TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
------------
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT
ETHANOL TỪ BÃ MÍA
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
SINH VIÊN THỰC HIỆN
ThS. Vũ Trƣờng Sơn
Phạm Hải Triều
MSSV: 2072230
Ngành: Công Nghệ Hóa Học – Khóa 33
Cần Thơ 04/2011
TRƢƠNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA CÔNG NGHỆ
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
------------------------------------------------Cần Thơ, ngày 14 tháng 01 năm 2011
PHIẾU ĐỀ NGHỊ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP CỦA SINH VIÊN
NĂM HỌC 2010 – 2011
1. Tên đề tài thực hiện:
Nghiên cứu quá trình sản xuất ethanol từ bã mía
2. Họ và tên sinh viên thực hiện:
Họ tên sinh viên: Phạm Hải Triều
Mã số sinh viên: 2072230
Ngành: Công Nghệ Hóa Học
Khóa: 33
3. Họ và tên cán bộ hƣớng dẫn:
ThS. Vũ Trƣờng Sơn - Bộ môn Công Nghệ Thực Phẩm - Khoa Nông Nghiệp
và Sinh Học Ứng Dụng - Trƣờng Đại học Cần Thơ.
4. Mục tiêu của đề tài:
- Nghiên cứu quá trình thủy phân và lên men đồng thời (1 giai đoạn) để chuyển
hóa cellulose trong nguồn bã mía ban đầu thành ethanol.
- Nghiên cứu quá trình thủy phân và lên men không đồng thời (2 giai đoạn) để
chuyển hóa cellulose trong nguồn bã mía ban đầu thành ethanol.
- So sánh hiệu suất của hai quá trình.
5. Các nội dung chính và giới hạn của đề tài:
Tìm hiểu quá trình sản xuất ethanol từ rơm rạ , qua đó tìm ra điều kiện tối ƣu
trong sản xuất ethanol. Nội dung đề tài gồm các phần nhƣ sau:
- Khảo sát thời gian thủy phân.
- Khảo sát ảnh hƣởng lƣợng cơ chất đến quá trình thủy phân.
- Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ enzyme đi với quá trình thủy phân.
- Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ đến quá trình thủy phân.
- Khảo sát ảnh hƣởng của pH dung dịch đến quá trình thủy phân.
6. Các yêu cầu hỗ trợ:
7. Kinh phí dự trù cho việc thực hiện đề tài:
SINH VIÊN THỰC HIỆN
Phạm Hải Triều
DUYỆT CỦA BỘ MÔN
………………….
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
ThS. Vũ Trƣơng Sơn
DUYỆT CỦA HĐLV & TLTN
……………………
TRƢƠNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA CÔNG NGHỆ
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
------------------------------------------------Cần Thơ, ngày 14 tháng 01 năm 2011
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
1. Họ và tên cán bộ hƣớng dẫn:
ThS. Vũ Trƣờng Sơn - Bộ môn Công Nghệ Thực Phẩm - Khoa Nông Nghiệp
và Sinh Học Ứng Dụng - Trƣờng Đại học Cần Thơ.
2. Tên đề tài thực hiện:
Nghiên cứu quá trình sản xuất ethanol từ bã mía
3. Họ và tên sinh viên thực hiện:
Họ tên sinh viên: Phạm Hải Triều
Mã số sinh viên: 2072230
Ngành: Công Nghệ Hóa Học
Khóa: 33
4. Nội dung nhận xét:
a. Nhận xét về hình thức LVTN:
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
b. Nhận xét về nội dung của LVTN (đề nghị ghi chi tiết đầy đủ):
Đánh giá nội dung thực hiện đề tài:
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
Những vấn đề còn hạn chế:
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
c. Nhận xét đối với từng sính viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung
chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm nếu có):
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
d. Kết luận, đề nghị và điểm:
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
Cần Thơ, ngày ... tháng ... năm 2011
Cán bộ hƣớng dẫn
ThS. Vũ Trƣờng Sơn
TRƢƠNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA CÔNG NGHỆ
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
------------------------------------------------Cần Thơ, ngày 14 tháng 01 năm 2011
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
1. Cán bộ chấm phản biện:
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
2. Tên đề tài thực hiện:
Nghiên cứu quá trình sản xuất ethanol từ bã mía
3. Họ và tên sinh viên thực hiện:
Họ tên sinh viên: Phạm Hải Triều
Mã số sinh viên: 2072230
Ngành: Công Nghệ Hóa Học
Khóa: 33
4. Nội dung nhận xét:
a. Nhận xét về hình thức LVTN:
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
b. Nhận xét về nội dung của LVTN (đề nghị ghi chi tiết đầy đủ):
Đánh giá nội dung thực hiện đề tài:
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
Những vấn đề còn hạn chế:
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
c. Nhận xét đối với từng sính viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung
chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm nếu có):
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
d. Kết luận, đề nghị và điểm:
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
Cần Thơ, ngày ... tháng ... năm 2011
Cán bộ chấm phản biện
................................
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin cảm ơn nhà trƣờng đã tạo điều kiện cho chúng em đƣợc
tiếp thu kiến thức và xây dựng nền tảng vững chắc cho con đƣờng tƣơng lai phía
trƣớc.
Xin cảm ơn thầy cô bộ môn công nghệ hóa đã truyền đạt kiến thức và tạo điều
kiện tham quan thực tế cho sinh viên có cơ hội học hỏi kinh nghiệm, tiếp xúc thực
tế.
Xin chân thành cảm ơn thầy Vũ Trƣờng Sơn đã nhiệt tình giúp đỡ em trong
suốt thời gian làm đề tài luận văn. Xin cảm ơn thầy Nguyễn Việt Bách Trƣởng
phòng thí nghiệm hóa vô cơ, bộ môn Công nghệ Hóa học đã tạo mọi điều kiện cho
sinh viên làm việc tại phòng.
Xin cảm ơn tấc cả các bạn sinh viên Công nghệ Hóa học đã trao đổi và chia sẽ
nghững kiến thức kinh nghiệm với mình trong suốt thời gian học tập tại trƣờng.
Trân trọng cảm ơn!
Sinh viên thực hiện
Phạm Hải Triều
i
TÓM TẮT
Bã mía chiếm tỉ lệ lớn trong các phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam. Với thành
phần chứa hơn 51,3% là cellulose, bã mía là nguồn nguyên liệu thích hợp cho quá
trình thủy phân bằng enzyme Cellulase. Luận văn này nghiên cứu ảnh hưởng của
các yếu tố: thời gian, tỷ lệ cơ chất, tỷ lệ enzyme, nhiệt độ, pH lên quá trình thuỷ
phân; tỷ lệ cơ chất, tỷ lệ enzyme, hàm lượng men, nhiệt độ, pH lên quá trình tổng
hợp ethanol.
Bã mía được cắt nhỏ và được tiền xử lý bằng NaOH và H 2O2 để phá vỡ cấu
trúc và loại đi lignin và một phần hemicellulose. Sau đó được tiến hành thuỷ phân
bằng enzyme cellulose, lên men bằng men Saccharomyces cerevisiae.
Kết quả cho thấy rằng, quá trình thuỷ phân diễn ra tốt nhất trong điều kiện:
10% bã rắn, 8% enzyme, nhiệt độ 55°C và pH 4,8, tương ứng nồng độ glucose thu
được là 7,67%, thời gian thủy phân 21 giờ. Sau khi lên men tiếp tục trong 21 giờ
nửa thu được ethanol 3,93% và hiệu suất thu được là 88,88%.
Quá trình sản xuất ethanol một giai đoạn diễn ra tốt nhất trong điều kiện:
11% bã rắn, 9% enzyme, 2,5% men, 40°C, pH là 4,8, tương ứng với nồng độ
ethanol thu được là 3,63% và hiệu suất chuyển hóa là 82,77%.
ii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... i
TÓM TẮT ............................................................................................................... ii
MỤC LỤC .............................................................................................................. iii
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................ v
DANH MỤC BẢNG .............................................................................................. vi
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU ....................................................................................... 1
1.1 Hiện trạng nông nghiệp Việt Nam ............................................................................... 1
1.2 Bioethanol từ sinh khối ................................................................................................ 1
1.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ................................................................................ 2
Chƣơng 2: TỔNG QUAN ...................................................................................... 3
2.1 Nguyên liệu lignocellulose .......................................................................................... 3
2.1.1 Bã mía ................................................................................................................... 3
2.1.2 Cellulose ............................................................................................................... 4
2.1.3 Hemiellulose ......................................................................................................... 5
2.1.4 Lignin .................................................................................................................... 7
2.1.5 Chất trích ly ........................................................................................................ 10
2.1.6 Tro ....................................................................................................................... 11
2.1.7 Enzyme ............................................................................................................... 11
2.1.8 Men ..................................................................................................................... 13
2.2 Quá trình sản xuất ethanol từ bã mía ......................................................................... 15
2.2.1 Quy trình sản xuất ethanol hai giai đoạn ............................................................ 15
2.2.2 Quy trình sản xuất ethanol một giai đoạn ........................................................... 28
2.3 Sơ lƣợc về biofuel và ethanol nguyên liệu ................................................................ 29
2.3.1 Biofuel ................................................................................................................ 29
2.3.2 Ethanol nhiên liệu ............................................................................................... 31
Chƣơng 3: PHƢƠNG TIỆN VÀ PHƢƠNG PHÁP .......................................... 34
NGHIÊN CỨU ...................................................................................................... 34
3.1 Phƣơng tiện nghiên cứu ............................................................................................. 34
3.1.1 Địa điểm, thời gian thực hiện ............................................................................. 34
3.1.2 Nguyên liệu ......................................................................................................... 34
3.1.3 Enzyme ............................................................................................................... 34
3.1.4 Giống men........................................................................................................... 34
3.1.5 Hóa chất thí nghiệm ............................................................................................ 34
3.1.6 Dụng cụ thiết bị thí nghiệm ................................................................................ 34
3.2 Phƣơng pháp thí nghiệm ............................................................................................ 35
3.2.1 Phƣơng pháp phân tích thành phần xơ sợi trong biomass – rơm rạ................... 35
3.2.1.1 Phân tích xơ trung tính NDF .......................................................................... 35
iii
3.2.1.2 Phân tích xơ acid ADF ................................................................................... 36
3.2.1.3 Phân tích thành phần lignin............................................................................ 38
3.2.1.4 Phân tích thành phần tro ................................................................................ 39
3.2.2 Phƣơng pháp đo nồng độ glucose và ethanol ........................................................ 39
3.3 Trình tự nghiên cứu ................................................................................................... 40
3.2.1 Quá trình sản xuất ethanol hai giai đoạn................................................................. 40
3.2.1.2 Thí nghiệm 2: khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ cơ chất sử dụng đối với phản ứng
thủy phân.............................................................................................................................. 41
3.2.2 Quá trình sản xuất ethanol một giai đoạn ............................................................... 46
3.2.2.3 Thí nghiệm 3: Khảo sát nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình sản xuất ethanol . 48
3.2.3 So sánh hai quá trình ............................................................................................... 49
3.4 Phƣơng pháp thu thập và xử lý số liệu....................................................................... 50
Chƣơng 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN ................................... 51
4.1 Thành phần bã mía ..................................................................................................... 51
4.1.1 Kết quả phân tích ................................................................................................ 51
4.1.2 Thành phần bã mía .............................................................................................. 51
4.2 Quá trình tổng hợp ethanol ........................................................................................ 52
4.2.1 Giai đoạn thủy phân trong quá trình tổng hợp ethanol hai giai đoạn ................. 52
4.2.2 Quá trình tổng hợp ethanol một giai đoạn .......................................................... 60
4.2.3 Hiệu suất quá trình tổng hợp ethanol .................................................................. 69
Chƣơng 5: KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ ................................................................. 71
5.1 Kết luận ...................................................................................................................... 71
5.1 Kiến nghị.................................................................................................................... 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 72
iv
DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Cấu tạo phân tử cellulose .............................................................................. 4
Hình 2.3: Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan............................................................... 6
Hình 2.4: Glucomannan ................................................................................................ 6
Hình 2.5: Galactoglucomanna ...................................................................................... 7
Hình 2.7: Các đơn vị cơ bản của lignin ........................................................................ 8
Hình 2.8: Cấu trúc lignin trong gỗ mềm ....................................................................... 9
Hình 2.9: Biểu diễn vị trí cắt cellulose của hệ enzyme cellulase................................ 12
Hình 2.10: Sơ đồ cơ chế tác dụng của phức hệ cellulase lên mạch cellulose ............. 13
Hình 2.11: Sơ đồ tổng hợp bioethanol một giai đoạn ................................................ 15
Hình 2.12: Cellulose trƣớc và sau tiền xử lý .............................................................. 16
Hình 2.13: Hình ảnh cellulose trƣớc và sau tiền xử lý ............................................... 18
Hình 2.14: Phức hợp en zyme – cơ chất ..................................................................... 21
Hình 2.15: Một số gốc hoạt động của enzyme ........................................................... 22
Hình 2.16: Ảnh hƣởng của pH đến hoạt động của enzyme ........................................ 24
Hình 2.17: Hoạt tính enzyme theo nhiệt độ ................................................................ 24
Hình 2.18: Phức hợp cơ chất – enzyme, cơ chất – sản phẩm ..................................... 25
Hình 2.19: Quá trình chuyển hóa glucose thành ethanol ............................................ 26
Hình 2.20: Sơ đồ tổng hợp bioethanol một giai đoạn ................................................ 28
Hình 3.1: Sơ đồ quy trình tổng hợp ethanol hai giai đoạn .......................................... 40
Hình 3.2: Sơ đồ quy trình sản xuất ethanol một giai đoạn ......................................... 46
Hình 4.1: Thành phần của bã mía ............................................................................... 51
Hình 4.2: Nồng độ glucose tạo thành theo thời gian .................................................. 53
Hình 4.3: Nồng độ glucose tạo thành theo tỷ lệ cơ chất ............................................. 55
Hình 4.4: Nồng độ glucose tạo thành theo tỷ lệ enzyme ............................................ 56
Hình 4.5: Nồng độ glucose tạo thành theo nhiệt độ.................................................... 58
Hình 4.6: Nồng độ glucose tạo thành theo pH ............................................................ 59
Hình 4.7: Nồng độ ethanol theo tỷ lệ cơ chất ............................................................. 61
Hình 4.8: Nồng độ ethanol theo tỷ lệ enzyme ............................................................ 63
Hình 4.9: Nồng độ ethanol theo nhiệt độ .................................................................... 64
Hình 4.10: Nồng độ ethanol theo pH .......................................................................... 66
Hình 4.11: Nồng độ ethanol theo hàm lƣợng men...................................................... 68
Hình 4.12 hiệu suất của quá trình tổng hợp ethanol ................................................... 70
v
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Thành phần của lignocellulose ..................................................................... 3
Bảng 3.1: Thành phần dung dịch NDF ....................................................................... 35
Bảng 3.2: Thành phần dung dịch ADF ....................................................................... 37
Bảng 3.3: Thành phần hóa chất tách lignin ................................................................ 38
Bảng 4.1: Kết quả phân tích thành phần bã mía trƣớc và sau tiền xử lý .................... 51
Bảng 4.2: Kết quả thủy phân cellulose theo thời gian ................................................ 52
Bảng 4.3: Kết quả thủy phân cellulose theo tỷ lệ cơ chất ........................................... 54
Bảng 4.4: Kết quả thủy phân cellulose theo tỷ lệ enzyme .......................................... 56
Bảng 4.5: Kết quả thủy phân cellulose theo nhiệt độ ................................................. 57
Bảng 4.6: Kết quả thủy phân cellulose theo pH ......................................................... 59
Bảng 4.7: Kết quả tổng hợp ethanol một giai đoạn theo tỷ lệ cơ chất ........................ 60
Bảng 4.8: Kết quả tổng hợp ethanol một giai đoạn theo tỷ lệ enzyme ....................... 62
Bảng 4.9: Kết quả tổng hợp ethanol một giai đoạn theo nhiệt độ .............................. 64
Bảng 4.10: Kết quả tổng hợp ethanol một giai đoạn theo pH..................................... 65
Bảng 4.11: Kết quả tổng hợp ethanol một giai đoạn theo hàm lƣợng men ................ 67
Bảng 4.12: Hiệu suất quá trình tổng hợp ethanol hai giai đoạn .................................. 69
Bảng 4.13: Hiệu suất quá trình tổng hợp ethanol một giai đoạn ................................ 69
vi
Chương 1: Giới thiệu
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU
1.1 Hiện trạng nông nghiệp Việt Nam
Nhƣ ta đã biết Việt Nam là một nƣớc có nền kinh tế nông nghiệp là chủ yếu
với thế mạnh chính là các ngành trồng trọt và chăn nuôi đặc biệt là ngành sản xuất
lúa gạo. Bên cạnh đó các ngành trồng trọt nhƣ rau, củ, quả, mía… Cũng phát triển
không ngừng.
Tất cả những yếu tố trên cho thấy đây là một nguồn nguyên liệu rất phong
phú, dồi dào từ phụ phẩm nông nghiệp dƣ thừa của Việt Nam. Tạo điều kiện rất
thuận lợi cho các ngành công nghiệp sử dụng nguyên liệu là sản phẩm của ngành
nông nghiệp đặc biệt là các ngành sản xuất nhiên liệu xăng dầu, cồn, nhiên liệu sinh
học…
Nƣớc ta là một nƣớc nông nghiệp do đó hàng năm có một lƣợng lớn phụ phẩm
nông nghiệp. Trong đó bã mía hàng năm khoảng 3,5 ÷ 4 triệu tấn. Bã mía là phụ
phẩm còn lại sau khi ép lấy đƣờng, bã mía sau khi ép thì hàm lƣợng chất khô
khoảng 54,48 %, protein thô 1,22 %, xơ thô khoảng 23,08 %, béo thô khoảng 1,13
%, và tro khoảng 2,77%.
Sử dụng phế phẩm phụ trong nông nghiệp sản xuất bột giấy và giấy, làm thức
ăn cho gia súc, và đặc biệt là thủy phân tạo ra đƣờng glucose cung cấp cho quá trình
sản xuất ethanol. Nhằm làm giảm giá thành sản xuất đem lại hiệu quả kinh tế cao.
Đồng thời giải quyết một lƣợng lớn các phụ phẩm nông nghiệp không làm ô nhiễm
môi trƣờng. Chính vì thế tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu quá trình sản
xuất ethanol từ bã mía”
1.2 Bioethanol từ sinh khối
Ngày nay sức ép từ khủng hoảng dầu mỏ và nhu cầu năng lƣợng luôn là vấn
đề nan giải của bất cứ quốc gia nào trên thế giới. Mỹ và Brazil đã thành công trong
việc sản xuất ethanol từ nguồn sinh học là bắp và mía. Điều này đã khích lệ các
nƣớc khác đầu tƣ nghiên cứu vào lĩnh vực nhiên liệu sinh học.
Bên cạnh sản xuất ethanol từ nguồn tinh bột (bắp) và đƣờng (mía), ethanol có
thể đƣợc sản xuất từ những lignocellulose khác. Lignocellulose là loại biomass phổ
biến nhất trên thế giới. Vì vậy sản xuất ethanol từ biomass cụ thể là từ nguồn
lignocellulose là một giải pháp thích hợp đặc biệt là với các quốc gia nông nghiệp
nhƣ Việt Nam.
Phạm Hải Triều - 2072230
1
Chương 1: Giới thiệu
Nền nông nghiệp Việt Nam hằng năm tạo ra một lƣợng lớn phế phẩm nông
nghiệp, chủ yếu là lignocellulose từ các vụ mùa. Tận dụng nguồn nguyên liệu này,
cụ thể là rơm rạ và bã mía để sản xuất bioethanol là phƣơng pháp sử dụng rơm rạ
một cách hiệu quả đồng thời góp phần giải quyết vấn đề năng lƣợng cho nƣớc ta.
1.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Mục đích chính của đề tài là nghiên cứu khả năng xử lý rơm rạ để lên men
ethanol. Các mục tiêu chính trong đề tài là:
Nghiên cứu quá trình thủy phân và lên men đồng thời (1 giai đoạn) để
chuyển hóa cellulose trong nguồn bã mía ban đầu thành ethanol.
Nghiên cứu quá trình thủy phân và lên men không đồng thời (2 giai
đoạn) để chuyển hóa cellulose trong nguồn bã mía ban đầu thành ethanol.
-
So sánh hiệu suất của hai quá trình.
Các nội dung chính cần phải thực hiện:
-
Khảo sát thời gian thủy phân.
-
Khảo sát ảnh hƣởng lƣợng cơ chất đến quá trình thủy phân.
-
Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ enzyme đi với quá trình thủy phân.
-
Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ đến quá trình thủy phân.
-
Khảo sát ảnh hƣởng của pH dung dịch đến quá trình thủy phân.
Phạm Hải Triều - 2072230
2
Chương 2: Tổng quan
Chƣơng 2: TỔNG QUAN
2.1 Nguyên liệu lignocellulose
Lignocellulose là vật liệu biomass phổ biến nhất trên trái đất. Lignocellulose
có trong phế phẩm nông nghiệp, chủ yếu ở dạng phế phẩm của các vụ mùa; trong
sản phẩm phụ của công nghiệp sản xuất bột giấy và giấy; có trong rác thải rắn của
thành phố... Với thành phần chính là cellulose, lignocellulose là một nguồn nguyên
liệu tốt cho việc sản xuất bioethanol. Bã mía là một dạng vật liệu lignocellulose có
hàm lƣợng cellulose tƣơng đối cao (45÷55%) trong khi có hàm lƣợng lignin thấp
(Bảng 2.1).
Bảng 2.1: Thành phần của lignocellulose
Hemicellulose
Nguồn gốc
Cellulose
Lignin
Chất
trích ly
Xylane Mannan Galactan Arabianan
Gỗ vân sam
41,9
6,1
14,3
-
1,2
27,1
9,6
Gỗ Thông
37,7
4,6
7,0
-
-
27,5
10,8
Gỗ cây bulo
38,2
18,5
1,2
-
-
22,8
4,8
Gỗ dƣơng
49,9
17,4
4,7
1,2
1,8
18,1
-
Rơm lúa mì
38,2
21,2
0,3
2,5
23,4
13,0
-
Bã mía(*)
45 - 55
-
-
25
-
13,52
-
(*) Nguồn: Huỳnh Thanh Nông, “Nghiên cứu các biện pháp bảo quản
để nâng cao chất lượng bã mía làm thức ăn tăng trưởng”,2005.
2.1.1 Bã mía
Mía (Saccharum oficinarum) là nguồn cung cấp đƣờng cho các nƣớc nhiệt đới
và cận nhiệt đới trên thế giới. Mía gồm có 6 loài, cây đa niên thuộc giống
saccharum L, dòng Ropogoneae, họ hòa thảo. Nƣớc mía thì rất ngọt và tinh thể
đƣờng đã nổi tiếng ở Trung Quốc và Ấn Độ cách đây 2500 năm. Cây mía đã tiến tới
vùng địa trung hải vào khoảng thế kỷ thứ VIII sau công nguyên.
Mía (Saccharum oficinarum) là một loại cây trồng có khả năng chuyển hóa
năng lƣợng từ ánh sáng mặt trời thành năng lƣợng hóa học cao hơn bất kỳ loại cây
Phạm Hải Triều - 2072230
3
Chương 2: Tổng quan
trồng khác nào, có thể sản xuất 10 tấn đƣờng/ha/năm.
Theo tài liệu thực vât học năng suất mía trung bình hàng năm từ 25 ÷ 94
tấn/ha. Một tấn mía cung cấp 250 kg bã mía khi đốt cháy cung cấp 6000 kg hơi
nƣớc. Khoảng 4000 kg hơi nƣớc có thể sản xuất 60 lít cồn/tấn mía hay 6000 lít
cồn/ha.
Phân tích 62 loại sinh khối sản sinh nhiệt, năm 1985 hai nhà khoa học Jenkins
và Ebeling báo cáo rằng nhiệt do bã mía sinh ra 17,33 ÷ 16,62 MJ/kg so sánh với
rơm 13,76 ÷ 23,28 MJ/Kg.
2.1.2 Cellulose
Cellulose là polymer sinh học phong phú, nó là thành phần chủ yếu của tế bào
thực vật. Cellulose có cấu tạo là homopolyme mạch thẳng chứa trên 1.000 đơn vị βD glucose-pyranose gắn với nhau bằng liên kết β-1,4 glucozide. Cellulose lại rất
bền vững và khó bị phá vỡ vì cellulose có độ kết tinh cao, không tan trong nƣớc, có
khả năng chống lại các quá trình depolymer hóa. Cellulose thì đây là cơ chất gây
khó khăn cho sự thuỷ phân bởi enzyme. Cấu trúc của cellulose gồm những đơn vị
cellubiose lặp lại, mỗi cellubiose gồm 2 đơn vị β-glucose.
Hình 2.1: Cấu tạo phân tử cellulose
http://en.wikipedia.org/wiki/Cellulose
Từng đơn vị glucose liên kết qua C1 và C4 tạo thành chuỗi dài. Từng chuỗi
đơn glucose xếp chồng lên nhau tạo thành vi sợi, từng sợi cellulose đƣợc giữ bằng
liên kết hydro. Những vi sợi cellulose thƣờng không đồng nhất và chứa hai vùng:
-Vùng vô định hình, cellulose có cấu trúc không chặt và dễ bị tác động bởi yếu
tố bên ngoài. Khi gặp nƣớc chúng dễ bị trƣơng phồng lên, enzyme cellulase rất dễ
tấn công và làm thay đổi cấu trúc của chúng.
- Vùng kết tinh, cellulose có cấu trúc trật tự rất cao và rất bền vững với tác
động của điều kiện bên ngoài. Enzyme cellulase chỉ có tác dụng bề mặt hệ sợi ở
vùng này.
Phạm Hải Triều - 2072230
4
Chương 2: Tổng quan
Động vật không có chứa enzyme phân
cắt vùng tinh thể cellulose nhƣng có một
vài vi sinh vật nhƣ nấm mốc, nấm men, vi
khuẩn có khả năng thủy phân cellulose
thành những oligosaccharide và có thể
thành đƣờng glucose nhƣ là nguồn cacbon
cho vi sinh vật sử dụng. Những vi sinh vật
này tồn tại trong dạ dày của động vật.
Cellulose cũng bị thủy phân bởi những vi
sinh vật hiện diện trong dạ cỏ của động vật
nhai lại.
2.1.3 Hemiellulose
Hemicellulose là một loại polyme
phức tạp và phân nhánh, độ trùng hợp
khoảng 70 đến 200 DP. Hemicellulose
chứa cả đƣờng 6 gồm glucose, mannose và
galactose và đƣờng 5 gồm xylose và
arabinose. Thành phần cơ bản của
hemicellulose là β - D-xylopyranose, liên
kết với nhau bằng liên kết β -1,4.
Cấu tạo của hemicellulose khá phức
tạp và đa dạng tùy vào nguyên liệu, tuy
nhiên có một vài điểm chung gồm:
- Xylose là thành phần quan trọng
nhất.
- Mạch chính của hemicellulose đƣợc
cấu tạo từ liên kết β - 1,4.
- Nhóm thế phổ biến nhất là nhóm
acetyl.
Hình 2.2: Cấu trúc bó mạch sợi cellulose
- Mạch nhánh cấu tạo từ các nhóm
http://vi.wikipedia.org/wiki/Cellulose
đơn giản, thông thƣờng là disaccharide
hoặc trisaccharide. Sự liên kết của
hemicellulose với các polysaccharide khác và với lignin là nhờ các mạch nhánh
này. Vì hemicellulose có mạch nhánh nên tồn tại ở dạng vô định hình vì thế dễ bị
thủy phân.
Phạm Hải Triều - 2072230
5
Chương 2: Tổng quan
Đặc điểm hemicellulose của gỗ cứng và gỗ mềm:
+ Gỗ cứng chủ yếu có hai loại hemicellulose
Loại thứ nhất là Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan là một loại polyme có
mạch chính gồm β - D - xylopyranose liên kết với nhau bằng liên kết β - D -1,4.
Trong đó 70% các nhóm OH ở vị trí C2 và C3 bị acetyl hóa, 10% các nhóm ở vị
trí C2 liên kết với acid
4-O-methyl β - D-glucuronic. Gỗ cứng còn chứa
glucomannan, polyme này chứa một tỉ lệ bằng nhau β - D-glucopyranose và β - Dgannopyranose
Hình 2.3: Acetyl-4-O-methylglucuronoxylan
Hình 2.4: Glucomannan
Loại thứ hai là β-D-galactopyranose, phân nhánh. Loại hemicellulose này tạo
liên kết tại nhóm OH ở vị trí C6 với -L-arabinose, β-D-galactose hoặc acid β-Dglucoronic.
Gỗ mềm cũng bao gồm hai loại hemicellulose chính
Loại quan trọng nhất là galactoglucomannan, đây là polyme cấu thành từ
các phân tử D-mannopyranose liên kết với D-glucopyranose bằng liên kết β-1,4, tỉ
Phạm Hải Triều - 2072230
6
Chương 2: Tổng quan
lệ hai monomer tƣơng ứng là 3:1. Tuy nhiên, tỉ lệ này thay đổi tùy theo loại gỗ.
Hình 2.5: Galactoglucomanna
Loại thứ 2 là arabino-4-O-methylglucuronoxylan, cấu tạo từ các Dxylopyranose, các monomer này bị thế ở vị trí 2 bằng acid 4-O-methyl-glucuronic,
ở vị trí 3 bằng - L-arabinofuranose.
Hình 2.6: Arabinoglucuronoxylan
2.1.4 Lignin
Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở. Trong tự nhiên, lignin chủ yếu
đóng vai trò chất liên kết trong thành tế bào thực vật, liên kết chặt chẽ với
mạng cellulose và hemicellulose. Rất khó để có thể tách lignin ra hoàn toàn.
Lignin là polyme, đƣợc cấu thành từ các đơn vị phenylpropene, vài đơn vị cấu
trúc điển hình đƣợc đề nghị là guaiacyl (G), chất gốc là rƣợu trans-coniferyl,
syringly (S), chất gốc là rƣợu trans-sinapyl, p-hydroxylphenyl (H), chất gốc là rƣợu
trans-p-courmary.
Phạm Hải Triều - 2072230
7
- Xem thêm -