Khảo sát quá trình lên men bioethanol sử dụng nguyên liệu vỏ cacao theobroma cacao

Đồ án tốt nghiệp

LỜI CAM ĐOAN

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH
TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi và được sự
hướng dẫn khoa học của ThS. Trần Thị Tưởng An. Các nội dung nghiên cứu, kết
quả trong đề tài này là trung thực. 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 rõ trong phần tài liệu tham khảo.
Ngoài ra, trong đồ án còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số
liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn
gốc.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tơi xin hồn tồn chịu trách
nhiệm về nội dung đồ án của mình. Trường đại học Cơng nghệ TP.HCM khơng
liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tơi gây ra trong q trình
thực hiện (nếu có).

TP. Hồ Chí Minh, ngày 3 tháng 7 năm 2014

LÊ TRUNG KHA


Đồ án tốt nghiệp

LỜI CẢM ƠN
Qua một thời gian làm luận văn tại phịng thí nghiệm Năng lượng sinh học–
Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, tơi đã được sự hướng dẫn và giúp đỡ
tận tình của quý thầy cơ:

ThS. Trần Thị Tưởng An, Bộ mơn Q Trình & Thiết Bị, Khoa Kỹ Thuật
Hóa Học, Trường Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh. Cám ơn cơ đã tạo điều
kiện cho em được làm luận văn tại trường Đại Học Bách Khoa, đã tận tình hướng
dẫn, giúp đỡ, động viên và hỗ trợ kinh phí giúp em hồn thành tốt đề tài luận văn
này.
Cám ơn thầy Quân, các anh, chị làm việc trong phịng thí nghiệm đã tạo điều
kiện cho em được làm việc tại phòng.
Một lần nữa xin chân thành cám ơn quý thầy cô và các bạn!

Sinh viên thực hiện


Đồ án tốt nghiệp

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................iv
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................ vi
MỞ ĐẦU ..........................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .......................................................... 5
1.1. Bioethanol ............................................................................................. 5
1.1.1. Giới thiệu chung về bioethanol ..................................................... 5
1.1.2. Phân loại bioethanol ......................................................................6
1.1.2.1. Bioethanol thế hệ thứ nhất ..................................................... 6
1.1.2.2. Bioethanol thế hệ thứ hai ....................................................... 6
1.1.2.3. Bioethanol thế hệ thứ ba ........................................................ 7
1.1.3. Nguồn nguyên liệu cho sản xuất ................................................... 7
1.1.3.1. Sucrose ................................................................................... 7
1.1.3.2. Tinh bột .................................................................................. 8
1.1.3.3. Lignocellulose ........................................................................8

1.1.3.4. Cellulose................................................................................. 9
1.1.3.5. Hemicellulose.........................................................................10
1.1.3.6. Lignin ..................................................................................... 11
1.1.4. Ưu và nhược điểm của bioethanol ................................................. 11
1.1.4.1. Ưu điểm.................................................................................. 11
1.1.4.2. Nhược điểm ............................................................................12
1.1.5. Tình hình sản xuất và tiêu thụ bioethanol trên thế giới và
Việt Nam ...................................................................................... 12
1.1.5.1. Trên thế giới ...........................................................................12

i


Đồ án tốt nghiệp

1.1.5.2. Tại Việt Nam..........................................................................17
1.1.6. Các cơng trình nghiên cứu sản xuất bioethanol ............................ 19
1.1.6.1. Trên thế giới ...........................................................................19
1.1.6.2. Ở Việt Nam ............................................................................21
1.1.7. Sản xuất bioethanol tử nguyên liệu lignocelluloses ...................... 22
1.1.7.1. Quá trình tiền xử lý ................................................................ 22
1.1.7.2. Quá trình thuỷ phân ............................................................... 23
1.1.7.3. Quá trình lên men ...................................................................24
1.1.7.4. Quá trình chưng cất và tinh chế ............................................. 25
1.2. Cacao ....................................................................................................25
1.2.1. Giới thiệu về cây cacao .................................................................25
1.2.1.1. Tên khoa học ..........................................................................25
1.2.1.2. Thành phần và giá trị dinh dưỡng của vỏ cacao .................... 26
1.2.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ cacao ở nước ta ............................. 27
1.3. Lựa chọn chủng nấm men trong sản xuất ethanol ................................ 29

CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................... 30
2.1. Thời gian và địa điểm nghiên cứu ........................................................ 30
2.2. Đối tượng nghiên cứu ...........................................................................30
2.3. Vật liệu nghiên cứu ............................................................................... 30
2.3.1. Nguyên vật liệu ............................................................................. 30
2.3.2. Thiết bị và dụng cụ dùng trong nghiên cứu...................................31
2.4. Tiến hành thí nghiệm ............................................................................31
2.4.1. Lên men theo phương pháp thuỷ phân và lên men riêng biệt (Separate
hydrolysis and fermemtation, SHF) .................................................................32
2.4.1.1. Thí nghiệm 1: Tiền xử lý ....................................................... 34

ii


Đồ án tốt nghiệp

2.4.1.2. Thí nghiệm 2: Thuỷ phân ....................................................... 34
2.4.1.3. Thí nghiệm 3: Lên men .......................................................... 36
2.4.2. Thuỷ phân và Lên men đồng thời (Simultaneous saccharification and
fermemtation, SSF) .......................................................................................... 37
2.4.2.1. Thí nghiệm 1: Tiền xử lý ....................................................... 39
2.4.2.2. Thí nghiệm 2: Thuỷ phân và lên men đồng thời .................... 39
2.4.3. Thí nghiệm xác định hoạt tính enzyme .....................................41
2.5. Các phương pháp phân tích ..................................................................42
2.5.1. Phương pháp xác định đường khử bằng phương pháp DNS .........42
2.5.2. Phương pháp xác định lượng cellulose bằng Anthrone ................ 42
2.5.3. Xác định pH, độ cồn và tổng số chất khơ hồ tan ......................... 43
2.5.4. Phương pháp nuôi cấy nấm men ................................................... 43
2.5.5. Phương pháp đếm khuẩn lạc ......................................................... 45
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................... 47

3.1. Kết quả khảo sát các phương pháp thuỷ phân ......................................47
3.1.1. Thuỷ phân bằng cellulose .............................................................. 47
3.1.2. Thuỷ phân bằng H2SO4 .................................................................48
3.2 Kết quả khảo sát các phương pháp lên men ..........................................50
3.2.1. Kết quả khảo sát thời gian lên men SHF .......................................50
3.2.2. Kết quả khảo sát nhiệt độ lên men SHF ........................................53
3.2.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH trong lên men SHF .............. 55
3.2.4. Kết quả khảo sát tỉ lệ giống nấm men trong lên men SHF............56
3.2.5. Kết quả khảo sát thời gian lên men SSF .......................................58
3.2.6. Kết quả khảo sát nhiệt độ lên men SSF .........................................60
3.2.7. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH trong lên men SSF ............... 62

iii


Đồ án tốt nghiệp

3.3. Kết quả đo hoạt tính enzyme ................................................................ 62
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................... 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 66
PHỤ LỤC A. Cách xây dựng đường chuẩn định lượng cellulose.
PHỤ LỤC B.Cách xây dựng đường chuẩn định lượng đường khử.
PHỤ LỤC C. Kết quả thí nghiệm.

iv


Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ETBE .................................................. Ethyl Tert-Butyl Ether
ROP .................................................... Tổ chức Roots of Peace
SSF ..................................................... Thuỷ phân và lên men đồng thời
SHF..................................................... Thuỷ phân và lên men riêng biệt
SSCF................................................... Đồng đường hoá và đồng lên men
UTZ .................................................... Tiêu chuẩn quốc tế chứng nhận sản xuất tốt
VCC .................................................... Ban điều phối phát triển Cacao

v


Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Năng lượng tạo ra khi đốt cháy 1 lít nhiên liệu ............................... 5
Bảng 1.2. Sản lượng ethanol theo khu vực ...................................................... 14
Bảng 1.3. Sản xuất Ethanol tại Mỹ từ 1981 – 2010 .........................................15
Bảng 1.4. Tổng số nhà máy ethanol và công suất tại Mỹ qua các năm ...........16
Bảng 1.5. Một số nhà máy sản xuất ethanol ở Việt Nam.................................18
Bảng 1.6. Thành phần hóa học của vỏ cacao ................................................... 29

vi


Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc chính của linocellulose .......................................................... 8
Hình 1.2. Chuỗi mạch thẳng của cellulose........................................................... 10
Hình 1.3. Sản lượng ethanol trên thế giới theo lĩnh vực qua các năm ................. 17

Hình 1.4. Nhà máy bio-ethanol Dung Quất ........................................................ 18
Hình 1.5. Ảnh hưởng của quá trình tiền xử lý đến quy trình biến đổi lignocellulose
thành ethanol ........................................................................................................ 22
Hình 1.6. Trái cacao ............................................................................................. 26
Hình 1.7. Thành phần cấu tạo của trái cacao ....................................................... 27
Hình 2.1. Quy trình lên men SHF ........................................................................ 32
Hình 2.2. Quy trình lên men SSF ......................................................................... 37
Hình 2.3. Khuẩn lạc trên mơi trường SDA .......................................................... 43
Hình 2.4. Khuẩn lạc trên mơi trường thạch nghiêng SDA................................... 44
Hình 2.5. Nhân giống cấp 1 trong mơi trường SDB ............................................ 44
Hình 2.6. Nhân giống cấp 2 trong mơi trường SDB ............................................ 45
Hình 3.1. Hàm lượng glucose và cellulose thuỷ phân bằng cellulase 1 ngày ...... 47
Hình 3.2. Hàm lượng glucose và cellulose thuỷ phân bằng cellulase 2 ngày ...... 48
Hình 3.3. Hàm lượng glucose và cellulose thuỷ phân bằng cellulase 3 ngày ...... 48
Hình 3.4. Hàm lượng glucose và cellulose thuỷ phân bằng H2SO4 ................................ 49
Hình 3.5. Sự thay đổi độ cồn theo thời gian trong lên men SHF ......................... 50
Hình 3.6. Sự thay đổi độ Brix theo thời gian trong lên men SHF ....................... 51
Hình 3.7. Sự thay đổi hàm lượng glucose theo thời gian trong lên men SHF ..... 52
Hình 3.8. Sự thay đổi độ cồn và Brix theo nhiệt độ trong lên men SHF ............. 53
Hình 3.9. Sự thay đổi hàm lượng glucose và cellulose theo nhiệt độ trong lên men
SHF....................................................................................................................... 53

vii


Đồ án tốt nghiệp

Hình 3.10. Sự thay đổi độ cồn và Brix theo pH trong lên men SHF ................... 55
Hình 3.11. Sự thay đổi hàm lượng glucose và cellulose theo pH trong lên men
SHF.................................................................................................................. 55

Hình 3.12. Sự thay đổi độ cồn và Brix theo tỉ lệ giống trong lên men SHF ........ 56
Hình 3.13. Sự thay đổi hàm lượng glucose và cellulose theo tỉ lệ giống trong lên
men SHF ............................................................................................................... 57
Hình 3.14. Sự thay đổi độ cồn theo thời gian trong lên men SSF ....................... 58
Hình 3.15. Sự thay đổi độ Brix theo thời gian trong lên men SSF ...................... 58
Hình 3.16. Sự thay đổi hàm lượng glucose theo thời gian trong lên men SSF .... 59
Hình 3.17. Sự thay đổi độ cồn và brix theo nhiệt độ trong lên men SSF ............ 60
Hình 3.18. Sự thay đổi hàm lượng glucose và cellulose theo nhiệt độ trong lên men
SSF ....................................................................................................................... 61
Hình 3.19. Sự thay đổi độ cồn và Brix theo pH trong lên men SSF .................... 62
Hình 3.20. Sự thay đổi hàm lượng glucose và cellulose theo pH trong lên men
SSF ....................................................................................................................... 62

viii


Đồ án tốt nghiệp

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, thế giới đang đứng trước nguy cơ khủng hoảng năng lượng trầm
trọng. Như chúng đã biết, dầu mỏ và khí đốt hiện chiếm 60-80% nguồn năng lượng
thế giới. Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới, với tốc độ tiêu thụ như
hiện nay và trừ lượng dầu mỏ hiện có, nguồn năng lượng này sẽ bị cạn kiệt trong
vòng 40- 50 năm nữa. Để ổn định và đảm bảo an ninh năng lượng đáp ứng cho nhu
cầu con người cũng như các ngành công nghiệp, các nhà khoa học đang tập trung
nghiên cứu tìm ra những nguồn nhiên liệu mới, trong đó nghiên cứu phát triển nhiên
liệu sinh học có nguồn gốc từ sinh khối động, thực vật là một hướng đi có thể tạo ra
nguồn nhiên liệu thay thế phần nào nguồn nhiên liệu hoá thạch đang cạn kiệt, đảm
bảo an ninh năng lượng cho từng quốc gia.

Sử dụng nhiên liệu sinh học mang lại các lợi ích như giảm thiểu ơ nhiễm
mơi trường vì nguyên liệu sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học không chứa các
hợp chất thơm, hàm lượng lưu huỳnh thấp, không chứa chất độc hại, mặt khác nhiên
liệu sinh học khi thải vào đất có tốc độ phân hủy sinh học cao nhanh hơn gấp 4 lần
so với nhiên liệu dầu mỏ và do đó giảm được rất nhiều tình trạng ơ nhiễm nước
ngầm.
Bioethanol là nguồn nhiên liệu đầy hứa hẹn trong tương lai thay thế cho
nguồn nhiên liệu hóa thạch, bởi nó là nguồn nhiên liệu có thể tái tạo. Bioethanol tồn
tại ở dạng lỏng có thể được sử dụng thích nghi như nguồn nhiên liệu mới cho tương
lai. Tuy nhiên, những sản phẩm bioethanol có nguồn gốc từ tinh bột dễ bị biến động
do tinh bột là nguồn lương thực của con người. Nếu sử dụng lương thực để sản xuất
bioethanol sẽ làm cho giá của lương thực tăng cao. Như vậy, sẽ làm bất bình ổn giá
của lương thực, tác động xấu đến thị trường lương thực trong nước. Việc sử dụng
tinh bột hoặc nguyên liệu giàu đường sẽ lập tức đẩy giá của lương thực và
bioethanol tăng cao hơn so với sản xuất bằng con đường hóa học. Trong khi đó, giá
của vật liệu phải chi trả bằng 40 – 75% tổng chi phí của sản xuất ethanol. Vì vậy,

1


Đồ án tốt nghiệp

việc thay thế nguồn nguyên liệu là yêu cầu cho việc sản xuất bioethanol. Như các
nguồn nguyên liệu là các phụ phẩm của ngành nông nghiệp: rơm rạ, bã mía, vỏ
cacao, vỏ cam chanh, phụ phẩm trái cây…
2. Các nghiên cứu khảo sát lên men bioethanol
- Tối ưu hố các thơng số của q trình lên men để sản xuất ethanol từ chất
thải Kinnow và vỏ chuối bằng đường hố đồng thời và q trình lên men của
Naresh Sharma, K.L. Kalra, Harinder Singh Oberoi và Sunil Bansal thuộc trường
Đại học Punjab Agricultural, Ludhiana, Ấn Độ. Nghiên cứu được thực hiện để đánh

giá vai trị của các thơng số trong quá trình lên men như nồng độ nấm men, nhiệt
độ, thời gian ủ và thời gian khuấy trong việc sản xuất bioethanol từ vỏ chuối và bã
Kinnow. Nghiên cứu cho kết quả tối ưu trong việc lên men sản xuất bioethanol ở
300C, nồng độ nấm men 6%, ủ trong 48 giờ kết hợp khuấy trong 24 giờ cho kết quả
tốt nhất [33].
- Cơng trình nghiên cứu của bà Kadambini Gaur thuộc trường Đại học
Deemed về “tối ưu hoá sản xuất ethanol bằng lên men” vào tháng 6 năm 2006.
Nghiên cứu sử dụng nguyên liệu mía đường. Kết quả thu được ở 300C, pH 6.0 và
nồng độ đường 20% là tối ưu cho quá trình lên men [34].
- Nghiên cứu về “Tối ưu hoá lên men ethanol từ vỏ dứa sử dụng Response
Surface Methodology (RSM) (Phương pháp bề mặt đáp ứng)” của Nadya Hajar,
Zainal, S., Atikah, O. and Tengku Elida, T.Z.M. sử dụng Saccharomyces ellipsoids.
Nghiên cứu cho kết quả điều kiện tối ưu ở nồng độ nấm men 14%, pH 6, 220 Brix,
260C và ủ trong 30 giờ [36].
- Nghiên cứu “Tối ưu hoá và sản xuất bioethanol từ hạt điều sử dụng
Saccharomyces cerevisiae” của T. Neelakandan và G. Usharani từ Đại học
Annamalai, Ấn Độ vào năm 2009. Nghiên cứu cho kết quả ở pH 6.0, nhiệt độ
32.50C và tỉ lệ giống 8% trong 24 giờ hiệu suất thu hồi ethanol đạt 7,62% [35].
- Nghiên cứu “Tối ưu hoá các thông số lên men sản xuất Ethanol từ trái cây
sử dụng Saccharomyces cerevisiae” của E. Togarepi, C. Mapiye, N. Muchanyereyi

2


Đồ án tốt nghiệp

và P. Dzomba từ Đại học Bindura, Zimbabwe. Nghiên cứu cho kết quả tối ưu ở pH
6, 300C và nồng độ nấm men 8,0 g trên 20g trái cây cho nồng độ ethanol 63g/l.
- Năm 2010, P. Rani, S và các cộng sự tiến hành nghiên cứu đề tài “Sản xuất
ethanol từ bột khoai tây bằng nấm men Saccharomyces Cerevisiae” và thu được

những kết quả: quá trình đường hóa thu được 15,2% hàm lượng đường,thời gian lên
men 48 giờ ở 300C thu được 56,8 gl-1 ethanol.
- Năm 2011, Josefin Axelsson và các cộng sự đã nghiên cứu đề tài “Thủy
phân và lên men riêng biệt cây vân sam sau quá trình tiền xử lý” và thu được những
kết quả khả quan: như nhiệt độ lên men thích hợp 450C, pH 4,5-5,5, thời gian ngắt
quảng trong quá trình kiểm tra vào khoảng 6 giờ trong 48 giờ lên men và nhiệt độ
thích hợp cho q trình lên men vào khoảng 480C [37].
3. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Đề tài được thực hiện nhằm khảo sát và qua đó rút ra được điều kiện tối ưu
của các phương pháp lên men bioethanol sử dụng nguyên liệu vỏ cacao (theobroma
cacao)
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
Đề tài tập trung vào những nghiên cứu:
4.1. Khảo sát và so sánh kết quả thuỷ phân vỏ cacao bằng enzyme và H2SO4.
4.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men SHF như: thời gian, nhiệt
độ, pH và tỉ lệ giống.
4.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men SSF như: thời gian, nhiệt
độ và pH.
4.3. Thực hiện thí nghiệm xác định hoạt tính enzyme.
5. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài sử dụng các phương pháp và phần mềm:
5.1. Phương pháp xác định đường khử bằng phương pháp DNS.
5.2. Phương pháp xác định lượng cellulose bằng thuốc thử Anthrone.

3


Đồ án tốt nghiệp

5.3. Phương pháp xác định pH, độ rượu và tổng số chất khơ hịa tan.

5.4. Phương pháp nuôi cấy nấm men.
5.5. Phương pháp đếm khuẩn lạc.
5.6. Phần mềm Statgraphics Centurion XV.
6. Các kết quả đạt được của đề tài
6.1. Kết quả thuỷ phân bằng cellulase nồng độ 5% trong 1 ngày là tối ưu nhất.
6.2. Phương pháp SHF
6.2.1. Khảo sát thời gian cho kết quả lên men trong 18 giờ đạt độ cồn cao nhất
4.4 %.
6.2.2. Khảo sát nhiệt độ cho kết quả lên men ở 370C là tối ưu nhất.
6.2.3. Khảo sát pH cho kết quả lên men ở pH 5 là thích hợp nhất.
6.2.4. Khảo sát tỉ lệ giống cho kết quả lên men với tỉ lệ giống 5% là thích hợp và
tiết kiệm nhất.
6.3. Phương pháp SSF
6.3.1. Khảo sát thời gian cho kết quả lên men trong 40 giờ đạt độ cồn cao nhất
4.4%.
6.3.2. Khảo sát nhiệt độ cho kết quả lên men ở 370C là tối ưu nhất.
6.3.3. Khảo sát pH cho kết quả lên men ở pH 5 là thích hợp nhất.
7. Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
Đồ án tốt nghiệp gồm 4 chương:
Chương 1. Tổng quan tài liệu.
Chương 2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu.
Chương 3. Kết quả và thảo luận.
Chương 4. Kết luận và kiến nghị.

4


Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1. Bioethanol
1.1.1. Giới thiệu chung về bioethanol
Bioethanol là rượu ethanol sinh học thu được từ quá trình lên men vi sinh các
loại nguyên liệu chứa đường hoặc từ tinh bột, cellulose nhờ vào phản ứng trung
gian thủy phân thành đường của vi sinh. Bioethanol được tổng hợp thơng qua q
trình sinh học, vi sinh sử dụng nguồn nguyên liệu đường làm thức ăn để thực hiện
hơ hấp kỵ khí và thải ra ethanol và khí CO2. Trong khi đó, ethanol có nguồn gốc
dầu mỏ thì được tổng hợp thơng qua q trình hóa học, khơng có mặt tham gia của
cơ thể sống trong quá trình tạo ethanol.
Bảng 1.1. Năng lượng tạo ra khi đốt cháy 1 lít nhiên liệu [9]
Nhiên liệu

Năng lượng, MJ/L

E100

23,5

E85

25,2

E10

33,7

Xăng

34,8

Xăng thơm

33,5

Diesel

38,6

LPG

26,8

Bioethanol có thể sử dụng để tạo ra ethanol khối gel để sử dụng làm năng
lượng nấu ăn (sử dụng trong nhà bếp), làm nhiên liệu phát điện, sử dụng làm dung
môi trong chiết suất dược liệu. Ethanol tuyệt đối được ứng dụng để làm phụ gia khi
thêm vào ETBE, polyethylenterephtalate trong sản xuất bao bì và chai nhựa, pha
vào xăng để tăng chỉ số octane của xăng.

5


Đồ án tốt nghiệp

Bioethanol là nguồn năng lượng tái tạo và khơng đóng góp vào việc làm tăng
hiệu ứng nhà kính. Nếu như ta đốt cháy các sinh khối sẽ sinh ra CO2 thì tác động
xấu tới mơi trường mà khơng có hiệu quả kinh tế. Các nguồn sinh khối có nguồn
gốc thực vật, được tổng hợp thơng qua q trình tổng hợp quang học. Tổng hợp
bioethanol từ nguồn sinh khối là chuyển nguồn năng lượng tổng hợp quang học
thành nguồn năng lượng có giá trị và nhiều ứng trong thực tế. Sinh khối thực vật
không phải thực phẩm là nguồn nguyên liệu thuộc “thế hệ thứ hai” được sử dụng để

chuyển hóa thành bioethanol với sự kết hợp cơng nghệ hóa học hiện đại và cơng
nghệ sinh học, đó là nguồn phụ phẩm của ngành nông nghiệp như rơm rạ, vỏ
cacao … . Với sự phát triển của ngành sản xuất ethanol sinh học từ nguồn sinh khối
thực vật sẽ thúc đẩy các hộ nông dân trồng trọt tăng diện tích cây trồng cung cấp
nguồn lương thực cho con người và tận dụng sinh khối. Như vậy, sẽ tạo ra diện tích
cây xanh nhiều hơn giúp cân bằng hệ sinh thái, giảm hiện tượng hiệu ứng nhà kính.
1.1.2. Phân loại bioethanol
1.1.2.1. Bioethanol thế hệ thứ nhất
Ethanol sinh học thế hệ thứ nhất là ethanol sinh học làm từ đường, tinh bột,
bằng cách sử dụng công nghệ thông thường. Các nguyên liệu cơ bản để sản xuất
ethanol sinh học thế hệ đầu tiên thường là hạt giống hoặc các loại ngũ cốc như lúa
mì, tinh bột được lên men thành ethanol sinh học.
1.1.2.2. Bioethanol thế hệ thứ hai
Quy trình sản xuất ethanol sinh học thế hệ đầu tiên có ích, nhưng hạn chế:
không thể sản xuất đủ ethanol sinh học mà không đe dọa nguồn cung cấp thực phẩm
và đa dạng sinh học và việc phải cạnh tranh về chi phí với nhiên liệu hóa thạch như
xăng.
Ethanol sinh học thế hệ thứ hai có thể giúp giải quyết những vấn đề này và
có thể cung cấp một lượng nhiên liệu bền vững,chi phí thấp, và với những lợi ích
lớn hơn về môi trường.

6


Đồ án tốt nghiệp

Ethanol sinh học thế hệ thứ hai được sản xuất bằng cách lên men thực vật có
nguồn gốc đường để sản xuất ethanol, bằng cách sử dụng một quá trình tương tự
như được sử dụng trong bia và rượu. Điều này đòi hỏi việc sử dụng cây trồng như
mía, ngơ, lúa gạo, lúa mì và củ cải đường.

Ethanol sinh học cũng có thể sản xuất từ phụ phẩm của các loại cây trồng
hiện nay, như thân cây, rơm rạ, lá và trấu cũng như các loại cây trồng khác mà
khơng được sử dụng cho các mục đích thực phẩm (không phải cây lương thực), như
cỏ, jatropha và ngũ cốc…
1.1.2.3. Bioethanol thế hệ thứ ba
Sản xuất nhiên liệu sinh học nói chung (dầu thực vật, biodiesel, bioethanol,
biogas, biomethanol, biobutanol và nhiên liệu sinh học khác), ethanol sinh học nói
riêng từ tảo. Trong số các đặc điểm hấp dẫn nhiên liệu từ tảo: không ảnh hưởng đến
nguồn nước ngọt, có thể được sản xuất bằng cách sử dụng nước biển và nước thải,
được phân hủy và tương đối vô hại cho mơi trường. Trong q trình quang hợp, tảo
và các sinh vật khác sử dụng carbon dioxide và ánh sáng mặt trời và chuyển nó
thành oxy và nhiên liệu sinh học.
1.1.3. Nguồn nguyên liệu cho sản xuất
Công nghệ chiếm ưu thế hiện nay trong sản xuất bioethanol là chuyển hố
sinh khối thành ethanol thơng qua lên men rượu rồi chưng cất. Quá trình lên men
rượu này là quá trình chuyển hoá sinh hoá học, sinh khối sẽ được vi khuẩn hoặc
nấm men phân huỷ. Phương pháp lên men có thể áp dụng đối với nhiều nguồn
nguyên liệu khác nhau.
1.1.3.1. Sucrose
Đường mía, ở dạng dịch ép hoặc rỉ đường, là nguồn nguyên liệu quan trọng
nhất ở các nước nhiệt đới, cận nhiệt đới để sản xuất bioethanol. Ở các nước Châu
Âu, đường từ củ cải đường được sử dụng. Bên cạnh đó, cây lúa miến ngọt cũng là
nguồn nguyên liệu thơ triển vọng, phần than có thể được chiết tách tạo ra dịch trích

7


Đồ án tốt nghiệp

chứa nồng độ sucrose cao, hạt của nó chứa lượng lớn tinh bột, phần bã là nguồn

lignocelluloses quan trọng.
Q trình chuyển hố sucrose thành ethanol dễ hơn so với tinh bột và sinh
khối lognocellulose vì khơng cần qua quá trình tiền xử lý, tế bào nấm men có thể
thuỷ phân disaccharide, thêm vào đó là điều kiện lý tưởng của dịch đường và rỉ
đường cho quá trình lên men.
Đánh giá hiệu quả kinh tế của Maiorella và cs (1984) thì chi phí ngun liệu
lên đến 70% chi phí sản xuất bioethanol nếu sử dụng rỉ đường làm nguyên liệu.
1.1.3.2. Tinh bột
Tinh bột là một polysaccharide carbohydrate chứa hỗn hợp amylose và
amylopectin. Chúng đều là các polymer carbohydrate phức tạp của glucose. Để
chuyển hoá tối đa lượng tinh bột thành đường, tạo điều kiện lên men rượu, bột nhão
được nấu và cho thuỷ phân bằng enzyme hoặc acid lỗng. Q trình lên men được
thực hiện khi có mặt một số chủng men rượu. Để thuận lợi cho quá trình lên men,
pH của dịch thuỷ phân cần điều chỉnh ở mức 4,8 – 5. Bioethanol sinh ra trong quá
trình lên men sẽ hoà tan trong nước. Nhờ hàng loạt các bước chưng cất để loại
nước, nồng độ bioethanol sẽ được tăng cao tối đa. Đối với các loại hạt, năng suất
ethanol thu được vào khoảng 2800 lít/ha, tức khoảng 3 tấn nguyên liệu hạt sẽ thu
được 1 tấn bioethanol.
1.1.3.3 Lignocellulose

Hình 1.1. Cấu trúc chính của linocellulose [20].

8


Đồ án tốt nghiệp

Lignocellulose là một chất hữu cơ tái tạo và là thành phần cấu trúc chính của
thành tế bào thực vật. Lignocellulose bao gồm ba thành phần chính: cellulose,
hemicellulose và lignin (Hình 1.1). Ngồi ra, có một số thành phần khác như

protein, pectin, và tro. Tỉ lệ giữa các thành phần là khác nhau tùy thuộc vào nguồn
lignocellulose, tỉ lệ đó cịn phụ thc vào tuổi, giai đoạn tăng trưởng, điều kiện sinh
trưởng.
Các thành phần cấu tạo nên lignincellulose (lignin, cellulose, hemicellulose)
là các đối tượng khó bị phân hủy. Tính khó phân hủy lại gia tăng lên nhiều lần khi
chúng liên kết với nhau và với các thành phần khác nữa tạo thành một thể cấu trúc
chặt chẽ và phức tạp. Các vi sợi cellulose, lignin, hemicellulose được sắp xếp theo
những quy tắc nhất định để hình thành nên cấu trúc vi sợi. Với cấu trúc nhiều lớp,
gồm nhiều thànhphần có bản chất hóa học khác nhau như vậy, lignocellulose có độ
bền vật lý cao, rất khó xâm nhập đối với các vi sinh vật và enzyme. Hơn nữa để
phân hủy bất cứ thànhphần nào của phức hợp một cách hiệu quả và triệt để cần phải
tác động đến thànhphần khác. Ví dụ như, để phân giải lignocellulose thì cần đồng
thời tác động của lignin, cellulose và hemicellulose. Nhưng do cả ba điều có tính
chất hóa học khác nhau nên cơ chế tác động và điều kiện tiến hành cũng khác nhau.
1.1.3.4. Cellulose
Cellulose là thành phần cơ bản của thực vật. Chúng là một homopolimer
mạch thẳng, được cấu tạo bởi các β-D glucose-pyranose. Các glucose này liên kết
với nhau bằng liên kết α-1, 4 glucoside. Cellulose chứa các glucose không phân
nhánh. Các gốcglucose trong cellulose thường lệch một góc 1800 và có dạng như
một chiếc ghế bành. Cellulose thường chứa 10,000-14,000 gốc đường và có cấu tạo
như hình 1.2.

9


Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.2. Chuỗi mạch thẳng của cellulose [31].
Trọng lượng phân tử của cellulose khoảng từ 50.000 – 2.500.000 dalton. Các
phân tử cellulose kết hợp với nhau nhờ lực hút “Van der waals” và “liên kết hydro”.

Các phân tử celluose tạo nên sợi sơ cấp có đường kính khoảng 3nm. Các sợi
sơ cấp kết hợp với nhau tạo thành vi sợi (microfibri ). Hemicellulose và lignin bao
xung quanh các vi sợi đó.
1.1.3.5. Hemicellulose
Hemicellulose là thành phần chính thứ hai của sinh khối lignocellulose, với
hàm lượng lớn sau cellulose. Hemicellulose là một polymer không đồng nhất (hỗn
tạp), được cấu tạo từ các loại đường khác nhau như pentoses (bao gồm xylose và
arabinose), hexose (chủ yếu là mannose, ngoài ra cịn có glucose và galactose) và
thậm chí cả từ acid uronic của chúng (ví dụ như 4-omethylglucuronic, dglucuronic,và d-galactouronic axít). Người ta gọi tên cụ thể một loại hemicellulose
dựa theo tên một loại đường nào đó chiếm tỷ lượng lớn trong thành phần của
hemicellulose. Ví dụ như xylan - loại hemicellulose dễ gặp nhất trong thiên nhiên.
Xylan là một hemicellulose mà thành phần chủ yếu của nó là xylose,
mannose,…trong đó xylose chiếm tỷ lượng lớn nhất. Xylan thường thấy nhiều trong
rơm, rạ (chiếm khoảng 30%), cây lá rộng (chiếm khoảng 20-25%). Ở những cây lá
kim thường chứa ít xylan.
Phân tử lượng của hemicellulose nhỏ hơn phân tử lượng của cellulose rất
nhiều. Hemicellulose thường được cấu tạo từ 150 gốc đường. Các gốc đường này

10


Đồ án tốt nghiệp

được nối với nhau bằng các liên kết β-1,4; β-1,3; β-1,6 glucoside. Chúng thường là
những mạch ngắn, phân nhánh.
Trong tế bào thực vật, hemicellulose thường nằm xen kẽ giữa các bó sợi
cellulose tạo nên một dạng cấu trúc bền vững.
1.1.3.6. Lignin
Lignin là một hợp chất cao phân tử đặc biệt của thực vật, thường tập trung ở
những mơ hóa gỗ, là chất kết dính tế bào, làm tăng độ bền cơ học, chống thấm nước

qua vách tế bào mô xylem, ngăn cản sự xâm nhập của vi sinh vật gây bệnh.
Khác với cellulose và hemicellulose, lignin hình thành từ các dẫn xuất của
phenyl, propan, một sốchất thơm có mạch nhánh. Nói cách chi tiết hơn, lignin là sản
phẩm ngưng tụ chủ yếu của ba loại rượu thơm: coniferyl (guaiacyl
propanol),sinapyl (syringyl alcohol) và p-coumaryl (p-hydroxyphenyl propanol)
theo tỷ lệ khác nhau tùy loại thực vật.
Trong đại phân tử lignin, các đại cấu trúc nối với nhau bằng rất nhiều liên kết
và loại liên kết, trong đó liên kết chủ yếu chiếm 50-60% số liên kết giữa các
monome là kiểu liên kết aryl-glyxerol-aryl ete. Ngồi ra cịn có các kiểu liên kết
phenyl- coumaryl, biphenyl.
Lignin hoạt động như một rào cản, cản trở sự thủy phân cellulose,
hemicellulose thành đường và các hợp chất hữu cơ khác để có thể biến đổi thành
nhiên liệu, bằng cách liên kết chặt chẽ với cả hemicellulose và cellulose.
1.1.4. Ưu và nhược điểm của bioethanol [27].
1.1.4.1. Ưu điểm
Ethanol sinh học được biết đến với rất nhiều lợi thế: là một trong những biện
pháp kìm hãm hiện tượng nóng lên tồn cầu; giúp các quốc gia chủ động, không bị
lệ thuộc vào vấn đề nhập khẩu nhiên liệu, đặc biệt đối với những quốc gia khơng có
nguồn dầu mỏ và than đá; kiềm chế sự gia tăng giá xăng dầu, ổn định tình hình
năng lượng cho thế giới; tạo thêm công ăn việc làm cho người dân; và cũng khơng
địi hỏi phải có những thiết bị và công nghệ đắt tiền [27].
11


Đồ án tốt nghiệp

Về mặt kĩ thuật thì cồn nguyên chất khi cháy dưới điều kiện lý tưởng, theo lý
thuyết thì chỉ có CO2 và H2O, nhưng thực tế thì CO cũng được sinh ra, tuy nhiên
lượng CO thường thấp hơn đối với xăng. Nguyên nhân ethanol có chứa 6% oxygen
theo thể tích cho phép động cơ tự đốt cháy nhiên liệu hồn tồn, kết quả là làm

giảm sự ơ nhiễm khí CO. Ethanol là nguồn nhiên liệu có khả năng tái sinh vì được
sản xuất từ cây nơng nghiệp thu hoạch hàng năm, sử dụng năng lượng mặt trời là
chính. Ethanol có nguồn gốc thực vật nên CO2 sinh ra khi đốt được cây cối hấp thụ
lại tạo nên sự cân bằng về lượng CO2, do đó khơng gây nên hiệu ứng nhà kính.
Cơng suất lớn hơn có thể đạt được ở ethanol nhiên liệu do tỉ số nén của xăng
dầu là 8:1còn của ethanol là 12:1. Số liệu thực nghiệm chỉ ra rằng ethanol nhiên liệu
có thể tạo ra công suất lớn hơn 20% so với xăng dầu (Pimentel, 1980). Ethanol có
chỉ số octan là 113, cao hơn so với khoảng 83- 95 của xăng. Chỉ số này cao đồng
nghĩa với việc hạn chế được hiện tượng tự phát nổ, xảy ra trước khi đánh lửa, sẽ
làm hại động cơ. Mặt khác, ethanol không chứa các chất khác độc hại như chì [27].
1.1.4.2. Nhược điểm
Bên cạnh các ưu điểm đã biết, công cuộc phát triển ethanol sinh học cũng
chứa đựng khơng ít nhược điểm về mặt kĩ thuật cũng như nguy cơ về môi trường,
kinh tếvà xã hội. Nếu khơng được quản lý và kiểm sốt tốt, các tác dụng xấu sẽ xảy
ra, thậm chí có thể lớn tới mức lấn át cả những mặt tích cực do nhiên liệu sinh học
mang lại. Nguy cơ sẽ càng rõ hơn theo quy mô ngày càng tăng của nền công nghiệp
nhiên liệu sinh học.
1.1.5. Tình hình sản xuất và tiêu thụ bioethanol trên thế giới và Việt Nam
1.1.5.1 Trên thế giới
a) Tình hình sản xuất
Theo báo cáo F.O. Licht thì bioethanol được sử dụng làm nhiên liệu đốt
trong từ năm 1860 do nhà khoa học Nicolas August Otto (Đức) khám phá. Vào
những năm 20 của thế kỷ 20, Henry Ford đã thiết kế ra động cơ xe ô tô chạy bằng
ethanol đầu tiên trên thế giới [9].

12


Đồ án tốt nghiệp

Đến sau 1930 thì Mỹ, Brazil, Anh, Pháp, Đức, Ý, Thuỵ Điển… đã bắt đầu
sử dụng Bio-Ethanol thay thế xăng. Nhưng trào lưu này thực sự bùng nổ vào những
năm 1970 khi nguồn nhiên liệu chính là dầu mỏ bị khủng hoảng nguồn cung.
Cũng theo báo cáo trên thì 47 % bioethanol nhiên liệu trên thế giới được sản
xuất từ mía đường, 53% là từ cây có chứa tinh bột (bắp, sắn lát và lúa mì). Sản
lượng bioethanol sản xuất năm 2008 khoảng 65,7 tỷ lít. Nhu cầu Bio-Ethanol nhiên
liệu trên toàn thế giới vào năm 2015 sẽ cao gấp hơn 2 lần sản lượng năm 2006 (100
tỷ lít).
Trước đó, Brazil là quốc gia đứng đầu về sản xuất và tiêu thụ bioethanol.
Đến năm 2006, Mỹ vượt qua Brazil và trở thành nước sản xuất bioethanol nhiên
liệu lớn nhất thế giới. Các quốc gia sản xuất bioethanol lớn như Braxil, Mỹ, Trung
Quốc, Ấn Độ và Pháp chiếm 84% sản lượng bioethanol nhiên liệu của toàn thế giới
trong năm 2005.
Brazil là nước đi đầu trên thế giới trong việc sản xuất bioethanol nhiên liệu
từ mật rỉ đường trong năm 2004 và đến năm 2008, Brazil đã sản xuất được 30 tỷ lít,
chiếm 34 % sản lượng bioethanol tồn thế giới. Trong giai đoạn 2012 – 2013,
Brazil sẽ đạt được 37 tỷ lít/năm từ 728 tỷ rỉ đường. Ở Brazil, tỉ lệ bioethanol pha
trộn với xăng hóa thạch là 20% và 25% tương ứng với loại xăng E20 và E25. Nhóm
các nước nhập khẩu bioethanol nhiên liệu từ Brazil là Mỹ, Ấn Độ, Hàn Quốc, Nhật
Bản, Thụy Điển và Hà Lan [9].
Năm 2007, Mỹ đã vượt qua Brazil trở thành quốc gia lớn nhất thế giới về
sản xuất bioethanol nhiên liệu từ nguồn nguyên liệu là ngô, chiếm 44 % sản lượng
tồn thế giới. Theo chương trình phát triển năng lượng quốc gia, Mỹ sẽ sản xuất 150
tỷ lít bioethanol vào năm 2030.
Năm 2010, sản lượng bioethanol của EU là 341250000 lít chiếm 8% sản
lượng thế giới. Trong đó, Pháp là quốc gia sản xuất bioethanol nhiên liệu lớn nhất
châu Âu (114 triệu lít, chiếm 33 %), Tây Ban Nha 47,8 triệu lít ( chiếm 14 %) và
Đức 44,4 triệu lít ( chiếm 13 %).

13

Đồ án tốt nghiệp

Trung Quốc là nước sản xuất bioethanol lớn nhất khu vực Châu Á, đứng thứ
ba trên thế giới, sản xuất ethanol từ ngô. Năm 2005, tổng sản lượng bioethanol của
quốc gia này xấp xỉ 3,8 tỷ lít (trong đó 1,3 tỷ lít là bioethanol nhiên liệu), chiếm gần
8 % sản lượng toàn thế giới.
Các quốc gia khác đã có những thành tựu đáng kể trong việc sản xuất
bioethanol đó là Ấn Độ, Thái Lan và một số quốc gia khác:
Ấn Độ là quốc gia đứng thứ 2 ở châu Á về sản xuất bioethanol sau Trung
Quốc, chiếm 4% sản lượng ethanol toàn cầu. Năm 2005 sản lượng bioethanol của
Ấn Độ là 1,7 tỷ lít, trong đó 200 triệu lít là bioethanol nhiên liệu.
Thái Lan là quốc gia Đông Nam Á đi tiên phong trong việc sản xuất
bioethanol nhiên liệu. Năm 2007, Thái Lan có 9 nhà máy sản xuất bioethanol nhiên
liệu với tổng công suất gần 400 triệu lít/năm, trong khi đó chỉ có duy nhất nhà máy
Thai Nguan sản xuất bioethanol từ sắn lát. Dự kiến đến năm 2011, Thái Lan sẽ sản
xuất khoảng 1 tỷ lít bioethanol nhiên liệu.
Bảng 1.2. Sản lượng ethanol theo khu vực (Đơn vị: triệu lít) [29].
2006

2007

2008

2009

2010

2011

Châu Âu

1627

1882

2814

3683

4615

5467

Châu Phi

0

49

72

108

165

170

Châu Mĩ

35625

45467

60393

66368

77800

79005

1940

2142

2743

2888

3.183

4077

39192

49540

66022

73047

86763

88719

Châu Á –
Thái Bình
Dương
Thế giới

Nguồn (Dr. Christoph Berg, F.O. Licht, World fuel ethanol analysis and outlook)

14


Đồ án tốt nghiệp

Bảng 1.3. Sản xuất Ethanol tại Mỹ từ 1981 – 2010 (đơn vị: 1000 lít)
Năm

Sản xuất

Năm

Sản xuất

1981

314

1996

3685

1982

854

1997

4877

1983

1572

1998

5319

1984

1932

1999

5546

1985

2336

2000

6141

1986

2695

2001

6682

1987

3100

2002

8101

1988

3145

2003

10616

1989

3190

2004

12887

1990

2830

2005

14780

1991

3279

2006

18489

1992

3729

2007

24685

1993

4370

2008

35237

1994

4879

2009

41404

1995

5139

2010

50338

Nguồn (Tổ chức Energy Information Administration, Mỹ) [29].

15