Nghiên cứu phân đoạn lignocellulose bã mía bằng axit formic thu nhận cellulose sử dụng làm nguyên liệu sản xuất biothanol

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGÔ DUY SẠ

NGHIÊN CỨU PHÂN ĐOẠN LIGNOCELLULOSE BÃ MÍA
BẰNG AXIT FORMIC THU NHẬN CELLULOSE
SỬ DỤNG LÀM NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIOETHANOL

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC

HÀ NỘI - 2017


BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGÔ DUY SẠ

NGHIÊN CỨU PHÂN ĐOẠN LIGNOCELLULOSE BÃ MÍA
BẰNG AXIT FORMIC THU NHẬN CELLULOSE
SỬ DỤNG LÀM NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT BIOETHANOL

Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
Mã số: 62420201

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. Tô Kim Anh
2. TS. Phạm Tuấn Anh

Hà Nội – 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án này là kết quả nghiên cứu của tôi trong thời gian làm nghiên
cứu sinh. Các kết quả này là hoàn toàn trung thực và chƣa đƣợc tác giả khác công bố.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Ngô Duy Sạ


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận án này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới PGS.TS
Tô Kim Anh, TS. Phạm Tuấn Anh- Viện Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm –
Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hƣớng dẫn tận tình và giúp đỡ cho tôi trong suốt quá
trình thực hiện nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành
tới các thầy, các cô giảng viên Bộ môn Hóa Sinh – Vi sinh và Sinh học phân tử và các thầy,
cô giảng viên, các cán bộ nghiên cứu Viện Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm đã
truyền thụ kiến thức, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu khoa học.
Tôi cũng xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới PGS.TS. Lê Quang Diễn, TS. Nguyễn Thị Minh
Phƣơng Bộ môn Công nghệ Xenluloza và Giấy–Viện Kỹ thuật Hoá học Trƣờng Đại học Bách
Khoa Hà Nội đã hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi trong thực hiện một phần nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trƣờng Cao đẳng Cộng đồng Hà Tây cùng
gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và các bạn cùng nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã động
viên và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án.

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến một ngƣời “bạn” đã đồng hành cùng tôi,
luôn có mặt và giúp tôi vƣợt qua hết khó khăn để hoàn thành luận án ngày hôm nay.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Nghiên cứu sinh
Ngô Duy Sạ


MỤC LỤC
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................................... IV
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................................... V
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................................... VI
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................................... 1
1. ĐẶT VẤN ĐỀ.......................................................................................................................................... 1
2. ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU ........................................................................................... 1
3. MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN ................................................................................................................ 2
4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................................................................. 2
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN .......................................................................................... 2
6. ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ..................................................................................................... 3
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .................................................................................... 4
1.1.

CÔNG NGHỆ SINH KHỐI TỪ LIGNOCELLULOSE ........................................................... 4

1.2.

NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE BÃ MÍA ..................................................................... 6

1.2.1. Thành phần, cấu trúc của lignocellulose và bã mía .......................................................... 6
1.2.2. Bã mía và vấn đề sử dụng bã mía ................................................................................... 12
1.3. TIỀN XỬ LÝ LIGNOCELLULOSE TRONG SẢN XUẤT BIOETHANOL........................... 13
1.3.1. Ảnh hƣởng của cấu trúc lignocellulose tới khả năng thủy phân cellulose bằng enzyme14
1.3.2. Các biện pháp tiền xử lý lignocellulose.......................................................................... 16
1.3.3.Lựa chọn kỹ thuật phân đoạn lignocellulose bằng axit formic........................................ 27
1.4. ENZYME THỦY PHÂN CELLULOSE ........................................................................................ 29
1.4.1. Các enzyme thủy phân cellulose .................................................................................... 29
1.4.2. Hoạt động của hệ enzyme cellulase ................................................................................ 30
1.5. THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ETHANOL TỪ CELLULOSE ................................................... 33
1.5.1. Thủy phân lignocellulose và lên men dịch thủy phân .................................................... 33
1.5.4. Các phƣơng pháp thủy phân và lên men sử dụng trong sản xuất ethanol từ
lignocellulose ............................................................................................................................ 36
1.5.2. Sự ức chế quá trình thủy phân cellulose bằng cellulase ................................................. 39
1.5.3. Các chất ức chế hoạt động của nấm men ........................................................................ 41
1.5.5. Nấm men Saccharomyces cerevisiae ............................................................................. 44
CHƯƠNG II. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................... 46
2.1. VẬT LIỆU, HÓA CHẤT, THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU .................................................................. 46
2.2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................................................................... 47
I


2.2.1. Phƣơng pháp phân tích ................................................................................................... 47
2.2.2. Thiết kế thí nghiệm ......................................................................................................... 52
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ................................................. 60
3.1. PHÂN ĐOẠN BÃ MÍA BẰNG AXIT FORMIC ......................................................................... 60
3.1.1. Thành phần bã mía nghiên cứu....................................................................................... 60

3.1.2. Ảnh hƣởng của các điều kiện phân đoạn đến hàm lƣợng glucan bã sau phân đoạn và tỷ
lệ lignin loại bỏ ......................................................................................................................... 61
3.1.3. Nghiên cứu tác động đồng thời của các điều kiện phân đoạn bã mía bằng axit formic
theo phƣơng pháp formiline ..................................................................................................... 67
3.1.4. Một số tính chất của cellulose bã mía phân đoạn formiline .......................................... 71
3.1.5. Mối liên hệ của hàm lƣợng lignin, chỉ số kết tinh cellulose tới khả năng thủy phân
cellulose bã mía phân đoạn ....................................................................................................... 75
3.1.6. Chế độ phân đoạn bã mía bằng axit formic .................................................................... 77
3.1.7. Ảnh hƣởng của rửa kiềm tới chất lƣợng cellulose bã phân đoạn bằng axit formic ........ 80
3.1.8. Phân đoạn bã mía bằng axit formic ở nồng độ bã rắn cao ............................................. 87
3.1.9. Các thành phần dịch phân đoạn bã mía bằng axit formic .............................................. 89
3.2. THỦY PHÂN CELLULOSE BÃ MÍA PHÂN ĐOẠN BẰNG AXIT FORMIC ...................... 93
3.2.1. Một số đặc điểm của chế phẩm enzyme NS 22192 ........................................................ 93
3.2.2. Ảnh hƣởng của nồng độ enzyme đến hiệu suất thủy phân cellulose bã mía phân đoạn 95
3.2.3. Ảnh hƣởng của nồng độ bã rắn tới thủy phân cellulose bã mía phân đoạn bằng enzyme
.................................................................................................................................................. 96
3.2.4. Động học quá trình thủy phân cellulose bã mía phân đoạn ............................................ 98
3.2.5. Ảnh hƣởng ức chế của nồng độ glucose trong dịch thủy phân..................................... 100
3.2.6. Thủy phân cellulose bã mía phân đoạn ở nồng độ bã rắn cao (20%) ........................... 102
3.3. LÊN MEN ETHANOL TỪ BÃ MÍA PHÂN ĐOẠN FORMILINE ......................................... 107
3.3.1. Khả năng lên men dịch thủy phân cellulose bã mía phân đoạn .................................... 107
3.3.2. Thủy phân và lên men gián đoạn (SHF) 20% bã mía phân đoạn ................................. 109
3.3.3. Thủy phân và lên men đồng thời bã mía phân đoạn formiline ..................................... 111
3.3.4. So sánh hiệu quả SSF và SHF ...................................................................................... 116
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................ 118
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 120
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .................................. 130
PHẦN PHỤ LỤC....................................................................................................................... 1
PHỤ LỤC 1. ẢNH CHỤP MẪU BÃ MÍA, DỊCH TXL TRONG QUÁ TRÌNH ĐỂ NGUỘI ......... 1
II

1.1. Ảnh chụp các mẫu bã mía.................................................................................................... 1
1.2. Ảnh chụp dịch TXL trong quá trình để nguội ..................................................................... 3
PHỤ LỤC 2. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH MỘT SỐ CHỈ TIÊU HÓA LÝ CELLULOSE BÃ MÍA,
ẢNH SEM CẤU TRÚC CÁC MẪU BÃ MÍA ........................................................................................ 3
2.1. Ảnh FESEM cấu trúc mẫu bã mía ....................................................................................... 3
2.2. Kết quả phân tích chỉ số kết tinh: ........................................................................................ 5
1.3. Kết quả phân tích mức formyl hóa cellulose ....................................................................... 7
PHỤ LỤC 3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ANOVA BỞI PHẦN MỀM DESIGN EXPERT CHO CÁC
MÔ HÌNH TÁC ĐỘNG ĐỒNG THỜI CỦA ĐIỀU KIỆN PHÂN ĐOẠN ....................................... 11
3.1. Kết quả phân tích ANOVA cho mô hình hàm lƣợng glucan ............................................ 11
3.2. Kết quả phân tích ANOVA cho mô hình hàm lƣợng lignin còn lại .................................. 13
3.1. Kết quả phân tích ANOVA cho mô hình hiệu suất thủy phân cellulose bã phân đoạn ..... 14
3.4. Các phƣơng án phân đoạn đề xuất bở phần mềm Design Expert theo mục tiêu hàm lƣợng
glucan bã 90% .......................................................................................................................... 16
PHỤ LỤC 4. CÁC ĐƢỜNG CHUẨN SỬ DỤNG CHO PHÂN TÍCH HÀM LƢỢNG CÁC
CHẤT .......................................................................................................................................................... 19
4.1. Đƣờng chuẩn phân tích hàm lƣợng đƣờng khử theo phƣơng pháp DNS .......................... 20
4.2. Đƣờng chuẩn phân tích hàm lƣợng glucose bằng D glucose GOD-POD kit .................... 20
4.3. Đƣờng chuẩn phân tích hàm lƣợng gluocse, hàm lƣợng ethanol bằng HPLC .................. 21
PHỤ LỤC 5. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CÁC MẪU BÃ MÍA ................................ 21
5.1. Kết quả phân tích HPLC thành phần bã mía ..................................................................... 21
5.2. Kết quả phân tích hàm lƣợng cellulose tại Viện Công nghiệp giấy và xenluylô .............. 26
PHỤ LỤC 6. ẢNH CHỤP MẪU THỦY PHÂN, LÊN MEN.............................................................. 27
6.1. Ảnh chụp hiển vi sợi cellulose trong quá trình thủy phân ................................................. 27
6.2. Ảnh chụp các mẫu thí nghiệm thủy phân .......................................................................... 27
PHỤ LỤC 7. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH HÀM LƢỢNG ETHANOL.................................................. 29
7.1. Đƣờng chuẩn xác định hàm lƣợng ethanol ........................................................................ 29
7.2. Kết quả phân tích hàm lƣợng ethanol ................................................................................ 30

III


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ/thuật ngữ viết tắt

Ý nghĩa của từ/thuật ngữ viết tắt

AFEX

Nổ hơi trong ammonia - Ammonia fiber explosion

CBD

Miền gắn với cellulose của enzyme - Cellulose binding domain

CBH

Enzyme thủy phân liên kết (1-4)-β-D glucosid từ đầu mạch
cellulose - Cellobiohydrolase

CMC

Carboxymethyl cellulose

CrI

Chỉ số kết tinh cellulose- Cellulose crystallinity index

DNS

Axit dinitrosalicylic

DP

Mức độ polyme hóa- Degree of polymeization

EDTA

Axit ethylene diamine tetraacetic

FESEM

Kính hiển vi điện tử quét trƣờng phát xạ - Field-emission
scanning electronic microscope

FPU

Hoạt tính enzyme thủy phân giấy lọc- Filter paper units

HL

Hàm lƣợng

HMF

5-hydroxy-2-methyl furfural

NREL

OD
SHF

SSF

TAPPI

Phòng thí nghiệm năng lƣợng tái tạo quốc gia Mỹ - National
renewable energy laboratory
Mật độ quang- Optical density
Thủy phân và lên men riêng rẽ - Separate hydrolysis and
fermentation
Thủy

phân

và

lên

men

đồng

thời

-

Simultaneous

saccharification and fermentation
Hiệp hội kỹ thuật Công nghiệp Giấy và Bột giấy (Mỹ) Technical association of the pulp and paper industry

TXL

Tiền xử lý

UI

Đơn vị hoạt tính enzyme quốc tế- International unit

XRD

Nhiễu xạ tia X- X ray diffraction

IV


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Thành phần lignocellulose từ các nguồn khác nhau ................................................. 7
Bảng 1.2. Các phương pháp phân đoạn lignocellulose bằng dung môi .................................. 23
Bảng 1.3. Tính chất và đặc tính thủy phân của các cellululase ............................................... 32
Bảng 1.4. Các chất ức chế, nồng độ được phát hiện và nồng độ ức chế đối với S.cerevisiae . 43
Bảng 2.1. Bố trí thí nghiệm nghiên cứu tác động đồng thời của các điều kiện phân đoạn bã
mía bằng axit formic sử dụng phần mềm Design Expert ......................................................... 53
Bảng 3.1. Bố trí các điều kiện thí nghiệm và kết quả hàm lượng glucan, hàm lượng lignin và
hiệu suất thủy phân bã thu được sau phân đoạn formiline ...................................................... 67
Bảng 3.2. Các mô hình phụ thuộc của hàm lượng glucan, hàm lượng lignin và hiệu suất thủy
phân cellulose bã sau phân đoạn vào nhiệt độ, nồng độ formic và thời gian phân đoạn xây
dựng bởi phần mềm Design expert ........................................................................................... 69

Bảng 3.3. Chỉ số kết tinh cellulose bã mía phân đoạn bằng axit formic ở các chế độ khác
nhau .......................................................................................................................................... 71
Bảng 3.4. Kết quả phân tích hàm lượng formic dịch thủy phân bằng axit H2SO4 các mẫu bã
mía phân đoạn formiline với chế độ rửa kiềm khác nhau ........................................................ 73
Bảng 3.5. Một số phương án phân đoạn theo mục tiêu 90% glucan được đưa ra bởi phần mềm Design
Expert ........................................................................................................................................ 77
Bảng 3.6. Hàm lượng lignin tối đa trong dịch phân đoạn ở các nồng độ bã rắn khác nhau . 87
Bảng 3.7. Tỉ lệ thu hồi lignin dịch phân đoạn bằng kết tủa ..................................................... 91
Bảng 3.8. So sánh một số quá trình SSF ở nồng độ bã rắn cao sử dụng cơ chất lignocellulose
khác nhau, phương pháp TXL khác nhau ............................................................................... 114

V


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Một số sản phẩm chuyển hóa có giá trị từ cellulose và đường ......................... 4
Hình 1.2. Sơ đồ công nghệ sản xuất bioethanol từ sinh khối lignocellulose ..................... 5
Hình 1.3. Cấu trúc lignocellulose ...................................................................................... 6
Hình 1.4. Công thức hóa học của cellulose ....................................................................... 8
Hình 1.5. Mô tả cấu trúc của cellulose trong tế bào thực vật ........................................... 8
Hình 1.6. Cấu trúc chung của lignin ............................................................................... 10
Hình 1.7. Cấu trúc của hemicellulose .............................................................................. 11
Hình 1.8. Biến đổi cấu trúc một số loại nguyên liệu lignocellulose trước và sau nổ hơi 18
Hình 1.9. Mô tả cấu trúc lignocellulose đã TXL với axit bằng siêu máy tính ................. 20
Hình 1.10. Sơ đồ phân đoạn lignocellulose bằng dung môi ............................................ 21
Hình 1.11. Sơ đồ phân đoạn bằng dung môi

formicodeliTM được giới thiệu bởi

Chempolis ......................................................................................................................... 26

Hình 1.12. Mô tả tác động phối hợp thủy phân cellulose của hệ cellulase với sự có mặt
của LMPO ........................................................................................................................ 31
Hình 1.13. Hoạt động thủy phân của cellobiohydrolase ................................................. 32
Hình 1.14. Thiết kế thiết bị thủy phân sử dụng cho quá trình thủy phân lignocellulose ở
nồng độ bã rắn cao (nguồn: nrel.gov).............................................................................. 35
Hình 1.15. Yêu cầu năng lượng cho chưng cất để thu sản phẩm có hàm lượng ethanol 94%
.......................................................................................................................................... 36
Hình 1.16. Sơ đồ hình thành các chất ức chế lên men từ lignocellulose ......................... 43
Hình 2.1. Sơ đồ nghiên cứu và bố trí các thí nghiệm của luận án................................... 52
Hình 3.1. Kết quả phân tích thành phần bã mía nguyên liệu sử dụng trong nghiên cứu 60
Hình 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phân đoạn tới hàm lượng glucan, tỷ lệ lignin loại bỏ
của bã mía phân đoạn bằng axit formic ........................................................................... 61
Hình 3.3. Ảnh hưởng của thời gian phân đoạn tới hàm lượng glucan, tỷ lệ lignin loại bỏ
của bã mía phân đoạn bằng axit formic ........................................................................... 62
Hình 3.4. Ảnh hưởng của kích thước bã tới hàm lượng glucan, tỷ lệ lignin loại bỏ của bã
mía phân đoạn bằng axit formic ....................................................................................... 63
Hình 3.5. Ảnh hưởng của khuấy trộn tới hàm lượng glucan, tỷ lệ lignin loại bỏ của bã
mía phân đoạn bằng axit formic ....................................................................................... 64
Hình 3.6. Ảnh hưởng của nồng độ formic tới hàm lượng glucan, tỷ lệ lignin loại bỏ của
bã mía phân đoạn bằng axit formic .................................................................................. 65
VI


Hình 3.7. Khả năng hòa tan lignin bã mía thu hồi từ dịch phân đoạn trong axit formic ở
các nồng độ formic khác nhau.......................................................................................... 66
Hình 3.8. Đồ thị bề mặt 3D biểu diễn ảnh hưởng của các điều kiện nhiệt độ, nồng độ
formic, thời gian phân đoạn tới ....................................................................................... 70
Hình 3.9. Mối liên hệ giữa chỉ số kết tinh cellulose, hàm lượng lignin bã mía phân đoạn
formiline với nhiệt độ phân đoạn ..................................................................................... 72
Hình 3.10. Ảnh chụp FESEM sợi cellulose trước và sau phân đoạn .............................. 75

Hình 3.11. Tương quan giữa hàm lượng lignin- chỉ số kết tinh và khả năng thủy phân bã mía phân
đoạn. .................................................................................................................................. 76
Hình 3.12. Đồ thị bề mặt 2D biểu diễn mối liên hệ giữa điều kiện phân đoạn với kết quả
phân đoạn ......................................................................................................................... 77
Hình 3.13. Khả năng thủy phân cellulose bã mía bởi NS 22192 ..................................... 79
Hình 3.14. Ảnh hưởng của thời gian rửa kiềm đến hàm lượng lignin còn lại và khả năng
thủy phân bã mía sau xử lý ............................................................................................... 81
Hình 3.15. Ảnh hưởng của nhiệt độ quá trình rửa kiềm đến hàm lượng lignin còn lại và
khả năng thủy phân bã mía sau xử lý ............................................................................... 82
Hình 3.16. Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn/lỏng quá trình rửa kiềm đến khả năng loại bỏ lignin
bã sau phân đoạn.............................................................................................................. 84
Hình 3.17. Ảnh hưởng của chế độ tách dịch đến hàm lượng lignin trong bã sau phân
đoạn và lượng NaOH cần dùng cho rửa kiềm .................................................................. 85
Hình 3.18. Hàm lượng lignin, hàm lượng glucan bã phân đoạn ở các nồng độ bã rắn
khác nhau .......................................................................................................................... 87
Hình 3.19. Tỉ lệ thu hồi bã và glucan bã mía phân đoạn formiline ................................. 88
Hình 3.20. Thành phần chất tan dịch phân đoạn 15% bã mía bằng axit formic............. 90
Hình 3.21. Hình ảnh lignin kết tủa trong dịch phân đoạn bã mía bằng axit formic khi để
nguội ................................................................................................................................. 92
Hình 3.22. So sánh khả năng thủy phân cellulose bã mía của NS221912 và Cellic Ctec2
.......................................................................................................................................... 93
Hình 3.23. Độ ổn định hoạt tính enzyme ở điều kiện thủy phân. ..................................... 94
Hình 3.24. Ảnh hưởng của nồng độ enzyme tới hiệu suất thủy phân glucan bã mía phân
đoạn .................................................................................................................................. 95
Hình 3.25. Ảnh hưởng của nồng độ bã rắn tới thủy phân cellulose bã mía phân đoạn .. 96
Hình 3.26. Ảnh mẫu thủy phân cellulose bã mía phân đoạn với các nồng độ bã rắn khác
nhau .................................................................................................................................. 97
VII

Hình 3.27. Động học quá trình thủy phân cellulose bã mía phân đoạn bằng enzyme. ... 99
Hình 3.28 . Ảnh hưởng của hàm lượng glucose dịch thủy phân đến tốc độ thủy phân và
hiệu suất thủy phân cellulose bã mía phân đoạn............................................................ 101
Hình 3.29. Kết quả thủy phân 96h ở nồng độ bã rắn 20% sử dụng các phương pháp
batch, fed batch .............................................................................................................. 102
Hình 3.30. Diễn biến hiệu suất thủy phân glucan, hàm lượng glucose dịch thủy phân với
quá trình thủy phân 20% bã rắn..................................................................................... 105
. Hình 3.31. Diễn biến quá trình lên men dịch thủy phân bã mía phân đoạn formiline 107
Hình 3.32. Kết quả lên men SHF 20% bã mía phân đoạn formiline. ............................ 110
Hình 3.33. Hiệu suất thủy phân và diễn biến tăng hiệu suất thủy phân ở các nhiệt độ
khác nhau ........................................................................................................................ 112
Hình 3.34. Mức độ hóa lỏng bã trong 24 giờ đầu quá trình thủy phân ........................ 113
Hình 3.35. Kết quả lên men SSF 20% bã rắn ở 37°C và 30°C....................................... 113
Hình 3.36. Diễn biến hàm lượng glucose trong quá trình SSF ở 30°C......................... 115
Hình 3.37. So sánh quá trình SSF và SHF sử dụng 20% bã rắn ................................... 117
-

VIII


MỞ ĐẦU
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Lignocellulose là sinh khối phong phú nhất và có khả năng tái tạo nhanh. Nhiều loại
lignocellulose có chứa hàm lƣợng cellulose cao (30-50%) [149] là nguồn nguyên liệu tốt cho
sản xuất cellulose và thủy phân thành dịch đƣờng cho lên men sản xuất nhiều sản phẩm có giá
trị. Trong đó sản xuất bioethanol từ lignocellulose là một hƣớng có tiềm năng đáp ứng nguồn
nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch [127, 144]. Do đặc điểm về cấu trúc,
lignocellulose cần qua một công đoạn tiền xử lý để có thể thủy phân thành dịch đƣờng cho lên
men. Tiền xử lý có vai trò phá vỡ cấu trúc lignin hoặc hòa tan lignin, hòa tan hemicellulose và
phá vỡ cấu trúc tinh thể của cellulose giúp tăng cƣờng khả năng tiếp xúc của các enzyme

cellulase với cellulose trong bƣớc thủy phân [14, 46, 57]. Các thành phần của lignocellose có
thể đƣợc sử dụng riêng rẽ cho sản phẩm có giá trị. Hơn nữa, sự có mặt của lignin,
hemicellulose và sản phẩm phân hủy của chúng có thể gây ức chế sự thủy phân và quá trình
lên men sau này [17, 86, 153]. Phân đoạn là biện pháp tiền xử lý (TXL) cho phép tách
lignocellulose thành những thành phần riêng, nhờ vậy có thể sử dụng hiệu quả các thành phần
này. Cellulose thu đƣợc có hàm lƣợng cao [153, 160] có thể đƣợc sử dụng cho nhiều mục đích
nhƣ sản xuất giấy, tơ sợi, cellulose vi tinh thể [94, 125] hay thủy phân thành dịch đƣờng cho lên
men bao gồm lên men sản xuất ethanol.
Bã mía là một nguồn sinh khối tiềm năng. Ở Việt Nam, lƣợng bã mía, phụ phẩm từ sản
suất đƣờng mía, ƣớc đạt 6-7 triệu tấn/năm, tập trung ở các nhà máy, là yếu tố thuận lợi lớn
cho sử dụng nguồn sinh khối này. Với hàm lƣợng cellulose cao 40-45% [93, 111], bã mía là
nguyên liệu thích hợp cho sản xuất cellulose hay thủy phân thành dịch đƣờng cho lên men.
Việc sử dụng bã mía để sản xuất cellulose hay dịch đƣờng cho lên men nói chung và sản xuất
ethanol nói riêng còn là giải pháp giúp giải quyết triệt để vấn đề phát sinh chất thải từ bã mía
ở các nhà máy và là giải pháp toàn diện thân thiện với môi trƣờng. Góp phần giải quyết vấn
đề này, chúng tôi tiến hành “Nghiên cứu phân đoạn lignocellulose bã mía bằng axit formic
thu nhận cellulose sử dụng làm nguyên liệu sản xuất bioethanol”.

2. ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Đối tƣợng nghiên cứu : Bã mía, cellulose thu nhận từ bã mía bằng kỹ thuật phân đoạn.
- Phạm vi nghiên cứu: Kỹ thuật phân đoạn bã mía bằng axit formic; thủy phân cellulose bã
mía phân đoạn thu đƣợc, nghiên cứu lên men ethanol từ cellulose bã mía.
1


3. MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN
- Xây dựng đƣợc quy trình phân đoạn bã mía bằng axit formic, thu nhận cellulose sạch (có
hàm lƣợng cao) làm nguyên liệu cho sản xuất bioethanol.
- Nghiên cứu thủy phân và lên men cellulose bã mía phân đoạn nhằm đạt nồng độ cồn trong
dịch lên men cao.

4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu phân đoạn bã mía bằng axit formic
+ Khảo sát các điều kiện của quá trình phân đoạn bã mía bằng axit formic
+ Nghiên cứu tác động đồng thời của các điều kiện phân đoạn bã mía bằng axit formic
+ Một số đặc tính vật lý của cellulose bã mía phân đoạn và khả năng thủy phân của
cellulose bã mía thu đƣợc
- Nghiên cứu thủy phân cellulose bã mía phân đoạn bằng enzyme
+ Ảnh hƣởng của nồng độ enzyme, nồng độ bã rắn tới hiệu suất thủy phân
+ Ảnh hƣởng ức chế sự thủy phân cellulose bằng enzyme bởi glucose
+ Động học quá trình thủy phân cellulose bã mía phân đoạn thu đƣợc
+ Thủy phân bã mía phân đoạn ở nồng độ bã rắn 20%
- Nghiên cứu lên men ethanol từ cellulose bã mía phân đoạn
+ Lên men dịch thủy phân cellulose bã mía phân đoạn
+ Nghiên cứu phƣơng án nâng cao nồng độ ethanol trong dịch lên men và hiệu suất thu
hồi ethanol từ cellulose bã mía phân đoạn.

5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
- Ý nghĩa khoa học:
+ Các kết quả của luận án bổ sung thêm kiến thức về quá trình phân đoạn thu cellulose từ
nguyên liệu lignocellulose bằng axit formic. Luận án cung cấp cơ sở khoa học cho lựa chọn
kỹ thuật phân đoạn bã mía bằng axit formic
+ Cung cấp cơ sở khoa học cho lựa chọn kỹ thuật thủy phân và lên men ethanol từ
cellulose bã mía phân đoạn bằng axit formic đạt hiệu suất thu hồi ethanol cao.
- Ý nghĩa thực tiễn:
+ Kết quả nghiên cứu cho phép phát triển công nghệ sản xuất cellulose từ bã mía ứng
dụng cho phát triển vật liệu cellulose và làm nguyên liệu sản xuất các sản phẩm sinh học,
nâng cao giá trị của phụ phẩm bã mía.

2

+ Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho phát triển công nghệ sản xuất bioethanol từ bã mía tại
Việt nam.

6. ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
- Đánh giá tác động đồng thời của các điều kiện phân đoạn và xây dựng mô hình ảnh
hƣởng của các điều kiện phân đoạn đến hiệu quả phân đoạn bã mía bằng axit formic, đánh
giá ảnh hƣởng của các điều kiện rửa kiềm đến hàm lƣợng lignin, hiệu suất thủy phân cellulose
bã mía phân đoạn.
- Là nghiên cứu đầu tiên tại Việt Nam sử dụng axit formic để phân đoạn bã mía thu
cellulose. Quá trình phân đoạn bã mía theo chế độ lựa chọn cho phép thu cellulose có độ sạch
90,02±1,47%, đƣợc thủy phân với hiệu suất 90,04±0,53% glucan; dịch thủy phân đƣợc lên
men dễ dàng, hiệu suất lên men đạt 90,34±1,19%.
- Cellulose bã mía phân đoạn đƣợc chuyển hóa thành ethanol đạt hiệu suất thu hồi 81,66
±1,88%, nồng độ ethanol trong dịch lên men SSF đạt 82,46±3,42 g/L (>10% v/v), tiếp cận
yêu cầu của công nghiệp sản xuất ethanol.

3


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. CÔNG NGHỆ SINH KHỐI TỪ LIGNOCELLULOSE
Công nghệ sinh khối là một lĩnh vực rộng liên quan đến chế biến hay chuyển hóa sinh
khối thành các sản phẩm khác nhau. Trong công nghệ sinh khối ở thời điểm hiện tại,
lignocellulose là nguyên liệu đƣợc quan tâm nhất. Lignocellulose là là thành phần chính cấu
trúc lên thành tế bào thực vật. Sản lƣợng lignocellulose hàng năm trên toàn thế giới đƣợc ƣớc
tính vào khoảng 1 x 1011 triệu tấn [115]. Công nghệ sinh khối từ lignocellulose và các sản
phẩm có thể đƣợc mô tả nhƣ Hình 1.1.
Sinh khối

(lignocellulose)

Tiền xử lý

Lignin
(Phenol-polymer)

Hemicellulose
(pentose, hexose)

Cellulose
(Glucose-polymer)

Vật liệu
cellulose, giấy,
cell-vi tinh thể…

Thủy phân
Chất kết dính, keo
dán, sợi các bon
Vanillin, Quinone,
Guaiacol…

Chất đốt

Xylitol
Glucose

HMF,
Axit

levulinic

Lên men

Fufural

Nhựa fufural,
Nylon…

Ethanol

Chất làm mềm,
dung môi

Axit hữu cơ
Glycerin…

Hóa
polyme

chất,

Hình 1.1. Một số sản phẩm chuyển hóa có giá trị từ cellulose và đường [39, 94]

Trong công nghệ sinh khối lignocellulose, cellulose và sản phẩm thủy phân của nó là
đƣờng đƣợc chuyển hóa thành nhiều sản phẩm khác nhau [39]. Có nhiều phƣơng pháp tiền xử
lý (TXL) có thể đƣợc áp dụng để TXL lignocellulose, cho phép tách riêng các thành phần
cellulose, hemicellulose và lignin ở mức độ khác nhau. Phƣơng pháp phân đoạn lignocellulose
bằng dung môi là biện pháp TXL cho phép tách lignocellulose các thành phần cellulose,
hemicellulose, lignin. Cellulose thu đƣợc có hàm lƣợng cao hay độ tinh sạch cao có thể đƣợc

sử dụng làm bột giấy, sản xuất các vật liệu cellulose, sản xuất tơ sợi v.v. [94, 125] hoặc để
4


thủy phân tạo đƣờng cho lên men sản xuất nhiều sản phẩm nhƣ sản xuất sinh khối nấm men,
glycerin, các axit hữu cơ, ethanol v.v..
Tƣơng tự với cellulose, hemicellulose hay các đƣờng 5 cacbon thu đƣợc có thể đƣợc sử
dụng cho lên men tạo thành nhiều sản phẩm khác nhau [69]. Phần lignin thu đƣợc có thể đƣợc
sử dụng để điều chế các chất hóa học nhƣ các quinol, vanilline v.v.. Phần lignin ở dạng
polyme có thể đƣợc ứng dụng trong việc tạo độ cứng, chống thấm nƣớc cho các sản phẩm
giấy, gỗ công nghiệp; làm chất kết dính, keo dán, sợi cacbon v.v.. [13].
Lignocellulose

Tiền xử lý
(phân đoạn)

(Hemicellulose)
Pentose
Phụ phẩm chăn
nuôi

Ethanol

Cellulose

Thủy phân

Lên men
ethanol

Chƣng cất

Lên men
ethanol
Lignin

Hình 1.2. Sơ đồ công nghệ sản xuất bioethanol từ sinh khối lignocellulose

Bioethanol thế hệ 2 hay bioethanol từ lignocellulose là một sản phẩm tiềm năng của công
nghệ sinh khối lignocellulose. Với sản lƣợng lớn của lignocellulose, bioethanol từ nguồn sinh
khối này có khả năng đáp ứng nhu cầu ethanol nhiên liệu để thay thế cho nhiên liệu hóa thạch
đang dần cạn kiệt. Quá trình sản xuất bioethanol từ lignocellulose có thể mô tả nhƣ ở Hình 1.2.
Các sản phẩm đƣờng pentose thu đƣợc từ quá trình TXL và thủy phân bởi enzyme có thể
đƣợc lên men thành ethanol. Tuy nhiên để thực hiện điều này đòi hỏi phải phối hợp các chủng
vi sinh vật có khả năng lên men đƣờng pentose với nấm men Saccharomyces cerevisiae hoặc
sử dụng các chủng biến đổi gen. Hiện tại, khả năng lên men các đƣờng C5 đạt đƣợc thấp, mặt
khác các đƣờng C5 nhƣ xylose có thể đƣợc tách riêng cho các ứng dụng hấp dẫn nhƣ sản xuất
xylitol v.v. [51, 72]. Vì vậy sẽ tốt hơn nếu đƣờng pentose đƣợc tách ra để sử dụng cho các
mục đích riêng.
Các công đoạn chính sản xuất ethanol từ lignocellulose gồm TXL lignocellulose, thủy
phân cellulose và lên men tạo ethanol. Trong đó TXL đƣợc coi là bƣớc có vai trò quyết định,
có tác động lớn đến tất cả các bƣớc tiếp theo của toàn bộ quá trình nhƣ hiệu quả thủy phân,
khả năng lên men v.v. [14, 32, 139]. Trong khuôn khổ luận án này, chúng tôi tập trung theo
5


hƣớng thu cellulose sau đó thủy phân thành dịch đƣờng và sử dụng cho lên men ethanol. Biện
pháp TXL đƣợc nghiên cứu nhằm mục đích tạo thành nguồn nguyên liệu cellulose có hàm
lƣợng cao, có thể đƣợc ứng dụng cho nhiều mục đích. Đồng thời các sản phẩm phụ lignin,
hemicellulose có thể đƣợc phân riêng.

1.2. NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE BÃ MÍA
Lignocellulose đƣợc sử dụng trong công nghệ sinh khối có thể từ nhiều nguồn khác nhau
nhƣ gỗ, rơm rạ, bã mía v.v. Mặc dù là nguồn nguyên liệu sẵn có và rẻ tiền, tuy nhiên việc thu
gom và tập trung nguyên liệu làm gia tăng đáng kể chi phí của sản xuất. Theo số liệu của
FAO năm 2015, mía đƣợc trồng ở hơn 90 quốc gia trên thế giới với diện tích khoảng 23 triệu
hecta, sản lƣợng mía ƣớc đạt 1,83 tỷ tấn (nguồn: fenix.fao.org). Với hàm lƣợng bã khoảng 3033%, sản lƣợng bã mía hàng năm thải ra từ sản xuất đƣờng mía khoảng 54-60 triệu tấn. Ở
Việt Nam, theo số liệu của Tổng cục Thống kê, tổng diện tích trồng mía cả nƣớc vụ 2012/13
đạt khoảng 309,3 ngàn hecta, sản lƣợng mía đạt hơn 20 triệu tấn. Nhƣ vậy, mỗi năm cả nƣớc
thải ra 6-7 triệu tấn bã mía. Bã mía không chỉ là nguồn sinh khối có số lƣợng lớn mà ƣu thế
nổi bật của nguồn sinh khối này là tập trung ở các nhà máy đƣờng giúp tiết kiệm chi phí cho
việc thu gom nguyên liệu.
1.2.1. Thành phần, cấu trúc của lignocellulose và bã mía

Hình 1.3. Cấu trúc lignocellulose [23]

6


Về thành phần và cấu trúc, bã mía cũng giống nhƣ các sinh khối lignocellulose khác.
Thành phần, cấu trúc của lignocellulose có vai trò quan trọng quyết định đến khả năng đƣợc
sử dụng của loại sinh khối này. Các thành phần chủ yếu của lignocellulose là cellulose,
hemicellulose và lignin nằm xen kẽ và tƣơng tác lẫn nhau tạo thành một cấu trúc vững chắc
(Hình 1.3) [66, 83] làm cho vật liệu này khó đƣợc sử dụng, đồng thời làm giảm giá trị sử dụng
của mỗi thành phần. Các thành phần này đƣợc mô tả với lignin, hemicellulose tồn tại ở dạng
vô định hình; cellulose tồn tại ở dạng cấu trúc tinh thể. Lignin bao bọc bên ngoài, liên kết với
hemicellulose và cả cellulose, hemicellulose nằm xen kẽ với cellulose [33]. Các loại
lignocellulose khác nhau, thành phần cellulose, hemicellulose và lignin có sự khác biệt (Bảng
1.1).
Bảng 1.1: Thành phần lignocellulose từ các nguồn khác nhau [149]

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

Vỏ trấu

32.1

24

18

Vỏ trấu lúa mì

30

50

15

Giấy

85-99

0

0-15

Lá cây

15-20

80-85

0

Bông

80-95

5-20

0

Các loại cỏ

25-40

25-50

10-30

Xác cây mía

54.87

16.52

23.33

Bã mía

42

25

20

1.2.1.1. Cellulose
Cellulose là thành phần có giá trị nhất trong lignocellulose hiện nay, có công thức cấu tạo
(C6H10O5)n, là thành phần chủ yếu của thành tế bào thực vật, gồm nhiều cellobiose liên kết
với nhau tạo thành chuỗi 4-O-(β-D-Glucopyranosyl)-D-glucopyranose (Hình 1.4). Cellulose
cũng là hợp chất hữu cơ nhiều nhất trong sinh quyển, hàng năm thực vật tổng hợp đƣợc
khoảng 5 x 1010 tấn cellulose. Hàm lƣợng cellulose có thể chiếm 15 - 90% trong các
lignocellulose khác nhau nhƣ lá cây, bông [71]; trong bã mía cellulose khoảng 34,4–55% [75,
106].

7


Về cấu trúc, các mạch cellulose đƣợc 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 hầu hết các
trƣờng hợp, cellulose đƣợc bao bọc bởi hemicellulose và lignin [33], điều này làm cho

cellulose tự nhiên nằm trong cấu trúc của lignocellulose khó đƣợc tiếp cận và thủy phân bởi
enzyme.

Hình 1.4. Công thức hóa học của cellulose (nguồn: wikimedia)

Hình 1.5. Mô tả cấu trúc của cellulose trong tế bào thực vật (nguồn: bio1151.nicerweb.com)

Các nghiên cứu cho thấy phân tử cellulose không phân nhánh và có mạch phân tử khá
dài, từ 3000 đến 10.000 đơn vị glucose, khi đƣợc thuỷ phân hoàn toàn thì thu đƣợc glucose.
Các phân tử cellulose kết hợp nhau tạo thành micel là bó sợi có chiều dày 50-100Å. Các micel
lại tạo thành bó microfibril với đƣờng kính khoảng 250Å, các microfibril tập hợp thành fibril
có đƣờng kính 2000Å có thể quan sát đƣợc bằng kính hiển vi thƣờng (Hình 1.5). Các sợi
cellulose chính là các fibril, gồm các phân tử cellulose liên kết với nhau bằng rất nhiều liên
kết hydro, tạo cấu trúc dạng sợi bền chắc. Trong cấu trúc sợi của cellulose, có những đoạn
(segment) mà liên kết giữa các phân tử cellulose yếu hơn đƣợc gọi là vùng vô định hình.
Vùng này dễ bị tác động của các tác nhân hóa học, sinh học; khi vùng này bị phân cắt, vùng
tinh thể của sợi cellulose đƣợc tách ra để điều chế cellulose vi tinh thể có nhiều ứng dụng
trong y học, công nghiệp và thực phẩm [71]. Ở vùng các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ
với nhau, tạo thành cấu trúc tinh thể. Vùng này khó bị tấn công bởi enzyme cũng nhƣ hóa chất.
8


Chỉ số kết tinh của cellulose (CrI ) thƣờng từ 30 đến 80%, tùy theo phần trăm cellulose tồn tại
ở dạng tinh thể. Cellulose bã mía có CrI khoảng 48,0% và phụ thuộc lớn vào hàm lƣợng
hemicellulose có mặt. Sau quá trình TXL, chỉ số kết tinh có thể tăng lên hoặc giảm đi phụ
thuộc vào hàm lƣợng hemicellulose còn lại và phƣơng pháp TXL. Nghiên cứu của Roberta,
sau quá trình TXL với SO2 và CO2, chỉ số kết tinh cellulose bã mía thu đƣợc là 65,5% và 56,4%
tƣơng ứng với lƣợng hemicellulose loại bỏ là 68,3% và 40,5% [110]. Trong quá trình TXL,
việc mở cấu trúc tinh thể của cellulose đồng nghĩa với việc làm đứt gãy các liên kết hydro,
giải phóng các gốc hydroxyl tự do, làm lỏng lẻo mối liên kết giữa các sợi cellulose giúp cho

sự xâm nhập và thủy phân cellulose bởi các cellulase dễ dàng hơn.
Dung dịch kiềm ở nồng độ khác nhau và ở nhiệt độ khác nhau có khả năng hòa tan
cellulose với mức polyme hóa khác nhau [33]. Dù vậy trong cấu trúc của lignocellulose,
cellulose tồn tại ở dạng các fibril hay các sợi và không có khả năng hòa tan. Tuy nhiên trong
quá trình TXL cấu trúc tinh thể của cellulose giảm đi, mạch cellulose có thể bị thủy phân hay
cắt ngắn. Khi đó một phần cellulose có thể đƣợc hòa tan làm giảm hiệu suất thu hồi bột
cellulose.
Cellulose bị thủy phân bởi axit. Trong axit đậm đặc (H2SO4 72%) quá trình thủy phân có
thể xảy ra ở nhiệt độ thƣờng (30°C). Trong axit loãng, quá trình thủy phân cellulose diễn ra
chậm vì vậy thƣờng đƣợc thực hiện ở nhiệt độ cao 140-180°C. Thủy phân gỗ có thể đƣợc thực
hiện ở nồng độ H2SO4 0,5% ở nhiệt độ 180°C [1]. Ở nồng độ H2SO4 4%, nhiệt độ 121°C trong
thời gian 60 phút, chỉ các mạch cellulose ngắn đƣợc thủy phân thành đƣờng [124]. Ở nồng độ
axit sulphuric 10%, nhiệt độ 100°C, trong thời gian 40 phút, cellulose thủy phân và hòa tan
khoảng 15% [28]. Tính chất này cho thấy trong quá trình TXL bằng axit một phần cellulose
có thể bị thủy phân hay hòa tan, đặc biệt là khi tiến hành ở nhiệt độ cao trong thời gian dài.
1.2.1.2. Lignin
Lignin là một trong các polyme hữu cơ phổ biến trên trái đất. Lignin là một phức chất,
tồn tại chủ yếu ở giữa các tế bào và trong thành tế bào thực vật. Lignin có cấu trúc không gian
3 chiều phức tạp, vô định hình, chiếm 17% đến 33% thành phần của lignocellulose [43];
khoảng 27-32% ở cây thân gỗ và khoảng 14-25% trong cây thân thảo [33]. Trong bã mía
lignin chiếm khoảng 18–24% [75, 106]. Lignin có liên kết chặt chẽ với các carbohydrate giúp
thực vật cứng chắc và giòn. Thực vật càng già, lƣợng lignin tích tụ càng lớn.
Lignin đƣợc cấu thành từ các đơn vị phenylpropene. Các đơn vị điển hình cấu trúc lên
lignin là: guaiacyl (G), trans-coniferyl alcohol; syringyl (S), trans-sinapyl alcohol; phydroxylphenyl (H), trans-p-courmary alcohol (Hình 1.6).
9


Lignin bao bọc cellulose, tạo liên kết hóa học với hemicellulose và ngay cả với cellulose
(nhƣng không nhiều). Độ bền hóa học của những liên kết này phụ thuộc vào bản chất liên kết,
cấu trúc hóa học của lignin và các gốc đƣờng tham gia liên kết. Các liên kết có thể là ether,

ester (liên kết với xylan qua axit 4-O-methyl-D-glucuronic), hay glycoside (phản ứng giữa
nhóm khử của hemicellulose và nhóm OH phenolic của lignin) [33].

Hình 1.6. Cấu trúc chung của lignin [85]

Cấu trúc hóa học của lignin dễ bị thay đổi trong điều kiện nhiệt độ cao và pH thấp nhƣ
điều kiện trong quá trình TXL bằng hơi nƣớc, axit. Ở nhiệt độ phản ứng cao hơn 200°C, lignin
bị kết khối thành những phần riêng biệt và tách ra khỏi cellulose [66]. Các nghiên cứu quá
trình thủy phân cellulose bằng enzyme cho thấy, dƣới tác động của nhiệt độ cao, sự phá hủy
cấu trúc lignin làm cho cellulose dễ bị tác động bởi enzyme [14, 66, 70].
Lignin dễ bị thủy phân (cắt ngắn) trong môi trƣờng kiềm, đặc biệt là khi đã đƣợc tách ra
khỏi cấu trúc của lignocellulose. Bằng việc xử lý trong môi trƣờng kiềm có thể làm thủy phân
và tách ra gần nhƣ hoàn toàn lƣợng lignin, nhờ đó cellulose dễ đƣợc thủy phân. Các sản phẩm
phân hủy của lignin có thể ức chế hoạt động của vi sinh vật trong quá trình lên men [1].
Lignin cũng có thể đƣợc hòa tan trong các dung môi hữu cơ. Các dung môi hữu cơ khác nhau
có khả năng hòa tan lignin ở mức độ khác nhau [38, 41, 42, 153]. Lignin hòa tan vào dung
môi hữu cơ ở dạng polyme, có phân tử lƣợng lớn [42, 141] do vậy có thể đƣợc kết tủa thu hồi
từ dung môi. Lignin thu đƣợc có độ tinh khiết cao [14].
1.2.1.3. Hemicellulose
Hemicellulose là một loại polyme phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng 70
đến 200 đơn phân. Hemicellulose chứa cả đƣờng 6 carbon gồm glucose, mannose, galactose
và đƣờng 5 carbon gồm xylose, arabinose. Hemicellulose có liên kết chặt chẽ với cellulose, là
một trong ba sinh khối tự nhiên chính. Cùng với cellulose và lignin, hemicellulose tạo nên
10


thành tế bào vững chắc ở thực vật. Ngoài các thành phần chính là D-glucose, D-galactose, Dmannose, D-xylose và L-arabinose, hemicellulose còn chứa cả axit 4-O-methylglucuronic,
axit D-galacturonic và axit glucuronic [33].

A

B

Hình 1.7. Cấu trúc của hemicellulose
A)Dạng cấu trúc phổ biến (nguồn: en.wikipedia.org), B) Cấu trúc xylan của bã mía [30]

Cấu tạo của hemicellulose khá phức tạp và đa dạng tùy vào loại lignocellulose (Hình 1.7).
Tuy nhiên có một vài điểm chung gồm: mạch chính của hemicellulose đƣợc cấu tạo từ liên kết
β-1,4-D-xylopyranose, xylose là thành phần quan trọng nhất, nhóm thế phổ biến nhất là nhóm
acetyl O – liên kết ở vị trí 2 hoặc 3. Chính vì đặc điểm này, quá trình thủy phân các
lignocellulose có chứa hàm lƣợng hemicellulose cao thƣờng tạo thành nhiều axit acetic gây ức
chế đối với quá trình lên men, đặc biệt là trong trƣờng hợp sử dụng nồng độ bã rắn cao [146].
Mạch nhánh cấu tạo từ các nhóm đơn giản, thông thƣờng là disaccharide hoặc trisaccharide.
Sự liên kết của hemicellulose với cellulose 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 [33].
Tùy theo trong thành phần của hemicellulose có chứa chủ yếu monosaccharide nào mà nó
sẽ có tên tƣơng ứng nhƣ manan, galactan, glucan và xylan. Bã mía có hàm lƣợng
hemicellulose khoảng 18,4–25% với tỉ lệ thành phần xylan ở mức cao (chiếm >85%
hemicellulose). Thành phần hemicellulose bã mía gồm xylan 22,1%, arabinan 2,11%, manan
0,47%, galactan 2,11% [10, 75].

Hemicellulose đƣợc thủy phân dễ dàng trong dung dịch
11


axit loãng nóng (2% HCl), hoặc trong dung dịch kiềm lạnh 5% (5% Na2CO3) [33]. Trong axit
đậm đặc, quá trình thủy phân hemicellulose có thể xảy ra ở nhiệt độ thƣờng. Trong axit loãng,
quá trình thủy phân hemicellulose thƣờng đƣợc thực hiện ở nhiệt độ 140-180°C [1]. Tƣơng tự
nhƣ cellulose, hemicellulose có thể bị phản ứng cắt dần mạch trong môi trƣờng kiềm nhẹ
(Peeling Reaction- phản ứng cắt dần các phân tử đƣờng khỏi carbohydrate từ đầu có tính khử).

Với những tính chất này, hemicellulose có thể đƣợc hòa tan hay thủy phân và tách khỏi
lignocellulose, cho phép thu hồi cellulose có hàm lƣợng cao và dễ đƣợc thủy phân.
Nhìn chung bã mía có hàm lƣợng cellulose cao và xylan chiếm chủ yếu trong
hemicellulose. Đây là hai thành phần có giá trị nhất, có nhiều ứng dụng cho sản xuất các sản
phẩm có giá trị cao. Hàm lƣợng đƣờng xylose có thể chiếm tới >92% các loại đƣờng từ
hemicellulose trong dịch thủy phân [75] cho phép phần hemicellulose tách ra có thể đƣợc sử
dụng hiệu quả cho các ứng dụng nhƣ sản xuất xylitol, v.v.
1.2.2. Bã mía và vấn đề sử dụng bã mía
Bã mía đƣợc thải ra từ quá trình ép đƣờng, có số lƣợng lớn và tập trung ở các nhà máy
đƣờng. Đây là yếu tố rất thuận lợi cho việc sử dụng nguồn sinh khối này. Bã mía có thể đƣợc
sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau nhƣ làm phân bón, làm giá thể trồng nấm, đốt để chạy
máy phát điện, sản xuất giấy, sản xuất ethanol v.v.
Bã mía có thể đƣợc sử dụng để sản xuất giấy. Nó đã đƣợc dùng để sản xuất các loại giấy
in có yêu cầu chất lƣợng không cao nhƣ giấy in báo. Tuy nhiên việc sản xuất giấy từ bã mía
hiện nay còn nhiều khó khăn và không kinh tế [100]. Mặc dù vậy, khi các công nghệ TXL
đƣợc phát triển và áp dụng vào sản xuất giấy, cho phép sản xuất đƣợc bột cellulose bã mía có
chất lƣợng cao, hàm lƣợng cellulose lớn với chi phí phù hợp thì sản xuất giấy từ bã mía có thể
có nhiều thuận lợi và cho phép sản xuất nhiều loại giấy cao cấp.
Sử dụng bã mía để phát điện đƣợc đánh giá là giải pháp có hiệu quả kinh tế cao cho các
nhà máy đƣờng. Các nhà máy sản xuất điện từ bã mía không chỉ đủ cung cấp toàn bộ nhu cầu
điện cho hoạt động của nhà máy đƣờng mà còn có thể đƣợc sản xuất dƣ thừa với số lƣợng lớn
để cung cấp vào lƣới điện chung. Tuy nhiên những vấn đề về vốn đầu tƣ lớn, cơ chế và giá
bán điện, vấn đề mùa vụ là trở ngại cho giải pháp này [5].
Bã mía có thể đƣợc thủy phân thành dịch đƣờng cho lên men nhiều sản phẩm khác nhau.
Trong đó sản xuất ethanol từ bã mía là một hƣớng tiềm năng đáp ứng chiến lƣợc phát triển
ethanol nhiên liệu trong tƣơng lai. Bioethanol là sản phẩm tiềm năng và các nghiên cứu trong
lĩnh vực này đã đạt đƣợc những thành tựu lớn. Tuy vậy sản xuất ethanol từ lignocellulose vẫn
chƣa đƣợc thƣơng mại hóa thực sự do các lý do về kỹ thuật và kinh tế. Việc chỉ sử dụng phần
cellulose cho sản xuất ethanol trong khi một lƣợng lớn các thành phần lignin và hemicellulose
12

chƣa đƣợc sử dụng hiệu quả làm giảm khả năng cạnh tranh của việc sản xuất ethanol. Các
nghiên cứu xung quanh lĩnh vực sản xuất ethanol từ lignocellulose nhƣ giảm chi phí sản xuất,
nghiên cứu các ứng dụng của lignin, hemicellulose vẫn đang đƣợc thực hiện sẽ cho phép sản
xuất dần đạt hiệu quả hơn. Trong tƣơng lai không xa, bã mía sẽ là nguồn nguyên liệu thay thế
tốt cho sắn để sản xuất ethanol thế hệ 2.
Ngoài ra, bã mía có thể đƣợc sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau nhƣ để sản xuất
phân bón vi sinh , sử dụng làm giá thể trồng nấm [3] hay ép làm củi đốt v.v. Tuy nhiên lƣợng
bã mía đƣợc sử dụng cho sản xuất các sản phẩm này không nhiều, không giúp giải quyết đƣợc
triệt để lƣợng bã mía thải ra từ các nhà máy đƣờng.
Các sản phẩm đang đƣợc sản xuất từ bã mía có giá trị không cao hay quy mô phát triển
chƣa tƣơng xứng nên đầu tƣ sản xuất không đồng bộ, không sử dụng đƣợc hết lƣợng bã mía
thải ra. Phần bã mía không đƣợc sử dụng dẫn đến nhiều vấn đề về môi trƣờng. Ở các nhà máy
đƣờng ở Việt Nam, do chƣa có một giải pháp sử dụng hiệu quả và triệt để lƣợng bã mía thải
ra dẫn tới việc quản lý và sử dụng bã mía bị buông lỏng gây ô nhiễm môi trƣờng xung quanh
khu vực các nhà máy. Chất thải từ bã mía, chủ yếu là bã mía, bã bùn đƣợc để tích tụ nhiều
năm gây ô nhiễm không khí, ô nhiễm nguồn nƣớc sinh hoạt của dân cƣ trong vùng. Hiện
tƣợng ô nhiễm môi trƣờng ở gần các nhà máy đƣờng trở lên nghiêm trọng khi nƣớc mƣa ứ
đọng kéo theo chất thải, nƣớc thải tràn ra xung quanh.
Mặc dù bã mía có số lƣợng lớn và tập trung ở các nhà máy đƣờng tuy nhiên để sản xuất
các sản phẩm hoàn thiện từ bã mía một cách hiệu quả đòi hỏi đầu tƣ công nghệ cao và đồng
bộ, có thể phải tính toán nhiều về kinh tế. Nếu đƣợc phân đoạn tốt thành các thành phần riêng,
các thành phần này có thể đƣợc sử dụng riêng cho các ứng dụng có giá trị cao. Bột cellulose
có hàm lƣợng cao, có thể đƣợc sử dụng cho sản xuất giấy, cellulose vi tinh thể, tơ sợi v.v.
Đồng thời một nguyên liệu có hàm lƣợng cellulose cao cũng cho phép sản xuất ethanol đạt
hiệu quả hơn do giảm chi phí thiết bị, chi phí quá trình sản xuất, chi phí thu hồi ethanol nhờ
việc đạt nồng độ đƣờng cao trong dịch thủy phân và hàm lƣợng ethanol cao trong dịch lên
men.

1.3.

TIỀN

XỬ

LÝ

LIGNOCELLULOSE

TRONG

SẢN

XUẤT

BIOETHANOL
Để sản xuất bioethanol từ bã mía hay các lignocellulose nói chung, vấn đề then chốt là
phải thủy phân hiệu quả cellulose. Cellulose tồn tại trong cấu trúc tự nhiên của lignocellulose
không thể đƣợc thủy phân hiệu quả. Chính vì vậy, TXL là công đoạn quan trọng cần đƣợc

13