Nghiên cứu công nghệ chế biến rơm rạ để sản xuất cồn nhiên liệu

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------

TRỊNH HOÀI THANH

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN RƠM RẠ
ĐỂ SẢN XUẤT CỒN NHIÊN LIỆU

Chuyên ngành: Công nghệ hóa học
Mã số ngành : 2.10.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2007


ii

CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học :
TS. PHAN ĐÌNH TUẤN
Th.S HOÀNG MINH NAM
Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TSKH LÊ XUÂN HẢI
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. NGUYỄN KÍNH
Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày .. tháng .. naêm 2007

iii

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . . năm 2006
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: TRỊNH HOÀI THANH................................. Phái: NAM ................
Ngày, tháng, năm sinh: 28/05/1981 .......................................... Nơi sinh: TP.HCM ....
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC............................... MSHV: 00504125 .....
I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN RƠM RẠ ĐỂ SẢN
XUẤT CỒN NHIÊN LIỆU...........................................................................................
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: ..............................................................................
1. Nghiên cứu hiệu quả của quá trình xử lý hơi nước...............................................
2. Khảo sát quá trình thủy phân cellulose từ bã nổ hơi rơm rạ .................................
3. Khảo sát sơ bộ quá trình lên men cồn từ dịch thủy phân rơm rạ ..........................
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong Quyết định
giao đề tài): ...................................................................................................................
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:.................................................................
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):TS. Phan Đình Tuấn,
ThS. Hồng Minh Nam .................................................................................................
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔN

(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký)

QL CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua.
Ngày
TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH

tháng

năm

TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH


iv

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn Cha-Mẹ-gia đình tôi, Người đã
cho tôi cuộc sống, luôn động viên và giúp sức cho tôi hoàn thành công trình này.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Hoàng Minh Nam, thầy Phan Đình Tuấn đã tận
tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Lê Xuân Hải, người thầy đã tận tình truyền đạt
kiến thức cho tôi trong công việc tối ưu và qui hoạch thực nghiệm.
Tôi xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Thùy Dương và bộ môn Công nghệ sinh
học đã tạo điều kiện tôi làm việc tại phòng thí nghiệm BioLab3, Khoa Hóa,
Trường Đại học Bách khoa.

Tôi xin chân thành cảm ơn cô Hồ Huỳnh Thùy Dương và bạn Nguyễn Hoài Nghóa
đã tạo điều kiện cho tôi làm việc tại phòng thí nghiệm Sinh học phân tử, Khoa
Sinh, Trường đại học Khoa học tự nhiên.
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn q thầy cô ở Bộ Môn Máy Thiết Bị, Bộ Môn
Công Nghệ Sinh Học, Bộ Môn Công Nghệ Thực Phẩm, Phòng Đào Tạo Sau Đại
Học cùng bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn
thành luận văn này.
Và cuối cùng, tôi xin trân trọng cảm ơn những ý kiến đóng góp từ phía bạn đọc để
đề tài nghiên cứu này được hoàn thiện hơn.

Trịnh Hoaøi Thanh


v

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Hiện nay, Việt Nam là nước xuất khẩu gạo xuất khẩu lớn thứ hai của thế giới.
Sản lượng lúa gạo cao phục vụ trong nước và xuất khẩu đã dẫn đến hiện trạng
dư thừa một lượng lớn các phụ phẩm từ cây lúa như rơm, rạ, ...Để giải quyết vấn
đề này, mục tiêu của nghiên cứu này là nghiên cứu quá trình chuyển hóa rơm rạ
thành cồn nhiên liệu. Rơm rạ là phần còn lại của cây lúa sau khi tách các hạt
lúa. Ba thành phần chính của rơm rạ là cellulose, hemicellulose và lignin. Trong
đó, cellulose và hemicellulose là các mạch polysaccharide, là nguồn đường phục
vụ cho quá trình lên men.
Yếu tố chính trong quá trình chuyển hóa rơm rạ thành cồn là khả năng tấn công
vào các mạch polysaccharide. Luận văn này đề cập đến quá trình xử lý hơi nước
áp suất cao và giảm áp đột ngột (nổ hơi) để xử lý rơm rạ nhằm nâng cao khả
năng tấn công của tác nhân thủy phân vào cellulose. Các thông số ảnh hưởng
đến hiệu quả của quá trình xử lý này là nhiệt độ xử lý và thời gian xử lý. Đồng

thời, ảnh hưởng của chế độ xử lý đến tỷ lệ thu hồi bã cũng được khảo sát. Hiệu
quả của quá trình xử lý hơi nước được đánh giá dựa vào quá trình thủy phân
bằng acid và bằng enzyme lên rơm rạ sau xử lý. Theo chế độ xử lý nổ hơi thích
hợp xác định được, rơm rạ được thủy phân bằng enzyme Cellulosoft L của
NovoNordisk. Dung dịch đường sau khi thủy phân sẽ được lên men bằng nấm
men Saccharomyces cerevisiae.
Kết quả đạt được cho thấy rằng việc xử lý nổ hơi sẽ làm tăng cường khả năng
thủy phân rơm rạ. Cụ thể là xử lý nổ hơi làm tăng gấp đôi lượng đường thu được
khi thủy phân bằng acid và gấp 113 lần khi thủy phân bằng enzyme. Thí nghiệm


vi

cũng chỉ ra rằng chế độ nổ hơi thích hợp đối với rơm rạ là ở nhiệt độ 2000C và
thời gian là 7 phút. Rơm rạ sau nổ hơi được thủy phân bằng enzyme cho thấy
hàm lượng đường thu được lớn nhất là 48,78 g/l, và hiệu suất quá trình thủy phân
bằng enzyme đạt được tối đa là 64,60%. Chế độ thủy phân thích hợp là 15%
(w/v) rơm rạ và 5% (v/v) enzyme. Dung dịch đường sau khi thủy phân được đem
lên men. Kết quả lên men cho thấy hiệu suất của quá trình lên men khá cao, đạt
93%. Chế độ lên men thích hợp được xác định ở 15% giống và pH 4,50.


vii

ABSTRACT

Nowadays, Vietnam is the second-largest rice exporter in the world. The high
yield of rice lead to a large amount of residue from rice plant. To solve this
problem, the current research investigates the utilization of rice straw as a
feedstock to produce fuel ethanol. Rice straw is an agricultural byproduct, the

dry stalk of a rice plant, after the seed has been removed. The three main
chemical constituents are cellulose, hemicellulose, and lignin. Cellulose and
hemicellulose are polysaccharides of primarily fermentable sugars, glucose and
xylose.
The main issue in converting rice straw to fuel ethanol is the accessibility of the
polysaccharide for hydrolytic agent. This study addressed the use of steam
explosion as the pretreatment method in purpose of increasing cellulose
accessibility. The governing factors for the effectiveness of steam explosion are
steam temperature and retention times. Effect of steam explosion on fiber
recovery is also investigated. The efficiency of the process was measured
through the glucose yield of treated and untreated samples in acid hydrolysis and
enzymatic hydrolysis. After that, steam exploded rice straw was hydrolyzed with
enzyme Cellusoft L for optimum hydrolytic condition. Moreover, we also
investigated the fermentative conditions to optimize Saccharomyces cerevisiae
fermentation of hydrolyzed solution.
The results obtained from this study showed that steam explosion enhanced
attachment ability of hydrolytic agent, namely two-fold for acid and 113-fold for
enzyme. It also showed that the optimum condition for rice straw is at 2000C and


viii

7 minutes. Steam exploded rice straw was hydrolyzed by enzyme and the
maximum glucose concentrate was 48,78 g/l, and the maximum hydrolysis
productivity was 64,60%. The optimum condition for enzyme hydrolysis is at
15% rice straw and 5% enzyme. After that, hydrolysis liquid was fermented for
48 hours. The fermentation output was very high, about 93%. And an optimum
condition for fermentation is at 15% yeast and pH 4,50.

ix

MỤC LỤC

MỤC LỤC .............................................................................................................ix
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................ xiii
DANH MỤC BẢNG............................................................................................xvi
CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU .......................................................................................1

1.1.

RƠM RẠ LÚA GẠO Ở VIỆT NAM .......................................................2

1.2.

ƯU ĐIỂM VỀ MÔI TRƯỜNG CỦA CỒN NHIÊN LIỆU ......................4

1.3.

LÝ DO NGHIÊN CỨU NHIÊN LIỆU CỒN TỪ RƠM RẠ .....................5

1.4.

SƠ LƯC VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU VÀ MỤC TIÊU ........................8

CHƯƠNG 2
2.1.

NHIÊN LIỆU CỒN ..................................................................................9

2.1.1
2.2.

TỔNG QUAN TÀI LIỆU ..............................................................9

Hiệu quả của cồn nhiên liệu so với xăng dầu ..................................9

RƠM RẠ VÀ THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA RƠM RẠ ..................10

2.2.1

Kết cấu thành tế bào.......................................................................10

2.2.2

Cấu trúc thành tế bào......................................................................16

2.3.

CÁC PHƯƠNG PHÁP TIỀN XỬ LÝ RƠM RẠ....................................18

2.3.1

Thủy phân bằng acid.......................................................................19

2.3.2

Xử lý hơi nước áp suất cao và giáng áp đột ngột (Steam Explosion)

.........................................................................................................24


x

2.4.

QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN BẰNG ENZYME .....................................33

2.4.1

Cơ chế thủy phân enzyme ..............................................................35

2.4.2

So sánh quá trình thủy phân enzyme và thủy phân acid ................36

2.5.

QUÁ TRÌNH LÊN MEN........................................................................37

2.5.1

Nấm men (Yeast)............................................................................37

2.5.2

Escherichia coli KO11 ....................................................................39

2.5.3

Quá trình đường hóa và lên men đồng thời (SSF)..........................40

2.6.

NHẬN XÉT............................................................................................41

CHƯƠNG 3

NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..............42

3.1.

NGUYÊN LIỆU .....................................................................................42

3.2.

PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA

NGUYÊN LIỆU ................................................................................................44
3.2.1

Phân tích độ ẩm ban đầu của rơm rạ ..............................................44

3.2.2

Xác định hàm lượng lignin..............................................................44

3.2.3

Đo hàm lượng cellulose sau khi phân hủy lignin............................45

3.2.4

Phân tích lượng bã không tan trong acid và lượng tro ....................46

3.3.

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BẰNG HƠI NƯỚC ÁP SUẤT

CAO VÀ GIẢM ÁP ĐỘT NGỘT .....................................................................47
3.3.1

Hoạch định thí nghiệm ....................................................................47

3.3.2

Tiến hành thí nghiệm ......................................................................49


xi

3.3.3

Phân tích thành phần của vật liệu (rơm rạ) sau xử lý bằng hơi nước

áp suất cao.....................................................................................................51
3.4.

PHƯƠNG

PHÁP

SỬ

DỤNG

ENZYME

ĐỂ

THỦY

PHÂN

CELLULOSE....................................................................................................52
3.4.1

Hoạch định thí nghiệm ....................................................................52

3.4.2

Phân tích nồng độ đường trong dịch thủy phân ..............................53

3.4.3

Thí nghiệm thủy phân .....................................................................53

3.5.

QUÁ TRÌNH LÊN MEN........................................................................55

3.5.1

Chủng vi sinh vật và chuẩn bị môi trường......................................55

3.5.2

Phương pháp phân tích dịch lên men ..............................................55

3.5.3

Đường cong sinh trưởng của nấm men ...........................................57

3.5.4

Những thí nghiệm lên men sơ bộ ....................................................57

CHƯƠNG 4

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN........................................................59

4.1.

NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN NGUYÊN LIỆU .................................59

4.2.

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH XỬ LÝ HƠI NƯỚC ÁP SUẤT CAO.....60

4.2.1

Tỷ lệ bã thu hồi (Fiber Recovery, FR) ...........................................60

4.2.2

Hàm lượng đường có khả năng lên men trong các mẫu rơm rạ sau

khi xử lý.........................................................................................................62
4.2.3

Ảnh hưởng của quá trình xử lý hơi nước đến khả năng thủy phân

rơm rạ thành đường. ......................................................................................65
4.3.

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN BẰNG ENZYME ...........70

4.3.1

Khảo sát thời gian thủy phân thích hợp ..........................................70


xii

4.3.2

Khảo sát khả năng thủy phân rơm rạ .............................................71

4.3.3

Nghiên cứu bề mặt đáp ứng............................................................72

4.4.

NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG LÊN MEN CỒN TỪ

DUNG DỊCH ĐƯỜNG THU ĐƯC KHI THỦY PHÂN RƠM RẠ ................76
4.4.1

Đường cong sinh trưởng của nấm men ...........................................76

4.4.2

Khảo sát khả năng lên men cồn từ dịch thủy phân rơm rạ .............77

CHƯƠNG 5

KẾT LUẬN .................................................................................82

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................84
PHỤ LỤC A XÂY DỰNG ĐƯỜNG CHUẨN CỦA ĐƯỜNG.............................96
PHỤ LỤC B TÍNH TOÁN PHƯƠNG TRÌNH HỒI QUY...................................98
B.1. Tính toán mô hình ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian xử lý đến hiệu
quả nổ hơi (xử lý hơi nước áp suất cao và giáng áp đột ngột) .........................98
B.2. Tính toán mô hình của quá trình thủy phân enzyme ................................99
B.3. Tính toán mô hình của quá trình lên men ...............................................100
PHỤ LỤC C CÁC CÔNG THỨC TÍNH TOÁN ................................................102
C.1. Tính toán quá trình xử lý hơi nước áp suất cao (nổ hơi – steam explosion)
........................................................................................................................102

C.2. Tính toán quá trình thủy phân bằng enzyme ..........................................102
C.3. Tính toán quá trình lên men cồn .............................................................103
PHỤ LỤC D CÁC HÌNH ẢNH TRONG THÍ NGHIỆM ...................................104


xiii

DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 Cấu trúc cellulose, và liên kết β (1 → 4) glucosidic [90]. .................12
Hình 2.2

Liên kết hrô giữa các mặt (màu xanh dương), nội phân tử (màu

đỏ) và ngoại phân tử (màu xanh lá) trong cấu trúc của cellulose [45]. .......12
Hình 2.3 Các thành phần trong vi sợi. C là vùng kết tinh, A là vùng vô định
hình [27]........................................................................................................13
Hình 2.4

Một phần cấu trúc của O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan trong

gỗ [40]. .........................................................................................................14
Hình 2.5 Cấu tạo của lignin trong gỗ cứng và gỗ mềm [78].............................15
Hình 2.6

Phân bố cellulose, hemicellulose, và lignin trong thành tế bào gỗ

điển hình [72]................................................................................................17
Hình 2.7 Cơ chế chính của quá trình thủy phân bằng acid [40]........................23
Hình 2.8

Ảnh chụp SEM của rơm lúa mì sau khi xử lý hơi nước a) 2100C, 2

phút, b) 2350C, 2 phút [41]. ..........................................................................32
Hình 2.9 Mô tả cơ chế quá trình thủy phân tự nhiên của các enzyme. ............35
Hình 2.10

Hình chụp của nấm men [44]..........................................................38

Hình 3.1 Sơ đồ quy trình làm thí nghiệm tổng quát. .........................................43
Hình 3.2 Bể nhúng nước muối (trái) và thiết bị phản ứng (phải). ....................49
Hình 3.3 Sơ đồ phân tích quá trình nổ hơi.........................................................50
Hình 3.4

Thiết bị phân tích Elisa Reader (Multiskan Ascent Reader -

Thermo Electron Corporation). ....................................................................51


xiv

Hình 3.5 Sơ đồ phân tích quá trình thủy phân bằng enzyme. ...........................54
Hình 3.6 Sơ đồ phân tích quá trình lên men......................................................58
Hình 4.1 Đồ thị mô tả ảnh hưởng của thời gian xử lý đến % bã thu hồi ..........60
Hình 4.2 Đồ thị mô tả ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đến % bã thu hồi ...........61
Hình 4.3

Đồ thị mô tả ảnh hưởng của thời gian xử lý đến lượng đường có khả

năng lên men. ...............................................................................................64
Hình 4.4

Đồ thị mô tả ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đến lượng đường có khả

năng lên men. ...............................................................................................64
Hình 4.5

Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý và thời gian lưu đến lượng

đường có khả năng lên men. ........................................................................66
Hình 4.6

Đồ thị so sánh khả năng thủy phân acid của rơm chưa nổ hơi và

rơm đã nổ hơi................................................................................................68
Hình 4.7

Đồ thị so sánh khả năng thủy phân enzyme của rơm chưa nổ hơi và

rơm đã nổ hơi................................................................................................68
Hình 4.8 Đồ thị khảo sát thời gian thủy phân. ..................................................70
Hình 4.9 Đồ thị ln(%cellulose còn lại) theo thời gian thủy phân của enzyme. 71
Hình 4.10

Bề mặt đáp ứng của hiệu suất cellulose chuyển hóa. ....................74

Hình 4.11

Đồ thị mô tả sự phụ thuộc của giá trị hàm mục tiêu đến tỷ lệ rơm

rạ và tỷ lệ enzyme........................................................................................75

Hình 4.12

Đường cong sinh trưởng của nấm men theo OD620.........................76

Hình 4.13

Đường cong sinh trưởng của nấm men theo mật độ tế bào. ...........77

Hình 4.14

Động học quá trình lên men. ..........................................................79


xv

Hình 4.15

Đồ thị mô tả sự phụ thuộc của nồng độ cồn theo pH và tỷ lệ giống..
.........................................................................................................80

Hình A.1

Đường chuẩn của đường đo bằng phương pháp Antron..................97

Hình D1. Rơm rạ trước nổ hơi (trái) và sau nổ hơi (phải). ................................104
Hình D2. Rơm rạ thủy phân bằng acid. .............................................................104
Hình D3. Mẫu sau khi thủy phân acid được giữ lại để phân tích hàm lượng
đường. .........................................................................................................105
Hình D4. Dung dịch anthrone được aliquote sang các eppendof ......................105
Hình D5. Sử dụng pipet nhiều kênh để chuyển dung dịch hiện màu sang đóa đo.

....................................................................................................................106
Hình D6. Bể ổn nhiệt lắc ngang để ổn định nhiệt độ thủy phân.......................106
Hình D7. Dịch đo hàm lượng đường glucose hiện màu khi sử dụng thuốc thử
GOD............................................................................................................107
Hình D8. Hình chụp tế bào nấm men dưới kính hiển vi phòng thí nghiệm ......107
Hình D9. Khảo sát động học quá trình lên men ................................................108
Hình D10. Dịch thủy phân rơm rạ được lên men trong các chai nước biển. .....108


xvi

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1

Diện tích, năng suất và sản lượng lúa ở Việt Nam từ 1860 đến 2000
...........................................................................................................3

Bảng 2.1

So sánh thủy phân enzyme và thủy phân acid đối với vật liệu

cellulose [77]. ...............................................................................................36
Bảng 2.2

Đặc tính sinh hóa của nấm men sử dụng trong sản xuất bia [44]...38

Bảng 3.1

Ma trận hoạch định thí nghiệm nổ hơi [4][93]................................48

Bảng 3.2

Ma trận hoạch định thí nghiệm thủy phân [4][93]..........................53

Bảng 4.1

Tóm tắt thành phần nguyên liệu ban đầu.......................................59

Bảng 4.2

Phần trăm bã thu hồi trong các thí nghiệm.....................................62

Bảng 4.3

Tổng kết về thành phần của rơm rạ trong các thí nghiệm. ............63

Bảng 4.4

So sánh bã chưa nổ hơi và đã nổ hơi khi thủy phân bằng acid.......67

Bảng 4.5

So sánh bã chưa nổ hơi và đã nổ hơi khi thủy phân bằng enzyme.69

Bảng 4.6

So sánh thành phần các chất trong rơm rạ trước và sau khi nổ hơi. ...
.........................................................................................................69

Bảng 4.7

Ma trận bề mặt đáp ứng của quá trình thủy phân. .........................72

Bảng 4.8

Thí nghiệm khảo sát động học quá trình lên men cồn. ..................78

Bảng 4.9

Thí nghiệm khảo sát quá trình lên men cồn. ..................................79

Bảng B.1.

Hệ số của phương trình hồi quy mô tả ảnh hưởng của các yếu tố lên

quá trình xử lý hơi nước................................................................................99


xvii

Bảng B.2

Các hệ số của phương trình hồi quy cho thấy ảnh hưởng của các

yếu tố lên thành %cellulose chuyển hóa. ....................................................99
Bảng B.3

Các hệ số của phương trình hàm mục tiêu. ..................................100

Bảng B.4

Các hệ số của phương trình hồi quy cho thấy ảnh hưởng của các

yếu tố lên hiệu suất lên men cồn. ..............................................................100


1

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

Vào năm 1973, OPEC ra lệnh cấm vận dầu, làm giá dầu tăng lên 70%. Cuộc
khủng hoảng về dầu mỏ ngày càng trầm trọng. Vì vậy mà ý tưởng sử dụng các
sản phẩm khác thay thế từ nguồn sinh khối (biomass) để làm giảm bớt sự phụ
thuộc vào nguồn dầu hoả đã ra đời. Con đường này có thuận lợi là sử dụng
nguồn nguyên liệu có thể tái sinh như: chất thải từ các sản phẩm nông nghiệp và
lâm nghiệp. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm tìm ra giải pháp có tính
kinh tế cho việc sản xuất các chất như polyme, hoá chất và nhiên liệu. Về mặt
nhiên liệu, nhiều nghiên cứu tập trung vào hướng sản xuất ethanol làm phụ gia
pha xăng và làm nhiên liệu động cơ. Theo hướng này, nhiều công trình nghiên
cứu cho thấy sản phẩm cồn sinh học (bioethanol) có thể dùng làm nhiên liệu
trong tương lai gần. Tuy nhiên giá thành sản xuất từ chất thải còn cao, đặc biệt
là từ các chất thải xenllulo [10][90].
Hai thập niên vừa qua, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế thế giới
thì nhu cầu sử dụng dầu mỏ trở nên mạnh mẽ chưa từng có. Ở Brasil, mặc dù sản
lượng dầu thô của nước này lên đến 1,6 triệu thùng/ngày nhưng nước này vẫn
phải nhập khẩu 240.000 thùng/ngày, tương đương với 10% nhu cầu xăng dùng
trong nước. Ở Ấn Độ, nhu cầu về dầu mỏ tăng thêm 10% mỗi năm. Trong báo
cáo Triển vọng Năng lượng Thế giới 2005, Cơ quan Năng lượng quốc tế

(International Energy Agency - IEA) cho biết nhu cầu dầu mỏ trên thế toàn cầu
sẽ tăng 50% vào năm 2030, cao hơn 5,5 tỷ tấn so với mức tiêu thụ hiện nay. IEA
cũng dự báo giá dầu sẽ tăng nếu công suất sản xuất và đầu tư vào các cơ sở khai
thác và lọc dầu không tăng đáng kể. Giá nhập khẩu dầu thô trung bình do IEA


2

đưa ra là 36,33 đô-la/thùng vào năm 2004 đã tăng lên 65 đô-la/thùng vào tháng
9 năm 2005. Dự kiến giá dầu sẽ còn tăng khoảng 35 đô-la vào năm 2010. Điều
này làm cho nền kinh tế toàn cầu cân bằng một cách mong manh [9][11].
Đứng trước tình hình này, trong lúc nhân loại chưa có một thứ nhiên liệu nào
thay thế được xăng dầu mang tính thương mại, các nước đã sử dụng nhiều biện
pháp khác nhau, trong đó có rất nhiều nước có ngành công nghiệp phát triển sử
dụng nhiên liệu sinh học thay thế một phần cho xăng dầu trong giao thông vận
tải và được xem là một trong những biện pháp mang tính chiến lược vì vừa giảm
thiểu được tác động tiêu cực của giá xăng dầu tăng cao, vừa góp phần đẩy mạnh
sản xuất nông nghiệp, xoá đói giảm nghèo cho nông dân. Hiện nay, để đáp ứng
được những nhu cầu này thì cồn sinh học (bioethanol) quả thật là một nhu cầu
cấp bách cho thế giới và Brasil là nước dẫn đầu thế giới trong lónh vực này.

1.1. RƠM RẠ LÚA GẠO Ở VIỆT NAM
Việt Nam là một nước nông nghiệp, và cây lúa có vị thế lớn trong cơ cấu nông
nghiệp ở Việt Nam. Cây lúa có thể xuất hiện ở Việt Nam từ 10000 đến 80000
năm trước công nguyên, có trước nền văn hóa Hòa Bình và Sơn Vi. Khoảng 80%
dân số sống bằng nghề nông nghiệp (gồm có lúa gạo, bắp, cây có củ và rể, hoa
màu, cây ăn trái...). Hiện nay, Việt Nam là một trong những nước có sản lượng
gạo xuất khẩu lớn của thế giới và mang lại lợi nhuận cho đất nước hơn 1 tỷ USD
mỗi năm [3].
Cho đến nay, ở nước ta có khoảng 33 triệu hecta đất đai, trong đó có 7,6 triệu

hecta đất canh tác với hoa màu hàng niên và đa niên; 323000 hecta là đồng cỏ
và 9,7 triệu hecta rừng (FAQ, 1989).


3

Bảng 1.1

Diện tích, năng suất và sản lượng lúa ở Việt Nam từ 1860 đến 2000

Năm

1860-1870

1912

1927

1942

1955

1970

1999

2000

Diện tích

600-700*

2350**

4373

4917

4420

4724

6027

7648

1,2*

1,22

1,20

1,43

2,15

3,2

4,1

5322

5917

6362

(ngàn ha)
Năng suất
(tấn/ha)
Sản lượng

10173 19225 31393

(ngàn tấn)
Nguồn: FAQ 2000
* Carle, 1918 và Dumont 1995
** Đông Dương = 3050000 ha (Viện nông nghiệp Quốc tế 1912);
Campuchia và Lào = 800000 ha (ước tính).
Đến năm 2004, nước ta đã xuất khẩu được 4,062 triệu tấn gạo, đạt kim ngạch
859 triệu USD. Năm 2005, sản lượng xuất khẩu vào khoảng 4,4 triệu tấn, đạt
kim ngạch 1,1 tỉ USD, tăng trên 42% về sản lượng và 72% về giá trị so với năm
2004 [3].
Sản lượng lúa cao phục vụ trong nước và xuất khẩu đã dẫn đến hiện trạng dư
thừa một lượng lớn các phần thừa của lúa như rơm, rạ, ...Tuy nhiên, hầu hết rơm
rạ được đốt bỏ hoặc di dời đi sau khi thu hoạch để chuẩn bị cho vụ mùa kế tiếp
theo thói quen của nhà nông. Rơm rạ lúa gạo này không thể được sử dụng được
hoặc đưa trực tiếp vào đất do tỷ lệ C/N cao. Chúng sẽ sản sinh các chất độc cho
cây trong quá trình phân hủy [5].
Hiện nay Việt Nam đã có bắt đầu có những nghiên cứu để tái sử dụng các sản
phẩm dư thừa này như: sản xuất than hoạt tính từ vỏ trấu, sử dụng rơm rạ để sản

xuất nấm, sản xuất phân hữu cơ, chạy máy phát điện, ... Điển hình là nghiên cứu
của anh Võ Văn Long, Trung tâm nghiên cứu Khoa học và Công nghệ tỉnh Vónh


4

Long đã nghiên cứu ứng dụng rơm rạ trong việc sản xuất nấm bào ngư đã được
ứng dụng và chuyển giao cho nông dân [12]. Tuy nhiên vẫn chưa giải quyết
được tình trạng dư thừa các phụ phẩm nông nghiệp này.
Bên cạnh đó, rơm rạ có nguồn cellulose và hemicellulose cao có thể dùng để lên
men cồn. Việc sản xuất cồn từ nguồn phụ phẩm này sẽ giúp giải quyết phần nào
sự dư thừa các phụ phẩm từ cây lúa, cải thiện vấn đề môi trường. Không những
vậy, việc sử dụng cồn nhiên liệu còn giúp làm giảm lượng cacbon monoxide
(CO) thải ra môi trường của các loại xe cộ.

1.2. ƯU ĐIỂM VỀ MÔI TRƯỜNG CỦA CỒN NHIÊN LIỆU
Cồn được xem là một loại nhiên liệu có chứa oxy bởi vì nó có hàm lượng oxy
cao. Quá trình đốt cháy không hoàn toàn các sản phẩm xăng dầu làm sản sinh ra
carbon monoxide (CO), hrôcacbon và các thành phần khác. Việc thêm cồn
hoặc các nhiên liệu oxy hóa vào xăng dầu làm giảm hàm lượng CO thông qua
việc cung cấp nhiều oxy và kích thích quá trình cháy hoàn toàn. Theo nghiên
cứu của Whitten và cộng sự (1997) cho thấy lượng CO giảm 14% (±4% với độ
tin cậy 95%) khi sử dụng nhiên liệu chứa oxy trong mùa đông [92].
Hàm lượng CO sản sinh sẽ gây ảnh hưởng đến sức khỏe. Nghiên cứu cho thấy
hàm lượng CO trong khí quyển cao nhất vào mùa đông. Đặc biệt là ở khu dân
cư, nơi có lượng xe lưu thông nhiều. Vào năm 1988, với nỗ lực giảm lượng CO
trong khí quyển, Colorado ban hành lệnh sử dụng nhiên liệu có chứa oxy vào
mùa đông. Năm 1990, hoạt động làm sạch không khí được bổ sung, ra lệnh sử
dụng nhiên liệu có oxy ở 39 vùng vào mùa đông, và sử dụng cả năm ở 9 vùng.
Mục đích của bộ luật này nhằm giảm lượng CO ở các vùng này xuống mức CO

5

theo tiêu chuẩn của cơ quan bảo vệ môi trường (Environmental Protection
Agency - EPA) [90].
Quá trình đốt cháy nhiên liệu có oxy tạo ra sản phẩm cuối cùng là carbon
dioxide (CO2) thay vì CO. Ích lợi của việc này không chỉ ở chỗ làm giảm nồng
độ CO và giảm nguy cơ nguy hiểm cho sức khỏe, mà còn góp phần tạo CO2 để
tái sinh cacbon trong khí quyển. Cây cối và nhiều loài vi sinh vật sẽ sử dụng
(đồng hóa) CO2 trong không khí làm nguồn cácbon.
Đứng ở góc độ môi trường và vấn đề giảm lượng dầu thô, các ngành công
nghiệp đã chuyển sang sử dụng cồn nhiên liệu nhiều hơn. Các hãng sản xuất xe
hơi như Ford, Honda, Chrysler bắt đầu sản xuất giới một lượng nhỏ xe hơi sử
dụng xăng E85 (85% cồn với 15% xăng dầu) và E95 (95% cồn với 5% xăng dầu)
[13][14]. Những công ty xăng dầu lớn như Amoco cũng đã tiến hành các dự án
về sản xuất cồn từ biomass [21].
Hiện nay, ở Mỹ có khoảng 90% cồn được sản xuất từ bắp. Tuy nhiên, nhiều
nghiên cứu đã và đang nghiên cứu trên những nguồn biomass khác nhau như là
rơm rạ và vải gin cotton phế thải [90].

1.3. LÝ DO NGHIÊN CỨU NHIÊN LIỆU CỒN TỪ RƠM RẠ
Ở Việt Nam hiện nay, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành theo hướng tận dụng
những phụ phẩm và chất thải của sản xuất nông nghiệp làm thức ăn gia súc,
trồng nấm, làm vật liệu, nhiên liệu,vv… Một số đề tài nghiên cứu đã được triển
khai nhằm giúp nông dân trồng nấm rơm, ủ thức ăn cho gia súc, sản xuất biogas.
Những nghiên cứu mới đây cho thấy khả năng nuôi trùng đất để phân hủy chất
thải và tạo sinh khối làm thức ăn cho cá, vv… Tuy nhiên những nghiên cứu này

6

vẫn còn đang trên bước đường hoàn thiện, chưa trở thành công cụ giúp nhà nông
đẩy mạnh sản xuất và tăng thêm thu nhập một cách có hệ thống [3].
Một đề tài đang được trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh phối hợp với
hai trường ĐH Tokyo và Toyohashi của Nhật Bản để thực hiện chương trình
Biomass ở TP. Hồ Chí Minh. Chương trình này bao gồm 3 nội dung: Xây dựng cơ
sở dữ liệu về việc sản xuất và sử dụng Biomass tại xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi,
cơ sở dữ liệu này sẽ phục vụ cho việc thiết kế một mô hình mới là “Biomass
Town”. Nghiên cứu công nghệ thủy nhiệt để xử lý phế liệu rơm rạ-trấu phục vụ
cho việc lên men sản xuất ethanol. Và sau cùng là nghiên cứu công nghệ xử lý
khí H2S trong bio-gas [1].
Nhằm mục đích xây dựng quy trình sản xuất cồn nhiên liệu từ rơm rạ ở Việt
Nam, cần phải có một loạt các nghiên cứu được thực hiện từ quy mô phòng thí
nghiệm cho đến quy mô công nghiệp. Mục đích chung của các nghiên cứu này
nhằm chỉ ra:
1) Thành phần của nguyên liệu (rơm rạ) đủ cao để lên men đường.
2) Khả năng lên men đường.
3) Tăng khả năng lên men cồn bằng cách tối ưu các thông số trong các khâu của
quá trình sản xuất (xử lý nguyên liệu, thủy phân, lên men, ...).
Thành phần của nguyên liệu có ý nghóa quyết định đến khả năng lên men của
biomass. Hàm lượng đường có khả năng lên men cao là điều đáng mong đợi.
Các sản phẩm nông nghiệp thường có hàm lượng các chất vô cơ cao nên làm
giảm sản lượng cồn sản xuất được. Lignin, một loại polymer non-cacbonhrat
liên kết với các phần tử đường có thể cản trở quá trình lên men.


7

Hầu hết các biomass đều không thể lên men được nếu không được xử lý để tăng

khả năng tiếp xúc với đường, bởi vì đường lên men nằm ở dạng cao phân tử
(polysaccharides). Các polysaccharides này là các liên kết trong thành tế bào
thực vật nhờ tương tác giữa chúng và nhiều chất không-hrocacbon khác. Tóm
lại, quá trình xử lý nhằm phá vỡ các polysaccharide thành các đường đơn
(monosacharide), loại đường mà sinh vật có thể lên men được. Cho tới hiện nay,
quá trình thu hồi các monosaccharide bao gồm 2 bước: bước 1 nhằm phá vỡ cấu
trúc thành tế bào của biomass, và bước 2 là depolyme hóa các polysaccharide.
Nhiều phương pháp đã được nghiên cứu để sử dụng các loại biomass khác nhau
nhưng vượt trội hơn hẳn là thủy phân bằng acid và xử lý nổ hơi/thủy phân
enzyme [90].
Một vấn đề quan trọng trong việc xây dựng quy trình sản xuất cồn nhiên liệu từ
rơm rạ là lượng đường cao phục vụ cho quá trình chuyển hóa cồn. Nhiều nghiên
cứu trong lónh vực này liên quan đến việc tối ưu các thông số của quá trình lên
men như là quá trình lên men tự nhiên và điều kiện lên men. Trong quá trình lên
men cổ điển thì nấm men được dùng để lên men. Tuy nhiên, một trong những
bất lợi lớn nhất của nấm men là sự thụ động của nó với đường 5. Mặc dù đường
5 chiếm thành phần không lớn trong các loại đường có trong biomass, nhưng sự
giới hạn của nấm men làm lãng phí đường. Với kỹ thuật gen đã tạo ra những
sinh vật mới có tốc độ phát triển nhanh và hiệu quả lên men cồn cao
[22][52][58].
Những nghiên cứu rộng hơn nhằm chỉ ra rằng toàn bộ quá trình sản xuất cồn
nhiên liệu từ rơm rạ là có thể về quy mô của quá trình xử lý và lên men và
lượng cồn thu hồi. Phạm vi nghiên cứu này được giới hạn ở quy mô phòng thí


8

nghiệm với ba điểm chính: thành phần nguyên liệu, khả năng tấn công vào
đường và lượng đường lớn nhất chuyển hóa được thành cồn.

1.4. SƠ LƯC VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU VÀ MỤC TIÊU
Như đã nêu ra ở các phần trước, mục tiêu chính của đề tài này là nghiên cứu quá
trình xử lý rơm rạ ở quy mô phòng thí nghiệm để sản xuất cồn nhiên liệu. Thành
phần rơm rạ, quá trình xử lý biomass và lên men được quan tâm, đặc biệt là hiệu
quả của quá trình xử lý đối với việc sản xuất cồn.
Các mục tiêu được đề ra:
- Chỉ ra thành phần các chất có trong nguyên liệu thô và rơm rạ sau quá trình xử
lý bằng hơi nước áp suất cao và giáng áp đột ngột.
- Nghiên cứu hiệu quả của quá trình xử lý hơi nước đối với khả năng thủy phân
cellulose, lên men cồn.
- Thủy phân các polysaccharide bằng acid/enzyme.
- Lên men dung dịch đường để tạo ra cồn bằng Saccharomyces cerevisiae.