Luận văn Thạc sĩ khoa học

MỞ ĐẦU
Trong tiến trình phát triển, các quốc gia luôn đặt vấn đề an toàn năng
lượng lên hàng đầu. Đứng trước nguy cơ nguồn năng lượng hóa thạch có hạn
trên trái đất đang dần đi đến cạn kiệt, những nguồn năng lượng mới đã và đang
dần được giới khoa học và con người quan tâm hơn. Chúng được đánh giá sẽ là
những nguồn năng lượng quan trọng trong tương lai. Một trong những nguồn
năng lượng mới ấy nổi lên là nhiên liệu sinh học.
Nhiên liệu sinh học là nhiên liệu có nguồn gốc từ sinh vật, thân thiện với
môi trường ít gây hiệu ứng nhà kính, đặc biệt, nhiên liệu này có khả năng tái sinh
và gần như vô tận [33, 36]. Nhiên liệu sinh học có nhiều loại, trong đó chú ý đến
ethanol bởi tính ưu việt của nó, có thể thay thế cho xăng, dầu hoặc pha lẫn với
xăng để chạy các động cơ.
Ethanol là nhiên liệu được sản xuất bằng phương pháp lên men và chưng
cất các loại ngũ cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn như ngô,
lúa mạch, lúa mì, củ cải đường, củ sắn... Ethanol còn được sản xuất từ các loại
cây cỏ có chứa cellulose. Đây là nguồn nguyên liệu tái tạo được và có khả năng
phân hủy sinh học, nên việc sử dụng ethanol làm nhiên liệu sẽ giảm bớt sự lệ
thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt [16]. Sử dụng ethanol
làm nhiên liệu mang lại nhiều giá trị như ethanol có trị số octan cao (RON=109)
nên khi pha vào xăng truyền thống sẽ làm tăng trị số octan của hỗn hợp nhiên
liệu. Từ đó, giúp tăng khả năng chống kích nổ, tăng tỉ số nén của động cơ, nâng
cao hiệu suất cháy… và kết quả là giúp tiết kiệm nhiên liệu; đồng thời, công suất
và moment xoắn tốt hơn làm động cơ vận hành êm hơn và tăng tuổi thọ động cơ.
Cao học K17

Page 1

Bùi Thị Hoàng Yến



Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

cho nhà máy nhiệt điện, hoặc bã thải cũng có thể được sử dụng làm phân bón.
Ngoài phần thân dùng để điều chế nhiên liệu sinh học, hạt lúa miến ngọt có thể
dùng để nấu cháo hoặc nghiền thành bột làm bánh hoặc món ăn nhanh. Lá dùng
làm thức ăn cho gia súc trong khi phần rễ thì làm chất đốt [6, 41] .
Ở Việt Nam, cây cao lương ngọt cũng được trồng ở nhiều nơi, đặc biệt là
ở các tỉnh miền núi phía Bắc. Nhà nước đã quan tâm và xúc tiến việc nghiên cứu
cây cao lương ngọt để xây dựng vùng nguyên liệu cho sản xuất ethanol nhiên
liệu. Nhiều công trình khoa học gần đây cũng đang đẩy mạnh việc nghiên cứu
cây cao lương ngọt để đưa vào sản xuất ethanol sinh học, đáp ứng nhu cầu nhiên
liệu ngày càng tăng hiện nay.
Từ những lợi ích trên của cây cao lương ngọt, chúng tôi xin đề xuất thực
hiện đề tài : “Nghiên cứu sản xuất ethanol nhiên liệu từ thân và hạt của cây
cao lương ngọt Sorghum bicolor”.

Cao học K17

Page 3

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Chương 1.


Cao học K17

Page 4

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

ứng với các loại rượu phổ biến nhất là methanol. Diesel sinh học có thể sử dụng
thay thế cho diesel.
 Cồn sinh học (Bio-ethanol): là cồn (ethanol) được chế biến thông
qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, cellulose,
lignocellulose. Việc sản xuất ethanol sinh học từ các nguồn tinh bột hoặc các
cây thực phẩm được cho là không bền vững do ảnh hưởng tới an ninh lương
thực. Việc sản xuất cồn sinh học từ sinh khối và sinh khối phế thải nông nghiệp
không ảnh hưởng đến anh ninh lượng thực nên là hướng đi nhiều triển vọng.
 Khí sinh học (Biogas): được tạo ra sau quá trình ủ kên men các vật
liệu hữu cơ. sản phẩm tạo thành ở dạng khí (Metan và đồng đẳng khác) có thể
dùng làm nhiên liệu đốt cháy thay cho gas từ sản phẩm dầu mỏ. Sản xuất khí
sinh học đã được phát triển từ khá lâu và có nhiều mô hình triển khai rộng rãi
[20, 21].
Cách thứ hai dựa vào nguồn gốc của các nguyên liệu dùng để sản xuất
nguyên liệu sinh học có thể chia nguyên liệu sinh học thành ba thế hệ:


Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất từ các loại cây trồng ăn được

như lương thực, thực phẩm, ví dụ: Mía, của cải, ngũ cốc, dầu mỡ động thực vật.

Ethanol nhiên liệu còn gọi là xăng sinh học hay xăng sạch, là một nguồn
năng lượng tái tạo do nó được sản xuất từ sinh khối và các sản phẩm của nông
nghiệp. Nó được sản xuất bằng phương pháp lên men và chưng cất các loại ngũ
cốc chứa tinh bột có thể chuyển hóa thành đường đơn như ngô, lúa mạch, lúa mì,
củ cải đường, củ sắn... Ethanol còn được sản xuất từ cellulose. Với các nguyên
liệu trên nhờ quá trình phân giải của vi sinh vật có thể sản xuất ethanol, sau đó
tách nước, bổ sung các chất phụ gia thành ethanol biến tính gọi là ethanol nhiên
liệu biến tính hay cồn nhiên liệu. Ethanol tinh khiết có thể dùng thay thế nhiên
liệu hóa thạch để chạy động cơ hoặc pha với xăng theo tỷ lệ nhất định cùng các
phụ gia [9, 31].
Do có nguồn gốc từ cây trồng nên ethanol mang lại rất nhiều lợi ích: an
toàn năng lượng, giá nhiên liệu thấp, giảm khí thải nhà kính, sử dụng nhiên liệu
có sẵn tại địa phương nên không bị phụ thuộc nhiên liệu nhập khẩu, tái sinh nền
nông nghiệp, tạo thêm nhiều việc làm cho nông dân và bảo vệ lớp đất bề mặt.
Mặt khác, khí phát thải từ ethanol sinh học ít độc hơn xăng, do đó về lâu dài có
lợi cho sức khỏe con người và hệ sinh thái [34, 38, 41].

1.3.

Cây cao lương ngọt
Cao học K17

Page 6

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Cây cao lương (sorghum bicolor) thuộc Chi Lúa miến (Sorghum), Họ Hòa

bao gồm các đường chính như: glucose, sucrose, fructose. Ngoài ra, dịch thân
còn có một số loại đường khác như: xylose, ribose, arabinose, sorbose, galactose,
mannose, polyglucose…[22].
1.4.2. Cơ sở hoá sinh của sự lên men ethanol
Quá trình lên men ethanol nhờ nấm men là cơ sở của việc chế tạo ra
các loại rượu, bia, cồn và glycerin. Quá trình này còn được ứng dụng trong
việc làm nở bột mỳ và chế tạo một số nước giải khát.
Trong quá trình này nấm men dưới điều kiện kị khí chuyển hoá glucose
thành ethanol trước hết bằng con đường Embden- Meyerhof. Phản ứng thật sự
bao gồm sự tạo thành 2 mol ethanol, 2 mol CO 2 và 2 mol ATP trên mỗi mol
glucose được lên men. Do vậy mỗi gam glucose về lý thuyết sẽ tạo ra 0,51g
rượu. Tuy nhiên sản lượng đạt được trong lên men thực tế thường không vượt
quá 90-95% con số lý thuyết. Sở dĩ như vậy là vì một phần chất dinh dưỡng đã
được sử dụng để tổng hợp sinh khối mới và cho các phản ứng liên quan tới sự
duy trì tế bào. Cũng còn có các phản ứng phụ xảy ra (thường dẫn tới sự hình
thành glycerol và succinat) tiêu thụ tới 4-5% cơ chất tổng số. Nếu loại trừ được
các phản ứng này thì sản lượng ethanol có thể tăng thêm 2,7% [8].

Cao học K17

Page 8

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Hình 2. Sơ đồ tổng quát quá trình lên men ethanol từ glucose
1.4.3. Quá trình lên men rượu
1.4.3.1. Quá trình lên men

chất của nguyên liệu lên men hiệu suất thu hồi đạt khoảng 90-95% con số
lý thuyết với nồng độ ethanol cuối cùng là 10-16% (w/v). Công nghệ lên
men tĩnh được dùng nhiều trong quá khứ vì có thể vận hành dễ dàng, đòi
hỏi thấp về khử trùng triệt để, không cần có công nhân tay nghề cao, không
có nguy cơ tổn thất về tài chính và nguyên liệu dễ xử lý. Tuy nhiên những
nhược điểm vốn có của hệ thống này như hiệu suất lên men thấp do thời
gian quay vòng cao và độ dài của pha lag kéo dài dẫn đến những yêu cầu
phải có những cải tiến.
+ Lên men liên tục: Lên men liên tục loại bỏ được sự hao tốn thời
gian trong lên men tĩnh. Tuy nhiên phương thức này vẫn gặp các nhược
điểm như nhiễm tạp và khó giữ được tốc độ lên men cao do tế bào nấm men
bị chết nhiều bởi thiếu oxy. Để khắc phục người ta thêm một số chất như
Tween 80, ecgosterol hay axit linolenic vào môi trường lên men hoặc cho
nấm men sinh trưởng hiếu khí trước giai đoạn lên men kị khí [7, 9].

Cao học K17

Page 10

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

1.4.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lên men
•

Nồng độ oxy

Nấm men sinh trưởng cả ở điều kiện hiếu khí và kị khí. Trong điều


Luận văn Thạc sĩ khoa học

•

pH môi trường

Sinh trưởng của nấm men phụ thuộc nhiều vào pH môi trường. pH
thích hợp cho nấm men phát triển nằm trong khoảng 4 - 6. Tuy nhiên nhiều
chủng nấm men vẫn phát triển tốt ở khoảng pH 3- 3,5. Vì vậy trong quá
trình lên men người ta có thể cho pH giảm xuống dưới 4 nhằm hạn chế sự
phát triển của các vi sinh vật không mong muốn (vi sinh vật tạp nhiễm) có
thể gây ảnh hưởng đến quá trình lên men và gây hỏng sản phẩm lên men.
•

Nồng độ cồn

Nấm men rất mẫn cảm với sự ức chế bởi ethanol. Nồng độ 1-2%(w/v)
đã đủ để làm chậm sinh trưởng của vi sinh vật và ở nồng độ cồn 10% (w/v)
tốc độ sinh trưởng của nấm men gần như ngừng hẳn. Bản chất của quá trình
này là rất phức tạp. Việc thêm cồn vào pha log làm giảm nhanh tốc độ sinh
trưởng của nấm men (có lẽ do tác động lên sự tổng hợp protein), giảm khả
năng sống sót của tế bào (qua sự biến tính không thuận ngịch của một số
enzyme), và ở một mức độ thấp hơn nhiều ethanol làm giảm tốc độ tổng
hợp của bản thân nó. Các dẫn liệu về mức độ chịu cồn của một số chủng
nấm men phụ thuộc nhiều vào thành phần axit béo trong màng tế bào chất
cho thấy rằng thành phần axit béo kích thích hoặc kìm hãm sự tiết ethanol
ra khỏi bào tương. Kết quả cũng chứng minh rằng ethanol tạo ra trong quá
trình lên men ức chế sự sinh trưởng của tế bào nấm men nhiều hơn là
ethanol được đưa từ ngoài vào một cách nhân tạo.

Nấm men là nhóm vi sinh vật nhân thật điển hình. Tế bào nấm men
thường lớn gấp 10 lần so với tế bào vi khuẩn, có cấu tạo khá hoàn chỉnh.
+ Thành tế bào

Cao học K17

Page 13

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Thành tế bào nấm men dày khoảng 25nm (chiếm khoảng 25% trọng
lượng khô của tế bào). Đa số nấm men có thành tế bào được cấu tạo bởi
glucan và mannan. Một số nấm men có thành tế bào chứa kitin và mannan.
Trong thành tế bào còn chứa khoảng 10% protein (tính theo trọng lượng
khô), trong số protein này có một phần là các enzyme, ngoài ra còn có một
lượng nhỏ lipid. Thành tế bào nấm men có tính thấm chọn lọc, đảm bảo cho
quá trình vận chuyển chất dinh dưỡng từ môi trường vào trong tế bào và
thải các sản phẩm trao đổi chất từ trong tế bào ra ngoài môi trường. Đồng
thời nó còn là cơ quan bảo vệ duy trì hình dáng kích thước... của tế bào
nấm men.
+ Màng tế bào
Lớp dưới thành tế bào là lớp màng tế bào chất. Lấy tế bào trần của
nấm men rồi đưa vào trong dịch có áp suất thẩm thấu, li tâm để lấy ra màng
tế bào chất, rửa và li tâm lại để thuần khiết màng, quan sát dưới kính hiển
vi điện tử ta sẽ thấy cấu trúc của màng bao gồm 3 tầng kết cấu khác nhau [2].
Cấu tạo chủ yếu của màng là protein (chiếm 50 %khối lượng khô),
phần còn lại là lipid (40%) và một ít polysaccharide.

- Nảy chồi: là phương pháp sinh sản chủ yếu ở nấm men. Ở điều kiện
thuận lợi nấm men sinh sôi rất nhanh. Khi một chồi xuất hiện các enzyme
thuỷ phân sẽ làm phân giải một phần polysaccharide của thành tế bào làm
cho chồi chui ra khỏi tế bào mẹ.
- Phân cắt: Là hình thức sinh sản thấy ở chi nấm men
Schizosaccharomyces. Lối phân cắt tương tự như ở vi khuẩn. Tế bào dài ra, ở
giữa mọc ra vách ngăn chia tế bào thành 2 phần tương đương nhau, mỗi tế bào
con sẽ có một nhân.

Cao học K17

Page 15

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

- Bằng bào tử: Hình thành ra các bào tử như bào tử bắn, bào tử màng
dày, bào tử túi.
+ Sinh sản hữu tính: là hình thức sinh sản có sự kết hợp giữa 2 tế bào
để hình thành ra túi bào tử trong đó chứa các nhân đơn [5, 7, 8, 14].
1.4.5. Các thông số dùng để tuyển chọn các chủng nấm men
1.4.5.1. Tiêu chí chung
Chất lượng của chủng nấm men đóng vài trò quan trọng trong quá
trình lên men rượu, vì vậy việc chọn lựa và sử dụng các chủng nấm men
mang ý nghĩa quyết định cho ngành sản xuất này.
Các chủng nấm men được lựa chọn dựa vào các tiêu chí sau:
- Có thể lên men được ở hàm lượng đường và hàm lượng axit cao
- Có hiệu suất lên men cao

sinh trưởng trung bình là 0,5 - 0,6 (lần nhân đôi/giờ) ở 30 0 C.
Năng suất
Năng suất tế bào hoặc năng suất cồn được thể hiện bằng gam tế bào
hay gam rượu được tạo thành trong 1lit/ giờ. Đối với chủng nấm men lên
men rượu, năng suất rượu thu được từ ngũ cốc giao động trong khoảng từ
2,5 đến 4,5 g/l/h.
Sản lượng
Sản lượng là lượng sản phẩm được tạo thành trên một đơn vị cơ chất
bị vi sinh vật tiêu thụ. Ở nấm men cứ 1gam đường 6C sẽ tạo ra sản lượng là
0,511g rượu, chênh lệch so với con số lý thuyết của các hexosan (0,586g/g)
khoảng 2,3%, được thể hiện trong các phương trình sau:
+ Từ hexosan tới hexose:
Cao học K17

Page 17

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

n C6 H10 O5 + n H 2 O
n 162
(1g)

n C 6 H12 O6

n18

n180

10% (w/v) vì ở trên nồng độ này protein sẽ bị biến tính. Ngoài ra nhiệt độ
cao cũng làm giảm tính chịu cồn của vi sinh vật. Ở nhiệt độ trên 35 0 C các
chủng sản xuất thường mất khả năng sống sót ở nồng độ cồn 10%.
Cao học K17

Page 18

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

pH
Hầu hết vi khuẩn đều sinh trưởng được trong phạm vi pH từ 6,5 đến 7,5
(trong khoảng pH trung tính), trong khi đó nấm men và nấm mốc lại chịu được
pH từ 3,5 tới 5. Vì vậy tuyển chọn các chủng nấm men có khả năng lên men ở
pH dưới 4 là một phương pháp có hiệu quả nhằm giảm tối đa hiện tượng tạp
nhiễm các vi sinh vật không mong muốn [8].
1.5. Sản xuất ethanol từ bã cây cao lương ngọt
1.5.1. Đặc điểm cấu tạo của bã cây cao lương ngọt
Thân cây cao lương ngọt gồm hai phần: phần ruột bao gồm chủ yếu là
đường sucrose và phần vỏ ngoài là các sợi lignocellulose. Sau khi ép hết dịch
đường thì thu được bã [40]. Bã cao lương ngọt chứa 55% glucan (cellulose),
20% xylan và một lượng nhỏ arabinan (2%), hàm lượng lignin chiếm 17% trọng
lượng khô còn các thành phần khác chiếm 1,5% [17].
Lignin
Lignin (lignen) là một hợp chất cao phân tử có cấu trúc vô định hình và là
một phần không thể thiếu trong cấu trúc thành tế bào bậc hai của thực vật. Nó là
một polymer của các polyphenol có cai trò tương tự như xi măng gắn chặt các
thành phần của thành tế bào làm cho nó rắn chắc [2]. Cấu trúc của lignin được


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Cellulose là một polymer mạch thẳng gồm các anhydroglucose trong mối
liên kết β-1,4-glucoside. Phân tử anhydroglucose trong cellulose có dạng ghế
bành, phân tử sau quay 180o so với phân tử trước. Mức độ trùng hợp của
cellulose tự nhiên có thể đạt 10.000-14.000 đơn vị glucose trên phân tử, khối
lượng tương ứng là 1,5 triệu dalton với chiều dài phân tử có thể lớn hơn hoặc
bằng 5µm [18, 39].
Các chuỗi cellulose này có đường kính khoảng 3,0 nm, thường có các
nhóm OH tự do, vì vậy các chuỗi cellulose gần nhau thường kết hợp với nhau
tạo thành các vi sợi có đường kính khoảng 10-40 nm, những vi sợi hợp lại với
nhau thành bó gọi là micelle, giữa các sợi trong bó micelle có những khoảng
trống lớn. Khi thực vật còn non những khoảng trống ấy chứa đầy nước, còn ở tế
bào già lignin và hemicellulose chiếm đầy các khoang này [1].

Hình 5. Cấu trúc của cellulose
Cellulose không mùi, không vị, ưa nước nhưng không tan trong nước và
hầu hết các dung môi hữu cơ khác nhưng hoàn toàn thấm nước và các chất hòa
tan, do đó nước và chất hòa tan dễ dàng thấm vào hoặc đi ra khỏi tế bào. Trong
bó sợi cellulose có mạng lưới liên kết hydro dày đặc gây cản trở enzyme tiếp cận
các liên kết glucoside và làm cho các sợi khó tách rời nhau ngay cả sau khi nhiều
Cao học K17

Page 21

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

lượng arabinose bị giảm trong quá trình thực vật phát triển, khi đó đường chính
được giải phóng là glucose và xylose. Thành tế bào kiểu II có chứa
hydroxycinnamic, ferulic và p-coumaric acid. Chúng tạo thành mạng lưới liên
kết với glucurono-arabinoxylan và lignin tạo nên cấu trúc bậc 1 và bậc 2 [23].
Thành tế bào có cấu trúc bậc 1 bao gồm các chuỗi celllulose, hemicellulose và
một vài thành phần khác đan xen vào nhau, còn ở cấu trúc bậc 2 thành chỉ gồm
lignin (là một phức hệ polymer kị nước), có tác dụng làm cho thực vật cứng
chắc, chống lại vật kí sinh và vật truyền bệnh.

Hình7 . Cấu trúc thành tế bào thực vật
Phức hệ cấu trúc phức tạp của thành tế bào thực vật có thể ảnh hưởng đến
khả năng phân giải của enzyme cellulase (enzyme dùng để phân giải cellulose
thành đường). Chang và Holtzapple (2000) nhận ra rằng lignin chính là một nhân
tố quan trọng ảnh hưởng đến sự phân hủy của enzyme. Draude et al. (2001) đã
chỉ ra rằng loại bỏ 67% lignin ra khỏi bột gỗ mềm sẽ làm tăng 88% lượng
glucose được tạo thành và tốc độ thủy phân cellulose cũng tăng gấp đôi [26].

Cao học K17

Page 23

Bùi Thị Hoàng Yến


Luận văn Thạc sĩ khoa học

Lignin giống như một cái khiên bao xung quanh cellulose, hemicellulose
để bảo vệ chúng khỏi bị enzyme tấn công. Để chuyển hóa bã cao lương ngọt
thành ethanol thì cellulose phải được thủy phân bởi cellulase. Chính vì thế, bằng
việc loại bỏ lignin sẽ làm cho cellulose nhạy cảm với cellulase và cho phép nấm

Amylose là một chuỗi polymer không phân nhánh, dài gần 300 – 1.000
gốc glucose, chỉ có liên kết α – 1,4 glucoside, có khối lượng phân tử từ vài nghìn
đến hơn một triệu Da.

Hình 8. Cấu trúc chuỗi amylose
Chuỗi amylose xoắn theo kiểu lò xo, một vòng xoắn có 6 gốc glucose, mỗi
gốc tạo thành góc 600 so với gốc phía trước. Cấu trúc xoắn được làm bền nhờ
liên kết hidro giữa các nhóm – OH tự do của các gốc glucose. Bên trong vòng
xoắn có thể kết hợp với các nguyên tử khác, ví dụ như iôt, tạo thành màu xanh
đặc trưng. Amylose thường được phân bố ở phần bên trong của hạt tinh bột .
Dung dịch amylose có độ nhớt thấp hơn amylopectin.
Amylopectin có cấu trúc phân nhánh, ngoài liên kết α – 1,4 glucoside còn
có cả liên kết α – 1,6 glucoside ở điểm phân nhánh. Phân tử bao gồm một nhánh
trung tâm, từ nhánh này, cứ cách 24 – 30 gốc lại có một điểm phân nhánh qua
liên kết α – 1,6 glucoside. Phân tử amylopectin có khối lượng phân tử cao hơn
amylose, có thể lên đến một triệu gốc glucose.

Cao học K17

Page 25

Bùi Thị Hoàng Yến