Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ thân và hạt của cây cao lương ngọt Sorghum bicolor

Luận văn Thạc sĩ khoa học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL NHIÊN LIỆU TỪ
THÂN VÀ HẠT CỦA CÂY CAO LƯƠNG NGỌT
SORGHUM BICOLOR

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Cao học K17

Page 1

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

MỞ ĐẦU
Trong tiến trình phát triển, các quốc gia ln đặt vấn đề an tồn năng
lượng lên hàng đầu. Đứng trước nguy cơ nguồn năng lượng hóa thạch có hạn
trên trái đất đang dần đi đến cạn kiệt, những nguồn năng lượng mới đã và đang
dần được giới khoa học và con người quan tâm hơn. Chúng được đánh giá sẽ là
những nguồn năng lượng quan trọng trong tương lai. Một trong những nguồn
năng lượng mới ấy nổi lên là nhiên liệu sinh học.
Nhiên liệu sinh học là nhiên liệu có nguồn gốc từ sinh vật, thân thiện với
mơi trường ít gây hiệu ứng nhà kính, đặc biệt, nhiên liệu này có khả năng tái sinh
và gần như vô tận [33, 36]. Nhiên liệu sinh học có nhiều loại, trong đó chú ý đến

ethanol bởi tính ưu việt của nó, có thể thay thế cho xăng, dầu hoặc pha lẫn với
xăng để chạy các động cơ.
Ethanol là nhiên liệu được sản xuất bằng phương pháp lên men và chưng
cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn như ngơ,
lúa mạch, lúa mì, củ cải đường, củ sắn... Ethanol cịn được sản xuất từ các loại
cây cỏ có chứa cellulose. Đây là nguồn nguyên liệu tái tạo được và có khả năng
phân hủy sinh học, nên việc sử dụng ethanol làm nhiên liệu sẽ giảm bớt sự lệ
thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt [16]. Sử dụng ethanol
làm nhiên liệu mang lại nhiều giá trị như ethanol có trị số octan cao (RON=109)
nên khi pha vào xăng truyền thống sẽ làm tăng trị số octan của hỗn hợp nhiên
liệu. Từ đó, giúp tăng khả năng chống kích nổ, tăng tỉ số nén của động cơ, nâng
cao hiệu suất cháy… và kết quả là giúp tiết kiệm nhiên liệu; đồng thời, công suất
và moment xoắn tốt hơn làm động cơ vận hành êm hơn và tăng tuổi thọ động cơ.
Cao học K17

Page 2

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Ngoài ra, ethanol nhiên liệu cịn giúp giảm khí thải nhà kính nên thân thiện với
mơi trường, giá thành rẻ giảm chi phí nhiên liệu cho người tiêu dùng [34, 38].
Từ những lợi ích mà ethanol nhiên liệu mang lại thì các nhà máy, cơng ty
đang đẩy nhanh dây chuyền sản xuất từ nhiều nguyên liệu khác nhau. Những
nguồn nguyên liệu quen thuộc như: lúa, ngô, khoai, sắn…đang được thay thế dần
bởi các nguyên liệu mới cũng có nguồn gốc từ thực vật nhưng khơng làm ảnh
hưởng đến an ninh lượng thực như cây cao lương ngọt. Cây cao lương ngọt là
một loại cây lương thực, thân có hàm lượng đường cao. Thân cây cao lương ngọt

giống cây mía, do đó có thể thu dịch ép trong thân dùng làm nguyên liệu để sản
xuất ethanol thay thế cho các nguyên liệu truyền thống, ngoài ra phần bã ép và
hạt cây cao lương cũng có thể sử dụng để sản xuất ethanol được. Quy trình sản
xuất ethanol từ cao lương ngọt thân thiện với môi trường hơn so với các cây cho
đường mật khác. Khi ethanol cháy thì sản sinh ít sulphur hơn từ mía, và hàm
lượng octane cao[11, 28].
Trên thế giới, các nước như Braxin, Mexico, Nigeria Ấn Độ, Trung Quốc,
Philippin… cũng đã đưa cây cao lương vào sản xuất ethanol nhiên liệu từ rất
sớm. Không chỉ các nước đang phát triển ở châu Á, Phi và Mỹ La-tinh, Mỹ và
Liên minh châu Âu cũng rất quan tâm đến công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh
học từ cao lương ngọt. Cây cao lương ngọt hiện đang được trồng trên diện tích
42 triệu héc-ta ở 99 quốc gia và vùng lãnh thổ, trong đó nhiều nhất ở Mỹ,
Nigeria, Ấn Độ, Trung Quốc, Mexico, Sudan, Argentina. Sau khi nước được ép,
nó được lên men để chuyển hóa thành ethanol thơ. Ethanol này sau đó được
chưng cất và dehydrat hóa giống như sản xuất ethanol từ hạt. Tại Mỹ bã ép
thường được sử dụng để làm chất đốt để sản xuất điện năng do đó nó được bán
Cao học K17

Page 3

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

cho nhà máy nhiệt điện, hoặc bã thải cũng có thể được sử dụng làm phân bón.
Ngồi phần thân dùng để điều chế nhiên liệu sinh học, hạt lúa miến ngọt có thể
dùng để nấu cháo hoặc nghiền thành bột làm bánh hoặc món ăn nhanh. Lá dùng
làm thức ăn cho gia súc trong khi phần rễ thì làm chất đốt [6, 41] .
Ở Việt Nam, cây cao lương ngọt cũng được trồng ở nhiều nơi, đặc biệt là ở

các tỉnh miền núi phía Bắc. Nhà nước đã quan tâm và xúc tiến việc nghiên cứu
cây cao lương ngọt để xây dựng vùng nguyên liệu cho sản xuất ethanol nhiên
liệu. Nhiều cơng trình khoa học gần đây cũng đang đẩy mạnh việc nghiên cứu
cây cao lương ngọt để đưa vào sản xuất ethanol sinh học, đáp ứng nhu cầu nhiên
liệu ngày càng tăng hiện nay.
Từ những lợi ích trên của cây cao lương ngọt, chúng tôi xin đề xuất thực
hiện đề tài : “Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ thân và hạt của cây
cao lương ngọt Sorghum bicolor”.

Cao học K17

Page 4

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Chương 1.
1.1.

TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học là một dạng năng lượng tái tạo, được sản xuất từ

nguyên liệu sinh học – sinh khối, tức là từ thực vật, động vật và các sản phẩm
phụ của chúng. Như vậy, nhiên liệu sinh học có thể được sản xuất từ các sản
phẩm nông lâm nghiệp vốn là lương thực thực phẩm, hay có thể được làm từ các
cây trồng khơng phải là thực phẩm, thậm chí cịn được làm từ các phế thải nông

lâm nghiệp [25].
Ngày nay, công nghệ nhiên liệu sinh học đang rất được chú trọng và được
phát triển. Do nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, mà nhiên liệu sinh
học thì có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệu truyền thống như than
đá và dầu mỏ: Là nguồn nhiên liệu có khả năng tái tạo và khơng gây ơ nhiễm
mơi trường; ít gây hiệu ứng nhà kính hơn các loại nhiên liệu hóa thạch; do có
nguồn gốc từ sinh khối nên có thể khai thác mà khơng cần địi hỏi các kỹ thuật
hiện đại phức tạp và tốn kém, tạo ra cơ hội cho các địa phương, các khu vực và
các quốc gia trên tồn thế giới tự bảo đảm cho mình nguồn cung cấp năng lượng
một cách độc lập, mặt khác ít phụ thuộc vào tài nguyên nhiên liệu hóa thạch và
sự biến động giá cả trên thị trường [40].
Có nhiều cách để phân loại nhiên liệu sinh học. Dưới đây là hai cách phân
loại phổ biến nhất.
Cách thứ nhất nhiên liệu sinh học có thể được chia thành 3 nhóm:

Cao học K17

Page 5

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học



Diesel sinh học (Biodiesel): được dẫn xuất từ các loại dầu sinh học

(thường được thực hiện thơng qua q trình transester hóa bằng cách cho phản
ứng với các loại rượu phổ biến nhất là methanol. Diesel sinh học có thể sử dụng

thay thế cho diesel.
 Cồn sinh học (Bio-ethanol): là cồn (ethanol) được chế biến thơng
qua q trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, cellulose,
lignocellulose. Việc sản xuất ethanol sinh học từ các nguồn tinh bột hoặc các
cây thực phẩm được cho là không bền vững do ảnh hưởng tới an ninh lương
thực. Việc sản xuất cồn sinh học từ sinh khối và sinh khối phế thải nông nghiệp
không ảnh hưởng đến anh ninh lượng thực nên là hướng đi nhiều triển vọng.
 Khí sinh học (Biogas): được tạo ra sau quá trình ủ kên men các vật
liệu hữu cơ. sản phẩm tạo thành ở dạng khí (Metan và đồng đẳng khác) có thể
dùng làm nhiên liệu đốt cháy thay cho gas từ sản phẩm dầu mỏ. Sản xuất khí
sinh học đã được phát triển từ khá lâu và có nhiều mơ hình triển khai rộng rãi
[20, 21].
Cách thứ hai dựa vào nguồn gốc của các nguyên liệu dùng để sản xuất
nguyên liệu sinh học có thể chia nguyên liệu sinh học thành ba thế hệ:


Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất từ các loại cây trồng ăn được

như lương thực, thực phẩm, ví dụ: Mía, của cải, ngũ cốc, dầu mỡ động thực vật.


Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai chủ yếu từ các phụ phẩm hoặc

phế thải trong sản xuất, sinh hoạt có nguồn gốc hữu cơ, ví dụ: Phế thải nơng lâm
nghiệp (rơm rạ, trấu, bã mía, thân ngơ, mùn cưa, gỗ vụn…), chăn ni (phân súc
vật, bùn cống rãnh…) và sinh hoạt (dầu, mỡ thải) .

Cao học K17

Page 6

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học



Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba từ tảo (nước ngọt và nước biển), cây

jatropha curcas (cây cộc rào hay cây dầu mè), cỏ swichgrass, cây halophyte [14].

1.2.

Ethanol nhiên liệu
Ethanol, còn được biết đến như là rượu êtylic hay rượu ngũ cốc hay cồn,

là một hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng đẳng của rượu metylic, dễ cháy,
không màu, là một trong các rượu thơng thường có trong thành phần của đồ
uống chứa cồn. Cơng thức hóa học của nó là C 2H5OH hay CH3-CH2-OH , hay
CH3-CH2-OH, viết tóm tắt là C2H6O.
Ethanol nhiên liệu còn gọi là xăng sinh học hay xăng sạch, là một nguồn
năng lượng tái tạo do nó được sản xuất từ sinh khối và các sản phẩm của nông
nghiệp. Nó được sản xuất bằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ
cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn như ngơ, lúa mạch, lúa mì,
củ cải đường, củ sắn... Ethanol cịn được sản xuất từ cellulose. Với các nguyên
liệu trên nhờ quá trình phân giải của vi sinh vật có thể sản xuất ethanol, sau đó
tách nước, bổ sung các chất phụ gia thành ethanol biến tính gọi là ethanol nhiên
liệu biến tính hay cồn nhiên liệu. Ethanol tinh khiết có thể dùng thay thế nhiên
liệu hóa thạch để chạy động cơ hoặc pha với xăng theo tỷ lệ nhất định cùng các

phụ gia [9, 31].
Do có nguồn gốc từ cây trồng nên ethanol mang lại rất nhiều lợi ích: an
tồn năng lượng, giá nhiên liệu thấp, giảm khí thải nhà kính, sử dụng nhiên liệu
có sẵn tại địa phương nên khơng bị phụ thuộc nhiên liệu nhập khẩu, tái sinh nền
nông nghiệp, tạo thêm nhiều việc làm cho nông dân và bảo vệ lớp đất bề mặt.
Cao học K17

Page 7

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Mặt khác, khí phát thải từ ethanol sinh học ít độc hơn xăng, do đó về lâu dài có
lợi cho sức khỏe con người và hệ sinh thái [34, 38, 41].

1.3.

Cây cao lương ngọt
Cây cao lương (sorghum bicolor) thuộc Chi Lúa miến (Sorghum), Họ Hòa

thảo (Poaceae). Cao lương ngọt là cây trồng C4, điểm bù CO2 thấp, quang hơ hấp
rất thấp, sự thốt hơi nước thấp và năng suất sinh học cao.

Hình 1. Cây cao lương ngọt Sorghum biolor (L.) Moench
Đây là một loại cây lương thực, cao từ 2 – 5 mét, tốc độ sinh trưởng
nhanh, phát triển tốt nhất ở vùng nhiệt đới hoặc cận nhiệt đới, đất trồng thích hợp
có pH từ 5-8,5. Cao lương ngọt là loại cây dễ trồng, thích ứng rộng, có khả năng
chịu hạn tốt, lượng nước cần cung cấp cho sự phát triển của chúng trong 2 vụ chỉ

bằng ¼ lượng nước trồng mía/vụ. Chi phí trồng cao lương ngọt rẻ hơn 3 lần so
với trồng mía. Thời gian sinh trưởng của cao lương ngọt ngắn (từ 100-115 ngày),
năng suất khoảng 95-125 tấn/ha [33, 37].
Cao học K17

Page 8

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Cây cao lương được trồng ở nhiều nơi trên thế giới như Mỹ, Ấn Độ,
Nigeria, Trung Quốc, Mexico, Sudan và Argentina. Bên cạnh là một cây lương
thực, do thân có hàm lượng đường cao nên cây cao lương còn được sử dụng làm
nguyên liệu cho ngành sản xuất nhiên liệu sinh học để sản xuất ethanol sinh học
thay thế cho các nguyên liệu truyền thống [19, 27, 36].
1.4. Quá trình lên men rượu từ dịch ép thân cao lương nhờ nấm men
1.4.1. Đặc điểm dịch ép thân cây cao lương ngọt
Dịch trong thân cây cao lương ngọt chứa hàm lượng đường lên men cao,
bao gồm các đường chính như: glucose, sucrose, fructose. Ngồi ra, dịch thân
cịn có một số loại đường khác như: xylose, ribose, arabinose, sorbose, galactose,
mannose, polyglucose…[22].
1.4.2. Cơ sở hoá sinh của sự lên men ethanol
Quá trình lên men ethanol nhờ nấm men là cơ sở của việc chế tạo ra
các loại rượu, bia, cồn và glycerin. Q trình này cịn được ứng dụng trong
việc làm nở bột mỳ và chế tạo một số nước giải khát.
Trong quá trình này nấm men dưới điều kiện kị khí chuyển hố glucose
thành ethanol trước hết bằng con đường Embden- Meyerhof. Phản ứng thật sự
bao gồm sự tạo thành 2 mol ethanol, 2 mol CO 2 và 2 mol ATP trên mỗi mol

glucose được lên men. Do vậy mỗi gam glucose về lý thuyết sẽ tạo ra 0,51g
rượu. Tuy nhiên sản lượng đạt được trong lên men thực tế thường không vượt
quá 90-95% con số lý thuyết. Sở dĩ như vậy là vì một phần chất dinh dưỡng đã
được sử dụng để tổng hợp sinh khối mới và cho các phản ứng liên quan tới sự
duy trì tế bào. Cũng cịn có các phản ứng phụ xảy ra (thường dẫn tới sự hình
Cao học K17

Page 9

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

thành glycerol và succinat) tiêu thụ tới 4-5% cơ chất tổng số. Nếu loại trừ được
các phản ứng này thì sản lượng ethanol có thể tăng thêm 2,7% [8].

Hình 2. Sơ đồ tổng quát quá trình lên men ethanol từ glucose
1.4.3. Quá trình lên men rượu
1.4.3.1. Quá trình lên men
Cơ chế của quá trình lên men rượu xảy ra như sau:
Đường và các chất dinh dưỡng được hấp thụ qua bề mặt tế bào nấm
men rồi thẩm thấu vào bên trong. Ở đó các enzyme sẽ tác dụng qua nhiều
giai đoạn trung gian để cuối cùng tạo ra sản phẩm chính là rượu và khí
cacbonic. Hai chất này khuếch tán và tan vào môi trường xung quanh. Rượu
có khả năng hồ tan nhanh trong dung dịch lên men, cịn khí cacbonic hồ
tan kém và khuếch tán chậm, lúc đầu hoà tan hoàn toàn, sau tạo thành các
bọt khí bám quanh tế bào nấm men, tế bào cùng bọt khí nổi dần lên, khi tới
bề mặt các bọt khí sẽ vỡ tan hợp thành tiếng động (hiện tượng men dậy).
Bọt khí tan, tế bào nấm men lại chìm xuống tiếp xúc với dịch đường để hấp

thụ và tiếp tục lên men.
Cao học K17

Page 10

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Trong quá trình lên men, có khoảng 95% đường biến thành rượu và
khí cacbonic, cịn lại sẽ chuyển hoá tạo ra các sản phẩm khác và đường sót
(bao gồm các nhóm chính như axit, este, aldehyt và các alcol có số cacbon
lớn hơn. Lên men rượu còn tạo ra các axit hữu cơ bao gồm axit acetic,
lactic, citric, pyruvic và succinic... trong đó lượng axit lactic và acetic
chiếm tỷ lệ nhiều hơn [15].
Có 2 phương pháp lên men chính bao gồm lên men tĩnh và lên men liên tục.
+ Lên men tĩnh: Các đặc trưng của phương thức này bao gồm thời
gian đòi hỏi cho việc sử dụng hoàn toàn cơ chất là 36-48 giờ, nhiệt độ được
giữ ở 20-30 0C và pH ban đầu được điều chỉnh tới 4,5. Tuỳ thuộc vào bản
chất của nguyên liệu lên men hiệu suất thu hồi đạt khoảng 90-95% con số
lý thuyết với nồng độ ethanol cuối cùng là 10-16% (w/v). Công nghệ lên
men tĩnh được dùng nhiều trong q khứ vì có thể vận hành dễ dàng, địi
hỏi thấp về khử trùng triệt để, khơng cần có cơng nhân tay nghề cao, khơng
có nguy cơ tổn thất về tài chính và nguyên liệu dễ xử lý. Tuy nhiên những
nhược điểm vốn có của hệ thống này như hiệu suất lên men thấp do thời
gian quay vòng cao và độ dài của pha lag kéo dài dẫn đến những yêu cầu
phải có những cải tiến.
+ Lên men liên tục: Lên men liên tục loại bỏ được sự hao tốn thời
gian trong lên men tĩnh. Tuy nhiên phương thức này vẫn gặp các nhược

điểm như nhiễm tạp và khó giữ được tốc độ lên men cao do tế bào nấm men
bị chết nhiều bởi thiếu oxy. Để khắc phục người ta thêm một số chất như
Tween 80, ecgosterol hay axit linolenic vào môi trường lên men hoặc cho
nấm men sinh trưởng hiếu khí trước giai đoạn lên men kị khí [7, 9].
Cao học K17

Page 11

Bùi Thị Hồng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

1.4.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men


Nồng độ oxy

Nấm men sinh trưởng cả ở điều kiện hiếu khí và kị khí. Trong điều
kiện hiếu khí nấm men sinh trưởng mạnh mẽ và tạo thành sinh khối tế bào.
Ngược lại tại điều kiện kị khí nấm men sẽ tiến hành q trình lên men và
tạo ra ethanol. Vì vậy nồng độ oxy ảnh hưởng rất lớn đến quá trình lên men
của nấm men.
Một nồng độ nhỏ oxy cần phải được cung cấp cho nấm men lên men
vì đây là thành phần cần thiết trong sự sinh tổng hợp các chất béo chưa bão
hồ và các lipid. Thơng thường oxy được giữ trong dịch lên men ở nồng độ
0,05 - 0,10mm Hg tính theo áp suất oxy. Bất cứ nồng độ nào nằm trên giới
hạn đó đều sẽ kích thích sinh trưởng, vi phạm đến sự tạo thành ethanol (xảy
ra hiệu ứng Pasteur).


Nhiệt độ

Nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đến quá trình lên men, ảnh hưởng tới tốc
độ và nồng độ cồn đạt được. Với mỗi chủng nấm men khác nhau sẽ có
khoảng nhiệt độ thích hợp cho q trình lên men. Thơng thường nhiệt độ
lên men nằm trong khoảng từ 15- 30 0 C. Nếu nhiệt độ nâng cao hơn thì giai
đoạn chuẩn bị (giai đoạn bắt đầu từ lúc cấy giống đến khi xuất hiện những
bọt khí CO 2 đầu tiên) sẽ được rút ngắn lại, lên men sẽ nhanh hơn và kết
Cao học K17

Page 12

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

thúc sớm. Tuy nhiên nếu nhiệt độ lên quá cao (trên 37 0 C) quá trình lên men
sẽ tạo ra nhiều tạp chất như: aldehyt, các loại rượu bậc cao... dẫn đến lên
men không triệt để, lượng đường sót nhiều và hiệu suất thu hồi ethanol thấp.



pH môi trường

Sinh trưởng của nấm men phụ thuộc nhiều vào pH mơi trường. pH
thích hợp cho nấm men phát triển nằm trong khoảng 4 - 6. Tuy nhiên nhiều
chủng nấm men vẫn phát triển tốt ở khoảng pH 3- 3,5. Vì vậy trong quá
trình lên men người ta có thể cho pH giảm xuống dưới 4 nhằm hạn chế sự

phát triển của các vi sinh vật không mong muốn (vi sinh vật tạp nhiễm) có
thể gây ảnh hưởng đến quá trình lên men và gây hỏng sản phẩm lên men.


Nồng độ cồn

Nấm men rất mẫn cảm với sự ức chế bởi ethanol. Nồng độ 1-2%(w/v)
đã đủ để làm chậm sinh trưởng của vi sinh vật và ở nồng độ cồn 10% (w/v)
tốc độ sinh trưởng của nấm men gần như ngừng hẳn. Bản chất của quá trình
này là rất phức tạp. Việc thêm cồn vào pha log làm giảm nhanh tốc độ sinh
trưởng của nấm men (có lẽ do tác động lên sự tổng hợp protein), giảm khả
năng sống sót của tế bào (qua sự biến tính khơng thuận ngịch của một số
enzyme), và ở một mức độ thấp hơn nhiều ethanol làm giảm tốc độ tổng
hợp của bản thân nó. Các dẫn liệu về mức độ chịu cồn của một số chủng
nấm men phụ thuộc nhiều vào thành phần axit béo trong màng tế bào chất
cho thấy rằng thành phần axit béo kích thích hoặc kìm hãm sự tiết ethanol
ra khỏi bào tương. Kết quả cũng chứng minh rằng ethanol tạo ra trong quá
Cao học K17

Page 13

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

trình lên men ức chế sự sinh trưởng của tế bào nấm men nhiều hơn là
ethanol được đưa từ ngoài vào một cách nhân tạo.
Bên cạnh các nhân tố trên còn rất nhiều các yếu tố khác cũng làm ảnh
hưởng đến quá trình lên men như nồng độ dịch đường, các chủng nấm men

dùng trong lên men và một số yếu tố vật lý khác [5, 7, 8].
1.4.4. Nấm men trong lên men rượu
1.4.4.1. Đặc điểm sinh học của nấm men
Nấm men là vi sinh vật đơn bào, có nhân điển hình sinh sản vơ tính
bằng cách nảy chồi hay phân chia trực tiếp. Đây là nhóm sinh vật dị dưỡng,
sinh trưởng cả ở điều kiện hiếu khí lẫn kị khí. Kích thước trung bình của tế
bào nấm men là 4- 10 x 2 – 8 m.
Tế bào nấm men thường có dạng hình ovan, hình cầu, hình trứng hình
quả chanh, hình elip...tuỳ thuộc vào từng lồi. Một số chủng có khuẩn ty
thật hoặc khuẩn ty giả. Khuẩn ty giả chưa hình thành sợi rõ rệt mà chỉ là
nhiều tế bào nối với nhau thành chuỗi dài. Một số khác có khuẩn ty thật với
các chồi đơn bào.
Loài nấm men sử dụng trong lên men rượu thường thuộc về chi
Saccharomyces. Đây là những chủng cho năng suất lên men cao, không tạo
ra các loại tạp chất và giữ ổn định qua các giai đoạn lên men. Đặc biệt
trong sản xuất bia có 2 loại giống được thừa nhận : nấm men nổi tức là lên
men ở nhiệt độ ttrên 10 0 C và nấm men đáy lên men ở dưới 0 0C [5].
1.4.4.2. Cấu tạo tế bào

Cao học K17

Page 14

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Nấm men là nhóm vi sinh vật nhân thật điển hình. Tế bào nấm men
thường lớn gấp 10 lần so với tế bào vi khuẩn, có cấu tạo khá hồn chỉnh.

+ Thành tế bào
Thành tế bào nấm men dày khoảng 25nm (chiếm khoảng 25% trọng
lượng khơ của tế bào). Đa số nấm men có thành tế bào được cấu tạo bởi
glucan và mannan. Một số nấm men có thành tế bào chứa kitin và mannan.
Trong thành tế bào cịn chứa khoảng 10% protein (tính theo trọng lượng
khơ), trong số protein này có một phần là các enzyme, ngồi ra cịn có một
lượng nhỏ lipid. Thành tế bào nấm men có tính thấm chọn lọc, đảm bảo cho
q trình vận chuyển chất dinh dưỡng từ mơi trường vào trong tế bào và
thải các sản phẩm trao đổi chất từ trong tế bào ra ngồi mơi trường. Đồng
thời nó cịn là cơ quan bảo vệ duy trì hình dáng kích thước... của tế bào
nấm men.
+ Màng tế bào
Lớp dưới thành tế bào là lớp màng tế bào chất. Lấy tế bào trần của
nấm men rồi đưa vào trong dịch có áp suất thẩm thấu, li tâm để lấy ra màng
tế bào chất, rửa và li tâm lại để thuần khiết màng, quan sát dưới kính hiển
vi điện tử ta sẽ thấy cấu trúc của màng bao gồm 3 tầng kết cấu khác nhau [2].
Cấu tạo chủ yếu của màng là protein (chiếm 50 %khối lượng khơ),
phần cịn lại là lipid (40%) và một ít polysaccharide.
Phần sterol trong màng tế bào chất nấm men khi được chiếu tia tử
ngoại có thể chuyển hố thành vitamin D2. Lượng sterol trong tế bào của

Cao học K17

Page 15

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

loài nấm men saccharomyces fermentati có thể chiếm tới 22% khối lượng
khơ của tế bào.
+ Nhân
Nhân của tế bào nấm men được bao bọc bởi một màng nhân như ở
các vi sinh vật có nhân thật khác. Màng nhân của nấm men có cấu trúc 2
lớp và có nhiều lỗ thủng, đây là nơi diễn ra các quá trình trao đổi giữa nhân
và tế bào chất.
Nhân của tế bào nấm men được cấu tạo bởi các protein với đầy đủ các
yếu tố di truyền như DNA, RNA, các enzyme... với số lượng khác nhau tuỳ
thuộc vào từng loài. Nhân của tế bào nấm men saccharomyces cerevisiae có
chứa 17 đơi nhiễm sắc thể. DNA trong tế bào nấm men đơn bội có khối
lượng phân tử là 1x10 10Da, so với khối lượng phân tử của DNA vi khuẩn
E.coli thì lớn hơn 10 lần nhưng so với DNA của người thì nhỏ hơn 100 lần.
Ngồi ra tế bào nấm men cũng chứa đầy đủ các thành phần bào quan
khác như ribosome, ty thể, các không bào, vi thể ...
1.4.4.3. Sinh sản
Nấm men có nhiều hình thức sinh sản khác nhau bao gồm:
+ Sinh sản vơ tính:
- Nảy chồi: là phương pháp sinh sản chủ yếu ở nấm men. Ở điều kiện
thuận lợi nấm men sinh sôi rất nhanh. Khi một chồi xuất hiện các enzyme
thuỷ phân sẽ làm phân giải một phần polysaccharide của thành tế bào làm
cho chồi chui ra khỏi tế bào mẹ.
Cao học K17

Page 16

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

- Phân cắt: Là hình thức sinh sản thấy ở chi nấm men
Schizosaccharomyces. Lối phân cắt tương tự như ở vi khuẩn. Tế bào dài ra, ở
giữa mọc ra vách ngăn chia tế bào thành 2 phần tương đương nhau, mỗi tế bào
con sẽ có một nhân.
- Bằng bào tử: Hình thành ra các bào tử như bào tử bắn, bào tử màng
dày, bào tử túi.
+ Sinh sản hữu tính: là hình thức sinh sản có sự kết hợp giữa 2 tế bào
để hình thành ra túi bào tử trong đó chứa các nhân đơn [5, 7, 8, 14].
1.4.5. Các thông số dùng để tuyển chọn các chủng nấm men
1.4.5.1. Tiêu chí chung
Chất lượng của chủng nấm men đóng vài trị quan trọng trong q
trình lên men rượu, vì vậy việc chọn lựa và sử dụng các chủng nấm men
mang ý nghĩa quyết định cho ngành sản xuất này.
Các chủng nấm men được lựa chọn dựa vào các tiêu chí sau:
- Có thể lên men được ở hàm lượng đường và hàm lượng axit cao
- Có hiệu suất lên men cao
- Chủ động được cơng nghệ và chất lượng sản phẩm tốt
- Chất lượng lên men luôn ổn định [5].
1.4.5.2. Các thông số tuyển chọn
Nhiệt độ

Cao học K17

Page 17

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Về yếu tố nhiệt độ, các chủng nấm men được tuyển chọn thường là
các chủng ưa ấm (mesophile), sinh trưởng và hoạt động tốt nhất trong
khoảng 30 0 - 37 0C vì những nguyên nhân sau đây:
- Nhiệt độ lên men cao làm tăng tốc độ sinh trưởng và năng suất khi
nấm men phát triển được ở nhiệt độ cao.
- Chi phí đầu tư giảm do tăng năng suất trên một đơn vị thể tích nồi
lên men và hạ được chi phí làm lạnh thiết bị.
- Chi phí vận hành thấp do cần ít năng lượng để giữ nhiệt độ lên men
mong muốn và để thu hồi rượu.
- Ít rủi ro nhiễm trùng hơn vì ít vi sinh vật có thể tồn tại ở nhiệt độ cao.
- Quá trình thuỷ phân tinh bột bằng enzyme thường diễn ra ở nhiệt độ
550C, có thể chuyển tiếp ngay sang lên men, nhờ đó giảm bớt chi phí.
Tốc độ sinh trưởng
Tốc độ sinh trưởng của các vi sinh vật phụ thuộc vào nhiều yếu tố,
như các chất dinh dưỡng, các chất kìm hãm và điều kiện mơi trường. Trong
môi trường dinh dưỡng chứa glucose, chủng nấm men phải đạt được tốc độ
sinh trưởng trung bình là 0,5 - 0,6 (lần nhân đôi/giờ) ở 30 0C.
Năng suất
Năng suất tế bào hoặc năng suất cồn được thể hiện bằng gam tế bào
hay gam rượu được tạo thành trong 1lit/ giờ. Đối với chủng nấm men lên
men rượu, năng suất rượu thu được từ ngũ cốc giao động trong khoảng từ
2,5 đến 4,5 g/l/h.
Sản lượng
Cao học K17

Page 18

Bùi Thị Hoàng Yến

Luận văn Thạc sĩ khoa học

Sản lượng là lượng sản phẩm được tạo thành trên một đơn vị cơ chất
bị vi sinh vật tiêu thụ. Ở nấm men cứ 1gam đường 6C sẽ tạo ra sản lượng là
0,511g rượu, chênh lệch so với con số lý thuyết của các hexosan (0,586g/g)
khoảng 2,3%, được thể hiện trong các phương trình sau:
+ Từ hexosan tới hexose:
n C6 H10O5 + n H 2 O
n 162
(1g)

n C 6 H12O6

n18

n180

(0,111g )

(1,111g)

+ Từ hexose tới ethanol
C6 H12O6

2C 2H5 OH + 2 CO 2

180

2x46

2x44

(1g)

(0,511g)

(0,489g)

Tính chịu thẩm thấu
Màng bán thấm bao quanh tế bào cần có khả năng chịu được sự biến
đổi lớn về áp suất thẩm thấu bên ngồi màng tế bào. Nếu khơng, tế bào có
thể bị phá huỷ nghiêm trọng hoặc thậm chí bị giết chết. Trong các dung
dịch nhược trương tế bào có thể bị vỡ tung, còn trong các dung dịch ưu
trương tế bào bị mất nước và co lại. Vì vậy việc tuyển chọn các chủng nấm
men có tính chịu thẩm thấu là rất quan trọng nếu không áp suất thẩm thấu

Cao học K17

Page 19

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

có thể trở thành một trong những nguyên nhân hạn chế nồng độ cơ chất (tức
nồng độ đường) tối đa.
Tính chịu cồn
Đa số các vi sinh vật không thể sinh trưởng ở nồng độ cồn vượt quá

10% (w/v) vì ở trên nồng độ này protein sẽ bị biến tính. Ngồi ra nhiệt độ
cao cũng làm giảm tính chịu cồn của vi sinh vật. Ở nhiệt độ trên 35 0 C các
chủng sản xuất thường mất khả năng sống sót ở nồng độ cồn 10%.
pH
Hầu hết vi khuẩn đều sinh trưởng được trong phạm vi pH từ 6,5 đến 7,5
(trong khoảng pH trung tính), trong khi đó nấm men và nấm mốc lại chịu được
pH từ 3,5 tới 5. Vì vậy tuyển chọn các chủng nấm men có khả năng lên men ở
pH dưới 4 là một phương pháp có hiệu quả nhằm giảm tối đa hiện tượng tạp
nhiễm các vi sinh vật không mong muốn [8].
1.5. Sản xuất ethanol từ bã cây cao lương ngọt
1.5.1. Đặc điểm cấu tạo của bã cây cao lương ngọt
Thân cây cao lương ngọt gồm hai phần: phần ruột bao gồm chủ yếu là
đường sucrose và phần vỏ ngoài là các sợi lignocellulose. Sau khi ép hết dịch
đường thì thu được bã [40]. Bã cao lương ngọt chứa 55% glucan (cellulose),
20% xylan và một lượng nhỏ arabinan (2%), hàm lượng lignin chiếm 17% trọng
lượng khơ cịn các thành phần khác chiếm 1,5% [17].
Lignin
Lignin (lignen) là một hợp chất cao phân tử có cấu trúc vơ định hình và là
một phần không thể thiếu trong cấu trúc thành tế bào bậc hai của thực vật. Nó là
một polymer của các polyphenol có cai trị tương tự như xi măng gắn chặt các
Cao học K17

Page 20

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

thành phần của thành tế bào làm cho nó rắn chắc [2]. Cấu trúc của lignin được

thể hiện ở hình 3.

Hình 3. Cấu trúc của lignin
Hemicellulose
Hemicellulose là polysaccharide trong chất nền thành tế bào thực vật, có
cấu trúc vơ định hình, dễ bị thủy phân bởi acid hoặc base nên có thể dùng nó để
tách chiết hemicellulose. Hemicellulose là một polymer ngắn, phân nhánh nhiều,
bao gồm các pentose và hexose, chủ yếu là xylan và một số homoglycan hoặc
heteroglycan và khi bị thủy phân sẽ tạo thành một hỗn hợp gồm các hexose và
pentose hay chỉ là hexose [1, 2].

Hình 4. Cấu trúc của hemicellulose
Cao học K17

Page 21

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Hemicellulose tạo thành các liên kết chéo giữa các vi sợi cellulose với nhau
làm tăng độ bền chắc của thành tế bào [2].
Cellulose
Cellulose là một polymer mạch thẳng gồm các anhydroglucose trong mối
liên kết β-1,4-glucoside. Phân tử anhydroglucose trong cellulose có dạng ghế
bành, phân tử sau quay 180o so với phân tử trước. Mức độ trùng hợp của
cellulose tự nhiên có thể đạt 10.000-14.000 đơn vị glucose trên phân tử, khối
lượng tương ứng là 1,5 triệu dalton với chiều dài phân tử có thể lớn hơn hoặc
bằng 5µm [18, 39].

Các chuỗi cellulose này có đường kính khoảng 3,0 nm, thường có các
nhóm OH tự do, vì vậy các chuỗi cellulose gần nhau thường kết hợp với nhau
tạo thành các vi sợi có đường kính khoảng 10-40 nm, những vi sợi hợp lại với
nhau thành bó gọi là micelle, giữa các sợi trong bó micelle có những khoảng
trống lớn. Khi thực vật còn non những khoảng trống ấy chứa đầy nước, còn ở tế
bào già lignin và hemicellulose chiếm đầy các khoang này [1].

Hình 5. Cấu trúc của cellulose
Cao học K17

Page 22

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Cellulose không mùi, không vị, ưa nước nhưng không tan trong nước và
hầu hết các dung mơi hữu cơ khác nhưng hồn tồn thấm nước và các chất hịa
tan, do đó nước và chất hịa tan dễ dàng thấm vào hoặc đi ra khỏi tế bào. Trong
bó sợi cellulose có mạng lưới liên kết hydro dày đặc gây cản trở enzyme tiếp cận
các liên kết glucoside và làm cho các sợi khó tách rời nhau ngay cả sau khi nhiều
liên kết glucoside đã bị cắt đứt [2]. So với tinh bột, cellulose khó tan hơn nhiều.
Để chuyển từ trạng thái tinh thể sang vô định hình, tinh bột cần đun nóng đến
khoảng 60-70oC trong nước, còn cellulose cần nhiệt độ đến 320 oC và áp suất
25mPa. Về mặt hóa học, cellulose có thể bị phân hủy thành glucose khi xử lý với
axit ở nhiệt độ cao.

Hình 6. Cấu trúc vi sợi cellulose trong thành tế bào thực vật
1.5.2. Những khó khăn trong việc đường hóa bã cây cao lương

Đường hóa bã cây cao lương là bước đầu trong quy trình sản xuất ethanol
sinh học từ bã cây cao lương. Có nhiều trở ngại khi sản xuất ethanol từ bã thải
nơng nghiệp. Những hạn chế đó là do những liên kết dày đặc giữa lignin và phần
polysaccharide của thành tế bào thực vật, cùng với phần cellulose kết tinh[12].
Cao học K17

Page 23

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Thành tế bào của bã cao lương ngọt là một phức cấu trúc bao gồm các sợi
cellulose bị bao quanh bởi hemicellulose, pectin, protein thành tế bào và các hợp
chất phenolic. Carpita và Gibeaut (1993) đã đưa ra 2 kiểu thành tế bào: kiểu I
đặc trưng cho thực vật hai lá mầm, thành tế bào có chứa nhiều pectin, protein và
xyloglucan. Kiểu II (thực vật một lá mầm-Cao lương ngọt) bao gồm một lượng
nhỏ pectin, protein và glucurono-arabinoxylan. Như vậy, monosaccharide chính
được giải phóng từ thành tế bào kiểu II là glucose, xylose và arabinose. Hàm
lượng arabinose bị giảm trong quá trình thực vật phát triển, khi đó đường chính
được giải phóng là glucose và xylose. Thành tế bào kiểu II có chứa
hydroxycinnamic, ferulic và p-coumaric acid. Chúng tạo thành mạng lưới liên
kết với glucurono-arabinoxylan và lignin tạo nên cấu trúc bậc 1 và bậc 2 [23].
Thành tế bào có cấu trúc bậc 1 bao gồm các chuỗi celllulose, hemicellulose và
một vài thành phần khác đan xen vào nhau, còn ở cấu trúc bậc 2 thành chỉ gồm
lignin (là một phức hệ polymer kị nước), có tác dụng làm cho thực vật cứng
chắc, chống lại vật kí sinh và vật truyền bệnh.

Hình7 . Cấu trúc thành tế bào thực vật

Cao học K17

Page 24

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Phức hệ cấu trúc phức tạp của thành tế bào thực vật có thể ảnh hưởng đến
khả năng phân giải của enzyme cellulase (enzyme dùng để phân giải cellulose
thành đường). Chang và Holtzapple (2000) nhận ra rằng lignin chính là một nhân
tố quan trọng ảnh hưởng đến sự phân hủy của enzyme. Draude et al. (2001) đã
chỉ ra rằng loại bỏ 67% lignin ra khỏi bột gỗ mềm sẽ làm tăng 88% lượng
glucose được tạo thành và tốc độ thủy phân cellulose cũng tăng gấp đôi [26].
Lignin giống như một cái khiên bao xung quanh cellulose, hemicellulose
để bảo vệ chúng khỏi bị enzyme tấn công. Để chuyển hóa bã cao lương ngọt
thành ethanol thì cellulose phải được thủy phân bởi cellulase. Chính vì thế, bằng
việc loại bỏ lignin sẽ làm cho cellulose nhạy cảm với cellulase và cho phép nấm
men chuyển hóa glucose thành ethanol trong quá trình lên men. Bởi vậy, tiền xử
lý bã cao lương để loại lignin, làm giảm cellulose tinh thể và tăng bề mặt tiếp
xúc với enzyme là một điều vô cùng cần thiết.
Để tăng hiệu quả thủy phân của cellulase, người ta phải tiến hành tiền xử
lý bã cây cao lương ngọt. Có rất nhiều phương pháp xử lý bã như xử lý bằng hơi
nước, bằng acid, base…mỗi phương pháp đều có thế mạnh riêng và thích hợp
với từng loại bã thực vật nhất định [12].
1.6. Sản suất ethanol từ hạt cây cao lương ngọt
1.6.1. Cấu tạo tinh bột
Tinh bột là một polysaccharide dự trữ thực vật phổ biến nhất, là chất dinh

dưỡng chủ yếu nhất của con người, có cơng thức hóa học (C 6H10O5)n). Tinh bột
chủ yếu được tích trữ trong các loại hạt, đặc biệt là các hạt hòa thảo và các loại
củ. Trong tế bào, tinh bột tồn tại ở dạng các hạt có kích thước bé.
Đại phân tử này chứa hỗn hợp gồm amylose và amylopectin, tỷ lệ phần
trăm amilose và amilopectin thay đổi tùy thuộc vào từng loại tinh bột, tỷ lệ này
Cao học K17

Page 25

Bùi Thị Hoàng Yến