ĐỀ tài TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM sản XUẤT cồn ETHYLIC từ rơm rạ

TRƯỜNG CƠNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH
VIỆN CƠNG NGHỆ SINH HỌC VÀ
THỰC PHẨM

ĐỀ TÀI
SẢN XUẤT CỒN ETHYLIC TỪ RƠM
RẠ

GVHD:
Nhóm 3:
Nguyễn Tùng Khánh
Lê Tiền Khôi
Hồ Thị Liên Hương
Nguyễn Thị Minh Xuyến
Hồng Tuyết Ngân
Hồ Thị Kim Yến
Hoàng Thị Huyền Trang

16078721


MỤC LỤC
I.NGUỒN RƠM RẠ Ở VIỆT NAM VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG RƠM RẠ Ở VIỆT NAM:...3
II. CẤU TRÚC CỦA NGUỒN NGUYÊN LIỆU VÀ KHÓ KHĂN TRONG PHÂN HỦY RƠM
RẠ TẠO RA ĐƯỜNG:..........................................................................................................3
1. Cấu trúc:............................................................................................................................... 3
2. Khó khăn:............................................................................................................................. 5
III.NGHIÊN CỨU QUI TRÌNH SẢN XUẤT ETANOL TỪ RƠM RẠ:....................................6
1. Q trình tiền xử lý rơm rạ bằng nổ hơi để thuỷ phân tạo ra dịch đường:.............................7
2. Mô tả cơ chế quá trình nổ hơi...............................................................................................9
3. Bã sau nổ hơi ở các nhiệt độ khác nhau................................................................................9

4. Nghiên cứu qui trình cơng nghệ thủy phân và lên men ethanol:.........................................11
5. Qui trình sản xuất etanol đi từ lignocellulose......................................................................11
6. Q trình đường phân.........................................................................................................18
IV.TÌNH HÌNH CHUNG:.........................................................................................................21
1. Sản xuất etanol sinh học:....................................................................................................21
2. Các thành tựu nghiên cứu:..................................................................................................24
V. TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................................26


I.

Giới thiệu

Rơm rạ là một trong những chất thải lignocellulose dồi dào trên thế giới. Về tổng sản lượng, gạo
là thứ ba vụ mùa quan trọng trên thế giới đằng sau lúa mì và ngơ. Theo Thống kê của FAO, sản
lượng lúa hàng năm trên thế giới năm 2007 là khoảng 650 triệu tấn. Mỗi kg hạt thu hoạch được
duy trì bằng cách sản xuất 11,5 kg rơm (Maiorella, 1985). Nó cho ước tính khoảng 650 triệu tấn
rơm được sản xuất mỗi năm trên toàn cầu và một phần lớn trong số này là thức ăn gia súc và nghỉ
ngơi như chất thải. Các lựa chọn cho việc xử lý rơm bị giới hạn bởi mật độ khối thấp, suy thoái
chậm trong đất, chứa chấp các bệnh hại thân lúa, và hàm lượng khoáng chất cao. Ngày nay, đốt
ruộng là cách thực hành chính để loại bỏ rơm, nhưng nó làm tăng ơ nhiễm khơng khí và do đó
ảnh hưởng đến công chúng sức khỏe (Mussatto và Roberto, 2004). Khi biến đổi khí hậu được mở
rộng một cách tích cực là mối đe dọa cho sự phát triển, ngày càng tăng quan tâm đến việc sử
dụng thay thế của dư lượng nông-công nghiệp cho năng lượng các ứng dụng. Trong bối cảnh này,
rơm rạ sẽ là một ngày tiềm năng cho nhu cầu năng lượng trong tương lai của chúng ta. Đánh giá
này nhằm mục đích cung cấp một cái nhìn tổng quan về các cơng nghệ có sẵn để sản xuất ethanol
sinh học bằng cách sử dụng rơm.
 Tiềm năng của rơm lúa để sản xuất ethanol nhiên liệu
Ethanol từ sinh khối đã trở nên ngày càng phổ biến thay thế cho xăng. Tuy nhiên, việc sản
xuất ethanol sinh họctừ cây lương thực như ngũ cốc (nhiên liệu sinh học thế hệ đầu tiên) đã dẫn

đến một cuộc cạnh tranh trực tiếp không mong muốn với nguồn cung cấp thực phẩm. Một chuyển
sang một nguyên liệu thực vật không ăn được nhiều hơn sẽ giúp giảm áp lực lên cây lương thực.
Phần lớn các nguyên liệu thực vật này được tạo thành từ các carbohydrate phức tạp như cellulose
và hemiaelluloses có thể được chuyển đổi thành đường lên men. Các vi sinh vật lên men Ethanol
có thể sử dụng các loại đường này và chuyển đổi thành ethanol.
Rơm lúa có một số đặc điểm làm cho nó có tiềm năng nguyên liệu để sản xuất ethanol nhiên
liệu. Nó có cellulose cao và hàm lượng hemiaelluloses có thể dễ dàng bị thủy phân thành đường
lên men. Về thành phần hóa học, rơm chủ yếu chứa cellulose (32-47%), hemiaellulose (19-27%)
và lignin (5-24%) (Garrote et al., 2002; Maiorella, 1983; Saha, 2003; Zamora và Crispin, 1995).
Các pentose chiếm ưu thế tronghemiaellulose, trong đó xyloza là loại đường quan trọng nhất
(14,8-20,2%) (Maiorella, 1983; Roberto et al., 2003sự khác biệt cụ thể trong nguyên liệu. Chất
lượng nguyên liệu thấp rơm rạ chủ yếu được xác định bởi hàm lượng tro cao (10 đá 17%) so với
rơm lúa mì (khoảng 3%) và silica cao hàm lượng trong tro (SiO2 là 75% trong gạo và 55% trong
lúa mì) (Zevenhoven,2000). Mặt khác, rơm rạ làm ngun liệu có lợi thế có tổng hàm lượng kiềm
tương đối thấp (Na2O và K2O thường chiếm <15% tổng lượng tro), trong khi rơm lúa mì thường
có thể có hàm lượng kiềm> 25% trong tro (Baxter et al., 1996)
II.
NGUỒN RƠM RẠ Ở VIỆT NAM VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG RƠM RẠ Ở VIỆT
NAM:
Sản lượng lương thực và hoa màu cao đồng nghĩa với việc nước ta có một nguồn phụ phẩm
nơng nghiệp rất dồi dào. Trung bình, để tạo ra 1 tấn gạo đã thải ra khoảng 1,2 tấn rơm rạ. Sản
lượng lúa gạo năm 2007 toàn quốc đạt 36 triệu tấn. Như vậy, lượng rơm rạ thải ra hằng năm
vào khoảng 43 triệu tấn. Số liệu thống kê hằng năm được trình bày theo bảng 1.
Cho đến nay, phần lớn rơm rạ thường được để mục hoại ngoài đồng hay đốt tại chỗ để trả
lại khống chất cho đồng ruộng. Phần cịn lại được đem về làm thức ăn gia súc hay trồng


nấm và làm chất đốt phục vụ nhu cầu đun nấu trong gia đình. Nếu có thể sản xuất được
ethanol từ rơm rạ sẽ có thể sử dụng có ích nguồn năng lượng từ rơm mà vẫn trả lại được
nguồn khốn chất cho cây trồng.

Bảng 1: Sản lượng nơng nghiệp nước ta năm 2003 (FAO 2004)
III.
CẤU TRÚC CỦA NGUỒN NGUYÊN LIỆU VÀ KHÓ KHĂN TRONG PHÂN HỦY
RƠM RẠ TẠO RA ĐƯỜNG:
1. Cấu trúc:
Rơm rạ có thành phần chính là cellulose, Lignin, Hemicellulose, các chất trích ly và tro.

Cấu trúc của rơm rạ


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 công của ezyme cũng như các
hóa chất trong q trình thủy phân.

 Mối quan hệ cellulose – hemicellulose trong cấu trúc rơm rạ
 Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở. 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 hồn tồn.
 Cellulose là đường polysaccharide, có cơng thức (C 6H10O5)n, mà số n biến thiên từ 7,000
đến trên 15,000 phân tử glucose.
 Hemicellulose là một loại polymer phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp khoảng 70 đến
200 DP. Hemicellulose chứa cả đường 6 gồm glucose, mannose và galactose ; đường 5 gồm
xylose và arabinose.
2. Khó khăn:
Động vật ăn cỏ, mối (termite) tiêu hoá được cellulose nhờ vi-sinh-vật sống cọng sinh trong bao
tử (như Cellulomonas), một số vi khuẩn có khả năng biến cellulose ra đường, nhờ sản xuất
enzyme cellulase biến cellulose ra đường. Vì vậy, để biến cellulose thành rượu, bắt chước theo bộ
tiêu hoá của động vật ăn cỏ và mối, trước hết phải biến hoá cellulose ra đường đơn giản như

hexose, pentose, bằng thuỷ phân (hydrolysis) nhờ một số acid (như trong dịch vị) và enzyme
cellulase.
Hemicellulose tương đối dễ dàng biến thành đường-chứa-5C như Xylose (C 5H10O5), nhưng
xylose không biến chế thành ethanol được. Cũng vậy, với kỹ thuật hiện tại, chưa có cách biến
lignin ra ethanol. Vì vậy trước tiên phải loại lignin và hemicellulose, chỉ còn lại thành phần
cellulose.


Hiện tại, sản xuất enzyme cellulase để biến cellulose thành đường khá phức tạp, tốn kém,
chiếm khoảng 40% chi phí sản xuất rượu.
Có 3 loại cellulases thường dùng:
(i)
Endo-p-glucanase, 1,4-ß-D-glucan glucanohydrolase, CMCase, phá huỷ
các cầu của chuỗi cellulose để biến thành đường glucose và oligo-saccharide.
(ii)
Exo-P-glucanase, 1,4-ß - D-glucan cellobiohydrolase, Avicelase, C1: biến
thành đường cellobiose (C12).
(iii)
ß-glucosidase, cellobiase: thuỷ phân đường cellobiose thành glucose.


IV.

NGHIÊN CỨU QUI TRÌNH SẢN XUẤT ETANOL TỪ RƠM RẠ:
Nguyên liệu

Chuẩn bị

Tiền xử lí
Nấm men

Thủy phân

Nhân giống

Lên men

Chưng cất
etanol

QUI TRÌNH CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT BIOETANOL TỪ BIOMASS
1. Q trình tiền xử lý rơm rạ bằng nổ hơi để thuỷ phân tạo ra dịch đường:
(Trích từ “luận văn tốt nghiệp đại học, nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ,
Trần Diệu Lý, trường đại học bách khoa tp. hcm-khoa kỹ thuật hóa học,1/2008” và đề tài “
nghiên cứu cơng nghệ và thiết bị liên tục xử lý rơm rạ bằng hơi nước để lên men ethanol” của
ThS. Hoàng Minh Nam…).
Phương pháp nổ hơi nước được phát triển vào năm 1925 bởi W. H. Mason trong sản xuất gỗ
ép.
Cơ chế quá trình nổ hơi nước


Mơ tả cơ chế q trình nổ hơi

Cấu trúc sợi trước và sau khi nổ hơi, bó sợi cellulose được giải phóng ra khỏi lớp lignin bảo
vệ sau khi nổ hơi

Sợi lignocellulose khơng nổ hơi có cấu trúc sít chặt ngăn cản sự tấn công của enzyme, nổ hơi
ở 4atm, nổ hơi ở 8atm( mô tả khả năng làm tăng kích thước lỗ xốp trong xơ sợi).
Q trình nổ hơi nước là một q trình cơ – hóa – nhiệt. Đó là phá vỡ cấu trúc các hợp phần
với sự giúp đỡ của nhiệt ở dạng hơi (nhiệt), lực cắt do sự giãn nở của ẩm (cơ) và thủy phân các
liên kết glycosidic (hóa).

Q trình nổ hơi có 2 giai đoạn:
 Làm ẩm nguyên liệu
 Giảm áp đột ngột
Trong thiết bị phản ứng, ở giai đoạn 1 nước dưới áp suất cao thâm nhập vào cấu trúc
lignocellulosic bởi quá trình khuếch tán và làm ẩm nguyên liệu. Ẩm trong biomass thủy phân các
nhóm acetyl của hemicellulose hình thành nên các acid hữu cơ như acetic và uronic acid. Các
acid này lần lượt xúc tác q trình depolymer hóa hemicellulose, giải phóng xylan và một phần
glucan. Dưới điều kiện khắc nghiệt, vùng vơ định hình của cellulose có thể bị thủy phân đến một
mức độ nào đó. Dưới điều kiện khắc nghiệt hơn, ví dụ như nhiệt độ cao và áp suất cao, có thể
thúc đẩy sự phân hủy xylose thành furfural và glucose thành 5-hydroxymethyl furfural. Furfural
và 5- hydroxylmethyl furfural kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật, do đó nó khơng thuận lợi
cho q trình lên men.


Fufural
3. Mơ tả cơ chế q trình nổ hơi

Hydroxymethyl fufural

Trong giai đoạn 2: ẩm trong biomass sẽ hóa hơi đột ngột ra khi áp suất trong thiết bị phản ứng
được giải phóng và hạ đột ngột từ rất cao khoảng vài chục atm xuống cịn áp suất khí trời. Hiện
tượng này cũng giống như hiện tượng nổ. Nguyên liệu được tống mạnh khỏi thiết bị qua một lỗ
nhỏ bởi lực ép. Một vài hiện tượng xảy ra tại thời điểm này. Đầu tiên, ẩm ngưng tụ trong cấu trúc
biomass bốc hơi tức thời do giảm áp đột ngột. Sự giãn nở của hơi nước gây ra lực cắt bao quanh
cấu trúc nguyên liệu. Nếu lực cắt này đủ lớn, hơi nước sẽ gây ra sự phá hủy cơ học lên cấu trúc
lignocellulosic. Sự mơ tả q trình làm nổi bật tầm quan trọng của việc tối ưu hai yếu tố: thời
gian lưu và nhiệt độ. Thời gian biomass lưu lại trong thiết bị phản ứng giúp xác định phạm vi
thủy phân hemicellulose bởi các acid hữu cơ. Việc thủy phân hemicellulose giúp cho quá trình
lên men thuận lợi hơn.
Theo Iotech, điều kiện xử lí tối ưu của holocellulose (xylose + glucose) là áp suất 500-550

psi, thời gian 40 giây.

4. Bã sau nổ hơi ở các nhiệt độ khác nhau
Thiết bị: thường dùng và có hiệu quả nhất là StakeTech. Rất hay được dùng trong các
trường đại học và viện nghiên cứu(Ths. Hoang Minh Nam).
Ưu nhược điểm của quá trình nổ hơi nước:
1. Tăng sự kết tinh của cellulose bằng cách thúc đẩy sự kết tinh của 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 điểm của quá trình nổ hơi.
Tuy nhiên, tác động (1) lại gây ra khó khăn cho q trình thủy 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 và áp suất cao

 Có thể làm phân hủy cellulose.


Mất đi đường từ hemicellulose.



Làm sinh ra fufural và 5-hydroxymethyl fufural gây ức chế q trình lên men .

 Tóm lại: sau khi thực hiện nổ hơi chậm và nhanh thì hiêu suất thu hồi cellulose nổ hơi
nhanh cao hơn; rơm tại 2300c, %cell=53,1( theo Ths Hoàng Minh Nam).

Thiết bị nổ hơi quy mơ pilot

Qui trình nổ hơi


5. Nghiên cứu qui trình cơng nghệ thủy phân và lên men ethanol:
Một số qui trình từ các nguồn nguyên liệu khác nhau:
CELLULOSE
Sinh học/ hóa học

ĐƯỜNG

BÃ

NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE

HEMICELLULOSE
Sinh học/ hóa học

NGUN LIỆU HĨA CHẤT CÁC VẬT LIỆU

BÃ
NĂNG LƢỢNG NHIỆT
CHẤT TRÍCH LY

LIGNIN

6. Qui trình sản xuất etanol đi từ lignocellulose

lignin


CELLULOSE
Sinh học/ hóa học

ĐƯỜNG

CHẤT BÃ

BIOMASS

NĂNG LƢỢNG NHIỆT CHẤT TRÍCH LY

NGUN LIỆU HĨA CHẤT CÁC VẬT LIỆU

KHÍ SẠCH
HỖN HỢP KHÍ
(q trình khí hóa)

KHÍ

QUI TRÌNH SẢN XUẤT ETANOL TỪ NGUN LIỆU BIOMASS
(1)
Thủy phân bằng axit:
Quá trình xử lý cơ bản gồm 2 bước như hình dưới.

hơi

Nƣớc

acid

hơi

biomass
acid
Giai đoạn tiền thủy phân

Nƣớc
lignin
bã

Rửa
Dịch thủy phân

Giai đoạn đƣờng hóa
Dịch thủy phân


Trong ngành công nghiệp sản xuất etanol, người ta ưu tiên sử dụng cơng 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 q 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 lỗng.
Q trình thủy phân biomass có thể thực hiện trong các bình phản ứng. Phương pháp
ngâm chiết có thể thực hiện bằng cách cho dòng acid thấm xuyên qua các cột nhồi nhiều lớp.

Đây là thiết bị khá thích hợp cho phương pháp thủy phân theo mẻ. Ưu điểm thứ nhất là loại
đường ngay khi nó được tạo thành. Thiết bị này ít tạo thành các sản phẩm phân hủy đường
và các chất ức chế quá trình lên men, tạo ra lượng đường lớn. Điểm thứ 2, thiết bị có thể hoạt
động với tỉ lệ rắn/ lỏng khá cao.
Năm 1997 Torget và các cộng sự phát minh ra thiết bị phản ứng BSFT. Đây là thiết bị chảy
qua lớp co. Thiết kế nhằm giữ độ chặt của lớp khơng đổi. Dịng acid được đưa qua thiết bị và đi
qua các lớp với vận tốc bé. Thời gian lưu của nguyên liệu trong thiết bị ngắn hơn so với
phương pháp ngâm chiết. Thiết bị cho năng suất cao. Sản phẩm thu được có hàm lượng chất
phân hủy thấp



Thủy phân bằng axit lỗng

Q 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
o
cellulose và phá vỡ cấu trúc tinh thể của chúng thực hiện ở nhiệt độ 200 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 hồn tồn cấu trúc cellulose đã gãy thành đường gluco C6,
o
bước thủy phân thứ 2 sử dụng axit nồng độ 2% được thực hiện ở nhiệt độ 240 C.



Thủy phân bằng axit đặc

Quá trình thuỷ phân vẫn được tiến hành qua hai bước, bước thứ nhất để thuỷ phân
hemicelulose, được tiến hành ở 100oC, 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 hồn tồn.
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 lỗng dung dịch bằng nước ở nhiệt độ thường sẽ làm cho
sự thuỷ phân glucose diễn ra nhanh chóng và hồn tồn, 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.
(2)
Thủy phân bằng enzyme:

Thủy phân:
Nguồn enzyme được sử dụng phổ biến hiện nay là từ Trichoderma reesei và Aspergillus niger.
Hiện nay, người ta đang thay thế dần các hệ enzyme chịu nhiệt, chịu các điều kiện hóa học quá
hạn. Hơn hết là các nghiên cứu về phức hợp cellulosome của các vi khuẩn kỵ khí đang dần mở ra
một con đường mới nhằm tăng hiệu quả thủy phân của tổ hợp trên các loại nguyên liệu
lignocellulose.

Hiện nay, cơ chế thủy phân của hệ enzyme cellulase được chấp nhận diễn ra theo các bước sau:

Endoglucanase thủy phân liên kết β-1,4-glycosidic trong vùng vô định hình
tạo ra nhiều đầu khơng khử.

Sau đó exoglucanase cắt các đơn vị cellobiose từ đầu không khử.

β-glucosidase tiếp tục thủy phân cellobiose tạo ra glucose.
Trung tâm hoạt động của enzyme cellulase chứa các gốc amino acid đặc hiệu. Trong khi
đó cellulose chứa các liên kết glycosidic. Bộ electron σ đóng vai trò phân cực liên kết. Hiệu ứng
cảm ứng của nguyên tử oxy trung tâm gây ra một sự tập trung tích điện trên nguyên tử oxy
làm cho nguyên tử oxy tích điện âm. Cịn các ngun tử cacbon kết hợp với nó bị khuyết electron
nên sẽ tích điện dương. Sự khuyết electron trong liên kết bị thủy phân là yếu tố quan trọng
quyết định khả năng thủy phân. Tác dụng xúc tác của enzyme do sự phân bố electron quyết định.


Quá trình thủy phân cellulose bằng enzyme cellulase.
Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ quá trình thủy phân
Tốc độ quá trình thủy phân cellulose bằng cellulase chịu tác động của một số các yếu tố. Năm
2002, Lyn và cộng sự đưa ra kết luận như sau:

Tỉ lệ kết tinh: đây là yếu tố chính ảnh hưởng đến q trình thủy phân. Các
mạch cellulose có tính kết tinh cao, các sợi cellulose liên kết rất chặt chẽ. Do đó sẽ cản trở
quá trình tiếp xúc của enzyme với các mạch cellulose bên trong và làm giảm tốc độ quá trình
thủy phân.

Mức độ polymer hóa: mạch cellulose càng dài, tốc độ thủy phân càng
chậm(Walker và cộng sự , 1990).

Kích thước lỗ xốp: kích thước của các lỗ xốp phải đủ lớn cho các enzyme đi

vào. Kích thước lỗ xốp càng lớn quá trình thủy phân càng nhanh.

Bề mặt tiếp xúc: hầu hết các chuỗi xenllulose được giấu trong các vi sợi- yếu tố
ngăn cản cản sự tác động của enzyme và giới hạn tốc độ thủy phân. Bề mặt thủy phân càng lớn
thì tốc độ thủy phân càng nhanh.
Thực nghiệm cho thấy quá trình thủy phân tiến hành ở nhiệt độ 70ºC trong 1,5 ngày. Sản phẩm
thu được có lượng glucose bằng 75-95% số gốc glucose có trong nguyên liệu ban đầu.



Lên men:
Để sản xuất một lượng cồn lớn, thì việc lựa chọn một chủng nấm men thích hợp là rất 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 khả năng lên men được rất nhiều đường khác nhau như glucose, manose,
saccharose, maltose và rafinose, tuy nhiên khơng có khả năng lên men 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 hướng biến đổi 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 cũng đã được phát
triển nhiều.
Gần đây, người ta phát hiện thấy có một số lồi nấm men như 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. stipilis lại nổi bật 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.
Thế giới hiện nay rất chú trọng xu hướng sử dụng công nghệ gen để tạo chung nấm men vừa
có khả năng lên men đường 5 và đường 6.

Cơ chế lên men glucose:

7. Quá trình đường phân


Sau đó, pyruvate sẽ chuyển thành ethanol theo các phương trình sau:

Bản chất của quá trình lên men là quá trình oxy hóa khử. Q trình oxy hóa này lại xảy ra trong
cơ thể sinh vật dưới tác động của hệ thống enzyme, cho nên người ta gọi quá trình lên men là q
trình oxy hóa sinh học.
Thuỷ phân và lên men tách riêng:

Sử dụng enzyme để thuỷ phân, thuỷ phân và lên men tách riêng
(SCF: separate hydrolysis and fermentation)

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 hemicellulose sẽ bị phân huỷ thành các đường đơn. Cụ thể là các đường 5C có thể
hồ tan như xylose, araibinose và các đường 6C có thể hồ tan như mannose và galactose. Một
lượng nhỏ cellulose cũng được chuyển hố thành glucose trong bước này. Tiếp đến cần ni
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.
Q trình thuỷ phân cellulose cịn 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.
Thuỷ phân và lên men đồng thời:

Khác với quy trình thủy phân và lên men tách rời, ở quy trình này quá trình thuỷ phân
cellulose và quá trình lên men được tiến hành đồng thời. Quy trình này tuy khơng 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 các sản phẩm của sản xuất etanol sinh học ức chế hoạt động của enzyme(
hình 5).
Quá trình thủy phân và lên men đồng thời (cịn gọi là q trình đường hóa và lên men đồng
thời) có nhiều ưu điểm:


 Glucose tạo thành trong quá trình thủy phân được tiêu thụ ngay lập tức bởi nấm men vì
vậy, lượng cellobiose và glucose tích tụ trong hệ thống là rất ít. Điều này sẽ giải quyết vấn đề ức
chế enzyme nhờ đó tốc độ tạo glucose sẽ được tăng đáng kể, lượng enzyme cần dùng cũng nhỏ
đi.
 Số thiết bị cần cho quá trình thủy phân và lên men đồng thời cũng ít hơn số cần cho
phương pháp truyền thống vì cả quá trình thủy phân và lên men được tiến hành trong cùng một
thiết bị. Điều này giúp giảm vốn đầu tư.
 Việc ethanol tạo thành trong suốt quá trình sẽ làm giảm khả năng phát triển của vi sinh vật
cũng như tạp chất, rất có lợi cho các quy trình liên tục.
 Vi sinh vật dùng cho lên men
V. TÌNH HÌNH CHUNG:
1. Sản xuất etanol sinh học:
Về phương diện kỹ thuật (và kinh tế), chia làm 3 loại nguyên liệu:
 Công nghệ xăng-sinh-học thế hệ 1: chế biến từ đường (mía, củ cải đường, sorgho- đường)
và tinh bột của nơng phẩm (từ hạt của bắp, lúa mì, lúa, v.v., hay từ củ như khoai tây, khoai
mì, v.v.) để tạo ethanol; hay từ dầu (của hạt dừa-dầu, đậu nành, đậu phộng, v.v.) để biến
chế diesel-sinh-học. Kỹ thuật đơn giản và kinh tế nhất.
 Công nghệ xăng-sinh-học thế hệ 2: từ cellulose, chất xơ của dư thừa thực vật (rơm, rạ,

thân bắp, gỗ, mạt cưa, bã mía, v.v.), hay thực-vật-hoang (non-crop) (như cỏ voi, vetiver,
lục bình). Chẳng hạn, một ha mía cho khoảng 25 tấn bã mía
 (bagasse, xác mía sau khi ép), và mỗi tấn bã mía sản xuất 285 lít ethanol. Kỹ thuật hiện
nay chưa hồn hảo, hiệu năng còn kém, con men chưa hữu hiệu và giá đắt,
 chỉ một phần cellulose và lignin biến thành ethanol, nên giá thành sản xuất cịn cao.
 Cơng nghệ xăng-sinh-học thế hệ 3: từ tảo (algae), kỹ thuật đang phát triển.


Tổng sản lượng Etanol hàng năm của 15 nước Tổng sản lượng Etanol hàng
đứng đầu (2004-2006) (Triệu tấn gallon Mỹ)
năm 15
nước đứng đầu (2007) (Triệu tấn
gallon Mỹ)
Xếp
Đất
hạng
nƣớc
thế giới

2006

2005

2004

Xếp
Đất
hạn
nƣớc/Vùng
gthế

giới

1

Mỹ

4.855

4.264

3.535

1

2

4.491

4.227

3.989

2

1.017

1.004

964

3

4

Brazil
Trung
Quốc
Ấn Độ

502

449

462

4

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

Canad

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

71

65

66

13

Peru

7,9

3

Mỹ

2007

Brazil
Liên minh
Châu Âu
Trung Quốc

6,498,6
5,019,2
570,3
486,0

a

13

Ukrai
ne

14

Ba
Lan

66

58

53

14

Argentina

5,2

15

Saudi
Arabia

52

32

79

15

Paraguay

4,7

12.15

10.770

Tổng số

Tổng số

13.48
9

0

13.101,7


Sản lượng dự tính (theo lý thuyết) cho mỗi
tấn nguyên liệu khơ
Ngun liệu
Gallons
Lít
Hạt bắp ngơ

124,4
470,854
Thân và lá bắp ngơ
113,0
427,705
Rơm rạ
109,9
415,971
Phế phẩm của bơng sợi
56,8
214, 988
Phế phẩm lâm nghiệp
81,5
308,477
Mạt cƣa
100,8
381,528
Bã mía
111,5
422,027
Giấy vụn
116,5
439,817
Sản lượng lý thuyết Etanol sinh ra từ 1 tấn ngun liệu khơ
Hiện nay trên thế giới có 50 nước có chương trình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh
học. Các nước APEC đã chọn nhiên liệu sinh học thay thế cho nhiên liệu hóa thạch. Theo dự
báo của các chuyên gia, đến năm 2025, thế giới sẽ sử dụng 12% nhiên liệu sinh học trong toàn
bộ nhu cầu năng lượng; đến năm 2020, EU sẽ sử dụng 20% nhiên liệu sinh học.
Trong chương trình nghị sự của diễn đàn hợp tác Đông Á - Mỹ Latinh (FEALAC) cũng đã bàn
đến các nội dung liên quan đến sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học.

Brazil là quốc gia duy nhất đi theo con đường riêng của mình là sử dụng cồn làm nhiên
liệu cho các loại ô tô. Khoảng 40% nhu cầu nhiên liệu của nước này được đáp ứng bằng
bioethanol, một dạng cồn được điều chế từ đường mía.
Tuy nhiên, Biodiesel cũng chỉ có thể sử dụng ở một mức độ nhất định đối với một số loại
động cơ diesel đời mới. Đây là lý do tập đoàn Shell quan tâm nhiều hơn đến việc phát triển
nhiên liệu sinh học thế hệ hai. Để sản xuất nhiên liệu này, người ta sử dụng cả các bộ phận
của cây trong q trình sản xuất nơng nghiệp, nhiều khi những bộ phận này là chất thải như
rơm rạ, thân cây ngô, hướng dương...
8. Các thành tựu nghiên cứu:
Các nhà khoa học Đài Loan thành cơng trong phịng thí nghiệm biến chế etanol từ rơm rạ, cứ
mỗi 10 kg rơm rạ thu được 2 lít cồn 99,5% để pha làm xăng sinh học (Taipei Times, 19/2/2008),
nhưng phải mất vài năm nữa mới có thể sản xuất quy mơ thương mại. Các nghiên cứu ở Trung
quốc cho thấy, xăng sinh học sản xuất từ rơm rạ đắt hơn xăng dầu mỏ khoảng 250 USD/tấn.
Hãng General Motors của Hoa Kỳ đã hợp tác với Công ty sản xuất etanol Coskata để sản xuất
thanol từ thân bắp vào cuối năm 2008, và kể từ 2011 sẽ sản xuất 50 – 100 triệu gallons/năm, với
giá 1 USD/gallon.
Wood và các cộng sự đã báo cáo về việc biểu hiện gen tái tổ hợp endoglucanase từ Erwinia
chrysanthemi P86021 vào Escherichia coli KO11 và hệ thống tái tổ hợp này đã sản xuất 3.200 IU
endoglucanase/lit canh trường lỏng lên men (IU, international unit, được xác định như là 1 μl
đường khử được tạo ra trong 1 phút khi sử dụng carboxymethyl cellulose làm cơ chất).
Endoglucanase E1 chịu nhiệt từ Acidothermus cellulolyticus được biểu hiện ở Arabidopsis
thaliana ở lá. Người ta cũng có thể sử dụng q trình lên men xylose thành ethanol. Chủng tái


tổ hợp E. coli với các gen từ Zymomonas mobilis để chuyển hóa pyruvate thành ethanol cũng
đã được nghiên cứu bởi Dien và các cộng sự. Các plasmid tái tổ hợp với các gen tổng hợp
xylose reductase và xylitol dehydrogenase từ Pichia stipitis và gen xylulokinase từ
Saccharomyces đều được chuyển vào Saccharomyce spp. cho quá trình lên men đồng thời xylose
và glucose .
Tuy nhiên cũng có nhiều thách thức đặt ra là:

o Giữ tính ổn định của các chủng vi khuẩn khi sản xuất cơng nghiệp.
o Tính kinh tế của hệ thống.
o Có một hệ thống tiền xử lý hiệu quả cao…
VI.
KẾT LUẬN
Việc sử dụng sinh khối lignocellulose để sản xuất ethanol sinh học địi hỏi cơng nghệ sản xuất
phải hiệu quả về chi phí và bền vững với mơi trường. Xem xét sự tiến hóa và nhu cầu nhiên liệu
sinh học thế hệ thứ hai, rơm rạ xuất hiện đầy hứa hẹn và ứng cử viên mạnh cho sản xuất ethanol
sinh học do có sẵn và thành phần hấp dẫn. Chuyển đổi sinh học rơm rạ thành đường lên men, sử
dụng enzyme thủy phân hiện đang là lựa chọn thay thế hấp dẫn nhất do những lo ngại về mơi
trường. Mặc dù có một số trở ngại trên đường phát triển công nghệ khả thi về kinh tế do sự phức
tạp của nó bản chất, hàm lượng lignin và tro cao, một số công việc đang được phát triển một
phương pháp tiền xử lý hiệu quả để loại bỏ phần khơng mong muốn để có được đường có sẵn và
thành công đáng kể đã đạt được cho đến nay. Các số liệu thống kê có sẵn cho thấy rằng nhu cầu
của ethanol sinh học cho ngành vận tải có thể được đáp ứng bằng cách sử dụng rơm rạ. Phương
pháp tiếp cận trong cả kỹ thuật quá trình và kỹ thuật biến dạng vẫn phải được thực hiện để tránh
những khó khăn của lên men xyloza và glucose và để cải thiện hệ thống hiệu quả. Một sự kết hợp
rất cân bằng và thơng minh của q trình tiền xử lý, thủy phân và lên men phải được chọn cho
hiệu quả tối đa của quá trình. Với sự ra đời của di truyền men biến đổi, enzyme thủy phân tổng
hợp, các công nghệ tinh vi khác và sự kết hợp hiệu quả của chúng, quá trình sản xuất ethanol sinh
học sử dụng rơm rạ sẽ chứng tỏ là một công nghệ khả thi trong tương lai rất gần.

VII.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trần Diệu Lý. 2008. Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ. Đề tài tốt nghiệp
đại học, khoa Kỹ thuật hóa học, Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh.
[2] Đề tài thạc sĩ “nghiên cứu sản xuất etanol từ phụ phẩm nông nghiệp” của Nguyễn Thị
Hằng Nga- DH khoa học tự nhiên.

[3]Báo cáo tóm tắt đề tài “ Nghiên cứu công nghệ và thiết bị liên tục xử lý rơm rạ bằng hơi
nước để lên men ethanol” của Ths. Hoàng Minh Nam.
[4] Binod, P., Sindhu, R., Singhania, RR, Vikram, S., Devi, L., Nagalakshmi, S., ... &
Pandey, A. (2010). Sản xuất ethanol sinh học từ rơm lúa: một cái nhìn tổng quan. Cơng nghệ sinh
học , 101 (13), 4767-4774.