Khảo sát tối ưu hóa một số thông số quá trình lên men bioethanol từ vỏ chuối bằng phương pháp SSCF sử dụng saccharomyces cerevisiae kết hợp với pichia anomal

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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT TỐI ƯU HÓA MỘT SỐ THÔNG SỐ
CỦA QUÁ TRÌNH LÊN MEN BIOETHANOL
TỪ VỎ CHUỐI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SSCF
SỬ DỤNG SACCHAROMYCES CEREVISIAE
KẾT HỢP VỚI PICHIA ANOMALA

Ngành:

CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Giảng viên hướng dẫn: Th.S Trần Thị Tưởng An
Sinh viên thực hiện: Đoàn Thị Diễm Phương
MSSV: 1151110026

Lớp: 11DSH01

TP. Hồ Chí Minh, 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng, đồ án tốt nghiệp “Khảo sát tối ưu hóa một số thông số
quá trình lên men bioethanol từ vỏ chuối bằng phương pháp SSCF sử dụng
Saccharomyces cerevisiae kết hợp với Pichia anomala.”là công trình nghiên cứu
thực sự của cá nhân tôi, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, kiến thức

và dựa trên sự hướng dẫn của Th.S Trần Thị Tưởng An.
Các số liệu sử dụng trong đồ án là trung thực và có nguồn gốc cụ thể, rõ ràng.
Nội dung đồ án có kham khảo và sử dụng các tài liệu thông tin được đăng tải trên
các sách, tác phẩm, tạp chí và các trang web theo danh mục tài liệu của đồ án.


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Công Nghệ
Thành Phố Hồ Chí Minh, Ban chủ nhiệm khoa Khoa Công Nghệ Sinh Học - Thực
Phẩm- Môi Trường đã tạo điều kiện cho em được thực hiện bài khóa luận này. Em
xin cảm ơn toàn thể thầy cô trong Bộ môn Công Nghệ Sinh Học đã truyền đạt các
kiến thức và kỹ năng chuyên sâu để em có thể hoàn thành bài khóa luận này.
Trong suốt khoảng thời gian làm khóa luận tốt nghiệp tại phòng thí nghiệm
Năng Lượng Sinh Học – Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh. Em xin chân thành
gửi lời cảm ơn đến:
Th.S Trần Thị Tưởng An, trường Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh. Cô
luôn luôn theo sát, tận tình chỉ bảo, truyền đạt các kiến thức, kinh nghiệm chuyên
môn, hướng dẫn, động viên em trong suốt quá trình em thực hiện đề tài.
Em xin gửi lời cảm ơn đến các anh, các chị làm việc trong phòng thí nghiệm
đã nhiệt tình hỗ trợ em trong suốt thời gian làm việc ở đây.
Cảm ơn bố mẹ, người đã luôn luôn bên cạnh động viên tinh thần em trong những
lúc em cảm thấy khó khăn nhất.
Cuối cùng, cảm ơn tất cả các bạn trong phòng thí nghiệm những người bạn đã
luôn bên cạnh và giúp đỡ em trong mọi việc.


Một lần nữa em
xin chân thành
cảm ơn.
Đoàn Thị Diễm

Phương


Đồ án tốt nghiệp

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................2
MỤC LỤC................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................ vi
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................8
1.

Đặt vấn đề. .....................................................................................................8

2.

Mục tiêu đề tài. ..............................................................................................9

3.

Nội dung nghiên cứu. ....................................................................................9

4.

..............................................................................9

5.

Bố cụ

..........................................................................................10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ...................................................................11
1.1. Giới thiệu về bioethanol. .............................................................................11
1.1.1.

Các thế hệ của bioethanol..................................................................14

1.1.2.

Khái niệm. .........................................................................................11

1.1.3.

Nguồn nguyên liệu lignocellulose để sản xuất bioethanol ................15

1.1.4.

Ứng dụng lợi ích và hạn chế của Bioethanol ....................................17

1.1.5.

Quy trình sản xuất bioethanol từ nguồn lignocellulose.....................18

1.1.6.

Tình hình sản xuất và tiêu thụ Bioethanol ở tại Việt Nam và trên thế

giới.

26

1.1.7.

Tình hình nghiên cứu bioethanol tại Việt Nam và trên thế giới........30

1.2. Giới thiệu về cây chuối sứ. ............................................................................1

i


Đồ án tốt nghiệp

1.2.1

ối....................................................................1

1.2.2

Thành phần hóa học và giá trị dinh dưỡng của vỏ trái chuối .................1

1.2.3

Tình hình sản xuất, diện tích và sản lượng chuối tại Việt Nam .............2

1.2.4

Tình hình sản xuất và sản lượng chuối trên thế giới...............................4

1.3. Giới thiệu chủng nấm men lên men bioethanol.............................................5
1.3.1

Chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae. ..........................................5

1.3.2

Chủng nấm men Pichia anomala. ..........................................................7

2.1

Thời gian và địa điểm nghiên cứu. ................................................................9

2.3

Vật liệu. .........................................................................................................9

2.3.1

Nguyên vật liệu. ......................................................................................9

2.3.2

Hóa chất sử dụng. ...................................................................................9

2.3.3

Thiết bị

2.4

ứu. .........................................10

Phương pháp ...............................................................................................11

2.4.1

Bố trí thí nghiệm. ..................................................................................11

2.4.2

Tiến hành thực hiện. .............................................................................12

2.5

Phương pháp phân tích. ...............................................................................15

2.5.1

Phương pháp vi sinh. ............................................................................15

2.5.2

Phương pháp hóa lý. .............................................................................17

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................24
3.1Khảo sát giống nấm men. .............................................................................24
3.1.1.1

Nấm men Saccharomyces cerevisiae. ...............................................24

3.1.1.2

Nấm men Saccharomyces cerevisiae. ...............................................25

3.2

Khảo sát một số thành phần hóa học của vỏ chuối khô ..............................27

3.3

Khảo sát tiền xử lý nguyên liệu bằng acid acetic 4%. .................................28

ii


Đồ án tốt nghiệp

3.4

Khảo sát thủy phân và lên men đồng thời (SSCF). .....................................29

3.4.1

Khảo sát thời gian lên men. ..................................................................30

3.4.2

Khảo sát nhiệt độ lên men. ...................................................................34

3.4.3

Khảo sát tỷ lệ nấm men.........................................................................37

3.4.4

Khảo sát tỷ lệ enzyme. ..........................................................................40

3.4.5

Khảo sát ảnh hưởng của pH. .................................................................42

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................47
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................48

3


Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
P
L
S
S
F
S
S

C
F
C
T
P
T
S
H
S
C
P
A
D
N
S
A
H
F
P
F
H
P
L
C
S
D
S
D

P

hụ
Si
m
ul
ta
Si
m
ul
ta
C
ôn
P
h
Se
pa
S
ac
Pi
ch
3,
5
Đ
ư
L
ên
L
ên
Hi
gh
pe

Sa
bo
Sa
bo

4


Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1.. Thông số của bioethanol so với xăng. .....................................................12
Bảng 1.2. Ước tính chi phí sản xuất bioethanol so với xăng ....................................12
Bảng 1.3. Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp tiền xử lý........................20
Bảng 1.4. Một số nhà máy sản xuất bioethanol đang hoạt động ở Việt Nam [34]. 28
Bảng 1.5. Một số công trình nghiên cứu bioethanol từ phụ phẩm trái cây trên thế
giới.............................................................................................................................30
Bảng 1.6. Tình hình nghiên cứu sản xuất bioethanol từ vỏ chuối. .............................1
Bảng 3.1. Bố trí các nghiệm thức thí nghiệm. ..........................................................14
Bảng 3.1. Thành phần hóa học của vỏ chuối. ...........................................................27
Bảng 3.2. Một số thành phần hóa học của vỏ chuối khô sau khi tiền xử lý với acid
acetic 4% ...................................................................................................................29

5


Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Nguồn nguyên liệu sản xuất bioethanol. ....................................................11

Hình 1.2 Giá dầu năm năm gần đây. .........................................................................13
Hình 1.3 Quy trình chuyển đổi sinh khối lignocellulose thành bioethanol. .............19
Hình 1.4 Tiền xử lý lignocellulose giải phóng cellulose. .........................................20
Hình 1.5 Chuối sứ. ......................................................................................................1
Hình 1.6 Saccharomyces cerevisiae. ...........................................................................5
Hình 1.7 Pichia anomala. ............................................................................................8
Hình 3.1 Nấm men Saccharomyces cerevisiae .........................................................24
Hình 3.2 Nấm men Pichia anomala...........................................................................24
Hình 3.3 Đường cong sinh trưởng Saccharomyces cerevisiae trong môi trường SDB
...................................................................................................................................25
Hình 3.4 Đường cong sinh trưởng Pichia anomala trong môi trường SDB .............26
Hình 3.6a. Thay đổi độ cồn theo thời gian lên men. .................................................32
Hình 3.6c. Sự thay đổi đường khử theo thời gian lên men. ......................................32
Hình 3.6d. Sự thay đổi hàm lượng cellulose theo thời gian lên men. .......................33
Hình 3.7a. Sự thay đổi nồng độ cồn theo nhiệt độ lên men. .....................................35
Hình 3.7b.Sự thay đổi mật độ tế bào theo nhiệt độ lên men. ....................................35
Hình 3.7c. Thay đổi hàm lượng đường khử và cellulose theo nhiệt độ lên men. ....36
Hình 3.8a. Thay đổi độ cồn theo tỷ lệ nấm men. ......................................................38
Hình 3.8b. Thay đổi mật độ tế bào theo tỷ lệ nấm men ............................................38
Hình 3.8c. Sự thay đổi đường khử và cellulose theo tỷ lệ nấm men. .......................39
Hình 3.9b. Thay đổi mật độ tế bào theo tỷ lệ enzyme. .............................................41
Hình 3.9c. Sự thay đổi đường khử và cellulose theo tỷ lệ enzyme...........................41
Hình 3.10a. Sự thay đổi độ cồn theo pH. ..................................................................43
Hình 3.10b. Thay đổi mật độ tế bào theo pH ............................................................43
Hình 3.10c.Sự thay đổi đường khử và cellulose theo pH. ........................................44
Hình 3.11a. Sự thay đổi độ cồn theo tốc độ khuấy đảo. ...........................................45

6

Đồ án tốt nghiệp

Hình 3.11b. Sự thay đổi mật độ tế bào theo tốc độ khuấy đảo. ................................45
Hình 3.11c Sự thay đổi hàm lượng đường khử và cellulose theo tốc độ khuấy đảo.
...................................................................................................................................46

vii


Đồ án tốt nghiệp

8


Đồ án tốt nghiệp

LỜI MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Hiện nay, thế giới đang đứng trước nguy cơ khủng hoảng năng lượng trầm
trọng. Như chúng ta 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 40 – 50 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. 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 chuối.
Vỏ chuối là nguồn phế phẩm nông nghiệp giàu lignocellulose nên có thể sử
dụng để lên men tạo bioethanol rất hiệu quả, tận dụng được nguồn vỏ phế phẩm.

9


Hiện nay, một phần vỏ chuối phế thải sau khi bóc ruột từ các nhà máy sản xuất các
sản phẩm từ chuối, các quán xá, các khu chợ được thải loại đi như rác là tác nhân
gây hại cho môi trường, hoặc chỉ 1 phần được sử dụng làm thức ăn gia súc mang lại
hiệu quả kinh tế không cao. Với tình hình phế phẩm vỏ chuối như vậy, và qua
nghiên cứu những công trình liên quan của các tác giả đi trước về bioethanol, vỏ
chuối chứa hàm lượng glucid cao nên việc sử dụng để chuyển hóa thành đường
glucose để lên men tạo rượu ethanol là rất có hiệu quả. Và những ưu điểm như rẻ
tiền, phổ biế

ối sẽ là một nguồn nguyên liệu tiềm năng trong quá trình

nghiên cứu sản xuất ethanol sinh học.
Chính vì ý nghĩa thực tế trên đề tài tiến hành khảo sát tối ưu hóa một số thông
số quá trình lên men bioethanol từ vỏ chuối bằng phương pháp SSCF lên men và
thủy phân đồng thời sử dụng kết hợp hai chủng nấm men Saccharomyces
cerevisiace và Pichia anomala.
2. Mục tiêu đề tài
Khảo sát tối ưu hóa một số thông số quá trình lên men bioethanol từ vỏ chuối sử
dụng phương pháp SSCF lên men nguồn phế phẩm vỏ chuối để thu bioethanol có
hiệu quả.
3. Nội dung nghiên cứu.
Đề tài: “Khảo sát tối ưu hóa một số thông số quá trình lên men bioethanol từ vỏ
chuối bằng phương pháp SSCF sử dụng Saccharomyces cerevisiae kết hợp với
Pichia anomala” với nội dung nghiên cứu sau:
-

Khảo sát một số thành phần hóa học của vỏ chuối.

-

Khảo sát điều kiện tối ưu tiền xử lý vỏ chuối bằng acid acetic.

- Khảo sát tối ưu hóa một số thông số cho quá trình lên men SSCF sử dụng
kết hợp Saccharomyces cerevisiace và Pichia anomala.
4.
-


-

Saccharomyces cerevisiae

và Pichia anomala.

-

Phương pháp phân tích sinh hóa.

-

Xác định độ ẩm bằ

-

Định lượng đường khử bằng phương pháp Miller.

-

Định lượ

-

Định lượng hàm lượng lignin theo phương pháp Klasm.

.
-Hofft.

-

-

- Trích ly bằng nước nóng và định lượng pectin bằng cách tạo tủa calcium

pectate.
- Dùng phương pháp đếm mậ

ờng chuyên biệt cho

từng nhóm vi sinh vật.
-

Các số được xử lý bằng chương trình StatGraphics Centurion XV.

5. Bố cụ
Kết cấu đồ án gồm 4 chương:
-

C

-

.

-

.

6. Các kết quả đạt được
-

Khảo sát một số thành phần hóa học của vỏ chuối.

-

Khảo sát thành phần hóa học của vỏ chuối sau khi tiền xử lý.

- Tìm ra thông số tối ưu nhất cho quá trình lên men SSCF đạt nồng độ cồn
0

cao nhất: thời gian 45 giờ, nhiệt độ 35 C, tỷ lệ nấm men (SC:PA): (1:4). Tỷ
lệ enzyme 0,7%. pH 5,5 ,tốc độ khuấy đảo 150 vòng/phút.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Giới thiệu về bioethanol
1.1.1. Khái niệm
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 hoá học, không có mặt tham gia của cơ
thể sống trong quá trình tạo ethanol.
Bioethanol được tạo ra từ rất nhiều nguyên liệu nông nghiệp khác nhau được
thể hiện qua hình 1.1

Hình 1.1: Nguồn nguyên liệu sản xuất bioethanol.
Quá trình lên men đường tạo thành ethanol và carbon dioxide thể hiện qua PT1:
C6H12O6  2C2H6O + 2CO2

(PT1)

Ethanol dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong sẽ bị đốt cháy hòa trộn với

oxygen trong động cơ tạo ra carbon dioxide, nước và nhiệt lượng dựa vào PT2:


C2H6O + 3O2  2CO2 + 3H2O + nhiệt lượng

(PT2)

Tổng hợp 2 phương trình PT1 và PT2 trên ta có:
C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O + nhiệt

(PT3)

Nhiệt lượng sinh ra trong quá trình dùng để chạy máy. CO2 được sinh ra trong
quá trình này là carbon trung tính khác với loại khí carbon được tạo thành sau khi
đốt các nhiên liệu hóa thạch. Carbon được tạo ra sau khi đốt các nhiên liệu hóa
thạch không nằm trong chu trình carbon nên việc đốt chúng sẽ làm tăng hàm lượng
carbon trong không khí gây hiệu ứng nhà kính.
Bioethanol có thể được sử dụng như một nhiên liệu lỏng trong động cơ đốt
trong do nó có chỉ số octane cao (129), chỉ số octane càng cao thì chỉ số chống gõ
tránh được những tiếng gõ làm tổn thương lòng máy. Có thể sử dụng bioethanol
nguyên chất hoặc pha chung với xăng dầu. Thông số của bioethanol so với xăng
được thể hiện qua bảng 1.1
Bảng 1.1.. Thông số của bioethanol so với xăng.
T

X
ăn
Bi
oe

Đ
ỷ ộ
n
t h
ớt
0,
r 0,
7 6
0, 1,
7 5

N
hi
C ên
i ă ă hỉ
ể n n số l
m g g oc i
< 4 3 9ta 1ệ
2 2, 2, 2
< 2 2 1 0,
2 6, 1, 2 65
Đ N N

( Nguồn: Paul & Kemnitz 2)

Bảng 1.2. Ước tính chi phí sản xuất bioethanol so với xăng
Ngu
C
ồn
hi

R 0,4
bắp5


Lignocellul

Lúa0,2
m 7
C 0,3
ủ 2
0,1
6
M
ậ
L
ú
R
m
G 0,4
ỗ 4
C 0,4
liễu8

0,1
o
1
s bia.org; Sassner et al, 2008; Abbas, personal communicatio)
(Nguồn: www.eu
Để Bioethanol có thể cạnh tranh về kinh tế với nhiên liệu hóa thạch thì chi phí

sản xuất phải không lớn hơn 0,2 €/L so với xăng. Theo bảng 1.2 cho thấy nguồn
sinh khối lignocellulose có tiềm năng rất lớn trong sản xuất nguồn năng lượng thay
thế.

(Nguồn: />Hình 1.2. Giá dầu năm năm gần đây.


1.1.2. Các thế hệ của bioethanol
Bioethanol được chia thành 3 thế hệ chính:
1.1.2.1. Bioethanol thế hệ thứ nhất
Bioethanol ban đầu được sản xuất từ ngũ cốc hay mía đường – các sản phẩm
giàu tinh bột và các loại đường đơn giản và dễ được lên men thành ethanol. Nhiên
liệu sinh học được sản xuất nhờ những nguồn nguyên liệu như trên được gọi là
nhiên liệu sinh học thế hệ một.
Việc sản xuất từ những nguồn nguyên liệu này dễ thực hiện do các phân tử tinh
bột dễ được phân cắt và lên men. Tuy nhiên những nguồn nguyên liệu kể trên cũng
đồng thời là thức ăn cho người và vật nuôi. Do những lo ngại xung quanh vấn đề về
an ninh lương thực, đặc biệt sự thiếu hụt lương thực còn dai dẳng ở nhiều nước trên
thế giới, nhất là các quốc gia Châu Phi, việc sản xuất ethanol từ các nguyên liệu này
vấp phải sự phản đối gay gắt của dư luận ở nhiều nơi.
Hạn chế tiếp theo của việc sản xuất bioethanol thế hệ thứ nhất là tạo gánh nặng
cho sản xuất nông nghiệp. Đất nông nghiệp ngày một giảm, không thể cung cấp đủ
cho việc sản xuất bioethanol mà không ảnh hưởng đến nguồn cung cấp thực phẩm
trong nước và việc cạnh tranh chi phí với các nguồn năng lượng hóa thạch.
1.1.2.2. Thế hệ thứ hai
Để khắc phục nhược điểm của bioethanol thế hệ thứ nhất, người ta đã sử dụng
nguồn nguyên liệu phế thải hay các loại nguồn nguyên liệu không phải là thực phẩm
với khả năng cung cấp bền vững, chi phí thấp và có lợi ích cho môi trường.
Bioethanol thế hệ thứ hai được sản xuất từ sinh khối lignocellulose (bộ khung tạo
nên tính chất “gỗ” của thực vật) đang trở thành xu hướng hiện nay.

Nguồn cung cấp chủ yếu là than cây, rơm rạ cũng như các loại cây trồng không
phải cây lương thực như cỏ, jatropha… hay các phế phẩm trong sản xuất nông
nghiệp như vỏ chuối, vỏ cacao… với hàm lượng lignocellulose cao.


Tuy nhiên, loại nhiên liệu này cung cấp nguồn năng lượng hiệu suất thấp so với
dầu mỏ. Tiết kiệm được chi phí nguyên liệu ban đầu nhưng lại tiêu tốn chi phí cho
quá trình tiền xử lý.
1.1.2.3. Bioethanol thế hệ thứ ba
Từ rong biển hay còn gọi là tảo người ta có thể sản xuất ra 19000 lít cồn, tức là
gấp 5 lần sản xuất cồn từ ngô, và gấp 2 lần năng suất sản xuất cồn từ mía đường.
Trong khi ngô hay mía đều đòi hỏi những diện tích canh tác và nguồn nước ngọt
lớn, cạnh tranh với các nguồn lực trong nông nghiệp. Tảo mặt khác có thể sinh
trưởng trong nước mặn, có hàm lượng đường cao. Chỉ cần sử dụng chưa tới 3 %
diện tích mặt nước ở vùng ven biển là có thể sản xuất đủ lượng tảo để sản xuất cồn.
Đặc điểm nổi bật của nhiên liệu từ tảo là không ảnh hưởng đến nguồn nước
ngọt, có thể sản xuất bằng cách sử dụng nước biển và nước thải, tương đối vô hại
cho môi trường. Nhưng chi phí cho các dự án sản xuất rất cao nên chỉ dừng ở mức
thử nghiệm.
1.1.3. Nguồn nguyên liệu lignocellulose để sản xuất bioethanol
Xuất phát từ điều kiện Việt Nam là một nước nông nghiệp có sản phẩm nông
nghiệp rất phong phú nên có thể sản xuất ethanol từ các nguồn nguyên liệu khác
nhau trong đó lignocellulose là nguồn nguyên liệu phong phú nhất.
Các loại cây trồng quay vòng ngắ

ạch dương, bạch đàn), các chất thải

nông nghiệp (rơm, bã mía, fruit watse..), các phế thả

ệp gỗ, gỗ thả

ợp để làm nguyên liệu sản xuất bioethanol.
Cứ khoảng 2 - 4 tấn vật liệu gỗ khô hoặ

ể cho 1 tấn bioethanol

[1]. Nguyên nhân khiến người ta chuyển sang sản xuất bioethanol từ sinh khối
lignocellulose là vì các loại này sẵn có và rẻ
cốc hoặc cây trồng khác, đặc biệt là vớ
ế thì vấ

ới các loại tinh bột ngũ
ồn chất thải hầ
ển hóa các vật

liệu này sẽ khó khăn hơn.
Nguyên liệu chứa lignocellulose khác nhau có thành phần cấu tạo chất không
giống nhau nhưng về cơ bản chúng được cấu tạo từ 3 hợp chất cellulose,


hemicellulose, lignin. Các thành phần cấu tạo nên lignocellulose (cellulose,
hemicellulose, lignin) là các đối tượng khó bị phân hủy. Tính khó phân hủy gia tăng
lên nhiều lần khi liên kết với nhau và với các thành phần khác nữa tạo thành một thể
cấu trúc chặt chẽ và phức tạp.
Các vi sợi cellulose, lignin, hemicellulose được sắp xếp theo những nguyên tắc
nhất định để hình thành nên cấu trúc vi sợi. Với cấu trúc nhiều lớp, gồm nhiều thành
phần có bản chất hóa học khác nhau như vậy, lignocellulose có độ bền vật lý cao,
rất khó xâm nhập đối với các vi sinh vật và enzyme. Hơn nữa để phân hủy bất cứ
thành phần nào của phức hợp một cách hiệu quả và triệt để cần phải tác động đến
nhiều thành phần khác. Ví dụ, để phân giải lignocellulose thì cần đồng thời tác động

của lignin, cellulose và hemicellulose.
Cellulose chiếm 40-60% trọng lượng khô. Công thức phân tử (C6H10O5)n. Là
thành phần cấu tạo chủ yếu của màng tế bào thực vật và là hợp chất chính của
nguyên liệu chứa cellulose để sản xuất ethanol. Nguyên liệu càng giàu cellulose thì
sản xuất ethanol càng đạt hiệu quả cao.
Hemicellulose chiếm 20-40% trọng lượng khô, dễ bị thủy phân hơn so với
cellulose. Khi thủy phân đến cùng, hemicellulose tạo ra các monosaccaride chủ yếu
là hexose, pentose. Trong đó hexose có khả năng lên men tạo ethanol còn pentose
không có khả năng này.
Lignin chiếm 10-25% trọng lượng khô, lignin là một polyphenol có cấ
ự

ếu đóng vai trò chất liên kết trong thành tế bào thực

vật, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose và hemicellulose. Rất khó để có thể tách
lignin ra hoàn toàn trong quá trình sản xuất ethanol từ cellulose thì nó hoàn toàn
không bị thủy phân để tạo các hợp chất có khả năng lên men tạo ethanol. Vì vậy
lignin là thành phần không mong muốn trong quá trình sản xuất ethanol từ
cellulose.[2]


1.1.4. Ứng dụng lợi ích và hạn chế của Bioethanol
1.1.4.1. Ứng dụng và lợi ích của bioethanol
Bioethanol được sử dụng làm nhiên liệu do khi đốt cháy bioethanol cho nhiệt
lượng tương đối cao mà không sản sinh ra các chất độc hại. Ngày nay, vấn đề môi
trường đang là vấn đề cấp bách, do đó cần có nguồn nhiên liệu sạch để hạn chế vấn
đề ô nhiễm.Trong đó xăng sinh học là nguồn nhiên liệu đầy triển vọng trong tương
lai.
ếu được nghiên cứu sử

ệu, có thể được sử

ới dạng nguyên chất (E100), hoặc có thể pha trộn với xăng để tạo ra xăng
sinh học. Nế

ệ pha trộn dưới 10% ethanol thì không cần thay đổi các động cơ

xe thông thường . Xăng sinh học đượ
số

ố phầ

ự “E” kèm theo một con
ọc được pha trộn trong xăng đó, các loại xăng

sinh học như E5, E20, E95… tức là xăng sinh học chứa 5%, 20%, 95% ethanol.
Trộ

ệu, tức là thêm

oxy vào hỗn hợp nhiên liệu, làm nó cháy hoàn thiện hơn, cải thiện được quá trình
cháy và giảm đượ
dướ

o môi trường. Khi đốt cháy xăng có pha ethanol,

ệ

ế

2

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
Bioethanol là nguồn nhiên liệu có khả năng tái sinh vì được sản xuất từ cây
nông nghiệp thu hoạch hàng năm, sử

ợng mặt trời là chính. Bioethanol

có nguồn gốc thực vật nên CO2 sinh ra khi đốt được cây cối hấ

ại tạo nên sự

ợng CO2, do đó không gây nên hiệu ứng nhà kính.
1.1.4.2. Hạn chế của bioethanol
Bên cạnh những ưu điểm đã biết, quá trình sản xuất bioethanol cũng có một số
hạn chế


-

Vấn đề kinh tế: bioethanol cho hiệu quả về năng lượng thấp hơn xăng (đạt
70% so với năng lượng khi xử dụng xăng), vì vậy sẽ cần một lượng
bioethanol lớn hơn để đạt hiệu quả ngang bằng với xăng. [3]

-

Vấn đề kỹ thuật : Quá trình sản xuất bioethanol từ nguồn biomass đòi hỏi kỹ
thuật cao và đầu tư lớn.

-

Vấn đề nguồn nguyên liệu: sản xuất bioethanol phải đảm bảo không cạnh
tranh lương thực, cũng như bình ổn giá cả. Bên cạnh đó hạn chế cơ bản của
Bioethanol chính là khả năng hút ẩm cao nên cần phải được tồn trữ và bảo
quản đặc biệt.

Tuy việc sử dụng Bioethanol cũng gây ra nhiều tranh cãi giữa mặt lợi và mặt
hại, nhưng mặt lợi có phần lớn hơn nên thế giới vẫn tiếp nghiên cứu để tìm ra
phương thức sản xuất nào tối ưu nhất trong sản xuất bioethanol.
1.1.5. Quy trình sản xuất bioethanol từ nguồn lignocellulose
Có rất nhiều nguồn nguyên liệu để sản xuất bioethanol trong đó nguồn nguyên
liệu lignocellulose là nguồn nguyên liệu phong phú để sản xuất bioethanol. Sau đây
là quy trình sản xuất bioethanol từ nguồn lignocellulose được thể hiện qua sơ đồ
hình 1.3


Hình 1.3. Quy trình chuyển đổi sinh khối lignocellulose thành bioethanol.
Quá trình lên men ethanol từ các nguồn nguyên liệu lignocellulose cũng giống
như từ tinh bột hay rỉ đường. Bao gồm bốn bước cơ bản:
-

Tiền xử lý nguyên liệu.

-

Thủy phân nguyên liệu.

-

Lên men.

-

Tinh chế sản phẩm (chưng cất, tách nước, bốc hơi, tách lỏng rắn) tùy vào
nồng độ cồn mà có phương pháp tinh chế khác nhau. Quá trình này phụ
thuộc nhiều vào công nghệ hóa học nên trong giới hạn của đề tài xin được
không trình bày.

1.1.5.1

Phương pháp tiền xử lý

Do cấu trúc phân tử lớn, có độ kết tinh cao lại liên kết chặt chẽ với lignin và
hemicelluloses, phân tử cellulose rất khó bị tác động bởi enzyme thủy phân. Vì vậy,


việc tiền xử lý là rất cần thiết.
Mục đích của quá trình tiền xử lý là để loại bỏ lignin và hemicellulose, giảm
kích thước vi sợi cellulose và tăng độ xốp của vật liệu lignocellulose (hình 1.4).
Tiền xử lý cũng giúp cho cellulose dễ tiếp cận hơn với enzyme cellulase trong quá
trình thủy phân tiếp sau đó, do đó yêu cầu enzyme sử dụng sẽ giảm, dẫn tới chi phí
cũng sẽ giảm [4]. Quá trình tiền xử lý phải trong sinh khối Lignocellulose thì
cellulose là thành phần chính để lên men đáp ứng những yêu cầu:
-

Nâng cao được hiệu quả của quá trình thủy phân tiếp theo.

-

Hạn chế sự mất mát hydrocarbon.

-

Tránh sự tạo thành các sản phẩm phụ làm ức chế quá trình thủy phân và quá
trình lên men.

-

Tiết kiệm được chi phí.

Hình 1.4. Tiền xử lý lignocellulose giải phóng cellulose.
Có nhiều phương pháp tiền xử lý lignocellulose khác nhau, ưu và nhược điểm
của chúng được tóm tắt trong bảng 1.3. Lựa chọn phương pháp tiền xử lý phù hợp
phụ thuộc vào thành phần cấu tạo của sinh khối lignocellulose và sản phẩm phụ sinh
ra trong quá trình tiền xử lý.
Bảng 1.3. Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp tiền xử lý
Ph
ư
C G
hi iả
a m
n kí

Ti
êu
tố

n

Nh
ợc