thái, màu sắc, tính chịu, sinh lý cũng như tuỳ theo mục đích sử
dụng. Cây ngô được đánh giá là cây trồng có vai trò hết sức quan trọng trong cơ cấu cây
trồng nước ta. Năm 2009, diện tích trồng ngô trên thế giới đạt hơn 159.5 triệu ha, năng
suất bình quân 51.3 tạ/ha, sản lượng 817.1 triệu tấn. Trong đó Mĩ, Trung Quốc, Braxin
là những nước đứng đầu về diện tích và sản lượng. Theo Cục Trồng trọt, năm 2014 cả
nước ta có gần 1.2 triệu ha đất trồng ngô, với sản lượng 4.45 triệu tấn, năng suất bình
quân hơn 44.5 tạ/ha. Đăk Lăk hiện là một trong những tỉnh có diện tích, sản lượng ngô
lai lớn nhất nước ta với tổng diện tích ngô hằng năm khoảng 120 nghìn ha và sản lượng
đạt trên 520 nghìn tấn ngô hạt. Trong tương lai, tỉnh Đăk Lăk sẽ tăng diện tích ngô lên
khoảng 140.000 ha với sản lượng khoảng 600.000 tấn và trở thành tỉnh có diện tích và
sản lượng ngô nhiều nhất nước ta, nên đây là nơi thải ra nhiều lõi ngô và các phế phẩm
khác. Chính vì thế, số lượng phế phụ phẩm sinh từ cây ngô sinh ra là rất lớn.
Tuy nhiên trong thời gian qua, các ứng dụng của lõi ngô chưa được ứng dụng khai
thác triệt để. Lượng lõi ngô thải ra không được sử dụng đúng mức để có giá trị cao, sau

khi thu hoạch người nông dân chỉ dừng ở việc làm nhiên liệu đốt lò, bột giấy hoặc làm
ván ép dùng trong xây dựng, v.v…Việc đốt ngay trên đồng ruộng sẽ tạo ra những chất
độc có hại như CO2, bụi, … gây ô nhiễm môi trường rất lớn và lãng phí nguồn nguyên
liệu tiềm năng này. Nên việc tận dụng lõi ngô trong sản xuất ethanol qua quá trình nuôi


cấy Saccharomyces cerevisiae mang ý nghĩa rất lớn cho nhu cầu năng lượng trên thế
giới, vừa tăng giá trị kinh tế, đồng thời giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường.
Lõi ngô là phụ phẩm trong quá trình sản suất ngô có thành phần chính là 30-40%
hemicellulose, 33-41% cellulose và lignin 14-18%. Tuỳ theo từng giống ngô khác nhau
mà tỉ lệ các thành phần này có thể cao hoặc thấp hơn (Bảng 2.1). Lõi ngô chứa hàm
lượng lignocellulose khá cao nên hàm lượng đường thu được sau quá trình thủy phân
hứa hứa hẹn sẽ cao vì thế lõi ngô có thể được xem là nguồn nguyên liệu vô cùng tiềm
năng cho việc sản xuất bioethanol.
Bảng 2-1 Thành phần hoá học của nguyên liệu lõi ngô (Cristina Sáchez et al., 2011)

Thành phần %

Nguồn tham khảo
(B.Rivas et al.,
2004)

(G. Garrote et al.,
2007)

(N.S Thompson et
al., 1995)

% Hemicellulose

39.0

31.1

33.7-41.2

% Cellulose

34.3

34.3

30.0-41.7

% Lignin

14.4

18.8

4.5-15.9

2.2 Lignocellulose
Lignocellulose là vật liệu biomass phổ biến nhất trên trái đất, hầu hết có trong các
phế phẩm nông nghiệp, các sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất công nghiệp bột giấy,
giấy, chất thải sinh hoạt. Chính vì thế, các phụ phẩm nông nghiệp chứa lignocellulose
là nguồn nhiên liệu vô cùng tiềm tàng vì lignocellulose phân bố rộng rãi trong tự nhiên
và là nguồn cung cấp đường hexose và pentose rất lớn cho quá trình lên men. Lõi ngô
là một dạng vật liệu lignocellulose có chứa hàm lượng cellulose khá cao trong khi hàm
lượng lignin thấp. Việc sử dụng phế phụ phẩm chứa lignocellulose có thể đảm bảo được

nguồn cung cấp ổn định cho sự phát triển bền vững của quá trình sản xuất bioethanol.
Nguyên liệu lignocellulose có thể chia thành ba thành phần chính: cellulose (3050%), hemicellulose (15-35%) và lignin (10-20%). Tỉ lệ tương đối này tuỳ thuộc vào
từng nguồn nguyên liệu khác nhau. Cellulose và hemicellulose chiếm khoảng 70% toàn


bộ sinh khối và được liên kết chặt chẽ với thành phần lignin thông qua liên kết hoá trị.
Liên kết hydro làm cho cấu trúc trở nên mạnh mẽ và vững chắc. Trong lignocellulose,
bộ phận tạo khung chính là cellulose và được bao bọc bởi những chất có chức năng tạo
thành một mạng lưới vững chắc là hemicellulose và chất kết dính là lignin.

Hình 2-2 Cấu trúc lignocellulose (Mussatto & Teixeira, 2010)
2.2.1 Hemicellulose
Hemicellulose là một polymer, có cấu trúc vô định hình, gồm nhiều loại polymer bao
gồm các nhóm hexose (D-glucose, D-galactose và D-mantose) cũng như là pentose (Dxylose và L-arabinose) và có thể chứa acid đường (uronic acid) cụ thể là D-glucuronic,
D-galacturonic và methylgalacturonic acid. Chuỗi xương sống của nó chủ yếu bao gồm
xylan  (1→4); liên kết D-xylose (gần 90%) và L-arabinose (10%). Sự phân bố các
nhánh tuỳ thuộc vào bản chất và nguồn gốc của từng nguyên liệu. Hemicellulose của gỗ
cứng thường là những glucomannan trong khi gỗ cứng chứa nhiều hơn các hợp chất của
xylan. Mặc dù là những thành phần phổ biến trong hemicellulose, thành phần xylan vẫn
khác nhau trong mỗi nguyên liệu.


Hình 2-3 Cấu trúc hemicellulose (Walford, 2008)
2.2.2 Cellulose
Cellulose có cấu trúc mạch thẳng trong thành tế bào thực vật, bao gồm những mạch
dài glucose monomer nối lại với nhau bằng liên kết  (1→4) – glycosidic. Sự liên kết
rộng lớn của các liên kết hydro giữa các tinh thể dẫn đến cấu trúc tinh thể và ma trận
mạnh mẽ. Các cellulose mạch dài được liên kết với nhau bởi liên kết hydrogen và van
der Walls tạo thành những vi sợi với cấu trúc chính là kết tinh và vô định hình. Trong
vùng kết tinh, các phân tử cellulose liên kết với nhau vô cùng chặc chẽ và khó bị tấn

công bởi enzyme và hoá chất. Trong khi đó, vùng vô định hình, các phân tử cellulose
liên kết không chặc chẽ với nhau nên dễ bị tấn công. Những liên kết chéo của số lượng
lớn nhóm hydroxyl cấu thành những vi sợi, điều đó làm cho những vi sợi trở nên mạnh
và nhỏ gọn hơn. Cellulose là polymer hữu cơ phổ biến nhất và chiếm khoảng 30% trong
thành phần của thực vật. Đại diện là cây bông, cây lanh và bột giấy chiếm khoảng 8095% và 60-80% tương ứng. Gỗ cứng và gỗ mềm chứa khoảng 45% cellulose.


Hình 2-4 Cấu trúc phân tử cellulose (Walford, 2008)
2.2.3 Lignin
Lignin là một polymer sinh học nhân thơm được tạo thành từ các đơn vị
phenylpropene liên kết trong không gian ba chiều. Lignin bao gồm ba phenolic
monomer của phenyl propionic alcohol là coumaryl, coniferyl và sinapyl alcohol. Lignin
có khả năng chống lại sự giảm cấp bằng tác nhân hoá học hay enzyme do phân tử có
dạng không gian ba chiều.

Hình 2-5 Cấu trúc của lignin (Walford, 2008)