Nghiên cứu các điều kiện thủy phân rong lục bằng chế phẩm enzym ứng dụng trong sản xuất cồn nhiên liệu

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

LA THỊ AN

NGHIÊN CỨU CÁC ĐIỀU KIỆN THỦY PHÂN RONG LỤC BẰNG CHẾ
PHẨM ENZYM ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT CỒN NHIÊN LIỆU

Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ SINH HỌC
Mã đề tài: 10BCNSH-NT13

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. Lê Như Hậu
2. Nguyễn Thanh Hằng
Hà Nội - Năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------LA THỊ AN

NGHIÊN CỨU CÁC ĐIỀU KIỆN THỦY PHÂN RONG LỤC BẰNG CHẾ
PHẨM ENZYM ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT CỒN NHIÊN LIỆU

Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
Mã đề tài: 2012BCNTP1 – KT1

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS Nguyễn Thanh Hằng

Hà Nội - Năm 2014


LỜI CAM ĐOAN
Học viên: La Thị An
Nơi đào tạo: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm
Người hướng dẫn : PGS. TS Nguyễn Thanh Hằng
Tên luận văn: Nghiên cứu các điều kiện thủy phân rong lục bằng chế phẩm
enzym ứng dụng trong sản xuất cồn nhiên liệu.
Nội dung cam đoan:
Tôi xin cam đoan, trong suốt quá trình nghiên cứu luận văn thạc sĩ,
dưới sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của giáo viên hướng dẫn. Tơi đã tiến
hành nghiên cứu luận văn một cách trung thực, tồn bộ nội dung trong báo
cáo luận văn được tơi trực tiếp thực hiện. Tất cả các nghiên cứu không sao
chép từ các báo cáo khoa học, luận văn tiến sĩ, thạc sĩ hay sách của bất cứ tác
giả nào.
Xác nhận của giáo viên hướng dẫn
Hướng dẫn

Học viên

PGS TS. Nguyễn Thanh Hằng

La Thị An

i


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thanh Hằng đã tận tình trực tiếp
hướng dẫn và giúp đỡ tơi trong suốt q trình thực hiện đề tài.
Tơi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo trong viện công nghệ sinh học và
công nghệ thực phẩm – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã luôn tạo điều
kiện giúp đỡ tơi trong suốt khóa học cũng như trong thời gian tôi thực hiện đề
tài này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện
cho tôi được học tập và nghiên cứu trong suốt q trình học.
Cuối cùng, tơi muốn bày tỏ lịng cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động
viên, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn.

Học viên

LA THỊ AN

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... II
MỤC LỤC ............................................................................................................... III
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. V
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ......................................................... VI

MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN .....................................................................................3
1.1 Sự phát triển ethanol từ nguyên liệu rong biển .................................................3
1.1.1 Tình hình nghiên cứu và sản xuất ethanol từ rong biển ...........................3
1.1.2. Triển vọng về phát triển nhiên liệu sinh học ở Việt Nam .......................5
Tình hình nghiên cứu trong nước:...........................................................................6
1.2. Nguyên liệu sản xuất ethanol từ rong biển......................................................8
1.2.1 Thành phần hóa học của các loại rong biển .............................................8
1.2.2. Tiềm năng từ nguồn nguyên liệu rong biển ............................................9
1.3. Công nghệ sản xuất ethanol từ rong biển .......................................................11
1.3.1 Sơ đồ sản xuất ethanol từ rong biển .......................................................11
1.3.2 Quá trình tiền xử lý ................................................................................12
1.3.3 Quá trình thủy phân rong biển ...............................................................12
1.3.4 Quá trình lên men dịch thủy phân rong biển..........................................19
CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................20
2.1. Vật liệu ...........................................................................................................20
2.1.1. Rong Chaetomorpha sp., Ngành Chlorophyta, Lớp Ulvophyceae,
Bộ Cladophorales, Họ Cladophoraceae. .........................................................20
2.1.2. Enzym ...................................................................................................20
2.2. Thiết bị sử dụng trong nghiên cứu .................................................................20
2.3. Phương pháp phân tích ...................................................................................21
2.3.1. Xác định độ ẩm .....................................................................................21
2.3.2. Xác định tro (khoáng) ...........................................................................21

iii


2.3.3. Xác định hàm lượng nitơ và protein .....................................................21
2.3.4. Xác định hàm lượng lipid......................................................................21
2.3.5. Xác định hàm lượng carbohydrat tổng số của sản phẩm sau thủy

phân .................................................................................................................21
2.3.6 Xây dựng đường chuẩn cho phương pháp phân tích Dubois. ................23
2.4. Phương pháp nghiên cứu................................................................................24
2.4.1. Xử lý sơ bộ ............................................................................................24
2.4.2. Tiền xử lý ..............................................................................................24
2.4.3. Thủy phân enzyme ................................................................................25
2.5. Phương pháp toán học ....................................................................................26
2.6. Thống kê số liệu .............................................................................................27
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ..........................................................28
3.1. Thành phần hóa học của rong Chaetomorpha sp. ..........................................28
3.2 Khảo sát khả năng thủy phân rong lục bằng các enzyme Cellulase và
enzyme Viscozyme .........................................................................................28
3.3 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ enzym đến quá trình thủy phân rong lục
bởi enzyme Viscozyme L................................................................................29
3.4 Khảo sát ảnh hưởng thời gian đến quá trình thủy phân ..................................30
3.5 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đến quá trình thủy phân rong lục .....................31
3.6 Khảo sát ảnh hưởng pH đến quá trình thủy phân rong lục .............................32
3.6 Tối ưu hóa điều kiện thủy phân rong Chaetomorpha sp. để thu nhận
dịch thủy phân có hàm lượng đường cao ........................................................33
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................40
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................41
PHỤ LỤC .................................................................................................................46

iv


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Các công ty đang tham gia sản xuất nhiên liệu sinh học từ rong biển .......4
Bảng 1.2 : Diện tích ni và sản lượng rong biển tại thời điểm khảo sát (2009) và dự kiến
đến năm 2015 ...............................................................................................................7

Bảng 1.3: Thành phần hóa học của các loại rong biển [24] ........................................8
Bảng 1.4: So sánh năng suất nuôi trồng của các nguồn sinh khối ............................10
Bảng 1.5 Thành phần hóa học rong biển và đường tạo thành bởi thủy phân của các
loài rong biển.............................................................................................................13
Bảng 1.6: Bảng các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân bằng acid ...............17
Bảng 1.7: Bảng các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân bằng enzyme .........18
Bảng 2.1: Các mức nồng độ đường glucose pha loãng và giá trị OD tương ứng đo
tại bước sóng 490 nm ................................................................................................23
Bảng 3.1: Thành phần hóa học rong Chaetomorpha sp. ...........................................28
Bảng 3.2: Kết quả thủy phân rong Lục của hai loại enzyme Viscozyme L và
Cellulase ....................................................................................................................29
Bảng 3.7: Ma trận thực nghiệm.................................................................................35
Bảng 3.8: Kết quả mơ hình hồi quy tuyến tính trên excel ........................................35
Bảng 3.9: Kết quả tính bước chuyển động (∆j) của các yếu tố .................................36
Bảng 3.10: Tối ưu hóa điều kiện thủy phân rong theo Box-wilson ..........................37

v


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Sơ đồ sản xuất ethanol từ rong biển ...........................................................11
Hình 2.1: Lập biểu đồ đường chuẩn từ các kết quả đo được của mẫu chuẩn ...........23
Hình 2.2: Phổ màu của dịch đường chuẩn và các mẫu thí nghiệm xác định theo
phương pháp Dubois .................................................................................................24
Hình 2.3: Sơ đồ xử lý và thủy phân rong biển ..........................................................26
Hình 3.1 Ảnh hưởng nồng độ enzym đến quá trình thủy phân .................................30
Hình 3.2 Ảnh hưởng thời gian đến quá trình thủy phân ...........................................31
Hình 3.3: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thuỷ phân .....................................32
Hình 3.4: Ảnh hưởng của pH đến quá trình thuỷ phân .............................................33
Hình 3.5: Sơ đồ xử lý và thủy phân rong biển ..........................................................39

vi


MỞ ĐẦU

Nước ta nằm ở vùng nhiệt đới gió mùa Đông Nam châu Á với hệ thống sông
suối dày đặc cùng với trên 3260 km bờ biển, 3000 đảo và quần đảo và hệ sinh thái
điển hình trong vùng nước thềm lục địa rộng lớn như các rạn san hô, rừng ngập
mặn, chuỗi đầm phá ven biển, các hệ cửa sông,... chúng là nơi sinh sống và phát
triển của hàng vạn các lồi thủy sinh vật. Trong đó, rong tảo biển là đối tượng đang
được thế giới quan tâm trong lĩnh vực sản xuất nhiên liệu sinh học nhằm thay thế
cho nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt. Rong tảo biển có chứa các thành phần
hóa học quan trọng như: chất khống vơ cơ, lipid, protein, carbonhydrate,.., đồng
thời đa dạng về chủng loại, phong phú về sản lượng, khả năng sinh sản và sinh
trưởng nhanh.
Hiện nay trên thế giới đang trong giai đoạn nghiên cứu và sử dụng rong tảo
biển sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba (thế hệ thứ nhất là đường, bột ngũ
cốc; thế hệ thứ hai là bã mía đường, các sản phẩm phụ của nông nghiệp, phế thải
của gỗ,..). Rong tảo biển khơng có lignin vì vậy có thể xem rong tảo biển là vật liệu
dễ phân giải thành glucose hơn các thực vật trên cạn, đặc biệt hàm lượng
carbonhydrate trong một số loài rong rất cao từ 40% - 79,4% (Gelidium amansi) và
hiệu suất chuyển hóa của q trình lên men ethanol khoảng 70%. Do đó, rong tảo
biển đang được biết đến như là nguồn nguyên liệu tiềm năng để sản xuất nhiên liệu
sinh học của thế hệ nhiên liệu sinh học thứ ba. Bên cạnh đó, rong biển có sản lượng
tự nhiên lớn, vòng đời sinh trưởng ngắn, dễ thu hoạch, giá thành rẻ và đặc biệt là
không cạnh tranh với đất nông nghiệp và không sử dụng nước ngọt.
Mục đích: Nghiên cứu các điều kiện thủy phân rong lục bằng chế phẩm enzym ứng
dụng trong sản xuất cồn nhiên liệu
Đối tượng nghiên cứu: Rong lục Chaetomorpha sp

Phạm vi nghiên cứu: Xác định các thông số công nghệ thủy phân rong lục bằng
chế phẩm enzym.


Ý nghĩa khoa học của đề tài
Góp phần tìm nguồn nguyên liệu mới thay thế cho các nguồn nguyên liệu phổ
biến trong sản xuất bioethanol hiện nay đang ảnh hưởng đến an ninh lương thực và
chất đốt.
Giải quyết vấn đề kỹ thuật trong sản xuất ethanol nhiên liệu từ rong lục.

2


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 Sự phát triển ethanol từ nguyên liệu rong biển
1.1.1 Tình hình nghiên cứu và sản xuất ethanol từ rong biển
Tại Nhật, dự án Sunrise [13] sản xuất biethanol từ rong biển Sargassum
được ni trồng ở ngồi biển Nhật Bản. Kế hoạch của họ bắt đầu vào năm 2012,
phát triển công nghệ nuôi rong biển vào năm 2016, và thiết lập một quy trình sản
xuất khoảng năm 2020.
Tại Na Uy, dự án sản xuất ethanol và các sản phẩm Lipids, Proteins, Iodine
từ rong biển theo quỹ tài trợ của BAL’s R&D bắt đầu từ cuối năm 2010.
Tại Hàn Quốc, dự án 275 triệu USD trong 10 năm để sản xuất 400 triệu
gallon vào năm 2020 xấp xỉ 13% nhu cầu tiêu thụ trong nước. Dự án sẽ ni trồng
rong biển trên diện tích 8.600 ha.
Dự án giữa Indonesia và Hàn Quốc phát triển nhiên liệu sinh học dựa trên
các nguồn nguyên liệu rong biển của Indonesia và sử dụng công nghệ sản xuất
nhiên liệu sinh học của Hàn Quốc [43]. Tương tự một dự án giữa chính phủ
Philippin và Viện Kỹ thuật công nghệ Hàn Quốc, đầu tư 5 triệu USD để trồng 250
acre rong biển và sản xuất ethanol từ công nghệ Hàn Quốc.

Dự án Sea Gardens Project của trường University of Costa Rica với tài trợ của World
Bank để nuôi trồng rong biển sản xuất bioethanol [44].
Dự án Biomara, phối hợp giữa Hiệp hội Khoa học Biển Scotland và Liên
minh châu Âu với sự điều hành của 2 chính phủ Ailen và Scotland, với mục tiêu sản
xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba từ sinh khối tảo. Đã đầu tư 8 triệu USD vào
năm 2009, để đánh giá tiềm năng rong biển và chọn dịng miccroalgae để sản xuất
quy mơ cơng nghiệp.
Tại Chile, dự án sản xuất ethanol từ rong biển của Chile giữa BioArchitecture Lab (BAL) với Cơng ty dầu khí ENAP và trường Đại học Los
Angeles. Đã đầu tư 5 triệu USD từ năm 2010 để sản xuất 165 triệu lít ethanol vào
năm 2012.

3


Tại Ý, dự án giữa thành phố Venice JV và Nhà máy điện, đã đầu tư 200 triệu
Euro để sản xuất 40 MW bằng nhiên liệu từ rong biển cung cấp cho 1/2 nhu cầu
điện của thành phố và cảng.
Tại Mỹ, các công ty tham gia vào dự án Nghiên cứu Năng lượng sản xuất
nhiên liệu từ rong biển gần đây và đã được Oilgae (2010) thống kê vào danh sách
các công ty tham gia sản xuất nhiên liệu sinh học từ rong biển (Bảng 1.1).
Năm 2007, các nhà nghiên cứu của trường Đại học Công nghệ và Khoa học
biển (Tokyo University of Marine Science and Technology), viện nghiên cứu
Mitsubishi (Mitsubishi Research Institute), Viện Cơng nghiệp nặng (Mitsubishi
Heavy Industries) có kế hoạch triển khai dự án mang tên “Ocean Sunrise Project”,
dự án sẽ thành lập nông trại rong biển và xây dựng nhà máy sản xuất ethanol từ
rong biển. Dự kiến sản xuất 5,3 tỉ gallons ethanol mỗi năm [13].
Ở Đan Mạch, các viện nghiên cứu và trường đại học như National
Evironmental Research Institute (NERI), Technological University of Denmark
(Rio DTU), Danish Technology Institute đã chuẩn bị dự án nghiên cứu tiềm năng
sản xuất Ethanol từ rong lục Ulva sp.

Ở Irael, với dự án kỹ thuật xanh “Green Technology”, đã sản xuất thành
cơng ethanol từ rong biển và tính tốn được rằng cứ 5 kg rong khô sẽ sản xuất được
1 lít nhiên liệu sinh học. (Irael Seambiotic Ltd)
Bảng 1.1: Các công ty đang tham gia sản xuất nhiên liệu sinh học từ rong biển
Hoạt động

Công ty
Seaweed Energy Solutions (Bồ Đào

Nuôi biển và chuyển đổi thành khí ga và

Nha)

ethanol

Green Gold Algae and Seaweed
Sciences, Inc (Mỹ)

Nuôi ao đất chuyển đổi ethanol

Butamax Advance Fuels-Dupont-

Nuôi biển rong Bẹ và chuyển đổi thành

BioArchitecture Lab-Statoil (Mỹ)

ethanol và butanol

4

Seambiotic Ltd (Ireland)
Oil Fox (Pháp)

Nuôi ao đất và sử dụng khí CO2 từ nhà máy
điện- Irael
Sản xuất Biodiesel từ rong biển

Economic Development Corporation
(CORFO) and Bio-Architecture Lab

Sản xuất ethanol từ rong biển

(BAL)-( Chilean)
Blue Sun Energy (Mỹ)

Sản xuất nhiên liệu máy bay

Holmfjord AS8 (Na Uy)

Sản xuất nhiên liệu từ rong biển

Sea Gardens Project at the University
of Costa Rica
Dự án Sunrise (Nhật)

Sản xuất nhiên liệu từ rong biển
Sản xuất nhiên liệu từ rong biển Sargassum

1.1.2. Triển vọng về phát triển nhiên liệu sinh học ở Việt Nam

Tại Việt Nam việc phát triển nhiên liệu sinh học rất có triển vọng, nhiên liệu
sinh học có thể làm nhiên liệu thay thế cho xăng dầu có nguồn gốc dầu mỏ. Là một
đất nước có nền nơng nghiệp lâu đời, nên Việt Nam có nguồn sinh khối thực vật rất
đa dạng diện tích đất hoang hóa đồi núi còn nhiều. Nhiều giống cây trồng tại Việt
Nam có thể sử dụng làm nguyên liệu cho nhiên liệu sinh học ethanol như sắn, ngơ,
mía, ngũ cốc và nguồn sinh khối giàu cellulose..., ngoài ra với điều kiện tự nhiên
thích hợp đã du nhập được một số giống cây ngoại lai dùng làm cây nguyên liệu cho
sản xuất diesel (cây cộc rào Jatropha), bên cạnh đó các sản phẩm phụ có nguồn gốc
lipid của q trình chế biến thủy sản cũng được sử dụng sản xuất nhiên liệu sinh
học.
Chính sách hổ trợ và phát triển nhiên liệu sinh học của nhà nước bao gồm
nhiều đề án với các quyết định rõ ràng:
Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025
(Quyết định 177/2007/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ ngày 20/11/2007
Quyết định 5368/QĐ-BCT của Bộ Công thương ngày 6/10/2008 và Quyết
định 2696/QĐ-BCT ngày 29/5/2009 về việc phê duyệt danh mục các đề tài, dự án

5


để tuyển chọn để thực hiện trong năm 2009, 2010 nhằm mục đích hiện thực hóa Đề
án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025
Quyết định 1842/QĐ-BNN-LN về phê duyệt Đề án “Nghiên cứu, phát triển
và sử dụng sản phẩm cây cọc rào (Jatropha curcas L.) ở Việt Nam giai đoạn 20082015 và tầm nhìn đến 2025
Thơng tư liên tịch 147/2009/TTLT-BTC-BCT ngày 21/7/2009 Quy định chế
độ quản lý, sử dụng kinh phí ngân sách nhà nước thực hiện Đề án phát triển nhiên
liệu sinh học.
Sự đầu tư mạnh mẽ của các tập đồn cơng ty nhà nước và các công ty tư
nhân trong và ngoài nước. Đi đầu trong lĩnh vực này là Tập đồn Dầu khí quốc gia
(PetroVietnam), bên cạnh đó cịn có một số công ty Tổng Công ty Dầu Việt Nam,

TNHH Nhiên liệu Sinh học Phương Đông, Công ty Cổ phần Nhiên liệu Sinh học
Dầu khí miền Trung, Cơng ty Cổ phần Đồng Xanh, Công ty xuất khẩu cá da trơn
Agifish, Tập đồn Saigon Petro, Cơng ty đồ uống Sài Gịn (SABECO).
Tình hình nghiên cứu trong nước:
Nhóm nghiên cứu đề tài về biomass, do tiến sĩ Phan Đình Tuấn, trường đại
học Bách Khoa TP.HCM phụ trách. Biomass là đề tài nghiên cứu công nghệ xử lý
các phế phẩm trong sản xuất nông nghiệp như rơm, rạ, trấu.... nhằm sản xuất
bioethanol, tiến đến xây dựng cơ sở dữ liệu về sản xuất và sử dụng biomass tại xã
Thái Mỹ, huyện Củ Chi, TP.HCM nhằm phục vụ cho việc thiết kế mơ hình biomass
tại Việt Nam. Tuy nhiên hiện nay, đề tài nghiên cứu đang ở giai đoạn thăm dị, có
sự phối hợp với trường đại học Tokyo và đại học sư phạm kỹ thuật Toyohasi, Nhật
bản, thời gian triển khai 4/2005-3/2007.
Năm 2004 phân Viện vật liệu TP. HCM đã nghiên cứu thành công công nghệ
sản xuất dầu biodiesl từ mỡ động vật. Trong đó nhóm nghiên cứu của tiến sĩ
Nguyễn Đình Thành đã ra mắt công nghệ dầu biodiesel từ mỡ cá ba sa, cá tra tại
tỉnh An Giang nhằm giải quyết lượng mở thừa.
Tại Việt Nam vấn đề nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối tảo
là hướng phát triển mới. Hiện tại đã có một số phịng thí nghiệm tiến hành nghiên

6


cứu nhiên liệu sinh học từ tảo. Phòng nghiên cứu tảo của Viện Công nghệ Sinh học
đã và đang nghiên cứu Diesel sinh học được sản xuất từ sinh khối vi tảo của Việt
Nam.
Ngồi ra cịn có một nhóm nghiên cứu sản xuất biobutanol từ sinh khối rong
Enteromorpha sp. của Viện Sinh học Nhiệt đới. Tuy vậy tất cả các công nghệ sản
xuất nhiên liệu sinh học trong thời gian qua từ các nguồn nguyên liệu trên cũng chỉ
mới thực hiện ở quy mơ phịng thí nghiệm.
Nước ta nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa Đơng Nam với hệ thống sông suối

dày đặc cùng với trên 3260 km bờ biển, 3000 đảo và quần đảo đã tạo ra hệ sinh thái
ngập mặn có diện tích vơ cùng lớn, điển hình hệ sinh thái rừng ngập mặn, chuỗi đầm
phá ven biển, các hệ cửa sông. Các hệ sinh thái này là mơi trường thích hợp cho các
đối tượng rong Lục phát triển. Theo kết quả nghiên cứu của đề tài “Nghiên cứu đánh
giá tiềm năng rong biển Việt Nam sử dụng làm nguyên liệu sản xuất ethanol nhiên
liệu” của tác giả Lê Như Hậu, nguồn sinh khối rong biển được thể hiện ở bảng 1.2
Bảng 1.2 : Diện tích ni và sản lượng rong biển tại thời điểm khảo sát (2009) và dự
kiến đến năm 2015
Hiện trạng

Tiềm năng

Diện tích

Sản lượng

Diện tích

Sản lượng

(ha)

(tấn khơ)

(ha)

(tấn khơ)

Rong Lục

62634

42056

539512

2482581

Rong Đỏ

11937

5500

14073

57904

Rong Nâu

2229

9489

2229

9489

Tổng

76800

57045

555814

2549974

Lồi

Rong Lục có nguồn sinh khối dồi dào, có thành phần hóa học thích hợp cho
sản xuất ethanol, không cạnh tranh lương thực và chất đốt vì vậy rong biển là nguồn
nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất nhiên liệu sinh học. Nhằm tăng nhu cầu nhiên
liệu, và thực hiện Đề án phát triển nhiên liệu sinh học, việc nghiên cứu ethanol từ
rong biển là hướng nghiên cứu mới đầy tiềm năng.

7


1.2. Nguyên liệu sản xuất ethanol từ rong biển
1.2.1 Thành phần hóa học của các loại rong biển
Rong biển có hàm lượng polysaccharides cao có tiềm năng làm nguyên liệu cho
sản xuất nhiên liệu sinh học (Bảng 1.2).
Bảng 1.3: Thành phần hóa học của các loại rong biển [24]
Rong
Rong lục

Rong đỏ

Rong nâu

Tỷ lệ nước

70-85%

70-80%

79-90%

80-90%

Chất khoáng

10-25%

25-35%

30-50%

-

Carbohydrats

25-50%

30-60%

30-50%

(thành phần)

(Cellulose,

(Agar,

(Alginate,

tinh bột)

Carrageenan)

Fucoidan)

Cellulose

20-40%

2-10%

2-10%

-

Proteins

10-15%

7-15%

7-15%

26-63%

1-2%

1-5%

2-5%

2-40%

Lipids

4-57%

Tuy nhiên, thành phần này lại khác nhau giữa các loài rong biển: rong Nâu,
Lục, Đỏ. Điều này tạo ra một nhu cầu lựa chọn đối tượng nuôi trồng và các công nghệ
liên quan. Rong Lục có thành phần carbohydrat như thực vật bậc cao, gồm tinh bột và
cellulose. Rong Nâu và rong Đỏ có thành phần carbohydrat dưới dạng agar,
carrageenan, alginate. Lipid trong các lồi rong biển thường ít hơn 5% so với khối
lượng khô [29], quá thấp để chuyển đổi sang diesel sinh học, mặc dù hàm lượng lipid
gần 20% được báo cáo ở một số loài [29]. Do hàm lượng lipid thấp, nên chủ yếu dựa
vào nguồn carbohydrat để sản xuất ethanol sinh học từ rong biển, sẽ tốt hơn sử dụng
lipid của rong để sản xuất diesel sinh học [36].
Rong lục là ngành lớn nhất trong các ngành rong, hình dạng của chúng vơ
cùng phức tạp, có thể là đơn bào, tập đồn hoặc đa bào. Chúng có thể dạng monat,
dạng hạt, palmella, dạng sợi dạng phiến,… kích thước biến thiên từ vài micro đến
vài ba chục cm hay phiến to cả mét. Hình dạng đa dạng để thích nghi cao với mọi

8

điều kiện môi trường nên rong Lục phân bố khắp mọi nơi. Do vậy rong Lục là
nguồn nguyên liệu dễ tìm, dồi dào và vơ cùng phong phú
1.2.2. Tiềm năng từ nguồn nguyên liệu rong biển
Ethanol là dạng năng lượng thu được từ quá trình lên men nguồn sinh khối
thực vật của vi sinh vật. Sinh khối có thể lấy từ nhiều nguồn khác nhau: đường
(mía, củ cải đường…), tinh bột (bắp, khoai tây,…), cây gỗ (gỗ mục, rơm rạ, giấy,..).
Thông thường phần lớn sinh khối sử dụng để lên men rượu là đường và tinh bột.
Tuy nhiên, đường và tinh bột được sử dụng làm thực phẩm, vì vậy nguồn sinh khối
này khi sử dụng để sản xuất nhiên liệu sẽ ảnh hưởng đến nhu cầu thực phẩm. Kết
quả là sản xuất đắt đỏ, sẽ không khả thi về kinh tế. Hơn thế nữa, việc trồng trọt cần
đòi hỏi một lượng lớn hố chất nơng nghiệp, phân bón,.. làm cho môi trường đất bị
ô nhiễm.
Để lựa chọn một nguyên liệu mang tính ổn định và có hiệu quả kinh tế, giá cả
của nhiên liệu sinh học phải cạnh tranh với nhiên liệu hiện tại thì sinh khối từ rong
biển đã được chọn. So với các loại sinh khối trên cạn, sản lượng rong biển thu
hoạch hàng năm gấp 3 so với sản lượng cây lương thực và 60 lần so với cây lấy gỗ.
Thời gian thu hoạch liên tục nhiều lần trong năm (4-6 lần /năm). Quá trình sản xuất
và chế biến rong biển dễ hơn nhiều so với gỗ. Điều kiện môi trường trồng trọt để
rong biển sinh trưởng và phát triển đơn giản hơn so với thực vật trên cạn. Rong biển
phát triển rất nhanh (4-6 lần thu hoạch/ năm) nằm trong vùng nhiệt đới và dễ dàng
canh tác nuôi trồng, sử dụng vùng biển rộng lớn khơng sử dụng vật liệu khó khăn
như: thuỷ lợi, phân bón, đất,…Sử dụng rong biển trong q trình sản xuất cồn sinh
học đơn giản hơn.
Một kết quả so sánh dưới đây chứng minh sản xuất cồn sinh học từ rong biển
thuận lợi hơn so với thực vật trên cạn

9

Bảng 1.4: So sánh năng suất nuôi trồng của các nguồn sinh khối
Thực vật trên cạn
Đường- Tinh bột
Nguyên liệu thô
Thời gian thu hoạch
Năng suất (tân tươi/ha)
Khả năng hấp thụ CO2
(tấn/ha)
Quá trình sản xuất

Điều kiện ni trồng

Thực vật biển

Gỗ

Rong biển

Gỗ mục, giấy

Các lồi rong biển

1-2 lần/ năm

Ít nhất 8 năm

4-6 lần/ năm

180

9

565

5-10

4,6

36,7

Phức tạp (do

Đơn giản ( không

tách ligin)

chứa ligin)

Đường, bắp, các
loại củ

Đơn giản
Ánh sáng, CO2,

Ánh sáng, CO2,

thuỷ lợi, đất,

thuỷ lợi, đất,

phân bón

phân bón

Ánh sáng, CO2,
nước biển

Qua bảng 1.3 cho thấy sản lượng rong biển thu hoạch hàng năm gấp 3 so với
sản lượng cây lương thực và 60 lần so với cây lấy gỗ. Thời gian thu hoạch liên tục
nhiều lần trong năm (4-6 lần /năm). Quá trình sản xuất và chế biến rong biển dễ hơn
nhiều so với gỗ. Điều kiện môi trường trồng trọt để nguồn rong biển sinh trưởng và
phát triển cần ít yếu tố hơn nhiều so với thực vật trên cạn. Cụ thể rong trồng tự
nhiên khơng cần bón phân và tưới nước. Theo nghiên cứu rong biển có khả năng
ứng dụng rất cao trong y học, thực phẩm, nhiên liệu sinh học, chiết rút, phân bón
[24].
Theo đánh giá tác giả Lê Như Hậu (2011) rong biển không phải là cây lương
thực nên không ảnh hưởng an ninh lương thực, nguồn nguyên liệu không cạnh tranh
đất trồng nơng nghiệp, khơng cần sử dụng phân bón, khơng gây ô nhiễm môi
trường, hấp thụ tốt CO2 và chất dinh dưỡng cải tạo môi trường, khả năng sinh
trưởng phát triển tốt, có sinh khối lớn, chu kỳ ni trồng ngắn, nuôi trồng đạt năng

10


xuất cao, mang lại lợi nhuận cao cho người trồng rong. Rong là nguồn nguyên liệu
lý tưởng để sản xuất bioethanol.
Công nghệ cho việc sản xuất năng lượng từ nguồn nguyên liệu sinh khối biển
đơn giản. Các phương pháp xử lý nguyên liệu đơn giản, không yêu cầu kỹ thuật
phức tạp, Cơng nghệ này đầu tư trang thiết bị ít tốn kém, hiệu suất ổn định, chất

lượng tinh sạch cao.
1.3. Công nghệ sản xuất ethanol từ rong biển
1.3.1 Sơ đồ sản xuất ethanol từ rong biển

Rong nguyên
liệu

Rửa mặn
và lọc tạp

Cắt/nghiền
nhỏ

Xử lý sơ bộ
(axit)

Chủng giống
vi sinh vật

Lên men

Dịch
đường

Thủy phân

Chưng luyện
Tách nước
Thu hồi
Ethanol

Hình 1.1 Sơ đồ sản xuất ethanol từ rong biển
Rong biển là thực vật bậc thấp có cấu tạo tế bào đơn giản, nên quá trình xử lý và
thủy phân rong biển không phức tạp như các nguồn sinh khối thực vật khác. Thơng
thường q trình xử lý thủy phân rong biển theo các tác giả[17], [34] như sau:
Rong biển tươi sau thu hoạch được loại tạp, loại muối sau đó rong được sấy khơ
mang lưu giữ chuẩn bị cho quá trình thủy phân.

11


Trước khi thủy phân rong được xử lý cơ học, xay nghiền nhằm làm nhỏ kích
thước rong giúp cho quá trình thủy phân diễn ra dễ dàng.
Thủy phân là quá trình phân hủy các polysaccharid thành các oligomonosaccharid. Quá trình này được tiến hành dưới xúc tác của nhiệt độ cao kết hợp
với hóa học (axit, base), hoặc sinh học (enzym)
Kết quả của quá trình thủy phân tạo ra hỗn hợp dung dịch đường và bã rong.
1.3.2 Quá trình tiền xử lý
Sau thu hoạch, rong biển được tiền xử lý và thủy phân. Hầu hết các dạng
sinh khối phải được xử lý trước khi ứng dụng sản xuất nhiên liệu sinh học. Bước
đầu tiên của tiền xử lý là loại bỏ sơ bộ các mảnh vụn như đá, cát, ốc, hoặc rác có
trong sinh khối thường thao tác bằng tay hoặc rửa [15]. Sau đó, sinh khối được xay
nhỏ giảm diện tích bề mặt giúp nâng cao hiệu quả của quá trình thủy phân [36].
Cuối cùng, sinh khối được làm mất nước 20-30% để kéo dài thời gian bảo quản và
giảm chi phí vận chuyển trong trường hợp phải được bảo quản trong thời gian dài
hoặc vận chuyển trên quãng đường dài trước khi tiếp tục xử lý [15], [36].
1.3.3 Quá trình thủy phân rong biển
Sau khi tiền xử lý, quá trình thủy phân sinh khối rong biển được diễn ra, các
dạng polysaccharid bị thủy phân thành monosaccharid làm nguyên liệu cho quá
trình lên men. Rong biển được thủy phân bằng hai phương pháp chính gồm thủy
phân bằng axit lỗng và thủy phân bằng enzyme.
Nghiên cứu thứ nhất cho thấy carbohydrat rong biển của cả ba loại rong

(Nâu, Đỏ, và Lục) được thủy phân một cách hiệu quả để tạo ra monosacarit bởi axit
H2SO4 loãng ở nhiệt độ cao [18]. Bốn yếu tố quan trọng cho tối ưu quá trình đường
hóa trong q trình thủy phân acid sulfuric được xác định là (i) nhiệt độ phản ứng,
(ii) thời gian phản ứng, (iii) nồng độ acid , và (iv) khối lượng rong biển.
Nghiên cứu thứ hai cho thấy khi tiền xử lý NaCl trong rong (Gelidium
amansii) có thể cải thiện hiệu quả của quá trình thủy phân bằng enzyme (cellulase,
xylanase , and β glucosidase) và hàm lượng đường của dịch thủy phân tăng 5% so
với các mẫu không xử lý trước [19].

12


Nghiên cứu thứ ba chứng minh hiệu quả của việc kết hợp tiền xử lý bằng axit
sau đó thủy phân bằng enzym trong đường hóa rong biển, tạo thành sản lượng
đường khử tối đa 0,566 g/g của rong G. amansii và 0,376 g/g của rong Laminaria
japonica [20].
Bảng 1.5 Thành phần hóa học rong biển và đường tạo thành bởi thủy phân của các
loài rong biển
Thành phần Tổng Lipid

Thành

Ngàn

phần loài

h

Carbo-

Carbo

rong

hydrate

hydrat

(%)

Pro

tro

Hiệu

tein

(%)

suất

phần

đường

đường

(%)

Thành Tham
khảo

thủy

(%)

phân
Gelidium

Rong

Agar,

amansii

Đỏ

Carrageenan,
Cellulose

Gelidium
amansii
Gelidium
amansii
Laminaria

Rong

Laminar n,

japonica

Nâu

Mannitol,

Laminaria

Alginate,

japonica

Fucoidan,

Sargassum

Cellulose

fulvellum
Ulva

Rong

Tinh bột,

lactuca

Lục

cellulose

Ulva
pertusa

Glucose

75,2

0,6

18,5

5,7

34,6

77,2

1,1

13,1

8,6

56,6

83,6

0,9

12,2

3,3

67,5

51,9

1,8

14,8 31,5

37,6

59,5

1,5

8,1

30,9

34

18

39,6

1,4

13,0 46,0

9,6

20

54,3

6,2

20,6 18,9

19,4

,
Galac
tose

46

20

18
Glucose
,Mannit

20

ol

65,2

2,6

13

7,0

25,2

59,6

Glucose

20

18


Trung Quốc nghiên cứu sản xuất cồn sinh học từ loài Gracilaria salicornia. Sinh
khối của loài Gracilaria salicornia được thủy phân trong điều kiện H2SO4 2%, trong
30 phút ở nhiệt độ 120o C, hiệu suất của quá trình thủy phân 4,3 g glucose/kg rong
tươi. Ngoài ra sinh khối Gracilaria salicornia cịn được thủy phân bằng enzym
cellulase và có hiệu suất 13,8 g (glucose/kg rong tươi) cao hơn nhiều so với thủy
phân bằng axit loãng. Sau khi thủy phân dung dịch đường được lên men với
Escherichia coli KO11, đây là loại vi khuẩn tái tổ hợp có khả năng lên men nguồn
cơ chất galactose, cho hiệu suất lên men 79,1g ethanol/1kg rong khơ (100,2 ml
ethanol/ 1kg rong khơ) [38].
Trung Quốc cịn nghiên cứu sản xuất cồn từ bả thải rong Laminaria japonica

sau khi sản xuất aginate. Bả thải được thủy phân bằng axit sunfuric và enzym
cellulase và cellobiase sau đó lên men bằng chủng vi sinh vật Saccharose cerevisiae.
Điều kiện thủy phân và lên men, bằng axit với nồng độ 0; 0,1; 0,2; 0.5 and
1,0%(w/v) trong thời gian 30 phút, 1 giờ, 1.5 giờ và thủy phân bằng enzym tại điều
kiện (500 C, pH 4,8, 48h) và lên men ở 300C trong 36 giờ. Kết quả thu được sau thủy
phân 277,5 g glucose/kg bã thải khô và hiệu suất lên men là 0,143 L ethanol/ 1kg bã
thãi. [16]
Nhật Bản cũng sử dụng rong lục để nghiên cứu sản xuất cồn. Mẫu rong được
thu rải rác tại Việt Nam, Thái Lan, Nhật bao gồm các chi Enteromorpha,
Chaetomorpha, Cladophora, Caulerpa. Sau đó xác định hàm lượng carbohydrat
tổng số, và hàm lượng glucose của từng lồi. Các chi

Enteromorpha,

Chaetomorpha, Cladophora có hàm lượng glucose cao 180-335mg/g. rong được sử
lý ở nhiệt độ 120oC sau đó thủy phân với phức hệ enzym Acremonium cellulase.
Sau quá trình thủy phân rong được lên men với Saccharomyces cerevisiae IR-2
[19].
Đầu năm 2011 nhóm nghiên cứu của Mitsunori Yanagisawa của viện khoa
học kỹ thuật Tokyo Nhật Bản đã đưa ra kỹ thuật sản xuất cồn từ rong (Ulva pertusa
Kjellman), (Alaria crassifolia Kjellman), and agar weed (Gelidium elegans
Kuetzing). Quá trình thủy phân các polysaccharid của các loại rong này được thực

14


hiện sau khi đã tiền xử lý với nhiệt 121oC trong 20 phút, sau đó rong được thủy phân
bởi các nhóm enzym thủy phân cellulose (Avicel, Merck, Germany), thủy phân tinh
bột (Starch, Sol-uble, Wako Pure Chemical Industry Ltd., Japan), thủy phân B1,3glucan (Curdlan, Wako Pure Chemical Industry Ltd., Japan). Sau đó xác định hàm
lượng carbohydrat tổng số, và hàm lượng glucose của từng lồi bởi hệ thống HPLC.

Sau q trình thủy phân rong được lên men với Saccharomyces cerevisiae IAM
4178. Sau quá trình lên men thu được 30,0 – 34,4 g/L (38,02 – 43,59 ml ethanol/L)
[31].
1.3.3.1 Thủy phân bằng axit
Dưới xúc tác của axit các polysaccharid của rong sẽ bị cắt nhỏ thành các oligo
hoặc mono saccharid. Axit chứa ion H+ có tác động trực tiếp đến polyme saccharid
tại các liên kết mắt xích nối các mono sacchadid tạo ra các oligo hoặc mono
saccharid. Quá trình thủy phân rong của axit tạo ra hỗn hợp dung dịch đường cần
cho quá trình lên men ethanol.
Các dạng acid sử dụng thủy phân sinh khối rong có tính oxi hóa mạnh (HCl,
H2SO4, HCHO….) nhưng đa phần trong các nghiên cứu thủy phân sinh khối rong
biển các tác giả thường sử dụng acid H2SO4 với nồng độ dao động (0,1-5% V/V) kết
hợp nhiệt độ cao (120-200oC).
1.3.3.2 Thủy phân bằng Enzym
Rong biển được tiền xử lý, trước khi được thủy phân bằng enzym. Tiền xử lý
rong nhằm đảm bảo khả năng tiếp cận của enzym đến các liên

kết của các

polysaccharid. Quá trình tiền sử lý sinh khối rong biển phụ thuộc vào cấu trúc sinh
học của mỗi loại rong. Trong sản xuất ethanol đối tượng rong Nâu, Đỏ có q trình
tiền xử lý đơn giản hơn rong Lục.
Sinh khối rong Đỏ Gracilaria salicornia được tiền sử lý trong acid H2SO4
loãng 2% ở nhiệt độ 120oC trong 30 phút sau đó được đường hóa và lên men nhờ
enzyme thủy phân và vi sinh vật. [38]

15


Sinh khối rong Nâu Laminaria japonica, và Sargassum fulvellum được tiền sử

lý trong acid H2SO4 0,1-0,3 N ở nhiệt độ 120oC trong 20 phút, sau đó được thủy
phân trong các loại enzym Celluclast 1.5L, Viscozyme L, Novoprime 959. [33]
Sinh khối rong Lục có kết cấu vỏ tế bào bền vững hơn rong Nâu và rong Đỏ,
nguyên nhân sản phẩm cellulose được tổng hợp từ rong Lục cao hơn các loại rong
khác, do vậy quá trình tiền xử lý cho thủy phân bằng enzym phức tạp hơn. Rong Lục
Chaetomorpha linum được tiền sử lý ở nhiệt độ cao (180, 190, 200 oC trong 10 phút)
sau đó sinh khối Chaetomorpha linum được oxi hóa trong nồng độ oxi 12 bars.
Ngồi ra một phương pháp xử lý khác, sinh khối Chaetomorpha linum được gây nổ
bởi áp suất hơi ( 1,9 Mpa) sau đó được sử lý ở nhiệt độ 200-210oC trong 5 phút.
Phương pháp thứ ba cho sử lý sinh khối giàu cellulose sử dụng các bước sóng
plasma trong thời gian (20-60 phút), điều kiện bước sóng (ø: 7 cm, length: 2 cm)
[29].
Sau quá trình tiền xử lý, rong Lục được thủy phân bởi nhóm enzym hydrolase
là phức hệ enzym cellulase được thu nhận từ giống vi sinh vật. Trong số những vi
sinh vật có khả năng thủy phân sinh khối rong biển, nấm mốc Trichoderma reesei
được quan tâm nhiều hơn cả. Nấm mốc T. reesei có khả năng sinh một loạt các
enzym phân hủy cellulose thành đường và các cấu thành khác. Hiện nay có nhiều
nghiên cứu tập trung vào đánh giá và phát triển khả năng phân hủy một số chất ức
chế có trong dịch thủy phân nhằm tăng hoạt độ lên men của s. cerevisiae và làm
giảm chi phí cho các công đoạn khử độc dịch thủy phân. Trong công đoạn sản xuất
enzym, một loạt các gene sinh cellulase của Envinia chrysantheiììi, Acidothermus
cellulolyticus đã được tách dịng và thế hiện. Ngồi ra các vi sinh vật thuộc nhóm
sản xuất cellulase truyền thống như Clostriiỉium. Cellulomonas. Trichoderma,
Penicillium, Neurospora. Fusarium, Aspergillus cũng đang được sử dụng.
Nhóm phức hệ enzym này tác động đặc hiệu đến các polysaccharid bao gồm
(arabinose, celluose, β-glucan, hemicellulose, xylan) các polysaccharid này sẽ bị
enzym cắt tại các vị trí đặt hiệu tạo ra các sản phẩm olygosaccharid và các

16

monosaccharid (glucose, arabinose, xylose, manose). Đây là các loại đường đơn cần
cho quá trình lên men ethanol của vi sinh vật.
1.3.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân rong
Sau q trình ni trồng và thu hoạch rong biển, sinh khối phải được tiền xử
lý trước khi thủy phân. Bước đầu tiên của tiền xử lý là để loại bỏ các yếu tố bên ngoài, cụ
thể các mảnh vụn như đá, cát, ốc, hoặc các dạng chất rắn khác bám vào trong quá trình
khai thác sinh khối quá trình này được thực hiện bằng các thao tác tay, sấy khơ, rửa. Sau
đó rong ngun liệu được xay nhỏ để giảm kích thước bề mặt. Tất cả bước tiền xử lý có
tác động trực tiếp nâng cao hiệu quả của quá trình thủy phân.
Sau khi tiền xử lý, thủy phân sinh khối rong biển là quá trình quan trọng để
tạo ra các dạng đường đơn nằm trong các cấu trúc polysaccharides, các đường đơn
là nguyên liệu quan trọng cho lên men. Quá trình thủy phân sinh khối rong biển
thường được tiến hành theo hai phương pháp, một là thủy phân rong biển bằng acid
loãng, hai là thủy phân bằng enzym, trong đó hai q trình này chịu tác động của
nhiều yếu tố ảnh hưởng.
Theo các nghiên cứu [9], [16], [38] cho thấy carbohydrat rong biển của các
ngành (nâu, đỏ, và xanh) được thủy phân hiệu quả để tạo ra monosacarit bởi acid
loãng H2SO4 ở nhiệt độ cao. Bốn yếu tố quan trọng cho tối ưu đường hóa trong q
trình thủy phân acid H2SO4 loãng được xác định là nhiệt độ phản ứng, thời gian
phản ứng, nồng độ acid, và khối lượng rong biển
Bảng 1.6: Bảng các yếu tố ảnh hưởng đến q trình thủy phân bằng acid
Khối
lượng/thể
tích

Thời
gian
(Phút)

Nhiệt độ
◦C

Nồng độ
acid
(% v/v)

1/20

30

120

2

sulfuric

1/10

40

120

4

sulfuric

1/10

90

120

1

Thành phần
loài

Acid

Gracilaria
salicornia

sulfuric

Cladophora
socialis
L. japonica

17

Tác giả
(Wang X,
2011)
(Võ Thành
Trung,
2011)
(Ge L ,
2011)