Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu công nghệ chuyển hóa gỗ (Tràm bông vàng) thành Bioethanol bằng phương pháp SHF (Separate Hydrolysis and Fermentation)

New Text Document.txt
NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ CHUYỂN HĨA GỖ (TRÀM BÔNG VÀNG) THÀNH BIOETHANOL BẰNG PHƯƠNG
PHÁP SHF(SEPARATE HYDROLYSIS AND FERMENTATION)
VĂN BẢO HUY
NGUYỄN ĐÌNH QUÂN (giảng viên hướng dẫn)
TRẦN THỊ TƯỞNG AN (giảng viên hướng dẫn)
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017

Page 1


Đồ án tốt nghiệp

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do bản thân thực hiện và khơng sao
chép dưới bất kỳ hình thức nào. Nghiên cứu do tơi tiến hành tại phịng thí nghiệm
Nhiên liệu sinh học và Biomass, ĐH Bách Khoa, ĐH Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh.
Các số liệu trong đề tài có nguồn gốc rõ ràng, tuân thủ đúng nguyên tắc. Kết quả
trình bày trong đề tài được thu thập trong quá trình nghiên cứu là trung thực và chưa
từng được cơng bố trước đây.
Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm nội dung khoa học đề tài nghiên cứu này.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017
Sinh viên thực hiện

Văn Bảo Huy


Đồ án tốt nghiệp

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, xin gửi đến TS. Nguyễn Đình Quân, ThS. Trần Thị Tưởng An cùng anh

Nguyễn Anh Duy và các bạn Nguyễn Minh Thiện, Võ Thị Thảo Trang, Trần Thị Ánh
Nguyệt đang nghiên cứu và làm đồ án tại phịng thí nghiệm Nhiên liệu sinh học và
Biomass, ĐH Bách Khoa, ĐH Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh lời cảm tạ sâu sắc vì đã tạo
mọi điều kiện thuận lợi, trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt trong suốt thời gian qua.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý thầy cô của trường Đại học Cơng
Nghệ Tp. HCM nói chung, q thầy cơ khoa Cơng Nghệ Sinh Học – Thực Phẩm – Mơi
Trường nói riêng đã tận tình dạy dỗ, giúp em hồn thiện kiến thức, các kỹ năng chuyên
môn và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập.
Đặc biệt, con xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ba mẹ đã nuôi dạy con nên người.
Ba mẹ luôn là chỗ dựa vững chắc nhất để con bước đi trên con đường đời khi vấp ngã
ln có ba mẹ động viên tinh thần cho con.
Vì chưa có nhiều kinh nghiệm, chỉ dựa vào kiến thức hạn hẹp cùng với thời gian
ngắn ngủi nên chắc chắn không tránh khỏi những sai sót. Kính mong nhận được sự góp
ý của q thầy, cô để kiến thức của chúng em ngày càng hồn thiện hơn, rút ra được
những kinh nghiệm bổ ích cho quá trình học tập, làm việc sau này.
Cuối cùng, xin kính chúc q thầy cơ của trường Đại học Công Nghệ Tp. HCM
dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp cao q của mình. Đồng kính chúc
q thầy cơ, anh chị và các bạn của phịng thí nghiệm Nhiên liệu sinh học và Biomass,
ĐH Bách Khoa, ĐH Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh ln dồi dào sức khỏe và đạt được
nhiều thành công tốt đẹp trong cuộc sống.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017
Sinh viên thực hiện

Văn Bảo Huy


Đồ án tốt nghiệp


Đồ án tốt nghiệp

MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..............................................................................iv
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................... v
DANH MỤC HÌNH .......................................................................................................vi
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ....................................................................... 4

1.1. Sơ lược về cồn sinh học .................................................................................. 4
1.1.1. Khái niệm ..................................................................................................... 4
1.1.2. Các thế hệ bioethanol................................................................................... 4
1.1.3. Tình hình sản xuất bioethanol thế giới và trong nước ................................. 5
1.1.4. Quy trình sản xuất bioethanol ...................................................................... 7
1.2. Nguyên liệu lignocellulose.............................................................................. 8
1.2.1. Khái niệm ..................................................................................................... 8
1.2.2. Thành phần cấu trúc lignocellulose ............................................................. 9
1.3. Cây tràm bông vàng ở Việt Nam (Acacia auriculiformis) ........................... 11
1.3.1. Sơ lượt về cây tràm bông vàng................................................................... 11
1.3.2. Phương pháp sản xuất bioethanol từ gỗ tràm bông vàng ........................ 13
1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ................................................... 23
CHƢƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................ 27

2.1. Địa điểm và thời gian nghiên cứu ................................................................. 27
2.2. Nguyên vật liệu ............................................................................................. 27
2.2.1 Mùn cưa từ gỗ cây tràm bông vàng ............................................................ 27
2.2.2. Acremonium cellulase ................................................................................ 27
2.2.3. Saccharomyces cerevisiae.......................................................................... 28
2.2.4. Hóa chất sử dụng........................................................................................ 28
2.3. Các thiết bị sử dụng....................................................................................... 29

2.4. Bố trí thí nghiệm ........................................................................................... 31

i


Đồ án tốt nghiệp

2.4.1. Sơ đồ quy trình ........................................................................................... 32
2.4.2. Trình tự và Bố trí thí nghiệm ..................................................................... 33
2.5. Các phương pháp phân tích ........................................................................... 41
2.5.1. Phương pháp phân tích hàm lượng ẩm...................................................... 41
2.5.2. Phương pháp phân tích thành phần cellulose, lignocellulose, lignin và
hàm lượng tro trong nguyên liệu biomass ........................................................... 42
2.5.3. Phương pháp cấy và giữ giống nấm men................................................... 46
2.5.4. Phương pháp nhân giống và hoạt hóa giống nấm men ............................. 46
2.5.5. Định lượng mật độ tế bào bằng phương pháp đếm khuẩn lạc .................. 47
2.5.6. Phương pháp xác định hai loại đường và ethanol bằng máy HPLC......... 47
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................................................. 48

3.1. Khảo sát chủng nấm men S.cerevisiae sử dụng trong đề tài......................... 48
3.1.1. Đặc điểm hình thái của nấm men............................................................... 48
3.1.2. Đường cong sinh trưởng của S.cerevisiae ................................................. 48
3.2. Phân tích mẫu nguyên liệu ban đầu .............................................................. 50
3.3. Tiền xử lý ...................................................................................................... 50
3.3.1. Khảo sát kích thước nguyên liệu ................................................................ 50
3.3.2. Chọn tác chất tiền xử lý ............................................................................. 51
3.3.3. Thành phần mẫu sau tiền xử lý với NaOH................................................. 53
3.3.4. Thời gian tiền xử lý và tỉ lệ khối lượng mẫu/ khối lượng dung dịch.......... 54
3.4. Quá trình thủy phân ....................................................................................... 55
3.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình thủy phân ..................... 55

3.4.2. Khảo sát tác động của tỷ lệ enzyme bổ sung đến quá trình thủy phân ...... 56
3.4.3. Khảo sát pH ảnh hưởng đến quá trình thủy phân...................................... 58
3.4.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thủy phân....................... 59
3.5. Khảo sát lên men ........................................................................................... 60
3.5.1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình lên men ........................ 60
3.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của pH môi trường ban đầu đối với hiệu quả của quá
trình lên men......................................................................................................... 61
ii


Đồ án tốt nghiệp

3.5.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình lên men .......................... 63
3.5.4. Khảo sát tỷ lệ nấm men bổ sung trong quá trình lên men ......................... 63
3.5.5. Khảo sát ảnh hưởng của thành phần chất dinh dưỡng bổ sung ................ 64
CHƢƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ................................................................... 66

4.1. Kết luận ......................................................................................................... 66
4.2. Đề nghị .......................................................................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 68
PHỤ LỤC

iii


Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

-

CSL: Corn steep liquor

-

HPLC: High Performance Liquid Chromatography

-

KHV: Kính hiển vi

-

STT: Số thứ tự

-

SHF: Separate Hydrolysis and Fermentation

-

SSF: Simultaneous Saccharification Fermentation

-

SSCF: Simultaneous Saccharification and Cofermentation

-

UV-VIS: Ultraviolet–visible spectroscopy

-

VSV: Vi sinh vật

iv


Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Tình hình một số nhà máy bioethanol tại Việt Nam…………………..6
Bảng 1.2. Thành phần của vài loại lignocellulose……………………………….9
Bảng 1.3. Ưu, nhược điểm của một số phương pháp lên men………………….14
Bảng 1.4. Các phương pháp tiền xử lý hiện nay………………………………..17
Bảng 2.1. Các hóa chất sử dụng……………………………………………...…28
Bảng 2.2. Bố trí thí nghiệm xác định kích thước hạt thích hợp………...………33
Bảng 2.3 Bố trí thí nghiệm lựa chọn tác nhân tiền xử lý………….……………35
Bảng 2.4. Bố trí thí nghiệm xác định thời gian tiền xử lý………………………36
Bảng 2.5. Bố trí thí nghiệm xác định tỉ lệ bã/dung dịch………..………………37
Bảng 3.1. thành phần phần trăm các chất có trong mẫu mùn cưa gỗ ban đầu….50
Bảng 3.2. Thành phần phần trăm các chất có trong mẫu mùn cưa gỗ tràm bông
vàng sau khi tiền xử lý với NaOH 4%.................................................................53

v


Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Quy trình sản xuất bioethanol………………………………………….8
Hình 1.2. Cơng thức hóa học của cellulose………………………………………9
Hình 1.3. Các dạng cấu trúc của hemicellulose …….………………………….10
Hình 1.4. Các đơn vị cơ bản của lignin…………………………………………11
Hình 1.5. Gỗ và cây tràm bơng vàng…………..……………………………….12
Hình 1.6. Nguồn cung dăm gỗ của Việt Nam và các nước trên thế giới…...….13
Hình 1.7. Sơ đồ quy trình sản xuất bioethanol………………...………………..16
Hình 1.8. Sơ đồ đường phân……………………………...…………………….22
Hình 1.9. Sự tạo thành ethanol từ glucose…………………………...…………23
Hình 2.1. Mùn cưa gỗ tràm bơng vàng…………………………………………27
Hình 2.2. Hệ thống sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC)…………………………30
Hình 2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm……………………….………………………32
Hình 3.1. Đặc điểm đại thể (a) và vi thể (b) của S.cerevisiae…………………..48
Hình 3.2. Đường cong sinh trưởng của S.cerevisiae theo thời gian trên mơi
trường SDB………………………………………………………………..……49
Hình 3.3. Ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu đến hiệu suất tách lignin.…..51
Hình 3.4. Ảnh hưởng của các tác chất tiền xử lý đối với hiệu suất lignin tách ra.
……………………………………………………………………...….………..52
Hình 3.5. Sự thay đổi của hiệu suất tách lignin theo thời gian…………………54
Hình 3.6. Sự phụ thuộc của lượng lignin tách ra vào tỉ lệ khối lượng mẫu/ khối
lượng dung dịch……...………………………………………………………….54
Hình 3.7. Nồng độ glucose và xylose được khảo sát theo thời gian……………56
Hình 3.8. Hàm lượng glucose và xylose thay đổi khi khảo sát các tỷ lệ enzyme
khác nhau từ 1% đến 9%......................................................................................57
vi


Đồ án tốt nghiệp

Hình 3.9. Hàm lượng đường thay đổi khi khảo sát các giá trị của pH….………58

Hình 3.10. Hàm lượng glucose, xylose theo nhiệt độ thủy phân……...………..59
Hình 3.11. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình lên men…...……………….60
Hình 3.12. Ảnh hưởng của pH môi trường ban đầu với quá trình lên men….…62
Hình 3.13. Ảnh hưởng của nhiệt độ với quá trình lên men…………….……….63
Hình 3.14. Ảnh hưởng của tỉ lệ bổ sung nấm men đến quá trình SHF…………64
Hình 3.15. Hàm lượng glucose, xylose và ethanol theo chất dinh dưỡng bổ
sung………………………………………………………………………..……65

vii


Đồ án tốt nghiệp

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, thế giới đang đứng trước nguy cơ khủng hoảng năng lượng trầm trọng,
Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới, nguồn năng lượng từ các sản phẩm
hoá thạch dầu mỏ sẽ bị cạn kiệt trong vòng 40 - 50 năm nữa. Để ổn định và đảm bảo an
ninh năng lượng đáp ứng cho nhu cầu con người cũng như các ngành công nghiệp, các
nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu tìm ra những nguồn nhiên liệu mới. Trong đó,
nghiên cứu phát triển nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ sinh khối động, thực vật là
một hướng đi có thể tạo ra nguồn nhiên liệu thay thế phần nào nguồn nhiên liệu hoá
thạch đang cạn kiệt; đảm bảo an ninh năng lượng cho từng quốc gia.
Theo báo cáo của tổ chức Forest Trends, mỗi năm Việt Nam xuất khẩu dăm gỗ
sang Nhật Bản, Trung Quốc, Đài Loan để làm bột giấy lên đến gần 10 triệu tấn khơ,
trong đó chiếm 70 % là dăm gỗ tràm bông vàng. Từ năm 2011 đến nay, Việt Nam là
quốc gia xuất khẩu dăm gỗ lớn trên thế giới và có diện tích trồng tăng từ 150.000 đến
200.000 hecta/năm. Dăm gỗ và đặc biệt là mùn cưa tràm thải ra trong quá trình sản
xuất là rất lớn gần 1 triệu tấn khô tập trung dễ thu gom hơn rơm rạ và các nguyên liệu
tinh bột. Vùng nguyên liệu dăm gỗ cụ thể là tràm bông vàng và keo lai (một lồi tương

tự như tràm bơng vàng) lớn nhất tập trung tại miền Trung. Đây cũng là nơi có các nhà
máy sản xuất cồn sinh học có quy mơ lớn nhất cả nước như Dung Quất (Quảng Ngãi),
nhưng các nhà máy này chỉ sử dụng nguồn nguyên liệu tinh bột khó thu mua.
Dựa vào thành phần chủ yếu của tràm bơng vàng là cellulose và hemicellulose,
qua q trình thủy phân và lên men, chuyển hoá cellulose trong gỗ thành Bioethanol.
Với những ưu điểm như rẻ tiền, phổ biến, mùn cưa gỗ tràm sẽ là một nguồn nguyên
liệu tiềm năng trong quá trình nghiên cứu sản xuất Bioethanol.
Vậy nên chúng ta có thể kết hợp nguyên liệu ở các vùng có cơ sở sản xuất để phát
triển bioethanol thế hệ thứ 2 sẽ mang đến các ý nghĩa thiết thực sau:

1


Đồ án tốt nghiệp

- Phù hợp với xu hướng phát triển của sản xuất bioethanol nói riêng và ngành năng
lượng nói chung.
- Nếu thành cơng thì sẽ tận dụng được nguồn mùn cưa, phế phụ phẩm lâm nghiệp
khổng lồ hiện nay.
- Phù hợp với an ninh lương thực thế giới thay thế nguyên liệu tinh bột và đường bằng
lignocellulose trong cơng nghiệp sản xuất bioethanol.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích của đề tài là nghiên cứu khảo sát thực nghiệm hướng đến xây dựng
cơng nghệ chuyển hóa gỗ (tràm bơng vàng) thành bioethanol bằng phương pháp thủy
phân và lên men không đồng thời (SHF) sử dụng

Acremomium cellulase và

Saccharomyces cerevisiae ở quy mơ phịng thí nghiệm.
3. Nội dung nghiên cứu

Để tối ưu khả năng chuyển hóa bioethanol từ mùn cưa tràm cần nghiên cứu:
 Đối với quá trình tiền xử lý:
- Khảo sát ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu.
- Khảo sát thành phần mùn cưa gỗ ban đầu và sau tiền xử lý.
- Khảo sát quá trình tiền xử lý bằng NaOH và H2SO4.
- Khảo sát thời gian tiền xử lý và tỉ lệ khối lượng mẫu/ khối lượng dung dịch
 Đối với quá trình thủy phân và lên men không đồng thời (SHF):
- Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến từng giai đoạn thủy phân và lên men.
- Khảo sát ảnh hưởng của pH và nhiệt độ đến hai giai đoạn thủy phân và lên men.
- Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ enzyme bổ sung vào giai đoạn thủy phân.
- Khảo sát ảnh hưởng của mật độ nấm men đến giai đoạn lên men.
- Khảo sát ảnh hưởng của chất dinh dưỡng bổ sung đến giai đoạn lên men.

2


Đồ án tốt nghiệp

4. Thời gian và địa điểm nghiên cứu
Đồ án được thực hiện tại phịng thí nghiệm Nhiên liệu sinh học và Biomass, ĐH
Bách Khoa, ĐH Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh trong thời gian từ tháng 03/04/2017 đến
tháng 16/07/2017.
5. Hạn chế của đề tài
Do quỹ thời gian khơng cho phép đồ án chỉ tiến hành các thí nghiệm tiền xử lý
với NaOH và H2SO4 nhằm thu nhận được cellulose, chưa đa dạng được các phương
pháp tiền xử lý ảnh hưởng trực tiếp đến các quá trình sau.

3

Đồ án tốt nghiệp

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Sơ lƣợc về cồn sinh học
1.1.1. Khái niệm
Bioethanol (ethanol sinh học) là một loại nhiên liệu sinh học dạng cồn, được sản
xuất bằng con đường sinh học, chủ yếu bằng phương pháp lên men và chưng cất các
loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn, thường được sản xuất
từ các loại cây nông nghiệp hàm lượng đường cao như bắp, lúa mì, lúa mạch, mía.
Ngồi ra, bioethanol cịn được sản xuất từ các loại cây có chứa hợp chất cellulose.
Hiện nay, các nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, ước tính trữ lượng
dầu mỏ của thế giới đến năm 2050 sẽ cạn. Trong khi đó, hoạt động sống của con người
rất cần năng lượng. Mặt khác, nguồn năng lượng hóa thạch khi sử dụng đã gây ra các
vấn đề nghiêm trọng về ô nhiễm mơi trường, hiệu ứng nhà kính. Chính vì vậy, nhu cầu
về nguồn nguyên liệu thay thế cho xăng dầu đang là vấn đề cấp thiết cho tồn thế giới
nói chung và Việt Nam nói riêng. Việc đầu tư nghiên cứu “nhiên liệu sạch”- nhiên liệu
sinh học bioethanol đang trở thành đề tài được quan tâm hàng đầu trên thế giới [26].
1.1.2. Các thế hệ bioethanol
Dựa vào nguyên liệu sản xuất, bioethanol được chia làm 3 thế hệ:
 Bioethanol thế hệ thứ nhất
Bioethanol thế hệ thứ nhất là nguồn nguyên liệu chứa nhiều tinh bột và đường.
Nói chung bioethanol có thể được tạo thành từ những ngun liệu carbonhydrate có
cơng thức chung là (CH2O)N và nó có thể được chia thành 3 nhóm : đường, tinh bột và
sinh khối lignocellulosic.Bioethanol thế hệ thứ nhất là khái niệm đề cập tới nguồn cây
trồng, đây cũng chính là nguồn dinh dưỡng cho con người và động vật như: các loại
cây ngũ cốc, cây lấy đường [17].
 Bioethanol thế hệ thứ hai
Nguyên liệu thô sử dụng để sản xuất bioethanol thế hệ thứ 2 được đề cập ở đây
là các sản phẩm không phải là nguồn thực phẩm, thường là sinh khối lignocellulosic.
4

Đồ án tốt nghiệp

Các nguyên liệu này đại diện cho các hình thể chứa nhiều cacbon trên trái đất như các
loại phế phẩm nông nghiệp ( rơm, bã bắp (vỏ bắp, râu bắp, cùi bắp), gỗ thải, mùn cưa,
phế phẩm lâm nghiệp, bã mía, các loại cỏ… )[17].
 Bioethanol thế hệ thứ ba
Tảo biển là nguyên liệu tốt nhất trong nhóm này địi hỏi ít đất đai canh tác và
nguồn nước sạch cho trồng trọt, tiêu biểu cho nguồn sinh khối rất đáng quan tâm để sản
xuất ra bioethanol [17].
1.1.3. Tình hình sản xuất bioethanol thế giới và trong nước
 Thế giới
Brazil là nước đi đầu trong việc sản xuất và ứng dụng bioethanol trên thế giới.
Brazil đã thành công trong việc sản xuất bioethanol theo quy mô công nghiệp từ những
năm 1970 khi nước này phụ thuộc nặng nề vào dầu nhập khẩu. Ngày nay, toàn bộ xe
hơi ở Brazil sử dụng xăng có pha ít nhất 25% ethanol, và 60% số xe có khả năng “linh
động về nhiên liệu” (có thể sử dụng 100% ethanol làm nhiên liệu). Brazil sản xuất
bioethanol hầu như chỉ từ cây mía. Trong mơ hình này, mỗi tấn mía cho năng suất 72
lít ethanol. Loại ethanol này có thể được tinh lọc thêm để pha vào xăng, hoặc dùng làm
ethanol nhiên liệu tinh. Rõ ràng con số này cho thấy có rất nhiều thành phần khơng
được sử dụng trong q trình chuyển hóa biomass thành ethanol. Hầu hết những thành
phần này là hemicellulose và cellulose.
Nước Mỹ đang bám theo Brazil và đầu tư mạnh vào sản xuất nhiên liệu sinh học.
Hiện tại Mỹ đang sử dụng tồn bộ xăng có pha 10% ethanol, với những cải tiến nhằm
tăng tỉ số này. Trong tương lai, Colombia bắt buộc những thành phố có dân số trên
500.000 dân phải bán xăng có pha 10% ethanol. Ở Venezuela, công ty dầu Quốc gia
đang hỗ trợ dự án xây dựng 15 nhà máy chế cồn từ mía trong 5 năm tới khi chính phủ
sắp ban hành đạo luật bắt buộc sử dụng xăng E10 (pha 10% ethanol). Ở Đông Nam Á,
Thái Lan đã ban hành luật cho sử dụng xăng pha 10% ethanol bắt đầu từ 2007 [20].

5


Đồ án tốt nghiệp

 Việt Nam
Ở Việt Nam, công nghiệp sản xuất ethanol đã được hình thành. Phần đơng các
nhà máy ethanol sản xuất từ rỉ đường mía, tinh bột dùng làm ethanol cho thực phẩm và
công nghiệp (bảng 1.1). Tổng cộng năng suất là 25 triệu lít/năm, trong đó có 3 nhà máy
sản xuất 15000 – 30000 lít/ngày là nhà máy đường Lam Sơn, nhà máy đường Hiệp
Hoà và nhà máy rượu Bình Tây và hàng trăm cơ sở sản xuất 3000 – 5000 lít/ngày.
Tập Đồn Dầu Khí Việt Nam (PetroVietNam) đã giao cho Tổng cơng ty Dầu Khí
Việt Nam (Petrosetco), đơn vị thành viên của PetroVietnam việc phát triển năng lượng
sinh học. Ngày 09/03/2007, Petrosetco ký kết với tập đoàn Itochu Nhật Bản hợp tác
thành lập liên doanh xây dựng nhà máy sản xuất bioethanol đầu tiên tại Việt Nam phục
vụ cho hoạt động công nghiệp và giao thơng vận tải với cơng suất 100 triệu lít/năm.
Xăng sinh học E5 do PetroVietnam pha chế chính thức có mặt trên thị trường từ ngày
01/08/2010 và được bán tại hơn 153 điểm kinh doanh xăng dầu của PetroVietnam cũng
như các đại lý tại một số tỉnh, thành phố lớn trên cả nước.
Bảng 1.1. Tình hình một số nhà máy bioethanol tại Việt Nam
STT

Tên nhà máy

Cơng suất

Địa điểm

Tình trạng

1

Nhà máy ethanol nhiên

130 triệu

Đại Lộc, Quảng

Đang sản xuất

liệu - Cty Đồng Xanh

lít/năm

Ngãi

Nhà máy sản xuất ethanol

70 triệu

Đồng Nai

nhiên liệu Cty Tùng Lâm

lít/ năm

Nhà máy sản xuất ethanol

70 triệu

Lô CN5 khu CN

nhiên liệu – Cty TNHH

lít/ năm

Tâm Thắng, Đắc

2

3

Đại Việt
4

Dừng hoạt
động
Đang sản xuất

Nơng

Nhà máy sản xuất ethanol

100 triệu

Khu CN Dung

Dừng hoạt

sinh học Dung Quốc (Cty

lít/ năm

Quốc, Quảng Ngãi

động

Nhiên liệu miền Trung )
Nguồn: Khoa học và công nghệ, số 9 -08/2012.

6


Đồ án tốt nghiệp

Ngày 20/11/2007, "Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm
nhìn đến năm 2025" đã được Thủ tướng Chính phủ ký quyết định số177/2007/QĐTTG với mục tiêu phát triển năng lượng, một dạng năng lượng mới, tái tạo được
thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng
lượng và bảo vệ môi trường.
Nhà máy Ethanol Đại Tân có cơng suất 125 triệu lít/năm.. Ngày 05/08/2010, cơng
ty Đồng Xanh tổ chức lễ công bố xăng sinh học sản xuất ở Việt Nam với tỷ lệ cồn
lên tới 99.8%. Sản phẩm đã bán ra trên thị trường Việt Nam và sử dụng cho động cơ
với tên thương mại xăng E5.
Hiện nay nhà máy ethanol Đại Tân đã tạm dừng hoạt động kể từ tháng 6/2012,
đến quý I/2013 nhà máy sản xuất ethanol Bình Phước có cơng suất 100 triệu lít/năm
cũng đã phải tạm ngừng sản xuất do giá nguyên liệu đầu vào cao trong khi nhu cầu tiêu
thụ ethanol nhiên liệu nội địa khơng đáng kể.
1.1.4. Quy trình sản xuất bioethanol
Bioethanol có thể được sản xuất từ ba loại nguyên liệu: đường (từ mía đường, củ

cải đường, mật đường và trái cây), tinh bột ( từ ngô, sắn, khoai tây) và cellulose (từ gỗ,
phế thải nông nghiệp, chất thải từ bột giấy và giấy nhà máy) (hình 1.1). Trong số ba
loại nguyên liệu chính, cellulose chứa trong sinh khối lignocellulosic là nguồn sinh
khối tồn cầu phổ biến nhất có thể sử dụng cho sản xuất ethanol sinh học.
Quá trình lên men sản xuất ethanol gồm các khâu: tiền xử lý nguyên liệu và 2 giai
đoạn: Thủy phân nguyên liệu (đường hóa) và lên men.
Thủy phân (đường hóa) là quá trình chuyển hố ngun liệu thành các đường
đơn chủ yếu như glucose, xylose. Lên men là q trình chuyển hố các phân tử đường
thành ethanol. Sản xuất ethanol từ mùn cưa tràm có thể thực hiện bằng phương pháp
“Thủy phân và Lên men riêng biệt” (separate hydrolysis and fermentation – SHF) hoặc
bằng phương pháp “Đường hóa và Lên men đồng thời” (simultaneous saccharification
and fermentation - SSF) hay phương pháp đồng đường hóa và đồng lên men (SSCF)
7


Đồ án tốt nghiệp

đường hóa và lên men đồng thời bởi nhiều giống vi sinh vật khác nhau. Phương pháp
này có nhiều đặc điểm giống SSF.

Đường
Lên men
Tinh bột
Thủy phân

Lên men

Chưng
cất

Bioethanol
và đồng
sản phẩm

Cellulose
Tiền xử lý

Thủy phân

Lên men

Hình 1.1 Quy trình sản xuất bioethanol [4].
1.2. Nguyên liệu lignocellulose
1.2.1. Khái niệm
Lignocellulose là nguyên liệu biomass phổ biến nhất trên trái đất. Lignocellulose
dùng trong sản xuất bioethanol có trong phế phẩm nơng nghiệp, trong sản phẩm phụ
của công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy; có trong rác thải rắn của thành phố... Với
thành phần chính là cellulose, lignocellulose là một nguồn nguyên liệu to lớn cho việc
sản xuất bioethanol (bảng 1.2). Về cơ bản, trong lignocellulose, cellulose tạo thành
khung chính và được bao bọc bởi những chất có chức năng tạo mạng lưới như
hemicellulose và kết dính như lignin. Cellulose, hemicellulose và lignin sắp xếp gần
nhau bằng liên kết cộng hóa trị [8]. Gỗ tràm bông vàng là một dạng vật liệu
lignocellulose.

8


Đồ án tốt nghiệp

Bảng 1.2. Thành phần của vài loại lignocellulose.

Chất
Nguồn

Cellulose

Xylose

Mannose

Galactose

Arabinose

Lignin

trích
ly

Gỗ vân

41.9

6.1

14.3

-

1.2

27.1

9.6

Gỗ thơng

37.7

4.6

7.0

-

-

27.5

10.8

Gỗ bu lơ

38.2

18.5

1.2

-

-

22.8

4.8

49.9

17.4

4.7

1.2

1.8

18.1

-

cây bắp

36.4

18.0

0.6

1.0

3.0

16.6

7.3

lúa mì

38.2

21.2

0.3

0.7

2.5

23.4

13

sam

Gỗ
dương

Theo Hetti Palonen [8].
1.2.2. Thành phần cấu trúc lignocellulose
1.2.2.1 Cellulose

Các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản. Các sợi này được gắn lại với nhau
nhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi sợi, với chiều rộng khoảng 25nm. Các vi sợi
này được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp bảo vệ cellulose khỏi sự tấn cơng
của ezyme cũng như các hóa chất trong q trình thủy phân. Cellulose là một polymer
mạch thẳng của D-glucose ( hình 1.2 ), các D-glucose được liên kết với nhau bằng liên
kết β-1,4 glucoside [5]. Cellulose là loại polymer phổ biến nhất trên trái đất,độ trùng
hợp đạt được 3.500 – 10.000 DP [3] .

Hình 1.2. Cơng thức hóa học của cellulose
9


Đồ án tốt nghiệp

1.2.2.2 Hemicellulose
Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng
70 - 200 DP. Hemicellulose chứa cả đường C6 gồm glucose, mannose, galactose và
đường C5 gồm xylose và arabinose. Thành phần cơ bản của hemicellulose là β-D
xylopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết β-(1,4) [5].

H nh 1.3. Các dạng cấu trúc của hemicellulose
1.2.2.3 Lignin
Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở (hình 1.4). Trong tự nhiên, lignin chủ
yếu đóng vai trị chất liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng
cellulose và hemicellulose, rất khó để có thể tách lignin ra hoàn toàn [5].

10


Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.4. Các đơn vị cơ bản của lignin
Cấu trúc của lignin đa dạng, tùy thuộc vào loại gỗ, tuổi của cây hoặc cấu trúc của
nó trong gỗ. Ngoài việc được phân loại theo lignin của gỗ cứng, gỗ mềm và cỏ, lignin
có thể được phân thành hai loại chính: guaicyl lignin và guaicyl-syringly lignin.
Gỗ mềm chứa chủ yếu là guaiacyl, gỗ cứng chứa chủ yếu syringyl. Nghiên cứu
chỉ ra rằng guaiacyl lignin hạn chế sự trương nở của xơ sợi và vì vậy loại ngun liệu
đó sẽ khó bị tấn cơng bởi enzyme hơn syringyl lignin.
Do sự liên kết chặt chẽ của lignin với mạng cellulose và hemicellulose nên yêu
cầu cần một quá trình tiền xử lý nguyên liệu ban đầu để phá vỡ cấu trúc giữa lignin –
cacbohydrate giải phóng cellulose, giúp cho q trình thủy phân bằng enzyme hay acid
diễn ra dễ dàng hơn.
1.3. Cây tràm bông vàng ở Việt Nam (Acacia auriculiformis)
1.3.1. Sơ lượt về cây tràm bông vàng
Gỗ tràm bông vàng là một dạng ngun liệu lignocellulose . Tràm bơng vàng có
danh pháp khoa học là Acacia auriculiformis là một loài cây thuộc họ Fabaceae chi
Keo (Acacia). Loài này trong tiếng Việt cịn có tên gọi khác là keo lưỡi liềm, tên này
được sử dụng nhiều khi loài này mới nhập nội vào Việt Nam (thập kỷ 1960-1970), sau
này người ta sử dụng rộng rãi tên gọi keo lá tràm. Keo lá tràm được phân bố tự nhiên ở
vùng Indonesia và Papua New Guinea. Hiện tại được trồng rộng rãi tại nhiều Quốc gia
ở vùng nhiệt đới trong đó có Việt Nam.

11


Đồ án tốt nghiệp

H nh 1.5. Gỗ và cây tràm bông vàng
Tràm bông vàng được trồng rất nhiều trên khắp cả nước và là nguồn dăm gỗ, làm
giấy xuất khẩu hàng đầu của Việt Nam (hình 1.5). Từ năm 2011 đến nay, Việt Nam là

quốc gia xuất khẩu dăm gỗ lớn trên thế giới và có diện tích rừng trồng tăng từ 150,000
đến 200,000 hecta/năm. Hàm lượng cellulose trong tràm bông vàng cao, lên đến 42%
khối lượng với sợi cellulose dài và bền, nên được sử dụng làm nguyên liệu chế biến bột
giấy. Mỗi năm Việt Nam xuất khẩu dăm gỗ sang Nhật Bản, Trung Quốc và Đài Loan
để làm bột giấy lên đến gần 10 triệu tấn khơ (Hình 1.6), trong đó chiếm 70% là gỗ tràm
bơng vàng [19]. Để chế biến dăm gỗ, cây được vát bỏ cành, nhánh rồi bóc vỏ trước khi
băm thành những miếng gỗ dăm domino. Phần cành, nhánh, vỏ cây … là phụ phẩm của
q trình sản xuất lâm nghiệm này, ước tính chiếm 20% khối lượng tổng thể của cá thể

12


Đồ án tốt nghiệp

cây. Phần phụ phẩm này được băm nghiền thành mùn cưa để bán làm chất đốt với giá
thành tương đối thấp nhưng vẫn cịn lãng phí rất nhiều vì khơng sử dụng hết. Nguồn
lignocellulose này chính là nguyên liệu rất tiềm năng để chuyển hóa thành cồn sinh
học. Qua kết quả thống kê và thực tế, ước tính phụ phẩm mùn cưa gỗ tràm và gỗ xấu,
gỗ vụn tại Việt Nam hằng năm sẽ tối thiểu 36 tấn/hecta x 50,000 hecta/năm =
1,800,000 tấn/năm. Đây là một con số rất lớn nên được tận dụng để sản xuất ethanol.

Hình 1. 6. Nguồn cung dăm gỗ của Việt Nam và các nước trên thế giới.
1.3.2. Phương pháp sản xuất bioethanol từ gỗ tràm bông vàng
 Một số phương pháp lên men
Bản chất của quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử diễn ra trong cơ thể sinh
vật dưới tác động của hệ thống enzyme là quá trình oxy hóa sinh học. Có rất nhiều
phương pháp lên men để tạo bioethanol, bước cuối để biến đổi sinh khối lignocellulose
thành ethanol là thủy phân và lên men có thể được thực hiện một cách độc lập (SHF),
đồng thời (SSF) hay đồng thời kết hợp nhiều chủng vi sinh vật (SSCF). Ưu, nhược
điềm của các phương pháp này được trình bày trong bảng 1.3.

13


Đồ án tốt nghiệp

Bảng 1.3. Ưu, nhược điểm của một số phương pháp lên men
Phương
TT

Ưu điểm

pháp lên

Nhược điểm

men
Cả

hai

quá

trình Tốc độ đường hóa bị ảnh hưởng mạnh bởi

đường hóa và lên sự ức chế sản phẩm cuối đối với enzyme.
Đường hóa
1

và lên men

riêng rẽ

men được thực hiện Sự tích tụ các chất ức chế cản trở hoạt
trong điều kiện tối ưu động của enzyme thủy phân cellulose làm
cho quá trình biến đổi kém hiệu quả và

của mỗi quá trình.

gây tốn kém (phải bổ sung một lượng lớn

(SHF)

enzyme).
Dễ nhiễm các vi sinh vật khác do thời
gian ủ dài ở quá trình thủy phân.
Tăng tỷ lệ thủy phân Nhiệt độ tối ưu cho enzyme thủy phân và
và

giảm

ức

chế nấm men chuyển hóa đường thành

ngược khi sản phẩm ethanol hoàn toàn khác nhau.
Cần phải lựa chọn được điều kiện nhiệt

tạo thành.

Giảm lượng enzyme độ và pH gắn với điều kiện tối ưu của mỗi

2

Đường hóa

dùng cho quá trình.

và lên men

Cho hiệu suất ethanol Ethanol tạo thành sẽ quay lại ức chế

đồng thời

cao.

(SSF)

quá trình riêng.
enzyme cellulose làm cho lượng ethanol

Địi hỏi điều kiện vơ thu được khơng cao.
Cơ chế thủy phân khơng hồn tồn nên

trùng thấp.

Thời gian lên men lượng glucose do enzyme cellulase tạo ra
chỉ đủ để cho nấm men tăng trưởng hơn là

ngắn.

việc lên men đường thành ethanol.

14