Công nghệ lên men bioethanol từ cellulose

TỔNG LIÊN ĐỒN LAO ĐỘNG VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TƠN ĐỨC THẮNG
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BÀI BÁO CÁO

CÔNG NGHỆ LÊN MEN ETHANOL
TỪ CELLULOSE

Người hướng dẫn:
Người thực hiện:

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2020

1


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC BẢNG

2


PHẦN 1:

TỔNG QUAN

1.1 Nguyên tắc cơ bản để sản xuất cồn ethanol:

Có thể sử dụng tất cả các loại nguyên liệu chứa đường lên men đ ược,
hoặc nguyên liệu chứa gluxit có thể chuyển hóa thành đường lên men đ ược
để sản xuất cồn etylic.
Dựa trên nguyên tắc đó, người ta chia ra làm 3 loại nguyên liệu:
-

Nguyên liệu chứa nhiều tinh bột (gạo, ngơ, khoai, sắn, lúa mì, đại mạch...)
Nguyên liệu chứa đường (rỉ đường, nước mía, trái cây chín,...)
Nguyên liệu chứa nhiều cellulose (rơm rạ, gỗ vụn, mùn cưa,...)

1.2 Nguyên liệu sản xuất ethanol bằng phương pháp lên men:
1.2.1 Nguồn gốc
Cây lúa ln giữ vị trí trung tâm trong nông nghi ệp và kinh tế ở Vi ệt
Nam. Hình dáng Việt Nam được miêu tả như một chiếc đòn gánh mà ở hai đầu
là hai vựa lúa lớn là Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) và Đ ồng b ằng sông
Hồng (ĐBSH). Việc sản xuất lúa gạo đã tạo ra một lượng lớn phế phẩm từ cây
lúa bao gồm rơm và tro trấu. Rơm và tro trấu là hai trong nhi ều ngu ồn
biomass phổ biến và có tiềm năng nhất Việt Nam.
Bảng 1. Các nguồn biomass chính ở Việt Nam năm 2000
STT

Biomass

Lượng
(triệu tấn)

Năng lượng
chứa đựng (GJ)

Phần trăm

(%)

3,1

35,960

2,6

2

Gỗ thải từ nhà máy
cưa
Gỗ đốt

12,4

186,000

13,4

3

Rác thải rắn

0,015

57

0

4

Rơm

61,9

866,600

62,6

5

Trấu

5,6

63,840

4,6

6

V ỏ bắ p

4,8

60,000

1,3

7

Bã khoai mì

0,6

7,500

0,5

8

Phế phẩm cây mía

1,5

18,750

1,4

9

Bã mía

5,0

36,050

2,6

10

Vỏ đậu

0,1

1,250

0,1

11

Xơ và lá dứa

5,8

104,400

7,5

12

Vỏ hạt cafe

0,3

4,670

0,3

1

3


Tổng

101,1

1,385,077

100

Dựa vào bảng số liệu đã cho thấy được rơm rạ có tiềm năng rất l ớn trơng
việc sử dụng để làm nguyên liệu.
Rơm là một nguồn năng lượng lớn nhưng trước đây không được sử dụng
hiệu quả ở Việt Nam. Phần lớn rơm rạ sẽ được bón trở lại ruộng sau khi thu
hoạch, sử dụng làm chất đốt cho các hộ dân nhà nông và làm th ức ăn cho gia
súc,.. Hiệu suất sử dụng nguồn năng lượng này rất thấp, nhưng ngày nay r ơm
cịn có cơng dụng để sản xuất ra bioethanol.
Rơm rạ là một dạng vật liệu lignocellulose. Lignocellulose là v ật li ệu
biomass phổ biến nhất trên trất đất. Lignocellulose có trong ph ế ph ẩm nông
nghiệp, chủ yến ở dạng phế phẩm của các mùa vụ, trong sản phẩm phụ của
công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy, có trong rác th ải của thành ph ố. V ới
thành phần chính là cellulose, lignocellulose là một ngu ồn nguyên li ệu to l ớn cho
việc sản xuất bioethanol.
1.2.2 Thành phần hóa học:
Bảng 2. Thành phần hóa học của rơm rạ

Compoent

Water content
Volatiles
Ash
C
H
O
N
S
Cl
Cellulose
Hemicellulose
Lignine
Lignin acid insoluble (AIL)
Lignin acid soluble (ASL)
Lipids
Protein

wt% wet
wt% daf
wt% dry
wt% daf
wt% daf
wt% daf
wt% daf
wt% daf
wt.% daf
wt.% dry
wt.% dry
wt.% dry
wt.% dry

wt.% dry
wt.% dry
wt% dry
4

Mean
value
23.9
83.9
18
48.7
5.92
44.2
1.05
0.14
0.489
36
24
15.6
0

Min
value
6.8
80.1
9.6
43.3
4.94
30.8
0.57

0.07
0.013
28.1
21.5
9.9
0

Max value
88
98.2
24.4
60
7.01
50.4
2.11
0.23
0.909
41
26.5
23.3
0


•

Cấu trúc của lignocellulose

Thành phần chính là cellulose, hemicellulose, lignin, các ch ất trích ly và
tro.

Hình 1.1 Cấu trúc của cellulose
Các mạch cellulose tạo thành các sợi cơ bản. Các s ợi này đ ược g ắn l ại v ới
nhau nhờ hemicellulose tạo thành cấu trúc vi s ợi, v ới chi ều r ộng kho ảng 25nm.
Các vi sợi này được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, giúp bảo v ệ cellulose
khỏi sự tấn công của enzyme cũng như các hóa chất trong q trình thủy phân.
- Cellulose là một polymer mạch thẳng của D-glucose, D-glucose được liên
kết với nhau bằng liên kết beta-1,4-glucosid. Cellulose là loại polymer ph ổ bi ến
nhất trên trái đất, độ trùng hợp đạt được 3.500 – 10.000 DP. Các nhóm OH ở hai
đầu có tính chất hồn tồn khác nhau, cấu trúc hemiacetal t ại C1 có tính kh ử,
trong khi đó OH tại C4 có tính chất ancol.

Hình 1.2 Cơng thức hóa học của Cellulose
- Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, đ ộ trùng
hợp khoảng 70 đến 200 DP. Hemicellulose chứa cả đường 6 gồm glucose,
mannose và galactose và đường 5 gồm xylose và arabinose. Thành phần c ơ b ản

5


của hemicellulose là beta-D-xylopyranose, liên kết v ới nhau bằng liên k ết beta1,4.
- Lignin là một hợp chất cao phân tử có c ấu trúc vơ định hình. Nó là thành
phần cấu tạo của hầu hết thành tế bào thực vật trên cạn, liên kết các tế bào, s ợi
và mạch.Lignin là polymer tự nhiên phong phú thứ hai trên th ế gi ới, sau
cellulose.
Điểm đặc biệt của lignin đó là nó là nguồn sinh khối quy mơ lớn duy nh ất
có tính thơm. Thành phần và cấu trúc của lignin thay đổi tùy theo ngu ồn g ốc c ủa
chúng
Đặc điểm của Lignin: Chống thủy phân axit, dê b ị oxy hóa, hịa tan trong
kiềm nóng và bisulfite, dê ngưng tụ với phenol
Ngoài chức năng cấu trúc, lignin đóng vai trị quan trọng trong vi ệc ngăn

cản sự h ấp thụ n ước của các polysacarit trong thành tế bào th ực vật, cho phep
vận chuyển nước hiệu quả trong các mô mạch, tạo hàng rào hi ệu qu ả ch ống l ại
côn trùng và nấm... Lignin không độc hại và cực ky linh hoạt về hi ệu suất và
chất lượng, điều này đã khiến nó ngày càng trở nên quan tr ọng trong nhi ều ứng
dụng cơng nghiệp.
- Các chất trích ly là các chất dê hịa tan và có khả năng hịa tan trong dung
mơi hữu cơ hoặc trong nước. Các chất trích ly thường có màu, mùi và v ị đ ặc
trưng. Chúng rất quan trọng giữ lại các chức năng sinh học của cây. Ví d ụ:
flavonoid được sử dụng như là chất chống tác nhân oxy hóa và chống virus,..
1.3 Giống VSV trong sản xuất ethanol
1.3.1 Tên loài:
- Để sản xuất một lượng cồn lớn, thì việc lựa chọn một chủng nấm men
thích hợp là điều cần thiết. Những giống nấm men thường được sử dụng trong
công nghiệp sản xuất cồn như Saccharomyces spp mà hiện tại một số loài như S.
Cerevisiea hay S.unvarum là giống có khả năng tạo độ cồn cao (12-13%), hay đặc
biệt S.oviformis có khả năng tạo độ cồn 18% đặc biệt lồi nấm men này có kh ả
năng lên men được rất nhiều loại đường khác nhau như glucose, manose,
maltose và rafinose (trừ galactose).
- Ngồi ra cịn có Zymononas mobilis cũng thường được sử dụng trong q
trình rượu hóa. Tuy nhiên cả Saccharomyces và Zymononas sp đều thiếu hồn
tồn khả năng chuyển hóa các loại đường pentose. Khuynh h ướng bi ến đ ổi gen
của 2 giống này nhằm giúp biểu hiện khả năng chuyển hóa 2 loại đường
pentose phổ biến nhất là D-xylose và L-arabinose.
6


- Gần đây, người ta phát hiện thấy có một số loài nấm men nh ư Pichia
stipitis, Candida shehatae và Pachyhysolen tannophillus là những chủng có khả
năng chuyển hóa xylose mạnh và đã được dùng trong sản xuất ethanol. Trong đó
P.stipitis lại nổi bật hơn bởi khả năng sản xuất hàm lượng cồn cao và nhu cầu

dinh dưỡng của chúng không quá phức tạp so với các giống nấm men khác.

Hình 1.3 Cấu trúc hiển vi của Saccharomyces cerevisiae
1.3.2 Đặc điểm sinh lý:
Nấm men (Yeast, Levure) là tên gọi thông thường của một nhóm n ấm có v ị
trí phân loại khơng thống nhất nhưng có chung các đặc đi ểm sau đây:
- Đa số sinh sôi nảy nở theo lối nảy chồi, cũng có khi hình th ức phân c ắt t ế
bào.
- Nhiều loại có khả năng lên men đường.
- Thành tế bào có chứa mannan.
- Thích nghi với mơi trường chứa đường cao, có tính axit cao.
Nấm men phân bố rộng rãi trong tự nhiên, nhất là trong các mơi tr ường có
chứa đường, có pH thấp, chẳng hạn như trong hoa quả, rau dưa, mật mía, r ỉ
đường, mật ong, trong đất ruộng mía, đất vườn cây ăn quả, trong các đất có
nhiêm dầu mỏ.
Ví dụ: Nấm men Saccharomyces cerevisiae
+ Là đơn bào nên có thể tiến hành thí nghiệm như vi khu ẩn, đ ồng th ời có
những đặc tính chủ yếu điển hình của Eukaryota và có ty th ể v ới b ộ gen ADN
nhỏ, giống với vi khuẩn nên nó có thể nuôi trong môi trường dịch thể hay đặc và
tạo khuẩn lạc trên mơi trường thạch.
+ Thích nghi trong mơi trường chứa đường cao, có tính acid cao. Có th ể nuôi
tế bào nấm men quy mô lớn trong các nồi lên men và dê dàng thu nh ận sinh
khối tế bào.
7


1.3.3 Cơ chế tổng hợp:
- Sinh sản vơ tính theo kiểu nảy chồi:
 Ở điều kiện thuận lợi nấm men Saccharomyces cerevisiae sinh sôi nảy

nở nhanh.
 Khi một chồi xuất hiện, các enzyme thủy phân xuất hi ện làm phân gi ải
phần polisaccarit của thành tế bào làm cho chồi chui ra kh ỏi t ế bào
mẹ.
 Vật chất mới được tổng hợp sẽ huy động đến chồi làm ch ồi phình to
lên, xuất hiện một vách ngăn giữa chồi và tế bào mẹ.
 Chồi tách ra khỏi tế bào mẹ và hình thành tế bào mới.
- Nấm men Saccharomyces cerevisiae có hai dạng tế bào đơn bội (n) là a và α
có thể tồn tại độc lập nhờ sinh sản vơ tính qua ngun phân (mitosis).

Hình 1.4 Q trình sinh sản của nấm men Saccharomyces cerevisiae
- Khi hai dạng a và α gặp nhau bắt cặp, rồi phối hợp tế bào và h ợp nhân tạo
1 tế bào lưỡng bội (2n). Tế bào lưỡng bội có th ể sinh s ản vơ tính vơ h ạn và đây
là dạng thường sử dụng trong sản xuất. Trong những điều kiện nhất định, tế
bào lưỡng bội (2n) sinh sản hữu tính qua giảm phân tạo nang có bốn bào tử ( 2a
và 2α ), mà sự kết hợp a và α tạo tế bào 2n lặp lại chu trình.

8


PHẦN 2: CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT

Ngun liệu

Chuẩn bị
Tiền xử lí

Nấm men

Nhân giống

Thủy phân

Thủy phân và lên men đồng thời

Lên men

Chưng cất

Ethanol

Hình 2.5 Sơ đồ quy trình sản xuất ethanol

2.1 Quá trình tiền xử lí rơm rạ:
Để chuyển hóa các carbohydrate (cellulose và hemicellulose) trong
lignocellulose thành ethanol, các polymer phải bị bẻ gãy thành những phân tử
đường nhỏ hơn trước khi vi sinh vật có thể hồn tất q trình chuy ển hóa. Tuy
nhiên, bản chất của cellulose lại là rất bền vững tr ước s ự tấn công c ủa enzyme,
nên bước tiền xử lý là bắt buộc để quá trình đường hóa glucose có th ể di ên ra
tốt. Cellulose ban đầu có thể bị phá hủy bởi acid mà không c ần đ ược ti ền x ử lý.
Tuy nhiên, trong luận văn này chỉ đề cập đến việc thủy phân lignocellulose b ằng
enzyme. Những yếu tố về cấu trúc và thành phần ảnh hưởng đến khả năng
chống lại sự tấn cơng của enzyme của lignocellulose gồm có: Cấu trúc tinh th ể
của cellulose: cellulose tự nhiên hình thành cấu trúc tinh th ể ch ống l ại được s ự
tấn công của enzyme. Trong một bài báo của mình, Fan et al ước tính rằng t ỉ l ệ
9


cellulose tinh thể là 50-90%. Tuy nhiên, khơng có s ự liên quan gi ữa m ức đ ộ tinh
thể của cellulose và khả năng phân hủy enzyme đối với rơm rạ và bã mía.

Sự bao bọc của lignin quanh cellulose: lignin cùng với hemicellulose tạo
thành cấu trúc mô vững chắc cực kì. Những mơ được bền hóa với lignin tương tự
như nhựa được gia cố bằng sợi, trong đó lignin đóng vai trị kết dính những sợi
cellulose. Trong thiên nhiên, lignin bảo vệ cellulose khỏi những tác đ ộng c ủa mơi
trường và khí hậu. Lignin là yếu tố ngăn cản sự tấn công của enzyme đến
cellulose được công nhận nhiều nhất. Theo có nhà nghiên c ứu cho r ằng kh ả
năng thủy phân của enzyme tăng khi 40-50% lignin bị tách. Tuy nhiên, phải th ừa
nhận rằng, khơng có nghiên cứu nào tiến hành loại bỏ lignin mà không kèm theo
sự phân hủy hemicellulose. Ngay cả trong phương pháp ti ền xử lý nguyên li ệu
bằng kiềm ở nhiệt độ thấp, loại bỏ được 70% lignin thì cũng có 5%
hemicellulose bị hịa tan. Vì vậy, những thí nghiệm trên cũng khơng hồn tồn
cho thấy ảnh hưởng của việc loại bỏ lignin riêng lẻ.
Bề mặt tiếp xúc tự do của cellulose: liên quan đến b ề m ặt ti ếp xúc c ủa
cellulose với enzyme, và thể tích xốp. Stone et al gi ả thi ết r ằng tốc đ ộ đầu của
quá trình thủy phân là hàm của bề mặt tiếp xúc tự do. Grethlein et al cho rằng
thể tích lỗ xốp chứ khơng phải độ kết tinh của cellulose mới ảnh hưởng đ ến t ốc
độ đầu. Tuy nhiên, bề mặt tiếp xúc tự do này có liên quan đ ến đ ộ k ết tinh và s ự
bảo vệ của lignin.
Sự hiện diện của hemicellulose: cũng như lignin, hemicellulose t ạo thành l ớp
bảo vệ xung quanh cellulose. Knappert et al, trong nghiên cứu x ử lý b ằng acid
sulfuric với gỗ dương cho thấy khả năng thủy phân tăng theo t ỉ lệ hemicellulose
bị loại bỏ. Grohman, thí nghiệm tiền xử lý rơm lúa mì bằng acid, kết qu ả cho
thấy việc loại bỏ hemicellulose sẽ gia tăng đáng k ể kh ả năng th ủy phân r ơm r ạ.
Họ cho rằng, việc loại bỏ lignin là không cần thi ết, tuy rằng n ếu đ ạt đ ược thì
rất tốt. Trong khi đó, hemicellulose được chứng minh là ngăn cản q trình t ấn
công của enzyme vào rơm rạ. Tuy nhiên, trong những thí nghiệm này, lignin tuy
khơng bị loại bỏ nhưng lại có thể bị đơng hoặc chảy ra một phần, làm gi ảm khả
năng bao bọc cellulose của nó. Vì thế những thí nghi ệm trên chưa cho th ấy đ ược
hiệu quả của việc loại bỏ riêng lẻ hemicellulose. Mức độ acetyl hóa c ủa
hemicelluloses: Đây là yếu tố ít được quan tâm, xylan, loại hemicellulose chính

trong gỗ cứng và cây thân cỏ bị acetyl hóa với tỉ lệ rất cao. Grohmann et al, nghiên
cứu với rơm lúa mì và cây dương, cho thấy rằng khi xylan bị deacetyl hóa, tỉ l ệ
cellulose bị thủy phân tăng lên 2-3 lần. Ảnh hưởng này tồn t ại đ ến kho ảng 75%
hemicellulose bị deacetyl hóa. Nói tóm lại, q trình ti ền xử lý nhằm:
-

Tăng vùng vơ định hình của cellulose
10


-

-

Tăng kích thước lỗ xốp trong cấu trúc sợi biomass
Phá vỡ sự bao bọc của lignin và hemicellulose đối với cellulose.

2.1.1 Xử lí rơm rạ bằng phương pháp hóa học:
Với phương pháp acid: dùng acid loãng, hơi nước chứa acid hoặc nổ hơi có acid.
Trong đó acid sulfuric được nghiên cứu kĩ nhất bởi vì giá thành rẻ
Với phương pháp kiềm: có rất nhiều nghiên cứu về sử dụng xút hoặc xút và các
chất hóc học khác. Tuy nhiên, nhà khoa học cho rằng dựa trên phí hóa ch ất có giá
thành vừa phài thì vơi tơi xút là thích hợp nhất.
2.1.2 Xử lí rơm rạ bằng phương pháp cơ học:
Các phương pháp cơ học được dùng để tiền xử lí rơm rạ như: nghiền nát,
dùng những tia bức xạ sợi cao, xử lí thủy nhiệt.
2.1.3 Xử lí rơm rạ bằng phương pháp nổ hơi nước: (Steam explosion)
Cơ chế nổ hơi nước:

Hình 2.6 Mơ tả cơ chế nổ hơi nước

Q trình nổ hơi nước là một q trình hóa – cơ – nhiệt. Đó là phá v ỡ cấu
trúc của hợp chất ở dạng hơi (nhiệt), lực cát do sự co dãn của ẩm (cơ), các th ủy
phân các liên kết glycoside (hóa).
Gồm 2 giai đoạn:
• Làm ẩm ngun liệu
• Giảm áp suất đột ngột
Giai đoạn 1: Làm ẩm nguyên liệu
Trong thiết bị phản ứng, nước dưới áp suất cao thâm nhập vào các cấu trúc
ligocellulose bởi quá trình khuếch tán và làm ẩm nguyên li ệu. Ẩm trong biomass
thủy phân các nhóm acetyl của cellulose hình thành các acid h ữu cơ như acetic và
uronic acid. Các acid này lần lượt xúc tác q trình depolymer hóa thành
cellulose, giải phóng xylan và một phần glucan. Dưới điều kiện khắc nghi ệt,
nhiệt độ cao, áp suất cao, có thể thúc đẩy sự phân hủy xylose thành furfural và
glucose thành 5-hydroxymethyl furfural. Furfural và 5-hydroxymethyl furfural
kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật, do đó khơng thuận lợi cho q trình lên
men.

11

Hình 2.7 Fufural

Hình 2.8 Hydroxymethyl fufural


Giai đoạn 2: Giảm áp suất đột ngột
Ẩm trong biomass sẽ hóa hơi đột ngột ra khi áp suất trong thi ết b ị phản ứng
được giải phóng và hạ đột ngột từ rất cao khoảng vài chục atm xu ống cịn áp
suất khí trời. Ngun liệu được tống mạnh ra khỏi thiết bị qua một l ỗ nh ỏ h ơi b ị
lực ep. Một vài hiện tượng xảy ra ở thời điểm này. Đầu tiên, ẩm ngưng tụ trong
cấu trúc biomass bốc hơi tức thời do giảm áp suất đột ngột. Sự gi ảng n ở h ơi

nước gây ra lực cất bao quanh cấu trúc nguyên li ệu. N ếu l ực c ất này đủ l ớn, h ơi
nước sẽ gây ra sự phá hủy cơ học lên cấu trúc lignocellulosic.

Hình 2.9 Cấu trúc sợi trước và sau khi nổ hơi, bó sợi celulose được giải phóng ra
sau lớp lignin bảo vệ sau khi nổ hơi

Hình 2.10 Bả rơm rạ sau khi nổ hơi ở nhiệt độ khác nhau

12


Tóm tắt lại, theo q trình nổ hơi nước có mấy tác động sau lên c ấu trúc
nguyên liệu lignocellulose. Ưu nhược điểm của quá trình nổ hơi nước:
1. Tăng sự kết tinh của cellulose bằng cách thúc đ ẩy s ự k ết tinh c ủa vùng vơ
định hình.
2. Hemicellulose bị thủy phân trong quá trình nổ hơi.
3. Sự nổ hơi thúc đẩy việc khử lignin.
Cùng với việc gia tăng kích thước lỗ xốp, tác động (2) và (3) là 3 ưu đi ểm c ủa
quá trình nổ hơi. Tuy nhiên, tác động (1) lại gây ra khó khăn cho q trình th ủy
phân. Ngồi ra những nhược điểm chính của q trình nổ hơi là:
- Tốn chi phí, năng lượng vận hành.
- Đòi hỏi thiết bị chịu được nhiệt độ, áp suất rất cao.
- Có thể làm phân hủy cellulose.
- Mất đi đường từ hemicellulose.
- Làm sinh ra fufural và 5-hydroxymethyl fufural gây ức ch ế quá trình lên men
[12]
2.2 Quá trình thủy phân và lên men:
2.2.1 Quá trình thủy phân:
Phản ứng thủy phân:
(C6H12O6)n

H2O
n C6H12O6
Các vi sinh vật có khả năng phân hủy cellulose là do chúng có th ể ti ết ra các
enzyme tạo thành một hệ enzyme gọi là hệ cellulase. Các enzyme h ệ cellulase
này xúc tác quá trình thủy phân cắt ngắn mạch cellulose.
Nhiều tác giả cho rằng hệ cellulase gồm các enzyme chính sau đây:
- Endo-1,4-glucanase (EC 3.2.1.4), còn gọi là cellulase (Cx). Enzyme này tác
động thuỷ phân lên các liên kết bên trong mạch cellulose m ột cách tuy ti ện làm
trương phồng cellulose, dẫn đến làm giảm nhanh chiều dài mạch và tăng ch ậm
các nhóm khử. Enzyme này hoạt động mạnh ở vùng vơ định hình nhưng lại ho ạt
động yếu ở vùng kết tinh của cellulose.
- Exo-1,4-glucanase (EC 3.2.1.91), cịn gọi là cellobiohydrolase (C1). Enzyme
này giải phóng cellobiose hoặc glucose từ đầu không kh ử của cellulose. Enzyme
này tác động yếu lên vùng vơ định hình ở phía bên trong của m ạch, nh ưng tác
động mạnh lên mạch bên ngoài của cellulose kết tinh hoặc cellulose đã b ị phân
giải một phần. Hai enzyme exo và endo-glucanase có tác dụng hi ệp đ ồng cho
hiệu quả rõ rệt.
- β-1,4-glucosidase (EC 3.2.1.21), còn gọi là cellobiase. Enzyme này thu ỷ phân
cellobiose và các cellodextrin hồ tan, chúng có hoạt tính th ấp và gi ảm khi chi ều
dài của mạch cellulose tăng lên. Tuy theo vị trí mà β-glucosidase được coi là 35
nội bào, ngoại bào hoặc liên kết với thành tế bào. Chức năng của β-glucosidase
có lẽ là điều chỉnh sự tích luỹ các chất cảm ứng của cellulase. Ng ười ta cho r ằng
tính đa hình của cellulase là nhằm phù hợp với cấu trúc phức tạp của mạch phân
13


tử cellulose, gồm nhiều vùng có hoạt tính thủy phân khác nhau. Tuy thu ộc vào
các chủng vi sinh vật cũng như các điều kiện môi tr ường nuôi cấy, t ỷ l ệ các
thành phần trong hệ enzyme, hiệu lực phân giải cellulose của các h ệ cellulase là
khác nhau, nhưng để phân giải hồn tồn cellulose, cần có sự tác động hi ệp đồng

của cả ba enzyme trong hệ cellulase.

Hình 2.11 Tác dụng của từng loại enzyme trong cellulose
- Cơ chế thủy phân cellulose được giả thiết có ít nhất hai bước (hình
1.10): Bước 1: Endoglucanase (ký hiệu Cx) sẽ làm trương hoặc hydrat hóa các
liên kết trong mạch cellulose.
Bước 2: Exoglucanase (ký hiệu C1) và β-glucosidase (cellobiase) th ủy phân
các liên kết mạch phía ngồi giải phóng glucose.

14


Hình 2.12 Phân hủy cellulose bằng enzyme cellulase

Cellulose tinh thể
Endoglucanase
Cellulose vơ định hình

Oligomer
Các oligomer ngắn

Exoglucanasese

Cellobiose

β – 1,4- glucosidase
Glucose
Hình 2.13 Sơ đồ thủy phân cellulose thành glucose

15

Hình 2.14 Sơ đồ thủy phân cellulose

Hình 2.15 Cơ chế thủy phân glucoside bởi enzyme β – 1,4- glucosidase

16


Trung tâm phản ứng của enzyme β-glucosidase bao gồm hai amino acid
glutamic và aspartic. Quá trình phản ứng trải qua ba giai đoạn: Giai đo ạn đ ầu là
sự bám dính của cơ chất vào trung tâm phản ứng của enzyme ph ụ thu ộc vào c ấu
hình của carbonanome trong hợp phần carbohydrate, với enzyme β-glucosidase
chỉ liên kết β-glucoside mới bám dính được. Giai đoạn thứ hai là quá trình phân
cắt liên kết glycoside dưới tác dụng của tác nhân nucleophil glutamte tách
proton của nước tạo thành tác nhân nucleophil thứ cấp, tác nhân nucleophil th ứ
cấp là anion hydroxy phản ứng với trung tâm cacbonanome electrophil và ph ản
ứng chuyển proton từ hợp phần aspartic vào nguyên tử oxi trong h ợp ph ần
aglycol. Trong trình tự peptid của enzyme, amino acidaspatic chuy ển thành d ạng
muối aspartate, muối glutamte chuyển thành dạng acid glutamic. S ản ph ẩm của
q trình là glucose. Phương pháp cơng nghệ sinh học sử dụng enzyme, vi sinh
có phần ưu điểm hơn. Các liên kết β (1-4), có trật tự cao của cellulose rất dê bị
phá vỡ bởi các vi sinh có chứa enzyme cellulase. Các thí nghi ệm th ủy phân
cellulose bằng enzyme cellulase thường được tiến hành trong tủ ấm với các đi ều
kiện tối ưu để enzyme có hoạt tính cao nhất (40- 38 45°C, pH = 4,0-4,5). Năm
2010, người ta đã xây dựng hệ enzyme cellulase công nghiệp bao gồm ch ế ph ẩm
Cytolase CL (Genencor, Menlo Park, CA) và βglucosidase (Novozyme 188) có ho ạt
tính thủy phân cao ở pH = 4,8.

 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình thủy phân:

• Tỉ lệ kết tinh: là yếu tố ảnh hưởng chính đến q trình thủy phân. Các m ạch

cellulose có tính kết tinh cao, các sợi cellulose liên k ết r ất ch ặt chẽ. Do đó, sẽ
cản trở q trình tiếp xúc enzyme với các mạch cellulose bên trong và làm
giảm tốc độ quá trình thủy phân.
• Mức độ polemer hóa: mạch cellulose càng dài, tốc độ thủy phân càng chậm.
• Kích thước lỗ xốp: kích thước lỗ xốp phải đủ lớn cho các enzyme đi vào. Kích
thước lỗ xốp q lớn, q trình thủy phân diên ra càng nhanh.
• Bề mặt tiếp xúc: hầu hết các chuỗi cellulose được giấu trong các vi s ợi – y ếu
tố ngăn cản sự tác động của enzyme và giới hạn tốc độ thủy phân. Bề m ặt
thủy phân càng lớn tốc độ thủy phân càng nhanh.
Thực nghiệm cho thấy quá trình thủy phân tiến hành ở nhiệt độ 70ºC
trong1,5 ngày. Sản phẩm thu được có lượng glucose 75-95% s ố gốc glucose có
trong nguyên liệu ban đầu.

17


•

Phản ứng đường phân

2.2.2 Nhân
giống
men
Cơng đoạn
nhân
Hình 2.16 Q trình đường phân
giống men là bộ
phận

cung cấp men cho bồn lên men. Các công đoạn được thi ết k ế cho men phát tri ển
trong điều kiện rất chặt chẽ. Trong bồn nhân gi ống, dung d ịch lên men đã đ ược
thanh trùng được sử dụng để làm dịch chủng men. Quá trình nhân gi ống men ch ỉ
cần thiết tiến hành ở thời điểm ban đầu, khi kh ởi động nhà máy, hoặc khi d ừng
nhà máy rất lâu và các bồn lên men được tháo khô.
18


Chọn men có tên Zymomonas mobils. Zymomonas mobils được phát tri ển
trong bình sản xuất men giống. Ở đó, cặn đường, chất dinh dưỡng cùng men
giống được cho vào bỉnh nhỏ và quá trình này diên ra cho đến khi đ ạt đ ược s ố
lượng men giống cần thiết qua qus trình lên men.

CH3CHO

Cuối cùng men giống, dinh dưỡng và cặn đường được cho liên tục vào thùng
– CO2
lên men.
Alcohol
dehydrogenase

C2H5OH CH3CHO

Hỗn hợp sau khi lên men gọi là giấm chín.
Pyruvat decarbonxylase

NADH 2.2.3
+ H+
NAD+
Q trình lên men

Q trình lên men là q trình chuy ển đường đơn thành ethanol, khí CO2 và
phẩCOOH
m trung gian khác.
CH3các
–––sảCn–––
Sau đó, pyruvate sẽ chuyển thành ethanol theo các ph ương trình sau:

O

=
Hình
ồ quá
men
Bản chất của q trình
lên2.17
menSơlàđoxi
hóatrình
khử.lên
Q
trình oxi hóa này x ảy ra ở
trong cơ thể vi sinh vật dưới tác động của hệ enzyme, nên người ta gọi quá trình
này là quá trình oxy hóa sinh học.
Q trình lên men được thực hiện trong 1 thùng lớn với th ời gian dự đoán dể
lên men đường thành ethanol khoảng 36h.
Men giống từ thùng sản xuất men giống (khoảng 10% tổng dịch đường được
cho vào thùng lên men. Trong quá trình này người ta cũng bổ sung 0,33g DAP/ lít
giấm chín để cung cấp dinh dưỡng cho nấm men hoạt động.

19

Hình 2.18 Điều kiện lên men
Hiện nay có 02 quy trình lên men được dùng phổ bi ến: Lên men liên tục và
lên men gián đoạn. Công suất nhà máy và loại nguyên liệu là nhân tố quy ết đ ịnh
để lựa chọn quy trình lên men.

Hình 2.19 Ưu nhược của lên men liên tục và gián đoạn
Việc lựa chọn công nghệ lên men liên tục hay gián đoạn tùy thu ộc vào ngu ồn
nguyên liệu và công nghệ sản xuất. Đối với lên men nguyên li ệu g ốc tinh bột,
quy trình lên men gián đoạn thường được lựa chọn. Ngược lại lên men từ nguyên
liệu chứa đường, quy trình lên men liên tục lại thường được sử dụng h ơn vì nó
20


giúp giảm được vốn đầu tư, giảm thời gian lên men nhưng vẫn đảm bảo được
hiệu suất lên men
Sau khi lên men, hỗn hợp giữa ethanol và các sản ph ẩm khác được g ọi là
dấm chín có nồng độ ethanol thơng thường khoảng 8-10% (v/v). Q trình lên
men là quá trình sinh nhiệt, một lượng lớn nhiệt được tạo ra gây ức ch ế quá
trình lên men, do vậy dịch lên men cần được duy trì nhi ệt độ ổn đ ịnh b ằng cách
làm nguội dịch cưỡng bức ở thiết bị trao đổi nhiệt bên ngoài bồn. Thời gian lên
men đối với dịch đường hóa từ 48-72 giờ, đối với nước mía từ 10-48 giờ tùy cơng
nghệ lên men, pH của khối dịch lên men từ 4,2-4,5; nhiệt độ lên men tối ưu là
320ºC. Dấm chín thu được sau quá trình lên men được chuy ển đ ến công đo ạn
chưng cất để tách ethanol ra khỏi dấm chín. để nâng nồng độ ethanol lên 99,5%.
2.2.4 Thủy phân và lên men tách riêng:

Sản xuất enxyme

Giảm kích thước

Xử lí sơ bộ

Thủy phân cellulose

Chế biến rác thải rắn

Thủy phân lấy đường từ cellulose
Thủy phân lấy đường từ hemicellulose
Lên men

2.2.5 Thủy phân và lên men đồng thời:
Tiền xử lí

Thu hồi ethanol
Sản xuất enzyme

Chế biết chất thải rắn

Giảm
kích
Hình
2.20
Sơthước
đồ q trình sản xuất trong đó q trình thủy phân và lên men tách riêng

Thủy phân lấy đường hemicellulose
Đường hóa và lên men đồng thời

21

Thu hồi enthanol

Hình 2.21 Sơ đồ quá trình sản xuất trong đó q trình lên men và th ủy phân đ ồng
thời


Khác với quy trình thủy phân và lên men tách rời. Quy trình này, quá trình
thủy phân và lên men diên ra đồng thời, điều đó làm hạn ch ế xuất hi ện ph ản
ứng lên men đồng thời phức tạp và các sản phẩm phụ hoặc s ản phẩm làm ức
chế hoạt động của enzyme.
Quá trình thủy phân lên men đồng thời (cịn gọi là q trình đ ường hóa và
lên men đồng thời) có nhiều ưu điểm:
• Glucose tạo thành trong quá trình thủy phân được tiêu th ụ ngay l ập tức b ởi n ấm
men vì vậy, lượng cellobiose và glucose tích tụ trong h ệ th ống là r ất ít. Đi ều này
sẽ giải quyết vấn đề ức chế enzyme nhờ đó tốc độ glucose sẽ tăng đáng k ể,
lượng enzyme cần dùng cũng nhỏ đi.
• Số thiết bị cần cho quy trình thủy phân và lên men đ ồng th ời cũng ít h ơn s ố c ần
cho phương pháp truyền thống vì cả quá trình lên men được tiến hành trong
cùng một thiết bị. Điều này giúp giảm vốn đầu tư.
• Việc tạo thành ethano trong suốt quá trình sẽ làm gi ảm kh ả năng phát tri ển c ủa
vi sinh vật cũng như tạp chất, rất có lợi cho các quy trình liên tục.
Sau khi lên men, hỗn hợp giữa ethanol và các sản ph ẩm khác được g ọi là
dấm chín có nồng độ ethanol thơng thường khoảng 8-10% (v/v). Quá trình lên
men là quá trình sinh nhiệt, một lượng lớn nhiệt được tạo ra gây ức ch ế quá
trình lên men, do vậy dịch lên men cần được duy trì nhi ệt độ ổn đ ịnh b ằng cách
làm nguội dịch cưỡng bức ở thiết bị trao đổi nhiệt bên ngoài bồn. Thời gian lên
men đối với dịch đường hóa từ 48-72 giờ, đối với nước mía từ 10-48 giờ tùy công
nghệ lên men, pH của khối dịch lên men từ 4,2-4,5; nhiệt độ lên men tối ưu là

320oC. Dấm chín thu được sau q trình lên men được chuy ển đến công đo ạn
chưng cất để tách ethanol ra khỏi dấm chín.

22


2.3 Chưng cất
Đối với nhà máy sản xuất ethanol nhiên liệu, công đoạn chưng c ất và tách
nước được thiết kế liên hoàn thành một dây chuyền đ ồng bộ nhằm gi ảm chi phí
đầu tư và để tiết kiệm năng lượng.
Đối với nhà máy sản xuất ethanol nhiên liệu, công đoạn chưng c ất và tách
nước được thiết kế liên hoàn thành một dây chuyền đ ồng bộ nhằm gi ảm chi phí
đầu tư và để tiết kiệm năng lượng.
Cơng đoạn này nằm tách ethanol ra khỏi dấm chín, lo ại b ỏ các t ạp ch ất và
nâng nồng độ ethanol lên > 95% (v/v). Dịch sau lên men có n ồng đ ộ ethanol
thấp cần được chưng cất nhằm loại bỏ tối đa lượng nước và các tạp ch ất khác
để thu được ethanol có nồng độ và chất lượng phù hợp với yêu cầu.
02 quy trình công nghệ chưng cất được dùng phổ biến hiện nay là chưng cất
áp suất dư và chưng cất áp suất chân không. Tuy nhiên, đ ối v ới các n ước tiên
tiến thường áp dụng hệ thống chưng cất chân không do các ưu điểm vượt trội
như: Đạt được cồn có chất lượng cao với tiêu hao năng lượng tối thi ểu và có
hiệu suất cao; Hệ thống chưng cất vận hành liên tục, không cần dừng để vệ sinh
tháp; Cơng suất chưng cất ổn định, khơng có sự giảm công suất do hiện tượng
bám cáo cặn; Điểm sôi của dung dịch thấp hơn nên tiêu hao h ơi th ấp h ơn và
giảm khả năng hình thành cặn canxi.
2.4 Cơng đoạn tách nước
Do hiện tượng “điểm đẳng phí” của hỗn hợp ethanol-nước, nên sau công
đoạn chưng cất thông thường, ethanol thu được chỉ đạt nồng độ tối đa 96,5%
(v/v). Để sử dụng làm nhiên liệu, ethanol thô được đưa qua công đoạn tách n ước
để đạt nồng độ đến 99,7% (v/v).

Hình 2.22 Quy trình tách nước
Có 03 phương án công nghệ được sử dụng để tách nước trong sản xuất
ethanol nhiên liệu là: công nghệ chưng cất sử dụng hỗn hợp 3 cấu tử (nh ư
23


benzen) để phá “điểm đẳng phí”, cơng nghệ hấp phụ nước bằng rây phân tử,
công nghệ tách nước bằng hệ thống lọc màng.
Trong ba phương pháp trên, phương án công nghệ hấp phụ nước bằng rây
phân tử được sử dụng rộng rãi vì có nhiều ưu điểm hơn so v ới ph ương pháp
dùng hỗn hợp 3 cấu tử và chi phí vận hành thấp hơn so với phương án lọc màng.
Phương án hấp phụ nước bằng rây phân tử có các ưu đi ểm: Sử dụng ít nhân
cơng; Vận hành ổn định; Hiệu suất thực tế gần với thi ết kế; Tiêu hao h ơi th ấp;
Hệ thống làm việc hoàn toàn tự động.
2.5 Tồn trữ và làm biến tính
Ethanol nhiên liệu thu được từ q trình sản xuất có tính chất dê bốc cháy,
nên q trình tồn trữ phải tuân theo những quy định nghiêm ng ặt. M ặt khác, do
mục đích sản xuất ethanol để làm nhiên liệu nên ethanol cịn lẫn nhi ều tạp ch ất
khơng sử dụng cho các mục đích khác được. Do vậy, tr ước khi xu ất x ưởng
ethanol nhiên liệu cần phải được làm biến tính bằng cách pha chất bi ến tính vào
để phân biệt và tránh dùng sai mục đích.
Ethanol nhiên liệu cần phải được chứa trong những thiết bị được làm bằng
thep carbon, hoặc thep không gỉ, bồn chứa phải được trang bị hệ th ống đ ảo b ồn
và thu hồi hơi bốc để tránh hiện tượng giảm nồng độ ethanol
2.6 Xử lý nước thải
Nước thải nhà máy có lưu lượng lớn và có nhiều chất hữu c ơ, thành ph ần
BOD/COD cao, nên công nghệ xử lý phải qua nhiều công đo ạn như xử lý vi sinh,
xử lý hóa học, hóa lý và cơ học.
Quá trình xử lý bao gồm các cơng đoạn chính sau: Xử lý k ỵ khí 2 b ậc (SAR,

UASB); Xử lý hiếu khí 1 bậc (vi sinh hiếu khí); Xử lý làm s ạch (hóa lý); X ử lý bùn:
nen ep và tách nước làm giảm độ ẩm của bùn bằng thiết bị Decanter. Do v ậy, cần
rất nhiều loại hóa chất như H 2SO4, FeCl3, NaOH, Ure, Polymer, H2O2, PAC với tiêu
hao rất lớn.

PHẦN 3: SẢN PHẨM
3.1 Tổng quan xăng sinh học
Xăng sinh học là hỗn hợp của xăng truyền thống và cồn sinh
học(Bioethanol) được sử dụng cho các loại động cơ xăng đốt trong như xe oto và
xe gắn máy. Cồn sinh học trong hỗn hợp nhiên liệu sinh học được sử dụng như
một chất chứa oxy thay thế cho các hợp chất pha vào xăng tr ước đây nh ư chì hay
ete. Ethanol hay chì hoặc các phụ gia khác được tr ộn vào xăng đ ể tăng ch ỉ s ố
octane và giúp động cơ có thể hoạt động được tốt hơn, bền hơn. Xăng được nen
ở trong xi-lanh động cơ xe ô tô và xe máy trước khi đốt, xăng càng được nen
mạnh thì động cơ càng dê đạt công suất cao, tuy nhiên nếu nen mạnh q mà
chưa kịp đốt thì xăng có thể tự kích nổ và bốc cháy, gây hại cho đ ộng c ơ. Ch ỉ s ố
24


octane (RON - Research Octane Number) vừa giúp nen xăng t ốt h ơn v ừa giúp
tăng khả năng chống tự kích nổ của xăng, do đó ngành cơng nghi ệp xăng ln
tìm kiếm các phụ gia để gia tăng chỉ số octane cho xăng. Tuy nhiên, ethanol
không giống với các phụ gia khác ở chỗ bản thân nó có thể được xem nh ư m ột
loại nhiên liệu, với chỉ số octane lên tới 109 (xăng thông th ường ch ưa tr ộn ph ụ
gia có chỉ số octane khoảng 70, xăng A92 có RON là 92), v ề lý thuy ết có th ể thay
thế hồn tồn xăng thông thường, tuy nhiên động cơ phải được thiết kế phù hợp
với loại nhiên liệu này. Tên gọi gasohol cũng dùng đ ể ch ỉ xăng pha c ồn t ỉ l ệ th ấp
và không phải là nhiên liệu thay thế. Các hỗn hợp từ E85 tr ở lên m ới đ ược coi là
nhiên liệu thay thế.
3.2 Phân loại xăng sinh học

Xăng E5 gồm 5% ethanol và 95% xăng thơng thường, cịn xăng E10 có 10%
ethanol. Xăng sinh học từ E5 đến E25 được gọi là hỗn h ợp ethanol th ấp, t ừ E30
đến E85 là hỗn hợp ethanol cao. E100 là Ethanol nguyên ch ất sau khi s ản xu ất.
Tin tổng hợp trên Mạng Thông tin Khoa học Công nghệ TP.HCM cho bi ết: Theo
Hiệp hội Nhiên liệu Tái tạo (RFA), các loại xe thông th ường có th ể s ử d ụng xăng
từ E0 đến E10. Riêng xăng có hàm lượng ethanol cao, như E85 thì đ ộng c ơ xe
phải được thiết kế phù hợp. Xe nhiên liệu linh hoạt (FFV- flexible-fuel vehicles)
được thiết kế để chạy bằng một hay nhiều loại nhiên liệu, thường là xăng hay
xăng pha ethanol hàm lượng cao).
Xăng sinh học E5 là nhiên liệu chứa 5% thể tích cồn sinh học và 95% th ể tích
xăng truyền thống.
Xăng sinh học E10 là nhiên liệu chứa 10% thể tích cồn sinh h ọc và 90% th ể
tích xăng truyền thống.
3.3 Chỉ tiêu sản phẩm
Bảng 3. Chỉ tiêu chất lượng cơ bản của xăng khơng chì E5, E10
TT

Tên chỉ tiêu

Mức
giới
hạn

1

Trị số ốc tan (RON)
phương pháp nghiên cứu,
min

92

25

Phương pháp thử

TCVN 2703 (ASTM D2699)