ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
SỞ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA







BÁO CÁO NGHIỆM THU






NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ
XỬ LÝ MỘT SỐ LOẠI PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP BẰNG
NƯỚC ÁP SUẤT CAO ĐỂ THU DUNG DỊCH ĐƯỜNG CÓ
KHẢ NĂNG LÊN MEN ETHANOL




CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI

TS. NGUYỄN HỒNG DŨNG

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
THÁNG 11/ 2008




1
BÁO CÁO NGHIỆM THU

Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ xử lý một số loại phụ phẩm nông nghiệp bằng nước
áp suất cao để thu dung dòch đường có khả năng lên men tạo ethanol
Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Hoàng Dũng
Cơ quan chủ trì: Trường ĐH Bách khoa, ĐHQG TP.HCM
Thời gian thực hiện đề tài: 2005-2007
Kinh phí được duyệt: 190 triệu đồng
Kinh phí đã cấp:
120 triệu đồng theo TB số :220 TBKHCN ngày 17 / 11 /2005
50 triệu đồng theo TB số : 95 TBKHCN ngày 11 / 07 /2008
20 triệu đồng : cấp sau khi nghiệm thu
Mục tiêu: Nghiên cứu thử nghiệm công nghệ xử lý các phụ phẩm từ cây lúa như: rơm, rạ,

trấu. nhằm mục đích mở ra hướng sản xuất cồn nhiên liệu từ các phụ phẩm
này
Nội dung: 1) Phân tích thành phần rơm, rạ, trấu.
2) Nghiên cứu quá trình xử lý cơ học các nguyên liệu này để làm thuận lợi
cho quá trình phản ứng thuỷ nhiệt.
3) Nghiên cứu chế tạo thiết bò phản ứng thuỷ nhiệt ở quy mô phòng thí
nghiệm có khả năng thực hiện phản ứng ở áp suất và nhiệt độ cao (đến 300
o
C).
4) Nghiên cứu quá trình phản ứng thuỷ nhiệt đối với các loại nguyên liệu
nghiền khác nhau trên thiết bò thí nghiệm: Xác đònh các thông số kỹ thuật để
tiến hành phản ứng nhằm thu được các loại đường có thể chuyển hoá thành
ethanol.
5) Lắp đặt, vận hành thử nghiệm thiết bò phản ứng ở quy mô pilot do Trường
đại học Tokyo giúp.
6) Nghiên cứu quá trình phản ứng thuỷ nhiệt đối với các loại nguyên liệu
nghiền khác nhau trên thiết bò pilot nhằm hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật để
tiến hành phản ứng.







2





Những nội dung đã thực hiện:

Cơng việc dự kiến

Cơng việc đã thực hiện
1) Phân tích thành phần rơm, ra.
2) Nghiên cứu quá trình xử lý cơ học
(nghiền) rơm rạ
3) Nghiên cứu chế tạo thiết bò phản ứng
thuỷ nhiệt ở quy mô phòng thí nghiệm
4) Nghiên cứu quá trình phản ứng thuỷ
nhiệt đối với rơm rạ đã nghiền.

5) Lắp đặt, vận hành thử nghiệm thiết bò
phản ứng ở quy mô pilot do Trường đại
học Tokyo giúp.
6) Nghiên cứu quá trình phản ứng thuỷ
nhiệt đối với rơm rạ trên thiết bò pilot
nhằm hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật để
tiến hành phản ứng.

7) Tiếp tục nghiên cưú theo hướng trên
đối với trấu.
8) Nghiên cứu quá trình xử lý nguyên liệu
biomass ở quy mô > 10L để chuẩn bò cho
quá trình lên men.
9) Phân tích đánh giá thành phần đường
để đánh giá khả năng sử dụng của chúng
vào mục đích sản xuất ethanol, đồng thời
đònh hướng nghiên cứu tiếp tục để sử

dụng tổng hợp nguồn tài nguyên rơm rạ
trấu nói riêng và biomass nói chung
1) Đã phân tích thành phần rơm, rạ.
2) Đã nghiên cứu quá trình nghiền rơm rạ

3) Đã chế tạo thiết bò phản ứng thuỷ nhiệt
ở quy mô phòng thí nghiệm
4) Đã nghiên cứu quá trình phản ứng thuỷ
nhiệt đối với rơm rạ đã nghiền ở quy mô
PTN.
5) Lắp đặt, vận hành thử nghiệm và đưa
vào sử dụng thiết bò phản ứng quy mô
pilot do Trường Đại học Tokyo giúp.
6) Đã nghiên cứu quá trình phản ứng thuỷ
nhiệt đối với rơm rạ trên thiết bò pilot
nhằm xác đònh, hiệu chỉnh các thông số
kỹ thuật phù hợp cho quá trình xử lý.

7) Đã tiến hành các nghiên cưú đối với
nguyên liệu trấu.
8) Đã nghiên cứu quá trình xử lý nguyên
liệu rơm rạ và trấu ở quy mô 10L để
chuẩn bò cho quá trình lên men.
9) Đã phân tích, đánh giá thành phần
đường, xác đònh bước đầu khả năng sử
dụng của chúng vào mục đích sản xuất
ethanol, đònh hướng nghiên cứu tiếp tục
để sử dụng nguồn tài nguyên rơm rạ trấu
có hiệu quả cho mục đích sản xuất năng
lượng


3


4
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 7
1.1. NHIÊN LIỆU CỒN 7
1.2. RƠM RẠ VÀ THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA RƠM RẠ TRẤU 7
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ RƠM RẠ, TRẤU 13
1.4. VÀI NÉT VỀ QUÁ TRÌNH LÊN MEN 22
1.5. NHẬN XÉT 24
CHƯƠNG 2 CÁC HẠNG MỤC VỀ LẮP RÁP VẬN HÀNH 25
THIẾT BỊ ĐÃ THỰC HIỆN 25
2.1. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THUỶ NHIỆT Ở QUY MÔ
PHÒNG THÍ NGHIỆM 25
2.2. XÂY LẮP NHÀ XƯỞNG, TIẾP NHẬN, LẮP RÁP VÀ VẬN HÀNH THỬ
NGHIỆM THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THUỶ NHIỆT CHỊU NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT
CAO DO VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHIỆP - TRƯỜNG ĐẠI HỌC TOKYO HỖ
TR. 2 6
CHƯƠNG 3 CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 30
A. CÁC NGHIÊN CỨU VỀ RƠM RẠ 30
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30
3.1. PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 30
3.2. NGUYÊN LIỆU 31
3.3. PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA NGUYÊN LIỆU 31
3.4. KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH XỬ LÝ THUỶ NHIỆT 33
3.5. KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN ENZYME 34
3.6. THỬ NGHIỆM QUÁ TRÌNH LÊN MEN 35
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36

3.7. KHẢO SÁT THÀNH PHẦN NGUYÊN LIỆU BAN ĐẦU 36
3.8. QUÁ TRÌNH XỬ LÝ THUỶ NHIỆT 36
3.9. KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN BẰNG ENZYME 42
3.10. NGHIÊN CỨU THĂM DÒ KHẢ NĂNG LÊN MEN CỒN TỪ DUNG DỊCH
ĐƯỜNG THU ĐƯC KHI THỦY PHÂN RƠM RẠ 44
B. CÁC NGHIÊN CỨU VỀ TRẤU 46
3.11. NGUYÊN LIỆU VÀ HOÁ CHẤT CẦN THIẾT 46
3.12. CÁC DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG 48
3.13. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 49
3.14. CÁC PHƯƠNG PHÁP VI SINH NUÔI CẤY, BẢO QUẢN 55

5
3.15. KHẢO SÁT THÀNH PHẦN NGUYÊN LIỆU 59
3.16. KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH NỔ HƠI 60

3.17. KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH THỦY PHÂN 65
3.18. KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH LÊN MEN 75
CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 84
4.1. KẾT LUẬN 84
4.2. KIẾN NGHỊ 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87


6
MỞ ĐẦU
Sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hoá thạch của thế giới có thể nói là đã được dự báo. Cùng
với tình hình dầu mỏ khí đốt ngày càng khan hiếm, các quốc gia nắm giứ các nguồn tài
nguyên này có thể sử dụng chúng như một công cụ chính trò và giá dầu đang leo thang
tương đối nhanh đã buộc các nhà khoa học và nhiều chính phủ phải nghó đến các phương

án năng lượng khác, đặc biệt là các nguồn năng lượng tái tạo được.
Trong số các nguồn năng lượng có khả năng khai thác và sử dụng cao như năng lượng mặt
trời, năng lượng gió, năng lượng thuỷ triều, đòa nhiệt, năng lượng biomass thì nguồn
biomass đang ngày càng thu hút được sự chú ý vì sự đa dạng, tiềm năng to lớn và vì tính
chất đảm bảo cho sự phát triển bền vững của chúng.
Nước ta là một nước nông nghiệp, và cây lúa có vò trí quan trọng trong toàn bộ cơ cấu nền
nông nghiệp của đất nước. Hiện nay, Việt Nam là một trong những nước có sản lượng gạo
xuất khẩu lớn của thế giới và mang lại nguồn thu lớn, hơn 1 tỷ USD mỗi năm. [1]
Sản lượng lúa gạo cao phục vụ nhu cầu lương thực trong nước và xuất khẩu đã dẫn đến
tình trạng dư thừa một lượng lớn các phụ phẩm của lúa như rơm, rạ, Tuy nhiên, hầu hết
rơm rạ được đốt bỏ hoặc di dời đi sau khi thu hoạch để chuẩn bò cho vụ mùa kế tiếp theo
thói quen của nhà nông. Rơm rạ lúa gạo này không thể được sử dụng được hoặc đưa trực
tiếp vào đất do tỷ lệ C/N cao. Chúng sẽ sản sinh các chất độc cho cây trong quá trình phân
hủy [2]
Trong tình hình đó, việc nghiên cứu các biện pháp để có thể sử dụng có hiệu quả các phụ
phẩm và chất thải nông nghiệp là quan trọng và cần thiết. Hiện nay, một số nghiên cứu
theo hướng này đã đạt được những kết quả nhất đònh. Ví dụ, sản xuất than hoạt tính từ vỏ
trấu, sử dụng rơm rạ để sản xuất nấm, sản xuất phân hữu cơ, chạy máy phát điện, [3].
Trong số các hướng nghiên cứu có triển vọng, có thể thấy rằng nguồn cellulose và
hemicellulose cao trong rơm rạ có thể được dùng để lên men cồn. Việc sản xuất cồn từ
nguồn phụ phẩm này sẽ giúp giải quyết phần nào sự dư thừa các phế phụ phẩm từ cây lúa,
cải thiện vấn đề môi trường. Không những vậy, việc sử dụng cồn nhiên liệu còn giúp làm
giảm lượng khí thải cacbon monoxide của các phương tiện giao thông, các thiết bò công
nghiệp có sử dụng nhiên liệu,…
Nhằm ủng hộ hướng nghiên cứu này, đồng thời đẩy mạnh sự hợp tác với các cơ sở đào tạo
và nghiên cứu ở trong và ngoài nước, đề tài “Nghiên cứu công nghệ xử lý một số loại phụ
phẩm nông nghiệp bằng nước áp suất cao để thu dung dòch đường có khả năng lên men
tạo ethanol” nhằm xác đònh khả năng đường hoá cellulose trước khi có những nghiên cứu
sâu về quá trình lên men, chưng luyện để tinh chế ethanol đến độ sạch cao có thể ứng
dụng trong công nghiệp.


7
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. NHIÊN LIỆU CỒN
Nhiều vùng khác nhau trên thế giới có lượng dư thừa các sản phẩm nông nghiệp hoặc chất
thải có tiềm năng năng lượng cao có thể ứng dụng vào việc sản xuất cồn. Ví dụ, cây
khuynh diệp phong phú ở Bồ Đào Nha, cây thông ở Chi Lê, và cây mía ở Brazil. Rất
nhiều nước đang tìm kiếm con đường sử dụng các nguồn tài nguyên thiên nhiên phục vụ
cho việc sản xuất cồn nhiên liệu. Chính phủ Brazil thông qua việc bổ sung của chương
trình rượu cồn quốc gia, đã nỗ lực phát triển xe hơi chạy bằng nhiên liệu cồn sản xuất từ
đường mía. Hiện nay, 40% xe hơi Brazil chạy bằng nhiên liệu cồn 100%. Ngay cả xe hơi
chạy bằng xăng dầu cũng sử dụng xăng trộn 22% cồn với 78% xăng
Nikolaus A. Otto, người đưa ra chu trình otto, cho rằng cồn là nhiên liệu thích hợp cho
động cơ đốt trong bốn kỳ. Ở Mỹ, Henry Ford, cha đẻ của xe hơi, thúc đẩy việc ứng dụng
cồn từ thập niên 1920. Xu hướng này được tiếp tục trong suốt thập niên 1930, trong đó
hơn 2000 trạm xăng ở miền viễn Tây sử dụng xăng pha 6 – 12% cồn sản xuất từ bắp. Tuy
nhiên, do giá thành cao của cồn là một hạn chế lớn và vì vậy việc sử dụng cồn nhiên liệu
cũng sớm kết thúc.
Hiệu quả của cồn nhiên liệu so với xăng dầu
Pimentel [4] so sánh hiệu suất của cồn nhiên liệu với hiệu suất của xăng dầu dựa trên
lượng nhiên liệu tiêu thụ, công suất và nhiệt độ hoạt động của động cơ. Theo tính toán lý
thuyết thì mức độ tiêu thụ cồn 96% (v/v) của động cơ xe hơi cao hơn 9% mức độ tiêu thụ
của xăng. Kết quả kiểm tra khi chạy trên đường cho thấy lượng cồn nhiên liệu tiêu thụ
hơn xăng dầu vào khoảng 10 ÷ 20%.
Công suất lớn hơn có thể đạt được ở cồn nhiên liệu do tỉ số nén của xăng dầu là 8:1 còn
của cồn là 12:1. Tỉ số nén gia tăng cho phép bởi tính chất chống va đập của cồn. Số liệu
thực nghiệm chỉ ra rằng cồn nhiên liệu có thể tạo ra công suất lớn hơn 20% so với xăng
dầu.
Cồn nhiên liệu có áp suất hơi thấp, vì vậy sẽ gây khó khăn cho việc khởi động lạnh động
cơ khi nhiệt độ dưới 15

0
C. Để hỗ trợ trong giai đoạn này thì cần phải có một hệ thống khởi
động lạnh.
1.2. RƠM RẠ VÀ THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA RƠM RẠ TRẤU
Rơm ra là phế thải của sản xuất nông nghiệp, nhưng lại là nguyên liệu tốt cho công nghệ
hóa học, giấy vàcellulose. Chúng có độ dài xơ trung bình vào khoảng 0,5 ÷ 0,8 mm [5].

8
Về thành phần hóa học, hàm lượng cellulose trong rơm lúa gạo vào khoảng 34÷38%; hàm
lượng lignin thấp 12%. Do đó quá trình phân hủy lignin để thu nhận cellulose diễn ra dễ
dàng hơn. Hàm lượng hemicellulose cao. Hàm lượng tro và hàm lượng silic trong rơm lúa
gạo khá cao: 14 ÷ 18% đối với tro và 8% đối với silic.
Trấu là một lớp vỏ cứng bao quanh hạt gạo có nhiệm vụ bảo vệ hạt gạo trong khi lúa phát
triển theo mùa. Nhờ có lớp lignin và lớp silica bao quanh nên trấu có cấu trúc bền, cứng,
khó phá vỡ, hầu như không bò tiêu hoá nếu như con người ăn phải. Khi thu hoạch, con
người chỉ lấy phần hạt gạo bên trong, phần vỏ trấu thải ra ngoài, nên vỏ trấu được xem là
nguồn phế phẩm trữ lượng lớn. Với sản lượng 23 triệu tấn lúa thóc, sau khi thu hoạch gạo
chiếm 50-60% khối lượng, còn khoảng 20-25% khối lượng là vỏ trấu [11]. Hiện nay, việc
ứng dụng vỏ trấu vẫn chưa được nhiều.
1.2.1 Kết cấu thành tế bào
Các vật liệu lignocellulose thường gồm ba nhóm polymer: cellulose, hemicellulose, và
lignin. Cellulose và hemicellulose là các polysacharide của đường có khả năng lên men.
Cellulose là hợp chất cao phân tử của glucose, một loại đường 6 cacbon. Hemicellulose thì
nhiều loại hơn, nó là hỗn hợp của đường 5 và đường 6 như là: xylose, mannose, glucose,
arabinose, galactose và uronic acid. Lignin là một polymer của phenol do đó không thể sử
dụng lên men cồn được.
Cấu trúc cơ bản, tổ chức và sự tương tác giữa các phân tử có ảnh hưởng lớn tới tính chất
vật lý, hóa học của toàn bộ cây. Một vài chất trích ly như xáp và lipid cũng hiện diện
trong thành tế bào, nhưng không ảnh hưởng tới cấu trúc. Một thành phần khác, cấu tạo
bởi các chất vô cơ như calcium, natri và silic, được gọi là tro, chiếm khoảng 10% thành

phần rơm rạ. Thành phần này cũng không được dùng để lên men.

1.2.2 Cellulose
Sợi cellulose có tính bền vững cao, là một chuỗi đồng nhất có thể lên tới 12000 đơn vò liên
kết b- glucose 1 > 4. Ở trạng thái tự nhiên, mạch cellulose được liên kết với nhau nhờ
các cầu nối hydro giữa các phân tử [6]. Các cầu nối hydro nội phân tử cũng được hình
thành giữa các đơn vò glucose của cũng một chuỗi.
Hiệu ứng cộng hợp của năng lượng liên kết của các nối hydro làm gia tăng sự bền chặt
của cellulose và làm cho nó không tan trong hầu hết các dung môi hữu cơ. Các chuỗi
cellulose này kết hợp với nhau thành các vùng có trật tự cao hơn và các vùng vô đònh hình
ở biên được mô tả theo lý thuyết lớp biên micelle do Gerngross và cộng sự đưa ra vào
năm 1932. Sự kết khối của cellulose hình thành các sợi nhỏ đóng vai trò như lõi của các vi

9
sợi (Hình 1.2). Trong các nguyên liệu biomass, cellulose là nguồn cung cấp chủ yếu
glucose, thành phần có khả năng lên men.



Hình 1.1. Cấu trúc cellulose, và liên kết β (1 → 4) glucosidic.



Hình 1.2. Liên kết hydronội phân tử (intramolecular) và ngoại phân tử
(intermolecular) trong mặt cắt của cây [6]



10


Hình 1.3. Các thành phần trong vi sợi: C -vùng kết tinh, A- vùng vô đònh hình [6]

Để thủy phân hoàn toàn cellulose tự nhiên thành dạng có thể lên men được là một quá
trình phức tạp vì glucose dễ bò phân hủy. Cấu trúc của sợi cellulose trong đó có cả vùng
vô đònh hình và vùng tinh thể đòi hỏi một mô hình có tính toán đến hai tốc độ phản ứng ở
hai vùng. Grethlein [7] mô tả động học quá trình thủy phân như sau:


Trong đó A’ biểu diễn cellulose vô đònh hình, A biểu diễn cellulose tinh thể, B biểu diễn
các đơn phân glucose, và C là sản phẩm phân hủy từ glucose. Tốc độ phản ứng tổng bò
khống chế bởi tốc độ thủy phân cellulose tinh thể vì thành phần tương đối cao của cellulo
tinh thể trong nguồn nguyên liệu biomass và điều kiện phản ứng để phân hủy cellulose (A
> B) để làm tăng khả năng phân hủy glucose (B > C) là tương đối khó khăn.

1.2.3 Hemicellulose
Hemicellulose là một polyme sinh học vô đònh hình. Lượng đường trong hemicellulose
thay đổi rất nhiều. Nhìn chung, các cacbohydrate của hemicellulose bao gồm
glucuronoxylan, glucomannan, và một lượng nhỏ các polysaccharide khác.
Glucuronoxylan (O-acetyl-4-O-methyl-glucurono-D-xylan) là thành phần chiếm ưu thế
[8]. Trục chính của polyme là liên kết b 1-4 của các chuỗi xylopyranose. Khoảng chừng
một phần mười đơn vò xylose có liên kết 1-2 giữa các chuỗi acid 4-O-methyl-D-glucuronic,

11
và khoảng bảy phần mười các cacbon C-2 C-3 bò acetyl hóa. Glucomannan có ít hơn trong
thành phần của hemicellulose, vào khoảng 3-5%. Các chuỗi heteropolymer gồm các liên
kết b 1-4 của glucose và mannose với tỷ lệ trung bình là hai mannose với một glucose [6]
Trong vách tế bào, hemicellulose bao quanh và liên kết với lõi cellulose của vi sợi bằng
các liên kết hydro [9]. Glucuronoxylan mạch nhánh làm cho cấu trúc polymer không đònh
hình. Glucomannan cũng không đònh hình tùy theo sự không đồng nhất của các
cacbohydrate thành phần. Nhìn chung, hemicellulose thủy phân nhanh chóng thành đường

trong điều kiện acid êm dòu [8]

Hình 1.4. Một phần cấu trúc của O-acetyl-4-O-methylglucuronoxylan trong gỗ [6]

1.2.4 Lignin
Thành phần thứ ba của thành tế bào của biomass là lignin. Những hiểu biết về lignin rất
giới hạn bởi sự khó khăn trong việc phân lập lignin, và cũng bởi vì sự biến động nhiều của
chúng trong tự nhiên. Tuy nhiên, lignin được biết là một chất bền vững, có khối lượng
phân tử lớn và được hình thành từ các phenyl propan (Hình 1.5). Như là một phần của cấu
trúc vi sợi, lignin đóng vai trò như một chất keo điền đầy khoảng không gian giữa
cellulose và hemicellulose và các polyme phức tạp khác. Sự có mặt của lignin làm hạn
chế đáng kể khả năng tấn công vào các phân tử cellulose và hemicellulose. Hơn thế nữa,
lignin cũng rất cứng, giúp cho tế bào gỗ cứng. Lignin hình thành nên thành phần chính của
phần giữa của phiến lá, hoặc các gian bào. Như vậy, lignin đóng vai trò như là chất kết
nối giữa các tế bào, cũng như là các cấu trúc hỗ trợ cho cây.



12

Hình 1.5. Cấu tạo của lignin trong gỗ cứng và gỗ mềm.


1.2.5 Cấu trúc thành tế bào
Cấu trúc của các vi sợi hình thành nên cấu trúc cơ bản của thành tế bào của biomass. Các
vi sợi có hướng xác đònh được gắn kết tạo nên các lớp khác nhau. Lớp vách tế bào đầu
tiên, lớp ngoài cùng, cấu trúc sơ sợi không có hướng nhất đònh. Các vi sợi được gắn kết
theo mọi hướng hình thành mạng lưới. Lớp vách tế bào thứ hai gồm ba phân lớp S1, S2 và
S3. Số thứ tự này được quy đònh dựa trên trật tự sắp xếp các lớp từ ngoài vào trong; ví dụ:
S1 là phần ngoài cùng của lớp thứ hai, ngay sau lớp thứ nhất, và S3 là phân lớp trong cùng

của thành tế bào. Cấu trúc vi sợi ở lớp S1 đònh hướng theo chiều ngang (vuông góc với
trúc của thân cây), ở phân lớp S2 thì cấu trúc vi sợi đònh hướng theo chiều dọc (song song
với trục của thân cây), và tiếp tục theo chiều ngang ở phân lớp S3.
Tỷ lệ cellulose lớn nhất trong tế bào gỗ là ở vách tế bào thứ hai (Hình 1.6). Như hình vẽ
cấu trúc của vi sợi , cellulose không thể bò tấn công tức thời. Tuy nhiên, mặc dù giữa các
lớp gắn kết chặt chẽ với nhau nhưng tế bào gỗ vẫn có các lỗ xốp. [10]. Các lỗ này được
coi như là các mao quản bởi vì nó hình dạng dài và mảnh. Sự xuất hiện của các mao quản
là nhờ có sự lấp kín không hoàn toàn không gian giữa các thớ của vi sợi của lignin và các
chất khoáng [11]. Khe hở giữa các mao quản rất nhỏ. Trong điều kiện bình thường, hầu
hết các vi mao quản chỉ có thể tấn công vào đối với các phân tử có kích thước nhỏ hơn 51
A
0
[10]

13

Hình 1.6. Phân bố cellulose, hemicellulose, và lignin trong thành tế bào gỗ điển hình [11]

Các sợi cellulose có khả năng chống lại các tác nhân hóa học cao. Để có thể cắt đứt
cellulose thành các glucose, các liên kết ngoại phân tử và liên kết nội phân tử, cũng như
các liên kết glucosidic giữa các glucose phải được tách ra. Việc tách các liên kết này có
thể được thực hiện nhờ thủy phân bằng enzym hoặc acid. Đối với những chất phức tạp
hơn, cellulose tồn tại liên kết với hai loại polymer khác là hemicellulose và lignin. Có liên
kết hydrogiữa cellulose và hemicellulose. Mặc dù lignin không liên kết trực tiếp với
cellulose, nhưng nó hình thành liên kết liên hợp với hemicellulose
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ RƠM RẠ, TRẤU
Rơm rạ và trấu có thể được dùng làm nguyên liệu để lên men khi áp dụng các phương
pháp xử lý thích hợp. Để xác đònh hiệu quả của phương pháp xử lý, các phương pháp đó
phải có những điều kiện sau: 1) Tạo ra được lượng đường lớn nhất có thể có khả năng lên
men, 2) Tránh và làm giảm sự phân hủy của các cacbohrat, 3) Tránh và làm giảm sự

hình thành các chất ức chế sự phát triển của vi khuẩn, và 4) Có khả năng thực hiện và
mang lạiø hiệu quả kinh tế. Như vậy, mục đích của quá trình xử lý là phá vỡ cấu trúc
lignocellulose tạo thành các monosaccharide phục vụ cho quá trình lên men.

14
Ba yếu tố chính để phá vỡ cellulose thành các monosaccharide là kích thước lỗ xốp [12],
sự kết tinh của cellulose và khả năng loại bỏ lignin. Để nâng cao khả năng tấn công vào
các cellulose, có thể đạt được bằng cách loại bỏ hemicellulose bởi vì hemicellulose có
khả năng thủy phân dễ dàng hơn nên sẽ tạo ra kích thước lỗ xốp lớn hơn trong lớp vi sợi.
McMillan [13] chỉ ra rằng khả năng thủy phân của enzyme tỷ lệ với việc loại bỏ
hemicellulose, tồn tại sự tương quan thuận giữa kích thước lỗ xốp (hoặc bề mặt riêng) với
sản lượng glucose trong quá trình thủy phân enzyme; (ví dụ như: kích thước lỗ xốp càng
lớn tương ứng với sản lượng glucose càng cao).
Sự kết tinh của glucose là nhân tố thứ hai quyết đònh đến sản lượng glucose. Độ kết tinh
càng cao thì tốc độ thủy phân càng chậm. Weimer và cộng sự [14] chứng minh rằng quá
trình xử lý hóa chất và nhiệt có khuynh hướng làm tăng chỉ số kết tinh tương đối (RCI) của
cellulose vô đònh hình. Một nghiên cứu tương tự lại chỉ ra rằng sự gia tăng RCI không có ý
nghóa đối với sự kết tinh của cellulose.
Yếu tố thứ ba là, bởi vì khả năng tấn công vào cellulose của vi sợi bò ngăn cản bởi ma trận
lignin bao quanh, nên việc loại bỏ lignin sẽ giúp gia tăng đáng kể khả năng tấn công vào
các polysaccharide. Có một vài phương pháp xử lý biomass để chuyển hóa nguyên liệu
lignocellulose thành đường có khả năng lên men. Các phương pháp này bao gồm xử lý
kiềm và acid loãng, thủy phân bằng acid, ammonia quá trình xử lý thuỷ nhiệt (AFEX), quá
trình xử lý thuỷ nhiệt, thủy phân enzym Tuy nhiên, trong báo cáo này chỉ giới hạn ở quá
trình thủy phân bằng acid và steamexplosion/ thủy phân enzyme bởi vì những phương
pháp này có nhiều triển vọng hơn các phương pháp khác.
1.3.1 Thủy phân acid
Thủy phân acid là phương pháp xử lý truyền thống đối với quá trình lên men
lignocellulose. Bracconet là người đầu tiên khám phá rằng việc xử lý gỗ bằng acid
sulfuric đậm đặc sẽ tạo ra glucose vào năm 1819.

Franzidis và Porteous xem xét lại tính kinh tế của quá trình thủy phân trước đây. Quá trình
“Mỹ”, được biết đến là phương pháp Simosen, được sử dụng từ năm 1910 đến năm 1922.
Bã của nhà máy của gỗ thông ở miền Nam nước Mỹ được thủy phân gián đoạn sử dụng
0,5% acid sulfuric và hơi nước ở áp suất 912 kPa. Sản lượng ethanol của toàn bộ quá trình
vào khoảng 22 gal/ton (83,28 l/tấn), được chứng minh là không có tính kinh tế. Quy trình
của Đức, do Heinrich Scholler phát triển sau đó vài năm, đã tăng sản lượng lên 52-58
gal/ton (197 l/tấn) trong 13 – 20 giờ thủy phân. Quá trình Scholler sử dụng phương pháp
“thấm qua theo xung” trong đó acid sulfuric 0,8% được cho chảy qua cột nén đầy bã gỗ ở
nhiệt độ 120
0
C đến 180
0
C. Giai đoạn hoạt động mạnh mẽ của quá trình Scholler là suốt
chiến tranh thế giới lần thứ hai tại Đức. Phòng thí nghiệm Sản phẩm Lâm nghiệp Mỹ phát

15
triển quy trình Scholler làm tăng sản lượng ethanol lên 64,5 gal/tấn (244 l/tấn) chỉ trong 3
giờ thủy phân. Việc cải tiến trong quy trình đường gỗ Madison của phòng thí nghiệm Sản
phẩm Lâm nghiệp là ở chỗ dòng acid loãng là dòng liên tục và dòch thủy phân được tháo
ra liên tục, điều này làm giảm sự phân hủy của các monosaccharide. Quy trình Madison
chưa hề thực sự có tính kinh tế bởi vì nó không có khả năng cạnh tranh hiệu quả với cồn
sản xuất từ các nguồn dầu mỏ.

1.3.2 Cơ chế thủy phân acid
Lúc ban đầu, quá trình thủy phân acid xảy ra sự tấn công và phá hủy cellulose với mức độ
vừa phải. Chất xúc tác chính là ion hydro có kích thước 4A
0
. Như đã đề cập trong phần
2.2.2, các lỗ xốp trong vi sợi cho phép các phần tử có kích thước đến 51 A
0

đi vào. Ion
hro, vì vậy ít bò ảnh hưởng về khả năng tấn công vào cellulose như là enzyme cellulase.
Hơn nữa, cơ chế cơ bản của quá trình thủy phân liên kết glucosidic tương đối đơn giản
(Hình 1.7). Cơ chế này tương tự quá trình thủy phân các liên kết glucosidic khác như tinh
bột (b 1 >4 – glucose, và mạch nhánh b 1 >6). Bước thứ ba (Hình 1.7) là bước giới hạn
tốc tốc độ phản ứng bởi vì sự hình thành cấu hình nửa ghế có mức năng lượng cao do sự
tuần hoàn các ion cacbonium.
Tốc độ thủy phân lúc đầu thường rất nhanh Goldstein, Grethlein thực hiện các thí nghiệm
để chỉ ra rằng giai đoạn đầu của phản ứng thủy phân, kích thước lỗ xốp càng lớn thì tốc độ
phản ứng càng nhanh. Tuy nhiên, sau khi sự thủy phân đạt đến giới hạn, tốc độ phản ứng
giảm nhanh chóng. Các liên kết glucosidic dễ dàng bò thủy phân là những liên kết ở bề
mặt hoặc trong vùng không đònh hình của cellulose. Tốc độ thủy phân nhanh chóng phản
ánh hoạt tính của quá trình thủy phân trong các vùng này và có thể thấy được thông qua
sự giảm độ trùng hợp (degree of polymerization, DP) từ vài ngàn đến khoảng 200 [15].
Giá trò này được xem như là sự dừng lại của độ trùng hợp (leveling off degree of
polymerization, LODP). Nếu thủy phân tiếp sẽ khó khăn hơn ở dưới LODP bởi vì độ kết
tinh cao của các phân tử cellulose còn lại.
Tillman và cộng sự [16] thực hiện các nghiên cứu có liên quan đến tính dẫn nhiệt của các
mảnh gỗ dương nhằm tăng tốc độ thủy phân. Kết quả cho thấy kích thước các phần tử
càng nhỏ thì tốc độ truyền nhiệt càng nhanh, vì vậy tránh được sự biến động nhiệt độ tức
thời, làm tăng tốc độ phản ứng thủy phân tổng cộng.
Converse và Grethlein [17] đưa ra một nghiên cứu dựa trên việc phát triển một phương
pháp xử lý bằng thủy phân acid dùng để đường hóa biomass. Bản đồ sản lượng glucose và
xylose được nghiên cứu để phục vụ cho việc dự đoán điều kiện phản ứng tối ưu. Nó được
xác đònh sao cho tối đa hóa lượng glucose thu được đồng thời giảm thiểu sự phân hủy,

16
phản ứng theo nhiều hướng của chất rắn khi đi qua thiết bò phản ứng ở nhiệt độ thấp.
Lượng xylose tối đa xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn so với của glucose. Các nhà nghiên cứu
phát triển một hệ thống dựa trên việc cải tiến thiết kế của Thompson. Thiết kế của

Thompson là thiết bò phản ứng liên tục một pass. Thiết kế sau đó có thêm một bộ phận
phun hơi trong thiết bò phản ứng. Để sử dụng thiết kế của Thompson trong đó thiết bò phản
ứng bắt đầu bằng việc bơm acid vào, Converse và Grethlein thấy rằng việc khuấy trộn tức
thời là không khả thi. Việc phun hơi vào giúp cho acid được khuấy trộn đều với hỗn hợp
phản ứng ở dưới nhiệt độ phản ứng trước khi phản ứng bắt đầu. Việc phun hơi cũng loại
bỏ khả năng ăn mòn so với phun acid. Kết quả của thiết bò phản ứng một pass cho thấy
hạn chế của quá trình đường hóa và nâng sản lượng lên 50%. Các thành phần sau khi thủy
phân được dùng để thủy phân tiếp bằng enzyme cải thiện đáng kể sản lượng, lên đến
100% đối với rơm bắp và 90% đối với gỗ sồi.
Carrasco và cộng sự [18] so sánh hiệu quả của phương pháp xử lý acid so với quá trình xử
lý thuỷ nhiệt. Nghiên cứu cho thấy cả hai phương pháp xử lý đều làm tăng chỉ số kết tinh
cellulose (CI). Ảnh hưởng này không xuất hiện khi sử dụng Sigmacell, một loại vi tinh thể
thuộc họ glucose cho các phương pháp xử lý, vì vậy cho thấy rằng sự thủy phân vùng vô
đònh hình sẽ làm tăng chỉ số kết tinh cellulose (CI). Đối với các loại biomass được sử dụng
(gỗ cứng, gỗ mềm, cỏ), quá trình thủy phân acid làm CI tăng ở mức độ ít mạnh mẽ so với
quá trình xử lý thuỷ nhiệt. Tuy nhiên, khi các mảnh cellulose được xử lý được dùng để
thủy phân tiếp, các tác giả nhận thấy rằng xử lý bằng acid làm tăng tốc độ quá trình thủy
phân trong khi quá trình xử lý thuỷ nhiệt làm giảm tốc độ.



Hình 1.7. Cơ chế chính của quá trình thủy phân [6]

17
1.3.3 Quá trình xử lý thuỷ nhiệt
Quá trình xử lý thuỷ nhiệt được phát triển bởi W. H. Mason cho sản phẩm gỗ ép [19]. Kể
từ đó, việc ứng dụng quá trình này được mở rộng cho các sản phẩm như thức ăn gia súc,
và nghiền gỗ cứng.
Ứng dụng của quá trình xử lý thuỷ nhiệt trong xử lý biomass được đề cập đến từ đầu
những năm của thập niên 1980. Công ty Iotech thực hiện một số nghiên cứu đầu tiên về

hiệu quả của quá trình xử lý thuỷ nhiệt đối với gỗ cây dương. Một báo cáo toàn diện của
Iotech được gửi tới Bộ Năng lượng Mỹ mô tả ảnh hưởng của thời gian lưu và áp suất đối
với sản lượng xylose và glucose. Iotech tìm ra rằng, ở một áp suất nhất đònh, sản lượng
xylose và glucose đạt cực đại ở các thời gian lưu khác nhau, và xylose thường đạt cực đại
trước glucose. Tương tự, sản lượng xylose và glucose lớn nhất có được ở nhưng áp suất
khác nhau. Kết luận cuối cùng được đề cập đến trong báo cáo là điều kiện phản ứng tối
ưu của holocellulose (xylose + glucose) là 500 – 550 psig trong thời gian 40 giây.
Một vài nghiên cứu ứng dụng quá trình xử lý thuỷ nhiệt cho các loại nguyên liệu biomass
khác nhau được thực hiện tiếp theo báo cáo của Iotech, Schultz và cộng sự so sánh hiệu
quả của phương pháp xử lý quá trình xử lý thuỷ nhiệt trên hỗn hợp các mảnh gỗ cứng, vỏ
trấu, thân cây bắp, và bã mía. Quá trình xử lý thuỷ nhiệt ở 240 – 250
0
C và trong một phút
làm tăng tốc độ thủy phân enzyme của các mảnh gỗ cứng, vỏ trấu, và bã mía lên ngang
bằng tốc độ thủy phân giấy lọc. Các mẫu được xử lý quá trình xử lý thuỷ nhiệt không làm
tăng tốc độ thủy phân acid so với mẫu chưa xử lý. Nghiên cứu cũng cho thấy không có sự
khác biệt về tốc độ thủy phân đối với mẫu chứa trong 8 tháng trước khi thủy phân với mẫu
được xử lý quá trình xử lý thuỷ nhiệt trước khi thủy phân.
Martinez và cộng sự [20] sử dụng Onopordum nervosum và Cyanara cardunculus làm
nguyên liệu. Hiệu quả đường hóa (lượng glucose sinh ra sau 48 giờ thủy phân bằng
enzyme/lượng glucose tối đa trong mẫu) đạt được trên 90% đối với O. nervosum khi xử lý
quá trình xử lý thuỷ nhiệt ở 230
0
C, 1 – 2 phút và C. cardunculus ở 210
0
C, 2 – 4 phút. Kết
quả tương tự góp phần cũng cố về hiệu quả của quá trình quá trình xử lý thuỷ nhiệt đối với
quá trình đường hóa bằng enzyme được báo cáo bởi Nunes và Pourquie [21] với gỗ cây
khuynh diệp, Martin và cộng sự [22] với gỗ thông, và Moniruzzaman [23] với rơm rạ.


1.3.4 Cơ chế quá trình xử lý thuỷ nhiệt
Chornet và Overend [24] mô tả quá trình xử lý thuỷ nhiệt như là một quá trình cơ – hóa –
nhiệt. Việc phá vỡ cấu trúc của các hợp phần được sự hỗ trợ của nhiệt dưới dạng hơi
(nhiệt), lực cắt dựa trên sự giản nở của ẩm (cơ), và thủy phân các liên kết glucosidic (hóa
học).

18
Trong thiết bò phản ứng, hơi nước có áp suất cao thấm vào cấu trúc của lignocellulosic nhờ
khuyếch tán. Hơi nước ngưng tụ ở áp suất cao sẽ làm ẩm vật liệu. Ẩm trong biomass thủy
phân các nhóm acetyl của hemicellulose, hình thành các acid hữu cơ như là acid acetic và
uronic. Các acid này, tiếp tục làm chất xúc tác để phân hủy mạch polyme của
hemicellulose, giải phóng xylan và một phần glucan. Dưới điều kiện khắc nghiệt như vậy,
vùng vô đònh hình của cellulose có thể bò thủy phân một phần. Dưới điều kiện cao hơn
nữa, ví dụ như áp suất cao, nhiệt độ cao, tuy nhiên có thể xúc tiến sự phân hủy xylan
thành fufural và glucose thành 5-hydroxylmethyl fufural. Fufural là chất ức chế khả năng
phát triển của vi sinh vật, vì vậy không có lợi đối với việc lên men.
“Ẩm” trong biomass “bung ra” khi áp suất trong thiết bò phản ứng được giải phóng. Một
vài hiện tượng xảy ra ở thời điểm này. Đầu tiên, ẩm ngưng tụ trong cấu trúc vật liệu được
hóa hơi ngay lập tức do sự giảm áp suất đột ngột. Sự giãn nở của nước tạo ra lực cắt trong
cấu trúc bao quanh vật liệu. Khi lực cắt này đủ lớn, hơi nước sẽ gây nên sự phá hủy cơ học
đối với cấu trúc lignocellulose.
Sự mô tả quá trình làm nổi bật điều quan trọng nhất trong việc tối ưu hai yếu tố chủ đạo:
thời gian lưu và nhiệt độ. Thời gian biomass nằm trong thiết bò phản ứng giúp xác đònh
phạm vi thủy phân hemicellulose của các acid hữu cơ. Quá trình thủy phân hemicellulose
hỗ trợ rất nhiều cho quá trình lên men sau này. Tuy nhiên, thời gian lưu dài cũng làm gia
tăng các sản phẩm bò suy thoái. Như đã đề cập đến trước đây, đặc biệt trong việc chuẩn bò
các nguyên liệu lên men, các sản phẩm bò suy thoái phải được giảm tối thiểu.
Nhiệt độ có liên quan đến áp suất hơi trong thiết bò phản ứng. Nhiệt độ càng cao thì áp
suất càng cao, vì vậy làm gia tăng sự chênh lệch áp suất trong thiết bò phản ứng so với bên
ngoài. Sự chênh lệch áp suất này tỷ lệ với lực cắt khi tạo nên sự chênh lệch áp suất đột

ngột trên vật liệu.

1.3.5 Yếu tố hệ số xử lý
Trong nhiều nghiên cứu khác nhau sử dụng nhiều loại biomass khác nhau do đó cần quy
chuẩn các thông số của quá trình để dễ dàng so sánh. Ví dụ như, một thông số chung được
dùng để sắp xếp các nghiên cứu là sự giảm thiểu các sản phẩm bò suy thoái nhờ vào các
điều kiện xử lý. Điều này rất quan trọng để có thể liên hệ sản lượng sản phẩm thực tế so
với mức độ xử lý.
Những nghiên cứu trước đây trong công nghiệp bột giấy chỉ ra rằng khi nghiên cứu ảnh
hưởng của xử lý hơi nước trên các thông số như là khả năng tấn công của enzyme vào bột
giấy, nhiệt độ xử lý và thời gian có thể hoán đổi cho nhau. Trong nghiên cứu này,
Overend và Chornet sử dụng mô hình để xác đònh mức độ xử lý của phương pháp xử lý

19
quá trình xử lý thuỷ nhiệt trong đó bao gồm ảnh hưởng của cả nhiệt độ và thời gian lưu.
Yếu tố mức độ xử lý trở thành một hằng số cho bất kỳ một tập hợp nhiệt độ và thời gian
lưu. Mô hình này dựa trên giả thiết rằng động lực của quá trình là bậc một, và tuân theo
đònh luật Arrhenius:

/
E
aRT
kAe
−
=
Trong đó, k = hằng số tốc độ
A = Hệ số tuần hoàn Arrhenius
E
a
= năng lượng hoạt hóa

R = hằng số khí lý tưởng (8.314 kJ/kg mol K)
T = nhiệt độ tuyệt đối (K)
Từ đó, triển khai phương trình phản ứng ta được:

()
0
0
exp 14,75
t
rb
R
TT dt=−
⎡⎤
⎣⎦
∫

Trong đó,
t = Thời gian lưu (phút)
T
r
= nhiệt độ phản ứng (
0
C)
T
b
= nhiệt độ cơ sở là 100
0
C
(14,75 là năng lượng quy ước cho quá trình hoạt hóa toàn bộ quá trình là quá trình
thủy phân và quá trình chuyển hóa bậc một).

Giá trò log của phản ứng thông thường cho ta hệ số mức độ xử lý được dùng làm cơ sở cho
quá trình xử lý quá trình xử lý thuỷ nhiệt trên biomass.
Severity = log
10
(R
0
)
Trong đó, Severity = hệ số mức độ xử lý
R
0
= bậc tự do của phản ứng.
Chronet và Overend mô tả ứng dụng của mô hình bậc tự do của phản ứng cho các dữ liệu
nghiên cứu về quá trình xử lý thuỷ nhiệt trước đây. Khuynh hướng thu hồi pentosan từ
Populus Tremuloides từ quá trình xử lý thuỷ nhiệt của Heitz và cộng sự được mô hình hóa
có hiệu quả như là một hàm của hệ số mức độ xử lý [24]. Tương tự, Thu hồi pentosan từ
Stipa Tenacissima trong nghiên cứu của Belkacemi (1989) cũng được mô hình hóa với hệ
số mức độ xử lý.
Dữ liệu được dùng bởi Chornet và Overend được dựa vào các nguyên liệu gỗ. Theo
nghiên cứu cách đây không lâu của Kaar và cộng sự [25] sử dụng bã mía đã xử lý quá
trình xử lý thuỷ nhiệt, tuy nhiên, kết luận rằng mô hình bậc phản ứng không áp dụng phổ
biến. Cụ thể là, các tác giả đã tìm ra sản lượng glucose khi thủy phân bã mía bằng
enzyme không phải là hằng số ở một mức độ xử lý và các khoảng nhiệt độ khác nhau.

20

1.3.6 Các ảnh hưởng về mặt vật lý và hóa học của quá trình xử lý thuỷ nhiệt đối với
vật liệu lignocellulose
Tanahashi và cộng sự [26] nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xử lý thuỷ nhiệt lên hình
thái học và tính chất vật lý của gỗ. Các tác giả này chỉ ra rằng ở áp suất lớn hơn 28 kg/cm
2


(230
0
C) và thời gian lưu 16 phút , các vi sợi của Shirakaba bò tách rời ra hoàn toàn. Các vi
sợi trở nên ngắn hơn và dày hơn theo thời gian xông hơi. Độ kết tinh tăng 1,5 lần, và bề
rộng của Mixen tăng 2 lần. Điều này dẫn đến kết luận rằng các cellulose vô đònh hình
chuyển hóa thành thành các tinh thể trong suốt quá trình xông hơi. Vì vậy, chỉ số kết tinh
và bề rộng của Mixen của gỗ sau xử lý quá trình xử lý thuỷ nhiệt tăng theo thời gian gian
xông hơi. Các phân tích nhiệt cũng biểu diễn trên gỗ đã xử lý, nó mô tả rằng quá trình xử
lý thuỷ nhiệt ở mức độ vừa phải sẽ xúc tiến quá trình đề-lignin hóa. Tác giả quan sát sự
phân hủy của lignin dựa trên sự phản chiếu của nhiệt độ chuyển hóa (Tg) của lignin. Mũi
đáp ứng của Tg của lignin, nguyên thủy bò mất đi trong phân tích gỗ chưa xử lý và xuất
hiện trong các mẫu gỗ được quá trình xử lý thuỷ nhiệt. Với cùng một nhiệt độ/áp suất,
cường độ mũi Tg của lignin tăng theo thời gian xông hơi tới 2 phút. Tuy nhiên, có sự giảm
cường độ của mũi lignin ngay sau đó khi thời gian quá hai phút. Đối với cùng một thời
gian xông hơi (trong nghiên cứu này là 2 phút), cường độ mũi Tg của lignin tăng theo
nhiệt độ/áp suất phản ứng. Các tác giả giải thích hiện tượng này là do sự tái polyme hóa
của lignin, từ đó dẫn đến kết luận về điều kiện phản ứng để tối ưu quá trình đề-lignin hóa
là 28 kg/cm
2
, 2 phút theo Shirakaba.
Một nghiên cứu tiếp theo được thực hiện bởi Tanahashi và cộng sự (1988) quan sát ảnh
hưởng hóa học của quá trình quá trình xử lý thuỷ nhiệt gỗ. Các mảnh hemicellulose được
tìm thấy dễ dàng thủy phân tạo thành các oligo saccharide nhờ hơi nước, ở mức độ xử lý
thấp (20 kg/cm
2
, 1 phút). Độ xử lý cao hơn sẽ thủy phân hemicellulose thành các
monosaccharides, nhưng cũng làm tăng nồng độ của fufural và 5-hydroxymethyl fufural.
Tương tự, Excoffier [27] tìm ra rằng độ kết tinh của cellulose tăng theo việc xử lý bằng
hơi nước. Đó là do vùng vô đònh hình của cellulose trong suốt quá trình xử lý nhiệt.

Excoffier và cộng sự cũng tìm ra trong khi hemicellulose bò loại bỏ nhờ thủy phân thì
lignin trở nên mềm dưới tác dụng của nhiệt và bò depolymer hóa.
Atalla [28] nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xử lý thuỷ nhiệt lên bản thân cellulose.
Hình chụp X-ray của mẫu cây dương được xử lý quá trình xử lý thuỷ nhiệt bộc lộ ra là ở
nhiệt độ xử lý cao sẽ làm gia tăng bậc của cấu trúc lưới cellulose, vì thế làm tăng độ kết
tinh. Ảnh hưởng của nhiệt độ cao với thời gian lưu ngắn không có lợi so với nhiệt độ xử lý
thấp và thời gian lưu dài. Thí nghiệm được cũng cố hơn thông qua việc phân tích phổ

21
Raman và phổ NMR trạng thái rắn (CP/MAS). Atalla cũng khẳng đònh rằng tác động cơ
học trong quá trình giảm áp cũng làm tăng bậc cấu trúc trong cellulose. Ảnh hưởng này
được suy luận từ những thực nghiệm có liên quan đến xử lý cơ học cellulose bằng máy
nghiền bi và ép với sàng mòn trước đây. Một phát hiện thứ hai từ phổ Raman là nhiệt độ
xử lý càng cao thì càng làm gia tăng khả năng đề-lignin hóa.
Focher và cộng sự [29] quan sát rơm của lúa mì bằng kính hiển vi điện tử quét (scanning
electron microscopy, SEM) và phát hiện ra phạm vi giải kết sợi được mở rộng khi mức độ
xử lý gia tăng. Kính hiển vi điện tử còn cho thấy sự hình thành các giọt trong các sợi ở
mức độ xử lý cao được coi là minh chứng thực tế về sự hình thành của lignin.
Marchessault và St – Pierre [30] quan sát lớp chất đọng giống như hình cầu trong bột giấy
sau khi đã xử lý bằng quá trình xử lý thuỷ nhiệt. Nhiệt độ làm mềm của lignin vào khoảng
130 – 190
0
C. Chornet và Overend cho rằng các khối cầu là kết quả của sự tạo thành hạt
nhân bởi lignin khi đối tượng được xử lý ở nhiệt độ nằm trên điểm làm mềm của lignin.
Tóm lại, kết luận về ảnh hưởng của quá trình xử lý thuỷ nhiệt đối với vật liệu
lignocellulose đã được báo cáo trong các tài liệu có những điểm chính sau:
1. Quá trình xử lý thuỷ nhiệt làm gia tăng sự kết tinh của các cellulose do thúc đẩy
quá trình kết tinh của vùng vô đònh hình.
2. Hemicellulose dễ dàng bò thủy phân trong quá trình xử lý quá trình xử lý thuỷ
nhiệt.

3. Các chứng cứ xác nhận quá trình xử lý thuỷ nhiệt thúc đẩy quá trình đề-lignin hóa.
Cả đề-lignin hóa và thủy phân hemicellulose gia tăng kích thước lỗ xốp trong tế bào thực
vật và vì vậy có lợi cho việc thủy phân cellulose ngay sau đó. Tuy vậy, sự gia tăng độ kết
tinh của cellulose là một nhược điểm của xử lý thuỷ nhiệt. Thủy phân cellulose bằng acid
bò ức chế bởi độ kết tinh cao [15].
a)




22


b)


Hình 1.8. Ảnh chụp SEM của rơm lúa mì sau khi xử lýù thuỷ nhiệt
a) 210
0
C, 2 phút, b) 235
0
C, 2 phút. [29]
1.4. VÀI NÉT VỀ QUÁ TRÌNH LÊN MEN

1.4.1. Nấm men
Nấm men là một vi sinh vật đơn bào dễ nhận biết có khả năng chuyển hóa đường thành
cacbon dioxide (CO
2
) và nước khi có mặt của không khí; hoặc thành cồn và cacbon
dioxide, trong điều kiện hiếm khí. Đặc điểm này được sử dụng trong việc lên men các loại

cồn.
Một giống men là Saccharomyces được dùng trong sản xuất bia. Nhưng giống này có hai
chủng. Chủng S. cerevisiae, được dùng trong sản xuất rượu bia, và cũng được dùng để làm
bánh mì, rượu vang và rượu uýt-ky. Loài này có khả năng chòu đựng cao và tồn tại được ở
ngoài khí quyển.
Chủng còn lại là S. carlsbergensis (uvarum) được sử dụng cho rượu bia nhẹ và không thể
tìm thấy ở bất kỳ đâu ngoại trừ trong nơi ủ bia. Loài này nhạy cảm với nhiệt độ và không
thể tồn tại ở ngoài khí quyển.
Nấm men sinh sản vô tính và tự nhân đôi một cách riêng lẻ trong quá trình lên men. Bởi
vì men đưa vào môi trường lỏng vô trùng, dòch nha, nó có thể được sử dụng lại nhiều lần
đối với những đợt lên men kế tiếp mà không sợ bò tạp nhiễm. Bia là sản phẩm duy nhất
được lên men trong điều kiện vô trùng.
Hai chủng này khác nhau về nhiều đặc điểm hóa sinh. Bảng 1.1 cho thấy một vài đặc
điểm khác nhau như sau:


23


Bảng 1.1 Đặc tính sinh hóa của nấm men sử dụng trong sản xuất bia.
S. carlsbergensis S. cerevisiae
Lên men melibiose + -
Lên men rafinose +++ +
Làm việc ở điều kiện có không khí - +
Có tạo ra H
2
S +++ +
Trạng thái sau khi lên men Lắng xuống đáy Nổi lên bề mặt



1.4.2. Những nét đặc trưng của S. cerevisiae
S. cerevisiae được sử dụng trong sản xuất ở quy mô công nghiệp. Chủng này có đặc tính
sinh lý ổn đònh, lên men đường mãnh liệt trong bột nhào, các tế bào phân tán trong nước,
không có sự phân bào trong quá trình lên men, tốc độ sinh trưởng nhanh và sản lượng tế
bào lớn, và dễ bão quản trong quá trình lưu giữ.
Trong điều kiện đầy đủ không khí, S. cerevisiae sử dụng đường để gia tăng sinh khối hơn
là sản xuất cồn.
Trong điều kiện hiếm khí, S. cerevisiae chỉ có thể tạo ra một lượng enzyme để duy trì sự
sống. Nếu nồng độ glucose trong môi trường lớn hơn 5% , các enzyme phục vụ cho sự hô
hấp bò ngừng hoạt động và cơ chế tạo ra cồn chiếm ưu thế. Nồng độ glucose vào khoảng
0,1g/l là nồng độ tối đa để tăng trưởng tế bào.

1.4.3. Escherichia coli KO11
Chủng Escherichia coli hoang dại không có khả năng sản xuất cồn như là sản phẩm chủ
yếu của quá trình lên men. Trong nỗ lực tạo ra một chủng E.coli có khả năng tạo ra cồn,
Ingram và cộng sự [31] đã thành công trong việc đưa gen đề-cacboxyl pyruvate và gen
đề-hydrocồn II (pdc, adhB) từ Zymomonas mobilis vào E. coli. Kết quả là tạo được một
loại vi khuẩn tạo ra cồn nhanh và chuyển hóa được nhiều loại đường kể cả đường C-5
(pentoza).
Asghari và cộng sự [32] thực hiện một loạt thí nghiệm để xác đònh khả năng sinh ra cồn
của E. coli KO11. Cơ chất được sử dụng trong nghiên cứu này chủ yếu là hemicellulose
thủy phân từ vỏ bắp, xơ, và rơm khô của bắp. Các so sánh cũng sử dụng một hỗn hợp
đường thương mại (xylose, arabinose, glucose và galactose) mô phỏng chất thủy phân
hemicellulose. Quá trình lên men chất mô phỏng sự thủy phân hemicellulose cho thấy E.

24
coli KO11 chuyển hóa thuận lợi glucose, galactose, và arabinose. Chuyển hóa xylose có
tốc độ chậm hơn các loại đường khác. Khuynh hướng này cũng thấy được trong quá trình
lên men chất thủy phân thực. Kết luận toàn diện từ nghiên cứu này là E. coli KO11 có khả
năng chuyển hóa hiệu quả chất thủy phân từ lignocellulose.


1.4.4. Quá trình đường hóa và lên men đồng thời (SSF – Simulteneous
Sacharification & Fermentation)
Đường hóa và lên men đồng thời được coi như là sự kết hợp các cơ chất trong quá trình xử
lý (thường là thủy phân enzyme) và lên men trong bình phản ứng gián đoạn. Khái niệm
SSF rất có ý nghóa vì nó cho phép vi sinh vật lên men trong hệ thống tiêu thụ và vì vậy
làm giảm nồng độ sản phẩm cuối ức chế hoạt tính của enzym. Ví dụ như, trong hệ
cellulase,
β
- glucosidases phân hủy cellobiohydrolases ức chế exo-glucanases. Sản phẩm
cuối, glucose lại ức chế ngược lại
β
-glucosidases. Trong quy trình SSF, vi sinh vật lên men
được bổ sung vào hệ thống để chuyển hóa glucose thành sản phẩm lên men mong muốn.
Saddler và cộng sự [33] thực hiện nghiên cứu xác đònh hiệu quả của quá trình SSF trong
điều kiện xử lý. Nghiên cứu chỉ ra nhược điểm lớn nhất của SSF: nhiệt độ thủy phân tối ưu
và nhiệt độ lên men tối ưu thường không phù hợp nhau. Điển hình là, enzyme cellulolytic
hoạt động khoảng 50
0
. Trong khi vi sinh vật trong hệ thống lên men ví dụ như nấm men
lại thường không thể sống quá 40
0
C.

1.5. NHẬN XÉT
Các công trình nghiên cứu về vấn đề này đã chứng tỏ được ưu điểm của việc sử dụng cồn
nhiên liệu cũng như viễn cảnh của việc sản xuất cồn từ biomass. Nguồn biomass phế thải
là nguồn cacbon có ở khắp mọi nơi nhưng việc ứng dụng chúng đòi hỏi phải có sự đầu tư
nghiên cứu về mặt kỹ thuật. Các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới đã và đang nghiên cứu
trên các biomass từ thiên nhiên và tính kinh tế để khai thác các nguồn năng lượng mới

này. Nghiên cứu thành công sẽ giúp đưa ra giải pháp quản lý rác thải nông nghiệp và lâm
nghiệp đồng thời sản xuất các hóa chất và các sản phẩm khác từ chất thải. Đề tài nghiên
cứu này là một đóng góp nhỏ góp phần vào những nghiên cứu mang tính chất hệ thống
nhằm xử lý và tận dụng nguồn sinh khối từ sản xuất nông nghiệp rất sẵn có ở Việt Nam.