i
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

Đơn vị:
Ngày bảo vệ:

Điểm tổng kết:

Nơi lưu trữ luận án:
iii
LỜI CẢM ƠN
Luận văn là tác phẩm của một sinh viên trước khi rời khỏi trường đại học. Để hoàn
thành luận văn, sinh viên cần phải áp dụng tất cả các kiến thức và hiểu biết mà mình đã
tích luỹ được trong suốt những năm học ở trường. Chính vì vậy những kiến thức mà em
đã tiếp thu được trong 5 năm học tại trường Bách Khoa là nền tảng vững chắc giúp em
hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa KỸ THUẬT
HOÁ HỌC nói chung và các thầy cô trong bộ môn KỸ THUẬT HỮU CƠ nói riêng vì đã
tận tình giảng dạy, giúp đỡ em trong suốt những năm vừa qua.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Phan Đình Tuấn, thầy là người đã giúp em đến với
hướng nghiên cứu này, đồng thời cũng là người tận tình chỉ bảo, truyền đạt kiến thức,
kinh nghiệm và tạo mọi đ
iều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành tốt luận văn.
Em cũng xin cảm ơn anh Ngô Đình Minh Hiệp vì đã nhiệt tình giúp đỡ em cả về
kiến thức chuyên môn lẫn thực nghiệm trong suốt những ngày hoàn thành luận văn tại
Tung tâm Lọc Hoá Dầu.
Cuối cùng, em xin cảm ơn bạn bè và người thân trong gia đình, những người luôn là
chỗ dựa vững chắc và luôn ủng hộ em trong mọi việc.

Sinh viên thực hiện
Trần Diệu Lý

3.1 NGUYÊN LIỆU VÀ HÓA CHẤT 48
3.1.1 Rơm rạ 48
3.1.2 Enzyme 48
3.1.3 Giống nấm men 49
3.2 CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG 49
3.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG 52
3.3.1 Phương pháp phân tích thành phần xơ sợi trong biomass – rơm rạ 52
3.3.2 Phương pháp đo nồng độ glucose và ethanol 56
3.3.3 Phương pháp xác định độ ẩm của nguyên liệu 63

v
3.3.4
Phương pháp nuôi cấy và đếm nấm men 64
3.4 TRÌNH TỰ NGHIÊN CỨU 66
3.4.1 Sơ đồ quy trình 67
3.4.2 Quá trình nổ hơi – tiền xử lý rơm rạ 67
3.4.3 Quá trình thủy phân 68
3.4.4 Quá trình thủy phân và lên men đồng thời 69
Chương 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 71
4.1 PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN RƠM RẠ 71
4.1.1 Thành phần rơm rạ trước nổ hơi 71
4.1.2 Thành phần rơm rạ sau nổ hơi 72
4.1.3 So sánh rơm rạ trước và sau nổ hơi 72
4.1.4 Thành phần dịch nổ hơi 74
4.2 QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN 76
4.2.1 Thành phần dịch thủy phân 76
4.2.2 Ảnh hưởng của phần trăm bã rắn 77
4.2.3 Ảnh hưởng của lượng enzyme cho vào 79
4.2.4 Ảnh hưởng của pH 84
4.2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ 87

Hình 2-10 Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính 11
Hình 2-11: Một số ví dụ về chất trích ly (a) abietic acid (oleoresin); (b) cathechin
(flavonoid); (c) palmitic acid (acid béo) 13

Hình 2-12 Mô tả cơ chế quá trình nổ hơi 17
Hình 2-13 Fufural 18
Hình 2-14 Hydroxymethyl fufural 18
Hình 2-15: 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 19

Hình 2-16: (d) sợi lignocellulose không nổ hơi có cấu trúc sít chặt ngăn cản sự tấn công
của enzyme, (e) nổ hơi ở 4atm, (f) nổ hơi ở 8atm 19

Hình 2-17 Tác dụng của từng enzyme trong cellulase 21
Hình 2-18 Quá trình tác động của cellobiohydrolase lên đầu vùng kết tinh của cellulose.
25

Hình 2-19 Cơ chế tác động hiệp đồng của enzyme exo-endo và endo-endo. Enzyme
endoglucanase tấn công ngẫu nhiên vào cellulose và tạo cơ chất thích hợp cho
enzyme exoglucanase và sau đó khuếch tán nhanh ra khỏi bề mặt. Exoglucanse có
thể tấn công từ đầu đường khử và không khử 26

Hình 2-20 Cơ chế quá trình thủy phân 27
Hình 2-21 Tốc độ phản ứng enzyme theo nhiệt độ 29
Hình 2-22 Ảnh hưởng của pH 30
Hình 2-23 Ảnh hưởng của nồng độ enzyme 30
Hình 2-24 Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất 31

vii
Hình 2-25 Chất kìm hãm cạnh tranh 32

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

viii
Hình 4-13 Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian ứng với các giá trị nhiệt độ: nhiệt độ
phòng khác nhau 88

Hình 4-14 Nồng độ cellobiose theo thời gian ứng với các điều kiện nhiệt độ khác nhau. 89
Hình 4-15 Nồng độ glucose, cellobiose, hiệu suất tại 24 giờ theo nhiệt độ 90
Hình 4-16 Tốc độ phản ứng ban đầu theo nhiệt độ 91
Hình 4-17 Nồng độ glucose, cellobiose và hiệu suất theo thời gian 93
Hình 4-18 Nồng độ ethanol, glucose và hiệu suất theo % enzyme, tại 24 giờ 96
Hình 4-19 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose và hiệu suất theo % enzyme cho vào tại
48 giờ 97

Hình 4-20 Nồng độ ethanol, glucose và hiệu suất theo tỉ lệ mật độ nấm men cho vào tại 24
giờ 99

Hình 4-21 Nồng độ ethanol, glucose, cellobiose và hiệu suất theo tỉ lệ mật độ nấm men
cho vào tại 48 giờ 100

Hình 4-22 Nồng độ cellobiose, glucose và ethanol tạo thành theo thời gian trong quá trình
thủy phân và lên men đồng thời. 102


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 82x
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 nhau85
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
89


rắn, 5% enzyme, 50
o
C và pH 4,8, tương ứng nồng độ glucose thu được là 55,08g/l và hiệu
suất đạt 81%.
Quá trình thuỷ phân và lên men đồng thời đạt được kết quả tốt ở 11% bã rắn, 5%
enzyme, 23,6 triệu tế bào nấm men/ml, 50
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.
xii
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

Nơng-
Lâm-Ngư
(tỉ đồng)
Tổng số
Lúa
Các nguồn
khác
Lâm
nghiệp
Ngư
nghiệp
Cả nước 154478 78,3
38,0
40,3 3,9 17,8
ĐBSH 24415 91,6 46,3 45,3 1,0 7,4
ĐBSCL 59663 69,9 53,5 16,4 2,1 18,5
Tỉ lệ % tron
g
tổn
g

g
iá trò sản lượn
g
nôn
g

nghiệp
Các nguồn
khác

máy cưa
3,1 35,960 2,6
2 Gỗ đốt 12,4 186,000 13,4
3 Rác thải rắn 0,015 57 0
4 Rơm 61,9 866,600 62,6
5 Trấu 5,6 63,840 4,6
6 Vỏ bắp 4,8 60,000 1,3
7 Bã khoai mì 0,6 7,500 0,5
8 Phế phẩm cây mía 1,5 18,750 1,4
9 Bã mía 5,0 36,050 2,6
10 Vỏ đậu 0,1 1,250 0,1
11 Xơ và lá dừa 5,8 104,400 7,5
12 Vỏ hạt cafe 0,3 4,670 0,3
Tổng 101,1 1,385,077 100
Chương 1: MỞ ĐẦU

3
Các nguồn biomass chính ở Việt Nam năm 2000
4.6
62.6
gỗ thải từ nhà
máy cưa
gỗ đốt
rác thải rắn
rơm
trấu
vỏ bắp
bã khoai mì
Phế phẩm
cây mía

được sản xuất từ lignocellulose. Lignocellulose là loại biomass phổ biến nhất trên thế giới.
Vì vậy sản xuất ethanol từ biomass cụ thể là từ nguồn lignocellulose là một giải pháp
thích hợp đặc bi
ệt là với các quốc gia nông nghiệp như Việt Nam.
Nền nông nghiệp Việt Nam hằng năm tạo ra một lượng lớn phế phẩm nông nghiệp,
chủ yếu là lignocellulose từ các vụ mùa. Tận dụng nguồn nguyên liệu này, cụ thể là rơm
rạ để sản xuất bioethanol là phương pháp sử dụng rơm rạ một cách hiệu quả đồng thời
góp phần giải quyết vấn đề nă
ng lượng cho nước ta.
1.4 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Mục đích chính của đề tài là nghiên cứu khả năng xử lý rơm rạ để lên men ethanol.
Các mục tiêu chính trong đề tài là:
• Nghiên cứu quá trình thủy phân rơm đã qua tiền xử lý nổ hơi bằng enzyme
cellulase, tạo ra dịch đường.
• Nghiên cứu quá trình thủy phân và lên men đồng thời để chuyển hóa cellulose
trong nguồn rơm rạ ban đầu thành ethanol.
Các nội dung chính cần phải thực hiện để đạt được mục tiêu trên:
¾
Đối với quá trình thủy phân:
• Khảo sát ảnh hưởng của lượng bã rắn đối với quá trình thủy phân.
• Khảo sát ảnh hưởng của lượng enzyme cho vào đối với quá trình thủy phân.
• Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch đến quá trình thủy phân.
• Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình thủy phân.
• Khảo sát nồng độ đường tạo thành theo thời gian.
¾ Đối v
ới quá trình thủy phân và lên men đồng thời
• Khảo sát ảnh hưởng của lượng enzyme đến quá trình.
• Khảo sát ảnh hưởng của lượng nấm men cho vào lên quá trình.
• So sánh hiệu suất chuyển hóa quá trình thủy phân với quá trình thủy phân và lên
men đồng thời.

(*) theo Hồ Sĩ Tráng [3]
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.
Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

6

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
Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

7
hoàn toàn khác nhau, cấu trúc hemiacetal tại C1 có tính khử, trong khi đó OH tại C4 có
tính chất của rượu. [2]


hydro. [4]
Cellulose được bao bọc bởi hemicellulos và lignin, điều này làm cho cellulose khá
bền vững với tác động của enzyme cũng như hóa chất.
2.1.3 Hemicellulose
Hemicellulose là mộ
t 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 và
đường 5 gồm xylose và arabinose. Thành phần cơ bản của hemicellulose là β - D
xylopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết β -(1,4).
Cấu tạo của hemicellulose khá phức tạp và đa dạng tùy vào nguyên liệu, tuy nhiên
có một vài điểm chung gồm:
• Mạch chính của hemicellulose được cấu tạo từ liên kết β -(1,4).
• Xylose là thành phần quan tr
ọng 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:
G
ỗ 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-
Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

9
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]

2.1.4 Lignin
Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở. Trong tự nhiên, lignin chủ yếu đóng vai
trò 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 hoàn toàn.
Lignin là polymer, được cấu thành từ các đơn vị phenylpropene, vài đơn vị cấu trúc
điển hình được đề nghị là: guaiacyl (G), chất gốc là rượu trans-coniferyl; syringly (S),
chất g
ốc là rượu trans-sinapyl; p-hydroxylphenyl (H), chất gốc là rượu trans-p-courmary.

Hình
2-9 Các đơn vị cơ bản của lignin
Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

11
Cấu trúc của lignin đa dạng, tùy thuộc vào loại gỗ, tuổi của cây hoặc cấu trúc của nó
trong gỗ. Ngoài việc được phân loại theo lignin của gỗ cứng, gỗ mềm và cỏ, lignin có thể
được phân thành hai loại chính: guaicyl lignin và guaicyl-syringly lignin.
Gỗ mềm chứa chủ yếu là guaiacyl, gỗ cứng chứa chủ yếu syringyl. Nghiên cứu chỉ
ra rằng guaiacyl lignin hạn chế sự trương nở của xơ sợi và vì vậy loạ
i nguyên liệu đó sẽ
khó bị tấn công bởi enzyme hơn syringyl lignin. [10]

Hình
2-10 Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính
Những nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng lignin hoàn toàn không đồng nhất trong cấu
trúc. Lignin dường như bao gồm vùng vô định hình và các vùng có cấu trúc hình thuôn
hoặc hình cầu. Lignin trong tế bào thực vật bậc cao hơn không có vùng vô định hình. Các
vòng phenyl trong lignin của gỗ mềm được sắp xếp trật tự trên mặt phẳng thành tế bào.
Ngoài ra, cả cấu trúc hóa học và cấu trúc không gian của lignin đều bị ảnh hưởng bở
i

t 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
tách nhóm chất này trong việc phân tích thành phần sơ xợi lignocellulose là dùng trích ly
với dung môi ethanol-benzene tỉ lệ 1:2. Những chất này có thể có cả tính ưa dầu và ư
a
nước và không được xem là thành phần cấu trúc của gỗ. Chất nhựa là những chất ưa dầu,
có lẽ thường chiếm tỉ lệ ưu thế trong chất trích ly, nên thường chất trích ly hay được gọi là
nhựa (resin).
Các chất trích ly thường có màu, mùi và vị khá đặc trưng. Chúng rất quan trọng để
giữ lại những chức năng sinh học của cây. Đa phần các chất nhựa bảo vệ gỗ khỏ
i những
Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

13
tổn thương gây ra bởi vi sinh vật hay côn trùng. Terpenoid, steroid, chất béo, và những
phần tử phenolic như stilbene, lignan, tanmin và flavonoid đều là những chất trích ly. Các
phenolic có thuộc tính diệt nấm và ảnh hưởng đến màu của gỗ. Chất béo và sáp, trong
nhiều hệ thống sinh học được tận dụng như là nguồn năng lượng trong khi terpenoid và
steroid được biết đến là nhựa dầu. Nhóm cuối cùng cũng có hoạt tính kháng vi sinh vật và
côn trùng. Một số chất trích ly là những dược phẩ
m quan trọng. Ví dụ, flavonoid được sử
dụng như là chất chống tác nhân oxy hóa và chống virus. Một số cấu trúc chất trích ly
được thể hiện ở những hình sau:

Hình
2-11: Một số ví dụ về chất trích ly (a) abietic acid (oleoresin); (b) cathechin
(flavonoid); (c) palmitic acid (acid béo)