BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
****************

NGUYỄN VĂN VINH

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MỘT SỐ LOẠI SINH KHỐI THẢI NÔNG NGHIỆP
VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA KỸ THUẬT TIỂN XỬ LÝ PHÂN TÁCH CELLULOSE
VÀ LIGNIN NHẰM CHUYỂN HÓA THÀNH CỒN SINH HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NÔNG NGHỆP

Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 11/2011



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
****************

NGUYỄN VĂN VINH

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MỘT SỐ LOẠI SINH KHỐI THẢI NÔNG NGHIỆP
VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA KỸ THUẬT TIỂN XỬ LÝ PHÂN TÁCH CELLULOSE
VÀ LIGNIN NHẰM CHUYỂN HÓA THÀNH CỒN SINH HỌC

Chuyên ngành: Trồng trọt
Mã số

: 60.62.01




LÝ LỊCH CÁ NHÂN
Tôi tên là Nguyễn Văn Vinh, sinh ngày 25 tháng 01 năm 1980 tại huyện Phù Cát,
tỉnh Bình Định.
Tốt nghiệp Tú tài tại Trường Trung học phổ thông Chu Văn An, tỉnh Ninh Thuận
năm 1999.
Tốt nghiệp Đại học ngành Nông học, hệ chính quy tại Đại học Nông Lâm Thành
phố Hồ Chí Minh năm 2004.
Sau đó làm việc tại Chi nhánh Viện Ứng dụng Công nghệ tại TP.HCM từ
tháng 6 năm 2004 đến tháng 8 năm 2005, chức vụ là cán bộ nghiên cứu.
Từ tháng 9 năm 2005 đến tháng 7 năm 2006 tôi làm việc tại công ty TNHH Hoàng
Minh tại TP.HCM, chức vụ là nhân viên nghiên cứu.
Từ tháng 9 năm 2006 đến nay, tôi làm việc tại Trung tâm Khuyến Nông Thành phố
Hồ Chí Minh với các chức vụ:
-

Từ tháng 9 năm 2006 đến tháng 9 năm 2010: là cán bộ kỹ thuật trạm Khuyến
Nông Hóc Môn.

-

Từ tháng 10 năm 2010 đến tháng 7 năm 2011: là phó trưởng trạm Khuyến
Nông Bình Chánh – Bình Tân.

-

Từ tháng 8 năm 2011 đến nay: là trưởng trạm Khuyến Nông Bình Chánh –
Bình Tân.
Tháng 9 năm 2009 theo học Cao học ngành Khoa học cây trồng tại Đại học

luận văn ở nước ngoài để tôi hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao.
Chương trình SIDA (Thụy Điển) đã hỗ trợ trong hướng nghiên cứu nhiên liệu
sinh học mà đề tài có liên quan.
TS. Bùi Minh Trí và GS.TS. Hyeun Jong Bae đã tận tình giúp đỡ, dìu dắt,
động viên và hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp.
Các anh chị công tác tại Bộ môn Công nghệ Sinh học Thực vật – Trường
Đại học Nông Lâm TP.HCM và Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng Sinh học –
Trường Đại học Quốc Gia Chonnam Hàn Quốc, chi nhánh Viện Ứng dụng Công
nghệ tại TP.HCM đã tận tình giúp đỡ và dành cho tôi những hỗ trợ cần thiết cũng
như cung cấp nhiều kiến thức vô cùng quý báu khi thực hiện đề tài.
Cùng toàn thể các bạn lớp Cao học Trồng trọt 2009 đã hỗ trợ, giúp đỡ và động
viên tôi trong suốt thời gian học tập cũng như thời gian làm đề tài tốt nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn
TP. Hồ Chí Minh, tháng 11/2011

iv


TÓM TẮT
Đề tài " Đánh giá chất lượng một số loại sinh khối thải nông nghiệp và ảnh
hưởng của kỹ thuật tiền xử lý phân tách cellulose và lignin nhằm chuyển hóa
thành cồn sinh học” được tiến hành tại Bộ môn Công nghệ Sinh học Thực vật –
Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM và Trung Tâm Nghiên Cứu Năng Lượng
Sinh Học – Trường Đại Học Quốc Gia Chonnam Hàn Quốc từ tháng 12/2010 đến
tháng 7 năm 2011. Mục tiêu của đề tài là đánh giá được chất lượng một số nguồn
sinh khối thải của Việt Nam, ảnh hưởng của việc tiền xử lý popping và sự tác động
của enzym cellulase trong quá trình thủy phân để chuyển hóa thành cồn sinh học.
Mười sáu mẫu sinh khối thải nông nghiệp phổ biến của Việt Nam được thu
thập, phân tích, tiền xử lý bằng kỹ thuật popping. Những mẫu được tiền xử lý bằng
kỹ thuật popping sau đó được thủy phân bằng enzym cellulase để lên men tạo cồn.

physically with popping technology. The treated samples then hydrolised using cellulase
enzyme then fermented to produce ethanol. Surface structure of samples before and after
the pretreatment were obtained by scanning electron microscopy. Physiochemical and
biochemical experiments were arranged randomly with 2 replications. The obtained
results were evaluated statistically using SPSS software.
The result indicated that among sixteen biomass samples, a number of the samples
possessed component highly favorable for bioethanol production such as the hard
sugarcane, hybrids corn, short-day rice straw, VA06 grass, elephant grass, long-day rice
straw, local corn, soft sugarcane, grass harvested from acid sulfate soil and cassava pulp.
In contrast, the component from the other samples including coconut fibers, coffee-nut
shells, coconut leaves, peanut shells, rice husks and cassava stems are not favorable for
bioethanol production. Images of surface structures shot in 500μm, 100μm, 50μm and
10μm resolution of lignocellulose materials showed obviouly change of surface
structure after popping pretreatment. Popping pretreatment technique increased the
efficiency of hydrolysis by cellulase enzyme and most effective for elephant grass, rice
straws, hard sugarcane, VA06 grass, hybrids corn, grass on acid sulfate soil, soft
sugarcane, local corn and cassava pulp. Some lignocellulose sources such as rice husk,
coconut fiber, peanut shells, coffeenut shell, coconut leaves and cassava stem were less
effected.
vi


MỤC LỤC
Trang
Trang tựa
Trang Chuẩn Y ............................................................................................................. i
Lý lịch cá nhân ............................................................................................................ii 
Lời cam đoan ............................................................................................................. iii 
Cảm tạ ....................................................................................................................... iv 
Tóm tắt ........................................................................................................................ v 

1.5 Cấu trúc lignocellulose ........................................................................................ 19 
1.6. Quá trình sản xuất ethanol từ sinh khối.............................................................. 20 
1.6.1 Tổng quát.......................................................................................................... 20 
1.6.2 Tiền xử lý ......................................................................................................... 21 
1.6.2.1 Các phương pháp tiền xử lý hóa học............................................................. 24 
1.6.2.2 Các phương pháp tiền xử lý vật lý ................................................................ 25 
Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................ 34 
2.1. Thời gian và địa điểm nghiên cứu...................................................................... 34 
2.2. Vật liệu nghiên cứu ............................................................................................ 34 
2.2.1. Thu thập mẫu................................................................................................... 34 
2.2.1.1 Nhóm lúa, cỏ ................................................................................................. 34 
2.2.1.2 Nhóm thân, bã ............................................................................................... 34 
2.2.1.3 Nhóm vỏ hạt, dừa .......................................................................................... 35 
2.2.2. Thiết bị và hóa chất sử dụng ........................................................................... 38 
2.2.2.1. Thiết bị và dụng cụ....................................................................................... 38 
2.2.2.2. Hóa chất sử dụng .......................................................................................... 39 
2.3. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 39 
2.3.1 Nội dung 1: Phân tích thành phần của 16 loại nguyên liệu sinh khối thải....... 39 
2.3.1.1 Mục đích........................................................................................................ 39 
2.3.1.2 Phương pháp phân tích .................................................................................. 39 
2.3.1.3 Bố trí thí nghiệm ........................................................................................... 39 
2.3.1.4 Cách thức tiến hành ...................................................................................... 40 
2.3.1.5 Chỉ tiêu theo dõi ............................................................................................ 43 

viii


2.3.2. Nội dung 2: Ảnh hưởng của tiền xử lý bằng kỹ thuật popping đến chất lượng
và cấu trúc bề mặt của 3 nhóm sinh khối thải .............................................. 43 
2.3.2.1. Mục đích...................................................................................................... 43 

ix


3.2.2.1. Ảnh hưởng của tiền xử lý bằng kỹ thuật popping đến các chỉ tiêu
holocellulose, klason lignin, chất trích ly được và tro của nhómII (nhóm
thân, bã) ........................................................................................................ 63 
3.2.2.2. Ảnh hưởng của tiền xử lý bằng kỹ thuật popping đến chỉ tiêu đường đơn
của nhóm II (nhóm thân, bã) ........................................................................ 64 
3.2.2.3. Ảnh hưởng của tiền xử lý bằng kỹ thuật popping đến cấu trúc của sinh khối
thải nhóm II (nhóm thân, bã) ....................................................................... 66 
3.2.3. Nhóm sinh khối thải III (nhóm vỏ hạt. dừa) ................................................... 71 
3.2.3.1. Ảnh hưởng của tiền xử lý bằng kỹ thuật popping đến các chỉ tiêu
holocellulose, klason lignin, chất trích ly được và tro của nhóm III (vỏ hạt,
dừa) .............................................................................................................. 71 
3.2.3.2. Ảnh hưởng của tiền xử lý bằng kỹ thuật popping đến chỉ tiêu đường đơn
của nhóm III (nhóm vỏ hạt, dừa) ................................................................. 72 
3.2.3.3. Ảnh hưởng của tiền xử lý bằng kỹ thuật popping đến cấu trúc sinh khối thải
của nhóm III (nhóm vỏ hạt, dừa) ................................................................. 74 
3.3. Thủy phân nguyên liệu trước và sau tiền xử lý bằng enzym cellulase .............. 76 
3.3.1 Ảnh hưởng của thủy phân bằng enzym cellulase đến hàm lượng glucose của
nhóm I (nhóm lúa, cỏ) .................................................................................. 76 
3.3.2 Ảnh hưởng của thủy phân bằng enzym cellulase đến hàm lượng glucose của
nhóm II (nhóm thân, bã) .............................................................................. 77 
3.3.3 Ảnh hưởng của thủy phân bằng enzym cellulase đến hàm lượng glucose của
nhóm III (nhóm vỏ hạt, dừa) ........................................................................ 78 
3.3.4 Ảnh hưởng của thủy phân enzym cellulase đến cấu trúc bề mặt của mía cứng80 
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ..................................................................................... 82 
1 Kết luận .................................................................................................................. 82 
2. Đề nghị .................................................................................................................. 83 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 84 


: 100% ethanol sinh học

E5

: 5% ethanol sinh học và 95% xăng

E85

: 85% ethanol sinh học và 15% xăng

EU

: European Union

FPU

: Filter paper unit

HFCs

: Hydrofluorocarbons

LM

: Lignocellulose material

MG

: Million gallons


: Transmission electron microscope

xi


DANH MỤC CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1. Cấu trúc hóa học của cellulose ................................................................... 8 
Hình 1.2. Đơn vị phân tử cellobiose trong cấu trúc của cellulose.............................. 8 
Hình 1.3. Kiểu Fringed fibrillar và kiểu Folding chain .............................................. 9 
Hình 1.4. Các loại đường tạo nên cấu trúc hemicelluloses ...................................... 10 
Hình 1.5. Cấu trúc galactan ...................................................................................... 11 
Hình 1.6. Cấu trúc araban ......................................................................................... 12 
Hình 1.7. Cấu trúc xylan trong cây gỗ mềm và gỗ cứng .......................................... 12 
Hình 1.8. Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan .......................................................... 13 
Hình 1.9. Glucomannan........................................................................................... 13 
Hình 1.10. Galactoglucomannan .............................................................................. 13 
Hình 1.11. Arabinoglucuronoxylan ......................................................................... 14 
Hình 1.12. Các đơn vị cơ bản của lignin ................................................................. 15 
Hình 1.13. Cấu trúc lignin trong gỗ mềm với các nhóm chức chính ....................... 16 
Hình 1.14. Một số ví dụ về chất trích ly ................................................................... 18 
Hình 1.15. Cấu trúc của lignocellulose ................................................................... 19 
Hình 1.16. Mối quan hệ cellulose – hemicellulose trong cấu trúc lignocellulose.... 20 
Hình 1.17. Nguyên lý của quá trình sản xuất ethanol từ sinh khối .......................... 21 
Hình 1.18. Cấu trúc lignocellulose trước và sau tiền xử lý (Kumar, 2009). ............ 22 
Hình 1.19. Thiết bị tiền xử lý: (a) nổ hơi nước, (b) hệ thống popping..................... 30 

thuật popping (a) kích thước 500 µm, (b) kích thước 100 µm, (c) kích thước
50 µm, (d) kích thước 10 µm ....................................................................... 68 
Hình 3.7. Cấu trúc bề mặt của bã khoai mì trước và sau quá trình tiền xử lý bằng kỹ
thuật popping (a) kích thước 500 µm, (b) kích thước 100 µm, (c) kích thước
50 µm, (d) kích thước 10 µm ....................................................................... 69 
Hình 3.8. Thành phần hóa học của nhóm III (nhóm vỏ hạt, dừa) trước và sau khi
tiền xử lý bằng kỹ thuật popping (a)Hàm lượng holocellulose, (b) hàm
lượng klason lignin, (c) hàm lượng chất trích ly và (d) hàm lượng tro ....... 71 
Hình 3.9. Cấu trúc bề mặt của lá dừa trước và sau quá trình tiền xử lý bằng kỹ thuật
popping (a) kích thước 500 µm, (b) kích thước 100 µm, (c) kích thước 50
µm, (d) kích thước 10 µm ............................................................................ 75 
Hình 3.10. Hàm lượng đường glucose của nhóm I (nhóm lúa, cỏ) trước và sau khi
được tiền xử lý bằng kỹ thuật popping sau 24 giờ và 48 giờ thủy phân bằng
enzym cellulase, (a) trước tiền xử lý, (b) sau tiền xử lý. ............................. 76 
xiii


Hình 3.11. Hàm lượng đường glucose của nhóm II (nhóm thân, bã) trước và sau khi
được tiền xử lý bằng kỹ thuật popping sau 24 giờ và 48 giờ thủy phân bằng
enzym cellulase, (a) trước tiền xử lý, (b) sau tiền xử lý. ............................. 78 
Hình 3.12. Hàm lượng đường glucose của nhóm III (nhóm vỏ hạt, dừa) trước và
sau khi được tiền xử lý bằng kỹ thuật popping sau 24 giờ và 48 giờ thủy
phân bằng enzym cellulase, (a) trước tiền xử lý, (b) sau tiền xử lý ............. 79 
Hình 3.13. Cấu trúc bề mặt của mía cứng nguyên liệu, sau khi tiền xử lý bằng kỹ
thuật popping và sau khi thủy phân bằng enzym cellulase (a) kích thước
500 µm, (b) kích thước 100 µm, (c) kích thước 50 µm, (d) kích thước 10
µm ................................................................................................................ 81 

xiv


việc nghiên cứu sản xuất ethanol từ sinh khối, cụ thể từ nguồn phế phẩm nông
nghiệp là một giải pháp thích hợp đặc biệt với các quốc gia nông nghiệp như Việt
Nam.
Nguồn nguyên liệu sinh khối thải trong nông nghiệp ở Việt Nam khá đa dạng
và phong phú. Theo Nguyễn Thế Bảo và Bùi Tuyên (2001), các loại sinh khối thải
nông nghiệp chính ở Việt Nam năm 2000 khoảng 101,1 triệu tấn bao gồm rơm, trấu,
vỏ bắp, bã khoai mì, phế phẩm cây mía, vỏ và lá dừa…Mặc dù n g u ồ n sinh khối
thải khá đa dạng và phong phú, rơm rạ nói riêng và sinh khối thải nói chung không
được sử dụng một cách hiệu quả ở Việt Nam. Phần lớn rơm rạ được bón trở lại
ruộng sau khi thu hoạch, sử dụng làm chất đốt cho các hộ nhà nông, làm thức ăn
cho gia súc. Các loại còn lại chủ yếu làm chất đốt, làm giá thể trồng cây, ủ làm phân
bón…nên giá trị sử dụng chưa cao. Để có thể nâng cao hiệu quả và giá trị của các
nguồn sinh khối thải này, một trong những hướng triển vọng là sử dụng chúng làm
nguyên liệu để sản xuất ethanol. Tuy nhiên, chất lượng và cấu trúc tự nhiên của các
nguồn nguyên liệu sinh khối thải nông nghiệp khác nhau thì rất khác nhau. Hầu hết
các nguồn sinh khối thải nông nghiệp đều có cấu trúc rất đặc biệt và bền vững nên

1


việc phá vỡ cấu trúc là một trong những cản trở chính hiện nay trong quá trình sử
dụng chúng cho mục đích sản xuất ethanol. Bên cạnh đó, chất lượng của nguồn sinh
khối thải thông qua chỉ tiêu hàm lượng holocellulose trong nguyên liệu cũng là một
chỉ tiêu đáng quan tâm vì hàm lượng này quyết định năng suất của việc sản xuất
ethanol. Tuy nhiên, cho đến nay chưa có công trình nào nghiên cứu về chất lượng và
cấu trúc của các nguồn sinh khối thải nông nghiệp ở Việt Nam một cách đầy đủ và
chi tiết.
Chính vì những lý do trên, được sự cho phép của Trường Đại học Nông Lâm
TP.HCM, Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng Sinh học – Trường Đại học Quốc
Gia Chonnam Hàn Quốc, dưới sự hướng dẫn của TS.Bùi Minh Trí và GS.TS.

nguồn nguyên liệu sinh khối phế thải nông nghiệp và ảnh hưởng của phương pháp
tiền xử lý bằng kỹ thuật popping để sử dụng các nguồn nguyên liệu trong việc
chuyển hóa sinh khối tạo cồn sinh học.
- Thời gian và địa điểm: Đề tài được thực hiện tại 2 địa điểm: Bộ môn Công
nghệ Sinh học Thực vật – Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM và Trung tâm
Nghiên cứu Năng lượng Sinh học – Trường Đại học Quốc Gia Chonnam Hàn Quốc
từ tháng 12/2010 đến tháng 7 năm 2011.
4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
4.1. Ý nghĩa khoa học
Đề tài là cơ sở cho các công trình nghiên cứu sau này để hoàn chỉnh qui trình
chuyển hóa sinh khối phế thải nông nghiệp tạo cồn sinh học.
4.2. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả của đề tài có thể ứng dụng vào quá trình tạo ra dạng nhiên liệu sinh
học (thế hệ thứ 2), tận dụng triệt để các nguồn phế thải nông nghiệp tăng thu nhập
cho nông dân, không ảnh hưởng đến an ninh lương thực (như nhiên liệu thế hệ thứ
nhất), giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

3


Chương 1
TỔNG QUAN
1.1 Các loại sinh khối thải chính ở Việt Nam
Tiềm năng năng lượng sinh khối bao gồm gỗ, củi, rơm rác, phụ phẩm nông
nghiệp... của Việt Nam khoảng 43 - 46 triệu TOE (tương đương tấn dầu/năm), trong
đó khoảng 60% là năng lượng gỗ củi 26 - 27 triệu TOE và 40% năng lượng rơm rác,
phụ phẩm nông nghiệp 17 - 19 triệu TOE (Greenbiz.vn, 2011).
Qua báo cáo kết quả điều tra quy hoạch các dạng năng lượng mới năm 2000,
các loại sinh khối thải nông nghiệp chính ở Việt Nam được thể hiện qua bảng 1.1.
Bảng 1.1 Các loại sinh khối thải nông nghiệp chính ở Việt Nam năm 2000

3

Rác thải rắn

0,015

57

0

4

Rơm

61,9

866.600

62,6

5

Trấu

5,6

63.840

4,6


9

Bã mía

5,0

36.050

2,6

10

Vỏ đậu

0,1

1.250

0,1

11

Xơ và lá dừa

5,8

104.400

7,5


từ sinh khối thải nói chung không được sử dụng một cách hiệu quả ở Việt Nam.
Phần lớn rơm rạ được bón trở lại ruộng sau khi thu hoạch, sử dụng làm chất đốt
cho các hộ nhà nông, làm thức ăn cho gia súc. Các loại còn lại chủ yếu làm chất
đốt, làm giá thể trồng cây, ủ làm phân bón,…nên giá trị sử dụng thấp.
1.3. Thành phần của các nguyên liệu sinh khối
Glucoside là hợp chất tự nhiên thường gặp trong cơ thể động vật, thực vật và
vi sinh vật; là thành phần quan trọng trong sản xuất rượu bao gồm tinh bột và một
số đường. Trong động vật, lượng glucoside không vượt quá 2% nhưng trong thực
vật glucoside chiếm tới 80 - 88% chất khô. Công thức tổng quát của glucoside là
Cn(H2O)n. Glucoside được chia làm 2 nhóm lớn:
- Monosaccharide: là đường đơn từ 3 đến 9 carbon, là những glucid đơn giản
không thể thủy phân được. Trong tự nhiên, hexose và pentose là hai loại
monosaccharide phổ biến nhất. Hexose là glucid lên men được. Dưới tác dụng của
nấm men, đa số hexose biến thành rượu và CO2. Pentose thuộc glucid không lên
men được, không có khả năng chuyển hóa thành rượu bằng nấm men. Pentose gồm
arabinose, ribose,…
- Polysaccharide: là đường đa gồm 2 đến nhiều gốc đường đơn kết hợp với
nhau. Tùy thuộc vào số lượng các gốc đường đơn trong phân tử, người ta chia
polysaccharide thành 2 phân nhóm là oligosaccharide và polysaccharide.


Oligosaccharide bao gồm không quá 10 gốc monosaccharide kết hợp với
nhau. Trong tự nhiên, oligosaccharide phổ biến nhất là oligo chứa 2 hoặc 3
mono và còn gọi là disaccharide hay trisaccharide. Đại diện cho disaccharide

5