Chương 1
NGUYEÂN LIEÄU
1/ GIÔÙI THIEÄU VEÀ BIOMASS:
Biomass là nguồn nguyên liệu lấy từ các phụ phẩm trong sản xuất của
ngành nông nghiệp như: rơm rạ, trấu, mảnh vụn từ gỗ…Đây là nguồn nguyên
liệu vô cùng phong phú đặc biệt là ở các nước có ngành nông, lâm nghiệp phát
triển. Ngoài ra, biomass có thể lấy từ phế phẩm của các phân xưởng chế biến gỗ
hay các nhà máy sản xuất vải, sợi…
Biomass đang được sử dụng làm nguồn nguyên liệu để sản xuất ra các sản
phẩm có ích. Điều này không những đem lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo
vệ môi trường sống đang đứng bên bờ vực thẳm của sự ô nhiễm.
Hiện nay, trên thế giới biomass đang được sử dụng để sản xuất “ nhiên liệu
sạch” nhằm tiết kiệm nguồn tài nguyên và xây dựng môi trường trong sạch
hơn… Các nước đã thành công trong nghiên cứu và sử dụng nguồn nhiên liệu
sạch” điển hình như: Brazil, Mỹ, Canada, Mexico; Châu Âu có : Anh, Pháp,
Đức, Tây Ban Nha….; Châu Á có: Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan, Nhật…Sở dĩ
nhiều nước đẩy nhanh chương trình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học vì
đã cam kết thực hiện nghị định Kyoto về cắt giảm khí nhà kính và để đảm bảo an
ninh năng lượng khi nguồn dầu mỏ trở nên đắt đỏ và có nguy cơ cạn kiệt.
Việt Nam là nước có nền văn minh lúa nước lâu đời với 80% dân số sống
bằng nghề nông. Hiện nay, Việt Nam là một trong những nước có sản lượng gạo
xuất khẩu lớn trên thế giới. Việc sản xuất lúa để phục vụ cho nhu cầu trong nước
và xuất khẩu dẫn đến hiện tượng dư thừa lượng lớn các phần dư thừa của lúa
như rơm, rạ, trấu…Vì vậy, hiện nay Biomass đang được nghiên cứu để sản xuất
“ethanol sinh học”, xây dựng mô hình “thị trấn Biomass”. Dựa trên tiêu chí tiết
kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường và xây dựng một nền nông nghiệp bền
vững, các quá trình sản xuất, chế biến và sử dụng các sản phẩm, phụ phẩm, phế
phẩm được tiến hành theo một qui trình khép kín. Từ đó mở ra một hướng đi
mới cho ngành nông nghiệp Việt Nam: phát triển một nền nông nghiệp xanh và
bền vững, trong đó không những phát huy thế mạnh của chính phẩm mà còn tận
dụng được phụ phẩm, góp phần nâng cao đời sống của người nông dân.

cellulose[61].
Quá trình thủy phân cellulose khá phức tạp. Bên cạnh đó điều kiện khắc
nghiệt của quá trình thủy phân làm giảm đáng kể lượng glucose. Cấu trúc bó sợi
cellulose ở vùng tinh thể và vùng vô định hình khác nhau. Vùng tinh thể có cấu
3
A
C
Màng cellulose
trúc chặt chẽ, khó thủy phân hơn nên vận tốc thủy phân cũng chậm hơn so với
vùng vô định hình.
Hình 1.4 Liên kết giữa hai chuỗi cellulose kế cận trong tế bào thực
vật[61].
Từ nguồn nguyên liệu xơ bông người ta có thể thu cellulose bằng cách
loại bỏ nhựa liên kết bởi dung môi. Trong ngành công nghiệp giấy người ta còn
tận thu cellulose từ nguyên liệu lignocellulosic.
Cellulose có thể được sử dụng trong những sản phẩm như film và các loại
màng hoặc được dẫn xuất hóa thành dạng xanthate để sử dụng trong sản xuất các
loại polymer chuyên dụng.
2.2/ HEMICELLULOSE:
Hemicellulose có trong vỏ hạt, bẹ ngô, rơm, cám, trấu…chiếm 35% khối
lượng gỗ cứng và 25% khối lượng gỗ mềm. Hemicellulose đóng vai trò là chất
kết dính các tế bào (cùng với pectin) [61].
Hemicellulose là một nhóm các polysaccharide không đồng nhất gồm sự
kết hợp của glucose, mannose, galacose, xylose và arabinose. Hemicellulose có
cấu trúc phân nhánh với những chuỗi ngắn hơn so với cellulose-độ trùng hợp:
150, thấp hơn cellulose. Ngoài một số hợp phần của đường, hemicellulose có thể
chứa các thành phần khác ở dạng acetyl hoặc uronic acid. Ở tế bào gỗ cứng,
hemicellulose gồm glucuronoxylan hay O-acetyl 4-O-methylglucorono-β-xylan,
4
Liên kết H nội phân tử

nó tạo tính cứng nhắc và làm sẫm màu sợi. Để khắc phục tình trạng này người ta
dùng phương pháp Kraft: sử dụng kết hợp sodium hydroxie và sodium sunfide
để làm giảm lượng lignin đến 4-5% trong gỗ mềm. Quá trình này phải được điều
khiển nghiêm ngặt để tránh hiện tượng lignin bị ngưng tụ. Dựa vào tính không
tan của lignin ở nồng độ acid cao để định lượng lignin.
6
p- coumarylalcohol
H
H
C
OH
C H
H
HCOH
C H
H
HCOH
C H

C
C
C
C
OH
H
OCH
7
Coniferyl alcohol
Spynapyl alcohol
Hình 1.7 Cấu trúc của các đơn vị phelnylpropane [47]
Hình 1.8 Sự liên kết giữa lignin và các chất khác trong thành tế
bào[24]
a) Sự phân bố các chất trong thành tế bào
Liên kết H
Liên kết LP
Hình 1.9 Cấu trúc dự đoán của lignin ở gỗ mềm [47]
Lignin ở dạng lignosulfonate được nghiên cứu và ứng dụng nhựa trao
đổi ion, chất hoạt động cation.
2.4/ CHẤT TRO:
Chất tro là thành phần vô cơ có trong tế bào biomass. Tuy chiếm khối
lượng khiêm tốn < 1% nhưng chất tro là 1 phần không thể thiếu trong tế bào:
duy trì các chức năng sinh học của tế bào. Trong các nguyên tố đa lượng,
calcium là kim loại phong phú nhất, sau đó là kali, và magnesium. Các kim
loại dạng vết thường tồn tại dưới dạng phức hợp[55].
2.5/ MỘT SỐ HỢP CHẤT HÓA HỌC KHÁC:
Trong thành phần của biomass, người ta còn thấy một số hợp chất hóa
học khác. Chúng bao gồm những chất hòa tan trong nước hoặc dung môi
hữu cơ. Khảo sát trên các nguyên liệu thực vật, người ta thấy các chất này
chiếm tỉ lệ nhỏ (2-5% khối lượng chất khô của gỗ) tùy vào bản chất và đặc

44.70
44.70
49.50
49.50
44.55
44.55
31.98
31.98
• Hemicellulose
Xylan 5C
Arabinan 5C
Galactan 6C
Mannan 6C
17.66 18.55 13.07 21.90 25.19
13.86 14.56 10.73 6.03 21.09
0.94 0.82 0.31 1.60 2.84
0.93 0.97 0.76 2.56 0.95
1.92 2.20 1.27 11.43 0.30
• Lignin
26.70 26.44 27.71 27..67 18.13
• Tro
2.15 1.71 1.26 0.32 5.95
• Acid
4.57 1.48 4.19 2.67 1.21
• Các chất khác
7.31 7.12 4.27 2.88 17.54
3/ CẤU TRÚC TẾ BÀO BIOMASS :
Công tác nghiên cứu cấu trúc nguyên liệu đóng vai trò rất quan trọng
trong việc sáng tạo, cải tiến các phương pháp tiền xử lí, thủy phân nhằm thu
được lượng đường cao nhất đồng thời giảm chi phí thực hiện các quá trình

3
. Các vi sợi ở lớp S
1
được định hướng nằm ngang.
Ở lớp S
2
, các vi sợi được định hướng thẳng đứng. Cuối cùng lại định hướng
nằm ngang ở S
3
.
Nghiên cứu ở một loại gỗ cứng cho thấy tỉ lệ giữa các thành phần
trong các lớp S
1
,S
2
,S
3
như biểu đồ sau:
Bó sợi cellulose

Hình 1.12 Tỉ lệ các chất trong thành tế bào gỗ ( Panshin và DeZeeuw
1980)[28].
Mặc dù các lớp xếp khít nhau nhưng giữa chúng vẫn tồn tại các lỗ
xôp. Lỗ xốp sẽ được xem là các mao quản khi nó dài và hẹp. Các mao quản
được lấp đầy bằng lignin và các chất chiết. Cấu trúc lỗ xốp đóng vai trò quan
trọng trong quá trình xâm nhập và tiếp xúc của các tác nhân, dung môi với
các thành phần của tế bào. Hầu hết các mao quản đều cho các phân tử có
kích thước nhỏ hơn 51 A° đi qua (Grethlein – 1991).
Thành tế bào thứ cấp
% chất khô

nguyên liệu cellulosic giảm xuống còn nhỏ hơn 400 tế bào (mesh) (Wilke và
Mitra, 1975)
1.1. Mục đích: làm giảm kích thước, chuẩn bị cho các quá trình tiền xử lí
tiếp theo.
1.2. Các biến đổi: trong quá trình nghiền nguyên liệu, chủ yếu xảy ra các
biến đổi:
 Giảm kích thước nguyên liệu.
 Nhiệt độ nguyên liệu tăng.
 Một số tế bào của nguyên liệu bị đập dập, một số ít bị phá vỡ.
1.3. Thiết bị:
Quá trình nghiền có thể thực hiện bằng máy nghiền búa. Vật liệu
trong máy nghiền búa được nghiền nhỏ do sự va đập của búa vào thành vật
liệu và sự chà sát giữa búa và thành máy. Các hạt vật liệu sau khi nghiền có
kích thước nhỏ hơn lỗ lưới sẽ đi ra ngoài, các hạt có kích thước lớn hơn sẽ
được tiếp tục nghiền.
1.4. Cách thực hiện:
Nguyên liệu được nhập vào máy nghiền. Tiến hành nghiền nhỏ đến
kích thước 2-3 mm.
Hình 3.1 Máy nghiền búa
2/ TIỀN XỬ LÍ BIOMASS :
Ethanol thường được sản xuất từ tinh bột hoặc nguồn nguyên liệu giàu
đường. Đối với nguyên liệu giàu tinh bột, tinh bột phải được thủy phân
thành đường bằng enzyme, sau đó mới tiến hành lên men thành ethanol.
Ngày nay, con người đã nghiên cứu và sản xuất ethanol từ nguồn
nguyên liệu giàu cellulose. Khác với nguyên liệu tinh bột, nguyên liệu giàu
cellulose phải qua giai đoạn tiền xử lí trước khi tiến hành thủy phân thành
đường. Nguyên nhân là do cellulose khó thủy phân hơn tinh bột. Tinh bột
chứa amylopectin có cấu trúc phân nhánh nên dễ dàng tiếp xúc với dung
môi. Trong khi cellulose tinh thể tạo cấu trúc thẳng, khoảng cách giữa các
phân tử thấp nên dung môi tiếp xúc với các phân tử cellulose khó khăn hơn.

từ gỗ cứng. Năm 1980, quá trình tiền xử lí biomass bằng phương pháp nổ
bằng áp lực hơi nước được chính thức giới thiệu, ngay sau đó công ty Iotech
Corporation đã tiến hành các thí nghiệm đầu tiên để tìm hiểu ảnh hưởng của
phương pháp này đến hàm lượng glucose và xylose thu được trong dịch thủy
phân cellulose. Theo Iotech, điều kiện xử lí tối ưu của holocellulose (xylose
+ glucose) là áp suất 500-550 psi , thời gian 40 giây [32].
Nhiều nghiên cứu được tiến hành sau đó. Shultz và các cộng sự tiến
hành thí nghiệm so sánh hiệu quả của phương pháp nổ bằng áp lực hơi nước
lên hỗn hợp các mảnh gỗ cứng, vỏ trấu, rơm bắp và bã mía. Kết quả cho
thấy, nguyên liệu được tiền xử lí sẽ nâng cao hiệu suất quá trình thủy phân
tạo thành đường [63].
Năm 1979 Spano và các cộng sự đã đưa ra bảng số liệu sau:
Bảng 2.1 Ảnh hưởng của quá trình tiền xử lí đến quá trình thủy phân.
Nguyên liệu Tiền xử lí
Tổng lượng đường khử ( mg/ml)
4h 24h
Gỗ bạch dương
Không 1.4 2.4
Có 15.3 25.8
Dương lá rung
Không 1.8 3
Có 12.8 24.8
Rơm bắp
Không 4.9 7.8
Có 15.7 22.5
Bã mía
Không 1.7 2.5
Có 9.5 16.1
Rác thải đô thị
Không 10.5 18.0