XÂY DỰNG QUY TRÌNH TẠO ETHANOL SINH HỌC TỪ THÂN CÂY NGÔ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
XÂY DỰNG QUY TRÌNH TẠO ETHANOL SINH HỌC
TỪ THÂN CÂY NGÔ

Ngành học

: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Sinh viên thực hiện

: NGUYỄN CHÍ HIỀN

Niên khóa

: 2008 – 2012

Tháng 7/2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
XÂY DỰNG QUY TRÌNH TẠO ETHANOL SINH HỌC
TỪ THÂN CÂY NGÔ

Hƣớng dẫn khoa học

Sinh viên thực hiện

TS. BÙI MINH TRÍ

NGUYỄN CHÍ HIỀN

Tháng 7/2012


LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành cảm ơn:
Ban Giám hiệu trƣờng đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh, Ban chủ nhiệm
Bộ Môn Công nghệ sinh học, cùng tất cả quý thầy cô đã truyền đạt kiến thức cho tôi
trong suốt quá trình học tập tại trƣờng.
Quý thầy cô trong bộ môn CNSHTV đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi thực hiện khóa
luận tốt nghiệp này.
Gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS. Bùi Minh Trí, ngƣời đã tận tình chỉ bảo, hƣớng
dẫn, góp ý và không ngừng quan tâm, động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận
văn tốt nghiệp này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các anh chị đang làm việc tại Viện Nghiên
Cứu Công Nghệ Sinh Học và Môi Trƣờng đã nhiệt tình giúp đỡ và chỉ bảo tôi trong
suốt thời gian thực hiện khóa luận.
Các bạn lớp DH08SH đã luôn bên tôi, giúp đỡ, động viên, chia sẻ cùng tôi trong
thời gian thực tập cũng nhƣ trong suốt những năm học vừa qua. Cảm ơn những bạn
sinh viên đang thực hiện khóa luận tốt nghiệp tại Viện Nghiên Cứu Công Nghệ Sinh
Học và Môi Trƣờng đã nhiệt tình giúp đỡ và động viên, chia sẻ cùng tôi trong suốt
thời gian thực tập.

Cha mẹ, bậc sinh thành đã sinh ra và nuôi dƣỡng tôi, các em trong gia đình luôn
quan tâm, ủng hộ tôi học tập và hoàn thành khoá luận tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn.
Sinh viên thực hiện
NGUYỄN CHÍ HIỀN

i


TÓM TẮT

Tình hình các nguồn nguyên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và việc tái tạo
phải chờ trong khoảng thời gian dài. Trong hƣớng nghiên cứu mới, sử dụng các nguồn
sinh khối lignocellulose để tạo ethanol sinh học mà không ảnh hƣởng đến nguồn
lƣơng thực- thực phẩm và đảm bảo an ninh năng lƣợng thế gới.
Thân cây ngô cũng là một trong những nguồn sinh khối lignocellulose dồi dào ở
Việt Nam. Vì vậy việc nghiên cứu sản xuất ethanol sinh học trên thân cây ngô là điều
rất cần thiết.
Quá trình nghiên cứu gồm những nội dung sau khảo sát các nồng độ NH4OH
(5%; 10%; 15%; 20%; 25%) thích hợp cho việc tiền xử lý; khảo sát nồng độ của
enzyme celluase (1,5%; 3%; 6%) và thời gian (48; 72; 96 giờ) tối ƣu cho quá trình
thủy phân; khảo sát nồng độ enzyme celluase (1,5%; 3%; 6%), thời gian (48 giờ;
72giờ; 96 giờ) và lƣợng nấm men (0,5 g; 1 g; 2 g) ảnh hƣởng đến quá trình lên men
đồng thời; khảo sát thời gian (48giờ ; 72giờ; 96 giờ) và lƣợng nấm men (0,5 g; 1 g;
2 g) ảnh hƣởng đến quá trình lên men phân đoạn.
Kết quả đã xác định đƣợc cellulose 35,5%, lignin 20,3%, tro 5,6%, độ ẩm 7%,
các chất trích ly 10% .Tiền xử lý thu hồi kết quả cellulose cao tại nồng độ NH4OH
10%. Thủy phân tối ƣu tại nồng độ enzyme cellulase 6% và thời gian 72 giờ đạt hiệu
suất 88,23%. Lên men đồng thời hiệu quả ở nồng độ enzyme celluase 6%, thời gian 96
giờ và lƣợng nấm men 2 g đạt hiệu suất 57,03%. Lên men phân đoạn hiệu quả ở thời

gian 96 giờ và lƣợng nấm men 2 g đạt hiệu suất 72,36%.

ii


SUMMARY

Thesis title “Construction process of creating bioethanol from corn stover”.
The situation of fossil fuel sources increasingly exhausted and the reproduction
must waited to in long time. In new research, using sources of lignocellulose biomass
to produce bioethanol without affecting the food supply and assure security energy
globe.
Corn stalks is also one of the abundant lignocellulosic biomass resources in
Vietnam. Therefore the research production of bio-ethanol on corn stover is essential.
The process of research includes surveyed the concentration NH4OH (5%; 10%;
15%; 20%; 25%) suitable for the pretreatment; surveyed the concentration of enzyme
celluase (1,5%; 3%; 6%) and time (48 hours; 72 hours; 96 hours) the optimal for
hydrolysis; surveyed the concentration of enzyme celluase (1,5%; 3%; 6%),time
(48 hours; 72 hours; 96 hours) and volume yeast (0,5 g; 1 g; 2 g) affect the
fermentation process simultaneously; surveyed time (48 hours; 72 hours; 96 hours)
and volume yeast (0,5 g; 1 g; 2 g) affect the fermentation process segments.
The results have identified cellulose 35,5%; lignin 20,3%; ash 5,6%;
moisture 7%; substances extraction 10%. Pretreatment high cellulose recovery results
at concentrations of NH4OH 10%. Hydrolyzed the optimal in concentration of enzyme
cellulase 6% and time 72 hour hit performance 88,23%. Ferment simultaneously
effective in concentrations enzyme celluase 6%, time 96 hours and volume yeast 2 g
hit performance 57,03%. Ferment segment effective in time 96 hours and volume
yeast 2 g hit performance 72,36%.

iii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. i
TÓM TẮT ...................................................................................................................... ii
SUMMARY .................................................................................................................. iii
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... vii
DANH SÁCH CÁC BẢNG ........................................................................................ viii
DANH SÁCH CÁC HÌNH ........................................................................................... ix
Chƣơng 1 MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................... 1
1.2. Mục đích của đề tài ................................................................................................. 2
1.3. Nội dung thực hiện .................................................................................................. 2
Chƣơng 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................................. 3
2.1. Tổng quan về cây ngô nguyên liệu chính sử dụng trong đề tài .............................. 3
2.1.1. Đặc điểm thực vật học, nguồn gốc và phân bố .................................................... 3
2.1.1.1. Đặc điểm thực vật học....................................................................................... 3
2.1.1.2. Nguồn gốc và phân bố ...................................................................................... 3
2.1.2. Diện tích trồng cây ngô ở Việt Nam .................................................................... 5
2.1.3. Đặt điểm và thành phần hóa học của thân ngô .................................................... 5
2.1.3.1. Đặc điểm thân ngô ............................................................................................ 5
2.1.3.2. Thành phần hóa học .......................................................................................... 5
2.2. Hiện trạng sử dụng năng lƣợng của thân cây ngô ở Việt Nam ............................... 6
2.3. Nguyên liệu lignocellulose...................................................................................... 6
2.3.1. Cellulose ............................................................................................................... 6
2.3.2. Hemicellulose ....................................................................................................... 7
2.3.3. Lignin ................................................................................................................. 10
2.3.4. Các chất trích ly ................................................................................................. 12
2.3.5. Tro ...................................................................................................................... 13
2.4. Cấu trúc lignocellulose .......................................................................................... 14

2.5. Quá trình sản xuất ethanol từ sinh khối................................................................. 15
2.5.1. Tổng quát ........................................................................................................... 15
iv


2.5.2. Tiền xử lý ........................................................................................................... 16
2.6. Sơ lƣợc về nhiên liệu sinh học và ethanol nhiên liệu............................................ 18
2.6.1. Nhiên liệu sinh học............................................................................................. 18
2.6.2. Ethanol nhiên liệu .............................................................................................. 20
2.6.2.1. Lịch sử ethanol nhiên liệu ............................................................................... 20
2.6.2.2. Tình hình phát triển ethanol nhiên liệu trên thế giới ....................................... 21
2.6.2.3. Tình hình ethanol nhiên liệu ở Việt Nam........................................................ 24
2.6.2.4. Triển vọng ethanol tƣơng lai ........................................................................... 26
Chƣơng 3 VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................... 27
3.1. Thời gian và địa điểm nghiên cứu ......................................................................... 27
3.2. Vật liệu nghiên cứu ............................................................................................... 27
3.2.1. Thu thập mẫu...................................................................................................... 27
3.2.2. Thiết bị và hóa chất sử dụng .............................................................................. 27
3.2.2.1. Thiết bị và dụng cụ .......................................................................................... 27
3.2.2.2. Hóa chất sử dụng ............................................................................................. 27
3.3. Phƣơng pháp nghiên cứu....................................................................................... 28
3.3.1. Phân tích thành phần cơ bản của mẫu thân ngô ................................................. 28
3.3.1.1. Kiểm tra độ ẩm và phân tích tro ...................................................................... 28
3.3.1.2. Phân tích chất trích ly...................................................................................... 28
3.3.1.3. Phân tích Klason lignin ................................................................................... 29
3.3.1.4. Phân tích cellulose .......................................................................................... 29
3.3.2. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ NH4OH đến các chỉ tiêu cellulose và lignin. 30
3.3.2.1. Mục đích.......................................................................................................... 30
3.3.2.2. Bố trí thí nghiệm ............................................................................................. 30
3.3.2.3. Cách thức thực hiện ........................................................................................ 30

3.3.2.4. Phân tích thành phần của mẫu sau tiền xử lý .................................................. 30
3.3.3. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian và nồng độ enzyme đến nồng độ đƣờng
thu đƣợc ........................................................................................................................ 31
3.3.3.1. Mục đích.......................................................................................................... 31
3.3.3.2. Bố trí thí nghiệm ............................................................................................. 31
v


3.3.3.3. Cách thức thực hiện ........................................................................................ 31
3.3.3.4. Chỉ tiêu theo dõi .............................................................................................. 31
3.3.4. Lên men mẫu bằng nấm men Saccharomyces cerevisiae .................................. 31
3.3.4.1. Khảo sát ảnh hƣởng của lƣợng nấm men với các nồng độ enzyme đến hàm
lƣợng ethanol thu đƣợc sau lên men đồng thời ............................................................ 31
3.3.4.2. Khảo sát ảnh hƣởng của lƣợng nấm men và thời gian đến hàm lƣợng ethanol
thu đƣợc sau lên men phân đoạn .................................................................................. 32
3.3.5. Phƣơng pháp xử lý số liệu .................................................................................. 32
Chƣơng 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................... 33
4.1. Kết quả phân tích các thành phần cơ bản của thân cây ngô .................................. 33
4.2. Ảnh hƣởng của nồng độ NH4OH đến các chỉ tiêu cellulose và lignin.................. 33
4.3. Ảnh hƣởng của thời gian và nồng độ enzyme đến nồng độ đƣờng thu đƣợc ....... 34
4.4. Lên men tạo ethanol .............................................................................................. 35
4.4.1. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng nấm men với nồng độ enzyme đến hàm lƣợng
ethanol thu đƣợc sau khi lên men đồng thời ................................................................ 35
4.4.2. Ảnh hƣởng của lƣợng nấm men và thời gian đến hàm lƣợng ethanol thu đƣợc
sau khi lên men phân đoạn……………………………………………………………37
4.5. Quy trình sản xuất ethanol sinh học từ thân cây ngô ............................................ 37
Chƣơng 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ........................................................................ 39
5.1. Kết luận ................................................................................................................. 39
5.2. Đề nghị .................................................................................................................. 39
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 40

PHỤ LỤC

vi


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DME

dimethyl ether

DMF

2,5- dimethyl furan

E5

Xăng chứa 5% ethanol

E10

Xăng chứa 10% ethanol

E25

Xăng chứa 25% ethanol

E40

Xăng chứa 40% ethanol

E50

Xăng chứa 50% ethanol

E60

Xăng chứa 60% ethanol

E85

Xăng chứa 85% ethanol

TCN

Trƣớc công nguyên

SAA

Soaking In Aqueous Ammonia

vii


DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Diện tích trồng ngô ở Việt Nam từ 1961 - 2009..............................................5
Bảng 2.2 Thành phần hóa học của thân ngô ...................................................................5
Bảng 2.3 Tỷ lệ thành phần lignocellulose ở một số nguồn sinh khối .............................6
Bảng 2.4 Sản lƣợng lý thuyết ethanol từ 1 tấn nguyên liệu khô ...................................24

Bảng 4.1 Tỷ lệ cellulose và ligninn có trong sau tiền xử lý ………………………….33
Bảng 4.2 Hàm lƣợng ethanol sau 48 giờ lên men (mg) ................................................35
Bảng 4.3 Hàm lƣợng ethanol sau 72 giờ lên men (mg) ................................................36
Bảng 4.4 Hàm lƣợng ethanol sau 96 giờ lên men (mg)………………………………36
Bảng 4.5 Hàm lƣợng ethanol sau lên men (mg)……………………………………...37

viii


DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Cây ngô ............................................................................................................3
Hình 2.2. Cấu trúc hóa học của cellulose ........................................................................6
Hình 2.3 Đơn vị phân tử cellobiose trong cấu trúc của cellulose ...................................6
Hình 2.4 Các loại đƣờng tạo nên cấu trúc hemicelluloses ..............................................8
Hình 2.5 Cấu trúc galactan ..............................................................................................9
Hình 2.6 Cấu trúc araban . ..............................................................................................9
Hình 2.7 Cấu trúc xylan trong cây gỗ mềm và gỗ cứng ...............................................10
Hình 2.8 Các đơn vị cơ bản của lignin ..........................................................................10
Hình 2.9 Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính ...............................11
Hình 2.10 Một số ví dụ về chất trích ly ........................................................................13
Hình 2.11 Cấu trúc của lignocellulose………………………………………………..14
Hình 2.12 Mối quan hệ cellulose – hemicellulose trong cấu trúc lignocellulose .........15
Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý của quá trình sản xuất ethanol từ sinh khối ......................15
Hình 2.14 Cấu trúc lignocellulose trƣớc và sau tiền xử lý ............................................16
Hình 4.1 Nồng độ đƣờng trung bình sau khi thủy phân qua các thời gian
và nồng độ enzyme........................................................................................................34
Hình 4.2 Quy trình tạo ethanol từ thân cây ngô ở quy mô phòng thí nghiệm ..............38

ix

Chƣơng 1 MỞ ĐẦU

1.1. Đặt vấn đề
Ngày nay, thế giới đang đứng trƣớc nguy cơ khủng hoảng năng lƣợng trầm
trọng. Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới, nguồn năng lƣợng từ các sản
phẩm hoá thạch dầu mỏ sẽ bị cạn kiệt trong vòng 40 - 50 năm (Viện Năng lƣợng
nguyên tử Việt Nam, 2004). Để ổn định và đảm bảo an ninh năng lƣợng đáp ứng cho
nhu cầu con ngƣời cũng nhƣ các ngành công nghiệp, các nhà khoa học đang tập trung
nghiên cứu tìm ra những nguồn nhiên liệu mới, trong đó nghiên cứu phát triển nhiên
liệu sinh học có nguồn gốc từ sinh khối động, thực vật là một hƣớng đi có thể tạo ra
nguồn nhiên liệu thay thế phần nào nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt, đảm bảo
an ninh năng lƣợng cho từng quốc gia.
Việc sản xuất ethanol từ các loại cây nông nghiệp có thể ăn đƣợc đang gây lo
lắng về vấn đề an ninh lƣơng thực - sự cạnh tranh giữa cây trồng làm nhiên liệu và cây
lƣơng thực. Chính vì vậy, thế giới đang đi theo hƣớng sản xuất ethanol từ các nguyên
liệu chứa hợp chất cellulose.
Một số công trình nghiên cứu trên thế giới cho thấy, các loại phụ phẩm nông
nghiệp, phế thải giàu hợp chất carbonhydrate có thể sử dụng làm nguyên liệu để sản
xuất ethanol sinh học. Thành phần của thân cây ngô bao gồm phần lớn là cellulose,
hemicellulose, lignin và một số nguyên tố khoáng. Việc nghiên cứu sử dụng phụ phẩm
nông nghiệp giàu hợp chất carbonhydrate làm nguyên liệu sản xuất ethanol nhiên liệu
có sử dụng sự trợ giúp của vi sinh vật đang là một trong những giải pháp hứa hẹn cho
việc tạo ra nguyên liệu thay thế cho nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt.
Giảm thiểu các tác động xấu đến môi trƣờng, là một hƣớng nghiên cứu đúng đắn thu
hút đƣợc sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nƣớc.
Với ý nghĩa thiết thực đó tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu quy trình sản xuất
ethanol sinh học từ thân cây ngô”.

1


1.2. Mục đích của đề tài
Xây dựng đƣợc quy trình tạo ethanol sinh học từ thân cây ngô đạt quy mô phòng
thí nghiệm.
1.3. Nội dung thực hiện
Phân tích các chỉ tiêu độ ẩm, tro, các chất trích ly, cellulose, lignin.
Tiền xử lý mẫu bằng amoniac ở các nồng độ khác nhau.
Thủy phân cellulose bằng enzyme cellulase.
Lên men với nấm men Saccharomyces cerevisiae.

2


Chƣơng 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Tổng quan về cây ngô nguyên liệu chính sử dụng trong đề tài
2.1.1. Đặc điểm thực vật học, nguồn gốc và phân bố
2.1.1.1. Đặc điểm thực vật học
Cây ngô có tên khoa học Zea mays là cây nông nghiệp một lá mầm thuộc
chi Zea, họ hòa thảo (Poaceae hay còn gọi là Gramineae).

Hình 2.1 Cây ngô.
()
Các giống ngô ở Việt Nam có những đặc điểm nhƣ chiều cao cây, thời gian sinh
trƣởng, chống chịu sâu bệnh và thích ứng với điều kiện ngoại cảnh khác nhau. Song
cây ngô đều có những dặc điểm chung về hình thái, giải phẫu. Các bộ phận của cây
ngô gồm có rễ, thân, lá, hoa (bông cờ, bắp ngô) và hạt.
2.1.1.2. Nguồn gốc và phân bố
Có giả thuyết cho là nguồn gốc cây ngô khoảng năm 5.500 tới 10.000 trƣớc công

nguyên (TCN). Những nghiên cứu về di truyền học gần đây cho rằng quá trình thuần
hóa ngô diễn ra vào khoảng năm 7000 TCN tại miền trung Mexico và tổ tiên của nó là
loại cỏ teosinte hoang dại gần giống nhất với ngô ngày nay vẫn còn mọc trong lƣu
3


vực sông Balsas. Liên quan đến khảo cổ học, ngƣời ta cũng đã phát hiện các bắp ngô
có sớm nhất tại hang Guila Naquitz trong thung lũng Oaxaca có niên đại vào khoảng
năm 4250 TCN và các bắp ngô cổ nhất trong các hang động gần Tehuacan, Puebla, có
niên đại vào khoảng 2750 TCN. Một số giả thuyết cho rằng, ngô bắt đầu phổ biến
rộng và nhanh có lẽ sớm nhất khoảng năm 1500 TCN, ngô là lƣơng thực chính của
phần lớn các nền văn hóa tiền Columbus tại Bắc Mỹ, Trung Mỹ, Nam Mỹ và khu
vực Caribe. Đối với ngƣời dân bản xứ tại nhữn nơi này, ngô đƣợc suy tôn nhƣ bậc
thần thánh và có tầm quan trọng về mặt tôn giáo do ảnh hƣởng lớn của nó đối với đời
sống của họ.
Việc gieo trồng ngô đã lan rộng từ Mexico vào tây nam Hoa Kỳ sau đó vào
đông bắc nƣớc này cũng nhƣ đông nam Canada làm biến đổi cảnh quan các vùng đất
này do thổ dân châu Mỹ đã dọn sạch nhiều diện tích rừng và đồng cỏ để trồng ngô.
Ngô lan truyền sang châu Âu và phần còn lại của thế giới sau khi có tiếp xúc của
ngƣời châu Âu với châu Mỹ Ngô đƣợc đƣa vào châu Âu đầu tiên ở Tây Ban Nha
trong chuyến thám hiểm thứ hai của Columbus vào khoảng năm 1494. Ngƣời châu Âu
đã nhận biết đƣợc giá trị của nó và nhanh chóng phổ biến rộng rãi. Vào những năm
đầu của thế kỷ XVI, bằng đƣờng thủy các tàu của Bồ Đào Nha, Tây Ban Nha, Italia đã
đƣa cây ngô ra hầu hết các lục địa của thế giới cũ. Năm 1517, ngô xuất hiện ở Ai Cập,
Thổ Nhĩ Kỳ, Pháp, Đức. Sau đó là nam châu Âu và Bắc Phi. Năm 1521, ngô đến
Đông Ấn Độ và quần đảo Indonesia. Vào khoảng năm 1575 ngô đến Trung Quốc.
Cây ngô ở Việt Nam có nguồn gốc từ Trung Quốc. Theo Lê Quý Đôn trong
“Vân Đài loại ngữ” hồi đầu đời Khang Hi (1662 - 1762), Trần Thế Vinh, ngƣời huyện
Tiên Phong (Sơn Tây, phủ Quảng Oai) sang sứ nhà Thanh lấy đƣợc giống ngô đem về
nƣớc. Khắp cả hạt Sơn Tây đã dùng ngô thay cho lúa gạo. Từ đó ngô đƣợc phổ biến

và phát triển ra khắp đất nƣớc.
Ở Việt Nam, ngô là cây lƣơng thực đứng thứ hai sau lúa và trồng phổ biến ở hầu
hết các vùng miền trong cả nƣớc với diện tích 1.170,9 ngàn ha, năng suất 43 tạ/ha và
sản lƣợng 5.031 ngàn tấn (năm 2009). Hiện nay, căn cứ vào các điều kiện khí hậu, thổ
nhƣỡng đất đai, tập quán canh tác, mùa vụ, cây ngô đƣợc gieo trồng tại các vùng sinh
thái nông nghiệp trong cả nƣớc. ()
4


2.1.2. Diện tích trồng cây ngô ở Việt Nam
Bảng 2.1 Diện tích trồng ngô ở Việt Nam từ 1961-2009
Năm

Diện tích (1000 ha)

1961
1980
1990
1995
2000
2003

Năm

300,0
2004
360,0
2005
432,0
2006

557,0
2007
730,2
2008
912,7
2009
()

Diện tích (1000 ha)
991,1
1052,6
1033,1
1067,9
1126,0
1170,9

2.1.3. Đặt điểm và thành phần hóa học của thân ngô
2.1.3.1. Đặc điểm thân ngô
Thân ngô đặc, khá chắc, có đƣờng kính từ 2 - 4 cm tùy thuộc vào giống, điều
kiện sinh thái và chăm sóc. Chiều cao của thân ngô khoảng 1,5 - 4 m. Thân chính của
ngô nguồn gốc từ chồi mầm. Từ các đốt dƣới của thân chính có thể phát sinh ra 1 - 10
nhánh (thân phụ) hình dáng tƣơng tự nhƣ thân chính.
Thân ngô trƣởng thành bao gồm nhiều lóng (dóng) nằm giữa các đốt và kết thúc
bằng bông cờ. Số lóng và chiều dài lóng là chỉ tiêu quan trọng trong việc phân loại các
giống ngô. Thƣờng các giống ngắn ngày (thân cao 1,2 - 1,5 m) có khoảng 12 - 15
lóng; các giống trung bình ngày (thân cao 1,8 - 2 m) có khoảng 18 - 20 lóng; các
giống dài ngày (thân cao từ 2 - 2,5 m) khoảng 20 - 22 lóng. Nhƣng không phải lóng
nào cũng có bắp. Lóng mang bắp có một rảnh dọc cho phép bắp bám và phát triển
bình thƣờng.
2.1.3.2. Thành phần hóa học

Bảng 2.2 Thành phần hóa học của thân ngô
Thành phần

Tỷ lệ trọng lƣợng khô (%)

Cellulose

37,2

Hemicellulose

24,1

Lignin

17,8
( Nguyễn Xuân Cự, 2010)

5


2.2. Hiện trạng sử dụng năng lƣợng của thân cây ngô ở Việt Nam
Mặc dù n g u ồ n sinh khối thải khá đa dạng và phong phú, thân ngô nói riêng và
từ sinh khối thải nói chung không đƣợc sử dụng một cách hiệu quả ở Việt Nam. Phần
lớn thân ngô đƣợc làm chất đốt cho các hộ nhà nông, làm thức ăn cho gia súc. Các
loại còn lại chủ yếu làm chất đốt, làm giá thể trồng cây, ủ làm phân bón…nên giá trị
sử dụng thấp. Hiện nay, nguồn sinh khối này đã đƣợc nghiên cứu trong phòng thí
nghiệm để sản xuất ethanol.
2.3. Nguyên liệu lignocellulose
Lignocellulose là vật liệu sinh khối thải phổ biến nhất trên trái

đất.

Lignocellulose có trong phế phẩm nông nghiệp tồn tại chủ yếu ở dạng các tồn dƣ
của cây trồng; trong sản phẩm phụ của công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy; trong
rác thải rắn của thành phố. Với thành phần chính là cellulose, lignocellulose là một
nguồn nguyên liệu to lớn cho việc sản xuất cồn sinh học. Rơm rạ, bã mía, thân và cùi
bắp, xơ dừa, cỏ khô là những dạng nguyên liệu lignocellulose thông dụng. Thành phần
chính của nguyên liệu lignocellulose là cellulose, hemicellulose, lignin, các chất trích
ly và tro.
Bảng 2.3 Tỷ lệ thành phần lignocellulose ở một số nguồn sinh khối
Sinh khối

Lignin (%)

Cellulose (%)

Hemicellulose (%)

Bã mía

24

43

25

Thân, cùi bắp

18

35

22

Lúa mì

17

33

23

Lúa mạch

14

40

19

Rơm rạ

10

39

15

Vỏ ca cao

15

35

11

(Sobamiwa & Longe 1994; Sandra T.Merino và Joel Cherry, 2007)
2.3.1. Cellulose
Cellulose là một polymer mạch thẳng của D - glucose, các D - glucose đƣợc
liên kết với nhau bằng liên kết β 1-4 glucosid. Cellulose là loại polymer phổ biến
nhất trên trái đất, độ trùng hợp đạt đƣợc 3.500 – 10.000 DP (Charles E.Wyman,
1996). Các nhóm OH ở hai đầu mạch có tính chất hoàn toàn khác nhau, cấu trúc
6


hemiacetal tại C1 có tính khử, trong khi đó OH tại C4 có tính chất của rƣợu
(Nguyễn Thị Ngọc Bích, 2003).

Hình 2.2. Cấu trúc hóa học của cellulose.
(Charles E.Wyman, 1996).
Cellulose là chất màu trắng, không mùi, không vị, không tan trong nƣớc và các
dung môi hữu cơ thông thƣờng, bị thủy giải thành dạng hòa tan trong một số dung
dịch axit vô cơ mạnh nhƣ HCl, HNO3 hoặc một số dung dịch muối nhƣ ZnCl2, PbCl2.
Khoảng 33% thành phần của tế bào thực vật là cellulose. Cellulose dạng sợi nhỏ
liên kết với nhau thành bó gọi là micelle. Giữa các micelle có những khoảng trống và
khi hóa gỗ, các khoảng trống này chứa đầy lignin. Cellulose có nhiều trong sợi bông
vải (95 - 98%), lanh (80 - 90%), đay (85 - 90%), gỗ (40 - 50%), lá (15 - 20%).
Khi thủy phân bằng axit đậm đặc, cellulose cho các gốc đƣờng β. Trong cấu trúc
phân tử cellulose, các gốc này liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4 glycoside (Trần

Thị Lệ Minh, 2009).

Hình 2.3 Đơn vị phân tử cellobiose trong cấu trúc của cellulose.
(Nguồn: ).
2.3.2. Hemicellulose
Đƣợc cấu tạo bởi một số lƣợng lớn (100 - 200 đơn vị đƣờng) các loại đƣờng nhƣ
D-xylose, D-mannose, D-galactose, L-arabinose, 4-O-methy D-glucuronics axit, Dgalacturonics axit, D-glucuronics axit. (Mojtaba Zahedifar, 1996)
7


Hemicellulose có nhiều trong phần gỗ của cây, trong rơm rạ, lõi ngô, … chúng
liên kết với lignin bởi D - galactose, D - xylose, D - arabinose bằng liên kết glycosidic
(Mojtaba Zahedifar, 1996). Hemicellulose ở dạng polymer mạch nhánh, không hòa
tan trong nƣớc nhƣng tan trong dung dịch kiềm, chúng đƣợc tạo thành bởi phân tử
đƣờng 5 carbon là

xylose, arabinose, rhamnose và đƣờng 6 carbon là glucose,

mannose, galactose. Thành phần cơ bản của hemicellulose là β - D xylopyranose, liên
kết với nhau bằng liên kết β-(1,4).
Hemicellulose bị thủy phân dễ dàng hơn cellulose cho ra các hexose hoặc
pentose nhƣ arabinose, xylose. Hemicellulose còn có tên gọi tƣơng ứng nhƣ galactan,
mannan, araban hay xylan.

Hình 2.4 Các loại đƣờng tạo nên cấu trúc hemicellulose.
(Nguồn: ).
- Galactan: có nhiều trong cây, tham gia vào thành phần của màng tế bào trong
vỏ và hạt. Cấu tạo của các galactan tƣơng đối khác nhau và chƣa đƣợc nghiên cứu
nhiều. Galactan của hạt đậu lupin là một trong những galactan điển hình gồm 100 120 gốc β-galactopiranose, kết hợp với nhau bằng liên kết 1 - 4 (Trần Thị Lệ Minh,
2009).

8


Hình 2.5 Cấu trúc galactan. (Deepak Radhakrishin Keshwani, 2009)
- Mannan: là những polysaccharide đƣợc tạo thành từ các gốc mannose. Mannan
tham gia vào thành phần cấu tạo của màng tế bào thực vật cũng nhƣ vi sinh vật (nấm
mốc, nấm men).
- Araban: là những polysaccharide đƣợc tạo thành từ các gốc arabinose, thƣờng
là L-arabinofuranose với trọng lƣợng phân tử khoảng 6.000, kết hợp với nhau bởi liên
kết 1 - 5. Mỗi gốc arabinose thứ 2 trong chuỗi còn đƣợc kết hợp thêm một phân tử
arabinose khác bằng liên kết 1 - 3 (Trần Thị Lệ Minh, 2009).

Hình 2.6 Cấu trúc araban. (Deepak Radhakrishin Keshwani, 2009)
- Xylan: có trong gỗ, rơm rạ, … là thành phần của thành tế bào của một số cơ
quan thực vật. Trong gỗ của một số loại cây lá rộng, hàm lƣợng xylan chiếm đến 25%
còn trong gỗ cây lá kim có khoảng 12%.
Xylan đƣợc tạo thành do các gốc β-D-xylopyranose liên kết 1 - 4 (Trần Thị Lệ
Minh, 2009). Cấu tạo phức tạp của hemicellolose tạo nên nhiều tính chất hóa sinh và
lý sinh cho cây.

9


Hình 2.7 Cấu trúc xylan trong cây gỗ mềm và gỗ cứng
( ).
2.3.3. Lignin
Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở. Trong tự nhiên, lignin chủ yếu đóng
vai trò chất liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng
cellulose và hemicellulose. Rất khó để có thể tách lignin ra hoàn toàn.
Lignin là polymer, đƣợc cấu thành từ các đơn vị phenylpropene. Một số đơn vị

cấu trúc điển hình đ ã đƣợc đề x á c đ ị n h n h ƣ : guaiacyl (G), chất gốc là rƣợu
trans-coniferyl; syringyl (S), chất gốc là rƣợu trans-sinapyl; p-hydroxylphenyl (H),
chất gốc là rƣợu trans-p-courmaryl.

Hình 2.8 Các đơn vị cơ bản của lignin.
(Nguồn: Charles E.Wyman, 1996)
Cấu trúc của lignin đa dạng, tùy thuộc vào loại gỗ, tuổi của cây hoặc cấu trúc của
nó trong gỗ. Ngoài việc đƣợc phân loại theo lignin của gỗ cứng, gỗ mềm và cỏ, lignin
có thể đƣợc phân thành hai loại chính: guaicyl lignin và guaicyl-syringyl lignin.
10


Các loại gỗ mềm chứa chủ yếu là guaiacyl, trong khi các loại gỗ cứng chứa
chủ yếu syringyl. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng guaiacyl lignin hạn chế sự
trƣơng nở của xơ sợi và vì vậy loại nguyên liệu đó sẽ khó bị tấn công bởi enzyme
hơn syringyl lignin (Hetti Palonen, 2004).

Hình 2.9 Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính.
(Nguồn: Theo Hetti Palonen, 2004)
Những nghiên cứu gần đây cho thấy lignin hoàn toàn không đồng nhất trong
cấu trúc. Lignin dƣờng nhƣ bao gồm vùng vô định hình và các vùng có cấu trúc
hình thuôn hoặc hình cầu. Lignin trong tế bào thực vật bậc cao không có vùng vô
định hình. Các vòng phenyl trong lignin của gỗ mềm đƣợc sắp xếp trật tự trên mặt
phẳng thành tế bào. Ngoài ra, cả cấu trúc hóa học và cấu trúc không gian của
lignin đều bị ảnh hƣởng bởi mạng polysaccharide. Việc mô hình hóa động học phân
tử cho thấy rằng nhóm hydroxyl và nhóm methoxyl trong các oligomer tiền lignin sẽ
tƣơng tác với vi sợi cellulose cho dù bản chất của lignin là kỵ nƣớc.
11

Nhóm chức ảnh hƣởng đến hoạt tính của lignin là nhóm phenolic hydroxyl tự
do, methoxy, benzylic hydroxyl, ether của benzylic với các rƣợu mạch thẳng và nhóm
carbonyl. Guaicyl lignin chứa nhiều nhóm phenolic hydroxyl hơn syringyl.
Lignin có liên kết hóa học với thành phần hemicellulose và ngay cả với
cellulose (không nhiều). Độ bền hóa học của những liên kết này phụ thuộc vào bản
chất liên kết và cấu trúc hóa học của lignin và những đơn vị đƣờng tham gia liên
kết (Nguyễn Đức Lƣợng, 2001). Carbon alpha (C ) trong cấu trúc phenyl propane
là nơi có khả năng tạo liên kết cao nhất với khối hemicellulose. Ngƣợc lại, các
đƣờng nằm ở mạch nhánh nhƣ arabinose, galactose, và acid 4-O-methylglucuronic là
các nhóm thƣờng liên kết với lignin. Các liên kết có thể là ether, ester (liên kết với
xylan qua acid 4-O-methyl-D-glucuronic), hay glycoxide (phản ứng giữa nhóm khử
của hemicellulose và nhóm OH phenolic của lignin).
Cấu trúc hóa học của lignin rất dễ bị thay đổi trong điều kiện nhiệt độ cao và
pH thấp nhƣ điều kiện trong quá trình tiền xử lý bằng hơi nƣớc. Ở nhiệt độ phản ứng
cao hơn 200oC, lignin bị kết khối thành những phần riêng biệt và tách ra khỏi
cellulose. Những nghiên cứu trƣớc đây cho thấy đối với gỗ cứng, nhóm ether -O-4
aryl bị phá trong quá trình nổ hơi. Đồng thời, đối với gỗ mềm, quá trình nổ hơi
làm bất hoạt các nhóm hoạt động của lignin ở vị trí

nhƣ nhóm hydroxyl hay

ether, các nhóm này bị oxy hóa thành carbonyl hoặc tạo cation benzylic, cation này
sẽ tiếp tục tạo liên kết C-C (Hetti Palonen, 2004).
2.3.4. Các chất trích ly
Có rất nhiều chất thuộc nhóm thành phần này, chủ yếu là các chất dễ hòa tan.
Theo Nguyễn Thị Ngọc Bích (2003), các chất trích ly là những chất hoặc có khả
năng hòa tan trong những dung môi hữu cơ (nhƣ diethyl ether, methyl terbutyl
ether, ether dầu hỏa, diclormethene, acetone, ethanol, methanol, hexan, toluen,
terahydrofuran) hoặc tan trong nƣớc. Chính vì thế, phƣơng pháp thông dụng nhất để
tách nhóm chất này trong việc phân tích thành phần sơ xợi lignocellulose là dùng

trích ly với dung môi ethanol-benzene tỉ lệ 1:2. Những chất này có thể có cả tính
ƣa dầu và ƣa nƣớc và không đƣợc xem là thành phần cấu trúc của gỗ.
Chất nhựa là những chất ƣa dầu, có lẽ thƣờng chiếm tỉ lệ ƣu thế trong tác nhân
12


trích ly, nên thƣờng chất trích ly hay đƣợc gọi là nhựa (resin).
Các chất trích ly thƣờng có màu, mùi và vị khá đặc trƣng. Chúng rất quan trọng
để giữ lại những chức năng sinh học của cây. Đa phần các chất nhựa bảo vệ gỗ khỏi
những tổn thƣơng gây ra bởi vi sinh vật hay côn trùng. Terpenoid, steroid, chất béo,
và những phần tử phenolic nhƣ stilbene, lignan, tanmin và flavonoid đều là những
chất trích ly. Các phenolic có thuộc tính diệt nấm và ảnh hƣởng đến màu của gỗ.
Chất béo và sáp, trong nhiều hệ thống sinh học, đƣợc tận dụng nhƣ là nguồn năng
lƣợng trong khi terpenoid và steroid đƣợc biết đến là nhựa dầu. Nhóm cuối cùng cũng
có hoạt tính kháng vi sinh vật và côn trùng. Một số chất trích ly là những dƣợc phẩm
quan trọng. Ví dụ, flavonoid đƣợc sử dụng nhƣ là chất chống tác nhân oxy hóa và
chống virus. Một số cấu trúc chất trích ly đƣợc thể hiện ở hình 2.14.

Hình 2.10 Một số ví dụ về chất trích ly.
(a) abietic acid (oleoresin); (b) cathechin (flavonoid); (c) palmitic acid (acid béo)
(Nguồn: Nguyễn Thị Ngọc Bích, 2003)
2.3.5. Tro
Hàm lƣợng chất vô cơ đƣợc đo bằng hàm lƣợng tro của mẫu và nằm trong
khoảng 0,3 - 1,5% cho hai loại gỗ mềm và gỗ cứng. Hàm lƣợng này phụ thuộc
nhiều vào điều kiện môi trƣờng tăng trƣởng của cây và vào vị trí trong cây. Trong các
loại gỗ có xuất xứ từ vùng ôn đới, do các thành phần nguyên tố (carbon,
hydro, oxy và nitơ) khác biệt nên hàm lƣợng tro chiếm khoảng 0,1 - 0,5% (tính theo
trọng lƣợng khô). Với loại gỗ vùng nhiệt đới, con số này có thể là 5%.
Tƣơng tự chất trích ly, thành phần vô cơ của sinh khối (biomass) thƣờng thực
hiện chức năng trong một vài con đƣờng chuyển hóa sinh học ở thực vật. Các nguyên

tố vi lƣợng thƣờng tồn tại ở dạng phức hợp nhƣ magnesium trong chlorophyll. Một số
13


chất vô cơ từ muối kim loại tồn tại trong vách tế bào thực vật. Calcium thƣờng là kim
loại phong phú nhất, sau đó là kali và magnesium.
2.4. Cấu trúc lignocellulose
Theo Hetti Palonen (2004), về cơ bản trong cấu trúc phân tử của
lignocellulose, cellulose tạo thành khung chính và đƣợc bao bọc bởi những chất có
chức năng tạo mạng lƣới nhƣ hemicellulose và chất kết dính nhƣ lignin. Cellulose,
hemicellulose và lignin sắp xếp gần nhau và h ì n h t h à n h liên kết cộng hóa trị với
nhau. Các đƣờng nằm ở mạch nhánh nhƣ arabinose, galactose, và acid 4O- methylglucuronic là các nhóm thƣờng liên kết với lignin.

Hình 2.11 Cấu trúc của lignocellulose.
(Nguồn: Hetti Palonen, 2004)
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, với chiều rộng khoảng 25nm. Các vi sợi
này đƣợc bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp bảo vệ cellulose khỏi sự tấn
công của enzyme cũng nhƣ các hóa chất trong quá trình thủy phân (Charles
E.Wyman, 1996).

14