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
CHƯƠNG 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
CHƯƠNG 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

4


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 1.7. Bột ngô (CSL) .........................................................................................25

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

6


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).
Vì vậy, cần phải có một nguồn bổ sung từ bên ngoài.

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


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.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Nguyên liệu lignocellulose
Lignocellulose là vật liệu biomass phổ biến nhất trên trái đất. Lignocellulose
có trong phế phẩm nông nghiệp, trong sản phẩm phụ công của công nghiệp sản xuất
giấy… Do đó lignocellulose là một nguồn nguyên liệu to lớn cho việc sản xuất
bioethanol. Rơm rạ là một dạng vật liệu lignocellulose.
Thành phần chính của vật liệu lignocellulose là cellulose, hemicellulose,
lignin, các chất trích ly và tro. Trong lignocellulose, cellulose tạo thành khung chính
và được bao bọc bởi những chất có chức năng tạo mạng lưới như hemicellulose và
kết dính như lignin. Cellulose, hemicellulose và lignin sắp xếp gần nhau tạo thành
liên kết cộng hóa trị với nhau. Các đường nằm ở mạch nhánh như arabinose,
galactose, và acid 4-O- methylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin [4]

Hình 1.1. Cấu trúc của lignocellulose


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

Lignin

Tro

Hàm lượng (%)
lượng

43.05

23.82

18

15.3

0

độ tối ưu từ 40-50 C. Hoạt tính cellulase bị phá hủy hoàn toàn ở 80 C 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


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
vật và vi sinh vật. Trong thực tế người ta thường thu nhận enzyme cellulase từ vi
sinh vật. Các chủng vi sinh vật thường sử dụng như: nấm mốc Aspergillus niger, xạ
khuẩn Actinomyces griseus, vi khuẩn Bacillus subtilis, Bacillus pumilis…
Dựa vào đặc điểm của cơ chất và cơ chế phân cắt, enzyme cellulase được
chia thành ba loại: 1,4-

-D-glucan cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91) ; 1,4-

glucan 4-glucanohydrolase (EC 3.2.1.4) ;

-D-

-D-glucoside glucohydrolase (EC

3.2.1.21) .
Từ những nghiên cứu riêng lẽ đối với từng loại enzyme đến nghiên cứu tác
động tổng hợp của cả ba loại enzyme cellulase, nhiều nhà khoa học đều đưa ra kết
luận chung là các loại enzyme cellulase sẽ thay phiên nhau phân hủy cellulose để
tạo thành sản phẩm cuối cùng là glucose. Theo Erikson và cộng tác viên (1980), cơ

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

Độ ẩm

Protein

Carbonhydrate

Acid
nucleic

Lipid

Chất
khoáng

trúc
Phần

2-5%

trăm

42-46%

30-37%



1.0

0.04

2.1

Phần trăm
khối lượng
khô (%)

Hình 1.4. Nấm men Sacchromyces cerevisiae dưới dạng bột khô.
1.3.1. Hình thái và cấu tạo nấm men
Nấm men có nhiều hình dạng khác nhau: hình cầu, hình trứng hoặc hình
ovan. Nấm men có thể thay đổi hình dáng và kích thước trong các giai đoạn phát
triển và điều kiện môi trường xung quanh. Hình thái của chúng không thay đổi chỉ ở
các giống nuôi cấy khi còn trẻ trong các môi trường dinh dưỡng tiêu chuẩn.
Kích thước tế bào nấm men cũng rất khác nhau, điều đó phụ thuộc vào các
chủng nấm men và điều kiện nuôi cấy, thường là (2,5 - 4,5µm) x (10,5 - 20µm), thể
tích tế bào chiếm khoảng từ 50 - 5000µm.


Nấm men là sinh vật đơn bào hiển vi, tế bào cơ bản giống như ở thực vật,
động vật. So sánh cấu tạo tế bào nấm men với vi khuẩn ta thấy có sự tiến hóa nhẩy
vọt từ nhân sơ đến nhân chuẩn.
Thành tế bào nấm men dày khoảng 25nm (chiếm 25% khối lượng khô của tế
bào). Đa số nấm men có thành tế bào cấu tạo bởi glucan và mannan. Một số tế bào
nấm men chứa kitin và mannan. Trong thành tế bào nấm men còn chứa 10% protein
(tính theo khối lượng khô), trong số protein này có một phần là các enzyme. Trên
thành tế bào còn thấy có một lượng nhỏ lipid[14].

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.
Nấm men có thể tự tổng hợp các acid amin. Tuy nhiên nếu cho các acid amin
vào môi trường thì quá trình sinh sản và phát triển của tế bào sẽ nhanh hơn. Dễ
đồng hóa hơn cả là ion amon NH

4+

và amoniac NH3 với lượng sử dụng lớn nhất là

9

20 - 35 mg nitơ/10 tế bào. Nguồn nitơ được coi là tốt nhất và được đồng hóa hoàn
toàn là ure.
Trong môi trường dinh dưỡng cần phải có một lượng nhất định các chất
khoáng để đảm bảo cho tế bào phát triển như phospho, kali, natri, magie, kẽm....
Đa số các chủng nấm men đang ở giai đoạn nhân giống cần đến các vitamin
như isositol, canxi pantothenat, thiamin và đặc biệt là biotin. Nồng độ của vitamin
có thể ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển là 0,01 - 1,10 mg/l


1.4. Quá trình sản xuất ethanol từ rơm rạ
1.4.1. Quy trình chung

Rơm

Tiền xử lý

phân môi trường kiềm, oxy hóa khử lignin..
Phương pháp sinh học.
Phương pháp xung điện trường.
Cấu trúc tinh thể của cellulose: cellulose tự nhiên hình thành cấu trúc tinh
thể chống lại được sự tấn công của enzyme. Trong một bài báo của mình, Fan et al
ước tính rằng tỉ lệ cellulose tinh thể là 50-90%. Tuy nhiên, không có sự liên quan
giữa mức độ tinh thể của cellulose và khả năng phân hủy enzyme đối với rơm rạ.
[12]
Sự bao bọc của lignin quanh cellulose: lignin cùng với hemicellulose tạo
thành cấu trúc mô vững chắc cực kì. Những mô được bền hóa với lignin tương tự


như nhựa được gia cố bằng sợi, trong đó lignin đóng vai trò kết dính những sợi
cellulose. Trong thiên nhiên, lignin bảo vệ cellulose khỏi những tác động của môi
trường và khí hậu. Lignin là yếu tố ngăn cản sự tấn công của enzyme đến cellulose
được công nhận nhiều nhất. Nhà nghiên cứu cho rằng khả năng thủy phân của
enzyme tăng khi 40-50% lignin bị tách. Tuy nhiên, phải thừa nhận rằng, không có
nghiên cứu nào tiến hành loại bỏ lignin mà không kèm theo sự phân hủy
hemicellulose. Ngay cả trong phương pháp tiền xử lý nguyên liệu bằng kiềm ở nhiệt
độ thấp, loại bỏ được 70% lignin thì cũng có 5% hemicellulose bị hòa tan.
Các phương pháp xử lý cơ học:
Các phương pháp thuộc nhóm này không sử dụng hóa chất trong quá trình xử
lý. Gồm các phương pháp như: nghiền nát, rọi bằng những bức xạ năng lượng cao,
xử lý thủy nhiệt và nổ hơi. Trong đó phương pháp nổ hơi là phương pháp quan
trọng nhất, đã được phát triển, áp dụng trên quy mô pilot và được sử dụng trong đề
tài nghiên cứu này.
Các phương pháp tiền xử lý hóa học:
Sử dụng tác động của hóa chất trong quá trình xử lý. Gồm có các quá trình
chính:
Với acid: gồm các phương pháp xử lý với acid loãng, bơm hơi nước có acid