ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL
NHIÊN LIỆU TỪ RƠM RẠ
SVTH : TRẦN DIỆU LÝ
MSSV : 60301608
CBHD : PGS.TS. PHAN ĐÌNH TUẤN
BỘ MÔN: KỸ THUẬT HỮU CƠ
TP. HỒ CHÍ MINH, 01/2008
i
Đại Học Quốc Gia Tp.HCM. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM.
TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA. Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc.

Số: ________/ BKĐT
NHIỆM VỤ LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP
KHOA: KỸ THUẬT HÓA HỌC.
BỘ MÔN: KỸ THUẬT HỮU CƠ.
HỌ VÀ TÊN: TRẦN DIỆU LÝ
NGÀNH:kỸ THUẬT HỮU CƠ
MSSV: 60301608
LỚP: HC03KSTN
1. Đầu đề luận án: NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL NHIÊN LIỆU TỪ RƠM RẠ
2. Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):
Nghiên cứu quá trình thuỷ phân rơm rạ đã qua tiền xử lý, sử dụng enzyme cellulase.
Nghiênu quá trình thuỷ phân và lên men đồng thời rơm rạ đã qua tiền xử lý,, sử dụng enzyme
cellulase và nấm men saccharomyces cerevisiae.
3. Ngày giao nhiệm vụ luận án: 15/9/2007.
4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15/12/2007.
5. Họ tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn

iii
Chương 1
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
1.1
1.2
CÂY LÚA Ở VIỆT NAM 1
RƠM RẠ 2
1.2.1 Nguồn rơm rạ ở Việt Nam 2
1.2.2 Hiện trạng sử dụng năng lượng từ rơm rạ ở Việt Nam 3
1.3
1.4
BIOETHANOL TỪ RƠM RẠ 3
MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4
Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 5
2.1 NGUYÊN LIỆU LIGNOCELLULOSE 5
2.1.1 Cấu trúc lignocellulose 5
2.1.2 Cellulose 6
2.1.3 Hemicellulose 8
2.1.4 Lignin 10
2.1.5 Các chất trích ly 12
2.1.6 Tro 13
2.2 QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ETHANOL TỪ RƠM RẠ 13
2.2.1 Tổng quát 13
2.2.2 Tiền xử lý 14
2.2.3 Thủy phân 20
2.2.4 Lên men 33
2.2.5 Thủy phân và lên men đồng thời 38
2.3 SƠ LƯỢC VỀ BIOFUEL VÀ ETHANOL NHIÊN LIỆU 44
2.3.1 Biofuel 44

4.2.4 Ảnh hưởng của pH 84
4.2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ 87
4.2.6 Hiệu suất thủy phân , nồng độ đường tạo thành theo thời gian 92
4.3 QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI 94
4.3.1 Thành phần dịch thủy phân và lên men đồng thời 94
4.3.2 Ảnh hưởng của lượng emzyme cho vào 95
4.3.3 Ảnh hưởng của mật độ nấm men ban đầu 98
4.3.4 Hiệu suất toàn quá trình theo thời gian 101
Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 104
5.1
5.2
5.3
KẾT LUẬN QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN 104
KẾT LUẬN QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI 104
SO SÁNH HIỆU SUẤT TOÀN QUÁ TRÌNH CỦA THỦY PHÂN VỚI THỦY
PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI 105
5.4 ĐỀ NGHỊ 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO 106
PHỤ LỤC 108
v
DANH MỤC HÌNH
Hình 1-1 Tỉ lệ % trong tổng giá trị sản lượng nông nghiệp 1
Hình 1-2 Các nguồn biomass chính ở Việt Nam năm 2000 3
Hình 2-1 Cấu trúc của lignocellulose 6
Hình 2-2 Mối quan hệ cellulose – hemicellulose trong cấu trúc lignocellulose 6
Hình 2-3 Công thức hóa học của cellulose 7
Hình 2-4 Kiểu Fringed fibrillar và kiểu Folding chain 7
Hình 2-5 Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan 9
Hình 2-6 Glucomannan 9
Hình 2-7 Galactoglucomannan 9

Hình 2-30 Nồng độ glucose (ô vuông không màu) và celllobiose (ô vuông màu đen) theo
thời gian của quá trình thủy phân và lên men đồng thời. 41
Hình 2-31 Nồng độ ethanol theo thời gian trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời.
42
Hình 3-1 Rơm chưa nổ hơi 48
Hình 3-2 Saccharomyces serevisiae chủng turbo yeast extra nhìn dưới kính hiển vi 49
Hình 3-3 Thiết bị nổ hơi quy mô pilot 50
Hình 3-4 Máy sắc kí lỏng hiệu năng cao (HPLC) 50
Hình 3-5 Hình dạng buồng đếm hồng cầu dưới kính hiển vi 51
Hình 3-6 Buồng đếm hồng cầu 51
Hình 3-7 Bộ dụng cụ soxhlet 54
Hình 3-8 Hệ thống phân tích NDS và ADS 54
Hình 3-9 Grooch Crucible 54
Hình 3-10 Đường chuẩn glucose 60
Hình 3-11 Đường chuẩn ethanol 61
Hình 3-12 Đường chuẩn cellobiose 62
Hình 3-13 Bộ dụng cụ thủy phân và lên men đồng thời 70
Hình 4-1 Thành phần rơm rạ trước nổ hơi 71
Hình 4-2 Thành phần rơm rạ sau nổ hơi. 72
Hình 4-3 So sánh kết quả các thành phần rơm rạ trước và sau nổ hơi 73
Hình 4-4 Rơm trước nổ hơi 74
Hình 4-5 Rơm sau nổ hơi 74
Hình 4-6 Nồng độ glucose, cellobiose và hiệu suất thu được theo % bã rắn cho vào 78
Hình 4-7 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian tương ứng với các % enzyme khác
nhau 80
Hình 4-8 Nồng độ cellobiose tạo thành theo thời gian ứng với các % enzyme 81
Hình 4-9 Nồng độ glucose, cellobiose thu được và hiệu suất theo % enzyme 82
Hình 4-10 Tốc độ phản ứng ban đầu theo % enzyme cho vào 83
Hình 4-11 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với các giá trị pH khác nhau 85
Hình 4-12 Hiệu suất, nồng độ glucose và nồng độ cellobiose theo pH dung dịch 86

Bảng 3-2 Kết quả chạy chuẩn 58
Bảng 3-3 Kết quả chuẩn glucose 59
Bảng 3-4 Kết quả cho chuẩn ethanol 60
Bảng 3-5 Kết quả chuẩn cellobiose 62
Bảng 3-6 Thành phần môi trường Hansen dùng cho việc nuôi cấy, bảo quản gống nấm
men. 64
Bảng 3-7 Thành phần chất dinh dưỡng bổ sung cho dung dịch thủy phân và lên men đồng
thời 69
Bảng 4-1 Thành phần rơm rạ khô trước nổ hơi 71
Bảng 4-2 Thành phần rơm rạ theo Hồ Sĩ Tráng [3] 71
Bảng 4-3 Thành phần rơm rạ khô sau nổ hơi 72
Bảng 4-4 So sánh thành phần rơm rạ trước và sau nổ hơi 72
Bảng 4-5 Thành phần dịch nổ hơi 74
Bảng 4-6 Thành phần dịch thủy phân 76
Bảng 4-7 Kết quả ảnh hưởng của phần trăm bã rắn 77
Bảng 4-8 Nồng độ glucose theo thời gian ứng với các % enzyme khác nhau 79
Bảng 4-9 Nồng độ cellobiose tạo thành theo thời gian ứng với % enzyme khác nhau 80
Bảng 4-10 Hiệu suất quá trình thủy phân theo thời gian ứng với các % enzyme khác nhau
81
Bảng 4-11 Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất và tốc độ ban đầu theo lượng enzyme
cho vào 82
ix
Bảng 4-12 Nồng độ glucose theo thời gian ứng với các giá trị pH ban đầu khác nhau 84
Bảng 4-13 Hiệu suất thủy phân theo thời gian ứng với các giá trị pH ban đầu khác nhau 85
Bảng 4-14 Hiệu suất và nồng độ glucose, cellobiose theo pH dung dịch 86
Bảng 4-15 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với các giá trị nhiệt độ khác
nhau. 87
Bảng 4-16 Nồng độ cellobiose tạo thành theo thời gian tương ứng các chế độ nhiệt độ
khác nhau 88
Bảng 4-17 Hiệu suất quá trình thủy phân theo thời gian tương ứng các nhiệt độ khác nhau

o
C và pH 4,8. quá trình này thu được 30,86g/l
ethanol tương ứng hiệu suất là 86,61%. Kết quả này cho thấy quá trình thuỷ phân và lên
men đồng thời rất thích hợp cho việc sản xuất ethanol từ rơm rạ.
xi
ABSTRACT
In Viet Nam, rice straw composes the main portion in agricultural byproducts.
Containing above 40% of cellulose, rice straw is such a potential feedstock for ethanol
production. This thesis does research on producing ethanol form rice straw and can be
divided into 2 parts. The first part studies the effects of the dry solid concentration,
enzyme loading, temperature and pH on the saccharification. The second part explores the
simultaneous saccharification and fermentation (SSF) process.
Rice straw was pretreated by steam explosion method in order to be more accessible
to enzyme. Then, the residue was introduced to hydrolyzed step or to SSF step. These
steps were taken place during 2 to 3 days. The former utilized enzyme cellulase to
hydrolyze cellulose in rice straw. In the latter, both the yeast saccharomyces cerevisiae
and emzyme cellulase were employed.
The result indicated that the optimized condition for saccharification is 11% of dry
solid, 5% of enzyme, 50
o
C and pH 4,8. With this condition, 55,08 g/l glucose was formed
and the yield of 81% was obtained.
The experiments in SSF showed that the best condition for this process includes
11% of dry solid; 5% of enzyme; 23,6 million cell/ml; 37
o
C and pH 4,8. 30,86g/l ethanol
was formed with the yield of 86,61%. This result indicates that SSF is such a suitable
process for producing ethanol from rice straw.
xii
Chương 1: MỞ ĐẦU

45,3
16,4
Lâm
nghiệp
3,9
1,0
2,1
Ngư
nghiệp
17,8
7,4
18,5
Tỉ lệ % trong tổng giá trò sản lượng nông
nghiệp
Ngư nghiệp
18%
Lâm nghiệp
4%
Các nguồn
khác
40%
Cây lúa
38%
Hình 1-1 Tỉ lệ % trong tổng giá trị sản lượng nơng nghiệp
1
Chương 1: MỞ ĐẦU
Ghi chú: Các nguồn khác: % giá trị sản lượng của cây hoa màu lương thực, rau đậu,
cây ăn quả, cây công nghiệp, chăn nuôi và dịch vụ nông nghiệp.
Bảng số liệu và đồ thị trên cho ta thấy vai trò quan trọng của cây lúa chiếm 38%
trong tổng giá trị sản lượng nông – lâm - ngư nghiệp cả nước.

Trấu
Vỏ bắp
Bã khoai mì
Phế phẩm cây mía
Bã mía
Vỏ đậu
Xơ và lá dừa
Vỏ hạt cafe
3,1
12,4
0,015
61,9
5,6
4,8
0,6
1,5
5,0
0,1
5,8
0,3
101,1
2
đựng (GJ)
35,960
186,000
57
866,600
63,840
60,000
7,500

bã khoai mì
Phế phẩm
cây mía
bã mía
vỏ đậu
xơ và lá dừa
vỏ hạt cafe
Hình 1-2 Các nguồn biomass chính ở Việt Nam năm 2000
Bảng số liệu và đồ thị trên cho thấy vị trí và tiềm năng rất lớn của rơm trong viêc sử
dụng làm nguồn ngun liệu. Rơm chiếm 62,6% trong tổng khối lượng biomass ở Việt
Nam năm 2000 với lượng năng lượng chứa đựng là 866.600 GJ. Rơm hứa hẹn là một
nguồn năng lượng lớn cho nước ta.
1.2.2 Hiện trạng sử dụng năng lượng từ rơm rạ ở Việt Nam
Mặc dù rơm rạ là một nguồn năng lượng lớn, rơm rạ nói riêng và từ biomass nói
chung khơng dược sử dụng một cách hiệu quả ở Việt Nam. Phần lớn rơm rạ được bón trở
lại ruộng sau khi thu hoạch, sử dụng làm chất đốt cho các hộ nhà nơng, làm thức ăn cho
gia súc …
Theo [8], biomass chỉ chiếm 3,8% trong tổng năng lượng sử dụng của thành phố Hồ
Chí Minh năm 2003, trong khi đó, nguồn năng lượng này chiếm 89% trong tổng năng
lượng sử dụng ở nơng thơn năm 2001. Ở nơng thơn, biomass chủ yếu được dùng làm chất
đốt và hiệu suất sử dụng năng lượng của q trình này chỉ được 10%.
1.3 BIOETHANOL TỪ RƠM RẠ
Ngày nay sức ép từ khủng hoảng dầu mỏ và nhu cầu năng lượng ln là vấn đề nan
giải của bất cứ quốc gia nào trên thế giới. Mỹ và Brazil đã thành cơng trong việc sản xuất
3
Chương 1: MỞ ĐẦU
ethanol từ nguồn sinh học là bắp và mía. Điều này đã khích lệ các nước khác đầu tư
nghiên cứu vào lĩnh vực nhiên liệu sinh học.
Bên cạnh sản xuất ethanol từ nguồn tinh bột (bắp) và đường (mía), ethanol có thể
được sản xuất từ lignocellulose. Lignocellulose là loại biomass phổ biến nhất trên thế giới.

trong phế phẩm nông nghiệp, chủ yếu ở dạng phế phẩm của các vụ mùa; trong sản phẩm
phụ của công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy; có trong rác thải rắn của thành phố Với
thành phần chính là cellulose, lignocellulose là một nguồn nguyên liệu to lớn cho việc sản
xuất bioethanol. Rơm rạ là một dạng vật liệu lignocellulose.
2.1.1 Cấu trúc lignocellulose
Thành phần chính của vật liệu lignocellulose là cellulose, hemicellulose, lignin, các
chất trích ly và tro.
Bảng 2-1 Thành phần của vài loại lignocellulose theo [10]
Nguồn/% Cellulose
Hemicellulose
Xylane Mannan Galactan Arabianan
Lignin
Ch
ất
trích ly
Gỗ vân sam
Gỗ thông
Gỗ cây bulô
Gỗ dương
Phế phẩm
cây bắp
Rơm lúa mì
41,9
37,7
38,2
49,9
36,4
38,2
6,1
4,6

4,8
-
7,3
Rơm lúa(*) 34 – 38
(*) theo Hồ Sĩ Tráng [3]
32 – 40 12
Theo [10 ] về cơ bản, trong lignocellulose, cellulose tạo thành khung chính và được
bao bọc bởi những chất có chức năng tạo mạng lưới như hemicellulose và kết dính như
lignin. Cellulose, hemicellulose và lignin sắp xếp gần nhau và liên kết cộng hóa trị với
nhau. Các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose, galactose, và acid 4-O-
methylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin.
5
Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
Hình 2-1 Cấu trúc của lignocellulose
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 quá trình thủy phân. [9]
Hình 2-2 Mối quan hệ cellulose – hemicellulose trong cấu trúc lignocellulose
2.1.2 Cellulose
Cellulose là một polymer mạch thẳng của D-glucose, các D-glucose được liên kết
với nhau bằng liên kết β 1-4 glucosid. Cellulose là loại polymer phổ biến nhất trên trái đất,
độ trùng hợp đạt được 3.500 – 10.000 DP [9]. Các nhóm OH ở hai đầu mạch có tính chất
6
Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
hoàn toàn khác nhau, cấu trúc hemiacetal tại C1 có tính khử, trong khi đó OH tại C4 có
tính chất của rượu. [2]
Hình 2-3 Công thức hóa học của cellulose
Các mạch cellulose được liên kết với nhau nhờ liên kết hydro và liên kết Van Der
Waals, hình thành hai vùng cấu trúc chính là kết tinh và vô định hình. Trong vùng kết tinh,

• Mạch chính của hemicellulose được cấu tạo từ liên kết β -(1,4).
• Xylose là thành phần quan trọng nhất.
• Nhóm thế phổ biến nhất là nhóm acetyl O – liên kết với vị trí 2 hoặc 3.
• Mạch nhánh cấu tạo từ các nhóm đơn giản, thông thường là disaccharide hoặc
trisaccharide. Sự liên kết của hemicellulose với các polysaccharide khác và với
lignin là nhờ các mạch nhánh này. Cũng vì hemicellulose có mạch nhánh nên tồn
tại ở dạng vô định hình và vì thế dễ bị thủy phân.
Gỗ cứng, gỗ mềm và nguyên liệu phi gỗ có các đặc điểm hemicellulose khác nhau:
Gỗ cứng chủ yếu có hai loại hemicellulose:
• Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan, là một loại polymer có mạch chính gồm β-D-
xylopyranose liên kết với nhau bằng liên kết β-D (1,4). Trong đó 70% các nhóm
OH ở vị trí C2 và C3 bị acetyl hóa, 10% các nhóm ở vị trí C2 liên kết với acid 4-
8
Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
O-methyl-D-glucuronic. Gỗ cứng còn chứa glucomannan, polymer này chứa một tỉ
lệ bằng nhau β-D-glucopyranose và β-D-mannopyranose. [9]
Hình 2-5 Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan
Hình 2-6 Glucomannan
• Loại thứ hai có mạch chính là β-D-galactopyranose, phân nhánh. Loại
hemicellulose này tạo liên kết –O tại nhóm OH ở vị trí C6 với α-L-arabinose, β-D-
galactose hoặc acid β-D-glucoronic. [9]
Gỗ mềm cũng bao gồm hai loại hemicellulose chính:
• Loại quan trọng nhất là galactoglucomannan, đây là polymer cấu thành từ các
phân tử D-mannopyranose liên kết với D-glucopyranose bằng liên kết β-(1,4) với tỉ
lệ hai monomer tương ứng là 3:1. Tuy nhiên, tỉ lệ này thay đổi tùy theo loại gỗ[9].
Hình 2-7 Galactoglucomannan
9
Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• Arabino-4-O-methylglucuronoxylan, cấu tạo từ các D-xylopyranose, các
monomer này bị thế ở vị trí 2 bằng acid 4-O-methyl-glucuronic, ở vị trí 3 bằng α-

11
Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
và nhóm methoxyl trong các oligomer tiền lignin sẽ tương tác với vi sợi cellulose cho dù
bản chất của lignin là kỵ nước.
Nhóm chức ảnh hưởng đến hoạt tính của lignin là nhóm phenolic hydroxyl tự do,
methoxy, benzylic hydroxyl, ether của benzylic với các rượu thẳng và nhóm carbonyl.
Guaicyl lignin chứa nhiều nhóm phenolic hydroxyl hơn syringyl.
Lignin có liên kết hóa học với thành phần hemicellulose và ngay cả với cellulose
(không nhiều) độ bền hóa học của những liên kết này phụ thuộc vào bản chất liên kết và
cấu trúc hóa học của lignin và những đơn vị đường tham gia liên kết [4]. Carbon alpha
(Cα) trong cấu trúc phenyl propane là nơi có khả năng tạo liên kết cao nhất với khối
hemicellulose. Ngược lại, các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose, galactose, và acid
4-O-methylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin. Các liên kết có thể là ether,
ester (liên kết với xylan qua acid 4-O-methyl-D-glucuronic), hay glycoxit (phản ứng giữa
nhóm khử của hemicellulose và nhóm OH phenolic của lignin)
Cấu trúc hóa học của lignin rất dễ bị thay đổi trong điều kiện nhiệt độ cao và pH
thấp như điều kiện trong quá trình tiền xử lý bằng hơi nước. Ở nhiệt độ phản ứng cao hơn
200
o
C, lignin bị kết khối thành những phần riêng biệt và tách ra khỏi cellulose. Những
nghiên cứu trước đây cho thấy đối với gỗ cứng, nhóm ether β-O-4 aryl bị phá trong quá
trình nổ hơi. Đồng thời, đối với gỗ mềm, quá trình nổ hơi làm bất hoạt các nhóm hoạt
động của lignin ở vị trí α như nhóm hydroxyl hay ether, các nhóm này bị oxy hóa thành
carbonyl hoặc tạo cation benzylic, cation này sẽ tiếp tục tạo liên kết C-C.[10]
2.1.5 Các chất trích ly
Có rất nhiều chất thuộc nhóm thành phần này, chủ yếu là các chất dễ hòa tan. Theo
định nghĩa khái quát trong sách “Kĩ thuật cellulose và giấy” ở trang 64, các chất trích ly là
những chất hoặc có khả năng hòa tan trong những dung môi hữu cơ (như dietyl ether,
methyl terbutyl ether, ether dầu hỏa, diclormethene, acetone, ethanol, methanol, hexan,
toluen, terahydrofuran) hoặc trong nước. Chính vì thế phương pháp thông dụng nhất để

2.2.1 Tổng quát
Sơ đồ quá trình sản xuất ethanol từ rơm rạ
13