LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................1
1.1.

34
Nguyễn Văn Chín (2007), Nghiên cứu tổng quan khả năng sản xuất và
sử dụng ethanol làm nhiên liệu cho động cơ, Đồ án tốt nghiệp, Bộ môn
Công nghệ hóa học dầu và khí, Khoa Hóa, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng.
.................................................................................................................75

1.2.

Vũ Thị Dịu (2009), Nghiên cứu các yếu tố ánh hưởng đến bột
hyđroxyapatit Ca10(PO4)6(OH)2 kích thước nano điều chế từ canxi
hyđroxit Ca(OH)2, Luận văn Thạc sỹ, Hà Nội.......................................75

1.3.

Nguyễn Vũ Minh Hạnh (2010), Bước đầu nghiên cứu enzyme
xylanolytic và cellulolytic từ một chủng vi khuẩn ưa nhiệt, Luận văn
thạc sỹ, Bộ môn Công nghệ sinh học, Đại học Khoa học Tự Nhiên.......75

1.4.

(2011), “Ultrasound- assisted fermentation enhances bioethanol
productivity”, Biochemical Engineering Journal, 54, pp. 141- 150........75

1.10.

B. E. Wood, H. C. Aldrich, and L. O. Ingram, “Ultrasound
Stimulates Ethanol Production during the Simultaneous Saccharification
and Fermentation of Mixed Waste Office Paper”, Biotechnol, 13, pp.
232- 237..................................................................................................75

1.11.

Chengzhou Li, Makoto Yoshimoto, Haruki Ogata, Naoki Tsukuda,
Kimitoshi Fukunaga, Katsumi Nakao(2005), “Effects of ultrasonic
intensity and reactor scale on kinetics of enzymatic saccharification of
various waste papers in continuously irradiated stirred tanks”,
Ultrasonics Sonochemistry, 12, pp. 373- 384.........................................76

1.12.

Dawson and Boopathy (2008), “Cellulosic ethanol, bagasse”,
BioResources, 3(2), pp. 452- 460............................................................76

1.13.

Filson PB, Dawson- Andoh BE (2009), “Sono- chemical preparation
of cellulose nanocrystals from lignocellulose derived materials”,
Bioresour Technol, 100, pp. 2259−2264.................................................76

1.14.

Muhammad Saif Ur Rehman, Ilgook Kim, Yusuf Chisti, Jong- In Han
(2013), “Use of ultrasound in the production of bioethanol from
lignocellulosic biomass”, Energy Science and Research, 30(2), pp. 13911410.........................................................................................................76

1.20.

Niyaz Ahamed Methrath Liyakathali (2014), Ultrasonic pretreatment
of energy cane bagasse for biofuel production, The Department of
Biological and Agricultural Engineering, Sri Ramakrishna Engineering
College (Anna University)......................................................................76

1.21.

Qiang Li, Geng- Sheng Ji, Yu- Bin Tang, Xu- Ding Gu, Juan- Juan
Fei, Hui- Qing Jiang (2012), “Ultrasound- assisted compatible in situ
hydrolysis of sugarcane bagasse in cellulase- aqueous- Nmethylmorpholine- N- oxide system for improved saccharification”,
Bioresource Technology, 107, pp. 251- 257...........................................77

1.22.

Roni Maryana, Dian Ma'rifatun, A. Wheni I., Satriyo K.W., W.
Angga Rizal (2014), “Alkaline Pretreatment on Sugarcane Bagasse for
Bioethanol Production”, Energy Procedia, 47, pp. 250- 254..................77

1.23.

Rajendran Velmurugan, Karuppan Muthukumar (2012), “Sonoassisted enzymatic saccharification of sugarcane bagasse for bioethanol
production”, Biochemical Engineering Journal, 63, pp. 1- 9..................77

1.24.

/>
1.30.

E1%BB
%A5ng- song- sieu- am- trong- qua- trinh- th%E1%BB%A7y- phantinh- %E1%BB%99t...............................................................................77

1.31.

....................................................................77

1.32.

/>
1.33.

/>%87u_sinh_h%E1%BB%8Dc................................................................78

1.34.

hinh- san- xuat- va- tieu- thuethanol- tren- the- gioi/............................................................................78

1.35.

sinh- hoc- e5/trien- vong- xangethanol- tren- the- gioi.html....................................................................78

1.36.

hinh- nghien- cuu- vasan- xuat- nhien- lieu- sinh- hoc- tren- the- gioi- va- viet- nam/1265.....78



Cơ quan bảo vệ môi trường (Environmental Protection
Agency)

EU

Liên minh Châu Âu (European Union)

E85

Xăng sinh học gồm 15% xăng và 85% ethanol tinh khiết

E5

Xăng sinh học gồm 95% xăng và 5% ethanol tinh khiết

FT- IR

Phổ hồng ngoại biến đổi chuỗi Fourier (Fourier Transform
InfraRed)

GC

Sắc ký khí (Gas Chromatography)

HPLC

Sắc ký lỏng hiệu quả cao (High Performance Liquid
Chromatography)

MTBE

XRD

Nhiễu xạ tia X (X- ray diffraction)


DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

Tên bảng

Trang

Thành phần lignocellulose trong rác thải và phụ phế phẩm

18

bảng
1.1

nông nghiệp phổ biến
1.2

Ưu nhược điểm của các phương pháp tiền xử lý

23

2.1

Bước sóng đặc trưng của một số nhóm chức

Kết quả đo nồng độ glucose trong dịch thủy phân trước

57

khi xử lý bã
3.5

Mức, khoảng biến thiên của các yếu tố

57

3.6

Thành phần bã mía sau quá trình tiền xử lý

58

3.7

Kết quả quá trình tiền xử lý bã mía theo từng thí nghiệm

60

3.8

Hệ số b của phương trình hồi qui

61

3.9


Kết quả đo ethanol sau quá trình lên men

71


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Số hiệu

Tên hình vẽ

hình vẽ

Trang

1.1

Cấu trúc của lignocellulose

17

1.2

Công thức hóa học của cellulose

19

1.3



Tác động của sóng siêu âm: Quá trình hình thành, phát

35

triển và vỡ tung của bọt khí trong môi trường lỏng
1.9

Giao diện của phần mềm Design Expert 7.0

39

2.1

Nấm men S. Cerevisiae nhìn dưới kính hiển vi

40

2.2

Quy trình nghiên cứu sản xuất bioethanol từ bã mía

49

2.3

Bã mía trước khi xử lý

50



3.1

Thành phần (% khối lượng) của bã mía trước khi xử lý

54

3.2

Đường chuẩn glucose

56

3.3

Kết quả tính hệ số b theo phần mềm Design Expert v7.0

61

3.4

Kết quả tối ưu bằng phần mềm Design Expert v7.0

63


3.5

SEM của: (a) Mẫu chưa xử lý; (b) Mẫu đã xử lý: 3%


3.10

XRD của: (a) Mẫu chưa xử lý; (b) Mẫu đã xử lý: 3%

67

NaOH, 300C và siêu âm trong 25phút
3.11

Đường chuẩn glucose

68

3.12

Đường chuẩn ethanol

70

3.13

(a) Lên men dịch thủy phân có siêu âm; (b) Lên men

71

dịch thủy phân không có siêu âm; (c) Nước vôi trong bị
đục bởi CO2


1

16.07
Thuỷ điện
223
255
296
308
1,75
Thuỷ điện nhỏ
9,5
16
62
91
0,51
Gió
4,7
35
395
580
3,28
Pin mặt trời
0.2
1
110
445
2,51
Nhiệt mặt trời
4,1
11
127
274

Nhiên liệu sinh học (ethanol sinh học và diesel sinh học) là các nguồn
năng lượng được sản xuất từ sinh khối. Nhìn chung, nhiên liệu sinh học có
nhiều ưu điểm: giảm khí thải nhà kính, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa
thạch, tăng sự an toàn về năng lượng quốc gia, góp phần phát triển nông thôn


2

và là một nguồn năng lượng bền vững trong tương lai. Ngược lại, loại nhiên
liệu này cũng có một số hạn chế: nguồn nguyên liệu phải được tái tạo nhanh,
công nghệ sản xuất phải được thiết kế và tiến hành sao cho cung cấp lượng
nhiên liệu lớn nhất với giá thấp nhất và mang lại lợi ích về môi trường nhất.
Ethanol sinh học hay còn gọi là bioethanol có thể sản xuất từ bất kỳ chất
hữu cơ có nguồn gốc sinh học chứa hàm lượng đường nhất định và các vật
chất có thể chuyển đổi sang dạng đường như tinh bột hoặc cellulose. Mía
đường, củ cải đường, lúa miến ngọt... là những ví dụ về sản phẩm chứa
đường. Lúa mì, lúa mạch và ngô…là các sản phẩm chứa tinh bột. Một phần
đáng kể các cây lấy gỗ và cây thân thảo có thành phần chủ yếu là cellulose có
thể được chuyển đổi sang đường. Tất cả các loại cây này/vật liệu này đều có
thể sử dụng cho sản xuất ethanol.
Gần đây, nhiều cố gắng nghiên cứu của các cá nhân và các tổ chức đang
tập trung vào việc sản xuất ethanol từ rơm rạ, cỏ,… Tuy nhiên, theo nhận
định của nhiều chuyên gia, bên cạnh các nguyên liệu phổ biến kể trên thì bã
mía là lựa chọn mới cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học, phù hợp với nền
nông nghiệp Việt Nam, nhất là lượng bã mía hiện thải bỏ khá lớn. Đơn cử là
nhà máy Đường Bourbon (Tây Ninh) với công suất chế biến 8000 tấn
mía/ngày, nhà máy thải ra lượng bã mía khoảng 2800 tấn/ngày. Công ty
Đường Biên Hòa (Đồng Nai) có 3 nhà máy, trong đó 2 nhà máy sử dụng mía
làm nguyên liệu với tổng công suất 5000 tấn mía/ngày [32]. Do đó, việc sử
dụng bã mía để sản xuất bioethanol sẽ góp phần giảm bớt áp lực cho các loại

Với những lý do trên, tôi đã chọn đề tài luận văn cao học:
“Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhằm nâng cao hiệu quả của quá
trình sản xuất bioethanol từ bã mía”
2. Mục tiêu nghiên cứu


4

Nghiên cứu sử dụng sóng siêu âm để tăng cường hiệu quả của quá trình
tiền xử lý, thuỷ phân và lên men nhằm nâng cao năng suất của quá trình sản
xuất bioethanol từ bã mía của nhà máy đường.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
- Bã mía của nhà máy đường
- Qui trình và các thông số công nghệ của quá trình sản xuất bioethanol từ
bã mía của nhà máy đường
- Kỹ thuật siêu âm
3.2. Phạm vi nghiên cứu
- Các điều kiện tiền xử lý, thủy phân và lên men
- Xử lý số liệu thống kê, quy hoạch thực nghiệm với hàm mục tiêu là tối
đa hiệu suất loại bỏ lignin ở quá trình tiền xử lý
4. Phương pháp nghiên cứu
- Áp dụng các phương pháp phân tích hoá học trong việc xác định hàm
lượng cellulose và lignin trong thành phần của bã mía
- Áp dụng các phương pháp vật lý và hóa lý như:
+ Phương pháp chụp ảnh bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để xác
định sự thay đổi cấu trúc của bã mía trước và sau quá trình tiền xử lý
+ Phương pháp phổ hồng ngoại chuỗi Fourier (FT- IR) để đánh giá đến
sự thay đổi thành phần các nhóm chức trong nguyên liệu bã mía
+ Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định độ kết tinh của

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1.

TỔNG QUAN VỀ BIOETHANOL
1.1.1. Nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học theo định nghĩa rộng là những nhiên liệu rắn, lỏng

hay khí được chuyển hóa từ sinh khối. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này chỉ đề
cập chính đến nhiên liệu sinh học dạng lỏng.
Nhìn chung, nhiên liệu sinh học có nhiều ưu điểm: giảm khí thải nhà
kính, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, tăng sự an toàn về năng lượng
quốc gia, góp phần phát triển nông thôn và là một nguồn năng lượng bền
vững trong tương lai. Ngược lại, loại nhiên liệu này cũng có một số hạn chế:
nguồn nguyên liệu phải được tái tạo nhanh, công nghệ sản xuất phải được
thiết kế và tiến hành sao cho cung cấp lượng nhiên liệu lớn nhất với giá thấp
nhất và mang lại lợi ích về môi trường nhất.
Nhiên liệu sinh học và những dạng nhiên liệu tái tạo khác nhằm hướng
đến một chu trình tuần hoàn khí CO2. Điều đó có nghĩa là CO2 được thải ra
trong quá trình đốt cháy nhiên liệu để cung cấp năng lượng vận chuyển hay
sinh điện năng được tái hấp thụ và cân bằng với lượng CO 2 hấp thụ bởi cây
cối. Những cây này sau đó lại được thu hoạch để tiếp tục sản xuất nhiên liệu.
Nhiên liệu sinh học có thể được phân loại thành các nhóm chính như sau [33]:
- Diesel sinh học (Biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương
tự và có thể sử dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống. Biodiesel được
điều chế bằng cách ester hóa một số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ
động vật…) thông qua phản ứng của nó với các loại rượu, phổ biến nhất là
methanol.


7

8

Các nhà lập pháp Mỹ xem việc sản xuất ethanol từ bắp là một phương tiện để
ổn định thu nhập của nông nghiệp [6].
b. Lợi ích và hạn chế khi sử dụng ethanol nhiên liệu
- Lợi ích
Phát triển ethanol nhiên liệu giúp các quốc gia chủ động, không bị lệ
thuộc vào vấn đề nhập khẩu nhiên liệu, đặc biệt đối với những quốc gia không
có nguồn dầu mỏ và than đá. Đồng thời, kiềm chế sự gia tăng giá xăng dầu,
ổn định tình hình năng lượng cho Thế giới. Do được sản xuất từ nguồn
nguyên liệu tái tạo, ethanol thật sự là một lựa chọn ưu tiên cho các quốc gia
trong vấn đề an ninh năng lượng.
Việc sản xuất ethanol tương đối đơn giản hơn so với các dạng nhiên liệu
mới khác như: hydro, pin nhiên liệu, … Nhìn chung, công nghệ sản xuất
ethanol không phức tạp, có thể sản xuất ở quy mô nhỏ đến quy mô lớn. Ngoài
ra, ethanol có trị số octane cao và có thể dùng để nâng trị số octane của xăng.
Trong thực tế, ở mức hàm lượng thấp (

10

Tóm lại, việc sử dụng ethanol nhiên liệu có nhiều ưu điểm nhưng cũng
có những mặt hạn chế. Tuy nhiên khi phân tích tương quan giữa các mặt lợi
và hại người ta vẫn thấy mặt lợi lớn hơn, mang ý nghĩa chiến lược hơn.
1.1.3. Tình hình sản xuất và sử dụng ethanol
a.Trên Thế giới
- Tình hình sản xuất [34]
Khoảng 47% ethanol nhiên liệu trên thế giới được sản xuất từ mía đường,
53% là từ cây có chứa tinh bột (bắp, sắn lát và lúa mì). Sản lượng ethanol sản
xuất năm 2006 khoảng 50 tỷ lít. Nhu cầu ethanol nhiên liệu trên toàn thế giới
vào năm 2015 sẽ cao gấp hơn 2 lần sản lượng năm 2006 (100 tỷ lít).
Các quốc gia sản xuất ethanol lớn như Brazil, Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ và
Pháp chiếm 84% sản lượng ethanol nhiên liệu của toàn thế giới trong năm
2005.
Brazil
Là nước đi đầu trên thế giới trong việc sản xuất ethanol nhiên liệu từ mật rỉ
trong năm 2004 và đến cuối năm 2007, Braxin đã sản xuất được 20,5 tỷ lít,
chiếm 34% sản lượng ethanol toàn thế giới. Nhóm các nước nhập khẩu
ethanol nhiên liệu từ Braxin là Mỹ, Ấn Độ, Hàn Quốc, Nhật Bản, Thụy Điển
và Hà Lan.
Mỹ
Năm 2006, Mỹ đã vượt qua Brazil trở thành quốc gia lớn nhất thế giới về
sản xuất ethanol nhiên liệu, chiếm 37% sản lượng toàn thế giới. Theo chương
trình phát triển năng lượng quốc gia, Mỹ sản xuất 25,7 tỷ lít bioethanol vào
năm 2010. Nguồn nhiên liệu chính để sản xuất bioethanol nhiên liệu tại Mỹ là
ngô.
EU



12

tiến để có thể sử dụng được cả ethanol tinh khiết đang được nghiên cứu và
phát triển.
Tại thời điểm này có khoảng 40 quốc gia sử dụng các loại xăng sinh học
làm nhiên liệu cho động cơ. Từ năm 2007, xăng E85 đã được chính thức sử
dụng tại Áo, Pháp và Đức từ năm 2008. Mỹ có khoảng 250 triệu phương tiện
sử dụng xăng và trong số chừng 170 ngàn trạm bán xăng thì có hơn 2000 trạm
bán xăng E85. Mỹ cũng là nước tiêu thụ ethanol lớn nhất với khoảng 60%
tổng sản lượng của thế giới.
Tại Nam Mỹ, 4 quốc gia sản xuất ethanol nhiên liệu là Brazil, Colombia,
Paraguay và Argentina, trong đó chỉ có Brazil là xuất khẩu, 3 nước còn lại
đều chỉ sản xuất để tiêu thụ trong nước.
Tại Châu Âu, những nước có sản lượng ethanol lớn nhất là Pháp, Đức và
Tây Ban Nha. Tổng mức tiêu thụ nhiên liệu ethanol trong EU ước đạt 3500
ngàn tấn và nhịp độ tăng trưởng hàng năm là 23%. Ngoài số tự sản xuất được,
nguồn nhập khẩu chính ethanol là từ Brazil.
b. Ở Việt Nam [36]
Ngày 20/11/2007, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt “Đề án phát triển
nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025”. Đề án bao gồm hoạt động
của các cơ quan chính phủ và doanh nghiệp nhằm xây dựng lộ trình sử dụng
nhiên liệu sinh học của Việt Nam, khung pháp lý, các chính sách khuyến
khích, xây dựng mô hình thử nghiệm sản xuất và phân phối nhiên liệu sinh
học cũng như các dự án đầu tư của Chính phủ để phát triển đến năm 2025.
Việt Nam sẽ đẩy mạnh phát triển bioethanol và mục tiêu dự kiến đến
năm 2025 sẽ sản xuất và đưa vào sử dụng xăng E5 (95% xăng khoáng và 5%
ethanol). Việc đẩy mạnh phát triển bioethanol là giải pháp thay thế một phần
nhiên liệu hóa thạch truyền thống hiện nay, góp phần đảm bảo an ninh năng
lượng và bảo vệ môi trường.

khai sản xuất lớn và thương mại hóa.


14

1.2.

QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT BIOETHANOL
1.2.1. Sản xuất ethanol từ tinh bột
a. Nguyên liệu
Tinh bột là glucide dự trữ phổ biến nhất trong thực vật. Nó là chất keo

háo nước điển hình, cấu tạo từ amyloza mạch thẳng và amylopectin. Ngoài ra
trong tinh bột còn chứa một lượng nhỏ các chất khác như muối khoáng, chất
béo, protit… Hàm lượng chung của chúng khoảng 0,2 đến 0,7%. Dưới tác
dụng của của acide hoặc amylaza tinh bột sẽ bị thủy phân. Khi đun với acide,
tinh bột sẽ biến thành glucose, còn dưới tác dụng của amylaza thóc mầm thì
dịch thủy phân gồm 70 đến 80% mantoza và 30 đến 20% dextrin. Nếu dùng
amylaza của một số nấm mốc hay nấm men thì dịch thủy phân chứa tới 80
đến 90% là glucose.
b. Quá trình sản xuất
Nguyên liệu được đưa đi xử lý bởi các công đoạn như làm sạch sơ bộ để
tách các tạp chất, nghiền mịn thành bột, hòa trộn với nước tạo thành dung
dịch. Tiếp theo là quá trình nấu có thể sử dụng hơi trực tiếp hoặc gián tiếp.
Dịch sau khi nấu được đưa qua công đoạn đường hóa với sự có mặt của
enzyme nhằm mục đích chuyển hóa tinh bột thành đường lên men. Sau khi
đường hóa, dịch này được đưa vào thùng lên men chuyển hóa thành rượu.
Dịch ra khỏi thùng lên men gọi là giấm chín. Giấm chín sẽ được chuyển
đến khu vực chưng cất bao gồm tháp chưng cất thô và tháp chưng cất tinh. Ở
tháp chưng cất thô, ethanol được tách ra khỏi giấm chín, nâng nồng độ lên