KẾT HỢP THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN RƠM RẠ TẠO ETHANOL BẰNG NHÓM VI SINH VẬT CHỊU NHIỆTCÓ TRONG BÙN

 

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

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KẾT HỢP THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN RƠM RẠ TẠO
ETHANOL BẰNG NHÓM VI SINH VẬT
CHỊU NHIỆTCÓ TRONG BÙN

Ngành

: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Sinh viên thực hiện : NGUYỄN ĐỨC TRỌNG
Niên khóa

:2009-2013

Tháng 6/2013

 

 


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

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
 
 
KẾT HỢP THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN RƠM RẠ TẠO
ETHANOL BẰNG NHÓM VI SINH VẬT
CHỊU NHIỆTCÓ TRONG BÙN

Hướng dẫn khoa học

Sinh viên thực hiện

TS. HOÀNG QUỐC KHÁNH

NGUYỄN ĐỨC TRỌNG

Tháng 6/2013

 


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp ở viện Sinh Học Nhiệt Đới Thủ Đức,
được sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô, các anh chị và các bạn, tôi đã hoàn thành
tốt bài báo cáo này. Tôi xin cảm ơn chân thành đến:
Ban giám hiệu trường đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều
kiện để cho tôi có thể được học tập và trau dồi kiến thức tại trường.Các thầy cô bộ
môn Công nghệ sinh học trường đại học Nông Lâm Thành phố HồChí Minh, những
người thầy tâm huyết đã trao cho tôi những kiến thức quý báu về sinh học cũng như
cách để sống tốt hơn trong cuộc sống.

Thầy Hoàng Quốc Khánh, trưởng phòng vi sinh viện Sinh Học Nhiệt Đới đã tận
tình chỉ bảo, hướng dẫn và tạo điều kiện cho tôi thực hiện đề tài.
Chị Phạm Kiều Diễm, sinh viên thực tập tại phòng vi sinh ứng dụng, viện Sinh
Học Nhiệt Đới. Chị đã tham gia hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình làm đề tài.
Các bạn trong lớp DH09SH cũng như những bạn bè khác đã quan tâm, giúp đỡ
và chia sẻ mọi thứ với tôi trong suốt thời học sinh và sinh viên.
Cuối cùng, con xin nói lời cám ơn sâu sắc nhất tới bố mẹ, người đã nuôi nấng,
chăm sóc, dạy dỗ và cho con ăn học thành người có ích cho xã hội.

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 06 năm 2013
Sinh viên
Nguyễn Đức Trọng

i

 


TÓM TẮT
Trong khi nguồn dầu mỏ của thế giới đang dần cạn kiệt thì bioethanol được coi là
một trong những giải pháp tối ưu nhất. Hàng năm, nước ta thải ra môi trường trung
bình 55 tấn rơm và số lượng rơm này là một nguồn nguyên liệu tuyệt vời để dùng cho
sản xuất ethanol. Vậy đâu là phương pháp tối ưu để sản xuất ethanol từ rơm? Làm sao
có thể kết hợp thủy phân và lên men rơm trong một quy trình để tiết kiệm thời gian và
chi phí? Đó là lý do đề tài này được thực hiện.
Cơ chất dùng cho lên men là rơm được lấy từ 1 cánh đồng tại Đồng Nai, sau đó
được cắt nhỏ với kích thước trung bình 0,5 cm rồi đem sấy khô trước khi cho vào môi
trường nuôi cấy. Vi sinh vật sử dụng cho thí nghiệm là nhóm vi sinh vật có trong
bùn.Các mẫu bùn thì được thu nhận từ nhiều nguồn khác nhau. Trong các mẫu bùn này
có chứa nhómcác vi sinh vật, ta sử dụng các nhóm vi sinh vật này để thủy phân và lên

men rơm. So sánh khả năng thủy phân giấy lọc của các mẫu bùn ở nhiệt độ 500C và
600C cùng với hai môi trường PCS và RM chưa khử. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng
đến hàm lượng ethanol tạo ra: xử lý bùn với nhiệt và axít, thời gian xử lý bùn, thời
gian nuôi cấy, nhiệt độ nuôi cấy.
Kết quả: môi trường nuôi cấy phù hợp là môi trường RM chưa khử, nhiệt độ nuôi
cấy là 600C. Các mẫu bùn được xử lý với nhiệt độ 600C trong 30 phút cho hàm lượng
ethanol cao hơn so với các mẫu không xử lý nhiệt hoặc xử lý với nhiệt độ và thời gian
khác. Đối với các mẫu bùn xử lý bằng axít H2SO4 thì hàm lượng ethanol không cao
hơn nhiều thậm chí thấp hơn so với mẫu bùn không xử lý. Và trong thời gian nuôi cấy
30 ngày của các mẫu thì ngày thứ 21 hầu hết các mẫu cho hàm lượng ethanol cao nhất
với bốn mẫu tiêu biểu là: O, N, T, BS.
Tóm lại, quy trình nuôi cấy đối với các mẫu bùn nghiên cứu để thủy phân và lên
men tạo hàm lượng ethanol tối ưu nhất là bùn được xử lý tại nhiệt đô 600C trong 30
phút, sau đó nuôi cấy trong môi trường RM chưa khử tại nhiệt độ 600C trong 21 ngày.
Trong các mẫu bùn nghiên cứu, khi được nuôi cấy với quy trình tối ưu trên thì mẫu BS
cho hàm lượng ethanol cao nhất với hàm lượng ethanol là 2.042,4 (mg/l).

ii

 


SUMMARY
The name of research:“Combine hydrolysis and fermentation rice straw to
produce bioethanol by communityheat - resistant microorganisms living in mud”.
While the world's oil resources are depleted, the bioethanol is considered one of
the most optimal solution. Every year, our country discharged average 55 tons of rice
straw and this rice straw is a great resource for producing bioethanol. So “What is the
optimal method for producing ethanol from rice straw?”. The main aim of this research
is to solve the problem: “How can we combine hydrolysis and fermentation into only

one process to save time and money?”.
Materials is used for fermentation is rice straw. Rice straw collected from a field
in Dong Nai province, then cut into small species about 0.5 cm before being dried.
And microorganisms used in this experiment are community microorganisms living in
mud. Many different mud samples are taken from many different places. These
microorganisms are used to hydrolyze and ferment rice straw.
Comparing the ability of filter paper hydrolysis of each mud sample at 500C and
600C with two cultures: PCS and pre - reduced RM. Investigating many factors
effecting of bioethanol concentrations: heat treatment and acid treatment, treated time
of mud samples, time and culture for culture community microorganisms.
Result: the best culture and temperature for this experiment is pre - reduced RM
culture and 600C. Mud samples which are treated at 600C in 30 minutes have more
ethanol than others without heat treatment.In otherwise, mud samples with H2SO4acid
treatment get less ethanol than others samples without acid treatment. In 30 days
culture samples with community microorganisms, the highest concentration of ethanol
belong to the 21st day with 4 typical samples: O, N,T, BS.
In conclusion, the best way to make the highest concentration of ethanol is to
treat rice straw with acid and heat at 600C for 30 minutes. Then, using pre - reduced
RM culture to culture community microorganisms with rice straw samples within 21
days. The highest concentration of ethanol is BS sample with ethanol concentration is
3075.1 mg/l.
Key words: rice straw, combine hydrolysis and fermentation, community microorganisms,
bioethanol, mud.
iii

 


MỤC LỤC
Trang

Lời cảm ơn ........................................................................................................................ i
Tóm tắt .............................................................................................................................ii
Summary ........................................................................................................................ iii
Mục lục ........................................................................................................................... iv
Danh sách các chữ viết tắt .............................................................................................. vi
Danh sáchcác hình .........................................................................................................vii
Danh sáchcác bảng và biểu đồ..................................................................................... viii
Chương 1 MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1
1.1 Đặt vấn đề ..................................................................................................................1
1.2 Yêu cầu ......................................................................................................................2
1.3 Nội dung thực hiện ....................................................................................................2
Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU............................................................................... 3
2.1 Hiện trạng cây lúa ở Việt Nam ..................................................................................3
2.2 Hiện trạng sử dụng năng lượng từ rơm rạ ở Việt Nam .............................................4
2.3 Bioethanol từ rơm rạ ..................................................................................................4
2.4 Xử lý sinh học hợp nhất (Consolisated bioprocessing) .............................................4
2.5 Vi sinh vật chịu nhiệt .................................................................................................5
2.6 Quá trình lên men ......................................................................................................6
2.7. Giới thiệu về ethanol ................................................................................................8
2.7.1 Tính chất của ethanol..............................................................................................8
2.7.2 Lịch sử ethanol nhiên liệu ......................................................................................8
2.7.3 Ứng dụng của ethanol nhiên liệu ............................................................................9
2.7.4 Tình hình ethanol nhiên liệu ở Việt Nam .............................................................10
2.7.5 Triển vọng ethanol tương lai ................................................................................10
2.8. Giới thiệu về lignocellulose ....................................................................................11
2.8.1 Tổng quan về Cellulose ........................................................................................12
2.8.2 Tổng quan vềhemicellulose ..................................................................................14
2.8.3 Tổng quan về lignin ..............................................................................................16
iv

 


2.8.4 Enzyme thủy phân lignocelluloses .......................................................................18
Chương 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................... 22
3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu ...........................................................................22
3.2 Vật liệu ....................................................................................................................22
3.3 Môi trường nuôi cấy ................................................................................................22
3.4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................23
3.4.1 Nuôi cấy khảo sát với môi trường ........................................................................24
3.4.2 Phương pháp tách chiết enzyme ...........................................................................24
3.4.3 Các phương pháp phân tích ..................................................................................25
Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...................................................................... 29
4.1 Chọn lọc mẫu bùn, môi trường nuôi cấy và nhiệt độ nuôi .....................................29
4.2. Khảo sát ngày với các mẫu đã chọn lọc .................................................................32
4.2.1 Hàm lượng glucose ...............................................................................................32
4.2.2 Hoạt tính cellulase ................................................................................................33
4.2.3 Hàm lượng ethanol ...............................................................................................34
4.2.4 Khối lượng bã rơm còn lại....................................................................................35
4.3. Ảnh hưởng của tác nhân nhiệt và axít đối với mẫu bùn lên sự tạo thành ethanol..36
4.3.1 Xác định nhiệt độ thích hợp .................................................................................36
4.3.2 Xác định thời gian xử lý bùn thích hợp ................................................................37
4.3.3 Chọn nồng độ axít thích hợp ................................................................................38
4.4 Thảo luận .................................................................................................................40
Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .......................................................................... 42
5.1 Kết luận....................................................................................................................42
5.2 Đề nghị ....................................................................................................................42
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 43

v

 


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CBP

: Consolisated bioprocessing

CMC

: Carbonxyl Methyl Cellulose

CTV

: Cộng tác viên

DNS

: Dinitrosalicylic axít

GC

: Sắc kí khí

OD

: Mật độ quang phổ

PCS

: Peptonecellulosesolution

vi

 


DANH SÁCH CÁC HÌNH VÀ BIỂU ĐỒ
Hình 2.1 Tỷ lệ (%) trong tổng giá trị sản lượng nông nghiệp ......................................3
Hình 2.2So sánh chi phí giữa sản xuất ethanol ............................................................ 3
Hình 2.3 Quá trình đường phân .............................................................................................7
Hình 2.4 Công thức hóa học của cellulose .................................................................13
Hình 2.5 Mô hình Fringed fibrillar và mô hình chuỗi gập .........................................13
Hình 2.6 Glucomannan.........................................................................................................15
Hình 2.7 Galactoglucomannan.............................................................................................15
Hình 2.8 Arabinoglucuronoxylan ..................................................................................... 16
Hình 2.9 Cấu tạo lignin ...............................................................................................17
Hình 2.10Tác dụng của từng enzyme trong cellulase ..................................................19
Hình 2.11Cấu trúc của hemicellulose .........................................................................21
Hình 3.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm ................................................................................23
Hình 3.2 Bình nuôi cấy ...............................................................................................24
Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống sắc ký khí ............................................................................28
Hình 3.4 Cột nhồi và cột mao quản ............................................................................28
Biểu đồ 4.1 Hàm lượng glucose của các mẫu khảo sát ngày ......................................33
Biểu đồ 4.2 Hoạt tính cellulase của các mẫu khảo sát ngày .......................................34
Biểu đồ 4.3 Hàm lượng ethanol của các mẫu khảo sát ngày ......................................35
Biểu đồ 4.4 Khối lượng bã rơm rạ còn lại của các mẫu..............................................36
Biểu đồ 4.5Hàm lượng ethanol của các mẫu bùn được xử lý với các nhiệt độ ..........37
Biểu đồ 4.6Hàm lượng ethanol của các mẫubùn được xử lý với các thời gian ..........38

Biểu đồ 4.7Hàm lượng ethanol của các mẫubùn được xử lý với các nồng độ axít ....39

vii

 


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Cơ cấu giá trị sản lượng nông lâm ngư nghiệp ............................................... 3
Bảng 2.2 Thành phần lignocellulose trong rác thải và phế phụ liệu nông nghiệp ........ 12
Bảng 2.3 Phân loại các enzyme cellulase có khả năng thủy phân ................................ 19
Bảng 4.1 Khảo sát khả năng phân hủy giấy lọc trên 2 môi trường tại 50ºC ................. 29
Bảng 4.2 Khảo sát khả năng phân hủy giấy lọc trên 2 môi trường tại 60ºC ................. 30
Bảng 4.3 Hàm lượng glucose của bảy mẫu qua các ngày khảo sát .............................. 32
Bảng 4.4 Hoạt tính cellulase của bảy mẫu qua các ngày khảo sát ................................ 33
Bảng 4.5 Hàm lượng ethanol của bảy mẫu qua các ngày khảo sát ............................... 34
Bảng 4.6 Khối lượng bã rơm của bảy mẫu qua các ngày khảo sát ............................... 35
Bảng 4.7 Hàm lượng ethanol của các mẫu xử lý nhiệt ................................................. 36
Bảng 4.8 Hàm lượng ethanol các mẫu xử lý nhiệt ở 600C............................................ 37
Bảng 4.9 Hàm lượng ethanol có trong các mẫu xử lý axít trong 30 phút ..................... 39

viii

 


1

Chương 1MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề
Nguồn dầu mỏ thế giới đang cạn kiệt dần, cộng với tình hình bất ổn tại các khu
vực giàu dầu mỏ Iran, Iraq, Nigeria,… Khiến nguồn cung không đảm bảo liên tục gây
lo ngại cho các nước “khát dầu” phục vụ cho nền kinh tế phát triển. Vì thế, tìm kiếm
nguồn năng lượng thay thế đang được các nước đặt lên hàng đầu. Trong số những
nhiên liệu thay thế, ethanol nổi lên như một ứng cử viên sáng giá nhất, đáp ứng được
các tiêu chuẩn như dễ sản xuất, giá rẻ và thân thiện với môi trường.
Ethanol là một loại nhiên liệu thay thế dạng cồn, được sản xuất bằng phương
pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành
đường đơn, như bắp, lúa mì, lúa mạch. Ngoài ra, ethanol còn được sản xuất từ cây, cỏ
có chứa cellulose, gọi là ethanol sinh học.
Ethanol là chất phụ gia để tăng trị số octane (trị số đo khả năng kích nổ) và giảm
khí thải độc hại của xăng. Trong chính sách năng lượng của mình, từ khối EU đến Mỹ,
Trung Quốc, Australia, Nhật Bản,… đều chú trọng đến ứng dụng ethanol.
Việt Nam là nước xuất khẩu lúa gạo đứng thứ hai trên thế giới. Từ năm 2002 đến
nay, trung bình nước ta sản xuất khẩu 34 triệu tấn thóc/năm. Năm 2008 sản lượng lúa
đã đạt 37,6 triệu tấn, chiếm 5,6% sản lượng lúa gạo toàn cầu.
Do đó, hàng năm nước ta sẽ thải ra khoảng 55 triệu tấn rơm rạ. Số rơm rạ này
một phần làm phân bón sinh học, còn chủ yếu được đốt bỏ ngay trên cánh đồng gây
lãng phí và ảnh hưởng đến môi trường. Nếu tận dụng được nguồn rơm rạ này để sản
xuất nhiên liệu sinh học sẽ có ý nghĩa hết sức to lớn về nhiều mặt.
Đầu tiên, cồn sinh học được sản xuất từ việc lên men đơn giản các nguyên liệu
giàu sucrose và tinh bột như mía, củ cải đường, ngũ cốc và sử dụng nấm men
Saccharomyces cerevisiae (Howard và ctv, 2010).
Gần đây, các nghiên cứu lên men đã được mở rộng ra với các nguồn nguyên liệu
rẻ tiền hơn như rơm rạ giàu lignocellulose và các chủng vi khuẩn có khả năng lên men
khác. Các chủng vi sinh như Zymomonas mobilis và S. cerevisiae là các loài cho lượng
ethanol cao có thể được xử lý để tăng giới hạn sử dụng cơ chất (Lynd, 1999;Bettiga và

1

 


cvt, 2006;Jarboe, 2007). Trong khi Escherichia coli và Klevsiella oxytoca có khả năng
sửdụng nhiều loại đường được dùng để cải thiện việc sản xuất ethanol (Lynd, 1999).
Khác với nấm men, một số loài vi khuẩn có trong bùn thể thủy phân tạo đường
và lên men chúng thành ethanol, tất cả các bước của quá trình chuyển đổi
lignocellulose thành ethanol có thể được kết hợp trong một bước duy nhất gọi là
consolisated bioprocessing (CBP) mà trên lý thuyết sẽ giúp làm giảm chi phí sản xuất
(Parachin và cvt, 2011).
Có thể thấy được các chủng vi khuẩn này lên men tạo ethanol từ nguyên liệu giàu
lignocellulose là những đối tượng nghiên cứu đầy hứa hẹn.
Vì những lý do trên mà đề tài: “Kết hợp thủy phân và lên men rơm rạ tao ethanol
bằng nhóm vi sinh vật chịu nhiệt có trong bùn” được tiến hành với hy vọngqua quá
trình nghiên cứu và thực nghiệm sẽ tuyển chọn được những mẫu cho hoạt tính enzyme
thủy phân lignocellulose cao và xác định được khả năng lên men tạo ethanol của hỗn
hợp vi sinh vật từ mẫu bùn đã thu nhận.
1.2 Yêu cầu
Đề tài tiến hành với mục tiêu nghiên cứu chọn lọc ra quy trình và nhóm vi sinh
vật thủy phân và lên men rơm rạ tạo ethanol tối ưu nhất trong các mẫu nhóm vi sinh
vật nghiên cứu.
1.3 Nội dung thực hiện
Sử dụng nhóm vi sinh vật có trong các mẫu bùn thu nhận từ nhiều nguồn khác
nhau để nuôi cấy khảo sát khả năng thủy phân và lên men rơm rạ tạo ethanol của các
mẫu này. Rơm rạ thí nghiệm được lấy từ một cánh đồng tại Đồng Nai. Sau khi thu
nhận về rơm được cắt nhỏ với kích thước trung bình 0,5 cm rồi đem sấy khô để sử
dụng cho nuôi cấy. Tiến hành nuôi cấy nhóm vi sinh vật trong chai thủy tinh thể tích
100ml với các môi trường và điều kiện nhiệt độ khác nhau, rồi tiến hành khảo sát khả
năng phân hủy giấy lọc, hoạt tính enzyme thủy phân cellulose, khối lượng bã rơm còn

lại, hàm lượng ethanol tạo ra.
Kết luận đưa ra quy trình nuôi cấy và nhóm vi sinh vật tối ưu nhất để thủy phân
và lên men rơm rạ tạo ethanol trong các điều kiện khảo sát.

2

 


2

Chươ
ơng 2 TỔ
ỔNG QUAN
Q
TÀ
ÀI LIỆU
U

2.1Hiiện trạng câây lúa ở Viiệt Nam
C lúa luô
Cây
ôn giữ vị trrí trung tâm
m trong nôn
ng nghiệp vvà kinh tế Việt
V Nam. Hình
H
ảnh đấất Việt thườ
ờng được mô
m tả như làà một chiếc đòn gánh kkhổng lồ vớ

ới hai đầu làà hai
vựa thhóc lớn là Đồng bằnng sông Cử
ửu Long (Đ
ĐBSCL) vàà Đồng bằằng sông Hồng
H
(ĐBSH). Khoảngg 80% tronng tổng số 111 triệu hộ nông dân ttham gia sảản xuất lúa gạo,
ức canh tác thủ
t công tru
uyền thống.
chủ yếếu đựa vào phương thứ
Bảng 2.1 Cơ cấuu giá trị sản lượng nôngg lâm ngư nghiệp
n
của Việt Nam năm
n 2002
s lượng N
Nông - Lâm
m - Ngư nghhiệp
Tỷ lệệ % trong tổổng giá trị sản
GTSL
L Nông - LâmNg
gư (tỉ đồng)

Nôông nghiệp
Tổng
T
số

Lúa

Các

C nguồn

Lâm

Nggư

nghiệpp

nghiiệp

khác
Cả nước
n

15
5448

78,3

38,0

40,3

3,9

17,,8

ĐB
BSH

24
4415

91,6

46,3

45,3

1,0

7,440

ĐBS
SCL

59
9663

69,9

53,5

16,4

2,1

18,,5

(H

Hồ Sĩ Tráng, 2003)
2

17.8

3.9

40.3

Ngư nghiệp
Lâm nghiiệp
38

Cây lúa
Các nguồn khác

Hìn
nh 2.1 Tỷ lệệ (%) trongg tổng giá trị sản lượngg nông nghiệệp
B
Bảng
số liệệu và đồ thị trên cho thhấy vị trí vàà tiềm năng rất lớn của rơm trong viêc
sử dụn
ng làm nguuồn nguyênn liệu. Rơm chiếm 62,66% trong tổổng khối lư
ượng biomaass ở
Việt Nam
N năm 2000
2
với lượ
ợng năng lư
ượng chứa đựng

đ
là 8666,600 GJ. Rơm
R
hứa hẹẹn là
một nguồn
n
năng lượng
l
lớn ch
ho nước ta.
3


2.2Hiện trạng sử dụng năng lượng từ rơm rạ ở Việt Nam
Mặc dù rơm rạ là một nguồn năng lượng lớn, rơm rạ nói riêng và từ biomass nói
chung không dược sử dụng một cách hiệu quả ở Việt Nam. Phần lớn rơm rạ được bón
trở lại ruộng sau khi thu hoạch, sử dụng làm chất đốt cho các hộ nhà nông, làm thức ăn
cho gia súc, 
Biomass chỉ chiếm 3,8% trong tổng năng lượng sử dụng của thành phố Hồ Chí
Minh năm 2003, trong khi đó, nguồn năng lượng này chiếm 89% trong tổng năng
lượng sử dụng ở nông thôn năm 2001. Ở nông thôn, biomass chủ yếu được dùng làm
chất đốt và hiệu suất sử dụng năng lượng của quá trình này chỉ được 10%. (Nguyễn Thế
Bảo và Bùi Tuyên, 2001).
2.3Bioethanol từ rơm rạ
Ngày nay sức ép từ khủng hoảng dầu mỏ và nhu cầu năng lượng luôn là vấn đề
nan giải của bất cứ quốc gia nào trên thế giới. Mỹ và Brazil đã thành công trong việc
sản xuất ethanol từ nguồn sinh học là bắp và mía. Điều này đã khích lệ các nước khác
đầu tư nghiên cứu vào lĩnh vực nhiên liệu sinh học.
Bên cạnh sản xuất ethanol từ nguồn tinh bột (bắp) và đường (mía), ethanol có
thể được sản xuất từ lignocellulose. Lignocellulose là loại biomass phổ biến nhất trên

thế giới. Vì vậy sản xuất ethanol từ biomass cụ thể là từ nguồn lignocellulose là một
giải pháp thích hợp đặc biệt là với các quốc gia nông nghiệp như Việt Nam.
Nền nông nghiệp Việt Nam hằng năm tạo ra một lượng lớn phế phẩm nông
nghiệp, chủ yếu là lignocellulose từ các vụ mùa. Tận dụng nguồn nguyên liệu này, cụ
thể là rơm rạ để sản xuất bioethanol là phương pháp sử dụng rơm rạ một cách hiệu
quả đồng thời góp phần giải quyết vấn đề năng lượng cho nước ta.
2.4Xử lý sinh học hợp nhất (Consolisated bioprocessing)
Sản xuất nhiên liệu tái tạo, đặc biệt là ethanol sinh học từ sinh khối lignocellulose, có
tiềm năng đáng kể để đáp ứng các nhu cầu năng lượng hiện tại cũng như để giảm thiểu
phát thải khí nhà kính cho một môi trường bền vững (Lynd và ctv, 2005).

4

 


Hình 2.2So sánh chi phí giữa sản xuất ethanol bằng hệ thống thông thường và CBP
(Lynd, 2005)

Đối với các sinh khối lignocellulose, để tiến hành lên men cần tiến hành các bước
tiền xử lý nguyên liệu thông qua các tác nhân vật lý, hóa học, sinh học,…Do đó, việc
lên men ethanol từ nguyên liệu lignocellulose đòi hỏi tốn nhiều thời gian và tiền bạc.
Trong khi đó nhóm một số các loài vi sinh vật có thể chuyển đổi lignocellulose thành
ethanol trong một bước duy nhất gọi là consolisated bioprocessing (CBP) mà trên lý
thuyết quá trình này sẽ giúp giảm chi phí sản xuất rất nhiều.
2.5Vi sinh vật có trong bùn đất và vi sinh vật chịu nhiệt
Trong bùn có rất nhiều vi sinh vật sống. Chúng được chúng ta xếp vào 5 nhóm
chính: nấm, xạ khuẩn, vi khuẩn, tảo và nguyên sinh động vật (protozoa). Trong số đó
có

những

vi

khuẩn

phân

hủy

cellulose

(cellulose

decomposer):

nhưClostridium,Myrothecium,Cellulomonas...Đặc biệt là trong những khu vực bùn đất
có nhiều xác, bã thực vật (Phạm Văn Kim, 1996).
Các chủng vi sinh vật thường thấy có khả năng chịu nhiệt là những chủng có khả
năng sinh bào tử, xạ khuẩn,… Là những chủng vi khuẩn có khả năng sống và phát
5

 


triển tốt ở nhiệt độ khá cao từ 550C đến 650C. Các enzyme và các chất mang của nhóm
vi khuẩn này đều được cân bằng ở nhiệt độ khá cao. Hầu hết chúng đều cần nguyên tố
lưu huỳnh để phát triển. Vì vậy thường gặp ở những nơi có hàm lượng lưu huỳnh cao
và nhiệt độ thích hợp như trong các suối nước nóng, các khu vực gần núi lửa hoạt
động hoặc phân ủ, rơm ủ trồng nấm, bùn(Nguyễn Lân Dũng, 1962).

2.6Quá trình lên men
Lý thuyết quá trình lên men đã được nhiều nhà sinh học nghiên cứu từ rất lâu.
Năm 1769, Lavoisier phân tích sản phẩm lên men rượu và nhận thấy khi lên men, đường
không chỉ tạo thành ethanol và CO2 mà còn tạo ra axít acetic.
Năm 1810, Gay - Lussac nhận thấy rằng cứ 45 phần khối lượng đường sẽ chuyển
thành 23 phần ethanol và 22 phần khí carbonic. Trên cơ sở đó ông đưa ra phương trình
tổng quát như sau:
C6H12O6

2C2H5OH

+ 2CO2 + Q

Năm 1857, Louis Pasteur tiếp tục nghiên cứu và thu nhận kết quả sau: cứ 100
phần đường saccharose khi lên men sẽ tạo ra 51,1 phần ethanol, 48,4 phần CO2, 32,0
phần glycerin, 0,7 phần axít succinic và hai phần các sản phẩm khác.
Từ đó suy ra cứ 45 phần khối lượng glucose khi lên men sẽ tạo ra 21,8 phần
ethanol chứ không phải 23 phần như Gay - Lussac đã tính. Tuy nhiên phương trình lên
men do Gay - Lussac đưa ra vẫn đúng và dùng làm cơ sở lý thuyết để tính hiệu suất thu
hồi rượu theo lý thuyết. Gay - Lussac còn kết luận sự lên men là quá trình sinh học có
liên hệ mật thiết đến sự hoạt động của tế bào nấm men.
Vào khoảng 1871 - 1872 Manaxemi đem nghiền tế bào nấm men với cát thạch anh
rồi mới cho vào lên men dịch đường thì hiện tượng lên men vẫn xảy ra. Năm 1879,
Buchuer tiến hành nghiền nát tế bào nấm men rồi chiết lấy dịch trong không chứa xác
nấm men rồi cho vào dịch đường thì thấy dịch chiết vẫn có khả năng lên men. Từ đó
người ta gọi các chất trong dịch tế bào nấm men là zymase. Đây chính là hợp chất của
nhiều enzyme cùng tham gia chuyển hóa đường thành ethanol và khí carbonic (Cao Đình
Khánh Thảo, 2007).

6

 


Hình 2.3 Quá trình đường phân
( />
Bản chất của quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử. Quá trình oxy hóa này
lại xảy ra trong cơ thể sinh vật dưới tác động của hệ thống enzyme, cho nên người ta gọi
quá trình lên men là quá trình oxy hóa sinh học.
Sự tạo thành rượu từ glucose phải trải qua nhiều giai đoạn, sơ đồ hình thành rượu
từ glucose được biễu diễn ở hình 2.3.
Sau đó, pyruvate sẽ chuyển thành ethanol theo các phương trình sau:

7

 


2.7.Giới thiệu về ethanol
Ethanol có thể được sản xuất ở hai dạng: thủy hợp và khan. Ethanol thủy hợp
thường được sản xuất bởi việc lên men các sinh khối, chứa 95% ethanol và còn lại là
nước. Nó là loại nhiên liệu thích hợp cho động cơ đánh lửa trực tiếp ở khí hậu nóng
hoặc dùng để hòa trộn với nhiên liệu Diesel (trộn 15%).
Quá trình khử nước được yêu cầu để sản xuất ethanol khan cho việc dùng để hòa
trộn với xăng. Trừ việc dùng làm đồ uống, hầu như ethanol sử dụng trong công nghiệp
là hỗn hợp 95% ethanol và 5% nước (cồn 95%). Ethanol sử dụng làm nhiên liệu thì đã
được thêm một lượng nhỏ, thường là xăng (2% - 5%) để không thể uống được. Ethanol
loại nhiên liệu sinh học, ít độc hại, không gây ô nhiễm nguồn nước, nếu tràn ra môi
trường thì gây ô nhiễm không nhiều.
Ethanol là chất làm tăng trị số octan (giảm tiếng gõ cho động cơ khi làm việc) và

tăng tính oxy hóa. Màu của hỗn hợp pha trộn xăng -ethanol tùy thuộc vào màu của
xăng hòa trộn và mùi của hỗn hợp có mùi xăng (Đỗ Ngọc Toàn, 2008).
2.7.1Tính chất của ethanol
Ethanol là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng,
vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,789 g/ml ở 200C), dễ bay hơi (sôi ở nhiệt độ
78,390C), hóa rắn ở -114,150C, tan vô hạn trong nước, tan trong ether và cloroform,
hút ẩm, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời.
Ethanol tan vô hạn trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay
aldehyde có khối lượng phân tử xấp xỉ là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân
tử rượu với nhau và với nước.
2.7.2Lịch sử ethanol nhiên liệu
Nguyên mẫu đầu tiên của động cơ đốt trong (Samuel Morey, 1826). Điều này
được xem là sự bắt đầu của động cơ gasoline nhưng thực tế ông sử dụng ethanol để cấp
nguồn năng lượng cho động cơ. Năm 1908, Henry Ford xây dựng mô hình nổi tiếng về
xe ô tô chạy bằng ethanol. Cuối cùng, công nghiệp dầu mỏ "chiến thắng" trong sự
cạnh tranh với ethanol. Sự thúc đẩy thương mại hóa ethanol trong giao thông vận tải
phát triển trong suốt thập niên 1970. Cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào năm 1973 và cuộc
cách mạng của người Iran vào năm 1978 làm cho giá của dầu gia tăng một cách nhanh
chóng, ảnh hưởng lớn đến vấn đề an ninh năng lượng quốc gia. Ethanol nhiên liệu trở
nên có giá trị. Tại thời điểm này, cơ quan bảo vệ môi trường (EPA) đã tìm kiếm một
8

 


chất thay thế cho chì trong gasoline để gia tăng chỉ số octan. Ethanol sớm thiết lập một
chỗ đứng vững mạnh trong việc gia tăng chỉ số octane. Một động cơ khác thúc đẩy
công nghệ sản xuất ethanol ở Mỹ trong suốt những năm 80, đó là khi giá bắp hạ thấp.
Các nhà lập pháp Mỹ xem ethanol từ bắp là một phương tiện để ổn định thu nhập của
nông nghiệp.

2.7.3Ứng dụng của ethanol nhiên liệu
Gasohol còn gọi là xăng sinh học được chế tạo từ hỗn hợp ethanol khan 99,5%
pha xăng tỷ lệ 5, 10, 20 hoặc 40% ethanol khan, với hỗn hợp ethanol trong gasohol
khoảng 10-20% thì không cần cải tạo động cơ.
Khi xem xét ứng dụng hiện nay của bioethanol, hiển nhiên cần bắt đầu từ Brazil.
Brazil đã thành công trong việc sản xuất bioethanol theo quy mô công nghiệp từ
những năm 1970 khi nước này phụ thuộc nặng nề vào dầu nhập khẩu. Lệnh cấm vận dầu
mỏ của Trung Đông đã bắt buộc Brazil phải tìm kiếm những những nguồn nhiên liệu
vững bền hơn cho nhu cầu năng lượng của đất nước. Tuy rằng có những vấn đề nảy
sinh, nhưng chương trình này của Brazil được xem như một mô hình thành công trong
việc phát triển bền vững. Ngày nay, toàn bộ xe hơi ở Brazil sử dụng xăng có pha ít nhất
25% ethanol, và 60% số xe có khả năng linh động về nhiên liệu (có thể sử dụng 100%
ethanol làm nhiên liệu).
Brazil sản xuất bioethanol hầu như chỉ từ cây mía. Trong mô hình này, mỗi tấn
mía cho năng suất 72 lít ethanol. Loại ethanol này có thể được tinh lọc thêm để pha vào
xăng,hoặc dùng làm ethanol nhiên liệu tinh. Rõ ràng con số này cho thấy có rất nhiều
thành phần không được sử dụng trong quá trình chuyển hóa biomass thành ethanol.
Hầu hết những thành phần này là hemicellulose và cellulose.
Nước Mỹ đang bám theo Brazil và đầu tư mạnh vào sản xuất nhiên liệu sinh học.
Hiện tại Mỹ đang sử dụng toàn bộ xăng có pha 10% ethanol, với những cải tiến nhằm
tăng tỉ số này. Đa phần mọi phương tiện bán ở Mỹ đều phải có động cơ linh hoạt về
nhiên liệu. Liên minh Châu Âu cũng đã tiến đến việc khuyến khích năng lượng tái sinh
cho tương lai với những đạo luật về điều khoản sử dụng phương tiện giao thông tối
thiểu cho các nước thành viên.
Trong tương lai, Colombia bắt buộc những thành phố có dân số trên 500.000 dân
phải bán xăng có pha 10% ethanol. Ở Venezuela, công ty dầu quốc gia đang hỗ trợ dự
án xây dựng 15 nhà máy chế cồn từ mía trong 5 năm tới khi chính phủ sắp ban hành đạo
9

 

luật bắt buộc sử dụng xăng E10 (pha 10% ethanol). Chính phủ Canada nhắm đến việc
45% xăng trong cả nước có pha 10% ethanol vào năm 2010. Ở Đông Nam Á, Thái Lan
đã ban hành luật cho việc sử dụng xăng pha 10% ethanol bắt đầu từ 2007. Ở Ấn Độ, một
chương trình bioethanol đã kêu gọi người dân sử dụng xăng E5 trên cả nước, tiến tới việc
sử dụng xăng E10 và E20 (Trần Bình Nam, 2002).
2.7.4Tình hình ethanol nhiên liệu ở Việt Nam
Ở Việt Nam, công nghiệp sản xuất ethanol đã được hình thành từ rất lâu. Phần
đông ethanol sản xuất từ rỉ đường mía, dùng làm ethanol cho thực phẩm và công
nghiệp. Tổng cộng năng suất là 25 triệu lít/năm, trong đó có 3 nhà máy sản xuất
15000 -30000 lít/ngày là nhà máy đường Lam Sơn, nhà máy đường Hiệp Hoà và nhà
máy rượu Bình Tây và hàng trăm cơ sở sản xuất 3000 -5000 lít/ngày.
Cho đến thời điểm này, ethanol nhiên liệu vẫn chưa được tiêu thụ trên thị trường.
Tuy nhiên, có rất nhiều nghiên cứu được thực hiện trong lĩnh vực này. Điển hình là sự
hợp tác giữa Công ty rượu Bình Tây, Saigon Petro và Công ty Nguyễn Chí từ năm
2005. Các doanh nghiệp này đã triển khai 5 đề tài: gasohol từ cồn công nghiệp (cồn
96%), gasohol từ cồn khan (cồn 99,5%), đầu tư nhà máy sản xuất gasohol, đầu tư nhà
máy sản xuất cồn công nghiệp, đầu tư nhà máy sản xuất cồn khan. Tất cả nhằm mục đích
đưa xăng sinh học với tỉ lệ 10 - 12% vào thị trường năng lượng (Minh Quang, 2001).
2.7.5Triển vọng ethanol tương lai
Cần có những nghiên cứu để tăng hiệu quả của bioethanol cũng như của quá trình
chuyển hóa biomass thành nhiên liệu bền vững để thay thế xăng dầu. Điều này có liên
quan đến việc giảm chi phí chuyển hóa, tăng năng suất và tăng sự đa dạng của các
nguồn nguyên liệu có thể sử dụng. Hướng đi cho những nghiên cứu để phát triển và
cải tiến bioethanol là tìm những phương pháp chuyển hóa hemicellulose thành đường
để lên men.
Một khía cạnh rất thú vị, và cũng được nghiên cứu trong đề tài này, là quá trình
đường hóa và lên men đồng thời (CBP). Những phương pháp hiện nay có thể đạt được
hiệu suất ethanol cao cho mỗi gam glucose, giới hạn bởi khả năng chịu ảnh hưởng của vi

sinh vật đối với ethanol. Điều này dẫn đến hướng khả thi nghiên cứu những chủng vi sinh
vật có khả năng chịu ức chế tốt hơn. Ở khía cạnh này, công nghệ sinh học và vi sinh sẽ
đóng vai trò rất quan trọng trong công nghệ gene, phát triển những giống vi sinh vật khác
có khả năng chuyển hóa cellulose và lignin tạo thành đường và lên men ethanol.
10

 


2.8. Giới thiệu về lignocellulose
Lignocellulose là thành phần cấu trúc chính của thực vật thân gỗ và các thực vật
khác như cỏ, lúa, ngô,…và nó là một nguồn nguyên liệu rẻ tiền. Trong tự nhiên, chúng
ta có thể tìm thấy lignocellulose ở thực vật hay các chất thải nông nghiệp, lâm nghiệp
và các chất thải rắn trong thành phố. Các chất thải này bao gồm các loại vật liệu như:
mùn cưa, bã mía, chất thải giấy, các loại ngũ cốc, rơm rạ,… Chất thải lignocellulose
được tích lũy hàng năm với số lượng lớn gây ra các vấn đề về môi trường. Tuy nhiên,
do thành phần cấu tạo của chúng có chứa nhiều đường và các hợp chất được quan tâm
nên chúng có thể được sử dụng để sản xuất một số sản phẩm có giá trị như ethanol,
phụ gia thực phẩm, axít hữu cơ, men và những sản phẩm khác.
Các thành phần chính của lignocellulose là: cellulose(35 -50%),hemicellulose(25 30%) và lignin(25 -30%) (WeidongWang và ctv, 2011).
Về cơ bản, trong lignocellulose, cellulose tạo thành khung chính và được bao bọc
bởi những chất có chức năng tạo mạng lưới như hemicellulose và kết dính như lignin.
Cellulose, hemicellulose và lignin sắp xếp gần nhau và liên kết cộng hóa trị với nhau.
Các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose, galactose, và axít 4- O methylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin (Hetti Palonen, 2004).
Lignocellulose bao gồm: lignin, hemicellulose và cellulose (Bảng 2.2) (Betts và
ctv, 1991; Sun và Cheng, 2002) cho thấy tỉ lệ điển hình của ba thành phần trong các
vật liệu chứa lignocellulose khác nhau.
Các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản. Các sợi này được gắn lại với nhau
nhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi, với chiều rộng khoảng 25 nm. Các vi sợi
này được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp bảo vệ cellulose khỏi sự tấn công

của ezyme cũng như các hóa chất trong quá trình thủy phân (Charles và Wyman, 1996).
Các đại phân tử hemicellulose thường là polymer của pentose (xylose và
arabinose), hexose (chủ yếu là mannose) và một số axít đường trong khi cellulose là
polymer đồng nhất của glucose.
Trong số ba thành phần của lignocellulose thì lignin là cấu trúc khó phân hủy
nhất và ngược lại với cellulose. Và vì có cấu trúc tinh thể được sắp xếp chặt chẽ nên
nó có khả năng chống thủy phân tốt hơn hemicellulose. Kiềm (Chahal, 1992) và axít
(Grethlein và Converse, 1991; Nguyen, 1993) là những phương pháp thủy phân được
sử dụng để phân hủy lignocellulose (Roehr, 2001).
11

 


Bảng2.2 Thành phần lignocellulose trong rác thải và phế phụ liệu nông nghiệp
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

Giấy

85-99

0

0-15

Vỏ trấu

32,1

24

18

Vỏ trấu của lúa mì

30

50

15

Rác đã phân loại

60

20

20

Lá cây

15 - 20

80 - 85

0

Hạt bông

80 - 95

5 - 20

0

Giấy báo

40 - 55

25 - 40

18 - 30

Giấy thải từ bột giấy hóa học

60-70

10-20

5 - 10

Chất rắn nước thải ban đầu

8-15

-

24 - 29

Chất thải của lợn

6

28

-

Phân bón gia súc

1,6-4,7

1,4 - 3,3

2,7 - 5,7

Cỏ ở bờ biển Bermuda

25

35,7

6,4

Cỏ mềm

45

31,4

12,0

25 - 40

25 - 50

10 - 30

Bã thô

33,4

30

18,9

Rơm rạ

34 - 38

32 - 40

12

Các loại cỏ (trị số trung bình
cho các loại)

(Maha Dakar, 1997)

2.8.1Tổng quan về Cellulose
Cellulose là hợp chất hữu cơ có công thức cấu tạo (C6H10O5)n,và là thành phần
chủ yếu của thành tế bào thực vật, gồm nhiều cellobiose liên kết với nhau, 4 - O -(β D - Glucopyranosyl) - D - glucopyranose. Cellulose cũng là hợp chất hữu cơ nhiều
nhất trong sinh quyển, hàng năm thực vật tổng hợp được khoảng 1011 tấn cellulose
(trong gỗ, cellulose chiếm khoảng 50% và trong bông chiếm khoảng 90%).

12

 


Hình 2.4 Công thức hóa học của cellulose
( />
Các mạch cellulose được liên kết với nhau nhờ liên kết hydro và liên kết van Der
Waals, hình thành hai vùng cấu trúc chính là tinh thể và vô định hình. Trong vùng tinh
thể, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau, vùng này khó bị tấn công bởi
enzyme cũng như hóa chất. Ngược lại, trong vùng vô định hình, cellulose liên kết
không chặt với nhau nên dễ bị tấn công (Charles và Wyman, 1996). Có hai mô hình
cấu trúc của cellulose đã được đưa ra nhằm mô tả vùng tinh thể và vô định hình như
hình 2.5(Hetti Palonen, 2004).

Hình 2.5Mô hình Fringed fibrillar và mô hình chuỗi gập
( />
Cellulose có cấu tạo tương tự carbohydrate phức tạp như tinh bột và glycogen.

Các polysaccharide này đều được cấu tạo từ các đơn phân là glucose. Cellulose là
glucan không phân nhánh, trong đó các gốc glucose kết hợp với nhau qua liên kết β 1→ 4 -glycoside, đó chính là sự khác biệt giữa cellulose và các phân tử carbohydrate
phức tạp khác. Giống như tinh bột, cellulose được cấu tạo thành chuỗi dài gồm ít nhất
500 phân tử glucose. Các chuỗi cellulose này xếp đối song song tạo thành các vi sợi
13

 


cellulose có đường kính khoảng 3,5 nm. Mỗi chuỗi có nhiều nhóm OH tự do, vì vậy
giữa các sợi ở cạnh nhau kết hợp với nhau nhờ các liên kết hidro được tạo thành giữa
các nhóm OH của chúng. Các vi sợi lại liên kết với nhau tạo thành vi sợi lớn hay còn
gọi là bó mixen có đường kính 20 nm, giữa các sợi trong mixen có những khoảng
trống lớn. Khi tế bào còn non, những khoảng này chứa đầy nước, ở tế bào già thì chứa
đầy lignin và hemicellulose.
Cellulose có cấu trúc rất bền và khó bị thủy phân. Người và động vật không có
enzyme phân giải cellulose (cellulase) nên không tiêu hóa được cellulose, vì vậy
cellulose không có giá trị dinh dưỡng. Tuy nhiên, một số nghiên cứu cho thấy
cellulose có thể có vai trò điều hòa hoạt động của hệ thống tiêu hóa. Vi khuẩn trong dạ
cỏ của gia súc, các động vật nhai lại và động vật nguyên sinh trong ruột của mối sản
xuất enzyme phân giải cellulose. Nấm đất và vi sinh vật trong bùn cũng có thể phân
hủy cellulose. Vì vậy chúng có thể sử dụng cellulose làm thức ăn.
2.8.2Tổng quan vềhemicellulose
Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng
70 đến 200 DP.Hemicellulose chứa cả đường 6 gồm glucose, mannose và galactose
và đường 5 gồm xylose và arabinose. Thành phần cơ bản của hemicellulose là - D
xylopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết - (1,4).
Cấu tạo của hemicellulose khá phức tạp và đa dạng tùy vào nguyên liệu, tuy
nhiên có một vài điểm chung gồm:
Mạch chính của hemicellulose được cấu tạo từ liên kết - (1,4).

Xylose là thành phần quan trọng nhất.
Nhóm thế phổ biến nhất là nhóm acetyl O - liên kết với vị trí 2 hoặc 3.
Mạch nhánh cấu tạo từ các nhóm đơn giản, thông thường là disaccharide hoặc
trisaccharide. Sự liên kết của hemicellulose với các polysaccharide khác và với lignin
là nhờ các mạch nhánh này. Cũng vì hemicellulose có mạch nhánh nên tồn tại ở dạng
vô định hình và vì thế dễ bị thủy phân.
Gỗ cứng, gỗ mềm và nguyên liệu phi gỗ có các đặc điểm hemicellulose khác
nhau: Gỗ cứng chủ yếu có hai loại hemicellulose:
Acetyl - 4 - O - methylglucuronoxylan, là một loại polymer có mạch chính gồm
- D -xylopyranose liên kết với nhau bằng liên kết -D (1,4). Trong đó 70% các nhóm OH
14

 


ở vị trí
t C2 và C3
C bị acetyll hóa, 10%
% các nhóm
m ở vị trí C2 liên kết với
v axít 4 -O methyyl - D - gluucuronic. Gỗỗ cứng còn chứa glucoomannan, ppolymer này
y chứa một tỉ lệ
bằng nhau
n
- D-gllucopyranosee và -D-mannnopyranosee (Charles vàà Wyman, 1996).
1

Hình 22.6 Glucomaannan
(http://ww
ww.glucomaannan.com/im

mage/molecuule2.gif)

L
Loại
thứ haai có mạch chính là -- D -galactop
pyranose, phâân nhánh. Loạại hemicelluulose
này tạạo liên kết -O tại nhóm
m OH ở vị trrí C6 với -L
L-arabinose, -D -galacttose hoặc axxít D -glu
ucoronic (Chaarles và Wyyman, 1996)).
G mềm cũ
Gỗ
ũng bao gồm
m hai loại heemicellulosee chính:
L
Loại
quan trọng nhất làgalactogglucomannaan, đây là ppolymer cấấu thành từ
ừ các
phân tử
t D - mann
nopyranosee liên kết vớ
ới D - glucoopyranose bbằng liên kếết -(1,4) vớii tỉ lệ
hai moonomer tươ
ơng ứng là 3:1.
3 Tuy nhiiên, tỉ lệ nàyy thay đổi tùùy theo loạii gỗ (Charlees và
Wymaan, 1996)

Hình 2.7G
Galactoglucoomannan
(g/wiki/Gallactoglucom

mannan)

A
Arabino
- 4 - O - metthylglucuroonoxylan, cấu
c tạo từ các
c D - xylopyranose,, các
monomer này bị thế ở vị trí 2 bằng axítt 4 -O - metthyl - glucuuronic, ở vị trí 3 bằng -L
 (
vàà Wyman, 1996). Đối với cỏ, 200 - 40% hemicellulosse là
arabinnofuranose (Charles
arabinnoxylan. Poolysaccharidde này cấu ttạo từ các D - xylopyraanose, OH ở C2 bị thếế bởi
axít 4 -O - methyylglucuronic. OH ở vị trí C3 sẽ tạạo mạch nháánh với -L - arabinofuraanose
man, 1996).
(Charles và Wym

15