Khảo sát quá trình lên men bioethanol sử dụng nguyên liệu vỏ chuối (musa paradisiaca)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH LÊN MEN BIOETHANOL
SỬ DỤNG NGUYÊN LIỆU VỎ CHUỐI
(MUSA PARADISIACA)

Ngành:

CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Giảng viên hướng dẫn : TS. LÊ THỊ KIM PHỤNG
Th.S TRẦN THỊ TƯỞNG AN
Sinh viên thực hiện
MSSV: 1051110086

: CHÂU NHẬT HUY
Lớp: 10DSH01

TP. Hồ Chí Minh, 2014


Đồ án tốt nghiệp
LỜI CAM ĐOAN
ĐÂY LÀ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐƯỢC THỰC HIỆN TẠI
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng
dẫn khoa học của ThS. Trần Thị Tưởng An. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề
tài này là trung thực. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích,
nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong
phần tài liệu tham khảo.
Ngoài ra, trong đồ án còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu
của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm
về nội dung đồ án của mình. Trường đại học Công nghệ TP.HCM không liên quan
đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu
có).

TP. Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 7 năm 2014
Sinh viên thực hiện

Châu Nhật Huy


Đồ án tốt nghiệp
LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu tại Phòng nghiên cứu Năng lượng sinh học tại trường
ĐH Bách Khoa TP.HCM, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và quan tâm
của quý thầy cô. Xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc.
Ngoài ra, chúng em cũng cảm ơn đến các anh chị là cán bộ phòng thí nghiệm
năng lượng sinh họcđã giúp đỡ, hướng dẫn, và giải đáp những thắc mắc trong quá trình
thực tập. Xin trân trọng cảm ơn:
• Th.S Trần Thị Tưởng An , Bộ môn Quá Trình & Thiết Bị, Khoa Kỹ Thuật
Hóa Học, Trường Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh. Xin cảm ơn cô là
người trực tiếp hướng dẫn, tạo điều kiện cũng như giúp đỡ, hỗ trợ kinh phí

cho tôi thực hiện đề tài này .
• TS Nguyễn Đình Quân – cảm ơn thầy đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá
trình thực hiện và giải đáp một số thắc mắc giúp tôi.
• Chị Trần Phước Nhật Uyên, Chị Vũ Lê Vân Khánh, Anh Phan Đình Đông,
anh Hải, anh Thiên và Chú Nguyễn Văn Khanh– đã sẵn sàng giải đáp, trao
đổi các thắc mắc trong quá trình thực tập tại xưởng.
Cũng xin cám ơn các bạn sinh viên đến từ các trường ĐH Bách Khoa, Tôn Đức
Thắng và ĐH Lạc Hồng, trong thời gian thực hiện các bạn đã giúp đỡ nhiệt tình.
Một lần nữa xin chân thành cám ơn quý thầy cô và các bạn!
Sinh viên thực hiện

Châu Nhật Huy


Đồ án tốt nghiệp
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................. v
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................ vii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .......................................................... 4
1.1. Bioethanol.............................................................................................. 4
1.1.1. Giới thiệu chung về bioethanol...................................................... 4
1.1.2. Phân loại bioethanol....................................................................... 6
1.1.2.1. Bioethanol thế hệ thứ nhất ..................................................... 6
1.1.2.2. Bioethanol thế hệ thứ hai ....................................................... 6
1.1.2.3. Bioethanol thế hệ thứ ba......................................................... 7
1.1.3. Nguồn nguyên liệu cho sản xuất ................................................... 7
1.1.3.1. Sucrose.................................................................................... 7
1.1.3.2. Tinh bột................................................................................... 8

1.1.3.3. Lignocellulose ........................................................................ 8
1.1.3.4. Cellulose ................................................................................. 9
1.1.3.5. Hemicellulose ......................................................................... 10
1.1.3.6. Lignin...................................................................................... 10
1.1.4. Ưu và nhược điểm của bioethanol ................................................. 10
1.1.4.1. Ưu điểm .................................................................................. 11
1.1.4.2. Nhược điểm ............................................................................ 11
1.1.5. Tình hình sản xuất và tiêu thụ bioethanol trên thế giới và
Việt Nam ....................................................................................... 12
i


Đồ án tốt nghiệp
1.1.5.1. Trên thế giới ........................................................................... 12
1.1.5.2. Tại Việt Nam ....................................................................................... 14
1.1.6. Các công trình nghiên cứu sản xuất bioethanol ............................ 16
1.1.6.1. Trên thế giới ........................................................................... 16
1.1.6.2. Ở Việt Nam............................................................................. 18
1.1.7Các phương pháp sản xuất bioethanol ............................................. 20
1.1.7.1. Khái niệm cơ bản ..................................................................... 20
1.1.7.2. Sản xuất bioethanol từ nguyên liệu lignocelluloses ............... 21
1.1.7.3. Quá trình và các phương pháp tiền xử lý ............................... 21
1.1.7.4. Quá trình thủy phân ................................................................. 25
1.1.7.1. Quá trình lên men ..................................................................... 26
1.1.7.5. So sánh ưu và nhược điểm của phương pháp SSF và SHF ..... 29
1.1.7.6. Quá trình chưng cất và tinh chế ............................................... 30
1.2.Nguyên liệu ............................................................................................ 32
1.2.1. Giới thiệu về chuối......................................................................... 32
1.2.2 Diện tích và sản lượng chuối ở Việt Nam ...................................... 32
1.23. Tình hình sản xuất chuối trên thế giới ............................................ 33

1.3. Lựa chọn chủng nấm men trong sản xuất ethanol ................................ 34
CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................... 35
2.1. Thời gian và địa điểm nghiên cứu......................................................... 35
2.2. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................ 35
2.3. Vật liệu nghiên cứu ............................................................................... 35
2.3.1. Nguyên vật liệu .............................................................................. 35
2.3.2. Thiết bị và dụng cụ dùng trong nghiên cứu................................... 35
ii


Đồ án tốt nghiệp
2.4. Tiến hành thí nghiệm............................................................................. 35
2.4.1Lên men riêng (SHF) ....................................................................... 32
2.4.1.1. Thí nghiệm 1: Tiền xử lý........................................................ 34
2.4.1.2. Thí nghiệm 2: Thuỷ phân ....................................................... 34
2.4.1.3. Thí nghiệm 3: Lên men .......................................................... 36
2.4.2. Thuỷ phân và Lên men đồng thời (Simultaneous saccharification
and fermemtation, SSF) ............................................................................... 37
2.5.Bố trí thí nghiệm..................................................................................... 38
2.6. Các phương pháp phân tích ................................................................... 40
2.6.1. Phương pháp hóa lý ....................................................................... 40
2.6.1.1. Phương pháp xác định độ ẩm ................................................. 40
2.6.1.2. Phương pháp xác định đường khử bằng phương pháp DNS . 40
2.6.1.3. Phương pháp xác định lượng cellulose bằng Anthrone ......... 41
2.6.1.4. Phương pháp xác định hoạt tính enzyme ............................... 41
2.6.1.5. Xác định pH, độ rượu và tổng số chất khô hòa tan ............... 43
2.6.2. Phương pháp vi sinh ...................................................................... 43
2.6.2.1. Phương pháp nuôi cấy nấm men ............................................ 43
2.6.2.2 Phương pháp đếm khuẩn lạc ................................................... 44
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................... 47

3.1. Kết quả khảo sát các phương pháp thuỷ phân ...................................... 46
3.1.1. Thuỷ phân bằng H2SO4 .................................................................. 47
3.1.2. Thuỷ phân bằng Cellulase ............................................................. 48
3.2 Kết quả khảo sát các phương pháp lên men .......................................... 48
3.2.1. Kết quả khảo sát thời gian lên men SHF ....................................... 48
iii


Đồ án tốt nghiệp
3.2.2. Kết quả khảo sát nhiệt độ lên men SHF ........................................ 52
3.2.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH trong lên men SHF .............. 54
3.2.4. Kết quả khảo sát tỉ lệ giống nấm men trong lên men SHF ........... 56
3.2.5. Kết quả khảo sát thời gian lên men SSF........................................ 57
3.2.6. Kết quả khảo sát nhiệt độ lên men SSF ......................................... 60
3.2.7. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH trong lên men SSF .............. 61
3.3. Kết quả đo hoạt tính enzyme ................................................................. 62
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 65
PHỤ LỤC A.Cách xây dựng đường chuẩn định lượng đường khử (glucose)
PHỤ LỤC B.Cách xây dựng đường chuẩn định lượng cellulose
PHỤ LỤC C.Quy trình nhân giống nấm men
PHỤ LỤC D.Bảng số liệu kết quả

iv


Đồ án tốt nghiệp
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc chính của linocellulose ...........................................................8
Hình 1.2. Chuỗi mạch thẳng của cellulose ............................................................10

Hình 1.3. Chuối musha paradisiaca .......................................................................16
Hình 2.1. Quy trình lên men SHF..........................................................................32
Hình 2.2. Quy trình lên men SSF ..........................................................................37
Hình 3.1. Hàm lượng glucose và cellulose thuỷ phân bằng cellulase 1 ngày ......47
Hình 3.2. Hàm lượng glucose và cellulose thuỷ phân bằng cellulase 2 ngày ......47
Hình 3.3. Hàm lượng glucose và cellulose thuỷ phân bằng cellulase 3 ngày ......48
Hình 3.4. Hàm lượng glucose và cellulose thuỷ phân bằng H2SO4 ............................... 48
Hình 3.5. Sự thay đổi độ cồn theo thời gian trong lên men SHF..........................49
Hình 3.6. Sự thay đổi độ Brix theo thời gian trong lên men SHF ........................50
Hình 3.7. Sự thay đổi hàm lượng glucose theo thời gian trong lên men SHF......51
Hình 3.8. Sự thay đổi độ cồn và Brix theo nhiệt độ trong lên men SHF ..............53
Hình 3.9. Sự thay đổi hàm lượng glucose và cellulose theo nhiệt độ trong
lên men SHF...........................................................................................................53
Hình 3.10. Sự thay đổi độ cồn và Brix theo pH trong lên men SHF ....................54
Hình 3.11. Sự thay đổi hàm lượng glucose và cellulose theo pH trong lên men
SHF................................................................................................................... …55
Hình 3.12. Sự thay đổi độ cồn và Brix theo tỉ lệ giống trong lên men SHF ........56
Hình 3.13. Sự thay đổi hàm lượng glucose và cellulose theo tỉ lệ giống trong
lên men SHF...........................................................................................................56
Hình 3.14. Sự thay đổi độ cồn và độ Brix theo thời gian trong lên men SSF ......57
Hình 3.16. Sự thay đổi hàm lượng glucose theo thời gian trong lên men SSF ....58
v


Đồ án tốt nghiệp
Hình 3.16. Sự thay đổi độ cồn và brix theo nhiệt độ trong lên men SSF .............60
Hình 3.17. Sự thay đổi độ cồn và Brix theo pH trong lên men SSF .....................60

vi

Đồ án tốt nghiệp
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
SSF ...................................................... Thuỷ phân và lên men đồng thời
SHF...................................................... Thuỷ phân và lên men riêng biệt
SSCF ................................................... Đồng đường hoá và đồng lên men

vii


Đồ án tốt nghiệp
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1.Sản lượng ethanol theo khu vực ............................................................13
Bảng 2.2.Một số nhà máy sản xuất ethanol ở Việt Nam.......................................14
Bảng 2.3.Diện tích trồng chuối theo các vùng ......................................................31
Bảng 2.4.Sản lượng trồng chuối theo vùng ...........................................................32
Bảng 2.5.Thành phần hóa học của chuối...............................................................33

viii


Đồ án tốt nghiệp
MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề tài
Đã từ rất lâu, dầu mỏ luôn giữ một vai trò quan trọng trong chiến lược phát triển
kinh tế của mỗi quốc gia. Hơn 90% lượng dầu mỏ khai thác được phục vụ cho nhu cầu
năng lượng như xăng nhiên liệu, nhiên liệu phản lực, diesel, nhiên liệu đốt lò Có thể
nói dầu mỏ là nền tảng của sự tăng trưởng và phát triển kinh tế của bất kì một quốc gia
nào. Trong những năm gần đây, với sự leo thang của giá xăng dầu gây nhiều tác động
tiêu cực đến nền kinh tế thế giới. Vì vậy việc tìm kiếm những nguồn năng lượng sạch,

có khả năng tái tạo để thay thế một phần xăng dầu trở thành một vấn đề cấp thiết và
được nhiều quốc gia quan tâm. Một trong những hướng đi hiệu quả là sử dụng ethanol
để pha vào xăng vừa làm tăng chỉ số octane, vừa làm giảm ô nhiễm môi trường nên
xăng pha cồn ngày càng trở nên phổ biến trên toàn thế giới. Hơn nữa, nước ta là một
nước nông nghiệp có nguồn nguyên liệu để sản xuất ethanol là rất phong phú. Việt
Nam sở hữu hai đồng bằng rộng lớn là đồng bằng Sông Hồng và đồng bằng Sông Cửu
Long. Đây là vùng nguyên liệu lí tưởng, là tiền đề cho sự ra đời của nhà máy sản xuất
ethanol từ cellulose.
Ngày nay, thế giới đang đứng trước nguy cơ khủng hoảng năng lượng trầm
trọng. Như chúng đã biết, dầu mỏ và khí đốt hiện chiếm 60-80% nguồn năng lượng
thế giới. Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới, với tốc độ tiêu thụ như hiện
nay và trừ lượng dầu mỏ hiện có, nguồn năng lượng này sẽ bị cạn kiệt trong vòng 4050 năm nữa. Để ổn định và đảm bảo an ninh năng lượng đáp ứng cho nhu cầu con
người cũng như 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 hướng đi có thể tạo ra nguồn nhiên
liệu thay thế phần nào nguồn nhiên liệu hoá thạch đang cạn kiệt, đảm bảo an ninh năng
lượng cho từng quốc gia.
Sử dụng nhiên liệu sinh học mang lại các lợi ích như giảm thiểu ô nhiễm môi
trường vì nguyên liệu sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học không chứa các hợp chất
thơm, hàm lượng lưu huỳnh thấp, không chứa chất độc hại, mặt khác nhiên liệu sinh
học khi thải vào đất có tốc độ phân hủy sinh học cao nhanh hơn gấp 4 lần so với nhiên
liệu dầu mỏ và do đó giảm được rất nhiều tình trạng ô nhiễm nước ngầm.
Bioethanol là nguồn nhiên liệu đầy hứa hẹn trong tương lai thay thế cho nguồn
nhiên liệu hóa thạch, bởi nó là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo. Bioethanol tồn tại ở
dạng lỏng có thể được sử dụng thích nghi như nguồn nhiên liệu mới cho tương lai. Tuy
nhiên, những sản phẩm bioethanol có nguồn gốc từ tinh bột dễ bị biến động do tinh bột
là nguồn lương thực của con người. Nếu sử dụng lương thực để sản xuất bioethanol sẽ
1

Đồ án tốt nghiệp
làm cho giá của lương thực tăng cao. Như vậy, sẽ làm bất bình ổn giá của lương thực,
tác động xấu đến thị trường lương thực trong nước. Việc sử dụng tinh bột hoặc nguyên
liệu giàu đường sẽ lập tức đẩy giá của lương thực và bioethanol tăng cao hơn so với
sản xuất bằng con đường hóa học. Trong khi đó, giá của vật liệu phải chi trả 40 – 75%
tổng chi phí của sản xuất ethanol. Vì vậy, việc thay thế nguồn nguyên liệu là yêu cầu
cho việc sản xuất bioethanol. Như các nguồn nguyên liệu là các phụ phẩm của ngành
nông nghiệp: rơm rạ, bã mía, vỏ cacao, vỏ cam chanh, phụ phẩm trái cây…
Với những lí do như trên, đề tài này là bước đi hỗ trợ việc sản xuất ethanol
phục vụ cho nhu cầu năng lượng ngày càng tang ở nước ta.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Đề tài được thực hiện nhằm khảo sát và qua đó rút ra được điều kiện tối ưu của
các phương pháp lên men bioethanol sử dụng nguyên liệu vỏ chuối.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Đề tài tập trung vào những nghiên cứu:
3.1. Khảo sát và so sánh kết quả thuỷ phân vỏ chuối bằng enzyme và H2SO4.
3.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men SHF như: thời gian, nhiệt
độ, pH và tỉ lệ giống.
3.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men SSF như: thời gian, nhiệt độ
và pH.
3.4. Thực hiện thí nghiệm xác định hoạt tính enzyme.
4. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài sử dụng các phương pháp và phần mềm:
5.1. Phương pháp xác định đường khử bằng phương pháp DNS.
5.2. Phương pháp xác định lượng cellulose bằng thuốc thử Anthrone.
5.3. Phương pháp xác định pH, độ rượu và tổng số chất khô hòa tan.
5.4. Phương pháp nuôi cấy nấm men.
5.5. Phương pháp đếm khuẩn lạc.
5.6. Phần mềm Statgraphics Centurion XV.

2


Đồ án tốt nghiệp
5. Các kết quả đạt được của đề tài
5.1. Kết quả thuỷ phân bằng cellulase nồng độ 5% trong 1 ngày là tối ưu nhất.
5.2. Phương pháp SHF
5.2.1. Khảo sát thời gian cho kết quả lên men trong 18 giờ đạt độ cồn cao nhất
4.8%.
5.2.2. Khảo sát nhiệt độ cho kết quả lên men ở 370C là tối ưu nhất.
5.2.3. Khảo sát pH cho kết quả lên men ở pH 5 là thích hợp nhất.
5.2.4. Khảo sát tỉ lệ giống cho kết quả lên men với tỉ lệ giống 5% là thích hợp và
tiết kiệm nhất.
53. Phương pháp SSF
5.3.1. Khảo sát thời gian cho kết quả lên men trong 38 giờ đạt độ cồn cao nhất
5.1%.
5.3.2. Khảo sát nhiệt độ cho kết quả lên men ở 370C là tối ưu nhất.
5.3.3. Khảo sát pH cho kết quả lên men ở pH 5 là thích hợp nhất.
6. Kết cấu của đồ án
Đồ án gồm 4 chương:
Chương 1. Tổng quan tài liệu.
Chương 2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu.
Chương 3. Kết quả và thảo luận.
Chương 4. Kết luận và kiến nghị.

3


Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1. Bioethanol
1.1.1. Giới thiệu chung về bioethanol
Bioethanol là rượu ethanol sinh học thu được từ quá trình lên men vi sinh các
loại nguyên liệu chứa đường hoặc từ tinh bột, cellulose nhờ vào phản ứng trung gian
thủy phân thành đường của vi sinh. Bioethanol được tổng hợp thông qua quá trình sinh
học, vi sinh sử dụng nguồn nguyên liệu đường làm thức ăn để thực hiện hô hấp kỵ khí
và thải ra ethanol và khí CO2. Trong khi đó, ethanol có nguồn gốc dầu mỏ thì được
tổng hợp thông qua quá trình hóa học, không có mặt tham gia của cơ thể sống trong
quá trình tạo ethanol.
Đặc tính của ethanol [4]
Công thức phân tử:

C2H5OH

Khối lượng phân tử: 46.07 g/mol
Trạng thái:

lỏng, không màu (từ -117 oC – 78 oC)

Tỉ trọng:

0.789 kg/l

Điểm sôi:

78.5 oC

Điểm đông đặc:

-1170C

Giới hạn nổ:

dưới 3.5% v/v; trên 19% v/v

Áp suất hơi:

38 oC, 50mmHg

pKa:

15.9

Độ nhớt:

1.200 mPa.s (20 oC)

Bioethanol có thể sử dụng để tạo ra ethanol khối gel để sử dụng làm năng
lượng nấu ăn ( sử dụng trong nhà bếp), làm nhiên liệu phát điện, sử dụng làm dung
môi trong chiết suất dược liệu. Ethanol tuyệt đối được ứng dụng để làm phụ gia khi
thêm vào ETBE, polyethylenterephtalate trong sản xuất bao bì và chai nhựa, pha vào
xăng để tăng chỉ số octane của xăng.
4


Đồ án tốt nghiệp
Bioethanol là nguồn năng lượng tái tạo và không đóng góp vào việc làm
tăng hiệu ứng nhà kính. Nếu như ta đốt cháy các sinh khối sẽ sinh ra CO2 thì tác động
xấu tới môi trường mà không có hiệu quả kinh tế. Các nguồn sinh khối có nguồn gốc
thực vật, được tổng hợp thông qua quá trình tổng hợp quang học. Tổng hợp bioethanol

từ nguồn sinh khối là chuyển nguồn năng lượng tổng hợp quang học thành nguồn năng
lượng có giá trị và nhiều ứng trong thực tế. Sinh khối thực vật không phải thực phẩm
là nguồn nguyên liệu thuộc “thế hệ thứ hai” được sử dụng để chuyển hóa thành
bioethanol với sự kết hợp công nghệ hóa học hiện đại và công nghệ sinh học, đó là
nguồn phụ phẩm của ngành nông nghiệp như rơm rạ, vỏcacao … . Với sự phát triển
của ngành sản xuất ethanol sinh học từ nguồn sinh khối thực vật sẽ thúc đẩy các hộ
nông dân trồng trọt tăng diện tích cây trồng cung cấp nguồn lương thực cho con người
và tận dụng sinh khối. Như vậy, sẽ tạo ra diện tích cây xanh nhiều hơn giúp cân bằng
hệ sinh thái, giảm hiện tượng hiệu ứng nhà kính.
1.1.2. Phân loại bioethanol
1.1.2.1.Bioethanol thế hệ thứ nhất
Ethanol sinh học thếhệ thứ nhất là ethanol sinh học làm từđường, tinh bột,
bằng cách sửdụng công nghệ thông thường.Các nguyên liệu cơ bản để sản xuất ethanol
sinh học thếhệđầu tiên thường là hạt giống hoặc các loại ngũ cốc như lúa mì, tinh bột
được lên men thành ethanol sinh học.
1.1.2.2. Bioethanol thế hệ thứ hai
Quy trình sản xuất ethanol sinh học thế hệ đầu tiên có ích, nhưng hạn chế:
không thể sản xuất đủ ethanol sinh học mà không đe dọa nguồn cung cấp thực phẩm
và đa dạng sinh học và việc phải cạnh tranh về chi phí với nhiên liệu hóa thạch như
xăng.
Ethanol sinh học thế hệ thứ hai có thể giúp giải quyết những vấn đề này và có
thể cung cấp một lượng nhiên liệu bền vững,chi phí thấp, và với những lợi ích lớn hơn
về môi trường.
Ethanol sinh học thế hệ thứ hai được sản xuất bằng cách lên men thực vật có
nguồn gốc đường để sản xuất ethanol,bằng cách sử dụng một quá trình tương tự như

5


Đồ án tốt nghiệp

được sử dụng trong bia và rượu.Điều này đòi hỏi việc sử dụng cây trồng như mía, ngô,
lúa gạo, lúa mì, và củ cải đường.
Ethanol sinh học cũng có thể sản xuất từ phụ phẩm của các loại cây trồng hiện
nay, như thân cây, rơm rạ, lá và trấu cũng như các loại cây trồng khác mà không được
sử dụng cho các mục đích thực phẩm (không phải cây lương thực), như cỏ, jatropha và
ngũ cốc v.v…
1.1.2.3. Bioethanol thế hệ thứ ba
Sản xuất nhiên liệu sinh học nói chung (dầu thực vật, biodiesel, bioethanol,
biogas, biomethanol, biobutanol và nhiên liệu sinh học khác), ethanol sinh học nói
riêng từ tảo.Trong số các đặc điểm hấp dẫn nhiên liệu từ tảo: không ảnh hưởng đến
nguồn nước ngọt, có thể được sản xuất bằng cách sử dụng biển và nước thải, được
phân hủy và tương đối vô hại cho môi trường.Trong quá trình quang hợp, tảo và các
sinh vật khác sử dụng carbon dioxide và ánh sáng mặt trời và chuyển nó thành oxy và
nhiên liệu sinh học.
1.1.3. Nguồn nguyên liệu cho sản xuất
Công nghệ chiếm ưu thế hiện nay trong sản xuất bioethanol là chuyển hoá sinh
khối thành ethanol thông qua lên men rượu rồi chưng cất. Quá trình lên men rượu này
là quá trình chuyển hoá sinh hoá học, sinh khối sẽ được vi khuẩn hoặc nấm men phân
huỷ. Phương pháp lên men có thể áp dụng đối với nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau.
1.1.3.1Sucrose
Đường mía, ở dạng dịch ép hoặc rỉ đường, là nguồn nguyên liệu quan trọng
nhất ở các nước nhiệt đới, cận nhiệt đới để sản xuất bioethanol. Ở các nước Châu Âu,
đường từ củ cải đường được sử dụng. Bên cạnh đó, cây lúa miến ngọt cũng là nguồn
nguyên liệu thô triển vọng, phần than có thể được chiết tách tạo ra dịch trích chứa
nồng độ sucrose cao, hạt của nó chứa lượng lớn tinh bột, phần bã là nguồn
lignocelluloses quan trọng.
Quá trình chuyển hoá sucrose thành ethanol dễ hơn so với tinh bột và sinh khối
lognocellulose vì không cần qua quá trình tiền xử lý, tế bào nấm men có thể thuỷ phân

6

Đồ án tốt nghiệp
disaccharide, thêm vào đó là điều kiện lý tưởng của dịch đường và rỉ đường cho quá
trình lên men.
Đánh giá hiệu quả kinh tế của Maiorella và cs (1984) thì chi phí nguyên liệu lên
đến 70% chi phí sản xuất bioethanol nếu sử dụng rỉ đường làm nguyên liệu.
1.1.3.2. Tinh bột
Tinh bột là một polysaccharide carbohydrate chứa hỗn hợp amylose và
amylopectin. Chúng đều là các polymer carbohydrate phức tạp của glucose. Để chuyển
hoá tối đa lượng tinh bột thành đường, tạo điều kiện lên men rượu, bột nhão được nấu
và cho thuỷ phân bằng enzyme hoặc acid loãng. Quá trình lên men được thực hiện khi
có mặt một số chủng men rượu. Để thuận lợi cho quá trình lên men, pH của dịch thuỷ
phân cần điều chỉnh ở mức 4,8 – 5. Bioethanol sinh ra trong quá trình lên men sẽ hoà
tan trong nước. Nhờ hàng loạt các bước chưng cất để loại nước, nồng độ bioethanol sẽ
được tăng cao tối đa. Đối với các loại hạt, năng suất ethanol thu được vào khoảng
2.800 lít/ha, tức khoảng 3 tấn nguyên liệu hạt sẽ thu được 1 tấn bioethanol.
1.1.3.3. Lignocellulose

Hình 1.1.Cấu trúc chính của linocellulose
Lignocellulose là một chất hữu cơ tái tạo và là thành phần cấu trúc chính của
thành tế bào thực vật.Lignocellulose bao gồm ba thành phần chính: cellulose,
hemicellulose và lignin.Ngoài ra, có một số thành phần khác như protein, pectin, và

7


Đồ án tốt nghiệp
tro.Tỉ lệ giữa các thành phần là khác nhau tùy thuộc vào nguồn lignocellulose.Ngoài
ra, tỉ lệ đó còn phụ thuôc vào tuổi, giai đoạn tăngtrưởng, điều kiện sinh trưởng.

Các thành phần cấu tạo nên lignincellulose (lignin, cellulose, hemicellulose) là
các đối tượng khó bị phân hủy.Tính khó phân hủy lại gia tăng lên nhiều lần khichúng
liên kết với nhau và với các thành phần khác nữa tạo thành một thể cấu trúcchặt chẽ và
phức tạp.Các vi sợi cellulose, lignin, hemicellulose được sắp xếp theo những quy tắc
nhất định để hình thành nên cấu trúc vi sợi.Với cấu trúc nhiều lớp, gồm nhiều
thànhphần có bản chất hóa học khác nhau như vậy, lignocellulose có độ bền vật lý cao,
rấtkhó xâm nhập đối với các vi sinh vật và enzyme.Hơn nữa để phân hủy bất cứ
thànhphần nào của phức hợp một cách hiệu quả và triệt để cần phải tác động đến
thànhphần khác.Ví dụ như, để phân giải lignocellulose thì cần đồng thời tác động của
lignin, cellulose và hemicellulose. Nhưng do cả ba điều có tính chất hóa học khácnhau
nên cơ chế tác động và điều kiện tiến hành cũng khác nhau.
1.1.3.4. Cellulose
Cellulose là thành phần cơ bản của thực vật. Chúng là một homopolimer mạch
thẳng, được cấu tạo bởi các β-D glucose-pyranose. Các glucose này liên kết với nhau
bằngliên kết α-1, 4 glucoside. Cellulose chứa các glucose không phân nhánh. Các
gốcglucose trong cellulose thường lệch một góc 1800và có dạng như một chiếc ghế
bành. Cellulose thường chứa 10.000-14.000 gốc đường và được cấu tạo như hình.

Hình 1.2.Chuỗi mạch thẳng của cellulose trong không gian
Trọng lượng phân tử của cellulose khoảng từ 50.000 – 2.500.000 dalton.Các
phân tử cellulose kết hợp với nhau nhờ lực hút “Van der waals” và “liên kết hydro”.
Các phân tử celluose tạo nên sợi sơ cấp có đường kính khoảng 3nm.Các sợi sơ
cấp kết hợp với nhau tạo thành vi sợi (microfibri ).Và hemicellulose và lignin bao
xung quanh các vi sợi đó.

8


Đồ án tốt nghiệp
1.1.3.5. Hemicellulose

Hemicellulose là thành phần chính thứ hai của sinh khối lignocellulose, với
hàm lượng lớn sau cellulose.Hemicellulose là một polymer không đồng nhất (hỗn tạp),
được cấu tạo từ các loại đường khác nhau như pentoses (bao gồm xylose vàarabinose),
hexose (chủ yếu là mannose, ngoài ra còn có glucose và galactose) vàthậm chí cả từ
acid uronic của chúng (ví dụ như 4-omethylglucuronic, d-glucuronic,và dgalactouronic axít). Người ta gọi tên cụ thể một loại hemicellulose dựa theotên một
loại đường nào đó chiếm tỷ lượng lớn trong thành phần của hemicellulose.Ví dụ như
xylan-loại hemicellulose dễ gặp nhất trong thiên nhiên.Xylan là một hemicellulose mà
thành phần chủ yếu của nó là xylose, mannose,…trong đó xylose chiếm tỷ lượng lớn
nhất.Xylan thường thấy nhiều trong rơm, rạ (chiếm khoảng 30%), cây lá rộng (chiếm
khoảng 20-25%).Ở những cây lá kim thường chứa ít xylan.
Phân tử lượng của hemicellulose nhỏ hơn phân tử lượng của cellulose rất
nhiều.Hemicellulose thường được cấu tạo từ 150 gốc đường.Các gốc đường này được
nối với nhau bằng các liên kết β-1,4; β-1,3; β-1,6 glucoside.Chúng thường là những
mạch ngắn, phân nhánh.
Trong tế bào thực vật, hemicellulose thường nằm xen kẽ giữa các bó sợi
cellulose tạo nên một dạng cấu trúc bền vững.
1.1.3.6. Lignin
Lignin là một hợp chất cao phân tử đặc biệt của thực vật, thường tập trung
ởnhững mô hóa gỗ, là chất kết dính tế bào, làm tăng độ bền cơ học, chống thấm
nướcqua vách tế bào mô xylem, ngăn cản sự xâm nhập của vi sinh vật gây bệnh.
Khác với cellulose và hemicellulose, lignin hình thành từ các dẫn xuất của
phenyl, propan, một sốchất thơm có mạch nhánh. Nói cách chi tiết hơn, lignin làsản
phẩm ngưng tụ chủ yếu của ba loại rượu thơm:coniferyl (guaiacyl propanol),sinapyl
(syringyl alcohol) và p-coumaryl (p-hydroxyphenyl propanol) theo tỷ lệkhác nhau tùy
loại thực vật.
Trong đại phân tử lignin, các đại cấu trúc nối với nhau bằng rất nhiều liên kếtvà
loại liên kết, trong đó liên kết chủ yếu chiếm 50-60% số liên kết giữa cácmonome là
kiểu liên kết aryl-glyxerol-aryl ete.Ngoài ra còn có các kiểu liên kết phenyl- coumaryl,
biphenyl.
9

Đồ án tốt nghiệp
Lignin hoạt động như một rào cản, cản trở sự thủy phân cellulose,
hemicellulose thành đường và các hợp chất hữu cơ khác để có thể biến đổi thành nhiên
liệu, bằng cách liên kết chặt chẽ với cả hemicellulose và cellulose.
1.1.4. Ưu và nhược điểm của bioethanol
1.1.4.1. Ưu điểm:
Ethanol sinh học được biết đến với rất nhiều lợi thế: là một trong những biện
pháp kìm hãm hiện tượng nóng lên toàn cầu; giúp các quốc gia chủ động, không bị lệ
thuộc vào vấn đề nhập khẩu nhiên liệu, đặc biệt đối với những quốc gia không có
nguồn dầu mỏ và than đá;kiềm chế sự gia tăng giá xăng dầu, ổn định tình hình năng
lượng cho thế giới;tạo thêm công ăn việc làm cho người dân; và cũng không đòi hỏi
phải có những thiết bị và công nghệ đắt tiền.
Về mặt kĩ thuật thì cồn nguyên chất khi cháy dưới điều kiện lý tưởng, theo lý
thuyết thì chỉ có CO2 và H2O, nhưng thực tế thì CO cũng được sinh ra, tuy nhiên lượng
CO thường thấp hơn đối với xăng. Nguyên nhân ethanol có chứa 6% oxygen theo thể
tích cho phép động cơ tự đốt cháy nhiên liệu hoàn toàn, kết quả là làm giảm sự ô
nhiễm khí CO. Ethanol là nguồn nhiên liệu có khả năng tái sinh vì được sản xuất từ
cây nông nghiệp thu hoạch hàng năm, sử dụng năng lượng mặt trời là chính.Ethanol có
nguồn gốc thực vật nên CO2 sinh ra khi đốt được cây cối hấp thụ lại tạo nên sự cân
bằng về lượng CO2, do đó không gây nên hiệu ứng nhà kính.
Công suất lớn hơn có thể đạt được ở ethanol nhiên liệu do tỉ số nén của xăng
dầu là 8:1còn của ethanol là 12:1.Số liệu thực nghiệm chỉ ra rằng ethanol nhiên liệu có
thể tạo ra công suất lớn hơn 20% so với xăng dầu (Pimentel, 1980).Ethanol có chỉ số
octan là 113, cao hơn so với khoảng 83- 95 của xăng.Chỉ số này cao đồng nghĩa với
việc hạn chế được hiện tượng tự phát nổ, xảy ra trước khi đánh lửa, sẽ làm hại động
cơ.Mặt khác, ethanol không chứa các chất khác độc hại như chì.
1.1.4.2. Nhược điểm:
Bên cạnh các ưu điểm đã biết, công cuộc phát triển ethanol sinh học cũng chứa

đựng không ít nhược điểm về mặt kĩ thuật cũng như nguy cơ vềmôi trường, kinh tếvà
xã hội.Nếu không được quản lý và kiểm soát tốt, các tác dụng xấu sẽ xảy ra, thậm chí
có thể lớn tới mức lấn át cả những mặt tích cực do nhiên liệu sinh học mang lại.Nguy

10


Đồ án tốt nghiệp
cơ sẽ càng rõ hơn theo quy mô ngày càng tăng của nền công nghiệp nhiên liệu sinh
học.
Những nhược điểm và nguy cơ chính trong quá trình phát triển Bioethanol cần
phải kể đến là:
Về mặt kỹ thuật:
Bioethanol là một nhiên liệu kém hiệu quả hơn xăng, chỉ chứa năng lượng bằng
70% so với xăng.Mặt khác, để sử dụng được xăng có nồng độ ethanol cao, một số xe
cần phải cải biến.
Vấn đề lương thực:
Khi người nông dân thấy trồng cây nguyên liệu (như mía đường, cọ...) có lợi hơn
trồng lúa, ngô, khoai, sắn, họ sẽ thôi cấy lúa, chuyển sang trồng mía, cọ để cung cấp
cho các nhà máy và làm cho sản lượng lương thực giảm.
Ô nhiễm và cạn kiệt nguồn tài nguyên nước:
Nhiều loại cây nguyên liệu đòi hỏi rất nhiều nước trong quá trình sinh trưởng, vì
vậy nếu trồng với số lượng quá lớn, diện tích quá rộng sẽ làm cạn kiệt các nguồn nước
trong khu vực.
Giảm diện tích rừng:
Để có đất trồng cây nguyên liệu, người ta có thể tiếp tục phá rừng.Giảm diện tích
rừng cũng đồng nghĩa với tai hoạ từ sự xói mòn đất, giảm lượng gỗ dùng cho xây dựng
và các nhu cầu khác của người dân.
Nguy cơ từ sự độc canh:
Trồng duy nhất một loại cây trong một thời gian dài trên cùng diện tích đất sẽ làm

đất đai trở nên cằn cỗi và không thể tiếp tục canh tác được.
Nguy cơ từ sự biến đổi gen cây nguyên liệu:
Gây tác động xấu tới các loài vi sinh vật sống nhờ vào thực vật và có thể gây nên
sự mất cân bằng sinh thái.
Nguy cơ do khai thác nhiên liệu sinh học từ rác thải nông nghiệp và một số loài thực
vật khác:
Ngoài mía đường, đậu tương, cọ,... nhiên liệu sinh học còn có thểđược sản xuất từ
rác thải nông nghiệp khác và cỏ.Tuy nhiên, rác thải nông nghiệp và cỏ cũng có vai trò
riêng đối với môi trường, không thể khai thác một cách không tính toán.
11


Đồ án tốt nghiệp
Nguy cơ về kinh tế xã hội:
Những người nghèo, không có khảnăng tựchủcanh tác phải bán ruộng.Đất đai tập
trung vào một sốđiền chủlớn.Như vậy, một lớp người sẽtước mất phương tiện sản
xuất, rơi vào tình trạng thất nghiệp, nghèo đói, làm bất ổn đời sống xã hội.Kéo theo đó
là tình trạng phân hoá giàu nghèo ngày càng rõ rệt.
1.1.5. Tình hình sản xuất và tiêu thụ bioethanol trên thế giới và ViệtNam
1.1.5.1. Tình hình sản xuất trên thế giới
Theo báo cáo F.O. Licht thì bioethanol được sử dụng làm nhiên liệu đốt trong
từ năm 1860 do nhà khoa học Nicolas August Otto (Đức) khám phá. Vào những năm
20 của thế kỷ 20, Henry Ford đã thiết kế ra động cơ xe ô tô chạy bằng ethanol đầu tiên
trên thế giới.[17]
Đến sau 1930 thì Mỹ, Brazil, Anh, Pháp, Đức, Ý, Thuỵ Điển… đã bắt đầu sử
dụng Bio-Ethanol thay thế xăng. Nhưng trào lưu này thực sự bùng nổ vào những năm
1970 khi nguồn nhiên liệu chính là dầu mỏ bị khủng hoảng nguồn cung.
Cũng theo báo cáo trên thì 47 % bioethanol nhiên liệu trên thế giới được sản
xuất từ mía đường, 53% là từ cây có chứa tinh bột (bắp, sắn lát và lúa mì). Sản lượng
bioethanol sản xuất năm 2008 khoảng 65.7 tỷ lít. Nhu cầu Bio-Ethanol nhiên liệu trên

toàn thế giới vào năm 2015 sẽ cao gấp hơn 2 lần sản lượng năm 2006 (100 tỷ lít).
Trước đó, Brazil là quốc gia đứng đầu về sản xuất và tiêu thụ bioethanol. Đến
năm 2006, Mỹ vượt qua Brazil và trở thành nước sản xuất bioethanol nhiên liệu lớn
nhất thế giới. Các quốc gia sản xuất bioethanol lớn như Braxil, Mỹ, Trung Quốc, Ấn
Độ và Pháp chiếm 84% sản lượng bioethanol nhiên liệu của toàn thế giới trong năm
2005.
Brazil là nước đi đầu trên thế giới trong việc sản xuất bioethanol nhiên liệu từ
mật rỉ đường trong năm 2004 và đến năm 2008, Brazil đã sản xuất được 30 tỷ lít,
chiếm 34 % sản lượng bioethanol toàn thế giới. Trong giai đoạn 2012 – 2013, Brazil sẽ
đạt được 37 tỷ lít/năm từ 728 tỷ rỉ đường. Ở Brazil, tỉ lệ bioethanol pha trộn với xăng
hóa thạch là 20% và 25% tương ứng với loại xăng E20 và E25. Nhóm các nước nhập
khẩu bioethanol nhiên liệu từ Brazil là Mỹ, Ấn Độ, Hàn Quốc, Nhật Bản, Thụy Điển
và Hà Lan.
12


Đồ án tốt nghiệp
Năm 2007, Mỹ đã vượt qua Brazil trở thành quốc gia lớn nhất thế giới về sản
xuất bioethanol nhiên liệu từ nguồn nguyên liệu là ngô, chiếm 44 % sản lượng toàn thế
giới. Theo chương trình phát triển năng lượng quốc gia, Mỹ sẽ sản xuất 150 tỷ lít
bioethanol vào năm 2030.
Năm 2010, sản lượng bioethanol của EU là 341.250.000 lít chiếm 8% sản lượng
thế giới. Trong đó, Pháp là quốc gia sản xuất bioethanol nhiên liệu lớn nhất châu Âu
(114 triệu lít, chiếm 33 %), Tây Ban Nha 47.8 triệu lít ( chiếm 14 %) và Đức 44.4 triệu
lít ( chiếm 13 %).
Trung Quốc là nước sản xuất bioethanol lớn nhất khu vực Châu Á, đứng thứ ba
trên thế giới, sản xuất ethanol từ ngô. Năm 2005, tổng sản lượng bioethanol của quốc
gia này xấp xỉ 3.8 tỷ lít (trong đó 1.3 tỷ lít là bioethanol nhiên liệu), chiếm gần 8 % sản
lượng toàn thế giới.
Các quốc gia khác đã có những thành tựu đáng kể trong việc sản xuất

bioethanol đó là Ấn Độ, Thái Lan và một số quốc gia khác:
Ấn Độ là quốc gia đứng thứ 2 ở châu Á về sản xuất bioethanol sau Trung
Quốc, chiếm 4% sản lượng ethanol toàn cầu. Năm 2005 sản lượng bioethanol của Ấn
Độ là 1.7 tỷ lít, trong đó 200 triệu lít là bioethanol nhiên liệu.
Thái Lan là quốc gia Đông Nam Á đi tiên phong trong việc sản xuất bioethanol
nhiên liệu. Năm 2007, Thái Lan có 9 nhà máy sản xuất bioethanol nhiên liệu với tổng
công suất gần 400 triệu lít/năm, trong khi đó chỉ có duy nhất nhà máy Thai Nguan sản
xuất bioethanol từ sắn lát. Dự kiến đến năm 2011, Thái Lan sẽ sản xuất khoảng 1 tỷ lít
bioethanol nhiên liệu.
Bàng 2.1.Sản lượng ethanol theo khu vực (Đơn vị: triệu lít)[1]
2008

2009

2010

2011

2012

2013

Châu Âu

1.627

1.958

3.945

4.851

6.015

8.812

Châu Phi

71

101

154

168

170

213

Châu Mỹ

60.913

65.144

76.890

79.311

81.192

85.133

13


Đồ án tốt nghiệp
Châu

Á-

Thái 2.832

3.189

4.721

5.828

7,144

8.903

74.921

85.933

89.294

95.450

96.132

Bình Dương
Thế giới

65.762

Nguồn: Dr.Chirstoph Berg F.o.Litch, World fuel ethanol analysis
1.1.5.2. Tại Việt Nam
Ở Việt Nam bioethanol được sử dụng một phần trong công nghiệp, thực phẩm,
thức uống và phần lớn được dùng làm nhiên liệu sinh học. Tính đến tháng 4/2012, có
13 dự án sản xuất ethanol nhiên liệu, 5 nhà máy đã đi vào hoạt động với công suất
thiết kế 490 triệu lít/năm. Hiện nay một phần xăng được sử dụng ở các thành phố lớn ở
nước ta đều được pha bioethanol để được sản phẩm xăng sinh học E5. Đây là cơ hội
tốt cho Việt Nam góp phần vào nỗ lực cải thiện đời sống nông thôn, xóa đói giảm
nghèo và thu hẹp khoảng cách đời sống giữa nông thôn và thành thị. Cho nên cần có
một chính sách và quy hoạch quốc gia nhằm vừa hỗ trợ phát triển ngành sản xuất các
loại nhiên liệu sinh học vừa tạo thêm việc làm ở nông thôn, tăng gia lợi tức nông dân
và bảo đảm an ninh năng lượng trong nước. Thế nhưng việc đưa xăng E5 ra thị trường
còn nhiều trở ngại, lượng tiêu thụ trong thời gian qua ở mức rất thấp. Để có thể duy trì
hoạt động, các doanh nghiệp sản xuất ethanol Việt Nam đang phải tìm đường xuất
khẩu.
Bảng 2.2. Một số nhà máy sản xuất ethanol ở Việt Nam.[3]

Tên nhà máy

Công suất – Nguyên liệu
đầu vào

Nhà máy Ethanol Đại Lộc 100 triệu lít/năm – Sắn

Chủ đầu tư
Công ty Đồng Xanh

– Quảng Nam
Nhà máy Ethanol Cư Dút – 50 triệu lít/năm –Rỉ đường

Công ty Đại Việt

Đắc Nông
Nhà máy Ethanol Tam 100 triệu lít/năm – Sắn, Công ty PVB thuộc PV

14