BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TẬN DỤNG BÃ CHƯNG CẤT HỐN HỢP LÊN MEN
RƠM RẠ THÀNH BIOETHANOL LÀM NGUỒN
DINH DƯỠNG THAY THẾ BỘT NGÔ
CHUYÊN DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH
SẢN XUẤT BIOETHANOL THEO CÔNG NGHỆ
THỦY PHÂN VÀ LÊN MEN ĐỒNG THỜI

Ngành:

CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Giảng viên hướng dẫn : T.S NGUYỄN ĐÌNH QUÂN
Sinh viên thực hiện
MSSV: 1051110165

: THÁI THỊ THÙY TRANG
Lớp: 10DSH02

TP. Hồ Chí Minh, 2014


Đồ án tốt nghiệp

LỜI CAM ĐOAN

tập và là nguồn động lực rất lớn để em phấn đấu.
Vì thời gian có hạn, kinh nghiệm lẫn kiến thức chuyên môn còn thiếu và do
điều kiện khách quan nên trong quá trình làm luận văn còn nhiều thiếu sót. Vì vậy
em kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của Thầy cô cùng các bạn để em có
thế khắc phục những sai sót nhằm hoàn thiện hơn bài luận văn tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn và gởi lời chúc thành công đến tất cả mọi người.

Thái Thị Thùy Trang


Đồ án tốt nghiệp

MỤC LỤC
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................1
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................2
Đặt vấn đề ................................................................................................................2
Lý do chọn đề tài và nhiệm vụ của luận văn ...........................................................3
Lý do chọn đề tài: .................................................................................................3
Nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn ......................................................................4
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU..................................................................5
1.1. Nguyên liệu lignocellulose ...............................................................................5
1.2. Enzyme cellulase ..............................................................................................7
1.3. Nấm men Saccharomyces cerevisiae ................................................................9
1.3.1. Hình thái và cấu tạo nấm men ..................................................................10
1.3.2. Sinh trưởng của nấm men.........................................................................11
1.4. Quá trình sản xuất ethanol từ rơm rạ ..............................................................13
1.4.1. Quy trình chung ........................................................................................13
1.4.2. Quy trình thực hiện..................................................................................13
1.4.2.1. Tiền xử lý: ..........................................................................................13
1.4.2.2. Thủy phân: ........................................................................................16

2.2.4. Thủy phân và lên men đồng thời. .............................................................39
2.2.5.1. Nhân giống nấm men Saccharomyces cerevisiae ..............................40
2.2.5.1.1. Nhân giống men sử dụng bã SSF làm nguồn dinh dưỡng: .........40
2.2.5.1.2. Sử dụng dịch nước SSF làm môi trường và nguồn dinh dưỡng cho
quá trình nhân giống men: ..........................................................................42
2.2.5.1.3. Nhân giống men sử dụng CSL làm nguồn dinh dưỡng: ..............42
2.2.5.2. Thủy phân và lên men đồng thời. .......................................................42
2.2.5.2.1. Sử dụng bã SSF làm nguồn dinh dưỡng bổ sung cho quá trình
SSF:..............................................................................................................45
2.2.5.2.2. Sử dụng dịch nước SSF làm môi trường và nguồn dinh dưỡng cho
quá trình SFF: .............................................................................................46
2.2.5.2.3. Sử dụng CSL làm nguồn dinh dưỡng bổ sung cho quá trình SSF:
.....................................................................................................................46
2.2.5.2.4. Quá trình SSF không sử dụng dinh dưỡng bổ sung: ...................46
2.2.5.3. Quá trình SSF ở quy mô mini-pilot:...................................................47

ii


Đồ án tốt nghiệp

2.2.5.3.1. Sử dụng bã SSF làm nguồn dinh dưỡng bổ sung cho quá trình
SSF:..............................................................................................................47
2.2.5.3.2. Sử dụng dịch nước SSF làm môi trường và nguồn dinh dưỡng cho
quá trình SSF: ..............................................................................................48
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ............................................................50
3.1. Kết quả phân tích thành phần của rơm. ..........................................................50
3.1.1. Thành phần rơm khô trước nổ hơi............................................................50
3.1.2. Thành phần rơm rạ sau nổ hơi. .................................................................51
3.1.3. Thành phần rơm rạ sau tiền xử lý. ............................................................52

Bảng 4.1 : Hóa chất sử dụng trong quá trình thực hiện thí nghiệm. ........................32
Bảng 2.2 Kết quả thí nghiệm trong bã SSF ..............................................................39
Bảng 2.3. Kết quả thí nghiệm trong CSL .................................................................39
Bảng 2.4. Tỉ lê thành phần cơ chất cho 1 lần lên men. .............................................44
Bảng 2.5. Thành phần cho quá trình SSF .................................................................45
Bảng 2.6. Thành phần cho quá trình SSF .................................................................46
Bảng 2.7. Thành phần cho quá trình SSF .................................................................46
Bảng 2.8. Thành phần cho quá trình SSF .................................................................46
Bảng 2.9. thành phần cho quá trình SFF ..................................................................47
Bảng 2.10. Khối lượng rơm nhập liệu ......................................................................48
Bảng 2.11. Khối lượng rơm nhập liệu ......................................................................48
Bảng 2.12. Khối lượng rơm nhập liệu ......................................................................49
Bảng 3.1. Thành phần xơ sợi của rơm rạ theo Hồ Tráng Sỹ [26] ............................50
Bảng 3.2. Thành phần xơ sợi có trong các nguồn dinh dưỡng. ................................53
Bảng 3.3. Kết quả phân tích nitơ tổng. .....................................................................54
Bảng 5.4. Kết quả phân tích hàm lượng acid amin. .................................................55

iv


Đồ án tốt nghiệp

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Cấu trúc của lignocellulose ........................................................................5
Hình 1.2. Cấu trúc của tế bào và thành tế bào của thảo mộc. ....................................7
Hình 1.3 . Sơ đồ các bước thủy phân cellulose bởi enzyme cellulase .......................9
Hình 1.4. Nấm men Sacchromyces cerevisiae dưới dạng bột khô. .........................10
Hình 1.5. Cấu trúc rơm rạ sau tiền xử lý. .................................................................14
Hình 1.6. Quy trình sản xuất ethanol từ rơm rạ của hệ thống Pilot ........................23

Hình 2.22. Máy quang phổ kế ..................................................................................41
Hình 2.23. Thiết bị ly tâm. .......................................................................................42
Hình 4.24. Máy đo độ ẩm .........................................................................................43
Hình 2.25. Các erlen chứa rơm trước khi tiệt trùng .................................................44
Hình 2.26. Bình thủy phân và lên men đồng thời ....................................................45
Hình 2.27. Lấy mẫu sau mỗi lần nhập liệu ...............................................................48
Hình 3.1. Thành phần xơ sợi của rơm khô ..............................................................50
Hình 5.2. Thành phần xơ sợi của rơm sau nổ hơi. ...................................................51
Hình 3.3. Thành phần rơm sau tiền xử lý. ................................................................52
Hình 3.4. Sự phát triển của con men trong quá trình nhân giống:(1) 0,1% bã SSF;
(2) 200ml dịch nước SSF; (3) 0,1% CSL. .................................................................56
Hình 3.5. Nồng độ ethanol trong quá trình SSF theo thời gian:(1) 8% rơm+ 0,15%
bã SSF; (2) 8% rơm + dịch nước SSF; (3) 8% rơm + 0,1% CSL; (4) 8% rơm ........57
Hình 3.6. Hiệu suất của quá trình SSF theo thời gian:(1) 8% rơm+ 0,15% bã SSF;
(2) 8% rơm + dịch nước SSF; (3) 8% rơm + 0,1% CSL; (4) 8% rơm ......................58
Hình 3.7. Nồng độ ethanol trong quá trình SSF theo thời gian:(1) 16% rơm+
0,15% bã SSF; (2) 16% rơm + dịch nước SSF. ........................................................59

vi


Đồ án tốt nghiệp

Hình 3.8. Hiệu suất của quá trình SSF theo thời gian:(1) 16% rơm+ 0,15% bã SSF;
(2) 16% rơm + dịch nước SSF ..................................................................................60

vii


Đồ án tốt nghiệp


Đồ án tốt nghiệp

MỞ ĐẦU
Đặt vấn đề
Rơm rạ là một trong những nguồn nguyên liệu dồi dào lignocellulose nhất
trên thế giới. Về tổng sản lượng, lúa là cây trồng quan trọng thứ ba sau lúa mì và
ngô. Theo thống kê của FAO sản xuất lúa gạo trung bình thế giới năm 2007 khoảng
650 triệu tấn. Thu hoạch 1kg hạt lúa thu được tương ứng 1 - 1,5 kg rơm (Maiorella,
1985). Ước tính 650 - 975 triệu tấn rơm rạ được sản xuất mỗi năm trên toàn thế giới
và phần lớn chúng được dùng làm thức ăn cho gia súc và phần còn lại là lãng phí.
Nước ta là một nước nông nghiệp với sản lượng gạo hằng năm trên 35 triệu
tấn. Đồng bằng Sông hồng, khu vực trung du và đồng bằng Sông cửu long là 3 khu
vực sản xuất lúa gạo chính của nước ta. Từ đó có thể thấy sản lượng rơm rạ trên cả
nước hằng năm là rất lớn và tập trung. Việc giá dầu mỏ tăng lên từng ngày cùng với
tình trạng ô nhiễm môi trường đang dần trở thành một thách thức lớn cho việc sử
dụng nhiên liệu trong tương lai. Nguồn rơm rạ dồi dào nhưng những ứng dụng lại
hạn chế. Sự lãng phí nguồn năng lượng cùng với ô nhiễm môi trường do việc sử
dụng rơm rạ không đúng cách như hiện nay đang dần trở thành mối quan tâm của
nhiều nhà khoa học và quản lý.
Ethanol được đánh giá là nguồn cung cấp nhiên liệu tốt cho tương lai vì con
người có khả năng sản xuất với sản lượng lớn, không gây ô nhiễm môi trường và có
thể thay thế được hoàn toàn cho xăng. Ethanol hoàn toàn có thể sản suất được từ
nguồn cellulose thực vật như rơm rạ. Theo đánh giá sơ bộ, lượng rơm rạ hằng năm
trên cả nước nếu được chuyển thành ethanol hoàn toàn có khả năng thay thế toàn bộ
nhu cầu xăng dầu cả nước như hiện nay.
Để quá trình lên men đạt hiệu suất cao, vi sinh vật cần được nuôi cấy và
được cung cấp nguồn dinh dưỡng thích hợp cho việc sinh sản. Tuy nhiên, các
nguyên liệu biomass nguồn gốc lignocelluloses thường không có đủ hàm lượng nitơ
cần thiết cho quá trình tạo protein trong chuỗi sinh sản của vi sinh vật (nấm men).

yeast sẽ là nguồn dinh dưỡng bổ sung cho con men trong các mẽ lên men sau. Việc
tận dụng bã sau lên men này sẽ tận thu được lượng ethanol còn trong bã, hơn nữa sẽ
giảm thiểu được khối lượng và thể tích chất thải ra môi trường.
Tuy nhiên bã thải có hai phần bã rắn và bã lỏng, nên luận văn sẽ nghiên cứu
việc sử dụng bã lỏng để thay thế cho nguồn dinh dưỡng và nước mất, bên cạnh đó
sẽ nghiên cứu việc sữ dụng bã thải rắn làm nguồn dinh dưỡng thay thế CSL trong

3


Đồ án tốt nghiệp

quá trình thủy phân và lên men đồng thời.
Nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn
Nghiên cứu các thành phần dinh dưỡng (Nitơ, protein) trong bã lên men, CSL.
Nghiên cứu thành phần rơm rạ trước và sau quá trình thủy phân và lên men
đồng thời (SSF).
Khảo sát quá trình thủy phân và lên men đồng thời ethanol từ rơm rạ sử dụng
các nguồn dinh dưỡng khác nhau (CSL, bã rắn, bã lỏng).
Nghiên cứu vai trò của bã rắn, bã lỏng (bã lên men) làm nguồn dinh dưỡng
thay thế bột ngô chuyên dụng trong quá trình thủy phân và lên men đồng thời.

4


Đồ án tốt nghiệp

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Nguyên liệu lignocellulose
Lignocellulose là vật liệu biomass phổ biến nhất trên trái đất. Lignocellulose

27.7%

Cellulose

39.7%

Xylan

20.7%

Glucan

37.6%

Lignin

12.7%

Tro

11.7%

Theo báo cáo của phòng thí nghiệm năng lượng sinh học – Đại học Bách
Khoa Tp Hồ Chí Minh, thành phần rơm rạ sau khi nổ hơi ở vùng Củ Chi là:
Bảng 1.2. Tỉ lệ các thành phần trong rơm rạ
Thành phần

cellulose

Hemicellulose



Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.2. Cấu trúc của tế bào và thành tế bào của thảo mộc.
1.2. Enzyme cellulase
Enzyme cellulase có bản chất là protein được cấu tạo từ các đơn vị là axit
amin, các axit amin được nối với nhau bởi lien kết peptid –CO-NH- . Ngoài ra,
trong cấu trúc còn có những phần phụ khác. Cấu trúc hoàn chỉnh của các loại
enzyme nhóm endoglucanase (EG) và exoglucanase (CBH) giống nhau trong hệ
cellulase của nấm sợi, gồm một trung tâm xúc tác và một đuôi tận cùng, phần đuôi
này xuất phát từ trung tâm xác tác và được gắn them vùng glycosil hóa, cuối đuôi là
vùng gắn kết với cellulose (CBD: cellulose binding domain). Vùng này có vai trò
tạo liên kết với cellulose tinh thể. Trong quá trình phân hủy cellulose có sự tương
quan mạnh giữa khả năng xúc tác phân giải cellulose của các enzyme và ái lực của
enzyme này đối với cellulose. [7]
Cellulase hoạt động ở pH từ 3-7, nhưng pH tối thích trong khoảng 4-5. Nhiệt
độ tối ưu từ 40-500 C. Hoạt tính cellulase bị phá hủy hoàn toàn ở 800C trong 10-15
phút.
Enzyme cellulase bị ức chế bởi các sản phẩm phản ứng của nó như glucose,
cellobiose và bị ức chế hoàn toàn bởi Hg. Ngoài ra, cellulase còn bị ức chế bởi các

7


Đồ án tốt nghiệp

ion kim loại khác như Mn, Ag, Zn nhưng ở mức độ nhẹ. Trọng lượng của enzyme
cellulase thay đổi từ 30 -110 KDa (Begunin, 1990; Gilkes và cộng sự, 1991).
Enzyme cellulase được thu nhận từ các nguồn khác nhau như động vật, thực


Hình 1.3 . Sơ đồ các bước thủy phân cellulose bởi enzyme cellulase

1.3. Nấm men Saccharomyces cerevisiae
Saccharomyces cerevisiae thuộc:
- Bộ: Endomycetales.
- Họ: Saccharomycetaceae.

Saccharomyces có khoảng 40 loài và các loài trong giống này được biết nhiều
do chúng được ứng dụng trong làm nổi bánh, bia, rượu....Chúng hiện diện nhiều
trong sản phẩm có đường, đất, trái cây chín, phấn hoa.... Nấm men cấu tạo gồm vỏ
tế bào thành phần là carbohydrat, lipid, protein dầy khoảng 0,5 µm, màng tế bào
chất, tế bào chất và nhân. S. cerevisiae thường có cấu tạo hình elip, đường kính lớn
từ 5-10nm và đường kính nhỏ từ 1-7nm, tế bào gia tăng kích thước theo độ tuổi.
Thể tích tế bào đơn bội là 29 mm3 và tế bào lưỡng bội là 55 mm3. Các tế bào của
nấm men mang cấu trúc và chức năng của eukaryote bậc cao, được sử dụng như là
một mô hình hữu ích đại diện cho các tế bào eukaryote. Các thành phần cấu trúc và
hóa học của tế bào được được minh họa theo bảng 2.3 và bảng 2.4[8]

9


Đồ án tốt nghiệp

Bảng 1.3. Thành phần các chất có trong cấu trúc của nấm men được lạnh đông khô.
Thành
phần
trong cấu

Độ ẩm

Bảng 1.4. Các thành phần hóa học trong nấm men đông khô[9]
Thành phần

Cacbon

Hydro

Oxy

Nito

Phospho

Magie

Kali

48.2

6.5

33.8

6.0

1.0

0.04

2.1

= 1,67 x 10-24 g), so với khối lượng phân tử của DNA vi khuẩn Escherichia coli thì
lớn hơn 10 lần nhưng so với DNA của người thì nhỏ hơn 100 lần [10]
1.3.2. Sinh trưởng của nấm men
Thuật ngữ sinh trưởng đối với vi sinh vật bao hàm 2 ý nghĩa: sinh sản và
phát triển. Nấm men có 2 hình thức sinh sản: hữu tính (bằng bào tử) và vô tính
(bằng nảy chồi hoặc phân cắt tế bào). Tùy theo điều kiện nuôi cấy mà tế bào nấm
men sẽ sinh sản theo cách cách sinh sản vô tính hay hữu tính.[11]
Nảy chồi là phương pháp sinh sản phổ biến nhất ở nấm men. Ở điều kiện
thuận lợi nấm men sinh sôi nảy nở nhanh, quan sát dưới kính hiển vi thấy hầu hết
các tế bào nấm men nào cũng có chồi. Khi chồi xuất hiện các enzyme thủy phân sẽ
phân giải phần polysaccharide của thành tế bào cho chồi chui ra khỏi tế bào mẹ.
Vật chất mới được tổng hợp sẽ được huy động đến chồi và làm chồi phình to dần
lên, khi đó sẽ xuất hiện một vách ngăn giữa chồi và thành tế bào mẹ. Thành phần
của vách ngăn cũng tương tự như thành tế bào. Khi tế bào chồi tách khỏi tế bào mẹ
ở chổ tách ra còn giữ lại một vết sẹo của chồi, trên tế bào con cũng mang một vết
sẹo. Các vết sẹo này có thể nhìn thấy rõ khi xử lý bằng thuốc nhuộm như
calcafluor hoặc primulin rồi quan sát dưới kính hiển vi huỳnh quang. Dưới kính
hiển vi điện tử càng có thể thấy rất rõ hơn.

11


Đồ án tốt nghiệp

Nấm men có khả năng đồng hóa hoàn toàn đường glucose, fructose và
mannose. Ngoài ra tùy thuộc vào giống, nấm men còn có thể đồng hóa hoàn toàn
hoặc một phần đường galactose. Đường disaccharide thì nấm men đồng hóa rất tốt
maltose và saccharose, đồng hóa hoàn toàn hoặc một phần đường lactose, riêng
melibiose chỉ lên men được khi có enzyme melibiase. Các polysaccharide thì cần
được phân hủy hoàn toàn nấm men mới sử dụng được.


1.4.2. Quy trình thực hiện
1.4.2.1. Tiền xử lý:
Để chuyển hóa các carbohydrate (cellulose và hemicellulose) trong
lignocellulose thành ethanol, các polymer phải bị bẻ gãy thành những phân tử
đường nhỏ hơn trước khi vi sinh vật có thể hoàn tất quá trình chuyển hóa. Tuy
nhiên, bản chất của cellulose lại là rất bền vững trước sự tấn công của enzyme, nên
bước tiền xử lý là bắt buộc để quá trình đường hóa glucose có thể diễn ra tốt.
Cellulose ban đầu có thể bị phá hủy bởi acid mà không cần được tiền xử lý.
Tóm lại quá trình tiền xử lý nhằm:
Tăng vùng vô định hình của cellulose.

13


Đồ án tốt nghiệp

Tăng kích thước lỗ xốp trong cấu trúc sợi biomass.
Phá vỡ sự bao bọc của lignin và hemicellulose với cellulose.
Tránh thất thoát cellulose hay tạo ra những sản phẩm phụ trong quá trình
thủy phân và lên men.

Hình 1.5. Cấu trúc rơm rạ sau tiền xử lý.
Các phương pháp tiền xử lý có thể chia thành một số nhóm:
Phương pháp vật lý: cắt, xay, nhiệt phân.
Phương pháp lý hóa: nổ hơi, nổ sợi kết hợp kiềm, nổ khí CO2.
Phương pháp hóa học: xử lý bằng ozone, thủy phân môi trường acid, thủy
phân môi trường kiềm, oxy hóa khử lignin..
Phương pháp sinh học.
Phương pháp xung điện trường.

Với acid: gồm các phương pháp xử lý với acid loãng, bơm hơi nước có acid
và nổ hơi có acid. Trong đó, acid sulfuric đã được nghiên cứu kĩ lưỡng nhất, hiển
nhiên vì nó rẻ và hiệu quả. Tuy nhiên, vấn đề gặp phải trong xử lý axit là thiết bị
phải chịu được ăn mòn cao và lượng thạch cao (CaSO4) sinh ra nhiều từ quá trình
trung hòa acid với CaOH.
Với kiềm: đã có rất nhiều nghiên cứu liên quan, chủ yếu là về xút hoặc xút
cùng các hóa chất khác. Tuy nhiên, nhiều nhà khoa học cho rằng, dựa trên chi phí
hóa chất, thì vôi tôi là hóa chất thích hợp. Detroy et al cho thấy rằng amonia lỏng có
phần hiệu quả trong việc tăng khả năng thủy phân bã rắn, nhưng ethylenediamine có
thể còn hiệu quả hơn. [12]
Ngoài ra còn có những phương pháp như xử lý với dung môi hữu cơ: dùng
dung môi như ethanol, methanol, acetone để hòa tan lignin; xử lý bằng khí SO2,khí

15