Đồ án tốt nghiệp tận dụng bã chưng cất hỗn hợp lên men rơm rạ thành bioethanol làm nguồn dinh dưỡng thay thế bột ngô

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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TẬN DỤNG BÃ CHƯNG CẤT HỐN HỢP LÊN MEN
RƠM RẠ THÀNH BIOETHANOL LÀM NGUỒN
DINH DƯỠNG THAY THẾ BỘT NGƠ
CHUN DỤNG TRONG Q TRÌNH
SẢN XUẤT BIOETHANOL THEO CÔNG NGHỆ
THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI

Ngành:

CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Giảng viên hướng dẫn : T.S NGUYỄN ĐÌNH QUÂN
Sinh viên thực hiện
MSSV: 1051110165

: THÁI THỊ THÙY TRANG
Lớp: 10DSH02

TP. Hồ Chí Minh, 2014


Đồ án tốt nghiệp

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là cơng trình nghiên cứu của tơi, có sự hỗ trợ từ
Giáo viên hướng dẫn là TS. Nguyễn Đình Quân. Các nội dung nghiên cứu và kết
quả trong đề tài này là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất cứ cơng
trình nghiên cứu nào trước đây. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc
phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có
ghi trong phần tài liệu tham khảo. Ngồi ra, đề tài cịn sử dụng một số nhận xét,
đánh giá cũng như số liệu của các tác giả, cơ quan tổ chức khác, và cũng được thể
hiện trong phần tài liệu tham khảo.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm
trước Hội đồng, cũng như kết quả luận văn của mình.

Thái Thị Thùy Trang


Đồ án tốt nghiệp

LỜI CÁM ƠN
Trong suốt bốn năm học tập và rèn luyện tại trường, luận văn tốt ngiệp là sản
phẩm đúc kết lại quá trình nghiên cứu và thực hành của sinh viên. Chính vì vậy
những kiến thức mà em đã tiếp thu được là nền tảng vững chắc giúp em hoàn thành
luận văn này. Em xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Công nghệ sinh học - Thực
phẩm - Môi trường, bộ môn Công nghệ sinh học trường đại học Cơng Nghệ T.p Hồ
Chí Minh đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ em trong thời gian qua.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy TS. Nguyễn Đình Quân là người đã
đưa em tới hướng nghiên cứu, đồng thời giúp đỡ về kiến thức cũng như tạo điều
kiện để em hoàn thành tốt luận văn này.
Em cũng xin cảm ơn chị Trần Phước Nhật Un, chị Vũ Lê Vân Khánh, anh
Phạm Đình Đơng đã nhiệt tình giúp đỡ em

Em cũng xin cảm ơn gia đình và bạn bè ln là chỗ dựa vững chắc trong học

tập và là nguồn động lực rất lớn để em phấn đấu.
Vì thời gian có hạn, kinh nghiệm lẫn kiến thức chun mơn cịn thiếu và do
điều kiện khách quan nên trong q trình làm luận văn cịn nhiều thiếu sót. Vì vậy
em kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của Thầy cơ cùng các bạn để em có
thế khắc phục những sai sót nhằm hồn thiện hơn bài luận văn tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn và gởi lời chúc thành công đến tất cả mọi người.

Thái Thị Thùy Trang


Đồ án tốt nghiệp

MỤC LỤC
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................1
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................2
Đặt vấn đề ................................................................................................................2
Lý do chọn đề tài và nhiệm vụ của luận văn ...........................................................3
Lý do chọn đề tài: .................................................................................................3
Nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn ......................................................................4
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU..................................................................5
1.1. Nguyên liệu lignocellulose ...............................................................................5
1.2. Enzyme cellulase ..............................................................................................7
1.3. Nấm men Saccharomyces cerevisiae ................................................................9
1.3.1. Hình thái và cấu tạo nấm men ..................................................................10
1.3.2. Sinh trưởng của nấm men.........................................................................11
1.4. Quá trình sản xuất ethanol từ rơm rạ ..............................................................13
1.4.1. Quy trình chung ........................................................................................13
1.4.2. Quy trình thực hiện..................................................................................13
1.4.2.1. Tiền xử lý: ..........................................................................................13
1.4.2.2. Thủy phân: ........................................................................................16

1.4.2.3. Lên men ..............................................................................................18
2.4.2.4. Chưng cất:.........................................................................................22
1.5. Đối tượng của luận văn ...................................................................................23
1.5.1. Đặt vấn đề ................................................................................................23
1.5.2. Bã lên men (SSF Residue) [15] ................................................................24
1.5.3. Corn steep liquor (CSL) ...........................................................................25
1.6. Các kỹ thuật chìa khóa cho q trình lên men. ...............................................26
1.6.1. Thủy phân và lên men đồng thời (SSF).[20] ............................................26
1.6.2. Nhập liệu nhiều lần theo đợt. ..................................................................26
CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM ............28
2.1. Chuẩn bị nguyên liệu cho quá trình thí nghiệm.............................................29

i


Đồ án tốt nghiệp

2.1.1. Rơm rạ ......................................................................................................29
Hình 2.4. Máy cắt tinh ...................................................................................29
2.1.2. Nguồn dinh dưỡng bã lên men .................................................................31
2.1.3. Hoá chất sử dụng ......................................................................................32
4.1.3.1. Enzyme cellulase:...............................................................................33
4.1.3.2. Nấm men Saccharomyces cerevisiae .................................................33
2.1.3.3. Corn steep liquor (CSL): ...................................................................34
2.2. Tiến hành thí nghiệm ......................................................................................34
2.2.1. Định lượng Nitơ tổng bằng phân tích C H N.[21] ...................................34
2.2.2. Phân tích thành phần sơ sợi. .....................................................................36
2.2.2.1. Hóa chất và dụng cụ sử dụng: ...........................................................36
2.2.2.2. Cách tiến hành: ..................................................................................36
2.2.3. Phân tích hàm lượng Nitơ hịa tan bằng phương pháp Sorensen. ............38

2.2.4. Thủy phân và lên men đồng thời. .............................................................39
2.2.5.1. Nhân giống nấm men Saccharomyces cerevisiae ..............................40
2.2.5.1.1. Nhân giống men sử dụng bã SSF làm nguồn dinh dưỡng: .........40
2.2.5.1.2. Sử dụng dịch nước SSF làm môi trường và nguồn dinh dưỡng cho
quá trình nhân giống men: ..........................................................................42
2.2.5.1.3. Nhân giống men sử dụng CSL làm nguồn dinh dưỡng: ..............42
2.2.5.2. Thủy phân và lên men đồng thời. .......................................................42
2.2.5.2.1. Sử dụng bã SSF làm nguồn dinh dưỡng bổ sung cho quá trình
SSF:..............................................................................................................45
2.2.5.2.2. Sử dụng dịch nước SSF làm môi trường và nguồn dinh dưỡng cho
quá trình SFF: .............................................................................................46
2.2.5.2.3. Sử dụng CSL làm nguồn dinh dưỡng bổ sung cho quá trình SSF:
.....................................................................................................................46
2.2.5.2.4. Quá trình SSF khơng sử dụng dinh dưỡng bổ sung: ...................46
2.2.5.3. Q trình SSF ở quy mơ mini-pilot:...................................................47

ii


Đồ án tốt nghiệp

2.2.5.3.1. Sử dụng bã SSF làm nguồn dinh dưỡng bổ sung cho quá trình
SSF:..............................................................................................................47
2.2.5.3.2. Sử dụng dịch nước SSF làm môi trường và nguồn dinh dưỡng cho
quá trình SSF: ..............................................................................................48
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ............................................................50
3.1. Kết quả phân tích thành phần của rơm. ..........................................................50
3.1.1. Thành phần rơm khô trước nổ hơi............................................................50
3.1.2. Thành phần rơm rạ sau nổ hơi. .................................................................51
3.1.3. Thành phần rơm rạ sau tiền xử lý. ............................................................52

3.2. Kết quả phân tích xơ sợi các nguồn dinh dưỡng. ...........................................53
3.3. Kết quả phân tích đạm các nguồn dinh dưỡng. ..............................................54
3.3.1. Kết quả phân tích mẫu bằng máy phân tích nguyên tố CHN ...................54
3.3.2. Kết quả phân tích bằng phương pháp chuẩn độ formol (Sorensen) .........55
3.4. Kết quả nhân giống men: ................................................................................56
3.5. Kết quả thủy phân và lên men đồng thời: .......................................................57
3.6. Kết quả SFF ở thiết bị mini-pilot: ...................................................................59
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................61
Kết luận ..................................................................................................................61
Kết luận về thành phần rơm rạ trước và sau tiền xử lý. .....................................61
Kết luận về kết quả phân tích thành phần dinh dưỡng có trong nguồn dinh
dưỡng. .................................................................................................................61
Kết luận về kết quả thủy phân và lên men đồng thời. ........................................61
Kiến nghị................................................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................63
PHỤ LỤC ...................................................................................................................1

iii


Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Thành phần hóa học của rơm rạ ..................................................................6
Bảng 1.2. Tỉ lệ các thành phần trong rơm rạ ..............................................................6
Bảng 1.3. Thành phần các chất có trong cấu trúc của nấm men được lạnh đơng khơ.
...................................................................................................................................10
Bảng 1.4. Các thành phần hóa học trong nấm men đơng khơ[9] .............................10
Bảng 1.5. Kết quả phân tích hàm lượng nitơ trong bã lên men bằng thực nghiệm: 24
Bảng 1.6. Thành phần của CSL (%KL)[16 ] ............................................................25

Bảng 4.1 : Hóa chất sử dụng trong q trình thực hiện thí nghiệm. ........................32
Bảng 2.2 Kết quả thí nghiệm trong bã SSF ..............................................................39
Bảng 2.3. Kết quả thí nghiệm trong CSL .................................................................39
Bảng 2.4. Tỉ lê thành phần cơ chất cho 1 lần lên men. .............................................44
Bảng 2.5. Thành phần cho quá trình SSF .................................................................45
Bảng 2.6. Thành phần cho quá trình SSF .................................................................46
Bảng 2.7. Thành phần cho quá trình SSF .................................................................46
Bảng 2.8. Thành phần cho quá trình SSF .................................................................46
Bảng 2.9. thành phần cho quá trình SFF ..................................................................47
Bảng 2.10. Khối lượng rơm nhập liệu ......................................................................48
Bảng 2.11. Khối lượng rơm nhập liệu ......................................................................48
Bảng 2.12. Khối lượng rơm nhập liệu ......................................................................49
Bảng 3.1. Thành phần xơ sợi của rơm rạ theo Hồ Tráng Sỹ [26] ............................50
Bảng 3.2. Thành phần xơ sợi có trong các nguồn dinh dưỡng. ................................53
Bảng 3.3. Kết quả phân tích nitơ tổng. .....................................................................54
Bảng 5.4. Kết quả phân tích hàm lượng acid amin. .................................................55

iv


Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Cấu trúc của lignocellulose ........................................................................5
Hình 1.2. Cấu trúc của tế bào và thành tế bào của thảo mộc. ....................................7
Hình 1.3 . Sơ đồ các bước thủy phân cellulose bởi enzyme cellulase .......................9
Hình 1.4. Nấm men Sacchromyces cerevisiae dưới dạng bột khơ. .........................10
Hình 1.5. Cấu trúc rơm rạ sau tiền xử lý. .................................................................14
Hình 1.6. Quy trình sản xuất ethanol từ rơm rạ của hệ thống Pilot ........................23

Hình 1.7. Bột ngơ (CSL) .........................................................................................25
Hình 2.1. Rơm thơ ...................................................................................................29
Hình 2.2. Rơm sau tiền xử lý....................................................................................29
Hình 2.3. Máy cắt thơ ..............................................................................................29
Hình 2.4. Máy cắt tinh .............................................................................................29
Hình 2.5. Thiết bị nổ hơi ..........................................................................................30
Hình 2.6. Rơm sau nổ hơi .........................................................................................30
Hình 2.7. Rơm được ngâm kiềm ..............................................................................30
Hình 2.8. Thiết bị lọc ép ...........................................................................................30
Hình 2.9 . Rơm rạ sau tiền xử lý ..............................................................................31
Hình 2.10. Bã rắn sau khi sấy ..................................................................................32
Hình 2.11. Bã rắn sau khi nghiền .............................................................................32
Hình 2.12. Enzyme Cellulase ...................................................................................33
Hình 2.13. Nấm men Saccharomyces cerevisiae ....................................................33
Hình 2.14. Corn steep liquor (CSL) ........................................................................34
Hình 2.15. Viên nang................................................................................................35
Hình 2.16. Cân điện tử .............................................................................................35
Hình 2.17. Cân điện tử hình ....................................................................................35
Hình 2.18. Máy phân tích C H N ...........................................................................35
Hình 2.19. Dịch kích hoạt men giống ......................................................................41
Hình 2.20. Thiết bị tiệt trùng ....................................................................................41

v


Đồ án tốt nghiệp

.........................................................................41
...................................................................................................................................41
Hình 2.21. Tủ lắc ......................................................................................................41

Hình 2.22. Máy quang phổ kế ..................................................................................41
Hình 2.23. Thiết bị ly tâm. .......................................................................................42
Hình 4.24. Máy đo độ ẩm .........................................................................................43
Hình 2.25. Các erlen chứa rơm trước khi tiệt trùng .................................................44
Hình 2.26. Bình thủy phân và lên men đồng thời ....................................................45
Hình 2.27. Lấy mẫu sau mỗi lần nhập liệu ...............................................................48
Hình 3.1. Thành phần xơ sợi của rơm khơ ..............................................................50
Hình 5.2. Thành phần xơ sợi của rơm sau nổ hơi. ...................................................51
Hình 3.3. Thành phần rơm sau tiền xử lý. ................................................................52
Hình 3.4. Sự phát triển của con men trong quá trình nhân giống:(1) 0,1% bã SSF;
(2) 200ml dịch nước SSF; (3) 0,1% CSL. .................................................................56
Hình 3.5. Nồng độ ethanol trong quá trình SSF theo thời gian:(1) 8% rơm+ 0,15%
bã SSF; (2) 8% rơm + dịch nước SSF; (3) 8% rơm + 0,1% CSL; (4) 8% rơm ........57
Hình 3.6. Hiệu suất của quá trình SSF theo thời gian:(1) 8% rơm+ 0,15% bã SSF;
(2) 8% rơm + dịch nước SSF; (3) 8% rơm + 0,1% CSL; (4) 8% rơm ......................58
Hình 3.7. Nồng độ ethanol trong quá trình SSF theo thời gian:(1) 16% rơm+
0,15% bã SSF; (2) 16% rơm + dịch nước SSF. ........................................................59

vi


Đồ án tốt nghiệp

Hình 3.8. Hiệu suất của quá trình SSF theo thời gian:(1) 16% rơm+ 0,15% bã SSF;
(2) 16% rơm + dịch nước SSF ..................................................................................60

vii


Đồ án tốt nghiệp

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Hiện nay nguồn nguyên liệu dầu mỏ đang cạn kiệt, cùng với việc giá thành
tăng cao và ô nhiễm môi trường đang là thách thức lớn trong việc sử dụng nhiên
liệu trong tương lai. Trong bối cảnh đó, ethanol được đánh giá là nguồn cung cấp
nhiên liệu tốt vì con người có khả năng sản xuất với sản lượng lớn, không gây ô
nhiễm môi trường và có thể thay thế được hồn tồn cho xăng. Ethanol hồn tồn
có thể sản suất được từ nguồn cellulose thực vật như rơm rạ.
Rơm rạ chiếm tỉ lệ lớn trong phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam. Với thành
phần chứa hơn 40% cellulose, rơm rạ là nguồn nguyên liệu thích hợp cho q trình
sản xuất ethanol. Trong q trình lên men ethanol từ rơm rạ, nấm men cần nguồn
dinh dưỡng bổ sung để sinh sản và sinh trưởng tốt. Nguồn dinh dưỡng đang sử
dụng hiện nay là bột ngô chuyên dụng (CSL) cho kết quả rất tốt. Nhưng sau quá
trình lên men, lượng bã thải thường được thải bỏ hoặc sử dụng làm phân bón cho
cây trồng. Luận văn này nghiên cứu khả năng sử dụng bã thải của quá trình lên
men và thủy phân đồng thời để thay thế cho CSL làm nguồn dinh dưỡng bổ sung
trong quá trình lên men rơm rạ thành ethanol.
Bã lên men sau khi lấy từ quá trình chưng cất được để lắng chia làm 2 phần
bã rắn và bã lỏng. Bã rắn sấy để giảm độ ẩm xuống dưới 10%, nghiền mịn và tiến
hành phân tích hàm lượng dinh dưỡng (Nitơ, protein). Sau đó tiến hành thủy phân
và lên men đồng thời rơm sử dụng nguồn dinh dưỡng là bã rắn, bã lỏng rồi so sánh
với kết quả khi sử dụng nguồn dinh dưỡng là CSL.
Hàm lượng nitơ tổng trong bã lên men là 3,97 % (CSL là 8,42%), hàm lương
nitơ amin tự do là 2,42 g/l (CSL là 3,64 g/l).
Kết quả thủy phân và lên men đồng thời cho thấy rằng, bã lên men hồn tồn
có thể thay thế CSL làm nguồn dinh dưỡng cho nấm men sinh trưởng và phát triển.
-

1

Đồ án tốt nghiệp

MỞ ĐẦU
Đặt vấn đề
Rơm rạ là một trong những nguồn nguyên liệu dồi dào lignocellulose nhất
trên thế giới. Về tổng sản lượng, lúa là cây trồng quan trọng thứ ba sau lúa mì và
ngơ. Theo thống kê của FAO sản xuất lúa gạo trung bình thế giới năm 2007 khoảng
650 triệu tấn. Thu hoạch 1kg hạt lúa thu được tương ứng 1 - 1,5 kg rơm (Maiorella,
1985). Ước tính 650 - 975 triệu tấn rơm rạ được sản xuất mỗi năm trên toàn thế giới
và phần lớn chúng được dùng làm thức ăn cho gia súc và phần cịn lại là lãng phí.
Nước ta là một nước nông nghiệp với sản lượng gạo hằng năm trên 35 triệu
tấn. Đồng bằng Sông hồng, khu vực trung du và đồng bằng Sông cửu long là 3 khu
vực sản xuất lúa gạo chính của nước ta. Từ đó có thể thấy sản lượng rơm rạ trên cả
nước hằng năm là rất lớn và tập trung. Việc giá dầu mỏ tăng lên từng ngày cùng với
tình trạng ơ nhiễm mơi trường đang dần trở thành một thách thức lớn cho việc sử
dụng nhiên liệu trong tương lai. Nguồn rơm rạ dồi dào nhưng những ứng dụng lại
hạn chế. Sự lãng phí nguồn năng lượng cùng với ô nhiễm môi trường do việc sử
dụng rơm rạ không đúng cách như hiện nay đang dần trở thành mối quan tâm của
nhiều nhà khoa học và quản lý.
Ethanol được đánh giá là nguồn cung cấp nhiên liệu tốt cho tương lai vì con
người có khả năng sản xuất với sản lượng lớn, không gây ơ nhiễm mơi trường và có
thể thay thế được hồn tồn cho xăng. Ethanol hồn tồn có thể sản suất được từ
nguồn cellulose thực vật như rơm rạ. Theo đánh giá sơ bộ, lượng rơm rạ hằng năm
trên cả nước nếu được chuyển thành ethanol hồn tồn có khả năng thay thế toàn bộ
nhu cầu xăng dầu cả nước như hiện nay.
Để quá trình lên men đạt hiệu suất cao, vi sinh vật cần được nuôi cấy và
được cung cấp nguồn dinh dưỡng thích hợp cho việc sinh sản. Tuy nhiên, các
ngun liệu biomass nguồn gốc lignocelluloses thường khơng có đủ hàm lượng nitơ
cần thiết cho quá trình tạo protein trong chuỗi sinh sản của vi sinh vật (nấm men).

Vì vậy, cần phải có một nguồn bổ sung từ bên ngoài.

2


Đồ án tốt nghiệp

Nguồn dinh dưỡng đang sử dụng hiện nay tại pilot trường đại học Bách
Khoa T.p Hồ Chí Minh là bột ngô chuyên dụng (CSL), đây là nguyên liệu khơng
phải lúc nào cũng có sẵn tại địa phương, và có giá trị cao trong cơng nghệ vi sinh.
Trong khi đó bã thải q trình SSF chứa rất nhiều xác nấm men, và các hợp chất
carbohydrate nhưng hiện nay chỉ mới được cân nhắc sử dụng làm phân bón hoặc
đổ thải ra mơi trường. Nếu chúng ta có thể thay CSL bằng bã thải SSF thì quá trình
sản xuất bioethanol từ rơm rạ sẽ càng bền vững hơn vì bớt phụ thuộc vào nguyên
liệu bên ngoài, giảm lượng bã thải, nâng cao hiệu quả sản xuất qua việc tận dụng
những thành phần có trong bã thải SSF.
Trên cơ sở đó, mục tiêu luận văn là nghiên cứu khả năng sử dụng bã thải lên
men để thay thế cho CSL làm nguồn dinh dưỡng bổ sung trong quá trình lên men
rơm rạ thành ethanol.
Lý do chọn đề tài và nhiệm vụ của luận văn
Lý do chọn đề tài:
Trong những nghiên cứu trước, quá trình lên men sản xuất cồn từ rơm rạ sử
dụng nguồn dinh dưỡng là bột ngô chuyên dụng ( tên gọi thương mại là CSL - Corn
steep liquor). Nguồn dinh dưỡng này mang lại hiệu quả khá tốt, tuy nhiên, do nhập
khẩu từ Pháp và giá thành khá đắt đỏ, hơn nữa lượng bã thải sau chưng cất thường
chỉ được sử dụng làm phân bón hoặc thải ra ngồi mơi trường gây lãng phí.
Sau khi chưng cất thì xem như hỗn hợp đã được tiệt trùng, việc dùng nó làm
nguồn dinh dưỡng sẽ giảm thiểu được việc xử lý có nghĩa là sẽ sử dụng trực tiếp
nguồn dinh dưỡng này. Bên cạnh đó trong bã thải cịn có thành phần cellulose chưa
lên men và xác con yeast, khi sử dụng sẽ tận dụng nguồn cellulose, còn xác con

yeast sẽ là nguồn dinh dưỡng bổ sung cho con men trong các mẽ lên men sau. Việc
tận dụng bã sau lên men này sẽ tận thu được lượng ethanol còn trong bã, hơn nữa sẽ
giảm thiểu được khối lượng và thể tích chất thải ra mơi trường.
Tuy nhiên bã thải có hai phần bã rắn và bã lỏng, nên luận văn sẽ nghiên cứu
việc sử dụng bã lỏng để thay thế cho nguồn dinh dưỡng và nước mất, bên cạnh đó
sẽ nghiên cứu việc sữ dụng bã thải rắn làm nguồn dinh dưỡng thay thế CSL trong

3


Đồ án tốt nghiệp

quá trình thủy phân và lên men đồng thời.
Nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn
Nghiên cứu các thành phần dinh dưỡng (Nitơ, protein) trong bã lên men, CSL.
Nghiên cứu thành phần rơm rạ trước và sau quá trình thủy phân và lên men
đồng thời (SSF).
Khảo sát quá trình thủy phân và lên men đồng thời ethanol từ rơm rạ sử dụng
các nguồn dinh dưỡng khác nhau (CSL, bã rắn, bã lỏng).
Nghiên cứu vai trò của bã rắn, bã lỏng (bã lên men) làm nguồn dinh dưỡng
thay thế bột ngơ chun dụng trong q trình thủy phân và lên men đồng thời.

4


Đồ án tốt nghiệp

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Nguyên liệu lignocellulose
Lignocellulose là vật liệu biomass phổ biến nhất trên trái đất. Lignocellulose

có trong phế phẩm nơng nghiệp, trong sản phẩm phụ cơng của cơng nghiệp sản xuất
giấy… Do đó lignocellulose là một nguồn nguyên liệu to lớn cho việc sản xuất
bioethanol. Rơm rạ là một dạng vật liệu lignocellulose.
Thành phần chính của vật liệu lignocellulose là cellulose, hemicellulose,
lignin, các chất trích ly và tro. Trong lignocellulose, cellulose tạo thành khung chính
và được bao bọc bởi những chất có chức năng tạo mạng lưới như hemicellulose và
kết dính như lignin. Cellulose, hemicellulose và lignin sắp xếp gần nhau tạo thành
liên kết cộng hóa trị với nhau. Các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose,
galactose, và acid 4-O- methylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin [4]

Hình 1.1. Cấu trúc của lignocellulose
Đối với các loại thực vật dạng thân gỗ thường chứa khoảng 40% - 60%
cellulose, 20% - 40% hemicellulose và 10% - 25% lignin. Tuy nhiên đối với thực
vật dạng thảo mộc hàm lượng lignin thường thấp hơn 20%. Thành phần trong rơm
rạ được nghiên cứu và trình bày bởi nhiều tác giả [5]. Ở mỗi điều kiện phát triển và
giống khác nhau thì thành phần trong rơm rạ cũng khác nhau. Nhìn chung thành
phần rơm rạ được trình bày bởi một số tác giả như sau:

5


Đồ án tốt nghiệp

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của rơm rạ
Tên

Thành phân

Hemicellulose

27.7%

Cellulose

39.7%

Xylan

20.7%

Glucan

37.6%

Lignin

12.7%

Tro

11.7%

Theo báo cáo của phịng thí nghiệm năng lượng sinh học – Đại học Bách
Khoa Tp Hồ Chí Minh, thành phần rơm rạ sau khi nổ hơi ở vùng Củ Chi là:
Bảng 1.2. Tỉ lệ các thành phần trong rơm rạ
Thành phần

cellulose

Hemicellulose

Lignin

Tro

Hàm lượng (%)
lượng

43.05

23.82

18

15.3

Bên cạnh thành phần hóa học, tính chất các thành phần trong rơm rạ và cấu
trúc tế bào thực vật cũng quan trọng không kém trong việc nghiên cứu xử lý rơm rạ.
Cũng giống như động vật, cơ thể thực vật cũng được xây dựng từ các tế bào.
Do không được bảo vệ bằng cơ chế phản xạ và miễn dịch, tế bào thực vật được bảo
vệ kỹ trong lớp vỏ rắn chắc. Về cấu trúc, các tế bào thực vật được sắp xếp đặc khít
và liên kết với nhau rất bền vững. Rắn chắc là yếu tố tạo nên sự bền vững của thực
vật trong tự nhiên. Khi tế bào thực vật chết đi, khối lượng khô của tế bào chủ yếu
tập trung ở thành tế bào.
Các sợi này được gắn lại với nhau nhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi,
với Trong lignocelluloses các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản. 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 q trình thủy phân. [6]

6

Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.2. Cấu trúc của tế bào và thành tế bào của thảo mộc.
1.2. Enzyme cellulase
Enzyme cellulase có bản chất là protein được cấu tạo từ các đơn vị là axit
amin, các axit amin được nối với nhau bởi lien kết peptid –CO-NH- . Ngoài ra,
trong cấu trúc cịn có những phần phụ khác. Cấu trúc hồn chỉnh của các loại
enzyme nhóm endoglucanase (EG) và exoglucanase (CBH) giống nhau trong hệ
cellulase của nấm sợi, gồm một trung tâm xúc tác và một đuôi tận cùng, phần đuôi
này xuất phát từ trung tâm xác tác và được gắn them vùng glycosil hóa, cuối đi là
vùng gắn kết với cellulose (CBD: cellulose binding domain). Vùng này có vai trị
tạo liên kết với cellulose tinh thể. Trong quá trình phân hủy cellulose có sự tương
quan mạnh giữa khả năng xúc tác phân giải cellulose của các enzyme và ái lực của
enzyme này đối với cellulose. [7]
Cellulase hoạt động ở pH từ 3-7, nhưng pH tối thích trong khoảng 4-5. Nhiệt
độ tối ưu từ 40-500 C. Hoạt tính cellulase bị phá hủy hoàn toàn ở 800C trong 10-15
phút.
Enzyme cellulase bị ức chế bởi các sản phẩm phản ứng của nó như glucose,
cellobiose và bị ức chế hoàn toàn bởi Hg. Ngoài ra, cellulase còn bị ức chế bởi các

7


Đồ án tốt nghiệp

ion kim loại khác như Mn, Ag, Zn nhưng ở mức độ nhẹ. Trọng lượng của enzyme
cellulase thay đổi từ 30 -110 KDa (Begunin, 1990; Gilkes và cộng sự, 1991).
Enzyme cellulase được thu nhận từ các nguồn khác nhau như động vật, thực

vật và vi sinh vật. Trong thực tế người ta thường thu nhận enzyme cellulase từ vi
sinh vật. Các chủng vi sinh vật thường sử dụng như: nấm mốc Aspergillus niger, xạ
khuẩn Actinomyces griseus, vi khuẩn Bacillus subtilis, Bacillus pumilis…
Dựa vào đặc điểm của cơ chất và cơ chế phân cắt, enzyme cellulase được
chia thành ba loại: 1,4-

-D-glucan cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91) ; 1,4-

glucan 4-glucanohydrolase (EC 3.2.1.4) ;

-D-

-D-glucoside glucohydrolase (EC

3.2.1.21) .
Từ những nghiên cứu riêng lẽ đối với từng loại enzyme đến nghiên cứu tác
động tổng hợp của cả ba loại enzyme cellulase, nhiều nhà khoa học đều đưa ra kết
luận chung là các loại enzyme cellulase sẽ thay phiên nhau phân hủy cellulose để
tạo thành sản phẩm cuối cùng là glucose. Theo Erikson và cộng tác viên (1980), cơ
chế tác động hiệp đồng của 3 loại cellulase như sau: đầu tiên endoglucanase tác
động vào vùng vơ định hình trên bề mặt cellulose, cắt liên kết β-1,4-glucosid và tạo
ra các đầu mạch tự do. Tiếp đó exoglucanase tấn công cắt ra từng đoạn cellobiose từ
đầu mạch được tạo thành. Kết quả tác động của endoglucanase và exoglucanase tạo
ra các celloligosaccharit mạch ngắn, cellobiose, glucose. β-glucosidase thủy phân
tiếp và tạo thành glucose.

8


Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.3 . Sơ đồ các bước thủy phân cellulose bởi enzyme cellulase

1.3. Nấm men Saccharomyces cerevisiae
Saccharomyces cerevisiae thuộc:
- Bộ: Endomycetales.
- Họ: Saccharomycetaceae.

Saccharomyces có khoảng 40 lồi và các loài trong giống này được biết nhiều
do chúng được ứng dụng trong làm nổi bánh, bia, rượu....Chúng hiện diện nhiều
trong sản phẩm có đường, đất, trái cây chín, phấn hoa.... Nấm men cấu tạo gồm vỏ
tế bào thành phần là carbohydrat, lipid, protein dầy khoảng 0,5 µm, màng tế bào
chất, tế bào chất và nhân. S. cerevisiae thường có cấu tạo hình elip, đường kính lớn
từ 5-10nm và đường kính nhỏ từ 1-7nm, tế bào gia tăng kích thước theo độ tuổi.
Thể tích tế bào đơn bội là 29 mm3 và tế bào lưỡng bội là 55 mm3. Các tế bào của
nấm men mang cấu trúc và chức năng của eukaryote bậc cao, được sử dụng như là
một mơ hình hữu ích đại diện cho các tế bào eukaryote. Các thành phần cấu trúc và
hóa học của tế bào được được minh họa theo bảng 2.3 và bảng 2.4[8]

9


Đồ án tốt nghiệp

Bảng 1.3. Thành phần các chất có trong cấu trúc của nấm men được lạnh đông khô.
Thành
phần
trong cấu

Độ ẩm

Protein

Carbonhydrate

Acid
nucleic

Lipid

Chất
khống

trúc
Phần

2-5%

trăm

42-46%

30-37%

6-8%

4-5%

7-8%

Bảng 1.4. Các thành phần hóa học trong nấm men đơng khơ[9]
Thành phần

Cacbon

Hydro

Oxy

Nito

Phospho

Magie

Kali

48.2

6.5

33.8

6.0

1.0

0.04

2.1

Phần trăm
khối lượng
khơ (%)

Hình 1.4. Nấm men Sacchromyces cerevisiae dưới dạng bột khơ.
1.3.1. Hình thái và cấu tạo nấm men
Nấm men có nhiều hình dạng khác nhau: hình cầu, hình trứng hoặc hình
ovan. Nấm men có thể thay đổi hình dáng và kích thước trong các giai đoạn phát
triển và điều kiện mơi trường xung quanh. Hình thái của chúng không thay đổi chỉ ở
các giống nuôi cấy khi cịn trẻ trong các mơi trường dinh dưỡng tiêu chuẩn.
Kích thước tế bào nấm men cũng rất khác nhau, điều đó phụ thuộc vào các
chủng nấm men và điều kiện ni cấy, thường là (2,5 - 4,5µm) x (10,5 - 20µm), thể
tích tế bào chiếm khoảng từ 50 - 5000µm.

10


Đồ án tốt nghiệp

Nấm men là sinh vật đơn bào hiển vi, tế bào cơ bản giống như ở thực vật,
động vật. So sánh cấu tạo tế bào nấm men với vi khuẩn ta thấy có sự tiến hóa nhẩy
vọt từ nhân sơ đến nhân chuẩn.
Thành tế bào nấm men dày khoảng 25nm (chiếm 25% khối lượng khô của tế
bào). Đa số nấm men có thành tế bào cấu tạo bởi glucan và mannan. Một số tế bào
nấm men chứa kitin và mannan. Trong thành tế bào nấm men còn chứa 10% protein
(tính theo khối lượng khơ), trong số protein này có một phần là các enzyme. Trên
thành tế bào cịn thấy có một lượng nhỏ lipid[14].
Nhân tế bào nấm men Saccharomyces cerevisiae có chứa 17 đơi nhiễm sắc
thể. DNA trong tế bào nấm men đơn bội có khối lượng phân tử là 1 x 1010 Da (1 Da

= 1,67 x 10-24 g), so với khối lượng phân tử của DNA vi khuẩn Escherichia coli thì
lớn hơn 10 lần nhưng so với DNA của người thì nhỏ hơn 100 lần [10]
1.3.2. Sinh trưởng của nấm men
Thuật ngữ sinh trưởng đối với vi sinh vật bao hàm 2 ý nghĩa: sinh sản và
phát triển. Nấm men có 2 hình thức sinh sản: hữu tính (bằng bào tử) và vơ tính
(bằng nảy chồi hoặc phân cắt tế bào). Tùy theo điều kiện nuôi cấy mà tế bào nấm
men sẽ sinh sản theo cách cách sinh sản vơ tính hay hữu tính.[11]
Nảy chồi là phương pháp sinh sản phổ biến nhất ở nấm men. Ở điều kiện
thuận lợi nấm men sinh sôi nảy nở nhanh, quan sát dưới kính hiển vi thấy hầu hết
các tế bào nấm men nào cũng có chồi. Khi chồi xuất hiện các enzyme thủy phân sẽ
phân giải phần polysaccharide của thành tế bào cho chồi chui ra khỏi tế bào mẹ.
Vật chất mới được tổng hợp sẽ được huy động đến chồi và làm chồi phình to dần
lên, khi đó sẽ xuất hiện một vách ngăn giữa chồi và thành tế bào mẹ. Thành phần
của vách ngăn cũng tương tự như thành tế bào. Khi tế bào chồi tách khỏi tế bào mẹ
ở chổ tách ra còn giữ lại một vết sẹo của chồi, trên tế bào con cũng mang một vết
sẹo. Các vết sẹo này có thể nhìn thấy rõ khi xử lý bằng thuốc nhuộm như
calcafluor hoặc primulin rồi quan sát dưới kính hiển vi huỳnh quang. Dưới kính
hiển vi điện tử càng có thể thấy rất rõ hơn.

11


Đồ án tốt nghiệp

Nấm men có khả năng đồng hóa hoàn toàn đường glucose, fructose và
mannose. Ngoài ra tùy thuộc vào giống, nấm men cịn có thể đồng hóa hồn tồn
hoặc một phần đường galactose. Đường disaccharide thì nấm men đồng hóa rất tốt
maltose và saccharose, đồng hóa hồn tồn hoặc một phần đường lactose, riêng
melibiose chỉ lên men được khi có enzyme melibiase. Các polysaccharide thì cần
được phân hủy hồn tồn nấm men mới sử dụng được.

Nấm men có thể tự tổng hợp các acid amin. Tuy nhiên nếu cho các acid amin
vào mơi trường thì q trình sinh sản và phát triển của tế bào sẽ nhanh hơn. Dễ
đồng hóa hơn cả là ion amon NH4+ và amoniac NH3 với lượng sử dụng lớn nhất là
20 - 35 mg nitơ/109 tế bào. Nguồn nitơ được coi là tốt nhất và được đồng hóa hồn
tồn là ure.
Trong mơi trường dinh dưỡng cần phải có một lượng nhất định các chất
khoáng để đảm bảo cho tế bào phát triển như phospho, kali, natri, magie, kẽm....
Đa số các chủng nấm men đang ở giai đoạn nhân giống cần đến các vitamin
như isositol, canxi pantothenat, thiamin và đặc biệt là biotin. Nồng độ của vitamin
có thể ảnh hưởng đến q trình sinh trưởng và phát triển là 0,01 - 1,10 mg/l

12


Đồ án tốt nghiệp

1.4. Quá trình sản xuất ethanol từ rơm rạ
1.4.1. Quy trình chung

Rơm

Tiền xử lý

Thuỷ phân
Thuỷ phân và lên men đồng thời
Lên men

Chưng cất

Ethanol

1.4.2. Quy trình thực hiện
1.4.2.1. Tiền xử lý:
Để chuyển hóa các carbohydrate (cellulose và hemicellulose) trong
lignocellulose thành ethanol, các polymer phải bị bẻ gãy thành những phân tử
đường nhỏ hơn trước khi vi sinh vật có thể hồn tất q trình chuyển hóa. Tuy
nhiên, bản chất của cellulose lại là rất bền vững trước sự tấn công của enzyme, nên
bước tiền xử lý là bắt buộc để q trình đường hóa glucose có thể diễn ra tốt.
Cellulose ban đầu có thể bị phá hủy bởi acid mà khơng cần được tiền xử lý.
Tóm lại q trình tiền xử lý nhằm:
Tăng vùng vơ định hình của cellulose.

13


Đồ án tốt nghiệp

Tăng kích thước lỗ xốp trong cấu trúc sợi biomass.
Phá vỡ sự bao bọc của lignin và hemicellulose với cellulose.
Tránh thất thoát cellulose hay tạo ra những sản phẩm phụ trong quá trình
thủy phân và lên men.

Hình 1.5. Cấu trúc rơm rạ sau tiền xử lý.
Các phương pháp tiền xử lý có thể chia thành một số nhóm:
Phương pháp vật lý: cắt, xay, nhiệt phân.
Phương pháp lý hóa: nổ hơi, nổ sợi kết hợp kiềm, nổ khí CO2.
Phương pháp hóa học: xử lý bằng ozone, thủy phân mơi trường acid, thủy
phân mơi trường kiềm, oxy hóa khử lignin..
Phương pháp sinh học.
Phương pháp xung điện trường.

Cấu trúc tinh thể của cellulose: cellulose tự nhiên hình thành cấu trúc tinh
thể chống lại được sự tấn công của enzyme. Trong một bài báo của mình, Fan et al
ước tính rằng tỉ lệ cellulose tinh thể là 50-90%. Tuy nhiên, không có sự liên quan
giữa mức độ tinh thể của cellulose và khả năng phân hủy enzyme đối với rơm rạ.
[12]
Sự bao bọc của lignin quanh cellulose: lignin cùng với hemicellulose tạo
thành cấu trúc mơ vững chắc cực kì. Những mơ được bền hóa với lignin tương tự

14


Đồ án tốt nghiệp

như nhựa được gia cố bằng sợi, trong đó lignin đóng vai trị kết dính những sợi
cellulose. Trong thiên nhiên, lignin bảo vệ cellulose khỏi những tác động của mơi
trường và khí hậu. Lignin là yếu tố ngăn cản sự tấn công của enzyme đến cellulose
được công nhận nhiều nhất. Nhà nghiên cứu cho rằng khả năng thủy phân của
enzyme tăng khi 40-50% lignin bị tách. Tuy nhiên, phải thừa nhận rằng, khơng có
nghiên cứu nào tiến hành loại bỏ lignin mà không kèm theo sự phân hủy
hemicellulose. Ngay cả trong phương pháp tiền xử lý nguyên liệu bằng kiềm ở nhiệt
độ thấp, loại bỏ được 70% lignin thì cũng có 5% hemicellulose bị hịa tan.
Các phương pháp xử lý cơ học:
Các phương pháp thuộc nhóm này khơng sử dụng hóa chất trong q trình xử
lý. Gồm các phương pháp như: nghiền nát, rọi bằng những bức xạ năng lượng cao,
xử lý thủy nhiệt và nổ hơi. Trong đó phương pháp nổ hơi là phương pháp quan
trọng nhất, đã được phát triển, áp dụng trên quy mô pilot và được sử dụng trong đề
tài nghiên cứu này.
Các phương pháp tiền xử lý hóa học:
Sử dụng tác động của hóa chất trong q trình xử lý. Gồm có các q trình
chính:

Với acid: gồm các phương pháp xử lý với acid lỗng, bơm hơi nước có acid
và nổ hơi có acid. Trong đó, acid sulfuric đã được nghiên cứu kĩ lưỡng nhất, hiển
nhiên vì nó rẻ và hiệu quả. Tuy nhiên, vấn đề gặp phải trong xử lý axit là thiết bị
phải chịu được ăn mòn cao và lượng thạch cao (CaSO4) sinh ra nhiều từ q trình
trung hịa acid với CaOH.
Với kiềm: đã có rất nhiều nghiên cứu liên quan, chủ yếu là về xút hoặc xút
cùng các hóa chất khác. Tuy nhiên, nhiều nhà khoa học cho rằng, dựa trên chi phí
hóa chất, thì vơi tơi là hóa chất thích hợp. Detroy et al cho thấy rằng amonia lỏng có
phần hiệu quả trong việc tăng khả năng thủy phân bã rắn, nhưng ethylenediamine có
thể cịn hiệu quả hơn. [12]
Ngồi ra cịn có những phương pháp như xử lý với dung môi hữu cơ: dùng
dung môi như ethanol, methanol, acetone để hịa tan lignin; xử lý bằng khí SO2,khí

15