Nghiên cứu tiền xử lý rơm rạ để nâng cao hiệu suất thủy phân bằng enzyme cho sản xuất etanol sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ MINH PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU TIỀN XỬ LÝ RƠM RẠ ĐỂ NÂNG CAO
HIỆU SUẤT THỦY PHÂN BẰNG ENZYME CHO SẢN XUẤT
ETANOL SINH HỌC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC

Hà Nội – 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ MINH PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU TIỀN XỬ LÝ RƠM RẠ ĐỂ NÂNG CAO
HIỆU SUẤT THỦY PHÂN BẰNG ENZYME CHO SẢN XUẤT
ETANOL SINH HỌC

Chuyên ngành: Vật liệu cao phân tử và tổ hợp
Mã số: 62440125

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HĨA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Dỗn Thái Hịa
2. TS. Lê Quang Diễn

Hà Nội – 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu trong
luận án này là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo
đúng quy định.

TẬP THỂ HƯỚNG DẪN

HD1: PGS.TS Dỗn Thái Hịa

HD2: TS. Lê Quang Diễn

TÁC GIẢ

Nguyễn Thị Minh Phương


LỜI CẢM ƠN
Luận án được hoàn thành là kết quả của sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ, động
viên tinh thần của các thầy cô giáo, gia đình, đồng nghiệp, bạn bè.
Đầu tiên, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội,
Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polyme, Viện Kỹ thuật Hóa học, Viện Đào tạo Sau đại học
đã tạo điều kiện cho tôi học tập, thực hiện luận án tại Trường.
Với tất cả sự chân thành, tôi xin gửi lời cảm ơn trân trọng nhất đến tập thể hướng
dẫn: PGS.TS Dỗn Thái Hịa, TS. Lê Quang Diễn đã gợi mở các ý tưởng khoa học, tạo
mọi điều kiện về vật chất cũng như tinh thần cho tơi hồn thành luận án. Các thầy cô giáo
đã hướng dẫn tôi tận tình bằng lịng nhiệt huyết của nhà giáo và bằng sự say mê, hiểu biết

sâu sắc về chuyên môn của nhà khoa học. Qua luận án, tôi xin bày tỏ sự cảm phục, lịng
kính trọng và biết ơn to lớn của mình đối với các thầy cơ giáo hướng dẫn.
Tơi xin chân thành cảm ơn sự ủng hộ, giúp đỡ về mọi mặt của các Thầy Cô giáo và
đồng nghiệp trong Bộ môn Công nghệ Xenluloza và Giấy–Viện Kỹ thuật Hoá học, Trung
tâm nghiên cứu vật liệu Polyme, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Cảm ơn đề tài
04/ĐT.04.09/ NLSH, đề tài nhánh Nghị định thư với Vương quốc Anh của PGS.TS Dỗn
Thái Hịa đã cung cấp các enzyme thương phẩm, các dụng cụ phân tích và hỗ trợ một phần
kinh phí cho một số nghiên cứu trong luận án.
Ngồi ra, luận án còn nhận được sự quan tâm, giúp đỡ nghiên cứu phần lên men dịch
đường thành etanol, chỉnh sửa và hồn thiện luận án của PGS.TS Trần Đình Mấn – Viện
CNSH & TP, Viện Hàn lâm KHCNVN, tôi xin bày tỏ sự kính trọng và sự tri ơn sâu sắc.
Bản luận án là món quà xin dành tặng cho Bố mẹ, các anh chị em, gia đình nhỏ và
con gái Bùi Nguyễn Tường Vy.

Hà Nội, ngày 17 tháng 08 năm 2015
TÁC GIẢ

Nguyễn Thị Minh Phương


MỤC LỤC
ĐẶT VẤN ĐỀ
Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu ...................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ETANOL SINH HỌC ...................................................... 4
1.1.Tổng quan về nhiên liệu sinh học .................................................................................... 4
1.1.1. Khái niệm và phân loại ........................................................................................... 4
1.1.2. Công nghệ sản xuất etanol sinh học........................................................................ 4
1.1.3. Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học trong và ngoài nước................ 5
1.2. Sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối lignocellulose ............................................... 7
1.2.1. Khái niệm sinh khối ................................................................................................ 7

1.2.2. Công nghệ tiền xử lý sinh khối lignocellulose cho sản xuất nhiên liệu .................. 8
1.2.3. Thủy phân sinh khối bằng enzyme cho sản xuất etanol sinh học ......................... 19
1.2.4. Lên men etanol từ dịch thủy phân sinh khối bằng enzyme................................... 25
1.3. Sản xuất etanol sinh học từ rơm rạ ............................................................................... 31
1.3.1. Tiềm năng rơm rạ ở Việt Nam .............................................................................. 31
1.3.2. Một số đặc điểm thực vật của rơm rạ.................................................................... 31
1.3.3. Công nghệ TXL rơm rạ hiệu quả cho sản xuất etanol sinh học ........................... 33
CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ........................................ 39
2.1. Vật liệu ......................................................................................................................... 39
2.1.1. Rơm rạ và phương pháp lấy mẫu .......................................................................... 39
2.1.2. Hóa chất ................................................................................................................ 39
2.1.3. Enzyme ................................................................................................................. 39
2.1.4. Chủng vi sinh vật lên men etanol.......................................................................... 40
2.2. Phương pháp xác định thành phần sinh khối, cấu tạo giải phẫu và một số tính
chất lý học của rơm rạ ................................................................................................ 41
2.2.1. Phương pháp xác định thành phần sinh khối của rơm rạ ...................................... 41
2.2.2. Phương pháp xác định cấu tạo giải phẫu của rơm rạ ............................................ 41
2.2.3. Phương pháp nghiên cứu tính chất xơ sợi của rơm rạ .......................................... 42
2.2.4. Phương pháp xác định khối lượng thể tích của rơm rạ ......................................... 42
i


2.2.5. Phương pháp xác định thành phần nguyên tố ....................................................... 42
2.2.6. Xác định chỉ số kết tinh của cellulose rơm rạ ....................................................... 43
2.3. Phương pháp xác định thành phần hóa học của rơm rạ ................................................ 43
2.4. Phương pháp tiền xử lý rơm rạ ..................................................................................... 43
2.4.1. Phương pháp TXL rơm rạ bằng axit axetic .......................................................... 45
2.4.2. Phương pháp tiền xử lý rơm rạ bằng kiềm ........................................................... 45
2.4.3. Phương pháp thu bột xút tẩy trắng từ bột xút rơm rạ............................................ 46
2.5. Phương pháp thủy phân rơm rạ .................................................................................... 47

2.6. Phân tích thành phần và nồng độ đường ...................................................................... 47
2.6.1. Phân tích nồng độ đường bằng phương pháp DNS .............................................. 47
2.6.2. Phân tích thành phần dung dịch đường bằng phương pháp HPLC....................... 49
2.7. Phương pháp xác định hoạt độ enzyme xylanase và cellulase ..................................... 49
2.7.1. Xác định hoạt độ endoglucanase .......................................................................... 49
2.7.2. Xác định hoạt độ exoglucanase ............................................................................ 49
2.7.3. Hoạt độ enzyme β-glucosidase ............................................................................. 50
2.7.4. Xác định hoạt lực xylanase ................................................................................... 50
2.8. Phương pháp lên men etanol ........................................................................................ 50
2.8.1. Lên men etanol dịch đường thủy phân.................................................................. 50
2.8.2. Xác định hàm lượng etanol bằng phương pháp hóa học ...................................... 51
2.9. Phương pháp xử lý số liệu và quy hoạch thực nghiệm Box−Behnken sử dụng
phần mềm Design−Expert 7.0.0 ................................................................................. 53
2.9.1. Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm và quy hoạch thực nghiệm .................... 53
2.9.2. Tối ưu hóa các q trình chế biến rơm rạ ............................................................. 53
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................................... 54
3.1. Đặc điểm cấu tạo, tính chất lý học và thành phần hóa học cơ bản của rơm rạ một
số giống lúa phổ biến ở Việt Nam ............................................................................. 54
3.1.1. Đặc điểm thành phần sinh khối của thân cây lúa .................................................. 54
3.1.2. Cấu tạo hiển vi của thân cây lúa ........................................................................... 55
3.1.3. Một số tính chất lý học của rơm rạ ....................................................................... 58
ii


3.1.4. Thành phần nguyên tố của rơm rạ ........................................................................ 61
3.1.5. Thành phần hóa học của rơm rạ ............................................................................ 61
3.2. Tiền xử lý rơm rạ cho q trình đường hóa bằng enzyme............................................ 62
3.2.1. Tiền xử lý rơm rạ bằng axit axetic ........................................................................ 63
3.2.2. Tiền xử lý rơm rạ bằng kiềm ở áp suất khí quyển ................................................ 74
3.2.3. Tiền xử lý rơm rạ bằng kiềm theo phương pháp nấu kín...................................... 82

3.3. Tối ưu hóa q trình thủy phân rơm rạ đã qua tiền xử lý và lên men dịch đường
thành etanol .............................................................................................................. 106
3.3.1. Tối ưu hóa q trình thủy phân cellulose rơm rạ từ bột xút tẩy trắng ................ 106
3.3.2. Tối ưu hóa q trình thủy phân bột xút .............................................................. 110
3.3.3.Tối ưu hóa q trình thủy phân bột sunfat ........................................................... 114
3.3.4. Tối ưu hóa thủy phân rơm rạ sau tiền xử lý bằng axit axetic ............................. 117
3.3.5. Lên men dịch đường thu etanol .......................................................................... 121
KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 123
KIẾN NGHỊ NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ....................................................................... 124
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 125
DANH MỤC CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN……………………………………………...138
PHỤ LỤC………………………………………………………………………………...139

iii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ
BG

β−glucosidase

Biorefinery

Tinh chế sinh khối

Bột sunfat

Bã rắn thu được sau tiền xử lý rơm rạ bằng (NaOH +Na2S)

Bột xút

Bã rắn thu được sau tiền xử lý rơm rạ bằng NaOH

CBH

Exo β-1,4-glucanases (β-1,4-exoglucane hydrolase) (Cellobiohydrolase hay
Exoglucanase)

DMC

(Direct microbial conversion) Chuyển hóa bằng vi sinh vật trực tiếp

DNS

Dinitrosalicylic axit

EDX

(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) Phổ tán xạ năng lượng tia X

EG

Endo-β-1,4-glucanases (Endoglucanase)

EMP

(Embden-Meyerhoff-Panass) Con đường đường phân

HPLC

(High Performance Liquid Chromatography) Sắc ký lỏng hiệu năng cao

HRTEM

(High-resolution transmission electron microscopy) Kính hiển vi điện tử
truyền qua độ phân giải cao

IPCC

(Intergovernmental Panel on Climate Change) Ban Liên Chính phủ về biến đổi
khí hậu

Kiềm hoạt tính

Là kiềm hữu hiệu quy đổi sang đơn vị Na2O trong trường hợp nấu xút là
NaOH, trong trường hợp nấu sunfat là (NaOH+Na2S)

KLTB

Khối lượng trung bình

KTĐ

Khơ tuyệt đối

Nấu kiềm

Nói chung cả tiền xử lý rơm rạ bằng NaOH và bằng hỗn hợp (NaOH +Na2S)

Nấu sunfat

Tiền xử lý rơm rạ bằng hỗn hợp (NaOH +Na2S)

Nấu xút

Tiền xử lý rơm rạ bằng NaOH

NLSH

Nhiên liệu sinh học

SEM

(Scanning Electron Microscopy) Kính hiển vi điện tử quét

SHF

(Separate hydrolysis and fermentation) Thủy phân và lên men riêng biệt

SSF

(Simultaneous saccharification and fermentation) Đường hóa và lên men đồng
thời

TAPPI

(The Technical Association of the Pulp and Paper Industry)
Hiệp hội giấy và bột giấy của Mỹ

Trích ly kiềm

Xử lý bột axetic thu được bằng dung dịch NaOH ở điều kiện “mềm”

TXL

Tiền xử lý

XRD

(X-ray diffraction) Phổ nhiễu xạ tia X

iv


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Đặc điểm của enzyme Cellic® CTec2 và Cellic® HTec2 .................................... 39
Bảng 2.2. Xác định thành phần hóa học của rơm rạ theo phương pháp TAPPI .................. 43
Bảng 2.3. Bảng pha loãng cồn 0,25% cho phân tích nồng độ etanol .................................. 52
Bảng 3.1. Thành phần sinh khối của thân cây lúa không hạt .............................................. 55
Bảng 3.2. Kích thước xơ sợi của một số loại cây thân thảo ngắn ngày ............................... 59
Bảng 3.3. Khối lượng thể tích của rơm rạ một số giống lúa ............................................... 60
Bảng 3.4. Thành phần nguyên tố của rơm rạ một số giống lúa ........................................... 61
Bảng 3.5. Thành phần hóa học của rơm rạ một số giống lúa .............................................. 62
Bảng 3.6. Biến đổi của cellulose trong quá trình TXL bằng (CH3COOH+HCl) ................ 73
Bảng 3.7. Chỉ số độ kết tinh của cellulose rơm rạ sau TXL bằng kiềm .............................. 79
Bảng 3.8. Thành phần tinh thể, vơ định hình của cellulose trong rơm rạ sau nấu xút ........ 79
Bảng 3.9. Thành phần tinh thể, vơ định hình của cellulose trong rơm rạ sau nấu sunfat .... 79
Bảng 3.10. Bảng thống kê các yếu tố khảo sát và khoảng biến đổi .................................... 83
Bảng 3.11. Thiết kế thực nghiệm TXL rơm rạ bằng xút theo Box-Behnken ...................... 83
Bảng 3.12. Tối ưu hóa hàm mục tiêu đường khử khi thủy phân bột xút theo các biến ....... 86

Bảng 3.13. Ảnh hưởng của NaOH đến sự thay đổi thành phần của cellulose ..................... 90
Bảng 3.14. Thành phần dịch đường sau thủy phân bằng enzyme của bột xút .................... 92
Bảng 3.15. Thiết kế thí nghiệm TXL rơm rạ bằng sunfat theo Box-Behnken .................... 94
Bảng 3.16. Tối ưu hóa hàm mục tiêu đường khử khi thủy phân bột sunfat theo các biến .. 99
Bảng 3.17. Ảnh hưởng của (NaOH+Na2S) đến sự thay đổi thành phần của cellulose ..... 101
Bảng 3.18. Thành phần dịch đường sau quá trình thủy phân bằng enzyme của bột
sunfat ........................................................................................................................ 105
Bảng 3.19. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân bột xút tẩy trắng từ rơm rạ ... 107
Bảng 3.20. Thiết kế thí nghiệm thủy phân bột xút tẩy trắng từ rơm rạ theo Box–
Behnken.................................................................................................................... 108
Bảng 3.21. Thành phần hóa học của rơm rạ ban đầu và bột xút tối ưu ............................. 110
Bảng 3.22. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân bột xút rơm rạ ....................... 111
Bảng 3.23. Thiết kế thí nghiệm thủy phân bột xút tối ưu từ rơm rạ theo Box−Behnken .. 111
v


Bảng 3.24. So sánh các chế độ thủy phân khác nhau của bột xút tối ưu từ rơm rạ ........... 114
Bảng 3.25. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân bột sunfat rơm rạ .................. 114
Bảng 3.26. Thiết kế thí nghiệm thủy phân bột sunfat tối ưu từ rơm rạ theo
Box−Behnken........................................................................................................... 115
Bảng 3.27. So sánh các chế độ thủy phân khác nhau của bột sunfat tối ưu từ rơm rạ ...... 117
Bảng 3.28. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân bột rơm rạ sau TXL .............. 118
Bảng 3.29. Thiết kế thí nghiệm thủy phân bột rơm rạ sau TXL bằng
(CH3COOH+HCl) và trích ly kiềm theo Box−Behnken .......................................... 118
Bảng 3.30. So sánh điều kiện thủy phân tối ưu của các loại bột từ rơm rạ ....................... 120
Bảng 3.31. Hiệu suất lên men etanol dịch đường bột rơm rạ sau thủy phân ..................... 121

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sản xuất etanol sinh học từ sinh khối lignocellulose............................................. 5
Hình 1.2. Sản lượng nhiên liệu sinh học trên thế giới ........................................................... 6
Hình 1.3. Cấu tạo vách tế bào thực vật .................................................................................. 8
Hình 1.4. Cấu tạo phân tử cellulose....................................................................................... 9
Hình 1.5. Các đơn vị cấu trúc cơ bản của lignin ................................................................. 10
Hình 1.6. Phản ứng của cấu trúc ete tại vị trí Cα ................................................................ 12
Hình 1.7. Phản ứng với cấu trúc mạch vòng phenyl coumaran ........................................... 13
Hình 1.8. Phản ứng với cấu trúc mạch vịng pinoresinol .................................................... 14
Hình 1.9. Phân hủy liên kết ete β−aryl (a. ở cấu trúc phenol thế; b. ở cấu trúc phenol tự do)
.................................................................................................................................... 14
Hình 1.10. Phân hủy cấu trúc β−aryl khi cịn nhóm chức rượu ở Cγ .................................. 15
Hình 1.11. Phân hủy liên kết ete ở nhóm metoxy ............................................................... 15
Hình 1.12. Phân hủy liên kết ete ở vị trí Cα ........................................................................ 16
Hình 1.13. Phân hủy liên kết ete ở vị trí Cβ ......................................................................... 16
Hình 1.14. Ngưng tụ sản phẩm phân đoạn của lignin ......................................................... 16
Hình 1.15. Phản ứng mở vịng epoxy .................................................................................. 17
Hình 1.16. Phân loại khả năng phản ứng của lignin theo hiệu ứng của các nhóm thế ........ 18
Hình 1.17. Thủy phân cellulose bằng cellulase ................................................................... 20
Hình 1.18. Cơ chế thủy phân xylan bằng xylanase ............................................................. 23
Hình 1.19. Sơ đồ phân giải glucose thành pyruvate ............................................................ 27
Hình 1.20. Cấu tạo thân cây lúa........................................................................................... 32
Hình 1.21. Cấu tạo hiển vi của thân cây lúa ........................................................................ 32
Hình 2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và pH đến hoạt tính enzyme CTec 2 ............................ 40
Hình 2.2. Hình thái chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae BG1và vị trí phân loại .... 40
Hình 2.3. Hình ảnh minh họa cây lúa, rơm rạ và tách hạt lúa Khang Dân .......................... 41
Hình 2.4. Hình ảnh minh họa chuẩn bị nguyên liệu rơm rạ cho nghiên cứu ....................... 44
Hình 2.5. Thiết bị tiền xử lý rơm rạ bằng theo phương pháp nấu kín ................................. 46
Hình 2.6. Bột xút tẩy trắng từ rơm rạ ................................................................................. 46
vii

Hình 2.7. Thủy phân bột sau tiền xử lý bằng hỗn hợp enzyme CTec2 và HTec2............... 47
Hình 2.8. Bột sunfat tối ưu cho nghiên cứu quá trình thủy phân bằng enzyme .................. 47
Hình 2.9. Sự phụ thuộc của nồng độ đường khử và mật độ quang học............................... 48
Hình 3.1. Rơm và rạ của lúa Khang Dân ............................................................................. 55
Hình 3.2. Cấu tạo hiển vi lóng thân cây lúa Khang Dân ..................................................... 56
Hình 3.3. Cấu tạo hiển vi của lóng thân cây lúa Q5 ............................................................ 57
Hình 3.4. Cấu tạo hiển vi của đốt thân cây lúa .................................................................... 58
Hình 3.5. Phổ XRD của rơm rạ Khang Dân ........................................................................ 60
Hình 3.6. Ảnh hưởng của nồng độ axit clohydric đến sự chuyển hóa rơm rạ và hiệu suất
đường khử sau TXL ................................................................................................... 65
Hình 3.7. Ảnh SEM rơm rạ Khang Dân trước tiền xử lý .................................................... 66
Hình 3.8. Ảnh SEM bột rơm rạ sau TXL bằng axit axetic (có bổ sung 1% HCl về thể tích)
.................................................................................................................................... 66
Hình 3.9. Ảnh SEM bột rơm rạ sau TXL bằng axit axetic (có bổ sung 2% HCl về thể tích)
.................................................................................................................................... 67
Hình 3.10. Ảnh SEM bột rơm rạ sau TXL bằng axit axetic (có bổ sung 3% HCl về thể tích)
.................................................................................................................................... 67
Hình 3.11. Ảnh SEM bột rơm rạ sau TXL bằng axit axetic (có bổ sung 4% HCl về thể tích)
.................................................................................................................................... 67
Hình 3.12. Ảnh SEM bột rơm rạ sau TXL bằng axit axetic (có bổ sung 5% HCl về thể tích)
.................................................................................................................................... 68
Hình 3.13. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất đường khử ............................................ 68
Hình 3.14. Ảnh hưởng của thời gian xử lý đến hiệu suất đường khử ................................. 69
Hình 3.15. Ảnh hưởng của q trình trích ly kiềm đến hiệu suất bột và hiệu suất đường hóa
.................................................................................................................................... 70
Hình 3.16. Ảnh hưởng của trích ly kiềm đến mức tách loại các hợp chất của rơm rạ sau
TXL bằng axit axetic có bổ sung axit clohydric ........................................................ 71
Hình 3.17. Sự biến đổi của các thành phần hóa học của rơm rạ sau q trình TXL bằng axit

axetic kết hợp với trích ly kiềm ................................................................................. 72
Hình 3.18. Phổ XRD của rơm rạ và bột rơm rạ sau tiền xử lý bằng (CH3COOH+HCl) .... 73
Hình 3.19. Ảnh hưởng của mức sử dụng kiềm hoạt tính tới hiệu suất bột và hiệu suất
đường khử .................................................................................................................. 75
Hình 3.20. Ảnh hưởng của mức sử dụng kiềm hoạt tính tới mức tách loại lignin .............. 76
Hình 3.21. Ảnh hưởng của mức sử dụng kiềm đến mức tách loại các chất vô cơ .............. 77

viii


Hình 3.22. Ảnh hưởng của mức sử dụng kiềm đến lượng cellulose bị hịa tan (1-Nấu xút;
2-Nấu sunfat).............................................................................................................. 77
Hình 3.23. Phổ XRD của rơm rạ ban đầu và bột xút sau TXL............................................ 78
Hình 3.24. Phổ XRD của rơm rạ ban đầu và bột sunfat sau TXL ....................................... 78
Hình 3.25. Ảnh SEM của rơm rạ trước và sau TXL ........................................................... 81
Hình 3.26. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ trong tiền xử lý rơm rạ bằng xút theo
phương pháp nấu kín .................................................................................................. 84
Hình 3.27. Ảnh hưởng đồng thời của mức sử dụng xút và nhiệt độ ................................... 85
Hình 3.28. Ảnh hưởng đồng thời của mức sử dụng xút và thời gian .................................. 86
Hình 3.29. Ảnh hưởng đồng thời của thời gian xử lý và nhiệt độ ....................................... 86
Hình 3.30. Tối ưu hóa hiệu suất đường khử bột xút rơm rạ theo các yếu tố ảnh hưởng ..... 87
Hình 3.31. Ảnh SEM của bột xút sau TXL rơm rạ bằng NaOH ......................................... 88
Hình 3.32. Ảnh hưởng của tiền xử lý rơm rạ bằng NaOH đến sự phân hủy cellulose ........ 89
Hình 3.33. Phổ XRD của rơm rạ ban đầu và bột xút tối ưu ................................................ 90
Hình 3.34. Ảnh hưởng của NaOH đến mức tách loại lignin trong rơm rạ .......................... 91
Hình 3.35. Ảnh hưởng của tiền xử lý rơm rạ bằng NaOH đến mức tách loại các chất vơ cơ
.................................................................................................................................... 91
Hình 3.36. Phổ HPLC của dịch đường từ bột xút tối ưu ..................................................... 92
Hình 3.37. Ảnh hưởng của các yếu tố cơng nghệ trong q trình TXL rơm rạ bằng tác nhân
sunfat theo phương pháp nấu kín ............................................................................... 95

Hình 3.38. Ảnh hưởng đồng thời mức sử dụng (NaOH+Na2S) và nhiệt độ đến hiệu suất bột
sunfat .......................................................................................................................... 96
Hình 3.39. Ảnh hưởng đồng thời mức sử dụng (NaOH+Na2S) và thời gian đến hiệu suất
bột sunfat .................................................................................................................... 96
Hình 3.40. Ảnh hưởng đồng thời của thời gian xử lý và nhiệt độ đến hiệu suất bột sunfat 97
Hình 3.41. Ảnh hưởng của TXL rơm rạ bằng (NaOH+Na2S) đến hiệu suất đường khử .... 97
Hình 3.42. Ảnh hưởng đồng thời của mức dùng (NaOH+Na2S) và nhiệt độ ...................... 98
Hình 3.43. Ảnh hưởng đồng thời của mức dùng (NaOH+Na2S) và thời gian .................... 98
Hình 3.44. Ảnh hưởng đồng thời của nhiệt độ và thời gian đến hiệu suất đường khử........ 98
Hình 3.45. Tối ưu hóa hiệu suất đường khử sau TXL rơm rạ bằng (NaOH+Na2S) .......... 100
Hình 3.46. Ảnh hưởng của TXL bằng (NaOH+Na2S) đến mức phân hủy cellulose ........ 100
Hình 3.47. Phổ XRD của rơm rạ sau TXL theo phương pháp sunfat nấu kín ở chế độ công
nghệ tối ưu................................................................................................................ 101
ix


Hình 3.48. Ảnh hưởng của mức sử dụng kiềm hoạt tính đến mức độ phân hủy lignin..... 102
Hình 3.49. Ảnh hưởng của mức dùng kiềm hoạt tính đến sự tách loại các chất vơ cơ ..... 103
Hình 3.50. Ảnh SEM của bột sunfat rơm rạ ..................................................................... 104
Hình 3.51. Thành phần hóa học của rơm rạ ban đầu và bột cellulose tẩy trắng từ rơm rạ 106
Hình 3.52. Ảnh hưởng của mức sử dụng enzyme đến hiệu suất đường hóa cellulose rơm rạ
.................................................................................................................................. 107
Hình 3.53. Ảnh hưởng đồng thời của mức sử dụng enzyme−nồng độ bột xút tẩy trắng .. 109
Hình 3.54. Ảnh hưởng đồng thời của mức sử dụng enzyme − thời gian thủy phân.......... 109
Hình 3.55. Ảnh hưởng đồng thời của nồng độ bột xút tẩy trắng − thời gian thủy phân ... 109
Hình 3.56. Tối ưu hóa q trình thủy phân bột xút tẩy trắng từ rơm rạ bằng enzyme ...... 110
Hình 3.57. Ảnh hưởng đồng thời của mức dùng enzyme và nồng độ bột xút................... 112
Hình 3.58. Ảnh hưởng đồng thời của mức dùng enzyme và thời gian thủy phân ............. 112
Hình 3.59. Ảnh hưởng đồng thời của thời gian thủy phân và nồng độ bột xút ................. 113
Hình 3.60. Tối ưu hóa q trình thủy phân bột xút rơm rạ bằng enzyme ......................... 113

Hình 3.61. Ảnh hưởng đồng thời của mức dùng enzyme và nồng độ bột sunfat .............. 115
Hình 3.62. Ảnh hưởng đồng thời của thời gian và mức dùng enzyme .............................. 116
Hình 3.63. Ảnh hưởng đồng thời của mức dùng enzyme nồng độ bột sunfat ................... 116
Hình 3.64. Tối ưu hóa thủy phân bột sunfat bằng hỗn hợp enzyme CTec2 và HTec2 ..... 117
Hình 3.65. Ảnh hưởng đồng thời của mức dùng enzyme và nồng độ bột rơm rạ sau TXL
.................................................................................................................................. 119
Hình 3.66. Ảnh hưởng đồng thời của nồng độ bột rơm rạ sau TXL và thời gian thủy phân
.................................................................................................................................. 119
Hình 3.67. Ảnh hưởng đồng thời của thời gian thủy phân và mức dùng enzyme sau TXL
.................................................................................................................................. 119
Hình 3.68. Tối ưu hóa thủy phân bột rơm rạ sau TXL bằng hỗn hợp enzyme.................. 120
Hình 3.69. Sơ đồ chuyển hóa rơm rạ thành etanol ............................................................ 122

x


ĐẶT VẤN ĐỀ
Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Etanol là một trong những dung môi quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong các
ngành cơng nghiệp chế biến (hóa học, thực phẩm, dược phẩm, ...). Những năm gần đây,
etanol cịn được sử dụng làm nhiên liệu, bởi có khả năng pha trộn với xăng và được đánh giá
là dạng nhiên liệu sinh học tiềm năng, thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đang có nguy cơ cạn
kiệt dần vào năm 2050 [25]. Do được sản xuất từ nguồn nguyên liệu tái tạo (sinh khối thực
vật), nên etanol sinh học có thể đáp ứng nhu cầu lâu dài và là nguồn năng lượng bền vững
cho nhân loại, vốn đang có nhu cầu ngày càng cao [86].
Hiện nay, phần lớn etanol sinh học đang được sản xuất từ nguồn nguyên liệu chứa
đường hoặc tinh bột, được gọi chung là nhiên liệu sinh học (NLSH) thế hệ I. Mặc dù công
nghệ sản xuất đã tương đối hồn thiện, nhưng có những hạn chế nhất định, như nguồn
nguyên liệu hạn chế và giá thành cao (chiếm đến 2/3 giá thành etanol) [40], hơn nữa sử dụng
nguyên liệu chứa tinh bột, như ngô, sắn hay một số loại ngũ cốc khác, ảnh hưởng đến lớn

đến sản xuất lương thực, vì vậy hiện nay sản xuất NLSH thế hệ I bị đánh giá là kém bền
vững, ít tính cạnh tranh trong tương lai [123]. Trong khi đó, sản xuất etanol từ nguồn sinh
khối lignocellulose có nhiều triển vọng và thực sự cần thiết, do nguồn nguyên liệu
lignocellulose rất phong phú và tiềm năng hơn, được phân bố tương đối đồng đều trên khắp
thế giới [52]. Hơn nữa, nhiều dạng sinh khối lignocellulose có giá rẻ hơn và trong nhiều
trường hợp việc tận dụng nguồn sinh khối lignocellulose là phế thải, phế phụ phẩm nông,
lâm nghiệp hay rác thải sinh hoạt cịn góp phần bảo vệ mơi trường và phát triển bền vững.
Chính vì vậy, những năm gần đây nghiên cứu công nghệ sản xuất etanol từ sinh khối
lignocellulose đã thu hút sự chú ý, đầu tư lớn của nhiều quốc gia trên thế giới, kể cả ở Việt
Nam [17,160].
Công nghệ sản xuất etanol từ sinh khối lignocellulose (gỗ và phế phụ phẩm nông
nghiệp) theo phương pháp thủy phân bằng axit, đã được áp dụng ở quy mô công nghiệp tại
nhiều nước trên thế giới (chủ yếu tại các nước thuộc Liên Xô cũ, Mỹ và Đức) [117, 70]. Tuy
nhiên, đối với công nghệ sản xuất etanol (bioetanol) theo phương pháp thủy phân bằng
enzyme, mặc dù nhưng năm gần đây có rất nhiều nghiên cứu, với số lượng công bố tương
đối lớn trong một thời gian ngắn, tuy nhiên công nghệ khả thi ở quy mô cơng nghiệp vẫn
cịn gặp rất nhiều những khó khăn. Lý do chủ yếu nằm ở sự khác biệt về quá trình chuyển
hóa sinh khối lignocellulose thành etanol [73]. Khác với đường và tinh bột, q trình chuyển
hóa sinh học của cellulose và hemicellulose, chứa trong thành phần của sinh khối
lignocellulose, phức tạp hơn nhiều, bởi sinh khối lignocellulose là một tổ hợp bao gồm 3
thành phần chủ yếu là cellulose, hemicellulose và lignin, liên kết chặt chẽ với nhau trong
vách tế bào thực vật [99]. Cấu trúc đặc thù của sinh khối lignocellulose như vậy, không
những hạn chế sự tiếp cận của enzyme đối với phản ứng thủy phân hemicellulose và
cellulose thành các monosaccarit, mà cịn cản trở q trình chuyển hóa nói chung. Vì vậy, ở
trạng thái bình thường, quá trình thủy phân sinh khối lignicellulose bằng enzyme hoặc là
không thực hiện được, hoặc là diễn ra rất chậm, không hiệu quả [73].

1

Để thúc đẩy q trình chuyển hóa sinh học sinh khối lignocellulose thành etanol, có
hai cách tiếp cận vấn đề: hoặc là tách các “tạp chất” khác của sinh khối (như lignin, các chất
trích ly, các chất vơ cơ) ra khỏi phần carbohydrate, hoặc phải biến đổi sinh khối thành dạng
phù hợp cho quá trình thủy phân bằng enzyme [28]. Đến nay, cơng đoạn này có tên gọi là
“tiền xử lý” (TXL), được xem là “chìa khóa” của cơng nghệ chuyển hóa sinh khối
lignocellulose thành etanol [156]. Một số phương pháp biến tính sinh khối lignocellulose
cho sản xuất etanol sinh học đã được nghiên cứu, nhưng hiệu quả kinh tế không cao và
không khả thi ở quy mô công nghiệp. Kỹ thuật tách loại lignin, được áp dụng từ lâu ở quy
mô công nghiệp để sản xuất vật liệu xơ sợi (như bột giấy, cellulose tan,...), cho phép tách
loại lignin và các thành phần khác của sinh khối lignocellulose tương đối triệt để tới mức
cần thiết, nhưng thường kéo theo sự phân hủy một phần carbohydrate, làm giảm hiệu suất
đường thu được so với nguyên liệu ban đầu. Hơn nữa, khơng tồn tại một quy trình cơng
nghệ chung đối với tất cả các loại nguyên liệu. Do vậy, tùy thuộc vào sinh khối
lignocellulose sử dụng mà tiến hành nghiên cứu và áp dụng kỹ thuật xử lý thích hợp, nhằm
nâng cao hiệu quả chuyển hóa sinh học carbohydrate cả về phương diện hóa học, lẫn mục
tiêu thu được đường có khả năng lên men cao nhất có thể [32,86].
Trong số các nguồn sinh khối lignocellulose đa dạng thì nguồn sinh khối rơm rạ tương
đối dồi dào. Về tầm quan trọng, lúa là cây lương thực quan trọng thứ 3 sau lúa mỳ và ngô.
Theo số liệu của FAO, sản lượng lúa trên thế giới năm 2014 đạt khoảng 751 triệu tấn, tương
đương với khoảng 500,8 triệu tấn gạo. Theo tính tốn, với các giống lúa được canh tác hiện
nay, có khoảng 1–1,5 tấn rơm rạ tạo thành trên 1 tấn lúa thu được. Như vậy lượng rơm rạ
hàng năm trên thế giới có thể đạt 751–1126,6 triệu tấn. Trong số đó, chỉ phần nhỏ được thu
gom và tận dụng, phần còn lại là thải bỏ và đốt bỏ, gây lãng phí và nhiều vấn đề mơi trường
nghiêm trọng [15,16, 92, 96].
Việt Nam là nước nơng nghiệp có sản lượng lúa lớn. Theo Tổng cục thống kê [14]
năm 2013 diện tích lúa của cả nước là 7,9 triệu hecta, với sản lượng đạt khoảng 44,07 triệu
tấn lúa. Như vậy ước tính có khoảng 61 triệu tấn rơm rạ tạo thành [96]. Thực tế cho thấy,
phần lớn rơm rạ được thải bỏ khi còn tươi. Phương thức xử lý phổ biến nhất là đốt như hiện
nay, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sinh hoạt và đời sống của cư dân
cả khu vực nông thôn lẫn đô thị. Cho đến nay, việc đốt bỏ rơm rạ vẫn tiếp tục diễn ra trên

phạm vi rộng mà chưa có biện pháp giải quyết hiệu quả, gây nên những nỗi lo ngại lớn về
môi trường, an sinh xã hội [6].
Khác với gỗ, rơm rạ là dạng sinh khối lignocellulose có thành phần hóa học đặc trưng
của cây thân thảo ngắn ngày. Về nguyên tắc, các hợp chất cao phân tử của chúng, như
cellulose, hemicellulose và lingin, dễ phân hủy sinh-hóa học hơn so với các thành phần
tương tự của gỗ [26], tuy nhiên rơm rạ lại có thành phần hóa học khơng ổn định, tùy thuộc
vào giống lúa, thời vụ, phương pháp thu gom và bảo quản, đặc biệt có hàm lượng các chất
vơ cơ tương đối cao (có thể chiếm trên 12%), là yếu tố gây khó khăn cho q trình chế biến
sinh-hóa học. Vì vậy để nâng cao hiệu quả chuyển hóa rơm rạ thành etanol sinh học, cần có
những nghiên cứu sâu và hệ thống. Do đó, tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu tiền xử lý
rơm rạ để nâng cao hiệu quả thủy phân bằng enzyme cho sản xuất etanol sinh học” để
góp phần giải quyết những vấn đề đã nêu ở trên.
2


Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu của đề tài

- Góp phần bổ sung cơ sở lý luận trong công nghệ sản xuất etanol sinh học từ nguồn
sinh khối lignocellulose, làm cơ sở xây dựng và áp dụng các quy trình cơng nghệ sản xuất
etanol sinh học từ rơm rạ ở Việt Nam.
- Xác lập được các chế độ cơng nghệ thích hợp TXL rơm rạ bằng axit hữu cơ và kiềm
mạnh, nhằm nâng cao hiệu quả thủy phân bằng enzyme để thu đường có khả năng lên men
thành etanol.
- Xác định và làm sáng tỏ sự biến đổi của các thành phần hóa học cơ bản của rơm rạ
trong quá trình TXL
- Đề xuất quy trình hiệu quả cao sản xuất etanol sinh học từ rơm rạ và khả thi ở quy
mô công nghiệp
Các nội dung nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu đặc điểm cấu tạo và một số tính chất lý − hóa học của rơm rạ một số giống
lúa phổ biến ở Việt Nam;
Nghiên cứu TXL rơm rạ bằng axit axetic có bổ sung axit clohydric và kiềm cho q
trình đường hóa bằng enzyme;
Nghiên cứu tối ưu hóa thủy phân cellulose và hemicellulose bằng hỗn hợp enzyme
thương phẩm Cellic® CTec2, Cellic® HTec2; Thử nghiệm lên men etanol
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Kết quả của Luận án là cơ sở khoa học, là tiền đề cho các nghiên cứu xây dựng và áp
dụng cơng nghệ phù hợp để chuyển hóa nguồn ngun liệu sinh khối lignocellulose rơm rạ
là phế phụ phẩm nông nghiệp thành etanol sinh học, đồng thời là tài liệu tham khảo bổ sung
vào cơ sở dữ liệu về tính chất của sinh khối lignocellulose của Việt Nam.
Những đóng góp mới của Luận án
Về cơng nghệ: Đây cơng trình đầu tiên ở Việt Nam, nghiên cứu sâu và hệ thống về
công nghệ TXL rơm rạ bằng axit axetic có bổ sung axit clohydric và hydroxit natri,
hydroxit natri có bổ sung chất trợ tách loại lignin, kết hợp đường hóa bằng enzyme hoạt lực
cao, làm cơ sở cho việc xây dựng quy trình cơng nghệ khả thi sản xuất etanol sinh học.
Về cơ sở lý luận: Đã xác định được đặc điểm cấu tạo và thành phần hóa học chính của
rơm rạ một số giống lúa năng suất cao phổ biến ở Việt Nam, sự phân hủy và biến đổi cấu
trúc của chúng trong q trình chuyển hóa thành etanol sinh học.

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ETANOL SINH HỌC
1.1.Tổng quan về nhiên liệu sinh học
1.1.1. Khái niệm và phân loại
Nhiên liệu sinh học (Biofuels − NLSH) là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp
chất có nguồn gốc sinh học (từ động, thực vật) như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động
thực vật (mỡ động vật, dầu dừa...), ngũ cốc (sắn, lúa mỳ, ngô, đậu tương...), rỉ đường (đường
mía, củ cải đường…), chất thải trong nơng nghiệp (rơm rạ, trấu, phân gia súc...), phế thải

trong công nghiệp (mùn cưa, vỏ bào, sản phẩm gỗ thải...),...[25].
NLSH có nhiều ưu điểm so với các loại nhiên liệu truyền thống như phân bố đều trên
bề mặt trái đất, thân thiện với môi trường và là nguồn nhiên liệu tái tạo (giúp giảm sự lệ
thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch, góp phần làm giảm khí gây hiệu ứng nhà kính) [40].
NLSH có thể được phân loại thành 03 nhóm chính tùy theo trạng thái phân tử của
nhiên liệu như sau [40]:
 Khí sinh học (Biogas): Khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH4) và một số khí
khác sinh ra từ sự phân huỷ các chất hữu cơ trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt độ
20-40ºC. Thành phần chính của biogas là CH4 (50-60%) và CO2 (>30%) còn lại là các chất
khác như hơi nước, N2, O2, H2S, CO, … do đó khó có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu cho
động cơ đốt trong. Để sử dụng biogas làm nhiên liệu thì phải xử lý biogas trước khi sử dụng
để loại bỏ tạp chất và tạo nên hỗn hợp nổ với khơng khí. Khí H2S có thể ăn mịn các chi tiết
trong động cơ, sản phẩm của nó là SOx cũng là một khí rất độc. Hơi nước có hàm lượng nhỏ
nhưng ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ khơng
khí/nhiên liệu của biogas. Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí gas
từ dầu mỏ.
 Nhiên liệu lỏng: bao gồm biometanol, bioetanol, biobutanol, biodiesel… Trong số
này, bioetanol là loại nhiên liệu thông dụng nhất hiện nay trên thế giới vì có khả năng sản
xuất ở quy mô công nghiệp từ nguyên liệu chứa đường như mía, củ cải đường và nguyên
liệu chứa tinh bột như ngũ cốc, khoai tây, sắn…, và hiện nay xu hướng đang chuyển dần
sang sản xuất etanol từ nguyên liệu lignocellulose. Diesel sinh học (biodiesel) là một loại
nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel được sản xuất từ dầu thực vật
hay mỡ động vật bằng phản ứng este hóa (transesterification) [57,82].
 Nhiên liệu rắn: Một số loại NLSH rắn mà các nước đang phát triển sử dụng hàng
ngày trong công việc nấu nướng hay sưởi ấm là gỗ, và các loại phân gia súc khô...
1.1.2. Công nghệ sản xuất etanol sinh học
1.1.2.1. Công nghệ sản xuất etanol sinh học thế hệ I

Sản xuất etanol sinh học thế hệ I sử dụng enzyme để thủy phân đường từ mía, củ cải
đường hoặc tinh bột từ ngũ cốc thành đường glucose và sau đó lên men đường thành etanol.

Etanol sau đó được chưng cất đến 96% và tinh cất để sử dụng làm nhiên liệu.
4


Sản xuất diesel sinh học thế hệ I dựa trên nguyên lý thay thế glyxerin trong dầu mỡ
béo bằng các nhóm metyl (từ metanol) hoặc ankyl mạch ngắn khác (từ các alcol khác). Tùy
theo nguyên liệu, diesel sinh học thế hệ I được chia ra thành 3 loại như: RME: Metyl este
của cây cải dầu (Brassica napus); SME: Metyl este của dầu cây đậu nành hay dầu cây hướng
dương; PME: Metyl este của dầu dừa hay dầu hạt cau. Bên cạnh đó cịn có metyl este từ mỡ
động vật như mỡ cá basa...
1.1.2.2. Công nghệ sản xuất etanol sinh học thế hệ II

Sản xuất etanol sinh học thế hệ II sử dụng sinh khối lignocellulose thường dựa vào ba
phương pháp chính là: thủy phân sinh khối bằng enzyme, hóa lỏng hoặc khí hóa.
Q trình thủy phân sinh học sinh khối bằng enzyme thường gồm hai cơng đoạn chính
là tách lignin từ sinh khối và tạo đường đơn từ phần carbohydrate sau đó thơng qua q trình
lên men chuyển hóa đường thành cồn sinh học (hình 1.1) [18]. Q trình hóa lỏng sinh khối
tạo dầu sinh học (bio-oil) tiếp theo là chuyển hóa bằng xúc tác, dehydro hóa-oxy hóa tạo
nhiên liệu lỏng. Q trình khí hóa sinh khối tạo khí tổng hợp và qua tổng hợp FischerTropsch tạo nhiên liệu: ankan, xăng và diesel [100].

Hình 1.1. Sản xuất etanol sinh học từ sinh khối lignocellulose
Sản xuất diesel sinh học thế hệ II dựa trên nguồn nguyên liệu sinh khối, qua nghiền
sấy rồi nhiệt phân và tổng hợp hóa học thành NLSH. Diesel sinh học thế hệ II cũng có thể
được sản xuất từ dầu thực vật không ăn được, dầu phế thải…
1.1.2.3. Công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ III

NLSH được chế tạo từ các loài vi tảo trong nước, trên đất ẩm, sinh ra nhiều năng
lượng (7-30 lần) hơn NLSH thế hệ I, II trên cùng diện tích trồng. Tuy nhiên, việc nghiên cứu
chế tạo NLSH thế hệ III vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu ở quy mơ phịng thí nghiệm và
pilot [83].

1.1.3. Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học trong và ngồi nước
1.1.3.1. Tình hình sản xuất và sử dụng NLSH trên thế giới

Hiện nay có khoảng 50 nước trên thế giới khai thác và sử dụng NLSH ở các mức độ
khác nhau [15]. Nhiên liệu sinh học được dùng làm nhiên liệu cho ngành giao thông bao
gồm: dầu thực vật sạch, etanol, diesel sinh học, dimetyl ether (DME), ethyl tertiary butyl
5


ether (ETBE) và các sản phẩm từ chúng. Năm 2013, tồn thế giới đã sản xuất 60,5 tỷ lít
etanol nhiên liệu [16], dự kiến năm 2015 là 115 tỷ lít; năm 2005 sản xuất 4 triệu tấn diesel
sinh học (B100), năm 2011 tăng lên khoảng 25 triệu lít (hình 1.2) [57].

Hình 1.2. Sản lượng nhiên liệu sinh học trên thế giới
Mỹ sản xuất NLSH chủ yếu từ ngô, hạt cao lương và thân cây cao lương ngọt, và củ
cải đường. Khoảng 17% sản lượng ngô sản xuất hàng năm ở Hoa Kỳ dùng để sản xuất
etanol. Hoa Kỳ đặt chỉ tiêu sản xuất etanol sinh học để cung cấp 46% nhiên liệu cho xe hơi
năm 2010, 100% vào năm 2020 [21].
Đức là một nước tiêu thụ xăng sinh học nhiều nhất trong khối EU, trong đó có khoảng
0,48 triệu lít etanol. Nguyên liệu chính sản xuất etanol là củ cải đường. Pháp là nước thứ hai
tiêu thụ nhiều etanol sinh học trong cộng đồng Châu Âu với khoảng 1,07 triệu lít etanol và
diesel sinh học năm 2006. Cơng ty Diester sản xuất diesel sinh học và Téréos sản xuất etanol
sinh học là hai cơng ty lớn của Pháp.
1.1.3.2. Tình hình sản xuất và sử dụng NLSH ở trong nước

Để đảm bảo an ninh năng lượng, bảo vệ môi trường và thúc đẩy phát triển kinh tế
nông thôn tại các vùng sâu, vùng xa, ngày 20-11-2007, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt
“Đề án phát triển NLSH đến năm 2015, tầm nhìn 2025”. Đề án bao gồm hoạt động của các
cơ quan chính phủ và doanh nghiệp nhằm xây dựng lộ trình sử dụng NLSH của Việt Nam,
khung pháp lý, các chính sách khuyến khích sản xuất, xây dựng mơ hình thử nghiệm sản

xuất và phân phối NLSH cũng như các dự án đầu tư của Chính phủ để phát triển NLSH đến
năm 2025. Việt Nam sẽ đẩy mạnh phát triển NLSH và mục tiêu dự kiến đến năm 2025 sẽ
sản xuất và đưa vào sử dụng xăng E5 và dầu B5 trên phạm vi cả nước, đáp ứng đủ nhu cầu
thị trường. Đẩy mạnh phát triển NLSH là giải pháp thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch
truyền thống hiện nay, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ mơi trường.
Nhóm nghiên cứu Dỗn Thái Hịa và cộng sự, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã
nghiên cứu áp dụng cộng nghệ hiện đại để sản xuất 100 lít etanol sinh học thế hệ II từ phế
liệu gỗ keo, gỗ bạch đàn năm 2010 [1]. Nhóm nghiên cứu Tô Kim Anh và cộng sự đã
nghiên cứu tạo enzyme tái tổ hợp thủy phân lignocelluloses phục vụ sản xuất cồn nhiên liệu
[11]. Vũ Nguyên Thành và cộng sự đã nghiên cứu công nghệ và hệ thống thiết bị sản xuất
6


cồn nhiên liệu từ phế phụ phẩm nông nghiệp (bã mía) [13]. Tuy nhiên, kết quả đạt được cịn
khiêm tốn, chưa thể áp dụng triển khai sản xuất lớn và thương mại hóa.
Phan Đình Tuấn và cộng sự, Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã
nghiên cứu xử lý các phế phẩm trong sản xuất nông nghiệp như rơm, rạ, trấu… nhằm sản
xuất etanol sinh học, tiến tới xây dựng mơ hình “Thị trấn Biomass” tại Việt Nam. Đặng
Tuyết Phương và cộng sự, Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
đã nghiên cứu tạo nhiên liệu lỏng và khí có thành phần mong muốn từ nguồn rơm rạ Việt
Nam bằng phương pháp nhiệt phân có và khơng có xúc tác [2,42].
Việt Nam bắt đầu sản xuất NLSH từ khoảng 20 năm trước đây. Tuy nhiên cho đến nay
Việt Nam có ít kinh nghiệm trong nghiên cứu, sản xuất thử nghiệm và sản xuất thương mại
NLSH. Việc triển khai sản xuất vẫn còn rất xa mới đạt đến hiệu quả kinh tế và tiềm năng
thực. Về nguồn cầu, NLSH chưa được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam. Mạng lưới phân phối
và bán hàng vẫn chưa phát triển rộng rãi. Việc sản xuất NLSH thí điểm và thương mại đã
khơng ngừng gia tăng trong 5 năm qua trong đó năm 2009 được xem là năm khởi động cho
ngành NLSH tại Việt Nam. Trong năm 2009, nhiều nhà máy sản xuất etanol sinh học đã
được xây dựng tại các tỉnh Quảng Nam, Phú Thọ, Quảng Ngãi (Dung Quất), Bình Phước và
Đồng Nai từ sắn (NLSH thế hệ I). Đầu tư được tích luỹ từ các nhà máy nội địa bao gồm cả

Petrovietnam.
Hiện nay, một số dự án về NLSH ở Việt Nam chưa đạt tiến độ theo yêu cầu, nhưng
những nghiên cứu về NLSH tiếp tục diễn ra quy mô trên khắp thế giới và thiên về xu hướng
nghiên cứu tính khả thi và quy mơ ứng dụng chuyển hóa các loại sinh khối thành nhiên liệu
chứng tỏ tương lai đầy tiềm năng của cơng nghệ này. Rõ ràng, chuyển hóa rơm rạ nói chung
thành etanol sinh học không chỉ giải quyết triệt để hơn vấn đề năng lượng, không ảnh hưởng
đến lương thực mà cịn giải quyết nhiều vấn đề mơi trường, xã hội. Dự báo trong tương lai
không xa, sản xuất cồn từ rơm rạ và sinh khối nói chung sẽ thực sự được triển khai và
thương mại hóa trên quy mơ rộng [1,13].

1.2. Sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối lignocellulose
1.2.1. Khái niệm sinh khối
Sinh khối (biomass) là thuật ngữ dùng để mô tả các vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ
thực vật, cây cối hoa màu và các dạng vật liệu tương tự có khả năng thu thập và lưu trữ năng
lượng mặt trời thông qua quá trình quang hợp. Năng lượng sinh khối (bioenergy) là năng
lượng thu được thơng qua q trình chuyển hóa sinh khối thành các dạng năng lượng có ích
khác như: nhiệt năng, điện năng, nhiên liệu lỏng (nhiên liệu sinh học) [110, 25].
Lượng sinh khối lignocellulose hằng năm được tổng hợp khoảng 1010 đến 1011 tấn nhờ
quá trình quang hợp, quy đổi ra năng lượng thì gấp 6 lần nhu cầu năng lượng trên tồn thế
giới, tuy nhiên để có thể chuyển hóa sinh khối thành năng lượng là cả một vấn đề lớn, lâu
dài. Vì năng lượng sản xuất từ sinh khối có tuy có nhiều ưu điểm như: phân bố rộng rãi, có
khả năng tái tạo, có thể dự trữ và chuyển đổi dễ dàng, không gây ô nhiễm môi trường nhưng
lại có một số nhược điểm như sử dụng diện tích đất canh tác lớn, yêu cầu chi phí cho bón
7


phân, tưới nước, thay đổi chất lượng theo điều kiện ngoại cảnh bên ngồi, chính vì vậy nên
sản xuất năng lượng từ sinh khối hiện nay vẫn chưa hoàn toàn thay thế được cho năng lượng
hóa thạch [110, 25].
1.2.2. Cơng nghệ tiền xử lý sinh khối lignocellulose cho sản xuất nhiên liệu

1.2.2.1. Thành phần hóa học của tế bào gỗ

Sinh khối thực vật được cấu tạo từ những tế bào thực vật có hình dạng và kích thước
khác nhau, nhưng đều gồm các thành phần chính là: màng sinh chất bao bọc bên ngoài tế
bào, vách tế bào thực vật, tế bào chất bao gồm các cơ quan bên trong như thể Golgi, ty thể,
lục lạp, sắc lạp, vô sắc lạp (bột lạp, đạm lạp, du lạp)..., nhân tế bào và không bào. Kết thúc
chu kỳ sống, các thể này đều tiêu biến chỉ còn lại vách tế bào thực vật [8].
Vách tế bào thực vật có cấu tạo hóa học chủ yếu là tổ hợp lignocellulose.
Lignocellulose gồm có ba thành phần chính là cellulose, hemicellulose và lignin. Sự tổ hợp
với các tỷ lệ khác nhau của ba thành phần này tạo nên vách tế bào thực vật của các loại thực
vật khác nhau và tạo nên sự phong phú, đa dạng của các lồi thực vật ngày nay (hình 1.3)
[17]

Hình 1.3. Cấu tạo vách tế bào thực vật
Cellulose

Cellulose là một polysaccharide đồng thể mạch thẳng, đại phân tử của nó được cấu
tạo bởi các gốc β-D-glucose, liên kết với nhau bằng các liên kết glucozit 1-4. Chuỗi đại phân
tử của nó có cấu tạo điều hịa và tất cả các nguyên tử cacbon không đối xứng nhau theo một
cấu hình chặt chẽ nhất định. Đơn vị lập thể lặp lại trong chuỗi cellulose là gốc cellobiose (Dglucopyranosyl-β-1,4-D-glucopyranose) (hình 1.4) [49].
Cellulose là polyme phổ biến nhất trong tự nhiên chiếm khoảng 90% trong sợi bông
tự nhiên, 40–50% khối lượng sinh khối gỗ, 40−50% trong bã mía và khoảng 35−40% trong
rơm lúa mỳ và lúa gạo [26].

8


Hình 1.4. Cấu tạo phân tử cellulose
Cơng thức (thực nghiệm) chung của cellulose có thể viết dưới dạng (C6H10O5)n hoặc
[C6H7O2(OH)3]n. Bậc trùng hợp n của cellulose trong gỗ vào khoảng 5000 đến 10000, đối

với cây thân thảo thì mức độ trùng hợp thấp hơn. Ở trạng thái tự nhiên cellulose liên kết với
nhau thành chuỗi vi sợi dài, nhiều vi sợi liên kết với nhau tạo thành sợi, nhiều sợi liên kết
với nhau tạo thành bó sợi. Bó sợi cellulose có cấu trúc bao gồm vùng kết tinh xen kẽ với
vùng vơ định hình một cách đều đặn. Vùng kết tinh là vùng có trật tự cấu trúc cao cùng với
mạng lưới liên kết hydro bao xung quanh ngăn cản sự xâm nhập của các tác nhân khác nhau.
Ngoài ra, tương tác giữa các sợi cellulose còn được giữ bởi lực Van der Waals ở khoảng
cách lớn hơn so với liên kết hydro [26,90]. Sự thay đổi cấu trúc và độ kết tinh của các loại
cellulose dước tác dụng của các tác nhân hóa học khác nhau hay tác nhân nhiệt độ là khác
nhau. Đây cũng là một trong những trở ngại đối với việc kiểm soát tỷ lệ enzyme thích hợp
cho q trình thủy phân cellulose bằng enzyme.
Ở vùng cellulose tinh thể, enzyme cellulase chỉ có thể được hấp phụ lên bề mặt xơ sợi
và tách dần chúng ra. Ngược lại, vùng vơ định hình có trật tự cấu trúc thấp hơn, khoảng cách
giữa các vi sợi cũng lớn, các liên kết hydro cũng yếu hơn nên enzyme dễ dàng thấm sâu và
cắt đứt chuỗi cellulose ở những vị trí bất kỳ, làm mạch cellulose bị cắt ngắn nhanh chóng,
tạo ra các đầu khử mới. Tuy vậy, q trình thủy phân cellulose trong sinh khối chỉ đạt được
kết quả tốt khi đã loại bỏ phần lớn các thành phần như lignin, các chất trích ly, tro, pectin...
ra khỏi vách tế bào.
Cellulose là một vật liệu có tính hút ẩm, nó có thể hút 8-14% nước trong điều kiện
bình thường (20°C, 60% độ ẩm tương đối) [26]. Tuy nhiên, cellulose khơng bị hịa tan trong
nước, khi tương tác với nước cellulose hấp thụ một phần và bị trương nở. Cellulose cũng
khơng hịa tan trong dung dịch axit lỗng ở nhiệt độ thấp. Khả năng hòa tan của cellulose
liên quan chặt chẽ đến mức độ phân hủy của sinh khối sau q trình TXL. Ở nhiệt độ cao,
cellulose dễ bị hịa tan, nếu như cung cấp đủ năng lượng để phá vỡ các liên kết hydro tham
gia vào cấu trúc tinh thể. Cellulose cũng hòa tan trong axit đặc, nhưng khi đó cấu trúc của nó
bị phân hủy nghiêm trọng do thủy phân thiếu nước gây ra. Trong các phương pháp TXL
bằng kiềm, sự phân giải của cellulose diễn ra bắt đầu ở các phân tử có khối lượng thấp của
chuỗi polyme (DP <200) [26]. Dung môi của cellulose thường là các hệ dung môi phức
đồng hoặc cadmi, như hydroxide (cuen) cupriethylenediamine hoặc Cadoxen cadmium.
Ngồi ra, các dung mơi như dung dịch muối, chẳng hạn như clorua kẽm, có khả năng hòa
9

tan cellulose thấp phân tử. Cellulose khơng nóng chảy mà bắt đầu bị phân hủy ở nhiệt độ
180oC [26].
Hemicellulose

Hemicellulose là hợp chất polysaccharide phổ biến sau cellulose, là một trong số
những chất cấu tạo nên vách tế bào thực vật. Hemicellulose có cấu tạo các thành phần đường
cơ bản như: D-xylose, D-mannose, D-glucose, D-galactose, L-arabinose, D-glucuronic axit,
4-O-methyl-D-glucuronic axit, axit D-galacturonic [116]. Các đường đơn trong
hemicellulose liên kết với nhau thông qua liên kết β−1,3, −1,6 và −1,4 glycoside, nhưng
thường bị acetyl hóa tạo thành “keo dính” bám trên phân tử lignin [49].
Xylan chiếm phần lớn khối lượng hemicellulose và có cấu trúc đa dạng. Khối lượng
phân tử tùy thuộc theo đặc điểm của các lồi thực vật và vị trí nó ở các mơ tế bào thực vật.
Tất cả các xylan đều có mạch chính do các xylose (C5H10O5) nối với nhau bởi liên kết β-1,4glycoside [49]. Trong quá trình xử lý sinh khối thì giữ lại được phần lớn xylan trong sinh
khối cho thủy phân sẽ góp phần nâng cao hiệu suất đường cuối của quá trình thủy phân.
Lignin

Lignin là hợp chất cao phân tử có cấu trúc mạng khơng gian và khơng có cấu tạo hóa
học nhất định. Cùng với cellulose, lignin là một trong những hợp chất polyme có nguồn gốc
sinh học phổ biến nhất trong tự nhiên, hàm lượng lignin chiếm khoảng 20 ÷30% trong vách
tế bào thực vật [49].
Lignin có cấu tạo rất phức tạp. Các đơn vị cơ sở tạo nên “bộ khung” của lignin là các
đơn vị phenylpropan (hình 1.5) [26]. Các mắt xích này liên kết với nhau tạo thành cấu trúc
khơng gian 3 chiều. Lignin của các loài cây thân thảo chứa nhiều đơn vị
hydroxyphenylpropan (III) hơn so với gỗ [31].
Lignin có liên kết hóa trị với hemicellulose, nhưng khơng có liên kết trực tiếp với
cellulose [31,44]. Lignin có đặc tính là polyphenol nên có tính kỵ nước và sát khuẩn, là
thành phần gây cản trở quá trình thủy phân bằng enzyme nên cần phải loại bỏ. Tách loại
lignin bằng các tác nhân hóa học khác nhau thường dẫn đến phân hủy một phần

carbohydrate. Chính vì vậy, cơng nghệ TXL hiệu quả sinh khối là công nghệ tách loại lignin
một cách có chọn lọc mà khơng làm ảnh hưởng nhiều đến carbohydrate.

Guaiacylpropan (I)

Syrygylpropan (II)

Hydroxyphenylpropan (III)

Hình 1.5. Các đơn vị cấu trúc cơ bản của lignin

10


1.2.2.2. Cơng nghệ tiền xử lý sinh khối lignocellulose

Đặc tính đa dạng của các nguyên liệu sinh khối là trở ngại để đưa ra quy trình TXL
chung. Chính vì vậy, đối với mỗi loại sinh khối người ta đưa ra cách xử lý đặc thù, hiệu quả
cho sinh khối đó. Công nghệ TXL hiệu quả thường kết hợp hai hay nhiều cơng đoạn xử lý
khác nhau nhằm thu hồi tồn bộ sinh khối. Các tác nhân TXL được biết đến rộng rãi như:
a.

Tiền xử lý bằng phương pháp vật lý
− Nghiền nhỏ bằng phương pháp cơ học:

Mục đích của TXL cơ học là làm giảm kích thước và mức độ kết tinh của
lignocellulose, nhằm tăng diện tích bề mặt và giảm mức độ trùng hợp. Việc nghiền nhỏ này
có thể được thực hiện bằng sự kết hợp cắt nhỏ, nghiền hoặc xay phụ thuộc vào kích thước
cần đạt được của sinh khối (10–30 mm sau khi cắt và 0,2–2 mm sau khi nghiền hoặc xay)
[141]. Các quy trình xay nghiền khác nhau (nghiền bi, nghiền hai trục và nghiền rung bằng

năng lượng vibrio) có thể được sử dụng để cải thiện q trình thủy phân bằng enzyme nhờ
tăng diện tích bề mặt tiếp xúc [137]. Tiêu tốn năng lượng của phương pháp TXL này rất cao
phụ thuộc vào kích thước hạt cuối cùng và các đặc điểm của sinh khối ban đầu. Cùng với sự
gia tăng liên tục giá năng lượng thì phương pháp TXL này khơng có hiệu quả kinh tế [138].
− TXL bằng phương pháp nhiệt−cơ kết hợp
Quy trình nhiệt−cơ kết hợp là phương pháp TXL có nhiều cải tiến hơn so với phương
pháp nghiền cơ. Trong phương pháp này, sinh khối được cắt nhỏ, nghiền, đảo trộn ở nhiệt
độ nhất định trong thiết bị hình ống. Phương pháp này đã tạo ra các biến đổi hóa lý giữa các
thành phần của sinh khối dọc theo chiều dài của ống đẩy của thiết bị. Tốc độ của trục xoắn
và nhiệt độ của lòng ống phá vỡ cấu trúc lignocellulose gây ra sự biến đổi hình dạng và kích
thước của xơ sợi, kết quả là tăng khả năng xâm nhập vào carbohydrate của enzyme [139].
Nhược điểm của phương pháp này là tiêu tốn năng lượng và chỉ tách loại được một lượng
nhỏ lignin, hemicellulose.
b. Tiền xử lý bằng phương pháp hóa học
− Các phương pháp TXL sinh khối bằng kiềm
Tác động của một số bazơ lên sinh khối lignocellulose là cơ sở của các phương pháp
TXL bằng kiềm. Đây là phương pháp TXL hiệu quả phụ thuộc vào hàm lượng lignin của
sinh khối. Các phương pháp TXL bằng kiềm làm tăng khả năng thủy phân của cellulose và
tách loại lignin tốt hơn, ít hịa tan cellulose và hemicellulose hơn so với các quy trình axit
hay thủy nhiệt [68]. TXL bằng kiềm có thể được tiến hành ở nhiệt độ phòng, trong thời gian
từ nhiều giây đến nhiều ngày. Được mơ tả là ít phân hủy đường hơn so với TXL bằng axit,
TXL sinh khối bằng kiềm đạt được hiệu quả cao hơn khi xử lý các phế phẩm nông nghiệp so
với các nguyên liệu gỗ [68]. Tuy nhiên, cần phải cân nhắc đến khả năng mất mát các loại
đường có khả năng lên men và sự tạo thành các hợp chất ức chế để tối ưu hóa các điều kiện
TXL. Natri, kali, canxi và amoni hydroxit là các tác nhân TXL thường được sử dụng. NaOH
làm trương nở, gia tăng diện tích bề mặt của cellulose và giảm mức độ trùng hợp và mức độ
kết tinh, phá vỡ cấu trúc và hịa tan lignin [137]. NaOH đã được cơng bố làm gia tăng khả
năng phân giải của gỗ cứng từ 14% lên 55% bằng cách giảm hàm lượng lignin từ 24-55%
11