ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------

BÙI THỊ HOÀNG YẾN

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT ETHANOL NHIÊN LIỆU TỪ
THÂN VÀ HẠT CỦA CÂY CAO LƢƠNG NGỌT
SORGHUM BICOLOR

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2015


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

nó được lên men để chuyển hóa thành ethanol thô. Ethanol này sau đó được
chưng cất và dehydrat hóa giống như sản xuất ethanol từ hạt. Tại Mỹ bã ép
thường được sử dụng để làm chất đốt để sản xuất điện năng do đó nó được bán


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”.


Chƣơng 1.
1.1.

TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học là một dạng năng lượng tái tạo, được sản xuất từ

nguyên liệu sinh học – sinh khối, tức là từ thực vật, động vật và các sản phẩm
phụ của chúng. Như vậy, nhiên liệu sinh học có thể được sản xuất từ các sản

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.


Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai chủ yếu từ các phụ phẩm hoặc

phế thải trong sản xuất, sinh hoạt có nguồn gốc hữu cơ, ví dụ: Phế thải nông lâm
nghiệp (rơm rạ, trấu, bã mía, thân ngô, mùn cưa, gỗ vụn…), chăn nuôi (phân súc
vật, bùn cống rãnh…) và sinh hoạt (dầu, mỡ thải) .


Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba từ tảo (nước ngọt và nước biển), cây


1.3.

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

thảo (Poaceae). Cao lương ngọt là cây trồng C4, điểm bù CO2 thấp, quang hô
hấp rất thấp, sự thoát hơi nước thấp và năng suất sinh học cao.

Hình 1. Cây cao lƣơng ngọt Sorghum biolor (L.) Moench
Đây là một loại cây lương thực, cao từ 2 – 5 mét, tốc độ sinh trưởng
nhanh, phát triển tốt nhất ở vùng nhiệt đới hoặc cận nhiệt đới, đất trồng thích hợp
có pH từ 5-8,5. Cao lương ngọt là loại cây dễ trồng, thích ứng rộng, có khả năng
chịu hạn tốt, lượng nước cần cung cấp cho sự phát triển của chúng trong 2 vụ chỉ
bằng ¼ lượng nước trồng mía/vụ. Chi phí trồng cao lương ngọt rẻ hơn 3 lần so
với trồng mía. Thời gian sinh trưởng của cao lương ngọt ngắn (từ 100-115 ngày),
năng suất khoảng 95-125 tấn/ha [33, 37].
Cây cao lương được trồng ở nhiều nơi trên thế giới như Mỹ, Ấn Độ,
Nigeria, Trung Quốc, Mexico, Sudan và Argentina. Bên cạnh là một cây lương
thực, do thân có hàm lượng đường cao nên cây cao lương còn được sử dụng làm
nguyên liệu cho ngành sản xuất nhiên liệu sinh học để sản xuất ethanol sinh học
thay thế cho các nguyên liệu truyền thống [19, 27, 36].


1.4.

Quá trình lên men rƣợu từ dịch ép thân cao lƣơng nhờ nấm men

1.4.1. Đặc điểm dịch ép thân cây cao lƣơng ngọt
Dịch trong thân cây cao lương ngọt chứa hàm lượng đường lên men cao,
bao gồm các đường chính như: glucose, sucrose, fructose. Ngoài ra, dịch thân

Bọt khí tan, tế bào nấm men lại chìm xuống tiếp xúc với dịch đường để hấp
thụ và tiếp tục lên men.
Trong quá trình lên men, có khoảng 95% đường biến thành rượu và
khí cacbonic, còn lại sẽ chuyển hoá tạo ra các sản phẩm khác và đường sót
(bao gồm các nhóm chính như axit, este, aldehyt và các alcol có số cacbon


lớn hơn. Lên men rượu còn tạo ra các axit hữu cơ bao gồm axit acetic,
lactic, citric, pyruvic và succinic... trong đó lượng axit lactic và acetic
chiếm tỷ lệ nhiều hơn [15].
Có 2 phương pháp lên men chính bao gồm lên men tĩnh và lên men liên tục.
+ Lên men tĩnh: Các đặc trưng của phương thức này bao gồm thời
gian đòi hỏi cho việc sử dụng hoàn toàn cơ chất là 36-48 giờ, nhiệt độ được
giữ ở 20-300C và pH ban đầu được điều chỉnh tới 4,5. Tuỳ thuộc vào bản
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 nh ược
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].






pH môi trƣờng

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.
Bên cạnh các nhân tố trên còn rất nhiều các yếu tố khác cũng làm ảnh
hưởng đến quá trình lên men như nồng độ dịch đường, các chủng nấm men

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.
Phần sterol trong màng tế bào chất nấm men khi được chiếu tia tử
ngoại có thể chuyển hoá thành vitamin D2. Lượng sterol trong tế bào của
loài nấm men saccharomyces fermentati có thể chiếm tới 22% khối lượng
khô của tế bào.
+ Nhân
Nhân của tế bào nấm men được bao bọc bởi một màng nhân như ở
các vi sinh vật có nhân thật khác. Màng nhân của nấm men có cấu trúc 2
lớp và có nhiều lỗ thủng, đây là nơi diễn ra các quá trình trao đổi giữa nhân
và tế bào chất.


Nhân của tế bào nấm men được cấu tạo bởi các protein với đầy đủ các
yếu tố di truyền như DNA, RNA, các enzyme... với số lượng khác nhau tuỳ
thuộc vào từng loài. Nhân của tế bào nấm men saccharomyces cerevisiae có
chứa 17 đôi nhiễm sắc thể. DNA trong tế bào nấm men đơn bội có khối
lượng phân tử là 1x10 10Da, so với khối lượng phân tử của DNA vi khuẩn
E.coli thì lớn hơn 10 lần nhưng so với DNA của người thì nhỏ hơn 100 lần.
Ngoài ra tế bào nấm men cũng chứa đầy đủ các thành phần bào quan

Về yếu tố nhiệt độ, các chủng nấm men được tuyển chọn thường là
các chủng ưa ấm (mesophile), sinh trưởng và hoạt động tốt nhất trong
khoảng 30 0 - 37 0C vì những nguyên nhân sau đây:
- Nhiệt độ lên men cao làm tăng tốc độ sinh trưởng và năng suất khi
nấm men phát triển được ở nhiệt độ cao.
- Chi phí đầu tư giảm do tăng năng suất trên một đơn vị thể tích nồi
lên men và hạ được chi phí làm lạnh thiết bị.
- Chi phí vận hành thấp do cần ít năng lượng để giữ nhiệt độ lên men
mong muốn và để thu hồi rượu.
- Ít rủi ro nhiễm trùng hơn vì ít vi sinh vật có thể tồn tại ở nhiệt độ cao.


- Quá trình thuỷ phân tinh bột bằng enzyme thường diễn ra ở nhiệt độ
550C, có thể chuyển tiếp ngay sang lên men, nhờ đó giảm bớt chi phí.
Tốc độ sinh trƣởng
Tốc độ sinh trưởng của các vi sinh vật phụ thuộc vào nhiều yếu tố,
như các chất dinh dưỡng, các chất kìm hãm và điều kiện môi trường. Trong
môi trường dinh dưỡng chứa glucose, chủng nấm men phải đạt được tốc độ
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 lƣợng
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:

đổi lớn về áp suất thẩm thấu bên ngoài màng tế bào. Nếu không, tế bào có
thể bị phá huỷ nghiêm trọng hoặc thậm chí bị giết chết. Trong các dung
dịch nhược trương tế bào có thể bị vỡ tung, còn trong các dung dịch ưu
trương tế bào bị mất nước và co lại. Vì vậy việc tuyển chọn các chủng nấm
men có tính chịu thẩm thấu là rất quan trọng nếu không áp suất thẩm thấu
có thể trở thành một trong những nguyên nhân hạn chế nồng độ cơ chất (tức
nồng độ đường) tối đa.
Tính chịu cồn
Đa số các vi sinh vật không thể sinh trưởng ở nồng độ cồn vượt quá
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 0C các
chủng sản xuất thường mất khả năng sống sót ở nồng độ cồn 10%.
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 lƣơng ngọt

1.5.1. Đặc điểm cấu tạo của bã cây cao lƣơng 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].

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
liên kết glucoside đã bị cắt đứt [2]. So với tinh bột, cellulose khó tan hơn nhiều.
Để chuyển từ trạng thái tinh thể sang vô định hình, tinh bột cần đun nóng đến
khoảng 60-70oC trong nước, còn cellulose cần nhiệt độ đến 320oC và áp suất
25mPa. Về mặt hóa học, cellulose có thể bị phân hủy thành glucose khi xử lý với
axit ở nhiệt độ cao.


Hình 6. Cấu trúc vi sợi cellulose trong thành tế bào thực vật
1.5.2. Những khó khăn trong việc đƣờng hóa bã cây cao lƣơng
Đường hóa bã cây cao lương là bước đầu trong quy trình sản xuất ethanol
sinh học từ bã cây cao lương. Có nhiều trở ngại khi sản xuất ethanol từ bã thải
nông nghiệp. Những hạn chế đó là do những liên kết dày đặc giữa lignin và phần
polysaccharide của thành tế bào thực vật, cùng với phần cellulose kết tinh[12].
Thành tế bào của bã cao lương ngọt là một phức cấu trúc bao gồm các sợi
cellulose bị bao quanh bởi hemicellulose, pectin, protein thành tế bào và các hợp
chất phenolic. Carpita và Gibeaut (1993) đã đưa ra 2 kiểu thành tế bào: kiểu I
đặc trưng cho thực vật hai lá mầm, thành tế bào có chứa nhiều pectin, protein và

Để tăng hiệu quả thủy phân của cellulase, người ta phải tiến hành tiền xử
lý bã cây cao lương ngọt. Có rất nhiều phương pháp xử lý bã như xử lý bằng hơi
nước, bằng acid, base…mỗi phương pháp đều có thế mạnh riêng và thích hợp
với từng loại bã thực vật nhất định [12].
1.6.

Sản suất ethanol từ hạt cây cao lƣơng ngọt

1.6.1. Cấu tạo tinh bột
Tinh bột là một polysaccharide dự trữ thực vật phổ biến nhất, là chất dinh
dưỡng chủ yếu nhất của con người, có công thức hóa học (C 6H10O5)n). Tinh bột
chủ yếu được tích trữ trong các loại hạt, đặc biệt là các hạt hòa thảo và các loại
củ. Trong tế bào, tinh bột tồn tại ở dạng các hạt có kích thước bé.
Đại phân tử này chứa hỗn hợp gồm amylose và amylopectin, tỷ lệ phần
trăm amilose và amilopectin thay đổi tùy thuộc vào từng loại tinh bột, tỷ lệ này
thường từ 20:80 đến 30:70. Tỷ lệ 2 nhóm chất này trong tinh bột quyết định các
tính chất lý – hoá, chất lượng của chúng (độ dẻo, độ nở ...). Cả hai cấu tử này
đều được cấu tạo từ α – D – glucose, các gốc glucose trong chuỗi kết hợp với
nhau qua liên kết α – 1,4 glucoside. Amylopectin có cấu trúc phân nhánh, ở điểm
phân nhánh là liên kết 1,6 glucoside.
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.