i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu trong
luận án này là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã đƣợc trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo
đúng quy định. TẬP THỂ HƢỚNG DẪN TÁC GIẢ HD1: PGS.TS Doãn Thái Hòa Nguyễn Thị Minh Phƣơng HD2: TS. Lê Quang Diễn

ii

MỤC LỤC
ĐẶT VẤN ĐỀ
Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ETANOL SINH HỌC 4
1.1.Tổng quan về nhiên liệu sinh học 4
1.1.1. Khái niệm và phân loại 4
1.1.2. Công nghệ sản xuất etanol sinh học 4
1.1.3. Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học trong và ngoài nƣớc 5
1.2. Sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối lignocellulose 7
1.2.1. Khái niệm sinh khối 7
1.2.2. Công nghệ tiền xử lý sinh khối lignocellulose cho sản xuất nhiên liệu 8
1.2.3. Thủy phân sinh khối bằng enzyme cho sản xuất etanol sinh học 18
1.2.4. Lên men etanol từ dịch thủy phân sinh khối bằng enzyme 24
1.3. Sản xuất etanol sinh học từ rơm rạ 30
1.3.1. Tiềm năng rơm rạ ở Việt Nam 30
1.3.2. Một số đặc điểm thực vật của rơm rạ 30
1.3.3. Công nghệ TXL rơm rạ hiệu quả cho sản xuất etanol sinh học 32
CHƢƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 38
2.1. Vật liệu 38
2.1.1. Rơm rạ và phƣơng pháp lấy mẫu 38
2.1.2. Hóa chất 38
2.1.3. Enzyme 38
2.1.4. Chủng vi sinh vật lên men etanol 39
2.2. Phƣơng pháp xác định thành phần sinh khối, cấu tạo giải phẫu và một số tính
chất lý học của rơm rạ 40
2.2.1. Phƣơng pháp xác định thành phần sinh khối của rơm rạ 40
2.2.2. Phƣơng pháp xác định cấu tạo giải phẫu của rơm rạ 40
2.2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu tính chất xơ sợi của rơm rạ 41
2.2.4. Phƣơng pháp xác định khối lƣợng thể tích của rơm rạ 41
ii

iii

3.1.4. Thành phần nguyên tố của rơm rạ 60
3.1.5. Thành phần hóa học của rơm rạ 61
3.2. Tiền xử lý rơm rạ cho quá trình đƣờng hóa bằng enzyme 62
3.2.1. Tiền xử lý rơm rạ bằng axit axetic 62
3.2.2. Tiền xử lý rơm rạ bằng kiềm ở áp suất khí quyển 73
3.2.3. Tiền xử lý rơm rạ bằng kiềm theo phƣơng pháp nấu kín 81
3.3. Tối ƣu hóa quá trình thủy phân rơm rạ đã qua tiền xử lý và lên men dịch đƣờng
thành etanol 105
3.3.1. Tối ƣu hóa quá trình thủy phân cellulose rơm rạ từ bột xút tẩy trắng 105
3.3.2. Tối ƣu hóa quá trình thủy phân bột xút 109
3.3.3.Tối ƣu hóa quá trình thủy phân bột sunfat 113
3.3.4. Tối ƣu hóa thủy phân rơm rạ sau tiền xử lý bằng axit axetic 116
3.3.5. Lên men dịch đƣờng thu etanol 120
KẾT LUẬN 122
KIẾN NGHỊ NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 124
TÀI LIỆU THAM KHẢO 125
DANH MỤC CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
PHỤ LỤC

iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ
BG
β−glucosidase
Biorefinery
Tinh chế sinh khối
Bột sunfat
Bã rắn thu đƣợc sau tiền xử lý rơm rạ bằng (NaOH +Na

2
S)
KLTB
Khối lƣợng trung bình
KTĐ
Khô tuyệt đối
Nấu kiềm
Nói chung cả tiền xử lý rơm rạ bằng NaOH và bằng hỗn hợp (NaOH +Na
2
S)
Nấu sunfat
Tiền xử lý rơm rạ bằng hỗn hợp (NaOH +Na
2
S)
Nấu xút
Tiền xử lý rơm rạ bằng NaOH
NLSH
Nhiên liệu sinh học
SEM
(Scanning Electron Microscopy) Kính hiển vi điện tử quét
SHF
(Separate hydrolysis and fermentation) Thủy phân và lên men riêng biệt
SSF
(Simultaneous saccharification and fermentation) Đƣờng hóa và lên men đồng
thời
TAPPI
(The Technical Association of the Pulp and Paper Industry)
Hiệp hội giấy và bột giấy của Mỹ
Trích ly kiềm
Xử lý bột axetic thu đƣợc bằng dung dịch NaOH ở điều kiện “mềm”

Bảng 3.14. Thành phần dịch đƣờng sau thủy phân bằng enzyme của bột xút 91
Bảng 3.15. Thiết kế thí nghiệm TXL rơm rạ bằng sunfat theo Box-Behnken 93
Bảng 3.16. Tối ƣu hóa hàm mục tiêu đƣờng khử khi thủy phân bột sunfat theo các biến 98
Bảng 3.17. Ảnh hƣởng của (NaOH+Na
2
S) đến sự thay đổi thành phần của cellulose 100
Bảng 3.18. Thành phần dịch đƣờng sau quá trình thủy phân bằng enzyme của bột
sunfat 104
Bảng 3.19. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình thủy phân bột xút tẩy trắng từ rơm rạ 106
Bảng 3.20. Thiết kế thí nghiệm thủy phân bột xút tẩy trắng từ rơm rạ theo Box–
Behnken 107
Bảng 3.21. Thành phần hóa học của rơm rạ ban đầu và bột xút tối ƣu 109
Bảng 3.22. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình thủy phân bột xút rơm rạ 110
Bảng 3.23. Thiết kế thí nghiệm thủy phân bột xút tối ƣu từ rơm rạ theo Box−Behnken 110
vi

Bảng 3.24. So sánh các chế độ thủy phân khác nhau của bột xút tối ƣu từ rơm rạ 113
Bảng 3.25. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình thủy phân bột sunfat rơm rạ 113
Bảng 3.26. Thiết kế thí nghiệm thủy phân bột sunfat tối ƣu từ rơm rạ theo
Box−Behnken 114
Bảng 3.27. So sánh các chế độ thủy phân khác nhau của bột sunfat tối ƣu từ rơm rạ 116
Bảng 3.28. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình thủy phân bột rơm rạ sau TXL 117
Bảng 3.29. Thiết kế thí nghiệm thủy phân bột rơm rạ sau TXL bằng
(CH
3
COOH+HCl) và trích ly kiềm theo Box−Behnken 117
Bảng 3.30. So sánh điều kiện thủy phân tối ƣu của các loại bột từ rơm rạ 119
Bảng 3.31. Hiệu suất lên men etanol dịch đƣờng bột rơm rạ sau thủy phân 120

vii

viii

Hình 3.9. Ảnh SEM bột rơm rạ sau TXL bằng axit axetic (có bổ sung 2% HCl về thể
tích) 66
Hình 3.10. Ảnh SEM bột rơm rạ sau TXL bằng axit axetic (có bổ sung 3% HCl về
thể tích) 66
Hình 3.11. Ảnh SEM bột rơm rạ sau TXL bằng axit axetic (có bổ sung 4% HCl về
thể tích) 66
Hình 3.12. Ảnh SEM bột rơm rạ sau TXL bằng axit axetic (có bổ sung 5% HCl về
thể tích) 67
Hình 3.13. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu suất đƣờng khử 67
Hình 3.14. Ảnh hƣởng của thời gian xử lý đến hiệu suất đƣờng khử 68
Hình 3.15. Ảnh hƣởng của quá trình trích ly kiềm đến hiệu suất bột và hiệu suất
đƣờng hóa 69
Hình 3.16. Ảnh hƣởng của trích ly kiềm đến mức tách loại các hợp chất của rơm rạ 70
Hình 3.17. Sự biến đổi của các thành phần hóa học của rơm rạ sau quá trình TXL
bằng axit axetic kết hợp với trích ly kiềm 71
Hình 3.18. Phổ XRD của rơm rạ và bột rơm rạ sau tiền xử lý bằng (CH
3
COOH+HCl) 72
Hình 3.19. Ảnh hƣởng của mức sử dụng kiềm hoạt tính tới hiệu suất bột và hiệu suất
đƣờng khử 74
Hình 3.20. Ảnh hƣởng của mức sử dụng kiềm hoạt tính tới mức tách loại lignin 75
Hình 3.21. Ảnh hƣởng của mức sử dụng kiềm đến mức tách loại các chất vô cơ 76
Hình 3.22. Ảnh hƣởng của mức sử dụng kiềm đến lƣợng cellulose bị hòa tan (1-Nấu
xút; 2-Nấu sunfat) 76
Hình 3.23. Phổ XRD của rơm rạ ban đầu và bột xút sau TXL 77
Hình 3.24. Phổ XRD của rơm rạ ban đầu và bột sunfat sau TXL 77
Hình 3.25. Ảnh SEM của rơm rạ trƣớc và sau TXL 80
Hình 3.26. Ảnh hƣởng của các yếu tố công nghệ trong tiền xử lý rơm rạ bằng xút

S) và nhiệt độ 97
Hình 3.43. Ảnh hƣởng đồng thời của mức dùng (NaOH+Na
2
S) và thời gian 97
Hình 3.44. Ảnh hƣởng đồng thời của nhiệt độ và thời gian đến hiệu suất đƣờng khử 97
Hình 3.45. Tối ƣu hóa hiệu suất đƣờng khử sau TXL rơm rạ bằng (NaOH+Na
2
S) 99
Hình 3.46. Ảnh hƣởng của TXL bằng (NaOH+Na
2
S) đến mức phân hủy cellulose 99
Hình 3.47. Phổ XRD của rơm rạ sau TXL theo phƣơng pháp sunfat nấu kín 100
Hình 3.48. Ảnh hƣởng của mức sử dụng kiềm hoạt tính đến mức độ phân hủy lignin 101
Hình 3.49. Ảnh hƣởng của mức dùng kiềm hoạt tính đến sự tách loại các chất vô cơ 102
Hình 3.50. Ảnh SEM của bột sunfat rơm rạ 103
Hình 3.51. Thành phần hóa học của rơm rạ ban đầu và bột cellulose tẩy trắng từ rơm rạ 105
Hình 3.52. Ảnh hƣởng của mức sử dụng enzyme đến hiệu suất đƣờng hóa cellulose
rơm rạ 106
Hình 3.53. Ảnh hƣởng đồng thời của mức sử dụng enzyme−nồng độ bột xút tẩy trắng 108
Hình 3.54. Ảnh hƣởng đồng thời của mức sử dụng enzyme − thời gian thủy phân 108
Hình 3.55. Ảnh hƣởng đồng thời của nồng độ bột xút tẩy trắng − thời gian thủy phân 108
x

Hình 3.56. Tối ƣu hóa quá trình thủy phân bột xút tẩy trắng từ rơm rạ bằng enzyme 109
Hình 3.57. Ảnh hƣởng đồng thời của mức dùng enzyme và nồng độ bột xút 111
Hình 3.58. Ảnh hƣởng đồng thời của mức dùng enzyme và thời gian thủy phân 111
Hình 3.59. Ảnh hƣởng đồng thời của thời gian thủy phân và nồng độ bột xút 112
Hình 3.60. Tối ƣu hóa quá trình thủy phân bột xút rơm rạ bằng enzyme 112
Hình 3.61. Ảnh hƣởng đồng thời của mức dùng enzyme và nồng độ bột sunfat 114
Hình 3.62. Ảnh hƣởng đồng thời của thời gian và mức dùng enzyme 115

khắp thế giới [52]. Hơn nữa, nhiều dạng sinh khối lignocellulose có giá rẻ hơn và trong
nhiều trƣờng hợp việc tận dụng nguồn sinh khối lignocellulose là phế thải, phế phụ phẩm
nông, lâm nghiệp hay rác thải sinh hoạt còn góp phần bảo vệ môi trƣờng và phát triển bền
vững. Chính vì vậy, những năm gần đây nghiên cứu công nghệ sản xuất etanol từ sinh khối
lignocellulose đã thu hút sự chú ý, đầu tƣ lớn của nhiều quốc gia trên thế giới, kể cả ở Việt
Nam [17,160].
Công nghệ sản xuất etanol từ sinh khối lignocellulose (gỗ và phế phụ phẩm nông
nghiệp) theo phƣơng pháp thủy phân bằng axit, đã đƣợc áp dụng ở quy mô công nghiệp tại
nhiều nƣớc trên thế giới (chủ yếu tại các nƣớc thuộc Liên Xô cũ, Mỹ và Đức) [117, 70].
Tuy nhiên, đối với công nghệ sản xuất etanol (bioetanol) theo phƣơng pháp thủy phân bằng
enzyme, mặc dù nhƣng năm gần đây có rất nhiều nghiên cứu, với số lƣợng công bố tƣơng
đối lớn trong một thời gian ngắn, tuy nhiên công nghệ khả thi ở quy mô công nghiệp vẫn
còn gặp rất nhiều những khó khăn. Lý do chủ yếu nằm ở sự khác biệt về quá trình chuyển
hóa sinh khối lignocellulose thành etanol [73]. Khác với đƣờng và tinh bột, quá trình
chuyển hóa sinh học của cellulose và hemicellulose, chứa trong thành phần của sinh khối
lignocellulose, phức tạp hơn nhiều, bởi sinh khối lignocellulose là một tổ hợp bao gồm 3
thành phần chủ yếu là cellulose, hemicellulose và lignin, liên kết chặt chẽ với nhau trong
vách tế bào thực vật [99]. Cấu trúc đặc thù của sinh khối lignocellulose nhƣ vậy, không
những hạn chế sự tiếp cận của enzyme đối với phản ứng thủy phân hemicellulose và
cellulose thành các monosaccarit, mà còn cản trở quá trình chuyển hóa nói chung. Vì vậy,
ở trạng thái bình thƣờng, quá trình thủy phân sinh khối lignicellulose bằng enzyme hoặc là
không thực hiện đƣợc, hoặc là diễn ra rất chậm, không hiệu quả [73].
2

Để thúc đẩy quá trình chuyển hóa sinh học sinh khối lignocellulose thành etanol, có
hai cách tiếp cận vấn đề: hoặc là tách các “tạp chất” khác của sinh khối (nhƣ lignin, các
chất trích ly, các chất vô cơ) ra khỏi phần carbohydrate, hoặc phải biến đổi sinh khối thành
dạng phù hợp cho quá trình thủy phân bằng enzyme [28]. Đến nay, công đoạn này có tên
gọi là “tiền xử lý” (TXL), đƣợc xem là “chìa khóa” của công nghệ chuyển hóa sinh khối
lignocellulose thành etanol [156]. Một số phƣơng pháp biến tính sinh khối lignocellulose

thuộc vào giống lúa, thời vụ, phƣơng pháp thu gom và bảo quản, đặc biệt có hàm lƣợng
các chất vô cơ tƣơng đối cao (có thể chiếm trên 12%), là yếu tố gây khó khăn cho quá trình
chế biến sinh-hóa học. Vì vậy để nâng cao hiệu quả chuyển hóa rơm rạ thành etanol sinh
học, cần có những nghiên cứu sâu và hệ thống. Do đó, tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu
tiền xử lý rơm rạ để nâng cao hiệu quả thủy phân bằng enzyme cho sản xuất etanol
sinh học” để góp phần giải quyết những vấn đề đã nêu ở trên.
3

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu của đề tài
- Góp phần bổ sung cơ sở lý luận trong công nghệ sản xuất etanol sinh học từ nguồn
sinh khối lignocellulose, làm cơ sở xây dựng và áp dụng các quy trình công nghệ sản xuất
etanol sinh học từ rơm rạ ở Việt Nam.
- Xác lập đƣợc các chế độ công nghệ thích hợp TXL rơm rạ bằng axit hữu cơ và
kiềm mạnh, nhằm nâng cao hiệu quả thủy phân bằng enzyme để thu đƣờng có khả năng lên
men thành etanol.
- Xác định và làm sáng tỏ sự biến đổi của các thành phần hóa học cơ bản của rơm rạ
trong quá trình TXL
- Đề xuất quy trình hiệu quả cao sản xuất etanol sinh học từ rơm rạ và khả thi ở quy
mô công nghiệp
Các nội dung nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu đặc điểm cấu tạo và một số tính chất lý − hóa học của rơm rạ một số
giống lúa phổ biến ở Việt Nam;
Nghiên cứu TXL rơm rạ bằng axit axetic có bổ sung axit clohydric và kiềm cho quá
trình đƣờng hóa bằng enzyme;
Nghiên cứu tối ƣu hóa thủy phân cellulose và hemicellulose bằng hỗn hợp enzyme
thƣơng phẩm Cellic
®
CTec2, Cellic
®

nhiên liệu nhƣ sau [40]:
 Khí sinh học (Biogas): Khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH
4
) và một số khí
khác sinh ra từ sự phân huỷ các chất hữu cơ trong môi trƣờng yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt
độ 20-40ºC. Thành phần chính của biogas là CH
4
(50-60%) và CO
2
(>30%) còn lại là các
chất khác nhƣ hơi nƣớc N
2
, O
2
, H
2
S, CO, … do đó khó có thể sử dụng biogas làm nhiên
liệu cho động cơ đốt trong. Để sử dụng biogas làm nhiên liệu thì phải xử lý biogas trƣớc
khi sử dụng để loại bỏ tạp chất và tạo nên hỗn hợp nổ với không khí. Khí H
2
S có thể ăn
mòn các chi tiết trong động cơ, sản phẩm của nó là SOx cũng là một khí rất độc. Hơi nƣớc
có hàm lƣợng nhỏ nhƣng ảnh hƣởng đáng kể đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị
thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu của biogas. Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay
cho sản phẩm khí gas từ dầu mỏ.
 Nhiên liệu lỏng: bao gồm biometanol, bioetanol, biobutanol, biodiesel… Trong số
này, bioetanol là loại nhiên liệu thông dụng nhất hiện nay trên thế giới vì có khả năng sản
xuất ở quy mô công nghiệp từ nguyên liệu chứa đƣờng nhƣ mía, củ cải đƣờng và nguyên
liệu chứa tinh bột nhƣ ngũ cốc, khoai tây, sắn…, và hiện nay xu hƣớng đang chuyển dần
sang sản xuất etanol từ nguyên liệu lignocellulose. Diesel sinh học (biodiesel) là một loại

đƣợc sản xuất từ dầu thực vật không ăn đƣợc, dầu phế thải…
1.1.2.3. Công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ III
NLSH đƣợc chế tạo từ các loài vi tảo trong nƣớc, trên đất ẩm, sinh ra nhiều năng
lƣợng (7-30 lần) hơn NLSH thế hệ I, II trên cùng diện tích trồng. Tuy nhiên, việc nghiên
cứu chế tạo NLSH thế hệ III vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm
và pilot [83].
1.1.3. Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học trong và ngoài
nƣớc
1.1.3.1. Tình hình sản xuất và sử dụng NLSH trên thế giới
Hiện nay có khoảng 50 nƣớc trên thế giới khai thác và sử dụng NLSH ở các mức độ
khác nhau [15]. Nhiên liệu sinh học đƣợc dùng làm nhiên liệu cho ngành giao thông bao
6

gồm: dầu thực vật sạch, etanol, diesel sinh học, dimetyl ether (DME), ethyl tertiary butyl
ether (ETBE) và các sản phẩm từ chúng. Năm 2013, toàn thế giới đã sản xuất 60,5 tỷ lít
etanol nhiên liệu [16], dự kiến năm 2015 là 115 tỷ lít; năm 2005 sản xuất 4 triệu tấn diesel
sinh học (B100), năm 2011 tăng lên khoảng 25 triệu lít (hình 1.2) [57].

Hình 1.2. Sản lƣợng nhiên liệu sinh học trên thế giới
Mỹ sản xuất NLSH chủ yếu từ ngô, hạt cao lƣơng và thân cây cao lƣơng ngọt, và củ
cải đƣờng. Khoảng 17% sản lƣợng ngô sản xuất hàng năm ở Hoa Kỳ dùng để sản xuất
etanol. Hoa Kỳ đặt chỉ tiêu sản xuất cồn sinh học để cung cấp 46% nhiên liệu cho xe hơi
năm 2010, 100% vào năm 2020 [21].
Đức là một nƣớc tiêu thụ xăng sinh học nhiều nhất trong khối EU, trong đó có
khoảng 0,48 triệu lít etanol. Nguyên liệu chính sản xuất etanol là củ cải đƣờng. Pháp là
nƣớc thứ hai tiêu thụ nhiều etanol sinh học trong cộng đồng Châu Âu với khoảng 1,07 triệu
lít etanol và diesel sinh học năm 2006. Công ty Diester sản xuất diesel sinh học và Téréos
sản xuất etanol sinh học là hai công ty lớn của Pháp.
1.1.3.2. Tình hình sản xuất và sử dụng NLSH ở trong nước
Để đảm bảo an ninh năng lƣợng, bảo vệ môi trƣờng và thúc đẩy phát triển kinh tế

khởi động cho ngành NLSH tại Việt Nam. Trong năm 2009, nhiều nhà máy sản xuất etanol
sinh học đã đƣợc xây dựng tại các tỉnh Quảng Nam, Phú Thọ, Quảng Ngãi (Dung Quất),
Bình Phƣớc và Đồng Nai từ sắn (NLSH thế hệ I). Đầu tƣ đƣợc tích luỹ từ các nhà máy nội
địa bao gồm cả Petrovietnam.
Hiện nay, một số dự án về NLSH ở Việt Nam chƣa đạt tiến độ theo yêu cầu, nhƣng
những nghiên cứu về NLSH tiếp tục diễn ra quy mô trên khắp thế giới và thiên về xu
hƣớng nghiên cứu tính khả thi và quy mô ứng dụng chuyển hóa các loại sinh khối thành
nhiên liệu chứng tỏ tƣơng lai đầy tiềm năng của công nghệ này. Rõ ràng, chuyển hóa rơm
rạ nói chung thành etanol sinh học không chỉ giải quyết triệt để hơn vấn đề năng lƣợng,
không ảnh hƣởng đến lƣơng thực mà còn giải quyết nhiều vấn đề môi trƣờng, xã hội. Dự
báo trong tƣơng lai không xa, sản xuất cồn từ rơm rạ và sinh khối nói chung sẽ thực sự
đƣợc triển khai và thƣơng mại hóa trên quy mô rộng [1,13].
1.2. Sản xuất nhiên liệu sinh học từ sinh khối lignocellulose
1.2.1. Khái niệm sinh khối
Sinh khối (biomass) là thuật ngữ dùng để mô tả các vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ
thực vật, cây cối hoa màu và các dạng vật liệu tƣơng tự có khả năng thu thập và lƣu trữ
năng lƣợng mặt trời thông qua quá trình quang hợp. Năng lƣợng sinh khối (bioenergy) là
năng lƣợng thu đƣợc thông qua quá trình chuyển hóa sinh khối thành các dạng năng lƣợng
có ích khác nhƣ: nhiệt năng, điện năng, nhiên liệu lỏng (nhiên liệu sinh học) [110, 25].
Lƣợng sinh khối lignocellulose hằng năm đƣợc tổng hợp khoảng 10
10
đến 10
11
tấn
nhờ quá trình quang hợp, quy đổi ra năng lƣợng thì gấp 6 lần nhu cầu năng lƣợng trên toàn
thế giới, tuy nhiên để có thể chuyển hóa sinh khối thành năng lƣợng là cả một vấn đề lớn,
lâu dài. Vì năng lƣợng sản xuất từ sinh khối có tuy có nhiều ƣu điểm nhƣ: phân bố rộng
rãi, có khả năng tái tạo, có thể dự trữ và chuyển đổi dễ dàng, không gây ô nhiễm môi
trƣờng nhƣng lại có một số nhƣợc điểm nhƣ sử dụng diện tích đất canh tác lớn, yêu cầu chi
8


Hình 1.4. Cấu tạo phân tử cellulose
Công thức (thực nghiệm) chung của cellulose có thể viết dƣới dạng (C
6
H
10
O
5
)n hoặc
[C
6
H
7
O
2
(OH)
3
]n. Bậc trùng hợp n của cellulose trong gỗ vào khoảng 5000 đến 10000, đối
với cây thân thảo thì mức độ trùng hợp thấp hơn. Ở trạng thái tự nhiên cellulose liên kết
với nhau thành chuỗi vi sợi dài, nhiều vi sợi liên kết với nhau tạo thành sợi, nhiều sợi liên
kết với nhau tạo thành bó sợi. Bó sợi cellulose có cấu trúc bao gồm vùng kết tinh xen kẽ
với vùng vô định hình một cách đều đặn. Vùng kết tinh là vùng có trật tự cấu trúc cao cùng
với mạng lƣới liên kết hydro bao xung quanh ngăn cản sự xâm nhập của các tác nhân khác
nhau. Ngoài ra, tƣơng tác giữa các sợi cellulose còn đƣợc giữ bởi lực Van der Waals ở
khoảng cách lớn hơn so với liên kết hydro [26,90]. Sự thay đổi cấu trúc và độ kết tinh của
các loại cellulose dƣớc tác dụng của các tác nhân hóa học khác nhau hay tác nhân nhiệt độ
là khác nhau. Đây cũng là một trong những trở ngại đối với việc kiểm soát tỷ lệ enzyme
thích hợp cho quá trình thủy phân cellulose bằng enzyme.
Ở vùng cellulose tinh thể, enzyme cellulase chỉ có thể đƣợc hấp phụ lên bề mặt xơ
sợi và tách dần chúng ra. Ngƣợc lại, vùng vô định hình có trật tự cấu trúc thấp hơn, khoảng

Xylan chiếm phần lớn khối lƣợng hemicellulose và có cấu trúc đa dạng. Khối lƣợng
phân tử tùy thuộc theo đặc điểm của các loài thực vật và vị trí nó ở các mô tế bào thực vật.
Tất cả các xylan đều có mạch chính do các xylose (C
5
H
10
O
5
)

nối với nhau bởi liên kết β-
1,4-glycoside [49]. Trong quá trình xử lý sinh khối thì giữ lại đƣợc phần lớn xylan trong
sinh khối cho thủy phân sẽ góp phần nâng cao hiệu suất đƣờng cuối của quá trình thủy
phân.
Lignin
Lignin là hợp chất cao phân tử có cấu trúc mạng không gian và không có cấu tạo hóa
học nhất định. Cùng với cellulose, lignin là một trong những hợp chất polyme có nguồn
gốc sinh học phổ biến nhất trong tự nhiên, hàm lƣợng lignin chiếm khoảng 20 ÷30% trong
vách tế bào thực vật [49].
Lignin có cấu tạo rất phức tạp. Các đơn vị cơ sở tạo nên “bộ khung” của lignin là các
đơn vị phenylpropan (hình 1.5) [26]. Các mắt xích này liên kết với nhau tạo thành cấu trúc
không gian 3 chiều. Lignin của các loài thân thảo chứa nhiều đơn vị hydroxyphenylpropan
(III) hơn so với gỗ [31].
Lignin có liên kết hóa trị với hemicellulose, nhƣng không có liên kết trực tiếp với
cellulose [31,44]. Lignin có đặc tính là polyphenol nên có tính kỵ nƣớc và sát khuẩn, là
thành phần gây cản trở quá trình thủy phân bằng enzyme nên cần phải loại bỏ. Tách loại
lignin bằng các tác nhân hóa học khác nhau thƣờng dẫn đến phân hủy một phần
carbohydrate. Chính vì vậy, công nghệ TXL hiệu quả sinh khối là công nghệ tách loại
lignin một cách có chọn lọc mà không làm ảnh hƣởng nhiều đến carbohydrate.


lƣợng nhỏ lignin, hemicellulose.
b. Tiền xử lý bằng phƣơng pháp hóa học
− Các phƣơng pháp TXL sinh khối bằng kiềm
Tác động của một số bazơ lên sinh khối lignocellulose là cơ sở của các phƣơng pháp
TXL bằng kiềm. Đây là phƣơng pháp TXL hiệu quả phụ thuộc vào hàm lƣợng lignin của
sinh khối. Các phƣơng pháp TXL bằng kiềm làm tăng khả năng thủy phân của cellulose và
tách loại lignin tốt hơn, ít hòa tan cellulose và hemicellulose hơn so với các quy trình axit
hay thủy nhiệt [68]. TXL bằng kiềm có thể đƣợc tiến hành ở nhiệt độ phòng, trong thời
gian từ nhiều giây đến nhiều ngày. Đƣợc mô tả là ít phân hủy đƣờng hơn so với TXL bằng
axit, TXL sinh khối bằng kiềm đạt đƣợc hiệu quả cao hơn khi xử lý các phế phẩm nông
nghiệp so với các nguyên liệu gỗ [68]. Tuy nhiên, cần phải cân nhắc đến khả năng mất mát
các loại đƣờng có khả năng lên men và sự tạo thành các hợp chất ức chế để tối ƣu hóa các
điều kiện TXL. Natri, kali, canxi và amoni hydroxit là các tác nhân TXL thƣờng đƣợc sử
dụng. NaOH làm trƣơng nở, gia tăng diện tích bề mặt của cellulose và giảm mức độ trùng
12

hợp và mức độ kết tinh, phá vỡ cấu trúc và hòa tan lignin [137]. NaOH đã đƣợc công bố
làm gia tăng khả năng phân giải của gỗ cứng từ 14% lên 55% bằng cách giảm hàm lƣợng
lignin từ 24-55% xuống còn 20% [66]. Tƣơng tự nhƣ NaOH, TXL bằng Ca(OH)
2
, cũng đã
đƣợc nghiên cứu rộng rãi. TXL bằng vôi loại bỏ các chất vô định hình nhƣ lignin, các
nhóm acetyl từ hemicellulose, tăng cƣờng khả năng phân giải của cellulose [6]. TXL bằng
vôi cũng đƣợc khẳng định hiệu quả đối với thân cây ngô hay gỗ bạch dƣơng ở nhiệt độ từ
85–150°C và trong khoảng 3–13h [28]. TXL bằng Ca(OH)
2
có chi phí thấp và yêu cầu về
an toàn ít hơn so với TXL bằng NaOH hay KOH và có thể thu hồi dễ dàng từ dịch thủy
phân bằng phản ứng với CO
2

Phản ứng của cấu trúc ete tại vị trí C
α
:

O
-
OCH
3
ORC
OH
-
-
RO
-
O
-
CH
OCH
3
C OR''
R'
C OR''
R'
H
H
H
O
-
OCH
3

OCH
3
R'
CH
CH O
-
OCH
3
O
OCH
3
O
-
OCH
3
CH
OCH
3
O
-
C
R'
(a)
HC
CH O
-
OCH
3
O
-

2
O
O
C
H
H
O
-
OCH
3
H
2
O
-
CH
3
O
C
+
H
CH
CH
2
C
CH
2
OH
C
H
H

H
H

δ

δ

δ

δ

O
-
CH
3
OH
CHHO
CH CH
H
2
C OH
CH
2
OH
CHOH
O
-
OCH
3
P, t