Đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ hóa dầu Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình sản xuất bioethanol từ bã mía

d

i

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................... 2
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 2
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu ................................................................................. 2
3.2. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................... 2
4. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................... 2
5. Bố cục đề tài .................................................................................................. 3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ...................................................... 4
1.1. TỔNG QUAN VỀ BIOETHANOL............................................................ 4
1.1.1 Nhiên liệu sinh học ................................................................................... 4
1.1.2. Ethanol nhiên liệu .................................................................................... 4
1.1.3. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol .................................................... 6
1.2. QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT BIOETHANOL............................................... 8
1.2.1. Sản xuất ethanol từ tinh bột ..................................................................... 8
1.2.2. Sản xuất ethanol từ rỉ đƣờng .................................................................... 9
1.2.3. Sản xuất ethanol từ nguyên liệu có nguồn gốc lignocellulose .............. 10
1.3. KỸ THUẬT SIÊU ÂM ............................................................................ 22
1.3.1. Giới thiệu ............................................................................................... 22
1.3.2. Cơ chế .................................................................................................... 23
1.3.3. Các yếu tố ảnh hƣởng ............................................................................ 24
1.4. QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM ............................................................. 25
1.4.1. Vai trò của quy hoạch thực nghiệm ....................................................... 25
1.4.2. Các phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm ............................................ 26
1.4.3. Các bƣớc quy hoạch thực nghiệm cực trị .............................................. 26
1.4.4. Phần mềm Design Expert ...................................................................... 26

CHƢƠNG 2: NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ........................ 28
2.1. NGUYÊN LIỆU ....................................................................................... 28
2.2. HÓA CHẤT .............................................................................................. 28
SVTH: Ng

-


d

ii

2.3. THIẾT BỊ .................................................................................................. 29
2.3.1. Cân điện tử ............................................................................................. 29
2.3.2. Nồi hấp tiệt trùng ................................................................................... 29
2.3.3. Máy đo pH ............................................................................................. 29
2.3.4. Thiết bị đồng hóa siêu âm ...................................................................... 29
2.3.5. Bể siêu âm .............................................................................................. 29
2.3.6. Thiết bị hồng ngoại biến đổi chuỗi Fourier (FT- IR) ............................ 30
2.3.8. Thiết bị sắc ký khí (GC) ........................................................................ 30
2.3.9. Thiết bị sắc ký lỏng hiệu quả cao (HPLC) ............................................ 30
2.3.10. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) ......................................................... 30
2.3.11. Tủ sấy ................................................................................................... 31
2.4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................ 31
2.4.1. Phƣơng pháp xác định độ ẩm của nguyên liệu ...................................... 31
2.4.2. Phƣơng pháp xác định đƣờng khử ......................................................... 31
2.4.3. Phƣơng pháp xác định thành phần xơ sợi .............................................. 31
2.4.4. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X................................................................... 32
2.4.5. Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét .................................................. 33
2.4.6. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại chuỗi Fourier ......................................... 33

2.4.7. Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng ethanol bằng GC ............................. 34
2.5. TRÌNH TỰ NGHIÊN CỨU ...................................................................... 35
2.5.1. Quy trình thực hiện ................................................................................ 35
2.5.2. Quá trình tiền xử lý ................................................................................ 36
2.5.3. Quá trình thủy phân ............................................................................... 38
2.5.4. Quá trình lên men .................................................................................. 39
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 40
3.1. QUÁ TRÌNH TIỀN XỬ LÝ ..................................................................... 40
3.1.1. Thành phần bã mía trƣớc khi xử lý ........................................................ 40
3.1.2. Thủy phân dịch thu đƣợc trƣớc khi xử lý bã mía .................................. 41
3.1.3. Tối ƣu điều kiện tiền xử lý..................................................................... 43
3.1.4. Ảnh hƣởng của quá trình tiền xử lý đến hình thái bề mặt của nguyên liệu
bã mía ............................................................................................................... 48
SVTH: Ng

-


d

iii

3.1.5. Ảnh hƣởng của quá trình tiền xử lý đến sự thay đổi thành phần các
nhóm chức trong nguyên liệu bã mía............................................................... 49
3.1.6. Ảnh hƣởng của quá trình tiền xử lý đến mức độ kết tinh của nguyên liệu
bã mía ............................................................................................................... 51
3.2. QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN .................................................................... 52
3.3. QUÁ TRÌNH LÊN MEN .......................................................................... 57
3.3.1. Đƣờng chuẩn ethanol ............................................................................. 57
3.3.2. Nồng độ ethanol sau quá trình lên men ................................................. 58

3.3.3. Đánh giá hoạt tính của enzyme .............................................................. 59
CHƢƠNG 4:

DỰNG SƠ Đ

C NG NGHỆ SẢN UẤT LIÊN TỤC

ETHANOL ..................................................................................................... 62
4.1 M phỏng dòng nguyên liệu ..................................................................... 62
4.2. Chiết tách dịch đƣờng trong bã mía .......................................................... 63
4.3. Tiền xử lý bã mía ...................................................................................... 63
4.4. Quá trình thủy phân .................................................................................. 64
4.5. Lên men dịch sau khi thủy phân ............................................................... 65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................... 66
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................... 69

SVTH: Ng

-


d

iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CÁC KÝ HIỆU:
Kpl

Hệ số pha loãng

Cm

Nồng độ trong mẫu đã pha loãng

X

Nồng độ trong mẫu kh ng pha loãng

I

Cƣờng độ peak

CÁC CHỮ VIẾT TẮT:
Cr I

Chỉ số kết tinh (Crystallinity Index)

DNS

DiNitro- Salicylic

EPA

Cơ quan bảo vệ m i trƣờng (Environmental Protection Agency)

EU
Liên minh Châu Âu (European Union)
E85

Xăng sinh học gồm 15% xăng và 85% ethanol tinh khiết

E5

Xăng sinh học gồm 95% xăng và 5% ethanol tinh khiết

FT- IR

Phổ hồng ngoại biến đổi chuỗi Fourier (Fourier Transform InfraRed)

GC

Sắc ký khí (Gas Chromatography)

HPLC

Sắc ký lỏng hiệu quả cao (High Performance Liquid Chromatography)

MTBE

Metyl Tert Butyl Ether

OECD

Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (Organization for Economic
Cooperation and Development)

PTHQ

Phƣơng trình hồi qui

SEM

Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electronic Microscope)

TEM

Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electronic Microscopy)

VSSA

Hiệp hội mía đƣờng Việt Nam

XRD

Nhiễu xạ tia X (X- ray diffraction)

SVTH: Ng

-


d

i

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. Thành phần lignocellulose trong rác thải và phụ phế phẩm n ng nghiệp phổ
biến ............................................................................................................................10
Bảng 2. Ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng pháp tiền xử lý .........................................14

Bảng 3. Bƣớc sóng đặc trƣng của một số nhóm chức [17] .......................................34
Bảng 4. Thành phần dƣỡng chất cho nấm men phát triển ........................................39
Bảng 5. Độ ẩm của bã mía trƣớc khi xử lý ...............................................................40
Bảng 6. Thành phần bã mía theo số liệu Hiệp hội Mía đƣờng Việt Nam [29] .........41
Bảng 7. Kết quả chuẩn glucose .................................................................................41
Bảng 8. Kết quả đo nồng độ glucose trong dịch thủy phân trƣớc khi xử lý bã ........42
Bảng 9. Mức, khoảng biến thiên của các yếu tố .......................................................43
Bảng 10. Thành phần bã mía sau quá trình tiền xử lý ..............................................43
Bảng 11. Kết quả quá trình tiền xử lý bã mía theo từng thí nghiệm .........................45
Bảng 12. Hệ số b của phƣơng trình hồi quy ............................................................46
Bảng 13. Kiểm tra ý nghĩa của hệ số hồi qui ............................................................47
Bảng 14. Kiểm tra sự tƣơng thích của PTHQ ...........................................................47
Bảng 15. Mức, khoảng biến thiên của các yếu tố .....................................................53
Bảng 16. Nồng độ glucose trong dịch thủy phân ......................................................53
Bảng 17. Kết quả quá trình thủy phân bã mía theo từng thí nghiệm ........................54
Bảng 18. Hệ số b trong phƣơng trình ........................................................................55
Bảng 19. Kiểm tra ý nghĩa của hệ số hồi quy ...........................................................56
Bảng 20. Kiểm tra sự tƣơng thích của PTHQ ...........................................................56
Bảng 21. Kết quả chuẩn ethanol ...............................................................................57
Bảng 22. Kết quả đo ethanol sau quá trình lên men .................................................59

SVTH: Ng

-


d

ii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. Cấu trúc của lignocellulose ..........................................................................10
Hình 2. Công thức hóa học của cellulose ..................................................................11
Hình 3. Phân bố các vùng trồng mía ở Việt Nam [7] ...............................................13
Hình 4. Sơ đồ của quá trình thủy phân và lên men tách biệt ....................................16
Hình 5.. Sơ đồ của quá trình thủy phân và lên men đồng thời ..................................16
Hình 6. Quá trình phân giải của cellulose .................................................................17
Hình 7. Giống nấm men Pichia stipitis và Saccharomyces Cerevisiae .....................22
Hình 8 . Tác động của sóng siêu âm trong m i trƣờng lỏng ....................................24
Hình 9.Giao diện của phần mềm Design Expert 7.0 .................................................27
Hình 10. Nấm men S.Cerevisiae nhìn dƣới kính hiển vi ..........................................28
Hình 11. Quy trình nghiên cứu sản xuất bioethanol từ bã mía .................................36
Hình 12. Bã mía trƣớc khi xử lý ...............................................................................37
Hình 13. Hỗn hợp sau quá trình tiễn xử lý ................................................................37
Hình 14. (a) Bã mía sau khi rửa, lọc .........................................................................38
Hình 15. (b) Bã mía sau khi ép khô ..........................................................................38
Hình 16. (a) Bã mía trƣớc khi thủy phân, (b) Dịch thu đƣợc sau quá trình thủy phân
...................................................................................................................................38
Hình 18. Bộ dụng cụ lên men....................................................................................39
Hình 19. Thành phần (% khối lƣợng) của bã mía trƣớc khi xử lý ............................40
Hình 20. Đƣờng chuẩn glucose .................................................................................42
Hình 21. Kết quả tính hệ số b theo phần mềm Design Expert v7.0 ..........................46
Hình 22. Kết quả tối ƣu bằng phần mềm Design Expert v7.0 ..................................48
Hình 23. SEM: (a) Mẫu chƣa xử lý; (b) Mẫu đã xử lý: 3% NaOH, 300C và siêu âm
trong 25phút ..............................................................................................................49
Hình 24. FT- IR của mẫu chƣa xử lý ........................................................................49
SVTH: Ng

-

d

iii

Hình 25. FT- IR của mẫu đã xử lý: 1% NaOH, 300C, 15 phút, 22.5kHz .................50
Hình 26. FT- IR của mẫu đã xử lý: 1% NaOH, 300C, 25 phút, 22.5kHz .................50
Hình 27. FT- IR của mẫu đã xử lý: 1% NaOH, 500C, 15 phút, 22.5kHz .................51
Hình 28. XRD: (a) Mẫu chƣa xử lý; (b) Mẫu đã xử lý: 3% NaOH, 30 0C và siêu âm
trong 25phút ..............................................................................................................52
Hình 29. Kết quả tính hệ số b theo phần mềm Design Expert v7. ............................55
Hình 30. Kết quả tối ƣu bằng phần mềm Design Expert v7.0 ..................................57
Hình 31. Đƣờng chuẩn ethanol .................................................................................58
Hình 32. (a) Lên men dịch thủy phân có siêu âm; (b) Lên men dịch thủy phân kh ng
có siêu âm; (c) Nƣớc v i trong bị đục bởi CO2 ........................................................59
Hình 33. Kết quả thí nghiệm đánh giá hoạt tính enzyme ..........................................61
Hình 34. Thành phần nguyên liệu .............................................................................62
Hình 35. Chiết tách dịch đƣợng trong bã mía ...........................................................63
Hình 36. Sơ đồ tiền xử lý bã mía ..............................................................................64
Hình 37. Sơ đồ quá trình thủy phân ..........................................................................64
Hình 38. Sơ đồ quá trình thủy phân ..........................................................................65

SVTH: Ng

-


d

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong điều kiện cạn kiệt nhiên liệu hoá thạch và các vấn đề khí thải liên quan gây
nhiễm m i trƣờng từ việc sử dụng nguồn nhiên liệu này, việc tìm kiếm và phát triển
các nguồn năng lƣợng sạch thay thế là cần thiết và cấp bách. Trong số các nguồn năng
lƣợng tái tạo, sinh khối là nguồn năng lƣợng quan trọng nhất.
C c
Loại năng lƣợng
tái tạo

ă

l ợ

ạ v dự b

[4]

Năm / Lƣợng (triệu tấn dầu qui đổi)

% năm

2001

2010

2020

2040

2040

Tổng năng lƣợng sơ cấp

10 038

11 258

15 347

17 690

100.00

Sinh khối

1 080

1 291

2 221

2 843

16.07

Thuỷ điện

223

255

296

308

1,75

Thuỷ điện nhỏ

9,5

16

62

91

0,51

Gió

4,7

35

395

580

3,28

Pin mặt trời

0.2

1

110

445

2,51

Nhiệt mặt trời

4,1

11

127

274

1,55

Nhiệt điện mặt trời

0,1

0,4

9

29

0,16

Địa nhiệt

43

73

194

261

1,47

Thuỷ triều

0.05

0,1

2

9

0,05

1 364,5

1 682,5

3 416

4 844

13,6

14,3

22

27,4

Tổng năng lƣợng tái tạo
% Năng lƣợng tái tạo

27,4

Nhiên liệu sinh học là các nguồn năng lƣợng đƣợc sản xuất từ sinh khối. Ethanol
sinh học hay còn gọi là bioethanol có thể sản xuất từ bất kỳ chất hữu cơ có nguồn gốc
sinh học chứa hàm lƣợng đƣờng nhất định và các vật chất có thể chuyển đổi sang dạng
đƣờng nhƣ tinh bột hoặc cellulose. Một phần đáng kể các cây lấy gỗ và cây thân thảo
có thành phần chủ yếu là cellulose có thể đƣợc chuyển đổi sang đƣờng.
Sinh khối có nguồn gốc lignocellulose có thành phần chính gồm cellulose,

hemicellulose, lignin. Sự sắp xếp của các thành phần bên trong sinh khối làm cho nó
có cấu trúc v cùng phức tạp. Chỉ cellulose và hemicellulose có thể đƣợc chuyển đổi
-


d

2

thành đƣờng lên men. Do đó, cần có quá trình tiền xử lý để phá vỡ lignin xung quanh
các phân tử cellulose, làm tăng khả năng tác động của enzyme thủy phân cellulose
thành đƣờng.
Việc ứng dụng kỹ thuật siêu âm sẽ cải thiện một loạt các quá trình sinh học và có
tiềm năng đƣợc sử dụng trong sản xuất ethanol từ nguyên liệu lignocellulose. Kỹ thuật
siêu âm đƣợc áp dụng nhƣ một quá trình hỗ trợ việc phá hủy liên kết lignin tạo điều
kiện cho quá trình thủy phân, gia tăng vận chuyển cơ chất, kích thích tế bào sống và
enzyme giúp gia tăng sản lƣợng các chất trao đổi, đẩy nhanh quá trình lên men.
Với những lý do trên, chúng t i đã chọn đề tài tốt nghiệp:
“Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình
sản xuất bioethanol từ bã mía”
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu sử dụng sóng siêu âm để tăng cƣờng hiệu quả của quá trình tiền xử lý,
thuỷ phân nhằm nâng cao năng suất của quá trình sản xuất bioethanol từ bã mía từ nhà
máy đƣờng.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu
 Bã mía của nhà máy đƣờng
 Qui trình và các th ng số c ng nghệ của quá trình sản xuất bioethanol từ bã
mía của nhà máy đƣờng
 Kỹ thuật siêu âm

3.2. Phạm vi nghiên cứu
 Các điều kiện tiền xử lý, thủy phân và lên men
 Xử lý số liệu thống kê, quy hoạch thực nghiệm với hàm mục tiêu là tối đa hiệu
suất loại bỏ lignin ở quá trình tiền xử lý và tối đa nồng độ glucose ở quá
trình thủy phân.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Áp dụng các phƣơng pháp phân tích hoá học trong việc xác định hàm lƣợng
cellulose và lignin trong thành phần của bã mía
-


d

3

Áp dụng các phƣơng pháp vật lý và hóa lý nhƣ:
 Phƣơng pháp chụp ảnh bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để xác định sự
thay đổi cấu trúc của bã mía trƣớc và sau quá trình tiền xử lý
 Phƣơng pháp phổ hồng ngoại chuỗi Fourier (FT- IR) để đánh giá đến sự thay
đổi thành phần các nhóm chức trong nguyên liệu bã mía
 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định độ kết tinh của cellulose trong
bã mía trƣớc và sau quá trình tiền xử lý
 Phƣơng pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) để xác định hàm lƣợng
glucose thu đƣợc sau quá trình thủy phân
 Phƣơng pháp sắc ký khí (GC) để xác định hàm lƣợng ethanol thu đƣợc sau
quá trình lên men
 Phƣơng pháp toán học: Các phƣơng pháp xử lý số liệu thống kê, quy hoạch
thực nghiệm, sử dụng phần mềm Design Expert để xác định phƣơng trình
hồi quy.
5. Bố cục đề tài

Sau phần mở đầu, đồ án gồm 3 chƣơng:
Chƣơng 1. Tổng quan về đề tài
Tổng quan về nhiên liệu sinh học, ethanol nhiên liệu, tình hình sản xuất và sử dụng
cũng nhƣ nguyên liệu và các c ng nghệ sản xuất bioethanol, kỹ thuật siêu âm, cơ chế
và các yếu tố ảnh hƣởng, quy hoạch thực nghiệm.
Chƣơng 2. Những nghiên cứu thực nghiệm
Giới thiệu về nguyên liệu, hóa chất, thiết bị sử dụng trong nghiên cứu này, trình
bày các phƣơng pháp nghiên cứu và trình tự nghiên cứu.
Chƣơng 3. Kết quả và thảo luận
Trình bày kết quả phân tích thành phần bã mía trƣớc khi tiền xử lý, kết quả phân
tích dịch thủy phân thu đƣợc trƣớc khi tiền xử lý, thành phần bã sau khi tiền xử lý, tối
ƣu các điều kiện tiền xử lý, phân tích các kết quả SEM, FT- IR, XRD, kết quả quá
trình thủy phân và lên men riêng biệt.
Cuối cùng là phần kết luận và kiến nghị của đề tài.
-


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. TỔNG QUAN VỀ BIOETHANOL
1.1.1 Nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học theo định nghĩa rộng là những nhiên liệu rắn, lỏng hay khí
đƣợc chuyển hóa từ sinh khối. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này chỉ đề cập chính đến
nhiên liệu sinh học dạng lỏng.
Nhiên liệu sinh học có thể đƣợc phân loại thành các nhóm chính nhƣ sau [33]:
 Diesel sinh học (Biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tƣơng tự
và có thể sử dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống. Biodiesel đƣợc
điều chế bằng cách ester hóa một số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ
động vật…) th ng qua phản ứng của nó với các loại rƣợu, phổ biến nhất là
ethanol.
 Xăng sinh học (Biogasoline) là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử

dụng ethanol nhƣ là một loại phụ gia pha trộn vào xăng thay phụ gia chì.
Ethanol đƣợc chế biến th ng qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ
nhƣ tinh bột, rỉ đƣờng, lignocellulose. Ethanol đƣợc pha chế theo tỷ lệ thích
hợp với xăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thế hoàn toàn cho loại
xăng sử dụng phụ gia chì truyền thống.
 Khí sinh học (Biogas) là một loại khí hữu cơ gồm methane và các đồng đẳng
khác. Biogas đƣợc tạo ra sau quá trình ủ lên men các sản phẩm hữu cơ phế
thải n ng nghiệp, chủ yếu là cellulose, tạo thành sản phẩm ở dạng khí.
Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí gas từ sản
phẩm dầu mỏ.
1.1.2. Ethanol nhiên liệu
a. Lịch sử hình thành
Nguyên mẫu đầu tiên của động cơ đốt trong đƣợc đƣa ra bởi Samuel Morey, USA,
1826. Điều này đƣợc xem là sự bắt đầu của động cơ xăng nhƣng thực tế ng sử dụng
ethanol để cấp nguồn năng lƣợng cho động cơ. Năm 1908, Henry Ford xây dựng m
hình nổi tiếng về xe

t chạy bằng ethanol. Cuối cùng, c ng nghiệp dầu mỏ “chiến
-


thắng” trong sự cạnh tranh với ethanol. Sự thúc đẩy “thƣơng mại hóa” ethanol trong
giao th ng vận tải phát triển trong suốt thập niên 1970. Cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào
năm 1973 và cuộc cách mạng của ngƣời Iran vào năm 1978 làm cho giá của dầu gia
tăng một cách nhanh chóng, ảnh hƣởng lớn đến vấn đề an ninh năng lƣợng quốc gia.
Ethanol nhiên liệu trở nên có giá trị. Tại thời điểm này, cơ quan bảo vệ m i trƣờng
(EPA) đã tìm kiếm một chất thay thế cho chì trong xăng để gia tăng chỉ số octane.
Ethanol sớm thiết lập một chỗ đứng vững mạnh trong việc gia tăng chỉ số octane. Một
động cơ khác thúc đẩy c ng nghệ sản xuất ethanol ở Mỹ trong suốt những năm 80, đó
là khi giá bắp hạ thấp. Các nhà lập pháp Mỹ xem việc sản xuất ethanol từ bắp là một

phƣơng tiện để ổn định thu nhập của n ng nghiệp [6].
b. Lợi ích và hạn chế khi sử dụng ethanol nhiên liệu
 Lợi ích:
Phát triển ethanol nhiên liệu giúp các quốc gia chủ động, kh ng bị lệ thuộc vào vấn
đề nhập khẩu nhiên liệu, đặc biệt đối với những quốc gia kh ng có nguồn dầu mỏ và
than đá. Đồng thời, kiềm chế sự gia tăng giá xăng dầu, ổn định tình hình năng lƣợng
cho Thế giới. Do đƣợc sản xuất từ nguồn nguyên liệu tái tạo, ethanol thật sự là một lựa
chọn ƣu tiên cho các quốc gia trong vấn đề an ninh năng lƣợng.
Việc sản xuất ethanol tƣơng đối đơn giản hơn so với các dạng nhiên liệu mới khác
nhƣ hydro, pin nhiên liệu. Nhìn chung, c ng nghệ sản xuất ethanol kh ng phức tạp, có
thể sản xuất ở quy m nhỏ đến quy m lớn. Ngoài ra, ethanol có trị số octane cao và có
thể dùng để nâng trị số octane của xăng. Trong thực tế, ở mức hàm lƣợng thấp (<5%)
trong hỗn hợp với xăng, ethanol có vai trò nhƣ là phụ gia cải thiện chất lƣợng nhiên
liệu.
Ethanol bảo đảm giảm đáng kể phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính. Kết quả các
công trình nghiên cứu cho thấy, ethanol sản xuất từ ngũ cốc giảm đƣợc 40% phát thải
khí nhà kính so với xăng, giảm tới 100% đối với ethanol sản xuất từ nguyên liệu
cellulose và từ mía. Hàm lƣợng các khí thải độc hại khác nhƣ CO, NOx, SOx,
hydrocarbon đều giảm đi đáng kể khi sử dụng ethanol nhiên liệu.
Th ng qua nguyên liệu đầu vào của các nhà máy là sản phẩm n ng nghiệp, do đó
có thể kích thích sản xuất n ng nghiệp và mở rộng thị trƣờng cho sản phẩm n ng
-


nghiệp trong nƣớc. Việc sản xuất ethanol từ một số cây trồng nhƣ mía, ng , sắn mở ra
thị trƣờng mới cho n ng dân, tăng thu nhập hoặc tăng năng lực sản xuất của đất canh
tác hiện có, tận dụng các vùng đất hoang hóa và tạo thêm c ng ăn việc làm cho ngƣời
dân. Bên cạnh đó, việc tận dụng các nguồn phụ, phế phẩm n ng nghiệp để sản xuất
ethanol cũng sẽ nâng cao giá trị của sản phẩm n ng nghiệp.
 Hạn chế:

Việc phát triển sản xuất ethanol sẽ gây nên sự cạnh tranh giữa an ninh năng lƣợng
và an ninh lƣơng thực. Hiện nay nguồn nguyên liệu chính để sản xuất ethanol là nông
sản, nó là nguồn lƣơng thực- thực phẩm cho con ngƣời và là nguồn thức ăn cho các
loại gia súc trong chăn nu i. Do vậy việc sử dụng n ng sản làm thực phẩm nhƣ sắn,
ngô để sản xuất ethanol gây ra sự tranh cãi gay gắt giữa các nhà nghiên cứu về vấn đề
an ninh lƣơng thực
Ngoài ra việc phát triển trồng cây năng lƣợng sẽ tạo sự cạnh tranh đất canh tác giữa
đất trồng cây lƣơng thực và đất trồng cây năng lƣợng. Hơn nữa do sự canh tranh về
giá, việc trồng cây năng lƣợng có thể mang lại nhiều lợi nhuận cho ngƣời n ng dân
hơn việc trồng cây lƣơng thực, dẫn đến sự chuyển đổi cây trồng và tình trạng độc
canh.
Bên cạnh đó, hạn chế cơ bản của ethanol nhiên liệu là tính hút nƣớc của nó.
Ethanol có khả năng hút ẩm và hoà tan v hạn trong nƣớc. Nên ethanol phải đƣợc tồn
trữ và bảo quản trong hệ thống bồn chứa đặt biệt.
Vì nhiệt trị của ethanol nói riêng (26,8 MJ/kg) và các loại alcohol khác nói chung
đều thấp hơn so với xăng (42,5 MJ/kg) nên khi dùng ethanol để pha trộn vào xăng sẽ
làm giảm c ng suất động cơ so với khi dùng xăng. Tuy nhiên sự giảm c ng suất này là
kh ng đáng kể nếu ta pha với số lƣợng ít [1].
Tóm lại, việc sử dụng ethanol nhiên liệu có nhiều ƣu điểm nhƣng cũng có những
mặt hạn chế. Tuy nhiên khi phân tích tƣơng quan giữa các mặt lợi và hại ngƣời ta vẫn
thấy mặt lợi lớn hơn, mang ý nghĩa chiến lƣợc hơn.
1.1.3. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol
a.Trên thế giới
 Tình hình sản xuất [34]:
-


Khoảng 47% ethanol nhiên liệu trên thế giới đƣợc sản xuất từ mía đƣờng, 53% là
từ cây có chứa tinh bột (bắp, sắn lát và lúa mì). Sản lƣợng ethanol sản xuất năm 2006
khoảng 50 tỷ lít. Nhu cầu ethanol nhiên liệu trên toàn thế giới vào năm 2015 sẽ cao

gấp hơn 2 lần sản lƣợng năm 2006 (100 tỷ lít).
Các quốc gia sản xuất ethanol lớn nhƣ Brazil, Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ và Pháp
chiếm 84% sản lƣợng ethanol nhiên liệu của toàn thế giới trong năm 2005.
 Tình hình tiêu thụ [35]:
Năm 2006, sản lƣợng ethanol đƣợc sử dụng trên thế giới là 50 tỷ lít, trong đó
ethanol nhiên liệu chiếm 77%, ethanol c ng nghiệp chiếm 8% và ethanol cho đồ uống
chiếm 15%.
Tại thời điểm này có khoảng 40 quốc gia sử dụng các loại xăng sinh học làm nhiên
liệu cho động cơ. Từ năm 2007, xăng E85 đã đƣợc chính thức sử dụng tại Áo, Pháp và
Đức từ năm 2008. Mỹ có khoảng 250 triệu phƣơng tiện sử dụng xăng và trong số
chừng 170 000 trạm bán xăng thì có hơn 2000 trạm bán xăng E85. Mỹ cũng là nƣớc
tiêu thụ ethanol lớn nhất với khoảng 60% tổng sản lƣợng của thế giới.
b. Ở Việt Nam [36]:
Ngày 20/11/2007, Thủ tƣớng Chính phủ đã phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu
sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025”.
Cụ thể, đối với loại xăng E5, từ ngày 1/12/2014, xăng đƣợc sản xuất, phối chế,
kinh doanh để sử dụng cho phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ tiêu thụ trên địa bàn 7 tỉnh,
thành phố: Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ, Quảng
Ngãi, Bà Rịa-Vũng Tàu là xăng E5. Từ ngày 1/12/2015 xăng đƣợc sản xuất, phối chế,
kinh doanh để sử dụng cho phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ tiêu thụ trên toàn quốc là
xăng E5. Đối với xăng E10, từ ngày 1/12/2016, xăng đƣợc sản xuất, phối chế, kinh
doanh để sử dụng cho phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ tiêu thụ trên địa bàn 7 tỉnh, thành
phố: Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Cần Thơ, Quảng Ngãi, Bà
Rịa-Vũng Tàu là xăng E10. Từ 1/12/2017 xăng đƣợc sản xuất, phối chế, kinh doanh để
sử dụng cho phƣơng tiện cơ giới đƣờng bộ tiêu thụ trên toàn quốc là xăng E10.
Một số dự án liên quan đến ethanol đã và đang triển khai trong nƣớc:

-

 Nghiên cứu và sản xuất nhiên liệu sạch đã đƣợc Petrolimex, Petro VietNam...
triển khai và đã có những kết quả.
 Đại học Bách Khoa TP.HCM đã pha chế, thử nghiệm để chứng minh ethanol có
thể thay thế xăng dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong.
 Viện Nghiên cứu Rƣợu- Bia- NGK cũng đã nghiên cứu và đƣa ra các kết quả về
sử dụng ethnol làm nhiên liệu thay thế cho một số loại động cơ.
 C ng ty Cổ phần Cồn sinh học Việt Nam đã đầu tƣ xây dựng nhà máy sản xuất
cồn c ng nghiệp với c ng suất 66000 m3/năm tại Đắc Lắc. Để đảm bảo nguyên
liệu, c ng ty đã lên kế hoạch trồng 4000 ha cây tinh bột Tiboca.
 Mới đây, nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng sản phẩm phế thải n ng, lâm nghiệp
nhƣ rơm rạ thành ethanol sinh học đã đƣợc triển khai ở Viện C ng nghệ Sinh
học- Viện Khoa học và c ng nghệ Việt Nam, Đại học Bách khoa Hà Nội… Tuy
nhiên kết quả đạt đƣợc còn khiêm tốn, chƣa thể áp dụng triển khai sản xuất lớn
và thƣơng mại hóa.
1.2. QUÁ TRÌNH SẢN UẤT BIOETHANOL
1.2.1. Sản xuất ethanol từ tinh bột
a. Nguyên liệu
Tinh bột là glucide dự trữ phổ biến nhất trong thực vật. Nó là chất keo háo nƣớc
điển hình, cấu tạo từ amyloza mạch thẳng và amylopectin. Dƣới tác dụng của của
acide hoặc amylaza tinh bột sẽ bị thủy phân. Khi đun với acide, tinh bột sẽ biến thành
glucose, còn dƣới tác dụng của amylaza của một số nấm mốc hay nấm men thì dịch
thủy phân chứa tới 80 đến 90% là glucose.
b. Quá trình sản xuất
Nguyên liệu đƣợc đƣa đi xử lý bởi các c ng đoạn nhƣ làm sạch sơ bộ để tách các
tạp chất, nghiền mịn thành bột, hòa trộn với nƣớc tạo thành dung dịch. Tiếp theo là
quá trình nấu có thể sử dụng hơi trực tiếp hoặc gián tiếp. Dịch sau khi nấu đƣợc đƣa
qua công đoạn đƣờng hóa với sự có mặt của enzyme nhằm mục đích chuyển hóa tinh
bột thành đƣờng lên men. Sau khi đƣờng hóa, dịch này đƣợc đƣa vào thùng lên men
chuyển hóa thành rƣợu.

-


Dịch ra khỏi thùng lên men gọi là giấm chín. Giấm chín sẽ đƣợc chuyển đến khu
vực chƣng cất bao gồm tháp chƣng cất th và tháp chƣng cất tinh. Ở tháp chƣng cất
th , ethanol đƣợc tách ra khỏi giấm chín, nâng nồng độ lên khoảng 40- 70%v/v.
Ethanol sau khi ra khỏi tháp chƣng cất th sẽ đƣợc đƣa qua tháp chƣng cất tinh để tách
tạp chất và nâng nồng độ cồn lên khoảng 95%v/v.
Để sản xuất ethanol nhiên liệu, sau khi chƣng cất, ethanol đƣợc đƣa qua tháp tách
nƣớc để nâng nồng độ ethanol lên khoảng 99,9%.
1.2.2. Sản xuất ethanol từ rỉ đƣờng
a. Nguyên liệu
Rỉ đƣờng là nguyên liệu chứa các loại đƣờng kh ng tinh khiết thu đƣợc trong quá
trình sản xuất đƣờng, tỷ lệ rỉ đƣờng chiếm 3÷3,5% trọng lƣợng nƣớc mía.
Thành phần của rỉ đƣờng gồm có:
 Nƣớc chiếm 18- 20% (tùy theo phƣơng pháp sản xuất, tuỳ theo điều kiện bảo
quản rỉ đƣờng và vận chuyển).
 Chất kh

chiếm 80- 82%. Trong đó 60% là đƣờng gồm: 40% là đƣờng

saccarose, 20% là đƣờng glucose, fructose và 40% là thành phần kh ng phải
đƣờng gồm: 8- 10% là hợp chất v cơ và 30- 32% là hợp chất hữu cơ.
 Trong rỉ đƣờng, lƣợng P2O5 chiếm 0,02- 0,05%, rất cần cho sự phát triển của
nấm men. Ngoài ra còn có các loại vi sinh vật gây ảnh hƣởng rất lớn đến
chất lƣợng của rỉ đƣờng.
Vậy việc sử dụng rỉ đƣờng để sản xuất rƣợu góp phần sử dụng triệt để phụ phế
phẩm, mặt khác hạn chế việc sử dụng các loại lƣơng thực chứa tinh bột nhƣ: sắn, ng ,
khoai để sản xuất rƣợu.
b. Quá trình sản xuất

Sản xuất ethanol từ mật rỉ hay từ các phế liệu chứa rỉ đƣờng về cơ bản cũng
giống nhƣ sản xuất ethanol từ tinh bột. Nó bao gồm các c ng đoạn sau:
 Chuẩn bị dịch lên men
 Gây men giống
 Lên men
-


 Chƣng cất và tinh chế
Rỉ đƣờng đƣợc pha loãng và điều chỉnh pH, sau đó tiến hành lên men, chuyển hóa
đƣờng thành ethanol. Dịch đi ra khỏi thùng lên men gọi là giấm chín có nồng độ cồn
thấp đƣợc chuyển qua khu chƣng cất bao gồm tháp chƣng cất th và tháp chƣng cất
tinh để nâng nồng độ ethanol lên và thu ethanol thành phẩm.
1.2.3. Sản xuất ethanol từ nguyên liệu có nguồn gốc lignocellulose
a. Nguyên liệu
Lignocellulose là thành phần cấu trúc chính của thực vật thân gỗ và các thực vật
khác nhƣ cỏ, lúa, ngô, mía,…Thành phần chủ yếu của lignocellulose là cellulose,
hemicellulose và lignin.

Hình 1. Cấu trúc của lignocellulose

Các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản. Các sợi này đƣợc gắn lại với nhau
nhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi. Các vi sợi này đƣợc bao bọc bởi lignin,
giúp bảo vệ cellulose khỏi sự tấn c ng của enzyme cũng nhƣ các hóa chất trong quá
trình thủy phân.
Bảng 1. Thành phần lignocellulose trong rác thải và phụ phế phẩm nông nghiệp phổ biến

Nguồn lignocellulose

Cellulose, %

Hemicellulose,%
-

Lignin, %


Thân gỗ cứng

40- 55

24- 40

18- 25

Thân gỗ mềm

45- 50

25- 35

25- 35

Vỏ lạc

25- 30

25- 30

30- 40

Lõi ngô

45

35

15

85- 99

0

0- 15

32,1

24

18

Vỏ trấu của lúa mì

30

50

15

Rác đã phân loại

60

20

20

Giấy
Vỏ trấu

 Cellulose:
Cellulose là hợp chất hữu cơ có c ng thức cấu tạo (C6H10O5)n, và là thành phần chủ
yếu của thành tế bào thực vật. Cellulose cũng là hợp chất hữu cơ nhiều nhất trong sinh
quyển, hàng năm thực vật tổng hợp đƣợc khoảng 1011 tấn cellulose (trong gỗ, cellulose
chiếm khoảng 50% và trong b ng chiếm khoảng 90%).

Hình 2. Công thức hóa học của cellulose

Cellulose có cấu trúc rất bền và khó bị thủy phân. Ngƣời và động vật kh ng có
enzyme phân giải cellulose (cellulase) nên kh ng tiêu hóa đƣợc cellulose, vì vậy
cellulose kh ng có giá trị dinh dƣỡng.
Cellulose có thể tham gia phản ứng thủy phân tạo glucose. Cellulose có thể bị thủy
phân với tốc độ chậm trong m i trƣờng nƣớc ở nhiệt độ cao. Dƣới tác dụng của acide
hoặc enzyme, quá trình thủy phân xảy ra với tốc độ lớn hơn.
Phản ứng thủy phân đƣợc biểu diễn theo phƣơng trình tổng quát:
(C6H10O5)n + nH2O

nC6H12O6

 Hemicellulose:

Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng
70 đến 200. Hemicellulose là polysaccharide, có liên kết chặt chẽ với cellulose, là một
trong ba sinh khối tự nhiên chính. Cùng với cellulose và lignin, hemicellulose tạo nên
-


thành tế bào vững chắc ở thực vật. Hemicellulose chứa cả đƣờng 6 carbon gồm
glucose, mannose và galactose và đƣờng 5 gồm xylose và arabinose. Cấu tạo của
hemicellulose khá phức tạp và đa dạng tùy vào nguyên liệu.
 Lignin:
Lignin là một hợp chất phổ biến đƣợc tìm thấy trong hệ mạch thực vật, chủ yếu là
giữa các tế bào, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose và hemicellulose, rất khó để có
thể tách lignin ra hoàn toàn.
Lignin là một trong các polymer hữu cơ phổ biến nhất trên trái đất. Nó có cấu trúc
kh ng gian 3 chiều, phức tạp, v định hình, chiếm 17% - 33% thành phần của gỗ.
Trong đồ án này, đối tƣợng nghiên cứu để sản xuất ethanol là bã mía- một trong
những nguyên liệu có nguồn gốc lignocellulose.
Mía là cây lấy đƣờng quan trọng của ngành c ng nghiệp đƣờng. Về mặt kinh tế
chúng ta nhận thấy trong thân mía chứa khoảng 80- 90% nƣớc dịch, trong dịch đó
chứa khoảng 16- 18% đƣờng. Vào thời kì mía chín già ngƣời ta thu hoạch mía rồi đem
ép lấy nƣớc. Nƣớc dịch mía đƣợc chế lọc và c đặc thành đƣờng. Ngoài sản phẩm
chính là đƣờng, những phụ phẩm của cây mía bao gồm: bã mía, rỉ đƣờng, bùn lọc.
Trong đó, bã mía chiếm 25- 30% trọng lƣợng mía đem ép. Trong bã mía chứa trung
bình 49% là nƣớc, 48% là xơ (trong đó chứa 45- 55% cellulose), 2,5% là chất hoà tan
(đƣờng) [28].
Về mặt tài nguyên tự nhiên nhƣ khí hậu, đất đai, Việt Nam đƣợc đánh giá là nƣớc
có tiềm năng trung bình khá để phát triển cây mía. Trên phạm vi cả nƣớc, các vùng
Bắc Trung Bộ và vùng Đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt là duyên hải miền Trung
có khả năng trồng mía đƣờng tốt.
Theo Hiệp hội Mía đƣờng Việt Nam (VSSA), mỗi năm các nhà máy đƣờng ép trên

15 triệu tấn mía, phát sinh ra 4,5 triệu tấn bã mía [29]. Đây là nguồn nguyên liệu dồi
dào cho việc sản xuất ethanol.

-


7%
12%

26%

Miền Bắc
Đông Nam Bộ
ĐBSCL
Tây Nguyên

16%

Bắc Trung Bộ
Duyên hải miền Trung
24%
15%

Hình 3. Phân bố các vùng trồng mía ở Việt Nam [7]

b. Quá trình sản xuất
 Tiền xử lý:
Đây là bƣớc quyết định trong quá trình biến đổi lignocellulose thành ethanol, và là
một trong những yếu tố chính ảnh hƣởng đến hiệu quả kinh tế của quá trình. Vì các
nguyên liệu lignocellulose khác nhau có các đặc tính lý hóa khác nhau, nên cần áp

dụng những c ng nghệ tiền xử lý thích hợp ở từng nguyên liệu. Hơn nữa, sự lựa chọn
một c ng nghệ tiền xử lý nhất định sẽ tác động lớn đến các bƣớc tiếp theo của toàn bộ
quá trình chuyển đổi nhƣ là khả năng bị phân giải của cellulose, sự phát sinh các chất
độc có khả năng ức chế nấm men, năng lƣợng cần thiết cho quy trình tiếp theo và
những yêu cầu về xử lý nƣớc thải.
+ Mục đích của quá trình tiền xử lý:
 Tăng vùng v định hình của cellulose
 Tăng kích thƣớc lỗ xốp trong cấu trúc sợi biomass
 Phá vỡ sự bao bọc của lignin và hemicellulose đối với cellulose
+ Đặc trƣng và yêu cầu của quá trình tiền xử lý:
 C ng nghệ tiền xử lý đƣợc áp dụng phải phù hợp với nguồn nguyên liệu
-


 Cellulose từ quá trình tiền xử lý cần có khả năng bị phân giải cao với sản
phẩm thu đƣợc trên 90% trong thời gian dƣới 5 ngày (tốt nhất là 3 ngày)
 Lƣợng các chất độc sinh ra tối thiểu
 Thu đƣợc nồng độ đƣờng cao
 Sự phân bố của việc thu hồi đƣờng giữa tiền xử lý và thủy phân enzyme
tiếp theo cần tƣơng thích với sự lựa chọn loại sinh vật để lên men các pentose
(arabinose và xylose) trong hemicellulose
 Lignin và các thành phần khác đƣợc thu hồi để đơn giản hóa quá trình xử
lý tiếp theo và chuyển đổi thành các sản phẩm có giá trị
 Yêu cầu năng lƣợng tiêu tốn là thấp nhất
Bảng 2. Ưu nhược điểm của các phương pháp tiền xử lý

Phƣơng pháp
Sinh học

Thuận lợi

- Phân hủy hiệu quả lignin và

Bất lợi
Tốc độ thủy phân thấp

hemicellulose
- Nhu cầu năng lƣợng thấp
Nghiền xay

Giảm độ kết tinh của cellulose

Nhu cầu năng lƣợng cao

Nổ hơi

- Thay đổi cấu trúc lignin và hòa - Sinh ra các chất ức chế
tan hemicellulose

- Phân hủy 1 phần

- Chi phí thấp

hemicellulose

- Hiệu suất thu glucose cao
AFEX

- Tăng khả năng tiếp cận bề mặt

- Kh ng hiệu quả với nguyên

- Sự tạo thành chất ức chế thấp

liệu có hàm lƣợng lignin cao
- Chi phí cao do lƣợng lớn
ammonia

Bung sợi CO2

Oxy hóa ƣớt

- Chi phí thấp

- Kh ng tác động lên lignin và

- Nhu cầu năng lƣợng thấp (tỏa

hemicellulose

nhiệt)

- Đòi hỏi áp suất cao

- Loại bỏ lignin hiệu quả

Chi phí cao cho xúc tác oxy

- Sinh ra ít chất ức chế

hóa và kiềm

- Tiêu tốn năng lƣợng thấp
-


Dung môi

Xảy ra sự thủy phân lignin và

- Chi phí cao

hữu cơ

hemicellulose

- cần tái sinh dung môi

Acid đậm đặc

- Năng suất thu glucose cao

- Chi phí cao cho acid và thu

- Tiến hành ở nhiệt độ m i

hồi

trƣờng

- Ăn mòn bình phản ứng

- Sinh ra các chất ức chế

Acid loãng
Kiềm

- Ăn mòn ít hơn acid đặc

- Sinh ra các sản phẩm phụ

- Tạo thành các chất ức chế ít

- Cho nồng độ đƣờng thấp

- Loại bỏ lignin hiệu quả

Thu hồi kiềm khó khăn

- Tăng bề mặt tiếp xúc
- Chi phí thấp
- Thủy phân
Phƣơng trình phản ứng: (C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6
Quá trình thủy phân bằng enzyme và quá trình lên men có thể tiến hành tách biệt
hoặc đồng thời (hình 1.4 và 1.5).

-


Hình 4. Sơ đồ của quá trình thủy phân và lên men tách biệt

Hình 5.. Sơ đồ của quá trình thủy phân và lên men đồng thời

-


Hình 6. Quá trình phân giải của cellulose

Quá trình thủy phân cellulose đƣợc diễn ra theo các bƣớc sau:
+ Endoglucanase thủy phân liên kết β- 1,4- glycosidic trong vùng v định hình
tạo ra nhiều đầu kh ng khử.
+ Exoglucanase cắt các đơn vị cellobiose từ đầu kh ng khử.
+ β- glucosidase tiếp tục thủy phân cellobiose tạo ra glucose.
Các yếu tố ảnh hƣởng đến tốc độ thủy phân:
+ Cấu trúc nguyên liệu
 Tỉ lệ kết tinh: Đây là yếu tố chính ảnh hƣởng đến quá trình thủy phân. Các
mạch cellulose có tính kết tinh cao, các sợi cellulose liên kết rất chặt chẽ, do đó sẽ cản
trở quá trình tiếp xúc của enzyme với các mạch cellulose bên trong và làm giảm tốc độ
quá trình thủy phân.
 Mức độ polymer hóa: mạch cellulose càng dài, tốc độ thủy phân càng chậm.
 Kích thƣớc lỗ xốp: kích thƣớc của các lỗ xốp phải đủ lớn cho các enzyme đi
vào. Kích thƣớc lỗ xốp càng lớn quá trình thủy phân càng nhanh.
 Bề mặt tiếp xúc: hầu hết các chuỗi cellulose bị giấu trong các vi sợi- yếu tố
cản trở sự xâm nhập của enzyme và giới hạn tốc độ thủy phân. Bề mặt tiếp xúc càng
lớn thì càng thuận lợi cho quá trình thủy phân.
 Nhiệt độ

-


Tốc độ phản ứng thủy phân tăng theo nhiệt độ, tuy nhiên đến một nhiệt độ nhất
định, tốc độ phản ứng sẽ giảm dần và đến mức triệt tiêu. Phần lớn enzyme hoạt động

mạnh nhất ở nhiệt độ 40- 50oC. Những enzyme khác nhau đều có nhiệt độ tối ƣu khác
nhau.
Nếu đƣa nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tối ƣu, hoạt tính enzyme sẽ bị giảm và không
có khả năng phục hồi. Ngƣợc lại khi ở nhiệt độ 0oC, enzyme bị hạn chế hoạt động rất
mạnh, nhƣng khi đƣa nhiệt độ lên từ từ, hoạt tính của enzyme sẽ tăng dần đều đến mức
tối ƣu.
 Độ pH
pH m i trƣờng thƣờng ảnh hƣởng đến mức độ ion hóa cơ chất, enzyme và đặc
biệt ảnh hƣởng đến độ bền của enzyme.
Nhiều enzyme hoạt động rất mạnh ở pH trung tính. Tuy nhiên cũng có nhiều
enzyme hoạt động ở m i trƣờng acide yếu. Một số enzyme khác lại hoạt động mạnh ở
pH kiềm và cả pH acide.
 Nồng độ enzyme
Khi nồng độ enzyme tăng, tốc độ phản ứng tăng theo đƣờng thẳng. Tuy nhiên,
khi nồng độ enzyme đạt đến một ngƣỡng nào đó, nồng độ cơ chất sẽ trở thành yếu tố
hạn chế tốc độ phản ứng. Khi đó, tốc độ phản ứng sẽ kh ng tăng nữa mà là một đƣờng
nằm ngang.
 Nồng độ cơ chất
Nồng độ cơ chất tăng, tốc độ phản ứng enzyme tăng, vì sẽ có nhiều cơ chất va
chạm với enzyme tiến hành phản ứng. Khi nồng độ cơ chất đủ lớn, các enzyme bị bão
hòa cơ chất, vì vậy, tăng nồng độ cơ chất thì tốc độ phản ứng sẽ kh ng thay đổi đáng
kể.
 Các chất kìm hãm
Các chất kìm hãm hoạt động của enzyme thƣờng là các chất có mặt trong các
phản ứng, làm giảm hoạt tính enzyme nhƣng lại kh ng bị enzyme làm thay đổi tính
chất, cấu tạo hóa học và tính chất vật lý của chúng.
Các chất gây kìm hãm hoạt động của enzyme bao gồm các ion, các phần tử v cơ,
các chất hữu cơ và cả protein. Các chất kìm hãm có ý nghĩa rất lớn trong điều khiển
-