Nghiên cứu khả năng sản xuất etanol sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp

Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Nguyễn Thị Hằng Nga






1

Cao học Môi trường K15


MỞ ĐẦU
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 [16]. 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.
Sử dụng nhiên liệu sinh học mang lại các lợi ích như giảm thiểu ô nhiễm môi
trường vì nguyên liệu sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học là cồn và dầu mỡ động
thực vật, không chứa các hợp chất thơm, hàm lượng lưu huỳnh thấp, không chứa chất
độc hại, mặt khác nhiên liệu sinh học khi thải vào đất có tốc độ phân hủy sinh học cao
nhanh hơn gấp 4 lần so với nhiên liệu dầu mỏ và do đó giảm được rất nhiều tình trạng
ô nhiễm nước ngầm [18].
Etanol sinh học (bio-ethanol) 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 (ở Mỹ), lúa mì, lúa mạch,
mía (ở Brazil). Ngoài ra, etanol sinh học còn được sản xuất từ cây cỏ có chứa hợp chất
cellulose (celluloic ethanol). Celluloic ethanol đã được sản xuất thành công và đưa vào
sử dụng làm nhiên liệu ở nhiều nước trên thế giới. Hiện nay, việc sản xuất etanol từ các
loại cây nông nghiệp có thể ăn được đang gây ra sự lo lắng về vấn đề an ninh lương
thực- sự cạnh tranh giữa cây trồng làm nhiên liệu và cây lương thực. Chính vì vậy, thế
giới đang đi theo hướng sản xuất etanol từ các nguyên liệu chứa hợp chất cellulose.
Việt Nam là một quốc gia có hơn 70% dân số làm nông nghiệp. Do vậy, phụ
phẩm sau thu hoạch rất lớn. Theo số liệu thống kê sơ bộ năm 2008 [13], tổng diện tích
Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Nguyễn Thị Hằng Nga






2

Cao học Môi trường K15


cây lúa trong cả nước khoảng 7,4 triệu ha, do vậy lượng rơm rạ phát thải sau mỗi vụ
thu hoạch rất lớn (trung bình 5-6 tấn rơm rạ/ 1ha/vụ). Diện tích trồng ngô cả nước là
1,13 triệu ha.Theo phương thức sản xuất nông nghiệp truyền thống, phụ phẩm nông
nghiệp sau khi thu hoạch (rơm rạ, thân cây ngô, thân cây đậu…) được chuyển về nhà
và được sử dụng như một nguồn nguyên liệu chính để đun nấu trong các nông hộ, làm
thức ăn chăn nuôi... Cùng với sự phát triển của xã hội và nhu cầu đời sống ngày một
nâng cao, ngày nay hầu hết các hộ nông dân đã sử dụng các nguồn nguyên liệu khác
như than, gas, điện,... cho việc nấu nướng nên phần lớn lượng phụ phẩm nông nghiệp

này được người nông dân đốt ngay trên đồng ruộng tạo ra những chất độc hại như CH
4
,
CO
2
, bụi,... Việc đốt lượng phụ phẩm nông nghiệp trên đồng ruộng đang dần hình
thành một thói quen xấu, không những gây ảnh hưởng xấu tới môi trường sinh thái mà
còn rất lãng phí nguồn nguyên liệu có nguồn gốc thực vật này.
Một số công trình nghiên cứu trên thế giới cho thấy, các loại phụ phẩm nông
nghiệp, phế thải giàu hợp chất hydratcacbon có thể sử dụng làm nguyên liệu để sản
xuất etanol sinh học. Thành phần của rơm rạ, thân cây ngô bao gồm phần lớn là
cellulose, hemicellulose, lignin, và các nguyên tố khoáng khác.Việc nghiên cứu sử
dụng phụ phẩm nông nghiệp giàu hợp chất cacbonhydrat làm nguyên liệu sản xuất
etanol nhiên liệu có sử dụng sự trợ giúp của vi sinh vật đang là một trong những giải
pháp đầy hứa hẹn cho việc tạo ra nguyên liệu thay thế cho nguồn nguyên liệu hóa thạch
đang dần cạn kiệt, giảm thiểu các tác động xấu đến môi trường, là một hướng nghiên
cứu đúng đắn thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nước.
Với ý nghĩa thiết thực đó, “Nghiên cứu khả năng sản xuất etanol sinh học từ phụ
phẩm nông nghiệp” nhằm xác định được khả năng sản xuất etanol sinh học từ thân
cây ngô nhờ tác nhân sinh học là vi sinh vật.



Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Nguyễn Thị Hằng Nga

3

Cao học Môi trường K15


Để đạt được mục tiêu nêu trên, đề tài đã tiến hành các nội dung nghiên cứu sau:
+ Lựa chọn chủng vi sinh vật làm tác nhân cho quá trình thủy phân thân cây ngô và quá
trình lên men
+ Nghiên cứu một số điều kiện phù hợp trong quá trình thủy phân thân cây ngô thành
đường đơn bằng tác nhân hóa học và sinh học (vi sinh vật).
+ Nghiên cứu xây dựng quy trình sản xuất etanol sinh học từ thân cây ngô.

Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Nguyễn Thị Hằng Nga






4

Cao học Môi trường K15


CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Sinh khối và nhiên liệu sinh học
1.1.1. Khái niệm
Sinh khối (Biomas) là các vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ sinh vật có khả năng
tái tạo như cây cối, phân gia súc… SK được xem là một phần của chu trình cacbon
trong tự nhiên. Cacbon từ khí quyển được biến đổi thành vật chất sinh học qua quá
trình quang hợp của thực vật. Khi phân giải hoặc đốt cháy, cacbon quay trở lại khí
quyển hoặc đất. Vì vậy cacbon khí quyển được giữ ở mức tương đối ổn định.
Các vật liệu hữu cơ được tạo thành bởi các quá trình địa chất tạo than đá, dầu
mỏ, khí thiên nhiên không được gọi là SK. Nhiên liệu hoá thạch có nguồn gốc SK
trong thời cổ xưa được xem là đã nằm ngoài chu trình cacbon từ rất lâu.Việc đốt cháy
chúng làm hàm lượng CO
2
trong khí quyển mất ổn định.

Nhiên liệu sinh học là loại nhiên liệu có nguồn gốc từ SK - có thể là từ các sinh
vật sống hoặc sản phẩm phụ từ quá trình chuyển hóa của chúng (ví dụ như phân gia
súc). Chúng thuộc loại năng lượng tái tạo hoàn toàn khác với các loại năng lượng khác
như hóa thạch, hạt nhân.
NLSH có đặc điểm là khi bị đốt cháy sẽ giải phóng ra năng lượng hóa học tiềm
ẩn trong nó.
1.1.2. Các dạng nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học được sử dụng ở 03 dạng chính sau [40]:
- Dạng rắn (SK rắn dễ cháy): củi, gỗ và than bùn.
- Dạng lỏng: Các chế phẩm dạng lỏng nhận được trong quá trình chế biến vật
liệu nguồn gốc sinh học như:
+ Cồn sinh học - các loại cồn có nguồn gốc sinh học, ví dụ: etanol sinh học từ
đường mía, ngô đang được sử dụng làm nhiên liệu hoặc phụ gia pha xăng tại Braxin,
Mỹ và một vài nước khác; metanol sinh học (hiện đang được sản xuất chủ yếu từ khí tự
nhiên, song có thể đi từ SK).
Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Nguyễn Thị Hằng Nga






5

Cao học Môi trường K15


+ Dầu mỡ các loại nguồn gốc sinh học: diezel sinh học (Biodiezel) - sản phẩm
chuyển hóa ester từ mỡ động vật hoặc dầu thực vật; Phenol và các loại dung môi, dầu

nhựa thu được trong quá trình nhiệt phân gỗ, v.v…
- Dạng khí: Metan thu được từ quá trình phân hủy tự nhiên các loại phân, chất
thải nông nghiệp hoặc rác thải - biogas; Hyđrô thu được nhờ cracking hyđrocacbon, khí
hóa các hợp chất chứa cacbon (kể cả SK) hoặc phân ly nước bằng dòng điện hay thông
qua quá trình quang hóa dưới tác dụng của một số vi sinh vật; Các sản phẩm khí khác
từ quá trình nhiệt phân và khí hóa SK (các loại khí cháy thu được trong quá trình nhiệt
phân gỗ).
1.1.3. Những lợi ích khi sử dụng nhiên liệu sinh học
Sử dụng NLSH sẽ giảm thiểu ô nhiễm và khí nhà kính
NLSH được sản xuất từ SK, là loại vật liệu xuất phát từ sinh vật (chủ yếu là thực
vật) và là một phần trong chu trình cacbon ngắn. CO
2
mà cây hấp thụ từ không khí qua
quá trình quang hợp sẽ quay trở lại bầu khí quyển khi chúng đã bị chuyển hóa thành
năng lượng. Để có thể coi đó là nguồn năng lượng tái tạo thì ít nhất kho sinh khối đó
phải được duy trì không thay đổi. Bởi vì trong chu trình không có lượng CO
2
thừa và
NLSH chạy xe phát tán ngược trở lại nên NLSH có thể được coi là yếu tố "cân bằng về
mặt môi trường" thuộc chu trình.
Hiện nay, hàng năm toàn thế giới phát thải khoảng 25 tỷ tấn khí độc hại và khí
nhà kính. Nồng độ khí CO
2
, loại khí nhà kính chủ yếu, tăng trên 30% so với thời kỳ
tiền công nghiệp (từ 280 ppm tăng lên 360 ppm), nhiệt độ trái đất tăng 0,2- 0,4
0
C. Nếu
không có giải pháp tích cực, nồng độ khí nhà kính có thể tăng đến 400 ppm vào năm
2050 và 500 ppm vào cuối thế kỷ XXI, nhiệt độ trái đất tăng thêm 2-4
0

C, gây ra hậu
quả khôn lường về môi trường sống. Sử dụng NLSH so với xăng dầu khoáng giảm
được 70% khí CO
2
và 30% khí độc hại, do NLSH chứa một lượng cực nhỏ lưu huỳnh,
chứa 11% oxy, nên cháy sạch hơn. NLSH phân huỷ sinh học nhanh, ít gây ô nhiễm
nguồn nước và đất.
Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Nguyễn Thị Hằng Nga






6

Cao học Môi trường K15


Sử dụng NLSH sẽ góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế nông nghiệp
Ngành kinh tế nông nghiệp ngoài chức năng cung cấp lương thực thực phẩm,
nguyên liệu công nghiệp, giờ đây có thêm chức năng cung cấp năng lượng sạch cho xã
hội, đóng góp vào việc giảm thiểu khí nhà kính và khí độc hại. Đặc biệt, khi phát triển
NLSH có thể sử dụng các giống cây có dầu, chẳng hạn như J. Curcas trồng trên các
vùng đất hoang hoá hoặc đang sử dụng kém hiệu quả, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng
đất.[18]
Kỹ thuật và kinh tế năng lượng
Sản xuất và sử dụng NLSH đơn giản hơn so với các dạng nhiên liệu hyđrô /pin
nhiên liệu. Khi sử dụng E20, B20 không cần cải biến động cơ, sử dụng được cho các

loại ôtô hiện có, cũng không cần thay đổi hệ thống tồn chứa và phân phối hiện có.
NLSH và nhiên liệu khoáng có thể dùng lẫn với nhau được. Công nghệ sản xuất NLSH
không phức tạp, có thể sản xuất ở quy mô nhỏ (hộ gia đình) đến quy mô lớn. Sự tiêu
hao nhiên liệu, công suất động cơ tương tự như dùng xăng dầu khoáng. Nhiều công
trình nghiên cứu về cân bằng năng lượng đã cho thấy: Từ 1 đơn vị năng lượng dầu mỏ
sản xuất được 0,87 đơn vị năng lượng xăng, hoặc 1,02 đơn vị năng lượng ETBE, hoặc
2,05 đơn vị năng lượng etanol. Từ 1 đơn vị năng lượng dầu mỏ (dùng để cày bừa, trồng
trọt, chăm sóc, vận chuyển đến chế biến) sẽ tạo ra 1,2 đơn vị năng lượng NLSH. Nếu
kể thêm các sản phẩm phụ (bã thải, sản phẩm phụ) thì tạo ra 2-3 đơn vị NLSH. Như
vậy, cân bằng năng lượng đầu ra so với đầu vào là dương. Hiện tại, giá NLSH còn cao
do sản xuất nhỏ, giá nguyên liệu cao. Khi sản xuất quy mô lớn với công nghệ mới sẽ
giảm giá thành. Nếu xăng dầu không bù giá thì NLSH có giá thành thấp hơn. Có thể
khẳng định, NLSH sẽ đem đến đa lợi ích.
1.2. Etanol sinh học
1.2.1. Tính chất lý hoá học của etanol
Tính chất lý học
Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Nguyễn Thị Hằng Nga






7

Cao học Môi trường K15


Etanol hay Rượu etylic là một chất lỏng, không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay,

nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15
0
C), sôi ở nhiệt độ 78,39
0
C, hóa rắn
ở -114,15
0
C, tan trong nước vô hạn.
Độ nhớt của etanol là 1,200 cP ở 20°C
Tính chất hóa học
Etanol là rượu no, đơn chức, có công thức C
2
H
5
OH. Etanol mang đầy đủ tính
chất của một rượu đơn chức như phản ứng thể với kim loại kiềm, phản ứng este hóa,
phản ứng loại nước hay phản ứng tách nước, phản ứng oxi hóa thành andehyt, axit hay
CO
2
tùy theo điều kiện phản ứng. Ngoài ra etanol còn có một số phản ứng riêng như
sau:
Phản ứng tạo ra butadien-1,3: cho hơi rượu đi qua chất xúc tác hỗn hợp, ví dụ
Cu + Al
2
O
3
ở 380-400
0
C, lúc đó xảy ra phản ứng tách loại nước
2C

2
H
5
OH -> CH
2
=CH-CH
2
=CH + 2 H
2
O + H
2

Phản ứng lên men giấm: oxi hóa rượu etylic 10 độ bằng oxi không khí có mặt
men giấm ở nhiệt độ khoảng 25
0
C.
CH
3
-CH
2
-OH + O
2
-> CH
3
-COOH + H
2
O
1.2.2. Phương pháp sản xuất etanol sinh học
Etanol có thể được sản xuất theo phương pháp hóa học từ nguyên liệu etan hoặc
etylen bằng phương pháp hydrat hóa etylen. Trên thực tế etanol thường được sản xuất

bằng con đường sinh học. Khi đó sản phẩm etanol được gọi là cồn sinh học hay bio-
etanol. Công nghệ chiếm ưu thế hiện nay là chuyển hóa SK thành etanol thông qua lên
men rượu rồi chưng cất. Quá trình lên men rượu này là quá trình chuyển hóa sinh hóa
học. SK sẽ bị men của vi khuẩn hoặc nấm men phân hủy. Phương pháp lên men có thể
áp dụng đối với nhiều nguồn nguyên liệu SK khác nhau.
1.2.2.1. Nguyên liệu SK [28]
Nguyên liệu sản xuất etanol thích hợp nhất là đường (từ củ cải đường, mía), rỉ
đường và cây lúa miến ngọt, tinh bột (khoai tây, các loại hạt lúa, lúa mỳ, ngô, đại
Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Nguyễn Thị Hằng Nga






8

Cao học Môi trường K15


mạch…). Năng suất etanol trung bình dao động từ 2.100 đến 5.600 lít/ ha đất trồng trọt
tùy thuộc vào từng loại cây trồng. Đối với các loại hạt, năng suất etanol thu được vào
khoảng 2.800 lít/ha, tức là vào khoảng 3 tấn nguyên liệu hạt sẽ thu được 1 tấn etanol.
Hiện nay các hoạt động nghiên cứu và phát triển ở châu Âu về lĩnh vực etanol
sinh học chủ yếu tập trung vào sử dụng các nguồn nguyên liệu cellulose (từ gỗ). Các
loại cây trồng quay vòng ngắn (liễu, bạch dương, bạch đàn), các chất thải nông nghiệp
(rơm, bã mía), các phế thải của công nghiệp gỗ, gỗ thải... đều thích hợp để làm nguyên
liệu sản xuất etanol. Cứ khoảng 2 - 4 tấn vật liệu gỗ khô hoặc cỏ khô đã có thể cho 1
tấn etanol. Nguyên nhân khiến người ta chuyển sang sản xuất etanol từ SK cellulose

(gỗ, thân thảo) là vì các loại này sẵn có và rẻ tiền hơn so với các loại tinh bột ngũ cốc
hoặc cây trồng khác, đặc biệt là với những nguồn chất thải hầu như không có giá trị
kinh tế thì vấn đề càng có ý nghĩa, tuy nhiên quá trình chuyển hóa các vật liệu này sẽ
khó khăn hơn. Hàm lượng cellulose, hemicellulose, lignin, đường và tro trong các
nguyên liệu SK được biểu hiện trong Bảng 1 và Bảng 2.
Bảng 1: Thành phần cellulose, hemicellulose và lignin trong SK [42]
Thành phần Phần trăm trọng lượng khô (%)
Cellulose 40-60
Hemicellulose 20-40
Lignin 10-25

Bảng 2: Thành phần đường và tro trong các nguyên liệu SK [43]
Nguyên liệu Đường 6
Cácbon (%)
Đường 5
Cácbon (%)
Lignin
(%)
Tro
(%)
Gỗ cứng 39-50 18-28 15-28 0,3-1,0
Gỗ mềm 41-57 8-12 24-27 0,1-0,4
Phụ phẩm nông nghiệp 30-42 12-39 11-29 2-18

Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Nguyễn Thị Hằng Nga

9

Cao học Môi trường K15


1.2.2.2. Công nghệ chuyển hóa etanol
- Quá trình chuyển hóa từ nguyên liệu chứa đường
Etanol có thể sản xuất từ nhiều loại nguyên liệu SK khác nhau, nhưng chỉ có
một vài loại cây trồng chứa nhiều loại đường đơn giản, dễ tách nên thuận lợi cho quá
trình xử lý và lên men. Thông thường để tách đường hoàn toàn, quá trình tách (chiết
hoặc nghiền nhỏ) cần được thực hiện lặp đi lặp lại vài lần.
- Quá tình chuyển hóa từ các nguyên liệu chứa tinh bột
Các loại tinh bột ngũ cốc là các vật liệu gồm các phân tử cacbonhydrat phức tạp
hơn nên phải phân hủy chúng thành đường đơn nhờ quá trình thủy phân.
Hạt được xay, nghiền ướt thành dạng bột nhão. Trong quá trình này đã có một
lượng đường được giải phóng. Nhưng để chuyển hóa tối đa lượng tinh bột thành
đường, tạo điều kiện lên men rượu, bột nhão được nấu và cho thủy phân bằng enzym
(ví dụ amylaza). Trong trường hợp thủy phân bằng axit thì cần rót axit loãng vào khối
bột nhão trước khi đem nấu. Quá trình lên men được xúc tiến mạnh khi có mặt một số
chủng men rượu. Để thuận lợi cho quá trình lên men, pH của dịch thủy phân cần điều
chỉnh ở mức 4,8 - 5,0. Etanol sinh ra trong quá trình lên men sẽ hòa tan trong nước.
Quá trình lên men rượu này sinh ra CO
2
. Nhờ hàng loạt bước chưng cất và tinh cất để
loại nước, nồng độ etanol sẽ được tăng cao tối đa (có thể đạt mức cồn tuyệt đối - etanol
khan).
- Quá trình chuyển hóa từ nguyên liệu chứa celluose [28]
Quá trình chuyển hóa SK là hỗn hợp cellulose thành etanol chỉ khác với quá

trình lên men tinh bột ở chỗ xử lý nguyên liệu thành đường đơn sẵn sàng cho quá trình
lên men. Thủy phân hỗn hợp cellulose khó hơn thủy phân tinh bột vì hỗn hợp cellulose
là tập hợp các phân tử đường liên kết với nhau thành mạch dài (polyme cacbonhyđrat)
gồm khoảng 40 - 60% cellulose và 20 - 40% hemicellulose, có cấu trúc tinh thể, bền.
Hemicellulose chứa hỗn hợp các polyme có nguồn gốc từ xylo, mano, galaeto hoặc
arabino kém bền hơn cellulose. Nói chung hỗn hợp cellulose khó hòa tan trong nước.
Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Nguyễn Thị Hằng Nga






10

Cao học Môi trường K15


Phức polyme thơm có trong gỗ là lignin (10 - 25%) không thể lên men vì khó phân hủy
sinh học, nhưng có thể tận dụng vào việc khác.

Quá trình xử lý sơ bộ:
Một số phương pháp xử lý sơ bộ được trình bày trong Bảng 3 sau đây:



Đường
xylose
và nước
Hình 1: Quá trình thủy phân để sản xuất đường từ cellulose
đi theo sau là quá trình lên men để sản xuất etanol sinh học [35]

Nguyên liệu SK
ligno-cellulose
Thủy phân
giải phóng xylose từ
hemicellulose
Phân loại
Lên men xylose

thành etanol
Ligin làm nhiên liệu
cung cấp nhiệt
Cột
chưng
cất
thu
hồi
etanol
Etanol
Nồi hơi
Thủy phân cellulose
giải phóng glucose
Nhiệt
Lên men glucoce
Bánh
lignin/
cellulose
rắn
Đường glucose
Và lignin rắn
Lên
men
cả hai
loại
Nước
Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Nguyễn Thị Hằng Nga

11

Cao học Môi trường K15


Bảng 3: Các phương pháp xử lý sơ bộ [26]
Phương pháp
Tiền xử lý
Đặc điểm Ưu điểm Nhược
điểm
Tài liệu
tham khảo
Bằng hơi (có
H
2
SO
4
, SO
2.
CO
2
)
- Hơi nước bão
hòa áp suất cao
và giảm áp 160-
260

0
C (0,7- 4,8
Mpa),
- Thời gian <10
phút
Hiệu quả đối với gỗ
cứng
- Phân
hủy xylan
- Ức chế vi
sinh vật
- Kuznetsov
et al. 2002
AFEX - NH
3
lỏng ở
nhiệt độ và áp
suất cao và giảm
áp 1-2 g NH
3
/g
SK khô ở 90
0
C
trong 30 phút
- Đường hóa nhanh
đối với cây trồng
thảo mộc
- Xylan mất ít hơn
cách xử lý bằng

hơi axit
- Không hình thành
sự ức chế
- Hiệu
quả thấp
đối với
SK chứa
lignin cao
- Thu hồi
amoniac
- Holtzapple et al.
1991
- Vlasenko et al.
1997
Ôzon 35mg/l ozon ở
25
0
C
- Hiệu quả đối với
ligin
- Không hình
thành sự ức chế
- Nhiệt độ và áp
suất trung bình
- Đòi hỏi
lượng
ozon lớn
- Đắt đỏ
- Roncero et al.
2003

Thủy phân
bằng axit
H
2
SO
4
, HCl - Thủy phân bằng
axit loãng
- Điều kiện trung
bình
- Năng suất cao đối
với xylan thành
xylose
- ăn mòn
và độc tố
- Thu hồi
axit
- Khá đắt
đỏ
- Bhandari et al.
1983
- Ragg et al. 1987
- Carrasco et al.
1992
Thủy phân
bằng kiềm
NaOH,
Ca(OH)
2
, NH

3
- Loại bỏ este hiệu
quả
- Tăng diện tích bề
mặt
- Giảm DP
Thu hồi
kiềm
- Fan et al. 1987
- Chang et al.
1998
- Kaar et al. 2000
Organo-
solvolysis
MeOH, EtOH,
axeton với HCl
hoặc H
2
SO
4

- Năng suất xylose
cao
- Thu hồi
dung môi
- Đắt đỏ
- Chum et al. 1990
- Vázquez et al.
1997
Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

Nguyễn Thị Hằng Nga






12

Cao học Môi trường K15


Sinh học Nấm nâu, nấm
trắng
- Phân hủy lignin
hiệu quả
- Yêu cầu năng
lượng thấp
- Ức chế
vi sinh
vật
- Mất
cellulose
và năng
suất thấp
- Crawford et al.
1984
- Costa et al. 2002

Quá trình thủy phân:

Thủy phân bằng axit
Trong ngành công nghiệp sản xuất etanol, người ta ưu tiên sử dụng công nghệ
thuỷ phân bằng axit vì giá thành của enzyme cellulase quá cao. Theo nguyên tắc, bất cứ
axit nào cũng có thể sử dụng cho quá trình thuỷ phân, nhưng trên thực tế, axit sunfuric
vẫn được dùng phổ biến nhất vì giá thành của nó rẻ và cho hiệu quả thuỷ phân tương
đối cao.
Axit sunfuric sử dụng có thể là axit đặc hoặc axit loãng.
Thủy phân bằng axit loãng

Hình 2: Thủy phân bằng axit sunfuric loãng [39]
Giảm
kích thước
Bước 1:
Tiền xử lý
bằng axit loãng
Bước 2:
Thủy phân
bằng axit loãng
Sản xuất
điện/ nhiệt
Lọc
etanol
Thiết bị
lên men
Thạch cao
Trung hòa/
Khử chất độc
Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Nguyễn Thị Hằng Nga

13

Cao học Môi trường K15


Quá trình thủy phân nguyên liệu thành đường tự do sẵn sàng lên men bằng axit
sunfuric loãng phải trải qua 2 bước:
- Bước 1: Thủy phân bằng axit loãng nồng độ 0,5% để phá vỡ liên kết hyđro
giữa các mạch cellulose và phá vỡ cấu trúc tinh thể của chúng thực hiện ở nhiệt độ
200
o
C. Kết quả thủy phân bước 1 sẽ chuyển hóa hemicellulose thành đường 5C và 6C
(chủ yếu xylo và mano) dễ lên men tạo thành etanol đồng thời bẻ gãy cấu trúc
cellulose.
- Bước 2: Để chuyển hóa hoàn toàn cấu trúc cellulose đã gãy thành đường gluco
C
6
, bước thủy phân thứ 2 sử dụng axit nồng độ 2% được thực hiện ở nhiệt độ 240
o
C.

Thủy phân bằng axit đặc


Hình 3: Thủy phân bằng axit sunfuric đặc [38]

Tách đường
và axit
H
2
SO
4
đậm đặc
Thủy phân
Thủy phân
Nước
Sử dụng
lignin
Thu hồi
etanol
Thiết bị lên men
Dịch đường đã lọc
Bể trung hòa
Nước
Tập trung axit
Thạch cao
Chuyển đổi
Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Nguyễn Thị Hằng Nga






14

Cao học Môi trường K15


Quá trình thuỷ phân vẫn được tiến hành qua hai bước, bước thứ nhất để thuỷ
phân hemicelulose, được tiến hành ở 100
o
C, trong thời gian từ 2 – 6h, nồng độ axit cho
vào là 10%. Ở giai đoạn thuỷ phân thứ nhất, sau khi axit phân huỷ hemicellulose, hỗn
hợp sẽ được pha loãng bằng nước, sự thuỷ phân xảy ra trong bước pha loãng thu được
phần lớn đường. Sau đó, hỗn hợp được lọc để thu hồi dung dịch, phần chất rắn còn lại
được đem thủy phân tiếp. Tại đây axit đặc phá vỡ liên kết hydro giữa các chuỗi
cellulose, biến đổi chúng thành dạng vô định hình hoàn toàn. Khi cellulose được
decrystallization, chúng tạo thành một dạng chất lỏng, Cellulose rất dễ bị thuỷ phân ở
thời điểm này. Chính vì vậy, pha loãng dung dịch bằng nước ở nhiệt độ thường sẽ làm
cho sự thuỷ phân glucose diễn ra nhanh chóng và hoàn toàn, với ít sự thất thoát nhất.
Lignin được thu hồi để tận dụng làm các sản phẩm khác (thức ăn gia súc). Trong quy
trình này, người ta sử dụng màng lọc để phân tách đường và axit, hệ thống thu hồi và
cô đặc axit nhằm tận dụng quay vòng lại lượng axit sunfuric trong dung dịch. Tuy
nhiên, hệ thống này có giá thành rất cao, do vậy người ta thường sử dụng một lượng
lớn vôi để trung hoà axit trong dung dịch trước khi tiến hành lên men. Sự trung hoà này
tạo ra một lượng lớn thạch cao CaSO
4
. Ưu điểm của quy trình là hiệu quả thuỷ phân
cao, có thể thu hồi được 90% cả đường của cellulose và đường của hemicellulose. Quá
trình thủy phân cellulose thành gluco bằng axit có thể thay thế bằng men phân hủy
cellulose [26].

Thủy phân bằng enzyme [39]
Quá trình thủy phân bằng enzyme vàquá trình lên men có thế được diễn ra đồng

thời với nhau hoặc tách riêng.
Thuỷ phân và lên men tách riêng: Vật liệu sau khi được nghiền mịn (giảm kích
thước) sẽ được Xử lý sơ bộ bằng axit loãng để thuỷ phân hemicellulose, chất rắn còn
lại (cellulose, lignin) sẽ được thuỷ phân bằng enzyme. Trong bước xử lý sơ bộ, chuỗi
liên kết các loại đường cấu thành nên hemicellulose bị phá vỡ, các phân tử
Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Nguyễn Thị Hằng Nga






15

Cao học Môi trường K15


hemicellulose sẽ bị phân huỷ thành các đường đơn. Cụ thể là các đường 5C có thể hoà
tan như xylose, araibinose và các đường 6C có thể hoà tan như mannose và galactose.
Một lượng nhỏ cellulose cũng được chuyển hoá thành glucose trong bước này. Tiếp
đến cần nuôi dưỡng enzyme để thuỷ phân cellulose, enzyme cellulase được sử dụng để
thuỷ phân các phân tử cellulose thành đường glucose. Trong phản ứng thuỷ phân
cellulose, enzyme cellulase được sử dụng để phá vỡ chuỗi liên kết glucan của cellulose,
giải phóng ra glucose. Quá trình thuỷ phân cellulose còn được gọi là sự hoá đường
cellulose. Dung dịch thu được sau giai đoạn xử lý sơ bộ và giai đoạn thuỷ phân
cellulose được lên men bằng vi sinh vật. Sau đó người ta chưng cất để thu hồi etanol
tinh khiết. Trong quy trình này quá trình thuỷ phân và quá trình lên men được tiến hành
tách rời.

Hình 4: Sử dụng enzyme để thuỷ phân, thuỷ phân và lên men tách riêng
(SCF: separate hydrolysis and fermentation)
Thuỷ phân và lên men đồng thời: Khác với quy trình thủy phân và lên men
đồng thời, ở quy trình này quá trình thuỷ phân cellulose và quá trình lên men được tiến
hành đồng thời. Quy trình này tuy không phải thực hiện sự thủy phân trước nhưng hạn
chế của nó là làm xuất hiện các phản ứng lên men đồng thời phức tạp, và làm phát sinh
Giảm kích thước
Xử lý sơ bộ
bằng axit
loãng
Thủy phân lấy
đường từ
hemicellulose
Thủy phân

cellulose
bằng
Chế biến
chất thải rắn
Lên men
Thu hồi
etanol
Thủy phân

với
đường
từ cellulose
Sản xuất
enzyme
Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Nguyễn Thị Hằng Nga






16

Cao học Môi trường K15


các sản phẩm của sản xuất etanol sinh học ức chế hoạt động của enzyme. Quy trình này
được biểu diễn ở Hình 5.

Hình 5: Sử dụng enzyme để thuỷ phân, thuỷ phân và lên men đồng thời
(SSCF: simultaneous saccharification and cofermentation)
1.2.2.3. Thực trạng công nghệ và tính kinh tế [28]
Lên men đường và sản xuất etanol là công nghệ cổ truyền, đang được áp dụng
trên phạm vi kinh doanh rộng. Để giảm chi phí sản xuất và hạ giá thành sản phẩm hơn
nữa thì cần cải tiến công nghệ và tìm kiếm các nguồn SK rẻ hơn (giá nguyên liệu
chiếm 55 - 80% giá sản phẩm cuối). Các công ty của Mỹ và Canađa hiện đang tiếp tục
nghiên cứu tận dụng nguồn SK, là hỗn hợp cellulose và các nguồn phế thải khác.
Để dùng làm nhiên liệu, etanol phải ở dạng cồn tuyệt đối (xấp xỉ 100%), hiện
nay người ta đang tiếp tục cải tiến khâu loại bỏ triệt để nước từ sản phẩm bằng cách sử
dụng phương pháp lọc màng phân tử.
Còn một công nghệ sản xuất etanol khác là thông qua con đường khí hóa
nguyên liệu, xong rất phức tạp và không kinh tế.
Chi phí đầu tư ngắn hạn cho một cơ sở sản xuất etanol từ hạt ngũ cốc tại châu
Âu, dự tính 290 euro/kW nhiệt (đối với nhà máy 400 MW nhiệt). Nếu đầu tư dài hạn
Giảm kích thước
Tiền xử lý
bằng axit
loãng
Thủy phân
lấy đường từ
hemicellulose
Sản xuất
enzyme
Chế biến
chất thải
rắn
Đường hóa
và lên men
đồng thời

Thu hồi
etanol
Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Nguyễn Thị Hằng Nga






17

Cao học Môi trường K15


chi phí có thể giảm 40%. Nếu nhà máy sản xuất etanol từ nguồn gỗ, chi phí đầu tư
ngắn hạn khoảng 350 euro/ kW nhiệt, nếu đầu tư dài hạn chi phí giảm 50%.
Chi phí sản xuất etanol từ đường và ngũ cốc tại châu Âu và Mỹ hiện khá cao: 15
- 25 euro/ GJ (1Giga Jun = 10
9
Jun) đi từ củ cải ngọt và 20 euro/ GJ đi từ ngô, tức là
etanol có giá 0,32 - 0,54 euro/ lít (tương đương với 8.640- 14.580VNĐ,1 euro = 27.000
VNĐ). Nếu sản xuất từ nguồn cellulose, giá etanol còn 0,11 - 0,32 euro/ lít (tương
đương với 2.970- 8.640VNĐ.
1.2.3. Tình hình sản xuất và sử dụng etanol sinh học
1.2.3.1. Sản xuất và sử dụng etanol sinh học trên thế giới [24]
Hiện nay có khoảng 50 nước trên thế giới khai thác và sử dụng NLSH ở các
mức độ khác nhau. NLSH được dùng làm nhiêu liệu cho ngành giao thông bao gồm:
Dầu thực vật sạch, etanol, diesel sinh học, dimetyl ether (DME), ethyl tertiary butyl
ether (ETBE) và các sản phẩm từ chúng. Năm 2006, toàn thế giới đã sản xuất khoảng

50 tỷ lít etanol (75% dùng làm nhiên liệu) so với năm 2003 là 38 tỷ lít, dự kiến năm
2012 là khoảng 80 tỷ lít; năm 2005 sản xuất 4 triệu tấn diesel sinh học (B100), năm
2010 sẽ tăng lên khoảng trên 20 triệu tấn. Sản lượng etanol ở một số nước đứng đầu
trên thế giới được chỉ ra ở Bảng 4.
Bảng 4: Tổng sản lượng etanol hàng năm ở một số nước [28]
Tổng sản lượng Etanol hàng năm của 15 nước
đứng đầu (2004-2006)
(Triệu tấn gallon Mỹ)
Tổng sản lượng Etanol hàng
năm 15 nước đứng đầu (2007)
(Triệu tấn gallon Mỹ)
Xếp
hạng
thế giới
Đất nước 2006 2005 2004
Xếp
hạng
thế giới
Đất nước/
Vùng
2007
1 Mỹ 4.855 4.264 3.535 1 Mỹ 6,498,6
2 Brazil 4.491 4.227 3.989 2 Brazil 5,019,2
3
Trung
Quốc
1.017 1.004 964 3
Liên minh
Châu Âu
570,3

Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Nguyễn Thị Hằng Nga






18

Cao học Môi trường K15


4 Ấn Độ 502 449 462 4 Trung Quốc 486,0
5 Pháp 251 240 219 5 Canada 211,3
6 Đức 202 114 71 6 Thái Lan 79,2
7 Nga 171 198 198 7 Campuchia 74,9
8 Canada 153 61 61 8 Ấn Độ 52,8
9
Tây Ban
Nha
122 93 79 9 Trung Mỹ 39,6
10 Nam Phi 102 103 110 10 Australia 26,4
11 Thái Lan 93 79 74 11 Thỗ Nhĩ Kỳ 15,8
12
Anh
Quốc
74 92 106 12 Pakistan 9,2
13 Ukraine 71 65 66 13 Peru 7,9
14 Ba Lan 66 58 53 14 Argentina 5,2

15
Saudi
Arabia
52 32 79 15 Paraguay 4,7
Tổng số 13.489 12.150 10.770 Tổng số 13.101,7
(Ghi chú: 1 gallon Mỹ = 3,785 lít)
Năm 2005, Brazil sản xuất 16 tỷ lít etanol, chiếm 1/3 sản xuất toàn cầu. Năm
2006, Brazil đã có trên 325 nhà máy etanol, và khoảng 60 nhà máy khác đang xây cất,
để sản xuất xăng etanol từ mía (đường, nước mật, bả mía), và bắp; đã sản xuất 17,8 tỷ
lít etanol, dự trù sẽ sản xuất 38 tỷ lít vào năm 2013.
Hiện tại, diện tích trồng mía ở Brazil là 10,3 triệu ha, một nửa sản lượng mía
dùng sản xuất xăng-etanol, nửa kia dùng sản xuất đường. Dự đoán là Brazil sẽ trồng 30
triệu ha mía vào năm 2020. Vì lợi nhuận khổng lồ, các công ty tiếp tục phá rừng
Amazon để canh tác mía, bắp, đậu nành cho mục tiêu sản xuất xăng sinh họcvừa tiêu
thụ trong nước vừa xuất khẩu. Giá xăng etanol được bán bằng nửa giá xăng thường tại
Brazil.
Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Nguyễn Thị Hằng Nga






19

Cao học Môi trường K15


Hoa kỳ sản xuất Etanol chủ yếu từ hạt bắp, hạt cao lương và thân cây cao lương

ngọt, và củ cải-đường. Khoảng 17% sản lượng bắp sản xuất hàng năm ở Hoa Kỳ dùng
để sản xuất etanol. Hoa Kỳ đặt chỉ tiêu sản xuất E10 để cung cấp 46% nhiên liệu cho
xe hơi năm 2010, và 100% vào 2012. Hãng General Motor đang thực hiện dự án sản
xuất E85 từ cellulose (thân bắp), và hiện có khoảng hơn 4 triệu xe hơi chạy bằng E85.
Hảng Coskata đang có 2 nhà máy lớn sản xuất xăng etanol. Hiện tại nông dân Hoa Kỳ
chuyển hướng sản xuất lúa mì và bắp cho xăng sinh học, vì vậy số lượng xuất khẩu hạt
ngũ cốc giảm từ nhiều năm nay, làm giá nông sản thế giới gia tăng Vì giá cả xăng sinh
học còn cao hơn xăng thường, chính phủ Mỹ phải trợ cấp, khoảng 1,9 USD cho mỗi
gallon (=3,78 lít) xăng sinh học, trợ cấp tổng cộng khoảng 7 tỷ USD/năm.
Đức là nước tiêu thụ nhiều nhất xăng sinh học trong cộng đồng EU, trong đó có
khoảng 0,48 triệu tấn etanol. Nguyên liệu chính sản xuất etanol là củ cải đường.
Pháp là nước thứ hai tiêu thụ nhiều etanol sinh học trong cộng đồng Âu châu với
mức khoảng 1,07 triệu tấn etanol và diesel sinh học năm 2006. Công ty Diester sản
xuất diesel sinh học và Téréos sản xuất etanol là 2 đại công ty của Pháp.
Thuỵ Điển có chương trình chấm dứt hoàn toàn nhập khẩu xăng cho xe hơi vào
năm 2020, thay vào đó là tự túc bằng xăng sinh học. Hiện nay, 20% xe ở Thuỵ Điển
chạy bằng xăng sinh học, nhất là xăng etanol. Thuỵ Điển đang chế tạo xe hơi vừa có
khả năng chạy bằng etanol vừa có khả năng chạy bằng điện. Để khuyến khích sử dụng
xăng sinh học, chính phủ Thuỵ Điển không đánh thuế xăng sinh học, và trợ cấp xăng
sinh học rẻ hơn 20% so với xăng thông thường, không phải trả tiền đậu xe ở thủ đô và
một số thành phố lớn, bảo hiểm xe cũng rẻ hơn.
Vương quốc Anh đặt chỉ tiêu 5% xe giao thông sử dụng xăng sinh học năm
2010. Hiện tại các xe bus đều chạy xăng sinh học. Hảng hàng không Virgin (Anh quốc)
bắt đầu sử dụng xăng sinh học cho máy bay liên lục địa.
Trung quốc đã sản xuất 920.000 tấn etanol. Chỉ tiêu sản xuất 4 triệu tấn
etanol vào năm 2010, và 300 triệu tấn etanol vào 2020. Hiện nay Trung quốc chỉ cho
Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Nguyễn Thị Hằng Nga

20

Cao học Môi trường K15


phép trồng sắn, lúa miến ngọt và một số hoa màu không quan trọng khác trên các
loại đất nghèo dinh dưỡng, không thích ứng sản xuất nông nghiệp như ở Shangdong
và Xinjiang Uygur.
Ở Ấn Độ, Chính phủ đã có chính sách sử dụng xăng etanol E5 hiện nay, và E10
và E20 trong những năm tới. Ần Độ gia tăng diện tích trồng cây dầu lai để sản xuất
diesel sinh học, và diện tích mía cho sản xuất xăng etanol.
Thái Lan bắt đầu nghiên cứu sản xuất xăng sinh học từ năm 1985. Năm 2001,
Thái Lan thành lập Uỷ ban NLSH để điều hành và phát triển nghiên cứu NLSH. Xăng
E10 đã bắt đầu bán ở các trạm xăng từ 2003.
Sử dụng etanol sinh học: etanol sinh học chủ yếu được nghiên cứu sử dụng
làm nhiên liệu [28]:
Etanol có thể làm phụ gia cấp oxy cho xăng (nồng độ 3%) giảm phát thải khí
CO đồng thời làm phụ gia thay thế chì tetraetyl, hoặc cũng có thể thành nguyên liệu
sản xuất etylterbutyleter (ETBE)- một phụ gia cho xăng. Etanol còn được dùng làm yếu
tố tăng chỉ số octan cho xăng và qua đó giảm nổ và cải thiện tiếng ồn động cơ.
Chỉ số octan ở etanol cao nên rất thích hợp với hệ đánh lửa động cơ đốt trong
của ô tô, song chỉ số xetan thấp nên không thích hợp lắm với động cơ diezel. Giải pháp
kỹ thuật đối với điều này là người ta sẽ đưa vào nhiên liệu một lượng nhỏ dầu diezel
hoặc là sử dụng phụ gia.
Bảng 5: So sánh một số chỉ tiêu giữa etanol, xăng và ETBE
TT Đặc tính nhiên liệu Etanol ETBE

Xăng (Quy ước)
1 Công thức hóa học C
2
H
5
OH C
4
H
9
-OC
2
H
5
C
8
H
15
2 Khối lượng phân tử (kg/kmol) 46 102 111
3 Chỉ số octan (RON) 109 118 97
4 Chỉ số octan (MON) 92 105 86
5 Chỉ số xetan 11 - 8
6 Áp lực bay hơi Reid là chỉ số đo độ
bay hơi của nhiên liệu (kPa) ở 15
0
C
16,5

28

0

Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Nguyễn Thị Hằng Nga






21

Cao học Môi trường K15


7 Khối lượng riêng (kg/l) ở 15
0
C 0,80 0,74 75
8 Giá trị calo thấp hơn (MJ/kg) ở
15
0
C
26,4 36 0,75

Chỉ số octan của etanol cao hơn xăng nên có tác dụng giảm tiếng ồn động cơ tốt
hơn, hơn nữa etanol chứa oxy nên hiệu quả nhiên liệu ở động cơ được cải thiện hơn.
Pha trộn với tỉ lệ hợp lý giữa etanol và xăng sẽ làm tăng hiệu quả động cơ xe. Các loại
xe chạy nhiên liệu xăng pha etanol được gọi là xe chạy nhiên liệu gasohol. Thông
thường gasohol có tỉ lệ pha trộn 10% etanol 90% xăng không pha chì (E10). Nếu xe
được cải thiện bộ phận đánh lửa ở động cơ, có thể chạy với nhiên liệu gasohol E85
(85% etanol và 15% xăng). Đa số các loại xe thiết kế ở Mỹ hiện nay có thể chạy nhiên
liệu tùy ý cả E85 lẫn chạy hoàn toàn xăng (E0). Dùng gasohol có tỷ lệ pha trộn từ 10 -

30% etanol vào xăng thì không cần cải tiến động cơ xe.
Xu hướng sản xuất etanol từ nguyên liệu SK
Theo nhận định của ông Donald Coxe, nhà chiến lược hàng đầu, của tập đoàn
tài chính BMO Canada, một cuộc khủng hoảng lương thực mới đang xuất hiện và sẽ
trở nên trầm trọng hơn bất kỳ cuộc khủng hoảng lương thực nào trước đây thế giới
từng chứng kiến. Việc sử dụng đất để trồng cây nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh
học có thể ảnh hưởng đến nguồn cung cấp lương thực, hoặc làm tăng giá lương thực,
đặc biệt đối với các nước đang phát triển. Khi nông dân trồng cây nguyên liệu có lợi
hơn trồng cây lương thực sẽ làm giảm sản lượng lương thực. Để giải quyết nguồn
nguyên liệu SK sản xuất năng lượng sinh học, ngoài cây lương thực, các quốc gia có
nguy cơ thiếu nhiều năng lượng đang tìm kiếm các nguồn cây trồng khác có thể canh
tác trên đất hoang hóa, trên cạn, dưới nước, đồng thời tích cực tìm kiếm công nghệ
mới thu hiệu suất cao, tiết kiệm nguyên liệu, hạ giá thành.
Tính toán sản lượng lý thuyết etanol từ 1 tấn nguyên liệu khô như Bảng 6.

Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Nguyễn Thị Hằng Nga






22

Cao học Môi trường K15


Bảng 6: Sản lượng lý thuyết Etanol sinh ra từ 1 tấn nguyên liệu khô [20]

Sản lượng dự tính (theo lý thuyết)
cho mỗi tấn nguyên liệu khô Nguyên liệu
Gallons Lít
Hạt bắp ngô 124,4 470,854
Thân và lá bắp ngô 113,0 427,705
Rơm rạ 109,9 415,971
Phế phẩm của bông sợi 56,8 214, 988
Phế phẩm lâm nghiệp 81,5 308,477
Mạt cưa 100,8 381,528
Bã mía 111,5 422,027
Giấy vụn 116,5 439,817

1.2.3.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu sinh học tại Việt Nam [23]
Đứng trước cuộc khủng hoảng năng lượng trên, Việt nam cũng đã tiến hành
nghiên cứu sử dụng các dạng năng lượng tái tạo. Trong đó năng lượng sinh học rất
được chú ý. Các cuộc hội thảo diễn ra vào tháng 7/2006 tại Tp. Hồ Chí Minh và tháng
10/2007 tại Hà Nội đã thu hút sự chú ý của hàng trăm nhà khoa học và kinh doanh
chung quanh vấn đề xăng sinhhọc. Qua các cuộc hội thảo này, một số chuyên gia và
nhà kinh doanh đã đề cập đến việc sử dụng lúa gạo, mía đường, để sản xuất etanol; cây
dầu lai (miền Bắc gọi là cây dầu mè – Jatropha curcas), mỡ cá ba sa (khoảng 40.000
tấn/năm). Hội thảo cũng đề cập đến 3 lý do chính hạn chế phát triển xăng sinh học là:
(i) số lượng nguyên liệu sản xuất xăng sinh học là tinh bột ngủ cốc, mật rỉ đường và
mỡ cá ba sa còn hạn chế; (ii) chưa có đầu tư thích đáng vì chưa có hỗ trợ của Chính
phủ, (iii) Chính phủ chưa có chính sách, chiến lược phát triển NLSH. Các nhà khoa học
và kinh doanh đang mong chờ Chính phủ ban hành chính sách và luật lệ rõ ràng. Nhiều
công ty đã sẵn sàng đầu tư nghiên cứu phát triển NLSH như mía đường Lam Sơn ở
Thanh Hoá, Sài Gòn Petro, Công ty Rượu Bình Tây, Công ty Chí Hùng, v.v. Tuy nhiên
chưa có một nhà kinh doanh nào dám mạnh dạn đầu tư nghiên cứu khi chính phủ chưa
có chính sách quy định cụ thể.
Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên

Nguyễn Thị Hằng Nga






23

Cao học Môi trường K15


“Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”
đã được Chính phủ phê duyệt vào ngày 20/11/2007 theo đó “Giai đoạn 2011-2015, sẽ
phát triển mạnh sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học thay thế nhiên liệu truyền
thống, mở rộng quy mô sản xuất và mạng lưới phân phối phục vụ cho giao thông và
các ngành sản xuất công nghiệp khác. Đến năm 2020, công nghệ sản xuất nhiên liệu
sinh học ở Việt Nam sẽ đạt trình độ tiên tiến trên thế giới, với sản lượng đạt khoảng 5
tỷ lít xăng E10 và 500 triệu lít dầu biodiesel B10/năm”.
Việt Nam với đất hẹp (diện tích canh tác khoảng 9,3 triệu ha), dân đông (85
triệu năm 2007, trung bình mỗi đầu người 0,11 ha), lại nghèo (GDP trung bình là
US$726/đầu người năm 2006), vùng sản xuất nông nghiệp chính là đồng bằng Cửu
Long và Sông Hồng đã quá tải. Đất canh tác hiện nay phải tiếp tục sản xuất lương thực
thiết yếu cho đời sống người dân. Vì vậy, Việt Nam phải tìm nguồn nguyên liệu thực
vật nào để sản xuất xăng sinh học mà không ảnh hưởng đến sản xuất và cung cấp lương
thực. Cụ thể là: (i) không ảnh hưởng đến diện tích đất trồng cây lương thực, chăn nuôi
gia súc, nuôi cá tôm hiện tại; (ii) không được phá thêm rừng; (iii) thích hợp trên diện
tích đất bỏ hoang cằn cổi, sa mạc hoá, tổng cộng khoảng 10 triệu ha, gồm đất đồi trọc ở
Miền Bắc (4,77 triệu ha), Bắc Trung Bộ (1,9 triệu ha), phía Nam Trung Bộ (1,63 triệu
ha), và Tây nguyên (1,05 triệu ha, (iv) có hiệu quả kinh tế cao; (v) tăng lợi nhuận, giúp

xoá đói giảm nghèo cho nông dân.
Hiện nay, cây lúa miến ngọt (sweet sorghum) là một cây trồng được quan tâm
trrong nghiên cứu sản xuất etanol sinh học: Trồng cây lúa miến ngọt trong mùa hạn
trên vùng ruộng sạ ở đồng bằng Cửu Long. Trước 1960, sau khi gặt lúa sạ, tại An
Giang Châu Đốc đất bỏ hoang từ tháng 1 đến tháng 5 dương lịch là lúc mùa khô, thiếu
nước canh tác. Bắt đầu khoảng sau 1965, nông dân trồng cây lúa miến trong các tháng
mùa khô trên đất thiếu nước để làm thức ăn cho gia súc và cá, và lúa thuần nông trên
một số ruộng đất dọc sông rạch có khả năng bơm nước. Hiện nay, đa số đất còn bỏ
Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Nguyễn Thị Hằng Nga






24

Cao học Môi trường K15


hoang trong mùa khô vì thiếu nước, hay không có lợi khi canh tác lúa (vì giá xăng,
phân, thuốc quá cao).
Lúa miến chịu hạn hán, chịu được đất phèn, đất mặn, đất kiềm, chịu được nước
ngập, ít sâu bọ bệnh tật, ít đòi hỏi phân bón, ít tốn nước tưới (chỉ bằng 1/4 nhu cầu
nước của mía). Đây là loại cây trồng phù phợp với đất vùng Tứ Giác Long Xuyên.
1.3. Sản xuất nông nghiệp và thực trạng sử dụng phế PPNN ở Việt Nam
1.3.1. Tình hình sản xuất nông nghiệp
Nông nghiệp Việt Nam gồm có 2 ngành chính là trồng trọt và chăn nuôi trong
đó trồng trọt tập trung vào các loại cây: lúa, ngô, khoai, sắn...các loại cây công nghiệp

ngắn,dài ngày. Diện tích gieo trồng và sản lượng một số loại cây trồng công nghiệp
hàng năm được chỉ ra ở Bảng 7.
Bảng 7: Diện tích gieo trồng và sản lượng một số loại cây trồng năm 2008 [13]
TT

Cây trồng Diện tích gieo trồng
(nghìn ha)
Sản lượng
(nghìn tấn)
1 Lúa 7414,3 38725,1
2 Ngô 1125,9 4531,2
3 Khoai lang 162,2 1323,9
4 Sắn 557,7 9395,8
5 Cây công nghiệp hàng năm
Bông 5,2 6,9
Đay 3,4 8,8
Cói 11,7 84,7
Mía 271,1 1628,0
Lạc 256,0 533,8
Đậu tương 191,5 268,6
Thuốc lá 16,4 28,7

Luận văn Thạc sỹ 07- 09 Trường ĐH Khoa học Tự nhiên
Nguyễn Thị Hằng Nga

25

Cao học Môi trường K15


Số liệu bảng 7 cho thấy cây trồng nông nghiệp chủ yếu là lúa, sau đó là ngô, các
cây trồng khác chiếm tỉ lệ nhỏ hơn. Như vậy, lượng PPNN (phần để lại sau thu hoạch
như gốc rễ,thân, lá…) sau mỗi vụ thu hoạch rất lớn. Nếu tính sơ bộ, lượng phụ phẩm
chiếm 50% SK thì hàng năm cũng có tới trên 38 triệu tấn rơm rạ từ cây lúa và khoảng
16 triệu tấn thân cây ngô bị bỏ lại trên đồng ruộng. Đây là lượng SK rất lớn, một nguồn
nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất etanol nếu được đầu tư nghiên cứu.
1.3.2. Phụ phẩm nông nghiệp và các vấn đề phát thải sau thu hoạch
1.3.2.1. Sử dụng phụ phẩm nông nghiệp
Hiện nay, PPNN (rơm rạ) thường được sử dụng làm thức ăn gia súc, trồng nấm
và tận dụng làm phân bón hữu cơ. Trong vài năm gần đây PPNN đang thu hút sự quan
tâm của các nhà khoa học, các ngành về tiềm năng sản xuất điện và etanol.
a- Làm thức ăn gia súc
PPNN thường được làm thức ăn cho gia súc. Đặc biệt được ủ với u rê làm
nguyên liệu giàu dinh dưỡng, dự trữ cho mùa đông thiếu thức ăn xanh.
Các PPNN thường dùng là rơm rạ, thân cây lạc, ngọn lá sắn, bã mía, v.v. [14]
b- Tận dụng phế phụ phẩm làm phân bón hữu cơ
Khi được sử dụng là nguồn nguyên liệu sản xuất phân bón hữu cơ sinh học,
PPNN được phối trộn lẫn với một số nguyên liệu khác như phân chuồng, đạm, chế
phẩm vi sinh vật. Các PPNN thường dùng là xác bã thực vật như xác rau xanh, thân
cây lạc.[22]
Ngoài ra còn sử dụng một số nguồn nguyên liệu là PPNN khác như vỏ cà phê,
rơm rạ…
c- Sản xuất điện
Sử dụng PPNN sản xuất điện đã và đang được nghiên cứu. Các PPNN được
nghiên cứu là vỏ trấu, lõi ngô, bã mía.