Nghiên cứu và khảo sát một số phương pháp tiền xử lý thụ phẩm gỗ với mục đích lên men thành cồn sinh học

Đồ án tốt nghiệp
LỜI CAM ĐOAN
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐHQG TP. HỒ CHÍ MINH
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các nội dung nghiên
cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức 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 rõ trong phần tài liệu tham khảo.
Ngồi ra, trong đồ án cịn 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. Hồ Chí Minh khơng liên quan
đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong q trình thực hiện (nếu có).
TP. Hồ Chí Minh, ngày

tháng 07 năm 2018
Tác giả

(ký tên và ghi rõ họ tên)

Trương Kỳ Văn


Đồ án tốt nghiệp
LỜI CẢM ƠN
Đồ án tốt nghiệp này được hồn thành tại Phịng thí nghiệm nhiên liệu sinh học và
Biomass Đại Học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Để có được bài
đồ án tốt nghiệp này em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy Nguyễn
Đình Quân và cô Trần Thị Tưởng An đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, dìu dắt em với những
chỉ dẫn khoa học quý giá trong suốt quá trình triển khai, nghiên cứu và tạo mọi điều kiện
để em có thể hoàn thành tốt đồ án.

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cơ Nguyễn Hồi Hương đã giúp em đến
với hướng nghiên cứu này. Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn tới anh Nguyễn Lê Nhật
Minh đã hướng dẫn và nhiệt tình giúp đỡ trong suốt những ngày thực hiện đồ án.
Cuối cùng em xin cảm ơn bạn bè, người thân trong gia đình, những người luôn là
chỗ dựa tinh thần vững chắc và luôn ủng hộ em trong suốt hành trình chinh phục ước mơ
của mình.
Xin chân thành cảm ơn.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2018
Sinh viên thực hiện
Trương Kỳ Văn


Đồ án tốt nghiệp

MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................................ i
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................. vi
DANH MỤC BẢNG .........................................................................................................vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH .............................................................................................. viii
MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................. 1
2. Tình hình nghiên cứu ................................................................................................. 2
3. Mục đích nghiên cứu .................................................................................................. 2
4. Nhiệm vụ nghiên cứu.................................................................................................. 2
5. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................... 2
6. Các kết quả đạt được của đề tài ................................................................................ 3
7. Kết cấu đồ án tốt nghiệp ............................................................................................ 3
1.1 Sơ lược về bioethanol ............................................................................................... 4
1.1.1 Bioethanol là gì ? ................................................................................................ 4
1.1.2 Các thế hệ xăng sinh học ................................................................................... 4

1.1.3 Quy trình sản xuất bioethanol ........................................................................... 5
1.1.4 Tình hình nghiên cứu sản xuất bioethanol....................................................... 5
1.1.4.1 Trên thế giới ................................................................................................. 5
1.1.4.2 Ở Việt Nam................................................................................................... 6
1.2 Nguồn nguyên liệu dùng cho sản xuất xăng sinh học thế hệ 2 ............................. 7
1.2.1 Cấu trúc nguồn nguyên liệu .............................................................................. 7
1.2.2 Cellulose .............................................................................................................. 7
i


Đồ án tốt nghiệp
1.2.3 Hemicellulose...................................................................................................... 8
1.2.4 Lignin .................................................................................................................. 9
1.2.5 Phụ phẩm gỗ từ cây cao su .............................................................................. 10
1.3 Quá trình sản xuất bioethanol từ mùn cưa gỗ cao su ......................................... 13
1.3.1 Sơ đồ khái quát ................................................................................................. 13
1.3.2 Tiền xử lý .......................................................................................................... 13
1.3.2.1 Tiền xử lý bằng phương pháp vật lý........................................................... 14
1.3.2.2 Tiền xử lý bằng tác nhân hóa học ............................................................... 17
1.3.3 Thủy phân ......................................................................................................... 21
1.3.4 Lên men............................................................................................................. 24
1.3.4.1 Cơ sở sinh hóa : .......................................................................................... 24
1.3.4.2 Một số phương pháp lên men ..................................................................... 26
1.3.4.3 Một số loại nấm men .................................................................................. 27
1.3.4.4 Đặc điểm sinh học của nấm men ................................................................ 28
1.3.4.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men ............................................. 29
1.3.5 Thủy phân và lên men đồng thời ..................................................................... 31
2.1 Địa điểm và đối tượng nghiên cứu ........................................................................ 32
2.2 Nguyên vật liệu ....................................................................................................... 32
2.2.1 Mùn cưa từ gỗ cao su ....................................................................................... 32

2.2.2 Enzyme .............................................................................................................. 33
2.2.3 Nấm men Sacchromyces cereviciae ................................................................. 33
2.3 Hóa chất ................................................................................................................... 33
2.3.1 Hóa chất thí nghiệm ......................................................................................... 33
ii


Đồ án tốt nghiệp
2.3.2 Môi trường nuôi cấy vi sinh vật ....................................................................... 34
2.4 Thiết bị và dụng cụ sử dụng .................................................................................. 34
2.4.1 Thiết bị .............................................................................................................. 34
2.4.2 Dụng cụ ............................................................................................................. 35
2.5 Bố trí thí nghiệm ..................................................................................................... 35
2.5.1 Các thí nghiệm .................................................................................................. 35
2.5.2 Khảo sát đường cong tăng trưởng của nấm men ........................................... 36
2.5.2.1 Phương pháp cấy giống và giữ giống nấm men ......................................... 36
2.5.2.2 Phương pháp nhân giống và hoạt hóa giống nấm men .............................. 36
2.5.2.3 Phương pháp đếm nấm men ....................................................................... 36
2.5.2.4 Khảo sát đường cong tăng trưởng nấm men .............................................. 37
2.5.3 Phân tích thành phần mùn cưa ....................................................................... 37
2.5.3.1 Phân tích thành phần lignin trong mùn cưa ................................................ 37
2.5.3.2 Định lượng cellulose theo phương pháp Kiursher-Hoff ............................ 38
2.5.3.3 Định lượng đường khử bằng phương pháp Acid Dinitro-Salicylic (DNS) 38
2.5.4 Khảo sát ảnh hưởng của các tác nhân tiền xử lý ........................................... 39
2.5.4.1 Tiền xử lý bằng H2SO4 ............................................................................... 39
2.5.4.2 Tiền xử lý bằng NaOH ............................................................................... 39
2.5.4.3 Khảo sát thời gian tiền xử lý ...................................................................... 39
2.5.5 Tiến hành lên men kiểm chứng hiệu quả tiền xử lý ....................................... 41
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................................... 43
3.1 Khảo sát đường cong sinh trưởng của nấm men ................................................. 43

3.1.1 Hình dạng vi thể của nấm men ........................................................................ 43
iii


Đồ án tốt nghiệp
3.1.2 Đường cong sinh trưởng của S.Cerevisiae ..................................................... 43
3.2 Phân tích thành phần mùn cưa trước khi tiền xử lý .......................................... 44
3.3 Ảnh hưởng kích thước hạt mùn cưa ..................................................................... 45
3.4 Ảnh hưởng của các tác nhân tiền xử lý ................................................................ 46
3.4.1 Tiền xử lý bằng H2SO4 ..................................................................................... 46
3.4.2 Tiền xử lý bằng NaOH ..................................................................................... 48
3.4.3 Khảo sát thời gian tiền xử lý ............................................................................ 49
3.4.3.1 Khảo sát thời gian tiền xử lý đối với tác nhân H2SO4 ................................ 49
3.4.3.2 Khảo sát thời gian tiền xử lý đối với tác nhân NaOH ................................ 52
3.4.4 Khảo sát kết hợp cả 2 tác nhân tiền xử lý ....................................................... 53
3.5 Tiến hành lên men kiểm chứng hiệu quả tiền xử lý ............................................ 54
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ...................................................................... 56
4.1 Kết luận ................................................................................................................... 56
4.2 Đề xuất ..................................................................................................................... 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 57
PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 1
Phụ lục A. Các phương pháp thí nghiệm ..................................................................... 1
1. Đường chuẩn glucose ............................................................................................. 1
2. Đường chuẩn cellulose ........................................................................................... 2
3. Phương pháp phân tích hàm lượng ẩm ................................................................ 2
4. Cơng thức tính hàm lượng lignin .......................................................................... 3
Phụ lục B. Thống kê số liệu thí nghiệm ........................................................................ 4
1. Thống kê kết quả khảo sát nồng độ H2SO4 .......................................................... 4
iv

Đồ án tốt nghiệp
2. Thống kê kết quả khảo sát nồng độ NaOH .......................................................... 4
3. Thống kê khảo sát thời gian tiền xử lý với H2SO4 2% ........................................ 5
4. Thống kê khảo sát thời gian tiền xử lý với H2SO4 2,5% ..................................... 5
5. Thống kê khảo sát thời gian tiền xử lý với NaOH 1,5% ..................................... 6
6. Thống kê khảo sát thời gian tiền xử lý với NaOH 2% ........................................ 6
7. Thống kê khảo sát kết hợp 2 tác nhân tiền xử lý ................................................. 7

v


Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AIR: Acid-insoluble residue.
ASL: Acid-soluble lignin.
CFU: Colony forming unit.
VSV: vi sinh vật.
mg: mili gam.
g: gam.
m: micro mét.
nm: nano mét.
mm: mili mét
m: mét.
ha: héc ta.
kGy: kilô gray.
SHF: Separate Hydrolysis and Fermentation.
SSF: Simultaneous Saccharification and Fermentation.
SSCF: Simultaneous Saccharification and Co-Fermentation.

mmHg: milimét thủy ngân.
w/v: khối lượng trên thể tích.
mL: mili Lít.
µL: mico Lít
SDA: Sabouraud Dextrose Agar
SDB: Sabouraud Dextrose Broth
OD: Optical Density
DNS: Acid Dinitro-Salicylic

vi


Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Các nguồn sản xuất bioethanol…………………………………………………..4
Bảng 1.2 Ưu điểm và nhược điểm phương pháp nổ hơi……………………………….....17
Bảng 1.3 Một số phương pháp lên men…………………………………………………..26
Bảng 1.4 Đặc điểm một số loại nấm men…………………………………………………27
Bảng 2.1 Các hóa chất sử dụng……………………………………………………….......33
Bảng 2.2 Mơi trường hoạt hóa và nhân giống nấm men Sabouraud Dextrose Broth (SDB).34
Bảng 2.3 Môi trường ni cấy nấm men Sabouraud Dextrose Agar (SDA)……………..34
Bảng 2.4 Thí nghiệm khảo sát thời gian tiền xử lý với tác nhân NaOH 1,5%....................40
Bảng 2.5 Thí nghiệm khảo sát thời gian tiền xử lý với tác nhân NaOH 2%.......................40
Bảng 2.6 Thí nghiệm khảo sát thời gian tiền xử lý với tác nhân H2SO4 2%......................40
Bảng 2.7 Thí nghiệm khảo sát thời gian tiền xử lý với tác nhân H2SO4 2,5%...................41
Bảng 3.1 Kết quả khảo sát kết hợp 2 tác nhân tiền xử lý…………………………………53
Bảng 3.2 Kết quả lên men kiểm chứng……………………………………………………54

vii

Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Cấu trúc lignocellulose…………………………………………………………...7
Hình 1.2 A. Cấu trúc mạch đơn cellulose B. Cấu trúc sợi cellulose………………………..8
Hình 1.3 Cấu trúc hemicellulose…………………………………………………………...9
Hình 1.4 Cấu trúc lignin……………………………………………………………………9
Hình 1.5 Cây cao su……………………………………………………………………….10
Hình 1.6 Khai thác gỗ cao su……………………………………………………………..11
Hình 1.7 Gỗ cao su thành phẩm…………………………………………………………..12
Hình 1.8 Sàn phẩm bàn ghế từ gỗ cao su………………………………………………….12
Hình 1.9 Sơ đồ sản xuất bioethanol………………………………………………………13
Hình 1.10 Vụn gỗ trong quá trình chế biến gỗ……………………………………….…..14
Hình 1.11 Máy nghiền gỗ…………………………………………………………………15
Hình 1.12 Mùn cưa………………………………………………………………………..15
Hình 1.13 Cơ chế quá trình nổ hơi………………………………………………………..16
Hình 1.14 Quy trình tiền xử lý mùn cưa…………………………………………………..18
Hình 1.15 Cơ chế hoạt động của enzyme………………………………………………….23
Hình 1.16 Sơ đồ quá trình đường phân……………………………………………………25
Hình 1.17 Quá trình hơ hấp kị khí…………………………………………………………25
Hình 1.18 Tế bào nấm men……………………………………………………………….29
Hình 2.1 Mùn cưa gỗ cao su………………………………………………………………32
Hình 2.2 Quy trình lên men tạo bioethanol………………………………………………..42
Hình 3.1 Nấm men dưới kính hiển vi……………………………………………………..43
Hình 3.2 Đường cong sinh trưởng của S.cerevisiae theo thời gian………………………44
Hình 3.3 Kết quả khảo sát kích thước hạt mùn cưa………………………………………45
Hình 3.4 Kết quả khảo sát hiệu quả của H2SO4…………………………………………..46
Hình 3.5 Phần trăm lignin tách ra khỏi mẫu sau tiền xử lý……………………………….46

Hình 3.6 Phần trăm cellulose tăng lên trong mẫu sau tiền xử lý so với mẫu ban đầu……47
Hình 3.7 Kết quả khảo sát hiệu quả của NaOH…………………………………………..48
viii


Đồ án tốt nghiệp
Hình 3.8 Phần trăm lignin tách ra khỏi mẫu sau tiền xử lý………………………………48
Hình 3.9 Lượng cellulose trong mẫu sau tiền xử lý so với mẫu ban đầu………………...49
Hình 3.10 Hiệu suất tiền xử lý bằng acid 2% theo thời gian……………………………..50
Hình 3.11 Hiệu suất tiền xử lý bằng acid 2,5% theo thời gian…………………………...50
Hình 3.12 Hàm lượng đường trong mẫu tiền xử lý acid 2% theo thời gian….…………...51
Hình 3.13 Hàm lượng đường trong mẫu tiền xử lý acid 2,5% theo thời gian….…………51
Hình 3.14 Hiệu suất tiền xử lý bằng base 1,5% theo thời gian….…………………………52
Hình 3.15 Hiệu suất tiền xử lý bằng base 2% theo thời gian………………………………52
Phụ lục
Hình 1.1 Đường chuẩn Glucose……………………………………………………………1
Hình 2.1 Đường chuẩn Cellulose…………………………………………………………..2

ix


Đồ án tốt nghiệp

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Vấn đề năng lượng luôn là vấn đề cấp thiết đối với từng quốc gia trên thế giới. Việc
nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt cịn làm tăng áp lực lên vấn đề năng lượng
của từng quốc gia. Hiện nay, giới khoa học đang hướng tới những nguồn năng lượng mới
để giải quyết những vấn đề cấp bách. Một trong những nguồn năng lượng mới được nghiên
cứu đó là bioethanol.

Xăng sinh học là một nguồn năng lượng mới, vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu
để dần hoàn thiện hơn. Việt Nam là một nước với tài nguyên thiên nhiên phong phú, mức
độ đa dạng sinh học cao. Từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu và phát triển
công nghệ sản xuất bioethanol. Mặc dù là nước với nền công nghiệp lúa nước phát triển, sự
đa dạng về các loại cây giàu tinh bột nhưng không thể dùng nguồn tinh bột để tạo xăng sinh
học, do vấn đề về an ninh lương thực [16].
Một ý tưởng được đề xuất để cải thiện những khó khăn này đó là dùng nguồn nguyên
liệu từ gỗ để sản xuất xăng sinh học thế hệ 2, cụ thể là gỗ cao su. Sản lượng cây cao su ở
Việt Nam là tương đối lớn cộng thêm việc những phụ phẩm được tạo ra trong quá trình tiêu
thụ gỗ cao su như là dăm gỗ. Dăm gỗ được xem như phế phẩm của ngành cơng nghiệp sản
xuất gỗ, gần như khơng có tác dụng gì. Từ những tính chất trên, ngành cơng nghệ sinh học
đã đưa ra phương hướng giải quyết là tận dụng nguồn phế phẩm là dăm gỗ cao su để phục
vụ cho việc sản xuất xăng sinh học.
Tuy nhiên, nếu dùng dăm gỗ thì sẽ khơng hiệu quả do diện tích tiếp xúc của nguyên
liệu khá thấp, nên cần xay, nghiền ra thành dạng mùn cưa. Các nghiên cứu về việc chuyển
hóa sinh khối thành cồn sinh học bằng thủy phân và lên men đồng thời đã được nghiên cứu
từ rất lâu trên thế giới. Nhưng các nghiên cứu chỉ mang tính chất tương đối và khơng thực
sự phù hợp với tình trạng hiện tại ở Việt Nam. Bởi vì thực vật ở mỗi vùng trên thế giới thì
đều có những đặc tính khác nhau, nên đơi khi áp dụng những công nghệ của những nước
khác trên thế giới sẽ không thực sự hiệu quả ở Việt Nam.

1


Đồ án tốt nghiệp
Từ những lý do trên mà đề tài “Nghiên cứu và khảo sát một số phương pháp tiền xử
lý phụ phẩm gỗ với mục đích lên men thành cồn sinh học” được đề xuất thực hiện.
2. Tình hình nghiên cứu
Thơng qua 2 đề tài:
- Raj Kumar, Sompal Singh, Om V. Singh; 2008; “Bioconversion of lignocellulosic

biomass: Biochemical and molecular perspectives”, J Ind Microbiol Biotechnol, 35:377391.
- Antonie Margeot, Barbel Hahn-Hagerdal, Maria Edlund, Rapheal slade, Frederic
Monot, 2009, “New improvements for lignocellulosic ethanol”, Current Opinion In
Biotechnology, 20:372-380
Có thể thấy lignocellulose là nguồn nguyên liệu dồi dào, không những giúp hạn chế
được sự cạnh tranh nguồn đất dùng cho sản xuất thực phẩm mà còn giúp cho việc tái sử
dụng các nguồn phế liệu một cách hiệu quả nhất. Việc sản xuất ethanol từ nguồn này đem
lại nhiều nguồn lợi nhưng sự phát triển của nó đang bị hạn chế bởi những khó khăn về mặt
lợi nhuận kinh tế và kỹ thuật chưa tối ưu.
3. Mục đích nghiên cứu
Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu hiệu quả quá trình tiền xử lý đối với khả
năng chuyển hóa mùn cưa gỗ cao su thành ethanol bằng phương pháp thủy phân và lên men
đồng thời.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
Các nghiên cứu chính trong đề tài là:
- Nghiên cứu quá trình tiền xử lý mùn cưa bằng NaOH và H2SO4.
- Nghiên cứu khảo sát thời gian tiền xử lý, kết hợp các tác nhân tiền xử lý với nhau.
- Tiến hành lên men kiểm chứng đánh giá hiệu quả quá trình tiền xử lý.
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp được sử dụng để thu thập thông tin là thu thập thông tin được công bố
trên mạng internet.
Phương pháp được dùng để thống kê tính tốn là Microsoft Excel 2013.
2


Đồ án tốt nghiệp
6. Các kết quả đạt được của đề tài
Tìm ra nồng độ H2SO4 tối ưu nhất cho quá trình tiền xử lý là 2,5% thời gian tiền xử
lý tối ưu là 24 giờ. Còn đối với NaOH nồng độ tối ưu là 2% thời gian tối ưu là 24 giờ. Bên
cạnh đó cịn nghiên cứu kết hợp cả 2 tác nhân tiền xử lý đem lại kết quả tiền xử lý H2SO4

trước sau đó tiền xử lý lần 2 với NaOH cho kết quả tốt hơn khi dùng 1 tác nhân nhưng hiệu
suất vẫn không quá chênh lệch, lại tốn hao chi phí hơn. Tiền xử lý bằng NaOH sau đó tiền
xử lý lần 2 với H2SO4 cho kết quả thấp và không hiệu quả cho quá trình tiền xử lý.
Kết quả lên men thử nghiệm quy trình cơng nghệ cho giá trị: xuất hiện cồn trong
mẫu có giá trị từ 1,1 – 1,4 độ cồn. Tuy khơng cao nhưng vẫn có thể sinh cồn, cần nghiên
cứu tối ưu quy trình cơng nghệ để nâng cao lượng cồn sinh ra.
7. Kết cấu đồ án tốt nghiệp
Đồ án tốt nghiệp gồm 4 chương:
- Chương 1: Tổng quan tài liệu (tổng quan về nguyên liệu lignocellulose, tiền xử lý
nguyên liệu, phương pháp thủy phân và lên men,…)
- Chương 2: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu (các phương pháp tiến hành thí
nghiệm, bố trí thí nghiệm).
- Chương 3: Kết quả và thảo luận
- Chương 4: Kết luận và đề xuất

3


Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1 Sơ lược về bioethanol
1.1.1 Bioethanol là gì ?
Ethanol có cơng thức hóa học là C2H5OH, là một chất hữu cơ dễ cháy, không màu.
Trước đây, Ethanol được dùng trong y tế, mỹ phẩm, dung môi hữu cơ. Sau này khi khoa
học kỹ thuật phát triển, Ethanol còn được dùng như là nguồn nhiên liệu cho động cơ đốt
trong. Hiện nay, Ethanol được dùng để pha trộn với xăng với tỉ lệ nhỏ hơn 15% để tiết kiệm
nguồn nhiên liệu.
Bioethanol hay còn được gọi là cồn sinh học thu được từ việc lên men sinh khối vi
sinh vật từ nguồn nguyên liệu là các phụ phẩm của ngành nông nghiệp. Điều này phù hợp

với một nước có nền kinh tế nghiêng về nông nghiệp như Việt Nam. Với nguồn nguyên
liệu phụ phẩm dồi dào từ ngành nông nghiệp, việc sản xuất xăng sinh học là hoàn toàn phù
hợp. Các loại nguyên liệu có thành phần cấu tạo từ các đơn phân là đường (VD: tinh bột,
cellulose,…) thơng qua q trình tiền xử lý, thủy phân sẽ tạo thành nguồn đường. Sử dụng
nguồn đường đó để cho vi sinh vật lên men sẽ tạo ra cồn sinh học. Việc làm trên vừa giúp
giải quyết vấn đề phụ phế phẩm nông nghiệp vừa tạo ra nguồn nhiên liệu. Đây là một dạng
năng lượng tái sinh.[9],[18],[3],[4]
1.1.2 Các thế hệ xăng sinh học
Bảng 1.1 Các nguồn sản xuất bioethanol.[5]
Nguồn nguyên liệu
Bioethanol thế hệ 1

Ưu điểm

Nhược điểm

Các loại thực vật có Hiệu suất chuyển Là
nhiều tinh bột như hóa tạo xăng sinh phẩm
lúa mì, ngũ cốc

học cao

nguồn
chính

thực
nên

khơng thích hợp
dùng làm nguyên

liệu sản xuất.

Bioethanol thế hệ 2

Phụ phẩm ngành Giải quyết được vấn Hiệu suất chuyển
nông nghiệp như đề phụ phế phẩm hóa thấp
ngành nơng nghiệp
4


Đồ án tốt nghiệp
rơm, vỏ trấu, bã
mía, mùn cưa,…
Bioethanol thế hệ 3

Các loại vi tảo sống Hiệu suất cao mà Tốn diện tích ni
trong nước

khơng ảnh hưởng trồng lớn
đến vấn đề nguồn
thực phẩm

1.1.3 Quy trình sản xuất bioethanol
Quy trình sản xuất bioethanol thế hệ 2, gồm các bước cơ bản như sau:
Tiền xử lý: giúp loại bỏ các chất không phải cellulose để hỗ trợ cho việc thủy phân
cellulose. Việc tiền xử lý có thể dùng các tác nhân như acid, base, nổ hơi,…
Thủy phân: dùng enzyme để thủy phân cellulose thành các đơn phân là đường để cho vi
sinh vật có thể sử dụng được.
Lên men: dùng nguồn đường vừa thu được để làm nguồn thức ăn cho các chủng nấm men
để chúng có thể tăng sinh khối, sau đó là lên men để sinh cồn.

Tinh sạch: dùng các phương pháp như chưng cất, tách nước,..để thu bioethanol.
1.1.4 Tình hình nghiên cứu sản xuất bioethanol
1.1.4.1 Trên thế giới
Năm 2006, sản lượng Bioethanol được sử dụng trên thế giới là 50 tỷ lít, trong đó
Bioethanol nhiên liệu là 38,5 tỷ lít (chiếm 77%), Bioethanol cơng nghiệp là 4 tỷ lít (chiếm
8%) và Bioethanol cho đồ uống là 7,5 tỷ lít (chiếm 15%).
Brazil là nước đi đầu trên thế giới trong việc sản xuất Bioethanol nhiên liệu từ mật
rỉ trong năm 2004.
Cuối năm 2007, Brazil đã sản xuất được 20,5 tỷ lít, chiếm 34% sản lượng Bioethanol
tồn thế giới.
Năm 2006, Mỹ đã vượt qua Brazil trở thành quốc gia lớn nhất thế giới về sản xuất
Bioethanol nhiên liệu, chiếm 37% sản lượng toàn thế giới.

5


Đồ án tốt nghiệp
Trung Quốc là nước sản xuất Bioethanol lớn nhất khu vực Châu Á. 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 [19].
1.1.4.2 Ở Việt Nam
Năm 2005, Sở Khoa Học và Công Nghệ TPHCM đồng ý hỗ trợ kinh phí ban đầu
cho nhóm nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực biomass giai đoạn 2005 - 2007 do tiến sĩ
Phan Đình Tuấn, đại học Bách Khoa TPHCM phụ trách.
Năm 2009, công ty cổ phần đồng xanh (GFC) đã đưa vào hoạt động nhà máy sản
xuất bioethanol với độ tinh khiết 99,8%, công suất chạy thử 50 triệu lít / năm.[20]
Nhà máy Nhiên liệu sinh học Phú Thọ huyện Tam Nơng, Phú Thọ, cơng suất khoảng
100 triệu lít ethanol nhiên liệu/năm.
Nhà máy Nhiên liệu sinh học Quãng Ngãi, khu kinh tế Dung Quất, Quãng Ngãi,
công suất khoảng 100 triệu lít ethanol nhiên liệu/năm.

Nhà máy Nhiên liệu sinh học Quảng Nam, Bình Phước, Đồng Nai…
Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015 và tầm nhìn 2025 nêu rằng: “Việt
Nam sẽ đẩy mạnh phát triển nhiên liệu sinh học và mục tiêu dự kiến đến năm 2025 sẽ sản
xuất và đưa vào sử dụng xăng E5 (95% xăng khoáng và 5% ethanol) và dầu B5 (95% diesel
khoáng và 5% diesel sinh học) trên phạm vi cả nước, đáp ứng đủ nhu cầu thị trường.
Tình hình nghiên cứu:
Năm 2008, Nguyễn Đình Minh Hiệp với đề tài thạc sỹ “Nghiên cứu sản xuất ethanol
nhiên liệu từ rơm rạ “, khoa kỹ thuật hóa học,Đại học Bách Khoa TP.HCM.
Năm 2009, Th.S Hoàng Minh Nam báo cáo đề tài “Nghiên cứu công nghệ và thiết
bị liên tục xử lý rơm rạ bằng hơi nước để lên men ethanol”, Đại học Bách Khoa TP.HCM.
Năm 2012, Phan Đình Tuấn với bài báo “Phát triển nhiên liệu sinh học hướng đến
xây dựng mơ hình biomass town ở Việt Nam”, Đại học Bách khoa ĐHQG TP. HCM.
Năm 2018, Hồ Sĩ Thoảng với bài báo “Nhiên liệu sinh học tiên tiến: hướng phát
triển bền vững của nhiên liệu tái tạo”, hội Dầu Khí Việt Nam.

6


Đồ án tốt nghiệp
1.2 Nguồn nguyên liệu dùng cho sản xuất xăng sinh học thế hệ 2
1.2.1 Cấu trúc nguồn nguyên liệu
Nguồn nguyên liệu sử dụng ở đây là mùn cưa, thuộc nhóm nguồn nguyên liệu từ
lignocellulose. Lignocellulose là tên gọi chung chỉ các thực vật có cấu trúc được tạo thành
từ các thành phần chính là cellulose, hemicellulose, lignin theo tỉ lệ giảm dần.

Hình 1.1 Cấu trúc lignocellulose
(Nguồn: Almarsdóttir & Gunnarsson,2009)
Các sợi cellulose xếp với nhau tạo thành dạng bó thẳng, đan xen xung quanh là mạng
lưới hemicellulose, ngồi cùng được bao bọc bởi lớp lignin. Cả 3 thành phần này liên kết
với nhau chặt chẽ, lớp lignin có nhiệm vụ bảo vệ các thành phần ở trong, ngăn các enzyme

thủy phân cellulose.
Các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản. Các sợi này được gắn lại với nhau nhờ
hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi, với chiều rộng khoảng 25 nm. Các vi sợi này được
bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp bảo vệ cellulose khỏi sự tấn cơng của enzyme
cũng như các hóa chất trong q trình thủy phân [8].
1.2.2 Cellulose
Cellulose là một polymer mạch thẳng gồm các anhydroglucose trong mối liên kết β1,4 - glucoside. Mức độ trùng hợp của cellulose tự nhiên có thể đạt 10.000 - 14.000 đơn vị

7


Đồ án tốt nghiệp
glucose trên phân tử, khối lượng tương ứng là 1,5 triệu dalton với chiều dài phân tử có thể
lớn hơn hoặc bằng 5 µm.
So với tinh bột, cellulose khó tan hơn nhiều. Để chuyển từ trạng thái tinh thể sang
vơ định hình, tinh bột cần đun nóng khoảng 60 - 700C trong nước, còn cellulose cần nhiệt
độ tới 3200C và áp suất 25 mPa. Về mặt hóa học, cellulose có thể bị phân hủy thành glucose
với acid ở nhiệt độ cao.
Các mạch cellulose được liên kết với nhau nhờ liên kết hydro và liên kết Van Der
Waals, hình thành hai vùng cấu trúc chính là tinh thể và vơ định hình. Trong vùng tinh thể,
các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau, vùng này khó bị tấn cơng bởi enzyme cũng
như hóa chất. Ngược lại, trong vùng vơ định hình, cellulose liên kết khơng chặt với nhau
nên dễ bị tấn cơng [9].

Hình 1.2 A.Cấu trúc mạch đơn cellulose B. Cấu trúc sợi cellulose
(Nguồn: CHEMIK 2013,67,3,241-249)
1.2.3 Hemicellulose
Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng 70
đến 200 đơn phân. Hemicellulose chứa cả đường 6 gồm glucose, mannose và galactose và

8


Đồ án tốt nghiệp
đường 5 gồm xylose và arabinose. Thành phần cơ bản của hemicellulose là β-D
xylopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết β - (1,4)

Hình 1.3 Cấu trúc hemicellulose
(Nguồn: )
1.2.4 Lignin
Lignin là các chất phân tử lớn có cấu trúc vơ định hình và là một trong những thành
phần chủ yếu của thực vật có mạch. Cùng với cellulose, lignin là một trong những hợp phần
chính và có tính bền cao, rắn chắc trong chống đỡ và bảo vệ của thành tế bào và các bó
mạch. Nó đóng vai trị gắn chặt các thành phần khác của gỗ lại với nhau.

Hình 1.4 Cấu trúc lignin
(Nguồn: />9


Đồ án tốt nghiệp
Cấu trúc của lignin đa dạng, tùy thuộc vào từng loại gỗ, tuổi của cây hoặc cấu trúc
của nó trong gỗ. Lignin có liên kết hóa học với thành phần hemicellulose và ngay cả với
cellulose (không nhiều) [9].
1.2.5 Phụ phẩm gỗ từ cây cao su
Cao su (danh pháp hai phần: Hevea brasiliensis), là một loài cây thân gỗ thuộc về
họ Đại kích (Euphorbiaceae) và là thành viên có tầm quan trọng kinh tế lớn nhất trong chi
Hevea. Nó có tầm quan trọng kinh tế lớn là do chất lỏng chiết ra tựa như nhựa cây của nó
(gọi là mủ) có thể được thu thập lại như là nguồn chủ lực trong sản xuất cao su tự nhiên.
Cây cao su có thể cao tới trên 30 m. Nhựa mủ màu trắng hay vàng có trong các mạch
nhựa mủ ở vỏ cây, chủ yếu là bên ngoài libe. Các mạch này tạo thành xoắn ốc theo thân

cây theo hướng tay phải, tạo thành một góc khoảng 30 độ với mặt phẳng.

Hình 1.5 Cây cao su
(Nguồn: />Khi cây đạt độ tuổi 5 - 6 năm thì người ta bắt đầu thu hoạch nhựa mủ: các vết rạch
vng góc với mạch nhựa mủ, với độ sâu vừa phải sao cho có thể làm nhựa mủ chảy ra mà
không gây tổn hại cho sự phát triển của cây, và nhựa mủ được thu thập trong các thùng nhỏ.
10


Đồ án tốt nghiệp
Quá trình này gọi là cạo mủ cao su. Các cây già hơn cho nhiều nhựa mủ hơn, nhưng chúng
sẽ ngừng sản xuất nhựa mủ khi đạt độ tuổi 26 - 30 năm.
Gỗ từ cây cao su được sử dụng trong sản xuất đồ gỗ. Nó được đánh giá cao vì có thớ
gỗ dày, ít co, màu sắc hấp dẫn và có thể chấp nhận các kiểu hồn thiện khác nhau. Nó cũng
được đánh giá như là loại gỗ "thân thiện môi trường", do người ta chỉ khai thác gỗ sau khi
cây cao su đã kết thúc chu kỳ khai thác.

Hình 1.6 Khai thác gỗ cao su
(Nguồn: />Theo số liệu của Hiệp hội Cao su Việt Nam, đến cuối năm 2012, tổng diện tích cây
cao su tại Việt Nam đã đạt 910.500 ha với sản lượng ước đạt 863.600 tấn, giữ vị trí thứ năm
về sản lượng cao su thiên nhiên, sau Thái Lan, Indonesia, Malaysia và Ấn Độ.[21]
Phần cành, nhánh, vỏ cây…là phụ phẩm của quá trình sản xuất lâm nghiệp này, ước
tính chiếm đến 20% khối lượng tổng thể của cả cây. Phần phụ phẩm thường được băm
nghiền thành mùn cưa để bán với giá thành tương đối thấp nhưng vẫn cịn lãng phí rất nhiều
vì khơng được sử dụng hết. Nguồn lignocellulose này chính là nguồn nguyên liệu rất tiềm
năng để chuyển hóa thành cồn sinh học.
11


Đồ án tốt nghiệp

Với lượng lớn diện tích cao su như ở Việt Nam thì nguồn phụ phẩm gỗ từ việc khai
thác, chế biến gỗ cao su là rất lớn, phần phụ phẩm dư thừa ra rất nhiều mà chưa có biện
pháp xử lý thỏa đáng. Việc nghiên cứu dùng mùn cưa từ gỗ cao su để tạo cồn sinh học giúp
vừa giải quyết vấn đề năng lượng, vừa giải quyết vấn đề phụ phẩm gỗ dư thừa.

Hình 1.7 Gỗ cao su thành phẩm
(Nguồn: />
Hình 1.8 Sản phẩm bàn ghế từ gỗ cao su
(Nguồn: />12


Đồ án tốt nghiệp
1.3 Quá trình sản xuất bioethanol từ mùn cưa gỗ cao su
1.3.1 Sơ đồ khái quát

Hình 1.9 Sơ đồ sản xuất bioethanol
1.3.2 Tiền xử lý
Để enzyme có thể thủy phân cellulose thành đường, việc đầu tiên cần loại bỏ đi các
thành phần không phải cellulose như lignin.Lignin đóng vai trị bảo vệ bên ngồi ngăn
khơng cho enzyme tấn cơng vào các phân tử cellulose. Q trình tiền xử lý sẽ giúp loại bỏ
đi lớp lignin.
Quá trình tiền xử lý nhằm:
- Tăng vùng vơ định hình của cellulose.
- Tăng kích thước lỗ xốp trong cấu trúc sợi biomass.
- Phá vỡ sự bao bọc của lignin đối với cellulose.
13


Đồ án tốt nghiệp
1.3.2.1 Tiền xử lý bằng phương pháp vật lý

a) Phương pháp nghiền cơ học
Nghiền là phương pháp cơ học nhằm làm nhỏ nguyên liệu gỗ. Mục đích để phá vỡ
cấu trúc gỗ, loại bỏ đi một phần lignin. Ngồi ra cịn giúp tăng diện tích tiếp xúc của nguyên
liệu đối với các tác nhân tiền xử lý.

Hình 1.10 Vụn gỗ trong quá trình chế biến gỗ
Vụn gỗ là loại phế phẩm còn thừa lại từ việc chế biến gỗ cao su sẽ được thu hồi lại.
Sau đó các vụn gỗ này sẽ được nghiền nhỏ ra thành dạng mùn cưa. Để tăng tính chính xác
cho quy trình thí nghiệm, ngun liệu sau khi nghiền nhỏ cịn được rây để tạo tính đồng
đều về kích thước. Bởi vì nếu để ngun liệu dạng to thì diện tích tiếp xúc với tác nhân
thấp, tác nhân tiền xử lý không tiếp xúc đồng đều với các hạt to nhỏ khác nhau, dẫn đến thí
nghiệm cho kết quả khơng chính xác. Nhưng nếu chỉ nghiền thì vẫn có sự chênh lệch kích
thước, cần bổ sung thêm cơng đoạn rây để đảm bảo kích thước hạt đồng đều nhất có thế.
14