NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL SINH HỌC TỪ RƠM RẠ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA HÓA
***

BÀI TIỂU LUẬN
Đề tài:

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT
ETHANOL SINH HỌC TỪ RƠM RẠ

Sinh viên thực hiện
Lớp

:
: 14CHD

Đà Nẵng, 11/2017


Công nghệ sản xuất Etanl sinh học

MỤC LỤC

Trang 2


Công nghệ sản xuất Etanl sinh học

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT
ETHANOL NHIÊN LIỆU TỪ

RƠM RẠ
MỞ ĐẦU
Ngày nay, thế giới đang đứng trước nguy cơ khủng hoảng nguồn năng lượng trầm
trọng.Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới, nguồn năng lượng từ các sản phẩm
hóa thạch dầu mỏ 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 các phụ phẩm nông nghiệp là một hướng đi có thể
tạo ra nguồn nhiên liệu thay thế phần nào nguồn nhiên liệu hoá thạch đang cạn kiện, 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 là cồn và dầu mỡ động, thực vật, 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 huỷ sinh học cao nhanh hơn gấp 4 lần so
với nhiên liệu dầu mỏ do đó giảm được rất nhiều tình trạng ô nhiễm nước ngầm.
Ethanol sinh học (bbio-ethanol) là một loại nhiên liệu sinh học dạng cồn được sản xuất
bằng con đường sinh học, chủ yếu bằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ cốc
chứa tinh bột có thể chuyển hoá thành đường đơn, thường được sản xuất từ các loại cây
nông nghiệp hàm lượng đường cao như bắp (ở Mỹ), lúa mì, lúa mạch, mía (ở Brazil). Ngoài
ra, ethanol sinh học còn được sản xuất từ cây cỏ có chứa hợp chất cellulose (celluloic
ethanol).Celluloic ethanol đã được sản xuất và đưa vào sử dụng nhiên liệu ở nhiều nước trên
thế giới. Hiện nay, việc sản xuất ethanol từ các loại cây nông nghiệp có thể ăn được đang
gây sự lo lắng về vấn đề an ninh lương thực - sự cạnh tranh giữa cây trồng làm nhiên liệu
và cây lương thực. Chính vì vậy, thế giới đang đi theo hướng sản xuất ethanol từ các nguyên
liệu chứ hợp chất cellulose.
Việt Nam là một quốc gia lớn hơn 70% dân số làm nông nghiệp. Do vậy, phụ phẩm
sau thu hoạch rất lớn. Theo phương thức sản xuất nông nghiệp truyền thống, phụ phẩm nông
nghiệp sau khi thu hoạch (rơm rạ, thân cây ngô, thân cây đậu...) được chuyển về nhà và
được sử dụng như một nguồn nguyên liệu chính để đun nấu trong các nông họ, làm thức ăn
chăn nuôi... Cùng với sự phát triển của xã hội và nhu cầu đời sống ngày một nâng cao, ngày

nay hầu hết các hộ nông dân đã sử dụng các nguồn nguyên liệu khác như than, gas, điện,...
cho việc nấu nướng nên phần lớn lượng phụ phẩm nông nghiệp này được người nông dân
đốt ngay trên đồng ruộng tạo ra những chất độc hại như CH 4, CO2, bụi,... Việc đốt lượng
phụ phẩm nông nghiệp trên đồng rượng đang dần thành một thói quen xấu, không những
gây ảnh hưởng xấu tới môi trường sinh thái mà còn rất lãng phí nguồn nguyên liệu có nguồn
gốc thực vật này.
Một số công trình nghiên cứu trên thế giới cho thấy, các loại phụ phẩm nông nghiệp,
3
phế thải giàu hợp chất hydratcacbon có thểTrang
sử dụng
làm nguyên liệu để sản xuất ethanol
sinh học.Thành phần của rơm rạ, thân cây ngô bao gồm phần lớn là cellulose,


Công nghệ sản xuất Etanl sinh học
hemicellulose, ligin, và các nguyên tố khoáng khác. Việc nghiên cứu sử dụng phụ phẩm
nông nghiệp giàu hợp chất carbonhydrat làm nguyên liệu sản xuất ethanol nhiên liệu có sử
dụng sự trợ giúp của vi sinh vật đang là một trong những giải pháp đầy hứa hẹn cho viêc tạo
ra nguyên liệu thay thế cho nguồn nguyên liệu hoá thạch đang dần cạn kiệt, giảm thiểu các
tác động xấu đến môi trường, là một hướng nghiên cứu đúng đắn thu hút được sự quan tâm
của các nhà khoa học trong và ngoài nước. Với ý nghĩa thiết thực đó, “Nghiên cứu sản xuất
ethanol nhiên liệu từ rơm rạ” nhằm xác định được khả năng sản xuất ethnol nhiên liệu từ
rơm rạ nhờ tác nhân sinh học là vi sinh vật.

Trang 4


NỘI DUNG
1. NGUỒN RƠM RẠ Ở VIỆT NAM VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG RƠM RẠ Ở
VIỆTNAM:

Sản lượng lương thực và hoa màu cao đồng nghĩa với việc nước ta có một
nguồn phụ phẩm nông nghiệp rất dồi dào. Trung bình, để tạo ra 1 tấn gạo đã thải
ra khoảng 1,2 tấn rơm rạ. Sản lượng lúa gạo năm 2007 toàn quốc đạt 36 triệu tấn.
Như vậy, lượng rơm rạ thải ra hằng năm vào khoảng 43 triệu tấn. Số liệu thống kê
hằng năm được trình bày theo bảng 1.
Cho đến nay, phần lớn rơm rạ thường được để mục hoại ngoài đồng hay đốt
tại chỗ để trả lại khoáng chất cho đồng ruộng. Phần còn lại được đem về làm
thức ăn gia súc hay trồng nấm và làm chất đốt phục vụ nhu cầu đun nấu trong gia
đình. Nếu có thể sản xuất được ethanol từ rơm rạ sẽ có thể sử dụng có ích nguồn
năng lượng từ rơm mà vẫn trả lại được nguồn khoán chất cho câytrồng.

Bảng 1: Sản lượng nông nghiệp nước ta năm 2003 (FAO 2004)

2. CẤU TRÚC CỦA NGUỒN NGUYÊN LIỆU VÀ KHÓ KHĂN TRONGPHÂN
HỦY RƠM RẠ TẠO RAĐƯỜNG:
2.1.
Cấutrúc:
Rơm rạ có thành phần chính là cellulose, Lignin, Hemicellulose, các chất trích ly
và tro.


Cấu trúc của rơm rạ
Các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản. Các sợi này được gắn lại với
nhau nhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi, với chiều rộng khoảng 25nm.
Các vi sợi này được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp bảo vệ cellulose
khỏi sự tấn công của ezyme cũng như các hóa chất trong quá trình thủy phân.

Mối quan hệ cellulose – hemicellulose trong cấu trúc rơm rạ
 Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở. Trong tự nhiên, lignin chủ yếu
đóng vai trò chất liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ

với mạng cellulose và hemicellulose. Rất khó để có thể tách lignin ra hoàn
toàn.


 Cellulose là đường polysaccharide, có công thức (C6H10O5)n, mà số n biến thiên

từ 7,000 đến trên 15,000 phân tử glucose.
 Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp

khoảng 70 đến 200 DP. Hemicellulose chứa cả đường 6 gồm glucose,
mannose và galactose ; đường 5 gồm xylose vàarabinose.
2.2.

Khókhăn:
Động vật ăn cỏ, mối (termite) tiêu hoá được cellulose nhờ vi sinh vật sống
cộng sinh trong bao tử (như Cellulomonas), một số vi khuẩn có khả năng biến
cellulose ra đường, nhờ sản xuất enzyme cellulase biến cellulose ra đường. Vì vậy,
để biến cellulose thành rượu, bắt chước theo bộ tiêu hoá của động vật ăn cỏ và
mối, trước hết phải biến hoá cellulose ra đường đơn giản như hexose, pentose,
bằng thuỷ phân (hydrolysis) nhờ một số acid (như trong dịch vị) và enzyme
cellulase.
Hemicellulose tương đối dễ dàng biến thành đường chứa 5C như Xylose
(C5H10O5), nhưng xylose không biến chế thành ethanol được.Cũng vậy, với kỹ
thuật hiện tại, chưa có cách biến lignin ra ethanol.Vì vậy trước tiên phải loại
lignin và hemicellulose, chỉ còn lại thành phần cellulose.
Hiện tại, sản xuất enzyme cellulase để biến cellulose thành đường khá phức
tạp, tốn kém, chiếm khoảng 40% chi phí sản xuất rượu.
Có 3 loại cellulases thường dùng:
(i) Endo-p-glucanase, 1,4-ß-D-glucan glucanohydrolase, CMCase, phá huỷ các cầu
của chuỗi cellulose để biến thành đường glucose vàoligo-saccharide.

(ii)
Exo-P-glucanase, 1,4-ß - D-glucan cellobiohydrolase, Avicelase, C1:
biến thành đường cellobiose(C12).
(iii) ß-glucosidase, cellobiase: thuỷ phân đường cellobiose thànhglucose.


3.

NGHIÊN CỨU QUI TRÌNH SẢN XUẤT ETANOL TỪ RƠM RẠ:
Nguyên liệu

Chuẩn bị

Tiền xử lí
Nấm men
Thủy phân

Nhân giống

Lên men

Chưng cất
etanol
QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIOETANOL TỪ BIOMASS


3.1.

Quá trình tiền xử lý rơm rạ bằng nổ hơi để thuỷ phân tạo ra dịch
đường:

Phương pháp nổ hơi nước được phát triển vào năm 1925 bởi W. H. Mason trong
sản xuất gỗ ép.
 Cơ chế quá trình nổ hơinước

Mô tả cơ chế quá trình nổ hơi

Cấu trúc sợi trước và sau khi nổ hơi, bó sợi cellulose được giải phóng ra
khỏi lớp lignin bảo vệ sau khi nổ hơi


Sợi lignocellulose không nổ hơi có cấu trúc sít chặt ngăn cản sự tấn công của enzyme,
nổ hơi ở 4atm, nổ hơi ở 8atm(mô tả khả năng làm tăng kích thước lỗ xốp trong xơ sợi).

Quá trình nổ hơi nước là một quá trình cơ – hóa – nhiệt. Đó là phá vỡ cấutrúc
các hợp phần với sự giúp đỡ của nhiệt ở dạng hơi (nhiệt), lực cắt do sự giãn nở của
ẩm (cơ) và thủy phân các liên kết glycosidic(hóa).
Quá trình nổ hơi có 2 giai đoạn:
 Làm ẩm nguyênliệu
 Giảm áp độtngột
Trong thiết bị phản ứng, ở giai đoạn 1 nước dưới áp suất cao thâm nhập vào cấu
trúc lignocellulosic bởi quá trình khuếch tán và làm ẩm nguyên liệu.Ẩm trong biomass
thủy phân các nhóm acetyl của hemicellulose hình thành nên các acid hữu cơ như
acetic và uronic acid. Các acid này lần lượt xúc tác quá trình depolymer hóa
hemicellulose, giải phóng xylan và một phần glucan. Dưới điều kiện khắc nghiệt, vùng
vô định hình của cellulose có thể bị thủy phân đến một mức độ nào đó.Dưới điều kiện
khắc nghiệt hơn, ví dụ như nhiệt độ cao và áp suất cao, có thể thúc đẩy sự phân hủy
xylose thành furfural và glucose thành 5-hydroxymethyl furfural. Furfural và 5hydroxylmethyl furfural kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật, do đó nó không thuận
lợi cho quá trình lên men.

Fufural

Hydroxymethylfufural
Mô tả cơ chế quá trình nổ hơi

Trong giai đoạn 2: ẩm trong biomass sẽ hóa hơi đột ngột ra khi áp suất trong
thiết bị phản ứng được giải phóng và hạ đột ngột từ rất cao khoảng vài chục atm
xuống còn áp suất khí trời. Hiện tượng này cũng giống như hiện tượng nổ.Nguyên
liệu được tống mạnh khỏi thiết bị qua một lỗ nhỏ bởi lực ép.Một vài hiện tượng xảy
ra tại thời điểm này. Đầu tiên, ẩm ngưng tụ trong cấu trúc biomass bốc hơi tức thời
do giảm áp đột ngột. Sự giãn nở của hơi nước gây ra lực cắt bao quanh cấu trúc
nguyên liệu.Nếu lực cắt này đủ lớn, hơi nước sẽ gây ra sự phá hủy cơ học lên cấu
trúc lignocellulosic. Sự mô tả quá trình làm nổi bật tầm quan trọng của việc tối ưu
hai yếu tố: thời gian lưu và nhiệt độ. Thời gian biomass lưu lại trong thiết bị phản
ứng giúp xác định phạm vi thủy phân hemicellulose bởi các acid hữu cơ. Việc
thủyphânhemicellulosegiúpchoquátrìnhlênmenthuậnlợihơn.
Theo Iotech, điều kiện xử lí tối ưu của holocellulose (xylose + glucose) là
áp suất 500-550 psi, thời gian 40giây.

Bã sau nổ hơi ở các nhiệt độ khác nhau
 Thiết bị: thường dùng và có hiệu quả nhất là StakeTech. Rất hay được dùng

trong các trường đại học và viện nghiên cứu(Ths. Hoang MinhNam).
 Ưu nhược điểm của quá trình nổ hơinước:


1. Tăng sự kết tinh của cellulose bằng cách thúc đẩy sự kết tinh của vùng
vô địnhhình.
2. Hemicellulose bị thủy phân trong quá trình nổhơi.
3. Sự nổ hơi thúc đẩy việc khử lignin.

Cùng với việc gia tăng kích thước lỗ xốp, tác động (2) và (3) là 3 ưu điểm của
quá trình nổ hơi. Tuy nhiên, tác động (1) lại gây ra khó khăn cho quá trình thủy phân.
Ngoài ra những nhược điểm chính của quá trình nổ hơi là:
 Tốn chi phí, năng lượng vận hành.
 Đòi hỏi thiết bị chịu được nhiệt độ và áp suấtcao
 Có thể làm phân hủycellulose.
 Mất đi đường từhemicellulose.
 Làm sinh ra fufural và 5-hydroxymethyl fufural gây ức chế quá trình lên men.
Tóm

lại: sau khi thực hiện nổ hơi chậm và nhanh thì hiêu suất thu hồi cellulose của

nổ hơi nhanh cao hơn; rơm tại 2300c, %cell=53,1( theo Ths Hoàng Minh Nam).

Thiết bị nổ hơi quy mô pilot

Qui trình nổ hơi


3.2.

Nghiên cứu qui trình công nghệ thủy phân và lên menethanol:
Một số qui trình từ các nguồn nguyên liệu khác nhau:
CELLULOSE
Sinh học/ hóa học

ĐƯỜNG

BÃ

HEMICELLULOSE
Sinh học/ hóa học

NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE

NGUYÊN LIỆU HÓA CHẤT CÁC VẬT LIỆU

BÃ
NĂNG LƯỢNG NHIỆT
CHẤT TRÍCH LY

LIGNIN

Qui trình sản xuất etanol đi từ lignocellulose

lignin


CELLULOSE
Sinh học/ hóa học

ĐƯỜNG

CHẤT BÃ

BIOMASS

NĂNG LƯỢNG NHIỆT CHẤT TRÍCH LY

NGUYÊN LIỆU HÓA CHẤT CÁC VẬT LIỆU

KHÍ SẠCH
HỖN HỢP KHÍ
(quá trình khí hóa)

KHÍ

QUI TRÌNH SẢN XUẤT ETANOL TỪ NGUYÊN LIỆU BIOMASS
3.2.1.Thủy phân bằngaxit:
Quá trình xử lý cơ bản gồm 2 bước như hình dưới:
Nước

hơi

acid

Nước

hơi

biomass
acid

lignin
bã

Giai đoạn tiền thủy phân

Rửa

Dịch thủy phân

Giai đoạn đườnghóa
Dịch thủy phân


Trong ngành công nghiệp sản xuất etanol, người ta ưu tiên sử dụng công nghệ thuỷ
phân bằng axit vì giá thành của enzyme cellulase quá cao.Theo nguyên tắc, bất cứ axit
nào cũng có thể sử dụng cho quá trình thuỷ phân, nhưng trên thực tế, axit sunfuric vẫn
được dùng phổ biến nhất vì giá thành của nó rẻ và cho hiệu quả thuỷ phân tương đối
cao.Axit sunfuric sử dụng có thể là axit đặc hoặc axitloãng.

Quá trình thủy phân biomass có thể thực hiện trong các bình phản
ứng.Phương pháp ngâm chiết có thể thực hiện bằng cách cho dòng acid thấm xuyên
qua các cột nhồi nhiều lớp. Đây là thiết bị khá thích hợp cho phương pháp thủy
phân theo mẻ. Ưu điểm thứ nhất là loại đường ngay khi nó được tạo thành. Thiết bị
này ít tạo thành các sản phẩm phân hủy đường và các chất ức chế quá trình lên
men, tạo ra lượng đường lớn.Điểm thứ 2, thiết bị có thể hoạt động với tỉ lệ rắn/ lỏng
khá cao.
Năm 1997 Torget và các cộng sự phát minh ra thiết bị phản ứng BSFT. Đây là
thiếtbị chảy qua lớp co. Thiết kế nhằm giữ độ chặt của lớp không đổi. Dòng acid được
đưa qua thiết bị và đi qua các lớp với vận tốc bé. Thời gian lưu của nguyên liệu
trong thiết bị ngắn hơn so với phương pháp ngâm chiết. Thiết bị cho năng suất
cao. Sản phẩm thu được có hàm lượngchất phân hủy thấp
3.2.1.1.Thủy phân bằng axitloãng

Quá trình thủy phân nguyên liệu thành đường tự do sẵn sàng lên men bằng axit
sunfuric loãng phải trải qua 2 bước:

- Bước 1: Thủy phân bằng axit loãng nồng độ 0,5% để phá vỡ liên kết
hyđro giữa các mạch cellulose và phá vỡ cấu trúc tinh thể của chúng thực hiện ở
o
nhiệt độ 200 C. Kết quả thủy phân bước 1 sẽ chuyển hóa hemicellulose thành
đường 5C và 6C (chủ yếu xylo và mano) dễ lên men tạo thành etanol đồng
thời bẻ gãy cấu trúccellulose.
- Bước 2: Để chuyển hóa hoàn toàn cấu trúc cellulose đã gãy thành đường gluco C6,
o
bước thủy phân thứ 2 sử dụng axit nồng độ 2% được thực hiện ở nhiệt độ240 C.
3.2.1.2.Thủy phân bằng axitđặc

Quá trình thuỷ phân vẫn được tiến hành qua hai bước, bước thứ nhất để thuỷ
phân hemicelulose, được tiến hành ở 100oC, trong thời gian từ 2 – 6h, nồng độ axit cho
vào là 10%. Ở giai đoạn thuỷ phân thứ nhất, sau khi axit phân huỷ hemicellulose, hỗn
hợp sẽ được pha loãng bằng nước, sự thuỷ phân xảy ra trong bước pha loãng thuđược
phần lớn đường. Sau đó, hỗn hợp được lọc để thu hồi dung dịch, phần chất rắn còn lại
được đem thủy phân tiếp. Tại đây axit đặc phá vỡ liên kết hydro giữa các chuỗi


cellulose, biến đổi chúng thành dạng vô định hình hoàn toàn. Khi cellulose được
decrystallization, chúng tạo thành một dạng chất lỏng, Cellulose rất dễ bị thuỷ phân ở
thời điểm này. Chính vì vậy, pha loãng dung dịch bằng nước ở nhiệt độ thường sẽ làm
cho sự thuỷ phân glucose diễn ra nhanh chóng và hoàn toàn, với ít sự thất thoát nhất.
Lignin được thu hồi để tận dụng làm các sản phẩm khác (thức ăn gia súc). Trong quy
trình này, người ta sử dụng màng lọc để phân tách đường và axit, hệ thống thu hồi và
cô đặc axit nhằm tận dụng quay vòng lại lượng axit sunfuric trong dung dịch. Tuy
nhiên, hệ thống này có giá thành rất cao, do vậy người ta thường sử dụng một lượng
lớn vôi để trung hoà axit trong dung dịch trước khi tiến hành lên men. Sự trung hoà này
tạo ra một lượng lớn thạch cao CaSO4. Ưu điểm của quy trình là hiệu quả thuỷ phân
cao, có thể thu hồi được 90% cả đường của cellulose và đường củahemicellulose.

3.2.2.Thủy phân bằngenzyme:
• Thủyphân:

Nguồn enzyme được sử dụng phổ biến hiện nay là từ Trichoderma reesei và
Aspergillus niger. Hiện nay, người ta đang thay thế dần các hệ enzyme chịu nhiệt, chịu
các điều kiện hóa học quá hạn. Hơn hết là các nghiên cứu về phức hợp cellulosome
của các vi khuẩn kỵ khí đang dần mở ra một con đường mới nhằm tăng hiệu quả thủy
phân của tổ hợp trên các loại nguyên liệulignocellulose.
Hiện nay, cơ chế thủy phân của hệ enzyme cellulase được chấp nhận diễn ra
theo các bước sau:
 Endoglucanase thủy phân liên kết β-1,4-glycosidic trong vùng vô định hình
tạo ra nhiều đầu khôngkhử.
 Sau đó exoglucanase cắt các đơn vị cellobiose từ đầu khôngkhử.
 β-glucosidase tiếp tục thủy phân cellobiose tạo raglucose.
Trung tâm hoạt động của enzyme cellulase chứa các gốc amino acid đặc
hiệu. Trong khi đó cellulose chứa các liên kết glycosidic.Bộ electron σ đóng vai trò
phân cực liên kết. Hiệu ứng cảm ứng của nguyên tử oxy trung tâm gây ra một sự
tập trung tích điện trên nguyên tử oxy làm cho nguyên tử oxy tích điện âm. Còn các
nguyên tử cacbon kết hợp với nó bị khuyết electron nên sẽ tích điện dương. Sự
khuyết electron trong liên kết bị thủy phân là yếu tố quan trọng quyết định khả
năng thủy phân. Tác dụng xúc tác của enzyme do sự phân bố electron quyếtđịnh.


Quá trình thủy phân cellulose bằng enzyme cellulase.

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ quá trình thủy phân
Tốc độ quá trình thủy phân cellulose bằng cellulase chịu tác động của một số
các yếu tố. Năm 2002, Lyn và cộng sự đưa ra kết luận nhưsau:
 Tỉ lệ kết tinh: đây là yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình thủy phân. Các
mạch cellulose có tính kết tinh cao, các sợi cellulose liên kết rất chặt chẽ.

Dođósẽcảntrởquátrìnhtiếpxúccủaenzymevớicácmạchcellulosebên trong và
làm giảm tốc độ quá trình thủyphân.
 Mức độ polymer hóa: mạch cellulose càng dài, tốc độ thủy phân càng
chậm(Walker và cộng sự , 1990).
 Kích thước lỗ xốp: kích thước của các lỗ xốp phải đủ lớn cho các enzymeđi
vào. Kích thước lỗ xốp càng lớn quá trình thủy phân càngnhanh.
 Bề mặt tiếp xúc: hầu hết các chuỗi xenllulose được giấu trong các vi sợi- yếu
tố ngăn cản cản sự tác động của enzyme và giới hạn tốc độ thủy phân. Bề mặt
thủy phân càng lớn thì tốc độ thủy phân càngnhanh.
Thực nghiệm cho thấy quá trình thủy phân tiến hành ở nhiệt độ 70ºC trong 1,5ngày.
Sản phẩm thu được có lượng glucose bằng 75-95% số gốc glucose có trong nguyên liệu
banđầu.


3.2.3.Lênmen:

Để sản xuất một lượng cồn lớn, thì việc lựa chọn một chủng nấm men thích
hợp là rất cần thiết. Những giống nấm men thường được sử dụng trong công nghiệp
sản xuất cồn như Saccharomyces spp mà hiện tại một số loài như S. Cerevisiea hay
S.unvarum là giống có khả năng tạo độ cồn cao (12-13%), hay đặc biệt S. oviformis có
khả năng tạo độ cồn 18% đặc biệt loài nấm men này có khả năng lên men được rất
nhiều đường khác nhau như glucose, manose, saccharose, maltose và rafinose, tuy
nhiên không có khả năng lên men galactose.
Ngoài ra còn có Zymononas mobilis cũng thường được sử dụng trong quá trình
rượu hóa.Tuy nhiên cả Saccharomyces và Zymononas sp đều thiếu hoàn toàn khả năng
chuyển hóa các loại đường pentose. Khuynh hướng biến đổi gen của 2 giống này
nhằm giúp biểu hiện khả năng chuyển hóa 2 loại đường pentose phổ biến nhất là Dxylose, và L – arabinose cũng đã được phát triển nhiều.
Gần đây, người ta phát hiện thấy có một số loài nấm men như Pichia stipitis,
Candida shehatae và Pachyhysolen tannophillus là những chủng có khả năng chuyển
hóa xylose mạnh và đã được dùng trong sản xuất ethanol.Trong đó P. stipilis lại nổi

bật bởi khả năng sản xuất hàm lượng cồn cao và nhu cầu dinh dưỡng của chúng không
quá phức tạp so với các giống nấm men khác.
Thế giới hiện nay rất chú trọng xu hướng sử dụng công nghệ gen để tạo chung
nấm men vừa có khả năng lên men đường 5 và đường 6.


Cơ chế lên men glucose:

Quá trình đường phân


Sau đó, pyruvate sẽ chuyển thành ethanol theo các phương trình sau:
CH3-C-COOH

pyruvat decarbonxylase
-CO2

CH3COOH

O
alcol- dehydrogenase

CH3CHO

C2H5OH
NADH

+ H+

NAD+

Bản chất của quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử.Quá trình oxy hóa này lại
xảy ra trong cơ thể sinh vật dưới tác động của hệ thống enzyme, cho nên người ta gọi
quá trình lên men là quá trình oxy hóa sinh học.
Thuỷ phân và lên men tách riêng:

Sử dụng enzyme để thuỷ phân, thuỷ phân và lên men tách riêng
(SCF: separate hydrolysis and fermentation)

Vật liệu sau khi được nghiền mịn (giảm kích thước) sẽ được xử lý sơ bộ bằng
axit loãng để thuỷ phân hemicellulose, chất rắn còn lại (cellulose, lignin) sẽ được


thuỷ phân bằngenzyme.
Trong bước xử lý sơ bộ, chuỗi liên kết các loại đường cấu thành nên
hemicellulose bị phá vỡ, các phân tử hemicellulose sẽ bị phân huỷ thành các đường
đơn. Cụ thể là các đường 5C có thể hoà tan như xylose, araibinose và các đường 6C có
thể hoà tan như mannose và galactose. Một lượng nhỏ cellulose cũng được chuyển hoá
thành glucose trong bước này.Tiếp đến cần nuôi dưỡng enzyme để thuỷ phân
cellulose, enzyme cellulase được sử dụng để thuỷ phân các phân tử cellulose thành
đườngglucose.Trongphảnứngthuỷphâncellulose,enzymecellulaseđượcsửdụngđể phá vỡ
chuỗi liên kết glucan của cellulose, giải phóng raglucose.
Quá trình thuỷ phân cellulose còn được gọi là sự hoá đường cellulose. Dung
dịch thu được sau giai đoạn xử lý sơ bộ và giai đoạn thuỷ phân cellulose được lên men
bằng vi sinh vật. Sau đó người ta chưng cất để thu hồi etanol tinh khiết. Trong quy
trình này quá trình thuỷ phân và quá trình lên men được tiến hành tách rời.
Thuỷ phân và lên men đồng thời:

Khác với quy trình thủy phân và lên men tách rời, ở quy trình này quá trình
thuỷ phân cellulose và quá trình lên men được tiến hành đồng thời. Quy trình này tuy

không phải thực hiện sự thủy phân trước nhưng hạn chế của nó là làm xuất hiện các
phản ứng lên men đồng thời phức tạp và làm phát sinh các sản phẩmcủa sản xuất


etanol sinh học ức chế hoạt động của enzyme( hình 5).
Quá trình thủy phân và lên men đồng thời (còn gọi là quá trình đường hóa và lên
men đồng thời) có nhiều ưu điểm:
 Glucose tạo thành trong quá trình thủy phân được tiêu thụ ngay lập tức bởi nấm
men vì vậy, lượng cellobiose và glucose tích tụ trong hệ thống là rất ít. Điều này
sẽ giải quyết vấn đề ức chế enzyme nhờ đó tốc độ tạo glucose sẽ được tăng đáng
kể, lượng enzyme cần dùng cũng nhỏđi.
 Số thiết bị cần cho quá trình thủy phân và lên men đồng thời cũng ít hơn số cần
cho phương pháp truyền thống vì cả quá trình thủy phân và lên men được tiến
hành trong cùng một thiết bị. Điều này giúp giảm vốn đầutư.
 Việc ethanol tạo thành trong suốt quá trình sẽ làm giảm khả năng phát triển của vi
sinh vật cũng như tạp chất, rất có lợi cho các quy trình liêntục.
Vi sinh vật dùng cho lên men
3.3.
Chưng cất- khửnước
Quá trình tách nước và tinh sạch ethanol để đáp ứng đặc điểm kỹ thuật của nhiên liệu.
4. TÌNH HÌNHCHUNG:
4.1.
Sản xuất etanol sinhhọc:
Về phương diện kỹ thuật (và kinh tế), chia làm 3 loại nguyên liệu:
 Công nghệ xăng sinh học thế hệ 1: chế biến từ đường (mía, củ cải đường,sorgho
đường) và tinh bột của nông phẩm (từ hạt của bắp, lúa mì, lúa, v.v., hay từ củ như
khoai tây, khoai mì, v.v.) để tạo ethanol; hay từ dầu (của hạt dừa dầu, đậu nành,
đậu phộng, v.v.) để biến chế diesel sinh học. Kỹ thuật đơn giản và kinh tếnhất.
 Công nghệ xăng sinh học thế hệ 2: từ cellulose, chất xơ của dư thừa thực vật
(rơm, rạ, thân bắp, gỗ, mạt cưa, bã mía, v.v.), hay thực vật hoang (non-crop)(như

cỏ voi, vetiver, lục bình).Kỹ thuật hiện nay chưa hoàn hảo, hiệu năng còn kém,
con men chưa hữu hiệu và giá đắt,chỉ một phần cellulose và lignin biến thành
ethanol, nên giá thành sản xuất còn cao.
 Công nghệ xăng sinh học thế hệ 3: từ tảo (algae), kỹ thuật đang pháttriển.


Sản lượng dự tính (theo lý thuyết) cho mỗi
tấn nguyên liệu khô
Nguyên liệu
Gallons
Lít
Hạt bắp ngô
124,4
470,854
Thân và lá bắp ngô
113,0
427,705
Rơm rạ
109,9
415,971
Phế phẩm của bông sợi
56,8
214, 988
Phế phẩm lâm nghiệp
81,5
308,477
Mạt cưa
100,8
381,528
Bã mía

111,5
422,027
Giấy vụn
116,5
439,817
Sản lượng lý thuyết Etanol sinh ra từ 1 tấn nguyên liệu khô

Hiện nay trên thế giới có 50 nước có chương trình nghiên cứu và sử dụng
nhiên liệu sinh học. Các nước APEC đã chọn nhiên liệu sinh học thay thế cho
nhiên liệu hóa thạch. Theo dự báo của các chuyên gia, đến năm 2025, thế giới sẽ
sử dụng 12% nhiên liệu sinh học trong toàn bộ nhu cầu năng lượng; đến năm
2020, EU sẽ sử dụng 20% nhiên liệu sinhhọc.
Trong chương trình nghị sự của diễn đàn hợp tác Đông Á - Mỹ Latinh
(FEALAC) cũng đã bàn đến các nội dung liên quan đến sản xuất và sử dụng nhiên
liệu sinhhọc.
Brazil là quốc gia duy nhất đi theo con đường riêng của mình là sử dụng cồn
làm nhiên liệu cho các loại ô tô. Khoảng 40% nhu cầu nhiên liệu của nước này
được đáp ứng bằng bioethanol, một dạng cồn được điều chếtừ đường mía.
Tuynhiên,Biodieselcũngchỉcóthểsửdụngởmộtmứcđộnhấtđịnhđốivới một số
loại động cơ diesel đời mới. Đây là lý do tập đoàn Shell quan tâm nhiều hơn đến
việc phát triển nhiên liệu sinh học thế hệ hai. Để sản xuất nhiên liệu này, người
ta sử dụng cả các bộ phận của cây trong quá trình sản xuất nông nghiệp, nhiều
khi những bộ phận này là chất thải như rơm rạ, thân cây ngô, hướngdương...
4.2.
Các thành tựu nghiêncứu:
Các nhà khoa học Đài Loan thành công trong phòng thí nghiệm biến chế etanol
từ rơm rạ, cứ mỗi 10 kg rơm rạ thu được 2 lít cồn 99,5% để pha làm xăng sinh học
(Taipei Times, 19/2/2008), nhưng phải mất vài năm nữa mới có thể sản xuất quy mô
thương mại. Các nghiên cứu ở Trung quốc cho thấy, xăng sinh học sản xuất từ rơm
rạ đắt hơn xăng dầu mỏ khoảng 250 USD/tấn. Hãng General Motors của Hoa Kỳ đã

hợp tác với Công ty sản xuất etanol Coskata để sản xuất thanol từ thân bắpvào


cuối năm 2008, và kể từ 2011 sẽ sản xuất 50 – 100 triệu gallons/năm, với giá 1
USD/gallon.
Wood và các cộng sự đã báo cáo về việc biểu hiện gen tái tổhợp endoglucanase
từ Erwinia chrysanthemi P86021 vào Escherichia coli KO11 và hệ thống tái tổ hợp
này đã sản xuất 3.200 IU endoglucanase/lit canh trường lỏng lên men (IU,
international unit, được xác định như là 1 μl đường khử được tạo ra trong 1 phút
khi sử dụng carboxymethyl cellulose làm cơ chất). Endoglucanase E1 chịu nhiệt từ
Acidothermus cellulolyticus được biểu hiện ở Arabidopsis thalianaở lá. Người ta
cũng có thể sử dụng quá trình lên men xylose thành ethanol. Chủng tái tổ hợp E.
coli với các gen từ Zymomonas mobilis để chuyển hóa pyruvate thành ethanol
cũng đã được nghiên cứu bởi Dien và các cộng sự. Các plasmid tái tổ hợp với các
gen tổng hợp xylose reductase và xylitol dehydrogenase từ Pichia stipitis và gen
xylulokinase từ Saccharomyces cerevisiae đều được chuyển vào Saccharomyce spp.
cho quá trình lên men đồng thời xylose và glucose.
Tuy nhiên cũng có nhiều thách thức đặt ra là:
 Giữ tính ổn định của các chủng vi khuẩn khi sản xuất côngnghiệp.
 Tính kinh tế của hệ thống.
 Có một hệ thống tiền xử lý hiệu quảcao…

KẾT LUẬN
Đề tài đã tiến hành các nội dung nghiên cứu như sau:
Lựa chọn chủng vi sinh vật làm tác nhân cho quá trình thuỷ phân rơm rạ và quá trình lên
men.
+ Nghiên cứu một số điều kiện phù hợp trong quá trình thuỷ phân rơm rạ thành đường đơn
bằng các tác nhân hoá học và sinh học (vi sinh vật).
+ Nghiên cứu xây dựng quy trình sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ.
+