Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây
thành ethanol sinh học Phạm Công Minh Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Luận văn ThS. ngành: Khoa học môi trường; Mã số: 60 85 02
Người hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Mạnh Khải
Năm bảo vệ: 2012 Abstract. Nghiên cứu một số điều kiện tối ưu trong quá trình thủy phân bèo tây
thành đường đơn bằng tác nhân hóa học. Xác định hàm lượng Etanol tạo ra sau quá
trình lên men bởi vi khuẩn Klebsiella oxytoca THLC0109, phân lập từ quá trình ủ
phân cừu và cỏ Napiergrass khô. Đề xuất quy trình sản xuất Etanol từ bèo tây và xây
dựng kịch bản áp dụng cho một thủy vực thiên nhiên.

Keywords. Khoa học môi trường; Ethanol sinh học; Bèo tây Content
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. 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

oxytoca THLC0109, phân lập từ quá trình ủ phân cừu và cỏ Napiergrass khô.
- Đề xuất quy trình sản xuất Etanol từ bèo tây và xây dựng kịch bản áp dụng cho
một thủy vực thiên nhiên. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Sinh khối và nhiên liệu sinh học
1.1.1 Khái niệm
1.1.2. Các dạng nhiên liệu sinh học
1.1.3. Những lợi ích khi sử dụng nhiên liệu sinh học
1.2. Etanol sinh học
1.2.1. Tính chất lý hoá học của Etanol
1.2.2. Phương pháp sản xuất Etanol sinh học
1.2.3. Tình hình sản xuất và sử dụng Etanol sinh học
1.3. Vai trò của vi sinh vật trong việc phân giải hợp chất hữu cơ
1.3.1. Cellulosese và vi sinh vật phân giải cellulosese
1.3.2. Hemicellulosese và vi sinh vật phân giải hemicellulosese
1.4. Vai trò của vi sinh vật trong quá trình lên men rƣợu
1.4.1. Quá trình lên men rượu
1.4.2. Nấm men dùng trong sản xuất rượu etylic
1.5. Bèo tây và thực trạng sử dụng bèo tây ở Việt Nam
1.5.1. Đặc điểm của bèo tây
1.5.2. Sự phân bố bèo tây ở Việt Nam
1.5.3. Thực trạng sử dụng bèo tây ở Việt Nam CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Đối tƣợng nghiên cứu

độ màu của hỗn hợp phản ứng tỉ lệ thuận với nồng độ đường khử trong một phạm vi nhất
định. Tiến hành so màu ở bước sóng 550nm. Dựa vào đồ thị đường chuẩn của D-glucose với
thuốc thử DNS sẽ tính được hàm lượng đường khử của mẫu.
Phương trình phản ứng tạo màu giữa đường khử và DNS axit:

2.2.4. Phương pháp lên men
 Nhân giống vi khuẩn lên men:
Môi trường nhân giống gồm (pepton 5g/l; NaCl 5g/l). Lấy 100ml dung dịch môi
trường nhân giống đưa vào bình thủy tinh có nút cao su. Khử trùng trong nồi hấp ở nhiệt độ
60-70
0
C trong 15 phút.
Cấy vi sinh vật vào dung dịch: Công việc được tiến hành trong tủ khuấy vô khuẩn để
tránh bị nhiễm các vi sinh vật khác có ảnh hưởng xấu đến vi khuẩn và quá trình lên men sau
này. Dùng que cấy vòng và được vô khuẩn trên đèn cồn chấm vào lọ đựng vi sinh vật sau đó
từ từ đưa vào bình thủy tinh chứa dung dịch môi trường nhân giống. Tiến hành nuôi cấy ở
nhiệt độ phòng trong 24h.
 Lên men mẫu:
Lấy 100ml dung dịch nước lọc bèo của quá trình thủy phân cho vào bình có nút cao
su. Khử trùng trong nồi hấp ở nhiệt độ 60-70
0
C trong 60 phút. Sử dụng kim tiêm lấy 1ml
dung dịch từ bình nuôi cấy cho vào bình lên men. Nuôi ở nhiệt độ phòng. Cứ 24h tiến hành
lấy mẫu 1 lần, mỗi lần lấy 6ml.
2.2.5. Phương pháp xác định hàm lượng Etanol
Dung dịch sau khi lên men được phân tích hàm lượng Etanol trên máy sắc khí GC tại
phòng thí nghiệm của Khoa Môi trường, trường Đại học Khoa học Tự nhiên.
Thiết bị sử dụng phân tích Etanol là máy sắc ký khí Detector cộng kết điện tử GC-
ECD 2010 của hãng Shimazhu, Nhật Bản.
Điều kiện phân tích đã lựa chọn:
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.1. Thành phần và khả năng phát triển của bèo tây
3.1.1. Thành phần lý hóa học của bèo tây
Phần thân bèo tây ban đầu có màu xanh lá cây, sau khi sấy khô bằng tủ sấy chuyển
sang màu nâu nhạt.
Khối lượng bèo tây ban đầu: 1kg phơi khô tự nhiên, sấy khô ở 70
0
C đến khối lượng
không đổi là 0,115 kg
Như vậy trong bèo tây nghiên cứu có chứa lượng nước:
(1 - 0,115) * 100% = 88,5%
Kết quả phân tích thành phần mẫu bèo tây của Viện Chăn nuôi Việt Nam theo 3 yếu
tố cellulose, hemicellulose và lignin:
Bảng 7. Thành phần khối lượng bèo tây
Thành phần
% Khối lượng (khô)
Cellulose
34
Hemicellulose
43
Lignin

Martínez nghiên cứu về sinh khối và năng suất bèo tây tại các thuỷ vực, kết quả trong
bảng 8 cho thấy sự phát triển của bèo tây tại các đầm và hồ:
Bảng 8. Sản lượng và độ che phủ của bèo tây
Địa điểm
Sản lượng (khô)
Độ che phủ
Tổng sinh
khối (tấn)
TB
(kg/m
2
)
Lớn nhất
(kg/m
2
)
Trung bình
(ha)
% diện tích
Đầm Chairel
39,5
50,5
376
10
148.520
Đập Cruz Pintada
49,6
76
7,5
75

50.000
Theo nghiên cứu của Penfound and Earle, trên lưu vực sông Mê Kông, từ 10 cá thể
bèo tây sau khoảng thời gian 8 tháng đã hình thành một quần thể bèo tây với số lượng
655.000 cá thể, che phủ diện tích mặt nước 0,4 ha.
Các nghiên cứu trên đã cho ta thấy được khả năng sinh sản cực nhanh của bèo tây. Vì
vậy, nếu không sử dụng nguồn sinh khối này sẽ rất lãng phí và bèo tây còn có thể gây ra tác
dụng tiêu cực với đời sống.
3.2. Kết quả thí nghiệm thủy phân chuyển hóa bèo tây thành đƣờng
3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian
Tiến hành thủy phân 2,5g bèo tây với dung dịch 120ml H
2
SO
4
2,5% trong các khoảng
thời gian 35 – 60 phút ở 100
0
C. Kết quả được thể hiện trong bảng 8:
Bảng 9. Ảnh hưởng của yếu tố thời gian đến khả năng thủy phân
Thời gian thủy phân (phút)
Khối lượng đường (g)
Tỷ lệ thủy phân (g/g)
35
1,315
0.526
40
1,738
0.695
45
1,945
0.778

gian thủy phân là 50 phút là thời gian tối ưu.
3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ axit
Tiến hành thủy phân 3g bèo tây với dung dịch 120ml H
2
SO
4
, nồng độ axit khảo sát
trong khoảng 3% - 8% trong 50 phút ở 100
0
C. Kết quả thu được thể hiện trong bảng 9:
Bảng 10. Ảnh hưởng của nồng độ axit đến khả năng thủy phân
Nồng độ axit H
2
SO
4
(%)
Khối lượng đường (g)*
Tỷ lệ thủy phân (g/g)
3%
2,096
0.699
4%
2224
0.741
5%
2,275
0.758
6%
2,416
0.805

Bèo tây được thủy phân trong 120ml axit H2SO4 7% theo các tỷ lệ rắn/ lỏng là 1:120,
1:60, 1:40, 1:30, 1:24, 1:20 ở 1000C trong 50 phút. Kết quả được thể hiện trong bảng 10:
Bảng 11. Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng đến khả năng thủy phân
Tỷ lệ rắn/ lỏng
Khối lượng bèo
tây (g)
Khối lượng đường
Tỷ lệ thủy phân
(g/g)
1:120
1
0,409
0,409
1:60
2
0,965
0,482
1:40
3
2,187
0,729
1:30
4
2,861
0,715
1:24
5
3,296
0,659
1:20

Từ 3 thông số đã khảo sát (thời gian thủy phân, nồng độ axit và tỷ lệ rắn/ lỏng), đề tài
đã lựa chọn ra điều kiện tối ưu của quá trình thủy phân bèo tây bằng dung dịch axit H
2
SO
4

loãng là:
Thể tích axit H
2
SO
4
V = 120ml
Khối lượng bèo: 3g
Nồng độ axit H
2
SO
4
: 7%
Thời gian thủy phân: 50 phút
Nhiệt độ: 100
0
C
3.2.4. Thành phần của bã bèo sau quá trình thuỷ phân
Sau khi đã lựa chọn được bộ thông số tối ưu cho quá trình thuỷ phân, ta tiến hành
thuỷ phân bèo tây với các thông số tối ưu. Quá trình thuỷ phân được tiến hành. Sản phẩm
dung dịch đường được chuẩn bị cho quá trình lên men, còn bã bèo sẽ được phân tích thành
phần các chất rắn còn lại.
Bảng 12. Thành phần chất rắn còn lại sau quá trình thuỷ phân
STT
Hợp chất

ban đầu (g)
% chuyển hoá
hydrocacbon
1
Cellulose
1,02
32,20
2
Hemicellulose
1,29
54,08
3
Lignin
0,24
9,21
4
Khác
0.45
7,78

Kết quả trong bảng 13 cho thấy hemicelluloses là hợp chất có khả năng chuyển hoá
hydrocacbon tốt nhất 54,08 % trong quá trình thuỷ phân bằng axit H
2
SO
4
, tiếp đến là
cellulose 32,2 %, ligini 9,21%. Kết quả này chỉ ra rằng: lignin là hợp chất rất khó chuyển hoá
trong quá trình thuỷ phân bằng axit. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trên thế giới về
quá trình thuỷ phân nguy



Ngày 3: S = 22795 Ngày 4: S = 15188 Ngày 5: S = 6078 Ngày 6: S = 7196
Hình 12. Sắc ký đồ mẫu phân tích Etanol qua các ngày
Thời gian lưu chuẩn của Etanol là 2,1 phút. Từ sắc đồ phân tích các mẫu cho thấy tại
thời điểm 2,1 phút phát hiện có Etanol trong mẫu.
Bảng 14. Hàm lượng Etanol tạo ra sau quá trình lên men
Mẫu
Diện tích peak
Nồng độ Etanol
(mg/l)
Tỷ lệ lên men
(mg/g)
Ngày 1
3426
1,08
0,033
Ngày 2
13447
4,26
0,128
Ngày 3
22795
7,22
0,217
Ngày 4
15198
4,81

Hình 13. Hàm lượng Etanol tạo ra sau quá trình lên men

Từ đồ thị hình 13, có thể thấy trong ngày đầu tiên vi khuẩn chưa thích nghi được với
môi trường cơ chất mới, hoạt động của vi khuẩn trong giai đoạn này còn yếu. Những ngày
tiếp theo vi khuẩn đã thích nghi được với môi trường và phản ứng lên men tạo Etanol tăng
mạnh. Đến ngày thứ 3 nồng độ Etanol đạt giá trị cao nhất (7,22 mg/l), tương đương hàm
lượng Etanol 0,217 mg/g. Nguyên nhân là do trong quá trình lên men yếm khí sản phẩm tạo
ra không chỉ là Etanol mà còn có các sản phẩm phụ khác như phenol, furfural, axit
lactic…hạn chế khả năng lên men của vi sinh vật làm giảm hàm lượng Etanol trong mẫu. Mặt
khác, khi nồng độ Etanol trong mẫu tăng cao thì chủng vi sinh sẽ bị “say” Etanol, khả năng
chuyển hóa đường thành Etanol sẽ bị suy giảm.

Bảng 15. Hàm lượng Etanol và đường khử trong quá trình lên men
Mẫu
Nồng độ Etanol
(mg/l)
Nồng độ đường khử
(g/l)
Ngày 1
1,08
2,75
Ngày 2
4,26
2,62
Ngày 3
7,22
2,08
Ngày 4
4,81
1,25


Theo hình 14, mối quan hệ giữa nồng độ Etanol và hàm lượng đường khử là quan hệ
tỉ lệ nghịch. Ban đầu, hàm lượng đường giảm chậm và lượng Etanol sinh ra ít. Khi hàm lượng
đường giảm mạnh (độ dốc đường quá trình tăng) thì lượng Etanol sinh ra tăng vọt. Sau khi
hàm lượng Etanol đạt đến giá trị cực đại thì bắt đầu giảm dần, còn hàm lượng đường khử vẫn
tiếp tục giảm, gần đến 0.

3.3.3. So sánh với các nghiên cứu trước đây
Kết quả cho thấy lượng Etanol tạo ra từ quá trình lên men dịch thủy phân bèo tây
không cao. Theo kết quả nghiên cứu của Naoto Urano (2007) bèo tây sau khi thủy phân bằng
axit và lên men thì từ 1kg bèo tây khô có thể tạo ra 22,4 ml Etanol tương ứng 17,67g. Tuy
nhiên, vi sinh vật sử dụng trong nghiên cứu này là nấm men được phân lập và phát triển trên
môi trường có chứa bèo tây. Do đó nó sẽ phù hợp với môi trường lên men và cho hiệu suất
sản xuất Etanol lớn hơn. Nấm men được xác định trong nghiên cứu này là Candida intermedi.
Còn theo kết quả nghiên cứu của thạc sĩ Trần Đăng Thuần (2009) vi khuẩn Klebsiella
oxytoca THLC0109 sau khi lên men trực tiếp từ các lignocellulose khác nhau lượng Etanol
tạo ra đạt 0,16 – 0,42 g/g. Điều này cho thấy rất có thể cơ chất trong dịch thủy phân chưa phù
hợp với vi khuẩn Klebsiella oxytoca THLC0109, làm cho hoạt động của vi sinh vật không đạt
hiệu quả cao nhất.
Cũng xuất phát từ nguồn nguyên liệu là bèo tây, nhóm T.Kasthuri, D. Gowdhaman và
V. Ponnunami tại Ấn độ đã nghiên cứu sản xuất Etanol bằng quy trình gồm 2 bước: (i) Tiền
xử lý bằng axit sulfuric với những nồng độ khác nhau, sau đó được trung hoà bằng NaOH,
(ii) Dung dịch sau quá trình tiền xử lý được lên men bằng vi khuẩn Zymomonas mobilis.
Nghiên cứu này thực hiện cả 2 phương pháp lên men theo mẻ và thuỷ phân, lên men đồng
thời để so sánh kết quả. Tiếp theo là tối ưu hoá các thông số đặc trưng như pH, nhiệt độ, hàm
lượng enzyme, hàm lượng chất nền để thu được sản lượng Etanol cao hơn. Lượng Etanol thu
được trong các điều kiện tối ưu nhất là 68,3 g/l.
Một nhóm nhà khoa học khác gồm Kumar A, Singh LK, Ghosh S sử dụng một loại
nấm men Pichia stipitis thuộc họ ascomycetous để sản xuất Etanol từ nguyên liệu bèo tây.
Bèo tây được tiền xử lý bằng axit loãng để tận dụng tối đa hàm lượng hemicelluloses trong

0
C, 50 phút)
Trung hòa bằng NaOH
Lọc bằng giấy lọc
Klebsiella oxytoca
THLC0109
Bã ủ làm
phân bón
Lên men trong 3 ngày
Ethanol
Chưng cất
Bảng 16 . Dự kiến sản lượng Etanol ứng với diện tích mặt nước của thành phố
STT
Quận
Diện tích
mặt nƣớc (ha)
Khối lƣợng
bèo tây tƣơi
(tấn)
Khối lƣợng
bèo tây khô
(tấn)
Sản lƣợng
Etanol (kg)
1
Hoàn Kiếm
11,7
3510
403,7
87,59

7
Tây Hồ
508,5
152550
17543,3
3806,89
8
Thanh Xuân
19,6
5880
676,2
146,74

Kết quả ước tính như trong bảng 14 cho thấy, bèo tây là một nguồn nguyên liệu để
sản xuất Etanol trong tương lai. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ

KẾT LUẬN
Sau quá trình nghiên cứu, đề tài “Nghiên cứu khả năng chuyển đổi bèo tây thành cồn
sinh học” đã thu được một số kết quả:
1. Bèo tây sau khi được phơi tự nhiên, sấy khô đến khối lượng không đổi có màu nâu
nhạt, độ ẩm 88,5 %.
2. Đề tài đã xác định được các thông số tối ưu cho quá trình thủy phân bèo tây bằng
dung dịch H
2
SO
4
loãng:

2. Nguyễn Lân Dũng (1982), Thực hành Vi sinh vật học, Nxb Đại học và Trung học
Chuyên nghiệp, Hà Nội.
3. Nguyễn Quang Khải, Hội thảo Phát triển năng lượng bền vững ở Việt Nam, Những vấn
đề phát triển năng lượng SK của Việt Nam.
4. Nguyễn Đức Lượng (1996), Nghiên cứu tính chất một số vi sinh vật có khả năng tổng
hợp xenluloza cao, Luận án PTSKHKT, Hà Nội
5. Trần Diệu Lý (2008), Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ rơm rạ, khóa luận tốt
nghiệp, Thành phố Hồ Chí Minh.
6. Nguyễn Thị Hằng Nga (2009), Nghiên cứu khả năng sản xuất ethanol sinh ho
̣
c t ừ phụ
phẩm nông nghiệp, luận văn thạc sỹ, Hà Nội.
7. Lê Đình Quang (2008), “Nhiên liệu sinh học – Lợi ích khổng lồ nhưng còn đó những
nguy cơ”, Tạp chí Tài nguyên môi trường, số 21, tr.24-25
8. Nguyễn Đình Thưởng (2000), Công nghệ sản xuất & kiểm tra cồn etylic, Nxb Khoa
học và Kỹ thuật, tr.107-173
9. Nguyễn Thị Tĩnh (2009), Đánh giá tiềm năng năng lượng sinh khối và đề xuất phương
án sử dụng phụ phẩm cây ngô ở huyện Phúc Thọ, Hà Nội, khóa luận tốt nghiệp, Hà
Nội.
10. Trần Cẩm Vân (2004), Giáo trình vi sinh vật môi trường, Nhà xuất bản Đại học Quốc
Gia, tr.79-82.
11. Thủ tướng chính phủ (2007), “Đề án phát triển nhiên-liệu-sinh-học đến năm 2015, tầm
nhìn đến năm 2025”, Hà Nội.
12. Tổng Cục Thống kê, Niên giám thống kê 2010.
13. />nuoc.aspx
14. />05-03
15. Nhiên liệu sinh học
Etanol: hy vọng hay ảo vọng.
16. , Nhiên liệu sinh học - nguồn năng lượng tái tạo quan trọng trong tương
lai.

Ethanol in a Single-Strain and Co-Culture System, luận văn thạc sỹ, Taipei.
35. Yan Lin (2006), “Ethanol fermentation from biomass resources: current state and
prospects”, Microbiol Biotechnol 69, pp. 627-642.
36. Ye Sun, Jiayang Cheng (2001), Hydrolysic of lignocellulosic materials for ethanol
production, North Carolina State University, USA.
37. http://www .wikipedia.org.
38. www.wisbiorefine.org, Fermentation of Lignocellulosic Biomass.